(57)【要約】【課題】多気筒の内燃機関において、マイクロ波を用いて燃焼室内にプラズマを発生させて点火を補助する場合、各気筒に設けるモノポール型アンテナに同軸ケーブルを接続してマイクロ波を供給すると、同軸コネクタの数が多くなり、コネクタ部分でミスマッチングなどが生じると、マイクロ波を効率よく燃焼室に供給することができなかった。【解決手段】複数の気筒を有し、高周波発生装置が出力する電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電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、高周波発生装置に接続されて電磁波をそれぞれの気筒に分配する導波管電力分配器を、シリンダヘッドの壁内に、シリンダヘッドのほぼ全長にわたって設けてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有し、高周波発生装置が出力する電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電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、高周波発生装置に接続されて電磁波をそれぞれの気筒に分配する導波管電力分配器を、シリンダヘッドの壁内に、シリンダヘッドのほぼ全長にわたって設けてなる火花点火式内燃機関。
【請求項２】
導波管電力分配器を、シリンダヘッドの吸気ポート下側に設ける請求項１記載の火花点火式内燃機関。
【請求項３】
導波管電力分配器を、シリンダヘッドの排気ポート下側に設ける請求項１記載の火花点火式内燃機関。
【請求項４】
導波管電力分配器を、シリンダヘッドの吸気ポートと排気ポートとに挟まれる領域に設ける請求項１記載の火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開２００７‐３２３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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例えばモノポール型アンテナとを、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、導波管に一本の同軸ケーブルを接続し、その同軸ケーブルを同軸分配器に接続して、各気筒に設けるモノポール型アンテナに接続するものとなる。
【０００５】
このように、同軸分配器から同軸ケーブルにより各気筒のモノポール型アンテナに接続する場合、同軸ケーブルの接続には同軸コネクタを使用することになる。しかしながら、例えば内燃機関が４気筒のものである場合、同軸コネクタの数が多くなり、コネクタ部分でミスマッチングなどが生じると、マイクロ波を効率よく燃焼室に供給することができなかった。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、複数の気筒を有し、高周波発生装置が出力する電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電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、高周波発生装置に接続されて電磁波をそれぞれの気筒に分配する導波管電力分配器を、シリンダヘッドの壁内に、シリンダヘッドのほぼ全長にわたって設けてなることを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、シリンダヘッドの壁内に、シリンダヘッドのほぼ全長にわたる導波管電力分配器により電磁波を各気筒に分配するので、高周波発生装置との接続部分を減少させることが可能になる。
【０００９】
以上の構成において、具体的には、導波管電力分配器を、シリンダヘッドの吸気ポート下側に設けるもの、シリンダヘッドの排気ポート下側に設けるもの、及びシリンダヘッドの吸気ポートと排気ポートとに挟まれる領域に設けるものが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上説明したような構成であり、シリンダヘッドの壁内に、シリンダヘッドのほぼ全長にわたる導波管電力分配器により電磁波を各気筒に分配するので、高周波発生装置との接続部分を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１２】
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、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。点火プラグ１は、中心電極１３と、中心電極１３に対向する接地電極１４とを備えている。
【００１３】
シリンダヘッド８にはさらに、高周波発生装置である高圧交流発生装置（図示しない）に接続されて電磁波であるマイクロ波をそれぞれの気筒に分配する導波管電力分配器１５が設けてある。導波管電力分配器１５は、シリンダヘッド８の気筒の配列方向つまりクランク軸方向におけるシリンダヘッド８の全長にわたって設けられる導波管部１６と、その導波管部１６とそれぞれの気筒の燃焼室６とを接続する接続管部１７とを備えてなる。導波管電力分配器１５は、シリンダヘッド８を鋳型により製造する場合に鋳抜きにより形成するものであってよい。又、導波管電力分配器１５は、シリンダヘッド８の鋳造後、孔あけ加工により形成するものであってもよい。
【００１４】
導波管部１６は、一方の端部がシリンダヘッド８の長手方向の側面に開口しており、高圧交流発生装置がその一方の端部に例えば導波管を介して接続されるものである。この導波管部１６は、その断面形状が円形をしており、投入されるマイクロ波の約１／２波長以上の半径を有している。この実施形態の場合、導波管部１６の内径を小さくするべく、セラミックなどの誘電体がその内部に充填してある。さらに、導波管部１６は、その内部を進行するマイクロ波をそれぞれの接続管部１７を進行するように分岐する分岐体を備えている。分岐体は例えば、導波管部１６の１／２管内波長おきに設けられる。このような構成の導波管部１６は例えば、吸気ポート２とシリンダブロック７との間のシリンダヘッド８壁内に、ほぼ直線状に設けられる。
【００１５】
接続管部１７は、その一方の端部が導波管部１６に接続され、残る他方の端部が燃焼室６に連通するものである。この接続管部１７も、導波管部１６と同様に、その内部に同一の誘電体が充填してあり、したがって燃焼室６側の端部は、誘電体により閉鎖されるものである。接続管部１７は、吸気弁３より下側つまりシリンダヘッド８側の燃焼室６の壁面に開口するもので、その開口端部より進行してきたマイクロ波を燃焼室６に放射するものである。
