WO2017082300A1 - 火花放電着火促進方法、火花放電着火促進装置、および火花放電着火促進装置付きエンジン - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a spark discharge ignition acceleration method, a spark discharge ignition acceleration device, and an engine with a spark discharge ignition acceleration device, and more particularly to a technique effective for promoting spark discharge ignition of an ultra lean combustion engine or an engine that performs a large amount of EGR. .
- the biggest theme has been the improvement in fuel efficiency of premixed combustion engines, including gasoline engines for automobiles.
- the air-fuel ratio is ultra-diluted or super-diluted with a large amount of EGR. It is effective to reduce the pumping loss as much as possible.
- the internal structure of the engine ignited by the spark plug is such that only the spark plug is provided as an ignition means in the in-cylinder combustion chamber (see, for example, (Non-patent Document 1). A spark is generated in the process to ignite.
- Sparks from spark plugs are thermal plasma.
- Thermal plasma has a high temperature (several thousand to 10,000 degrees) for both ion temperature and electron temperature. Ignition is used mainly as a function of a high ion temperature.
- the ignition by the spark plug which is the conventional ignition means, becomes unstable and difficult to ignite when the mixture is diluted / diluted. That is, there is a problem that the engine cannot be operated with a mixture of lean / diluted regions.
- Patent Document 1 provides a lean exhaust by providing a reflux exhaust introduction portion downstream of a swirl control valve provided in an intake passage, and distributing the reflux exhaust to a rich mixture portion at the center of the combustion chamber. It is described.
- Patent Document 2 describes that fuel is injected into a cavity formed on the upper surface of a piston, and a stratified mixture is guided to the vicinity of a spark plug.
- a stratified mixture is guided to the vicinity of a spark plug.
- Diesel engines are not provided with spark plugs. It is the structure which provided the fuel injector (for example, refer nonpatent literature 1). The ignition action is high adiabatic compression (pressurization), and fuel is injected into high-temperature air to ignite. Since the diesel engine is a diffusion combustion, it is a different type of engine from the premixed combustion type engine.
- Patent Document 3 discloses a mixed combustion type engine ignition technique in which only a generating means for generating non-thermal plasma in a combustion chamber in a cylinder and no ignition plug or the like is provided. However, the ion temperature in the non-thermal plasma is much lower than the spark.
- Non-thermal plasma may be referred to as low-temperature plasma or non-thermal equilibrium plasma.
- Non-thermal plasma includes dielectric barrier discharge, streamer, microwave discharge and the like.
- Spark spark plugs use local high-temperature ignition.
- plasma is generated in a wide area by adiabatic compression (pressurization) and the volume is ignited. Realize.
- the ignition method using the spark ignition plug is ignited only by the generating means for generating plasma in the combustion chamber in the cylinder, but the ignition method applies a high voltage even if the mixture can be operated with dilution / dilution, Since the input power is large, there is a problem that the electrode of the plasma generating means is easily damaged and the electrode life is short.
- radical generation efficiency is poor and power consumption is large.
- a large power source is necessary for the formation of volumetric plasma, and there is a problem that the entire apparatus including the plasma generating means becomes large.
- Patent Document 4 discloses a technique in which a premixed gas treated with plasma in an intake pipe is heated to high temperature by adiabatic compression of a piston and ignited. This is a technology for premixed compression ignition (HCCI) engines and is a different type of engine. The HCCI engine has a drawback that precise control of the ignition timing is difficult.
- HCCI premixed compression ignition
- This prior application technique is a normal premixed combustion type internal combustion engine in which an ignition plug is provided in a combustion chamber in a cylinder, but a configuration in which a non-thermal equilibrium plasma generator is provided in an air-fuel mixture supply system up to the intake port. It is.
- the spark by the spark plug makes it easier to ignite than the original air-fuel mixture.
- the non-thermal equilibrium plasma generator is provided in the air-fuel mixture supply system up to the intake port, there are advantages such as ease of installation, but partial oxides can be obtained by suction up to the spark plug.
- the air-fuel mixture containing etc. is mixed and dispersed to reduce the concentration of the partial oxide, so that it is difficult to ignite with respect to the lean air-fuel mixture ignition.
- an object of the present invention is to realize a premixed combustion type engine that can operate even when the air-fuel mixture is diluted or super-diluted, igniting reliably and stably, saving energy for ignition, and lengthening the device.
- the object is to provide a spark ignition / discharge ignition acceleration device, an engine with a spark / ignition ignition acceleration device, and a spark ignition / discharge ignition acceleration method, which has a low lifetime and a low cost.
- the inventor of the present application requires a method using a spark plug for accurate and reliable ignition timing control.
- the present inventor has changed to an air-fuel mixture. Quality is essential, and therefore non-thermal plasma treatment is considered the best, and as a result of intensive research on the combustion technology of the prior art, an air-fuel mixture in the easily combustible region that has been reformed to the spark plug electrode at the timing of ignition arrives Or the air-fuel mixture in the easily combustible region has not been reached while maintaining the easy combustible state, and the present invention has been achieved.
- non-thermal plasma has a feature that only the electron temperature (tens of thousands to hundreds of thousands of degrees Celsius) is high, and the ion temperature is two orders of magnitude lower than the electron temperature.
- the generating means is generated by dielectric barrier discharge, streamer, microwave discharge or the like. The following occurs in the non-thermal plasma treatment of the gas mixture.
- the reaction proceeds from the radicals by the time of about 100 microseconds, and partial oxides are generated. appear.
- the formed metastable chemical species such as partial oxides have a lifetime of about several seconds, and the flammability is lost unless an appropriate temperature and pressure state is obtained.
- the key to the technology is to select the timing of non-thermal plasma treatment and plug ignition, and the generation position of the spark plug and non-thermal plasma.
- the means for solving the problems are as follows. (1) Time in which non-thermal plasma is generated in the vicinity of the spark plug in the cylinder in the air-fuel mixture compression process of the engine using the premixed fuel or in a region including the plug, and the non-thermal plasma treated air-fuel mixture is kept in an easily combusted state The ignition plug discharge is ignited at the timing when the easily combustible mixture in the belt reaches the spark plug after the in-cylinder flow or when the easily combusted mixture exists around the electrode of the spark plug. This is a spark discharge ignition acceleration method. (2) The spark discharge ignition promoting method characterized in that the position where the non-thermal plasma is generated is not more than 1 ⁇ 2 of the cylinder radius from the plug.
