JPS5970886A - 内燃機関の点火方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃焼効率の上昇をはかるための内燃機関の点火
方法に関するものである。

従来の内燃機関点火方法は以下の８ｉ類に分類すること
ができる。すなわち ｌ）火花点火：圧縮された燃料と空気の混合気を電気火
花により点火燃焼させる方式。

２）圧縮点火：空気を圧縮して高温（５００〜５ｂＯ℃
）にし、そのなかへ燃料を霧状に噴射し、で点火させる
方式。

８）焼玉点火；シリンダーヘッド内に焼玉または火球と
称する加熱個所を設け、これに燃料を噴射して燃焼させ
る方式。

である。本発明の点火方法は上述した８種の点火方法の
中の１）の点火方法に属する。

第１図に通常の４サイクルガソリン機関の作動原理を示
す。エンジン構造及び細部に関しては種種変形したもの
があるが、その作動原理は本図と同一である。

第１図（、）に示す吸入行程においては吸入バルブ２を
開き、ピストン４の下降（Ｃつ）して燃料と空気との混
合気をシリンダ５内部に吸入する。

次に、第１図（ｂ）に圧縮工程を示す。ピストン４゛け
下死点に達した後上昇を始め、それと同時に吸入パルプ
２が閉じられる。排気弁は閉じられたままであるのでピ
ストン４の上昇につれて、燃料と空気の混合気は数倍か
ら１０数倍の圧力に圧縮され、温度も上昇する。

ピストン４が上死点に達する少し前に点火プラグ１へ高
電圧のインパルスを印加し、高温、高圧の混合気に点火
する。混合気の急激な燃焼により生じた高圧ガスがピス
トン４を下方に押し下げる結果、コネクチングロッド６
を介してピストンに連結されたクランクシャフト７が回
転する。この工程が第１図（ｃ）に示す爆発行程である
。ピストンが再び上昇し始める時排気弁を開き、燃焼し
たガスを外方に排出する。これが第１図（６）に示す排
気工程である。

以上は４サイクルガソリン機関の作動原理の説明である
が、他の内燃機関においても上述した行程を連続的Ｋ（
重複する形で）行うか、あるいは更にその他の内燃機関
では燃料を圧縮行程中に噴出する等の変形はあるものの
、本質的にＬ同様のサイクルを行い動力を発生している
。

この際間叩となるのは点火プラグを用いる点火方法と、
点火された混合気の燃焼過程である。先ず、点火プラグ
を用いる点火方法では、圧縮行程の終り近くで、ピスト
ンが上死点に達する少し前に、ある時点で高電圧インパ
ルスを点火プラグの中心型、極と接地電極との間に印加
することにより、両電極間に火花放電を発生させ点火を
行なっている。ところがこの高電圧インパルスには多数
の周波数成分が含オれており、かつその電圧および電流
の波形は、嘔−の点火装置＋ｆｋ用いているにも力１か
わらず各シリンダー間、及び放電毎に一定とは限らず、
むしろ異なっており、史には点火プラグを用いる方式に
おいては、各シリンクーに高電圧インパルスを供給する
ためにイグニッションコイルおよび分配器からなる部分
が必要であり、この部分でも高電圧のインパルスによる
放電が発生するため点火のための高電圧発生に際し火花
雑音電波などによる電波障害を引き起し雑音源ともなっ
ていると言う間順があった。その上、火花放電、による
点火は実質的にシリンダ内壁附近で行なわれる一点（又
は数点、但しこの場合には数個の点火プラグを同時に点
火する必要があり）からの四点欝における点火であり、
燃焼波はシリンダ内の圧縮された混合気の表面から混合
気内部へ伝播して行き、混合気全体が燃焼するので燃焼
波の伝播速度は極めて遅く（だいたい２０〜２５　ｍｌ
　ｓｅｃ　、程度である）、その上ピストンは時間の経
過と共に移動するため、混合気が完全に燃焼されない間
に爆発行程を終える場合もあり、燃焼効率が極めて悪い
と言う問題があった。この従来の火花点火方式をその特
質に合わせて以後「点・点火方式」と称する。

理想的には燃焼波の伝播速度を充分に上げ、ピ・　スト
ンが相対的に静止していると見なせる時間内に混合気を
完全に燃焼することができれば燃焼効率を高めることが
でき、内燃機関にとって好ましくない「ノッキング」等
の現象も発生しない。

