WO2013011968A1 - プラズマ生成装置、及び内燃機関 - Google Patents

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internal combustion
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池田　裕二
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イマジニアリング株式会社
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    • F02M27/042—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by electric means, ionisation, polarisation or magnetism by plasma
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    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/463—Microwave discharges using antennas or applicators

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generator for generating electromagnetic plasma and an internal combustion engine that promotes combustion of an air-fuel mixture using electromagnetic waves.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-001827 discloses an ignition device for an internal combustion engine as this type of plasma generation device.
  • An ignition device for an internal combustion engine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-001827 radiates a microwave generated from a microwave oscillating device into a cylinder to generate a low temperature plasma. By generating this low temperature plasma, a large amount of OH radicals can be generated continuously from the moisture in the gas mixture.
  • the microwave oscillation device is in a solid state.
  • the present invention has been made in view of such a point, and the object thereof is to generate an electromagnetic wave plasma by radiating an electromagnetic wave amplified using a solid-state amplification element to a target space,
  • the purpose is to reduce the size of the electromagnetic wave generator.
  • 1st invention is equipped with the electromagnetic wave generator which outputs the electromagnetic waves amplified using the amplification element made into the solid state, and the radiation antenna for radiating the electromagnetic waves output from the electromagnetic wave generator to the object space,
  • a plasma generating apparatus that outputs electromagnetic waves to the radiation antenna without reducing the peak of the above.
  • the output waveform of the electromagnetic wave generator has a characteristic that a peak appears at the rising edge, and the electromagnetic wave is output to the radiation antenna without reducing the rising peak of the output waveform (power waveform).
  • the output peak appears first.
  • electromagnetic wave plasma when electromagnetic wave plasma is generated, a large electromagnetic wave energy is required for breakdown for generating electromagnetic wave plasma. Once the electromagnetic wave plasma is generated, the electromagnetic wave plasma can be maintained with lower electromagnetic wave energy as compared with the breakdown.
  • the electromagnetic wave is output to the radiation antenna without reducing the rising peak of the output waveform of the amplification element.
  • a peak increasing means for increasing the output of the electromagnetic wave generator during the peak period.
  • the output of the electromagnetic wave generator is increased during the peak period of the electromagnetic wave radiation period.
  • a third invention includes the plasma generation device according to the first or second invention and an internal combustion engine body in which a combustion chamber is formed, and the plasma generation device generates electromagnetic wave plasma using the combustion chamber as the target space.
  • An internal combustion engine An internal combustion engine.
  • the plasma generation device generates electromagnetic wave plasma with the combustion chamber as a target space.
  • the plasma density changes due to fluctuations in the output of electromagnetic waves, which degrades the quality of the product.
  • plasma is used in an internal combustion engine, there is almost no adverse effect due to changes in plasma density.
  • an electromagnetic wave having a peak at the rising edge is used.
  • an internal combustion engine body in which a combustion chamber is formed, an electromagnetic wave generator that outputs an electromagnetic wave amplified using a solid-state amplification element, and the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave generator
  • An internal combustion engine that promotes combustion of the air-fuel mixture by radiating electromagnetic waves from the radiating antennas to the combustion chamber, wherein the electromagnetic wave generator has a rising waveform of its output waveform. And output an electromagnetic wave to the radiation antenna without reducing the rising peak of the output waveform.
  • the electromagnetic wave is output to the radiation antenna without reducing the rising peak of the output waveform of the amplification element. Therefore, the average output of the electromagnetic wave generator can be reduced because only the output during the peak period of the electromagnetic wave emission period needs to be equal to or higher than the energy required for breakdown. Accordingly, the heat generation amount of the amplifying element can be reduced, so that the electromagnetic wave generator can be reduced in size.
  • the output of the electromagnetic wave generator is increased during the peak period of the electromagnetic wave radiation period. Therefore, breakdown can be surely generated and electromagnetic wave plasma can be stably generated.
  • the internal combustion engine since the internal combustion engine has almost no adverse effect due to the change in plasma density, an electromagnetic wave having a peak at the rising edge is used. Therefore, it is possible to reduce the size of the electromagnetic wave generator with little influence on the internal combustion engine.
  • plasma may be generated under a high pressure such as during a compression stroke.
  • a high-power electromagnetic wave is required for breakdown as compared with the case of using plasma in the manufacturing process.
  • the electromagnetic wave generator can be reduced in size.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an internal combustion engine according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a front view of the ceiling surface of the combustion chamber of the internal combustion engine according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a block diagram of a plasma generation apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform shape of a microwave pulse according to the first embodiment. It is a block diagram of the electromagnetic wave generator which concerns on the modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a main part of an internal combustion engine according to Embodiment 2.
  • 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 internal combustion engine 10 according to the present invention.
  • the internal combustion engine 10 is a reciprocating type internal combustion engine in which a piston 23 reciprocates.
  • the internal combustion engine 10 includes an internal combustion engine body 11 and a plasma generation device 30.
