JP2004087498A - 内燃機関の空気・燃料混合気を点火するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波の電気的なエネルギー源によって内燃機関内で空気・燃料混合気を点火するための装置であって、共振器室を形成する同軸的な導波管構造体３を備えており、該導波管構造体内に、高周波の電気的なエネルギーが、導波管構造体３の内側導体５の端部に設けられた所定の結合箇所７において供給可能であり、導波管構造体３が内側導体５の他方の端部５ａで以て、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入し、この他方の端部５ａで、高い電位によってマイクロ波プラズマが生ぜしめられるようになっている形式のものを改良して、コスト節約、構造スペース節約及び重量節約を得る。
【解決手段】前記結合箇所７は、供給線路８が同軸的に誘導式及び／又は容量式に結合可能であって、該供給線路によって、電気的なエネルギーが共振器室内に供給される。
【選択図】図１

Description

　本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、高周波の電気的なエネルギー源によって内燃機関内で空気・燃料混合気を点火するための装置に関する。

　このような空気・燃料混合気をいわゆるスパークプラグによって点火することは、自動車のための内燃機関の一般的な構成部材によって行われる。今日使用されている点火システムにおいては、スパークプラグに、点火コイルによって誘導式に十分に強い電圧が供給されるので、空気・燃料混合気の燃焼を導くために、内燃機関の燃焼室内でスパークプラグの端部に点火火花が形成される。

　このような従来型のスパークプラグの運転時には、３０キロボルトを超える電圧が発生し、この場合、燃焼プロセスによって、例えばすす、油又はカーボン並びに燃料及びオイルの灰等の残滓が発生し、これらの残滓が、所定の熱的条件のもとで導電性となる。しかしながらこの高い電圧において、スパークプラグの絶縁体（インシュレータ）にフラッシュオーバー又は破壊放電が発生するので、スパークプラグの耐用年数中において発生する高温においても、絶縁体の電気抵抗が変わらずに維持されなければならない。

　例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９８５２６５２号明細書によれば、自動車の内燃機関内でこのような空気・燃料混合気を点火することは、同軸的な線路型共振器（Ｌｅｉｔｕｎｇｓｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を使用することによって行われる。この場合、点火コイルは、十分に強いマイクロ波源、例えば高周波共振器と増幅器との組み合わせに置き換えられる。次いで幾何学的に最適化された同軸的な線路型共振器によって、点火に必要な電界強さがプラグ状の線路型共振器の開放端部に発生し、プラグの電極間に、電圧フラッシュオーバーに伴って点火可能のプラズマ区間が発生する。

　この公知の同軸的な線路型共振器の電気的な励起は、側方の結合によって行われ、この場合、この供給装置は、いわゆるＨＦ−プラグをねじ込んだ後で、もちろん規定されない角度位置を占める。場合によっては相応の構造的手段によって、接触位置を良好にコントロール可能な軸方向位置に移行させるために、ねじ込み時に、比較的大きい半径方向の所要スペース又は軸方向の所要スペースも必要である。

　このような高周波点火は一般的に、" SAE-Paper 970071, Investigation of Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion Engine Use"（ＳＡＥペーパー９７００７１、内燃機関に使用するための高周波プラズマ点火装置の研究）に記載されている。この高周波点火若しくはマイクロ波点火においても、一般的な点火コイルなしに、低オームの供給によってＨＦ線路型共振器のλ／４線路のいわゆる熱い端部に高電圧が生ぜしめられる。
ドイツ連邦共和国特許公開第１９８５２６５２号明細書 ＳＡＥペーパー９７００７１

　本発明の課題は、従来の高周波数スパークプラグに対して、特に、小型化のための可能性を提供することによって、コスト節約、構造スペース節約及び重量節約が得られるようにすることである。

　本発明は、高周波の電気的なエネルギー源によって内燃機関内で空気・燃料混合気を点火するための装置であって、共振器室を形成する同軸的な導波管構造体を備えており、該導波管構造体内に、高周波の電気的なエネルギーが、同軸的な導波管構造体の内側導体の端部に設けられた所定の結合箇所において供給可能である形式のものに関する。内側導体の他方の端部が、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入し、この他方の端部で、高い電位によってマイクロ波プラズマが生ぜしめられるようになっている。この場合、導波管構造体は、公知の形式で、結合された高周波数の振動の所定の効果的な波長λ_ｅｆｆのために、線路型共振器が、

