JP2010096109A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限られた容量の電源から供給されるエネルギを有効に活用し、良好な着火性を発揮しつつ、耐久性に優れた点火装置を提供する。
【解決手段】電源１００、２００、２０６と、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波等の高周波ＲＦを発生する高周波発振回路１０と高電圧回路２０と高周波発振回路１０から発振した高周波ＲＦを伝達・増幅する共振管１２と、高電圧回路２０からの高電圧を伝達する高電圧配送導体２１とを具備し、少なくとも、共振管１２の開口端を内燃機関５０の燃焼室５００内に露出せしめると共に、高周波発振回路１０から共振管１２を介して内燃機関の燃焼室内に高周波ＳＦを発振した後に、又は、これと同時に、高電圧回路２０から共振管１２の一部と高電圧配送導体２１、２２、２３との間に高電圧を印加し、共振管１２の一部と高電圧配送導体２３との間で放電を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う点火装置に関する。

自動車エンジン等の内燃機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減や更なる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給気化等が図られている。一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。

このような難着火性機関においても優れた着火性を発揮できる点火装置として、内燃機関に装着された点火プラグに高電圧を印加して放電空間内の絶縁を破壊するトリガ放電を行い、次いで大電流を印加して放電空間内の気体を極めて高温、高圧のプラズマ状態にして内燃機関の燃焼室内に噴射し、容積の大きな火炎核を生成させて、着火を行うプラズマ式点火装置がについて種々と提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、燃焼室内の広範囲に広がる火炎を生成して着火性を向上すべくマイクロ波発振器の出力を同軸型の共振器に入力して高周波電磁界エネルギを高めて燃焼室内に突き出したマイクロ波アンテナから放電させることにより点火を行うマイクロ波式点火装置もある（例えば、特許文献３参照）。

近年、更なる燃費向上を図るべく、過給混合燃焼機関において高過給化が進み、燃焼室内の圧力は、１ＭＰａ以上と極めて高くなっており、混合気の絶縁耐圧は、例えば６．７ｋＶ／ｍｍ程度まで上昇する場合もある。このため、特許文献１、２にあるようなプラズマ式点火装置においては、トリガ放電を行うための要求電圧が高くなり、又は特許文献３にあるようなマイクロ波式の点火装置においても、マイクロ波が無極放電を行うための要求電圧が高くなっている。
特開２００６−２９４２５７号公報 特開２００８−１７７４２号公報 特開昭５７−１８６０６７号公報

ところが、このような要求電圧の上昇は、電源を含む点火装置の大型化を招き、製造コストが増加したり、高度に集約された車両のエンジンルーム内への搭載が困難になったりする虞がある。また、プラズマ式点火装置においては、要求電圧の上昇は、放電時の陰極スパッタリングによる電極消耗を進行させ、点火装置の耐久性を低下させる虞もある。

一方、マイクロ波式の点火装置においては、２．４ｋＷというような大きなエネルギを入力したとしても、破壊できる絶縁耐圧はせいぜい４．２ｋＶ／ｍｍ程度であり、筒内圧力が１ＭＰａを超え、絶縁耐圧が６．７ｋＶ／ｍｍとなるような燃焼条件下では放電できなくなる虞もある。更に、車両への搭載性を考慮すれば、電源として使用されるバッテリ容量に限界があり、このような高いエネルギの供給ができない虞もある。
加えて、マイクロ波がアンテナから燃焼室内に広く拡散することから、更にエネルギ効率が低下する虞もあり、点火条件によってマイクロ波の拡散度合いが変化し、着火が不安定となる虞もある。
また、燃焼室内にマイクロ波を放電するためのアンテナが伸びているために、筒内に発生する気流や燃料の噴射に影響を与え、所望の燃料噴射条件が得られない虞もあり、燃料室内にアンテナを載置するための空間を設ける必要があり、所望の圧縮比が得られない虞もある。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、限られた容量の電源から供給されるエネルギを有効に活用し、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮しつつ、耐久性に優れた点火装置の提供を目的とするものである。

請求項１の発明では、内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う点火装置であって、電源と、高周波発振回路と、高電圧回路と、上記高周波発振回路から発振した高周波を伝達・増幅する共振管と、該共振管との絶縁を保持しつつ上記高電圧回路からの高電圧を伝達する高電圧配送導体とを具備し、少なくとも上記共振管の開口端を上記内燃機関の燃焼室内に露出せしめると共に、上記高周波発振回路から上記共振管を介して上記内燃機関の燃焼室内に高周波を発振した後に、又は、これと同時に、上記高電圧回路から上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間に高電圧を印加して、上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間で放電を行う。

