WO2012105568A2 - プラズマ装置 - Google Patents

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flame
combustion chamber
plasma
electromagnetic
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昌司 金子
池田　裕二
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イマジニアリング株式会社
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    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/10—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having continuous electric sparks

Definitions

  • the present invention relates to a plasma apparatus that ignites an air-fuel mixture by radiating electromagnetic waves into a combustion chamber of an engine to generate electromagnetic plasma.
  • Patent Document 1 a plasma apparatus that ignites an air-fuel mixture by radiating electromagnetic waves into an engine combustion chamber to generate electromagnetic plasma.
  • This type of plasma apparatus is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • Patent Document 1 describes a plasma expansion device that generates a spark discharge in a discharge gap of a spark plug and emits microwaves toward the discharge gap.
  • the plasma generated by the spark discharge receives energy from the microwave pulse. This accelerates electrons in the plasma region, promotes ionization, and increases the volume of the plasma.
  • this type of plasma apparatus can generate a plasma having a higher intensity than the discharge plasma generated by the spark discharge, and can therefore ignite a lean air-fuel mixture in the combustion chamber of the engine.
  • the flame propagation speed decreases as the air-fuel mixture is diluted, the air-fuel mixture discharged unburned increases. Therefore, although the fuel efficiency of the engine is improved due to the dilution of the air-fuel mixture, the degree of improvement in fuel efficiency is reduced by the amount of increase in the unburned air-fuel mixture.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to perform lean combustion of an air-fuel mixture in a plasma apparatus that ignites an air-fuel mixture by radiating electromagnetic waves into an engine combustion chamber to generate electromagnetic wave plasma. It is to improve the fuel consumption of the engine when it is used.
  • the first invention is provided with electromagnetic wave radiation means for radiating electromagnetic waves in a combustion chamber of an engine, and at the timing of igniting an air-fuel mixture in the combustion chamber, electromagnetic waves are radiated to the combustion chamber by the electromagnetic wave radiation means to generate electromagnetic wave plasma.
  • the plasma device for igniting the air-fuel mixture by controlling the electromagnetic wave emission means so that the electromagnetic wave is emitted to the combustion chamber during the flame propagation after the air-fuel mixture is ignited, Flame acceleration means for increasing the flame propagation speed by resonating with electrons in the propagation flame is provided.
  • electromagnetic waves are radiated to the combustion chamber by the electromagnetic radiation means, and the emitted electromagnetic waves and the electrons in the propagation flame are resonated. This effectively accelerates the electrons in the propagating flame and increases the flame propagation speed.
  • the flame accelerating means controls the electromagnetic wave radiating means for radiating an electromagnetic wave having a frequency set in consideration of the frequency of plasma vibration on the propagation flame surface during flame propagation.
  • the radiated electromagnetic wave is resonated with the plasma vibration.
  • an electromagnetic wave having a frequency set in consideration of the frequency of the plasma vibration so that the plasma vibration and the electromagnetic wave on the propagation flame surface resonate is radiated to the combustion chamber. Therefore, since the plasma vibration and the electromagnetic wave resonate, the electrons in the propagation flame are effectively accelerated and the flame propagation speed is increased.
  • the flame accelerating means causes the electromagnetic wave radiating means to emit an electromagnetic wave and radiate when the propagating flame passes a predetermined acceleration position during the flame propagation.
  • a magnetic field is formed to rotate the electrons in the flame at the acceleration position at a frequency that resonates with the electromagnetic wave.
  • the propagating flame passes through the acceleration position during the flame propagation, a magnetic field is formed that swirls the electrons in the flame at the acceleration position at a frequency that resonates with the emitted electromagnetic wave. For this reason, the electrons in the propagation flame are effectively accelerated, and the flame propagation speed is improved.
  • the engine is a reciprocating engine in which a piston reciprocates, and the electromagnetic wave radiating means radiates an electromagnetic wave from an antenna attached to a cylinder head facing the piston.
  • the flame accelerating means is configured to radiate an electromagnetic wave to the electromagnetic wave radiating means when the propagating flame passes through the acceleration position, an electric line for forming a magnet arranged in a cylinder head so as to surround the antenna, and Accelerating control means for flowing current through the electric line.
  • the propagating flame passes through the acceleration position, a current is supplied to the electric line, and a magnetic field is formed to rotate electrons in the flame at the acceleration position at a frequency that resonates with the radiated electromagnetic wave. . Therefore, the electrons in the propagation flame are effectively accelerated over the entire circumference of the propagation flame.
  • ionization means for ionizing the gas in the combustion chamber, and at the timing for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber, Electromagnetic plasma is generated by ionizing and radiating electromagnetic waves to the combustion chamber by the electromagnetic radiation means.
  • the gas in the combustion chamber is ionized by the ionization means at the timing when the air-fuel mixture is ignited in the combustion chamber. Thereby, free electrons are emitted. Free electrons are accelerated by the electromagnetic waves emitted from the electromagnetic wave radiation means. As a result, electromagnetic plasma is generated.
