JP2005183396A - 内燃機関で混合気を点火するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電気エネルギー源によって内燃機関で混合気を点火するための装置で、同軸的な導波管構造を有し、該導波管構造に高周波電気エネルギーが入力結合可能であって、該導波管構造の一方の端部８が、各燃焼室内に突入し、この端部８において高い電位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、強力なひいては燃焼可能なプラズマが点火ピンの側面領域に発生することは避けられるようにする。
【解決手段】同軸的な導波管構造５の一方の端部８が点火ピン１２として構成され、電圧ポテンシャルがかかっている時に燃焼室内に突入する電界構造によって混合気内にフリーなプラズマが生ぜしめられるようになっており、点火ピン１２が、その導波管構造の内部に位置する端部における広い領域に絶縁層１３を備えていて、燃焼室内に突入する、点火ピン１２の最も外側の先端領域１４は前記絶縁層１３から露出している。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波電気エネルギー源によって内燃機関で混合気を点火するための装置であって、同軸的な導波管構造を有しており、該導波管構造に高周波電気エネルギーが入力結合可能であって、該導波管構造の一方の端部が、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入していて、この端部において高い電位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関する。

上記のような混合気をいわゆる点火プラグによって点火する装置は、自動車の内燃機関の一般的な構成部分を成している。このような今日一般的な点火システムにおいては、点火プラグに、点火コイルによって誘導的に、十分に高い電圧が供給される。従って混合気の燃焼を開始するために、内燃機関の燃焼室内の点火プラグの端部においてイグニッションスパークが形成される。

このような従来の点火プラグを駆動する際に、３０キロボルトを越えるまでの電圧が発生し、この場合、燃焼プロセスによって、煤、油又はカーボン等の残滓物、並びに燃料及び油から成る灰が発生する。このような残滓物並びに灰は所定の熱条件下において電気を通す。しかしながらこのような高電圧においては、点火プラグの絶縁体にフラッシュオーバー又は絶縁破壊が発生してはならないので、絶縁体の電気抵抗は発生する高い温度においても点火プラグの耐用年数中は変わらないようにしたい。

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におけるこのような混合気の点火が同軸的な導管共振器を用いて行われる点火装置について公知である。この場合、点火コイルの代わりに、十分に高いマイクロ波源、例えば高周波発生器と増幅器との組み合わせが用いられている。幾何学的に最適化された導管共振器によって、プラグに似た導管共振器の開放端部において点火のために必要な電界強さが調節され、電極において放電が行われる。

前記導管共振器においてはプラズマの点火箇所は、最高電界強度点において決定される。まだ公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１０２３９４１２号明細書によれば、構造的な手段によって、この最高電界強度点は、原則としてプラグ先端の絶対的な先端部としての最上位点であることによって達成されている。しかしながらこの場合、汚れ、腐食等の不都合な条件下において又は燃焼室内の所定の圧力組成及び媒体組成において、前記構成が場合によっては得られないことを考慮する必要がある。
ドイツ連邦共和国特許公開第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、上記のような従来技術における欠点を取り除くことである。

本発明は、高周波電気エネルギー源によって内燃機関で混合気を点火するための装置であって、同軸的な導波管構造を有しており、該導波管構造に高周波電気エネルギーが入力結合可能であって、該導波管構造の一方の端部が、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入していて、この端部において高い電位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から出発している。本発明によれば有利な形式で、同軸的な導波管構造の一方の端部が点火ピン（Zuendstift）として構成されていて、電圧ポテンシャルがかかっている時に燃焼室内に突入する電界構造によって混合気内にフリーな（freistehende）プラズマが生ぜしめられるようになっており、点火ピンが、特にその導波管構造の内部に位置する端部における広い領域に絶縁層を備えていて、この場合、燃焼室内に突入する、点火ピンの最も外側の先端領域は前記絶縁層から露出している。つまり点火ピンの最も外側の先端領域には前記絶縁層の被覆が施されていない。

本発明によれば特に有利な形式で、強力なひいては燃焼可能なプラズマが点火ピンの側面領域に発生することは避けられる。例えば汚れ、腐食等の不都合な条件下においても又は燃焼室内の危険な圧力組成及び媒体組成においても、絶縁層によって、プラグ先端若しくは点火プラグの最上位においてのみ強力なプラズマが発生するようになっている。

これによって、誘電的に絶縁被覆された表面において、強力なプラズマ放電が発生することはない。例えば絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックより成る比較的薄い層である。プラズマは電子によってのみ形成され、原子残滓"Atomruempfe"（原子核）は出口において阻止され、プラズマに関与することはないので、いわゆる誘電的に阻止されたプラズマ又は低温のプラズマだけが発生する。このようなプラズマに入力結合されたエネルギーは、内燃機関の燃焼室内で燃料／空気混合気を燃焼させるためには小さすぎる。高周波点火プラグの稼働中において場合によっては発生するこのようなプラズマが不都合な影響を与えることはない。