に従って得られ（この場合、ｎ≧０である）、高周波振動は、例えば容量式、誘導式、混合式又は開口形結合によって結合される。この場合、効果的な波長λ_ｅｆｆは、ほぼ突き出した内側導体の端部に所定の形状を与えることによって、誘電体をシールすることによって、若しくは線路型共振器に所定の形状を与えることによって規定される。

　本発明の実施例によれば、燃焼室内で点火のために必要な電気的な電界強さが、その形状が十分にスパークプラグに類似した共振器の開放した端部で調節される。このような高周波数スパークプラグの、従来のスパークプラグに対する主要な利点は、特に、小型化のための可能性によってコスト節約、構造スペース節約及び重量節約が得られたという点にある。また、本発明によって提案された装置において得られた十分な熱価の自由性によって、型式の多様性が減少され、ひいてはコストの節減が可能である。

　ここでは簡単な型式で、発振器、場合によっては同軸的な導波管のその他の領域においても、空気・燃料混合気内で自由に存在するプラズマの物理的な値に基づく電気的な測定信号又は制御信号を結合解除できることによって、原理的に火炎の大きさを調節することが可能である。それによって、従来のスパークプラグと比較して拡大された点火容積が得られると共に、火炎フロントを燃焼室内に良好に導入することができる。これによって、特に希薄混合気エンジン及びガソリン直接噴射における点火の確実性が高められる。

　さらに、結合解除可能な制御信号の導出可能性に基づいて燃焼時間を制御できることによって付加的な自由度が得られる。結合解除可能な電気信号は、評価回路でさらに処理され、この評価回路によって、例えば装置の診断、高周波数のエネルギー源の調整及び／又は所定の運転機能の制御が実現可能である。燃焼診断の可能性及びひいてはエンジン制御の最適化に基づく制御可能性によって、点火電極として作用する構造部の摩耗を減少させることができ、しかも、不純物例えばすすをコントロールして焼き払うことができる。

　本発明によれば有利な形式で、ＨＦ−エネルギーのための結合箇所は、供給線路が導波管構造体に同軸的に誘導式及び／又は容量式に結合可能であるように構成されており、それによって、ＨＦ−エネルギーが共振器室内に特に良好に供給される。

　有利な実施例によれば、結合箇所の領域における供給線路が少なくとも１つのウエブを備えており、該ウエブが、導波管構造体の外側導体に押し付けられていて、この外側導体に少なくとも高周波的に接続されており、この場合、少なくとも１つのウエブが誘導式に、ウエブとオーバーラップする、導波管構造体の内側導体の拡張部に結合されている。

　簡単な形式で、少なくとも１つのウエブが、供給線路と接触する内側部分から、外側導体に接触するホイール状の外側部分までガイドされていて、内側導体のオーバーラップし合う拡張部がそれぞれ、ウエブ間の領域を貫通してガイドされている。ウエブの数は、１つから５つまで又はそれ以上の数に選定することができる。例えば特に有利な実施例によれば、４つのウエブが設けられていて、それに対応して４つの、これらのウエブ間の中間室を通って貫通ガイドされた、内側導体のオーバーラップ部が設けられている。

　本発明によれば、それによって同軸的な入力線路又は供給線路が、導電性かつ誘導性の結合部を備えた共振器底部から所定の間隔を保って、ウエブによって形成された部分的な開口（内側導体の拡張部を貫通ガイドすることができる）に接続されている。ウエブのオーバーラップ、及び共振器の内側導体の同軸的な拡張部に基づいて、供給線路の誘導性のウエブは、拡張部に若しくは共振器導体の相応の開口内に突入し、ひいては共振器室内に突入し、この場合、誘導性のウエブは前述のように、共振器の外側導体に少なくとも高周波的に接続されているが、これのウエブは、有利には電気的な（ｇａｌｖａｎｉｓｃｈ）誘電体接触によっても接続することができる。

