JP4525335B2 - 内燃機関及びその点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関及びその点火装置に関し、特に、電磁波を利用して燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関及びその点火装置に関する。

この種の内燃機関の点火装置として、下記特許文献１に示すものが開示されている。以下、特許文献１の内燃機関の点火装置について、図２３を用いて説明する。

図２３に示す点火装置１０１において、同軸的な共振器（同軸線路）１０３は、外側導体１０４及び内側導体１０５から成っている。共振器１０３の内側導体１０５の一端部に設けられた結合箇所１０７には、供給線路１０８が同軸的に誘導式及び／又は容量式に結合されており、マイクロ波電源により発生させた高周波信号（電磁波）がこの供給線路１０８を介して共振器１０３に供給される。一方、共振器１０３の開放した内側導体１０５の他端部１０５ａは内燃機関の燃焼室内に突入しており、この他端部１０５ａが点火ピンとして燃焼室内の混合気の点火を行う。

また、その他の背景技術として、特許文献２〜４の内燃機関が開示されている。

特開２００４−８７４９８号公報 特開２００４−３４２８号公報 特開平１１−１０７８９６号公報 特開平１０−１８４３６６公報

特許文献１の点火装置１０１においては、共振器１０３の内側導体１０５の他端部１０５ａを燃焼室に臨ませることで、この他端部１０５ａにて燃焼室内の混合気の点火を行っている。しかし、燃焼室の周りには吸排気通路、吸排気弁、及び冷却水路等が配置されるため、点火装置１０１（内側導体１０５の他端部１０５ａ）の配設箇所には制約があり、燃焼室内の混合気の点火箇所にも制約がある。したがって、特許文献１においては、混合気の点火箇所の自由度が低く、燃焼室内の適切な箇所で混合気の点火を行うことが困難であるという問題点がある。

本発明は、混合気の点火箇所の自由度を高めることができ、燃焼室内の適切な箇所で混合気の点火を行うことができる内燃機関及びその点火装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関及びその点火装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関の点火装置は、燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、電磁波を発生させる電磁波発生源と、該電磁波発生源にて発生した電磁波を燃焼室内へ向けて放射する電磁波放射器と、燃焼室に臨む面または該面近傍に配設された電極であって、該電極近傍にて燃焼室内の電磁波の電界強度を局所的に高める点火用電極と、を備え、前記点火用電極は、電気的ギャップが形成される形状を呈しており、前記点火用電極の電気的ギャップにて電磁波の電界強度を局所的に高めてプラズマ放電を発生させることで、燃焼室内の混合気の点火を行うことを要旨とする。

本発明においては、燃焼室に臨む面またはその近傍に点火用電極が配設されていることで、この点火用電極の近傍にて燃焼室内の電磁波の電界強度を局所的に高めることができる。その結果、点火用電極の近傍にて放電が発生することで、燃焼室内の混合気の点火を行うことができる。ここでの点火用電極は、高耐電圧電線や電磁波伝送路に接続されている必要はなく、燃焼室に臨む面またはその近傍における任意の箇所に配設が可能であるため、点火用電極の配設箇所の自由度は高い。したがって、本発明によれば、混合気の点火箇所の自由度を高めることができ、燃焼室内の適切な箇所で混合気の点火を行うことができる。

さらに、本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極は、電気的ギャップが形成される形状を呈しており、前記点火用電極の電気的ギャップにて電磁波の電界強度を局所的に高めてプラズマ放電を発生させることで、燃焼室内の混合気の点火を行う。こうすれば、点火用電極の電気的ギャップにて発生するプラズマ放電により、燃焼室内の混合気の点火を適切に行うことができる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極は、燃焼室に臨む面または該面近傍に周囲と電気的に絶縁された状態で配設されているものとすることもできる。また、本発明に係る内燃機関の点火装置において、環状、環状の電極に対し切り欠きが設けられた形状、矩形状、矩形状の電極に対し切り欠きが設けられた形状、複数の環状の電極が同心円状に配置された形状、同心円状に配置された環状の電極の各々に対し切り欠きが設けられた形状、及び、複数の棒状の電極が各電極間に電気的ギャップが形成されるように配置された形状のいずれかの形状を呈するものとすることもできる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極は、燃焼室内の混合気の点火が複数箇所にて行われるように、複数配設されているものとすることもできる。こうすれば、簡単な構成で燃焼室内の混合気を速やかに燃焼させることができる。また、この本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極として、複数の異なるサイズの電極が配設されており、前記電磁波発生源は、前記点火用電極の各サイズに対応した複数の周波数の電磁波を発生させるものとすることもできる。こうすれば、電磁波発生源が発生させる電磁波の周波数を調整することで混合気の点火箇所を調整することができるので、燃焼室内の混合気の点火をより適切に行うことができる。さらに、この本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記電磁波放射器は、複数配設されており、複数の電磁波放射器から放射される電磁波の位相関係を調整する位相調整器をさらに備えるものとすることもできる。こうすれば、複数の電磁波放射器から放射される電磁波の位相関係を調整することで混合気の点火箇所を調整することができるので、燃焼室内の混合気の点火をより適切に行うことができる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極は、燃焼室に臨むピストン頂面またはその近傍に配設されているものとすることもできる。本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極は、燃焼室に臨む吸気弁の傘部底面またはその近傍と、燃焼室に臨む排気弁の傘部底面またはその近傍と、の少なくとも１つに配設されているものとすることもできる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、内燃機関は、燃料を噴射する燃料噴射弁が燃焼室に臨む状態で配設され、燃焼室に臨むピストン頂面にキャビティ部が形成された筒内噴射式内燃機関であり、前記点火用電極は、該キャビティ部にて電磁波の電界強度を局所的に高めてプラズマ放電を発生させるように、該キャビティ部またはその近傍に配設されているものとすることもできる。こうすれば、筒内噴射式内燃機関において燃焼室内に形成された混合気の点火を適切に行うことができる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記電磁波放射器は、燃焼室に臨む状態でシリンダヘッドに配設されているものとすることもできる。こうすれば、電磁波を燃焼室内に広範囲かつ均質に放射することができる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記電磁波放射器は、吸気通路に臨む状態で配設されていることで電磁波を吸気通路へ放射し、吸気通路と燃焼室との連通を開閉する吸気弁の傘部に、吸気通路に放射された電磁波を燃焼室内へ透過させる電磁波透過部材が配設されているものとすることもできる。こうすれば、電磁波放射器に高耐熱性の材料を用いる必要がないため、点火装置の低コスト化を実現することができる。この本発明に係る内燃機関の点火装置において、吸気通路における電磁波放射位置より上流に、電磁波を遮断または減衰させる手段が配設されているものとすることもできる。こうすれば、吸気通路上流への電磁波の伝搬を抑止することができる。また、この本発明に係る内燃機関の点火装置において、吸気通路の中心部における電磁波放射位置より下流に導電部が配設されていることで、吸気通路における電磁波放射位置より下流に同軸伝送路が形成されているものとすることもできる。こうすれば、電磁波放射位置より下流の吸気通路を同軸伝送路として機能させることができるので、電磁波を高効率で燃焼室内へ伝搬させることができる。さらに、この本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記導電部は、吸気通路の中心部に配置された吸気弁の軸部に設けられているものとすることもできる。こうすれば、簡単な構成で電磁波放射位置より下流の吸気通路を同軸伝送路として機能させることができる。

