WO2009113690A1

WO2009113690A1 - バルブを用いたプラズマ装置

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Publication number: WO2009113690A1
Application number: PCT/JP2009/054963
Authority: WO
Inventors: 池田裕二
Original assignee: イマジニアリング株式会社
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2009-09-17
Also published as: US20110031886A1; US8485162B2; CN101970848B; EP2264306A4; JP5061310B2; EP2264306A1; JP2009221945A; EP2264306B1; CN101970848A

Abstract

　燃焼室に露出する電極を有してシリンダヘッドに設けた放電装置と、バルブヘッドのバルブフェイスに設けたアンテナと、バルブステムに設けられ、一端がアンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位などにある受電部まで延びる電磁波伝送路と、受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置と、バルブヘッドが吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じた圧縮行程に放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成したバルブを用いたプラズマ装置である。

Description

バルブを用いたプラズマ装置

　本発明は、内燃機関の技術分野に属し、吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を、吸気バルブ又は排気バルブにより所定タイミングでもって開閉するようにした内燃機関の燃焼室における燃焼の改善に関する。

　特許文献１は、シリンダ及びピストンから構成され、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応室と、反応性ガスと酸化ガスとの混合気を高圧で噴射することで反応性ガスと酸化ガスとの混合気を圧縮して温度を上昇させ、自着火させる手段と、上記燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段と、上記自着火させる手段及び上記マイクロ波放射手段を制御する制御手段とを備え、上記マイクロ波放射手段及び上記着火手段は、上記制御手段によって制御されることにより、上記マイクロ波放射手段が上記燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射してこの燃焼・反応領域における混合気中の水分から多量のヒドロキシル（ＯＨ）ラジカル、オゾン（Ｏ₃）を発生させた後に、化学的に酸化、反応させ、上記自着火させる手段が上記混合気に対し着火し、多量のＯＨラジカル、オゾンによってこの燃焼・反応領域における混合気の燃焼を促進させるというサイクルを繰り返すことを特徴とする内燃機関を開示している。

　特許文献２ないし４は、燃焼室に電界を形成するようにした内燃機関を開示している。このうち特許文献２は、シリンダウォールを有するシリンダブロックと、上記シリンダブロック上に配置されるシリンダヘッドと、上記シリンダブロック内に配置されるピストンと、上記シリンダウォール、シリンダヘッド及びピストンから形成される燃焼室と、エンジン燃焼中に燃焼室に電界を印加する電界印加手段とを備えた内燃機関を開示している。この内燃機関では、火炎に電界が印加されると、イオンが火炎内に移動して互いに衝突して火炎伝播速度が増加すると共に、既に燃焼したガスの中のイオンが燃焼しなかったガスに移動して燃焼しなかったガスの化学反応を変化させる。これによって、火炎の温度が一定に維持されエンジンのノッキングが抑制される。
特開２００７－１１３５７０号公報特開２０００－１７９４１２号公報特開２００２－２９５２５９号公報特開２００２－２９５２６４号公報

発明の概要

　本発明者は、特許文献１に開示された内燃機関における燃焼促進のメカニズムを推定し、それについて一定の知見を得た。それは、まず放電により小規模のプラズマが形成され、これに一定時間マイクロ波を照射すると、このマイクロ波パルスにより上記プラズマが拡大成長し、これによって混合気中の水分から大量のＯＨラジカルやオゾンが短時間で生成され、これらによって空気と燃料との混合気の燃焼反応が促進されるというものである。このプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムは、特許文献２ないし４が開示するところのイオンによる火炎伝播速度の増加という燃焼促進メカニズムとは全く異なる。

　特許文献２の技術では、上記電界印加手段は燃焼室に電界を印加するように配置された伝導体部材を備えている。この伝導体部材は、好ましくは約１．０ｍｍの直径を有するニクロム線であり、これをシリンダブロックのシリンダウォール内に挿入される環状絶縁体に設けられた環状溝内に形成している。このように特許文献２ないし４の技術は、従来の内燃機関において主要な構造部材であるシリンダブロックなどに大幅に手を加えなければならない。そのため、これらの内燃機関は設計に要する工数が大きくなり、また既存の内燃機関との間で多くの部品の共通化を図ることができない。

　本発明は、このような点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、出来るだけ既存の内燃機関を利用して上記したプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムを容易に実現し、これによって当該内燃機関の設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化を実現することができるバルブを用いたプラズマ装置を提供することにある。

