JP5152653B2 - Ignition system using spark discharge ignition method and microwave plasma ignition method in combination - Google Patents
Ignition system using spark discharge ignition method and microwave plasma ignition method in combination Download PDFInfo
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- F02P3/00—Other installations
- F02P3/01—Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator
Description
本発明は、エンジンの燃焼室内の燃料と空気の混合ガスに点火する方式において、高電圧による火花放電点火とマイクロ波プラズマによるプラズマ点火を併用する点火装置に関する。 The present invention relates to an ignition device that uses spark discharge ignition by high voltage and plasma ignition by microwave plasma in a system for igniting a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine.
従来、エンジンの燃焼室内の燃料と空気の混合ガスに点火する方式は、イグニッションコイルで生成した高電圧を点火プラグに印加して火花放電を発生させることによって、混合ガスに点火している。 Conventionally, a method of igniting a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine ignites the mixed gas by generating a spark discharge by applying a high voltage generated by an ignition coil to an ignition plug.
この高電圧による火花放電点火方式では、エンジンのピストンが上死点に達する少し前に点火プラグの中心電極と接地電極との間に高電圧パルスにより火花放電を発生させて点火を行うため、点火領域が点火プラグの中心電極付近に限られ、火炎核が燃焼室全体に広がるまで時間を要する。このため、燃焼室内の混合ガスが完全に燃焼する前に燃焼期間が終了したときは、不完全燃焼が発生し、有毒なＣＯが排気ガスとして大気中に放出される。また、エンジンの燃費改善のためには、薄い空燃比が望ましいが、この場合点火不良や点火しても接地電極などの消炎作用による火炎核の消滅が発生しやすい。 In this spark discharge ignition method using high voltage, ignition is performed by generating a spark discharge with a high voltage pulse between the center electrode of the spark plug and the ground electrode shortly before the piston of the engine reaches top dead center. The region is limited to the vicinity of the center electrode of the spark plug, and it takes time for the flame kernel to spread throughout the combustion chamber. For this reason, when the combustion period ends before the mixed gas in the combustion chamber is completely combusted, incomplete combustion occurs, and toxic CO is released into the atmosphere as exhaust gas. In order to improve the fuel consumption of the engine, a thin air-fuel ratio is desirable. In this case, however, the ignition of the flame kernel due to the flame extinguishing action of the ground electrode or the like tends to occur even if ignition is poor or ignition occurs.
点火直後の火炎核の広がりを大きくするために、点火プラグの中心電極と接地電極間の間隙を広くすることが効果的だが、このためには点火プラグに印加する電圧をさらに高電圧にする必要があり、イグニッションコイルの大型化や改良を必要とする。さらに、放電時の電磁ノイズも増大し、車載電子機器への影響が懸念される。 In order to increase the spread of the flame kernel immediately after ignition, it is effective to widen the gap between the center electrode and the ground electrode of the spark plug. For this purpose, the voltage applied to the spark plug needs to be higher. There is a need to enlarge and improve the ignition coil. Furthermore, electromagnetic noise during discharge increases, and there is a concern about the influence on in-vehicle electronic devices.
そこで、特許文献１に係る発明は、エンジンの燃焼室内にマイクロ波アンテナを突出させ、このアンテナの先端より電界を発生させて混合ガスにより広い範囲で点火する方式を提案している。
特許文献２に係る発明は、燃焼室内にマイクロ波アンテナ（点火ピン）を突出させて、点火ピンの先端部以外を絶縁層で覆うことによって点火ピンの先端部のみにおいてプラズマを発生させる構造を提案している。
特許文献３に係る発明は、低マイクロ波電力で点火できるように、エンジンの圧縮位置からマイクロ波の１／４波長離れた位置に放電電極を形成する構造を提案している。
特許文献４に係る発明は、点火プラグによる点火とマイクロ波アンテナより発生するプラズマによる点火とを併用する構造であって、燃焼室内の誘電率を制御して混合ガスの共振周波数とマイクロ波の周波数を一致させることにより、マイクロ波のエネルギーを効率的に点火に振り向けること、マイクロ波アンテナと点火・放電部が一体的に従来の点火プラグと互換的な形状である点火装置を提案している。
The invention according to Patent Document 2 proposes a structure in which plasma is generated only at the tip of the ignition pin by projecting a microwave antenna (ignition pin) into the combustion chamber and covering the portion other than the tip of the ignition pin with an insulating layer. doing.
The invention according to Patent Document 3 proposes a structure in which a discharge electrode is formed at a position away from the compression position of the engine by a quarter wavelength of the microwave so that ignition can be performed with low microwave power.
The invention according to Patent Document 4 is a structure that uses both ignition by an ignition plug and ignition by plasma generated from a microwave antenna, and controls the dielectric constant in the combustion chamber to control the resonance frequency of the mixed gas and the frequency of the microwave. , The microwave energy and the ignition / discharge part are integrated with the conventional spark plug, and the ignition device is proposed. .
従来の高電圧火花放電点火装置による放電は、先ず、イグニッションコイルの線間やプラグコードなどの寄生容量に蓄積された電荷が放電する。この容量放電により凡そ１０ｋＶで１μｓ以下の急峻なパルス電圧が発生し、この高電圧が点火プラグの中心電極と接地電極間に加わる。このため、電極間隙の絶縁が破壊されて火花が発生し、中心電極付近の混合ガスはイオン化されてプラズマ状態となる。次に、イグニッションコイルに蓄積された電磁エネルギーによって数１００Ｖの高電圧が発生し、この電圧による放電は数ｍｓ継続する。この誘導放電の時間内に先の容量放電によって発生した火炎核が成長し燃焼室全体へ拡がることが理想的な燃焼であるが、実際には、接地電極や燃焼室壁などに熱を奪われ、火炎核が消滅に至る場合がある。この現象は、放電エネルギーが混合ガスの燃焼に十分に使用されないことに起因している。 In the discharge by the conventional high voltage spark discharge ignition device, first, the electric charge accumulated in the parasitic capacitance such as the line between the ignition coils and the plug cord is discharged. This capacitive discharge generates a steep pulse voltage of about 1 μs or less at approximately 10 kV, and this high voltage is applied between the center electrode and the ground electrode of the spark plug. For this reason, the insulation of the electrode gap is destroyed and a spark is generated, and the mixed gas in the vicinity of the center electrode is ionized into a plasma state. Next, a high voltage of several hundred volts is generated by the electromagnetic energy accumulated in the ignition coil, and discharge by this voltage continues for several ms. The ideal combustion is that the flame kernel generated by the previous capacitive discharge grows and spreads throughout the combustion chamber within this induction discharge time, but in reality, the ground electrode and the combustion chamber wall are deprived of heat. In some cases, the flame kernel may be extinguished. This phenomenon is caused by the fact that the discharge energy is not sufficiently used for the combustion of the mixed gas.
そこで、混合ガスの燃焼に寄与するエネルギーを他の手段によって供給できれば、火炎核を成長させ、燃焼室全体に火炎核を拡大し、混合ガスを完全に燃焼することができる。この外部からエネルギーを供給する手段のひとつとして、マイクロ波を燃焼室内に伝送し、アンテナより電磁エネルギーを放射してプラズマを生成する方法が提案されている。
前述の特許文献１及び特許文献２に係る発明では、マイクロ波コロナ放電による点火方式及びそれに係る構造を提案しているが、確実に点火し、火炎を速やかに拡大させるための具体的な手段に欠ける。また、点火装置の形状が、従来の一般的な点火プラグと異なるため、市販のエンジンに適用することは難しい。特許文献３に係る発明では、マイクロ波のエネルギーを点火のタイミングに合わせて高める工夫はされているものの、点火装置部の形状が従来の一般的な点火プラグの形状と互換性がないため、実用化は難しい。特許文献４に係る発明では、点火装置部の形状を従来の一般的な点火プラグと互換的な形状にしているものの、図７（特許文献４の図６に対応）に示すように、火花放電用高電圧伝導経路とマイクロ波伝送経路がそれぞれ別経路で点火プラグの内部に組み込まれているので、マイクロ波伝送経路が細くなってしまい十分なマイクロ波の電力を供給できない。構造も複雑となり点火プラグの製造コストが上がり、さらに点火プラグの接続端子部分の形態が従来の点火プラグと大きく変わるため、実用化が難しい。また、点火プラグのマイクロ波を放射するアンテナ部については、マイクロ波の１／４波長の長さにおいて最も効率的にプラズマを発生させることができるが、特許文献４に係る発明の点火プラグにおいては、マイクロ波放射アンテナ部７０１の大半が碍子で覆われており、マイクロ波のエネルギーが効率的に混合ガスの点火に使用されていない。
Therefore, if energy that contributes to the combustion of the mixed gas can be supplied by other means, it is possible to grow the flame kernel, expand the flame kernel throughout the combustion chamber, and completely burn the mixed gas. As one of means for supplying energy from the outside, there has been proposed a method of generating plasma by transmitting microwaves into a combustion chamber and radiating electromagnetic energy from an antenna.
