JP5660782B2 - 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、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、高周波電界例えば周波数２００〜５００ＭＨｚの高周波により生成される高周波電界によりプラズマを生成させると、プラズマが成長するのにマイクロ波による場合に比べて時間がかかることが知られている。また、シリンダ内、特には燃焼室内にあっては、例えば吸気行程や圧縮行程において混合気の不規則に形成される気流が生じていることも、近年の研究で判明している。

このように、燃焼室内に気流がある状態では、時間の経過とともに拡大するプラズマが、そのような不規則な気体により流されると、本来着火時にプラズマが存在する位置にプラズマがなかったり、プラズマの量が十分でないことなどにより、安定な火炎を得ることが困難な場合が生じる。このように、気流によりプラズマが流されると、流されない場合に比較してプラズマが着火の促進に寄与する割合が低下するため、体積着火が始まらず、球状の火炎が成長しない場合が生じた。

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２００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚの高周波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、プラズマが生成される空間を包含して燃焼室内に磁場を形成する磁場形成手段を備えてなる。

このような構成によれば、プラズマは、磁場形成手段が形成した磁場内に生成されるので、生成された空間から他の空間に移動することを抑制される。これにより、プラズマを燃焼室内の気流の影響で流されることなく所望の空間にとどめることが可能になり、体積着火を確実に行うことが可能になる。

長期間にわたって確実に磁場を形成するために本発明は、磁場形成手段が、棒状の電磁石であり、中心電極及び接地電極を挟む位置において、ハウジングの下端面に一端が固定され他端が接地電極の下面位置まで延びる大きさで設けてあることを特徴とする。

本発明は、以上説明したような構成であり、磁場形成手段が形成する磁場により、燃焼室内に生成されたプラズマを所望の空間にとどめることにより、確実に体積着火を行うことができ、それゆえ燃焼が不安定になることを抑制することができる。

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。 同実施形態における点火プラグの正面図。 同実施形態における電磁波発生装置のブロック図。 本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置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に点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり、吸気ポート２には燃焼室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、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。

この実施例の点火プラグ１は、図２に示すように、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５と、磁場形成手段である二本の電磁石１６を備える。すなわち、点火プラグ１は、ハウジング１３がほぼ円柱形状の絶縁碍子１７を支持し、絶縁碍子１７の上端に取り付けられる接続端子１８が、ハウジング１３の下端から突出する中心電極１４と図示しない中軸により電気的に接続されている。さらに、ハウジング１３下端には、中心電極１４下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極１５がハウジング１３に一体的に設けてあるとともに、二本の電磁石１６が取り付けてある。絶縁碍子１７は、中心電極１４とエンジン１００への取付部であるハウジング１３とを絶縁するとともに、中心電極１４と接続端子１８との接続部材である中軸も絶縁するものである。

中心電極１４は、例えば柱状の金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１７から露出するとともに、ハウジング１３の下端から露出する。

このような中心電極１４に対して、接地電極１５は、ハウジング１３下端面に一体的に形成される側面視ほぼＬ字状のもので、その先端は、中心電極１４の中心軸から間隙（ギャップ）１９をあけた位置まで延びている。接地電極１５は、このようにハウジング１３に一体的に設けられているので、使用時にあってはハウジング１３と同電位に維持される。

電磁石１６は、棒状をしており、中心電極１４及び接地電極１５を挟む位置に、ハウジング１３の下端から突出して設けてある。すなわち、電磁石１６は、少なくとも中心電極１４と接地電極１５との間隙に磁場を形成するように配置してあり、かつ、体積着火が起こった場合に、火炎が間隙１９を含むその近傍の空間から燃焼室６内に広がるように配置してある。すなわち、それぞれの電磁石１６は、四角柱形状のものであり、ハウジング１３の円環形状をしている下端面に一端が固定され、他端が接地電極１５のほぼ下面位置まで延びる大きさで、中心電極１４の中心軸に対して対称な位置で、かつ接地電極１５から等距離離れた位置に設けてある。そして、電磁石１６が形成する磁場は、中心電極１４と接地電極１５との間隙１９に生じる火花放電の方向と同じ方向を向いて形成される。

電磁石１６は、この実施形態にあっては、火花放電の開始後、電界内にプラズマが生成されるタイミングで磁場を形成するように通電され、体積着火後、火炎が燃焼室６内に拡散するタイミングで通電を停止される。なお、電磁石１６への電力の供給は、ハウジング１３内に絶縁された電線を通すことによって行う。

このような構成において、点火プラグ１はエンジン１００のそれぞれの気筒に対して取り付けられ、火花放電を行う本来の機能とともに、後述するプラズマ生成のための電界を形成するためのアンテナとしても機能するものである。すなわちこのエンジン１００は、燃焼室６内の混合気に点火プラグ１を用いて着火する場合に、点火プラグ１の火花放電を燃焼室６内に生成する電界と反応させてプラズマを生成することにより、プラズマを生成しない場合の火花放電による着火に比較して、着火領域を大きくしている。このために、点火プラグ１の中心電極１４には、火花放電のための点火コイルが接続されるとともに、電界を生成するための電磁波、例えば周波数６００ｋＨｚの電磁波を出力する電磁波発生装置（図３に示す）３０が接続されている。したがって、以下に説明するようにして、電磁波発生装置３０から出力される電磁波が、点火プラグ１の中心電極１４に印加されるものである。

