JP2011007163A

JP2011007163A - 火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP2011007163A
Application number: JP2009154264A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Kusunoki; 亮平楠; Takeshi Serizawa; 毅芹澤; Hiroo Oi; 宏朗尾井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する場合に、点火プラグの中心電極に負の高電圧を印加して火花放電をすると、電子が拡散する傾向になり、プラズマの密度が低下した。
【解決手段】燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグが、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関に関するものである。

従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。

特開２００７−３２３４９号公報

ところで、大気圧下でプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンを用いて燃焼室内にプラズマを生成する場合、上述の特許文献１の補助電極のような、点火プラグ又はその周辺にマグネトロンからのマイクロ波を放射する電極つまりアンテナを設けるか、あるいは点火プラグの中心電極をアンテナとして使用することが考えられる。

点火プラグは、一般的に、中心電極が円柱形あるいは針状形であるのに対して、接地電極は、例えば断面が方形の、中心電極に対向する面の幅や長さが中心電極の先端の面より大きいものである。そして、点火に際しては、接地電極を基準電位として、中心電極に負の高電圧を印加して火花放電を実施している。したがって、放電は、中心電極から電子が接地電極に対して放出されることにより起こる。

ところが、このように電子が接地電極に向けて中心電極から放出されると、電子が拡散するために、上述した中心電極をマイクロ波のためのアンテナとしてプラズマを生成すると、プラズマの密度が低下する傾向にあり、それに伴って混合気への着火性能が低下する恐れが生じる。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグが、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施することを特徴とする。

このような構成によれば、火花放電に際しては、中心電極が正の高電圧となるので、電子は接地電極から中心電極に向けて放出される。つまり、接地電極から放出された電子は、中心電極に集中するものとなる。この結果、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成する場合、プラズマを生成する位置の設定を容易になすことが可能になる。

上述した、電界を生成させる電界生成手段としては、各種の周波数の電磁波を発生させる電磁波発生装置、燃焼室内に配置される一対の電極に交流電圧を印加する交流電圧発生装置、及び同じく一対の電極に脈流電圧を印加する脈流電圧発生装置などが挙げられる。

電磁波発生装置が発生する電磁波としては、マイクロ波、各種無線通信例えばアマチュア無線において使用される周波数を含む高周波、及びマイクロ波より波長の短いレーザなどが挙げられる。なお、レーザの場合は、他の電磁波発生装置とは構成の異なるレーザ発振装置を使用する。

交流電圧発生装置が出力する交流電圧は、上述の高周波と等しい周波数のものである。

脈流電圧発生装置は、周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その直流電圧の波形は任意であってよい。すなわち、本願における脈流電圧は、０ボルトを含む基準となる電圧から、一定周期で一定電圧まで変化するパルス電圧や、一定周期で順次増減する電圧まで変化する、例えば交流電圧を半波整流したような波形の直流電圧、さらには交流に直流バイアスをかけた直流電圧などを含むものである。この場合において、一定周期は、上述の高周波における周波数に対応するものであってよい。なお、波形は、上述したものに限定されるものではなく、正弦波、鋸歯状波、三角波などであってもよい。

本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電に際しては、中心電極が正の高電圧となるので、電子は接地電極から中心電極に向けて放出され接地電極から放出された電子は、中心電極に集中するものとなることで、火花放電と電界とを反応させさせてプラズマを生成する場合、プラズマを生成する位置の設定を容易になすことができる。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。同実施形態の点火プラグを中心とする電気構成を示すブロック図。本発明の実施形態において使用できる電磁波発生装置の構成を示すブロック図。本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置の構成を示すブロック図。図５におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に、１気筒における点火プラグ１の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、例えば３気筒のダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）形式のもので、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり吸気ポート２には燃料室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施例の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５とを備える。すなわち、点火プラグ１は、ハウジング１３がほぼ円柱形状の絶縁碍子１６を支持し、絶縁碍子１６の上端に取り付けられる接続端子１７が、ハウジング１３の下端から突出する中心電極１４と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング１３下端から中心電極１４下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極１５がハウジング１３に一体的に設けてある構造である。絶縁碍子１６は、中心電極１４とエンジン１００への取付部であるハウジング１３とを絶縁するとともに、中心電極１４と接続端子１７との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。