- the spark discharge ignition acceleration method characterized in that an area generated in the cylinder of the non-thermal plasma is 1 cm 2 or more and 10 cm 2 or less.
- the spark discharge ignition promoting method wherein the in-cylinder flow is a flow caused by piston motion and / or non-thermal plasma induced flow.
- a spark discharge ignition acceleration method characterized in that the time of plug ignition from the generation of the non-thermal plasma is from 0.1 ms to 20 ms.
- Non-thermal plasma is generated in the cylinder by the non-thermal plasma generating means, and reaches the spark plug after the in-cylinder flow or the spark plug in a time zone in which the mixture to be treated by the non-thermal plasma is kept in an easily combustible state.
- the non-thermal plasma generating means is provided at a position existing around the electrode of the non-thermal plasma, and the non-thermal plasma treated air-fuel mixture is ignited after the in-cylinder flow in the time zone in which the non-thermal plasma treated air-fuel mixture remains in the easy-combustion state.
- a spark discharge ignition accelerating device that ignites by discharge of a spark plug at a timing when it reaches a plug or when an air-fuel mixture in an easily combustible state exists around an electrode of the spark plug.
- a spark discharge ignition accelerating device characterized in that the plasma generating means is provided at a distance of 1 ⁇ 2 or less of the cylinder radius from the plug.
- the spark discharge ignition promoting device characterized in that the non-thermal plasma part has an area generated in a non-thermal plasma cylinder of not less than 1 cm 2 and not more than 10 cm 2 .
- the spark discharge ignition accelerating device characterized in that the in-cylinder flow is flow caused by piston motion and / or non-thermal plasma induced flow.
- the spark discharge ignition accelerating device is characterized in that the ignition time by the discharge of the spark plug is from 0.1 milliseconds to 20 milliseconds from the generation of non-thermal plasma.
- Example 1 is a diagram illustrating an overall configuration of Example 1.
- FIG. It is the figure which looked at the ignition promotion apparatus in Example 1 from the combustion chamber side. It is a figure which shows the relationship between a spark plug and an ignition promotion apparatus. It is a figure which shows the left side sectional view and electrical connection in an ignition promotion apparatus.
- FIG. 6 is a diagram showing an outline of Example 2. It is a figure which shows the relationship between the ignition timing of a spark plug, the discharge timing by an ignition promotion apparatus, and discharge time. It is a figure which shows the outline
- Non-thermal plasma is generated in the cylinder by the non-thermal plasma generating section, and reaches the spark plug after in-cylinder flow or ignition in a time zone in which the air-fuel mixture by the non-thermal plasma keeps an easily combusted state Since it exists around the electrode of the plug, the non-thermal plasma generation part for generating non-thermal plasma is provided at a position (where plasma exists in the time), and the easily burned air-fuel mixture is If the spark plug does not ignite at the timing when it reaches the electrode or around the electrode of the spark plug, the ignitability of the air-fuel mixture is not sufficient even if treated with non-thermal plasma, and the lean / diluted air-fuel mixture is stable. I cannot ignite.
- the spark discharge ignition promoting method and the spark discharge ignition promoting device generate non-thermal plasma in the cylinder by the non-thermal plasma generation unit, and in the time zone in which the mixture to be treated by the non-thermal plasma keeps an easily combusted state
- the non-thermal plasma generation part is provided at a position that reaches the spark plug after the in-cylinder flow or exists around the electrode of the spark plug, and a time zone in which the non-thermal plasma treated air-fuel mixture is kept in an easily combusted state
- the spark plug is ignited by the discharge of the spark plug at the timing when the air-fuel mixture in the easily combusted state reaches the spark plug after the in-cylinder flow or when the air-fuel mixture in the easily combustible state exists around the electrode of the spark plug.
- the position where the non-thermal plasma is generated needs to be 1/2 or less of the cylinder radius from the added plug.
- the area generated in the thermal plasma cylinder needs to be 1 cm 2 or more and 10 cm 2 or less.
- In-cylinder flow is a flow that occurs due to piston motion before the ignition of the mixed gas in the compression process (by the spark plug) in an engine with only a normal spark plug. Since the gas mixture in the compression step is subjected to non-thermal plasma processing on a part of the air-fuel mixture by ignition (by the spark plug), flow due to non-thermal plasma induced flow also occurs.
- the in-cylinder flow is a flow in which the mixed gas in the compression process is caused by piston movement and / or non-thermal plasma induced flow until ignition (by the spark plug).
- the in-cylinder flow can be technically roughly grasped by measurement, or can be predicted to some extent by computer simulation.
- the gas mixture in the gasoline engine cylinder generates radicals immediately after non-thermal plasma generation, and then the reaction proceeds from the radicals in about 10 microseconds to generate partial oxides. In addition, a region that is easily combusted is generated.
- the easy combustion state suitable for ignition by the spark plug is that the ignition time by the spark plug is 0.1 ms or more.
- metastable chemical species such as formed partial oxides have a lifetime of several seconds and lose flammability. Therefore, at the longest, the ignition time by the spark plug needs to be within 20 ms from the generation of the non-thermal plasma.
- the spark discharge ignition promoting method and the spark discharge ignition promoting device are configured so that the timing of ignition by the spark plug in the time zone in which the non-thermal plasma treated air-fuel mixture is kept in an easily combusted state is from the time of non-thermal plasma generation to the time of plug ignition. Needs to be 0.1 ms or more and 20 ms or less.
- the ignition device has a positional relationship with the engine body, the size relationship, and the relationship between the non-thermal plasma generator operation and the spark plug timing operation. Effective as an engine with a discharge ignition acceleration device.
- FIG. 1 shows the overall configuration of the first embodiment.
- a spark plug 2 is attached to the cylinder head 1, and an ignition promoting device 3 that generates an induced flow due to non-thermal plasma discharge is installed around the spark plug 2.