In the inventions according to Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, an ignition method using microwave corona discharge and a structure related thereto are proposed, but specific means for igniting reliably and quickly expanding a flame are proposed. Lack. Moreover, since the shape of the ignition device is different from a conventional general ignition plug, it is difficult to apply to a commercially available engine. Although the invention according to Patent Document 3 has been devised to increase the energy of microwaves in accordance with the timing of ignition, the shape of the ignition device is not compatible with the shape of a conventional general spark plug, so that it is practical. It is difficult to make it. In the invention according to Patent Document 4, the shape of the ignition device portion is made compatible with a conventional general spark plug. However, as shown in FIG. 7 (corresponding to FIG. 6 of Patent Document 4), spark discharge is performed. Since the high-voltage conduction path and the microwave transmission path are incorporated in the spark plug as separate paths, the microwave transmission path becomes thin and sufficient microwave power cannot be supplied. Since the structure is complicated and the manufacturing cost of the spark plug is increased, and the form of the connection terminal portion of the spark plug is greatly changed from the conventional spark plug, it is difficult to put it into practical use. In addition, for the antenna portion of the spark plug that radiates microwaves, plasma can be generated most efficiently at a length of ¼ wavelength of the microwave, but in the spark plug of the invention according to Patent Document 4, The majority of the microwave radiation antenna unit 701 is covered with the insulator, and the microwave energy is not efficiently used for ignition of the mixed gas.
本発明の目的は、前述の先行技術の点火装置をさらに改良して、従来の一般的な点火プラグと形状的に互換性をもち、構造が簡単で従来のエンジンに容易に装着できる低コストの点火装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、エンジンの燃焼室内に突出したマイクロ波放射アンテナ部の長さを最適にすることによって電界強度を最大とし、さらに該アンテナ部を燃焼室内に拡げることによって、効率的にエンジンの燃焼室内に広くプラズマを発生させ、確実に火炎核が燃焼室内全域に拡がる点火装置を提供することにある。
It is an object of the present invention to further improve the above-described prior art ignition device, have a shape-compatible with a conventional general spark plug, have a simple structure, and can be easily mounted on a conventional engine. It is to provide an ignition device.
It is still another object of the present invention to maximize the electric field strength by optimizing the length of the microwave radiating antenna portion protruding into the combustion chamber of the engine, and to expand the antenna portion into the combustion chamber. It is another object of the present invention to provide an ignition device that generates plasma widely in a combustion chamber of an engine and surely spreads flame nuclei throughout the combustion chamber.
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、
エンジンの燃焼室内の燃料と空気の混合ガスに点火プラグによって点火する点火装置であって、
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極として機能する高電圧用中心導体と該高電圧用中心導体を覆いマイクロ波を給電する内部導体と該内部導体を覆う外部導体よりなる３重同軸構造であって、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部は、前記燃焼室内に突出して、
前記高電圧用中心導体と前記外部導体間において火花放電を発生し、
前記内部導体の先端部はアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成することを特徴とする。
本発明による請求項２記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用す る点火装置は、
エンジンの燃焼室内の燃料と空気の混合ガスに点火プラグによって点火する点火装置で あって、
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、 前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧 を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極として機能する高電圧用中心導体と該高電圧用中心導体を覆 いマイクロ波を給電する内部導体と該内部導体を覆う外部導体よりなる３重同軸構造であ って、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部は、前記燃焼 室内に突出して、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体間において火花放電を発生し、
前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部はアンテナを構成してマイクロ波を放射 することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成することを特徴とする。
本発明による請求項３記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用す る点火装置は、
エンジンの燃焼室内の燃料と空気の混合ガスに点火プラグによって点火する点火装置で あって、
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、 前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧 を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極として機能する高電圧用中心導体と該高電圧用中心導体を覆 いマイクロ波を給電する内部導体と該内部導体を覆う外部導体よりなる３重同軸構造であ って、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部は、前記燃焼 室内に突出して、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体間において火花放電を発生し、
前記内部導体の先端部はアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマ をエンジンの燃焼室内に生成することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ignition device using the spark discharge ignition method according to claim 1 and the microwave plasma ignition method according to the present invention in combination,
An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit;
A triple coaxial structure comprising a high-voltage center conductor that functions as a center electrode of the spark plug, an inner conductor that feeds microwaves covering the high-voltage center conductor, and an outer conductor that covers the inner conductor;
The leading ends of the high-voltage center conductor, the inner conductor, and the outer conductor protrude into the combustion chamber,
A spark discharge occurs between the high voltage center conductor and before Kigaibu conductor,
The tip of the inner guide body and generating a plasma by radiating a microwave to configure the antenna to the combustion chamber of the engine.
Igniter you combination spark ignition system and the microwave plasma ignition system according to claim 2, wherein according to the invention,
An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug ,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit ;
What high voltage center conductor and triple coaxial structure der consisting outer conductor covering the inner conductor and the internal conductor for feeding microwaves brewing covering the high voltage for the central conductor which functions as a center electrode of the spark plug,
The leading ends of the high-voltage center conductor, the inner conductor, and the outer conductor protrude into the combustion chamber,
A spark discharge is generated between the high-voltage central conductor and the inner conductor;
The front end portions of the inner conductor and the outer conductor constitute an antenna to radiate microwaves to generate plasma in the combustion chamber of the engine.
Igniter you combination spark ignition system and the microwave plasma ignition system according to claim 3, wherein according to the invention,
An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug ,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit ;
What high voltage center conductor and triple coaxial structure der consisting outer conductor covering the inner conductor and the internal conductor for feeding microwaves brewing covering the high voltage for the central conductor which functions as a center electrode of the spark plug,
The leading ends of the high-voltage center conductor, the inner conductor, and the outer conductor protrude into the combustion chamber,
A spark discharge is generated between the high-voltage central conductor and the inner conductor;
The tip of the inner conductor constitutes an antenna to emit microwaves to generate plasma in the combustion chamber of the engine.
本発明による請求項４記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、
エンジンの燃焼室内の燃料と空気の混合ガスに点火プラグによって点火する点火装置であって、
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極に火花放電用高電圧を伝導するとともに、前記マイクロ波を給電する共通の中心導体と、該中心導体を覆う外部導体からなる同軸構造であって、前記中心導体または前記外部導体の先端部は、前記燃焼室内に突出して火花放電を発生するとともにアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成し、
前記共通の中心導体は、Ｔ型回路を構成し、該Ｔ型回路の第１の端子は火花放電用高電圧入力端子であって、第２の端子はマイクロ波入力端子であって、第３の端子は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極とマイクロ波を放射してプラズマを生成するアンテナを兼ねる電極であり、前記火花放電用高電圧入力端子とＴ型分岐の間にはローパスフィルタが接続され、前記マイクロ波入力端子とＴ型分岐の間にＤＣカットが接続され、
前記共通の中心導体または該中心導体を覆う外部導体の両方か一方の先端部のアンテナの形状が螺旋形状であることを特徴とする。An ignition device using both the spark discharge ignition system according to claim 4 and the microwave plasma ignition system according to the present invention,
An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit;
A coaxial structure comprising a common center conductor that conducts a high voltage for spark discharge to the center electrode of the spark plug and that feeds the microwave, and an outer conductor that covers the center conductor, the center conductor or the outer The tip of the conductor protrudes into the combustion chamber to generate a spark discharge and constitutes an antenna to radiate microwaves to generate plasma in the combustion chamber of the engine.