本発明によれば、点火プラグの先端の最上位位置は被覆されずに露出しているので、さらに、強力な高温のプラズマが電子及び原子残滓によって形成される。このようなプラズマのエネルギーは、混合気燃焼のためには十分である。

本発明の絶縁層被覆によれば、プラグ先端若しくは点火ピンにおける高導電性の、しかしながら一般的に高い耐腐食性の被覆材料を使用することができる。

絶縁層を備えた被覆領域に関連して複数の実施例が可能である。第１実施例によれば、先端領域を除いて、点火ピン全体が絶縁層を備えている。第２実施例によれば、点火ピンのリニア状に延びる部分領域だけが、特に燃焼室に対する導波管体のシールの領域だけが絶縁層を備えている。

同軸的な導波管構造の、燃焼室に向いた側の端部が、点火ピンと外側導体又は装置のケーシングとの間にシールを備えており、絶縁材料より成るシールディスクが導波管構造に当接していて、点火ピンが、シールに当接するまで、及び連続的に少なくとも燃焼室に向いた側に絶縁層が設けられている。

本発明の第４実施例によれば、前記絶縁層が、シールの、燃焼室に向いた側から連続して、導波管構造の外側導体の、少なくとも燃焼室に向いた側の広い領域に亘って延在している。

本発明の別の実施例によれば、有利な形式で、絶縁層とその下に位置する領域との間に電気を良好に通す層、例えばゴールドが設けられている。このような追加的な被覆において減少された抵抗損によって、導管共振器の質が全体的に向上し、高周波点火プラグの必要とされるパワーを低く抑えることができる。

図１には、内燃機関で混合気（燃料・空気混合気）を高周波点火するための公知の装置の原理図が示されており、この装置は、いわゆる高周波点火プラグ１の構成部分を有している。ＨＦ−ジェネレータ２と、場合によっては省くことができる増幅器３とが設けられており、この増幅器３は、マイクロ波源として高周波振動を発生する。ここでは、高周波点火プラグ１の主要な構成部分としての、λ_ｅｆｆ/４−共振器５として構成された同軸的な導波管構造内への、高周波振動の入力結合４が概略的に示されている。

同軸的な共振器５は、外側導体６と内側導体７とから成っており、この場合、共振器５の高温の又は開放した端部８は、外側導体６に対して絶縁された、点火を行う中心電極若しくは点火ピン（Zuendstift）１２を備えている。高周波振動のためには、共振器５のいわゆる冷たい、燃焼室から離れた他方の端部は短絡を形成している。外側導体６と内側導体７との間の誘電体１０は、主として空気より成っているか又は適当な非導電性の材料より成っている。燃焼室に対して、共振器５の開放端部８をシールするためにだけシール１１が設けられている。シール１１は、燃焼室内の温度を維持する非導電性の材料例えばセラミックより成っている。この場合、充填材料１０若しくはシール１１の誘電特性は、共振器５の寸法を規定する。

この高周波点火プラグ１においては、長さ（２ｎ＋１）^＊λ_ｅｆｆ/４を有する同軸的な共振器５内における電界上昇の原理が利用される。ジェネレータ２としての十分に強いマイクロ波源によって、及び場合によっては増幅器３によって生ぜしめられた高周波信号は、入力結合４によって例えば誘導式に、容量式に、又は誘導式と容量式との組み合わせによって、又はアパーチャ結合（Aperurkopplung)によって、共振器５内に供給される。短絡９における電圧波節及び開放端部８における電波腹の形成によって、点火ピン１２に、冒頭で述べたフリーな（freistehende）プラズマ内に電界上昇が得られる。

以下に図面を用いて、点火ピン１２に絶縁層（誘電体層）を取り付けるための本発明による選択可能性について説明する。点火ピン１２は図示の実施例では別個の点火ピンとして構成されている。図２によれば、点火ピン１２は、ほぼ全領域特にその導波管構造の内部に位置する端部において、シール１１に接する絶縁層１３を備えており、この場合、燃焼室内に突入する、点火ピン１２の最も外側の先端領域１４は、絶縁層１３としての被覆部から露出している。

図３に示した実施例では、点火ピン１２はリニア状（線状）に延びる部分領域、特に燃焼室に対する導波管構造のシール１１の領域内で、絶縁層１３を備えている。

図４には、点火ピン１２が、シール１１に当接するまで、及びそれに続いてシール１１の、少なくとも燃焼室に向いた側に、絶縁層１３を備えている。図５に示した別の実施例では、絶縁層１３が、シール１１の、燃焼室に向いた側から連続して、導波管構造の外側導体５の、少なくとも燃焼室に向いたその他の領域に亘って延在している。