  • the combustion cycle in which the air-fuel mixture in the combustion chamber 20 is ignited by the plasma generated by the plasma generator 30 and the air-fuel mixture is combusted is repeatedly performed.
  • the internal combustion engine main body 11 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 forms a combustion chamber 20 having a circular cross section together with the cylinder 24 and the piston 23.
  • the diameter of the combustion chamber 20 is, for example, about half of the wavelength of the microwave radiated from the radiation antenna 16 described later.
  • each discharge electrode 15 constituting a part of the discharge device 12 is provided for each cylinder 24.
  • Each discharge electrode 15 is provided at the tip of a cylindrical insulator 17 embedded in the cylinder head 22. As shown in FIG. 2, each discharge electrode 15 is located at the center of the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20 (the surface exposed to the combustion chamber 20 in the cylinder head 22).
  • An intake port 25 and an exhaust port 26 are formed in the cylinder head 22 for each cylinder 24.
  • the intake port 25 is provided with an intake valve 27 that opens and closes an intake side opening 25a of the intake port 25, and an injector 29 that injects fuel.
  • the exhaust port 26 is provided with an exhaust valve 28 for opening and closing the exhaust side opening 26 a of the exhaust port 26.
  • the intake port 25 is designed so that a strong tumble flow is formed in the combustion chamber 20.
  • the plasma generation apparatus 30 includes a discharge device 12 and an electromagnetic wave emission device 13.
  • the discharge device 12 is provided for each combustion chamber 20.
  • Each discharge device 12 includes an ignition coil 14 (high voltage generation device) that generates a high voltage pulse, and a discharge electrode 15 to which the high voltage pulse output from the ignition coil 14 is applied.
  • the ignition coil 14 is connected to a DC power source (not shown). When the ignition coil 14 receives an ignition signal from the electronic control unit 35, the ignition coil 14 boosts the voltage applied from the DC power source and outputs the boosted high voltage pulse to the discharge electrode 15.
  • the discharge electrode 15 is provided on the end surface of the insulator 17 extending from the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20 to the outer surface of the cylinder head 22 in the cylinder head 22.
  • An electric wire (not shown) that electrically connects the ignition coil 14 and the discharge electrode 15 passes through the insulator 17. Both the electric wire and the discharge electrode 15 are insulated from the cylinder head 22 by an insulator 17.
  • a discharge gap is formed between the discharge electrode 15 and a radiation antenna 16 described later. When a high voltage pulse is supplied to the discharge electrode 15, a spark discharge occurs in the discharge gap.
  • the electromagnetic wave radiation device 13 includes an electromagnetic wave generator 31, an electromagnetic wave switch 32, and a radiation antenna 16.
  • the electromagnetic wave generation device 31 and the electromagnetic wave switch 32 are provided one by one, and the radiation antenna 16 is provided for each combustion chamber 20.
  • the electromagnetic wave generator 31 outputs a microwave pulse when receiving an electromagnetic wave drive signal from the electronic control unit 35.
  • the electromagnetic wave generator 31 includes an electromagnetic wave oscillator 41 that generates a microwave pulse, and an amplifier 42 that amplifies the microwave pulse generated by the electromagnetic wave oscillator 41.
  • the electromagnetic wave oscillator 41 is a dielectric oscillator.
  • the electromagnetic wave oscillator 41 may be another oscillator such as a crystal oscillator.
  • the amplifier 42 amplifies the microwave pulse input from the electromagnetic wave oscillator 41 in an amplifier circuit provided with a solid-state amplification element (for example, a bipolar transistor).
  • the amplifier circuit performs class C amplification.
  • An amplifier circuit that performs class B amplification may be used.
  • the output gradually decreases due to a temperature rise after the start of amplification. That is, the output peak appears on the rising edge.
  • gain adjustment control is performed using an AGC circuit (Automatic Gain Control) to suppress output fluctuation.
  • the electromagnetic wave generator 31 outputs the microwave pulse having the waveform as shown in FIG. 4 to the radiation antenna 16 without reducing the rising peak of the output waveform. To do.
  • the electromagnetic wave generator 31 is not provided with means (for example, an AGC circuit) for reducing the rising peak in the output waveform of the amplifier 42 in the transmission line from the amplifier 42 to the radiation antenna 16.
  • the electromagnetic wave switch 32 includes one input terminal and a plurality of output terminals provided for each radiation antenna 16.
  • the input terminal is connected to the electromagnetic wave generator 31.
  • Each output terminal is connected to a corresponding radiation antenna 16.
  • the electromagnetic wave switch 32 is controlled by the electronic control device 35 and sequentially switches the supply destination of the microwaves output from the electromagnetic wave generation device 31 among the plurality of radiation antennas 16.
  • the radiation antenna 16 is formed in an annular shape and is provided so as to surround the discharge electrode 15 on the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20.
  • the discharge electrode 15 and the radiation antenna 16 are disposed concentrically.
  • the radiation antenna 16 is provided on a ring-shaped insulating layer 19 formed on the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20.
  • the radiation antenna 16 is electrically connected to the output terminal of the electromagnetic wave switch 32 via a coaxial line 33 embedded in the cylinder head 22.