　本発明は、燃焼室に接続して吸気通路又は排気通路の一部を構成するようにシリンダヘッドに設けられた吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を、吸気ポート又は排気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するガイド孔にバルブステムが往復自在に嵌まった吸気バルブ又は排気バルブにおける上記バルブステムの先端に設けられたバルブヘッドにより所定タイミングでもって開閉するようにした内燃機関に設けられるバルブを用いたプラズマ装置である。このバルブを用いたプラズマ装置は、
　上記燃焼室に露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置と、
　上記バルブヘッドのバルブフェイスに設けられたアンテナと、
　上記バルブステムに設けられ、一端が上記アンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位又はそれよりも上記バルブヘッドから遠い部位にある受電部まで延びる電磁波伝送路と、
　この受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置と、
　上記バルブヘッドが上記吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じた圧縮行程に放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成している。

　内燃機関の作動時における圧縮行程に上記放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射する。そうすると、電極の近傍に放電によりプラズマが形成され、このプラズマはアンテナから一定時間供給された電磁波、つまり電磁波パルスからエネルギの供給を受け、プラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から燃焼が促進される。すなわち、電極近傍の電子が加速され、上記プラズマの領域外へ飛び出す。この飛び出した電子は、上記プラズマの周辺領域にある空気、燃料及び空気の混合気などのガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離しプラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた電磁波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。以上の動作により、プラズマの体積が増大する。この後、電磁波パルスの放射が終了すると、その時点でプラズマの存在する領域では、電離より再結合が優位になる。その結果、電子密度が低下する。それに伴いプラズマの体積は減少に転じる。そして、電子の再結合が完了すると、プラズマが消滅する。この間に大量に形成されたプラズマにより混合気中の水分などから大量に生成されたＯＨラジカル、オゾンにより混合気の燃焼が促進される。

　その場合、既存の内燃機関に較べると主要な構造部材であるシリンダブロックなどをそのまま利用し、これらに吸気バルブ若しくは排気バルブ及びその周辺構造の改造を行い、もともと点火プラグが必須である内燃機関は別としてそうでない内燃機関にはシリンダヘッドに放電装置を設ければよい。そのため、当該内燃機関の設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化が実現される。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、
　上記アンテナが、バルブフェイスにおいて中心を取り囲むようにほぼＣ字形に形成され、このアンテナの一端が電磁波伝送路に接続していてもよい。

　このようにすれば、アンテナがバルブフェイスにコンパクトに設けられる。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、
　上記受電部が上記バルブステム外面に露出しており、
　上記シリンダヘッドに設けられ、少なくとも上記バルブヘッドが吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する誘電体よりなる誘電部材と、
　上記シリンダヘッドに設けられ、この誘電部材に対して上記バルブステムと反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材を備え、
　この給電部材に電磁波発生装置から電磁波を供給するように構成してもよい。

　このようにすれば、電磁波発生装置からの電磁波が、給電部材、誘電部材、及び受電部を介して非接触でもって電磁波伝送路へ伝送される。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、
　上記シリンダヘッドには吸気ポート又は排気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するバルブガイド装着孔が設けられ、このバルブガイド装着孔に誘電体よりなる筒形のバルブガイドが嵌まり、このバルブガイドの孔によってガイド孔が構成されており、
　このバルブガイドにおける、少なくとも上記バルブヘッドが吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する部位が誘電部材になっていてもよい。

　このようにすれば、公知のバルブガイド装着構造を利用することで、電磁波発生装置からの電磁波が非接触でもって電磁波伝送路へ伝送される。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、
　上記アンテナに電磁波を供給したときにバルブヘッドのバルブフェイスの周囲に生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられていてもよい。

　このようにすれば、電極で放電により形成されたプラズマに、近くにあるアンテナからの電磁波パルスが放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、燃焼が一層促進される。

図１は、本発明の第１実施形態のバルブを用いたプラズマ装置を備えた実施形態の内燃機関の燃焼室付近における縦断面図である。図２は、本発明の第１実施形態のバルブを用いたプラズマ装置を備えた実施形態の内燃機関の排気ポート付近における拡大した縦断面図である。図３は、本発明の第１実施形態のバルブを用いたプラズマ装置で用いた排気バルブの拡大した縦断面図である。図４は、本発明の第１実施形態のバルブを用いたプラズマ装置で用いた排気バルブのバルブヘッドをバルブフェイスの側からみた拡大図である。図５は、本発明の第２実施形態のバルブを用いたプラズマ装置で用いた排気バルブの拡大した縦断面図である。