請求項１の発明によれば、上記電源から上記高周波発振回路によって高周波に変換された電磁波エネルギが上記共振管を経由して上記内燃機関の燃焼室内に発振され、上記共振管の開口端近傍の電界強度が高くなる。このとき、上記電源から上記高電圧回路によって昇圧された高電圧が上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間に印加されると、上記共振管の開口端近傍においては電界強度が高く放電しやすい状態となっているので、従来よりも低い電圧で容易に放電が起こる。
更に、上記電源から供給された電気エネルギによって、その周囲の気体が極めて高温、高圧のプラズマ状態となり、容積的に大きな火炎核が発生、成長し、上記燃焼室内の混合気が点火される。
この時、発生する火炎核は容積的に大きく、希薄燃焼機関や過給気混合燃焼機関などの難着火性の内燃機関においても安定した着火を実現できると期待される。
また、上記高周波によって放電電圧が低くなっているため上記点火装置の体格を小さくできる。加えて、放電電圧を低くすることによって放電時に発生する陰極スパッタリングによる上記点火プラグの放電部位の消耗を抑制することができる。更に、高電圧を加えて放電をアシストすることから、従来の高周波のみによる無電極放電に比べて放電の効率が高くなり、高周波の投入エネルギの節約もできる。
即ち、本発明によれば、高周波と高電圧とを併用することによって、相互に放電に必要なエネルギを補完するので、高周波発振回路に供給するエネルギと高電圧回路に供給するエネルギとの双方を少なくできる。
したがって、小型化が容易で、着火性に優れ、しかも耐久性に優れた点火装置が実現できる。

請求項２の発明では、上記共振管は、上記高周波発振回路に接続せしめた高周波伝送中軸導体と、一端を上記燃焼室側に向かって開放せしめ、他端を閉塞せしめた有底筒状の共振管基体とを同心に配設せしめてなり、上記共振管基体の空洞長Ｌは、上記高周波の波長λに対して（２ｎ＋１）λ／４に設ける。

請求項２の発明によれば、λ／４の奇数倍毎に発生する高周波の山が上記共振管の開口端に位置し、その近傍の電界強度が最も高くなる。したがって、放電電圧を効果的に下げることができる。

具体的には、請求項３の発明のように、上記高電圧配送導体は、略長軸状に形成し、これと同心に配設した略筒状の絶縁体によって覆うと共に、上記絶縁体の先端側から露出せしめた上記高電圧配送導体の先端部を上記共振管に向かって屈曲せしめつつ、所定の放電距離を設けて上記高周波伝送中軸導体に対向設けて対向せしめた構成としても良い。

請求項３の発明によれば、電界強度が高くなった上記共振管の開口端において、上記高周波伝送中軸導体と上記高電圧配送導体の先端との間で容易に放電を起こすことができる。したがって、高周波によって、放電電圧を低下させることにより、小型化が容易で、優れた着火性と優れた耐久性とを兼ね備えた点火装置の実現が可能となる。
また、放電が起きれば、周りに電界強度の高い所が、高周波で形成されていることから、放電によって発生したプラズマが高周波によって周囲に広がり、従来の放電のみによる点火の場合に比べ、火炎核の成長領域を更に広げることが可能となり、極めて着火性に優れた点火装置が実現可能となる。

また、請求項４の発明のように、上記高電圧配送導体は、略長軸状に形成し、これと同心に配設した略筒状の絶縁体によって覆うと共に、上記絶縁体の先端側から露出せしめた上記高電圧配送導体の先端部を上記共振管に向かって屈曲せしめつつ、所定の放電距離を設けて上記共振管基体の開口端縁に対向せしめても良い。

請求項４の発明によれば、電界強度が高くなった上記共振管の開口端において、上記共振管基体の端縁と上記高電圧配送導体の先端との間で容易に放電を起こすことができる。したがって、高周波によって、放電電圧を低下させることにより、小型化が容易で、優れた着火性と優れた耐久性とを兼ね備えた点火装置の実現が可能となる。

更に、請求項５の発明のように、上記高電圧配送導体は、略長軸状に形成し、これと同心に配設した略筒状の絶縁体によって覆うと共に、上記絶縁体の先端側で上記共振管基体の開口端から閉塞端側に向かって所定の距離だけ引き込んだ位置において、上記高電圧配送導体の先端部を上記共振管に向かって屈曲せしめつつ、上記共振管基体の空洞部内で上記高周波伝送中軸導体に対して所定の放電距離を設けて対向せしめた構成としても良い。

請求項５の発明によれば、電界強度が高くなった上記共振管の開口端から上記共振管基体の内側に引き込んだ位置において、上記中心電極と上記高電圧配送導体の先端との間で容易に放電を起こすことができる。
このような構成とすることにより、上記共振管基体の空洞部の一部を容積的に限られた範囲に区画された放電空間とすることができるので、放電により発生した火炎核を該放電空間から燃焼室内に噴射させることが可能となる。
このため、限られた放電空間内をプラズマ状態となって気体が激しく運動するので、発生する圧力が更に高圧化され、燃焼効率の更なる向上が期待できる。加えて上記点火プラグの先端から離れた位置で点火が起こるので、上記燃焼室内に突出する上記点火プラグの長さを可及的に短くすることができ、燃焼室内の気流への影響が少なくなる。更に、上記点火プラグの先端と噴射した火炎核との距離が離れるので消炎作用を小さくし、エネルギ効率の更なる向上が期待できる。
したがって、高周波によって、放電電圧を低下させることにより、更に小型化が容易で、優れた着火性と優れた耐久性とを兼ね備えた点火装置の実現が可能となる。

