JP2010101206A - Spark ignition type internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、点火に際してプラズマを用いる火花点火式内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine that uses plasma for ignition.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, particularly an automobile, an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited at each ignition timing by spark discharge between a center electrode and a ground electrode of a spark plug. In such ignition by an ignition plug, for example, in an internal combustion engine of a type in which fuel is directly injected into a cylinder, if the injected fuel is not distributed at the spark discharge position of the ignition plug, it rarely occurs.
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。
ところで、プラズマは、エネルギを加えることにより気体を構成する原子や分子の運動が激しくなり、その結果、それらの一部又は多くが負の電荷をもつ電子と正の電荷を持つイオンなどに分かれ、全体としては電気的中性を保ちながら動き回る、独特の性質を有する物質の状態である。このようなプラズマはまた、OHラジカルやNラジカルさらにはオゾンなどを含んでいる。 By the way, the plasma causes intense movement of atoms and molecules constituting the gas by applying energy. As a result, some or many of them are divided into negatively charged electrons and positively charged ions. As a whole, it is a state of a substance with unique properties that moves around while maintaining electrical neutrality. Such plasma also contains OH radicals, N radicals and ozone.
特許文献1に記載の内燃機関にあっては、アルミ合金などの金属で製作されているシリンダヘッドの燃焼室やピストンなど壁面は、内燃機関の運転中にオゾンと接触することになる。このため、点火時にプラズマを用いていない内燃機関に比較して、燃焼室やピストンなどが常時オゾンにさらされて、より早期に酸化してしまうことがある。 In the internal combustion engine described in Patent Document 1, a wall surface such as a combustion chamber or a piston of a cylinder head made of a metal such as an aluminum alloy comes into contact with ozone during operation of the internal combustion engine. For this reason, compared with the internal combustion engine which does not use plasma at the time of ignition, a combustion chamber, a piston, etc. may always be exposed to ozone and may oxidize earlier.
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。 Therefore, the present invention aims to eliminate such problems.
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、燃焼室の内壁に無孔質の酸化膜を設けてなることを特徴とする。 That is, the spark ignition internal combustion engine of the present invention is a spark ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting a spark discharge by a spark plug with plasma generated in a combustion chamber, and is provided on the inner wall of the combustion chamber. A porous oxide film is provided.
このような構成によれば、酸化膜により燃焼室の内壁を構成する金属例えばアルミニウムがプラズマ中のオゾンにより酸化されることを抑制することが可能になる。この場合に、酸化膜が無孔質であるので、多孔質の酸化膜において孔にオゾンが浸入して酸化膜が酸化されることをも抑制することが可能になる。 According to such a structure, it becomes possible to suppress that the metal which comprises the inner wall of a combustion chamber by an oxide film, for example, aluminum, is oxidized with the ozone in plasma. In this case, since the oxide film is non-porous, it is possible to prevent the oxide film from being oxidized by ozone entering the pores in the porous oxide film.
酸化を効果的に抑制するためには、酸化膜を、少なくとも点火プラグの周辺位置に設けてなるものが好ましい。 In order to effectively suppress oxidation, it is preferable to provide an oxide film at least at a peripheral position of the spark plug.
なお、本発明において無孔質とは、酸化膜が表面に開口する孔を有していないもの、及び表面に開口する孔を封孔処理により塞いで使用時には表面に開口がない状態であるものを含むものである。 In the present invention, the term “nonporous” means that the oxide film does not have a hole that opens on the surface, and that the hole that opens on the surface is closed by a sealing treatment and there is no opening on the surface when used. Is included.
本発明は、以上説明したような構成であり、燃焼の毎に生成されるプラズマによる燃焼室内壁の酸化を抑制することができる。 The present invention has a configuration as described above, and can suppress oxidation of the combustion chamber wall due to plasma generated each time combustion is performed.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に1気筒の構成を概略的に示したエンジン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。
An engine 100 schematically showing the configuration of one cylinder in FIG. 1 is a three-cylinder for an automobile. In the following description, the structure centered on the combustion chamber of one cylinder will be described. The engine 100 is made of aluminum and mainly includes a cylinder block 1, a
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。
The cylinder block 1 includes three cylinder bores 3 in the direction of a crankshaft (not shown). Each cylinder bore 3 is structured to be cooled by a
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が形成してあり、この燃焼室6を中心にして吸気ポート7、排気ポート8、点火プラグ取付孔9などが形成してある。そして、シリンダヘッド2には、吸気ポート7を開閉する吸気弁10、排気ポート8を開閉する排気弁11、点火プラグ12が取り付けてある。以上に説明したシリンダブロック1及びシリンダヘッド2の構成自体は、この分野でよく知られている火花点火式のエンジンの構造と同じであってよい。
The
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に対向する面には、酸化膜13が形成してある。この実施形態にあっては、点火プラグ12が燃焼室6の天井に取り付けてあるので、酸化膜13は、点火プラグ12の周辺位置を含めて天井面全体に設けてある。なお、酸化膜13は、非常に薄いものであり、図1にあっては、その形成位置を明確にするために、他の構成要素より厚みを強調して図示している。
An
酸化膜13は、例えば陽極酸化処理により形成されるリン酸アルマイトである。リン酸アルマイトは、陽極酸化処理直後においては多孔質であるので、酸化膜表面を平滑化つまり無孔質とするために、封孔処理を施す。これに加えて、この実施形態においては、圧縮行程及び膨張行程の閉じている際に燃焼室6の天井面の一部を構成する吸気弁10及び排気弁11のそれぞれのバルブヘッド10a,11a、及び上死点の近傍位置において燃焼室6の底面となるピストン4の頂面4aそれぞれの表面に対しても、封孔処理を施したリン酸アルマイトからなる酸化膜14,15,16が形成してある。
The
このような構成において、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例えば誘電体が充填されたホーン型のアンテナから燃焼室6内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ12による火花放電とを反応させて、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、導波管によりアンテナに供給される。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。プラズマを生成する場合、マイクロ波がアンテナに供給されることにより、燃焼室6内には、点火プラグ12による火花放電に対して直交する方向に高周波電界が形成される。
In such a configuration, in this engine 100, in the operating state, microwaves generated by the high-voltage AC generator are radiated into the combustion chamber 6 from, for example, a horn type antenna filled with a dielectric, and thereby generated. The plasma is caused to react with the spark discharge by the
点火に際しては、点火プラグ12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。
At the time of ignition, a spark discharge is generated in the
具体的には、点火プラグ12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。
Specifically, the spark discharge by the
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。 This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge oscillate and meander due to the influence of the high-frequency electric field, resulting in a longer path length and the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to a dramatic increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The flame will increase dramatically.