符号の説明

　Ｅ　　　内燃機関
　１００　シリンダブロック
　１１０　シリンダ
　２００　ピストン
　３００　シリンダヘッド
　３１０　吸気ポート
　３１１　開口
　３３０　ガイド孔
　３２０　排気ポート
　３２１　開口
　３４０　ガイド孔
　３５０　バルブガイド装着孔
　３６０　バルブガイド
　４００　燃焼室
　５１０　吸気バルブ
　５１１　バルブステム
　５１２　バルブヘッド
　５２０　排気バルブ
　５２１　バルブステム
　５２１ａ　基本部
　５２１ｂ　外周部
　５２２　バルブヘッド
　５２２ａ　基本部
　５２２ｂ　バルブフェイス
　８１０　放電装置
　８１２　第１の電極
　８１３　第２の電極
　８２０　アンテナ
　８３０　電磁波伝送路
　８４０　電磁波発生装置
　８５０　誘電部材
　８６０　給電部材

発明を実施するための形態

　以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のバルブを用いたプラズマ装置を備えた内燃機関Ｅの実施形態を示す。本発明が対象とする内燃機関は往復動機関であるが、この実施形態の内燃機関Ｅは、４サイクルのガソリン機関である。１００はシリンダブロックであって、このシリンダブロック１００には横断面がほぼ円形のシリンダ１１０が貫通して設けられ、このシリンダ１１０には、横断面がシリンダ１１０に対応したほぼ円形の形状をしたピストン２００が往復自在に嵌っている。このシリンダブロック１００の反クランクケース側には、シリンダヘッド３００が組み付けられており、このシリンダヘッド３００と、ピストン２００と、シリンダ１１０とにより、燃焼室４００を形成している。９１０は一端がピストン２００に連結され、他端が出力軸であるクランクシャフト９２０に連結されたコネクティングロッドである。シリンダヘッド３００には、一端が上記燃焼室４００に接続し且つ他端がシリンダヘッド３００の外壁に開口して吸気通路の一部を構成する吸気ポート３１０と、一端が上記燃焼室４００に接続し且つ他端がシリンダヘッド３００の外壁に開口して排気通路の一部を構成する排気ポート３２０が設けられている。シリンダヘッド３００には、吸気ポート３１０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するガイド孔３３０が設けられ、このガイド孔３３０に吸気バルブ５１０の棒形のバルブステム５１１が往復自在に嵌まっており、カムなどを有する動弁機構（図示省略）によりバルブステム５１１の先端に設けられた傘形のバルブヘッド５１２によって吸気ポート３１０の燃焼室側の開口３１１を所定タイミングでもって開閉するように構成している。また、シリンダヘッド３００には、排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するガイド孔３４０が設けられ、このガイド孔３４０に排気バルブ５２０の棒形のバルブステム５２１が往復自在に嵌まっており、カムなどを有する動弁機構（図示省略）によりバルブステム５２１の先端に設けられた傘形のバルブヘッド５２２によって排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を所定タイミングでもって開閉するように構成している。８１０は一対の電極８１２、８１３が燃焼室４００に露出するようにシリンダヘッド３００に設けられた点火プラグであって、ピストン２００が上死点付近にあるときに電極で放電するように構成されている。よって、ピストン２００が上死点と下死点との間を２往復する間に、燃焼室４００において混合気の吸入、圧縮、爆発、及び排気ガスの排気の４つの行程を行うようにしている。しかし、この実施形態によって本発明が対象とする内燃機関が限定解釈されることはない。本発明は２サイクルの内燃機関、ディーゼル機関も対象にしている。対象とするガソリン機関には、燃焼室に吸入した空気に燃焼室で燃料を噴射して混合気を形成する直噴式ガソリン機関も含まれる。また対象とするディーゼル機関には、燃焼室に燃料を噴射する直噴式ディーゼル機関も、副室に燃料を噴射するようにした副室式ディーゼル機関も含まれる。また、この実施形態の内燃機関Ｅは４気筒であるが、これによって本発明が対象とする内燃機関の気筒数が限定解釈されることはない。また、この実施形態の内燃機関は２本の吸気バルブ５１０と２本の排気バルブ５２０を設けているが、これによって本発明が対象とする内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブの本数が限定解釈されることはない。７００は、シリンダブロック１００とシリンダヘッド３００との間に装着されたガスケットである。

