(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグと点火プラグ近傍に設けられて燃焼室内に電波を送信する送信アンテナとを備え、点火プラグの中心電極と接地電極との間に生じる火花放電と、燃焼室内に送信アンテナを介して生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火装置であって、
吸気弁と排気弁との少なくとも一方の燃焼室内に対面する面に送信アンテナから送信された電波を受信する受信アンテナを配設し、
該受信アンテナを前記点火プラグの中心電極の延長線上の位置に向かうように調整してなる火花点火式内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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て混合気に着火する火花点火式内燃機関に取り付けられる点火装置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。また、近年にあっては、例えば特許文献１に示されるように、火花放電とマイクロ波により生成するプラズマとを組み合わせて、火花放電による着火効率を改善するようにしている。
【０００３】
特許文献１に記載のものにあっては、マイクロ波を燃焼室内に放射してプラズマ生成領域を形成するために、点火プラグの近傍にアンテナを配置している。そして、このアンテナにマグネトロンを接続することにより、点火プラグの放電ギャップの近傍にマイクロ波を放射することで、放電ギャップ付近にプラズマ生成領域を形成している。
【０００４】
このような構成によれば、膨張行程においてプラズマ生成領域内で火花放電が生じることで、混合気に着火して火炎核が大きくなり、また火炎核がプラズマ中のラジカルと反応して燃焼が促進される。しかしながら、特許文献１に記載のものでは、点火プラグの近傍にしかプラズマ生成領域が形成されない。このため、良好に燃焼するのは点火プラグの周辺に限られることがある。つまり、燃焼が燃焼室内全体に伝播する過程は、プラズマが存在しない従来の火花点火式内燃機関とほぼ同じである。それゆえ、プラズマによる燃焼効率の向上が望めなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０‐１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は以上の点に着目し、プラズマが燃焼室内全体に拡散するように構成することにより、燃費の向上を図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の点火装置は、点火プラグと点火プラグ近傍に設けられて燃焼室内に電波を送信する送信アンテナとを備え、点火プラグの中心電極と接地電極との間に生じる火花放電と、燃焼室内に送信アンテナを介して生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火装置であって、吸気弁と排気弁との少なくとも一方の燃焼室内に対面する面に送信アンテナから送信された電波を受信する受信アンテナを配設し、該受信アンテナを前記点火プラグの中心電極の延長線上の位置に向かうように調整してなることを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、送信アンテナから送信される電波は、受信アンテナに受信される。これにより、電波による電界は、点火プラグ近傍から受信アンテナが設けられた位置まで拡大して生成される。この電界の拡大により、プラズマの生成範囲も拡大され、燃焼室全体において燃焼が促進されることになる。従って、燃費を改善することが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、以上説明したような構成であり、受信アンテナに向けて電界が拡大することにより、プラズマの生成範囲を拡大することができ、よって燃費を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。
【図２】同実施形態の点火プラグの正面図。
【図３】同実施形態の燃焼室をシリンダ側から見た図。
【図４】本発明の他の実施形態における受信アンテナの正面図及び平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に点火プラグ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、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。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり吸気ポート２には燃焼室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁（図示しない）を備える。この実施形態においては、点火プラグ１は、二本の吸気弁１１と二本の排気弁１２とで挟まれた部位、つまり燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けてある。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。
