JP5061335B2 - シリンダヘッドを用いたプラズマ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の技術分野に属し、シリンダヘッドを備えた内燃機関の燃焼室における燃焼の改善に関する。

特許文献１は、シリンダ及びピストンから構成され、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応室と、反応性ガスと酸化ガスとの混合気を高圧で噴射することで反応性ガスと酸化ガスとの混合気を圧縮して温度を上昇させ、自着火させる手段と、上記燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段と、上記自着火させる手段及び上記マイクロ波放射手段を制御する制御手段とを備え、上記マイクロ波放射手段及び上記着火手段は、上記制御手段によって制御されることにより、上記マイクロ波放射手段が上記燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射してこの燃焼・反応領域における混合気中の水分から多量のヒドロキシル（ＯＨ）ラジカル、オゾン（Ｏ３）を発生させた後に、化学的に酸化、反応させ、上記自着火させる手段が上記混合気に対し着火し、多量のＯＨラジカル、オゾンによってこの燃焼・反応領域における混合気の燃焼を促進させるというサイクルを繰り返すことを特徴とする内燃機関を開示している。

特許文献２ないし４は、燃焼室に電界を形成するようにした内燃機関を開示している。このうち特許文献２は、シリンダウォールを有するシリンダブロックと、上記シリンダブロック上に配置されるシリンダヘッドと、上記シリンダブロック内に配置されるピストンと、上記シリンダウォール、シリンダヘッド及びピストンから形成される燃焼室と、エンジン燃焼中に燃焼室に電界を印加する電界印加手段とを備えた内燃機関を開示している。この内燃機関では、火炎に電界が印加されると、イオンが火炎内に移動して互いに衝突して火炎伝播速度が増加すると共に、既に燃焼したガスの中のイオンが燃焼しなかったガスに移動して燃焼しなかったガスの化学反応を変化させる。これによって、火炎の温度が一定に維持されエンジンのノッキングが抑制される。

特開２００７−１１３５７０号公報 特開２０００−１７９４１２号公報 特開２００２−２９５２５９号公報 特開２００２−２９５２６４号公報

本発明者は、特許文献１に開示された内燃機関における燃焼促進のメカニズムを推定し、それについて一定の知見を得た。それは、まず放電により小規模のプラズマが形成され、これに一定時間マイクロ波を照射すると、このマイクロ波パルスにより上記プラズマが拡大成長し、これによって混合気中の水分から大量のＯＨラジカルやオゾンが短時間で生成され、これらによって空気と燃料との混合気の燃焼反応が促進されるというものである。このプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムは、特許文献２ないし４が開示するところのイオンによる火炎伝播速度の増加という燃焼促進メカニズムとは全く異なる。

特許文献２の技術では、上記電界印加手段は燃焼室に電界を印加するように配置された伝導体部材を備えている。この伝導体部材は、好ましくは約１．０ｍｍの直径を有するニクロム線であり、これをシリンダブロックのシリンダウォール内に挿入される環状絶縁体に設けられた環状溝内に形成している。このように特許文献２ないし４の技術は、従来の内燃機関において主要な構造部材であるシリンダブロックなどに大幅に手を加えなければならない。そのため、これらの内燃機関は設計に要する工数が大きくなり、また既存の内燃機関との間で多くの部品の共通化を図ることができない。

本発明は、このような点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、出来るだけ既存の内燃機関を利用して上記したプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムを容易に実現し、これによって当該内燃機関の設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化を実現することができるシリンダヘッドを用いたプラズマ装置を提供することにある。

本発明は、シリンダが貫通して設けられたシリンダブロックと、このシリンダに往復自在に嵌まるピストンと、上記シリンダブロックの反クランクケース側に組み付けられたシリンダヘッドとにより燃焼室を形成する内燃機関に設けられるシリンダヘッドを用いたプラズマ装置である。このシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、
上記燃焼室に露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置と、
上記シリンダヘッドから燃焼室へ突出して設けられたアンテナと、
このアンテナを覆うように上記シリンダヘッドから燃焼室側へ膨出して設けられた絶縁体又は誘電体よりなる膨出部と、
上記シリンダヘッドに設けられ、一端が上記アンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてシリンダヘッド外壁まで貫通して延びる電磁波伝送路と、
この電磁波伝送路に電磁波を供給する電磁波発生装置とを備え、
アンテナの先端は、上記放電装置の電極に指向して設けられ、
圧縮行程に放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成している。

