WO2018056278A1 - 圧縮自着火エンジン - Google Patents

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WO2018056278A1
WO2018056278A1 PCT/JP2017/033800 JP2017033800W WO2018056278A1 WO 2018056278 A1 WO2018056278 A1 WO 2018056278A1 JP 2017033800 W JP2017033800 W JP 2017033800W WO 2018056278 A1 WO2018056278 A1 WO 2018056278A1
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ignition
electromagnetic wave
discharge
oscillation
compression
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PCT/JP2017/033800
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English (en)
French (fr)
Inventor
淳 西山
池田　裕二
Original Assignee
イマジニアリング株式会社
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    • 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
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays

Definitions

  • the present invention relates to a uniform premixed compression self-ignition engine, and more particularly, to a uniform premixed compression self-ignition engine that switches between self-ignition and ignition using discharge means.
  • a premixed compression auto-ignition engine using premixed compression ignition sucks an air-fuel mixture like a gasoline engine, and self-compresses by high compression like a diesel engine.
  • the ignition engine can be burned even in regions where the concentration of fuel is extremely low, so low fuel consumption and low emissions are achieved, and no local high-temperature combustion region is formed in the cylinder, so the amount of NOx generated is extremely high. There is an advantage of less. On the other hand, it has been difficult to control self-ignition, particularly temperature control in the combustion chamber.
  • the present inventors generate radicals in the cylinder by irradiating electromagnetic waves to the generated plasma in the cylinder and generating the plasma below the minimum ignition energy that the air-fuel mixture does not ignite, and the oxidation reaction
  • a homogeneous premixed compression self-ignition engine is proposed in which the gas temperature in the cylinder is adjusted by controlling the plasma generation time and the self-ignition timing is controlled (see Patent Document 1).
  • a full-time HCCI that performs HCCI operation in the full rotation load region, a HCCI operation in the middle and low rotation / medium load region, and a spark ignition operation in the high load / high rotation region.
  • Time HCCI has been proposed.
  • full-time HCCI it is necessary to expand the infrastructure facilities for dedicated fuel on the premise of fuel (for example, naphtha) having better ignitability than gasoline.
  • part-time HCCI since the temperature and pressure conditions in the combustion chamber of HCCI combustion and spark ignition combustion are significantly different, it is a problem to smoothly switch from HCCI operation to spark ignition operation.
  • Patent No. 5467285 Japanese Patent No. 5681902
  • the present invention has been made in view of such a point, and the object thereof is to perform temperature control by radical generation during HCCI combustion during HCCI operation in part-time HCCI, and use it during spark ignition operation. It is an object of the present invention to provide a compression auto-ignition engine in which discharge means can also serve as radical generation means during HCCI operation.
  • the compression ignition engine of the present invention made to solve the above problems is as follows.
  • a compression auto-ignition engine that switches between a self-ignition operation that compresses and ignites an air-fuel mixture and a spark ignition operation that forcibly ignites the air-fuel mixture using discharge means, Radical generating means for generating radicals in the combustion chamber during self-ignition operation;
  • the discharge means comprises an electromagnetic wave oscillator in which the output of an electromagnetic wave oscillated by a control device is adjusted, a booster circuit that boosts an electromagnetic wave oscillated from the electromagnetic wave oscillator, a discharge electrode that forms a discharge gap, and a ground electrode.
  • the control device uses the discharge means as the radical generation means by oscillating an electromagnetic wave having an output that generates a plasma having a minimum ignition energy or less so that the air-fuel mixture does not ignite in the discharge gap.
  • the ignition ignition engine of the present invention expands the HCCI operating range by using a discharge means for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber during the spark ignition operation as a radical generating means for generating radicals in the combustion chamber during the HCCI operation. To do.
  • control device sets the first oscillation time of the electromagnetic wave to 5 to 25 microseconds, the second and subsequent oscillation times from 1 nanosecond to 2 microseconds, and the duty ratio of 5% to 50%. So that it can be controlled.
  • the electromagnetic wave applied to maintain the ionized body having a constant electron density will be minutely interrupted, and the recombination speed of electrons and Equilibrate
  • the compression ignition engine of the present invention includes a radical generating means for generating radicals that enables temperature control in HCCI operation, and a discharging means in spark ignition operation that is performed when the operating range of the HCCI operation is exceeded. Can be covered with two devices.
  • the sectional view seen from the front of the ignition engine at the time of compression of the present invention is shown.
  • the whole sectional view of the ignition means used for the ignition engine at the time of compression is shown.
  • the discharge electrode of the ignition means used for the ignition engine at the time of compression, and a ground electrode are shown, (a) is a top view, (b) is a partially cutaway front view.
  • 6 is a graph comparing the amount of OH radicals of an ignition means used in the compression ignition engine and a general spark plug, where (a) shows an electromagnetic wave oscillation pattern and measurement timing of the ignition means, and (b) shows the ignition means. And the OH radical strength of the spark plug. It is the schematic explaining the driving
  • the first embodiment is a compression ignition engine 1 according to the present invention.
  • the compression ignition engine 1 switches between a self-ignition operation for compressing and igniting an air-fuel mixture and a spark ignition operation for forcibly igniting the air-fuel mixture using discharge means.
  • An engine comprising radical generating means 2 for generating radicals in the combustion chamber during self-ignition operation and discharge means 3 for causing dielectric breakdown in the combustion chamber during spark ignition operation.