  • the radiating antenna 16 may be formed in a C shape.
  • the distance between the discharge electrode 15 and the radiation antenna 16 is set such that dielectric breakdown occurs with respect to the high voltage pulse output from the ignition coil 14.
  • the distance between the discharge electrode 15 and the radiation antenna 16 is, for example, 2 to 3 mm.
  • the radiating antenna 16 serves as a ground electrode for the spark plug.
  • the plasma generator 30 generates a discharge plasma in the discharge gap by outputting a high voltage pulse from the ignition coil 14 and radiates a microwave pulse from the radiation antenna 16 by outputting a microwave pulse from the electromagnetic wave generator 31. Then, the discharge plasma is expanded to generate a relatively large microwave plasma.
  • the plasma generation operation of the plasma generation apparatus 30 will be described.
  • the internal combustion engine 10 performs an ignition operation in which the air-fuel mixture is ignited by the microwave plasma generated by the plasma generator 30 at the ignition timing where the piston 23 is positioned before the compression top dead center.
  • the electronic control device 35 outputs an ignition signal and an electromagnetic wave drive signal at the same time. Then, a high voltage pulse is output from the ignition coil 14 that has received the ignition signal, and a high voltage pulse is applied to the discharge electrode 15. As a result, spark discharge occurs in the discharge gap between the discharge electrode 15 and the radiation antenna 16.
  • the electromagnetic wave generator 31 that has received the electromagnetic wave drive signal outputs a microwave pulse.
  • the electromagnetic wave emission device 13 starts outputting the microwave pulse at the output timing of the high voltage pulse of the ignition coil 14.
  • a microwave pulse is output from the radiation antenna 16.
  • the discharge plasma generated by the spark discharge absorbs and expands the microwave energy, and the mixture is ignited by the expanded microwave plasma.
  • the flame spreads outward from the ignition position where the air-fuel mixture is ignited toward the wall surface of the cylinder 24.
  • the electronic control device 35 outputs an electromagnetic wave drive signal immediately after the air-fuel mixture is ignited. Then, the electromagnetic wave generator 31 outputs a microwave pulse. A microwave pulse is output from the radiation antenna 16.
  • the microwave pulse is radiated before the flame front passes the position of the radiating antenna 16.
  • a strong electric field region is formed by microwaves.
  • the moving speed of the flame surface increases by receiving microwave energy when the flame surface passes through the strong electric field region.
  • microwave energy is large, microwave plasma is generated in the strong electric field region before the flame surface passes.
  • active species for example, OH radicals
  • the moving speed of the flame surface passing through the strong electric field region is increased by the active species.
  • the microwave pulse is transmitted to the radiation antenna 16 without reducing the rising peak of the output waveform of the amplification element. Output. Therefore, since only the output during the peak period of the oscillation period of the microwave pulse needs to be equal to or higher than the energy required for the expansion (breakdown) of the discharge plasma, the average output of the electromagnetic wave generator 31 can be reduced. Therefore, the heat generation amount of the amplification element can be reduced, and the electromagnetic wave generator 31 can be downsized.
  • the electromagnetic wave generator 31 can be reduced in size with little influence on the internal combustion engine body 11.
  • microwave plasma is generated under high pressure during the compression stroke, so that a microwave with high power is required for breakdown compared to the case of using plasma in the manufacturing process.
  • the electromagnetic wave generator 31 can be downsized in the internal combustion engine 10 that requires the large electromagnetic wave generator 31.
  • the electromagnetic wave generator 31 includes a gain controller 43.
  • the gain control unit 43 constitutes a peak increasing means for increasing the output of the amplifier 42 during a peak period (a period from the rising edge to the falling edge) of the microwave pulse oscillation period.
  • the gain controller 43 increases the gain factor of the amplifier circuit only during the peak period of the microwave pulse oscillation period.
  • the gain control unit 43 changes the gain factor of the amplification circuit by applying a gain control voltage to the gate of the amplification element (for example, a dual gate FET).
  • the gain control unit 43 increases the gain factor of the amplifier circuit by applying a gain control voltage so that the gate voltage value of the FET becomes the source voltage value (for example, ground potential) only during the peak period.
  • the electronic control unit 35 outputs an amplification start signal to the gain control unit 43 simultaneously with the electromagnetic wave drive signal that defines the oscillation period of the microwave pulse. Then, the gain control unit 43 receives the amplification start signal from the electronic control unit 35 and starts increasing the gain factor of the amplifier circuit. In the amplifier 42, amplification of the microwave pulse input from the electromagnetic wave oscillator 41 is started. For example, when the gain control unit 43 detects the voltage value on the output side of the amplifier 42 and detects the falling edge of the peak of the microwave pulse, the gain control unit 43 finishes increasing the gain factor of the amplifier circuit. The amplifier 42 ends the amplification of the microwave pulse at the end timing of the peak period.
  • the output of the electromagnetic wave generator 31 during the peak period of the oscillation period of the microwave pulse increases. Therefore, breakdown can surely occur and microwave plasma can be generated stably.