本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記点火用電極の配設長さは、ｎを自然数とすると、電磁波の波長のｎ／４倍に略等しいものとすることもできる。こうすれば、燃焼室内の混合気の点火を効率よく行うことができる。

また、本発明に係る内燃機関は、燃焼室内の混合気の点火を点火装置により行う内燃機関であって、該点火装置が、本発明に係る内燃機関の点火装置であることを要旨とする。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係る内燃機関の点火装置の概略構成を内燃機関とともに示す図であり、図１は全体の概略構成を示し、図２はピストンの概略構成を示す。本実施形態に係る内燃機関の点火装置は、電磁波を利用して燃焼室内の混合気の点火を行うものである。

吸気行程においては、吸気弁８が開き吸気通路６から燃焼室３内に吸気ガスが導入される。図１に示す内燃機関１３では、燃料噴射弁５が吸気通路６に臨む状態で配設されていることで燃料が吸気通路６に噴射されるため、燃焼室３内には混合気が導入される。圧縮行程においては、吸気弁８が閉じピストン１１により混合気が圧縮される。そして、本実施形態に係る点火装置により燃焼室３内の圧縮混合気を点火して燃焼させることで、図示しないクランク軸に回転力を発生させる。燃焼後のガスは、排気行程において排気弁９が開くことで、排気通路７へ排出される。

そして、本実施形態に係る点火装置は、電磁波を燃焼室３内に放射することで、燃焼室３内の混合気の点火を行う。そのために、本実施形態に係る点火装置は、以下に説明する電磁波発生電源１、電磁波伝送路２、電磁波放射器４、及び点火用電極１０を備えている。

電磁波発生電源１は、例えばマグネトロンや進行波増幅管により構成することができ、電磁波（例えばマイクロ波）を発生させる。電磁波発生電源１は、発生させる電磁波のエネルギーの制御も可能である。電磁波発生電源１は、燃焼室３内の混合気の点火を行うときに電磁波を出力し、この出力された電磁波は電磁波伝送路２を伝搬する。

電磁波伝送路２は、シリンダヘッド２２の内部を通ってその端部が燃焼室３に臨んでいる。電磁波伝送路２の端部には、電磁波発生電源１にて発生し電磁波伝送路２を伝搬した電磁波を放射する電磁波放射器４が設けられている。このように、電磁波放射器４が燃焼室３に臨む状態でシリンダヘッド２２に配設されていることで、電磁波放射器４から燃焼室３内に電磁波が放射される。図１に示す例では、電磁波放射器４が燃焼室３上面の中央部に配置されている場合を示しており、この電磁波放射器４の配置により、電磁波を燃焼室３内に広範囲かつ均質に放射することができる。

なお、ここでの電磁波伝送路２は、例えば同軸ケーブルや導波管により構成することができる。電磁波伝送路２を同軸ケーブルにより構成した場合は、例えば前述の図２３に示す同軸ケーブルの開放した内側導体１０５の他端部１０５ａにより、電磁波放射器４を構成することができる。一方、電磁波伝送路２を導波管により構成した場合は、例えば導波管の開放した端部を混合気が導波管内に流入しないように絶縁体（例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体）で埋めることにより、電磁波放射器４を構成することができる。また、導電体により構成されるピストン１１、シリンダブロック２０、及びシリンダヘッド２２は、接地導体として機能することで、燃焼室３内の電磁波をシールドする役割も果たしている。