- the electrodes of the non-thermal plasma generating means are provided along the surface inside the cylinder, the size of the area for generating the non-thermal plasma can be freely set on the cylinder surface and can be easily installed.
- FIG. 2 is a view of the cylinder head 1 as viewed from the combustion chamber side.
- the spark plug 2 is disposed at the center surrounded by the intake valve 4 and the exhaust valve 5.
- the fuel supply method may be either port injection or direct injection.
- FIG. 3 shows the relationship between the spark plug 2 and the ignition promotion device 3, and the center electrode and the installation electrode of the spark plug 2 are arranged so as to protrude from the opening of the annular ignition promotion device 3.
- the spark plug 2 is screwed into a plug hole formed in the cylinder head 1 like a normal engine.
- a recess is formed in the combustion chamber side wall surface of the cylinder head 1 along the periphery of the plug hole, and the annular ignition promoting device 3 does not generate a step in the recess. So as not to affect the shape of the combustion chamber.
- FIG. 4 is a diagram showing an electrical connection with the left cross-sectional view of the ignition accelerating device 3.
- the annular dielectric 3 a formed from a material having high durability against the combustion chamber temperature such as alumina ceramic or sapphire.
- an annular embedded electrode 3b is embedded.
- the electrode 3b is disposed substantially in parallel at a position of a depth d (several hundred microns to several millimeters) from the bottom surface of the dielectric 3a on the combustion chamber side.
- the exposed electrode 3c is attached to the outer peripheral side of the embedded electrode 3b so as to be separated by a distance L (about 0 to several millimeters) in the radial direction.
- the buried electrode 3b is also formed of a material having high durability against the combustion chamber temperature, such as metal used for the center electrode of the spark plug, and having a certain degree of conductivity, and a ground electrode is formed via the cylinder block. do it. It is also possible to use the cylinder block itself as an exposed electrode.
- non-thermal plasma accompanying discharge is generated in the combustion chamber between the ground and the lower part of the buried electrode 3b. Radicals, ions, partial oxides, and the like are generated in the premixed gas that has passed through the thermal plasma. Also, rapid temperature rise is brought about by energy relaxation of ions and excited states formed in non-thermal plasma. This air-fuel mixture flows in the direction of the arrow, that is, from the outer peripheral side of the combustion chamber toward the center of the combustion chamber due to the induced flow accompanying plasma generation.
- the timing, voltage value, and application time of the RF high voltage applied to the embedded electrode 3b are controlled by the control device 7 that cooperates with the ignition timing control device.
- FIG. 6 shows the relationship between the ignition timing of the ignition plug, the discharge timing by the ignition acceleration device 3, and the discharge time.
- the discharge by the ignition promoting device 3 is started before ⁇ t before the ignition plug ignition timing, and the discharge is terminated at the ignition timing, so that an induced flow is formed around the ignition plug at the ignition timing. .
- the discharge starts when the crank angle is 10 ° before top dead center and 2400 rpm, the crank angle is 20 ° before top dead center, and the discharge time is about 1 ms. Secure.
- the spark discharge ignition promoting device of the first embodiment Since the engine with the spark discharge ignition promoting device of the first embodiment has the above-described configuration, the spark discharge ignition promoting device has the effect of promoting ignition even when the air-fuel mixture is diluted or super-diluted, and the ignition is reliably and stably performed. be able to.
- the non-thermal plasma generating means acts only to promote ignition by the spark plug, it can be ignited with energy saving without applying particularly large electric power.
- the burden on the electrode for generating plasma is small, the apparatus has a long life, and it is not necessary to make the power supply large including the power supply. Therefore, the apparatus can be realized at low cost.
- the configuration of the engine of Comparative Example 2 is that the air-fuel mixture that has been subjected to non-thermal plasma processing in the air-fuel mixture supply system has a longer path to intake, compression, and ignition (by the spark plug) in the cylinder. Mixing / diffusion proceeds with non-processed air-fuel mixture of non-thermal plasma and easily loses flammability.
- the engine of Comparative Example 2 requires a large non-thermal plasma generating means and a large power source for supplying electric power thereto.
- a large amount of air-fuel mixture in a readily combustible state is generated and sucked, abnormal combustion occurs at the timing before ignition by the spark plug, and the risk of knocking or the like increases.
- FIG. 5 shows the configuration of the second embodiment.
- an annular embedded electrode 3b is embedded in the insulator portion through which the center electrode of the spark plug 1 passes, and the annular exposed electrode 3c is mounted on the outer surface of the insulator so that the outer periphery of the insulator portion and the ground electrode
- the induced flow accompanying the generation of plasma is ejected from the space formed between the two to the inside of the combustion chamber.
- To increase the specific heat plasma generation area in the cylinder it is necessary to thicken and / or lengthen the ceramic electrical insulating pipe member around the integrated plug, but the installation to the engine cylinder is almost the same as a normal spark plug. It is easy to install and replace, and easy to maintain.
- the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Not too long.
- FIG. 7 shows an outline of the experimental apparatus.
- a transparent quartz window 9 is attached to one end of a rapid compression / expansion apparatus (RCEM) liner 8.
- the combustion chamber 11 is formed by the RCEM piston 10 that moves in the RCEM liner 8, and the internal air-fuel mixture is compressed.
- the pulse YAG laser beam 12 is condensed and ignited by forming a breakdown at the center in the combustion chamber 11.
- the fuel is isooctane
- the equivalence ratio is 0.5
- the compression ratio is 5.5
- the rotational speed is equivalent to 1200 rpm.
- the spark plug is modified to use a plasma actuator that forms a jet-like induced jet perpendicularly from the plasma actuator.
- the applied voltage Vpp 7.8 kV (peak to peak of AC voltage) is applied for a pulse YAG laser beam It was set to 36 ms until the ignition timing by.
- the pressure history is as shown in FIG. 8, and when the reactor 13 is not operated, the pressure after 40 ms is flat as shown by the broken line, while when the reactor 13 is operated, as shown by the solid line, It can be confirmed that the pressure increases until reaching 180 ms, and that ignition and combustion occur.