内燃機関の作動時における圧縮行程に上記放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射する。そうすると、電極の近傍に放電によりプラズマが形成され、このプラズマはアンテナから一定時間供給された電磁波、つまり電磁波パルスからエネルギの供給を受け、プラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から燃焼が促進される。すなわち、電極近傍の電子が加速され、上記プラズマの領域外へ飛び出す。この飛び出した電子は、上記プラズマの周辺領域にある空気、燃料及び空気の混合気などのガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離しプラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた電磁波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。

以上の動作により、プラズマの体積が増大する。この後、電磁波パルスの放射が終了すると、その時点でプラズマの存在する領域では、電離より再結合が優位になる。その結果、電子密度が低下する。それに伴いプラズマの体積は減少に転じる。そして、電子の再結合が完了すると、プラズマが消滅する。この間に大量に形成されたプラズマにより混合気中の水分などから大量に生成されたＯＨラジカル、オゾンにより混合気の燃焼が促進される。

その場合、既存の内燃機関に較べると主要な構造部材であるシリンダブロックなどをそのまま利用し、これらにシリンダヘッドの改造を行い、もともと点火プラグが必須である内燃機関は別としてそうでない内燃機関にはシリンダヘッドに放電装置を設ければよい。そのため、当該内燃機関の設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化が実現される。また、膨出部によりアンテナが燃焼室から受ける熱負荷およびアンテナが受ける機械的振動による疲労が軽減される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置によれば、電極で放電により形成されたプラズマにアンテナからの電磁波パルスが集中的に放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、燃焼が一層促進される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、
ピストン往復方向からみて、
上記電極が燃焼室の中心付近に配置されており、
上記アンテナが、上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かう途中に設けられていてもよい。

このようにすれば、電極の近傍に放電により形成されたプラズマはアンテナから放射された電磁波パルスからエネルギの供給を受けて体積が増大するが、このアンテナが上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かう途中に設けられているので、大量のプラズマが上記電極からシリンダ壁に対応する部位まで分布し、このプラズマによって大量生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより、燃焼火炎が上記電極からシリンダ壁へと向かうことになる。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、
ピストン往復方向からみて、
上記電極が燃焼室の中心付近に配置されており、
複数の上記アンテナが、上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かって並ぶように設けられていてもよい。

このようにすれば、電極の近傍に放電により形成されたプラズマはアンテナから放射された電磁波パルスからエネルギの供給を受けて体積が増大するが、このアンテナが上記電極からシリンダ壁に対応する部位まで並ぶので、大量のプラズマが上記電極からシリンダ壁に対応する部位まで分布し、このプラズマによって大量生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより、燃焼火炎が上記電極からシリンダ壁へと向かうことになる。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、
上記電極及びアンテナが、この電極とアンテナとを結ぶ仮想的な線が、シリンダヘッドにおいて吸気バルブにより開閉される単数又は複数の吸気ポート及び排気バルブにより開閉される単数又は複数の排気ポートのうち隣接する二つのポートの間を通るように配置されていてもよい。

このようにすれば、ポート間の面を有効に利用してアンテナが配置される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、
上記アンテナに電磁波を供給したときにアンテナに生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられていてもよい。

このようにすれば、電極で放電により形成されたプラズマに、近くにあるアンテナからの電磁波パルスが放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、燃焼が一層促進される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置を用いれば、出来るだけ既存の内燃機関を利用して上記したプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムを容易に実現することができ、これによって当該内燃機関の設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化を実現することができる。

上記アンテナの先端を上記放電装置の電極に指向して設けたときは、電極で放電により形成されたプラズマにアンテナからの電磁波パルスが集中的に放射されるので、燃焼を一層促進させることができる。

上記電極を燃焼室の中心付近に配置し、上記アンテナを上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かって延ばしたときは、燃焼火炎を上記電極からシリンダ壁へと向かわせることができる。

上記電極を燃焼室の中心付近に配置し、複数の上記アンテナを上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かって並ぶように設けたときは、燃焼火炎を上記電極からシリンダ壁へと向かわせることができる。

上記電極及びアンテナを、これらを結ぶ仮想的な線が、隣接する二つのポートの間を通るように配置したときは、ポート間の面を有効に利用してアンテナを配置することができる。