　上記点火プラグ８１０は、本発明のバルブを用いたプラズマ装置の放電装置８１０としても機能する。この放電装置８１０は、上記シリンダヘッド３００に設けられている。この放電装置８１０は、燃焼室４００を構成する壁に取り付けられており、燃焼室４００の外側に配置された接続部８１１と、上記接続部８１１に電気的に接続された第１の電極８１２と、シリンダヘッド３００に接触して接地された第２の電極８１３とを備えており、この第１の電極８１２と第２の電極８１３とが所定の隙間をあけて対向し、いずれも上記燃焼室４００に露出している。放電装置８１０は、放電用の電圧を発生させる放電用電圧発生装置９５０に接続されている。ここでは放電用電圧発生装置９５０は１２Ｖの直流電源及び点火コイルである。このシリンダヘッド３００を接地し、接続部８１１を放電用電圧発生装置９５０に接続し、シリンダへッド３００と接続部８１１との間に電圧を印加すると、第１の電極８１２と第２の電極８１３との間で放電するようになっている。このように一対の電極を設けずに、放電装置の電極と燃焼室を構成する壁、又はその他の接地部材との間で放電させるようにしてもよい。内燃機関が例えばディーゼルエンジンであるときは、本来、点火プラグを備えていないので、燃焼室に露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置を新たに設けることになる。その場合、放電装置としてここで説明したような点火プラグを設け、これを放電用電圧発生装置に接続してもよい。しかし、放電装置は、放電により規模の大小を問わずプラズマを形成できるものであればよいので、点火プラグでなくてもよく、例えば圧電素子又はその他の装置であってもよい。

　図２ないし図４に示すように、上記排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２のバルブフェイス５２２ｂには、アンテナ８２０が設けられている。バルブフェイス５２２ｂは、バルブヘッド５２２の面のうち排気ポート３２０に面する背面とは反対側にある面であり、バルブヘッド５２２によって排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じたときに燃焼室４００に面することになる面である。このアンテナ８２０は金属により形成されている。このアンテナは電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよいが、アンテナと接地部材との間に電磁波を供給したときにアンテナから燃焼室４００へ電磁波が良好に放射されなければならない。このアンテナ８２０は棒形に形成されて湾曲しており、バルブヘッド５２２のバルブフェイス５２２ｂにおいて中心を取り囲むようにほぼＣ字形に形成されており、燃焼室４００へ電磁波を放射するようになっている。すなわち、アンテナ８２０は、バルブヘッド５２２をバルブステム５２１が延びる方向に沿ってみたときに、バルブフェイス５２２ｂを取り囲むようにほぼＣ字形に、つまり一部が欠落した環状形に形成されている。バルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位の内部は誘電体で形成されて基本部５２１ａを形成し、この基本部５２１ａの外周側におけるガイド孔３４０に嵌る部位が金属で形成されて外周部５２１ｂとなっている。この外周部５２１ｂを金属で形成したのは耐摩擦性及び耐熱性の向上のためであるが、他の材料で形成してもよい。また、バルブステム５２１においてガイド孔３４０に嵌る部位以外の部分まで誘電体で形成してもよい。さらに、バルブヘッド５２２において上記バルブステム５２１の基本部５２１ａに連続する部位は誘電体により形成されて基本部５２２ａとなっている。そして、バルブヘッド５２２の燃焼室側になるバルブフェイス５２２ｂは金属で形成されている。バルブフェイス５２２ｂを金属で形成したのは耐熱性の向上のためであるが、他の材料で形成してもよい。アンテナ８２０は、バルブヘッド５２２の基本部５２２ａの背面に設けられている。ここでは上記誘電体としてセラミックスを用いているが、他の誘電体又は絶縁体で形成してもよい。また、例えば、このアンテナ８２０の長さを電磁波の４分の１波長に設定すると、アンテナ８２０に定在波が生じるので、アンテナ８２０の先端付近で電磁波の電界強度が大になる。さらに、例えば、アンテナ８２０の長さを電磁波の４分の１波長の倍数に設定すると、アンテナ８２０に定在波が生じるため、アンテナ８２０の複数箇所で定在波の腹が生じて電磁波の電界強度が大になる。アンテナ８２０はバルブヘッド５２２のなかに埋まっていてもよい。さらに、上記アンテナ８２０に電磁波を供給したときにバルブヘッド５２２のバルブフェイス５２２ｂの周囲に生じる電磁波の電界強度が大になる部位の近傍に上記第１の電極８１２と第２の電極８１３とが位置づけられている。ここではアンテナ８２０の先端が第１の電極８１２と第２の電極８１３とに接近するように配置されている。よって、アンテナ８２０と接地部材であるシリンダヘッド３００との間に電磁波を供給すると、アンテナ８２０から燃焼室４００へ電磁波を放射するようになっている。そして、このアンテナ８２０の一端が次に説明する電磁波伝送路８３０に接続している。この実施形態の場合、上記アンテナ８２０は棒形のモノポールアンテナであり、そのなかでも湾曲したものであるが、本発明のプラズマ装置のアンテナは、これに限定されない。したがって、本発明のプラズマ装置のアンテナは、例えば、ダイポールアンテナ、八木・宇田アンテナ、単線給電アンテナ、ループアンテナ、位相差給電アンテナ、接地アンテナ、非接地型垂直アンテナ、ビームアンテナ、水平偏波全方向性アンテナ、コーナーアンテナ、くし形アンテナ、若しくはその他の線形アンテナ、マイクロストリップアンテナ、板形逆Ｆアンテナ、若しくはその他の平面アンテナ、スロットアンテナ、パラボラアンテナ、ホーンアンテナ、ホーンリフレクタアンテナ、カセグレンアンテナ、若しくはその他の立体アンテナ、ビバレージアンテナ、若しくはその他の進行波アンテナ、スター型ＥＨアンテナ、ブリッジ型ＥＨアンテナ、若しくはその他のＥＨアンテナ、バーアンテナ、微小ループアンテナ、若しくはその他の磁界アンテナ、又は誘電体アンテナであってもよい。

