(57)【要約】  熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置の構成を簡素化させる。プラズマ生成装置３０は、加熱されると熱電子を放出する熱電子放出部材１４と、電磁波を利用して熱電子放出部材１４を加熱する加熱装置１３と、熱電子放出部材１４の近傍に、加熱装置１３が発生させる電磁波による電界を集中させる電界集中部材６１とを備えている。プラズマ生成装置３０では、加熱装置１３により熱電子放出部材１４を加熱すると共に、電界集中部材６１により熱電子放出部材１４の近傍に電磁波による電界を集中させることで、熱電子放出部材１４の近傍にプラズマを生成する。
2013042597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱されると熱電子を放出する熱電子放出部材と、
電磁波を利用して前記熱電子放出部材を加熱する加熱装置と、
前記熱電子放出部材の近傍に、前記加熱装置が発生させる電磁波による電界を集中させる電界集中部材とを備え、
前記加熱装置により前記熱電子放出部材を加熱して熱電子を放出させると共に、前記電界集中部材により前記熱電子放出部材の近傍に電磁波による電界を集中させることで、前記熱電子放出部材の近傍にプラズマを生成する
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記加熱装置は、前記熱電子放出部材が設けられた空間に電磁波を放射し、
前記熱電子放出部材は、前記加熱装置が放射する電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体と、該電磁波吸収体と一体に設けられ、発熱した前記電磁波吸収体により加熱されると熱電子を放出する熱電子放出体とを備えている
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記電磁波吸収体は、前記加熱装置が放射する電磁波に共振して、前記電界集中部材として機能する受信アンテナを構成している
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記加熱装置は、交流電力が供給される加熱コイルを備え、前記加熱コイルの内側に位置する前記熱電子放出部材を誘導加熱する
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のプラズマ生成装置と、
燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、
前記熱電子放出部材及び前記電界集中部材は、前記内燃機関本体における前記燃焼室の区画面に設けられ、
前記プラズマ生成装置は、前記加熱装置により前記熱電子放出部材を加熱して熱電子を放出させると共に、前記電界集中部材により前記熱電子放出部材の近傍に電磁波による電界を集中させることで、前記燃焼室における前記熱電子放出部材の近傍にプラズマを生成する
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
請求項５において、
前記プラズマ生成装置は、前記区画面において互いに異なる領域に配置された複数の熱電子放出部材を備え、前記複数の熱電子放出部材の近傍にプラズマを生成する
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
請求項５又は請求項６において、
前記プラズマ生成装置は、前記内燃機関本体の始動の際に、前記燃焼室で混合気を燃焼させる燃焼サイクルの開始前に前記熱電子放出部材の加熱を開始し、前記燃焼サイクル中に前記燃焼室でプラズマを生成する
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項８】
加熱されると熱電子を放出する熱電子放出部材と、
交流電源と、該交流電源から交流電力が供給される加熱コイルとを備え、前記加熱コイルの内側に位置する前記熱電子放出部材を誘導加熱する加熱装置とを備え、
前記加熱装置により前記熱電子放出部材を加熱して熱電子を放出させることで、前記加熱コイルの内側にプラズマを生成する
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置、及びそのプラズマ生成装置を備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成する技術が知られている。例えば特開２００９−２８７５４９号公報には、この種の技術が適用された圧縮着火式内燃機関が記載されている。この圧縮着火内燃機関では、グロープラグの表面から熱電子が放出される。マイクロ波は、熱電子が存在する領域に照射される。そうすると、熱電子は、マイクロ波のエネルギーを受けて加速される。加速された熱電子は、周囲の分子に衝突し、その分子を電離させる。この電離により放出された電子も、マイクロ波により加速され、周囲の分子に衝突して、その分子を電離させる。マイクロ波により分子の電離は雪崩式に生じ、マイクロ波プラズマが生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８７５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のプラズマ生成装置では、グロープラグから放出される熱電子を契機としてプラズマが生成される。しかし、電気系の配線が必要な装置として、電磁波放射装置とグロープラグが少なくとも必要であった。【０００５】