図６に示した別の実施例によれば、絶縁層１３とその下の領域との間に、電気を良好に通す層１６が取り付けられており、この層１６は、燃焼室に向いた側の端部だけが絶縁層１３よりもやや短く構成されていて、それ以外は点火ピン１２を十分に包囲している。

絶縁層１３は、前記すべての実施例では、例えばＡｌ_２Ｏ_３セラミックより成る非常に薄い層として被着されている。これによって電気力線の影響は小さく維持されるが、点火ピン１２の最も外側箇所における最大電界高さは維持される。絶縁層１３の被着は、その他のすべての方法、例えばプラズマ被覆によって行われる。図３に示した変化実施例においては、絶縁層１３を薄い管として被着することも可能である。

図６に示したように、良好な導電率の層１６を点火ピン１２に付加的に設けることは、すべての実施例において可能である。この層１６のための材料としては、点火ピン１２の材料よりも良好な導電率を有するすべての適した金属例えばゴールドが用いられる。この場合、被着は一般的なすべての方法、例えば化学的方法、電解液的方法又は被着ローラその他によって行うことができる。

共振器としての同軸的な導波管構造を備えた、内燃機関において混合気（空気・燃料混合気）を高周波点火するための装置の断面した概略的な斜視図である。 絶縁層を備えた大面積の被覆若しくはコーティング及び導管共振器の、内燃機関の燃焼室内に突入する、本発明の１実施例による点火ピンの断面図である。 絶縁層が、リニア状（線状）に延びる部分領域、特に燃焼室に対する導波管構造のシール領域に設けられた第２実施例による点火ピンの断面図である。 シールに当接するまで、及びそれに続いて少なくとも、シールの燃焼室に向いた側に絶縁層を備えた第３実施例による点火ピンの断面図である。 シールの、燃焼室に向いた側から連続的に、導波管構造の外側導体の別の領域に亘って延びる絶縁層を備えた第４実施例による点火ピンの断面図である。 絶縁層とその下にある領域との間に、良好な導電性を有する層が設けられている、さらに別の実施例による点火ピンの断面図である。

符号の説明

１ 高周波点火プラグ、 ２ ジェネレータ、 ３ 増幅器、 ４ 入力結合、 ５ λ_ｅｆｆ/４−共振器５、 ６ 外側導体、 ７ 内側導体、 ８ 開放端部、 ９ 短絡、 １０ 誘電体、 １１ シール、 １２ 点火ピン、 １３ 絶縁層、 １４ 先端領域

Claims (8)

1. 高周波電気エネルギー源によって内燃機関で混合気を点火するための装置であって、同軸的な導波管構造を有しており、該導波管構造に高周波電気エネルギーが入力結合可能であって、該導波管構造の一方の端部（８）が、内燃機関のシリンダの各燃焼室内に突入していて、この端部（８）において高い電位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、
   同軸的な導波管構造（５）の一方の端部（８）が点火ピン（１２）として構成されていて、電圧ポテンシャルがかかっている時に燃焼室内に突入する電界構造によって混合気内にフリーなプラズマが生ぜしめられるようになっており、
   点火ピン（１２）が、殊にその導波管構造の内部に位置する端部における広い領域に絶縁層（１３）を備えていて、この場合、燃焼室内に突入する、点火ピン（１２）の最も外側の先端領域（１４）は前記絶縁層（１３）から露出している、
   ことを特徴とする、内燃機関で混合気を点火するための装置。
2. 先端部領域（１４）を除いて、点火ピン（１２）全体に絶縁層（１３）が設けられている、請求項１記載の装置。
3. 点火ピン（１４）が、リニア状に延びる部分領域、殊に燃焼室に対する導波管構造のシール（１１）の領域内に絶縁層（１３）が設けられている、請求項１記載の装置。
4. 同軸的な導波管構造の、燃焼室に向いた側の端部（８）が、点火ピン（１２）と外側導体（６）又は装置のケーシングとの間にシール（１１）を備えており、該シール（１１）において、絶縁材料より成るシールディスク（１１）の円筒形の外側面が円筒形のケーシングに、または導波管構造の外側導体（６）に当接しており、点火ピン（１２）が、シール（１１）に当接するまで及びそれに続いて少なくとも、シール（１１）の燃焼室に向いた側に絶縁層（１３）を備えている、請求項１記載の装置。
5. 前記絶縁層（１３）が、シール（１１）の、燃焼室に向いた側から連続して、導波管構造の外側導体（６）の、少なくとも燃焼室に向いた側の広い領域に亘って延在している、請求項４記載の装置。
6. 絶縁層（１３）とその下に位置する領域との間に電気を良好に通す層（１６）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 絶縁層（１３）がＡｌ_２Ｏ_３セラミックより成る比較的薄い層である、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 電気を良好に通す層が点火ピン（１２）の材料有利にはゴールドより成る、良好な導電性を有する層である、請求項６又は７記載の装置。

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