JP2010037950A - Internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an internal combustion engine having a device capable of obtaining a large amount of radicals generated by a simple configuration and a simple control. <P>SOLUTION: In this internal combustion engine, a non-equilibrium plasma discharge means 50 for generating chemically active species (radicals) which increase the ignitability of an air-fuel mixture and a photocatalyst 52 which generates chemically active species (radicals) by absorbing at least a part of the light emitted by the non-equilibrium plasma discharge means 50 during the discharge are installed in a combustion chamber 13 and/or a suction passage 30 communicating with the combustion chamber 13. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関用の点火システムに関し、混合気の着火性を促進させる物質を生成し、または混合気を体積的な点火に至らしめる装置に関する。   The present invention relates to an ignition system for an internal combustion engine, and more particularly to an apparatus that generates a substance that promotes the ignitability of an air-fuel mixture or brings the air-fuel mixture to volume ignition.

混合気の着火性を向上させる物質を生成する装置として、光発生装置から燃焼室内に配置した光触媒に光エネルギを照射することで、混合気の着火に必要なラジカルを生成するものが特許文献１に開示されている。
特開２００７−６４０３７号公報 As a device for generating a substance that improves the ignitability of an air-fuel mixture, a device that generates radicals necessary for ignition of an air-fuel mixture by irradiating light energy from a light generator to a photocatalyst disposed in a combustion chamber is disclosed in Patent Document 1. Is disclosed.
JP 2007-64037 A

しかしながら、特許文献１では、ピストン冠面やシリンダ内壁に設けた光触媒に、光発生装置によって光エネルギを照射する構成となっているため、光発生装置を設ける必要がある。光発生装置は光触媒に光を照射することはできるが、ラジカル生成に直接的には寄与しておらず、ラジカル生成の観点で改良の余地があった。   However, in patent document 1, since it is the structure which irradiates light energy to the photocatalyst provided in the piston crown surface or the cylinder inner wall with a light generator, it is necessary to provide a light generator. Although the photogenerator can irradiate the photocatalyst with light, it does not contribute directly to radical generation, and there is room for improvement in terms of radical generation.

本発明の内燃機関は、燃焼室内、又は燃焼室に連通する吸気通路の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高める化学活性種（ラジカル）を生成する非平衡プラズマ放電手段と、この非平衡プラズマ放電手段が発する光の少なくとも一部を吸収してラジカルを生成する光触媒と、を有する。   The internal combustion engine of the present invention includes non-equilibrium plasma discharge means for generating chemically active species (radicals) that enhance the ignitability of the air-fuel mixture in the combustion chamber or at least one of the intake passages communicating with the combustion chamber. A photocatalyst that absorbs at least part of the light emitted by the balanced plasma discharge means and generates radicals.

本発明によれば、非平衡プラズマ放電手段が自らラジカルを生成するのに加えて、さらに非平衡プラズマ放電手段の発光による光を受けて、光触媒においてもラジカルが生成される。すなわち、非平衡プラズマ放電装置による光を、光触媒のラジカル生成にも用いることで、光触媒に光を照射するための光発生装置を設ける必要が無い。本発明では、非平衡プラズマ放電を行えば、自ら生成するラジカルに加えて、光触媒作用によるラジカルが得られるので、多くのラジカルを高い効率で得ることができる。   According to the present invention, in addition to the non-equilibrium plasma discharge means generating radicals themselves, the radicals are also generated in the photocatalyst by receiving light from the light emission of the non-equilibrium plasma discharge means. That is, it is not necessary to provide a light generation device for irradiating light to the photocatalyst by using light from the non-equilibrium plasma discharge device for radical generation of the photocatalyst. In the present invention, if non-equilibrium plasma discharge is performed, in addition to radicals generated by themselves, radicals by photocatalysis can be obtained, so that many radicals can be obtained with high efficiency.

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a non-equilibrium plasma discharge engine according to the first embodiment.

非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。   The non-equilibrium plasma discharge engine 100 includes a cylinder block 10 and a cylinder head 20 disposed above the cylinder block 10.

シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。   The cylinder block 10 is formed with a cylinder 12 that houses the piston 11. A combustion chamber 13 is formed by the crown surface of the piston 11, the wall surface of the cylinder 12, and the lower surface of the cylinder head 20. When the air-fuel mixture burns in the combustion chamber 13, the piston 11 receives a combustion pressure due to combustion and reciprocates the cylinder 12.

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気通路３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気通路４０とが形成される。   Further, an intake passage 30 through which the air-fuel mixture flows into the combustion chamber 13 and an exhaust passage 40 through which exhaust from the combustion chamber 13 flows are formed in the cylinder head 20.

吸気通路３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気通路３０を開閉する。また、吸気通路３０には、非平衡プラズマ放電によって混合気に着火する放電装置５０が設置される。放電装置５０は、中心電極５１と、接地電極としての円環状電極５２と、光触媒層５２ａと、絶縁部５３と、主体金具５４とを備える。   An intake valve 31 is provided in the intake passage 30. The intake valve 31 is driven by a cam 33 formed integrally with the intake side camshaft 32, and opens and closes the intake passage 30 according to the vertical movement of the piston 11. The intake passage 30 is provided with a discharge device 50 that ignites the air-fuel mixture by non-equilibrium plasma discharge. The discharge device 50 includes a center electrode 51, an annular electrode 52 as a ground electrode, a photocatalyst layer 52a, an insulating portion 53, and a metal shell 54.