- FIG. 9 and FIG. 10 show the results of schlieren measurement taken every 4 ms through the quartz window 9, and show the case where the reactor 13 of the ignition promoting device 3 is not operated and the case where it is operated under the same operating conditions. Yes.
- FIG. 11 shows an overall configuration when the ignition promoting device 3 is mounted on a four-cylinder engine.
- a control device 7 is configured by a microcomputer used for ignition timing control, and based on detection of a crank angle sensor, Depending on the number of revolutions, the optimum RF high voltage value and application start timing for the embedded electrode 3b are controlled with the ignition timing as the end timing.
- the power required to generate the non-thermal plasma by applying the RF high voltage to the embedded electrode 3b is about 3 W, the application time width is 15 ms, the rotation speed is 2400 rpm, the average power is about 1 W, and the engine output This is negligible.
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Abstract
超希薄燃焼エンジンや、大量のEGRを行うエンジンであっても、安定した燃焼を可能とする。非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生部を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火する火花放電着火促進装置。
Description
本発明は、火花放電着火促進方法、火花放電着火促進装置、および火花放電着火促進装置付きエンジンに関し、特に、超希薄燃焼エンジンや、大量のEGRを行うエンジンの火花放電着火促進に有効な技術に関する。
近年、自動車用ガソリンエンジンを初め、予混合燃焼方式のエンジンの燃費改善が最大のテーマとなっており、燃焼効率の観点からは、空燃比を超希薄化や、大量のEGR等によって超希釈し、ポンピングロスを可能な限り低減することが有効とされている。
すなわち、省エネかつ低窒素酸化物排出の観点から混合気を希薄/希釈化して、あるいは超希薄/超希釈化して、動作するエンジンが求められている。
しかし、空燃比を超希薄化や、大量の排気ガスを燃焼室に再循環させて超希釈化すると、燃焼が不安定になり、所期の出力を発揮できないばかりか、失火によりかえって燃費の悪化を招いてしまうという問題がある。
〈点火プラグによる着火〉
点火プラグにより着火するエンジン内の構成は、シリンダー内燃焼室に着火手段として点火プラグのみ設けたものである(例えば(非特許文献1参照)。その着火の作用は、点火プラグによる、混合気圧縮工程で空中スパーク(火花)を起こして着火する。
点火プラグにより着火するエンジン内の構成は、シリンダー内燃焼室に着火手段として点火プラグのみ設けたものである(例えば(非特許文献1参照)。その着火の作用は、点火プラグによる、混合気圧縮工程で空中スパーク(火花)を起こして着火する。
点火プラグによるスパーク(火花)は、熱プラズマである。熱プラズマは、イオン温度、電子温度とも高温(数千度~1万度)である。着火は、主にイオン温度が高いことが作用として利用されている。
当該従来の着火手段である点火プラグによる着火は、混合気を希薄/希釈化すると着火が不安定になり着火しにくくなる。すなわち、希薄/希釈の領域の混合気でエンジンを運転ができないという問題が発生する。
なお、特許文献1には、吸気通路に設けたスワール制御弁の下流に環流排気の導入部を設け、環流排気を燃焼室中央の濃混合気部に分布させることにより、希薄燃焼を可能にすることが記載されている。特許文献2には、ピストン上面に形成したキャビティ内に燃料を噴射し、成層混合気を点火プラグ近傍に導くことが記載されている。しかし、環流排気を燃焼室中央の濃混合気部に分布させたり、成層混合気を点火プラグ近傍に導くようにしても、混合気の希薄化には限度があり、希薄化が可能な運転領域も限定されたものとなっている。
〈ディーゼルエンジン〉
ディーゼルエンジンは、点火プラグ等は設けていない。燃料インジェクターを設けた構成である(例えば非特許文献1参照)。着火作用は、高い断熱圧縮(加圧)で、高温化した空気に燃料噴射して着火する。ディーゼルエンジンは、拡散燃焼なので予混合燃焼方式のエンジンとは別の形式のエンジンである。
ディーゼルエンジンは、点火プラグ等は設けていない。燃料インジェクターを設けた構成である(例えば非特許文献1参照)。着火作用は、高い断熱圧縮(加圧)で、高温化した空気に燃料噴射して着火する。ディーゼルエンジンは、拡散燃焼なので予混合燃焼方式のエンジンとは別の形式のエンジンである。
〈非熱プラズマのみによる着火〉
特許文献3には、シリンダー内燃焼室に非熱プラズマを発生する発生手段のみで、点火プラグ等は設けていない構成の混合燃焼方式のエンジン着火技術が開示されている。ただし、非熱プラズマ中のイオン温度はスパークよりはるかに低い温度である。非熱プラズマは低温プラズマ、非熱平衡プラズマともいうことがある。非熱プラズマには、誘電体バリア放電、ストリーマ、マイクロ波等放電などがある。
特許文献3には、シリンダー内燃焼室に非熱プラズマを発生する発生手段のみで、点火プラグ等は設けていない構成の混合燃焼方式のエンジン着火技術が開示されている。ただし、非熱プラズマ中のイオン温度はスパークよりはるかに低い温度である。非熱プラズマは低温プラズマ、非熱平衡プラズマともいうことがある。非熱プラズマには、誘電体バリア放電、ストリーマ、マイクロ波等放電などがある。
スパーク点火プラグでは局所的な高温着火を用いるが、一方、当該非熱プラズマのみによる着火では、断熱圧縮(加圧)で高温化した混合気に、広い領域にプラズマを発生させ体積的な着火を実現する。
スパーク点火プラグによる点火方法は、シリンダー内燃焼室にプラズマを発生する発生手段のみで点火するが、当該点火方法は、混合気を希薄/希釈化して運転ができても、高電圧を印加し、投入電力が大きいためプラズマを発生手段の電極がダメージを受けやすく、電極寿命が短いという問題がある。
また、ラジカルの発生効率が悪く、消費電力も大きい。そして、体積的なプラズマの形成のためにも大きな電源が必要であり、プラズマ発生手段を備えた装置全体が大型になってしまう問題がある。
なお、例えば特許文献4に開示されている技術も非熱プラズマのみの着火であるが、上記非熱プラズマ着火とは別物である。特許文献4には、吸気管でプラズマにより処理した予混合気をピストンの断熱圧縮により高温化し着火する技術である。これは予混合圧縮着火(HCCI)エンジンを対象とした技術であり別タイプのエンジンである。HCCIエンジンでは着火時期の精密な制御が難しい欠点がある。
〈その他の従来技術〉
