JP6014864B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

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。

従来から、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が知られている。この種の内燃機関は、電界と火花放電とを反応させてプラズマを生成することにより良好な着火が得られるようにしている。この種の内燃機関が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の内燃機関は、マイクロ波により電界を発生させ、その電界と火花放電とを反応させている。点火プラグによる火花放電は、電界中でプラズマになる。火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核は、火花放電のみの点火に比べて大きくなる。

特開２０１１−７１５５号公報

従来の火花点火式内燃機関は、混合気を希薄化することで、ポンピングロスを減少させて、燃費を向上させることが可能である。しかし、混合気を希薄にするほど火炎の伝播速度が低下するので、未燃のまま排出される燃料が増加する。ポンピングロスの減少により燃費は向上するものの、未燃の燃料が増加する分だけ、内燃機関の燃費の向上度合いが低下する。

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、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おいて、未燃のまま排出される燃料を低減させて、内燃機関の燃費を向上させることにある。

第１の発明は、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を対象とする。そして、この火花点火式内燃機関は、混合気を燃焼させる際に前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、少なくとも一部が導電体により構成され、前記燃焼室を区画する区画面から突出する突出部材とを備えている。

第１の発明では、混合気を燃焼させる際に、電磁波放射装置が燃焼室へ電磁波を放射する。そうすると、電磁波により突出部材の導電体に誘導電流が流れ、突出部材の近傍に電界が集中して、突出部材の近傍にプラズマが生成される。第１の発明では、火花放電と電界とが反応する領域以外にも、プラズマが生成される。

第２の発明は、第１の発明において、前記電磁波放射装置が、前記火花放電を行う際に電磁波を放射する。

第２の発明では、火花放電と電界との反応によりプラズマが生成される時期に、突出部材の近傍にプラズマが生成される。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記電磁波放射装置が、電界と火花放電との反応により生成されたプラズマにより混合気が着火された後に電磁波を放射する。

第３の発明では、火花放電と電界の反応に起因する混合気の着火後に、突出部材の近傍にプラズマが生成される。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記突出部材が、電界と火花放電との反応によりプラズマが生成される位置から広がる火炎の伝播が前記燃焼室において相対的に遅い領域に配置されている。

第４の発明では、火炎の伝播が燃焼室において相対的に遅い領域に、突出部材が配置されている。火炎の伝播が燃焼室において相対的に遅い領域において、突出部材に集中する電界によりプラズマが生成される。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記突出部材の導電体が、前記電磁波放射装置が放射する電磁波の波長の４分の１の長さの金属線である。

第５の発明では、突出部材の導電体が、燃焼室へ放射される電磁波の波長の４分の１の長さの金属線である。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、前記区画面では、前記電磁波放射装置が放射する電磁波の波長の４分の１以内の間隔で複数の突出部材が配置されている。

第６の発明では、複数の突出部材の配置間隔が、燃焼室へ放射される電磁波の波長の４分の１以内である。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、前記燃焼室が、円筒状のシリンダ内に形成され、前記燃焼室の天井面の中心部に、前記火花放電が生じる点火プラグが配置される一方、前記突出部材は、前記燃焼室の天井面において前記点火プラグと前記燃焼室の壁面との間に配置されている。

第７の発明では、燃焼室の天井面の中心部に点火プラグが配置され、点火プラグと燃焼室の壁面との間に突出部材が配置されている。プラズマは、点火プラグの近傍と、点火プラグより外側の突出部材の近傍とに生成される。

本発明では、混合気を燃焼させる際に、燃焼室の区画面から突出する突出部材の近傍に電磁波の電界を集中させることで、火花放電と電界とが反応する領域以外にも、プラズマが生成されるようにしている。プラズマが生成される領域では、混合気の酸化反応が促進され、燃焼が早期化される。従って、未燃のまま排出される燃料を低減させて、内燃機関の燃費を向上させることができる。

実施形態に係る火花点火式内燃機関の概略構成図である。 実施形態に係る火花点火式内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態に係る点火装置のブロック図である。 実施形態の変形例１に係る点火装置及び電磁波放射装置のブロック図である。 実施形態の変形例１に係る火花点火式内燃機関の概略構成図である。 実施形態の変形例２に係る火花点火式内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。