放電装置５０は、絶縁部５３の軸方向中央に設けられた主体金具５４によってシリンダヘッド２０に設置される。そして、放電装置５０の絶縁部５３と円環状電極５２との間には、吸気通路３０と連通する点火室５５が形成される。また、中心電極５１の後端には、後端側端子５１ａが設置されている。この後端側端子５１ａには、エンジン運転状態に応じた交流電圧を印加する高電圧高周波発生器６０が接続される。放電装置５０の詳細な構成については後述する。   The discharge device 50 is installed in the cylinder head 20 by a metal shell 54 provided at the center in the axial direction of the insulating portion 53. An ignition chamber 55 communicating with the intake passage 30 is formed between the insulating portion 53 of the discharge device 50 and the annular electrode 52. A rear end side terminal 51 a is installed at the rear end of the center electrode 51. The rear end side terminal 51a is connected to a high-voltage and high-frequency generator 60 that applies an AC voltage according to the engine operating state. The detailed configuration of the discharge device 50 will be described later.

一方、排気通路４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気通路４０を開閉する。なお、排気通路４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。   On the other hand, an exhaust valve 41 is provided in the exhaust passage 40. The exhaust valve 41 is driven by a cam 43 integrally formed with the exhaust side camshaft 42 and opens and closes the exhaust passage 40 according to the vertical movement of the piston 11. The exhaust passage 40 is connected to an exhaust passage (not shown) for flowing the exhaust to the outside, and an EGR device installed in the exhaust passage recirculates a part of the exhaust flowing through the exhaust passage to the intake system.

上記した吸気通路３０と排気通路４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、燃焼室１３に臨むように燃料噴射弁３４及び点火プラグ９０が設置されている。   A fuel injection valve 34 and a spark plug 90 are installed between the intake passage 30 and the exhaust passage 40 and at the center of the combustion chamber of the cylinder head 20 so as to face the combustion chamber 13.

非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、高電圧高周波発生器６０を制御するため、コントローラ７０を備える。コントローラ７０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ７０には、エンジン回転速度、エンジン負荷など、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。コントローラ７０は、これら出力に基づいて高電圧高周波発生器６０の交流電圧の電圧値、印加時間、交流周波数、印加時期を制御して、放電装置５０の放電エネルギを調整する。   The non-equilibrium plasma discharge engine 100 includes a controller 70 for controlling the high voltage high frequency generator 60. The controller 70 has a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface. The controller 70 receives outputs from various sensors that detect engine operating conditions such as engine speed and engine load. The controller 70 adjusts the discharge energy of the discharge device 50 by controlling the voltage value, application time, AC frequency, and application timing of the AC voltage of the high-voltage and high-frequency generator 60 based on these outputs.

なお、放電装置５０に印加する電圧は交流に限らず、直流であってもよい。直流電源であっても、絶縁部５３の表面と円環状電極５２の広範囲の空間領域に複数のストリーマが形成されるため、体積的なバリア放電が可能だからである。また、多重のパルス電圧を印加するようにしてもよい。   The voltage applied to the discharge device 50 is not limited to alternating current, and may be direct current. This is because even with a DC power supply, a plurality of streamers are formed on the surface of the insulating portion 53 and a wide space area of the annular electrode 52, so that volume barrier discharge is possible. Further, multiple pulse voltages may be applied.

図２（Ａ）は放電装置５０の側面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。   2A is a side view of the discharge device 50, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2A.

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中心電極５１は棒状の導電体からなり、点火室５５に突出するように、燃焼室１３に延設して配置、形成される。中心電極５１は、誘電体からなる絶縁部５３によって覆われている。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the center electrode 51 is made of a rod-shaped conductor, and is disposed and formed so as to extend into the combustion chamber 13 so as to protrude into the ignition chamber 55. The center electrode 51 is covered with an insulating part 53 made of a dielectric.

そして、この絶縁部５３を取り囲むように、かつ、中心電極５１に対向して、導電体からなる円環状電極５２が配置される。この円環状電極５２の内周面には光触媒である酸化セリウム（ＣｅＯ2）がコーティングされて光触媒層５２ａを形成しており、側壁部には吸気通路３０と点火室５５とを連通する複数のスリット５２ｂが設けられている。 An annular electrode 52 made of a conductor is disposed so as to surround the insulating portion 53 and face the center electrode 51. The inner peripheral surface of the annular electrode 52 is coated with cerium oxide (CeO 2 ), which is a photocatalyst, to form a photocatalyst layer 52 a, and a side wall portion includes a plurality of air passages that communicate with the intake passage 30 and the ignition chamber 55. A slit 52b is provided.

このような構造にすることで、吸気通路３０を流れる吸気の一部が点火室５５を通過するようになり、点火室５５のガス交換量が多くなる。その結果、ラジカル生成量を増加させることが可能となり、着火性をより向上させることができる。さらには、希薄燃焼下における初期燃焼期間の短縮及び燃焼安定性の向上を図ることができる。   With this structure, part of the intake air flowing through the intake passage 30 passes through the ignition chamber 55, and the amount of gas exchange in the ignition chamber 55 increases. As a result, the amount of radical generation can be increased, and the ignitability can be further improved. Furthermore, it is possible to shorten the initial combustion period and improve the combustion stability under lean combustion.

