JP6023956B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置を備えた内燃機関に関するものである。

従来から、燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置を備えた内燃機関が知られている。このような内燃機関が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、点火またはプラズマ発生装置が設けられた内燃機関が記載されている。点火またはプラズマ発生装置は、高電圧パルスとマイクロ波パルスを混合して点火プラグへ供給することで、燃焼室の混合気に点火する。

また、従来から、燃焼室においてタンブル流などの所定のガス流動が生じるように構成された内燃機関が知られている。このような内燃機関では、ガス流動により混合気をかき混ぜることで、燃料分布の均一化を図っている。

特開２００９−３６１９８号公報

ところで、燃焼室で所定のガス流動（例えば、タンブル流）が形成される内燃機関では、放電装置により生成された放電プラズマが、ガス流動によって流される。そのため、そのような内燃機関に電磁波放射装置を適用し放電ギャップへ電磁波を放射しても、放電プラズマの大部分が放電ギャップに残っておらず、電磁波のエネルギーを放電プラズマへ効果的に吸収させることができない。例えば、リーン限界を拡大するために燃焼室へ電磁波を放射する場合には、リーン限界を十分に拡大することができない。

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、燃焼室において所定のガス流動が生じる内燃機関において、放電装置により生成された放電プラズマに、電磁波放射装置から放射された電磁波のエネルギーを効果的に吸収させることにある。

第１の発明は、燃焼室において所定のガス流動が生じるように構成された内燃機関本体と、上記燃焼室に位置する放電ギャップにおいて放電プラズマを生成する放電装置と、電磁波を発振する電磁波発振器と、該電磁波発振器から供給された電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナとを有する電磁波放射装置とを備え、上記放電装置により放電プラズマを生成する放電動作と、上記電磁波発振器を駆動して上記アンテナから電磁波を放射する放射動作とを同時期に行うことによって、上記放電プラズマに電磁波のエネルギーを供給して上記燃焼室の混合気を着火させる内燃機関を対象とし、上記電磁波放射装置は、上記放射動作における上記アンテナの電磁波の放射位置が、上記放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して放電ギャップの下流において、上記ガス流動により流された放電プラズマに対面するように構成されている。

第１の発明では、放電動作および放射動作が同時期に行われる。放電装置は、放電プラズマを生成する。一方、電磁波放射装置は、アンテナから燃焼室へ電磁波を放射する。放射動作では、アンテナの電磁波の放射位置（輻射位置）が、放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して放電ギャップの下流において、ガス流動により流された放電プラズマに対面する。電磁波の放射先には、ガス流動によって流された放電プラズマが存在する。従って、アンテナから放射された電磁波のエネルギーが、放電プラズマに効果的に吸収される。

第２の発明は、第１の発明において、上記放射動作における電磁波の放射位置が上記ガス流動により流された放電プラズマに対面するアンテナを第１アンテナとした場合に、上記電磁波放射装置は、上記第１アンテナに加えて、電磁波放射用の第２アンテナを備え、上記放射動作における第２アンテナの電磁波の放射位置が、上記放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して第１アンテナの電磁波の放射位置よりも放電ギャップの下流に位置し、上記放電動作の際に上記第２アンテナから放射された電磁波により、上記ガス流動により流された放電プラズマに隣接する領域に、上記燃焼室において電界強度が相対的に強い強電界領域を形成する。

第２の発明では、放電動作の際に、第２アンテナから電磁波が放射され、第１アンテナから放射された電磁波のエネルギーを吸収した放電プラズマに隣接する領域に強電界領域が形成される。放電プラズマは、強電界領域の電界と反応する。放電プラズマには、第１アンテナおよび第２アンテナから電磁波のエネルギーが供給される。

第３の発明は、第２の発明において、上記電磁波放射装置が、上記第１アンテナ及び上記第２アンテナよりも上記放電装置から離れた第３アンテナを備え、上記混合気の着火後に、火炎面の到達前の領域に上記第３アンテナから電磁波を放射して電磁波プラズマを生成する。

第３の発明では、混合気の着火後の火炎伝播中に、火炎面が到達する前の領域に電磁波プラズマが生成される。電磁波プラズマは活性種を生成する。火炎面は、活性種が生成された領域を通過する。