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》

本実施形態は、マイクロ波による電界と火花放電との反応により生成されるプラズマにより混合気に点火する火花点火式内燃機関１０（以下、「内燃機関」という。）である。内燃機関１０は、燃焼室２０が形成された内燃機関本体１１と、プラズマにより燃焼室２０の混合気に点火する点火装置３０とを備えている。
−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、燃焼室２０を区画している。シリンダヘッド２２、シリンダ２４及びピストン２３のうち燃焼室２０を区画する面が、後述する突出部材５０が設けられる区画面となる。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火装置３０の一部を構成する点火プラグ１５が１つずつ設けられている。点火プラグ１５は、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２において燃焼室２０を区画する面）の中心部に設けられている。点火プラグ１５の先端部には、放電ギャップを形成する中心電極１６及び接地電極１７が設けられている。

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の開口２５ａを開閉する吸気弁２７と、燃料を噴射する燃料噴射弁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の開口２６ａを開閉する排気弁２８が設けられている。

本実施形態では、シリンダヘッド２２における燃焼室２０の天井面５１に、複数の突出部材５０が設けられている。図２に示すように、燃焼室２０の天井面５１では、吸気ポート２５の開口２５ａ及び排気ポート２６の開口２６ａのうち、隣り合う開口２５ａ，２６ａの間のポート間領域５２の各々に、複数の突出部材５０（本実施形態では、３つの突出部材５０）が設けられている。各ポート間領域５２では、複数の突出部材５０が燃焼室２０の径方向に等間隔で並んでいる。隣り合う突出部材５０における先端間の距離Ｌは、燃焼室２０へ放射されるマイクロ波の波長λの４分の１以内の値（例えば、λ／１６）に設定されている。各突出部材５０は、円錐状に形成されている。各突出部材５０は、全体が導電体により構成されている。

内燃機関１０は、燃焼室２０において強いタンブル流３５が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。燃焼室２０では、吸気ポート２５から流入した混合気が、燃焼室２０の天井面に沿って排気ポート２６側へ流れ、その流れがシリンダ２４の壁面およびピストン２３の上面に当たって縦方向に旋回する渦になる。タンブル流３５は、吸気行程から圧縮行程に亘って形成される。
−点火装置−

点火装置３０は、図３に示すように、放電装置１２と電磁波放射装置１３と混合器３３とを備えている。点火装置３０は、放電装置１２により生成される火花放電と、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波により形成される電界とを反応させて、マイクロ波プラズマを生成する。

具体的に、放電装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。放電装置１２は、高電圧パルスを出力する点火コイル１４と、該点火コイル１４からの高電圧パルスが印加されると放電が生じる点火プラグ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点火プラグ１５に出力する。点火プラグ１５には、混合器３３を介して高電圧パルスが供給される。点火プラグ１５では、高電圧パルスが供給されると、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。本実施形態では、点火プラグ１５の中心電極１６が放射アンテナ１６として機能する。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、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号であり、電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。

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、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を供給するアンテナを切り替える。電磁波切替器３２は、電子制御装置３５により制御される。

混合器３３は、点火コイル１４からの高電圧パルスと電磁波発生装置３１からのマイクロ波パルスとを別々の入力端子で受けて、同じ出力端子から点火プラグ１５へ高電圧パルスとマイクロ波パルスとを出力する。
−点火動作−

点火装置３０の動作について説明する。以下では、１つのシリンダ２４に対する点火装置３０の動作を説明する。

シリンダ２４では、ピストン２３が上死点を達する直前に、吸気行程が開始される。そして、ピストン２３が上死点を通過した直後に、排気行程が終了する。電子制御装置３５は、吸気行程中のシリンダ２４に対応する燃料噴射弁２９に対して噴射信号を出力し、その燃料噴射弁２９に燃料を噴射させる。

吸気行程は、燃料噴射後においてピストン２３が下死点を通過した直後に終了する。吸気行程が終了すると、圧縮行程が開始される。電子制御装置３５は、圧縮行程中のシリンダ２４に対応する点火コイル１４に対して、ピストン２３が上死点に達する直前に点火信号を出力する。これにより、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが点火プラグ１５へ供給され、点火プラグ１５の放電ギャップでスパーク放電が行われる。