上記のような構成の放電装置５０に電圧を印加すると、中心電極５１と円環状電極５２との間に絶縁部５３があることによりアーク放電に遷移することが抑制され、点火室５５内に複数のストリーマ（非平衡プラズマ）が形成される。この非平衡プラズマ放電は、バリア放電や無声放電と呼ばれる。非平衡プラズマ放電で生成される高エネルギ電子が吸気ガス中の窒素、酸素分子と衝突して分子解離を誘発し、高反応性のラジカル（化学活性種）を生成し、混合気の酸化連鎖反応、すなわち混合気の着火性の向上に寄与する。   When a voltage is applied to the discharge device 50 having the above-described configuration, transition to arc discharge is suppressed due to the presence of the insulating portion 53 between the center electrode 51 and the annular electrode 52, and a plurality of ignition devices 55 are provided in the ignition chamber 55. Streamers (non-equilibrium plasma) are formed. This non-equilibrium plasma discharge is called barrier discharge or silent discharge. High energy electrons generated by non-equilibrium plasma discharge collide with nitrogen and oxygen molecules in the intake gas to induce molecular dissociation, generating highly reactive radicals (chemically active species), and oxidation chain reaction of the gas mixture That is, it contributes to the improvement of the ignitability of the air-fuel mixture.

さらに、光触媒層５２ａにおいても、非平衡プラズマの発光の少なくとも一部を吸収してラジカルが生成される。   Furthermore, also in the photocatalyst layer 52a, radicals are generated by absorbing at least part of the emission of non-equilibrium plasma.

なお、光触媒の温度を上昇させるための電熱ヒータを電極内または電極周辺に設けてもよい。エンジンは、運転中は常に放熱しているため、触媒温度を一定以上に保つことは容易であるため、ヒータは必ずしも必要ではない。しかし、ヒータを用いることで、早期に触媒温度を一定以上に昇温させることができる。   In addition, you may provide the electric heater for raising the temperature of a photocatalyst in an electrode or the electrode periphery. Since the engine always dissipates heat during operation, it is easy to keep the catalyst temperature above a certain level, and thus a heater is not always necessary. However, by using a heater, the catalyst temperature can be raised to a certain level or higher at an early stage.

ここで、光触媒層５２ａを形成する光触媒の作用について説明する。   Here, the effect | action of the photocatalyst which forms the photocatalyst layer 52a is demonstrated.

光触媒にバンドギャップ以上のエネルギを持つ光を照射すると、価電子帯にある電子（ｅ-）が励起されて伝導帯に移動し、価電子帯には電子が抜けたことにより正孔（ｈ+）ができる。伝導帯に移動した電子は空気中の酸素を還元してスーパーオキサイドアニオン（Ｏ2 -）を生成し、一方、正孔は空気中の水分を酸化させてヒドロキシラジカル（ＯＨ・）を生成すると考えられている。これらは非常に強い酸化力を有しているため、有機物を二酸化炭素と水に分解することができる。そこで、本実施形態では、このような光触媒反応を利用することで、反応性の高いラジカルを生成する。 When the photocatalyst is irradiated with light having energy greater than the band gap, electrons (e − ) in the valence band are excited and moved to the conduction band, and holes (h + ) Is possible. Electrons that have moved to the conduction band reduce oxygen in the air to generate superoxide anions (O 2 − ), while holes oxidize moisture in the air to generate hydroxy radicals (OH ·). It has been. Since these have very strong oxidizing power, organic substances can be decomposed into carbon dioxide and water. Therefore, in the present embodiment, a radical having high reactivity is generated by utilizing such a photocatalytic reaction.

なお、電子を価電子帯から伝導帯に移動させるには、上述したように光触媒が有する固有のバンドギャップ以上の光エネルギが必要であり、この光エネルギと光の波長との関係は式（１）で表わされる。   In addition, in order to move an electron from a valence band to a conduction band, as mentioned above, the light energy more than the intrinsic | native band gap which a photocatalyst has is required, and the relationship between this light energy and the wavelength of light is Formula (1). ).

波長（ｎｍ）＝１２４０／光エネルギ（ｅＶ） ・・・（１）
したがって、図４に示すように約４５０（ｎｍ）から吸収が始まる酸化セリウムの場合には、必要な光エネルギは約２．８（ｅＶ）となる。なお、図４は酸化セリウムのＵＶ−ＶＩＳスペクトルを示す図である。 Wavelength (nm) = 1240 / light energy (eV) (1)
Therefore, as shown in FIG. 4, in the case of cerium oxide whose absorption starts from about 450 (nm), the required light energy is about 2.8 (eV). FIG. 4 is a view showing a UV-VIS spectrum of cerium oxide.