第４の発明は、第３の発明において、上記第３アンテナが、上記燃焼室においてノッキングの発生頻度が相対的に高い領域に電磁波を放射するように配置されている。

第４の発明では、燃焼室においてノッキングの発生頻度が相対的に高い領域において、火炎面が到達する前に活性種が生成される。ここで、ノッキングが発生する場合は、ノッキングが発生する領域の手前で火炎面の速度が停滞し、ノッキングに至る。第４の発明では、ノッキングが発生しそうな領域において活性種が生成される。従って、火炎面の速度が停滞することが抑制される。

第５の発明は、第１の発明において、上記電磁波放射装置が、上記混合気の着火後に、上記アンテナから火炎面通過後の領域に電磁波を放射する。

第５の発明では、混合気の着火後に、アンテナから火炎面通過後の領域に電磁波が放射される。火炎通過後の領域は電磁波により温度が上昇し、混合気の酸化反応が促進される。そして、火炎面の後方の圧力上昇により、火炎の伝播が促進される。

第６の発明は、第１の発明において、上記アンテナが、上記電磁波の放射位置が絶縁体または誘電体により覆われている。

第７の発明は、第１の発明において、上記放射動作における上記アンテナの電磁波の放射位置と上記放電ギャップとを通る仮想の直線を挟むように、一対の浮遊電極が設けられている。

第７の発明では、放電ギャップにおいて形成された放電プラズマが、各浮遊電極側へ流れにくくなる。

第８の発明は、燃焼室において所定のガス流動が生じるように構成された内燃機関本体と、上記燃焼室に位置する放電ギャップにおいて放電プラズマを生成する放電装置と、電磁波を発振する電磁波発振器と、該電磁波発振器から供給された電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナとを有する電磁波放射装置とを備え、上記放電装置により放電プラズマを生成する放電動作と、上記電磁波発振器を駆動して上記アンテナから電磁波を放射する放射動作とを同時期に行うことによって、上記放電プラズマに電磁波のエネルギーを供給して上記燃焼室の混合気を着火させる内燃機関を対象とし、上記電磁波放射装置は、上記放射動作におけるアンテナの電磁波の放射位置が、上記放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して放電ギャップの下流に位置し、上記放電動作の際に上記アンテナから放射した電磁波により、上記ガス流動により流された放電プラズマに隣接する領域に、上記燃焼室において電界強度が相対的に強い強電界領域を形成する。

第８の発明では、放電動作の際に、アンテナから電磁波が放射され、放電プラズマに隣接する領域に強電界領域が形成される。放電プラズマは、強電界領域の電界と反応する。放電プラズマには、アンテナから電磁波のエネルギーが供給される。

本発明では、電磁波の放射先にガス流動によって流された放電プラズマが存在するので、その放電プラズマに電磁波のエネルギーが効果的に吸収される。従って、放電プラズマが流されることを想定していない従来の内燃機関に比べて、放電プラズマに吸収される電磁波のエネルギーを増大させることができ、反射する電磁波の強度を低減させることができる。そのため、希薄な混合気であっても安定的に着火させることができる。

また、第２の発明では、第１アンテナおよび第２アンテナから電磁波のエネルギーが、放電プラズマに供給される。放電プラズマには、より多くのエネルギーを供給することができる。

また、第３の発明では、火炎面の到達前の領域に活性種を生成し、活性種が生成された領域を火炎面が通過するようにしている。従って、火炎面における酸化反応が活性種により促進され、火炎面の移動速度を向上させることができる。このため、希薄な混合気を燃焼させた場合の燃え残りを低減させることができる。

また、第４の発明では、ノッキングが発生しそうな領域の手前において、火炎面の速度が停滞することが抑制される。従って、ノッキングが発生する前に、ノッキングが発生しそうな領域に火炎を到達させることができるので、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、第５の発明では、火炎通過後の領域に電磁波を放射して混合気の酸化反応を促進し、火炎面の後方から火炎の伝播を促進するようにしている。従って、希薄な混合気を燃焼させた場合の燃え残りを低減させることができる。

また、第７の発明では、放電ギャップにおいて形成された放電プラズマが、各浮遊電極側へ流れにくくなる。放電プラズマが流される方向が、ある程度一定化される。従って、アンテナの電磁波の放射位置が放電プラズマに対面する時間が長くなり、放電プラズマに吸収される電磁波のエネルギーを増大させることができる。