請求項６の発明では、上記共振管の空洞部の一部、又は、全部を、耐熱性の絶縁材料によって充填せしめる。

請求項６の発明によれば、上記共振管内への燃焼爆発した気体の流入が阻止され、未燃ガス等により共振管基体内部が汚染されることがなく、安定して高周波を発振し続けることができる。したがって、上記点火装置の更なる耐久性、信頼性の向上を図ることができる。
また、上記絶縁材料内を高周波が通過する際に、誘電体でもある上記絶縁材料が自己加熱により、ジュール熱を発生するので、更に、放電しやすくなる。特に、エンジン始動時においては筒内温度が低く、予めマイクロ波を長めに発振して予備加熱することによって、放電を容易にして低温始動性の更なる向上を図ることができると期待される。

請求項７の発明では、上記共振管の放電部位と上記高電圧配送導体の放電部位との間の放電空間を略筒状に区画する。

請求項７の発明によれば、略筒状に区画され限られた容積の放電空間内をプラズマ状態となって気体が激しく運動するので、発生する圧力が更に高圧化され、燃焼効率の更なる向上が期待できる。加えて上記点火プラグの先端から離れた位置で点火が起こるので、上記燃焼室内に突出する上記点火プラグの長さを可及的に短くすることができ、燃焼室内の気流への影響が少なくなる。更に、上記点火プラグの先端と噴射した火炎核との距離が離れるので消炎作用を小さくし、エネルギ効率の更なる向上が期待できる。

請求項８の発明では、上記高周波は、１０ｍｍから１０００ｍｍの波長λと３００ＭＨｚから３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波である。

請求項８の発明によれば、マイクロ波によって、放電電圧を低下させることにより、小型化が容易で、優れた着火性と優れた耐久性とを兼ね備えた点火装置の実現が可能となる。また、マイクロ波の波長λは１０ｍｍから１０００ｍｍ程度の範囲にあるので、共振管の空洞部長さＬは２．５ｍｍから７５ｍｍ程度の大きさとなり加工が容易である。

より好ましくは、請求項９の発明のように、上記マイクロ波は、２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域とするのが望ましい。

請求項９の発明によれば、上記高周波発振回路として、家庭用として広く普及しているマイクロ波発振回路を利用することが可能となり、マイクロ波によって、放電電圧を低下せしめた、小型化が容易で、優れた着火性と優れた耐久性とを兼ね備えた点火装置の実現が更に容易となる。

本発明の点火装置は、自動車エンジン等の点火に用いられる点火装置であって、空燃比を高くした希薄燃焼機関や、過給器によって空燃比及び圧縮比を高くした高過給気混合燃焼機関等の難着火性機関においても良好な着火性を示す点火装置であり、高周波の発振により電界強度を高めた状態で高電圧を印加することによって従来よりも低い放電電圧によって放電を引起し内燃機関の点火を行うことを最大の特徴とする。

図１を参照して、本発明の第１に実施形態における点火装置１の概要を説明する。本図中、（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、下面図である。
点火装置１は、後述する電源１００、２００、２０６と、エンジン全体を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）３０と、本発明の要部である高周波アシスト放電点火プラグ（以下、ＭＳＰと略す）と、電源１００に接続されＥＣＵ３０からの指令に従ってＭＳＰに高周波を入力する高周波発振回路１０と、電源２００、２０６に接続されＥＣＵ３０からの指令に従ってＭＳＰに高電圧を印加する高電圧回路２０とによって構成されている。

高周波発振回路１０から発振した高周波ＲＦは、同軸ケーブル１１を介して共振管１２に入力される。
ＭＳＰは、共振管１２と、絶縁体２４によって共振管１２との絶縁が保持されつつ高電圧回路２０からの高電圧を伝達する略長軸状の高電圧配送導体２１とによって構成されている。