図５は非平衡プラズマの発光スペクトルを示す図である。この図に示すように、非平衡プラズマによる発光は最も短い波長で２９０（ｎｍ）である。したがって、非平衡プラズマの発光によって電子を伝導帯に励起させるためには、バンドギャップは約４．３（ｅＶ）以下であればよい。すなわち、本実施形態では光触媒として酸化セリウムを使用するが、バンドギャップが約４．３（ｅＶ）以下であればよい。例えばチタン、銅、鉄等の遷移金属の酸化物、硫化物、窒化物、あるいはこれらの混合物も使用可能である。   FIG. 5 is a diagram showing an emission spectrum of non-equilibrium plasma. As shown in this figure, light emission by non-equilibrium plasma is 290 (nm) at the shortest wavelength. Therefore, in order to excite electrons to the conduction band by emission of non-equilibrium plasma, the band gap may be about 4.3 (eV) or less. That is, in this embodiment, cerium oxide is used as a photocatalyst, but the band gap may be about 4.3 (eV) or less. For example, oxides, sulfides, nitrides, or mixtures of transition metals such as titanium, copper, and iron can be used.

なお、本実施形態における光触媒層５２ａは、混合気の着火性向上のためのラジカル生成を目的とするものであって、誘電体や電極への煤の付着防止や汚れ除去を目的とするものではない。したがって、光触媒層５２ａが酸化チタン等のように親水性を顕現する必要はない。   Note that the photocatalyst layer 52a in the present embodiment is intended to generate radicals for improving the ignitability of the air-fuel mixture, and is not intended to prevent adhesion of soot to the dielectric or electrode or to remove dirt. Absent. Therefore, it is not necessary for the photocatalytic layer 52a to exhibit hydrophilicity like titanium oxide or the like.

また、光触媒の効率をさらに向上させるために、助触媒を添加してもよい。これは、吸収した光により分離した電子と正孔の再結合を抑制するためのものである。一旦再結合してしまうと再び分離することはなく、ラジカルの生成効率が低下する。助触媒を添加すると、分離した電子が助触媒に集まることで、正孔との再結合を抑制することができる。   In order to further improve the efficiency of the photocatalyst, a promoter may be added. This is to suppress recombination of electrons and holes separated by absorbed light. Once they are recombined, they are not separated again, and the radical generation efficiency decreases. When the cocatalyst is added, the separated electrons collect in the cocatalyst, so that recombination with holes can be suppressed.

助触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、銀、金、ニッケルが有効である。光触媒への担持方法としては、例えば、金属塩を溶媒に溶解し、光触媒に含浸後、乾燥そして焼成する方法がある。   As the promoter, platinum, rhodium, palladium, ruthenium, silver, gold and nickel are effective. As a method for supporting the photocatalyst, for example, there is a method in which a metal salt is dissolved in a solvent, impregnated in the photocatalyst, and then dried and fired.

上述したような構成の放電装置５０を備えるエンジンでは、混合気を圧縮することにより自己着火に至らしめる自己着火燃焼モードを実行する運転領域を有し、この自己着火燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部において、放電装置５０を作動させてラジカルを生成し、混合気の着火性を高める。   The engine including the discharge device 50 having the above-described configuration has an operation region in which the self-ignition combustion mode in which self-ignition is achieved by compressing the air-fuel mixture, and the operation region in which the self-ignition combustion mode is executed. At least in part, the discharge device 50 is operated to generate radicals, thereby improving the ignitability of the air-fuel mixture.

また、自己着火燃焼モードを実行する運転領域より高負荷側に、点火プラグ９０により混合気にスパーク点火をして火炎伝播させる火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有する。この火炎伝播燃焼モードを実行する領域の少なくとも一部においても、放電装置５０を作動させ、混合気の着火性を高める。   In addition, an operation region for executing a flame propagation combustion mode in which an air-fuel mixture is ignited by spark ignition by the spark plug 90 to propagate the flame is provided on the higher load side than the operation region for executing the self-ignition combustion mode. The discharge device 50 is also activated in at least a part of the region in which the flame propagation combustion mode is executed, thereby improving the ignitability of the air-fuel mixture.

以上により、本実施形態によれば次の効果を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

（１）燃焼室１３内、又は燃焼室１３に連通する吸気通路３０の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高めるラジカルを生成する放電装置５０と、この放電装置５０が発する光の少なくとも一部を吸収してラジカルを生成する光触媒層５２ａと、を有するので、非平衡プラズマ放電によるラジカル生量に加えて、さらに光触媒層５２ａによってもラジカルを生成できる。これにより、ラジカル生成量を増加して混合気の着火性をさらに高めることができる。   (1) A discharge device 50 that generates radicals that improve the ignitability of the air-fuel mixture in at least one of the combustion chamber 13 and the intake passage 30 that communicates with the combustion chamber 13, and at least light emitted by the discharge device 50 And a photocatalyst layer 52a that absorbs a part to generate radicals. In addition to the radical production by non-equilibrium plasma discharge, the photocatalyst layer 52a can also generate radicals. Thereby, the radical production amount can be increased and the ignitability of the air-fuel mixture can be further enhanced.

（２）光触媒が、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、または遷移金属窒化物等の遷移金属化合物であるので、非平衡プラズマ放電による発光の波長で十分に光触媒反応が起こる。   (2) Since the photocatalyst is a transition metal compound such as a transition metal oxide, transition metal sulfide, or transition metal nitride, the photocatalytic reaction sufficiently occurs at the wavelength of light emission by non-equilibrium plasma discharge.

（３）光触媒層５２ａを、非平衡プラズマ放電により形成されるストリーマの密度が相対的に低い位置に配置するので、より広い領域でラジカルを生成することができ、着火性を向上させることができる。   (3) Since the photocatalyst layer 52a is disposed at a position where the density of the streamer formed by non-equilibrium plasma discharge is relatively low, radicals can be generated in a wider region and the ignitability can be improved. .