アンテナに電磁波を供給したときにアンテナに生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極を位置づけたときは、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成されるので、燃焼を一層促進することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は、本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置を備えた内燃機関Ｅの実施形態を示す。本発明が対象とする内燃機関は往復動機関であるが、この実施形態の内燃機関Ｅは、４サイクルのガソリン機関である。１００はシリンダブロックであって、このシリンダブロック１００には横断面がほぼ円形のシリンダ１１０が貫通して設けられ、このシリンダ１１０には、横断面がシリンダ１１０に対応したほぼ円形の形状をしたピストン２００が往復自在に嵌っている。このシリンダブロック１００の反クランクケース側には、シリンダヘッド３００が組み付けられており、このシリンダヘッド３００と、ピストン２００と、シリンダ１１０とにより、燃焼室４００を形成している。９１０は一端がピストン２００に連結され、他端が出力軸であるクランクシャフト９２０に連結されたコネクティングロッドである。シリンダヘッド３００には、一端が上記燃焼室４００に接続し且つ他端がシリンダヘッド３００の外壁に開口して吸気通路の一部を構成する吸気ポート３１０と、一端が上記燃焼室４００に接続し且つ他端がシリンダヘッド３００の外壁に開口して排気通路の一部を構成する排気ポート３２０が設けられている。シリンダヘッド３００には、吸気ポート３１０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するガイド孔３３０が設けられ、このガイド孔３３０に吸気バルブ５１０の棒形のバルブステム５１１が往復自在に嵌まっており、カムなどを有する動弁機構（図示省略）によりバルブステム５１１の先端に設けられた傘形のバルブヘッド５１２によって吸気ポート３１０の燃焼室側の開口３１１を所定タイミングでもって開閉するように構成している。また、シリンダヘッド３００には、排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するガイド孔３４０が設けられ、このガイド孔３４０に排気バルブ５２０の棒形のバルブステム５２１が往復自在に嵌まっており、カムなどを有する動弁機構（図示省略）によりバルブステム５２１の先端に設けられた傘形のバルブヘッド５２２によって排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を所定タイミングでもって開閉するように構成している。８１０は一対の電極８１２、８１３が燃焼室４００に露出するようにシリンダヘッド３００に設けられた点火プラグであって、ピストン２００が上死点付近にあるときに電極で放電するように構成されている。よって、ピストン２００が上死点と下死点との間を２往復する間に、燃焼室４００において混合気の吸入、圧縮、爆発、及び排気ガスの排気の４つの行程を行うようにしている。しかし、この実施形態によって本発明が対象とする内燃機関が限定解釈されることはない。本発明は２サイクルの内燃機関、ディーゼル機関も対象にしている。対象とするガソリン機関には、燃焼室に吸入した空気に燃焼室で燃料を噴射して混合気を形成する直噴式ガソリン機関も含まれる。また対象とするディーゼル機関には、燃焼室に燃料を噴射する直噴式ディーゼル機関も、副室に燃料を噴射するようにした副室式ディーゼル機関も含まれる。また、この実施形態の内燃機関Ｅは４気筒であるが、これによって本発明が対象とする内燃機関の気筒数が限定解釈されることはない。また、この実施形態の内燃機関は２本の吸気バルブ５１０と２本の排気バルブ５２０を設けているが、これによって本発明が対象とする内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブの本数が限定解釈されることはない。７００は、シリンダブロック１００とシリンダヘッド３００との間に装着されたガスケットである。

上記点火プラグ８１０は、本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置の放電装置８１０としても機能する。この放電装置８１０は、シリンダヘッド３００における燃焼室４００を構成する壁に取り付けられており、燃焼室４００の外側に配置された接続部８１１と、上記接続部８１１に電気的に接続された第１の電極８１２と、シリンダヘッド３００に接触して接地された第２の電極８１３とを備えており、この第１の電極８１２と第２の電極８１３とが所定の隙間をあけて対向し、いずれも上記燃焼室４００に露出している。放電装置８１０は、放電用の電圧を発生させる放電用電圧発生装置９５０に接続されている。ここでは放電用電圧発生装置９５０は１２Ｖの直流電源及び点火コイルである。このシリンダヘッド３００を接地し、接続部８１１を放電用電圧発生装置９５０に接続し、シリンダへッド３００と接続部８１１との間に電圧を印加すると、第１の電極８１２と第２の電極８１３との間で放電するようになっている。このように一対の電極を設けずに、放電装置の電極と燃焼室を構成する壁、又はその他の接地部材との間で放電させるようにしてもよい。内燃機関が例えばディーゼルエンジンであるときは、本来、点火プラグを備えていないので、燃焼室に露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置を新たに設けることになる。その場合、放電装置としてここで説明したような点火プラグを設け、これを放電用電圧発生装置に接続してもよい。しかし、放電装置は、放電により規模の大小を問わずプラズマを形成できるものであればよいので、点火プラグでなくてもよく、例えば圧電素子又はその他の装置であってもよい。

