(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室が形成された内燃機関本体と、
放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、
前記燃焼室へ放射した電磁波により混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、
前記放射アンテナは、前記燃焼室を区画する区画面に設けられた絶縁部材内において、前記区画面に沿って円環状に形成され、点火プラグの先端部を囲っており、
前記絶縁部材には、前記放射アンテナに対して前記燃焼室の反対側に、接地された接地導体が設けられている
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
燃焼室が形成された内燃機関本体と、
放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、
前記燃焼室へ放射した電磁波により混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、
前記放射アンテナは、前記燃焼室を区画する区画面に設けられた絶縁部材内において、螺旋状に形成され、
前記絶縁部材には、前記放射アンテナに対して前記燃焼室の反対側に、接地された接地導体が設けられている
ことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
特許文献１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１３５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の内燃機関では、放射アンテナから燃焼室へ効果的に電磁波を放射することが考えられていない。【０００６】
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、放射アンテナから燃焼室へ効果的に電磁波を放射させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、前記燃焼室へ放射した電磁波により混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、前記放射アンテナは、前記燃焼室を区画する区画面に設けられた絶縁部材において、前記区画面に沿って延びており、前記絶縁部材には、前記放射アンテナに対して前記燃焼室の反対側に、接地された接地導体が設けられている。【０００８】
第２の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、前記燃焼室へ放射した電磁波により混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、前記放射アンテナは、前記燃焼室を区画する区画面に設けられた絶縁部材内において、螺旋状に形成され、前記絶縁部材には、前記放射アンテナに対して前記燃焼室の反対側に、接地された接地導体が設けられている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、絶縁部材に接地導体が設けられているので、放射アンテナから燃焼室へ効果的に電磁波を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施形態に係る絶縁部材の縦断面図である。
【図５】実施形態に係る絶縁部材を燃焼室側から見た正面図である。
【図６】実施形態に係るピストン頂面の正面図である。
【図７】実施形態の変形例に係る内燃機関の縦断面図である。
【図８】実施形態の変形例に係る放射アンテナの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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−
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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−
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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−
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
放射アンテナ１６は、図４に示すように、燃焼室２０の天井面５１に設けられたリング状に絶縁部材１００に設けられている。放射アンテナ１６は、絶縁部材１００に埋設されている。放射アンテナ１６は、図５に示すように、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。
【００２４】
また、絶縁部材１００には、放射アンテナ１６と共に、板状の接地導体１０１が埋設されている。接地導体１０１は、シリンダヘッド２２等に電気的に接続されることで接地されている。接地導体１０１は、例えばＣ字状に形成されている。絶縁部材１００の内部では、接地導体１０１が放射アンテナ１６と間隔を隔てて設けられている。接地導体１０１は、放射アンテナ１６に沿って設けられている。
【００２５】
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。伝送線路３３は、Ｃ字状の接地導体１０１の開口を挿通して、放射アンテナ１６に接続されている。
【００２６】
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６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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
−制御装置の動作−
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。電磁波駆動信号の出力タイミング及びパルス幅は、火炎がピストン２３の頂面の外周寄りの領域を通過する期間に亘ってマイクロ波パルスが繰り返し放射されるように設定されている。
【００３４】
各受信アンテナ５２では、マイクロ波パルスが共振する。２つの受信アンテナ５２がある燃焼室２０の外周寄りの領域では、火炎伝播の後半期間の間ずっと、燃焼室２０において相対的に電界強度が強い強電界領域が形成される。火炎の伝播速度は、その火炎が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。
【００３５】
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。
−実施形態の効果−
【００３６】
本実施形態では、絶縁部材１００に接地導体１１１が設けられているので、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ効果的に電磁波を放射することができる。
−実施形態の変形例−
【００３７】
実施形態の変形例では、図７に示すように、放射アンテナ１６が、燃焼室２０の天井面の外周寄りの領域に設けられている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１から突出している。放射アンテナ１６は、図８に示すように、螺旋状に形成され、絶縁部材１００内に埋設されている。放射アンテナ１６の長さは、その放射アンテナ１６におけるマイクロ波の波長の４分の１である。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。
【００３８】
変形例では、放射アンテナ１６が設けられた柱状の絶縁部材１００に、リング板状の接地導体１１１が埋設されている。接地導体１１１の内側には、伝送線路３３が挿通されている。接地導体１１１は、放射アンテナ１６に近接して配置されている。変形例では、接地導体１１１を設けることにより、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射されるマイクロ波のエネルギーを増大させている。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
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について有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１０       内燃機関
１１       内燃機関本体
１３       電磁波放射装置
１６       放射アンテナ
２０       燃焼室
１００    絶縁部材
１１１    接地導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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