本願発明者は、先願技術として特願2015-542682を出願した。この先願技術は、シリンダー内燃焼室に点火プラグが設けてある通常の予混合燃焼方式の内燃機関であるが、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けた構成である。
本願発明者は、先願技術として特願2015-542682を出願した。この先願技術は、シリンダー内燃焼室に点火プラグが設けてある通常の予混合燃焼方式の内燃機関であるが、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けた構成である。
吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置により発生した易着火状態の予混合気を気筒(シリンダー)の燃焼室に吸入させる技術である。
吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置により発生したい着火領域、これは、ラジカル等の発生後に部分酸化物等が発生して、これを含む混合気領域は、燃焼室内の点火プラグによるスパークで、元の混合気よりも着火し易くなる。
しかし、一定量濃度の当該部分酸化物等を含まなければ希薄混合気の着火の効果がない。上述した先願技術は、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けてあるので、設置の容易さ等のメリットはあるものの、点火プラグまでの吸引で部分酸化物等を含む混合気は混ざって分散して部分酸化物の濃度が薄まり、希薄混合気点火に対して着火し易さは得られない。
これを防ぐには、希薄混合気点火を容易にするために吸気混合気のほとんどに一定量濃度の上記部分酸化物等を含むように、大きな体積に渡ってプラズマによる改質をしなければならない。
そのためには、エネルギー消費は大きく、プラズマ発生手段も大きくせざるを得ないという問題がある。さらに、混合気のほとんどすべてに非熱プラズマ処理することにより、異常着火が生じやすいことから、逆にノッキングが起きる懸念がある。
上述の様に、従来技術による希薄/希釈或いは超希薄/超希釈燃焼エンジンの実現には多くの問題があった。
Internal Combustion Engine Fundamentals J.B.Heywood著
そこで、本発明の目的は、混合気の希薄化ないし超希薄化でも動作する予混合燃焼方式のエンジンを実現するための、確実にかつ安定して着火し、着火に省エネルギーにて、装置が長寿命、装置が低コスト、比較的小型な火花着火放電着火促進装置、火花着火放電着火促進装置付きエンジン、および火花着火放電着火促進方法を提供することである。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願発明者は、着火のタイミングの制御の精度かつ確実な着火には、点火プラグを用いる方法が必須であり、一方、希薄化ないし超希薄化で確実に着火させるためには混合気への改質が必須でありそのために非熱プラズマ処理がベストであると考え、従来技術の燃焼技術について鋭意研究した結果、点火のタイミングで点火プラグの電極に改質された易燃焼領域の混合気が到達していないか、あるいは易燃焼領域の混合気が易燃焼状態を維持したまま到達していないことが明らかとなり、本発明に至った。
例えば、上述のように、特願2015-54268開示されている方法では、従来の吸気管における非熱プラズマの形成とその処理をされた予混合気の拡散をさけて、吸気バルブが閉じたあとの流動によりスパークプラグ近傍に集中させることは、事実上困難であることが分かった。
したがって、混合気の非熱プラズマ処理後の変化を把握し、その易着火性が生かされた着火が着火促進の本質的解決方法である。
一般に、非熱プラズマは電子温度(数万℃から数十万℃)のみ高く、イオン温度が電子温度より2桁以上低い特徴を有する。その発生手段は誘電体バリア放電、ストリーマ、マイクロ波放電等により発生させる。混合気の非熱プラズマ処理では次の様なことが起こる。
非熱プラズマ発生後速やかにプラズマ中の緩和過程によりラジカル等が発生した後、百マイクロ秒程度の時間までにはラジカルから反応が進み部分酸化物が発生し、圧縮によって燃焼しやすい状態の領域が発生する。形成された部分酸化物等の準安定化学種は数秒程度の寿命を有し、適切な温度圧力状態にならなければ易燃焼性は失われる。
気流によっても易燃焼領域の混合気は通常の混合気と送り込むときに混合、拡散等により事実上、その性質が失われ、安定燃焼にはつながらない。
すなわち、非熱プラズマとスパークプラグの単なる組み合わせでは上記の希薄、ないし超希薄化エンジンを運転することは困難である。
上記課題の解決には、非熱プラズマ処理とプラグ点火のタイミングおよび点火プラグと非熱プラズマの発生位置の選択が技術のカギとなる。
すなわち課題の解決の手段は次のとおりである。
(1)予混合燃料を用いるエンジンの混合気圧縮工程のシリンダー内の点火プラグの付近、又はプラグを含む領域に非熱プラズマを発生させ、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火することを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(2)上記非熱プラズマの発生する位置が、プラグからシリンダー半径の1/2以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(3)上記非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が、1cm2以上から10cm2以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(4)上記筒内流動が、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(5)上記非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間が0.1ms以上から20ms以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(6)非熱プラズマ発生手段によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生手段を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火することを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(7)上記プラズマ発生手段が、プラグからシリンダー半径の1/2以下の距離の位置に設けたことを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(8)上記非熱プラズマ部が、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が1cm2以上から10cm2以下であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(9)上記筒内流動が、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(10)上記非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で、筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火する時間が、非熱プラズマの発生から0.1ミリ秒以上20ミリ秒以下であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(11)火花放電着火促進装置が、上記(6)~(10)のいずれかに記載の火花放電着火促進装置を備えたエンジンであることを特徴とする火花放電着火促進装置付きエンジンである。