そして、本実施形態においては、図２（Ａ）のピストン１１の上面図及び図２（Ｂ）のピストン１１の断面図に示すように、環状の点火用電極１０が、燃焼室３に臨むピストン頂面１１ａに絶縁体１２（例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体）を介した状態で取り付けられている。これによって、点火用電極１０が周囲（ピストン１１）と電気的に絶縁される。この点火用電極１０は、その近傍にて燃焼室３内の電磁波の電界強度を局所的に高める役割を果たす。すなわち、電磁波放射器４から放射された電磁波は燃焼室３内を満たすが、点火用電極１０の近傍では、点火用電極１０と燃焼室３内の空間の透磁率の違いから燃焼室３内の電磁波の平均電界の数十倍から数百倍程度の高電界を得ることができる。その結果、点火用電極１０の近傍にてプラズマ放電が発生するため、燃焼室３内の混合気の点火を行うことができる。例えば点火用電極１０の形状が図２に示す環状の場合は、その中央部にピストン頂面１１ａにほぼ平行方向の電気的ギャップ１０ａが形成されることで、この電気的ギャップ１０ａ及びその近傍にて電磁波の電界強度が局所的に高まりプラズマ放電が発生する。なお、図２に示す例では、１つの点火用電極１０がピストン頂面１１ａの中央部に配置されている場合を示している。また、点火用電極１０については、図２に示すように燃焼室３に露出していてもよいし、燃焼室３に臨むピストン頂面１１ａの近傍であれば燃焼室３に露出することなく絶縁体１２の内部に埋め込まれていてもよい。

ここで、点火用電極１０に設けられる電気的ギャップ１０ａが小さい場合は、小さい電磁波のエネルギーでプラズマ放電を発生させることができ、混合気の点火を効率よく行うことができる。一方、点火用電極１０に設けられる電気的ギャップ１０ａが大きい場合は、良好な混合気の点火を行うために必要とする電磁波のエネルギーは大きいものの、より広範囲でプラズマ放電を行うことができ、より広範囲で混合気の点火を行うことができる。また、点火用電極１０を利用して混合気の点火をより効率よく行うためには、点火用電極１０の配設長さ（図２（Ａ）のｘで示す）が燃焼室３内の電磁波の波長のｎ／４（ｎは自然数）倍に略等しいことが好ましい。なお、典型的には、１Ｊ程度のエネルギーの電磁波を電磁波放射器４から放射することで、点火用電極１０の近傍にてプラズマ放電を発生させることができ、混合気の点火を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態においては、周囲と電気的に絶縁された点火用電極１０の近傍にて燃焼室３内の電磁波の電界強度を局所的に高めることができるので、点火用電極１０の近傍にてプラズマ放電が発生し、燃焼室３内の混合気の点火を行うことができる。ここでの点火用電極１０は、高耐電圧電線や電磁波伝送路２に接続されている必要はなく、また、周囲の導電部との電気的絶縁性が確保できれば燃焼室３に臨む面またはその近傍における任意の箇所に配設が可能であるため、点火用電極１０の配設箇所の自由度は高い。したがって、本実施形態によれば、混合気の点火箇所の自由度を高めることができ、燃焼室３内の適切な箇所で混合気の点火を行うことができる。

そして、点火用電極１０は、高耐電圧電線や電磁波伝送路２に接続されている必要がないため、より高い電磁波のエネルギーを点火用電極１０に供給することができる。したがって、本実施形態によれば、より希薄な混合気の点火を行うことができ、その結果、内燃機関１３の熱効率向上及びＮＯｘ低減を実現することができる。

次に、本実施形態における点火用電極１０の他の構成例について説明する。

図３のピストン１１の上面図においては、複数の環状の点火用電極１０がピストン頂面１１ａの周方向に間隔をおいて配列されている。図３の構成例においても、点火用電極１０の各々は、ピストン頂面１１ａに絶縁体１２（図３では図示を省略）を介した状態で取り付けられており、周囲（ピストン１１）と電気的に絶縁されている。

図３に示す構成例においては、点火用電極１０が複数配設されていることで、燃焼室３内の電磁波の電界強度を複数の箇所にて局所的に高めることができる。したがって、プラズマ放電を複数の箇所にて発生させることができ、燃焼室３内の混合気の点火を複数の箇所にて行うことができる。ここで、複数の箇所にて点火された混合気は急速に燃焼が進行するため、より希薄な混合気でも燃焼変動の小さい安定した燃焼を実現することができ、耐ノック性能を向上させることができる。したがって、内燃機関１３のさらなる熱効率向上及びＮＯｘ低減を実現することができる。

そして、図３に示す構成例においては、周囲と電気的に絶縁された複数の点火用電極１０を用いて燃焼室３内の複数の箇所にて混合気の点火を行うことができるので、燃焼室３内の複数の箇所にて混合気の点火を行うために高耐電圧電線に接続された複数の点火栓を燃焼室３に臨ませて配設する必要がない。したがって、簡単な構成で多点点火を行うことができる。

また、図４のピストン１１の上面図においては、ピストン頂面１１ａの中央部に環状の点火用電極１０−１が配置されているとともに、その周囲に複数の環状の点火用電極１０−２がピストン頂面１１ａの周方向に間隔をおいて配列されている。ここで、点火用電極１０−１の配設長さｘ１は点火用電極１０−２の配設長さｘ２より長く、点火用電極１０−１の電気的ギャップ１０ａ−１は点火用電極１０−２の電気的ギャップ１０ａ−２より大きい。そして、図４の構成例においても、点火用電極１０−１，１０−２の各々は、ピストン頂面１１ａに絶縁体１２（図４では図示を省略）を介した状態で取り付けられており、周囲（ピストン１１）と電気的に絶縁されている。

