JP2005180446A - 内燃機関内の空気・燃料混合気に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源によって内燃機関内の空気・燃料混合気に点火するための、従来形式の点火装置を改良して、１つの材料から成る従来式の最適なプラグ先端に比べて安価に製作可能であり、かつ低質な材料から成る比較的安価な先端に比べて技術的に改善されているようなものを提供する。
【解決手段】同軸形の導波路構造体５の一方の端部８が、点火ピン１２として形成されており、この結果、電圧電位の印加されている状態で、燃焼室内に突入しているフィールド構造によって、自由なプラズマが空気・燃料混合気内に生成可能であり、かつ点火ピン１２が回転対称的に少なくとも部分的に、外側の部分ピン１４と内側の部分ピン１３とから成っており、この場合、内側の部分ピン１３が、外側の部分ピン１４よりも高い導電性を有しているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波の電気的なエネルギ源によって内燃機関内の空気・燃料混合気に点火するための装置であって、同軸形の導波路構造体が設けられており、該導波路構造体内に、高周波の電気的なエネルギが入力結合可能であり（einkoppelbar）、前記導波路構造体が、一方の端部で、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入しており、この場合、前記端部に、高い電圧電位によってマイクロ波プラズマが生成可能である形式のものに関する。

いわゆる点火プラグを用いた、このような空気・燃料混合気の点火装置は、自動車のための内燃機関の汎用の構成部分を成している。今日使用されるこの点火システムでは、点火プラグには、誘導式に点火コイルによって十分に高い電圧が供給される。これにより、内燃機関の燃焼室内の点火プラグの端部には、空気・燃料混合気の燃焼を導入するために点火火花が形成される。

従来式の前記点火プラグの運転に際して、３０キロボルトを上回るまでの電圧が生じることがあり得る。この場合、燃焼プロセスによって、煤、油またはカーボン並びに灰のような残滓が燃料と油とから生じる。これらは、所定の熱的な条件下で導電性である。しかしながら、前記高い電圧では、点火プラグの絶縁体に閃絡または絶縁破壊が発生してはならない。したがって、絶縁体の電気抵抗は、高い温度が発生する場合でも、点火プラグの寿命中は変化させられなかった。

例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５２６５２号明細書によれば、自動車の内燃機関内の前記のような空気・燃料混合気の点火が、同軸形の導波管共振器の使用下で行われるようになっている点火装置が、公知である。この場合、点火コイルは、十分に強いマイクロ波源、例えば高周波発生器と増幅器との組合せによって代替される。この場合、幾何学的に最適化された同軸形の導波管共振器によって、点火に必要なフィールド強度が、プラグに似た導波管共振器の開放している端部に生じ、電極において放電が行われる。

プラズマの点火の場所は、先述の導波管共振器の場合、最高のフィールド強度の点によって決定される。未公開のドイツ連邦共和国特許出願第１０２３９４１２号明細書には、前記点が通常、プラグ先端もしくは点火ピンの絶対的な先端としての最上位点であることが、設計上の手段によって達成され得ることが記載されている。

この場合、公知のプラグ先端は特に、先端が通常、例えば０．５ｍｍ未満の極めて小さい円筒形の直径を備えて形成されているという欠点を有している。このことによって確かに、フィールド強度の、技術的に達成可能な最大値が、予め規定された電力で達成されることはできる。しかしながら、点火ピンのこの細い針状の先端は、例えば機関組込みに際しての曲がりによる機械的な影響に対して、極めて敏感である。これにより、前記先端は極めて短い長さしか有していなかった。さらにここでは、運転に際して不可避的な焼耗（燃焼による損耗）によって、点火プラグの寿命は小さい体積のせいで好ましくないことに短縮されてしまう。

これに対して、プラグ先端が機械的に比較的頑丈に構成されている場合、鋭縁（シャープエッジ）でかつ極めて尖らせて構成されたあらゆる幾何学的形状、例えば冠形状を備えたプラグ先端または平坦な端部を備えた円筒形には、以下の欠点が共通する。すなわち、運転時間の増加につれて、先端は焼耗によって不都合に丸みが付き、ひいてはフィールド強度最大値の値が下がる。