共振管１２は、一端が開口し他端が閉塞する有底筒状の共振管基体１２０と、その中心に配設され同軸ケーブル１１に接続される高周波伝送中軸導体１２２とによって構成され、共振管基体１２０と高周波伝送中軸導体１２２との間には空洞部１２１が形成されて、共振管基体１２０と高周波伝送中軸導体１２２とは、共振管基体１２０の閉塞端１２３側で短絡している。
同軸ケーブル１１は、公知のものが使用され、略柱状の内部導体１１０と、その周囲を覆う絶縁体１１１と、更にその周囲を覆う外部導体１１２と、更にその周囲を覆う保護被覆とによって構成されている。一般に、内部導体１１０には、銅線が使用され、 絶縁体１１１にはポリエチレン等の可撓性材料が用いられ、外部導体１１２は、編組線と呼ばれる細い銅線を編んだものが用いられている。また外部導体１１２は、金属箔を用いたものでも良い。外部導体１１２はグランドに接続され０電位となっている。
また、同軸ケーブル１１に代えて、導体を断面を矩形、又は、円形で中空の筒状に形成した導波管を用いても良い。導波管は、同軸ケーブルよりも損失が少なく電力容量が大きい。

高周波伝送中軸導体１２２は例えば、直径φ１．５ｍｍ、長さ３２ｍｍに形成され、共振管基体１２０は内径φ５．４ｍｍ、空洞部長さＬは、高周波発信回路１０から入力される高周波ＲＦの波長λに対してλ／４又はその奇数倍となるように形成され、本実施形態においては、３１ｍｍとなっている。高周波伝送中軸導体１２２の先端は共振管基体１２０の開口端から1ｍｍ程度先端側に露出している。
なお、本実施形態においては、高周波ＲＦとして２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する高周波発振電源１０が用いられている。

高電圧配送導体２１は長軸状に伸び、絶縁体２４の先端側から露出する高電圧配送導体先端部２２が共振管１２に向かって屈曲しており、末端部にはイリジウム等の耐熱性の高い金属からなる放電チップ２３が設けられ、高周波伝送中軸導体１２２の側面と所定の放電距離を設けて対向している。なお、放電距離は、例えば、１から２ｍｍ程度に設定するのが良い。

ここで、共振管１２の高周波伝送中軸導体１２２は、共振管として構成する場合、共振管基体１２０と閉塞端１２３を介して短絡しており、また、同軸ケーブル１１の外部導体１１２を介して、高周波電源１０とも結合していることから、接地電位に対し高電圧を加えることは困難である。
仮に、共振管１２の一部に対して、高電圧を加えると、共振管基体１２０の全体及び高周波電源１０にも高電圧が流れるため、これらの全てを接地部より絶縁する必要があり、非常に複雑な構造となる。
そこで、高周波伝送中軸導体１２２を接地電位とすることとし、高電圧配送導体２１を共振管１２の外側に配設した。

この時、高電圧配送導体２１と共振管１２とを一体化し、小型化するのが望ましい。一体化により、電界が高く点火の効率が高くなる共振管１２の開口端に確実に高電圧電極を配設することができる。
また、高電圧配送導体２１を共振管１２の内部を通す方法も考えられるが、高周波伝送中軸導体１２２に加わったマイクロ波が高電圧配送導体１２１に載ってしまい、高電圧回路２０に漏れてしまうことになる。

そこで、共振管気体１２０の外側に高電圧配送導体２１を配設した。このように構成することによって、共振管基体１２０は、高電圧配送導体２１を流れる電流が変化した場合の電磁波ノイズが共振管１２内部へ伝播するのを防ぐシールドとしても作用する。
但し、高電圧配送導体２１の先端部２２と共振管１２の高周波伝送中軸導体１２２が接近していることより、若干のマイクロ波が高電圧回路２０に載ることが予想され、高電圧回路２０を破損する虞がある場合には、マイクロ波領域を減衰させるフィルタを高電圧回路２０に入れても良い。
なお、マイクロ波領域減衰フィルタは、マイクロ波の影響を受けやすい部位を保護すべく、高電圧回路２０とＭＳＰとの間に設けても良いし、高電圧回路２０と電源２００、２０６との間に設けても良い。
加えて、電源１００、２００、２０６は、本実施形態で示したように、それぞれ独立して設けても良いし、一の電源からＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧調整手段を介して所定の電圧に変換して、高周波発振回路１０と高電圧回路２０とのそれぞれの回路に供給する構成としても良い。

本実施形態において、簡易的な実験をした所、大気圧下において、高周波発振電源１０を駆動させず、高電圧回路２０のみによって、高電圧配送導体２１と高周波伝送中軸導体１２２との間にマイナスの高電圧を印加した場合、放電開始に約７ｋＶが必要であったが、高周波発振電源１０を駆動し、予め４Ｗ程のマイクロ波を加えたのち高電圧回路２０からマイナスの高電圧を印加したところ、約４ｋＶほどで放電を開始することができた。

