JP5679162B2 - バリア放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体とバリア放電用電極とを有し、エンジンにおいて使用されるバリア放電装置に関する。

従来、例えば火花点火式のエンジンにおいて、単一の点火ギャップのみを用いたものよりも大きな火炎を得るために、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に配置されるヘッドガスケットに多点点火用の電極（以下、周辺電極と称する）を埋め込んだ構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

このようなものにあっては、燃焼室の天井の中央に取り付けられる中央点火プラグ及び複数の周辺電極から火炎が燃焼室内で同心円状に広がるとともに、三次元的に広がる。これにより、火炎が全体に広がる時間が短くなり、時間損失が少なく、理論サイクルに近づけられるため熱効率を上げることができる。そのため、混合気の急速燃焼を実現することができる。

ところが、これらの周辺電極は、燃焼室側に突出した構造であるため、耐久信頼性の確保が難しい。すなわち、一般的に、点火プラグの電極は消耗するので、一定期間での交換が必要となる。この多点点火用の周辺電極の場合、複数の周辺電極は、導電性部材によって電気的に直列に接続されているため、複数あるうち１つだけが消耗した場合であっても、ヘッドガスケットごとその全てを交換しなければならないという煩雑さがある。

また、特許文献１に記載されたこれらの周辺電極は、セラミックスで保持され焼成されているが、このようにセラミックスで焼結することには困難性を伴う。すなわち、金属製の周辺電極が露出した状態で、セラミックスを隙間無く焼結させ作製することは難しく、そのため、実用化、量産化が難しい。

さらに、ヘッドガスケットに電極を埋め込んだ構造であるため、量産化が難しいという問題もある。

特開２００７−２７０８２４号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、電極の交換の煩雑さや量産化の問題を克服しつつエンジンの燃焼を促進させることができるバリア放電装置を提供することを目的とする。

本発明は、以上のような課題を解決するために、次のような構成を採用したものである。すなわち、本発明にかかるバリア放電装置は、誘電体と、この誘電体内に保持される少なくとも２つのバリア放電のための電圧が印加されるバリア放電用電極とを有するエンジンのバリア放電装置であって、各バリア放電用電極がシリンダボア内に露出せず、シリンダボアを囲う形で配設されており、前記バリア放電用電極が、３つ以上からなり、筒内圧に応じて、電圧を印加するバリア放電用電極を変更し得るものであることを特徴とする。並びに、本発明にかかるバリア放電装置は、誘電体と、この誘電体内に保持される少なくとも２つのバリア放電のための電圧が印加されるバリア放電用電極とを有するエンジンのバリア放電装置であって、各バリア放電用電極がシリンダボア内に露出せず、シリンダボアを囲う形で配設されており、複数本の前記バリア放電用電極がシリンダボアに沿って周方向に伸びており、かつそれらが互いに平行になるように上下に離間した状態でヘッドガスケットに埋設されていることを特徴とする。

ここで、シリンダボアとは、ヘッドガスケットを含むシリンダ孔のことであり、特に、ピストンが上死点から下死点に至る往復動作をする際に、ピストンがいずれの位置にあっても、このピストンによって隠れることなく筒内に露出し得る部分を指すものとし、燃焼室も含む概念とする。

このようなものであれば、バリア放電によりオゾン等の活性種が生成されるため、燃焼を促進させることができる。特に、誘電体とバリア放電用電極とをシリンダボアを囲う形で配設しているため、シリンダボア面に沿った面着火を発生させることができ、この面着火により燃焼を促進できる。さらに、各バリア放電用電極は、シリンダボア内への露出がないため、従来のものに比べて耐久性がよい。

量産化が容易で、実現性の高い一態様としては、バリア放電用電極がヘッドガスケットに埋設されているものが挙げられる。

また、プラズマ生成を阻害する高圧状態においてもプラズマ生成を維持するためには、バリア放電用電極が、３つ以上からなり、筒内圧に応じて、電圧を印加するバリア放電用電極を変更し得るものであることが望ましい。

本発明によれば、電極の交換の煩雑さや量産化の問題を克服しつつエンジンの燃焼を促進させることができるバリア放電装置を提供できる。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を示す断面図。 同実施形態のバリア放電装置を一部破断させて模式的に示す拡大斜視図。 本発明の他の実施形態におけるバリア放電装置の図２に対応する図。