The common central conductor constitutes a T-type circuit, the first terminal of the T-type circuit is a high voltage input terminal for spark discharge, the second terminal is a microwave input terminal, and the third terminal The terminal is a central electrode that protrudes into the combustion chamber and generates a spark discharge, and an electrode that also serves as an antenna that radiates microwaves to generate plasma. Between the high-voltage input terminal for spark discharge and the T-shaped branch, A low pass filter is connected, a DC cut is connected between the microwave input terminal and the T-shaped branch,
The shape of the antenna at the tip of either the common center conductor or the outer conductor covering the center conductor is a spiral shape.
本発明による請求項５記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、請求項１記載の点火装置において、
前記高電圧用中心導体の第１の端子は、火花放電用高電圧入力端子であり、第２の端子は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極であり、前記マイクロ波を給電する内部導体は前記高電圧用中心導体を覆う同軸構造であって、前記内部導体はＬ型回路を構成し、該Ｌ型回路の第１の端子はマイクロ波入力端子であって、該マイクロ波入力端子とＬ型折曲点の間にインピーダンス変成器が接続され、第２の端子は、前記燃焼室内に突出してアンテナとして機能することを特徴とする。An ignition device that uses both the spark discharge ignition method according to claim 5 and the microwave plasma ignition method according to the present invention is the ignition device according to claim 1,
The first terminal of the high-voltage center conductor is a high-voltage input terminal for spark discharge, and the second terminal is a center electrode that protrudes into the combustion chamber and generates spark discharge, and feeds the microwave The inner conductor has a coaxial structure covering the high-voltage center conductor, and the inner conductor constitutes an L-type circuit, and the first terminal of the L-type circuit is a microwave input terminal, and the microwave input An impedance transformer is connected between the terminal and the L-shaped bending point, and the second terminal protrudes into the combustion chamber and functions as an antenna.
本発明による請求項６記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、請求項２記載の点火装置において、
前記高電圧用中心導体の第１の端子は、火花放電用高電圧入力端子であり、第２の端子は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極であり、前記内部導体は前記高電圧用中心導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波を給電する内部導体はＴ型回路を構成し、該Ｔ型回路の第１の端子はマイクロ波入力端子であって、該マイクロ波入力端子とＴ型分岐の間にインピーダンス変成器が接続され、第２の端子は、前記Ｔ型分岐よりマイクロ波の１／４波長の長さで終端されて前記外部導体に接続され、第３の端子は、前記燃焼室内に突出して前記中心電極との間で火花放電を発生し、さらに先端部が引き出され て外部導体の先端部とともにアンテナとして機能することを特徴とする。
本発明による請求項７記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用す る点火装置は、請求項３記載の点火装置において、
前記高電圧用中心導体の第１の端子は、火花放電用高電圧入力端子であり、第２の端子 は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極であり、前記内部導体は前記高電 圧用中心導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波を給電する内部導体はＴ型回路を 構成し、該Ｔ型回路の第１の端子はマイクロ波入力端子であって、該マイクロ波入力端子 とＴ型分岐の間にインピーダンス変成器が接続され、第２の端子は、前記Ｔ型分岐よりマ イクロ波の１／４波長の長さで終端されて前記外部導体に接続され、第３の端子は、前記 燃焼室内に突出して前記中心電極との間で火花放電を発生し、さらに先端部が引き伸ばさ れてアンテナとして機能することを特徴とする。 An ignition device using both the spark discharge ignition system according to claim 6 and the microwave plasma ignition system according to the present invention is the ignition device according to claim 2 ,
The first terminal of the high-voltage center conductor is a spark discharge high-voltage input terminal, the second terminal is a center electrode protruding into the combustion chamber to generate a spark discharge, and the inner conductor is the high-voltage input terminal. A coaxial structure that covers the voltage center conductor, wherein the inner conductor that feeds the microwave constitutes a T-type circuit, and the first terminal of the T-type circuit is a microwave input terminal, and the microwave input An impedance transformer is connected between the terminal and the T-type branch, and the second terminal is terminated with a length of 1/4 wavelength of the microwave from the T-type branch and connected to the outer conductor, and the third terminal The terminal protrudes into the combustion chamber to generate a spark discharge between the terminal and the center electrode, and further, the tip is drawn out to function as an antenna together with the tip of the external conductor.
You combination spark ignition system and the microwave plasma ignition system according to claim 7, wherein according to the present invention an ignition device, the ignition device according to claim 3,
The first terminal of the high-voltage center conductor is a spark discharge high-voltage input terminal, the second terminal is a center electrode protruding into the combustion chamber to generate a spark discharge, and the inner conductor is the high-voltage input terminal. a coaxial structure covering the conductive pressure center conductor, an inner conductor for feeding the microwaves constitute a T-type circuit, a first terminal of the T-type circuit is a microwave input terminal, the microwave input is impedance transformer between the terminals and the T-shaped branch connection, the second terminal is terminated by the length of a quarter wavelength of the T-branched from the microwave is connected to the outer conductor, the third The terminal protrudes into the combustion chamber to generate a spark discharge with the center electrode, and further, the tip is extended to function as an antenna.
本発明による請求項８記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、請求項５または７記載の点火装置において、
前記マイクロ波を給電する内部導体が、前記燃焼室内に突出してマイクロ波を放射するアンテナであって、該アンテナの形状が螺旋形状であることを特徴とする。An ignition device that uses both the spark discharge ignition method according to claim 8 and the microwave plasma ignition method according to the present invention is the ignition device according to claim 5 or 7 ,
The internal conductor that feeds the microwave is an antenna that protrudes into the combustion chamber and radiates the microwave, and the shape of the antenna is a spiral shape.
本発明による請求項９記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、請求項６記載の点火装置において、
前記内部導体と該内部導体を覆う外部導体の両方または一方の先端部のアンテナの形状が螺旋形状であることを特徴とする。An ignition device using both the spark discharge ignition method according to claim 9 and the microwave plasma ignition method according to the present invention is the ignition device according to claim 6 ,
The internal conductor and the external conductor covering the internal conductor, or the shape of the antenna at the tip of one of them is a spiral shape.
本発明による請求項１０記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、請求項１，２，３または４記載の点火装置において、
前記点火制御回路は、前記点火回路から高電圧を出力するタイミングと前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングを任意に設定できることを特徴とする。An ignition device that uses the spark discharge ignition method according to claim 10 and the microwave plasma ignition method according to the present invention in the ignition device according to claim 1, 2, 3, or 4 ,
The ignition control circuit can arbitrarily set a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit and a timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit.
本発明による請求項１１記載の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置は、請求項１，２，３または４記載の点火装置において、
前記マイクロ波を給電する中心導体と該中心導体を覆う外部導体との間または前記内部導体と該内部導体を覆う外部導体との間の空隙のうち、前記燃焼室内先端部付近にそれぞれ誘電体を充填したことを特徴とする。An ignition device using both the spark discharge ignition method according to claim 11 and the microwave plasma ignition method according to the present invention is the ignition device according to claim 1, 2, 3 or 4 ,
Dielectrics are respectively provided in the vicinity of the front end of the combustion chamber in the gap between the central conductor that feeds the microwave and the outer conductor that covers the central conductor or between the inner conductor and the outer conductor that covers the inner conductor. It is characterized by filling.