  • the radiated electromagnetic wave and the electrons in the propagation flame are resonated to efficiently supply energy to the electrons in the flame and increase the flame propagation speed. For this reason, when the air-fuel mixture is lean burned, the air-fuel mixture exhausted without being burned decreases. Therefore, the output of the engine with respect to the fuel charged into the combustion chamber increases, so that the fuel efficiency of the engine can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine in Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a plasma generation apparatus in Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an engine in a modification of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an engine in a second embodiment.
  • Embodiment 1 is essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
  • the first embodiment is an engine 20 including a plasma device 30 that generates electromagnetic wave plasma (for example, microwave plasma) by radiating electromagnetic waves to the combustion chamber 10 to ignite an air-fuel mixture.
  • the engine 20 is a reciprocating type plasma ignition engine in which a piston 23 reciprocates.
  • the engine 20 includes an engine main body 16 and a plasma device 30.
  • the engine main body 16 includes a cylinder block 21, a cylinder head 22, and a piston 23 as shown in FIG.
  • a plurality of cylinders 24 having a circular cross section are formed in the cylinder block 21.
  • a piston 23 is provided in each cylinder 24 so as to reciprocate.
  • the piston 23 is connected to the crankshaft via a connecting rod (not shown).
  • the crankshaft is rotatably supported by the cylinder block 21.
  • the cylinder head 22 is placed on the cylinder block 21 with the gasket 18 in between.
  • the cylinder head 22 partitions the combustion chamber 10 together with the cylinder 24 and the piston 23.
  • the cylinder head 22 is provided with one spark plug 15 for each cylinder 24.
  • the spark plug 15 is attached to the cylinder head 22 so that a discharge gap between the center electrode 15 a and the ground electrode 15 b is located in the combustion chamber 10.
  • the cylinder head 22 has an intake port 25 and an exhaust port 26 for each cylinder 24.
  • the intake port 25 is provided with an intake valve 27 that opens and closes the intake port 25 and an injector 29 that injects fuel.
  • the fuel injected from the injector 29 is supplied to the air flowing through the intake port 25.
  • the exhaust port 26 is provided with an exhaust valve 28 for opening and closing the exhaust port 26.
  • the plasma device 30 includes an ignition coil 31, the spark plug 15, a pulse power source 32, an electromagnetic wave oscillator 33, a mixer 34, and a controller 35.
  • the ignition coil 31 constitutes a pulse generator that generates a high voltage pulse.
  • the electromagnetic wave oscillator 33 is, for example, a magnetron or a semiconductor oscillator.
  • the spark plug 15 is a discharger that generates a discharge upon receiving a high voltage pulse, and constitutes an ionization means for ionizing the gas in the combustion chamber.
  • the controller 35 is provided in, for example, an electronic control unit (ECU) that controls the engine 20.
  • ECU electronice control unit
  • the ignition coil 31 is connected to a 12V automobile battery (not shown). When the ignition coil 31 receives an ignition signal from the controller 35, it outputs a high voltage pulse to the mixer 34. When receiving an electromagnetic wave oscillation signal from the controller 35, the pulse power supply 32 supplies a pulse current to the electromagnetic wave oscillator 33. Upon receiving the pulse current, the electromagnetic wave oscillator 33 outputs an electromagnetic wave pulse to the mixer 34. The mixer 34 mixes the high voltage pulse and the electromagnetic wave pulse and outputs them to the center electrode 15 a of the spark plug 15.
  • the plasma apparatus 30 when a high voltage pulse and an electromagnetic wave pulse are supplied to the center electrode 15a of the spark plug 15 at the same time, a spark discharge is generated in the discharge gap of the spark plug 15, and the discharge plasma generated by the spark discharge is generated. Thus, electromagnetic waves are irradiated from the center electrode 15a.
  • the center electrode 15a functions as an antenna for electromagnetic waves. Discharge plasma generated by the spark discharge expands by absorbing electromagnetic energy. In this way, the plasma apparatus 30 generates non-equilibrium electromagnetic wave plasma.
  • the air-fuel mixture in the combustion chamber 10 is volume-ignited by electromagnetic wave plasma immediately before the piston 23 reaches top dead center. The electromagnetic plasma is extinguished immediately after the air-fuel mixture is ignited.
  • the pulse power source 32 When the pulse power source 32 receives the electromagnetic wave oscillation signal, the pulse power source 32 outputs a pulse current for a predetermined duration with a predetermined duty ratio.
  • the electromagnetic wave oscillator 33 outputs an electromagnetic wave pulse over a continuous time. When the duration time elapses from the output point of the electromagnetic wave oscillation signal, the oscillation of the electromagnetic wave pulse is stopped and the electromagnetic wave plasma disappears.
  • the pulse power source 32, the electromagnetic wave oscillator 33, the mixer 34, and the spark plug 15 constitute electromagnetic wave radiation means for radiating electromagnetic waves to the combustion chamber 10 of the engine 20.