(1)予混合燃料を用いるエンジンの混合気圧縮工程のシリンダー内の点火プラグの付近、又はプラグを含む領域に非熱プラズマを発生させ、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火することを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(2)上記非熱プラズマの発生する位置が、プラグからシリンダー半径の1/2以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(3)上記非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が、1cm2以上から10cm2以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(4)上記筒内流動が、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(5)上記非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間が0.1ms以上から20ms以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
(6)非熱プラズマ発生手段によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生手段を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火することを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(7)上記プラズマ発生手段が、プラグからシリンダー半径の1/2以下の距離の位置に設けたことを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(8)上記非熱プラズマ部が、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が1cm2以上から10cm2以下であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(9)上記筒内流動が、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(10)上記非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で、筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火する時間が、非熱プラズマの発生から0.1ミリ秒以上20ミリ秒以下であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
(11)火花放電着火促進装置が、上記(6)~(10)のいずれかに記載の火花放電着火促進装置を備えたエンジンであることを特徴とする火花放電着火促進装置付きエンジンである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
(1)混合気の希薄化ないし超希薄化でも、確実にかつ安定して着火することができる。
(2)省エネルギーにて着火することができる。
(3)装置を長寿命化することができる。
(4)装置を低コストにて実現することができる。
(1)混合気の希薄化ないし超希薄化でも、確実にかつ安定して着火することができる。
(2)省エネルギーにて着火することができる。
(3)装置を長寿命化することができる。
(4)装置を低コストにて実現することができる。
〈概要〉
(1)非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達する、または点火プラグの電極の周囲に存在するために、(時間を遡ってプラズマが存在する)位置に非熱プラズマを発生するための当該非熱プラズマ発生部を設け、易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極に到達、或いは点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグにより点火しないと、非熱プラズマで処理しても混合気の易着火性は十分ではなく、希薄/希釈混合気の安定した着火はできない。
(1)非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達する、または点火プラグの電極の周囲に存在するために、(時間を遡ってプラズマが存在する)位置に非熱プラズマを発生するための当該非熱プラズマ発生部を設け、易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極に到達、或いは点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグにより点火しないと、非熱プラズマで処理しても混合気の易着火性は十分ではなく、希薄/希釈混合気の安定した着火はできない。
したがって、火花放電着火促進方法、及び火花放電着火促進装置は、非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生部を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火する。
(2)混合気の圧縮工程から、点火プラグによる点火までの時間で、混合気のが筒内流動でシリンダー半径の1/2以上の距離の移動はほとんど不可能である。
したがって、火花放電着火促進方法、及び火花放電着火促進装置は、非熱プラズマの発生する位置が、添加プラグからシリンダー半径の1/2以下である必要がある。
(3)非熱プラズマ部による、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が1cm2より小さくなると、非熱プラズマ処理の効果は十分ではなくなる。一方、非熱プラズマ部による、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が10cm2以を超えると易燃焼領域が広くなりすぎて、異常燃焼が起こる危険性が出てくる。
したがって、火花放電着火促進方法、および火花放電着火促進装置は、熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が1cm2以上から10cm2以下である必要がある。
(4)筒内流動は、通常の点火プラグだけのエンジンでは、圧縮工程の混合ガスが、(点火プラグによる)点火までにピストン運動により起こる流動である。圧縮工程の混合ガスが、(点火プラグによる)点火までに、混合気の一部に非熱プラズマ処理するので、非熱プラズマ誘起流による流動も起こる。
したがって、筒内流動は、圧縮工程の混合ガスが、(点火プラグによる)点火までにピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流により起こる流動である。一般に、筒内流動は技術的には測定で概ね把握でき、あるいはコンピュータシミュレーションでもある程度予測できる。
(5)ガソリンエンジンのシリンダー内の混合気は、非熱プラズマ処理において、非熱プラズマ発生直後にラジカル等が発生し、その後、10マイクロ秒程度の時間でラジカルから反応が進み部分酸化物が発生し、燃焼しやすい状態の領域が発生する。
点火プラグによる着火にふさわしい易燃焼状態は点火プラグによる点火の時間が0.1ms以上であることが望まし良い。一方、形成された部分酸化物等の準安定化学種は数秒の寿命を有し、易燃焼性は失われる。したがって、長くとも、点火プラグによる点火の時間が、非熱プラズマの発生から20ms以内である必要がある。
すなわち、火花放電着火促進方法、及び火花放電着火促進装置は、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で点火プラグにより点火するタイミングが、非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間が0.1ms以上20ms以下である必要がある。