また、第８の発明では、アンテナから電磁波のエネルギーが放電プラズマに供給される。従って、希薄な混合気であっても安定的に着火させることができる。

実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 実施形態に係る放電装置および電磁波放射装置のブロック図である。 実施形態に係る内燃機関の要部の概略構成図であり、（ａ）は第１アンテナからマイクロ波を放射中の図であり、（ｂ）は第２アンテナからマイクロ波を放射中の図であり、（ｃ）は第３アンテナからマイクロ波を放射中の図である。 実施形態に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態において各アンテナからのマイクロ波放射期間等を表すタイムチャートである。 実施形態の変形例１に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態の変形例２に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態の変形例４に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態の変形例５に係る内燃機関の要部の概略構成図であり、（ａ）は第１アンテナからマイクロ波を放射しない場合の図であり、（ｂ）は第１アンテナからマイクロ波を放射する場合の図である。 実施形態の変形例６に係る内燃機関の要部の概略構成図である。 実施形態の変形例７に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態の変形例８に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。

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》

本実施形態は、燃焼室２０に電磁波を放射する電磁波放射装置１３を備えた内燃機関１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプのエンジンである。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と放電装置１２と電磁波放射装置１３とを備えている。内燃機関１０は、電子制御装置３０（ＥＣＵ）により制御される。
−内燃機関本体−

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内には、ピストン２３が往復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内においてシリンダ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。

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、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室２０を区画している。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火プラグ１５が１つずつ設けられている。点火プラグ１５は、中心電極１５ａと接地電極１５ｂとの間の放電ギャップが燃焼室２０に位置するようにシリンダヘッド２２に取り付けられている。

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を開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６を開閉する排気バルブ２８が設けられている。

内燃機関１０は、燃焼室２０において強いタンブル流３５が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。内燃機関１０において生じる所定のガス流動３５は、タンブル流３５である。燃焼室２０では、吸気ポート２５から流入した混合気が、燃焼室２０の天井面（シリンダヘッド２２において燃焼室２０に露出する面）に沿って排気ポート２６側へ流れ、その流れがシリンダ２４の壁面およびピストン２３の上面により縦方向に旋回する。タンブル流３５は、吸気行程から圧縮行程に亘って形成される。
−放電装置−

放電装置１２は、各燃焼室２０に対応して設けられている。放電装置１２は、図２に示すように、高電圧パルスを出力する点火コイル（パルス出力部）１４と、該点火コイル１４からの高電圧パルスが印加されると放電が生じる点火プラグ（放電生成部）１５とを備えている。

点火コイル１４は、直流電源（例えば自動車用のバッテリー）に接続されている（図示省略）。点火コイル１４は、電子制御装置３０から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを点火プラグ１５に出力する。点火プラグ１５では、高電圧パルスが印加されると、放電ギャップにおいて絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。スパーク放電により放電プラズマ３６が生成される。

ここで、上述したように、燃焼室２０では、図３に示すように、吸気行程から圧縮行程に亘って強いタンブル流３５が形成される。ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングでは、放電ギャップにおける混合気のバルク流が、タンブル流３５の影響により吸気ポート２５側から排気ポート２６側へ向かって流れている。このため、スパーク放電により形成された放電プラズマ３６は、排気ポート２６側へ流される。放電プラズマ３６は、ガス流動３５により引き伸ばされる。

なお、本実施形態では、図４に示すように、接地電極１５ｂにおいて点火プラグ１５の軸方向に延びる接続部（接地電極１５ｂの基端側の部分）が、吸気ポート２５の開口２５ａと排気ポート２６の開口２６ａとの間の領域側に位置している。このため、放電ギャップにおけるガス流動が、上記接続部の影響を受けにくい。放電ギャップにおけるガス流動の向きは、２つの排気ポート２６の開口２６ａの真ん中付近を向く。従って、放電プラズマ３６が、２つの排気ポート２６の開口２６ａの真ん中付近へ流される。放電プラズマ３６は、タンブル流により、後述する第１アンテナ４１側へ流される。
−電磁波放射装置−

電磁波放射装置１３は、図２に示すように、電磁波用電源３１と電磁波発振器３２と分配器３３と複数のアンテナ４１−４３とを備えている。本実施形態では、各燃焼室２０に対して、３つのアンテナ４１−４３が設けられている。なお、図２では、１つの燃焼室２０に対応するアンテナ４１−４３だけを記載している。

電磁波用電源３１は、電子制御装置３０から電磁波駆動信号を受けると、電磁波発振器３２にパルス電流を供給する。電磁波駆動信号はパルス信号である。電磁波用電源３１は、電磁波駆動信号の立ち上がり時点から立ち下がり時点に亘って、所定のデューティー比でパルス電流を出力する。パルス電流は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って継続的に出力される。