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、熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置の構成を簡素化させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、加熱されると熱電子を放出する熱電子放出部材と、電磁波を利用して前記熱電子放出部材を加熱する加熱装置と、前記熱電子放出部材の近傍に、前記加熱装置が発生させる電磁波による電界を集中させる電界集中部材とを備え、前記加熱装置により前記熱電子放出部材を加熱して熱電子を放出させると共に、前記電界集中部材により前記熱電子放出部材の近傍に電磁波による電界を集中させることで、前記熱電子放出部材の近傍にプラズマを生成するプラズマ生成装置である。【０００７】
第１の発明では、加熱装置が、電磁波を利用して熱電子放出部材を加熱する。熱電子放出部材からは熱電子が放出される。電界集中部材は、熱電子放出部材の近傍に電界を集中させている。そのため、熱電子放出部材から放出された熱電子は、電磁波のエネルギーを受けて加速される。加速された熱電子は、周囲の分子に衝突し、その分子を電離させる。この電離により放出された電子も、電磁波により加速され、衝突した分子を電離させる。熱電子放出部材の近傍では、電磁波により分子の電離が雪崩式に生じ、プラズマが生成される。第１の発明では、熱電子放出部材と共に電界集中部材を設けることで、熱電子放出部材の近傍の熱電子に電磁波のエネルギーが効果的に吸収されるようにしている。【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記加熱装置が、前記熱電子放出部材が設けられた空間に電磁波を放射し、前記熱電子放出部材は、前記加熱装置が放射する電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体と、該電磁波吸収体と一体に設けられ、発熱した前記電磁波吸収体により加熱されると熱電子を放出する熱電子放出体とを備えている。【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記電磁波吸収体が、前記加熱装置が放射する電磁波に共振して、前記電界集中部材として機能する受信アンテナを構成している。【００１０】
第４の発明は、第１の発明において、前記加熱装置が、交流電力が供給される加熱コイルを備え、前記加熱コイルの内側に位置する前記熱電子放出部材を誘導加熱する。【００１１】
第５の発明は、第１から４の何れか１つの発明のプラズマ生成装置と、燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、前記熱電子放出部材及び前記電界集中部材は、前記内燃機関本体における前記燃焼室の区画面に設けられ、前記プラズマ生成装置は、前記加熱装置により前記熱電子放出部材を加熱して熱電子を放出させると共に、前記電界集中部材により前記熱電子放出部材の近傍に電磁波による電界を集中させることで、前記燃焼室における前記熱電子放出部材の近傍にプラズマを生成する内燃機関である。【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、前記プラズマ生成装置が、前記区画面において互いに異なる領域に配置された複数の熱電子放出部材を備え、前記複数の熱電子放出部材の近傍にプラズマを生成する。【００１３】
第７の発明は、第４又は第５の発明において、前記プラズマ生成装置が、前記内燃機関本体の始動の際に、前記燃焼室で混合気を燃焼させる燃焼サイクルの開始前に前記熱電子放出部材の加熱を開始し、前記燃焼サイクル中に前記燃焼室でプラズマを生成する。【００１４】