  • 4 includes an electromagnetic wave oscillator 31 in which the output of an electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave 4 is adjusted, a booster circuit 5 that boosts the electromagnetic wave oscillated from the electromagnetic wave oscillator 31, a discharge electrode 55a that forms a discharge gap 6, and a ground electrode 51a. 4 oscillates the discharge means 3 by oscillating an electromagnetic wave having an output that generates a plasma having a minimum ignition energy or less so that the air-fuel mixture does not ignite in the discharge gap 6. It is to be used as radical generator 2.
  • the internal combustion engine body 10 constituting the compression ignition engine 1 according to the present invention includes a cylinder head 11, a cylinder 12, and a piston 13, as shown in FIG.
  • the cylinder 12 is formed in a cylinder block.
  • a piston 13 is provided in the cylinder 12 so as to freely reciprocate.
  • the cylinder head 11, the cylinder 12, and the piston 13 define a combustion chamber 14.
  • the piston 13 reciprocates in the axial direction of the cylinder 12 in the cylinder 12, the reciprocating motion of the piston 13 is converted into a rotational motion by a connecting rod (not shown).
  • the cylinder head 11 is formed with a plug hole 11a for attaching the discharging means 3 that also serves as the radical generating means 2.
  • the inner end of the plug hole 11 a opens to the combustion chamber 14.
  • the cylinder head 11 is formed with an intake port 15 and an exhaust port 16 that open to the combustion chamber 14.
  • the intake port 15 is provided with an intake valve 17 and an injector 19.
  • the exhaust port 16 is provided with an exhaust valve 18.
  • the discharging means 3 also serving as the radical generating means 2 includes an electromagnetic wave power source 30, an electromagnetic wave oscillator 31 that oscillates an electromagnetic wave, a control device 4 that controls the electromagnetic wave power source 30 and the electromagnetic wave oscillator 31, An input unit 52 that receives supply of an electromagnetic wave oscillated from the electromagnetic wave oscillator 31, a booster 5 that boosts the input electromagnetic wave, a discharge electrode 55 a that forms a discharge gap 6, and a ground electrode 51 a are provided.
  • the discharge gap 6 is configured to increase the potential difference and cause discharge.
  • the discharge electrode 55a is formed at the tip of the electrode shaft portion 55b extending from the bottomed cylindrical portion 54 through which the input shaft portion 53 extending from the input portion 52 is inserted to the side opposite to the input portion.
  • An input shaft portion 53 extending from the input portion 52 is insulated from the cylindrical portion 54.
  • a cylindrical insulator 59 is interposed between the inner peripheral surface of the cylindrical portion 54.
  • cylindrical portion 54 and the electrode shaft portion 55 b are also electrically insulated from the inner peripheral surface of the front end side casing 51 ⁇ / b> A of the casing 51.
  • the cylindrical portion 54 and the electrode shaft portion 55 b are enclosed in a cylindrical insulator 59.
  • An equivalent circuit C2 described later is formed between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 54 and the inner peripheral surface of the casing 51A covering the cylindrical portion 54, and between the electrode shaft portion 55b and the inner peripheral surface of the casing 51A.
  • An equivalent circuit capacitor C3 is formed. The resonance frequency is adjusted by the dielectric constant that varies depending on the type of the insulator 59.
  • C1 mentioned above can also be abbreviate
  • the casing 51B on the rear end side of the casing 51 has a through hole.
  • An input portion 52 that receives supply of electromagnetic waves from the electromagnetic wave oscillator 3 is formed at one end of the casing 51B, and an input shaft portion 53 that extends from the input portion 52 is formed at the other end.
  • a protruding cylindrical insulator 59 is disposed, and a discharge electrode 55a, a cylindrical portion 54, an electrode shaft portion 55b, and a casing 51A including the insulator 59 covering these are incorporated.
  • the method of incorporating the input portion 52, the input shaft portion 53, and the casing 51A of the insulator 59 covering them is not particularly limited, but in the present embodiment, it corresponds to the outer peripheral surface of the insulator 59 and the through hole of the casing 51B.
  • the step is inserted from the left side of the figure to engage the insulator with the step to prevent falling off to the right side, and the casing 51A is inserted from the left side to cover the input portion 52, the input shaft portion 53 and these. The falling of the insulator 59 to the left side is also prevented.
  • the fixing is performed by screwing the male screw portion engraved on the outer peripheral surface of the casing 51A into the female screw portion engraved in the through hole. To do.
  • the casing 51A can be securely fixed to the casing 51B using a fixing means such as welding, or can be fixed using a fixing means such as welding without forming a threaded portion. it can.
  • the ground electrode 51a is formed at the tip of a cylindrical casing 51A that covers the discharge electrode 55a, and forms a discharge gap 6 between the inner surface of the ground electrode 51a and the outer surface of the discharge electrode 55a.
  • the ground electrode 51a (tip of the casing 51A) forming the discharge gap 6 forms a slit s as shown in FIG. This slit s guides the air-fuel mixture into the discharge gap 6 and improves the combustion efficiency.
  • the distance of the discharge gap 6 is preferably set in the range of 0.2 to 1.2 mm.
  • the boosting means 5 is composed of an equivalent circuit shown in FIG.
  • the boosting means 5 uses the electrode shaft portion 55b as a coil L, forms a resonance structure at three locations between the capacitors C1, C2 and C3 described above, and boosts the supplied electromagnetic waves.
  • the first resonance region by the capacitor C2 formed between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 54 and the inner peripheral surface of the casing 51 that covers the cylindrical portion 54, and the casing 51 that covers the electrode shaft portion 55b and the electrode shaft portion 55b.