ハウジング１３は、絶縁碍子１６を収容するのに十分な内部空間を備える円筒形状のもので、導電材料である、例えばステンレス製のものである。ハウジング１３は、その上端部分が、絶縁碍子１６を密着し気密性を維持するために内側に絞り込まれている。また、その長手方向の中央部から下側部分の外周には、シリンダヘッド８への取付のための雄ねじ部１８が形成してある。加えて、雄ねじ部１８と上端部分との間には、取り付ける場合に取付台座部となる主体金具１９が、雄ねじ部１８より大きな外径で形成してある。

中心電極１４は、例えば円柱状の金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１６から露出するとともに、ハウジング１３の下端から露出する。中心極１４の先端はほぼ平坦な円形面で、接地電極１５の上面とほぼ平行に対向している。

このような中心電極１４に対して、接地電極１５は、ハウジング１３下端面に一体的に形成される側面視ほぼＬ字状のもので、その先端は、中心電極１４の中心軸から間隙２９をあけた位置まで延びている。接地電極１５は、このように中心電極１４に比較して長い上面を有しているので、その上面は中心電極１４の先端より大面積の電子放出面となる。接地電極１５は、このようにハウジング１３に一体的に設けられているので、使用時にあってはハウジング１３と同電位すなわち接地電位に維持される。

このような点火プラグ１に対して、図２に示すように、イグナイタ２０と点火コイル２１とからなる点火装置２２が混合器２３を介して接続されるとともに、マグネトロン２４及び制御回路２５を備える電磁波発生装置であるマイクロ波発生装置２６が混合器２３を介して接続される。点火装置２２は、エンジン１００の運転を制御するための、図示しない電子制御装置から各点火時期において点火信号が入力されると、イグナイタ２０により点火コイル２１が励起されて、点火プラグ１の中心電極１４に対して正の高電圧を印加する構成である。

マイクロ波発生装置２６は、制御回路２５が上述の電子制御装置からマイクロ波発生信号を受信すると、マグネトロン２４が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。マグネトロン２４が出力するマイクロ波は、図示しない導波管及び同軸ケーブルを介して点火プラグ１の中心電極１４に印加される。したがって、中心電極１４及びマイクロ波発生装置２６は、電界生成手段を構成するものである。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させ、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が電界中でプラズマになり、当該プラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに燃焼室６内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。

この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマにより混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室６内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

この場合に、点火プラグ１は、火花放電に際して、中心電極１４が正の高電圧となるので、電子は接地電極１５から中心電極１４に向けて放出されるものである。この実施形態においては、接地電極１５の中心電極１４と対向する上面は、中心電極１４の先端に比べて大面積であるので、中心電極１４の中心軸直下以外の位置からも、電子が中心電極１４に向けて放出される。そして、接地電極１５の上面に比較して中心電極１４の先端が小面積であるため、接地電極１５から放出された電子は、中心電極１４に集中し、その状態で火花放電が生じる。

この結果、火花放電と電界とを反応させてプラズマを発生させる場合、電界を生成する位置を点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間隙２９にすると、電子が集中している位置に電界を生成することになるので、火花放電と電界との反応が促進されるとともに、プラズマは、点火プラグ１の中心電極１４の先端と接地電極１５との間の間隙２９に安定して生成することができるものである。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態にあっては、中心電極１４の先端をほぼ平坦な円形面としたが、接地電極の一点に向かって針状に尖っているものであってもよい。

マイクロ波発生装置としては、上述のようなマグネトロン以外に、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

加えて、上述の実施形態においては、点火プラグ１の中心電極１４をアンテナとしたが、ホーン型のアンテナや、モノポール型のアンテナであってもよい。その場合、アンテナは燃焼室内又は燃焼室内に臨む位置に設ける。

