JP2005180435A - 内燃機関において空気燃料混合物を点火するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において高周波の電気的なエネルギ源を用いて空気燃料混合物を点火する装置を改良し、機械的な作用に対する影響を少なくし、かつ不可避な焼耗による寿命の短縮度が小さくなるようにすること。
【解決手段】同軸的に導波体構造を共振器として有している。該導波体構造内には高周波の電気的エネルギが供給可能でかつ該導波体構造は一端で内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突出する。同軸的な導波体構造の一端は、発生する電圧ポテンシャルで、燃焼室内に突入する電界構造ひいては空気燃料混合物内にて自由なプラズマが導波構造から突出する点火ピン（１２）において発生可能であるように構成されている。装置の点火ピン（１２）は軸方向の長さに亘って少なくとも部分的に延びる内孔（１３）を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関において空気燃料混合物を高周波のエネルギ源を用いて点火する、請求項１の上位概念に記載の装置に関する。

このような空気燃料混合物をいわゆる点火プラグを用いて点火する装置は自動車の内燃機関の一般的な構成部分を成している。今日用いられているこの点火システムにおいては点火プラグには点火コイルを用いて誘導的に、十分に高い電圧が供給される。したがって空気燃料混合物の燃焼を開始するために燃焼室内にある点火プラグの端部にて火花が形成される。

この従来の点火プラグを稼働させる場合には３０キロボルトを越えるまでの電圧が発生することがある。この場合、燃焼プロセスによっては煤、油又はカーボンのような残渣並びに所定の熱的条件のもとでは導電性である燃料と油とから成る灰が発生する。しかしこの高い電圧で点火プラグの絶縁体に絶縁破壊が発生してはならないので、絶縁体の電気的な抵抗は、発生する高い温度でも点火プラグの寿命に亘って変わらないようにしたい。

例えばＤＥ１９８５２６５２Ａ１号明細書によれば自動車の内燃機関におけるこのような空気燃料混合物の点火が同軸的な導体共振器を使用して行なわれる点火装置が公知である。この場合には点火コイルは十分な強さを有するマイクロ波源、例えば高周波発生器と増幅器との組み合わせで置き換えられる。この場合には幾何学的に好適化された同軸的な導体共振器で、点火に必要な電界強さがプラグに似た導体共振器の開始端部にて発生し、電極における放電が行なわれる。

プラズマの点火場所は先きに述べた導体共振器では最高電界強度点によって決定される。未公開のＤＥ１０２３９４１２号明細書には、構成的な処置によって、前記最高電界強度点が通常はプラグ先端もしくは点火ピンの絶対先端としての最上位点であることにより達成された。

この場合、公知のプラグ先端は特にプラグ先端が通常きわめて小さい円筒直径、例えば０．５ｍｍ以下で構成されているという欠点を有している。これにより、所定の電力で、技術的に達成可能な最強の電界強さが達成されはするが、この細い針状の点火ピン先端は機械的な作用、例えば機関への組込みに際しての曲がりによる機械的な作用に対し敏感であるので、この点火ピン先端にはきわめて短い長さしか与えることができない。さらにこの場合には体積が小さいために運転に際し不可避の焼耗によって点火プラグの寿命は望ましくないほど短縮される。

これに対しプラグ先端を機械的に頑丈に構成すると、シャープな縁を持ちかつきわめて尖らされて構成されたすべての幾何学的形状、例えば扁平端部を有する円筒形又はクラウン形には以下の共通の欠点がある。すなわち、運転期間が長期化すると共に先端は焼耗によって丸められかつ電界最高強度は減退する。

先端が機械的に頑丈であるが、シャープな先端なしで構成されていると、例えば未公開のＤＥ１０２３９４１２号明細書に記載されているように半球体を備えていると、運転期間に亘って焼耗による著しい形状変化は認められないが当初から、できるだけ高い電界強度値の追求は断念されている。
ＤＥ１９８５２６５２Ａ１号明細書 ＤＥ１０２３９４１２号明細書

本発明の課題は、高周波の電気的なエネルギ源を用いて内燃機関において空気燃料混合物を点火するための点火装置であって、高周波が供給可能でかつ一端で内燃機関のシリンダの各燃焼室へ突入し、この突入端部において高い電圧ポテンシャルによりマイクロ波プラズマが発生可能である形式の点火装置を改良し、焼耗による点火装置の寿命の短縮及び最大電界強度の減退を回避することである。

本発明によれば、内燃機関において空気燃料混合物を点火する、冒頭に述べた点火装置において、請求項１の特徴にしたがって、点火ピンは軸方向の長さの一部又は全部に亘って延在する内孔を備えて構成されている。

この場合、点火ピンの燃焼室内へ突入する端部はハーフトーラスリングの形を有している。しかし１／４トーラスリングの形の横断面又は扁平な構成も可能である。

このような装置にて、最大の電界強さがシャープなエッジのコーナ又は尖端にて形成されかつこれがプラズマの出口点及び場合によってはアーク弧路を成すことは周知である。最も簡単な場合には円筒形である本発明の内孔により、実地において全運転期間に亘って、焼耗に際してもプラグ先端のシャープな縁は維持される。したがって比較的にコンスタントな小さい所要電力しか必要とされないというほぼ変わらない電気的な条件が当初から与えられる。

この場合には、直径の変わらない内実先端に較べて時間的に迅速な焼耗、例えばハーフトーラス形に対する半球形の数学的な表面積比約１．３で発生するにも拘わらず、管形状により所要材料は著しく少なく、費用の増大なしで、高価でかつ耐性の大きい材料又は合金、例えばプラチナを用いることができる。