  • the potential difference between the discharge electrode 55a and the ground electrode 51a is increased to several tens of kV to cause discharge. Yes.
  • it can also be set as the structure which does not form C1 of an equivalent circuit by electrically connecting the input shaft part 53 and the cylindrical part 54, and not carrying out capacitive coupling.
  • the electromagnetic wave oscillator 31 is always supplied with a predetermined voltage, for example, 12V from the electromagnetic wave power source 2. Then, an electromagnetic wave (for example, 2.45 GHz microwave) is output from the control device 4 as an electromagnetic wave oscillation signal (for example, TTL signal) as a pulse wave of an oscillation pattern in which a predetermined duty ratio, pulse time, and the like are set. A specific oscillation pattern will be described later.
  • the discharge device 3 of this embodiment makes the output of the electromagnetic waves oscillated from the electromagnetic wave oscillator 31 different by the control device 4 in the self-ignition operation and the spark ignition operation.
  • radicals mainly OH radicals
  • the output at this time varies depending on the Q value of the discharge device 3 and also varies depending on the air-fuel ratio and the like.
  • the discharge device 3 resonates and boosts the electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave oscillator 31 by the internal boosting means 5, increases the potential difference between the discharge electrode 55 a and the ground electrode 51 a, and insulates in the discharge gap 6.
  • Plasma is generated by causing destruction. It has been found by experiments by the present inventors that the plasma generated by this electromagnetic wave has a radical intensity several tens of times that of plasma generated by a general spark plug (generates radicals).
  • generation means 2 is demonstrated.
  • the emission intensity was measured by a laser-induced fluorescence method (hereinafter referred to as LIF method) when 25 microseconds and 50 microseconds elapsed after discharge with a charge time of 2 to 3 milliseconds.
  • LIF method laser-induced fluorescence method
  • the initial electromagnetic wave oscillation is set to an oscillation time of 5 to 25 microseconds, preferably 10 to 15 microseconds, and in this embodiment, 15 microseconds.
  • the second and subsequent electromagnetic oscillations are performed with an oscillation period of 0.01 to 20 microseconds, an oscillation time of 0.001 to 2 microseconds (duty ratio of about 10%), and the number of oscillations of 500 to 3000.
  • Oscillation period is 1 microsecond
  • oscillation time is 0.1 microsecond (duty ratio: 10%)
  • 25 microseconds and 50 microseconds have passed after the number of oscillations is 1500 (the range of CA in FIG. 5A).
  • Luminescence intensity was measured by the LIF method.
  • YAG laser light (wavelength 355 nm) is converted to 282 nm using a resonator and a harmonic wave element, and the ground state OH radical existing in the space absorbs and excites the light directly from the upper level to the ground state.
  • the laser irradiation position with respect to the discharge device 3 of the present embodiment is applied to a region LA that is a part of the discharge gap 6 as shown in FIG.
  • the laser irradiation position for a general spark plug was applied to the region between the discharge electrode and the ground electrode.
  • 0.1 MPa and temperature were performed at normal temperature (room temperature of about 25 ° C.) in an air atmosphere.
  • the control device 4 can have the same oscillation pattern when functioning as the discharge means 3 and when functioning as the radical generation means 2.
  • the initial electromagnetic wave oscillation time is 5 to 25 microseconds, preferably 10 to 20 microseconds. In the embodiment, it is 15 microseconds.
  • the second and subsequent oscillation times are preferably controlled to be 1 nanosecond to 2 microseconds and a duty ratio of 5% to 30%. In this embodiment, the oscillation time is 0.1 microseconds (100 nanoseconds).
  • the duty ratio was controlled to be 10%. The duty ratio can be increased beyond this range. However, if the duty ratio is 50% or more, the generated plasma becomes thermal plasma.
  • the plasma generated in (2) is maintained and expanded by electromagnetic waves oscillated for the second time and later, and functions as both the discharge means 3 and the radical generation means 2 with high accuracy.
  • the second and subsequent oscillations are controlled to be 300 to 7500 times. According to the experiments by the present inventors, it has been found that the amount of radicals generated is not significantly different from that at 7500 times by performing pulse oscillation about 1500 times.
  • control apparatus 4 of this embodiment uses the discharge means 3 as the radical production
  • An electromagnetic wave having an output that generates plasma of less energy is oscillated by the above-described oscillation pattern.
  • the output for generating plasma with a minimum ignition energy or less is not limited by the air-fuel ratio of the air-fuel mixture, and is, for example, 500 W to 1000 W.
  • the output is increased so that plasma of energy for igniting the air-fuel mixture is generated by the discharge means 3.
  • the energy required for ignition is not limited by the air-fuel ratio of the air-fuel mixture, and is, for example, 1200 W to 2000 W.
  • radical generating means 2 for generating radicals that enable temperature control in HCCI operation, and discharging means 3 in spark ignition operation that is performed when the operating range of HCCI operation is exceeded. can be covered with a single device.
  • the range of the area A is generally considered as the HCCI possible area.
  • area B misfire occurs during HCCI operation due to low temperature.
  • Area C is not suitable for HCCI operation because of explosive combustion.
  • area D misfire occurs in HCCI operation due to insufficient time due to high rotation.
  • the radical generating means 2 of the present embodiment can expand these regions into a two-dot chain line region.
  • the HCCI operation can be reliably performed in the area B in which misfire occurs due to a low temperature, and the switching from the HCCI operation to the spark ignition operation can be performed smoothly.