シリンダヘッド３００には、アンテナ８２０が燃焼室４００へ電磁波を放射できるように設けられている。シリンダヘッド３００の燃焼室４００を構成する壁には、この壁を燃焼室側から外壁まで貫通する孔が設けられ、この孔の燃焼室側の開口付近に内側支持体３７０が設けられ、それよりも外側に内側支持体３７０と連続するように管状の外側支持体３８０が設けられている。これらの内側支持体３７０及び外側支持体３８０はセラミックスで形成されている。このように内側支持体３７０及び外側支持体３８０を誘電体により形成してもよいが、絶縁体により形成してもよい。そして、内側支持体３７０のなかにアンテナ８２０が設けられている。このアンテナ８２０は金属により形成されている。このアンテナは電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよいが、アンテナと接地部材との間に電磁波を供給したときにアンテナから燃焼室へ電磁波が良好に放射されなければならない。このアンテナ８２０は棒形に形成されて上記孔の燃焼室側の開口付近に配置されており、上記シリンダヘッド３００から燃焼室４００へ突出して設けられている。上記内側支持体３７０は、上記アンテナ８２０を覆うように上記シリンダヘッド３００の燃焼室４００を構成する壁から燃焼室側へ膨出して設けられた膨出部３７１を有している。この膨出部３７１は絶縁体又は誘電体で形成すればよいが、ここでは内側支持体３７０の一部をなすのでセラミックスで形成されている。膨出部を内側支持体と別異の材質で形成してもよい。例えば、このアンテナ８２０の長さを電磁波の４分の１波長に設定すると、アンテナ８２０に定在波が生じるので、アンテナ８２０の先端付近で電磁波の電界強度が大になる。また、例えば、このアンテナ８２０の長さを電磁波の４分の１波長の倍数に設定すると、アンテナ８２０に定在波が生じるため、アンテナ８２０の複数箇所で定在波の腹が生じて電磁波の電界強度が大になる。ここではアンテナ８２０は内側支持体３７０に埋まっている。アンテナ８２０の断面は全長にわたってほぼ中実の円形に形成されているが、本発明のプラズマ装置のアンテナは、断面形が中実の矩形に限定されない。さらに、上記アンテナ８２０に電磁波を供給したときにアンテナ８２０に生じる電磁波の電界強度が大になる部位の近傍に上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３が位置づけられている。ここではアンテナ８２０の先端と第１の電極８１２及び第２の電極８１３とがシリンダヘッド３００における燃焼室４００を構成する壁に沿って所定間隔をあけて接近するように配置されている。よって、アンテナ８２０と上記した接地したシリンダヘッド３００との間に電磁波を供給すると、アンテナ８２０から燃焼室４００へ電磁波を放射するようになっている。この実施形態の場合、上記アンテナ８２０は棒形のモノポールアンテナであり、そのなかでも屈曲したものであるが、本発明のプラズマ装置のアンテナは、これに限定されない。したがって、本発明のプラズマ装置のアンテナは、例えば、ダイポールアンテナ、八木・宇田アンテナ、単線給電アンテナ、ループアンテナ、位相差給電アンテナ、接地アンテナ、非接地型垂直アンテナ、ビームアンテナ、水平偏波全方向性アンテナ、コーナーアンテナ、くし形アンテナ、若しくはその他の線形アンテナ、マイクロストリップアンテナ、板形逆Ｆアンテナ、若しくはその他の平面アンテナ、スロットアンテナ、パラボラアンテナ、ホーンアンテナ、ホーンリフレクタアンテナ、カセグレンアンテナ、若しくはその他の立体アンテナ、ビバレージアンテナ、若しくはその他の進行波アンテナ、スター型ＥＨアンテナ、ブリッジ型ＥＨアンテナ、若しくはその他のＥＨアンテナ、バーアンテナ、微小ループアンテナ、若しくはその他の磁界アンテナ、又は誘電体アンテナであってもよい。