点火装置１を等価回路で表した図２を参照して、本発明の第１の実施形態における点火装置１の具体的な構成例について説明する。
高周波発振回路２０は、車載バッテリ等の直流電源１００にイグニションスイッチ１０１を介して接続されている。
高周波発振回路２０に入力された直流電源１００の直流電流は、インバータ１０２によって交流電流に変換される。インバータ１０２には、ＥＣＵ３０からの点火指令に従って開閉するスイッチング素子を含み、高周波発振回路１０からＭＳＰへの高周波の発振と停止とを制御する制御回路１０３が設けられている。
インバータ１０２によって変換された交流電流は、単相全波倍電圧回路１０４によって、例えばマグネトロン等の陰極管１０５に導入され、陰極管１０５から高周波ＲＦが発振される。
陰極管１０５から発振された高周波ＲＦは、増幅回路１０６によって増幅され、同軸ケーブル１１を介してＭＳＰに誘導される。
なお、陰極管１０５に代えて、半導体を有するマイクロ波発振素子を用いても良い。
また、高周波発振回路１０としては、半導体を用いたもの、マグネトロンなど、マイクロ波を発振する回路であれば、公知のジャイロトロンでもよい。
本発明の要部である高圧放電との組み合わせにより、通常のマグネトロンで発生する５００Ｗレベル以上の大きなエネルギを使わなくとも、半導体を用いた数Ｗから１００Ｗレベルのものが使用可能となる。

一方、高電圧回路２０は、トリガ放電を引起こすトリガ放電回路ＤＣＣとプラズマエネルギを供給するプラズマ電流回路ＰＩＣとによって構成されている。
トリガ放電回路ＤＣＣは、イグニションスイッチ２０１を介して直流電源２００に接続される点火コイル２０２と、ＥＣＵ３０からの点火指令に従って点火コイル２０２の開閉を制御する点火コイル駆動回路２０３と、点火コイル２０２の２次電圧を整流する整流素子２０４と、放電時の電磁波ノイズを吸収する抵抗体２０５とによって構成されている。
また、プラズマ電流回路ＰＩＣは、直流電源２０６から抵抗２０７を介して充電されるコンデンサ２０８とプラズマ電流を整流する整流素子２０９とによって構成されている。なお、整流素子２０４と整流素子２０９とは、高電圧配送導体２１にマイナスの高電圧が印加されるように整流するのが望ましい。
高電圧配送導体２１にマイナスの高電圧を印加することにより、放電時のスパッタによる消耗は、先端部２２に先端チップ２３の耐スパッタリング性の高い金属を設けることによって抑制できる。
仮に、共振管１２の高周波伝送中軸導体１２２側に高電圧回路１０からのマイナス電位を印加すると、高周波伝送中軸導体１２２がスパッタリングにより消耗する虞があり、高周波伝送中軸導体１２２は、マイクロ波による消耗の虞もあるため、スパッタリングによる消耗も加わると、更に消耗が大きくなるため望ましくないからである。
また、マイクロ波と高電圧回路の干渉を避けたい場合には、マイクロ波を投入した直後に高電圧を投入するようにしてもよい。

高電圧回路２０は、高電圧配送導体２１に接続され、高電圧配送導体２１と高周波伝送中軸導体１２２との間に放電空間を形成している。
なお、本実施形態における点火装置１は、本図に等価回路で示した構成に限定するものはなく、同様の機能を発揮する限りにおいて適宜変更可能である。
例えば、本実施形態における高周波発振回路１０では、単相全波倍電圧回路を用いた例の概要を示したが、単層半波倍電圧回路を用いても良いし、単相全波整流回路を用いても良い。
更に、本図においては直流電源１００、２００、２０６を複数設けた例を示したが、一つの電源からＤＣ−ＤＣコンバータ等を介してそれぞれの回路に適した電圧に調整して供給しても良い。
また、本実施形態において高電圧回路２０は、点火コイル２０２によって昇圧する例を示したが、このような誘導放電型の高電圧回路でも良いし、コンデンサや圧電素子等を利用した容量放電型の高電圧回路を用いても良い。

図３を参照して本発明の実施形態における点火装置１の適用例として、燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴式エンジンに用いた場合について説明する。
本図（ａ）に示すように、内燃機関４０は、シリンダヘッド４１と略筒状のシリンダ４３０とシリンダ４３０内を昇降するピストン４３１とによって燃焼室４００が区画されている。シリンダヘッド４１には、吸気筒４１０と排気筒４２０とが設けられ、吸気筒４１０は吸気バルブ４１１によって開閉され、排気筒４２０は排気バルブ４２１によって開閉されている。
シリンダヘッド４１には、燃焼室４００内に燃料を噴射する燃料噴射弁５０が設けられ、ＥＣＵ３０によって燃料の噴射と停止とが制御されている。
更に、シリンダヘッド４１には、本発明の要部である点火装置１が装着され、上述の共振管基体１２０の開口端と高周波伝送中軸導体１２２の先端と放電チップ２３とが燃焼室４００内に露出している。