　図３に示すように、上記排気バルブ５２０のバルブステム５２１には電磁波伝送路８３０が設けられている。この電磁波伝送路８３０は銅線により形成されている。電磁波伝送路８３０は電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよいが、接地部材との間に電磁波を供給したときにアンテナ８２０へ電磁波が良好に伝送されなければならない。電磁波伝送路の変形例の一つとして、電気伝導体又は誘電体により形成された導波管よりなる電磁波伝送路がある。バルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位には受電部５２１ｃが設けられている。この受電部５２１ｃは電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよい。ここでは受電部５２１ｃはバルブステム５２１の外周部に設けているが、内部に設けてもよい。ただし、受電部５２１ｃの形状及び材質は、後述のとおり給電部材８６０との結合方式により選ばれる。この受電部はバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位よりも上記バルブヘッドから遠い部位に設けてもよい。この電磁波伝送路８３０は、一端が上記アンテナ８２０に接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位にある受電部５２１ｃまで延びて当該受電部５２１ｃに接続している。ここでは電磁波伝送路８３０はバルブステム５２１の基本部５２１ａのなかを延びているので、電磁波伝送路８３０の他端は誘電体に覆われて受電部５２１ｃまで延びていることになる。しかし、基本部が絶縁体により形成されたときは、電磁波伝送路の他端は絶縁体に覆われて受電部まで延びていることになる。よって、受電部５２１ｃとシリンダヘッド３００などの接地部材との間に電磁波を供給すると、電磁波をアンテナ８２０に導くようになっている。

　内燃機関Ｅ又はその周辺には、上記受電部５２１ｃに電磁波を供給する電磁波発生装置８４０が設けられている。この電磁波発生装置８４０は電磁波を発生するが、この実施形態の電磁波発生装置８４０は、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波を発生するマグネトロンである。しかし、これによって本発明のプラズマ装置の電磁波発生装置の構成は限定解釈されない。