また、電子制御装置３５は、各点火コイル１４から高電圧パルスが出力される直前に、電磁波発生装置３１に電磁波駆動信号を出力する。なお、電磁波駆動信号の出力に先立って、高電圧パルスを受ける点火プラグ１５の中心電極１６がマイクロ波の供給先になるように、電磁波切替器３２が切り替えられている。これにより、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波パルスは、高電圧パルスを受ける点火プラグ１５の中心電極１６から燃焼室２０へ放射される。マイクロ波パルスは、スパーク放電が生成される直前から直後に亘って繰り返し放射される。

スパーク放電は、マイクロ波パルスによる電界と反応して拡大する。その結果、比較的大きなマイクロ波プラズマが生成される。他方、マイクロ波パルスによる電界は、放射アンテナとなる中心電極１６の近傍だけでなく、突出部材５０の近傍にも集中する。その結果、突出部材５０の近傍にもマイクロ波プラズマが生成される。燃焼室２０では、マイクロ波プラズマにより多点で混合気が着火され、混合気の燃焼が開始される。

シリンダ２４では、混合気が燃焼するときの膨張力により、ピストン２３が下死点側へ動かされる。そして、ピストン２３が下死点に達する直前に、排気行程が開始される。上述したように、排気行程は、吸気行程の開始直後に終了する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、混合気を燃焼させる際に、燃焼室２０の天井面５１から突出する突出部材５０の近傍にマイクロ波の電界を集中させることで、火花放電と電界とが反応する領域以外にも、マイクロ波プラズマが生成されるようにしている。マイクロ波プラズマが生成される領域では、混合気の酸化反応が促進され、燃焼が早期化される。従って、未燃のまま排出される燃料を低減させて、内燃機関１０の燃費を向上させることができる。
−実施形態の変形例１−

変形例１では、電磁波放射装置１３が、電界と火花放電との反応により生成されたプラズマにより混合気が着火された後にマイクロ波を放射する。また、点火装置３０は、マイクロ波より低い周波数の高周波による電界と火花放電とを反応させて、点火プラグ１５の近傍にプラズマを生成する。

具体的に、図４に示すように、点火装置３０は、放電装置１２と高周波発生装置６０とを備えている。高周波発生装置６０は、点火コイル１４が高電圧パルスを出力するのと同時期に、高電圧の高周波を出力する。高電圧の高周波は、混合器３３を介して点火プラグ１５へ供給される。点火プラグ１５の放電ギャップでは、高周波による電界と火花放電が反応して比較的大きなプラズマが生成され、そのプラズマにより混合気が着火される。

電磁波放射装置１３は、前記実施形態とは異なり、点火装置３０の一部を構成していない。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６１とを備えている。電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２とは、前記実施形態と同じである。変形例１では、点火プラグ１５の先端に、点火プラグ１５の中心電極１６とは別途に放射アンテナ６１が設けられている。電磁波切替器３２と放射アンテナ６１とを接続するマイクロ波の伝送線路は、点火プラグ１５の外側導体を貫通するように設けられている（図示省略）。なお、放射アンテナ６１は、点火プラグ１５以外の箇所（例えば、燃焼室２０の天井面５１）に設けてもよい。

電磁波放射装置１３は、点火装置３０が生成するプラズマにより混合気が着火された後にマイクロ波を放射する。電磁波放射装置１３は、点火装置３０の着火位置から広がる火炎が点火プラグ１５に最も近い突出部材５０を通過する前にマイクロ波を放射する。そうすると、マイクロ波により各突出部材５０の導電体に誘導電流が流れ、突出部材５０の近傍に電界が集中して、突出部材５０の近傍にマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマが生成された領域では、混合気の酸化反応が促進され、燃焼が早期化される。つまり、放電ギャップから広がる火炎の伝播速度が、マイクロ波プラズマにより向上する。変形例１によれば、未燃のまま排出される燃料を低減させて、内燃機関の燃費を向上させることができる。なお、電磁波放射装置１３は、点火装置３０の着火位置から広がる火炎が点火プラグ１５から最も離れた突出部材５０を通過するまでマイクロ波の放射を継続する。

変形例１において、電磁波放射装置１３が、火花放電を行う際にもマイクロ波を放射してもよい。つまり、点火装置３０が生成するプラズマにより混合気を着火する際にもマイクロ波を放射してもよい。

