JP2010249029A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波により生成する高周波電界と点火プラグの火花放電とを反応させて混合気を着火する場合に、燃焼室にマイクロ波を供給するように設けられる例えばモノポール型アンテナは、燃焼室内に突き出した状態で設置されるため、軽量化を図るべく、可能な限りアンテナの部材を細くすると、プラズマ温度が高くなった場合などには、アンテナが損傷する可能性を低減する手法を提供する。
【解決手段】燃焼室６内に生成される電界と点火プラグ７による火花放電とを反応させてプラズマを生成し混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグ近傍の燃焼室壁面６ａに、電界１８を生成する電極を被覆した状態で燃焼室壁とは電気的に絶縁して設けてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内に電界を生成し、電界と点火プラグによる火花放電とによりプラズマを発生させ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、電磁波特にはマイクロ波を用いるものが考えられている。マイクロ波を用いる場合、マイクロ波を出力する例えばマグネトロンと、燃焼室にマイクロ波を供給するように設けられる例えばモノポール型アンテナとを、導波管と同軸ケーブルとで接続する構成となる。この場合、モノポール型アンテナは、燃焼室内に突き出した状態で設置される。通常、モノポール型アンテナは、電磁波を放射するだけでよいので、点火プラグの中心電極や接地電極に比べて細いものでよい。

しかしながら、軽量化を図るべく、可能な限りアンテナの部材を細くすると、プラズマ温度が高いために、アンテナが損傷する可能性が生じた。

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、点火プラグ近傍の燃焼室壁面に、電界を生成する電極を被覆した状態で燃焼室壁とは電気的に絶縁して設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、電界を生成する電極を被覆して燃焼室壁面に設けることにより、電極が燃焼室内の雰囲気にさらされることはない。このため、燃焼室内に生成したプラズマの温度が高くなっても損傷を受けることが減少し、耐久性を高くすることが可能になる。また、点火プラグに電磁波を放射する電極を付加する必要がなくなり、部品費用の上昇を抑制することが可能になる。

プラズマの生成を良好にするには、点火プラグが、中心電極と中心電極の先端側に離れて位置する接地電極とを備え、電極が、中心電極と接地電極との両方に対向する位置に配置されるものが好ましい。このような構成であれば、電極が、点火プラグの放電域である中心電極と接地電極との間の間隙に対向することになるので、電極と放電域との間に電界の生成を阻害するものが存在しない。そのため、電界を効率よく間隙に生成することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、電極が燃焼室内の雰囲気にさらされることがないため、燃焼室内に生成したプラズマの温度が高くなっても損傷を受けることが減少し、耐久性を高くすることができる。また、点火プラグに電界を生成する電極を付加する必要がなくなり、部品費用の上昇を抑制することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の燃焼室の天井をシリンダボア側から見た平面図。 同実施形態における点火プラグの取付状態を変更した場合の、燃焼室の天井をシリンダボア側から見た平面図。 本発明における電界をマグネトロンを用いずに生成するための構成を示すブロック図。 図４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気筒の構成を概略的に示した火花点火式のエンジン１００は、自動車用の３気筒のものである。以下の説明にあっては、１気筒の燃焼室を中心とした構造について説明する。エンジン１００は、アルミニウム製で、シリンダブロック１とそのシリンダブロック１に取り付けられるシリンダヘッド２とシリンダブロック１のシリンダボア３内を往復作動するピストン４とを主として備えている。

シリンダブロック１は、図示しないクランクシャフトの方向に３つのシリンダボア３を備えるものである。それぞれのシリンダボア３は、ウォータジャケット５で冷却される構造である。

シリンダヘッド２には、それぞれのシリンダボア３に対応してほぼドーム形状（ペントルーフ型）の燃焼室６が形成してある。この燃焼室６の天井のほぼ中心には、点火プラグ７が取り付けてある。燃焼室６に対しては、この分野でよく知られている火花点火式のエンジンと同様に、吸気弁８が設けてあるとともに、排気弁１９が設けてある構造である。加えて、これらの吸気弁８や排気弁１９に対する吸気ポートや排気ポートなどが、従来のエンジンと同様にシリンダヘッド２に設けてある。

点火プラグ７は、導電材料からなるハウジング９と、ハウジング９内に絶縁されて取り付けられる中心電極１０と、中心電極１０から離れてハウジング９の下端に設けられる接地電極１１とを備える。すなわち、点火プラグ７は、ハウジング９がほぼ円柱形状の絶縁碍子１２を支持し、絶縁碍子１２の上端に取り付けられる接続端子（図示しない）が、絶縁碍子１２の下端から突出する中心電極１０と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング９下端から中心電極１０下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極１１がハウジング９に一体的に設けてある構造である。接地電極１１は、ハウジング９の下端から下方に延びる垂下部１４と、垂下部１４の下端に連続して中心電極１０の方向に延びる横材部１５とを備える。横材部１５の先端は、中心電極１０の下方にまで延び、中心電極１０との間に間隙を形成している。このような構造の接地電極１１であるので、間隙１６は、垂下部１４の外周側から中心電極１０を見た場合に、垂下部１４により遮られることになる。