しかしながら燃焼液伝播速度を太きくしかつ、確実に混
合気に着火することは非常に困難である。

本発明の目的は上述した間舅点を解決し、燃焼効率を高
め、単位体積当りの動力発生率を上昇せしめる全く新し
い点火方式を提供するにある。

この目的を達成するため本発明の燃料点火装置は燃料と
空気との混合気を燃焼するための内燃機関の燃焼室内に
、振幅変調を受けた単色光あるいはそれに近い高周波電
磁波を用いて固有の励振モードを有する高周波電磁界を
形成し、前記燃焼室内に形成された前記電磁界による絶
縁破壊により前記混合気に点状、線状、もしくは面状に
点火することを特徴とする、 以下本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明の実施例であって第１図に示す点火プラ
グｌに代りシリンダ５内に高周波電磁界を形成するだめ
のアンテナ８を用いる。適当な発振器を用いて高周波電
磁波をアンテナ８に供給する。アンテナを通してシリン
ダ内に導入された高周波電磁波は、ピストンとシリンダ
とで形成される空間内で固有のモード（励振姿態）をつ
くる。

円筒形の場合の空間の電界及び磁界の分布の例を゛第８
図、第４図に示す。

説明を簡牟化するために、この空間を円筒形であると仮
定する。もちろん他の形状であっても原理的には何んら
代りない。

電磁界強度が最大となる点は、第８図に示すＴＥ□。１
モードでは点イ附近であり、第４図に示すＴＥ１１．１
モードでは内口附近である。伺、矢印は電気力線の方向
を表わし■（×）は磁力線の方向を表わす。

ここでｒ　ＴＥ、ｏｎ、　Ｊとは電界ベクトルが、電磁
波の伝播方向（第８図の場合には、Ｚ軸方向）に対し直
角であることを意味し、ｍは円周方向θ、ｎは上述の様
に半径方向ｒ、およびｌは軸方向２のモード数（電磁界
ベクトルの変化数）を規定する。

従ってシリンダヘッドとピストンとで形成される燃焼室
の形状により定まるシリンダ内空間の固有波長と電磁波
の波長とが一致するよう定めることにより第８図に代表
される様な種々のモードを一層強く励損することが可能
であり、その結果内部電磁界強度を一層増加させること
ができる。一般に高周波電磁界強度はシリンダの中心部
や、そ□れに近い部分が周辺部の壁近辺に比し非常に強
く、高周波電磁界が充分に強い場合にけ、シリンダ内で
絶縁破壊が起こり、混合気に点火される。

ここで円筒状燃焼室の場合のＴＥｍｎｉモードに対する
共振波長λは次式で与えられる。

たたし、ａは円筒の半径、Ｌは軸長、！！は整数であり
、ｙ′　はベッセル関１：ＩＩＪ’　（Ｘ）　＝　０の
第１番目ｍｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　ｍの根である。寸だ、燃焼室は導電性物体（例
えば金属等）で出来ているとする。

第８図の場合は、ｍ＝ｌ、ｎ−１，Ｉ！＝１に対応し、
（１）式より、共振波長はλ／ａ＝２．！３８、第４図
の場合には、ｍ＝０、ｎ＝１．／＝１に対応し、（１）
式より共振波長はλ／　ａ　＝　ｌ　、　４７である。

但しＬ　／　ａ　＝　１．７とした。

なお類似のモードとしてＴＭｍｎｅモードも存在する。

これは磁界ベクトルが伝播方向に対（２て直角であるこ
とを意味するほかＶｉＴＥモードと同じであって、この
モードを使用しても何等さしつかえない。

共振状態における燃焼室内の電磁界強度は、一般に燃焼
室を構成する壁材料により異なるがその電磁界強度を知
るには、燃焼室空間のＱ値を知ればその目安とできる。

ここでＱ値とは燃料を吸入していない状態における空間
内の蓄積エネルギーと壁面の導体にて消費される電力と
の比を現わし、円筒形燃焼室のモデルでは次式により定
義される。

２πδ（ｙ”’　＋　２π”ｅ”ｙ”　（’）８＋（辿
）”（１−”’））ｍｎ　　　　ｍｎ　Ｌ　　　Ｌ　　
　　Ｌ。

・・・（８） ただし、δは表皮の深さ。

従って燃焼室壁の導電性がよい程δは小さく、１周期の
間に壁面の導体にて消費される電力が少なくＱ値が大き
くなることがわかる。

第５図に燃焼室壁をアルミ材とした場合のＱ値の計算例
を示す。第５図かられかることは燃焼室壁の導電性を良
くし、ピストンとシリンダとで形成されるシリンダ内空
間の固有波長に電磁波の波長を一致させることにより、
シリンダ内空間の電、磁界強度を入射電磁界強度の数１
００倍から数１０００倍以上に増加することが可能であ
るということである。その結果絶縁破壊は一層容易に起
こり、シリンダ内空間の混合気に点火することができる
。