（４）放電装置５０が、中心電極５１と、これを囲む円環状電極５２と、中心電極５１と円環状電極５２との間に形成される点火室５５と、を有し、光触媒層５２ａが円環状電極５２の内周壁面に配置されているので、電界強度が相対的に低いためにストリーマ密度が低くなる位置に光触媒層５２ａが配置されることとなり、点火室５５内のラジカル生成量を増加させることができる。   (4) The discharge device 50 includes a center electrode 51, an annular electrode 52 surrounding the center electrode 51, and an ignition chamber 55 formed between the center electrode 51 and the annular electrode 52, and the photocatalytic layer 52a Since it is arranged on the inner peripheral wall surface of the annular electrode 52, the photocatalyst layer 52a is arranged at a position where the streamer density is low because the electric field strength is relatively low, and the amount of radicals generated in the ignition chamber 55 is reduced. Can be increased.

（５）中心電極５１が誘電体で構成される絶縁部５３に覆われているので、バリア放電による非平衡プラズマとなり、アーク放電（熱プラズマ）への遷移を確実に防止することができる。   (5) Since the center electrode 51 is covered with the insulating portion 53 made of a dielectric, non-equilibrium plasma due to barrier discharge is generated, and transition to arc discharge (thermal plasma) can be reliably prevented.

（６）光触媒層５２ａが、吸収した光により分離した電子と正孔の再結合を抑制するための助触媒を有するので、ラジカルの生成効率の低下を抑制できる。   (6) Since the photocatalyst layer 52a has a co-catalyst for suppressing recombination of electrons and holes separated by absorbed light, it is possible to suppress a decrease in radical generation efficiency.

（７）光触媒層５２ａを昇温させる手段を備える、または機関が放出する熱により光触媒層５２ａを昇温させることにより、光触媒作用によるラジカルの生成効率が高まる。   (7) By providing means for raising the temperature of the photocatalyst layer 52a, or by raising the temperature of the photocatalyst layer 52a by heat released from the engine, the efficiency of radical generation by photocatalysis increases.

（８）自己着火燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、放電装置５０を作動させるので、非平衡プラズマ及び光触媒作用によってラジカルが生成され、混合気の自己着火性がより向上させることができる。例えば、放電装置５０を作動させない場合には燃焼安定性を確保できないような低負荷希薄燃焼であっても、放電装置５０を作動させてラジカル量を増加させることにより、安定した燃焼を行うことが可能となる。また、燃焼効率が低下しがちな低負荷領域において放電装置５０を作動させることにより、混合気の着火性を向上させて熱効率の高い自己着火燃焼を実現できる。   (8) Since the discharge device 50 is operated in at least a part of the operation region in which the self-ignition combustion mode is executed, radicals are generated by non-equilibrium plasma and photocatalytic action, and the self-ignitability of the air-fuel mixture is further improved. Can be made. For example, stable combustion can be performed by increasing the amount of radicals by operating the discharge device 50 even in the case of low load lean combustion in which combustion stability cannot be ensured when the discharge device 50 is not operated. It becomes possible. Further, by operating the discharge device 50 in a low load region where the combustion efficiency tends to be reduced, the ignitability of the air-fuel mixture can be improved and self-ignition combustion with high thermal efficiency can be realized.

（９）火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、放電装置５０を作動させてラジカルを生成するので、混合気の着火性が高まり、例えば点火プラグ９０で点火して火炎伝播させる場合の燃焼効率を高めることができる。   (9) Since the discharge device 50 is operated to generate radicals in at least a part of the operation region in which the flame propagation combustion mode is executed, the ignitability of the air-fuel mixture is improved. Combustion efficiency in the case of flame propagation can be increased.

第２実施形態について説明する。   A second embodiment will be described.

図６は本実施形態を適用する非平衡プラズマ放電式エンジン１００の構成図である。第１実施形態との違いは、放電装置５０が吸気通路３０ではなく燃焼室１３に臨むように配置されること、点火プラグ９０を備えないこと、そして放電装置５０の構造である。ただし、放電装置５０の位置は図６に示した位置に限られるわけではなく、点火室５５が燃焼室１３に臨む位置であればよい。   FIG. 6 is a configuration diagram of a non-equilibrium plasma discharge engine 100 to which this embodiment is applied. The difference from the first embodiment is that the discharge device 50 is arranged so as to face the combustion chamber 13 instead of the intake passage 30, the ignition plug 90 is not provided, and the structure of the discharge device 50. However, the position of the discharge device 50 is not limited to the position shown in FIG. 6, and may be a position where the ignition chamber 55 faces the combustion chamber 13.

放電装置５０の構造の違いは、円環状電極５２にスリット５２ｂを有しない点である。   The difference in the structure of the discharge device 50 is that the annular electrode 52 does not have a slit 52b.

なお、燃焼室１３内の熱により光触媒層５２ａの温度が上昇するので、電熱ヒータは不要となる。   In addition, since the temperature of the photocatalyst layer 52a rises due to the heat in the combustion chamber 13, an electric heater is not necessary.