  • the gain control unit 43 may reduce the gain factor after the peak period by deeply biasing the gain control voltage in the negative voltage direction after the peak period in the oscillation period of the microwave pulse.
  • the gain factor in this case is set to a level at which microwave plasma can be maintained.
  • the discharge device 12 in addition to the ignition coil 14, includes a spark plug 40 in which a center electrode 40a (corresponding to the discharge electrode of the first embodiment) and a ground electrode 40b are provided at the tip. .
  • the spark plug 40 is provided on the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20.
  • a high voltage pulse is supplied from the ignition coil 14 to the center electrode 40 a of the spark plug 40.
  • a negative voltage is applied as the high voltage pulse.
  • the electromagnetic wave radiation device 13 includes an electromagnetic wave generator 31, an electromagnetic wave switch 32, and a radiation antenna 16.
  • the radiation antenna 16 is provided on the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20.
  • the radiation antenna 16 is formed in an annular shape in a front view of the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20 and surrounds the tip of the spark plug 40.
  • the radiating antenna 16 may be formed in a C shape in a front view of the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20.
  • the radiation antenna 16 is laminated on an annular insulating layer 19 formed around the mounting hole of the spark plug 40 in the ceiling surface 51 of the combustion chamber 20.
  • the insulating layer 19 is formed, for example, by spraying an insulator by thermal spraying.
  • the radiating antenna 16 is electrically insulated from the cylinder head 22 by the insulating layer 19.
  • a receiving antenna 52 is provided on the top surface of the piston 23.
  • the receiving antenna 52 is formed in a ring shape, and is provided at a position near the outer periphery of the top surface of the piston 23.
  • the receiving antenna 52 is electrically insulated from the piston 23 by an insulating layer (not shown), and is provided in an electrically floating state.
  • the microwave is radiated from the radiation antenna 16 during the propagation of the flame after the mixture is ignited. Then, a strong electric field region is formed in the vicinity of the receiving antenna 52 by the microwave.
  • the moving speed of the flame surface increases by receiving microwave energy when the flame surface passes through the strong electric field region.
  • microwave energy is large, microwave plasma is generated in the strong electric field region before the flame surface passes. Since active species (for example, OH radicals) are generated in the generation region of the microwave plasma, the moving speed of the flame surface passing through the strong electric field region is increased by the active species.
  • the embodiment may be configured as follows.
  • the casing (package) of the electromagnetic wave generating device 31 is made of ceramic and the microwave transmission line insulator is made of ceramic
  • the casing and the transmission line insulator may be integrated.
  • the connector can be omitted on the output side of the electromagnetic wave generator 31.
  • the reflected wave of the microwave is monitored, and the oscillation frequency (wavelength) of the microwave output from the electromagnetic wave generator 31 is reduced so that the reflected wave of the microwave becomes small. ) May be changed.
  • the radiating antenna 16 and the receiving antenna 52 may be covered with an insulator or a dielectric.
  • the plasma generating device 30 generates the electromagnetic wave plasma by expanding the discharge plasma by the electromagnetic wave.
  • the electromagnetic wave plasma may be generated only by the electromagnetic wave.
  • the plasma generator 30 may generate microwave plasma in the combustion chamber 20 during the intake stroke.
  • the plasma generation device 30 may be applied to a material analysis device.
  • the substance analyzer is an apparatus for identifying a substance by the SIBS method (Spark-Induced Breakdown Spectroscopy).
  • the substance analyzer generates discharge plasma by spark discharge in the vicinity of the surface of a substance to be analyzed (for example, metal), and expands the discharge plasma by microwaves. As a result, microwave plasma is generated, and the substance to be analyzed is turned into plasma.
  • the material analyzing apparatus spectrally analyzes light emission of the analysis target material that has been turned into plasma.
  • the substance analyzer detects a frequency at which a peak appears in the emission spectrum, and identifies the substance based on the frequency.
  • the substance analysis apparatus may be an apparatus for identifying a substance by the LIBS method (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). In that case, instead of spark discharge, the plasma generated by condensing the laser is expanded by microwaves.
  • the present invention is useful for a plasma generator that generates electromagnetic plasma and an internal combustion engine that promotes combustion of an air-fuel mixture using electromagnetic waves.