  • the electromagnetic wave oscillation pattern by the control device 4 at the time of spark ignition operation is the same as the oscillation pattern at the time of HCCI operation, and the initial electromagnetic wave oscillation has an oscillation time of 5 to 25 microseconds, preferably 10 to 15 microseconds.
  • the oscillation period is 0.01 to 20 microseconds
  • the oscillation time is 0.001 to 2 microseconds (duty ratio is about 10%)
  • the oscillation frequency is 500 to 3000
  • the electromagnetic oscillation is oscillated. Control is performed so that the number of oscillations is 1500 times with a period of 1 microsecond and an oscillation time of 0.1 microsecond (duty ratio 10%).
  • the electromagnetic wave applied to maintain the ionized body having a constant electron density is slightly interrupted during the spark ignition operation, and more balanced with the electron recombination rate. It becomes possible.
  • the reflection of the input electromagnetic wave is also greatly reduced. This is a reflection rate after discharge of 70% in the conventional oscillation pattern, but it can be reduced to 40%, which is 60% of the input energy, that is, the electromagnetic wave energy twice that of the conventional oscillation pattern.
  • the A / F test (lean limit test) in the internal combustion engine, the A / F 19 was used for a general spark plug, but the A / F test was performed by adopting the oscillation pattern of this embodiment. / F20.
  • the compression ignition engine of the second embodiment has the same structure as that of the compression ignition engine of the first embodiment, and the discharge device 3 that also serves as the radical generation means 2 during the self-ignition operation includes the operation region of the HCCI operation and the spark ignition operation.
  • the output of the electromagnetic wave supplied to the discharge device 3 is switched to the same output as the spark ignition operation to support the ignition of the air-fuel mixture.
  • the HCCI operation and the spark ignition operation have different air-fuel ratios of the fuels used (in the HCCI operation, an air-fuel ratio exceeding 30 may be adopted in order to improve fuel efficiency by super-lean operation). Even if discharge is generated in the combustion chamber by 3, the flame does not spread as in the normal spark ignition operation. However, the generation of a small fire type raises the temperature of the combustion chamber 14 and can assist HCCI combustion.
  • the compression ignition engine of the present invention as an internal combustion engine such as an automobile engine, supports a wide range by HCCI operation by generating radicals in the combustion chamber during HCCI operation.