　これによって、内側導体の拡張部は部分的に、同軸的な供給線路のための外側導体として作用する。この場合、共振器の内側導体は、この領域で従来の形式で電気的に共振器底部に接続されている。何故ならばこれは、共振器の短絡側だからである。

　この誘導式のウエブの最適な横断面形状は、各構造部の製造法に基づいている。横断面は例えば一定に、又は曲率半径の関数として選定されている。例えばこの構造部の断面形状は、金属薄板打ち抜き成形部として有利には片側で（打ち抜き成形時に型上に載る側）、小さい曲率半径の引き込み部を備えた方形が選定されている。ウエブは共振器内側導体と接触しないようになっているので、有利には、これらの部分を互いに回動防止するための手段例えば嵌め合いピンを備えた相応の組み立て手段を設ける必要がある。

　供給エネルギーの容量性の結合をさらに考慮するために、本発明によれば有利な形式で、装置内に位置する、供給線路の端部と、この端部に向かい合う、相応の端面を備えた、容量式に結合するための導波管構造体の内側の端部とが、それぞれ向かい合う端面が誘電体を介在させてキャパシタンスを形成するように、構成されている。供給線路の端面は簡単な形式で、少なくとも１つのウエブを支持するホイールの内側部分によって形成されている。

　これによって、本発明によれば同軸的な供給線路若しくは誘導性の結合部分の端部に、共振器内側導体に通じる容量性の結合部が取り付けられており、この場合、この結合部の誘電体は有利な形式で例えばセラミックより製造されている。この容量性の結合部の形状は、有利には丸く、厚さと誘電率とは相応に合わせられている。

　つまり、本発明による装置点火装置は、構造スペースが非常に小さいという利点を有している。何故ならば、結合は共振器内で得られ、ひいては短い付加的な線路を必要とするだけだからである。全体的に、同軸的な配置によって、わずかな電気的損失及び、結合箇所に電気的に短絡接続された共振器ピンを介して理想的な熱導出が保証される。本発明による装置の発信器エレクトロニクスは、スパークプラグに対して十分に熱的に接続解除されていて、電気的に比較的広帯域な適応が可能である。さらに、各部分の製造及び組み立ては容易にコントロールすることができる。非常に小さい結合ギャップを有する、純粋に低オームの同軸的な結合に対して、後作業の研削プロセスを伴う比較的高価な誘電式のコーティングは省くことができる。

　図１には、内燃機関内で燃料・空気混合気を高周波数で点火するための装置の、いわゆる高周波スパークプラグの構成部分の原理図が示されている。詳細は示されていないＨＦ−ジェネレータと、場合によっては省いてもよい増幅器とが設けられている。この増幅器はマイクロ波源として高周波数の振動を生ぜしめる。同軸的な差込み装置２を介して、以下に詳しく説明されている、高周波振動の接続部は、λ_ｅｆｆ/４共振器として構成された、高周波スパークプラグ１の主要な構成部分としての同軸的な導波管構造体３内に貫通ガイドされる。

　同軸的な共振器３は、外側導体４（つまりスパークプラグ１のケーシングに導電接続されている導波管構造体の外側壁）と、内側導体５とから成っており、この場合、内側導体５を備えた共振器３の開放した又は熱い端部が、点火ピン５ａとして点火を行う。高周波振動のために、共振器３の左側部分の底部としての、燃焼室とは反対側の冷たい他方の端部（この端部６内に、結合箇所７が配置されている）が、短絡を形成している。

　これによって、この高周波数スパークプラグ１において、ｎ≧０を有する長さ

の同軸的な共振器３内で、磁界増大の原理が利用される。

　十分に強い、ジェネレータとしてのマイクロ波源によって生ぜしめられた高周波の信号が、結合箇所７において入力又は供給管路８を介してジェネレータ３に供給される。供給管路８において、差込み接点２に同軸的なプラグが取り付けられる。このプラグから、電気的エネルギーが、同軸的な絶縁部９ａ（空気）及び９ｂ（絶縁正の円筒形リング）によって、供給線路８を介して結合箇所７に、及びひいては導波管構造体３の共振器室に供給される。同軸的な部材（絶縁部）９ａの外径は、部材（円筒形リング）９ｂの外径よりも小さい。従って、相応に固定することによって、内側導体５は結合箇所７に押し付けられる。内側導体５は、この実施例では、図２以下に示されているように、同軸的な供給線路８の部分的に開放した外側導管の底部６から結合箇所７までガイドされている。