本発明による請求項１，２，３記載の発明によれば、従来の火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用することによって、着火性を向上し、点火後の火炎核が燃焼室内に短時間に確実に拡がる点火装置が得られる。そして、点火プラグの中心導体と、マイクロ波を給電し、その先端部よりプラズマを生成するプラズマ電極導体（内部導体）が分離して同軸構造になっているので、高電圧とマイクロ波の相互干渉を防止する素子を必要とせず、従来の点火プラグと形状的及び機能的に互換性をもつ点火プラグを構成することができる。According to the invention of claim 1, 2, 3, wherein according to the present invention, by combining the conventional spark ignition system and the microwave plasma ignition system, to improve the ignitability, the flame kernel after ignition the combustion chamber An ignition device that spreads reliably in a short time is obtained. Since the center conductor of the spark plug and the plasma electrode conductor (internal conductor) that feeds microwaves and generates plasma from the tip of the spark plug are separated and have a coaxial structure, mutual interference between high voltage and microwaves Therefore, it is possible to construct a spark plug that is compatible in shape and function with a conventional spark plug.
本発明による請求項４記載の発明によれば、点火プラグの中心導体とマイクロ波プラズマ電極導体が共通同軸導体で構成され、火花放電用高電圧入力時にマイクロ波入力端子側への干渉を防止するためマイクロ波入力端子側にＤＣカットを接続し、マイクロ波入力時に火花放電用高電圧入力端子側への干渉を防止するため高電圧入力端子側にローパスフィルタを接続しているので、火花放電用高電圧とマイクロ波を共通導体に通電することができる。そして、共通導体または外部導体もしくは共通導体と外部導体の両方をアンテナとして引き伸ばし、該アンテナの形状を螺旋状にすることによってマイクロ波の１／４波長の長さを燃焼室内でも実現でき、最も強いマイクロ波を放射することができる。According to the invention of claim 4 according to the present invention, the center conductor of the spark plug and the microwave plasma electrode conductor are constituted by a common coaxial conductor to prevent interference on the microwave input terminal side when a high voltage for spark discharge is input. Therefore, a DC cut is connected to the microwave input terminal side, and a low pass filter is connected to the high voltage input terminal side to prevent interference with the high voltage input terminal side for spark discharge during microwave input. High voltage and microwaves can be passed through the common conductor. And, by extending both the common conductor or the outer conductor or both the common conductor and the outer conductor as an antenna, and making the shape of the antenna spiral, the length of a quarter wavelength of the microwave can be realized even in the combustion chamber, which is the strongest Microwave can be emitted.
本発明による請求項５，７記載の発明によれば、点火プラグの中心導体とマイクロ波の給電導体が分離して個別の同軸導体を使用するので、相互干渉防止用の素子を必要とせず、さらに、マイクロ波の給電導体はインピーダンス整合手段によって反射波の少ないマイクロ波を伝送することができる。According to the fifth and seventh aspects of the present invention, since the center conductor of the spark plug and the microwave feeding conductor are separated and separate coaxial conductors are used, elements for preventing mutual interference are not required, Further, the microwave feeding conductor can transmit microwaves with less reflected waves by the impedance matching means.
本発明による請求項６記載の発明によれば、点火プラグの中心導体とマイクロ波の給電導体が分離して個別の同軸導体を使用するので、相互干渉防止用の素子を必要とせず、さらにマイクロ波給電導体と外部導体の両方でアンテナを構成することができるので、アンテナの設計の自由度が増す。According to the sixth aspect of the present invention, since the center conductor of the spark plug and the feed conductor of the microwave are separated and separate coaxial conductors are used, no element for preventing mutual interference is required. Since the antenna can be constituted by both the wave feeding conductor and the outer conductor, the degree of freedom in designing the antenna is increased.
本発明による請求項８記載の発明によれば、マイクロ波給電導体を引き伸ばしてアンテナとし、該アンテナの形状を螺旋状にすることによって、燃焼室内部にマイクロ波の１／４波長の長さで広げることができるので、効率よくプラズマを発生させることができる。According to the invention of claim 8 of the present invention, the microwave feed conductor is stretched to form an antenna, and the shape of the antenna is spiraled so that the inside of the combustion chamber has a length of 1/4 wavelength of the microwave. Since it can be spread, plasma can be generated efficiently.
本発明による請求項９記載の発明によれば、マイクロ波給電導体とその外側を覆う外部導体の両方または一方を引き伸ばしてアンテナとし、該アンテナの形状を螺旋状にすることによって、燃焼室内部にマイクロ波の１／４波長の長さで広げることができるので、効率よくプラズマを発生させることができる。
According to the ninth aspect of the present invention, the antenna is formed by extending both or one of the microwave feeding conductor and the outer conductor covering the outside to form an antenna, and the inside of the combustion chamber is formed into a spiral shape. Since it can be expanded by the length of 1/4 wavelength of the microwave, plasma can be generated efficiently.
本発明による請求項１０記載の発明によれば、火花放電用高電圧の出力タイミングとマイクロ波出力タイミングを任意に設定できるので、エンジンの状態や混合ガスの空燃比に応じて、最適な点火タイミングに設定することができる。
本発明による請求項１１記載の発明によれば、マイクロ波給電導体とその外部導体間の空隙に誘電体を充填することによって、リアクタンスを調整することができ、マイクロ波の電力の反射を最小にすることができる。According to the invention of the tenth aspect of the present invention, since the output timing of the high voltage for spark discharge and the microwave output timing can be arbitrarily set, the optimum ignition timing is determined according to the engine state and the air-fuel ratio of the mixed gas. Can be set to
According to the eleventh aspect of the present invention, the reactance can be adjusted by filling the gap between the microwave feeding conductor and its outer conductor with a dielectric, and the reflection of the microwave power can be minimized. can do.
以下図面を参照して、本発明による火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置を実施するための最良の形態を説明する。なお、図面において、同一の機能については同一の符号を付している。
図１は、本発明による火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置の全体の概略図である。点火プラグ１０１は、マイクロ波入力端子１０２と火花放電用高電圧入力端子１０３を備え、マイクロ波入力端子にはマイクロ波発生回路１０４において発生したマイクロ波が同軸ケーブル１０５を通して入力される。マイクロ波発生回路としては、例えば、一般に広く流通している電子レンジ用２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロンでも良く、その他の周波数、例えば５ＧＨｚ，１４ＧＨｚ，２４ＧＨｚなどでしかも個体発振器と個体増幅器を利用したマイクロ波発振回路で構成される。点火回路１０６は、バッテリーとイグニッションコイル等で構成され、バッテリー電圧をイグニッションコイルによってピーク電圧として１０ｋＶから３０ｋＶの高電圧に昇圧して点火プラグの高電圧入力端子１０３に印加する。点火制御回路１０７は、マイクロ波発生回路１０４からマイクロ波を出力するタイミングと点火回路１０６から高電圧を出力するタイミングを任意に設定することができる。点火プラグの先端には、中心電極とマイクロ波プラズマ電極の共通電極１０９およびアンテナとしても機能する接地電極１１０がエンジンの燃焼室１０８の内部に突出している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A best mode for carrying out an ignition device using a spark discharge ignition system and a microwave plasma ignition system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same functions are denoted by the same reference numerals.
FIG. 1 is an overall schematic view of an ignition device that uses both a spark discharge ignition system and a microwave plasma ignition system according to the present invention. The spark plug 101 includes a microwave input terminal 102 and a spark discharge high voltage input terminal 103, and the microwave generated in the microwave generation circuit 104 is input to the microwave input terminal through the coaxial cable 105. The microwave generation circuit may be, for example, a magnetron that generates microwaves of 2.45 GHz for microwave ovens that are generally widely distributed, and other frequencies such as 5 GHz, 14 GHz, and 24 GHz, and an individual oscillator and an individual amplifier. Consists of a microwave oscillation circuit used. The ignition circuit 106 includes a battery, an ignition coil, and the like, and boosts the battery voltage as a peak voltage from 10 kV to 30 kV by the ignition coil and applies the boosted voltage to the high voltage input terminal 103 of the ignition plug. The ignition control circuit 107 can arbitrarily set the timing for outputting the microwave from the microwave generation circuit 104 and the timing for outputting the high voltage from the ignition circuit 106. At the tip of the spark plug, a common electrode 109 of the center electrode and the microwave plasma electrode and a ground electrode 110 that also functions as an antenna protrude into the combustion chamber 108 of the engine.