  • the switching from the HCCI operation to the spark ignition operation is performed smoothly, and the discharge means at the time of the spark ignition operation is also used as the radical generation means, so that the entire apparatus is compact and the uniform premixed compression auto-ignition engine is realized. It is suitably used for applications.

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Abstract

混合気を圧縮着火させる自着火運転と、放電手段を用いて混合気を強制的に着火させる火花点火運転とを切り替えて行う圧縮自着火エンジン１であって、自着火運転時に、燃焼室内にラジカルを生成するラジカル生成手段２と、火花点火運転時に、燃焼室内で絶縁破壊を生じせしめる放電手段３とを備え、制御装置４は、放電ギャップ６に混合気が着火することのない最小着火エネルギ以下のプラズマを生成する出力の電磁波を発振することで放電手段３をラジカル生成手段２として使用するようにしている。

Description

圧縮自着火エンジン
　本発明は、均一予混合圧縮自着火エンジンに関し、特に自着火と放電手段を用いた着火とを切り替えて行う均一予混合圧縮自着火エンジンに関する。
　予混合圧縮着火（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ－Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、以下ＨＣＣＩという）を利用した予混合圧縮自着火エンジンは、ガソリンエンジンのように混合気を吸入し、ディーゼルエンジンのように高圧縮化することで自己着火するエンジンで、燃料の濃度が極めて薄い領域でも燃焼させることができることから、低燃費、低エミッションを実現するとともに、シリンダ内に局所的な高温燃焼領域が形成されないことからＮＯｘの発生量が極めて少ないという利点がある。一方、自己着火の制御、特に燃焼室内の温度コントロールを行うことが困難であった。そのため、本発明者等は、混合気が着火することのない最小着火エネルギ以下のプラズマの生成及び生成したシリンダ内のプラズマに電磁波を照射することによって、シリンダ内にラジカルを生成し、酸化反応を促進させるとともに、プラズマ生成時間を制御することでシリンダ内のガス温度を調整し、自着火時期の制御する均一予混合圧縮自着火エンジンを提案している（特許文献１参照）。
　また、均一予混合圧縮自着火エンジンでは、全回転負荷領域でＨＣＣＩ運転を行うフルタイムＨＣＣＩと、中低回転・中負荷の領域ではＨＣＣＩ運転、高負荷・高回転領域では火花点火運転を行うパートタイムＨＣＣＩが提案されている。フルタイムＨＣＣＩでは、ガソリンよりも着火性に優れる燃料（例えば、ナフサ等）が前提となり専用燃料のインフラ設備の拡充が必要となる。また、パートタイムＨＣＣＩでは、ＨＣＣＩ燃焼と火花点火燃焼の燃焼室内での温度圧力条件が大幅に異なるため、ＨＣＣＩ運転から火花点火運転への切り替えをスムーズに行うことが課題となる。
　このため、本発明者等は、パートタイムＨＣＣＩでのＨＣＣＩ運転から火花点火運転への切り替えスムーズに行うために、ＨＣＣＩ運転から火花点火運転への切り替え途中に所定の経過運転を挟む制御装置を提案している（特許文献２参照）。
特許第５４６７２８５号 特許第５６８１９０２号
　ところで、特許文献２に記載の内燃期間の制御装置では、火花点火運転のときに使用する点火プラグ等からなる放電手段の他に、燃焼室内に電磁波を供給する電磁波放射手段を備えるようにしている。そのため、内燃機関のシリンダヘッドに放電手段以外に電磁波放射手段を取り付ける貫通口の形成が必要となる。また放電手段のための電源と電磁波発信手段のための電源が必要となり、装置全体の費用が嵩むこととなる。
　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、パートタイムＨＣＣＩにおいて、ＨＣＣＩ運転の際に、ＨＣＣＩ燃焼時にラジカル生成によっての温度コントロールを行い、火花点火運転の際に使用する放電手段がＨＣＣＩ運転の際のラジカル生成手段を兼用することができる圧縮自着火エンジンを提供することである。
　上記課題を解決するためになされた本発明の圧縮時着火エンジンは、
　混合気を圧縮着火させる自着火運転と、放電手段を用いて混合気を強制的に着火させる火花点火運転とを切り替えて行う圧縮自着火エンジンであって、
　自着火運転時に、燃焼室内にラジカルを生成するラジカル生成手段と、
　火花点火運転時に、燃焼室内で絶縁破壊を生じせしめる放電手段とを備え、
　該放電手段は、制御装置によって発振する電磁波の出力が調整される電磁波発振器、該電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する昇圧回路、放電ギャップを形成する放電電極及び接地電極とからなり、
　前記制御装置は、放電ギャップに混合気が着火することのない最小着火エネルギ以下のプラズマを生成する出力の電磁波を発振することで放電手段をラジカル生成手段として使用するようにしている。
　本発明の圧縮時着火エンジンは、火花点火運転時に、燃焼室内で混合気に点火する放電手段をＨＣＣＩ運転の際に燃焼室にラジカルを生成するラジカル生成手段として使用することでＨＣＣＩ運転領域を拡大する。
　この場合において、前記制御装置は、電磁波の発振を初回の発振時間を５マイクロ秒乃至２５マイクロ秒、２回目以降の発振時間を１ナノ秒乃至２マイクロ秒かつデューティ比５％乃至５０％となるように制御するようにすることができる。
　２回目以降の発振時間を、初回の発振時間より大幅に短くすることで一定の電子密度を有する電離体を維持するために印加する電磁波を微小に断続させることとなり、より電子の再結合速度と平衡させる
　本発明の圧縮時着火エンジンは、ＨＣＣＩ運転の温度制御を可能とするラジカル生成のためのラジカル生成手段と、ＨＣＣＩ運転の運転領域を超えたときに行う火花点火運転の際の放電手段を、一つの機器でまかなうことができる。