上記シリンダヘッド３００には、電磁波伝送路８３０が設けられている。電磁波伝送路８３０は一端が上記アンテナ８２０に接続し、他端が誘電体に覆われてシリンダヘッド３００の外壁まで貫通して延びている。電磁波伝送路８３０は上記外側支持体３８０なかに設けられている。この電磁波伝送路８３０は銅線により形成されている。電磁波伝送路８３０は電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよいが、接地部材との間に電磁波を供給したときにアンテナ８２０へ電磁波が良好に伝送されなければならない。電磁波伝送路の変形例の一つとして、電気伝導体又は誘電体により形成された導波管よりなる電磁波伝送路がある。ここでは電磁波伝送路８３０が外側支持体３８０に埋まっており、外側支持体３８０のなかを通っている。電磁波伝送路８３０の一端が上記アンテナ８２０に接続しており、他端がシリンダヘッド３００の外壁から外部へ引き出されている。よって、電磁波伝送路８３０と接地部材であるシリンダヘッド３００との間に電磁波を供給すると、電磁波をアンテナ８２０に導くようになっている。

内燃機関Ｅ又はその周辺には、上記電磁波伝送路８３０に電磁波を供給する電磁波発生装置８４０が設けられている。この電磁波発生装置８４０は電磁波を発生するが、この実施形態の電磁波発生装置８４０は、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波を発生するマグネトロンである。しかし、これによって本発明のプラズマ装置の電磁波発生装置の構成は限定解釈されない。

図１に示すように、上記アンテナ８２０は、孔の延びる方向に沿ってシリンダヘッド３００の外壁側から燃焼室４００へ向かって延びてからＬ字形に曲がり、先端がシリンダヘッド３００の燃焼室４００を構成する壁に沿って上記放電装置８１０の第１の電極８１２及び第２の電極８１３に指向している。また、図２に示すように、ピストン２００が往復する方向からみたときに、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３は燃焼室４００の中心付近に配置されている。そして、上記アンテナ８２０は、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位に向かう途中に設けられている。さらに、この実施形態では排気バルブ５２０が複数設けられている。ここでは排気バルブ５２０が２つ設けられている。そして、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３並びにアンテナ８２０が、この第１の電極８１２及び第２の電極８１３とアンテナ８２０とを結ぶ仮想的な線が、シリンダヘッド３００において二つの吸気ポート３１０及び二つの排気ポート３２０のうち隣接する二つの排気ポート３２０の間を通るように配置されている。

そして、このプラズマ装置は、圧縮行程に放電装置８１０の第１の電極８１２と第２の電極８１３との間で放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射するように構成している。シリンダヘッド３００は接地されており、放電用電圧発生装置９５０及び電磁波発生装置８４０の接地端子は接地されている。そして、放電用電圧発生装置９５０及び電磁波発生装置８４０の作動は制御装置８８０により制御される。制御装置８８０はＣＰＵ、メモリ、記憶装置などを備えており、入力信号を演算処理して制御用信号を出力する。この制御装置８８０にはクランクシャフト９２０のクランク角を検出するクランク角検出装置８９０の信号線が接続され、このクランク角検出装置８９０から制御装置８８０へクランクシャフト９２０のクランク角の検出信号が送られてくる。よって、制御装置８８０はクランク角検出装置８９０からの信号を受け、放電装置８１０及び電磁波発生装置８４０の作動を制御する。しかし、これによって本発明のプラズマ装置の制御方法及び信号入出力の構成は限定解釈されない。

従って、内燃機関Ｅの作動時における圧縮行程に上記放電装置８１０の第１の電極８１２と第２の電極８１３との間で放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射する。そうすると、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍に放電によりプラズマが形成され、このプラズマはアンテナ８２０から一定時間供給された電磁波、つまり電磁波パルスからエネルギの供給を受け、プラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から燃焼が促進される。すなわち、電極近傍の電子が加速され、上記プラズマの領域外へ飛び出す。この飛び出した電子は、上記プラズマの周辺領域にある空気、燃料及び空気の混合気などのガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離しプラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた電磁波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。以上の動作により、プラズマの体積が増大する。この後、電磁波パルスの放射が終了すると、その時点でプラズマの存在する領域では、電離より再結合が優位になる。その結果、電子密度が低下する。それに伴いプラズマの体積は減少に転じる。そして、電子の再結合が完了すると、プラズマが消滅する。この間に大量に形成されたプラズマにより混合気中の水分などから大量に生成されたＯＨラジカル、オゾンにより混合気の燃焼が促進される。