第８の発明は、加熱されると熱電子を放出する熱電子放出部材と、交流電源と、該交流電源から交流電力が供給される加熱コイルとを備え、前記加熱コイルの内側に位置する前記熱電子放出部材を誘導加熱する加熱装置とを備え、前記加熱装置により前記熱電子放出部材を加熱して熱電子を放出させることで、前記加熱コイルの内側にプラズマを生成するプラズマ生成装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、熱電子放出部材と共に電界集中部材を設けることで、熱電子放出部材の近傍の熱電子に電磁波のエネルギーが効果的に吸収されるようにしている。電気系の配線が必要な装置として少なくとも加熱装置があれば、電磁波のエネルギーによりプラズマを生成できるようにしている。そのため、従来のプラズマ生成装置では必須であったグロープラグが不要であるため、熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置の構成を簡素化させることができる。【００１６】
また、第３の発明では、電磁波吸収体が電界集中部材を兼ねているため、プラズマ生成装置の構成をさらに簡素化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態１に係る内燃機関の断面図である。
【図２】図２は、実施形態１に係る燃焼室の天井面の正面図である。
【図３】図３は、実施形態に係るピストン頂面の正面図である。
【図４】図４は、実施形態１の変形例１に係る内燃機関の断面図である。
【図５】図５は、実施形態１の変形例２に係る内燃機関の断面図である。
【図６】図６は、実施形態２に係る内燃機関の断面図である。
【図７】図７は、実施形態３に係る内燃機関の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
−実施形態１−
【００１９】
本実施形態は、燃焼室２０において燃料を圧縮着火させる圧縮着火式の内燃機関１０である。内燃機関１０は、マイクロ波プラズマを利用して燃焼を促進させる。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と燃料噴射装置４０とプラズマ生成装置３０とを備えている。
−内燃機関本体−
【００２０】
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には、ピストン２３が摺動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。
【００２１】
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、ピストン２３及びシリンダ２４と共に、燃焼室２０を区画している。燃焼室２０の直径は、例えば、後述する放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波の波長の半分程度である。
【００２２】
シリンダヘッド２２には、図１及び図２示すように、各シリンダ２４に対して、後述する燃料噴射装置４０の一部を構成するインジェクター５０が１つずつ設けられている。インジェクター５０は、複数の噴孔３９（実施形態１では４つの噴孔３９）が形成され、燃料を放射状に噴射する。
【００２３】
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。
【００２４】
ピストン２３には、その頂面に開口するキャビティー１２が形成されている。キャビティー１２は、燃焼室２０の一部をなる。図３に示すように、キャビティー１２の開口５５は円形である。キャビティー１２の中心は、ピストン２３の軸心上に位置している。キャビティー１２の底面５６は、シリンダヘッド２２側へ突出するテーパー面になっている。キャビティー１２の側面は少し外側へ凹んでいる。ピストン２３では、燃焼室２０を区画する区画面に熱電子放出部材１４が埋設されている。
−燃料噴射装置−
【００２５】
燃料噴射装置４０は、内燃機関本体１１に取り付けられて、燃焼室２０に燃料を噴射する。燃料噴射装置４０は、コモンレール式の燃料噴射装置である。燃料噴射装置４０は、図１に示すように、各シリンダ２４にそれぞれ設けられたインジェクター５０と、各インジェクター５０へ供給する高圧燃料を蓄える蓄圧器５２と、燃料タンク５３の燃料を加圧して蓄圧器５２に供給する供給ポンプ５４とを備えている。燃料噴射装置４０は、制御装置３５により制御される。
−プラズマ生成装置−
【００２６】
プラズマ生成装置３０は、熱電子にマイクロ波のエネルギーを与えてマイクロ波プラズマを生成する。プラズマ生成装置３０は、燃焼室２０（対象空間）における複数の領域でマイクロ波プラズマを生成する。プラズマ生成装置３０は、図1に示すように、電磁波放射装置１３と熱電子放出部材１４とを備えている。電磁波放射装置１３は、電磁波を利用して前記熱電子放出部材を加熱する加熱装置を構成している。
【００２７】
電磁波放射装置１３は、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。
【００２８】