本発明の圧縮時着火エンジンの正面から見た断面図を示す。 同圧縮時着火エンジンに使用する点火手段の全体断面図を示す。 同圧縮時着火エンジンに使用する点火手段の放電電極及び接地電極を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部切り欠きの正面図である。 同圧縮時着火エンジンに使用する点火手段の昇圧手段の等価回路である。 同圧縮時着火エンジンに使用する点火手段と一般的な点火プラグとのＯＨラジカル量を比べるグラフで、（ａ）は同点火手段の電磁波発振パターンと計測タイミングを示し、（ｂ）は同点火手段と点火プラグのＯＨラジカル強度を示す。 ＨＣＣＩ運転の運転領域を説明する概略図である。
　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、本発明に係る圧縮時着火エンジン１である。当該圧縮時着火エンジン１は、図１に示すように、混合気を圧縮着火させる自着火運転と、放電手段を用いて混合気を強制的に着火させる火花点火運転とを切り替えて行う圧縮自着火エンジンであって、自着火運転時に、燃焼室内にラジカルを生成するラジカル生成手段２と、火花点火運転時に、燃焼室内で絶縁破壊を生じせしめる放電手段３とを備え、放電手段３は、制御装置４によって発振する電磁波の出力が調整される電磁波発振器３１、この電磁波発振器３１から発振される電磁波を昇圧する昇圧回路５、放電ギャップ６を形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとからなり、制御装置４は、放電ギャップ６に混合気が着火することのない最小着火エネルギ以下のプラズマを生成する出力の電磁波を発振することで放電手段３をラジカル生成手段２として使用するようにしている。
＜内燃機関本体＞
　本発明に係る圧縮時着火エンジン１を構成する内燃機関本体１０は、図１に示すように、シリンダヘッド１１とシリンダ１２とピストン１３を備える。シリンダ１２は、シリンダブロックに形成されている。シリンダ１２内には、ピストン１３が往復自在に設けられており、シリンダヘッド１１、シリンダ１２及びピストン１３は、燃焼室１４を区画している。シリンダ１２内において、シリンダ１２の軸方向にピストン１３が往復運動すると、ピストン１３の往復運動がコネクティングロッド（図示省略）により回転運動に変換される。
　シリンダヘッド１１には、ラジカル生成手段２を兼用する放電手段３を取り付けるためのプラグホール１１ａが形成されている。プラグホール１１ａの内端は燃焼室１４に開口している。また、シリンダヘッド１１には、燃焼室１４に開口する吸気ポート１５及び排気ポート１６が形成されている。吸気ポート１５には、吸気バルブ１７とインジェクター１９とが設けられている。一方、排気ポート１６には、排気バルブ１８が設けられている。
＜放電手段＞
　ラジカル生成手段２を兼用する放電手段３は、図２に示すように、電磁波用電源３０と、電磁波を発振する電磁波発振器３１と、電磁波用電源３０及び電磁波発振器３１を制御する制御装置４と、電磁波発振器３１から発振される電磁波の供給を受ける入力部５２と、入力された電磁波を昇圧する昇圧手段５と、放電ギャップ６を形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５により放電ギャップ６の電位差を高め放電を生じさせるように構成されている。
　放電電極５５ａは、入力部５２から伸びる入力軸部５３が挿通される有底の筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂの先端に形成されている。入力部５２から伸びる入力軸部５３は、筒状部５４とは絶縁されている。具体的には、筒状部５４内周面との間に筒状の絶縁体５９が介在している。絶縁体５９を介在させるか筒状部５４の内周面と接触しないように構成することで筒状部５４と入力軸部５３は容量結合となり、後述する等価回路のＣ１を形成する。また、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとケーシング５１の先端側ケーシング５１Ａの内周面との間も電気的に絶縁されている。本実施形態においては、筒状部５４及び電極軸部５５ｂは筒状の絶縁体５９に内包されている。筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１Ａの内周面との間によって、後述する等価回路のＣ２を形成し、電極軸部５５ｂとケーシング５１Ａの内周面との間で等価回路のコンデンサＣ３を形成している。絶縁体５９の種類によって異なる誘電率によって、共振周波数が調整される。なお、上述したＣ１は、入力軸部５３を筒状部材５４と電気的に接続することで省略することもできる。
　ケーシング５１の後端側ケーシング５１Ｂは貫通孔を備え、この貫通孔に、一端に電磁波発振器３からの電磁波の供給を受ける入力部５２を形成し他端に入力部５２から伸びる入力軸部５３が突出する筒状の絶縁体５９を配設するとともに、放電電極５５ａ、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとこれらを覆う絶縁体５９を内包したケーシング５１Ａが組み込まれている。入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９のケーシング５１Ａが組み込み方法は特に限定するものではないが、本実施形態においては、絶縁体５９の外周面及びケーシング５１Ｂの貫通孔に対応する段差を設け、図例左側から挿通し、絶縁体を段差に係合させ、右側への抜け落ちを防止するとともに、左側からケーシング５１Ａを挿通して入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９の左側への抜け落ちも防止する。ケーシング５１Ｂに対するケーシング５１Ａの固定方法も特に限定するものではないが、本実施形態においては、貫通孔に刻設した雌ねじ部にケーシング５１Ａの外周面に刻設した雄ねじ部を螺合することによって固定する。螺合による固定後に溶接等の固定手段を用いてケーシング５１Ａをケーシング５１Ｂに対して確実に固定することもでき、また、ねじ部を形成することなく溶接等の固定手段を用いて固定することもできる。
　接地電極５１ａは、放電電極５５ａを覆う筒状のケーシング５１Ａの先端で形成され、この接地電極５１ａの内面と放電電極５５ａの外面との間で放電ギャップ６を形成する。この放電ギャップ６を形成する接地電極５１ａ（ケーシング５１Ａの先端）は図３に示すようにスリットｓを形成するようにしている。このスリットｓによって、放電ギャップ６内に混合気を導き燃焼効率を向上させる。なお、放電ギャップ６の距離は０．２～１．２ｍｍの範囲で設定することが好ましい。