その場合、既存の内燃機関に較べると主要な構造部材であるシリンダブロック１００などをそのまま利用し、これらにシリンダヘッド３００の改造を行い、この実施形態のようにもともと点火プラグ８１０が必須である内燃機関Ｅは別としてそうでない内燃機関にはシリンダヘッドに放電装置を設ければよい。そのため、当該内燃機関の設計工数の最小化及び既存の内燃機関との多くの部品の共通化が実現される。また、膨出部３７１によりアンテナ８２０が燃焼室４００から受ける熱負荷およびアンテナ８２０が受ける機械的振動による疲労が軽減される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、アンテナはシリンダヘッドから燃焼室へ突出して設けられておればよく、アンテナの先端の向きを限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、上記アンテナ８２０の先端が上記放電装置８１０の第１の電極８１２及び第２の電極８１３に指向して設けられている。このようにすれば、第１の電極８１２とび第２の電極８１３との間で放電により形成されたプラズマにアンテナ８２０からの電磁波パルスが集中的に放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、燃焼が一層促進される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、上記シリンダヘッドに設けられた放電装置に電極が、燃焼室に露出するように設けられておればよく、電極の位置を限定しない。また、上記アンテナはシリンダヘッドから燃焼室へ突出して設けられておればよく、アンテナの位置を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、ピストン往復方向からみて、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３を燃焼室４００の中心付近に配置し、上記アンテナ８２０を、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位に向かう途中に設けた。このようにすれば、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍に放電により形成されたプラズマはアンテナ８２０から放射された電磁波パルスからエネルギの供給を受けて体積が増大するが、このアンテナ８２０が上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位に向かう途中に設けられているので、大量のプラズマが上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位まで分布し、このプラズマによって大量生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより、燃焼火炎が上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁へと向かうことになる。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、電極とアンテナとの相対位置を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３並びにアンテナ８２０を、この第１の電極８１２及び第２の電極８１３とアンテナ８２０とを結ぶ仮想的な線が、シリンダヘッド３００において二つの吸気ポート３１０及び二つの排気ポート３２０のうち隣接する二つの排気ポート３２０の間を通るように配置した。このようにすれば、排気ポート３２０の間の面を有効に利用してアンテナ８２０が配置される。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、アンテナと電極との位置関係を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置は、上記アンテナ８２０に電磁波を供給したときにアンテナ８２０に生じる電磁波の電界強度が大になる部位の近傍に第１の電極８１２及び第２の電極８１３を位置づけた。このようにすれば、第１の電極８１２及び第２の電極８１３で放電により形成されたプラズマに、近くにあるアンテナ８２０からの電磁波パルスが放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、燃焼が一層促進される。

次に、本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置の第２実施形態を説明する。この第２実施形態のプラズマ装置は、アンテナ８２０の数及び配置のみが第１実施形態のプラズマ装置と異なっている。第１実施形態のプラズマ装置では、設けたアンテナ８２０が一つであった。これに対し、図３に示した第２実施形態のプラズマ装置では、これと同じアンテナ８２０を複数設けている。ピストン２００が往復する方向からみて、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３が燃焼室４００の中心付近に配置されている。また、ピストン２００が往復する方向からみて、複数の上記アンテナ８２０が、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位に向かって並ぶように設けられている。ここではピストン２００が往復する方向からみて中心から放射状に延びる４方向に沿ってそれぞれ３つのアンテナ８２０が並んでいる。隣り合う各方向はほぼ９０度の角度をなしている。また、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３並びにアンテナ８２０が、この第１の電極８１２及び第２の電極８１３とアンテナ８２０とを結ぶ仮想的な線が、シリンダヘッド３００において二つの吸気ポート３１０及び二つの排気ポート３２０のうち隣接する二つのポートの間を通るように配置されている。

本発明のプラズマ装置の第２実施形態は、ピストン往復方向からみて、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３を燃焼室４００の中心付近に配置し、複数の上記アンテナ８２０を、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位に向かって並ぶように設けた。このようにすれば、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍に放電により形成されたプラズマはアンテナ８２０から放射された電磁波パルスからエネルギの供給を受けて体積が増大するが、このアンテナ８２０が上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位まで並ぶので、大量のプラズマが上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３からシリンダ壁に対応する部位まで分布し、このプラズマによって大量生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより、燃焼火炎が上記電極からシリンダ壁へと向かうことになる。