　図２及び図３に示すように、上記受電部５２１ｃは上記排気バルブ５２０における上記バルブステム５２１の外面に露出している。シリンダヘッド３００には誘電部材８５０と給電部材８６０とが設けられている。誘電部材８５０はセラミックにより形成され、少なくとも上記排気バルブ５２０における上記バルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する。誘電部材は誘電体により形成されておればよい。また、給電部材８６０は金属により形成され、上記誘電部材８５０に対して上記排気バルブ５２０におけるバルブステム５２１と反対側から近接する。給電部材８６０は電気伝導体より形成されておればよい。誘電部材８５０を介した給電部材８６０と受電部５２１ｃとの間での電磁波のやり取りは、電界結合式（容量式）、磁界結合式（誘導式）のいずれの方式であってもよい。給電部材８６０と受電部５２１ｃとの形状及び材質は、その方式に応じて選択すればよい。例えば電界結合式を用いるならば、給電部材８６０と受電部５２１ｃとには、対向する板状の電気伝導体を選択すればよい。または給電部材８６０と受電部５２１ｃとにそれぞれ、電磁波発生装置８４０の発生する電磁波に対し所定の利得を有する電界アンテナを選択すればよい。磁界結合式を用いるならば、給電部材８６０と受電部５２１ｃとには、コイル状の電気伝導体を選択すればよい。または給電部材８６０と受電部５２１ｃとにそれぞれ、電磁波発生装置８４０の発生する電磁波に対し所定の利得を有する磁界アンテナを選択すればよい。そして、この給電部材８６０に上記電磁波発生装置８４０の出力信号が入れられていて、電磁波発生装置８４０から電磁波を供給するようになっている。

　図２に示すように、上記シリンダヘッド３００には排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するバルブガイド装着孔３５０が設けられ、このバルブガイド装着孔３５０にセラミックスよりなる筒形のバルブガイド３６０が嵌まり、このバルブガイド３６０の孔によってガイド孔３４０が構成されている。バルブガイドは誘電体であればよい。そして、このバルブガイド３６０における、少なくとも上記排気バルブ５２０におけるバルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する部位が誘電部材８５０になっている。

　そして、このプラズマ装置は、上記バルブヘッド５２２が上記排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じた圧縮行程に放電装置８１０の第１の電極８１２と第２の電極８１３とで放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射するように構成している。シリンダブロック１００、又はシリンダヘッド３００は接地されており、放電用電圧発生装置９５０及び電磁波発生装置８４０の接地端子は接地されている。そして、放電用電圧発生装置９５０及び電磁波発生装置８４０の作動は制御装置８８０により制御される。制御装置８８０はＣＰＵ、メモリ、記憶装置などを備えており、入力信号を演算処理して制御用信号を出力する。この制御装置８８０にはクランクシャフト９２０のクランク角を検出するクランク角検出装置８９０の信号線が接続され、このクランク角検出装置８９０から制御装置８８０へクランクシャフト９２０のクランク角の検出信号が送られてくる。よって、制御装置８８０はクランク角検出装置８９０からの信号を受け、放電装置８１０及び電磁波発生装置８４０の作動を制御する。しかし、これによって本発明のプラズマ装置の制御方法及び信号入出力の構成は限定解釈されない。

　従って、内燃機関Ｅの作動時における圧縮行程に上記放電装置８１０の第１の電極８１２と第２の電極８１３とで放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射する。そうすると、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍に放電によりプラズマが形成され、このプラズマはアンテナ８２０から一定時間供給された電磁波、つまり電磁波パルスからエネルギの供給を受けたプラズマにより大量に生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより燃焼が促進される。すなわち、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍の電子が加速され、上記プラズマの領域外へ飛び出す。この飛び出した電子は、上記プラズマの周辺領域にある空気、燃料及び空気の混合気などのガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離しプラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた電磁波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。以上の動作により、プラズマの体積が増大する。この後、電磁波パルスの放射が終了すると、その時点でプラズマの存在する領域では、電離より再結合が優位になる。その結果、電子密度が低下する。それに伴いプラズマの体積は減少に転じる。そして、電子の再結合が完了すると、プラズマが消滅する。この間に大量に形成されたプラズマにより混合気中の水分などから大量に生成されたＯＨラジカル、オゾンにより混合気の燃焼が促進される。