  • the controller 35 constitutes ignition control means for causing the electromagnetic wave emission means to emit electromagnetic waves at the ignition timing for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber 10.
  • the controller 35 outputs an ignition signal and an electromagnetic wave oscillation signal with the ignition timing immediately before the piston 23 reaches top dead center in the compression stroke.
  • the controller 35 controls the electromagnetic wave radiating means to radiate the electromagnetic wave to the combustion chamber 10 during the flame propagation in the combustion chamber 10, and the emitted electromagnetic wave and the electrons in the propagating flame are generated.
  • Flame accelerating means for increasing the flame propagation speed by resonating is constituted.
  • the electromagnetic wave plasma is extinguished at the timing of increasing the flame propagation speed.
  • the controller 35 outputs an electromagnetic wave oscillation signal to the pulse power source 32 at a predetermined timing during flame propagation, thereby causing the electromagnetic wave oscillator 33 to oscillate the electromagnetic wave and radiate the electromagnetic wave from the center electrode 15 a of the spark plug 15.
  • the combustion reaction spreads throughout the combustion chamber 10 by flame propagation.
  • the propagation flame spreads outward from the ignition position of the air-fuel mixture (the central portion of the combustion chamber 10) toward the cylinder wall.
  • the controller 35 controls the electromagnetic wave oscillator 33 via the pulse power source 32 so that the electromagnetic wave is emitted to the combustion chamber 10 in synchronization with the time when the propagation flame surface reaches the acceleration position where the propagation flame is to be accelerated. . At this time, no spark discharge is generated.
  • the acceleration position is set, for example, in the vicinity of the middle of the line connecting the central axis of the combustion chamber 10 and the cylinder wall.
  • the oscillation frequency of the electromagnetic wave oscillator 33 takes into consideration the frequency fp of the plasma vibration of the propagation flame surface passing through the acceleration position so that the electromagnetic wave radiated to the combustion chamber 10 and the plasma vibration of the propagation flame surface at the acceleration position resonate. Is set. Specifically, the oscillation frequency of the electromagnetic wave oscillator 33 is set to the same value as the plasma vibration frequency fp (hereinafter referred to as “target frequency”) of the propagation flame surface passing through the acceleration position. The oscillation frequency of the electromagnetic wave oscillator 33 only needs to be approximately equal to the target frequency fp.
  • the frequency of the plasma oscillation in the flame depends on the electron density Ne and is determined by the following formula 1.
  • the unit of Ne is cm ⁇ 3 .
  • Formula 1: fp (Hz) 9000 ⁇ ⁇ (Ne)
  • the electromagnetic wave oscillator 33 has a millimeter wave with an oscillation frequency of 0.9 GHz to 285 GHz. A band oscillator is selected.
  • the target electron density Ne changes depending on, for example, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture and the position of the acceleration position in the combustion chamber 10.
  • the target electron density Ne is acquired in advance by measurement or the like. Then, the oscillation frequency of the electromagnetic wave oscillator 33 is determined from the acquired value.
  • the electromagnetic wave emission timing is controlled by an electromagnetic wave oscillation signal transmitted from the controller 35.
  • the controller 35 outputs an electromagnetic wave oscillation signal not only at the ignition timing but also at a timing delayed by a predetermined crank angle with respect to the ignition timing. This timing is preset in the controller 35 so as to coincide with the timing at which the propagation flame reaches the acceleration position.
  • plasma vibration and electromagnetic waves resonate, and electrons in the propagation flame can be effectively accelerated.
  • the burning speed can be improved by the fast electrons generated in the propagating flame.
  • the combustion speed is low due to a lean mixture or the like, it is not possible to burn all the fuel until the piston reaches the bottom dead center in the expansion stroke. Therefore, a relatively large amount of unburned hydrocarbon is exhausted.
  • the fuel that has been discharged unburned can be reduced, and the fuel efficiency can be improved.
  • the ion probe 100 for detecting that the propagation flame surface has reached the acceleration position where the propagation flame is to be accelerated is provided in the engine body 16.
  • the ion probe 100 is disposed at the acceleration position.
  • the ion probe 100 is provided, for example, so as to be exposed to the combustion chamber 10 between the intake ports 25 in the cylinder head 22.
  • the controller 35 When receiving the flame surface arrival signal from the ion probe 100, the controller 35 outputs an electromagnetic wave oscillation signal as a pulse power source.
  • the second embodiment will be described while referring to differences from the first embodiment.
  • the plasma apparatus 30 generates a magnetic field for forming a magnetic field for rotating electrons in the propagation flame at a frequency that resonates with an electromagnetic wave (for example, 2.45 GHz) radiated to the combustion chamber 10 at the acceleration position.
  • the coil 200 (electrical line) is provided.
  • the coil 200 is arranged on the valve face of each intake valve 27 (the surface exposed to the combustion chamber 10) and on the valve face of each exhaust valve 28.
