JP6064138B2 - 内燃機関、及びプラズマ生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関、及び電磁波を利用してプラズマを生成するプラズマ生成装置に関するものである。

従来から、電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関が知られている。例えば特許文献１には、この種の内燃機関が開示されている。

特開２００７−１１３５７０号公報に記載の内燃機関は、混合気の着火前や着火後に燃焼室にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こす点火装置を備えている。点火装置は、高圧場においてプラズマが生成されるように、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波により成長させる。局所的なプラズマは、陽極端子の先端部とグランド端子部との間の放電ギャップに生成される。

特開２００７−１１３５７０号公報

ところで、従来の内燃機関では、燃焼室において相対的に電界強度が強い領域（以下、「強電界領域」という。）が、放射アンテナの近傍に形成される。つまり、電磁波による電界が放射アンテナの近傍に集中する。電磁波のエネルギーを放射アンテナの近傍でしか利用できない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁波を利用して燃焼室における混合気の燃焼を促進させる内燃機関において、燃焼室においてより広い範囲で電磁波のエネルギーを利用することにある。

第１の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、前記燃焼室を区画する区画部材に設けられ、前記電磁波放射装置から前記燃焼室へ放射された電磁波に共振する複数の受信アンテナと、複数の受信アンテナの間で、前記電磁波放射装置から前記燃焼室へ放射された電磁波に共振する受信アンテナを切り替える切替手段とを備えている。

第１の発明では、区画部材に複数の受信アンテナが設けられている。切替手段は、複数の受信アンテナの間で、電磁波放射装置から燃焼室へ放射された電磁波に共振する受信アンテナを切り替える。電磁波に共振する受信アンテナが切り替わると、強電界領域の位置が変化する。第１の発明では、切替手段を設けることで、燃焼室において強電界領域の位置を変化させることができるようにしている。

第２の発明は、第１の発明において、前記電磁波放射装置は、前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を調節可能に構成され、前記複数の受信アンテナでは、電磁波に対する共振周波数が互いに異なり、前記切替手段は、前記電磁波放射装置が前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を制御することにより、電磁波に共振する受信アンテナを切り替える。

第３の発明は、第１の発明において、前記複数の受信アンテナの各々は、スイッチ素子を介して接地され、前記切替手段は、前記受信アンテナ毎に設けられたスイッチ素子を制御することにより、電磁波に共振する受信アンテナを切り替える。

第４の発明は、第１、第２又は第３の発明において、前記燃焼室では、混合気を燃焼させる際に、前記区画部材における複数の受信アンテナの設置箇所を火炎が順番に通過し、前記切替手段は、火炎の通過タイミングに合わせて受信アンテナが順番に共振するように、電磁波に共振する受信アンテナを切り替える。

第５の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、前記燃焼室を区画する区画部材に設けられ、前記電磁波放射装置から前記燃焼室へ放射された電磁波に共振する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナに対応してそれぞれ設けられ、対応する受信アンテナと接地点との間に接続された複数のスイッチ素子とを備えている。

第６の発明は、対象空間へ電磁波を放射する電磁波放射装置を備え、前記対象空間において前記電磁波照射装置が放射する電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、前記対象空間に放射された電磁波に共振する複数の受信アンテナと、複数の受信アンテナの間で、前記対象空間へ放射された電磁波に共振する受信アンテナを切り替える切替手段とを備えている。

本発明では、複数の受信アンテナの間で電磁波に共振する受信アンテナを切り替える切替手段を設けることで、燃焼室において強電界領域の位置を変化させることができるようにしている。従って、電磁波による電界が放射アンテナの近傍に集中する従来の内燃機関に比べて、燃焼室においてより広い範囲で電磁波のエネルギーを利用することができる。

実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態に係る点火装置および電磁波放射装置のブロック図である。 実施形態に係るピストン頂面の正面図である。 実施形態の変形例１に係るピストン頂面の正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、本発明に係る内燃機関１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と点火装置１２と電磁波放射装置１３と制御装置３５とを備えている。内燃機関１０では、点火装置１２により混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
−内燃機関本体−