電磁波発振器３２は、例えばマグネトロンである。電磁波発振器３２は、パルス電流を受けるとマイクロ波パルスを出力する。電磁波発振器３２は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘ってマイクロ波パルスを継続的に出力する。なお、電磁波発振器３２は、マグネトロンの代わりに、半導体発振器等の他の発振器を使用することもできる。

分配器３３は、３つのアンテナ４１−４３の間で、電磁波発振器３２から出力されたマイクロ波を供給するアンテナを切り替える。分配器３３は、電子制御装置３０から分配信号を受けると、３つのアンテナ４１−４３に対して順番にマイクロ波を供給する。

図３に示すように、３つのアンテナ４１−４３は、点火プラグ１５側から、第１アンテナ４１、第２アンテナ４２、及び第３アンテナ４３となっている。各アンテナ４１−４３は、例えばモノポールアンテナである。各アンテナ４１−４３では、その先端がマイクロ波の放射位置（輻射位置）となる。

第１アンテナ４１および第２アンテナ４２は、シリンダヘッド２２に埋設されている。第１アンテナ４１および第２アンテナ４２では、マイクロ波の放射端（先端）がシリンダヘッド２２の表面（燃焼室の天井面）から僅かに突出している。図４に示すように、第１アンテナ４１および第２アンテナ４２の放射端は、２つの排気ポート２６の開口２６ａの間の真ん中に位置している。第１アンテナ４１および第２アンテナ４２の放射端は、燃焼室２０の径方向に沿って並んでいる。

また、第３アンテナ４３は、ガスケット１８に埋設され、マイクロ波の放射端がガスケット１８の内周面とほぼ面一になっている。第３アンテナ４３は、第１アンテナ４１及び第２アンテナ４２よりも放電装置１２から離れている。

各アンテナ４１−４３の入力端（基端）は、分配器３３に接続されている。各アンテナ４１−４３では、分配器３３から供給されたマイクロ波が、その放射端から燃焼室２０へ放射される。

本実施形態では、第１アンテナ４１の放射端が、後述する点火動作において、タンブル流３５により流された放電プラズマ３６にマイクロ波が照射されるように、放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して放電ギャップの下流側に位置している。第１アンテナ４１の放射端は、燃焼室２０の天井面において点火プラグ１５に近接している。第１アンテナ４１の放射端は、放電プラズマ３６において放電ギャップから最も離れた屈曲部分（短ブル流により最も流された部分）に対面している。なお、第１アンテナ４１の放射端は、点火動作においてマイクロ波プラズマを生成する全ての運転領域において、放電プラズマ３６の屈曲部分に対面する。

なお、本実施形態では、第２アンテナ４２および第３アンテナを点火プラグ１５に対して第１アンテナ４１と同じ側に設けているが、第２アンテナ４２および第３アンテナを点火プラグ１５に対して第１アンテナ４１と反対側に設けてもよい。
−点火動作−

放電装置１２及び電磁波放射装置１３による混合気の点火動作について説明する。点火動作では、放電装置１２が放電プラズマを生成する放電動作と、電磁波発振器３２を駆動して第１アンテナ４１からマイクロ波を放射する放射動作とが同時期に行われ、放電プラズマ３６にマイクロ波のエネルギーを供給して燃焼室２０の混合気を着火させる。

点火動作では、電子制御装置３０が点火信号および電磁波駆動信号を出力する。そうすると、放電装置１２では、点火信号の立ち下がりタイミングに、点火コイル１４が高電圧パルスを出力し、点火プラグにおいてスパーク放電が生じる。一方、電磁波放射装置１３では、電磁波駆動信号の立ち上がり時点から立ち下がり時点までの期間に亘って、電磁波用電源３１がパルス電流を継続的に出力する。そして、電磁波発振器３２が、パルス電流を受けてマイクロ波パルスを分配器３３へ継続的に発振する。なお、マグネトロン３２の動作遅れにより、マイクロ波の発振期間の開始および終了は、パルス電流の出力期間の開始および終了に対して僅かに遅れる。