電磁波発生装置３１は、制御装置３５から電磁波駆動信号（パルス信号）を受けると、その電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘ってマイクロ波を連続的に出力する。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、図２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、インジェクター５０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。
【００３１】
放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１におけるインジェクター５０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。
【００３２】
熱電子放出部材１４は、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のエネルギーにより加熱されると熱電子を放出する。熱電子放出部材１４は、例えばキャビティー１２の底面５６に複数設けられている。各熱電子放出部材１４は、例えば、インジェクター５０の噴孔３９と同数設けられている。各熱電子放出部材１４は、図３に示すように、噴孔３９から噴射された燃料噴流３８が通過する位置に配置されている。各熱電子放出部材１４は、円板状に形成されている。各熱電子放出部材１４は、キャビティー１２の底面５６に形成された円形の凹部５７に嵌め込まれている。各熱電子放出部材１４の表面は、キャビティー１２の底面５５と略面一になっている。
【００３３】
各熱電子放出部材１４は、電磁波吸収体６１と熱電子放出体６２とを備えている。電磁波吸収体６１は、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波を吸収して発熱する。熱電子放出体６２は、電磁波吸収体６１と一体に設けられ、発熱した電磁波吸収体６１により加熱されると熱電子を放出する。熱電子放出体６２は、赤熱すると熱電子を放出する物質（例えば、セラミック）である。
【００３４】
電磁波吸収体６１は、マイクロ波を吸収して発熱する物質（例えば、カーボンマイクロコイル）をバインダーにより成形したものである。電磁波吸収体６１は、マイクロ波を吸収すると、その温度が熱電子放出体６２の赤熱温度以上に上昇する。電磁波吸収体６１は、熱電子放出体６２の内部に設けられている。各熱電子放出部材１４では、電磁波吸収体６１がピストン２３の金属部分に非接触で且つ燃焼室２０に露出していない。
【００３５】
実施形態１では、電磁波吸収体６１が、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波に共振する受信アンテナを構成している。電磁波吸収体６１は、熱電子放出部材１４の近傍に、電磁波放射装置１３が発生させるマイクロ波による電界を集中させる電界集中部材を兼ねている。電磁波吸収体６１は、熱電子放出体６２の内部において、導電性のバインダーによりリング状に成形されている。電磁波吸収体６１の長さは、例えば、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波の波長の４分の１である。実施形態１では、電磁波放射装置１３により熱電子放出部材１４を加熱すると共に、電磁波吸収体６１により熱電子放出部材１４の近傍にマイクロ波による電界を集中させることで、熱電子放出部材１４の近傍にプラズマを生成する。
−制御装置−
【００３６】
制御装置３５は内燃機関１０を制御する。制御装置３５は、燃料噴射装置２４に対しては、１回の燃焼サイクルにおいてパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射およびポスト噴射を行わせる噴射制御動作を実行する。また、制御装置３５は、プラズマ生成装置３０に対しては、マイクロ波プラズマを生成させるプラズマ制御動作を実行する。以下では、プラズマ制御動作について詳述する。
【００３７】
制御装置３５は、内燃機関本体１１の始動指令（例えば、自動車のユーザーがイグニッションキーを回すことで発せられる指令）を受けると、内燃機関本体１１における最初の燃焼サイクルの開始に先立ってプラズマ制御動作を開始する。なお、最初の燃焼サイクルは、プラズマ制御動作の開始直後に開始される。
【００３８】
制御装置３５は、プラズマ制御動作として、電磁波駆動信号を電磁波発生装置３１へ出力する動作を行う。電磁波駆動信号のパルス幅は、所定の設定時間（例えば２秒間）に設定されている。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号を受けると、設定時間に亘ってマイクロ波を連続波（ＣＷ）で出力する。放射アンテナ１６からは、設定時間に亘ってマイクロ波が放射される。
【００３９】
各熱電子放出部材１４内では、電磁波吸収体６１がマイクロ波を吸収して発熱する。電磁波吸収体６１は、熱電子放出体６２を加熱する。熱電子放出体６２は、その温度が上昇して赤熱し、熱電子を放出する。