図４に示す構成例においては、点火用電極１０−１の電気的ギャップ１０ａ−１及びその近傍にて電磁波の電界強度が高まるとともに、点火用電極１０−２の電気的ギャップ１０ａ−２及びその近傍にて電磁波の電界強度が高まる。これによって、ピストン頂面１１ａの中央部にて混合気の点火が広い範囲で行われるとともに、その周囲にて混合気の点火が複数箇所の狭い範囲で行われる。このように、図４に示す構成例においては、混合気の点火箇所だけでなく混合気の点火規模の自由度も高めることができるので、より希薄な混合気でも安定した燃焼を実現することができる。

なお、図３，４に示す構成例においても、各点火用電極１０（図４の場合は点火用電極１０−１，１０−２）については、燃焼室３に露出していてもよいし、燃焼室３に臨むピストン頂面１１ａの近傍であれば燃焼室３に露出することなく絶縁体１２（図３，４では図示を省略）の内部に埋め込まれていてもよい。

また、以上の本実施形態の説明においては、燃焼室３に臨むピストン頂面１１ａまたはその近傍に点火用電極１０を配設した場合について説明した。ただし、本実施形態においては、以下に説明するように、吸気通路６と燃焼室３との連通を開閉する吸気弁８と、排気通路７と燃焼室３との連通を開閉する排気弁９と、の少なくとも１つに点火用電極１０を配設することもできる。

図５の吸排気弁８，９の下面図及び図６の吸排気弁８，９の断面図においては、燃焼室３に臨む面として吸気弁８の傘部８ａの底面及び排気弁９の傘部９ａの底面に、環状の点火用電極１０が絶縁体１２（例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体）を介した状態で取り付けられている。吸気弁８及び排気弁９が導電体により構成される場合は、この絶縁体１２により点火用電極１０が周囲（吸気弁８及び排気弁９）と電気的に絶縁される。ただし、図７の吸排気弁８，９の断面図に示すように、吸気弁８の傘部８ａ及び排気弁９の傘部９ａがセラミック等の絶縁体１２により構成されている場合は、点火用電極１０の周囲に対する電気的絶縁を配慮する必要がなく、点火用電極１０を吸気弁８の傘部８ａ及び排気弁９の傘部９ａに直接配設することができる。

なお、ここでの点火用電極１０についても、図５〜７に示すように燃焼室３に露出していてもよいし、燃焼室３に臨む傘部８ａ，傘部９ａの底面の近傍であれば燃焼室３に露出することなく絶縁体１２の内部に埋め込まれていてもよい。また、図８の吸排気弁８，９の下面図に示すように、吸気弁８の傘部８ａのみに点火用電極１０を配設することもできる。さらに、排気弁９の傘部９ａのみに点火用電極１０を配設することもできる。

次に、本実施形態における点火用電極１０の他の形状例について説明する。

図９（Ａ）の点火用電極１０の平面図は、環状の点火用電極１０に切り欠き（電気的ギャップ１０ａ）が設けられていることで、点火用電極１０の形状がＣ字形状を呈する例を示している。そして、図９（Ｂ）の点火用電極１０の平面図は、環状の点火用電極１０に複数の切り欠き（電気的ギャップ１０ａ）が設けられている例を示している。

また、図９（Ｃ）の点火用電極１０の平面図は、点火用電極１０の形状が矩形状を呈する例を示している。そして、図９（Ｄ）の点火用電極１０の平面図は、矩形状の点火用電極１０に切り欠き（電気的ギャップ１０ａ）が設けられている例を示している。また、図９（Ｅ）の点火用電極１０の平面図は、点火用電極１０の形状が直線状（棒状）を呈する例を示している。その他にも、点火用電極１０として、多角形形状を呈する構成や金属粉末を配設した構成も採りうることができる。さらに、点火用電極１０の構成が複雑になるものの、点火用電極１０の形状が積層形状や螺旋形状を呈するものとすることもできる。なお、図９のｘは点火用電極１０の配設長さを示しており、点火用電極１０の配設長さｘは、前述したように、電磁波の波長のｎ／４（ｎは自然数）倍に略等しいことがより好ましい。

これらの構成の点火用電極１０を電磁波の存在する燃焼室３に臨む面またはその近傍に配設すると、点火用電極１０と燃焼室３内の空間との透磁率の違いから、例えば図１０の電気力線図に示すように点火用電極１０の近傍に高電界が生じる。また、点火用電極１０に設けられる狭い電気的ギャップ１０ａは、高電界を発生させるために有効な方策となる。

また、図１１（Ａ）の点火用電極１０の平面図は、径の異なる複数の環状の点火用電極１０を同心円状に配設した例を示している。そして、図１１（Ｂ）の点火用電極１０の平面図は、同心円状に配設した環状の点火用電極１０の各々に切り欠き（電気的ギャップ１０ａ）が設けられている例を示している。

また、図１２（Ａ）の点火用電極１０の平面図は、複数の棒状の点火用電極１０を、各点火用電極１０間に電極長手方向の電気的ギャップ１０ａが形成されるように、直線状に配置した例を示している。そして、図１２（Ｂ）の点火用電極１０の平面図は、複数の棒状の点火用電極１０を、各点火用電極１０間に電気的ギャップ１０ａが形成されるように、略十字状に配置した例を示している。そして、図１２（Ｃ）の点火用電極１０の平面図は、複数の棒状の点火用電極１０を、電極長手方向及びその垂直方向に関して間隔をおいて配置した例を示している。