　昇圧手段５は、図４に示す等価回路で構成されている。昇圧手段５は、電極軸部５５ｂをコイルＬとして、上述したコンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３との間の３箇所で共振構造形成し、供給される電磁波を昇圧するようにしている。特に、筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１の内周面との間に形成されるコンデンサＣ２による第１共振領域及び電極軸部５５ｂと電極軸部５５ｂを覆うケーシング５１との間に形成されるコンデンサＣ３による第２共振領域によって、供給される電磁波を昇圧して、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電を生じさせるようにしている。なお、入力軸部５３と筒状部５４を電気的に接続して容量結合としないことで等価回路のＣ１を形成しない構成とすることもできる。
　一般に、共振領域、特に第２共振領域での共振周波数から外れた周波数の電磁波を供給しても、電磁波を昇圧して放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高めることができない。共振領域で定まる共振周波数からどの程度外れた周波数を供給しても昇圧することができるかは、所謂Ｑ値によって決定される。Ｑ値とは、
　Ｑ=ω０／（ω１－ω２）で表される。
　ここで、ω０：共振周波数、ω１及びω２（ω１＞ω２）：それぞれ周波数ω０のときのエネルギが１／２となる周波数である。従って、ω１及びω２の値がω０に近いほど、共振のピークが鋭く、Ｑ値が大きくなり、大きなエネルギを得ることができ一般的にはＱ値が大きくなる設計をすることが望ましい。しかし、Ｑ値が大きい場合、共振させるためには共振領域で定まる共振周波数からのズレを大きくとることはできない。本発明者等の実験によるときは、Ｑ値が５０程度のときに±３０ヘルツ、より好ましくは±２０Ｈｚの範囲の周波数の電磁波であれば共振させて放電させることが可能である。
　電磁波発振器３１は、常時所定電圧、例えば１２Ｖを電磁波用電源２から供給される。そして、制御装置４から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を所定のデューティ比、パルス時間等を設定した発振パターンのパルス波として電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を出力する。具体的な発振パターンについては後述する。
　そして、本実施形態の放電装置３は、制御装置４によって、電磁波発振器３１から発振する電磁波の出力を、自着火運転と火花点火運転とで異なる出力とするようにすることで、ラジカル生成手段２として使用することができるようにしている。つまり、自着火運転時に最小着火エネルギ以下のプラズマを生成することで、混合気に点火することなくラジカル（主としてＯＨラジカル）を燃焼室内に発生させる。このときの出力は、放電装置３のＱ値によって異なるとともに、空燃比等によっても異なる。
　当該放電装置３は、上述したとおり、内部の昇圧手段５によって電磁波発振器３１から供給される電磁波を共振させて昇圧し、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高め、放電ギャップ６において絶縁破壊を生じさせプラズマを生成する。この電磁波によって生じるプラズマには、一般的な点火プラグによって生じるプラズマと比べて数十倍のラジカル強度を有する(ラジカルを生成する)ことが、本発明者等の実験によって判明した。以下、本実施形態の放電装置３をラジカル生成手段２として使用する際のラジカル生成強度について説明する。
　一般的な点火プラグでは、チャージ時間を２ミリ秒～３ミリ秒とした放電後から２５マイクロ秒と５０マイクロ秒経過したときの発光強度をレーザ誘起蛍光法（以下、ＬＩＦ法という）によって計測した。また、放電装置３では、初回の電磁波発振を発振時間５～２５マイクロ秒、好ましくは１０～１５マイクロ秒とし、本実施形態においては１５マイクロ秒とした。そして、２回目以降の電磁波発振を発振周期０．０１～２０マイクロ秒、発振時間０．００１～２マイクロ秒（デューティ比約１０％）、発振回数を５００～３０００回、本実施形態においては電磁波発振を発振周期１マイクロ秒、発振時間０．１マイクロ秒（デューティ比１０％）発振回数を１５００回行ってから２５マイクロ秒と５０マイクロ秒経過したとき（図５（ａ）ＣＡの範囲）の発光強度ＬＩＦ法によって計測した。
　ＬＩＦ法は、ＹＡＧレーザ光（波長３５５ｎｍ）を共振器と倍波素子を使って２８２ｎｍに変換し、空間中に存在する基底状態ＯＨラジカルが光吸収、励起した際に上準位から直接基底状態に電子遷移したときの波長３１５ｎｍの蛍光強度及び振動準位ｖ’＝１からｖ‘＝０へ振動緩和した後に基底状態遷移で放射される波長３０９ｎｍの蛍光強度をそれぞれ光電増倍管、デジタルオシロスコープを用いてＬＩＦ信号として検出し、得られたＬＩＦ信号からＯＨラジカル密度を得るようにしている。
　本実施形態の放電装置３に対するレーザ照射位置は、図３（ａ）に示すように、放電ギャップ６の一部である領域ＬＡに照射するようにした。一般的な点火プラグに対するレーザ照射位置は、放電電極と接地電極との間の領域に照射するようにした。また、実験条件として、空気雰囲気下、０．１ＭＰａ、温度は常温（室温約２５℃）で行った。
　その結果、図５（ｂ）に示すとおり、点火プラグにおいては図中Ｂで示すように、ＯＨのラジカル強度は僅かな値（０．１以下）しか観測できなかった。しかし、本実施形態の放電装置３では図中Ａで示すように、２５マイクロ秒と５０マイクロ秒のそれぞれで２．２５×１０８（ａ.ｕ．）、１．１５×１０８（ａ.ｕ．）のラジカル強度を計測することができ、点火プラグと比べて３０倍以上のＯＨラジカルの生成が認められた。
　次に、制御装置４による電磁波の発振パターンについて説明する。制御装置４は、放電手段３として機能する際とラジカル生成手段２として機能させる場合も同様の発振パターンとすることができる。電磁波のみを使用し、昇圧回路５によって昇圧し放電ギャップでプラズマを生成する放電装置３では、初回の電磁波の発振時間を５マイクロ秒乃至２５マイクロ秒、好ましくは１０マイクロ秒乃至２０マイクロ秒、本実施形態においては１５マイクロ秒とした。そして、２回目以降の発振時間を１ナノ秒乃至２マイクロ秒かつデューティ比５％乃至３０％となるように制御することが好ましく、本実施形態では発振時間０．１マイクロ秒（１００ナノ秒）デューティ比１０％となるように制御した。デューティ比はこの範囲を超えて長くすることもできるが、５０％以上とすると、発生したプラズマが熱プラズマとなり、放電手段３の場合、プラズマの維持に不具合を生じる場合があった。