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Abstract

　ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を対象空間へ放射して、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置において、電磁波発生装置を小型化する。プラズマ生成装置は、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナとを備え、放射アンテナから対象空間へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成する。プラズマ生成装置では、電磁波発生装置の出力波形は立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を放射アンテナへ出力する。

Description

プラズマ生成装置、及び内燃機関
　本発明は、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置、及び電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関に関するものである。
　従来から、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置が知られている。例えば特開２０１０－００１８２７号公報には、この種のプラズマ生成装置として内燃機関用点火装置が開示されている。
　特開２０１０－００１８２７号公報に記載の内燃機関用点火装置は、マイクロ波発振装置から発生したマイクロ波を気筒内に放射し、低温プラズマを発生させる。この低温プラズマ発生により混合気中の水分から多量のＯＨラジカルを持続的に生成することができる。この内燃機関用点火装置では、マイクロ波発振装置がソリッドステート化されている。
特開２０１０－００１８２７号公報
　ところで、電磁波によりプラズマを生成するためには、ある程度大きなエネルギーが必要となる。この種のプラズマ生成装置では、電磁波を通信に用いる場合に比べて、大電力の電磁波が必要となる。従って、電磁波発生装置の増幅素子で大きな発熱が生じ、増幅素子を冷却するために電磁波発生装置が大型化するおそれがある。
　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、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を対象空間へ放射して、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置において、電磁波発生装置を小型化することにある。
　第１の発明は、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナとを備え、前記放射アンテナから前記対象空間へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置であって、前記電磁波発生装置は、その出力波形の立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力するプラズマ生成装置。
　第１の発明では、電磁波発生装置の出力波形は立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形（電力波形）の立ち上がりのピークを低減させることなく、電磁波を放射アンテナへ出力する。電磁波が対象空間へ放射される電磁波放射期間では、出力のピークが最初に現れる。ここで、電磁波プラズマを生成する場合は、電磁波プラズマを生成するブレイクダウンに、大きな電磁波のエネルギーが必要となる。一度電磁波プラズマが生成されると、ブレイクダウンのときに比べて、低い電磁波のエネルギーで電磁波プラズマを維持できる。第１の発明は、そのような点に着目して、増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、電磁波を放射アンテナへ出力している。
　第２の発明は、第１の発明において、前記ピークの期間における前記電磁波発生装置の出力を増大させるピーク増大手段を備えている。
　第２の発明では、電磁波放射期間のうちピークの期間における電磁波発生装置の出力を増大させる。
　第３の発明は、第１又は第２の発明のプラズマ生成装置と、燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、前記プラズマ生成装置は、前記燃焼室を前記対象空間として電磁波プラズマを生成する内燃機関。
　第３の発明では、プラズマ生成装置が、燃焼室を対象空間として電磁波プラズマを生成する。ここで、エッチング等の製造プロセスにおいてプラズマを利用する場合は、電磁波の出力変動によりプラズマ密度が変化し、製造物の品質が低下してしまう。それに対して、内燃機関でプラズマを利用する場合は、プラズマ密度の変化による悪影響がほとんどない。第３の発明では、そのような事情を考慮して、立ち上がりにピークが現れる電磁波を利用している。
　第４の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を前記燃焼室へ放射するための放射アンテナとを備え、前記放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射することにより混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、前記電磁波発生装置は、その出力波形の立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力する。
　本発明では、ブレイクダウン後は低いマイクロ波のエネルギーで電磁波プラズマを維持できることに着目して、増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、電磁波を放射アンテナへ出力している。そのため、電磁波放射期間のうちピークの期間の出力だけがブレイクダウンに必要なエネルギー以上であればよいので、電磁波発生装置の平均出力を低減させることができる。従って、増幅素子の発熱量を低減させることができるので、電磁波発生装置を小型化することができる。
　また、第２の発明では、電磁波放射期間のうちピークの期間における電磁波発生装置の出力を増大させる。従って、ブレイクダウンを確実に生じさせることができ、電磁波プラズマを安定的に生成することができる。
　また、第３の発明では、プラズマ密度の変化による悪影響が内燃機関ではほとんどないため、立ち上がりにピークが現れる電磁波を利用している。従って、内燃機関にほとんど影響を与えることなく、電磁波発生装置を小型化することができる。
　特に、内燃機関では、圧縮行程中などの高圧下でプラズマを生成する場合がある。そのような場合、製造プロセスでプラズマを利用する場合に比べて、ブレイクダウンに大電力の電磁波が必要となる。第３の発明によれば、大きな電磁波発生装置が必要となる内燃機関において、電磁波発生装置を小型化することができる。
