(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンブロック（３）内において、内部で可動なピストン（５）を有する少なくとも１つのシリンダ（４）を有し、マイクロ波がマイクロ波窓を通して燃焼室（６）内へ注入され、前記燃焼室がピストンベース（５’）とシリンダヘッド（２）によって形成される内燃エンジン（１）であって、
前記燃焼室（６）は、少なくとも部分的に前記マイクロ波のための前記マイクロ波窓として機能する燃焼室壁（８）を有し、
前記燃焼室壁（８）は、セラミック材料から形成され、
前記燃焼室壁（８）内には少なくとも１つの環状中空導体キャビティ（１０）が配設され、
前記環状中空導体キャビティ（１０）は、マイクロ波のための少なくとも１つの入口開口部（１１）と、前記燃焼室壁（８）の環状中空導体キャビティ（１０）を通ったマイクロ波のための少なくとも１つの出口開口部（１２）と、を有し、
前記環状中空導体キャビティ（１０）が、エンジンブロック（３）の内部に配設されたランニングブッシュ（９）内に形成され、
前記環状中空導体キャビティ（１０）が、前記ランニングブッシュ（９）の軸方向において挿入及び／又は塗布された金属表面よって画定され、かつ、前記ランニングブッシュ（９）の半径方向において少なくとも部分的に塗布された金属層（１５）によって画定される、内燃エンジン（１）。
【請求項２】
前記入口開口部（１１）部分において前記環状中空導体キャビティ（１０）に対して所定角度に配向された壁（１６）と、前記燃焼室（６）を向く方向に配向された前記出口開口部（１２）と、が前記環状中空導体キャビティ（１０）の端部に配設され、
前記壁（１６）は、前記環状中空導体キャビティ（１０）内へ入ってくるマイクロ波を屈折させ、かつ、前記環状中空導体キャビティ（１０）を通ったマイクロ波を前記出口開口部（１２）を通じて前記燃焼室（６）の方へと屈折させる、請求項１に記載の内燃エンジン（１）。
【請求項３】
前記所定角度に配設された前記壁（１６）が、金属から形成され、好ましくは、他方の側では前記入口開口部（１１）に隣接して配設された、請求項２に記載の内燃エンジン（１）。
【請求項４】
前記環状中空導体キャビティ（１０）と前記燃焼室壁（８）との間に複数のギャップ（１２）が設けられ、前記ギャップがマイクロ波の伝播方向に垂直に配設されている、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の内燃エンジン（１）。
【請求項５】
前記エンジンブロック（３）が、前記環状中空導体キャビティ（１０）の入口開口部（１１）を形成する端部を有する供給口（１３）を有する、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の内燃エンジン（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンブロック内において可動なピストンを有する少なくとも１つのシリンダを有し、ピストンベースとシリンダヘッドとによって形成される燃焼室内へマイクロ波窓を通してマイクロ波を導入する内燃エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０３５６９１６Ａ１号は、導入された燃料の燃料混合気をより良好に点火、燃焼させるために、内燃エンジンの燃焼室内で空間点火を発生させることを開示している。
【０００３】
従来のエンジンにおいて、点火可能な混合気は、円錐形状のシリンダヘッド内で圧縮され、点火プラグによって反応及び酸化が引き起こされる。それにより、化学酸化は、圧力及び反応の先端（薄層状の燃焼気相）として点火位置から円錐形状に広がる。圧力の先端は反応の先端よりも速く移動するため、シリンダの縁部に先に到達する。圧力の先端は、シリンダ縁部で反射され、反応の先端に向かって走る。双方の先端が合わさった場合、反応が収まり、これは効率を低下させ、汚染物質を生じさせることになる。
【０００４】
局所点火をマイクロ波による空間点火で置き換えることは、この影響を軽減する。点火の前には、混合気は、可能な限り均一に全体積にわたって励起されていなければならず、燃焼室中に分布した吸収を必要とする。そのため、材料パラメータｔａｎδ（ｔ）によって説明されるマイクロ波の吸収性能及び関連する侵入深さが重要である。
【０００５】
圧縮中には、点火される混合気の圧力及び温度に依存するイオン化が既に行われている。しかしながら、この特定の燃料分子のイオン化により、燃焼室内の点火可能な混合気によるマイクロ波の吸収率は、圧縮過程にわたって時間ベースで変動すると予想されなければならない。