【００１２】
この実施例の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５と、電波であるマイクロ波を送信する送信アンテナ１６とを備える。送信アンテナ１６以外の構成は、この分野で知られている点火プラグと同じであってよい。
【００１３】
送信アンテナ１６は、中心電極１４をハウジング１３内で電気的に絶縁して支持する絶縁碍子（図示しない）に設けられた貫通孔を介して、先端が中心電極１４の近傍において絶縁碍子から突出して設けられる。送信アンテナ１６は、中心電極１４を挟んで接地電極１５に対向して、接地電極１５として機能しないように、マイクロ波の波長に応じた長さを有して設けてある。
【００１４】
このような送信アンテナ１６に対して、吸気弁１１の燃焼室６に対面する面、つまり吸気弁１１の下面に、送信アンテナ１６から送信されたマイクロ波を受信する受信アンテナ１７を設ける。受信アンテナ１７は、電気伝導率に優れ、且つ耐久性の高い金属素材により形成されるものであればよく、この実施形態においては、吸気弁１１と同じ材質で形成してある。
【００１５】
受信アンテナ１７は、図３に示すように、吸気弁１１の下面のほぼ中央部位から点火プラグ１の中心電極１４の延長線上の燃焼室６内に向いて突出している。つまり、受信アンテナ１７は、その軸線が点火プラグ１の下側の位置において、中心電極の延長線と交差する方向に向けてある。これにより、後述する燃焼の際のタンブル流の剥離を最少にするものである。受信アンテナ１７の形状は、先端が尖っているものや、あるいは平面であるもの等、特に特定の形状に規制されるものではない。
【００１６】
このような形状において、受信アンテナ１７の突出している長さは、例えばマイクロ波の波長の１／４の長さに設定してある。このような受信アンテナ１７の長さは、マイクロ波の受信効率を最大にするためのものである。さらに、受信アンテナ１７は、金属が露出している必要はなく、耐久性を向上させるために、セラミックなどの絶縁体で覆われるものであってよい。
【００１７】
このような構成において、送信アンテナ１６には、マイクロ波を出力するマイクロ波発生装置であるマグネトロンが接続される。一方、点火プラグ１には、イグナイタが接続される。エンジン１００自体は、電気的に接地電位に保たれる。点火プラグ１の接地電極１５は設置電位に保たれるとともに、受信アンテナ１７が常時接地電位に保たれる。
【００１８】
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てプラズマを生成することにより、プラズマを生成しない場合の火花放電による着火に比較して、着火領域を大きくするものである。すなわち、送信アンテナ１６は、マグネトロンから出力されるマイクロ波により、点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間に形成される放電ギャップを含む空間に、電界を形成する。電界は、マイクロ波が受信アンテナ１７に向かって進行することにより、吸気弁１１の下側に向かって拡張する。そして、その電界に火花放電を反応させることによりプラズマが生成され、火炎核が生成される。
【００１９】
すなわち、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、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させる。そして、火花放電と電界とを反応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。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。
【００２０】
詳述すると、点火プラグ１による火花放電が電界中でプラズマを生成し、このプラズマの存在下で混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなる。しかも、プラズマが存在することにより、燃焼室６内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。プラズマは、点火プラグ１の周辺のみに留まらず、吸気弁１１の近傍にまで拡大される。すなわち、吸気弁１１の下面に受信アンテナ１７が存在することで、送信アンテナ１６から放射されたマイクロ波は受信アンテナ１７に向けて燃焼室６空間を伝播し、受信アンテナ１７で受信されるとともにその一部は反射されて燃焼室６内部に拡散する。このため、マイクロ波による電界が、送信アンテナ１６から受信アンテナ１７までの空間を含む燃焼室６内部に広く生成されることになる。よって、前述のようにプラズマが拡大される。
【００２１】
このようなプラズマの存在において、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、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り、燃焼が促進される。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、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。