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は、点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関である二気筒のエンジン１００の一気筒の構成を示すものである。このエンジン１００は、シリンダを備えるシリンダブロック２と、シリンダブロック２にヘッドガスケット３を介して取り付けられるシリンダヘッド４とを備える。シリンダヘッド４には、吸気ポート５と排気ポート６とが設けてあり、吸気ポート５が吸気弁７により、排気ポート６が排気弁８によりそれぞれ開閉される。吸気弁７は、シリンダヘッド４に回転可能に取り付けられる吸気カムシャフト９により、排気弁８は、同じく排気カムシャフト１０によりそれぞれ駆動される。シリンダヘッド４には又、燃焼室１１が設けてあり、その天井の中央には点火プラグ１が取り付けられ、シリンダ内に直接燃料が噴射されるように燃料噴射弁１２が取り付けてある。

このようなシリンダヘッド４は、その下面に配置されるヘッドガスケット３とともに、シリンダブロック２に取り付けられる。シリンダブロック２には、シリンダボア１３が形成してある。シリンダボア１３には、その内部を往復作動するピストン１４が収めてあり、ピストン１４はクランク軸（図示しない）にコネクティングロッド１５で接続される。同図において、符号１６は、冷却水が循環するウォータジャケットである。なお、エンジン１００は、ヘッドガスケット３を除いて、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。

ヘッドガスケット３は、誘電性を有するセラミックにより作られたもので、シリンダブロック２の上面の形状にほぼ一致する平面形状を有している。ヘッドガスケット３は、具体的には、各シリンダボア１３の内径に対応して設けられるボア用開口１７と、ウォータジャケット１６のシリンダブロック２上面に設けられた開口１８に対応するジャケット用開口１９とを基本的に備え、それ以外の部分はシリンダブロック２とシリンダヘッド４とに密着してシール性を発揮するように構成してある。ヘッドガスケット３がシリンダヘッド４とシリンダブロック２との間に配置された場合、ボア用開口１７は燃焼室１１の一部として機能する。ボア用開口１７の近傍には、バリア放電装置２０を構成するバリア放電用電極２１、２２が、ボア用開口１７を取り囲んで配置してある。この実施形態にあっては、ヘッドガスケット３の一部が、バリア放電装置２０の誘電体２３として機能する。

バリア放電用電極２１、２２は、例えばタングステン等の金属製のものであり、円環形状をなす第一の電極２１と、この第一の電極２１と同一の大きさ及び形状をなす第二の電極２２とからなる。すなわち、これら第一及び第二の電極２１、２２は、それぞれシリンダボア１３に対応するヘッドガスケット３のボア用開口１７の外側に沿って取り付けられる大きさ及び形状を有したものである。そして、第一の電極２１と第二の電極２２とは、それぞれがシリンダボア１３に沿って平行になるように配置されて、ヘッドガスケット３内に埋設されている。

すなわち、本実施形態におけるエンジン１００は、図２に模式的に示すように、ヘッドガスケット３に一体的に取り付けられる円環形状の誘電体２３と、この誘電体２３に保持されるバリア放電用電極２１、２２とによって形成されたバリア放電装置２０を備えている。換言すれば、このバリア放電装置２０は、円環形状の誘電体２３として機能するヘッドガスケット３の一部と、このヘッドガスケット３の誘電体２３内に保持される２本のバリア放電用電極、すなわち第一の電極２１と第二の電極２２とを備えてなる。そして、これら第一の電極２１及び第二の電極２２がシリンダボア１３内に露出せず、シリンダボア１３を囲う形で配設されている。

これら第一の電極２１及び第二の電極２２に、図示しない交流発生装置によって高電圧を印加し、第一及び第二の電極２１、２２の内側のシリンダボア１３内に、バリア放電により低温のプラズマを生成させる。この交流発生装置は例えば、車両用のバッテリの電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータにて３００Ｖ〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路にて周波数が約１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの交流に変化させ、さらに図示しない変圧器により約５ｋＶｐ−ｐ〜２０ｋＶｐ−ｐに昇圧した交流を出力する構成である。

この実施形態では、交流発生装置からの交流が、第一及び第二の電極２１、２２に印加され、第一の電極２１と第二の電極２２との間にバリア放電が生じる。そして、バリア放電により、第一の電極２１と第二の電極２２とに囲まれたシリンダボア１３内の空間にプラズマが生成され、混合気に着火するものである。