図３（ｂ）に示すように、ＥＣＵ３０から点火信号ＳＩに従って燃料噴射弁５０から燃焼室４００内への高圧燃料の噴射を指示する噴射信号ＩＮＪがＯＮとなり燃焼室４００内に高圧燃料が噴射される。次いで、所定のタイミングにおいて点火信号ＩＧが発信され、高周波発振回路１０から高周波が発振すべく高周波発振信号ＭＣＷがＯＮとなり、高周波ＲＦが発振される。その直後又はこれと同時に高電圧回路２０の点火コイル駆動回路２０３が開閉制御され、点火コイル２０３によって高圧に昇圧された電位が放電チップ２３と高周波伝送中軸導体１２２との間の絶縁耐圧を超えるとトリガ放電が開始され、これに引き続いてコンデンサ２０８に蓄積されたエネルギがトリガ放電によって形成された放電経路になだれ込むように一気に放出され、周囲の気体を広範囲に渡って高温のプラズマ状態とする。このプラズマ状態の気体が燃焼室４００内の混合気に着火し、燃焼爆発を引起こし、筒内圧力Ｐｃｙｌが一気に上昇し、その圧力によってピストン４３１が押し下げられ内燃機関４０に動力が生まれる。

図４を参照して本発明の第１の実施形態における点火装置１の作用効果について説明する。図４（ａ）に示すように、高周波発振回路１０から発振された高周波ＲＦは、同軸ケーブル１１を介して共振管１２の高周波伝送中軸導体１２２に誘導される。共振管基体１２０は、高周波ＲＦの波長λに対してλ／４の奇数倍の長さに形成されているので、共振管１２内で高周波ＲＦが共振して定在波が形成される。
このとき、本図（ｂ）に示すように、定在波の振幅の山に位置する部位での電界強度が高くなり、谷に位置する部位での電界強度が低くなっている。このため、共振管基体１２０の開口端近傍で最も電界強度が高くなり、周の気体が電離しやすい状態となる。
更に、本図（ｃ）に示すように、高電圧回路２０から高電圧が印加されると高周波によって電離しやすくなっているので、通常の放電に比べて低い電位で放電空間内の絶縁が破壊されトリガ放電ＴＲＧが発生し、その周囲の気体がプラズマ状態ＰＬＺとなって内燃機関の点火が引起こされる。
なお、本発明を限定するものではないが、本実施形態において内燃機関４０は、排気筒４２０から排出された燃焼排気を利用して高速回転する図略の過給器によって圧縮された空気が吸気筒４１０へ導入される過給気混合燃焼機関である。過給気混合燃焼機関においては燃焼室４００内の圧力高く、絶縁耐圧が上昇しているので特に効果的である。

図５から図８に本発明の他の実施形態における点火装置１ａ〜１ｇの要部であるＭＳＰ（ａ）〜ＭＳＰ（ｇ）を示す。なお、以下の実施形態において第１の実施形態と共通する点については同一の符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
図５（ａ）に示す点火装置１ａでは、高電圧導体２１の先端部２２ａを高周波伝送中軸導体１２２ａの直下まで延設し、を高周波伝送中軸導体１２２ａの下端面に対向する位置に所定の放電距離を隔てて放電チップ２３ａが設けてある。このように構成することによって、第１の実施形態と同様の効果に加え、高周波伝送中軸導体１２２ａの偏った消耗を抑制し、更に耐久性の高い点火装置を実現できる。

図５（ｂ）に示す点火装置１ｂでは、絶縁体２４の先端側から露出せしめた高電圧配送導体２１ｂの先端部２２ｂを共振管基体１２０の端縁と所定の放電距離を設けて対向せしめた放電チップ１２ｂが設けてある。このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の効果に加え、高周波による電界強度の最も高い共振管基体１２０の開口端と放電チップ２３ｂとの間で放電が起こるので更に低い電位で放電できる。また、高電圧配送導体２１の先端部２２を短くし、燃焼室４００内への突出長さを短くできるので、燃料噴射弁５０から噴射される燃料の噴流や燃焼室４００内の気流に対する影響を少なくし、より安定した着火を引起こすことができる。

図６（ａ）に示す点火装置１ｃでは、高電圧配送導体２１ｃの先端部２２ｃを共振管１２ｃに向かって屈曲させ、共振管基体１２０の開口端から基端側に所定の距離だけ引き込んだ空洞部１２１内において高周波伝送中軸導体１２２に向かって露出させ、高周波伝送中軸導体１２２の側面に対向して所定の放電距離を設けて放電チップ２３ｃが設けてある。このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の効果に加え、共振管基体１２０によって区画された空洞部１２１内でトリガ放電ＴＲＧが発生するため、プラズマ状態となった気体ＰＬＺが空洞部１２１から飛び出すように燃焼室４００内に噴射される。このため、所望の位置に火炎核を噴射させることが可能となり、成層燃焼等の希薄燃焼機関の着火性を更に向上させることができる。