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12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。
As a result, the air-fuel mixture is ignited by the spark discharge increased by reacting with the high-frequency electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the
このような燃焼時において、プラズマを生成することにより発生するラジカルのうち、オゾンは金属の酸化に顕著に作用するものであるが、燃焼室6の天井面、吸気弁10と排気弁11とのバルブヘッド10a,11a、及びピストン4の頂面4aにはそれぞれ酸化膜13,14,15,16が形成してあるので、生成されたプラズマに含まれるオゾンによりシリンダヘッド2、吸気弁10、排気弁11及びピストン4が酸化されることはない。この場合、酸化膜13,14,15,16は封孔処理により表面が無孔状態になっているので、酸化膜13,14,15,16内にオゾンが浸入することもないので、酸化膜13,14,15,16自体が劣化(酸化)することもない。
Of the radicals generated by generating plasma during such combustion, ozone remarkably acts on the oxidation of the metal, but the ceiling surface of the combustion chamber 6, the
したがって、このように、プラズマを使用して混合気に着火する方式のものであっても、燃焼室6及び燃焼室6に関わり合う吸気弁10、排気弁11及びピストン4の頂面4aの酸化を抑制することができ、エンジン100の耐久性が下がることを抑えることができる。
Therefore, even if the air-fuel mixture is ignited using plasma, oxidation of the combustion chamber 6 and the
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。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
酸化膜としては、上述の実施形態で説明したリン酸アルマイト以外に、無孔質のものであればよく、例えばDLC(Diamond Like Carbon)、SiO2(酸化ケイ素)などであってもよい。これらの酸化膜にあっても、その表面にオゾンが入る可能性のある孔がないか、もしくは封孔処理を施すことにより孔がない状態と同様であるものを用いる。 The oxide film, in addition to phosphoric acid anodized aluminum which has been described in the above embodiment, may be one of the non-porous, for example, DLC (Diamond Like Carbon), SiO 2 ( silicon oxide), or the like. Even in these oxide films, there is no hole on the surface where ozone may enter, or a film similar to a state in which there is no hole by performing sealing treatment is used.
又、陽極酸化処理により酸化膜13,14,15,16を形成するものを説明したが、酸化膜は薄膜形成技術、特には、化学的蒸着や物理的蒸着を含む気相法により形成するものであってよい。
In addition, the
さらに、上述の実施形態にあっては、点火プラグ12の周辺を含んで、燃焼室6の天井面に酸化膜13を形成するとともに、吸気弁10のバルブヘッド10a、排気弁11のバルブヘッド11a及びピストン4の頂面4aにそれぞれ酸化膜14,15,16を設けたものを説明したが、これに加えて、シリンダボア3に酸化膜を設けるものであってもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the
高圧交流発生装置としては、上述のようなマグネトロン以外に、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。 The high-voltage AC generator may be a traveling wave tube or the like in addition to the magnetron as described above, and may further include a microwave oscillation circuit made of a semiconductor.
加えて、マイクロ波を放射するアンテナとしては、ホーン型、ビーム型、さらにはモノポール型のアンテナであってよい。 In addition, the antenna that radiates microwaves may be a horn type, beam type, or monopole type antenna.
さらには、点火プラグ12の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。
Furthermore, the center electrode of the
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。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
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。 As an application example of the present invention, it can be used for a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and requires spark discharge by an ignition plug for ignition.
6…燃焼室
12…点火プラグ
13…酸化膜
14…酸化膜
15…酸化膜
16…酸化膜
6 ...
Claims (2)
燃焼室の内壁に無孔質の酸化膜を設けてなる火花点火式内燃機関。 A spark ignition type internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting a spark discharge by a spark plug and plasma generated in a combustion chamber,
A spark ignition internal combustion engine in which a nonporous oxide film is provided on the inner wall of a combustion chamber.
Priority Applications (1)
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JP2008271426A JP2010101206A (en) | 2008-10-21 | 2008-10-21 | Spark ignition type internal combustion engine |
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Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
WO2011136189A1 (en) | 2010-04-26 | 2011-11-03 | 三井化学株式会社 | Nonaqueous electrolyte solution containing cyclic sulfone compound, and lithium secondary battery |
JP2015161195A (en) * | 2014-02-26 | 2015-09-07 | マツダ株式会社 | direct-injection gasoline engine |
JP2015190368A (en) * | 2014-03-28 | 2015-11-02 | マツダ株式会社 | Control device of direct injection engine |
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2008
- 2008-10-21 JP JP2008271426A patent/JP2010101206A/en active Pending
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