【０００６】
上述の均一性は、完璧に達成することはできないので、実用上、反応の先端を外側から内側方向に走らせる必要がある。したがって、マイクロ波供給は、円筒形の燃焼室内で電場分布を発生させるよう見出されなければならず、電場分布は、外周全体に沿って均一に増加し、かつ、半径に沿って可能な限り均一に増加するか、又はより大きい半径の場合には、好ましくは、単調に増加する。電場分布の均一性は、混合気の吸収特性から可能な限り独立していなければならない。
【発明の概要】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、可能な限り均一である燃焼空間全体における点火分布を達成すること、又は少なくとも燃焼室の縁部分において局所点火コアを発生させることである。
【０００８】
この目的は、請求項１に係る内燃エンジンによって達成される。更なる好ましい実施形態は、それぞれの従属請求項から導き出すことができる。
【０００９】
すなわち、本発明に係る内燃エンジンは、燃焼室の外周に沿ってマイクロ波を走らせ、マイクロ波窓として機能する燃焼室壁の少なくとも一部を通してマイクロ波を燃焼室内へ半径方向に導入するものである。すなわち、例えばシリンダ等の燃焼室壁の少なくとも一部は、マイクロ波を注入するためのマイクロ波窓の機能を発揮するのに適切であると共に、強度及び温度耐性のために燃焼室として適切な材料から形成される。これは、例えば、好ましくは、純度９９％を越えるセラミック材料である。したがって、マイクロ波は、燃焼室の周囲において１つの平面上にだけ、又は、種々の平面上に対向方向もしくは同一方向に走らせることができ、燃焼室壁を通して燃焼室内へ注入させることができる。
【００１０】
マイクロ波は、燃焼室の外周に配設される少なくとも１つの環状中空導体キャビティを通して燃焼室内へ注入され、中空導体キャビティは、燃焼室の方を向く少なくとも１つの出口開口部を有する。したがって、マイクロ波は、モードのリープ及び反射を回避しつつ最適な波伝導を提供する環状中空導体キャビティ内へ導入され、環状中空導体キャビティ全体の断面は、矩形、特に正方形、円形、又は楕円形とすることができる。当該断面は、環状中空導体キャビティにおけるフラッシュオーバーを防止するために、好ましくは正方形である。環状中空導体キャビティの端部において既に燃焼室の周りを走ったマイクロ波がマイクロ波源に戻る反射を防止するために、又は少なくとも実質的にそのような反射を軽減するために、マイクロ波は、環状中空導体キャビティの端部において所定角度で燃焼室内へ伝導されてもよい。マイクロ波は、これらの周波数が燃焼空間内で所望の空間点火を発生させることが明らかになっていることから、２５ＧＨｚ〜９０ＧＨｚ、好ましくは３６ＧＨｚの周波数で導入される。マイクロ波は、インパルスパケットで導入されてもよく、インパルスパケットは、好ましくは、燃料混合気の点火が既に行われた後も維持される。したがって、燃料混合気の点火が最適化され、燃料混合気の燃焼は、点火が既に行われた後であり、燃焼室が既に膨張しつつあっても更に励起される。
【００１１】
本発明に係る内燃エンジンにおいて、燃焼室は少なくとも部分的にマイクロ波窓として機能し、かつ、好ましくはセラミック材料又はマイクロ波透過性である別の個体材料から形成される壁層によって形成される燃焼室壁を有し、マイクロ波のための少なくとも１つの入口開口部を有する外周上の環状中空導体キャビティが少なくとも１つ配設され、かつ、該壁層の環状中空導体キャビティにマイクロ波が走るための少なくとも１つの出口開口部を有する燃焼室を有する。環状中空導体キャビティは、好ましくはスリーブの形状を有する壁層を作製する際に形成され、基本的には金属壁である。そのため、入口開口部と少なくとも１つの出口開口部とをそれぞれ有する作製済みの金属の環状中空導体キャビティを使用するか、又は、壁層の内側かつ表面上に金属膜を挿入し塗布することによって環状中空導体キャビティを構成することができる。後者の形態によれば、環状中空導体キャビティは、その名前に反して中空ではなく、それ故自由空間として構成されていないが、金属壁間において、セラミック壁層の材料は誘電金属材料として配設されている。とはいえ、その内部を走るマイクロ波にとっては、環状中空導体キャビティは中空導体として機能する。
【００１２】