先端が機械的に頑丈に、しかしながら前方で鋭い先端なしに、例えば未公開のドイツ連邦共和国特許出願第１０２３９４１２号明細書によるように半球を備えて構成されている場合、運転時間にわたって焼耗によって本質的な形状変化は見られないが、その代わりに、できるだけ高いフィールド強度値は初めから断念されている。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５２６５２号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願第１０２３９４１２号明細書

本発明の課題は、高周波の電気的なエネルギ源によって内燃機関内の空気・燃料混合気に点火するための、冒頭に述べた形式の装置を改良して、１つの材料から成る従来式の最適なプラグ先端に比べて安価に製作可能であり、かつ低質な材料から成る比較的安価な先端に比べて技術的に改善されているようなものを提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、同軸形の導波路構造体の前記一方の端部が、点火ピンとして形成されており、この結果、電圧電位の印加されている状態で、燃焼室内に突入しているフィールド構造によって、自由なプラズマ（ein freistehendes Plasma）が空気・燃料混合気内に生成可能であり、かつ点火ピンが回転対称的に少なくとも部分的に、外側の部分ピンと内側の部分ピンとから成っており、この場合、内側の部分ピンが、外側の部分ピンよりも高い導電性を有しているようにした。

本発明は、高周波の電気的なエネルギ源によって内燃機関内の空気・燃料混合気に点火するための装置であって、同軸形の導波路構造体が設けられており、該導波路構造体内に、高周波の電気的なエネルギが入力結合可能であり、前記導波路構造体が、一方の端部で、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入しており、この場合、前記端部に、高い電圧電位によってマイクロ波プラズマが生成可能である形式のものから出発する。本発明によれば、有利には、点火ピンは回転対称的に少なくとも部分的に、外側の部分ピンと内側の部分ピンとから形成されており、この場合、内側の部分ピンは、外側の部分ピンよりも高い導電性を有している。

ＨＦ（高周波）点火プラグのための、本発明による点火ピンでは、異なる２つの金属から成る点火プラグ先端によって、次のことが簡単に達成されることができる。すなわち、いわゆる先端周壁としての外側の金属として、従来式の点火プラグでは内側の電極先端として使用されるような温度安定性の安価な合金、例えばＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＡｌＳｉＹが使用され得ることが、達成されることができる。これらの金属は、約＜５．５ｍ／Ｏｈｍ^＊ｍｍ^２の、比較的に低い導電性を有していて、プラズマを生成するための電子のための流出作業の、比較的に高い値をも有している。

先端周壁の内側に位置する、いわゆる内側先端としての金属は、耐温度性および耐スケール性の材料から形成されており、この材料は比較的良好な電気的特性を有していてよい。しかしながら、このような金属、例えば約１０．２ｍ／Ｏｈｍ^＊ｍｍ^２の導電性を備えた白金は、極めて費用のかかるものである。したがって、本発明の主要利点は、１つの材料から成る従来式の最適なプラグ先端に比べれば、安価な解決手段であり、低質な材料から成る比較的安価な先端に比べれば、技術的な利点である。

本発明の有利な構成は、例えば、点火ピンの内側の部分ピンが、導波路構造体の内側導体に電気的および機械的に接触している場合に得られる。しかしながらこの場合、点火ピンの内側の部分ピンは、外側の点火ピンの部分領域内にしか延びていなくてもよい。点火ピンの内側の部分ピンは、さらに、内側に位置する据込み領域によって、外側の点火ピン内に簡単に保持されていてよい。

さらに、詳細な構成は、内側の部分ピンおよび／または外側の部分ピンの、燃焼室内に突入している端部が、ハーフトーラス（１／２トーラス）または１／４トーラス（Halb- oder Vierteltorus）の形状の横断面を有しているかまたは平坦（plan）であると、有利に可能である。

最大のフィールド強度が鋭縁の角隅および先端に形成され、したがってこの角隅および先端がプラズマ、事情によっては閃絡の起点であることは、自体公知である。さらに、プラズマは、電子のための流出作業の値が小さい材料で、比較的に小さい電力でも既に得られる。このことは、適宜な金属を備えた、本発明による内側先端によって可能になる。