図２は、本発明による火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置の動作タイミングの実施例を示すタイムチャートである。時刻ｔ0 に点火回路１０６のイグニッションコイルに通電が開始され、一次電流が流れる。時刻ｔ1 に通電が遮断されると、２次電圧が上昇し、放電電圧が出力される。最初の容量放電によって、高電圧が図１の共通電極１０９と接地電極１１０の間に印加され、電極間に絶縁破壊が生じ、火花放電が発生する。容量放電の時間は極めて短く、数１０ｎｓから数１００ｎｓ程度である。このとき、電極間の混合ガスはイオン化し、プラズマ状態となっている。次に誘導放電に移ると、放電電圧は数１００Ｖまで低下するが放電時間は、数ｍｓ続く。この放電期間に火炎核が成長して燃焼室内の混合ガス全体に燃焼が広がることが理想的な燃焼であるが、点火プラグの接地電極１１０や燃焼室壁の消炎作用により火炎核の拡大が阻害され、火炎核が消失する場合がある。そこで、図２において、時刻ｔ2 にマイクロ波をマイクロ波入力端子１０２より入力し、アンテナを兼ねる接地電極１１０より電磁エネルギーを放射することによって、混合ガスが励起されてアンテナ付近にマイクロ波プラズマを生成し、火炎核の拡大を助長し、燃焼室内の混合ガスを完全に燃焼させることができる。燃焼室内に突出したアンテナの長さは、マイクロ波の１／４波長が最も効率的に電磁波を放射する。図２に示す実施例においては、最初に火花放電点火を起こし、その後プラズマ点火で火炎核の成長を促しているが、火花放電点火の前に燃焼室内にプラズマを生成することで火花放電点火による火炎核の生成を確実にすることができる。このように、火花放電点火とプラズマ点火のタイミングとその設定時間は、エンジンの構造、周囲温度および混合ガスの濃度状態に応じて最適なタイミングに設定することができる。 FIG. 2 is a time chart showing an example of the operation timing of the ignition device using the spark discharge ignition method and the microwave plasma ignition method according to the present invention. At time t 0 , energization is started in the ignition coil of the ignition circuit 106, and a primary current flows. When energized time t 1 is interrupted, the secondary voltage increases, the discharge voltage is output. Due to the first capacitive discharge, a high voltage is applied between the common electrode 109 and the ground electrode 110 in FIG. 1, causing dielectric breakdown between the electrodes and generating a spark discharge. The capacity discharge time is extremely short, about several tens to several hundreds ns. At this time, the mixed gas between the electrodes is ionized and is in a plasma state. Next, when the induction discharge is started, the discharge voltage decreases to several hundred volts, but the discharge time lasts several milliseconds. It is ideal combustion that flame nuclei grow during this discharge period and spread to the whole mixed gas in the combustion chamber, but expansion of the flame nuclei is hindered by the flame extinguishing action of the ground electrode 110 of the spark plug and the combustion chamber wall. The flame kernel may disappear. Therefore, in FIG. 2, a microwave is input from the microwave input terminal 102 at time t 2, and electromagnetic energy is radiated from the ground electrode 110 that also functions as an antenna, whereby the mixed gas is excited and microwave plasma is generated near the antenna. It can generate and promote the expansion of the flame kernel, and the mixed gas in the combustion chamber can be burned completely. As for the length of the antenna protruding into the combustion chamber, a quarter wavelength of the microwave radiates electromagnetic waves most efficiently. In the embodiment shown in FIG. 2, spark discharge ignition is first caused, and then the growth of flame nuclei is promoted by plasma ignition, but by spark discharge ignition by generating plasma in the combustion chamber before spark discharge ignition. Generation of flame kernels can be ensured. Thus, the timing of spark discharge ignition and plasma ignition and the set time thereof can be set to optimum timings according to the structure of the engine, the ambient temperature, and the concentration state of the mixed gas.
図３は、本発明による火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置の点火プラグの第１の形態を示す略図的断面図である。高電圧入力端子１０３に印加された高電圧は、同軸Ｔ型分岐３０３を介して共通同軸中心導体３０１へ伝導される。この場合、マイクロ波入力端子１０２側に対しては、マイクロ波帯域以外の周波数を遮断するＤＣカット３０４が配置されているので、高電圧による影響はマイクロ波発生回路１０４側には及ばない。マイクロ波入力端子１０２に入力されたマイクロ波は、同軸Ｔ型分岐３０３を介して共通同軸中心導体３０１へ伝送される。この場合、高電圧入力端子１０３と同軸Ｔ型分岐３０３の間に高電圧のみを通過させる同軸ローパスフィルタ３０５が配置されているので、マイクロ波は点火回路１０６側へ悪影響を及ぼすことはない。このような構成によって、共通同軸中心導体３０１には、高電圧とマイクロ波の双方を伝導および伝送することができる。共通同軸中心導体３０１と外部導体３０２の空隙の先端の一部分に誘電体３０６が充填されている。誘電体の材質としては、誘電体損失が小さく、熱伝導性が良い、例えば、窒化アルミなどが好ましい。誘電体３０６は、共通同軸中心導体３０１と外部導体３０２の空隙を保持すると共に、マイクロ波共振のためのリアクタンスとなる。このリアクタンスと同軸Ｔ型分岐３０３とＤＣカット３０４の構造と同軸Ｔ型分岐３０３から誘電体３０６までの共通同軸導体の長さ（Ｌ）を最適にすることで実効的な共振器を構成することができる。共通同軸導体の長さ（Ｌ）は、伝送するマイクロ波の波長をλとすると、Ｌ≒ｎλ／２が条件となる。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、その波長λは１２．２ｃｍであり、ｎ＝１の場合、Ｌは６．１ｃｍとなり、形状的にも従来の点火プラグの形状と互換性をもった形状に製造することができる。また、外部導体３０２、共通電極１０９及びアンテナを兼ねる接地電極１１０などの金属部分の材質は、融点が高く、誘電体３０６と膨張係数が同程度で導電性が良いものが望ましく、例えば、コバールなどの材料が好ましい。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of an ignition plug of an ignition device using both the spark discharge ignition system and the microwave plasma ignition system according to the present invention. The high voltage applied to the high voltage input terminal 103 is conducted to the common coaxial center conductor 301 via the coaxial T-type branch 303. In this case, since the DC cut 304 that cuts off the frequency other than the microwave band is arranged on the microwave input terminal 102 side, the influence of the high voltage does not reach the microwave generation circuit 104 side. The microwave input to the microwave input terminal 102 is transmitted to the common coaxial center conductor 301 via the coaxial T-type branch 303. In this case, since the coaxial low-pass filter 305 that passes only a high voltage is disposed between the high voltage input terminal 103 and the coaxial T-type branch 303, the microwave does not adversely affect the ignition circuit 106 side. With such a configuration, the common coaxial center conductor 301 can conduct and transmit both high voltage and microwave. A dielectric 306 is filled in part of the tip of the gap between the common coaxial center conductor 301 and the outer conductor 302. As a dielectric material, for example, aluminum nitride is preferable because it has a low dielectric loss and good thermal conductivity. The dielectric 306 retains a gap between the common coaxial center conductor 301 and the outer conductor 302 and has reactance for microwave resonance. An effective resonator is configured by optimizing the reactance, the structure of the coaxial T-type branch 303 and the DC cut 304, and the length (L) of the common coaxial conductor from the coaxial T-type branch 303 to the dielectric 306. Can do. The length (L) of the common coaxial conductor is conditional on L≈nλ / 2 where λ is the wavelength of the microwave to be transmitted. When the frequency of the microwave is 2.45 GHz, the wavelength λ is 12.2 cm. When n = 1, L is 6.1 cm, which is compatible with the shape of the conventional spark plug in terms of shape. Can be manufactured in shape. Further, the outer conductor 302, the material of the metal parts such as the ground electrode 110 serving as a common electrode 109及beauty antenna has a high melting point, is desirable as expansion coefficient as the dielectric 306 is conductive good to the same extent, for example, A material such as Kovar is preferred .