【００１６】
高圧交流発生装置は、マイクロ波を出力する例えばマグネトロンと、そのマグネトロンの動作を制御する制御回路とを備える。マグネトロン自体は、マイクロ波加熱などの分野でよく知られているものを適用するものであってよい。また、制御回路は、マグネトロンの出力、マイクロ波の出力及び出力時期を制御するものである。
【００１７】
このような構成において、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内に生成するプラズマと反応させることにより、点火プラグ１の火花放電をプラズマ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。
【００１８】
すなわち、導波管出力分配器１５の導波管部１６に高圧交流発生装置からマイクロ波が供給されると、マイクロ波は導波管部１６を進行しながら分岐体により分岐し、分岐されたマイクロ波は接続管部１７を進行して燃焼室６に放射される。そして、マイクロ波による高周波電界によりプラズマと火花放電とが反応するものとなる。
【００１９】
以上の構成において、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
このように、導波管部１６がシリンダヘッド８の長手方向の側面に開口し、導波管部１６にそれぞれの気筒の燃焼室６に対応して接続管部１７を形成した導波管電力分配器１５によりマイクロ波を燃焼室６に供給しているので、高圧交流発生装置との接続部分を気筒数に影響されることなく一カ所にすることができる。したがって、そのような接続部分の作業量を減じることができ、不具合の発生を抑制することができる。
【００２４】
この実施形態にあっては、導波管出力分配器１５を吸気ポート２の下側に設けているので、その周囲の温度上昇が少ない。そのため、導波管出力分配器１５の寸法が温度上昇により変化することが少なく、導波管部１６の形状の歪みが少なくなることにより、マイクロ波の伝送損失を抑制することができる。また、吸気弁１１の近傍から、マイクロ波により火花放電が発生する点火プラグ１にかけてほぼ均一の高周波電界を形成することができ、プラズマと火花放電との反応を促進することができる。
【００２５】
また、多気筒エンジンにおいて、マイクロ波を各気筒に導波管を用いて伝送する場合に比べて、シリンダヘッド８内部にマイクロ波の伝送路である導波管出力分配器１５を設けたので、振動に対する耐久性を格段に向上させることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
上述の実施形態においては、内部に誘電体を充填するものを説明したが、誘電体を充填しないものであってもよい。この場合、上述した実施形態より若干寸法が大きくなるので、シリンダヘッド側にその大きさに対応する空き部分が必要であることは言うまでもない。なお、この場合にあっても、接続管部の燃焼室側の端部は、燃焼室からの混合気や燃焼ガスなどの漏れが生じないように、誘電体により閉鎖するものである。
【００２８】
また、上述の実施形態は、少なくとも導波管部１６の断面形状が円形のものであるが、同断面形状は方形であってもよい。この場合、方形の長辺の内法が、約１／２波長、かつ短辺の内法が約１／４波長が好適である。
【００２９】
さらに、上述の実施形態にあっては、吸気ポート２とシリンダブロックとの間に設ける導波管出力分配器を説明したが、図２に示すように、導波管部１１６と接続管部１１７を備える導波管出力分配器１１５を、排気ポート４とシリンダブロック７との間に設けるものであってもよい。導波管出力分配器１１５以外の構成については、上述の実施形態と同一であるので、この他の実施形態を示す図２においても同一の符号を付して図示している。
【００３０】
同様にして、図３にさらに他の実施形態を示すように、導波管部２１６と接続管部２１７を備える導波管出力分配器２１５は、吸気弁１１と排気弁１２との間に、シリンダの配列方向に延びる領域に設けられるものであってよい。すなわち、点火プラグ１を吸気弁１１と排気弁１２との間に配置するものにあっては、点火プラグ１とそれぞれの弁との間の領域のいずれかに一つの領域に設けるものである。なお、図３においても、導波管出力分配器２１５以外の構成については、上述の実施形態と同一であるので、このさらに他の実施形態においても同一の符号を付して図示している。又、点火プラグを燃焼室の直上の配置しないものの場合、燃焼室中央の直上の領域に導波管部を通して、導波管出力分配器を設けるものである。
【００３１】
このように、吸気弁１１と排気弁１２とで挟まれる燃焼室６の上方の領域に導波管出力分配器２１５を設けることにより、接続管部２１７が燃焼室６における点火プラグ１の中心電極１３及び接地電極１４に向かう近傍位置に開口するので、火花放電の位置でのマイクロ波による高周波電界の強度を高くすることができる。
【００３２】
加えて、シリンダヘッドがカムキャリアを一体的に備えて、カムキャリアがシリンダヘッドの一部を構成するものにあっては、カムキャリアに導波管電力分配器を設けるものであってもよい。
【００３３】
加えて、以上に説明した各実施形態において、導波管部及び接続管部にそれぞれ、誘電体により絶縁された導体を、導波管部及び接続管部の中心に通すと、導波管部及び接続管部の内径を、誘電体を充填していた場合に比較して小さくすることができる。すなわち、中心に導体を挿入することにより、導波管部及び接続管部が同軸構造になるので、使用するマイクロ波の周波数に対して導波管出力分配器を小型化することができる。
【００３４】
さらにまた、マイクロ波の燃焼室内への放射を、アンテナを使用しないので、モノポール型アンテナのような消耗部分を最小限に抑えることができる。しかも、導波管出力分配器における接続管部の燃焼室側の端部がアンテナとして機能するので、特定のアンテナを設ける必要がなく、製造費を低減することができる。
【００３５】
さらに、高圧交流発生装置としては、上述のような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よい。
【００３６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。
【図２】本発明の他の実施形態の図１相当図。
【図３】本発明のさらに他の実施形態の図１相当図。
【符号の説明】
【００３９】
１…点火プラグ
２…吸気ポート
４…排気ポート
６…燃焼室
８…シリンダヘッド
１５…導波管出力分配器
１６…導波管部
１７…接続管部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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