  • An exhaust side valve passage portion 202 and a head passage portion 203 disposed on the exposed surface of the combustion chamber 10 of the cylinder head 22 are provided.
  • the coil 200 constitutes a coil by connecting the intake side valve passage portion 201, the exhaust side valve passage portion 202, and the head passage portion 203 to each other in the explosion stroke in which the intake valve 27 and the exhaust valve 28 are closed. In this state, the coil 200 surrounds the ignition position of the air-fuel mixture by the electromagnetic wave plasma (position of the spark plug 15).
  • the coil 200 is connected to a DC power source 204 that applies a DC current to the coil 200.
  • the controller 35 controls the electromagnetic wave oscillator 33 so that the electromagnetic wave is radiated to the combustion chamber 10 when the propagation flame passes through the acceleration position during the propagation of the flame, and the direct current power source so that the current flows through the coil 200.
  • Acceleration control means for controlling 204 is configured.
  • flame acceleration means is configured by the coil 200 and the controller 35.
  • the acceleration position matches the position of the coil 200 when the combustion chamber 10 is viewed from the axial direction.
  • the controller 35 outputs a magnetic field formation signal to the DC power supply 204 and outputs an electromagnetic wave oscillation signal to the pulse power supply 32 in synchronization with the timing at which the propagation flame surface reaches the acceleration position.
  • the output timing of these control signals is preset in the controller 35 so as to coincide with the timing at which the propagation flame reaches the acceleration position.
  • the controller 35 outputs a magnetic field formation signal to the DC power source 204 with a delay of a preset crank angle with respect to the ignition timing, and outputs an electromagnetic wave oscillation signal to the pulse power source 32.
  • the controller 35 may detect that the propagation flame surface has reached the acceleration position with the ion probe 100 and output the magnetic field formation signal and the electromagnetic wave oscillation signal.
  • the ion probe 100 is disposed slightly inside the coil 200 so as not to interfere with the coil 200.
  • the DC power supply 204 receives a magnetic field formation signal and passes a current through the coil 200. As a result, a magnetic field having a predetermined intensity is generated in the combustion chamber 10, and a resonance layer is formed at the acceleration position.
  • the value of the current is set in advance so as to generate a magnetic field having a magnetic flux density B (for example, 875 Gauss) on the propagation flame surface at the acceleration position.
  • the magnetic flux density B is determined using Equation 2 below.
  • Formula 2: f_ce (e ⁇ B) / (2 ⁇ ⁇ m_e)
  • f_ce represents an electron cyclotron frequency (Hz)
  • e represents an elementary charge (Coulomb)
  • B represents a magnetic flux density (T (Tesla)
  • 1T 10000 Gauss
  • m_e represents an electron mass (kg).
  • the pulse power source 32 oscillates a pulse current in response to the electromagnetic wave oscillation signal, and the electromagnetic wave oscillator 33 oscillates the electromagnetic wave in response to the pulse current.
  • the electromagnetic wave oscillated from the electromagnetic wave oscillator 33 is radiated from the center electrode 15 a to the combustion chamber 10.
  • the combustion speed can be improved by the high-speed electrons generated in the flame. Therefore, the fuel that has been discharged unburned can be burned, and the fuel consumption can be improved.
  • Modification 1 of Embodiment 2
  • the flame acceleration means may be a permanent magnet that forms a magnetic field at the acceleration position.
  • the coil 200 may be disposed outside the engine main body 16.
  • the engine body 16 is made of a nonmagnetic material.
  • the above embodiment may be configured as follows.
  • the plasma device 30 may not be provided with a discharger such as the spark plug 15 and may be configured to generate electromagnetic wave plasma using only electromagnetic waves.
  • the application location of the high voltage pulse and the oscillation location of the electromagnetic wave may be separate.
  • an electromagnetic wave antenna is provided separately from the center electrode 15 a of the spark plug 15.
  • the mixer 34 is not necessary, the ignition coil 31 and the spark plug 15 are directly connected, and the electromagnetic wave oscillator 33 and the electromagnetic wave antenna are directly connected.
  • the pulse power source 32, the electromagnetic wave oscillator 33, and the electromagnetic wave antenna constitute electromagnetic wave radiation means.
  • the electromagnetic wave antenna may be built in the spark plug 15 or may be provided in the cylinder head 22 separately from the spark plug 15.
  • the present invention is useful for a plasma apparatus that ignites an air-fuel mixture by radiating electromagnetic waves into a combustion chamber of an engine to generate electromagnetic plasma.