内燃機関本体１１は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４、ピストン２３及びガスケット１８と共に、円形断面の燃焼室２０を区画する区画部材を構成している。燃焼室２０の直径は、例えば、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の波長の半分程度である。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火装置１２の一部を構成する点火プラグ４０が１つずつ設けられている。図２に示すように、点火プラグ４０では、燃焼室２０に露出する先端部が、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心部に位置している。点火プラグ４０の先端部の外周は、その軸方向から見て円形である。点火プラグ４０の先端部には、中心電極４０ａ及び接地電極４０ｂが設けられている。中心電極４０ａの先端と接地電極４０ｂの先端部との間には、放電ギャップが形成されている。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５の吸気側開口２５ａを開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口２６ａを開閉する排気バルブ２８が設けられている。なお、内燃機関１０は、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。
−点火装置−

点火装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。図３に示すように、各点火装置１２は、高電圧パルスを出力する点火コイル１４と、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが供給される点火プラグ４０とを備えている。

点火コイル１４は、直流電源（図示省略）に接続されている。点火コイル１４は、制御装置３５から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを点火プラグ４０の中心電極４０ａに出力する。点火プラグ４０では、高電圧パルスが中心電極４０ａに印加されると、放電ギャップにおいて絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。スパーク放電の放電経路には、放電プラズマが生成される。中心電極４０ａには、高電圧パルスとしてマイナスの電圧が印加される。

なお、点火装置１２は、放電プラズマに電気エネルギーを供給して放電プラズマを拡大させるプラズマ拡大部を備えていてもよい。プラズマ拡大部は、例えば、放電プラズマに高周波（例えばマイクロ波）のエネルギーを供給することによりスパーク放電を拡大させる。プラズマ拡大部によれば、希薄な混合気に対して着火の安定性を向上させることができる。プラズマ拡大部として、電磁波放射装置１３を利用してもよい。
−電磁波放射装置−

電磁波放射装置１３は、図３に示すように、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と放射アンテナ１６とを備えている。電磁波放射装置１３では、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に放射アンテナ１６が設けられている。

電磁波発生装置３１は、制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号である。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。

電磁波切替器３２は、１つの入力端子と、放射アンテナ１６毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置３１に接続されている。各出力端子は、対応する放射アンテナ１６に接続されている。電磁波切替器３２は、制御装置３５により制御されて、複数の放射アンテナ１６の間で、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。

放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に設けられている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１の正面視において、円環状に形成され、点火プラグ４０の先端部を囲っている。なお、放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１の正面視において、Ｃ字状に形成されていてもよい。

放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１における点火プラグ４０の取付孔の周囲に形成された環状の絶縁層１９の上に積層されている。絶縁層１９は、例えば溶射により絶縁体を吹き付けることにより形成されている。放射アンテナ１６は、絶縁層１９によりシリンダヘッド２２から電気的に絶縁されている。放射アンテナ１６の周方向の長さ（外周と内周の真ん中の中心線の長さ）は、放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波の波長の２分の１の長さに設定されている。放射アンテナ１６は、シリンダヘッド２２に埋設されたマイクロ波の伝送線路３３を介して、電磁波切替器３２の出力端子に電気的に接続されている。

本実施形態では、電磁波放射装置１３が、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を調節可能に構成されている。具体的に、電磁波発生装置３１は、マイクロ波の発振周波数を調節可能に構成されている。電磁波発生装置３１は、例えば、２．４５ＧＨｚを発振周波数の中心値ｆとして、低周波側の第１設定値ｆ１（ｆ１＝ｆ−Ｘ）から高周波側の第２設定値ｆ２（ｆ２＝ｆ＋Ｘ）の間で、発振周波数を連続的に調節可能に構成されている。Ｘ（Ｈｚ）は、数〜数十（Ｈｚ）の値であり、例えば１０（Ｈｚ）である。

なお、電磁波放射装置１３が、発振周波数が互いに異なる複数の電磁波発生装置３１を備え、使用する電磁波発生装置３１を切り替えることにより、燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を調節してもよい。

内燃機関本体１１では、燃焼室２０を区画する区画部材に、電磁波放射装置１３から燃焼室２０へ放射されたマイクロ波に共振する複数の受信アンテナ５２ａ，５２ｂが設けられている。本実施形態では、図１及び図４に示すように、２個の受信アンテナ５２ａ，５２ｂがピストン２３の頂部に設けられている。各受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、円環状に形成され、その中心がピストン２３の中心軸に一致している。

各受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、ピストン２３の頂部の外周寄りの領域に設けられている。２つの受信アンテナ５２ａ，５２ｂのうち、第１受信アンテナ５２ａは、ピストン２３の外周近傍に位置し、その内側に第２受信アンテナ５２ｂが位置している。なお、ピストン２３の頂部の外周寄りの領域とは、ピストン２３の頂部における中心と外周の真ん中よりも外側の領域である。この外周寄りの領域を火炎が通過する期間を、「火炎伝播の後半期間」という。