　このように、初回の電磁波の発振時間のみ２回目移行の発振と比べて１００倍以上の時間とし、２回目以降の発振時間を極端に短い時間でかつ低いデューティ比とすることで、初回の発振で生成されたプラズマが２回目以降に発振される電磁波で維持拡大され、放電手段３としてもラジカル生成手段２としても精度良く機能する。
　また、２回目以降の発振回数は、３００回乃至７５００回となるように制御する。本発明者等の実験によれば、１５００回程度のパルス発振を行うことで、ラジカルの生成量は７５００回のときと大差がないことが判明した。
　そして、本実施形態の制御装置４は、ＨＣＣＩ運転の運転領域では放電手段３をラジカル生成手段２として使用するために、吸気行程から膨張行程までの間、混合気が着火することのない最小着火エネルギ以下のプラズマを生成する出力の電磁波を上述した発振パターで発振する。最小着火エネルギ以下のプラズマを生成する出力は、混合気の空燃比等によって、限定されるものではなく、例えば、５００Ｗ乃至１０００Ｗである。
　次に、火花点火運転の運転領域では、放電手段３によって混合気に点火するエネルギのプラズマが生成されるように出力を上昇させる。点火に必要なエネルギも混合気の空燃比等によって、限定されるものではなく、例えば、１２００Ｗ乃至２０００Ｗである。
　このように、本実施形態においては、ＨＣＣＩ運転の温度制御を可能とするラジカル生成のためのラジカル生成手段２と、ＨＣＣＩ運転の運転領域を超えたときに行う火花点火運転の際の放電手段３を、一つの機器でまかなうことができる。
　一般に、ＨＣＣＩ運転では、図６に示す横軸回転数、縦軸ＢＭＥＰ（正味平均有効圧）としたとき、概ねエリアＡの範囲がＨＣＣＩ可能領域と考えられている。エリアＢは、低温により、ＨＣＣＩ運転では失火が生じる。エリアＣは爆発的燃焼が生じるためＨＣＣＩ運転には適さない。また、エリアＤでは高回転のため時間不足によりＨＣＣＩ運転では失火が生じる。本実施形態のラジカル生成手段２をこれらの領域を二点鎖線の領域に拡大することができる。特に、低温により失火が生じるエリアＢの領域で確実にＨＣＣＩ運転を可能にするとともに、ＨＣＣＩ運転から火花点火運転への切り替えをスムーズに行うようにすることができる。
　また、火花点火運転の際の制御装置４による電磁波の発振パターンもＨＣＣＩ運転の際の発振パターンと同様に、初回の電磁波発振を発振時間５～２５マイクロ秒、好ましくは１０～１５マイクロ秒とし、２回目以降の電磁波発振を発振周期０．０１～２０マイクロ秒、発振時間０．００１～２マイクロ秒（デューティ比約１０％）発振回数を５００～３０００回、本実施形態においては電磁波発振を発振周期１マイクロ秒、発振時間０．１マイクロ秒（デューティ比１０％）発振回数を１５００回となるように制御している。このように発振パターンを制御することで火花点火運転の際に、一定の電子密度を有する電離体を維持するために印加する電磁波を微小に断続させることとなり、より電子の再結合速度と平衡させることが可能になる。これによって、投入した電磁波の反射も大幅に低減される。これは従来の発振パターンで放電後の反射割合が７０％であったのに対し、４０％まで低減させることができ、投入エネルギの６０％、つまり、従来の発振パターンに比べて倍の電磁波エネルギを投入することができ、内燃機関でのＡ／Ｆ試験（リーン限界試験）でも一般的な点火プラグではＡ／Ｆ１９であったのに対して、本実施形態の発振パターンを採用することでＡ／Ｆ２０となった。
＜実施形態２＞
　実施形態２の圧縮時着火エンジンは、構造は実施形態１の圧縮時着火エンジンと同様で、自着火運転時のラジカル生成手段２を兼ねる放電装置３が、ＨＣＣＩ運転の運転領域と火花点火運転の運転領域の境界近傍に来たとき、ＨＣＣＩサポート運転として、放電装置３に供給する電磁波の出力を、火花点火運転と同様の出力に切り替えて混合気に対する着火をサポートするようにしている。ＨＣＣＩ運転と火花点火運転とでは、使用する燃料の空燃比が異なる（ＨＣＣＩ運転ではスーパーリーン運転で燃費向上を図るため、３０を越える空燃比は採用することもある）ため、ＨＣＣＩ運転時に放電装置３によって燃焼室内に放電を生じさせても通常の火花点火運転と同様に火炎が拡がることがない。しかし、小さな火種ができることで燃焼室１４の温度が上昇し、ＨＣＣＩ燃焼を補助することができる。
　具体的には、－４５ｄｅｇＡＴＤＣ（上死点より４５ｄｅｇ前）で補助の放電を行ったとき、同条件のＨＣＣＩ運転と比べ３ｄｅｇ以上早く０ｄｅｇＡＴＤＣで十分なＨＣＣＩ燃焼が確認できた。
　以上説明したように、本発明の圧縮自着火エンジンは、自動車エンジン等の内燃機関として、ＨＣＣＩ運転の際、燃焼室内にラジカルを生成することで広い範囲をＨＣＣＩ運転でサポートする。また、ＨＣＣＩ運転から火花点火運転への切り替えをスムーズに行うとともに、火花点火運転の際の放電手段をラジカル生成手段が兼用するため、装置全体のコンパクトを実現し、均一予混合圧縮自着火エンジンの用途に好適に用いられる。
　１　　圧縮自着火エンジン
　２　　ラジカル生成手段
　３　　放電手段
　３０　電磁波用電源
　３１　電磁波発振器
　４　　制御装置
　５　　昇圧回路
　５１ａ　接地電極
　５５ａ　放電電極
　６　　放電ギャップ

Claims (2)

  1. 　混合気を圧縮着火させる自着火運転と、放電手段を用いて混合気を強制的に着火させる火花点火運転とを切り替えて行う圧縮自着火エンジンであって、
    　自着火運転時に、燃焼室内にラジカルを生成するラジカル生成手段と、
    　火花点火運転時に、燃焼室内で絶縁破壊を生じせしめる放電手段とを備え、
    　該放電手段は、制御装置によって発振する電磁波の出力が調整される電磁波発振器、該電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する昇圧回路、放電ギャップを形成する放電電極及び接地電極とからなり、
    　前記制御装置は、放電ギャップに混合気が着火することのない最小着火エネルギ以下のプラズマを生成する出力の電磁波を発振することで放電手段をラジカル生成手段として使用するようにした圧縮自着火エンジン。
  2. 　前記制御装置は、電磁波の発振を初回の発振時間を５マイクロ秒乃至２５マイクロ秒、２回目以降の発振時間を１ナノ秒乃至２マイクロ秒かつデューティ比５％乃至５０％となるように制御する請求項１に記載の圧縮自着火エンジン。
     
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