JP2018135774A

JP2018135774A - 着火装置

Info

Publication number: JP2018135774A
Application number: JP2017029622A
Authority: JP
Inventors: 洋一丸谷; Yoichi Marutani
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: JP6834574B2

Abstract

【課題】プラズマを効率よく燃焼室に供給する。
【解決手段】着火装置１００は、燃焼室１０２に連通する流体供給管１２０と、流体供給管１２０内に設けられた第１電極と、第１電極と離隔して設けられた第２電極と、第１電極および第２電極のいずれか一方に電力を供給する高周波電源とを有するプラズマ発生部１３０と、流体供給管１２０におけるプラズマ発生部１３０の上流側に設けられた開閉弁１５０と、を備える。これにより、燃焼室１０２において効率よく燃料を着火させることができる。
【選択図】図１

Description

本開示は、燃焼室に供給された燃料を着火させる着火装置に関する。

エンジンを構成するシリンダ（燃焼室）内に予混合気を供給して燃焼させることで、排気ガス中のＮＯｘを低減したり、燃費を向上させたりする技術が開発されている。予混合気を着火させる技術として、水蒸気プラズマを生成してシリンダ内に噴出するプラズマ発生装置が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の技術では、予混合気の着火時に合わせてプラズマをシリンダ内に噴出している。

一般的に、シリンダ内に流体を供給したり、供給を停止したりするバルブは、シリンダ近傍に設けられる。したがって、上記プラズマ発生装置を備えたエンジンでは、プラズマ発生装置の出口にバルブが設けられることとなる。

特開２００５−２９９４４０号公報

しかし、プラズマ発生装置の出口に開閉弁を備える構成では、プラズマの発生源からシリンダまでの距離が遠くなるため、シリンダに到達するまでにプラズマが減衰し、着火性能が低下してしまうという問題がある。

そこで、プラズマ発生装置を構成する電極棒（金属芯）にコイルを巻きまわして、プラズマ発生装置自体をニードル弁として機能させることが考えられる。しかし、流路を開閉するためにコイルに印加される電圧が、プラズマを発生させるために電極棒に印加される電圧のノイズとなり、プラズマを安定して発生させることができなくなってしまう。もしくは、プラズマを発生させるために電極棒に印加される電圧が、流路を開閉するためにコイルに印加される電圧のノイズとなり、流路の開閉に不具合が生じてしまう。

本開示は、このような課題に鑑み、プラズマを効率よく燃焼室に供給することが可能な着火装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る着火装置は、燃焼室に連通する流体供給管と、前記流体供給管内に設けられた第１電極と、前記第１電極と離隔して設けられた第２電極と、前記第１電極および前記第２電極のいずれか一方に電力を供給する高周波電源とを有するプラズマ発生部と、前記流体供給管における前記プラズマ発生部の上流側に設けられた開閉弁と、を備える。

また、前記流体供給管を通過する流体は、液体であってもよい。

また、前記流体供給管は、所定の離隔間隔を維持して前記第１電極を囲繞する囲繞部と、前記囲繞部に連続して設けられ、前記燃焼室に開口する開口部を有する、前記囲繞部より流路断面積が小さい縮径部と、を有してもよい。

また、前記流体供給管のうち、前記第１電極の少なくとも一部を囲繞する部分、および、前記第１電極のいずれか一方または両方を冷却する冷却部を備えてもよい。

本開示の着火装置は、プラズマを効率よく燃焼室に供給することが可能となる。

実施形態にかかる着火装置を説明する図である。プラズマ発生部の具体的な構成を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかる着火装置１００を説明する図である。なお、図１中、信号の流れを破線で示す。着火装置１００は、エンジンを構成する燃焼室１０２に供給された燃料（例えば、予混合気）を着火させる。エンジンは、例えば、ユニフロー掃気式２サイクルエンジンである。

着火装置１００は、タンク１１０と、流体供給管１２０と、プラズマ発生部１３０と、冷却部１４０と、開閉弁１５０と、ポンプ１６０と、制御部１７０とを含んで構成される。

タンク１１０は、水を含む液体を貯留する。水を含む液体は、例えば、ＥＧＲ配管や、排気管内で生じた排水ドレン（燃料やエンジンオイルが混入した凝縮水）である。

流体供給管１２０は、タンク１１０と燃焼室１０２とを連通させる配管であり、液体が通過する。

プラズマ発生部１３０は、流体供給管１２０を通過する液体中にプラズマを発生させる。図２は、プラズマ発生部１３０の具体的な構成を説明する図である。図２に示すように、プラズマ発生部１３０は、第１電極１３２と、第２電極１３４と、高周波電源１３６とを含んで構成される。