【００４０】
ここで、電磁波吸収体６１は、放射アンテナ１６から放射された二次アンテナとして機能する。各熱電子放出部材１４の表面近傍には、燃焼室２０において電界強度が相対的に強い強電界領域が形成される。熱電子放出体６２から放出された熱電子は、強電界領域のマイクロ波のエネルギーを受けて加速される。加速された熱電子は、周囲の分子に衝突し、その分子を電離させる。この電離により放出された電子も、マイクロ波により加速され、周囲の分子に衝突して、その分子を電離させる。このように、強電界領域では、分子の電離が雪崩式に生じる。その結果、各熱電子放出部材１４の表面近傍にマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマは複数の領域に生成される。
【００４１】
なお、本実施形態では、最初の燃焼サイクルにおけるメイン噴射の直前からメイン噴射中に亘ってマイクロ波プラズマが生成されるように、電磁波駆動信号の実行タイミングが設定されている。
【００４２】
燃焼室２０では、インジェクター５０の各噴孔から噴射された燃料噴流３８がマイクロ波プラズマに接触する。マイクロ波プラズマは、燃料の蒸発を促進させる。また、マイクロ波プラズマが生成された領域ではＯＨラジカル等の活性種が生成される。そのため、活性種により、圧縮着火した燃料の燃焼が促進される。
【００４３】
実施形態１によれば、燃焼室２０の複数の領域においてマイクロ波プラズマが生成されるので、その複数の領域において燃料の蒸発及び燃料の燃焼が促進される。従って、最初の燃焼サイクルにおいて未燃のまま燃焼室２０から排出される燃料が減少する。また、多くの燃料が燃焼することで発熱量が増大するため、最初の燃焼サイクル以降の内燃機関本体１１の温度上昇が早くなる。従って、２回目の燃焼サイクル以降において未燃のまま燃焼室２０から排出される燃料が減少する。
【００４４】
なお、制御装置３５は、２回目以降の燃焼サイクルも、プラズマ制御動作として、吸気行程中に電磁波駆動信号を出力する。この電磁波駆動信号のパルス幅は、最初の燃焼サイクルのときに比べて短い時間に設定されている。電磁波駆動信号の出力タイミングは、最初の燃焼サイクルのときと同様に、メイン噴射の直前からメイン噴射中に亘ってマイクロ波プラズマが生成されるように設定されている。制御装置３５は、内燃機関本体１１の温度が所定の設定温度に達すると、それ以降の燃焼サイクルではプラズマ制御動作を実行しない。
−実施形態１の効果−
【００４５】
実施形態１では、燃焼室２０に熱電子を放出させるのに、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波のエネルギーが利用される。そのため、電気系の配線が必要な装置として、従来のプラズマ生成装置では必須であったグロープラグが不要であり、少なくとも電磁波放射装置１３があればプラズマを生成できる。従って、熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置３０の構成を簡素化させることができる。
【００４６】
また、実施形態１では、内燃機関本体１１を始動させる際に、燃焼室２０の複数の領域においてマイクロ波プラズマを生成することで、未燃のまま燃焼室２０から排出される燃料が減少するようにしている。従って、内燃機関本体１１に接続する排気通路における浄化装置（例えば、三元触媒）をコンパクト化することができる。
−実施形態１の変形例１−
【００４７】
実施形態１の変形例１では、図４に示すように、燃焼室２０の天井面５１における外周寄りの位置に放射アンテナ１６が設けられている。従って、プラズマ生成装置３０がマイクロ波プラズマを生成する際に燃料噴流３８にマイクロ波が吸収されることが抑制され、より多くのマイクロ波のエネルギーをマイクロ波プラズマの生成に利用できる。なお、燃焼室２０の天井面５１に放射アンテナ１６を複数設けてもよい。
また、ピストン２３の頂面におけるキャビティー１２の開口５５の外側領域に、熱電子放出部材１４を設けてもよい。
【００４８】
また、インジェクター５０の先端面に熱電子放出部材１４を設けてもよい。この場合、インジェクター５０の先端面に付着したデポジットをプラズマにより除去することができる。
−実施形態１の変形例２−
【００４９】
実施形態１の変形例２では、図５に示すように、電磁波吸収体６１とは別途に、放射アンテナ１６から放射されたマイクロ波に共振する二次アンテナを構成する電界集中部材７０が設けられている。電磁波吸収体６１は、バインダーによりカーボンマイクロコイルを円板状に成形したものである。
【００５０】
電界集中部材７０は、各熱電子放出部材１４毎に設けられている。電界集中部材７０は、例えばリング状の導体である。電界集中部材７０は、電磁波吸収体６１を囲うように熱電子放出体６２に埋設されている。電界集中部材７０の長さは、例えば、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波の波長の４分の１である。