本実施形態では、印加電圧、印加時間、交流周波数を制御することによって、放電装置５０を点火装置として使用する火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有する。この火炎伝播燃焼モードでは、非平衡プラズマにより生成される高エネルギ電子が混合気中の窒素、酸素分子と衝突して分子離脱を誘発して高反応性のラジカルを生成し、混合気の燃焼酸化連鎖反応の促進に寄与する。   In this embodiment, it has the operation area | region which performs the flame propagation combustion mode which uses the discharge device 50 as an ignition device by controlling an applied voltage, an application time, and an alternating frequency. In this flame propagation combustion mode, high-energy electrons generated by non-equilibrium plasma collide with nitrogen and oxygen molecules in the gas mixture to induce molecular detachment and generate highly reactive radicals. Contributes to the promotion of chain reaction.

さらに、電界強度が中心電極５１付近より低いためストリーマ密度も低くなる円環状電極５２付近においても、光触媒層５２ａがあることによってラジカルが生成されるので、より広い空間での体積点火が可能となる。   Furthermore, radicals are generated by the presence of the photocatalyst layer 52a even in the vicinity of the annular electrode 52 where the streamer density is low because the electric field strength is lower than that in the vicinity of the center electrode 51, so that volume ignition in a wider space is possible. .

これにより、混合気の着火ロバスト性の向上及び燃焼期間の短縮が可能となるので、従来のスパーク点火と比較して、希薄燃焼やＥＧＲ導入による希釈燃焼時、または機関始動時等の低温燃焼時における燃焼安定性が向上する。さらに、高負荷運転時に火炎伝播燃焼モードを適用すれば、燃焼期間の短縮により、ノッキングの発生を防止することができる。   As a result, the ignition robustness of the air-fuel mixture can be improved and the combustion period can be shortened. Therefore, in comparison with the conventional spark ignition, at the time of low-temperature combustion such as lean combustion, dilution combustion by introducing EGR, or engine start-up Combustion stability is improved. Furthermore, if the flame propagation combustion mode is applied during high-load operation, knocking can be prevented by shortening the combustion period.

また、混合気に着火させるための作動の前、主に吸気行程中に、放電装置５０をラジカル生成のために作動させてもよい。これによれば、点火時における混合気の着火性が向上するので、希薄燃焼限界もしくは希釈燃焼限界をさらに広げ、または低温燃焼時の燃焼安定性をさらに向上させることができる。なお、別途点火プラグ９０を備え、混合気への着火を点火プラグ９０によるスパーク点火としてもよい。   Further, before the operation for igniting the air-fuel mixture, the discharge device 50 may be operated for generating radicals mainly during the intake stroke. According to this, since the ignitability of the air-fuel mixture at the time of ignition is improved, the lean combustion limit or the dilution combustion limit can be further expanded, or the combustion stability at the time of low temperature combustion can be further improved. Note that a separate spark plug 90 may be provided, and ignition of the air-fuel mixture may be spark ignition by the spark plug 90.

以上により、本実施形態によれば次の効果を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

（１）放電装置５０を点火手段として用いるので、広い空間での点火（体積点火）が可能となり、着火ロバスト性の向上、燃焼期間の短縮が可能となる。   (1) Since the discharge device 50 is used as an ignition means, ignition in a wide space (volume ignition) is possible, and ignition robustness can be improved and a combustion period can be shortened.

（２）火炎伝播燃焼モード時に、混合気に点火するための放電装置５０の作動時期以前に、ラジカル生成のために放電装置５０を作動させるので、点火前に混合気の着火性を向上させて、着火ロバスト性の向上や燃焼期間の短縮の効果をより高めることができる。   (2) In the flame propagation combustion mode, the discharge device 50 is operated to generate radicals before the operation timing of the discharge device 50 for igniting the air-fuel mixture, so that the ignitability of the air-fuel mixture is improved before ignition. The effect of improving ignition robustness and shortening the combustion period can be further enhanced.

第３実施形態について説明する。   A third embodiment will be described.

図７は、本実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００の概略構成図である。本実施形態では、放電装置５０及び光触媒をコーティングする位置以外は図６と同様なので、吸・排気弁３１、４１、吸・排気通路３０、４０等は省略している。   FIG. 7 is a schematic configuration diagram of the nonequilibrium plasma discharge engine 100 of the present embodiment. In this embodiment, since the discharge device 50 and the photocatalyst coating position are the same as in FIG. 6, the intake / exhaust valves 31, 41, the intake / exhaust passages 30, 40, etc. are omitted.

また、燃焼モードについては、第２実施形態と同様とする。   The combustion mode is the same as in the second embodiment.

放電装置５０は、円環状電極５２が中心電極５１の長手方向に短く、シリンダヘッド２０に取り付けられた状態で、絶縁部５３に覆われた中心電極５１のみが燃焼室１３内に突出する。また、非平衡プラズマによる発光が届く範囲の、燃焼室壁面及びピストン１１の冠面の少なくとも一部に光触媒層５２ａを設ける。   In the discharge device 50, only the center electrode 51 covered with the insulating portion 53 protrudes into the combustion chamber 13 with the annular electrode 52 being short in the longitudinal direction of the center electrode 51 and being attached to the cylinder head 20. Further, the photocatalyst layer 52a is provided on at least a part of the wall surface of the combustion chamber and the crown surface of the piston 11 within a range where light emission by non-equilibrium plasma can reach.