第１電極１３２は、金属で構成され、本体１３２ａと、尖端部１３２ｂとを含んで構成される。本体１３２ａは、円柱形状である。尖端部１３２ｂは、基端が本体１３２ａから連続し、基端から先端に向かうに従って径が漸減する。

第１電極１３２は、流体供給管１２０内に設けられる。具体的に説明すると、第１電極１３２のうち、本体１３２ａを囲繞する流体供給管１２０ａは、絶縁体で構成される。また、尖端部１３２ｂは、第２電極１３４として機能する、金属で構成された流体供給管１２０ｂに囲繞される。

第２電極１３４は、接地された電極である。本実施形態において、第２電極１３４は、燃焼室１０２を構成する壁部１０２ａに設けられる。また、上記したように第２電極１３４は、流体供給管１２０ｂとしても機能し、所定の離隔間隔を維持して尖端部１３２ｂを囲繞する。

具体的に説明すると、第２電極１３４は、囲繞部１３４ａと、縮径部１３４ｂと、を有する。囲繞部１３４ａは、所定の離隔間隔を維持して、尖端部１３２ｂを囲繞する。つまり、囲繞部１３４ａには、第１孔１３４ａａが形成されており、第１孔１３４ａａ内に尖端部１３２ｂが配置される。第１孔１３４ａａは、流体供給管１２０ａと連通する端部から第２孔１３４ｂａと連通する端部に向かうに従って径が漸減する。

縮径部１３４ｂは、囲繞部１３４ａに連続して設けられ、燃焼室１０２に開口する開口部１３４ｂｂを有する。換言すれば、縮径部１３４ｂには、第１孔１３４ａａから開口部１３４ｂｂまで連続する第２孔１３４ｂａが形成されている。第２孔１３４ｂａは、流路断面積が一定であり、また、第１孔１３４ａａより流路断面積が小さい。

高周波電源１３６は、後述する制御部１７０による制御指令に基づいて、第１電極１３２に電力を供給し、パルス電圧を印加する。高周波電源１３６が第１電極１３２にパルス電圧を印加することにより、尖端部１３２ｂと、囲繞部１３４ａとの間、つまり、第１孔１３４ａａにおいて水（液体）のプラズマが形成される。こうして形成された水のプラズマは、縮径部１３４ｂを介して燃焼室１０２に供給される。これにより、燃焼室１０２中の燃料を着火させることが可能となる。

また、液体のプラズマは、気体のプラズマと比較して、プラズマの維持時間が長い。したがって、プラズマを減衰させずに燃焼室１０２に到達させることが可能となる。

また、縮径部１３４ｂに形成された第２孔１３４ｂａが、囲繞部１３４ａに形成された第１孔１３４ａａより流路断面積が小さいことにより、プラズマの流速を上昇させることができる。これにより、燃焼室１０２において、プラズマを広範囲に拡散させることができ、着火効率を向上させることが可能となる。

冷却部１４０は、例えば、水冷装置で構成され、第１冷媒流路１４２と、第２冷媒流路１４４とを含んで構成される。第１冷媒流路１４２は、導入口および排出口を有し、流体供給管１２０ａの壁部内に形成される。第２冷媒流路１４４は、導入口１４４ａおよび排出口１４４ｂを有し、第１電極１３２の内部に形成される。第１冷媒流路１４２の導入口、第２冷媒流路１４４の導入口１４４ａには、不図示の冷媒供給部から冷媒が供給される。そうすると、冷媒は、第１冷媒流路１４２を通過した後、排出口から排出され、第２冷媒流路１４４を通過した後、排出口１４４ｂから排出される。これにより、流体供給管１２０ａおよび第１電極１３２を冷却することができる。したがって、第１電極１３２への電圧の印加で生じる熱によって、水が蒸発してしまう事態を回避することが可能となる。