非熱プラズマ発生部と点火プラグとの位置関係などを初め、着火装置はエンジン本体との位置関係、大きさ関係、また非熱プラズマ発生部動作と点火プラグタイミング動作との関係があるため、火花放電着火促進装置付きエンジンとして効果が発揮される。
以下、実施の形態を詳細に説明する。
図1は、実施例1の全体構成を示す。シリンダヘッド1には、スパークプラグ2が装着されており、スパークプラグ2の周囲には、非熱プラズマ放電に伴い誘起流を発生する着火促進装置3が設置されている。実施例1は非熱プラズマ発生手段の電極がシリンダー内部の面にそって設けているので、シリンダー面上に非熱プラズマ発生する面積の大きさを自由に設定して設置し易い構成である。
図2は、シリンダヘッド1を燃焼室側から見た図であり、本実施例では、スパークプラグ2は、吸気バルブ4、排気バルブ5に取り囲まれた中央部に配置されている。
なお、燃料供給方式は、ポート噴射、直噴いずれの方式でもよい。
図3は、スパークプラグ2と着火促進装置3の関係を示したもので、円環状の着火促進装置3の開口部からスパークプラグ2の中心電極、設置電極が突出するよう配置されている。
スパークプラグ2は、通常のエンジンと同様にシリンダヘッド1に形成されたプラグ孔に螺合される。
図1に示すように、シリンダヘッド1の燃焼室側壁面には、プラグ孔の周囲に沿って凹部が形成されており、この凹部に円環状の着火促進装置3が燃焼室内に段差が発生しないよう嵌め込まれ、燃焼室形状に影響を与えないようにしている。
なお、特殊な燃焼室形状を採用して、プラグ付近に極めて早い流動を形成する場合などは、上流側に着火促進装置3を設置することが望ましい。
図4は、着火促進装置3における左側断面図と電気的な接続を示す図であり、アルミナセラミック、サファイヤ等の燃焼室温度に対し耐久性の高い材料から成型された円環状の誘電体3aに、やはり円環状の埋め込み電極3bが埋め込まれている。電極3bは誘電体3aの燃焼室側底面から深さd(数百ミクロンから数ミリメートル程度)の位置に、略平行に配置されている。
一方、円環状の誘電体3aの燃焼室側底面には、埋め込み電極3bの外周側には、露出電極3cが半径方向に距離L(0から数ミリメートル程度)だけ離隔するよう取り付けられている。なお、埋め込み電極3bも、点火プラグの中心電極に使用されている金属等、燃焼室温度に対し耐久性が高く、ある程度の導電性を有する材料で成形し、シリンダブロックを介して接地電極を形成すればよい。シリンダブロックそのものを露出電極とすることも可能である。
パルス電圧印加装置6を介して、埋め込み電極3bに交流のRF高電圧を印加すると、アースされた埋め込み電極3bの下方付近との間で、燃焼室内に放電に伴う非熱プラズマが発生し、非熱プラズマ中を通過した予混合気中にはラジカルやイオン、部分酸化物等が生成される。また、非熱プラズマ中に形成されるイオンや励起状態のエネルギー緩和によって急速な温度上昇ももたらされる。この混合気は、プラズマ発生に伴う誘起流により矢印の方向、すなわち燃焼室の外周側から燃焼室中央部に向けて流れる。このため点火プラグの周辺には、ラジカルや部分酸化物を高濃度に含む混合気が集まり、点火プラグで放電が生じると、これを起点に混合気が燃焼を開始し、燃焼室の外周側に向けて燃焼が伝搬する。
これにより、超希薄混合気であっても、ノッキングや失火を生じることなく、燃焼室全体にわたり円滑な燃焼が行われる。なお、パルス電圧印加装置6は、後述するように、点火時期制御装置と連携する制御装置7により、埋め込み電極3bに印加するRF高電圧のタイミング、電圧値、印加時間が制御される。
図6は、点火プラグの着火タイミングと、着火促進装置3による放電タイミング、放電時間との関係を示すものである。基本的には、点火プラグの着火タイミングのΔt前から着火促進装置3による放電を開始し、着火タイミング時に放電を終了することにより、着火タイミング時に誘起流が点火プラグ周辺に形成されるようにする。
例えば、エンジンの回転数が1200rpmのときは、クランク角度が上死点から10°手前、2400rpmのときは、クランク角度が上死点から20°手前から放電を開始し、放電時間として1ms程度を確保する。
実施例1の火花放電着火促進装置付きエンジンは上記の構成であるので、混合気の希薄化ないし超希薄化でも、火花放電着火促進装置の着火促進の効果を奏し確実にかつ安定して着火することができる。
また、非熱プラズマ発生手段は、点火プラグによる着火を促進する事のみ作用するので、特段大きな電力を投入することなく、省エネルギーにて着火することができる。
それゆえ、プラズマを発生する電極等に負担が小さく、装置が長寿命であり、その電源も含め大型にする必要はないので、装置は低コストにて実現することができる。
(比較例1)
実施例1のエンジンで非熱プラズマ発生手段を作動せず運転を行う場合、通常の点火プラグのみの着火で運転となり、従来エンジンと同様の運転となる。
実施例1のエンジンで非熱プラズマ発生手段を作動せず運転を行う場合、通常の点火プラグのみの着火で運転となり、従来エンジンと同様の運転となる。
当該運転に使用する混合気を希薄化ないし超希薄化すると、点火プラグだけによる着火は、安定に行われず、運転不可能となる。
(比較例2)
本願発明者による先願技術特願2015-542682は、シリンダー内燃焼室に点火プラグが設けてある通常の予混合燃焼方式の内燃機関であるが、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けた構成である。
本願発明者による先願技術特願2015-542682は、シリンダー内燃焼室に点火プラグが設けてある通常の予混合燃焼方式の内燃機関であるが、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けた構成である。
当該比較例2のエンジンに、使用する混合気を希薄化ないし超希薄化すると、比較例1の従来エンジンより着火しやすさは改善されるものの、着火は安定せず、超希薄ないし超希釈では運転不可能となる。
実施例1に比べ、比較例2のエンジンの構成は、混合気供給系において非熱プラズマ処理された混合気は、その後シリンダー内に吸気、圧縮、(点火プラグによる)点火までの経路が長く、非熱プラズマの非処理の混合気と混合・拡散が進み、易燃焼性を失い易い。
比較例2のエンジンを混合気希薄化ないし超希薄化しても運転(着火)を安定させるには、非熱プラズマ処理される混合気の体積割合を大きくする必要がある。
すなわち、希薄混合気点火を容易にするために吸気混合気のほとんどに一定量濃度の上記部分酸化物等を含むように、大きな体積に渡ってプラズマによる改質をしなければならない。
そのために、当該比較例2のエンジンには、大きな非熱プラズマ発生手段とそれに電力を供給する大きな電源が必要となる。しかし、それは易燃焼状態の混合気が大量に発生させて吸気するので、点火プラグによる着火前のタイミングで異常燃焼してノッキング等の危険性が増大する。
図5に実施例2の構成を示す。実施例2は、スパークプラグ1の中心電極が貫通する碍子部分に、環状の埋め込み電極3bを埋め込み、碍子の外表面に、環状の露出電極3cを装着することで、碍子部分の外周と接地電極との間に形成された空間から燃焼室内部に向けてプラズマ発生に伴う誘起流を噴出する。
シリンダー内比熱プラズマ発生面積を稼ぐには一体化したプラグ周辺のセラミック製の電気絶縁管部材を太くするおよび/または長くする必要があるが、エンジンシリンダーへの取り付けはほぼ通常の点火プラグと同様で、取り付け、交換が容易で、保守点検が容易な構成である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
シリンダー内比熱プラズマ発生面積を稼ぐには一体化したプラグ周辺のセラミック製の電気絶縁管部材を太くするおよび/または長くする必要があるが、エンジンシリンダーへの取り付けはほぼ通常の点火プラグと同様で、取り付け、交換が容易で、保守点検が容易な構成である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
以下、本発明における、混合気の非熱プラズマ処理効果を検証する実験について説明する。
