JP5294960B2 - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室内に電界を生成させ、電界と点火プラグによる火花放電とにより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に関するものである。 The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine that generates an electric field in a combustion chamber, generates plasma by the electric field and spark discharge by an ignition plug, and ignites an air-fuel mixture.
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。 For this reason, in such an internal combustion engine, a plasma atmosphere is generated in the discharge region of the spark plug, for example, as described in Patent Document 1, in order to compensate for the spark discharge of the spark plug, and an arc is generated in the plasma atmosphere. It is known that the discharge is performed to surely ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber without applying a higher voltage than in the past and to obtain a stable flame.
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アンテナとを、導波管に接続する同軸ケーブルで接続する構成となる。この場合、プラズマは、マイクロ波による電界の強度により生成される量が決まるもので、アンテナの近傍においてその量が多い状態で火花放電と反応すると、アンテナが高温にさらされることで消耗される。このため、アンテナが消耗されることにより、燃焼室内に異物が残留したり、マイクロ波の放射性能が低下するなどの不具合が生じた。 By the way, as a method of generating plasma under atmospheric pressure, an electromagnetic wave, particularly using microwaves is considered. When the microwave is used, for example, a magnetron that outputs the microwave and an antenna that is provided so as to supply the microwave to the combustion chamber are connected by a coaxial cable that is connected to the waveguide. In this case, the amount of plasma generated is determined by the intensity of the electric field generated by the microwave. When the amount of plasma reacts with the spark discharge in the vicinity of the antenna in a large amount, the plasma is consumed by being exposed to a high temperature. For this reason, the exhaustion of the antenna has caused problems such as foreign matters remaining in the combustion chamber and the microwave radiation performance deteriorated.
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、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、電磁波の放射部を、点火プラグから少なくとも一つの定在波の節を挟んで電磁波の波長の1/2長さ以上離れた燃焼室の位置に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 generates plasma by causing an electric field generated in a combustion chamber by electromagnetic waves to react with a spark discharge by an ignition plug and ignites an air-fuel mixture, The electromagnetic wave radiating portion is provided at a position of the combustion chamber separated from the spark plug by at least one half of the wavelength of the electromagnetic wave with at least one standing wave node interposed therebetween .
このような構成によれば、点火プラグと電磁波の放射部との間は、電磁波の波長の少なくとも1/2長さ離れているので、点火プラグと電磁波の放射部との間の位置において電界強度が0となる領域がある。そのため点火プラグの位置において発生したプラズマの大部分は放射部へと到達することがなく、放射部のプラズマによる消耗を抑制することが可能になる。 According to such a configuration, since the distance between the spark plug and the electromagnetic wave radiation portion is at least half the wavelength of the electromagnetic wave, the electric field strength is at a position between the spark plug and the electromagnetic wave radiation portion. There is a region where becomes zero. Therefore, most of the plasma generated at the position of the spark plug does not reach the radiating portion, and it is possible to suppress the consumption of the radiating portion by the plasma.
プラズマの生成を良好にするには、電磁波の放射部を、点火プラグから定在波の節を挟んで電磁波の波長の1/2長さ離れた燃焼室の位置に設けてなるものが好ましい。このような構成であれば、放射部の位置において最大となる電界強度は、点火プラグの位置においても強くなる。そのため、点火プラグの位置においては多くのプラズマを得ることができる。 For good production of plasma, the radiation of electromagnetic waves, preferably made provided at a position of 1/2 length away combustion chamber of a wavelength of an electromagnetic wave from the spark plug across the node of the standing wave . With such a configuration, the maximum electric field strength at the position of the radiating portion is also strong at the position of the spark plug. Therefore, a lot of plasma can be obtained at the position of the spark plug.
本発明は、以上説明したような構成であり、点火プラグの位置で発生したプラズマが電磁波の放射部まで拡大することを防止でき、放射部がプラズマによって消耗することを抑制することができる。 The present invention is configured as described above, and can prevent the plasma generated at the position of the spark plug from expanding to the radiation portion of the electromagnetic wave, and can suppress the radiation portion from being consumed by the plasma.