図４Ａは、本発明による火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置の点火プラグの第２の形態を示す略図的断面図である。この例では、高電圧用中心導体４０１と、マイクロ波用内部導体４０２と、共通電位の外部導体４０３が３層同軸構造で構成される。高電圧用導体とマイクロ波伝送用導体が分離しているので、前記第１の形態で必要とした相互干渉防止用の同軸フィルタを必要とせず、構造的に単純化できる。この例においても内部導体４０２と外部導体４０３の空隙の先端の一部に誘電体４０６が充填されている。この誘電体の作用、材質は前記第１の形態の誘電体３０６に同じである。同軸Ｌ型折曲点４０４から先端の一部に充填された誘電体４０６までは長さ（Ｌ）の同軸共振器を構成する。共振器の長さに関する制約は、図３の第１の形態の場合に同じである。この同軸共振器とインピーダンス変成器４０７と誘電体４０６の構造を選ぶことであるマイクロ波周波数（たとえば２．４５ＧＨｚ）での実効的な共振器を構成することができる。外部導体４０３、内部導体４０２、中心電極４０８及びアンテナを兼ねる接地電極４１０の材質は、第１の形態に同じである。 FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a second embodiment of an ignition plug of an ignition device using both the spark discharge ignition system and the microwave plasma ignition system according to the present invention. In this example, the high-voltage center conductor 401, the microwave inner conductor 402, and the common potential outer conductor 403 are configured in a three-layer coaxial structure. Since the high voltage conductor and the microwave transmission conductor are separated from each other, the coaxial filter for preventing mutual interference required in the first embodiment is not required, and the structure can be simplified. Also in this example, the dielectric 406 is filled in part of the tip of the gap between the inner conductor 402 and the outer conductor 403. The function and material of this dielectric are the same as those of the dielectric 306 of the first embodiment. A coaxial resonator having a length (L) is formed from the coaxial L-shaped bending point 404 to the dielectric 406 filled in a part of the tip. The restrictions on the length of the resonator are the same as in the first embodiment of FIG. An effective resonator at a microwave frequency (eg, 2.45 GHz) can be configured by selecting the structure of the coaxial resonator, the impedance transformer 407, and the dielectric 406. The materials of the outer conductor 403, the inner conductor 402, the center electrode 408, and the ground electrode 410 that also serves as an antenna are the same as those in the first embodiment .
図４Ｂは、本発明による火花放電点火方式とマイクロ波プラズマ点火方式を併用する点火装置の点火プラグの第２の形態の他の実施例を示す略図的断面図である。当該実施例の構成は、図４Ａの点火プラグの第２の形態において説明した構成にほぼ同じであるが、Ｔ型分岐４１４の一端がマイクロ波の波長の１／４の長さで外部導体４１３に接続されて直流的に外部導体と同電位となっている。この構成によって、高電圧火花放電は、中心電極４０８とマイクロ波用内部導体４１２の先端部に構成される接地電極４１０の間で発生し、マイクロ波は外部導体４１３の先端部で構成されるアンテナ４１５より放射されてプラズマを生成する。 FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the second form of the ignition plug of the ignition device using both the spark discharge ignition system and the microwave plasma ignition system according to the present invention. The configuration of this example is substantially the same as the configuration described in the second form of the spark plug of FIG. 4A, but one end of the T-shaped branch 414 is ¼ of the wavelength of the microwave and the outer conductor 413. And is at the same potential as the outer conductor in terms of DC. With this configuration, a high voltage spark discharge is generated between the center electrode 408 and the ground electrode 410 configured at the tip of the microwave inner conductor 412, and the microwave is an antenna configured at the tip of the outer conductor 413. Plasma is generated by being emitted from 415 .
図５Ａ，図５Ｂ及び図５Ｃは、本発明による点火プラグの第１の形態に係る共通電極と接地電極の実施例である。マイクロ波を放射するアンテナは、共通電極と接地電極の片方または双方を燃焼室内に引き伸ばすことによって構成される。
図５Ａは、点火プラグのアンテナの第１の形態を示す略図的断面図と点火プラグ先端部を燃焼室内側から見た図である。アンテナの最適な長さは、マイクロ波の波長の１／４の長さであり、２．４５ＭＨｚのマイクロ波の場合、約３．１ｃｍである。この長さを実現し、かつピストンの動きの支障にならないように平面的な螺旋形状とする。火花放電は、共通電極１０９と接地電極５０２Ａの間で発生する。アンテナ５０１Ａは、接地電極５０２Ａの一部を引き伸ばし螺旋形状とする。この構造によって、共通電極１０９と接地電極５０２Ａの間で発生した火炎核は、アンテナ５０１Ａの近傍で生成されるマイクロ波プラズマにより火炎核の成長を助長し、混合ガスを確実に燃焼させることができる。
5A, 5B and 5C are examples of the common electrode and the ground electrode according to the first form of the spark plug according to the present invention. An antenna that radiates microwaves is configured by extending one or both of a common electrode and a ground electrode into a combustion chamber.
FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing a first form of the antenna of the spark plug and a view of the tip end portion of the spark plug as viewed from the inside of the combustion chamber. The optimum length of the antenna is a quarter of the wavelength of the microwave, and is about 3.1 cm for a 2.45 MHz microwave. A flat spiral shape is used so that this length is realized and the movement of the piston is not hindered. Spark discharge is generated between the common electrode 109 and the ground electrode 502A. The antenna 501A extends a part of the ground electrode 502A into a spiral shape. With this structure, flame nuclei generated between the common electrode 109 and the ground electrode 502A can promote the growth of the flame nuclei by the microwave plasma generated in the vicinity of the antenna 501A, and the mixed gas can be reliably burned. .
図５Ｂは、アンテナの第２の形態を示す略図的断面図と点火プラグ先端部を燃焼室内側から見た図である。接地電極５０２Ｂに相当する部分は、突起状として共通電極１０９との間で火花放電が発生し易くしている。アンテナ５０１Ｂは、燃焼室内部に向かって突き出した螺旋形状とし、マイクロ波プラズマが燃焼室の内部でも生成されるようにし、混合ガスが一層確実に燃焼するような構造とする。 FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing a second form of the antenna and a view of the tip end portion of the spark plug as viewed from the combustion chamber side. A portion corresponding to the ground electrode 502B has a protruding shape to easily generate a spark discharge with the common electrode 109. The antenna 501B has a spiral shape protruding toward the inside of the combustion chamber so that microwave plasma can be generated even inside the combustion chamber, and the mixed gas is burned more reliably.
図５Ｃは、アンテナの第３の形態を示す略図的断面図と点火プラグ先端部を燃焼室内側から見た図である。この実施例においては、共通電極１０９を螺旋状に引き出した先端部５０１Ｃと接地電極５０２Ｃを螺旋状に引き伸ばした先端部５０３Ｃの両方でアンテナを構成し、放射エネルギーを大きくすることができる。火花放電は、共通電極の突起部５０４Ｃと接地電極の突起部５０２Ｃの間で発生する。 FIG. 5C is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment of the antenna and a view of the tip end portion of the spark plug as viewed from the combustion chamber side. In this embodiment, the antenna can be constituted by both the tip 501C from which the common electrode 109 is spirally drawn and the tip 503C from which the ground electrode 502C is spirally extended, so that the radiation energy can be increased. The spark discharge is generated between the common electrode protrusion 504C and the ground electrode protrusion 502C.
図６Ａは、本発明による点火プラグの第２の形態に係る中心電極と接地電極及びアンテナの実施例であり、アンテナの形態を示す略図的断面図と点火プラグ先端部を燃焼室内側から見た図である。火花放電は、中心電極４０８と外部導体を引き出した接地電極６０３Ａの間で発生する。アンテナ６０１Ａは、内部導体をマイクロ波の１／４波長の長さをもって燃焼室内に螺旋状に引き出して構成する。 FIG. 6A is an example of a center electrode, a ground electrode, and an antenna according to a second form of the spark plug according to the present invention, and is a schematic cross-sectional view showing the form of the antenna and a spark plug tip as viewed from the combustion chamber side. FIG. The spark discharge is generated between the center electrode 408 and the ground electrode 603A from which the external conductor is drawn. The antenna 601A is configured by spirally pulling the inner conductor into the combustion chamber with a length of ¼ wavelength of the microwave.