図7は、実験装置の概要を示すもので、着火から燃焼に到る様子を可視化するために、急速圧縮膨張装置(RCEM)ライナー8の一端には、透明の石英窓9が装着されている。RCEMライナー8内を .動するRCEMピストン10により、燃焼室11が形成され、内部の混合気が圧縮される。燃焼室11の上部から、パルスYAGレーザー光12を集光し、燃焼室11内の中央でブレイクダウンを形成することで着火させる。このとき、燃料はイソオクタン、等量比0.5、圧縮比は5.5、回転数1200rpm相当で、非熱プラズマを発生させるリアクタ13は、レーザーブレイクダウン位置に誘起流を到達させるために市販のスパークプラグを改造して、プラズマアクチュエータから垂直にジェット状の誘起噴流を形成するプラズマアクチュエータを用い、印加電圧Vpp=7.8kV(交流電圧のピークからピーク)印加時間は、パルスYAGレーザー光12による着火タイミングまでの36msとした。
圧力履歴は、図8に示すとおりであり、リアクタ13を作動させない場合は、破線で示すとおり、40ms経過以降の圧力が平坦であるのに対し、リアクタ13を作動させると、実線に示すとおり、180msに到るまで圧力が上昇し、着火、燃焼が発生していることが確認できる。
図9、図10は、石英窓9を通して4ms毎に撮影したシュリーレン計測の結果を示すもので、同じ作動条件で、着火促進装置3のリアクタ13を作動させない場合、作動させた場合をそれぞれ示している。
両図を比較すると明らかなように、リアクタ13を作動させないときは、ほとんど火炎が伝播せず、圧縮端の流動中に失火しているが、リアクタ13を作動させると、点火に成功し、燃焼室内の混合気に伝搬していることが確認できる。
図11は、4気筒エンジンに着火促進装置3を装着した場合の全体構成を示すもので、点火時期制御に使用されているマイクロコンピュータにより制御装置7が構成され、クランク角センサの検出に基づき、回転数に応じて、点火タイミングを終了時期として、埋め込み電極3bに対する最適なRF高電圧の電圧値、印加開始タイミングを制御する。
また、高回転数においては、誘起流速を早くする必要があることから、エンジン回転数の増大に応じて、RF高電圧の電圧値を高くする制御を取り入れることも有効である。また、高負荷状態などで着火が安定しているときは、着火促進装置3の作動を停止させてもよい。
なお、埋め込み電極3bにRF高電圧を印加し非熱プラズマを発生させるために必要な電力は、およそ3Wであり、印加時間幅を15ms、回転数を2400rpmで平均電力は1W程度で、エンジン出力からみて無視できる程度のものである。
1 シリンダヘッド
2 スパークプラグ
3 着火促進装置
3a 誘電体
3b 埋め込み電極
3c 露出電極
4 吸気バルブ
5 排気バルブ
6 パルス電圧印加装置
7 制御装置
8 RCEMライナー
9 石英窓
10 RCEMピストン
11 燃焼室
12 パルスYAGレーザー光
13 リアクタ
2 スパークプラグ
3 着火促進装置
3a 誘電体
3b 埋め込み電極
3c 露出電極
4 吸気バルブ
5 排気バルブ
6 パルス電圧印加装置
7 制御装置
8 RCEMライナー
9 石英窓
10 RCEMピストン
11 燃焼室
12 パルスYAGレーザー光
13 リアクタ
Claims (14)
- 予混合燃料を用いるエンジンの混合気圧縮工程のシリンダー内の点火プラグの付近、または点火プラグを含む領域に非熱プラズマを発生させ、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングにて点火プラグの放電で点火する、火花放電着火促進方法。
- 請求項1記載の火花放電促進方法において、
前記非熱プラズマの発生する位置は、点火プラグからシリンダー半径の1/2以下である、火花放電着火促進方法。 - 請求項1または2記載の火花放電着火促進方法において、
前記非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積は、1cm2以上から10cm2以下である、火花放電着火促進方法。 - 請求項1~3のいずれか1項に記載の火花放電着火促進方法において、
前記筒内流動は、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動である、火花放電着火促進方法。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の火花放電着火促進方法において、
前記非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間は、0.1ms以上から20ms以下である、火花放電着火促進方法。 - 非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマを発生させ、前記非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に当該非熱プラズマ発生部を設け、前記非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火する、火花放電着火促進装置。
- 請求項6記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、点火プラグからシリンダー半径の1/2以下の距離の位置に設ける、火花放電着火促進装置。 - 請求項6または7記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が1cm2以上から10cm2以下である、火花放電着火促進装置。 - 請求項6~8のいずれか1項に記載の火花放電着火促進装置において、
前記筒内流動は、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動である、火花放電着火促進装置。 - 請求項6記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ被処理による混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で、筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火する時間が、前記非熱プラズマの発生から0.1ms秒以上20ms秒以下である、放電着火促進装置。 - 請求項6~10のいずれか1項に記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、シリンダーに装着された点火プラグの周囲に埋め込まれた埋め込み電極および前記埋め込み電極に対向する露出電極からなり、
エンジンの圧縮行程時、点火プラグの点火タイミングに先立って、前記埋め込み電極と前記露出電極の間にRF高電圧を印加することによりプラズマ放電を行い、燃焼室内において、ラジカルおよび部分酸化物の成分を含むとともに、プラズマ中に形成されるイオンや励起状態のエネルギー緩和によって急速な温度上昇がもたらされた誘起流を点火プラグに向けて生成し、点火タイミングにおいて、点火プラグの中心電極付近に易着火燃焼領域を形成する、火花放電着火促進装置。 - 請求項6~10のいずれか1項に記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、円環状の埋め込み電極、前記埋め込み電極の外径よりも大きい内径を有する露出電極、および円環状の前記埋め込み電極を嵌着する誘電体を有する、火花放電着火促進装置。 - 請求項11または12記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部の露出電極をシリンダヘッド、シリンダブロックを介してアースし、前記埋め込み電極にRF高電圧を印加し、
前記RF高電圧を印加するタイミング、印加時間、および印加電圧を制御装置により制御する、火花放電着火促進装置。 - 請求項6~13のいずれか1項に記載の火花放電着火促進装置を有するエンジンである火花放電着火促進装置付きエンジン。
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