図６（ｂ）に示す点火装置１ｄでは、共振管１２ｄの空洞部１２１ｄの全部を絶縁材料によって充填してある。
このように構成することによって、第１の実施形態と同様の効果に加え、空洞部１２１ｄ内への燃焼爆発した気体の流入が阻止され、未燃ガス等により共振管基体１２０内部が汚染されることがなく、安定して高周波を発振し続けることができる。
また、絶縁材料内を高周波が通過する際に、誘電体でもある絶縁材料が自己加熱により、ジュール熱を発生するので、更に放電しやすくなると期待される。特に、エンジン始動時においては、筒内温度が低く、予めマイクロ波を発振して予備加熱することによって、放電をし易くし、低温始動性の向上につながる。

図７（ａ）に示す点火装置１ｅでは、高電圧配送導体２１を覆う絶縁体２４ｅの下端側を共振管１２ｅの下方まで延設し、略筒状の放電空間形成部２６を設けて、高周波伝送中軸導体１２２ｅの一部を覆いつつ、高周波伝送中軸導体１２２ｅの下端面に合わせて放電空間２６が区画してある。このように構成することによって、第１の実施形態と同様の効果に加え、放電空間形成部２５によって区画されて限られた容積の放電空間２６内で放電が起きるので、プラズマ状態となった気体ＰＬＺの燃焼室４００内への噴射圧力が更に高くなり、更に安定した着火を実現できる。

図７（ｂ）に示す点火装置１ｆでは、高周波伝送中軸導体１２２ｆの先端を包囲するように空洞部１２１ｆの一部のみを略環状の絶縁体２５ｆで覆い、共振管基体１２０ｆの先端部を利用して放電空間２６ｆを区画してある。
このような構成によっても、限られた容積の放電空間２６ｆ内で放電が起きるので、プラズマ状態となった気体ＰＬＺの燃焼室４００内への噴射圧力が更に高くなり、更に安定した着火を実現できる。

図８に示す点火装置１ｇでは、空洞部１２１ｇ内を充填した絶縁体の下方に略筒状の放電空間形成部２５ｇを延設して、放電空間２６ｇが形成してある。
このような構成によっても、限られた容積の放電空間２６ｇ内で放電が起きるので、プラズマ状態となった気体ＰＬＺの燃焼室４００内への噴射圧力が更に高くなり、更に安定した着火を実現できる。

図９を参照して、 本発明の第９の実施形態における点火装置１ｈについて説明する。なお、本図において（ａ）は断面図、（ｂ）は下面図である。
また、本実施形態において、上記実施形態と適宜組み合わせて構成することも可能である。本実施形態は、点火装置１ｈの内燃機関への装着を容易にしつつ、より確実な放電を実現可能とするものである。
本実施形態において、マイクロ波アシスト点火プラグＭＳＰ（ｈ）は、共振管１２ｈと高電圧配送導体２１ｈと絶縁体２４ｈと、これらを一体的に収納するハウジング１３とによって構成されている。
共振管１２ｈは、高周波との共振が阻害されないように、ハウジング１３との間に間隙１３６を形成しつつ、最も振幅の小さい閉塞端１２３ｈ側においてネジ部１２４を設けハウジング１３にネジ止め固定してある。閉塞端１２３ｈの外周にはネジ部１２４を締め付けるための六角部１２５が形成してある。
なお、共振管１２ｈは、円形、矩形、三角形、その他、高周波の周波数と共振可能な筒形状である限りにおいて如何なる形状に形成しても良い。

一方、高電圧配送導体２１ｈは、略長軸状に形成されており、先端部２２ｈは高周波伝送導体１２２に向かって屈曲し、末端に先端チップ２３ｈが設けてある。
高電圧配送導体２１ｈの基端側には、径大で銅等の良導電性の金属を用いた中軸部２１０が形成されており、基端側端部には、高電圧回路１０に接続されるターミナル部２１１が形成されている。
更に、高電圧配送導体２１ｈの周囲は絶縁体２４ｈによって覆われ、高電圧配送導体２１ｈ径変部において絶縁体２４ｈの内壁に係止固定されている。絶縁体２４ｈの中腹には、径大となる厚肉部２４１が形成されており、ハウジング１３の内側に設けられた係止部１３３と加締め部１３４とによって挟着固定されている。
絶縁体２４ｈの基端側には、ターミナル部２１１とハウジング１３及び共振管１２ｈとの短絡を防止すべく、コルゲート状に形成して絶縁距離を長くした絶縁体頭部２４２が形成されている。