各受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、ピストン２３の頂面に形成された絶縁層５６上に設けられている。各受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、絶縁層５６によりピストン２３から電気的に絶縁され、電気的にフローティングの状態で設けられている。

本実施形態では、第１受信アンテナ５２ａと第２受信アンテナ５２ｂとで、マイクロ波に対する共振周波数が異なる。第１受信アンテナ５２ａは、第１設定値ｆ１の周波数のマイクロ波に共振するように構成されている。第１受信アンテナ５２ａの長さＬ１は、第１設定値ｆ１の周波数のマイクロ波の波長をλ１とした場合に、式１の関係を満たす（ｎ１は自然数）。
式１：Ｌ１＝（ｎ１×λ１）／２

一方、第２受信アンテナ５２ｂは、第２設定値ｆ２の周波数のマイクロ波に共振するように構成されている。第２受信アンテナ５２ｂの長さＬ２は、第２設定値ｆ２の周波数のマイクロ波の波長をλ２とした場合に、式２の関係を満たす（ｎ２は自然数）。
式２：Ｌ２＝（ｎ２×λ２）／２
−制御装置の動作−

制御装置３５の動作について説明する。制御装置３５は、各燃焼室２０に対して、１回の燃焼サイクルに、点火装置１２に混合気への点火を指示する第１動作と、混合気の着火後に電磁波放射装置１３にマイクロ波の放射を指示する第２動作とを行う。

具体的に、制御装置３５は、ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに第１動作を行う。制御装置３５は、第１動作として点火信号を出力する。

点火装置１２は、点火信号を受けると、上述したように、点火プラグ４０の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。混合気は、スパーク放電により着火する。混合気が着火すると、燃焼室２０の中心部の混合気の着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって火炎が広がる。

制御装置３５は、混合気が着火した後に、例えば火炎伝播の後半期間の開始タイミングに第２動作を行う。制御装置３５は、第２動作として電磁波駆動信号を出力する。

電磁波放射装置１３は、電磁波駆動信号を受けると、上述したように、放射アンテナ１６からマイクロ波パルスを繰り返し放射する。マイクロ波パルスは、火炎伝播の後半期間に亘って繰り返し放射される。

制御装置３５は、火炎伝播の後半期間において最初から真ん中までの前半に亘って、第２受信アンテナ５２ｂがマイクロ波に共振するように、電磁波発生装置３１の発振周波数を第２設定値ｆ２に設定する。第２受信アンテナ５２ｂの近傍には、火炎伝播の後半期間の前半に亘って強電界領域が形成される。第２受信アンテナ５２ｂの設置箇所を通過する火炎の伝播速度は、強電界領域から電界のエネルギーを受けて増大する。

制御装置３５は、火炎伝播の後半期間において真ん中から最後までの後半に亘って、第１受信アンテナ５２ａがマイクロ波に共振するように、電磁波発生装置３１の発振周波数を第１設定値ｆ１に設定する。第１受信アンテナ５２ａの近傍には、火炎伝播の後半期間の後半に亘って強電界領域が形成される。第１受信アンテナ５２ａの設置箇所を通過する火炎の伝播速度は、強電界領域から電界のエネルギーを受けて増大する。

制御装置３５は、複数の受信アンテナ５２ａ，５２ｂの間で、電磁波放射装置１３から燃焼室２０へ放射されたマイクロ波に共振する受信アンテナ５２ａ，５２ｂを切り替える切替手段を構成している。制御装置３５は、火炎の通過タイミングに合わせて受信アンテナ５２が順番に共振するように、マイクロ波に共振する受信アンテナ５２を切り替える。

なお、マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成される。強電界領域を通過する火炎の伝播速度は、活性種により増大する。マイクロ波プラズマが生成される場合は、電磁波放射装置１３、複数の受信アンテナ５２及び制御装置３５が、プラズマ生成装置を構成する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、複数の受信アンテナ５２の間でマイクロ波に共振する受信アンテナ５２を切り替える制御装置３５を設けることで、燃焼室２０において強電界領域の位置を変化させることができるようにしている。従って、マイクロ波による電界が放射アンテナの近傍に集中する従来の内燃機関に比べて、燃焼室２０においてより広い範囲で電磁波のエネルギーを利用することができる。
−実施形態の変形例１−