好ましくは、環状中空導体キャビティは、壁層の半径方向及び軸方向において金属表面で形成され、燃焼室を向く表面は出口のための開口部を少なくとも１つ有し、エンジンブロックを向く表面はマイクロ波の入口のための開口部を少なくとも１つ有する。金属表面は、挿入された金属片、又は、少なくとも壁層の半径方向の壁において外側に塗布された金属コーティングによって形成することができる。エンジンブロック側では、金属製エンジンブロックも金属表面を提供することができる。好ましくは、環状中空導体キャビティは、壁層の少なくとも軸方向において、金属片によって画定される。そのため、環状中空導体キャビティは、少なくとも軸方向においては、壁層を、例えばセラミック材料から作製する場合、焼成前の未焼成の状態で作製することができる。半径方向においては、金属片を挿入するか、又は、少なくとも燃焼室壁に、事後的に金属片を金属層として塗布することができる。
【００１３】
本発明の一形態によれば、環状中空導体キャビティは、好ましくは、壁層の半径方向において、金属層によって少なくとも部分的に画定されており、金属層が、少なくとも燃焼室壁上である各々の壁（燃焼室壁又は半径方向の外壁）上に塗布、導入又はドープされる。これにより、マイクロ波が望ましくない場所から燃焼室へ導入されるのを防止するため、又は、任意には外側方向に環状中空導体キャビティを画定するために、薄金属層（少なくとも３μｍ）が燃焼室壁に塗布される。マイクロ波のための出口開口部が求められる位置においては、燃焼室壁上の金属層はエッチングされ、また、入口開口部が求められる位置においては、半径方向の外壁上の層がエッチングされる。
【００１４】
好ましくは、環状導体キャビティの端部での反射を回避するために、燃焼室壁に向かう方向に、環状中空導体キャビティ及び出口開口部に対して所定角度で配置される壁が当該位置に配設される。そのため、好ましくは、所定角度で配置される壁は金属から形成され、反対側で入口開口部に隣接していてもよい。
【００１５】
内燃エンジンは、好ましくは、環状中空導体キャビティ内のマイクロ波の経路の長さと共にギャップのサイズが増加する、環状中空導体キャビティと燃焼室壁との間の円周方向のギャップを含んでいてもよく、又は、内燃エンジンは、特に好ましくは、環状中空導体キャビティと燃焼室壁との間でマイクロ波の伝搬方向に対して垂直に配設される複数のギャップを含んでいてもよく、又は、内燃エンジンはそれらの組み合わせを含んでいてもよい。これらの手段は、多数の点火コアを通じて燃焼室内における空間点火を発生させるために、燃焼室内の可能な限り多くの場所で十分なレベルのマイクロ波エネルギーを集中させるために用いられる。基本的には、環状中空導体キャビティ内におけるマイクロ波の経路の長さに応じてギャップを変化させることができる。
【００１６】
基本的には、環状中空導体キャビティに隣接して追加の環状中空導体キャビティが配設されていることが好ましく、追加の環状中空導体キャビティには、例えば、第１の環状中空導体キャビティの出口開口部に対してオフセットされる出口開口部が配設され、追加の環状中空導体キャビティは環状中空導体キャビティの反対側に配設された供給口を有していることが好ましい。加えて、局所電場の増大及び点火コアの発生のためのポイントを、燃焼空間内に、特に、シリンダヘッド内に配設することができる。必要であれば、本願出願人による欧州特許出願第１５１５７２９８．９号に係る少なくとも１つの追加のマイクロ波点火プラグを、シリンダヘッド内に配設することができる。
【００１７】
注入の数学的説明は、シリンダ座標系ｒ、φ、ｚに基づく。電気伝導境界によって画定される円筒形の空間において、外周に沿った電磁波の分布は、サイン関数又はコサイン関数によって定義され、また、半径に沿ったベッセル関数とも称される円筒関数によって定義される。電場線の配向に応じて、関連する固有モードは、ＴＥｍｎ、Ｔ又はＭｍｎモードで表される。したがって、第１の指数ｍは、方位角方向の極大の数に対応し、第２の指数ｎは、半径方向の極大の数に対応する。高い方位角方向の指数及び低い半径方向の指数を有するモードは、ウィスパリングギャラリーモードＷＧＭで表される。それらの電力は、実質的に中空円筒の縁部で振動する。半径方向の指数の増加と共に、振動電力は、燃焼室の内部へ移動する。
【００１８】
方位角方向及び時間ベースでπ／（２ｍ）だけオフセットされているものの、それ以外では同一である２つのモードの重ね合わせは、回転モードにつながる。これらは、文献において非常によく知られている。数学的に、方位角方向定在モードは、以下の式を使用して２つの対向回転モードによって表される。
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【００１９】