図３に示す電磁波発生装置３０は、例えば６００ｋＨｚの電磁波を発振する送信機３１と、送信機３１の出力端に同軸ケーブル３２で接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）３３と、マッチングチューナ３３の出力端に不平衡ケーブル３４で接続されるとともにイグナイタ付点火コイル（以下、点火コイルと称する）３５にも接続されるミキサ３６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ１の中心電極１４が電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ３６は、マッチングチューナ３３を介して送信機３１が出力する電磁波を点火プラグ１の中心電極１４に印加するとともに、点火コイル３５からの点火信号を中心電極１４に印加する。ミキサ３６は、送信機３１からの電磁波と点火コイル３５からの点火信号を混合するものである。なお、電磁波の周波数としては、約２００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚのものが使用できる。

この例では、送信機３１からの電磁波により、中心電極１４と接地電極１５との間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極１４と接地電極１５との間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル３５により火花放電を発生させて、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前に電磁波により電界を発生させ、火花放電と電界とを反応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。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が電界中でプラズマになる。このようにしてプラズマを生成するタイミングにおいて、それぞれの電磁石１６に通電し、プラズマは存在する空間つまり中心電極１４と接地電極１５との間隙１９及びその周辺を含む空間を包含する所定空間に、磁場を形成する。磁場が形成されることにより、プラズマはその磁場の内部に閉じ込められ、ピストン２０の動きなどに応じて燃焼室６内に気流が生じても、その影響を受けることなく所定空間に止めておくことができる。この場合、プラズマは、例えばマイクロ波により電界を形成する場合などに比べて生成する時間が長くかかるが、磁場を形成しているためにそのような長時間の場合であっても、プラズマが気流に流されることはない。

この結果、所定空間に止めたプラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに、所定空間内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。

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、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、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。

以上のように、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマを磁場により移動を抑制した状態で、そのプラズマにより混合気に着火するため、着火領域を確実に点火プラグ１の間隙１９の位置に形成することができ、その結果、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火にすることができる。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、電磁石１６が形成する磁場により、燃焼室６内に生成されたプラズマを点火プラグ１の間隙１９を含む所定空間にとどめることにより、確実に体積着火を行うことができ、それゆえ燃焼が不安定になることを抑制することができる。

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。

磁場形成手段としては、電磁石以外に、強磁性体や永久磁石であってもよい。このような永久磁石などは、キュリー温度により強磁性の性質が失われることがあるので、比較的燃焼温度が低い汎用エンジンに適用することが好ましい。キュリー温度が高い強磁性体にあっては、この限りではない。

また磁場形成手段の取付位置としては、点火プラグ１の下端に限定されるものではなく、点火プラグ１の下端近傍のシリンダヘッド８に配置するものであってもよい。すなわち、点火プラグ１以外の場所に取り付ける場合、点火プラグ１の間隙１９を含む空間に磁場を形成するように磁場形成手段を配置するものである。この場合、例えば磁場形成手段をシリンダヘッド８に埋め込むのであれば、点火プラグ１の間隙１９に対して磁場形成手段が火炎の拡大に対して障害物とならないので、点火プラグ１の下端近傍付近を取り囲む例えば円環状のもの等にすることができる。

上述の実施形態においては、電界を形成する手段として、電磁波発生装置３０と点火プラグ１の中心電極１４との組み合わせを説明したが、電磁波を放射するための構成物として、点火プラグとは別体の各種のアンテナを用いるものであってよい。なお、これらのアンテナは点火プラグの中心電極の周辺に設けることが望ましい。また、点火プラグの中心電極の周辺であって、点火プラグ自体に取付けられるものであってよい。

上述の実施形態において説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図４に示す交流電圧発生装置４０は、車両用のバッテリ４１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４２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４３にて周波数が約２００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス４４により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成である。

このような交流電圧発生装置４０において、例えば点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５とを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置３０と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス４４とイグナイタと点火プラグ１との間にはミキサが配置される。そして、中心電極１４と接地電極１５との間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ１の間隙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。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ１周辺に生成され、混合気を着火するものである。

なお、このような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、上述した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、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、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。

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。

１…点火プラグ
６…燃焼室
１３…ハウジング
１４…中心電極
１５…接地電極
１６…電磁石

Claims (1)

1. 燃焼室内に生成される２００ｋＨｚ〜５００ＭＨｚの高周波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、プラズマが生成される空間を包含して燃焼室内に磁場を形成する磁場形成手段を備えてなる火花点火式内燃機関であって、
   磁界形成手段が、棒状の電磁石であり、中心電極及び接地電極を挟む位置において、ハウジングの下端面に一端が固定され他端が接地電極の下面位置まで延びる大きさで設けてある火花点火式内燃機関。

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