図６Ｂおよび図６Ｃは、本発明による点火プラグの第２の形態の他の実施例に係る中心電極と接地電極及びアンテナの実施例である。
図６Ｂは、アンテナの第１の形態を示す略図的断面図と点火プラグ先端部を燃焼室内側から見た図である。火花放電は、中心電極４０８と内部導体を引き出した接地電極６０３Ｂの間で発生する。アンテナは、内部導体６０１Ｂおよび外部導体６０２Ｂをそれぞれマイクロ波の１／４波長の長さをもって燃焼室内に螺旋状に引き出して構成する。
6B and 6C are examples of the center electrode, the ground electrode, and the antenna according to another example of the second form of the spark plug according to the present invention.
FIG. 6B is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the antenna and a view of the tip end portion of the spark plug as viewed from the combustion chamber side. The spark discharge is generated between the center electrode 408 and the ground electrode 603B from which the internal conductor is drawn. The antenna is constituted by spirally pulling the inner conductor 601B and the outer conductor 602B into the combustion chamber with a length of 1/4 wavelength of the microwave.
図６Ｃは、アンテナの第２の形態を示す略図的断面図と点火プラグ先端部を燃焼室内側から見た図である。この例では、火花放電は、中心電極４０８と内部導体を引き出した接地電極６０３Ｃの間で発生する。アンテナ６０１Ｃは、内部導体を螺旋状に引き伸ばして構成する。 FIG. 6C is a schematic cross-sectional view showing a second form of the antenna and a view of a spark plug tip portion from the combustion chamber side. In this example, the spark discharge is generated between the center electrode 408 and the ground electrode 603C from which the internal conductor is drawn. The antenna 601C is configured by extending an inner conductor in a spiral shape.
１０１ 点火プラグ
１０２ マイクロ波入力端子
１０３ 火花放電用高電圧入力端子
１０４ マイクロ波発生回路
１０５ マイクロ波伝送用同軸ケーブル
１０６ 点火回路
１０７ 点火制御回路
１０８ 燃焼室
１０９ 共通電極
１１０ アンテナを兼ねる接地電極
１１１ ピストン
３０１ 共通同軸中心導体
３０２ 外部導体
３０３ 同軸Ｔ型分岐
３０４ ＤＣカット
３０５ ローパスフィルタ
３０６ 誘電体
４０１ 高電圧用中心導体
４０２ マイクロ波用内部導体
４０３ 外部導体
４０４ 同軸Ｌ型折曲点
４０６ 誘電体
４０７ インピーダンス変成器
４０８ 中心電極
４１０ 接地電極
４１２ マイクロ波用内部導体
４１３ 外部導体
４１４ 同軸Ｔ型分岐
４１５ アンテナ
４１７ インピーダンス変成器
５０１Ａ アンテナ
５０２Ａ 接地電極
５０１Ｂ アンテナ
５０２Ｂ 接地電極
５０１Ｃ アンテナ（共通電極先端部）
５０２Ｃ 接地電極
５０３Ｃ アンテナ（接地電極先端部）
５０４Ｃ 共通電極突起部
６０１Ａ アンテナ
６０３Ａ 接地電極
６０１Ｂ アンテナ（内部導体）
６０２Ｂ アンテナ（外部導体）
６０３Ｂ 接地電極
６０１Ｃ アンテナ
６０３Ｃ 接地電極
７０１ マイクロ波放射アンテナ
７０２ 点火放電部
７０３ グランド端子部
７０４ 陽極端子部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Spark plug 102 Microwave input terminal 103 High voltage input terminal for spark discharges 104 Microwave generation circuit 105 Coaxial cable for microwave transmission 106 Ignition circuit 107 Ignition control circuit 108 Combustion chamber 109 Common electrode 110 Ground electrode 111 also serving as antenna Piston 301 Common coaxial center conductor 302 Outer conductor 303 Coaxial T-shaped branch 304 DC cut 305 Low pass filter 306 Dielectric 401 High voltage center conductor 402 Microwave inner conductor 403 Outer conductor 404 Coaxial L-shaped bending point 406 Dielectric 407 Impedance transformer 408 Center electrode 410 Ground electrode 412 Microwave inner conductor 413 Outer conductor 414 Coaxial T-type branch 415 Antenna 417 Impedance transformer 501A Antenna 502A Ground electrode 501B NA 502B Ground electrode 501C Antenna (tip of common electrode)
502C Ground electrode 503C Antenna (ground electrode tip)
504C Common electrode protrusion 601A Antenna 603A Ground electrode 601B Antenna (internal conductor)
602B antenna (outer conductor)
603B Ground electrode 601C Antenna 603C Ground electrode 701 Microwave radiation antenna 702 Ignition discharge part 703 Ground terminal part 704 Anode terminal part
Claims (11)
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極として機能する高電圧用中心導体と該高電圧用中心導体を覆いマイクロ波を給電する内部導体と該内部導体を覆う外部導体よりなる３重同軸構造であって、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部は、前記燃焼室内に突出して、
前記高電圧用中心導体と前記外部導体間において火花放電を発生し、
前記内部導体の先端部はアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成することを特徴とする点火装置。An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit;
A triple coaxial structure comprising a high-voltage center conductor that functions as a center electrode of the spark plug, an inner conductor that feeds microwaves covering the high-voltage center conductor, and an outer conductor that covers the inner conductor;
The leading ends of the high-voltage center conductor, the inner conductor, and the outer conductor protrude into the combustion chamber,
A spark discharge occurs between the high voltage center conductor and before Kigaibu conductor,
Igniter tip of the inner guide body, characterized in that to produce the plasma by radiating a microwave to configure the antenna to the combustion chamber of the engine.
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極として機能する高電圧用中心導体と該高電圧用中心導体を覆いマイクロ波を給電する内部導体と該内部導体を覆う外部導体よりなる３重同軸構造であって、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部は、前記燃焼室内に突出して、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体間において火花放電を発生し、
前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部はアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成することを特徴とする点火装置。An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit;
A triple coaxial structure comprising a high-voltage center conductor that functions as a center electrode of the spark plug, an inner conductor that feeds microwaves covering the high-voltage center conductor, and an outer conductor that covers the inner conductor;
The leading ends of the high-voltage center conductor, the inner conductor, and the outer conductor protrude into the combustion chamber,
The Oite spark discharge occurs between said high voltage center conductor said inner conductor,
The ignition device according to claim 1, wherein the tip portions of the inner conductor and the outer conductor constitute an antenna to radiate microwaves to generate plasma in the combustion chamber of the engine.
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極として機能する高電圧用中心導体と該高電圧用中心導体を覆いマイクロ波を給電する内部導体と該内部導体を覆う外部導体よりなる３重同軸構造であって、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体と前記外部導体のそれぞれの先端部は、前記燃焼室内に突出して、
前記高電圧用中心導体と前記内部導体間において火花放電を発生し、
前記内部導体の先端部はアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成することを特徴とする点火装置。An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit;
A triple coaxial structure comprising a high-voltage center conductor that functions as a center electrode of the spark plug, an inner conductor that feeds microwaves covering the high-voltage center conductor, and an outer conductor that covers the inner conductor;
The leading ends of the high-voltage center conductor, the inner conductor, and the outer conductor protrude into the combustion chamber,
The Oite spark discharge occurs between said high voltage center conductor said inner conductor,
Igniter tip of the inner guide body, characterized in that to produce the plasma by radiating a microwave to configure the antenna to the combustion chamber of the engine.