ｍ＝０の場合は、方位角方向に一定の分布である。
【００２０】
同様の式は、半径方向にも適用される。半径方向定在波を説明するベッセル関数は、内向き伝搬及び外向き伝搬のハンケル関数に分解することができる。
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【００２１】
式中、ｋｒは、半径方向の波数である。次式に比例する電界分布は、
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【００２２】
電力が螺旋形状で内向きに伝搬するモードを示している。関連する前面は、半径の減少と共にますます急になる。
【００２３】
本発明によれば、外周に沿って最大の均一性を伴う点火は、随意に、シリンダの外側部分で、又は体積全体で達成され、回転ウィスパリングギャラリーモードもしくは体積モードのいずれかが、制御された様式で燃焼空間において励起される。したがって、供給波導体、好ましくは、環状中空導体キャビティの形態の矩形の波導体が、燃焼室の周りに巻回される。理論的には、そのモードの中空導体波長を横断幾何学寸法によって変化させることができることが知られている。したがって、供給波導体及び円筒形の燃焼空間は、一実施形態において、波導体から燃焼空間内へ電力を注入するマイクロ波窓として作用する燃焼空間壁を通る周期的な開口部によって、互いに接続される。ここで、開口部の周期ｐは、次のように選択される。
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【００２４】
式中、ｋｌは、制御された様式で、燃焼室においてＴＥ０ｎモードを励起する、巻回した波導体におけるモードの軸方向の波数である。理想的な事例において、このモードは、一定の振幅を有する円形の内向きに走る前面を有する。供給された電力は、反対側の壁に直接到達し、そしてこの場所における、巻回した供給波導体内へ再度注入され得る。したがって、燃焼空間における該当経路長は、燃焼空間の直径に対応する。点火される混合気の吸収が悪い場合、電力の大部分が供給波導体内へ戻って注入され、マイクロ波源の方へ反射される。
【００２５】
よって、僅かに異なる開口部の周期が、本発明による代替例として選択される。したがって、前面は、傾斜している。電力は、螺旋形状で燃焼空間内へ伝搬するが、これは、長い経路長を容易にし、したがって、ｔａｎδから殆ど独立したマイクロ波電力の吸収を容易にする。開口部の幅は、燃焼室内へ注入される電力が外周に沿って一定であるように変化させる。
【００２６】
上で説明されるように、一定の位相を有する表面が半径に対して傾斜するほど、半径は小さくなる。電力が方位角の方向にだけ伝搬する半径が存在する。これは、燃焼室の内部において電場を伴わない部分となる。これは、燃焼室の中心において燃料濃度が低いときに有利である。励起したモードは、既に記載したウィスパリングギャラリーモードに対応する。この組み合わせには、巻回した波導体における波長を空間波長に対して短くしたときに、特に効率的な様式で到達する。したがって、波導体には、非吸収誘電材料が充填される。
【００２７】
強力な電場の増大は、中心における同時かつ比較的弱い電場の励起にて縁部において得ることができ、体積モードへもＷＧＭへも注入が行われるように注入周期が選択される。これは、縁部分における電場の増大をもたらす。
【００２８】
燃焼室の縁部での電場の励起はまた、時間に基づいて制御することもできる。最初に、周波数が選択され、その周波数で、供給波導体によって、燃焼室全体を励起する体積モードへの注入が行われる。その後に、点火ＷＧＭへの注入が行われるように、周波数を変化させることができる。
【００２９】
巻回した波導体の端部には、４５°の角度に傾斜され、偏波を回転させるプレートを配設することができる。よって、巻回した導体の端部に到達するマイクロ波電力は、回転された偏波で反射される。よって、９０°回転させた偏波で燃焼空間内へ注入される電力は、前方方向に注入される電力を阻害しない。
【００３０】
したがって、本発明は、燃焼室内の燃料混合気の空間点火の開始の正確な制御を容易にし、よって、燃料の最適な低排出燃焼が達成され、従来のレシプロピストン内燃エンジンと比較して効率が高められる。一般的に、本発明は、希薄燃料混合気の確実な点火を容易にし、点火を達成するための追加的な濃縮を必要とせず、より少ない燃料消費につながる。排出物及びそれらの発生は、燃焼温度及び空気と燃料との混合比によって制御することができる。本発明による燃焼は、従来の点火の場合よりも急速に起こる。これは、「より低温」での燃焼を生じさせるため、効率が増加する。更には、原則としてより低温での燃焼過程により、より少ない汚染物質の排出を達成することができる。より低温での燃焼は、排気ガス中のＮＯの濃度を低減させる。空間点火により、燃焼過程は、従来の燃焼とは異なって、拡散炎の形態での燃焼の進行への依存が大幅に低くなる。これは、追加的な熱損失を回避することを助け、効率の増加を達成する。燃焼室の、及び酸化部分における空気の加熱段階は、このタイプの燃焼には提供されない。