　その場合、既存の内燃機関に較べると主要な構造部材であるシリンダブロック１００などをそのまま利用し、これらに排気バルブ５２０及びその周辺構造の改造を行い、この実施形態のようにもともと点火プラグ８１０が必須である内燃機関Ｅは別としてそうでない内燃機関にはシリンダヘッドに放電装置を設ければよい。そのため、当該内燃機関Ｅの設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化が実現される。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、アンテナの形状又は構造を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のプラズマ装置は、上記アンテナ８２０を、排気バルブ５２０のバルブフェイス５２２ｂにおいて中心を取り囲むようにほぼＣ字形に形成し、このアンテナ８２０の一端を電磁波伝送路８３０に接続した。このようにすれば、アンテナ８２０をバルブフェイス５２２ｂにコンパクトに設けられる。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、電磁波発生装置から電磁波伝送路へ電磁波を伝送するための構造を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のプラズマ装置は、上記受電部５２１ｃが上記排気バルブ５２０のバルブステム５２１の外面に露出しており、上記シリンダヘッド３００に設けられ、少なくとも上記排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する誘電体よりなる誘電部材８５０と、上記シリンダヘッド３００に設けられ、この誘電部材８５０に対して上記バルブステム５２１と反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材８６０を備え、この給電部材８６０に電磁波発生装置８４０から電磁波を供給するように構成した。このようにすれば、電磁波発生装置８４０からの電磁波が、給電部材８６０、誘電部材８５０、及び受電部５２１ｃを介して非接触でもって電磁波伝送路８３０へ伝送される。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、ガイド孔付近の構造を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のプラズマ装置は、上記シリンダヘッド３００に排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するバルブガイド装着孔３５０を設け、このバルブガイド装着孔３５０に誘電体よりなる筒形のバルブガイド３６０を嵌め、このバルブガイド３６０の孔によってガイド孔３４０を構成し、このバルブガイド３６０における、少なくとも上記バルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する部位を誘電部材とした。このようにすれば、公知のバルブガイド装着構造を利用することで、電磁波発生装置８４０からの電磁波が非接触でもって電磁波伝送路８３０へ伝送される。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置は、アンテナと電極との位置関係を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のバルブを用いたプラズマ装置は、上記アンテナ８２０に電磁波を供給したときにバルブヘッド５２２のバルブフェイス５２２ｂの周囲に生じる電磁波の電界強度が大になる部位の近傍に第１の電極８１２及び第２の電極８１３を位置づけた。このようにすれば、第１の電極８１２及び第２の電極８１３で放電により形成されたプラズマに、近くにあるアンテナ８２０からの電磁波パルスが放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、燃焼が一層促進される。

　次に、本発明のバルブを用いたプラズマ装置の第２実施形態を説明する。この第２実施形態のプラズマ装置は、排気バルブ５２０の構成のみが第１実施形態のプラズマ装置と異なっている。第１実施形態のプラズマ装置の排気バルブ５２０では、バルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位の内部を基本部５２１ａとして誘電体又は絶縁体で形成し、この基本部５２１ａの外周側におけるガイド孔３４０に嵌る部位を外周部５２１ｂとして金属で形成した。これに対し、図５に示すように、第２実施形態のプラズマ装置の排気バルブ５２０では、基本部５２１ａも外周部５２１ｂも一体的に構成し、これを誘電体又は絶縁体で形成した。このようにすれば、バルブステム５２１の直径が同じであれば誘電体又は絶縁体が占める容積が大きくなる。そのため、第１実施形態と第２実施形態とで電磁波伝送路８３０のインピーダンスを同レベルに設定する場合、第２実施形態の電磁波伝送路８３０の断面積を大きく設定することができるので、電磁波伝送路８３０の伝送効率が上がる。その他の作用及び効果は第１実施形態のプラズマ装置の場合と同様である。

　本発明のバルブを用いたプラズマ装置では、一対の電極、又は電極及びこれと対をなす接地部材は、誘電体により被覆されていてもよい。この場合、電極間又は電極と設置部材の間に印加された電圧によって、誘電体バリア放電が行われる。誘電体バリア放電では、電極又は接地部材を覆う誘電体表面に電荷が蓄積され放電が制限されるため、放電はごく短時間に且つごく小規模に行われる。放電が短期間で終了するため周辺部の熱化が起こらない。すなわち電極間での放電によるガスの温度上昇が低減する。ガスの温度上昇の低減は、内燃機関でのＮＯ_Xの発生量低減に資する。