上記構成では、中心電極５１付近の燃焼室壁面が接地電極として機能し、圧縮行程後半から膨張行程前半にかけてはピストン冠面も接地電極として機能するので、中心電極５１と燃焼室壁面及びピストン冠面との間で非平衡プラズマが形成されて、ラジカルが生成される。   In the above configuration, the combustion chamber wall surface near the center electrode 51 functions as a ground electrode, and the piston crown surface also functions as a ground electrode from the latter half of the compression stroke to the first half of the expansion stroke. A non-equilibrium plasma is formed between them and radicals are generated.

さらに、非平衡プラズマによる発光が届く範囲に光触媒層５２ａを設けることにより、光触媒層５２ａ付近では、光触媒の作用によってもラジカルが生成される。   Furthermore, by providing the photocatalyst layer 52a in a range where light emission by non-equilibrium plasma can reach, radicals are also generated by the action of the photocatalyst near the photocatalyst layer 52a.

以上により本実施形態では次のような効果を得ることができる。   As described above, the following effects can be obtained in the present embodiment.

（１）放電装置５０は、燃焼室内に突出する中心電極５１を有し、中心電極５１と燃焼室壁面またはピストン冠面の少なくとも一方との間で非平衡プラズマ放電を形成し、光触媒層５２ａが、非平衡プラズマ放電による発光が届く範囲の燃焼室壁面及びピストン冠面の少なくとも一部に配置されているので、より広い空間でラジカルを生成することができる。   (1) The discharge device 50 has a center electrode 51 protruding into the combustion chamber, and forms a non-equilibrium plasma discharge between the center electrode 51 and at least one of the combustion chamber wall surface or the piston crown surface, and the photocatalyst layer 52a Since it is arranged on at least a part of the combustion chamber wall surface and the piston crown surface in a range where light emission by non-equilibrium plasma discharge reaches, radicals can be generated in a wider space.

なお、上記各実施形態では、非平衡プラズマ放電を形成する手段として、バリア放電を行う放電装置５０を用いたが、非平衡プラズマを形成できる電極・電源仕様であれば、その他の形成手段であってもよい。例えば、短パルス波を印加してアークに遷移する前に電界を遮断して非平衡プラズマを形成する方法や、マイクロ波・ラジオ波等を利用して非平衡プラズマを形成する方法でもよい。電極の形状についても、上述した形状に限られるものではなく、例えば電極が同軸状でなくてもよく、誘電体で覆われてなくてもよい。   In each of the above embodiments, the discharge device 50 that performs the barrier discharge is used as the means for forming the non-equilibrium plasma discharge. However, any other forming means may be used as long as it is an electrode / power supply specification capable of forming the non-equilibrium plasma. May be. For example, a method of forming a non-equilibrium plasma by cutting off an electric field before applying a short pulse wave to transition to an arc, or a method of forming a non-equilibrium plasma using a microwave or radio wave may be used. The shape of the electrode is not limited to the shape described above. For example, the electrode may not be coaxial and may not be covered with a dielectric.

また、４ストロークレシプロエンジンに適用する例について説明したが、これに限られるわけではなく、例えば２ストロークエンジンについて適用することもできる。さらに、燃料噴射弁３４は筒内に直接燃料を噴射するよう設けているが、吸気通路３０内に噴射するような配置であってもよい。   Moreover, although the example applied to a 4-stroke reciprocating engine was demonstrated, it is not necessarily restricted to this, For example, it can also apply to a 2-stroke engine. Furthermore, although the fuel injection valve 34 is provided so as to inject fuel directly into the cylinder, it may be arranged so as to inject into the intake passage 30.

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

第１実施形態を適用するシステムの構成図である。1 is a configuration diagram of a system to which a first embodiment is applied. （Ａ）は放電装置の電極部の構成を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。(A) is a figure which shows the structure of the electrode part of a discharge device, (B) is sectional drawing along the AA of (A). 光触媒によるラジカル生成のメカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of the radical production | generation by a photocatalyst. 酸化セリウムのＵＶ−ＶＩＳスペクトル図である。It is a UV-VIS spectrum figure of cerium oxide. 非平衡プラズマの発光スペクトル図である。It is an emission spectrum figure of non-equilibrium plasma. 第２実施形態を適用するシステムの構成図である。It is a block diagram of the system to which 2nd Embodiment is applied. 第３実施形態を適用するシステムの構成図である。It is a block diagram of the system to which 3rd Embodiment is applied.

符号の説明Explanation of symbols

１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１２ シリンダ
１３ 燃焼室
２０ シリンダヘッド
３０ 吸気通路
３１ 吸気弁
３２ 吸気側カムシャフト
３３ カム
３４ 燃料噴射弁
４０ 排気通路
４１ 排気弁
４２ 排気側カムシャフト
４３ カム
５０ 放電装置
５１ 中心電極
５２ 円環状電極
５２ａ 光触媒層
５３ 絶縁部
５４ 主体金具
６０ 高電圧高周波発生器
７０ コントローラ
９０ 点火プラグ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cylinder block 11 Piston 12 Cylinder 13 Combustion chamber 20 Cylinder head 30 Intake passage 31 Intake valve 31 Intake side camshaft 33 Cam 34 Fuel injection valve 40 Exhaust passage 41 Exhaust valve 42 Exhaust side camshaft 43 Cam 50 Discharge device 51 Center electrode 52 Annular electrode 52a Photocatalyst layer 53 Insulating part 54 Metal shell 60 High voltage high frequency generator 70 Controller 90 Spark plug