点火動作では、図５に示すように、マイクロ波の発振期間の開始直後にスパーク放電が生じるように、点火信号および電磁波駆動信号が出力される。マイクロ波の発振期間の最初は、分配器３３がマイクロ波パルスの供給先を第１アンテナ４１へ設定する。マイクロ波は、第１アンテナ４１から燃焼室２０へ放射される。スパーク放電が生じるタイミングでは、第１アンテナ４１の放射端の近傍に、燃焼室２０において電界強度が相対的に強い強電界領域５１が形成されている。図３（ａ）に示すように、スパーク放電による放電プラズマ３６は、強いタンブル流により排気ポート２６側へ流され、その屈曲部分が強電界領域５１に入る。マイクロ波は、放電プラズマ３６の屈曲部分へ照射される。放電プラズマ３６は、マイクロ波のエネルギーを吸収して太くなる。そして、強電界領域５１において、比較的大きなマイクロ波プラズマになる。強電界領域５１では、燃焼室２０の混合気が、マイクロ波プラズマにより体積着火される。そして、着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって、火炎面が外側へ広がる。
−火炎伝播促進動作−

１回の燃焼サイクルでは、点火動作後の火炎伝播中に、火炎伝播速度を増大させるための火炎伝播促進動作が行われる。

本実施形態では、火炎伝播促進動作として、第１動作および第２動作が行われる。一連の第１動作および第２動作では、マイクロ波の供給先が、第１アンテナ４１から、第２アンテナ４２、第３アンテナ４３の順番で切り替えられる。なお、電磁波駆動信号のパルス幅は、火炎面がシリンダ２４の壁面に到達した直後までマイクロ波パルスの出力が継続されるように設定されている。

第１動作では、電子制御装置３０が、第２アンテナ４２の放射端に火炎面が到達する直前に、第１の分配信号を出力する。例えば、第１の分配信号は、火炎面が第１アンテナ４１と第２アンテナ４２との真ん中付近を通過するタイミングで出力される。分配器３３は、第１の分配信号を受けると、マイクロ波の供給先を第２アンテナ４２に切り替える。そうすると、図３（ｂ）に示すように、第２アンテナ４２から燃焼室２０へマイクロ波が放射され、第２アンテナ４２の放射端の近傍に強電界領域５２が形成される。第２アンテナ４２からは、火炎面が強電界領域５２を通過した直後までマイクロ波が放射される。

強電界領域５２では、例えば、火炎から飛び出した自由電子が加速される。加速された自由電子は、周囲のガス分子に衝突する。衝突されたガス分子は電離する。ガス分子の電離に伴い放出された自由電子も、強電界領域５２において加速され、周囲のガス分子を電離させる。このように、強電界領域５２では、雪崩式にガス分子の電離が生じ、マイクロ波プラズマが生成される。

強電界領域５２では、マイクロ波プラズマにより、酸化力の強い活性種（例えばＯＨラジカル）が生成される。本実施形態では、混合気の着火後の火炎伝播中に、火炎面が到達する前の領域に活性種が生成される。火炎面は、活性種が生成された領域を通過する。従って、火炎面における酸化反応が活性種により促進され、火炎伝播速度が増大する。また、強電界領域５２のマイクロ波プラズマと、弱電離プラズマの火炎面が接触する状態になるため、火炎面にマイクロ波のエネルギーが供給され、それによっても火炎伝播速度が増大する。

続いて、第２動作では、電子制御装置３０が、第３アンテナ４３の放射端に火炎面が到達する直前に、第２の分配信号を出力する。例えば、第２の分配信号は、火炎面が第２アンテナ４２と第３アンテナ４３との真ん中付近を通過するタイミングで出力される。分配器３３は、第２の分配信号を受けると、マイクロ波の供給先を第３アンテナ４３に切り替える。そうすると、図３（ｃ）に示すように、第３アンテナ４３の放射端の近傍に強電界領域５３が形成される。強電界領域５３では、マイクロ波プラズマが生成される。第２動作では、第１動作と同様に、火炎面の到達前の領域にマイクロ波プラズマが生成され、マイクロ波プラズマにより火炎伝播速度が増大する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、放射動作において、第１アンテナ４１のマイクロ波の放射位置が、放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して放電ギャップの下流において、ガス流動により流された放電プラズマ３６に対面するようにしている。そのため、マイクロ波の放射先にガス流動によって流された放電プラズマ３６が存在する。従って、放電プラズマ３６が流されることを想定していない従来の内燃機関に比べて、放電プラズマ３６に吸収されるマイクロ波のエネルギーを増大させることができ、反射するマイクロ波の強度を低減させることができる。そして、希薄な混合気を燃焼させた場合の燃え残りを低減させることができる。

また、本実施形態では、火炎面の到達前の領域に活性種を生成し、活性種が生成された領域を火炎面が通過するようにしている。従って、火炎面における酸化反応が活性種により促進され、火炎面の移動速度を向上させることができる。
−実施形態の変形例１−