また、点火用電極１０については、図１３（Ａ）の断面図に示すように、燃焼室３に臨む絶縁体１２表面に取り付けられていることで燃焼室３に露出していてもよいし、図１３（Ｂ）の断面図に示すように、燃焼室３に臨む絶縁体１２表面の近傍であれば燃焼室３に露出することなく絶縁体１２の内部に埋め込まれていてもよい。

次に、本実施形態における電磁波放射器４の他の構成例について説明する。

以上の本実施形態の説明においては、電磁波放射器４を燃焼室３に臨ませる状態でシリンダヘッド２２に配設した場合について説明した。ただし、本実施形態においては、図１４に示すように、電磁波放射器４を吸気通路６に臨ませる状態で配設することもできる。

図１４に示す構成例においては、吸気通路６と燃焼室３との連通を開閉する吸気弁８の傘部８ａに、絶縁体１２（例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体）が配設されている。これによって、吸気弁８が閉じている状態でも、電磁波放射器４から吸気通路６に放射された電磁波は、この傘部８ａの絶縁体１２を透過して燃焼室３内へ伝搬する。このように、電磁波放射器４を吸気通路６に臨ませることによっても、電磁波を燃焼室３内へ向けて放射することは可能であり、吸気弁８の傘部８ａに配設された絶縁体１２は、吸気通路６内の電磁波を燃焼室３内へ透過させる電磁波透過部材として機能する。

さらに、吸気通路６における電磁波放射位置（電磁波放射器４の配設位置）より上流には、吸気通路６上流への電磁波の伝搬を遮断するために導電性の網１４が設けられている。ここでの導電性の網１４における網目間隔は、電磁波が透過しないように吸気通路６内の電磁波の波長より短く設定されている。

図１４に示す構成例においては、電磁波放射器４が高温となる燃焼室３に臨んでいないため、電磁波放射器４に高耐熱性の材料を用いる必要がない。したがって、点火装置の低コスト化を実現することができる。

なお、図１４に示す構成例においては、導電性の網１４を設ける代わりに、電磁波の伝搬路（吸気通路６）のインピーダンスが変化するように、吸気通路６の断面積を変化（増大と減少のどちらでもよい）させることもできる。この構成によっても、吸気通路６上流への電磁波のエネルギーを十分に減衰させることができる。

また、以下に説明するように、本実施形態に係る点火装置を筒内噴射式内燃機関に用いることもできる。

図１５に示す構成例においては、燃料を噴射する燃料噴射弁１５が燃焼室３に臨む状態でシリンダヘッド２２に配設されている。そして、燃焼室３に臨むピストン頂面１１ａには、混合気が形成されるキャビティ部１６が設けられている。さらに、環状の点火用電極１０がキャビティ部１６に絶縁体１２（例えば誘電率の低いセラミック等の誘電体）を介した状態で取り付けられていることで、点火用電極１０が周囲（ピストン１１）と電気的に絶縁されている。なお、図１５は、燃料噴射弁１５及び電磁波放射器４が燃焼室３上面の略中央部に配置されている場合を示している。

図１５に示す構成例においては、ピストン頂面１１ａに形成されたキャビティ部１６に点火用電極１０を配設することで、キャビティ部１６にて電磁波の電界強度を局所的に高めてプラズマ放電を発生させることができる。これによって、燃焼室３内に形成された混合気の点火をキャビティ部１６にて行うことができる。したがって、筒内噴射式内燃機関において燃焼室３内に形成された混合気の点火を適切に行うことができる。

なお、筒内噴射式内燃機関においては、例えば図１６の構成例に示すように、点火用電極１０をキャビティ部１６の近傍に絶縁体１２を介した状態で配設することによっても、キャビティ部１６にて電磁波の電界強度を局所的に高めることができる。

また、本実施形態においては、以下に説明するように、複数の周波数の電磁波を燃焼室３内へ向けて放射することもできる。

図１７，１８に示す構成例においては、複数の電磁波発生電源１−１，１−２が設けられており、電磁波発生電源１−１は周波数ｆｒｅｑ１の電磁波を発生させ、電磁波発生電源１−２は周波数ｆｒｅｑ２（ｆｒｅｑ２≠ｆｒｅｑ１）の電磁波を発生させる。ここで、図１７は内部構成の概略を示し、図１８はピストン１１の上面図を示す。

そして、ピストン頂面１１ａの中央部に環状の点火用電極１０−１が配置されているとともに、その周囲に複数の環状の点火用電極１０−２がピストン頂面１１ａの周方向に間隔をおいて配列されている。ここで、点火用電極１０−１のサイズは点火用電極１０−２のサイズより大きく設定されており、点火用電極１０−１の配設長さｘ１は点火用電極１０−２の配設長さｘ２より長い。また、点火用電極１０−１，１０−２の各々は、ピストン頂面１１ａに絶縁体１２（図１８では図示を省略）を介した状態で取り付けられており、周囲（ピストン１１）と電気的に絶縁されている。

さらに、電磁波発生電源１−１，１−２が発生させる電磁波の周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２は、点火用電極１０−１，１０−２の各サイズに対応して設定されている。より詳細には、電磁波発生電源１−１が発生させる電磁波の周波数ｆｒｅｑ１は、点火用電極１０−１の近傍にてプラズマ放電が発生するように設定されているとともに、電磁波発生電源１−２が発生させる電磁波の周波数ｆｒｅｑ２は、各点火用電極１０−２の近傍にてプラズマ放電が発生するように設定されている。ここでは点火用電極１０−１のサイズ（長さｘ１）は点火用電極１０−２のサイズ（長さｘ２）より大きいため、周波数ｆｒｅｑ１は周波数ｆｒｅｑ２より低く設定されている。なお、点火用電極１０−１，１０−２を利用して混合気の点火をより効率よく行うためには、点火用電極１０−１の配設長さｘ１が電磁波発生電源１−１が発生させる電磁波の波長λ１のｎ／４（ｎは自然数）倍に略等しく、点火用電極１０−２の配設長さｘ２（ｘ２＜ｘ１）が電磁波発生電源１−２が発生させる電磁波の波長λ２（λ２＜λ１）のｎ／４倍に略等しいことが好ましい。