  • Combustion chamber 15 Spark plug (ionization means) 15a Center electrode (electromagnetic radiation means) 16 Engine body 20 Engine 30 Plasma generator 35 Controller (ignition control means, flame acceleration means)

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Abstract

　エンジン２０の燃焼室１０に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置３０において、混合気を希薄燃焼させる場合のエンジン２０の燃費を向上させる。燃焼室１０において混合気を着火させた後の火炎伝播中に、燃焼室１０に電磁波を放射して、電磁波と伝播火炎中の電子を共鳴させる。この電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる。

Description

プラズマ装置
　本発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置に関するものである。
　従来から、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置が知られている。この種のプラズマ装置が、例えば特許文献１に開示されている。
　具体的に、特許文献１には、スパークプラグの放電ギャップでスパーク放電を生じさせると共に、その放電ギャップに向けてマイクロ波を放射するプラズマ拡大装置が記載されている。このプラズマ拡大装置では、スパーク放電により生成されたプラズマがマイクロ波パルスからエネルギーを受ける。これにより、プラズマ領域の電子が加速され、電離が促進されて、プラズマの体積が増大する。
特開２００９－３８０２５号公報
　ところで、この種のプラズマ装置は、スパーク放電により生成される放電プラズマに比べて強度が強いプラズマを生成することができるので、エンジンの燃焼室において希薄な混合気に着火することができる。しかし、混合気を希薄にするほど火炎の伝播速度が低下するので、未燃のまま排出される混合気が増加する。従って、混合気の希薄化によりエンジンの燃費が向上するものの、未燃の混合気が増加する分だけ燃費の向上度合いが低くなる。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置において、混合気を希薄燃焼させる場合のエンジンの燃費を向上させることにある。
　第１の発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射する電磁波放射手段を備え、上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより上記混合気を着火させるプラズマ装置を対象とし、上記混合気の着火後の火炎伝播中に燃焼室へ電磁波が放射されるように上記電磁波放射手段を制御して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる火炎加速手段を備えている。
　第１の発明では、混合気の着火後の火炎伝播中に、電磁波放射手段により電磁波を燃焼室に放射して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させる。これにより、伝播火炎中の電子が効果的に加速され、火炎伝播速度が増大する。
　第２の発明は、第１の発明において、上記火炎加速手段が、伝播火炎面におけるプラズマ振動の周波数を考慮して設定された周波数の電磁波を放射する電磁波放射手段を火炎伝播中に制御して、放射された電磁波を上記プラズマ振動と共鳴させる。
　第２の発明では、火炎伝播中に、伝播火炎面におけるプラズマ振動と電磁波が共鳴するようにそのプラズマ振動の周波数を考慮して設定した周波数の電磁波が、燃焼室へ放射される。従って、プラズマ振動と電磁波が共鳴するので、伝播火炎中の電子が効果的に加速され、火炎伝播速度が増大する。
　第３の発明は、第１の発明において、上記火炎加速手段が、上記火炎伝播中に伝播火炎が所定の加速位置を通過する際に、上記電磁波放射手段に電磁波を放射させると共に、放射された電磁波と共鳴する周波数で上記加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場を形成する。
　第３の発明では、火炎伝播中に伝播火炎が加速位置を通過する際に、放射された電磁波と共鳴する周波数で加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場が形成される。このため、伝播火炎中の電子が効果的に加速され、火炎伝播速度が向上する。
　第４の発明は、第３の発明において、上記エンジンは、ピストンが往復運動するレシプロエンジンであり、上記電磁波放射手段は、上記ピストンに対面するシリンダヘッドに取り付けられたアンテナから電磁波を放射し、上記火炎加速手段は、上記アンテナを囲うようにシリンダヘッドに配置された磁気形成用の電気線路と、上記伝播火炎が上記加速位置を通過する際に上記電磁波放射手段に電磁波を放射させ、且つ、上記電気線路に電流を流通させる加速用制御手段とを有している。
　第４の発明では、伝播火炎が上記加速位置を通過する際に、電気線路に電流が供給され、放射された電磁波と共鳴する周波数で加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場が形成される。従って、伝播火炎の全周囲に亘って、伝播火炎中の電子が効果的に加速される。