このシリンダヘッド２の、燃焼室６の天井面すなわちピストン４の頂面４ａに対向する壁面６ａには、誘電体であるセラミック１７により被覆され、電気的にシリンダヘッド２と絶縁した状態で電極１８を設けている。電極１８は、例えば電磁波であるマイクロ波の１／４波長の長さを有する棒状のものである。電極１８は、点火プラグ７の間隙１６に対してほぼ垂直に交わる高周波電界を形成するように配置されるものである。すなわち、マイクロ波の放射により形成される高周波電界は、電極１８の長手方向の中央を中心として円形に形成される。

このような構成において、点火プラグ７は、電極１８と間隙１６との間に遮蔽するものなく対向するように取り付ける。言い換えれば、点火プラグ７は、接地電極１１の垂下部１４が電極１８と対向しないように取り付けるものである。点火プラグ７を、接地電極１１の垂下部１４が電極１８と対向するように取り付ける場合、間隙１６に形成される火花放電に対して放射するマイクロ波に対して、接地電極１１が遮蔽物となるため、好ましくない。つまり、接地電極１１がマイクロ波の進行方向で、かつ間隙１６の手前に存在することで、間隙１６における高周波電界が弱められる。したがって、点火プラグ７は、接地電極１１の垂下部１４が、電極１８の長手方向の中央と中心電極１０の中心軸とを結ぶ直線上において、電極１８と中心電極１０との間に並ぶ方向以外の姿勢で取り付ける。

このエンジン１００にあっては、運転状態では高圧交流発生装置が発生するマイクロ波を電極１８から燃焼室６内に放射し、それにより生成される高周波電界と点火プラグ７による火花放電とを反応させてプラズマを生成し、混合気に着火するように構成されている。高圧交流発生装置は、マグネトロンとマグネトロンを制御する制御回路とを備える。マグネトロンが出力するマイクロ波は、導波管及び同軸ケーブルにより電極１８に供給される。制御回路は、エンジン１００の運転を制御する電子制御装置から出力される高圧交流発生信号に基づいてマグネトロン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。

点火に際しては、点火プラグ７に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後に電極１８から放射されるマイクロ波により高周波電界を発生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。

具体的には、点火プラグ７による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

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、高周波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、飛躍的に火炎が大きくなるものである。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電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７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。

このように、電極１８を、セラミック１７により被覆して点火プラグ１２近傍の燃焼室６の天井の壁面６ａに設けているので、放電域である点火プラグ７の間隙１６に対して高周波電界を高密度で形成することができる。このような高電界密度の高周波電界と火花放電との反応により電極１８の近傍にプラズマが生成され燃焼室６内が高温になっても、燃焼室６内が高温になっても、電極１８が損傷することを抑制することができる。しかも、このようにシリンダヘッド２に電極１８を設けることにより、点火プラグ７にマイクロ波用の電極を設けるなどの改造の必要がなくなる。したがって、部品に係る費用を低減することができる。

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。

上述の実施形態においては、棒状の電極１８を説明したが、印加する電磁波の波長との関係で、燃焼室６の壁面６ａにおいて直線上に配置し得ない場合にあっては、その形状を円弧状、半円状あるいは一カ所に切断部を有する円形とするものであってよい。

また、上述の実施形態では、点火プラグ７を、図１及び図２に示すように、その中心電極１０が電極１８に近く、その後方に接地電極１１の垂下部１４が位置するように取り付けたが、図３に示すように、接地電極１１が電極１８にほぼ平行になる位置で取り付けるものであってよい。点火プラグ７は、このように接地電極１１が電極１８にほぼ平行な位置から、常に中心電極１０が電極１８と対向している状態で約１８０度回転させた位置までの間（図３に円弧の矢印で示す）で、取り付けるものであってよい。

このような取付位置にあっては、電極１８に対して、接地電極１１の垂下部１４が電極１８と中心電極１１との間に位置しないので、電極１８から放射されるマイクロ波が遮られることなく間隙１６に到達するものとなる。したがって、間隙１６言い換えれば火花放電域に、電極１８の長手方向の中央を中心とした高電界密度の高周波電界を形成することができ、効率よく火花放電とプラズマとを反応させることができる。

上述の実施形態においては、マグネトロンを備える高圧交流発生装置を説明したが、マグネトロンに代えて、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。

また、電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数領域に限られるものではなく、点火プラグの火花放電部分に極性が交互に入れ替わる電界を生成しプラズマを発生させることが可能な周波数であればよい。

電界を生成する方法としては、マイクロ波を利用することに代えて交流電圧を電極１８とシリンダヘッド２との間に印加する方法が考えられる。

具体的には、図４に示すように車両用のバッテリ２０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２１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２２にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス２３により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成とする。

電極１８およびシリンダヘッド２は、Ｈブリッジ回路２２から出力後に昇圧された交流電圧を導く送電ケーブルに接続してあり、電極１８とシリンダヘッド２と間に交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ７の間隙１６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ように構成してある。

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。

６…燃焼室
６ａ…壁面
７…点火プラグ
１０…中心電極
１１…接地電極
１６…間隙
１８…電極

Claims (2)

1. 電磁波により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、点火プラグ近傍の燃焼室壁面に、電界を生成する電極を被覆した状態で燃焼室壁とは電気的に絶縁して設けてなる火花点火式内燃機関。
2. 点火プラグが、中心電極と中心電極の先端側に離れて位置する接地電極とを備え、電極が、中心電極と接地電極との両方に対向する位置に配置される請求項１記載の火花点火式内燃機関。

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