Claims (14)

燃焼室内、又は燃焼室に連通する吸気通路の少なくともいずれか一方に、混合気の着火性を高める化学活性種を生成する非平衡プラズマ放電手段と、この非平衡プラズマ放電手段が発する光の少なくとも一部を吸収して前記化学活性種を生成する光触媒と、を有することを特徴とする内燃機関。   Non-equilibrium plasma discharge means for generating chemically active species that enhance the ignitability of the air-fuel mixture in at least one of the combustion chamber and the intake passage communicating with the combustion chamber, and at least one of the light emitted by the non-equilibrium plasma discharge means An internal combustion engine comprising: a photocatalyst that absorbs a part to generate the chemically active species. 前記光触媒を、非平衡プラズマ放電により形成されるストリーマの密度が相対的に低い位置に配置することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to claim 1, wherein the photocatalyst is disposed at a position where the density of the streamer formed by non-equilibrium plasma discharge is relatively low. 前記非平衡プラズマ放電手段は、中心電極と、前記中心電極を囲む環状電極と、前記中心電極と前記環状電極との間に形成される点火室と、を有し、前記点火室が前記燃焼室に臨むように、または前記点火室が前記吸気通路に臨むように配置され、
前記光触媒が前記環状電極の前記中心電極と対向する面に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。 The non-equilibrium plasma discharge means includes a center electrode, an annular electrode surrounding the center electrode, and an ignition chamber formed between the center electrode and the annular electrode, and the ignition chamber is the combustion chamber. Or the ignition chamber is arranged to face the intake passage,
The internal combustion engine according to claim 2, wherein the photocatalyst is disposed on a surface of the annular electrode facing the center electrode. 前記非平衡プラズマ放電手段は、燃焼室内に突出する中心電極を有し、前記中心電極と燃焼室壁面またはピストン冠面の少なくとも一方との間で非平衡プラズマ放電を形成し、
前記光触媒が、前記非平衡プラズマ放電による発光が届く範囲の燃焼室壁面及びピストン冠面の少なくとも一部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。 The non-equilibrium plasma discharge means has a center electrode protruding into the combustion chamber, and forms a non-equilibrium plasma discharge between the center electrode and at least one of the combustion chamber wall surface or the piston crown surface,
3. The internal combustion engine according to claim 2, wherein the photocatalyst is disposed on at least a part of a combustion chamber wall surface and a piston crown surface in a range where light emission by the non-equilibrium plasma discharge reaches. 前記中心電極が誘電体に覆われていることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to claim 3 or 4, wherein the center electrode is covered with a dielectric. 前記光触媒が、吸収した光により分離した電子と正孔の再結合を抑制するための助触媒を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the photocatalyst has a cocatalyst for suppressing recombination of electrons and holes separated by absorbed light. 前記光触媒を昇温させる手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, further comprising means for raising the temperature of the photocatalyst. 前記光触媒を、機関が放出する熱により昇温することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the temperature of the photocatalyst is increased by heat released from the engine. 混合気を圧縮することにより着火に至らしめる自己着火燃焼モードを実行する運転領域を有し、この自己着火燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、前記非平衡プラズマ放電手段を作動させて前記化学活性種を生成することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関。   The non-equilibrium plasma discharge means is provided in at least a part of the operation region of the operation region in which the self-ignition combustion mode for executing ignition is achieved by compressing the air-fuel mixture. The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the engine is operated to generate the chemically active species. 混合気に点火する点火手段を備え、
この点火手段により混合気に点火して火炎伝播させる火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有し、この火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域の少なくとも一部の運転領域で、前記非平衡プラズマ放電手段を作動させて前記化学活性種を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の内燃機関。 Comprising ignition means for igniting the air-fuel mixture;
The non-equilibrium plasma discharge has an operation region for executing a flame propagation combustion mode for igniting an air-fuel mixture by the ignition means and propagating the flame, and in at least a part of the operation region for executing the flame propagation combustion mode. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the chemically active species is generated by operating means. 前記非平衡プラズマ放電手段及び前記光触媒が燃焼室内に配置され、
前記非平衡プラズマ放電手段が前記点火手段として機能することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。 The non-equilibrium plasma discharge means and the photocatalyst are disposed in a combustion chamber;
The internal combustion engine according to claim 10, wherein the nonequilibrium plasma discharge means functions as the ignition means. 前記火炎伝播燃焼モードを実行する場合に、混合気に点火するための非平衡プラズマ放電手段作動時期より以前に、化学活性種生成のために前記非平衡プラズマ放電手段を作動させることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。   When the flame propagation combustion mode is executed, the non-equilibrium plasma discharge means is operated to generate chemically active species before the operation time of the non-equilibrium plasma discharge means for igniting the air-fuel mixture. The internal combustion engine according to claim 11. 前記光触媒が、遷移金属化合物からなることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 12, wherein the photocatalyst is made of a transition metal compound. 前記遷移金属化合物が、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、または遷移金属窒化物のいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関。   The internal combustion engine according to claim 13, wherein the transition metal compound is any one of a transition metal oxide, a transition metal sulfide, or a transition metal nitride.
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