また、変形例１を前記実施形態に適用してもよい。つまり、前記実施形態において、中心電極１６の近傍及び突出部材５０の近傍に生成されたプラズマにより混合気が着火された後に、マイクロ波をさらに放射してもよい。
−実施形態の変形例２−

変形例２では、突出部材５０が、点火装置３０によりプラズマが生成される位置から広がる火炎の伝播が燃焼室２０において相対的に遅い領域に配置されている。

具体的に、火炎の伝播速度は、タンブル流の影響により、排気ポート２６の開口２６ａ側ほど速く、吸気ポート２５の開口２５ａ側ほど遅い。突出部材５０は、２つの吸気ポート２５の開口２５ａの間のポート間領域５２（吸気側のポート間領域５２ａ）と、吸気ポート２５の開口２５ａと排気ポート２６の開口２６ａとの間のポート間領域５２（吸排気間のポート間領域５２ｂ）とに配置されている。吸気側のポート間領域５２ａの方が吸排気間のポート間領域５２ｂよりも、多くの突出部材５０が配置されている。突出部材５０は、２つの排気ポート２６の開口２６ａの間のポート間領域５２（排気側のポート間領域５２ｃ）には配置されていない。また、各吸気バルブ２７の傘部における燃焼室２０の露出面にも、突出部材５０が配置されている。

変形例２によれば、火炎の伝播が燃焼室２０において相対的に遅い領域の突出部材５０の近傍にプラズマが生成される。そのため、燃焼室２０では火炎の伝播速度が均一化されるので、未燃のまま排出される燃料を効率的に低減させることができる。
《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、各突出部材５０の一部が導電体であればよく、突出部材５０は、例えば、円錐状の導電体の表面を絶縁層により被覆したものであってもよい。この場合、突出部材５０の耐久性を向上させることができる。また、各突出部材５０が、円錐状の絶縁体に金属線を埋設したものであってもよい。この場合、金属線の長さを燃焼室２０へ放射されるマイクロ波の波長の４分の１にすることで、突出部材５０に効果的に電界を集中させることができる。

また、前記実施形態において、各突出部材５０が、円錐以外の形状（例えば、円柱、線状）であってもよい。

また、前記実施形態において、各突出部材５０が、燃焼室２０を区画する区画面のうち、燃焼室２０の天井面以外の場所（例えば、ピストン２３の頂面）に配置されていてもよい。

以上説明したように、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ついて有用である。

１０ 火花点火式内燃機関
１２ 放電装置
１３ 電磁波放射装置
２０ 燃焼室
３０ 点火装置
５０ 突出部材

Claims (6)

1. 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、
   混合気を燃焼させる際に前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、
   少なくとも一部が導電体により構成され、前記燃焼室を区画する区画面から突出する複数の突出部材とを備え、
   電界と火花放電との反応によりプラズマが生成される着火位置から広がる火炎の伝播が前記燃焼室において相対的に遅い吸気ポート側の方が排気ポート側よりも、多くの前記突出部材が配置され、
   前記混合気の着火後に前記着火位置から広がる火炎が前記突出部材を通過する前に、前記電磁波放射装置が電磁波を放射して前記突出部材の近傍にプラズマを生成することを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 請求項１において、
   前記電磁波放射装置は、前記火花放電を行う際に電磁波を放射することを特徴とする火花点火式内燃機関。
3. 請求項１又は２において、
   前記排気ポート側には、前記突出部材が配置されていないことを特徴とする火花点火式内燃機関。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   前記突出部材の導電体は、前記電磁波放射装置が放射する電磁波の波長の４分の１の長さの金属線であることを特徴とする火花点火式内燃機関。
5. 請求項１乃至４の何れか１つにおいて、
   前記区画面では、前記電磁波放射装置が放射する電磁波の波長の４分の１以内の間隔で複数の突出部材が配置されていることを特徴とする火花点火式内燃機関。
6. 請求項１乃至５の何れか１つにおいて、
   前記燃焼室は、円筒状のシリンダ内に形成され、
   前記燃焼室の天井面の中心部に、前記点火プラグが配置される一方、
   前記突出部材は、前記燃焼室の天井面において前記点火プラグと前記燃焼室の壁面との間に配置されていることを特徴とする火花点火式内燃機関。
   

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