本発明のプラズマ装置の第２実施形態は、上記第１の電極８１２及び第２の電極８１３並びにアンテナ８２０を、この第１の電極８１２及び第２の電極８１３とアンテナ８２０とを結ぶ仮想的な線が、シリンダヘッド３００において二つの吸気ポート３１０及び二つの排気ポート３２０のうち隣接する二つのポートの間を通るように配置した。このようにすれば、ポート間の面を有効に利用してアンテナ８２０を配置することができる。その他の作用及び効果は第１実施形態のプラズマ装置の場合と同様である。

本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置では、一対の電極、又は電極及びこれと対をなす接地部材は、誘電体により被覆されていてもよい。この場合、電極間又は電極と設置部材の間に印加された電圧によって、誘電体バリア放電が行われる。誘電体バリア放電では、電極又は接地部材を覆う誘電体表面に電荷が蓄積され放電が制限されるため、放電はごく短時間に且つごく小規模に行われる。放電が短期間で終了するため周辺部の熱化が起こらない。すなわち電極間での放電によるガスの温度上昇が低減する。ガスの温度上昇の低減は、内燃機関でのＮＯXの発生量低減に資する。

本発明は、以上の実施形態の特徴を組み合わせた実施形態を含んでいる。また、以上の実施形態は本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置のいくつかの例を示したに過ぎない。したがって、これらの実施形態の記載によって本発明のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置が限定解釈されることはない。

本発明の第１実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置を備えた実施形態の内燃機関の燃焼室付近における縦断面図である。 本発明の第１実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置を備えた実施形態の内燃機関のシリンダブロックをピストン往復方向に向いた面で断面して拡大した拡大横断面図である。 本発明の第２実施形態のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置を備えた実施形態の内燃機関のシリンダブロックをピストン往復方向に向いた面で断面して拡大した拡大横断面図である。

Ｅ 内燃機関
１００ シリンダブロック
１１０ シリンダ
２００ ピストン
３００ シリンダヘッド
３７１ 膨出部
４００ 燃焼室
８１０ 放電装置
８１２ 第１の電極
８１３ 第２の電極
８２０ アンテナ
８３０ 電磁波伝送路
８４０ 電磁波発生装置

Claims (5)

1. シリンダが貫通して設けられたシリンダブロックと、このシリンダに往復自在に嵌まるピストンと、上記シリンダブロックの反クランクケース側に組み付けられたシリンダヘッドとにより燃焼室を形成する内燃機関に設けられるシリンダヘッドを用いたプラズマ装置であって、
   上記燃焼室に露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置と、
   上記シリンダヘッドから燃焼室へ突出して設けられたアンテナと、
   このアンテナを覆うように上記シリンダヘッドから燃焼室側へ膨出して設けられた絶縁体又は誘電体よりなる膨出部と、
   上記シリンダヘッドに設けられ、一端が上記アンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてシリンダヘッド外壁まで貫通して延びる電磁波伝送路と、
   この電磁波伝送路に電磁波を供給する電磁波発生装置とを備え、
   上記アンテナの先端は、上記放電装置の電極に指向して設けられ、
   圧縮行程に放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成したシリンダヘッドを用いたプラズマ装置。
2. ピストン往復方向からみて、
   上記電極が燃焼室の中心付近に配置されており、
   上記アンテナが、上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かう途中に設けられている請求項１のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置。
3. ピストン往復方向からみて、
   上記電極が燃焼室の中心付近に配置されており、
   複数の上記アンテナが、上記電極からシリンダ壁に対応する部位に向かって並ぶように設けられている請求項１または請求項２のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置。
4. 上記電極及びアンテナが、この電極とアンテナとを結ぶ仮想的な線が、シリンダヘッドにおいて吸気バルブにより開閉される単数又は複数の吸気ポート及び排気バルブにより開閉される単数又は複数の排気ポートのうち隣接する二つのポートの間を通るように配置されている請求項２又は請求項３のシリンダヘッドを用いたプラズマ装置。
5. 上記アンテナに電磁波を供給したときにアンテナに生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられている請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項の
   シリンダヘッドを用いたプラズマ装置。_

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