【００５１】
変形例２では、放射アンテナ１６からマイクロ波が放射されると、電界集中部材７０の近傍が強電界領域となる。つまり、熱電子放出部材１４の表面近傍が強電界領域となる。従って、強電界領域において熱電子放出体６２から放出された熱電子が加速され、前記実施形態１と同様に、マイクロ波プラズマが生成される。
−実施形態２−
【００５２】
本実施形態２の内燃機関１０は、図６に示すように、火花点火式の内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と点火装置６０とプラズマ生成装置３０とを備えている。実施形態２においても、実施形態１と同様に、複数の熱電子放出部材１４が内燃機関本体１１に設けられている。
【００５３】
各熱電子放出部材１４は、燃焼室２０の天井面５１において、吸気側開口２５ａと排気側開口２６ａの４つの開口２５ａ，２６ａのうち隣り合う２つの開口２５ａ，２６ａの間にそれぞれ設けられている。各熱電子放出部材１４は、ピストン２３の頂面に形成された円形の凸部７１の先端に対向する。ピストン２３の頂面には、凸部７１によりクレータ状の窪みが形成されている。
【００５４】
プラズマ生成装置３０は、実施形態１と同様に、内燃機関本体１１の始動の際に、燃焼室２０で混合気を燃焼させる燃焼サイクルの開始前に、各熱電子放出部材１４の加熱を開始し、燃焼サイクル中に燃焼室２０でマイクロ波プラズマを生成する。
【００５５】
具体的に、プラズマ生成装置３０は、燃焼サイクルの開始前に放射アンテナ１６からのマイクロ波の放射を開始する。熱電子放出部材１４では、電磁波吸収体６１が加熱されて、熱電子放出体６２が熱電子を放出する。マイクロ波の放射は、最初の燃焼サイクルにおいて、凸部７１が熱電子放出部材１４に接近する圧縮上死点まで継続される。圧縮上死点付近のクランク角では、凸部７１の先端の近傍に強電界領域が形成される。強電界領域は、各熱電子放出部材１４の表面を含むように形成される。従って、強電界領域において各熱電子放出部材１４から放出された熱電子が加速され、マイクロ波プラズマが生成される。
−実施形態３−
【００５６】
本実施形態３では、前記実施形態１及び２とは異なり、誘導加熱の原理を利用して熱電子放出部材１４を加熱して、その熱電子放出部材１４から熱電子を放出させる。
【００５７】
プラズマ生成装置３０は、図７に示すように、高周波電源８０と加熱コイル８１と熱電子放出部材１４とを備えている。高周波電源８０（交流電源）は、第１リード線８２ａ及び第２リード線８２ｂを介して、加熱コイル８１に交流電力を供給する。
【００５８】
加熱コイル８１は、シリンダブロック２１の燃焼室２０の壁面近傍に埋設されている。加熱コイル８１は、燃焼室２０の壁面に沿って巻かれている。加熱コイル８１の上端は、第１リード線８２ａに接続されている。加熱コイル８１の下端は、第２リード線８２ｂに接続されている。加熱コイル８１は、全長に亘って絶縁体（例えば、セラミック）により被覆されている。
【００５９】
なお、第１リード線８２ａ及び第２リード線８２ｂは、耐熱性の絶縁体（例えば、セラミック）により被覆されている。また、第１リード線８２ａは、ガスケット１８に埋設されている。
【００６０】
熱電子放出部材１４は、誘導発熱体８３と熱電子放出体６２とを備えている。誘導発熱体８３は、リング状の導体である。誘導発熱体８３は、例えば、カーボンマイクロコイルをバインダーで固定させた導体層である。導体層８３では、導線性のバインダーを使用しているが、カーボンマイクロコイルの比率を多くすれば非導電性のバインダーを使用することもできる。また、導体層８３に、アルミ、銅、シリコンカーバイドなどの粉体を混入させてもよい。銅のように酸化しやすい粉体を混入させることで、導体層８３におけるカーボンマイクロコイルの酸化を抑制できる。
【００６１】
なお、誘導発熱体８３は、内燃機関本体１１を構成する部品（シリンダブロック、シリンダヘッド、ピストン）に比べて、電気抵抗の高い材料が使用される。例えば、内燃機関本体１１を構成する部品をアルミとする場合に、誘導発熱体８３にカーボン、鉄、タングステンなどを使用できる。また、誘導発熱体８３に半導体を使用することも可能である。
【００６２】
誘導発熱体８３は、リング状の熱電子放出体６２（例えば、セラミック）に埋設されている。熱電子放出体６２は、ピストン２３の頂面のリング状の凹部８４に嵌め込まれている。熱電子放出体６２は、ピストン２３の頂面におけるキャビティー１２の開口５５の外側領域に設けられている。なお、熱電子放出体６２は、キャビティー１２の底面５６など他の位置の設けてもよい。
【００６３】