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気筒における点火プラグ1の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン100は、例えば3気筒のダブルオーバーヘッドカムシャフト(DOHC)形式のものである。エンジン100は、シリンダブロック2とシリンダヘッド3とを備えてなり、シリンダブロック2は、ピストン4が往復作動するシリンダボア5を備え、シリンダヘッド3は燃焼室6を備える。シリンダヘッドには、吸気ポート7と排気ポート8とが形成してあり、吸気ポート7と排気ポート8とは、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ヶ所で燃焼室6に通じるように開口するものである。吸気ポート7は吸気弁9により閉鎖され、吸気カムシャフト10が回転することにより吸気弁7が作動して開放され、排気ポート8は排気弁11により閉鎖され、排気カムシャフト12が回転することにより排気弁11が作動して開放されるものである。そして、シリンダヘッド3の燃焼室6の天井部分には、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を、燃焼室6内部に放射する放射部たるアンテナ13が設けてある。
In FIG. 1, an
アンテナ13は、例えばモノポール型のものであり、シリンダヘッド3を貫通して燃焼室6に達する貫通孔13aに充填された絶縁材13bにより、その端部が燃焼室6に露出する状態にシリンダヘッド3とは電気的に絶縁されて設けられる。アンテナ13の先端は、点火プラグ1からマイクロ波の波長の1/2長さの整数倍離れた部位に位置させる。具体的には、図2に示すように、アンテナ13から放射されるマイクロ波が形成する電界の強度が最大になる、定在波の腹に対応する位置に点火プラグ1を配置するとともに、少なくとも一つの定在波の節を挟んで定在波の腹に対応する位置にアンテナ13が位置するものである。アンテナ13は、図示しない高周波発生装置、すなわちマグネトロンとそのマグネトロンの出力及び出力時期を制御する制御回路を備える高圧交流発生装置から出力されるマイクロ波を導く同軸ケーブルに接続してあり、アンテナ13の位置は定在波の腹となる性質がある。
The
このような構成において、アンテナ13は、エンジン100のそれぞれの気筒に対して上述した要領で設けられ、点火に際してプラズマを生成するためにマイクロ波を放射するものである。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ることにより、点火プラグ1の火花放電を電界と反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。
In such a configuration, the
点火に際しては、点火プラグ1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アンテナ13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。
At the time of ignition, spark discharge is generated in the spark plug 1 by an ignition coil (not shown), and a high frequency electric field is generated by microwaves radiated from the
具体的には、点火プラグ1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 spark plug 1 becomes plasma in a high-frequency electric field, and the flame becomes large.
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1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 spark plug 1 is changed to the three-dimensional ignition. Therefore, the initial combustion is stabilized, and the combustion rapidly propagates into the
以上に説明した構成では、点火プラグ1が、アンテナ13からマイクロ波の波長の1/2長さの整数倍だけ離れていることで、高周波電界の強度が最大となる領域に配置され、アンテナ13は点火プラグ1に対して高周波電界の強度が最低つまりほぼ0となる領域を挟んで位置するものである。このため、火花放電を発生させると、高周波電界の強度が高い点火プラグ1周辺では十二分にプラズマが生成される。この結果、上述したように、火花放電が増大され、プラズマが発生し着火領域が拡大されて高い燃焼速度で燃焼が拡大する。
In the configuration described above, the spark plug 1 is disposed in a region where the strength of the high-frequency electric field is maximized by being separated from the
一方、アンテナ13の位置は、マイクロ波の腹となるため高周波電界の強度は強いものの、点火プラグ1の周囲で発生したプラズマの大部分は、高周波電界の強度が低くプラズマの生成が抑制されるマイクロ波の節に到達した時点でエネルギーを失い、通常の分子状態に戻るため、マイクロ波の節を越えてアンテナ13に到達することもない。その結果、アンテナ13が過剰な高温にさらされることがなく、従って温度変化による消耗が抑制される。これにより、アンテナ13を構成する部材を細いものにすることができるとともに耐久性を向上させることができる。
On the other hand, the position of 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.
上述の実施形態では、アンテナ13を燃焼室6の天井部分から燃焼室6内部に突出した構造を説明したが、アンテナは、シリンダボア5に開口する凹部内に設けられるものであってもよい。すなわち、アンテナは、シリンダボア5の内面から突出することができないので、凹部内に設けるものであり、この場合においても、アンテナと点火プラグ1との間の距離は、使用するマイクロ波の波長の1/2長さの整数倍の長さに設定するものである。
In the above-described embodiment, the structure in which the
上述の実施形態では高周波発生装置としてマグネトロンを備えるものを説明したが、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。 In the above-described embodiment, the high frequency generator provided with the magnetron has been described. However, instead of the magnetron, a traveling wave tube or the like may be used, and further, a semiconductor microwave oscillation circuit may be provided.
また、上述の実施形態では電磁波としてマイクロ波を利用するものを説明したが、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1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。 In the above-described embodiment, the microwave is used as the electromagnetic wave. However, the frequency of the electromagnetic wave is not limited to the microwave frequency range, and the polarity is alternately switched in the spark discharge portion of the spark plug 1. Any frequency that can generate an electric field and generate plasma can be used.
さらに、上述の実施形態ではアンテナ13と点火プラグ1との間の距離を、使用する電磁波の波長の1/2長さの整数倍の長さに設定するものを説明したが、点火プラグ1は、アンテナ13から使用する電磁波の波長の1/2長さ以上離れており、プラズマが発生可能な程度に電界強度の強さがある位置に配置すればよい。
Further, in the above-described embodiment, the distance between 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.
1…点火プラグ
13…アンテナ
6…燃焼室
1 ...
Claims (2)
電磁波の放射部を、点火プラグから少なくとも一つの定在波の節を挟んで電磁波の波長の1/2長さ以上離れた燃焼室の位置に設けてなる火花点火式内燃機関。 A spark ignition internal combustion engine that generates plasma by reacting an electric field generated by an electromagnetic wave in a combustion chamber with a spark discharge by an ignition plug, and ignites an air-fuel mixture,
A spark ignition internal combustion engine in which an electromagnetic wave radiation portion is provided at a position of a combustion chamber that is at least one- half of the wavelength of an electromagnetic wave, with at least one standing wave node sandwiched from an ignition plug.
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