さらに点火プラグ先端の重量も小さくなり、したがって所望される突出量が比較的に長い場合にも機械的な振動周波数（ばね−質量系）は著しく小さな値を有し、ひいては点火プラグは質的にも改善される。

図１には内燃機関において空気燃料混合物を高周波点火する公知の装置が原理図で示されている。該装置はいわゆる高周波点火プラグ１の構成部分を有している。図面には個別に高周波ゼネレータ２と場合によっては省略することもできる増幅器３とが存在している。これらの構成部材はマイクロ波源として高周波の振動を発生させる。図面には概略的に、λ_ｅｆｆ／４−共振器５として構成された、高周波点火プラグの重要な構成部分としての同軸の導波体構造への誘導的な結合部４が示されている。

同軸の導体共振器５は外側導体６と内側導体７とから成っている。この場合、共振器５の開放した又は熱い端部８は外側導体６に対し絶縁された点火ピン１２で点火を行なう。高周波の振動のためには他方の、燃焼室から遠い側の共振器いわゆる冷い端部９は短絡を成している。外側導体６と内側導体７との間の誘電体は主として空気から又は適当な非導電性材料から成っている。ただ燃焼室に対し共振器５の開放端部８をシールするためにシール部材１１が存在している。シール部材１１も燃焼室内の温度に対する耐性を有する非導電性材料、例えばセラミックから成っている。この場合、充填材料１０もしくはシール部材１１の絶縁特性は共振器５の寸法を決定する。

高周波点火プラグ１の場合には（２ｎ＋１）^＊λ_ｅｆｆ／４（この場合ｎ≧０）である長さの同軸の共振器が用いられる。ゼネレータ２としての十分に強いマイクロ波源と場合によっては増幅器３とにより発生させられた高周波信号は結合部４によって誘導的に又は容量的に又は両方を混合した形で又はアパラーチャ結合によって共振器５へ供給される。短絡部９における電波節と開口端部８における電波腹との形成によって点火ピン１２において電界上昇が生じる。この電界上昇は明細書冒頭で記載した自由なプラズマを発生させる。

以下、図２と３とに基づき本発明による点火ピン１２の択一的な実施例を説明する。図２には軸方向に部分的に延在する内孔１３と平らな先端表面１４とを有する点火ピン１２が示され、図３には軸方向で全長に亘って延在する内孔１３とハーフトーラスリングとして構成された先端表面１４とを有する変化実施例が示されている。内孔１３は点火ピン１２の外側の形が円筒形である場合にも内部にて他の形、例えばプラグ先端１４に向かって先細になる内孔１３を有していることもできる。

プラグ先端の、先きに述べたどの形状でも運転時間の間は、瞬間のマイクロスコープ状のプラグ先端は点火ピン１２の前方でもっとも多く負荷され、優先的に機械的に消耗させられる。この結果、運転中には、プラグ先端１４の全周に亘ってかつ運転時間に亘って正確に維持される横断面形状は存在しない。しかし、大きな不均一性は自動調整に基づき発生しない。この場合には特に当初から丸味の付けられた横断面形状、例えばハーフトーラスリングが有利である。この横断面形状は運転中に形成される形にすでに近い形である。

同軸の導波体構造を共振器として用いて内燃機関において空気燃料混合物を高周波で点火するための装置の原理図。 軸方向に部分的に延在する内孔が平らな先端表面を備えている、内燃機関の燃焼室内へ突入する点火ピンの本発明による構成を示した図。 軸方向に全長に亘って延在する内孔とハーフトーラスリングとして構成されたプラグ先端とを有する択一的な実施例を示した図。

符号の説明

１ 高周波点火プラグ、 ２ 高周波ゼネレータ、 ３ 増強器、 ４ 結合部、 ５ 共振器、 ６ 外側導体、 ７ 内側導体、 ８ 端部、 ９ 端部、 １０ 充填材料、 １１ シール材料、 １２ 点火ピン、 １３ 内孔、 １４ 先端表面

Claims (7)

1. 内燃機関において高周波の電気的なエネルギ源を用いて空気燃料混合物を点火する装置であって、
   −同軸の導波構造を有し、該導波構造内に高周波の電気的なエネルギが供給可能でかつ該導波構造が一端（８）で内燃機関のシリンダの各燃焼室内へ突入しており、前記端部（８）において高い電圧ポテンシャルによってマイクロ波プラズマが発生可能である形式のものにおいて、
   −同軸の導波体構造（５）の端部（８）が、作用する電圧ポテンシャルで、燃焼室内へ突入する電界構造により空気燃料混合物内においてフリーなプラズマが発生可能であるように点火ピン（１２）として構成されており、
   −点火ピン（１２）が少なくとも部分的に軸方向の長さに亘って延在する内孔（１３）を備えていることを特徴とする、内燃機関において高周波の電気的なエネルギ源を用いて空気燃料混合物を点火する装置。
2. 前記点火ピン（１２）が軸方向の全長に亘って延びる内孔を備えている、請求項１記載の装置。
3. 燃焼室内へ突入する端部が点火ピン（１２）のプラグ先端（１４）としてハーフトーラスリングの形をした横断面を有している、請求項１又は２記載の装置。
4. 燃焼室内へ突入する点火ピン（１２）の端部がプラグ先端（１４）として１／４トーラスリングの形をした横断面を有している、請求項１又は２記載の装置。
5. 燃焼室内へ突入する端部が点火ピン（１２）のプラグ先端（１４）として扁平に構成されている、請求項１又は２記載の装置。
6. 点火ピン（１２）が温度安定性を有しかつ耐酸化被膜性である、比較的に高い導電性を有する材料、例えばプラチナから製作されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 点火ピン（１２）が温度安定性の高い、耐酸化被膜性である、導電性の比較的に低い材料から成っている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。

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