さらには、点火プラグ１の中心電極１４をアンテナとして機能させて、高周波給電部とする場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

一方、電磁波発生装置における電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数帯に限られるものではなく、点火プラグ８の火花放電部分に電界を生成しプラズマを生成させることが可能な周波数であればよい。したがって、電磁波発生装置としては、例えば図３に示すような構成のものが好適である。

図３に示す電磁波発生装置３０は、例えば３００ＭＨｚの電磁波を発振する送信機３１と、送信機３１の出力端に同軸ケーブル３２で接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）３３と、マッチングチューナ３３の出力端に不平衡ケーブル３４で接続されるとともにイグナイタ３５にも接続されるミキサ３６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ１の中心電極１４が電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ３６は、マッチングチューナ３３を介して送信機３１が出力する電磁波を点火プラグ１の中心電極１４に印加するとともに、イグナイタ３５からの点火信号を中心電極１４に印加する。ミキサ３６は、送信機３１からの電磁波とイグナイタ３５からの点火信号を混合するものである。

この例では、送信機３１からの電磁波により、中心電極１４と接地電極１５との間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極１４と接地電極１５との間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。

また、電磁波発生装置としては、レーザ発振装置が挙げられる。レーザ発振装置は、レーザダイオードと、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）とシリンドリカルレンズを含むレンズアセンブリとを組み合わせたものが使用できる。レーザ発振装置から出力されるレーザは、光ファイバを介して燃焼室に送られる。この場合、光ファイバは、点火プラグのハウジングの中を通過してその先端が中心電極と接地電極との間隙に向けて取り付けられる。レーザは、火花放電に先立って、火花放電が生じる位置に照射されるのが好ましい。

光ファイバから射出されるレーザは、前述の間隙に集中して、間隙近傍に電界を集中させる。したがって、レーザの指向性により電界を所期の位置に生成することができ、プラズマを混合気の着火に最も好適な位置に生成することができる。

以上に説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図４に示す交流電圧発生装置４０は、車両用のバッテリ４１の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータ４２にて３００〜５００Ｖに昇圧し、その後、図５に例示するＨブリッジ回路４３にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、好ましくは１００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス４４により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成である。

このような交流電圧発生装置４０において、例えば点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５とを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置３０と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス４４とイグナイタと点火プラグ１との間にはミキサが配置される。そして、中心電極１４と接地電極１５との間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ１の間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成される。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ１周辺に生成され、混合気を着火するものである。なお、この一対の電極を中心電極１４と接地電極１５とで構成するものの場合に、接地電極１４に代えて、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

一対の電極は、上述した点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５とを使用する以外に、点火プラグ１を挟む位置に電極を配置する構成でもよい。すなわち、所定の距離離して、対向して一対の電極を配置する。この場合に、点火プラグ１がその電極間に位置するように、一対の電極は配置する。この場合においても、電極の一方を、接地電極、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

なお、このような交流電圧発生装置に代えて、脈流発生装置を使用するものであってもよい。つまり、一対の電極間に交流を印加する代わりに、パルス電圧などの脈流電圧を印加することにより、一対の電極間に電界を生成するものである。脈流発生装置は、交流電圧発生装置と同様に、バッテリから供給される直流をＤＣ？ＤＣコンバータで昇圧し、高圧の直流を所定周期で断続することにより脈流とし、その脈流を昇圧トランスにより昇圧して一対の電極に印加する構成である。脈流発生装置の場合、Ｈブリッジ回路に代えて周期的にオン・オフするスイッチング回路を用いる。このような脈流発生回路を使用することによっても、一対の電極間に電界を生成することができ、上述の実施形態同様の効果を得ることができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

１…点火プラグ
１３…ハウジング
１４…中心電極
１５…接地電極
２０…イグナイタ
２１…点火コイル
２２…点火装置
２４…マグネトロン
２５…制御回路
２６…高圧交流発生装置

Claims

燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグが、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施する火花点火式内燃機関。