　結合箇所７には、４つのウエブ１０，１１，１２，１３を備えた誘電式の結合を行うための構成部分が取り付けられている。この構成部分は図２〜図６に詳しく示されている。さらに供給エネルギーを結合箇所７に容量式に接続するために、共振器３に位置する供給線路８の端部と、この端部に対応する端面を備えた、導波管構造体３の内側導体５の端部とは、それぞれ向き合った端面が、介在された誘電体１４例えばセラミックと共にキャパシタンスを形成するように、構成されている。

　図１に示したいわゆる誘導式のウエブ１０，１１，１２，１３は、内側導体５の重なり合う拡張部２０と誘導式に結合されている。これは以下の図面に詳しく示されている。図２には、単独のウエブ２１を備えた構成が示されており、この単独のウエブ２１は、供給線路８に接続された内側部分２２からホイール状の外側部分２３にガイドされている。外側部分２３は、回動防止部２４のための切欠（図１に示されている）も有している。この切欠は、回転によるウエブ２１と拡張部２０との間の短絡を阻止するためのものである。組み立て後に、ウエブ２１は、内側導体５の拡張部２０と外壁４と共振器３の底部６と共に、ＨＦ（高周波）エネルギーを共振器３に供給するための誘導式の結合を形成する。

　図３には、重なり合う拡張部３０間に２つのウエブ３１及び３２を備えた変化実施例が示されていて、図４には、重なり合う拡張部４０間に３つのウエブ４１，４２，４３を備えた変化実施例が示されている。図５に示した構成は、ウエブ１０，１１，１２，１３と重なり合う拡張部２０とを備えた、図１に示した構成が示されている。図６には、５つのウエブ６１，６２，６３，６４及び６５を備えた別の実施例が示されている。

　これらの拡張部は、冷たい（常温の）端部６まで共振器３の、スリットの付けられた内側導体５を形成すると同時に、共振器底部６と結合箇所７との間の同心的な供給線路８の、スリットの付けられた外側導体を形成する。

　図示の実施例による組み立ては、内側導体５、外側導体４、誘電体１４、ホイール状の部分２３、同軸的な供給線路８、誘電体９ｂ及び底部６の順番で行われる。選択的に、この順番は、まず同軸的な供給線路８、次いでホイール状の部分２３が組み付けられるように変えてもよい。この場合には、ホイール状の部分２３の穴直径をより大きく構成する必要がある。

　以上説明したすべての実施例は、機能的に、図１を用いて説明した実施例にほぼ相当する。伝達しようとする周波数において所望の結合特性を維持するために、図示していない多くの構造的な可能性がある。例えば結合領域において共振器３の外径及び／又は内径と、内側導体５の直径と、供給線路８の直径とを相応の合わせることができる。

　結合箇所７における開口の幾何学的形状も相応に構成することができる。この開口の幾何学的形状は、相応に成形された共振器底部若しくは別の部分によって部分的に再び閉鎖することができる。共振器底部の付加的な長さによって、ＨＦ−適応を変えることができる。例えば線路長さが３ｍｍ変化すると、適合は例えば３．０７ＧＨｚから２．４５ＧＨｚに変化する。

共振器としての同軸的な導波管構造体と、高周波の電気的なエネルギーの容量式の結合部とを備えた、内燃機関の空気・燃料混合気を高周波で点火するための装置の断面図である。 単独のウエブを備えた、図１に示した結合箇所の実施例を示す斜視図である。 ２つのウエブを備えた、図１に示した結合箇所の実施例を示す斜視図である。 ３つのウエブを備えた、図１に示した結合箇所の実施例を示す斜視図である。 ４つのウエブを備えた、図１に示した結合箇所の実施例を示す斜視図である。 ５つのウエブを備えた、図１に示した結合箇所の実施例を示す斜視図である。