図１７，１８に示す構成例において、電磁波発生電源１−１が周波数ｆｒｅｑ１の電磁波を発生させ電磁波放射器４から燃焼室３内へ周波数ｆｒｅｑ１の電磁波が放射されたときは、点火用電極１０−１の近傍（ピストン頂面１１ａの中央部）にて混合気の点火を行うことができる。一方、電磁波発生電源１−２が周波数ｆｒｅｑ２の電磁波を発生させ電磁波放射器４から燃焼室３内へ周波数ｆｒｅｑ２の電磁波が放射されたときは、各点火用電極１０−２の近傍（ピストン頂面１１ａの中央部の周囲）にて混合気の点火を行うことができる。また、電磁波発生電源１−１，１−２が周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の電磁波をそれぞれ発生させ電磁波放射器４から燃焼室３内へ周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の電磁波が放射されたときは、点火用電極１０−１，１０−２の近傍（ピストン頂面１１ａの中央部及びその周囲）にて混合気の点火を行うことができる。このように、図１７，１８に示す構成例においては、燃焼室３内へ放射する電磁波の周波数を制御することで、混合気の点火箇所を制御することができる。したがって、燃焼室３内の混合気の点火をより適切に行うことができ、より急速かつ安定した燃焼を実現することができる。

なお、図１９に示す筒内噴射式内燃機関においても、燃焼室３内へ放射する電磁波の周波数を制御することで、混合気の点火箇所を制御することができる。図１９に示す筒内噴射式内燃機関の構成例においては、燃料を噴射する燃料噴射弁１５が燃焼室３に臨む状態でシリンダヘッド２２に配設されている。ピストン頂面１１ａにはキャビティ部１６が形成されており、環状の点火用電極１０−１がキャビティ部１６に絶縁体１２を介した状態で取り付けられている。そして、ピストン頂面１１ａにおけるキャビティ部１６の周囲には、複数の環状の点火用電極１０−２が絶縁体１２を介した状態でピストン頂面１１ａの周方向に間隔をおいて配列されている。ここで、点火用電極１０−１のサイズは点火用電極１０−２のサイズより大きく設定されており、点火用電極１０−１の配設長さｘ１は点火用電極１０−２の配設長さｘ２より長い。なお、点火用電極１０−１については、キャビティ部１６の近傍に配置してもよい。

図１９に示す構成例において、低負荷運転時には、圧縮行程後期にて燃料が燃料噴射弁１５から燃焼室３内へ噴射されることで、混合気がキャビティ部１６に形成される。このとき、キャビティ部１６の周囲はほぼ空気層となる。そして、電磁波発生電源１−１が周波数ｆｒｅｑ１の電磁波を発生させ電磁波放射器４から燃焼室３内へ周波数ｆｒｅｑ１の電磁波が放射されることで、キャビティ部１６（点火用電極１０−１の近傍）にて混合気の点火が行われる。これによって、低負荷運転時には、成層燃焼をキャビティ部１６にて行うことができる。ここではキャビティ部１６の周囲はほぼ空気層であるため、点火用電極１０−２の近傍にて放電を発生させる必要はない。

一方、高負荷運転時には、吸気行程にて燃料が燃料噴射弁１５から燃焼室３内へ噴射されることで、混合気が燃焼室３内のほぼ全域に形成される。そして、電磁波発生電源１−１，１−２が周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の電磁波をそれぞれ発生させ電磁波放射器４から燃焼室３内へ周波数ｆｒｅｑ１，ｆｒｅｑ２の電磁波が放射されることで、点火用電極１０−１，１０−２の近傍にて混合気の点火が行われる。これによって、高負荷運転時には、燃焼室３内の広範囲にて混合気の多点点火を行うことができ、急速かつ安定した燃焼を行うことができる。以上のように、図１９に示す構成例においては、燃焼室３内の混合気の点火を内燃機関の運転状態に応じてより適切に行うことができる。

以上の図１７〜１９に示す構成例においては、点火用電極１０−１のサイズを点火用電極１０−２のサイズより小さく設定するとともに周波数ｆｒｅｑ１を周波数ｆｒｅｑ２より高く設定してもよい。また、点火用電極１０−１をピストン頂面１１ａの中央部に複数設けることもできる。

また、以上の図１７〜１９に示す構成例においては、電磁波放射器４を燃焼室３に臨ませる状態で配設した場合について説明したが、電磁波放射器４を吸気通路６に臨ませる状態で配設することもできる。

図２０に示す構成例においては、前述の図１４に示す構成例と比較して、吸気通路６の中心部に配置されている吸気弁８の軸部８ｂが導電体により構成されていることで、吸気通路６の中心部における電磁波放射位置（電磁波放射器４の配設位置）より下流に導電部が配設されている。これによって、吸気通路６における電磁波放射位置より下流に同軸伝送路が形成されている。なお、吸気弁８の軸部８ｂの導電体は、その一端が傘部８ａの中心部を通されて傘部８ａの底面まで延びている。また、吸気弁８の軸部８ｂが吸気管を貫通する部分に絶縁体８ｃが設けられていることで、軸部８ｂが吸気管と電気的に絶縁される。