内側の点火ピンは、第１の実施態様によれば、内側先端として、予め規定された領域だけ、外側の部分ピンを越えて燃焼室内に突出していてよく、しかも、必要な機械的強度のために、長さだけが制限されている。この場合、点火ピンは極めて尖っているので、比較的に高いフィールド強度と、電子のための少ない流出作業と、僅かな所要電力とが、確実な点火に必要となる。金属の減りは有利には内側先端に生じ、内側の部分ピンが外側の部分ピンと同じ高さで外面を形成するまで生じる。

第２の実施態様によれば、点火ピンの内側の部分ピンは、外側の部分ピンに対してほぼ同じ高さで外面を形成して終わっている。この場合、点火ピンの内側先端は比較的に尖っていないが、金属移行部における電気的に有効な残余縁部は、維持された状態に保たれる。したがってここでは、幾分より小さいフィールド強度と、幾分より高程度の流出作業とが生ぜしめられる。先述の実施態様に比べた所要電力は、幾分より高い。しかしながらこの場合、外側の部分ピンと内側の部分ピンとにおける機械的な減りは、ほぼ不変の形状に調整される。

別の実施態様では、点火ピンの内側の部分ピンは、予め規定された領域だけ後退させられて、外側の部分ピンの内部において終わっている。しかも、外側の部分ピンにおける前方の周囲は、比較的に鋭縁であり、このことによってプラズマ形成が容易になる。この場合、電子のための、幾分より高程度の流出作業が必要となるので、所要電力は第１の実施態様に比べて幾分より高くなる。機械的な減りは、内側の部分ピンが外側の部分ピンとほぼ同じ高さで外面を形成するまで、外側の部分ピンに生じる。

以下に、本発明の実施の形態を図面につき説明する。

図１には、内燃機関内の空気・燃料混合気に高周波点火するための、自体公知の装置の原理図を示してある。前記装置は、いわゆる高周波点火プラグ１の構成部材を有している。ここには、個別的には、ＨＦ発生器２と、場合によっては省略されることもできる増幅器３とが設けられている。前記ＨＦ発生器２および増幅器３は、マイクロ波源として、高周波の振動を生ぜしめる。ここでは、概略的には、高周波点火プラグ１の本質的な構成部材としてのλ_ｅｆｆ／４−共振器５として形成された同軸形の導波路構造体内への、高周波の振動の誘導式の入力結合部（Einkopplung）４を示してある。

同軸形の導波管共振器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、外側導体６に対して絶縁された点火ピン１２を備えた、共振器５のいわゆる開放している端部または熱い端部８が、点火を行うようになっている。高周波の振動のために、共振器５の他方の、いわゆる燃焼室から離れた方の冷たい端部９は、短絡部を形成している。外側導体６と内側導体７との間の誘電体１０は、主に、空気と適当な非導電性の材料とから成っている。単に、共振器５の開放している端部８を燃焼室に対してシールするために、シール部材１１が設けられている。このシール部材１１も、燃焼室内の温度に耐える非導電性の材料、例えばセラミックスから成っている。この場合、充填材料１０もしくはシール部材１１の誘電性の特性が、共振器５の寸法の決定に関わる。

この高周波点火プラグ１では、（２ｎ＋１）^＊λ_ｅｆｆ／４（この場合、ｎ≧０）の長さの同軸形の共振器５のフィールドの高まり（Feldueberhoehung）の原理が利用される。発生器２および場合によっては増幅器３としての十分に強いマイクロ波源によって生ぜしめられた高周波の信号が、入力結合部４によって、例えば誘導式、容量式または両方式が混合された方式でかまたはアパーチャ結合部（Aperturkopplung）によって、共振器５内に供給される。ここでは、短絡部９における電圧波節と開放している端部８における電圧波腹との形成によって、点火ピン１２にフィールドの高まりが得られる。このフィールドの高まりによって、明細書導入部で述べた自由なプラズマが生成される。