変形例１では、図６に示すように、吸気および排気ポート２５，２６の開口２５a，２６ａの間の領域の数に合わせて、４つのアンテナ群が設けられている。

第１のアンテナ群（図６において点火プラグ１５の右側のアンテナ群）は、第１アンテナ４１、第２アンテナ４２および第３アンテナ４３により構成されている。残りの第２、第３および第４のアンテナ群は、第２アンテナ４２および第３アンテナ４３により構成されている。電磁波放射装置１３では、各アンテナ群に対応して、電磁波用電源３１、電磁波発振器３２および分配器３３を有する電磁波ユニットが設けられている。

第１アンテナ４１は、上記実施形態の第１アンテナ４１と同じタイミングでマイクロ波が供給される。また、各第２アンテナ４２は、点火プラグ１５からの距離が上記実施形態の第２アンテナ４２と等しく、上記実施形態の第２アンテナ４２と同じタイミングでマイクロ波が供給される。また、各第３アンテナ４３は、上記実施形態の第３アンテナと同様にガスケット１８に埋設され、上記実施形態の第３アンテナ４３と同じタイミングでマイクロ波が供給される。

この変形例１では、第１アンテナ４１から放射されたマイクロ波のエネルギーを放電プラズマ３６へ供給して混合気を着火した後に、各第２アンテナ４２から放射するマイクロ波により生成されたマイクロ波プラズマ、さらに各第３アンテナ４３から放射するマイクロ波により生成されたマイクロ波プラズマにより火炎伝播速度が増大する。
−実施形態の変形例２−

変形例２では、図７に示すように、第２アンテナ４２および第３アンテナ４３のように火炎面が到達する前の領域にマイクロ波を供給するためのアンテナとして、吸気および排気バルブ２７，２８のバルブヘッドにアンテナ２７ａ，２８ａが設けられている。各アンテナ２７ａ，２８ａに接続する伝送線路は、バルブシャフト内に設けられている。電磁波発振器３２から出力されたマイクロ波は、非接触給電により伝送線路へ供給される。
−実施形態の変形例３−

変形例３では、第２アンテナ４２および第３アンテナ４３のように火炎面が到達する前の領域にマイクロ波を供給するためのアンテナの放射位置が、燃焼室２０においてノッキングの発生頻度が相対的に高い領域に位置している。例えば、アンテナの放射位置は、吸気ポート２５の開口２５ａの外側に位置している。

燃焼室２０では、ノッキングの発生頻度が相対的に高い領域に火炎面が到達する前に、マイクロ波プラズマが生成され、そのマイクロ波プラズマの生成に伴って活性種が生成される。変形例３では、ノッキングが発生しそうな領域に活性種が生成されるので、その領域の手前で火炎面の速度が停滞することが抑制される。従って、ノッキングが発生する前に、ノッキングが発生しそうな領域に火炎を到達させることができるので、ノッキングの発生を抑制することができる。
−実施形態の変形例４−

変形例４では、図８に示すように、上記変形例１のアンテナ群の代わりに、棒状のアンテナ４６が設けられている。各アンテナ４６は、吸気および排気ポート２５，２６の開口２５a，２６ａの間の領域において、燃焼室２０の天井面の径方向に延びている。各アンテナ４６は、点火プラグ１５の少し外側からシリンダ２４の壁面の近傍まで真っ直ぐ延びている。なお、少なくとも排気ポート２６の開口２６ａの間のアンテナ４６（図８において点火プラグ１５の右側のアンテナ）は、その内端が放電プラズマ３６の屈曲部分に対面する。

電磁波放射装置１３では、各アンテナ４６に対応して、電磁波用電源３１および電磁波発振器３２を有する電磁波ユニットが設けられている。各電磁波ユニットは、上記変形例１とは異なり分配器３３を有しておらず、その代わりに、アンテナ４６の表面において相対的に電界強度が強い強電界領域の位置を変化させる電界調節器を有している。電界調節器は、例えば、マイクロ波の伝送線路におけるインピーダンスを調節可能なスタブチューナである。スタブチューナは、例えばスタブにおいてグランドに短絡させる位置を調節することにより、スタブとして動作する長さを可変に構成されている。

各電磁波ユニットでは、点火動作の際に、強電界領域がアンテナ４６の内端の表面に位置するように電界調節器を動作させる。排気ポート２６の開口２６ａの間のアンテナ４６の放射位置は、タンブル流３５により流された放電プラズマ３６に対面する。そのため、マイクロ波のエネルギーが、放電プラズマ３６に効果的に吸収される。その結果、放電プラズマ３６が太くなり、混合気が体積着火される。