前述の図１４に示す構成例では、吸気通路６が導波路として機能するので、電磁波放射器４から放射された電磁波を燃焼室３内へ伝搬させるために電磁波の周波数が吸気通路６の直径に制約を受けることになる。これに対して図２０に示す構成例では、電磁波放射位置より下流の吸気通路６を同軸伝送路として機能させることができるので、電磁波を燃焼室３内へ伝搬させるために電磁波の周波数が吸気通路６の直径に制約を受けることがない。したがって、電磁波放射器４に高耐熱性の材料を用いる必要がないとともに、電磁波の周波数や吸気通路６の直径に依存することなく電磁波を高効率で燃焼室３内へ伝搬させることができる。なお、図２０に示す構成例は、電磁波放射器４から複数の周波数の電磁波を放射する場合に特に有効となるが、電磁波放射器４から複数の周波数の電磁波を放射しない場合でも適用することができる。

また、本実施形態においては、以下に説明するように、電磁波を複数の異なる箇所から燃焼室３内へ向けて放射することもできる。

図２１，２２に示す構成例においては、複数の電磁波放射器４−１，４−２が燃焼室３に臨む状態でシリンダヘッド２２の異なる位置に配設されており、電磁波発生電源１が発生させた電磁波は、電磁波伝送路２−１を伝搬して電磁波放射器４−１から放射されるとともに、電磁波伝送路２−２を伝搬して電磁波放射器４−２から放射される。ここで、図２１は内部構成の概略を示し、図２２はピストン１１の上面図を示す。

そして、ピストン頂面１１ａの中央部に環状の点火用電極１０−１が配置されているとともに、その周囲に複数の環状の点火用電極１０−２がピストン頂面１１ａの周方向に間隔をおいて配列されている。ここでの各点火用電極１０−１，１０−２のサイズは等しく設定されている。各点火用電極１０−１，１０−２は、ピストン頂面１１ａに絶縁体１２（図２２では図示を省略）を介した状態で取り付けられており、周囲（ピストン１１）と電気的に絶縁されている。

さらに、電磁波伝送路２−２には、電磁波伝送路２−２を伝搬する電磁波の位相を調整することができる位相調整器として移相器２４が設けられている。この移相器２４における電磁波の移相量を調整することで、複数の電磁波放射器４−１，４−２から放射される電磁波の位相関係を調整することができる。

図２１，２２に示す構成例においては、複数の電磁波放射器４−１，４−２から放射される電磁波が燃焼室３内にて互いに干渉する。その際に、移相器２４における電磁波の移相量を制御して電磁波放射器４−１，４−２から放射される電磁波の位相差を制御することで、燃焼室３内における電磁波の強度分布を制御することができるので、混合気の点火箇所を制御することができる。例えば、移相器２４における電磁波の移相量を所定のΔθ１に制御することで、ピストン頂面１１ａの中央部における電界強度を周囲より高めることができる。したがって、点火用電極１０−１の近傍にてプラズマ放電を発生させることができ、点火用電極１０−１の近傍にて混合気の点火を行うことができる。一方、移相器２４における電磁波の移相量を所定のΔθ２（Δθ２≠Δθ１）に制御することで、ピストン頂面１１ａの周囲における電界強度を中央部より高めることができる。したがって、各点火用電極１０−２の近傍にてプラズマ放電を発生させることができ、各点火用電極１０−２の近傍にて混合気の点火を行うことができる。このように、図２１，２２に示す構成例においては、移相器２４の制御により混合気の点火箇所を制御することができるので、燃焼室３内の混合気の点火をより適切に行うことができ、より急速かつ安定した燃焼を実現することができる。なお、上記のΔθ１，Δθ２の値については、実験的または解析的に決定することができる。

なお、筒内噴射式内燃機関においても、移相器２４における電磁波の移相量を制御することで、混合気の点火箇所を制御することができる。その場合は、ピストン頂面１１ａに形成されたキャビティ部１６またはその近傍に点火用電極１０−１を配置し、その周囲に複数の点火用電極１０−２を配置する。そして、低負荷運転時には、移相器２４における電磁波の移相量をΔθ１に制御することで、キャビティ部１６（点火用電極１０−１の近傍）にて混合気を点火して成層燃焼を行う。一方、高負荷運転時には、移相器２４における電磁波の移相量をΔθ２に制御することで、各点火用電極１０−２の近傍にて混合気の多点点火を行う。以上の移相器２４の制御により、燃焼室３内の混合気の点火を内燃機関の運転状態に応じてより適切に行うことができる。

以上の図２１，２２に示す構成例においては、電磁波放射器４−１，４−２を燃焼室３に臨ませる状態で配設した場合について説明したが、例えば電磁波放射器４−１を吸気通路６に臨ませる状態で配設することもできる。また、図２１，２２に示す電磁波を複数の異なる箇所から燃焼室３内へ向けて放射する構成例と、図１７〜１９に示す複数の周波数の電磁波を燃焼室３内へ向けて放射する構成例とを組み合わせて用いることもできる。