実施形態１に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態１に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態１に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 実施形態１に係るマイクロ波パルスの波形形状を表す図である。 実施形態１の変形例１に係る電磁波発生装置のブロック図である。 実施形態２に係る内燃機関の要部の縦断面図である。
　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、本発明に係る内燃機関１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１とプラズマ生成装置３０とを備えている。内燃機関１０では、プラズマ生成装置３０が生成するプラズマにより燃焼室２０の混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
　－内燃機関本体－
　内燃機関本体１１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、円形断面の燃焼室２０を形成している。燃焼室２０の直径は、例えば、後述する放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波の波長の半分程度である。
　シリンダヘッド２２では、各シリンダ２４に対して、放電装置１２の一部を構成する放電電極１５が１つずつ設けられている。各放電電極１５は、シリンダヘッド２２に埋設された円筒状の絶縁碍子１７の先端に設けられている。図２に示すように、各放電電極１５は、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心部に位置している。
　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の吸気側開口２５ａ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。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口２６ａを開閉する排気バルブ２８が設けられている。なお、内燃機関１０は、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。
　－プラズマ生成装置－
　プラズマ生成装置３０は、図３に示すように、放電装置１２と電磁波放射装置１３とを備えている。
　放電装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。各放電装置１２は、高電圧パルスを発生させる点火コイル１４（高電圧発生装置）と、その点火コイル１４から出力された高電圧パルスが印加される放電電極１５とを備えている。
　点火コイル１４は、直流電源（図示省略）に接続されている。点火コイル１４は、電子制御装置３５から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを放電電極１５に出力する。
　放電電極１５は、シリンダヘッド２２において燃焼室２０の天井面５１からシリンダヘッド２２の外面まで延びる絶縁碍子１７の端面に設けられている。絶縁碍子１７の内部には、点火コイル１４と放電電極１５とを電気的に接続する電気線（図示省略）が貫通している。前記電気線及び放電電極１５は、共に絶縁碍子１７によってシリンダヘッド２２から絶縁されている。放電電極１５は、後述する放射アンテナ１６との間に放電ギャップを形成している。高電圧パルスが放電電極１５に供給されると、放電ギャップでスパーク放電が生じる。
　電磁波放射装置１３は、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と放射アンテナ１６とを備えている。電磁波放射装置１３では、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に放射アンテナ１６が設けられている。
　電磁波発生装置３１は、電子制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、マイクロ波パルスを出力する。電磁波発生装置３１は、図３に示すように、マイクロ波パルスを生成する電磁波発振器４１と、電磁波発振器４１で生成されたマイクロ波パルスを増幅する増幅器４２とを備えている。
　具体的に、電磁波発振器４１は誘電体発振器である。なお、電磁波発振器４１は、水晶発振器などの他の発振器でもよい。一方、増幅器４２は、ソリッドステート化された増幅素子（例えば、バイポーラトランジスタ）が設けられた増幅回路において、電磁波発振器４１から入力されたマイクロ波パルスを増幅する。増幅回路は、Ｃ級増幅を行うものである。なお、増幅回路として、Ｂ級増幅を行うものを使用してもよい。
　ここで、例えば、バイポーラトランジスタでは、増幅開始後の温度上昇等に起因して、その出力が徐々に低下してゆく。つまり、出力のピークが立ち上がりに現れる。通信の分野では、例えばＡＧＣ回路（Automatic　Gain　Control）を利用して利得調節制御を行い、出力変動を抑制している。
　しかし、マイクロ波プラズマを生成する場合は、マイクロ波プラズマがない状態からマイクロ波プラズマを生成するブレイクダウンに、大きなマイクロ波のエネルギーが必要となる。一旦マイクロ波プラズマが生成されると、ブレイクダウンのときに比べて低いマイクロ波のエネルギーでマイクロ波プラズマを維持できる。また、内燃機関でプラズマを利用する場合は、エッチング等の製造プロセスにおいてプラズマを利用する場合とは異なり、プラズマ密度の変化による悪影響がほとんどない。本実施形態１では、そのような点に着目して、電磁波発生装置３１が、出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、図４に示すような波形のマイクロ波パルスを放射アンテナ１６へ出力する。本実施形態１では、電磁波発生装置３１には、増幅器４２から放射アンテナ１６に至る伝送線路において、増幅器４２の出力波形における立ち上がりピークを低減させる手段（例えば、ＡＧＣ回路）が設けられていない。
　電磁波切替器３２は、１つの入力端子と、放射アンテナ１６毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置３１に接続されている。各出力端子は、対応する放射アンテナ１６に接続されている。電磁波切替器３２は、電子制御装置３５により制御されて、複数の放射アンテナ１６の間で、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。
　放射アンテナ１６は、円環状に形成され、燃焼室２０の天井面５１において放電電極１５を囲うように設けられている。放電電極１５及び放射アンテナ１６は、同心に配置されている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に形成されたリング状の絶縁層１９上に設けられている。放射アンテナ１６は、シリンダヘッド２２に埋設された同軸線路３３を介して、電磁波切替器３２の出力端子に電気的に接続されている。なお、放射アンテナ１６は、Ｃ字状に形成されていてもよい。