混合気の着火後の火炎伝播中も、各アンテナ４６からのマイクロ波の放射が継続される。各アンテナ４６からのマイクロ波の放射位置は、電界調節器により、火炎面より先に外側へ移動させる。火炎面の到達前の領域は、強電界領域になる。強電界領域は外側へ移動してゆき、強電界領域で生成されるマイクロ波プラズマも、強電界領域の移動に伴って外側へ移動してゆく。その結果、活性種が生成された領域を火炎面が通過することになり、火炎面における酸化反応が活性種により促進され、火炎伝播速度が向上する。
−実施形態の変形例５−

変形例５では、図９に示すように、上記実施形態に比べて、第１アンテナ４１と点火プラグ１５との距離が大きくなっている。混合気を着火させる際の放射動作における第１アンテナ４１のマイクロ波の放射位置は、放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して放電ギャップの下流に位置している。上記放電動作の際は、第１アンテナ４１から放射したマイクロ波により、ガス流動により流された放電プラズマ３６に隣接する領域に強電界領域５１が形成される。なお、第２アンテナ４２は、第１アンテナ４１と燃焼室２０の天井面の外周との間の真ん中に配置されている。

具体的に、点火動作では、上記実施形態と同じ期間に、第１アンテナ４１から燃焼室２０へマイクロ波が放射される。スパーク放電が生じるタイミングでは、第１アンテナ４１の放射端の近傍に、強電界領域５１が形成されている。

ここで、強電界領域５１が形成されない場合は、図９（ａ）に示す位置までしか放電プラズマ３６は引き伸ばされない。一方、強電界領域５１が形成される場合は、放電プラズマ３６が、強電界領域５１の電界と反応し、図９（ｂ）に示すように、さらに引き伸ばされて強電界領域５１に侵入する。マイクロ波のエネルギーは効果的に吸収され、放電プラズマ３６はマイクロ波プラズマになる。変形例５では、マイクロ波が放電プラズマ３６に吸収されるので、反射するマイクロ波の強度を低減させることができる。
−実施形態の変形例６−

変形例６では、図１０に示すように、実施形態の３つのアンテナ４１−４３に加えて、上記変形例５の第１アンテナの位置に第４アンテナ４４が設けられている。放射動作における第４アンテナ４４のマイクロ波の放射位置は、放電ギャップにおけるガス流動の方向に対して第１アンテナ４１のマイクロ波の放射位置よりも放電ギャップの下流に位置している。上記放電動作の際に、第４アンテナ４４から放射したマイクロ波により、ガス流動により流された放電プラズマ３６に隣接する領域に強電界領域が形成される。

具体的に、点火動作では、まず第１アンテナ４１からマイクロ波の放射が開始される。スパーク放電は、マイクロ波の放射開始の直後に行われる。第１アンテナ４１からのマイクロ波の放射は、スパーク放電直後まで継続される。タンブル流３５により引き伸ばされた放電プラズマ３６は、第１アンテナ４１から放射されたマイクロ波のエネルギーを吸収して太くなる。

続いて、スパーク放電の直後に、分配器３３によりマイクロ波の供給先が第４アンテナ４４へ切り替えられる。第４アンテナ４４の放射端の近傍には、強電界領域が形成される。太くなった放電プラズマ３６は、第４アンテナ４４の放射端近傍の強電界領域の電界と反応する。放電プラズマ３６には、第４アンテナ４４からもマイクロ波のエネルギーが供給される。そして、放電プラズマ３６により混合気が体積着火される。変形例６では、放電プラズマ３６に、より多くのエネルギーを供給することができる。

なお、第１アンテナ４１からのマイクロ波の放射期間と第４アンテナ４４からのマイクロ波の放射期間とを重複させてもよい。その場合は、例えば、第１アンテナ４１にマイクロ波を供給する第１電磁波発振器と、第４アンテナ４４にマイクロ波を供給する第２電磁波発振器とを設ける。各電磁波発振器のマイクロ波の発振期間は同じにしてもよいし、放射開始および終了を第２電磁波発振器の方が遅くしてもよい。
−実施形態の変形例７−

変形例７では、図１１に示すように、放電プラズマ３６が流される方向を一定化させるために浮遊電極５０が、シリンダヘッド２２における燃焼室２０の露出面に設けられている。浮遊電極５０は、放電ギャップにおけるガス流動の方向（点火プラグ１５と第１アンテナ４１を結ぶ線分）を挟むように一対設けられる。浮遊電極５０は、絶縁部材６０によりシリンダヘッド２２から絶縁されている。
−実施形態の変形例８−