すなわち、シリンダボア１３内に生成されたプラズマは、第一及び第二の電極２１、２２に沿って生成されるものであるので、それらの電極２１、２２と同様に、円環状に連続している。プラズマが生成されることにより、例えばエンジン１００が圧縮行程にある場合では、圧縮中の混合気に作用して、その内部に電子、イオン、ラジカル、オゾンなどの活性種を生成することになる。生成されるプラズマはいわゆる低温プラズマであるが、電子温度は高いので、圧縮により混合気の温度が上昇することと相俟って混合気を着火させるものである。この場合、プラズマの存在する第一及び第二の電極２１、２２の近傍のシリンダボア１３内から火炎がその内側に向かって伝播する。シリンダボア１３内には、円環状に生成されたプラズマにより活性種や連鎖反応により増加するラジカルなどが存在するので、シリンダボア１３の中心に向かって燃焼が伝播する。

なお、吸気行程においてバリア放電装置２０を作動させると、シリンダボア１３内に流入する混合気に、プラズマにより活性種やラジカルなど増加させることが可能である。これにより、上述のように圧縮行程の上死点に至った際に、圧縮により混合気の温度が上昇することと相俟って混合気を着火させる。

以上に述べたように、本実施形態に係るバリア放電装置２０は、円環形状をなす誘電体２３と、この誘電体２３内に保持される２つのバリア放電のための電圧が印加されるバリア放電用電極２１、２２とを有するエンジン１００に搭載されるものであって、各バリア放電用電極２１、２２がシリンダボア１３内に露出せず、シリンダボア１３を囲う形で配設されているので、バリア放電によりオゾン等の活性種が生成され、燃焼を促進させることができる。特に、円環形状の誘電体２３とバリア放電用電極２１、２２とをシリンダボア１３を囲う形で配設しているため、シリンダボア１３の内側面に沿って混合気を面着火させることができる。この面着火により、点火プラグのみ用いる通常の点着火と比べて燃焼を促進できる。

本実施形態のバリア放電装置２０は、ヘッドガスケット３に設けられており、前記バリア放電用電極２１、２２が、ヘッドガスケット３に埋設されているので、量産化が比較的容易である。さらに、各バリア放電用電極２１、２２は、シリンダボア１３内への露出がないため、従来のものに比べて耐久性がよい。

また、バリア放電用電極２１、２２としてタングステンを利用しているので、プリント成形によって製造しやすいという利点がある。

さらに、第一の電極２１と第二の電極２２とをそれぞれ平行となるように配設しているので、プラズマを均一に生成することが可能である。

また、シリンダボア１３内のエンドガス部にプラズマを発生させることにより、未燃焼ガスの溜まりやすいエンドガス部の混合気に着火され、ノックの発生を抑制することができる。そのため、圧縮比の向上を容易にすることができる。

なお、交流発生装置に代えて直流発生装置を用いてもよい。但し、直流発生装置にあっては陰極からのみ電子が放出される状態が続くため、交流発生装置を用いた方が電極の消耗を抑制することができる。

また、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。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限られない。

バリア放電装置は、上述したような各誘電体に２つの電極を保持させるものに限らず、各誘電体に３つ、または４つ以上の電極を保持させるものであってもよい。

図３に模式的に示すバリア放電装置２０は、ヘッドガスケット３に一体的に取り付けられる円環形状の誘電体２３を構成するヘッドガスケット３と、この誘電体２３内に保持される３本のバリア放電用電極２５、２６、２７とを備えている。これら各バリア放電用電極である第一の電極２５、第二の電極２６及び第三の電極２７は、シリンダボア１３内に露出せず、シリンダボア１３を囲う形で配設されているものである。そして、第一、第二、及び第三の電極２５、２６、２７は、それぞれリング状をなしており、シリンダヘッド４側からシリンダブロック２側へと順にそれぞれがシリンダボア１３に沿って平行になるように配置されている。これら第一、第二、及び第三の電極２５、２６、２７は、誘電体２３内に埋設されている。なお、図３に示す実施形態において上記実施形態に対応する構成要素には同様の符号を付して示すものとし、具体的な説明を省略する。

このように、バリア放電用電極２３が、３つ以上からなり、図示しない筒内圧検知手段によって検知される筒内圧に応じて、電圧を印加するバリア放電用電極を変更し得るものであれば、運転状況や燃焼室１１の状況に合わせてバリア放電の最適化を図ることができる。