　以上で説明した実施形態では、排気バルブを用いてプラズマ装置を構成した。すなわち、これらのプラズマ装置は、排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２のバルブフェイス５２２ｂにアンテナ８２０を設け、排気バルブ５２０のバルブステム５２１に電磁波伝送路８３０を設け、排気バルブ５２０のバルブステム５２１に設けた受電部５２１ｃに電磁波を供給する電磁波発生装置８４０を設け、上記排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２が上記排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を閉じた圧縮行程に放電装置８１０の電極で放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射するように構成した。しかし、本発明は、吸気バルブを用いてプラズマ装置を構成した実施形態を含んでいる。すなわち、吸気バルブを用いたプラズマ装置は、吸気バルブのバルブヘッドのバルブフェイスにアンテナを設け、吸気バルブのバルブステムに電磁波伝送路を設け、吸気バルブのバルブステムに設けた受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置を設け、上記吸気バルブのバルブヘッドが上記吸気ポートの燃焼室側の開口を閉じた圧縮行程に放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成する。この場合、吸気バルブ、アンテナ、電磁波伝送路、受電部、電磁波発生装置、放電装置、その電極などの構成は排気バルブを用いたプラズマ装置における排気バルブなどと同様に構成する。そして、吸気バルブを用いたプラズマ装置により得られる作用及び効果は上述した各実施形態により得られる作用及び効果と同様である。そして、上記アンテナを、バルブフェイスにおいて中心を取り囲むようにほぼＣ字形に形成し、このアンテナの一端を電磁波伝送路に接続したときに得られる作用及び効果は上述した各実施形態により得られる作用及び効果と同様である。また、上記受電部が上記バルブステム外面に露出しており、上記シリンダヘッドに設けられ、少なくとも上記バルブヘッドが吸気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する誘電体よりなる誘電部材と、上記シリンダヘッドに設けられ、この誘電部材に対して上記バルブステムと反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材を備え、この給電部材に電磁波発生装置から電磁波を供給するように構成したときに得られる作用及び効果は上述した各実施形態により得られる作用及び効果と同様である。さらに、上記シリンダヘッドに吸気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するバルブガイド装着孔が設けられ、このバルブガイド装着孔に誘電体よりなる筒形のバルブガイドが嵌まり、このバルブガイドの孔によってガイド孔が構成されており、このバルブガイドにおける、少なくとも上記バルブヘッドが吸気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する部位が誘電部材になっているときに得られる作用及び効果は上述した各実施形態により得られる作用及び効果と同様である。また、上記アンテナに電磁波を供給したときにアンテナに生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられているときに得られる作用及び効果は上述した各実施形態により得られる作用及び効果と同様である。

　本発明は、以上の実施形態の特徴を組み合わせた実施形態を含んでいる。また、以上の実施形態は本発明のバルブを用いたプラズマ装置のいくつかの例を示したに過ぎない。したがって、これらの実施形態の記載によって本発明のバルブを用いたプラズマ装置が限定解釈されることはない。

Claims

　燃焼室に接続して吸気通路又は排気通路の一部を構成するようにシリンダヘッドに設けられた吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を、吸気ポート又は排気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するガイド孔にバルブステムが往復自在に嵌まった吸気バルブ又は排気バルブにおける上記バルブステムの先端に設けられたバルブヘッドにより所定タイミングでもって開閉するようにした内燃機関に設けられるバルブを用いたプラズマ装置であって、
　上記燃焼室に露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置と、
　上記バルブヘッドのバルブフェイスに設けられたアンテナと、
　上記バルブステムに設けられ、一端が上記アンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位又はそれよりも上記バルブヘッドから遠い部位にある受電部まで延びる電磁波伝送路と、
　この受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置と、
　上記バルブヘッドが上記吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じた圧縮行程に放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成したバルブを用いたプラズマ装置。
　上記アンテナが、バルブフェイスにおいて中心を取り囲むようにほぼＣ字形に形成され、このアンテナの一端が電磁波伝送路に接続している請求項１のバルブを用いたプラズマ装置。
　上記受電部が上記バルブステム外面に露出しており、
　上記シリンダヘッドに設けられ、少なくとも上記バルブヘッドが吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する誘電体よりなる誘電部材と、
　上記シリンダヘッドに設けられ、この誘電部材に対して上記バルブステムと反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材を備え、
　この給電部材に電磁波発生装置から電磁波を供給するように構成した請求項１又は請求項２のバルブを用いたプラズマ装置。
　上記シリンダヘッドには吸気ポート又は排気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するバルブガイド装着孔が設けられ、このバルブガイド装着孔に誘電体よりなる筒形のバルブガイドが嵌まり、このバルブガイドの孔によってガイド孔が構成されており、
　このバルブガイドにおける、少なくとも上記バルブヘッドが吸気ポート又は排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する部位が誘電部材になっている請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項のバルブを用いたプラズマ装置。
　上記アンテナに電磁波を供給したときにバルブヘッドのバルブフェイスの周囲に生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられている請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項のバルブを用いたプラズマ装置。