変形例８では、図１２に示すように、燃焼室２０の天井面の中心部にマイクロ波用プラグ７０が設けられ、図１２におけるマイクロ波用プラグ７０の左側に、放電電極７１が設けられている。

マイクロ波用プラグ７０は、同軸線路を構成し、中心導体７０ａと外側導体７０ｂと絶縁体７０ｃと備えている。マイクロ波用プラグ７０には、電磁波発振器３２から発振されたマイクロ波パルスが供給される。また、マイクロ波用プラグ７０の外側導体７０ｂには、後述する放電電極７１との間に放電ギャップを形成する接地電極７３が接続されている。接地電極７３は、板状に形成され、外側導体７０ｂの端面から突出している。マイクロ波用プラグ７０には、接地電極が折れ曲がったタイプの点火プラグ（接地電極が点火プラグの軸方向に外側導体から突出し、途中で折れ曲がって中心電極と対面するタイプ）から接地電極の先端部を省略したものを使用できる。

放電電極７１が、板状又は棒状に形成されている。放電電極７１は、絶縁体７２によりシリンダヘッド２２から絶縁されている。放電電極７１および接地電極７３は、燃焼室２０の天井面から突出している。放電電極７１と接地電極７３では、放電電極７１の方が突出長が大きい。放電電極７１には、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが供給される。そうすると、放電ギャップでは、放電プラズマ３６が生成される。なお、放電電極７１を接地電極７３側へ屈曲させて、放電電極７１の先端が接地電極７３との最短距離となるようにしてもよい。

変形例８では、マイクロ波用プラグ７０の先端付近のガス流動の方向に対して、マイクロ波用プラグ７０の上流に放電ギャップが形成されている。放電ギャップにおいて形成された放電プラズマ３６は、ガス流動によりマイクロ波用プラグ７０側へ流される。マイクロ波用プラグ７０の先端面は、ガス流動により流された放電プラズマ３６に対面する。マイクロ波の放射先に、ガス流動によって流された放電プラズマ３６が存在する。従って、放電プラズマ３６にマイクロ波のエネルギーを効果的に吸収させることができる。

また、変形例８では、混合気の着火位置（着火領域）が燃焼室２０の中心部に近くなるので、火炎の拡散状態をより均一化して、未燃の混合気を低減させることができる。また、燃焼室２０の天井面の中心部にマイクロ波用プラグ７０を配置するので、マイクロ波用プラグ７０の断面積を大きくすることができ、マイクロ波用プラグ７０の先端部におけるマイクロ波の反射を低減させることができる。
《その他の実施形態》

上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態において、火炎面が通過した後の領域にマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマを生成することにより、火炎面の後方から火炎面の伝播を促進してもよい。例えば、第２アンテナ４２と第３アンテナ４３の間を火炎面が通過した後も、第２アンテナ４２からのマイクロ波の放射を継続して、第２アンテナ４２の放射端近傍のマイクロ波プラズマを維持してもよい。その場合、火炎通過後の領域はマイクロ波により温度が上昇し、混合気の酸化反応が促進される。そして、火炎面の後方の圧力上昇により、火炎の伝播が促進される。

また、上記実施形態において、各アンテナ４１−４３のマイクロ波の放射位置が絶縁体または誘電体により覆われていてもよい。

以上説明したように、本発明は、燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置を備えた内燃機関について有用である。

１０ 内燃機関
１１ 内燃機関本体
１２ 放電装置
１３ 電磁波放射装置
２０ 燃焼室
３２ 電磁波発振器
４１ 第１アンテナ
４２ 第２アンテナ
４３ 第３アンテナ

Claims (1)

1. 燃焼室と、
   放電ギャップにおいて放電プラズマを生成する放電動作を行う放電装置と、
   電磁波を発振する電磁波発振器及び該電磁波発振器から供給された電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナを有する電磁波放射装置とを備え、
   前記アンテナが、燃焼室のシリンダヘッドの排気ポート間、吸／排気ポート間、又は吸気ポート間のいずれかに配備され、
   前記電磁波放射装置からの電磁波の放射動作は、前記放電動作と同時期に行うとともに、
   前記放射動作における前記アンテナからの電磁波の放射位置と前記放電ギャップとを通る仮想の直線を挟むように、一対の浮遊電極が設けられていることを特徴とする内燃機関。

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