【００２２】
この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマ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、吸気弁１１に受信アンテナ１７を設けることにより、膨張行程においてシリンダ内に混合気のタンブル流を生成している場合に、吸気弁１１近傍において燃焼が不安定になることを抑制することができる。つまり、上述したように、受信アンテナ１７が吸気弁１１の下面に設けてあることにより、プラズマが吸気弁１１の近傍にまで拡がることで、タンブル流の作用により吸気弁１１近傍において燃焼が遅くなる傾向にあっても、確実に燃焼させる、つまり燃焼率を高くすることができるものとなる。しかも、この実施形態にあっては、受信アンテナ１７を、上述したように、点火プラグ１の中心電極１４の延長線上の位置に向かうようにその軸線方向を調整しているので、受信アンテナ１７で剥離する混合気流を点火プラグ１の方向に指向する。従って、混合気が拡散することなく点火プラグ１に集中し、燃焼効率を高めることができ、燃費を改善することができる。
【００２４】
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。
【００２５】
上述の実施形態においては、受信アンテナ１７を吸気弁１１に設けたものを説明したが、受信アンテナは、タンブル流の強さによっては排気弁に設けるものであってもよい。また、吸気弁と排気弁との両方に、受信アンテナを設けるものであってもよい。
【００２６】
また、受信アンテナは、図４に示すように、例えば吸気弁に設ける円弧状のものであってもよい。すなわち図４において、受信アンテナ１１７は、吸気弁１１１の燃焼室に対面する面、つまり下面１１１ａの中央から吸気弁１１１の弁軸方向に延びる第一直線部１１７ａと、第一直線部１１７ａの先端から第一直線部１１７ａと直交する方向に延びる第二直線部１１７ｂと、その第二直線部１１７ｂの先端に第一直線部１１７ａの先端を中心とする円弧で構成される円弧部１１７ｃと、第一及び第二直線部１１７ａ、１１７ｂと円弧部１１７ｃとを被覆する被覆部１１７ｄとで構成される。円弧部１１７ｃは、第一直線部１１７ａの先端を通って第一直線部１１７ａに直交する仮想面に形成される。円弧部１１７ｃは、吸気弁１１１の下面１１１ａの直径より小さい直径の円弧で形成される。従って、吸気弁１１１の側面の延長線で形成される被覆部１１７ｄの側面から露出しない。この実施形態においても、受信アンテナ１１７の材質は、吸気弁１１１と同じであってもよいし、別の導電材料例えば銅箔などであってもよい。被覆部１１７ｄは例えば、セラミックで形成される。なお、図４にあっては、受信アンテナ１１７を明確にするために、被覆部１１７ｄを透明な状態で図示しているが、透明である必要はない。
【００２７】
このような構成であれば、吸気弁１１１が閉じた状態で、被覆部１１７ｄが燃焼室６内に露出するが、被覆部１１７ｄはほぼ円錐台形状であるので、タンブル流を剥離させるものではない。従って、タンブル流が乱れないので、吸気弁１１１の近傍においても、受信アンテナ１１７による電界の拡張に起因するプラズマの拡がりで燃焼が促進され、燃焼効率を高めることができ、低燃費化に貢献することができる。
【００２８】
なお、このような受信アンテナ１１７は、上述したように、排気弁に設けるものであってもよく、また、吸気弁と排気弁との両弁に設けるものであってもよい。
【００２９】
マイクロ波を出力するものとしては、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。
【００３０】
加えて、上述の実施形態におけるような、送信アンテナ以外に、点火プラグとは別に送信アンテナを設けるものであってよい。この場合、例えば、ホーン型の送信アンテナが挙げられる。なお、これらのアンテナは点火プラグ１の中心電極１４の周辺に設けることが望ましい。
【００３１】
さらには、点火プラグ１の中心電極をアンテナとして機能させるものであってもよい。この場合、点火プラグとしては、抵抗を備えない型式のものがよい。しかも、マイクロ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、マイクロ波の印加電圧を制御するものである。
【００３２】
加えて、上述の実施形態にあっては、マイクロ波を電界の生成のために利用したが、それ以外の周波数、例えばマイクロ波より周波数の低い高周波を用いるものであってもよい。
【００３３】
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】
【００３４】
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。
【符号の説明】
【００３５】
１…点火プラグ
６…燃焼室
１１…吸気弁
１２…排気弁
１６…送信アンテナ
１７…受信アンテナ
【図１】
0005916055.tif 000002
【図２】
0005916055.tif 000003
【図３】
0005916055.tif 000004
【図４】
0005916055.tif 000005