実施形態の変形例１では、図５に示すように、各受信アンテナ５２が、スイッチ素子５５が設けられた接地回路５３を介して接地されている。制御装置３５は、受信アンテナ５２毎に設けられたスイッチ素子５５を制御することにより、マイクロ波に共振する受信アンテナ５２を切り替える切替手段を構成している。なお、変形例１の電磁波放射装置１３は、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数が調節不能である。

具体的に、各受信アンテナは、マイクロ波に対する共振周波数が同じである。各受信アンテナ５２の長さＬは、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の波長をλとした場合に、式３の関係を満たす。
式３：Ｌ＝（ｎ×λ）／２

このような長さに設定された受信アンテナ５２は、電気的にフローティングの状態のときにマイクロ波に共振する。制御装置３５は、３つの受信アンテナ５２のうち、マイクロ波に共振させる受信アンテナ５２に対応するスイッチ素子５５をＯＦＦに設定し、残りのスイッチ素子５５をＯＮに設定する。なお、制御装置３５は、同時に２つの受信アンテナ５２をマイクロ波に共振させてもよい。２つの受信アンテナ５２の相互効果により、マイクロ波に共振させる受信アンテナ５２の近傍の電界強度が強くなる。
《その他の実施形態》

前記実施形態は、以下のように構成してもよい。

前記実施形態において、受信アンテナ５２は、円環状以外の形状（例えば、多角形の環状）であってもよい。

また、前記実施形態において、放射アンテナ１６が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。また、受信アンテナ５２が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。

また、前記実施形態において、点火プラグ４０の中心電極４０ａが、放射アンテナを兼ねていてもよい。点火プラグ４０の中心電極４０ａは、混合回路の出力端子に電気的に接続される。混合回路は、別々の入力端子で点火コイル１４からの高電圧パルスと電磁波切替器３２からのマイクロ波とを受けて、同じ出力端子から高電圧パルスとマイクロ波を出力する。

また、前記実施形態において、ガスケット１８にリング状の放射アンテナ１６を設けてもよい。

以上説明したように、本発明は、電磁波を利用して混合気の燃焼を促進させる内燃機関、及び電磁波を利用してプラズマを生成するプラズマ生成装置について有用である。

１０ 内燃機関
１１ 内燃機関本体
１２ 点火装置
１３ 電磁波放射装置
１６ 放射アンテナ
２０ 燃焼室
３５ 制御装置（切替手段）
５２ 受信アンテナ

Claims (5)

1. 燃焼室が形成された内燃機関本体と、
   前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、
   前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、
   前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、
   前記燃焼室を区画する区画部材に設けられ、前記電磁波放射装置から前記燃焼室へ放射された電磁波に共振する、スイッチ素子を介して接地された複数の受信アンテナと、
   複数の受信アンテナの間で、受信アンテナ毎に設けられたスイッチ素子を制御することにより前記電磁波放射装置から前記燃焼室へ放射された電磁波に共振する受信アンテナを切り替える切替手段とを備えている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１において、
   前記電磁波放射装置は、前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を調節可能に構成され、
   前記複数の受信アンテナでは、電磁波に対する共振周波数が互いに異なり、
   前記切替手段は、前記電磁波放射装置が前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を制御することにより、電磁波に共振する受信アンテナを切り替える
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の何れか１つにおいて
   前記燃焼室では、混合気を燃焼させる際に、前記区画部材における複数の受信アンテナの設置箇所を火炎が順番に通過し、
   前記切替手段は、火炎の通過タイミングに合わせて受信アンテナが順番に共振するように、電磁波に共振する受信アンテナを切り替える
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 燃焼室が形成された内燃機関本体と、
   前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、
   前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、
   前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、
   前記燃焼室を区画する区画部材に設けられ、前記電磁波放射装置から前記燃焼室へ放射された電磁波に共振する複数の受信アンテナと、
   前記複数の受信アンテナに対応してそれぞれ設けられ、対応する受信アンテナと接地点との間に接続された複数のスイッチ素子とを備えている
   ことを特徴とする内燃機関。
5. 対象空間へ電磁波を放射する電磁波放射装置を備え、
   前記対象空間において前記電磁波照射装置が放射する電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、
   前記対象空間に放射された電磁波に共振する、スイッチ素子を介して接地された複数の受信アンテナと、
   複数の受信アンテナの間で、受信アンテナ毎に設けられたスイッチ素子を制御することにより前記対象空間へ放射された電磁波に共振する受信アンテナを切り替える切替手段とを備えている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。

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