次の図２〜図４には、点火ピン１２の可能な実施態様の、本発明による構成を示してある。この点火ピン１２は、２つの金属部材、すなわち、いわゆる内側先端としての内側の部分ピン１３と、いわゆる先端周壁としての外側の部分ピン１４とから成っている。両部分ピン１３，１４の、燃焼室内に突入している端部は、有利には、全ての実施例において丸み付けされた横断面形状を有している。図２による実施例では、内側の部分ピン１３は内側導体７まで達していて、この内側導体７に機械的および電気的に結合されている。

図３による実施例では、内側の部分ピン１３は、外側の部分ピン１４内に部分領域だけしか案内されておらず、この場所で据込み領域１５によって保持されている。内側の部分ピン１３の、燃焼室内に突入している他方の端部は、外側の部分ピン１４に対して突出するように構成されている。図４には、内側の部分ピン１３が、外側の部分ピン１４と比較的に同じ高さで外面を形成して終わっていて、内部において導波路構造体の内側導体７まで達していて、さらにこの場所で据込み領域によって保持されている実施例を示してある。

共振器としての同軸形の導波路構造体を備えた、内燃機関内の空気・燃料混合気に高周波点火するための装置を原理的に示す図である。

内側の部分ピンと外側の部分ピンとから成っていて内燃機関の燃焼室内に突入している、導波管共振器の点火ピンの、本発明による構成を示す図である。

燃焼室内で外側の部分ピンを越えて突出している、比較的に短い内側の部分ピンを備えた構成を示す図である。

内側の部分ピンが外側の部分ピンと比較的に同じ高さで外面を形成して終わっていて、内部において導波路構造体の内側導体まで達している、別の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 高周波点火プラグ、 ２ ＨＦ発生器、 ３ 増幅器、 ４ 入力結合部、 ５ 共振器、 ６ 外側導体、 ７ 内側導体、 ８ 端部、 ９ 端部（短絡部）、 １０ 誘電体（充填材料）、 １１ シール部材、 １２ 点火ピン、 １３ 部分ピン、 １４ 部分ピン、 １５ 据込み領域

Claims (10)

1. 高周波の電気的なエネルギ源によって内燃機関内の空気・燃料混合気に点火するための装置であって、
   同軸形の導波路構造体が設けられており、該導波路構造体内に、高周波の電気的なエネルギが入力結合可能であり、前記導波路構造体が、一方の端部（８）で、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入しており、この場合、前記端部（８）に、高い電圧電位によってマイクロ波プラズマが生成可能である形式のものにおいて、
   同軸形の導波路構造体（５）の前記一方の端部（８）が、点火ピン（１２）として形成されており、この結果、電圧電位の印加されている状態で、燃焼室内に突入しているフィールド構造によって、自由なプラズマが空気・燃料混合気内に生成可能であり、かつ
   点火ピン（１２）が回転対称的に少なくとも部分的に、外側の部分ピン（１４）と内側の部分ピン（１３）とから成っており、この場合、内側の部分ピン（１３）が、外側の部分ピン（１４）よりも高い導電性を有していることを特徴とする、内燃機関内の空気・燃料混合気に点火するための装置。
2. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、導波路構造体の内側導体（７）に電気的および機械的に接触している、請求項１記載の装置。
3. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、外側の部分ピン（１４）の部分領域内にしか延びていない、請求項１または２記載の装置。
4. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、予め規定された領域だけ、外側の部分ピン（１４）を越えて燃焼室内に突入している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、外側の部分ピン（１４）とほぼ同じ高さで外面を形成して終わっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
6. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、予め規定された領域だけ後退させられて、外側の部分ピン（１４）の内部において終わっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
7. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、内側に位置する据込み領域（１５）によって、外側の点火ピン（１４）内に保持されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 内側の部分ピン（１３）および／または外側の部分ピン（１４）の、燃焼室内に突入している端部が、ハーフトーラスまたは１／４トーラスの形状の横断面を有しているかまたは平坦である、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 点火ピン（１２）の外側の部分ピン（１４）が、比較的に低い導電性を備えた、温度安定性の材料、例えばＮｉＣｒＦｅまたはＮｉＡｌＳｉＹから製作されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 点火ピン（１２）の内側の部分ピン（１３）が、比較的に高い導電性を備えた、温度安定性および耐スケール性の材料、例えば白金から製作されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。

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