また、以上の図１７〜２２に示す構成例においては、点火用電極１０−１，１０−２の形状が環状である場合について説明したが、前述したように他の形状の点火用電極１０−１，１０−２を用いることもできる。そして、点火用電極１０−１，１０−２については、燃焼室３に露出していてもよいし、ピストン頂面１１ａの近傍であれば燃焼室３に露出することなく絶縁体１２の内部に埋め込まれていてもよい。さらに、点火用電極１０−１，１０−２の配設箇所については、ピストン頂面１１ａ以外であってもよく、例えば吸気弁８及び排気弁９の少なくとも１つに配設することもできる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の点火装置の概略構成を内燃機関とともに示す図である。 点火用電極の構成例を示す上面図及び断面図である。 点火用電極の他の構成例を示す上面図である。 点火用電極の他の構成例を示す上面図である。 点火用電極の他の構成例を示す下面図である。 点火用電極の他の構成例を示す断面図である。 点火用電極の他の構成例を示す断面図である。 点火用電極の他の構成例を示す下面図である。 点火用電極の他の構成例を示す平面図である。 点火用電極の近傍における電界を説明する図である。 点火用電極の他の構成例を示す平面図である。 点火用電極の他の構成例を示す平面図である。 点火用電極の他の構成例を示す断面図である。 電磁波放射器の他の配設例を示す図である。 点火用電極の他の構成例を示す断面図である。 点火用電極の他の構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の点火装置の他の概略構成を内燃機関とともに示す図である。 点火用電極の他の構成例を示す上面図である。 点火用電極の他の構成例を示す断面図である。 電磁波放射器の他の配設例を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の点火装置の他の概略構成を内燃機関とともに示す図である。 点火用電極の他の構成例を示す上面図である。 従来における内燃機関の点火装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 電磁波発生電源、２ 電磁波伝送路、３ 燃焼室、４ 電磁波放射器、５，１５ 燃料噴射弁、６ 吸気通路、７ 排気通路、８ 吸気弁、８ａ，９ａ 傘部、９ 排気弁、１０ 点火用電極、１１ ピストン、１１ａ ピストン頂面、１２ 絶縁体、１３ 内燃機関、１４ 導電性の網、１６ キャビティ部、２０ シリンダブロック、２２ シリンダヘッド。

Claims (16)

1. 燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
   電磁波を発生させる電磁波発生源と、
   該電磁波発生源にて発生した電磁波を燃焼室内へ向けて放射する電磁波放射器と、
   燃焼室に臨む面または該面近傍に配設された電極であって、該電極近傍にて燃焼室内の電磁波の電界強度を局所的に高める点火用電極と、
   を備え、
   前記点火用電極は、電気的ギャップが形成される形状を呈しており、
   前記点火用電極の電気的ギャップにて電磁波の電界強度を局所的に高めてプラズマ放電を発生させることで、燃焼室内の混合気の点火を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記点火用電極は、燃焼室に臨む面または該面近傍に周囲と電気的に絶縁された状態で配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記点火用電極は、環状、環状の電極に対し切り欠きが設けられた形状、矩形状、矩形状の電極に対し切り欠きが設けられた形状、複数の環状の電極が同心円状に配置された形状、同心円状に配置された環状の電極の各々に対し切り欠きが設けられた形状、及び、複数の棒状の電極が各電極間に電気的ギャップが形成されるように配置された形状のいずれかの形状を呈することを特徴とする内燃機関の点火装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記点火用電極は、燃焼室内の混合気の点火が複数箇所にて行われるように、複数配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記点火用電極として、複数の異なるサイズの電極が配設されており、
   前記電磁波発生源は、前記点火用電極の各サイズに対応した複数の周波数の電磁波を発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
6. 請求項４または５に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記電磁波放射器は、複数配設されており、
   複数の電磁波放射器から放射される電磁波の位相関係を調整する位相調整器をさらに備えることを特徴とする内燃機関の点火装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記点火用電極は、燃焼室に臨むピストン頂面またはその近傍に配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記点火用電極は、燃焼室に臨む吸気弁の傘部底面またはその近傍と、燃焼室に臨む排気弁の傘部底面またはその近傍と、の少なくとも１つに配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
9. 請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   内燃機関は、燃料を噴射する燃料噴射弁が燃焼室に臨む状態で配設され、燃焼室に臨むピストン頂面にキャビティ部が形成された筒内噴射式内燃機関であり、
   前記点火用電極は、該キャビティ部にて電磁波の電界強度を局所的に高めてプラズマ放電を発生させるように、該キャビティ部またはその近傍に配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
    前記電磁波放射器は、燃焼室に臨む状態でシリンダヘッドに配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
11. 請求項１〜９のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
    前記電磁波放射器は、吸気通路に臨む状態で配設されていることで電磁波を吸気通路へ放射し、
    吸気通路と燃焼室との連通を開閉する吸気弁の傘部に、吸気通路に放射された電磁波を燃焼室内へ透過させる電磁波透過部材が配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
12. 請求項１１に記載の内燃機関の点火装置であって、
    吸気通路における電磁波放射位置より上流に、電磁波を遮断または減衰させる手段が配設されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
13. 請求項１１または１２に記載の内燃機関の点火装置であって、
    吸気通路の中心部における電磁波放射位置より下流に導電部が配設されていることで、吸気通路における電磁波放射位置より下流に同軸伝送路が形成されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
14. 請求項１３に記載の内燃機関の点火装置であって、
    前記導電部は、吸気通路の中心部に配置された吸気弁の軸部に設けられていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１に記載の内燃機関の点火装置であって、
    前記点火用電極の配設長さは、ｎを自然数とすると、電磁波の波長のｎ／４倍に略等しいことを特徴とする内燃機関の点火装置。
16. 燃焼室内の混合気の点火を点火装置により行う内燃機関であって、
    該点火装置が、請求項１〜１５のいずれか１に記載の点火装置であることを特徴とする内燃機関。

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