具体的には、筒内圧が高い場合、第一の電極２５及び第二の電極２６に交流発生装置によって高電圧を印加することで、これら第一の電極２５及び第二の電極２６間にプラズマを発生させる。逆に、筒内圧が低い場合、第一の電極２５及び第三の電極２７に交流発生装置によって高電圧を印加することで、これら第一の電極２５及び第三の電極２７間にプラズマを発生させる。すなわち、筒内圧が高い場合には、燃焼室１１内にプラズマが発生しにくい状況が生じているが、このような場合には、できるだけ電極間距離を短くすることで、プラズマを短距離間に集中して発生させることができる。一方、筒内圧が低い場合には、高圧の場合に比べてプラズマが発生しやすい状況であるので、できるだけ電極間距離を長くすることで、プラズマを広範囲にわたって発生させることができる。なお、筒内圧検知手段としては、例えば燃焼室１１に設けられた図示しない筒内圧センサで測定された筒内圧や、燃焼室１１で測定されたイオン電流値などを用いればよい。

また、筒内圧に応じてプラズマの発生強度を制御する際には、上述した実施形態における交流発生装置の説明で示したものと同じ範囲内で、電圧、周波数を変更してもよい。例えば、プラズマの強度を上げるためには、電圧、周波数を上げるようにする。従って、エネルギー消費の面では不利になるものの、プラズマを大きくすることができるため、燃焼状態が良くなる。

なお、上述の実施形態においては、プラズマによる面着火を説明したが、点火プラグを面着火とほぼ同じタイミングで動作させて、面着火に加えて点火プラグによる点着火を併用するものであってよい。この場合、プラズマにより、混合気内には活性種やラジカルなどが存在するので、従来における多点点火に比べて、燃焼の拡大が早くなり、燃焼状態を改善することができる。

上述の実施形態にあっては、円環状の誘電体とバリア放電用電極とによるバリア放電装置を説明したが、ほぼ半円形状の誘電体と、それらの誘電体内に配置されるバリア放電用電極とで構成され、シリンダボアを囲む位置に取り付けるものであってもよい。この場合、誘電体同士は互いに離れていてもよく、このような誘電体を例えばヘッドガスケットに一体的に取り付ける構造とすれば、誘電体を個別に取り外しできるのでメンテナンスが容易になる。同様にして、誘電体をほぼ四分円形状や八分円形状にするものであってもよい。

なお、上述した実施形態においては、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に介在させたガスケットにバリア放電装置を備えていたが、バリア放電装置の設置場所はこれに限られない。すなわち、シリンダボア内のうち、ピストンの上下動作と干渉しない位置であれば、燃焼室内やシリンダブロックに設けてもよい。例えば、燃焼室内に設ける場合には、点火プラグの周りを取り囲むように、円環形状の誘電体を配するようにすればよい。

バリア放電用電極のための電源としては、交流発生装置以外に、脈流発生装置やパルス電圧発生装置であってもよい。脈流発生装置が出力する脈流電圧の波形は、交流を半波整流や全波整流したもの、あるいは矩形のものなど、特には限定されない。

また、バリア放電用電極として、タングステンの他に銅を用いることも可能である。

さらに、複数の電極は、それぞれ平行になるように配置しなくてもよいが、それらを平行に配置すれば、プラズマを均一に生成することができ、したがって、燃焼室内の燃焼を均一化させることができる。

なお、以上は、点火プラグを有する火花点火式エンジンについて説明したが、点火プラグを有するものに限られず、例えば、ディーゼルエンジンであってもよい。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１００…エンジン
３…ヘッドガスケット
２１、２２、２５、２６、２７…バリア放電用電極
２３…誘電体

Claims (3)

1. 誘電体と、この誘電体内に保持される少なくとも２つのバリア放電のための電圧が印加されるバリア放電用電極とを有するエンジンのバリア放電装置であって、各バリア放電用電極がシリンダボア内に露出せず、シリンダボアを囲う形で配設されており、
   前記バリア放電用電極が、３つ以上からなり、筒内圧に応じて、電圧を印加するバリア放電用電極を変更し得るものであるバリア放電装置。
2. 前記バリア放電用電極が、ヘッドガスケットに埋設されている請求項１記載のバリア放電装置。
3. 誘電体と、この誘電体内に保持される少なくとも２つのバリア放電のための電圧が印加されるバリア放電用電極とを有するエンジンのバリア放電装置であって、各バリア放電用電極がシリンダボア内に露出せず、シリンダボアを囲う形で配設されており、
   複数本の前記バリア放電用電極がシリンダボアに沿って周方向に伸びており、かつそれらが互いに平行になるように上下に離間した状態でヘッドガスケットに埋設されているバリア放電装置。

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