前記燃焼室内にプラズマを生成するためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、前記点火プラグに火花放電を誘起するための高電圧を発生する点火回路と、
前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングと前記点火回路から高電圧を出力するタイミングを制御する点火制御回路とを備え、
前記点火プラグの中心電極に火花放電用高電圧を伝導するとともに、前記マイクロ波を給電する共通の中心導体と、該中心導体を覆う外部導体からなる同軸構造であって、前記中心導体または前記外部導体の先端部は、前記燃焼室内に突出して火花放電を発生するとともにアンテナを構成してマイクロ波を放射することによってプラズマをエンジンの燃焼室内に生成し、
前記共通の中心導体は、Ｔ型回路を構成し、該Ｔ型回路の第１の端子は火花放電用高電圧入力端子であって、第２の端子はマイクロ波入力端子であって、第３の端子は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極とマイクロ波を放射してプラズマを生成するアンテナを兼ねる電極であり、前記火花放電用高電圧入力端子とＴ型分岐の間にはローパスフィルタが接続され、前記マイクロ波入力端子とＴ型分岐の間にＤＣカットが接続され、
前記共通の中心導体または該中心導体を覆う外部導体の両方か一方の先端部のアンテナの形状が螺旋形状であることを特徴とする点火装置。An ignition device that ignites a mixed gas of fuel and air in a combustion chamber of an engine with a spark plug,
A microwave generation circuit for generating a microwave for generating plasma in the combustion chamber; an ignition circuit for generating a high voltage for inducing a spark discharge in the ignition plug;
A timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit and an ignition control circuit for controlling a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit;
A coaxial structure comprising a common center conductor that conducts a high voltage for spark discharge to the center electrode of the spark plug and that feeds the microwave, and an outer conductor that covers the center conductor, the center conductor or the outer The tip of the conductor protrudes into the combustion chamber to generate a spark discharge and constitutes an antenna to radiate microwaves to generate plasma in the combustion chamber of the engine.
The common central conductor constitutes a T-type circuit, the first terminal of the T-type circuit is a high voltage input terminal for spark discharge, the second terminal is a microwave input terminal, and the third terminal The terminal is a central electrode that protrudes into the combustion chamber and generates a spark discharge, and an electrode that also serves as an antenna that radiates microwaves to generate plasma. Between the high-voltage input terminal for spark discharge and the T-shaped branch, A low pass filter is connected, a DC cut is connected between the microwave input terminal and the T-shaped branch,
The ignition device characterized in that the shape of the antenna at the tip of either the common center conductor or the outer conductor covering the center conductor is a spiral shape.
前記高電圧用中心導体の第１の端子は、火花放電用高電圧入力端子であり、第２の端子は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極であり、前記マイクロ波を給電する内部導体は前記高電圧用中心導体を覆う同軸構造であって、前記内部導体はＬ型回路を構成し、該Ｌ型回路の第１の端子はマイクロ波入力端子であって、該マイクロ波入力端子とＬ型折曲点の間にインピーダンス変成器が接続され、第２の端子は、前記燃焼室内に突出してアンテナとして機能することを特徴とする点火装置。The ignition device according to claim 1, wherein
The first terminal of the high-voltage center conductor is a high-voltage input terminal for spark discharge, and the second terminal is a center electrode that protrudes into the combustion chamber and generates spark discharge, and feeds the microwave The inner conductor has a coaxial structure covering the high-voltage center conductor, and the inner conductor constitutes an L-type circuit, and the first terminal of the L-type circuit is a microwave input terminal, and the microwave input An ignition device, wherein an impedance transformer is connected between the terminal and the L-shaped bending point, and the second terminal protrudes into the combustion chamber and functions as an antenna.
前記高電圧用中心導体の第１の端子は、火花放電用高電圧入力端子であり、第２の端子は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極であり、前記内部導体は前記高電圧用中心導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波を給電する内部導体はＴ型回路を構成し、該Ｔ型回路の第１の端子はマイクロ波入力端子であって、該マイクロ波入力端子とＴ型分岐の間にインピーダンス変成器が接続され、第２の端子は、前記Ｔ型分岐よりマイクロ波の１／４波長の長さで終端されて前記外部導体に接続され、第３の端子は、前記燃焼室内に突出して前記中心電極との間で火花放電を発生し、さらに先端部が引き出され て外部導体の先端部とともにアンテナとして機能することを特徴とする点火装置。The ignition device according to claim 2 , wherein
The first terminal of the high-voltage center conductor is a spark discharge high-voltage input terminal, the second terminal is a center electrode protruding into the combustion chamber to generate a spark discharge, and the inner conductor is the high-voltage input terminal. A coaxial structure that covers the voltage center conductor, wherein the inner conductor that feeds the microwave constitutes a T-type circuit, and the first terminal of the T-type circuit is a microwave input terminal, and the microwave input An impedance transformer is connected between the terminal and the T-type branch, and the second terminal is terminated with a length of 1/4 wavelength of the microwave from the T-type branch and connected to the outer conductor, and the third terminal An ignition device characterized in that the terminal protrudes into the combustion chamber to generate a spark discharge with the center electrode, and further, the tip portion is drawn out and functions as an antenna together with the tip portion of the external conductor.
前記高電圧用中心導体の第１の端子は、火花放電用高電圧入力端子であり、第２の端子The first terminal of the high-voltage center conductor is a high-voltage input terminal for spark discharge, and the second terminal は前記燃焼室内に突出して火花放電を発生する中心電極であり、前記内部導体は前記高電Is a center electrode that protrudes into the combustion chamber and generates a spark discharge, and the inner conductor is the high-power 圧用中心導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波を給電する内部導体はＴ型回路をA coaxial structure that covers the central conductor for pressure, and the inner conductor that feeds the microwave is a T-type circuit. 構成し、該Ｔ型回路の第１の端子はマイクロ波入力端子であって、該マイクロ波入力端子The first terminal of the T-type circuit is a microwave input terminal, and the microwave input terminal とＴ型分岐の間にインピーダンス変成器が接続され、第２の端子は、前記Ｔ型分岐よりマAn impedance transformer is connected between the T-type branch and the second terminal is connected to the T-type branch. イクロ波の１／４波長の長さで終端されて前記外部導体に接続され、第３の端子は、前記Terminated with a quarter wavelength length of the microwave and connected to the outer conductor, the third terminal 燃焼室内に突出して前記中心電極との間で火花放電を発生し、さらに先端部が引き伸ばさProjects into the combustion chamber and generates a spark discharge with the center electrode, and the tip is stretched. れてアンテナとして機能することを特徴とする点火装置。And an ignition device that functions as an antenna.
前記マイクロ波を給電する内部導体が、前記燃焼室内に突出してマイクロ波を放射するアンテナであって、該アンテナの形状が螺旋形状であることを特徴とする点火装置。The ignition device according to claim 5 or 7 ,
An ignition device, wherein an inner conductor that feeds the microwave is an antenna that protrudes into the combustion chamber and radiates the microwave, and the antenna has a spiral shape.
前記内部導体と該内部導体を覆う外部導体の両方または一方の先端部のアンテナの形状が螺旋形状であることを特徴とする点火装置。The ignition device according to claim 6 , wherein
The ignition device characterized in that the shape of the antenna at the tip of one or both of the inner conductor and the outer conductor covering the inner conductor is a spiral shape.
前記点火制御回路は、前記点火回路から高電圧を出力するタイミングと前記マイクロ波発生回路からマイクロ波を出力するタイミングを任意に設定できることを特徴とする点火装置。The ignition device according to claim 1, 2, 3, or 4 ,
The ignition device, wherein the ignition control circuit can arbitrarily set a timing for outputting a high voltage from the ignition circuit and a timing for outputting a microwave from the microwave generation circuit.
前記マイクロ波を給電する中心導体と該中心導体を覆う外部導体との間または前記内部導体と該内部導体を覆う外部導体との間の空隙のうち、前記燃焼室内先端部付近にそれぞれ誘電体を充填したことを特徴とする点火装置。The ignition device according to claim 1, 2, 3, or 4 ,
Dielectrics are respectively provided in the vicinity of the front end of the combustion chamber in the gap between the central conductor that feeds the microwave and the outer conductor that covers the central conductor or between the inner conductor and the outer conductor that covers the inner conductor. Ignition device characterized by being filled.
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