符号の説明

　１　高周波スパークプラグ
　２　差込み装置
　３　共振器
　４　外側導体、外壁
　５　内側導体
　５ａ　点火ピン
　６　底部、燃焼室とは反対側の端部
　７　結合箇所
　８　入力又は供給線路
　９ａ　絶縁性の円筒形リング
　１０，１１，１２，１３，１４　ウエブ
　１４　誘電体
　２０　拡張部
　２１　ウエブ
　２２　内側部分
　２３　外側部分、ホイール状の部分
　２４　回動防止部
　３０　拡張部
　４１，４２，４３　ウエブ
　６０　拡張部
　６１，６２，６３，６４，６５　ウエブ

Claims (9)

1. 　高周波の電気的なエネルギー源によって内燃機関内で空気・燃料混合気を点火するための装置であって、
   　共振器室を形成する同軸的な導波管構造体（３）を備えており、該導波管構造体内に、高周波の電気的なエネルギーが、導波管構造体（３）の内側導体（５）の端部に設けられた所定の結合箇所（７）において供給可能であり、
   　導波管構造体（３）が内側導体（５）の他方の端部（５ａ）で以て、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入し、この他方の端部（５ａ）で、高い電位によってマイクロ波プラズマが生ぜしめられるようになっている形式のものにおいて、
   　前記結合箇所（７）は、供給線路（８）が同軸的に誘導式及び／又は容量式に結合可能であって、該供給線路（８）によって、電気的なエネルギーが共振器室内に供給されるように構成されていることを特徴とする、内燃機関の空気・燃料混合気を点火するための装置。
2. 　共振器室内への電気的なエネルギーの供給が、導波管構造体（３）の、スリットの付けられた内側導体（５）の拡張部（２０；２５；３０；４０；６０）によって、冷たい端部（６）まで行われ、この拡張部が同時に、この拡張部における共振器底部と結合箇所（７）との間の同軸的な供給線路（８）の、スリットの付けられた外側導体を形成している、請求項１記載の装置。
3. 　結合箇所（７）の領域における供給線路（８）が少なくとも１つのウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）を備えており、該ウエブが、導波管構造体の外側導体（４）に押し付けられていて、この場合、少なくとも１つのウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）が誘導式に、ウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）とオーバーラップする、導波管構造体（３）の内側導体（５）の拡張部（２０；２５；３０；４０；６０）に結合されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 　少なくとも１つのウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）が、供給線路（８）と接触する内側部分（２２）から、外側導体（２３）に接触するホイール状の外側部分（２３）までガイドされていて、内側導体（５）のオーバーラップし合う拡張部（２０；２５；３０；４０；６０）がそれぞれ、ウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）間の領域を貫通してガイドされている、請求項３記載の装置。
5. 　ウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）の数が、１つから５つまでに選定されている、請求項４記載の装置。
6. 　ウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）を支持する構造部が、共振器（３）の内側導体（５）に対する回動防止部（２４）を備えている、請求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 　装置内に位置する、供給線路（８）の端部と、この端部に向かい合う、相応の端面を備えた、容量式に結合するための導波管構造体（３）の内側の端部とが、それぞれ向かい合う端面が誘電体を介在させてキャパシタンス（１４）を形成するように、構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 　供給線路の端面が、少なくとも１つのウエブ（１０，１１，１２，１３；２１；３１，３２；４１，４２，４３；６１，６２，６３，６４，６５）を支持するホイールの内側部分（２２）によって形成されている、請求項７記載の装置。
9. 　同軸的な供給線路（８）において、差し込み接点（２）に同軸的なプラグが取付けられており、該プラグによって電気的なエネルギーが、空気としての同軸的な絶縁部（９ａ）及び絶縁性の円筒形リング（９ｂ）を介して結合箇所（７）に供給され、ひいては導波管構造体（３）の共振器室内に供給され、この場合、同軸的な絶縁部（９ａ）の外径が、絶縁性の円筒形リング（９ｂ）の外径よりも小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。

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