ハウジング１３の基端側外周には六角部１３０が形成され、先端側外周には、シリンダヘッド４１にネジ締め固定されるようにハウジングネジ部１３２が形成されている。このような構成とすることにより一体のＭＳＰ（ｈ）を、ガスケット１３７を介してシリンダヘッド４１のプラグホール内にネジ締め固定することができる。
また、高電圧配送導体２１ｈとハウジング１３との間での放電を避け、高電圧配送導体２１ｈと共振管１２ｈとの間で確実に放電がなされるように、ハウジング１３の先端を基端側に向かって窪ませた座繰り部１３５を設けても良い。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、高周波を発振する共振管の一部と高電圧配送導体との間で放電を行うことにより従来よりも低い電圧で内燃機関の点火を実現可能とする本発明の趣旨に反しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、難着火性の内燃機関においても良好な点火を実現すべく、高いエネルギを放出できる高電圧回路として、トリガ放電を引起こすトリガ放電回路とプラズマエネルギを供給するプラズマ電流回路とによって構成された例を示したが、本発明は易着火性の内燃機関にも適用でき、その場合、高電圧回路をトリガ放電回路のみとして高周波発振回路と組み合わせた構成としても良い。このような構成とすることによって通常のスパークプラグで点火できるような易着火性の内燃機関の着火性を更に容易にし、点火装置の電源容量を少なくすることも可能となる。

本発明の第１の実施形態における点火装置の構成を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は下面図。 本発明の第１の実施形態における点火装置のマイクロ波電源及び放電電源の具体例を示す等価回路図。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態における点火装置の使用態様を示す要部断面図、（ｂ）は、当該使用態様における点火装置の制御方法を示すタイミングチャート図。 本発明の第１の実施形態における作動原理を示し、（ａ）は、マイクロ波の定在波を示す要部模式図、（ｂ）は電界強度分布を示す要部模式図、（ｃ）は、放電状態を示す要部模式図。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における点火装置の要部断面図、（ｂ）は、第３の実施形態における点火装置の要部断面図。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態における点火装置の要部断面図、（ｂ）は、第５の実施形態における点火装置の要部断面図。 （ａ）は、本発明の第６の実施形態における点火装置の要部断面図、（ｂ）は、第７の実施形態における点火装置の要部断面図。 本発明の第８の実施形態における点火装置の要部断面図。 本発明に第９の実施形態における点火装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は下面図。

符号の説明

１ 点火装置
１０ 高周波発振回路
１００、２００、２０６ 電源
１２ 共振管
１２０ 共振管基体
１２１ 空洞部
１２２ 高周波伝送中軸導体
２０ 高電圧回路
２１ 高電圧配送導体
２２ 先端部
２３ 放電チップ
ＲＦ 高周波
３０ ＥＣＵ
４０ 内燃機関
４００ 燃焼室

Claims (9)

1. 内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う点火装置であって、
   電源と、高周波発振回路と、高電圧回路と、上記高周波発振回路から発振した高周波を伝達・増幅する共振管と、該共振管との絶縁を保持しつつ上記高電圧回路からの高電圧を伝達する高電圧配送導体とを具備し、
   少なくとも上記共振管の開口端を上記内燃機関の燃焼室内に露出せしめると共に、
   上記高周波発振回路から上記共振管を介して上記内燃機関の燃焼室内に高周波を発振した後に、又は、これと同時に、
   上記高電圧回路から上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間に高電圧を印加して、上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間で放電を行うことを特徴とする点火装置。
2. 上記共振管は、上記高周波発振回路に接続せしめた高周波伝送中軸導体と、一端を上記燃焼室側に向かって開放せしめ、他端を閉塞せしめた有底筒状の共振管基体とを同心に配設せしめてなり、上記共振管基体の長さＬは、上記高周波の波長λに対して（２ｎ＋１）λ／４に設けたことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 上記高電圧配送導体は、略長軸状に形成し、これと同心に配設した略筒状の絶縁体によって覆うと共に、上記絶縁体の先端側から露出せしめた上記高電圧配送導体の先端部を上記共振管に向かって屈曲せしめつつ、所定の放電距離を設けて上記高周波伝送中軸導体に対向せしめたことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 上記高電圧配送導体は、略長軸状に形成し、これと同心に配設した略筒状の絶縁体によって覆うと共に、上記絶縁体の先端側から露出せしめた上記高電圧配送導体の先端部を上記共振管に向かって屈曲せしめるつつ、所定の放電距離を設けて上記共振管基体の開口端縁に対向せしめたことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
5. 上記高電圧配送導体は、略長軸状に形成し、これと同心に配設した略筒状の絶縁体によって覆うと共に、上記絶縁体の先端側で上記共振管基体の開口端から閉塞端側に向かって所定の距離だけ引き込んだ位置において、上記高電圧配送導体の先端部を上記共振管に向かって屈曲せしめつつ、上記共振管基体の空洞部内で上記高周波伝送中軸導体に対して所定の放電距離を設けて対向せしめたことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
6. 上記共振管の空洞部の一部、又は、全部を、耐熱性の絶縁材料によって充填せしめたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の点火装置。
7. 上記共振管の放電部位と上記高電圧配送導体の放電部位との間の放電空間を略筒状に区画したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の点火装置。
8. 上記高周波は、１０ｍｍから１０００ｍｍの波長と３００ＭＨｚから３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の点火装置。
9. 上記マイクロ波は、２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域とすることを特徴とする請求項８に記載の点火装置。

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