一方、高周波電磁界をかならずしも定常的に保持する必
要はなく点火時にのみ高周波発振器を発振させればよい
。と言うのは燃焼前の絶縁体と異なり、燃焼中の圧縮ガ
ス体はプラズマ状態になっていて導電性があるので一度
燃焼が開始されると、外部からの電磁波はシリンダ内部
に入り難くなる。

従って燃焼が開始された時点で高周波電磁界を遮断して
もよく余分な高周波エネルギーをシリンダ内部に注入す
る必要はない。

換言すれば混合気が燃焼している間は発振器の動作を停
止させるか、あるーは電磁波に振幅変調をかけるなどし
て電磁波電力の供給を実質的に停止し必要な時期にのみ
高周波電磁波をシリンダ内に導入ずれば良い。実施例に
あっては、尖頭電力Ｉ　ＫＷ　、　２．５　ＧＨ，の高
周波発振器からの電磁波をアンテナ８を通して約ｌＯμ
ｓｅｃ　、の間シリンダル内に導入したところ内部で絶
縁破壊を起こした。

以上詳述したよ、うに本発明の点火方法では、着火点が
ピストンとシリンダとで形成されるシリンダ空間内の混
合気のほぼ中央部に位置し、その着火形状は多くの場合
「線状」又は「面状」、特別な場合には「点状」であり
燃焼波はほぼシリンダの中心部すなわち、着火点より球
面状又は円筒状に広がり、又は同時に収縮しながら立体
的に、周辺部へ向って伝播していくので、その伝播距離
は従来の点・点火方式に比し短かく、燃焼波の伝播速度
が通常の２０〜２５ｍ／ｓθＣであるとしても、燃焼波
は点・点火方式に較べ短時間で周辺部にまで到達する。

従って燃料の燃焼効率が高く、ノッキング等の要因であ
る未燃混合気の急激な燃焼が起りにくい。叉点・点火の
場合着火点は温度が低いシリンダ壁に近く、着火しにく
いと言う点があるが本発明着火方法はシリンダ空間内の
温度が高くなった混合気の中央部分に着火するので着火
が容易であると言う効果がある。

なお本発明は上述した実施例に限られることなく種々の
変更を加えることができる。例えば副燃焼室を有するよ
うな内燃機関にあっては燃焼室の形状がピストンの位置
によらず一定であるので高周波電磁界の波長と燃焼室の
持つ固有波長とを一致させ共振状態におくことは容易で
ある。

本発明で用いる電磁波源としては種々の発信源が対象と
なるが非常に短い波長の電磁波すなわち高い周波数の電
磁波、例えば可視光線等を使用しても何んら差しつかえ
ない。この様な場合に（ｄアンテナの形状を変更する必
要があり、例えば入射電磁波に対して透明な物質を持っ
た窓とすればよい。

【図面の簡単な説明】

第１栄は従来の４サイクル内燃機関の動作を示す説明図
、 第２図は本発明の実施例を示す説明図、第３図及び第４
図は高周波電磁界の電界強度分布を示す説明図、 第５図は燃焼室内のＱ値の計ｑ例を示す図である。 ｌ・・・点火プラグ、２　’−・・吸気弁、８・・・排
気弁、４・・・ピストン、５・・・シリンダ、６・・・
コネクチングロッド、？・・・クランクシャフト、８・
・・アンテナ、９・・・高周波発振器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　燃料と空気との混合気を燃焼するための内燃機関の
   燃焼室内に、振幅変調を受けた単色光あるいはそれに近
   い高周波電磁波を用いて固有の励振モードを有する高周
   波電磁界を形成し、前記燃焼室内に形成された前記電磁
   界による絶縁破壊により前記混合気に点状、線状、もし
   くは面状に点火することを特徴とする内燃機関の点火方
   法。 東　前記混合気を含む燃焼室内の固有の励振モードと前
   記高周波電磁界の固有の励振モードとをほぼ一致させて
   、前記燃焼室内の高周波電磁界強度を増大させることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関の点
   火方法。