　第５の発明は、第１乃至第４の発明において、上記燃焼室のガスを電離にさせる電離手段を備え、上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電離手段により燃焼室のガスを電離させると共に、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射することにより、電磁波プラズマを生成する。
　第５の発明では、燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、電離手段により燃焼室のガスを電離させる。これにより、自由電子が放出される。自由電子は、電磁波放射手段から放出された電磁波により加速される。その結果、電磁波プラズマが生成される。
　本発明では、燃焼室において火炎伝播中に、放射した電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより、火炎中の電子へ効率的にエネルギーを供給し、火炎伝播速度を増大させる。このため、混合気を希薄燃焼させた場合に未燃のまま排気される混合気が減少する。従って、燃焼室に投入した燃料に対するエンジンの出力が増大するので、エンジンの燃費を向上させることができる。
実施形態１におけるエンジンの概略構成図である。 実施形態１におけるプラズマ生成装置の概略構成図である。 実施形態１の変形例におけるエンジンの概略構成図である。 実施形態２におけるエンジンの概略構成図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態１》
　本実施形態１は、燃焼室１０に電磁波を放射することにより電磁波プラズマ（例えば、マイクロ波プラズマ）を生成して混合気を着火させるプラズマ装置３０を備えたエンジン２０である。このエンジン２０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプのプラズマ着火エンジンである。エンジン２０は、エンジン本体部１６とプラズマ装置３０とを備えている。
　エンジン本体部１６は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。
　シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室１０を区画している。
　シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、スパークプラグ１５が１つずつ設けられている。スパークプラグ１５は、中心電極１５ａと接地電極１５ｂとの間の放電ギャップが燃焼室１０に位置するようにシリンダヘッド２２に取り付けられている。
　シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５を開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。本実施形態１では、インジェクター２９から噴射された燃料が吸気ポート２５を流れる空気に供給される。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６を開閉する排気バルブ２８が設けられている。
　プラズマ装置３０は、図２に示すように、点火コイル３１と上述のスパークプラグ１５とパルス電源３２と電磁波発振器３３と混合器３４と制御器３５とを備えている。点火コイル３１は、高電圧パルスを発生するパルス発生器を構成している。電磁波発振器３３は、例えばマグネトロンや半導体発振器である。スパークプラグ１５は、高電圧パルスを受けて放電を生じさせる放電器であり、燃焼室のガスを電離にさせる電離手段を構成している。なお、制御器３５は、例えばエンジン２０を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に設けられている。
　点火コイル３１は、１２Ｖの自動車のバッテリー（図示省略）に接続されている。点火コイル３１は、制御器３５から点火信号を受けると、高電圧パルスを混合器３４に出力する。パルス電源３２は、制御器３５から電磁波発振信号を受けると、電磁波発振器３３にパルス電流を供給する。パルス電流を受けた電磁波発振器３３は、混合器３４に電磁波パルスを出力する。混合器３４は、高電圧パルスと電磁波パルスを混合してスパークプラグ１５の中心電極１５ａに出力する。
　プラズマ装置３０では、同時期に高電圧パルスと電磁波パルスがスパークプラグ１５の中心電極１５ａに供給されると、スパークプラグ１５の放電ギャップでスパーク放電が生じ、そのスパーク放電により生じた放電プラズマに対して、中心電極１５ａから電磁波が照射される。中心電極１５ａは、電磁波用のアンテナとして機能する。スパーク放電により生じた放電プラズマは、電磁波のエネルギーを吸収して拡大する。このようにして、プラズマ装置３０は、非平衡の電磁波プラズマを生成する。燃焼室１０の混合気は、ピストン２３が上死点に到達する直前に、電磁波プラズマにより体積着火される。電磁波プラズマは、混合気の着火直後に消滅する。
　なお、パルス電源３２は、電磁波発振信号を受けると、所定のデューティー比で所定の継続時間に亘ってパルス電流を出力する。電磁波発振器３３は、継続時間に亘って電磁波パルスを出力する。電磁波発振信号の出力時点から継続時間が経過すると、電磁波パルスの発振が停止され、電磁波プラズマが消滅する。
　本実施形態１では、パルス電源３２と電磁波発振器３３と混合器３４とスパークプラグ１５とが、エンジン２０の燃焼室１０に電磁波を放射する電磁波放射手段を構成している。制御器３５が、燃焼室１０において混合気を着火させる着火タイミングで電磁波放射手段に電磁波を放射させる着火の制御手段を構成している。制御器３５は、圧縮行程においてピストン２３が上死点に到達する直前を上記着火タイミングとして、点火信号および電磁波発振信号を出力する。