　本実施形態１では、放電電極１５と放射アンテナ１６との距離が、点火コイル１４が出力する高電圧パルスに対して絶縁破壊が生じるように設定されている。放電電極１５と放射アンテナ１６との距離は、例えば２～３ｍｍである。放射アンテナ１６は、点火プラグの接地電極の役割を果たす。プラズマ生成装置３０は、点火コイル１４から高電圧パルスを出力することにより放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、電磁波発生装置３１からマイクロ波パルスを出力することにより放射アンテナ１６からマイクロ波パルスを放射して放電プラズマを拡大させ、比較的大きなマイクロ波プラズマを生成する。
　－プラズマ生成動作－
　プラズマ生成装置３０のプラズマ生成動作について説明する。
　内燃機関１０では、ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに、プラズマ生成装置３０が生成するマイクロ波プラズマにより混合気に点火する点火動作を行う。点火動作では、電子制御装置３５が点火信号及び電磁波駆動信号を同時期に出力する。そうすると、点火信号を受けた点火コイル１４から高圧パルスが出力され、放電電極１５に高電圧パルスが印加される。その結果、放電電極１５と放射アンテナ１６との間の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。
　また、電磁波放射装置１３では、電磁波駆動信号を受けた電磁波発生装置３１が、マイクロ波パルスを出力する。電磁波放射装置１３は、図４に示すように、点火コイル１４の高電圧パルスの出力タイミングに、マイクロ波パルスの出力を開始する。放射アンテナ１６からは、マイクロ波パルスが出力される。その結果、スパーク放電により生成された放電プラズマがマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、その拡大したマイクロ波プラズマにより混合気が着火する。火炎は、混合気が着火した着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって外側へ広がる。
　本実施形態１では、混合気が着火した直後にも、電子制御装置３５が電磁波駆動信号を出力する。そうすると、電磁波発生装置３１が、マイクロ波パルスを出力する。放射アンテナ１６からは、マイクロ波パルスが出力される。
　マイクロ波パルスは、火炎面が放射アンテナ１６の位置を通過する前に放射される。放射アンテナ１６の近傍には、マイクロ波による強電界領域が形成される。火炎面の移動速度は、その火炎面が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、火炎面が通過する前に強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成されるので、強電界領域を通過する火炎面の移動速度は、活性種により増大する。
　　－実施形態１の効果－
　本実施形態１では、ブレイクダウン後は低いマイクロ波のエネルギーでマイクロ波プラズマを維持できることに着目して、増幅素子の出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく、マイクロ波パルスを放射アンテナ１６へ出力している。そのため、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間の出力だけが放電プラズマの拡大（ブレイクダウン）に必要なエネルギー以上であればよいので、電磁波発生装置３１の平均出力を低減させることができる。従って、増幅素子の発熱量を低減させることができるので、電磁波発生装置３１を小型化することができる。
　また、本実施形態１では、プラズマ密度の変化による悪影響が内燃機関本体１１ではほとんどないことに着目して、立ち上がりにピークが現れるマイクロ波パルスを利用している。従って、内燃機関本体１１にほとんど影響を与えることなく、電磁波発生装置３１を小型化することができる。
　特に、本実施形態１では、圧縮行程中の高圧下でマイクロ波プラズマが生成されるので、製造プロセスでプラズマを利用する場合に比べて、ブレイクダウンに大電力のマイクロ波が必要となる。本実施形態１によれば、大きな電磁波発生装置３１が必要となる内燃機関１０において、電磁波発生装置３１を小型化することができる。
　　－実施形態１の変形例１－
　変形例１では、図５に示すように、電磁波発生装置３１が利得制御部４３を備えている。利得制御部４３は、マイクロ波パルスの発振期間のうちピークが存在するピーク期間（ピークの立ち上がりから立ち下がりまでの期間）における増幅器４２の出力を増大させるピーク増大手段を構成している。
　利得制御部４３は、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間だけ、増幅回路の利得率を増加させる。利得制御部４３は、増幅素子（例えば、デュアルゲートのＦＥＴ）のゲートに利得制御電圧を印加することにより、増幅回路の利得率を変化させる。利得制御部４３は、ピーク期間だけ、ＦＥＴのゲート電圧値がソース電圧値（例えば、接地電位）になるように利得制御電圧を印加することにより、増幅回路の利得率を増加させる。
　電子制御装置３５は、当該マイクロ波パルスの発振期間を規定する電磁波駆動信号と同時に、増幅開始信号を利得制御部４３へ出力する。そうすると、利得制御部４３は、電子制御装置３５からの増幅開始信号を受けて、増幅回路の利得率の増加を開始する。増幅器４２では、電磁波発振器４１から入力されたマイクロ波パルスの増幅が開始される。利得制御部４３は、例えば、増幅器４２の出力側の電圧値を検出し、マイクロ波パルスのピークの立ち下がりを検出すると、増幅回路の利得率の増加を終了する。増幅器４２では、ピーク期間の終了タイミングに、マイクロ波パルスの増幅を終了する。
　変形例１では、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間における電磁波発生装置３１の出力が増大する。従って、ブレイクダウンを確実に生じさせることができ、マイクロ波プラズマを安定的に生成することができる。
　なお、利得制御部４３は、マイクロ波パルスの発振期間におけるピーク期間後に、利得制御電圧を負電圧方向へ深くバイアスすることにより、ピーク期間後の利得率を減少させてもよい。この場合の利得率は、マイクロ波プラズマを維持できるレベルに設定される。
　　－実施形態１の変形例２－
　変形例２では、変形例１のようにゲートのバイアス電圧を変化させるのではなく、増幅器４２のドレイン電圧を変化させることにより、マイクロ波パルスの発振期間のうちピーク期間における増幅回路の利得率を増加させる。
－実施形態２－
　本実施形態２では、放電装置１２が、点火コイル１４に加えて、中心電極４０ａ（実施形態１の放電電極に相当）と接地電極４０ｂとが先端部に設けられた点火プラグ４０を備えている。図６に示すように、点火プラグ４０は、燃焼室２０の天井面５１に設けられている。点火プラグ４０の中心電極４０ａには、点火コイル１４から高電圧パルスが供給される。高電圧パルスとしてはマイナスの電圧が印加される。