図１に戻って説明すると、開閉弁１５０は、流体供給管１２０におけるタンク１１０と、プラズマ発生部１３０との間（プラズマ発生部１３０の上流側）に設けられる。かかる構成により、プラズマ発生部１３０の出口に開閉弁を備える従来技術と比較して、プラズマの発生源から燃焼室１０２までの距離を短くすることができる。したがって、プラズマの減衰を抑制することができ、着火性能の低下を抑制することが可能となる。

また、プラズマ発生部１３０自体をニードル弁として機能させる構成とは異なり、プラズマを発生させるための電圧以外の不要な電圧を第１電極１３２や第２電極１３４に印加させずとも、プラズマ発生部１３０への液体の供給や供給停止を行うことができる。したがって、第１電極１３２に印加される電圧にノイズが生じる事態を回避することができ、安定してプラズマを発生させることが可能となる。

ポンプ１６０は、流体供給管１２０における、タンク１１０と開閉弁１５０との間に設けられる。ポンプ１６０は、タンク１１０に貯留された液体を流体供給管１２０に圧送する。

制御部１７０は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）であり、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。制御部１７０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して着火装置１００全体を管理および制御する。

本実施形態において、制御部１７０は、高周波電源１３６、開閉弁１５０、ポンプ１６０を制御する。具体的に説明すると、制御部１７０は、エンジンのクランク角に基づく燃料の着火タイミングに水プラズマが燃焼室１０２に供給されるように、高周波電源１３６、開閉弁１５０、ポンプ１６０を制御する。

以上説明したように、本実施形態にかかる着火装置１００によれば、プラズマを効率よく燃焼室に供給することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、流体供給管１２０を通過する流体として、水を含む液体を例に挙げて説明した。しかし、流体は気体（例えば、水蒸気）であってもよい。

また、上記実施形態において、第２電極１３４が縮径部１３４ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、縮径部１３４ｂは必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、第１電極１３２が尖端部１３２ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、尖端部１３２ｂは必須の構成ではない。つまり、第１電極１３２は、同径の円柱で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、第２電極１３４が流体供給管１２０としても機能する構成を例に挙げて説明した。しかし、第２電極１３４は、流体供給管１２０と別体で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、冷却部１４０が、流体供給管１２０ａおよび第１電極１３２を冷却する構成を例に挙げて説明した。しかし、冷却部１４０は、流体供給管１２０のうち、第１電極１３２の少なくとも一部を囲繞する部分、および、第１電極１３２のうち、いずれか一方または両方を冷却することができればよい。例えば、冷却部１４０は、第２電極１３４を冷却してもよい。

また、冷却部１４０が、水冷装置で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、冷却部１４０は、第１電極１３２、および、流体供給管１２０のうち、第１電極１３２の少なくとも一部を囲繞する部分のうち、いずれか一方または両方を冷却することができれば構成に限定はない。例えば、冷却部１４０を空冷装置やペルチェ素子で構成してもよい。

本開示は、燃焼室に供給された燃料を着火させる着火装置に利用することができる。

１００着火装置
１２０流体供給管
１２０ａ流体供給管
１２０ｂ流体供給管
１３０プラズマ発生部
１３２第１電極
１３４第２電極
１３４ａ囲繞部
１３４ｂ縮径部
１３６高周波電源
１４０冷却部
１５０開閉弁

Claims

燃焼室に連通する流体供給管と、
前記流体供給管内に設けられた第１電極と、前記第１電極と離隔して設けられた第２電極と、前記第１電極および前記第２電極のいずれか一方に電力を供給する高周波電源とを有するプラズマ発生部と、
前記流体供給管における前記プラズマ発生部の上流側に設けられた開閉弁と、
を備える着火装置。
前記流体供給管を通過する流体は、液体である請求項１に記載の着火装置。
前記流体供給管は、
所定の離隔間隔を維持して前記第１電極を囲繞する囲繞部と、
前記囲繞部に連続して設けられ、前記燃焼室に開口する開口部を有する、前記囲繞部より流路断面積が小さい縮径部と、
を有する請求項１または２に記載の着火装置。
前記流体供給管のうち、前記第１電極の少なくとも一部を囲繞する部分、および、前記第１電極のいずれか一方または両方を冷却する冷却部を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の着火装置。