　本実施形態１では、制御器３５が、燃焼室１０において火炎伝播中に、燃焼室１０へ電磁波を放射するように電磁波放射手段を制御して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる火炎加速手段を構成している。火炎伝播速度を増大させるタイミングでは、電磁波プラズマは消滅している。制御器３５は、火炎伝播中の所定のタイミングで電磁波発振信号をパルス電源３２に出力することにより、電磁波発振器３３に電磁波を発振させて、スパークプラグ１５の中心電極１５ａから電磁波を放射させる。
　ここで、混合気が電磁波プラズマにより体積着火された後、火炎伝播により燃焼反応が燃焼室１０全体に広がる。伝播火炎は、混合気の着火位置（燃焼室１０の中央部）からシリンダ壁へ向かって外側へ広がる。制御器３５は、伝播火炎を加速させる予定の加速位置に伝播火炎面が到達した時期に同期して電磁波が燃焼室１０に放射されるように、パルス電源３２を介して電磁波発振器３３を制御する。この時にスパーク放電は発生させない。なお、加速位置は、例えば、燃焼室１０の中心軸とシリンダ壁とを結ぶ線の真ん中付近に設定される。
　電磁波発振器３３の発振周波数は、燃焼室１０に放射する電磁波と加速位置における伝播火炎面のプラズマ振動とが共鳴するように、加速位置を通過する伝播火炎面のプラズマ振動の周波数ｆｐを考慮して設定されている。具体的に、電磁波発振器３３の発振周波数は、加速位置を通過する伝播火炎面のプラズマ振動の周波数ｆｐ（以下、「対象周波数」という。）と同じ値に設定されている。なお、電磁波発振器３３の発振周波数は、対象周波数ｆｐと概ね等しければよい。
　火炎中のプラズマ振動の周波数は、電子密度Ｎｅに依存し、下記の式１で決定される。式１においてＮｅの単位はｃｍ－３である。
　式１：ｆｐ（Ｈｚ）＝９０００×√（Ｎｅ）
　加速位置を通過する火炎中の電子密度Ｎｅ（以下、「対象電子密度」という。）が、１０１０～１０１５ｃｍ－３であるとすると、電磁波発振器３３は、発振周波数が０．９ＧＨｚ～２８５ＧＨｚのミリ波帯の発振器が選択される。対象電子密度Ｎｅは、例えば混合気の空燃比や燃焼室１０における加速位置の位置に応じて変化する。対象電子密度Ｎｅは、計測などにより予め取得される。そして、取得した値から、電磁波発振器３３の発振周波数を決定する。
　電磁波の放射時期は、制御器３５から発信される電磁波発振信号によって制御される。制御器３５は、点火時期だけでなく、点火時期に対して所定のクランク角だけ遅れたタイミングで電磁波発振信号を出力する。このタイミングは、伝播火炎が加速位置に到達するタイミングに一致するように予め制御器３５に設定されている。
　　－実施形態１の効果－
　本実施形態１では、プラズマ振動と電磁波が共鳴し、伝播火炎中の電子を効果的に加速することができる。伝播火炎中に生成される高速電子により、燃焼速度を向上させることができる。ここで、希薄混合気などで燃焼速度が小さい場合には、膨張行程においてピストンが下死点に到達するまでに全ての燃料を燃焼させることができない。そのため、未燃のハイドロカーボンが比較的多く排気される。本実施形態１によれば、高速電子の効果で燃焼速度を向上させることで、未燃で排出されていた燃料を低減させることができ、燃費を向上させることができる。
　　－実施形態１の変形例－
　変形例では、エンジン本体部１６に、図３に示すように、伝播火炎を加速させる予定の加速位置に伝播火炎面が到達したことを検知するためのイオンプローブ１００が設けられている。イオンプローブ１００は、上記加速位置に配置されている。イオンプローブ１００は、例えばシリンダヘッド２２における吸気ポート２５の間に燃焼室１０に露出するように設けられている。制御器３５は、イオンプローブ１００から火炎面到達信号を受けると、電磁波発振信号をパルス電源出力する。
　《実施形態２》
　実施形態２について、実施形態１とは異なる点を説明する。
　本実施形態２のプラズマ装置３０は、燃焼室１０に放射される電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚ）と共鳴する周波数で伝播火炎中の電子を旋回させる磁場を上記加速位置に形成するための磁場発生用のコイル２００（電気線路）を備えている。
　コイル２００は、図４に示すように、各吸気バルブ２７のバルブフェイス（燃焼室１０に露出する面）に配置された吸気側バルブ通過部２０１と、各排気バルブ２８のバルブフェイスに配置された排気側バルブ通過部２０２と、シリンダヘッド２２の燃焼室１０露出面に配置されたヘッド通過部２０３とを備えている。コイル２００は、吸気バルブ２７及び排気バルブ２８が閉じられた爆発行程において、吸気側バルブ通過部２０１と排気側バルブ通過部２０２とヘッド通過部２０３とが互いに接続されることによりコイルを構成する。この状態では、コイル２００は、電磁波プラズマによる混合気の着火位置（スパークプラグ１５の位置）を囲っている。コイル２００には、コイル２００に直流電流を印加する直流電源２０４が接続されている。
　制御器３５は、火炎伝播中に伝播火炎が加速位置を通過する際に、電磁波が燃焼室１０に放射されるように電磁波発振器３３を制御し、且つ、コイル２００に電流が流れるように直流電源２０４を制御する加速用制御手段を構成している。本実施形態２では、コイル２００と制御器３５により火炎加速手段が構成されている。なお、本実施形態２では、燃焼室１０を軸方向から見た場合に、加速位置がコイル２００の位置と一致している。
　具体的に、制御器３５は、伝播火炎面が加速位置に到達するタイミングに同期して、直流電源２０４に磁場形成信号を出力し、パルス電源３２に電磁波発振信号を出力する。これらの制御信号の出力タイミングは、伝播火炎が加速位置に到達するタイミングに一致するように予め制御器３５に設定されている。制御器３５は、点火時期に対し、予め設定されたクランク角だけ遅れて磁場形成信号を直流電源２０４に出力し、電磁波発振信号をパルス電源３２に出力する。