プラズマ生成装置３０では、高周波電源８０から加熱コイル８１へ数十から数百メガヘルツの大電力の交流が供給されると、加熱コイル８１の内側の磁束が変化し、誘導発熱体８３に誘導電流が流れる。誘導発熱体８３は誘導電流により発熱する。熱電子放出体６２は、誘導発熱体８３の発熱に伴い加熱される。そうすると、熱電子放出体６２の温度が赤熱温度以上になり、熱電子放出体６２から熱電子が放出される。
【００６４】
熱電子放出体６２から放出された熱電子は、加熱コイル８１の内側の電磁波が集中する強電界領域において、電磁波のエネルギーを吸収して加速される。加速された熱電子は、衝突した分子を電離させる。この電離により放出された電子も、電磁波のエネルギーを吸収して加速され、衝突した分子を電離させる。強電界領域では分子の電離が雪崩式に生じる。実施形態３では、このようにして加熱コイル８１の内側にプラズマが生成される。
【００６５】
なお、誘導発熱体８３の温度がある程度上昇すると、誘導発熱体８３の電気抵抗が低下する。誘導発熱体において消費される電磁波のエネルギーは減少する。従って、誘導発熱体８３が高温になって熱電子放出体６２からの熱電子の放出が開始された後は、加熱コイル８１の内側の電磁波のエネルギーは、主に電子の加速に消費されるようになる。
【００６６】
熱電子放出部材１４の近傍に、電磁波による電界を集中させる電界集中部材（例えば、突起）を配置してもよい。また、部分的に突起を設けるなど、電磁波による電界を集中させる形状に誘導発熱体８３を形成してもよい。このようにすることで、高周波電源８０の出力を下げてもプラズマを生成することが可能になる。
−その他の実施形態−
【００６７】
前記実施形態は、以下のように構成してもよい。
【００６８】
前記実施形態において、放射アンテナ１６の近傍に熱電子放出部材１４を配置し、放射アンテナ１６を電界集中部材として利用してもよい。
【００６９】
また、前記実施形態において、熱電子放出部材１４を、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波を吸収して発熱すると共に、その発熱に伴って熱電子を放出する単一の材料により構成してもよい。例えば、熱電子放出部材１４をセラミックにより構成してもよい。セラミックは、マイクロ波を吸収して発熱すると共に、その発熱に伴って赤熱温度以上になると熱電子を放出する。
【００７０】
また、前記実施形態において、内燃機関本体１１の始動時以外においてもプラズマ生成装置３０が燃焼室２０において複数の領域でマイクロ波プラズマを生成してもよい。
【００７１】
また、前記実施形態において、内燃機関１０が予混合圧縮着火エンジン（いわゆるＨＣＣＩエンジン）であってもよい。その場合に、プラズマ生成装置３０は、内燃機関本体１１の始動時の複数の燃焼サイクルにおいて未燃のまま排出される燃料を低減させるためにマイクロ波プラズマを生成してもよい。また、プラズマ生成装置３０は、内燃機関本体１１の動作中に亘って各燃焼サイクルにおいて着火タイミングを制御するためにマイクロ波プラズマを生成してもよい。
【００７２】
また、前記実施形態において、電磁波発生装置３１は、マイクロ波を連続波（ＣＷ）ではなくパルス波で出力してもよい。
【００７３】
また、前記実施形態では、プラズマ生成装置３０が非平衡プラズマを生成するが、熱プラズマを生成してもよい。この場合、前記実施形態に比べて、ラジカルによる化学反応促進の効果は小さくなるが、噴霧燃料の蒸発が促進される。
【００７４】
また、前記実施形態において、各熱電子放出部材１４の周囲に断熱材を設けてもよいし、断熱用の空間を設けてもよい。その場合、少ないマイクロ波のエネルギーで熱電子放出部材１４から熱電子を放出させることができる。特に、２回目以降の燃焼サイクルにおいて、少ないマイクロ波のエネルギーで熱電子を放出させることができる。
【００７５】
また、前記実施形態において、電磁波吸収体６１に、熱電子放出体６２の赤熱温度以上の温度を超えるとマイクロ波の吸収特性が低下する物質を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上説明したように、本発明は、熱電子を契機として電磁波によりプラズマを生成するプラズマ生成装置、及びそのプラズマ生成装置を備えた内燃機関について有用である。
【符号の説明】
【００７７】
１０       内燃機関
１１       内燃機関本体
１３       電磁波放射装置（加熱装置）
１４       熱電子放出部材
１６       放射アンテナ
２０       燃焼室
３０       プラズマ生成装置
５７       凹部
６１       電磁波吸収体（電界集中部材）
６２       熱電子放出体
【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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【国際調査報告】
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