JP2009281188A

JP2009281188A - 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

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Publication number: JP2009281188A
Application number: JP2008132109A
Authority: JP
Inventors: Eiji Tanabe; 英二田辺
Original assignee: AET Inc
Current assignee: AET Inc
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP5152653B2

Abstract

【課題】従来の一般的な点火プラグと形状的に互換性をもち、従来のエンジンに容易に装着可能で、発生した火炎核を成長させて燃料と空気の混合ガスを完全に燃焼させることができる火花放電点火とマイクロ波プラズマ点火を併用する点火装置を提供する。
【解決手段】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は、火花放電用中心電極導体とマイクロ波給電用導体が共通または個別の同軸導体で構成される点火プラグと、該点火プラグのマイクロ波入力端子に入力するマイクロ波を発生するマイクロ波発生回路と、火花放電用高電圧を発生する点火回路と、前記マイクロ波発生回路と前記点火回路の出力タイミングを制御する点火制御回路で構成され、前記点火プラグの先端部はエンジンの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、その形状が螺旋形状であることを特徴とする。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。
特公平１−２２４７３号公報特開２００５−１８３３９６号公報特許第２７４７４７６号公報特開２００７−１１３５７０号公報

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。

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。

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。

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、前記中心導体と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、請求項１記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体を芯導体とし、該芯導体を覆い前記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、前記芯導体と前記内部導体と前記外部導体の先端部は前記燃焼室内に突出し、前記芯導体の先端部は火花放電を発生し、前記内部導体と前記外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、請求項１記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体とマイクロ波給電導体が共通同軸導体であって、該同軸導体は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電極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カットが接続されていることを特徴とする。

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、請求項２記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体はマイクロ波給電導体と分離して構成され、前記中心電極導体の第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、前記マイクロ波給電導体は前記点火プラグの中心電極導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波給電導体は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の端子は前記燃焼室内に突出したアンテナ電極であることを特徴とする。

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２記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体はマイクロ波給電導体と分離して構成され、前記中心電極導体の第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、前記マイクロ波給電導体は前記点火プラグの中心電極導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波給電導体は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たアンテナ電極であることを特徴とする。

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３記載の点火装置において、
前記共通同軸導体または該共通同軸導体を覆う外部導体の両方か一方の導体が、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。

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４記載の点火装置において、
前記マイクロ波給電導体が、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。

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記載の点火装置において、
前記マイクロ波給電導体と該導体を覆う外部導体の両方か一方の導体が、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。

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１及び請求項２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。

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３、請求項４及び請求項５記載の点火装置において、
前記マイクロ波給電導体と該マイクロ波給電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誘電体を充填したことを特徴とする。

本発明による請求項１記載の発明によれば、火花放電を発生する点火プラグの中心電極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が共通同軸導体構造になっているので、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。さらに、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。

本発明による請求項２記載の発明によれば、点火プラグの中心電極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。

本発明による請求項３記載の発明によれば、点火プラグの中心電極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。

本発明による請求項４記載の発明によれば、点火プラグの中心電極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。

本発明による請求項５記載の発明によれば、点火プラグの中心電極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。

本発明による請求項６記載の発明によれば、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。

本発明による請求項７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。

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。

本発明による請求項９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１０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。

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。

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。

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。

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型分岐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。

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と接地電極４１０の間で発生し、マイクロ波はアンテナ４１５より放射されてプラズマを生成する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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を示すタイムチャートである。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。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。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。本発明による第１の形態の点火プラグにおけるアンテナの第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。本発明による第１の形態の点火プラグにおけるアンテナの第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。本発明による第１の形態の点火プラグにおけるアンテナの第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。本発明による第２の形態の点火プラグにおける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。本発明による第２の形態の他の実施例の点火プラグにおけるアンテナの第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。本発明による第２の形態の他の実施例の点火プラグにおけるアンテナの第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。従来のマイクロ波放射アンテナと点火・放電部が一体的に構成された碍子部内に内蔵された点火プラグの構成を示す側面図である。

符号の説明

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
３０４ＤＣ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型分岐
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

Claims

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、前記中心導体と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することを特徴とする点火装置。
請求項１記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体を芯導体とし、該芯導体を覆い前記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、前記芯導体と前記内部導体と前記外部導体の先端部は前記燃焼室内に突出し、前記芯導体の先端部は火花放電を発生し、前記内部導体と前記外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。
請求項１記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体とマイクロ波給電導体が共通同軸導体であって、該同軸導体は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電極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カットが接続されていることを特徴とする点火装置。
請求項２記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体はマイクロ波給電導体と分離して構成され、前記中心電極導体の第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、前記マイクロ波給電導体は前記点火プラグの中心電極導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波給電導体は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、前記燃焼室内に突出したアンテナ電極であることを特徴とする点火装置。
請求項２記載の点火装置において、
前記点火プラグの中心電極導体はマイクロ波給電導体と分離して構成され、前記中心電極導体の第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、前記マイクロ波給電導体は前記点火プラグの中心電極導体を覆う同軸構造であって、前記マイクロ波給電導体は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たアンテナ電極であることを特徴とする点火装置。
請求項３記載の点火装置において、
前記共通同軸導体または該共通同軸導体を覆う外部導体の両方か一方の導体が、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。
請求項４記載の点火装置において、
前記マイクロ波給電導体が、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。
請求項５記載の点火装置において、
前記マイクロ波給電導体と該導体を覆う外部導体の両方か一方の導体が、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。
請求項１及び請求項２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点火装置。
請求項３、請求項４及び請求項５記載の点火装置において、
前記マイクロ波給電導体と該マイクロ波給電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誘電体を充填したことを特徴とする点火装置。