　なお、実施形態１の変形例と同様に、イオンプローブ１００で伝播火炎面が加速位置に到達したことを検知して、制御器３５が磁場形成信号及び電磁波発振信号を出力しても良い。この場合、イオンプローブ１００は、コイル２００と干渉しないように、コイル２００の少しだけ内側に配置される。
　直流電源２０４は、磁場形成信号を受けて、コイル２００に電流を流す。その結果、燃焼室１０内に所定の強度の磁場が発生し、加速位置に共鳴層が形成される。電流の値は、加速位置の伝播火炎面に磁束密度Ｂ（例えば、８７５ガウス）の磁場を発生させるように予め設定されている。磁束密度Ｂは、下記の式２を用いて決定される。
　式２：ｆ_ｃｅ＝（ｅ×Ｂ）／（２π×ｍ_ｅ）
　上記式２において、ｆ_ｃｅは電子サイクロトロン周波数（Ｈｚ）、ｅは素電荷（クーロン）、Ｂは磁束密度（Ｔ（テスラ）、１Ｔ＝１００００ガウス）、ｍ_ｅは電子の質量（ｋｇ）を表している。
　パルス電源３２は、電磁波発振信号を受けてパルス電流を発振し、そのパルス電流を受けて電磁波発振器３３が、電磁波を発振する。電磁波発振器３３から発振された電磁波は、中心電極１５ａから燃焼室１０に放射される。
　以上の動作により、燃焼室１０では、コイル２００により形成される磁場により、加速位置における伝播火炎の電子が燃焼室１０に放射される電磁波と同じ周波数で旋回運動する。これにより、電子の旋回運動と電磁波とが共鳴し、効果的に電子が加速される。
　　－実施形態２の効果－
　実施形態２では、火炎中に生成される高速電子により、燃焼速度を向上させることができる。従って、未燃で排出されていた燃料を燃焼させることができ、燃費を向上させることができる。
　　－実施形態２の変形例１－
　実施形態２において、火炎加速手段が、加速位置に磁場を形成する永久磁石であってもよい。
　　－実施形態２の変形例２－
　実施形態２において、コイル２００をエンジン本体部１６の外側に配置してもよい。その場合は、エンジン本体部１６を非磁性の材料により構成する。
　《その他の実施形態》
　上記実施形態は、以下のように構成してもよい。
　上記実施形態において、プラズマ装置３０が、スパークプラグ１５のような放電器を有しておらず、電磁波のみにより電磁波プラズマを生成するように構成されていてもよい。
　また、上記実施形態において、高電圧パルスの印加箇所と電磁波の発振箇所とが別々であってもよい。その場合、スパークプラグ１５の中心電極１５ａとは別に電磁波用のアンテナが設けられる。混合器３４は必要なく、点火コイル３１とスパークプラグ１５とが直接接続され、電磁波発振器３３と電磁波用のアンテナとが直接接続される。この場合は、パルス電源３２と電磁波発振器３３と電磁波用のアンテナが、電磁波放射手段を構成する。電磁波用のアンテナは、スパークプラグ１５に内蔵してもよいし、スパークプラグ１５と別体にしてシリンダヘッド２２に設けてもよい。
　以上説明したように、本発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置について有用である。
　１０　　燃焼室
　１５　　スパークプラグ（電離手段）
　１５ａ　中心電極（電磁波放射手段）
　１６　　エンジン本体部
　２０　　エンジン
　３０　　プラズマ生成装置
　３５　　制御器（着火制御手段、火炎加速手段）
 
 

Claims (5)

  1. 　エンジンの燃焼室に電磁波を放射する電磁波放射手段を備え、
    　上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより上記混合気を着火させるプラズマ装置であって、
    　上記混合気の着火後の火炎伝播中に燃焼室へ電磁波が放射されるように上記電磁波放射手段を制御して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる火炎加速手段を備えている
    ことを特徴とするプラズマ装置。
  2. 　請求項１において、
    　上記火炎加速手段は、伝播火炎面におけるプラズマ振動の周波数を考慮して設定された周波数の電磁波を放射する電磁波放射手段を火炎伝播中に制御して、放射された電磁波を上記プラズマ振動と共鳴させる
    ことを特徴とするプラズマ装置。
  3. 　請求項１において、
    　上記火炎加速手段は、上記火炎伝播中に伝播火炎が所定の加速位置を通過する際に、上記電磁波放射手段に電磁波を放射させると共に、放射された電磁波と共鳴する周波数で上記加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場を形成する
    ことを特徴とするプラズマ装置。
  4. 　請求項３において、
    　上記エンジンは、ピストンが往復運動するレシプロエンジンであり、
    　上記電磁波放射手段は、上記ピストンに対面するシリンダヘッドに取り付けられたアンテナから電磁波を放射し、
    　上記火炎加速手段は、上記アンテナを囲うようにシリンダヘッドに配置された磁気形成用の電気線路と、上記伝播火炎が上記加速位置を通過する際に上記電磁波放射手段に電磁波を放射させ、且つ、上記電気線路に電流を流通させる加速用制御手段とを有している
    ことを特徴とするプラズマ装置。
  5. 　請求項１乃至４の何れか１つにおいて、
    　上記燃焼室のガスを電離にさせる電離手段を備え、
    　上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電離手段により燃焼室のガスを電離させると共に、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射することにより、電磁波プラズマを生成する
    ことを特徴とするプラズマ装置。
     
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