　また、電磁波放射装置１３は、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と放射アンテナ１６とを備えている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に設けられている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１の正面視において、円環状に形成され、点火プラグ４０の先端部を囲っている。なお、放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１の正面視において、Ｃ字状に形成されていてもよい。
　放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１における点火プラグ４０の取付孔の周囲に形成された環状の絶縁層１９の上に積層されている。絶縁層１９は、例えば溶射により絶縁体を吹き付けることにより形成されている。放射アンテナ１６は、絶縁層１９によりシリンダヘッド２２から電気的に絶縁されている。
　実施形態２では、ピストン２３の頂面に受信アンテナ５２が設けられている。受信アンテナ５２は、リング状に形成され、ピストン２３の頂面の外周寄りの位置に設けられている。受信アンテナ５２は、絶縁層（図示省略）によりピストン２３から電気的に絶縁され、電気的にフローティングの状態で設けられている。
　実施形態２では、混合気の着火後の火炎の伝播中に、放射アンテナ１６からマイクロ波が放射される。そうすると、受信アンテナ５２の近傍に、マイクロ波による強電界領域が形成される。火炎面の移動速度は、その火炎面が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、火炎面が通過する前に強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成されるので、強電界領域を通過する火炎面の移動速度は、活性種により増大する。
　－その他の実施形態－
　前記実施形態は、以下のように構成してもよい。
　前記実施形態において、電磁波発生装置３１のケーシング（パッケージ）をセラミックで構成し、マイクロ波の伝送線路の絶縁体をセラミックで生成する場合に、ケーシングと伝送線路の絶縁体を一体化してもよい。この場合、電磁波発生装置３１の出力側において、コネクタを省略できる。
　また、実施形態において、マイクロ波パルスの発振期間において、マイクロ波の反射波をモニターして、マイクロ波の反射波が小さくなるように、電磁波発生装置３１から出力されるマイクロ波の発振周波数（波長）を変化させてもよい。
　また、前記実施形態において、放射アンテナ１６や受信アンテナ５２が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。
　また、前記実施形態では、プラズマ生成装置３０が、電磁波によって放電プラズマを拡大することで電磁波プラズマを生成していたが、電磁波のみによって電磁波プラズマを生成してもよい。
　また、前記実施形態において、プラズマ生成装置３０は、吸気行程に燃焼室２０でマイクロ波プラズマを生成してもよい。
　また、前記実施形態において、プラズマ生成装置３０を物質分析装置に適用してもよい。物質分析装置は、SIBS法（Spark-Induced　Breakdown　Spectroscopy）により物質の同定を行う装置である。物質分析装置は、分析対象物質（例えば、金属）の表面近傍において、スパーク放電により放電プラズマを生成し、その放電プラズマをマイクロ波により拡大する。これにより、マイクロ波プラズマが生成され、分析対象物質がプラズマ化される。物質分析装置は、プラズマ化した分析対象物質の発光を分光分析する。物質分析装置は、発光スペクトルにおいてピークが現れる周波数を検出し、その周波数に基づいて物質を同定する。なお、物質分析装置は、LIBS法（Laser-Induced　Breakdown　Spectroscopy）により物質の同定を行う装置であってもよい。その場合、スパーク放電の代わりに、レーザを集光して生成したプラズマがマイクロ波により拡大される。
　以上説明したように、本発明は、電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置、及び電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関について有用である。
              １０       内燃機関
              １１       内燃機関本体
              １２       点火装置
              １３       電磁波放射装置
              １５       放電電極
              １６       放射アンテナ
              ２０       燃焼室
              ３０       プラズマ生成装置
              ３１       電磁波発生装置
              ４１       電磁波発振器
              ４２       増幅器
              ４３       出力制御部（ピーク増大手段）

Claims (4)

  1. 　ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、
    　前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナとを備え、
    　前記放射アンテナから前記対象空間へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置であって、
    　前記電磁波発生装置は、その出力波形の立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力する
    ことを特徴とするプラズマ生成装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記ピークの期間における前記電磁波発生装置の出力を増大させるピーク増大手段を備えている
    ことを特徴とするプラズマ生成装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載のプラズマ生成装置と、
    　燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、
    　前記プラズマ生成装置は、前記燃焼室を前記対象空間として電磁波プラズマを生成する
    ことを特徴とする内燃機関。
  4. 　燃焼室が形成された内燃機関本体と、
    　ソリッドステート化された増幅素子を用いて増幅した電磁波を出力する電磁波発生装置と、
    　前記電磁波発生装置から出力された電磁波を前記燃焼室へ放射するための放射アンテナとを備え、
    　前記放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射することにより混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、
    　前記電磁波発生装置は、その出力波形の立ち上りにピークが現れる特性を有し、その出力波形の立ち上がりのピークを低減させることなく電磁波を前記放射アンテナへ出力する
    ことを特徴とする内燃機関。
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