【００３１】
続いて、本発明は、概略図を参照して更に詳細に説明することができる。本発明の追加的な特徴は、特許請求の範囲及び添付図面と組み合わせて、以降の説明から導き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】内燃エンジンの詳細を示す、シリンダヘッドを除いた上面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの詳細の線Ａ−Ａに沿った、シリンダヘッドを含む断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂの詳細Ｘの拡大図である。
【図１Ｄ】図１Ｂの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
個々の図は、単一の形態が異なる視点で示されているため、連関して続けて図示している。それらの図は、シリンダヘッド２及びエンジンブロック３を有する内燃エンジン１の詳細を模式的に示している。エンジンブロック３は、内部で可動なピストン５と、燃焼室６と、を有するシリンダ４を有し、燃焼室６は、シリンダ４の上部において部分的にシリンダヘッド２内でピストンベース５’及びシリンダヘッド２の間に配設される。燃料混合気のための模式的に図示された入口７は、燃焼室６へと通じている。排ガスのための出口は図示されていないが、当業者に公知の方法で構成されることができる。燃料混合気のための中央の入口７を有する模式的に図示されたシリンダヘッド２は、当然ながら、追加のスパークプラグ、又は排ガス出口を有していてもよい。シリンダ４は追加の内壁８を有しており、内壁８はマイクロ波窓の機能を発揮するのに適した材料から形成される。これは、例えば、好ましくは高純度のセラミック材料、又は他のマイクロ波透過性かつ耐摩耗性の材料とすることができる。
【００３４】
燃焼室壁８は、セラミック材料から形成されたスリーブ形状のランニングブッシュ９として提供され、シリンダ４内に配設される壁層によって形成され、環状中空導体キャビティ１０がこのスリーブ形状のランニングブッシュ内の壁に配設される。環状中空導体キャビティ１０はマイクロ波のための供給口１３と接続されており、供給口１３は、エンジンブロック３の外側で不図示の電力源へと接続可能であり、環状中空導体キャビティ１０を向く端部はマイクロ波のための環状中空導体キャビティ１０への入口開口部１１を形成する。ランニングブッシュ９内において、環状中空導体キャビティ１０は焼成（ドープされてもよい）前に挿入される金属片１４によって軸方向に画定される。また、傾斜した分離壁１６が環状中空導体キャビティ１０への供給口１６の出口に配設され、分離壁は、環状中空導体キャビティ１０へ入ってくるマイクロ波を屈折させ、環状中空導体キャビティ１０を走った後は燃焼室６へと屈折させるのに用いられる。また、これはマイクロ波の後方反射を抑制する。環状中空導体キャビティ１０の半径方向の壁は、エンジンブロック３の金属壁１７によってランニングブッシュ９の半径方向の外壁に形成され、かつ、公知の方法によって塗布された金属層１５によって燃焼室８に形成される。金属層１５は、マイクロ波が出るべき場所においてエッチングされる。この形態では、環状中空導体キャビティ１０の長さにわたって均等に分布されたギャップとして構成される複数の出口開口部１２が示されている。これにより上述のようなマイクロ波の注入が提供される。
【００３５】
エンジンブロックや、シリンダヘッド等のエンジンの構成部品は、典型的な材料、一般的には金属から作製され、該材料は、用途に従って選択することができる。例えば、図示されている中空導体キャビティのマイクロ波のための境界は、金属から作製され、例えば高電気伝導材料で被覆した表面によって伝導性を最適化するために、追加的な手段をとることができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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