JP2010096145A - Wave guide - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関に用いられる導波管に関するものである The present invention relates to a waveguide used in a spark ignition internal combustion engine that generates plasma in a combustion chamber and ignites an air-fuel mixture by plasma and spark discharge by a spark plug.
従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, particularly an automobile, an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited at each ignition timing by spark discharge between a center electrode and a ground electrode of a spark plug. In such ignition by an ignition plug, for example, in an internal combustion engine of a type in which fuel is directly injected into a cylinder, if the injected fuel is not distributed at the spark discharge position of the ignition plug, it rarely occurs.
このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献1に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
ところで、大気圧下でプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンを用いる場合、出力されるマイクロ波は、アンテナとなる導体を介して燃焼室内に放射される。この場合、燃焼室内に位置する導体として、点火プラグがあるので、点火プラグの中心電極をアンテナとすることがある。このように、点火プラグをマイクロ波のためのアンテナとする場合、マイクロ波は導波管と同軸ケーブルとを用いて点火プラグの中心電極に供給される。 By the way, as a method for generating plasma under atmospheric pressure, a method using a magnetron is considered. When using a magnetron, the output microwave is radiated into the combustion chamber through a conductor serving as an antenna. In this case, since there is a spark plug as a conductor located in the combustion chamber, the center electrode of the spark plug may be an antenna. As described above, when the spark plug is an antenna for microwaves, the microwave is supplied to the center electrode of the spark plug using the waveguide and the coaxial cable.
マグネトロンに直接に接続される導波管は、点火プラグに直接接続できないので、点火プラグに接続可能な同軸ケーブルによりマイクロ波を取り出す構成としている。同軸ケーブルは、導波管壁に絶縁体を介して取り付けるアンテナに接続される。 Since the waveguide directly connected to the magnetron cannot be directly connected to the spark plug, the microwave is extracted by a coaxial cable that can be connected to the spark plug. The coaxial cable is connected to an antenna attached to the waveguide wall via an insulator.
このような構成にあっては、同軸ケーブルが点火プラグに接続されているので、点火時期毎にアンテナに対して放電電圧が印加されることになる。このため、アンテナと導波管壁との間で放電する可能性が生じた。 In such a configuration, since the coaxial cable is connected to the ignition plug, a discharge voltage is applied to the antenna at each ignition timing. For this reason, there was a possibility of discharge between the antenna and the waveguide wall.
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。 Therefore, the present invention aims to eliminate such problems.
すなわち、本発明の導波管は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関に組み付けられて高周波発生装置が出力する電磁波を燃焼室内まで導く導波管であって、一方の端部に高周波発生装置を接続し、他方の端部近傍の内部に同軸ケーブルを接続するアンテナを絶縁して設けてなり、その管内圧力を燃焼室内の圧力より高圧に維持することを特徴とする。 In other words, the waveguide according to the present invention is assembled in a spark ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in the combustion chamber by electromagnetic waves and spark discharge by the spark plug, and output from the high frequency generator. A waveguide that guides electromagnetic waves into the combustion chamber, with a high-frequency generator connected to one end, and an insulated antenna connected to the coaxial cable inside the other end. Is maintained at a pressure higher than the pressure in the combustion chamber.
このような構成によれば、点火プラグを、電磁波の供給導体として利用した場合であっても、管内圧力を高圧に維持することにより、アンテナと管内壁との間での放電が抑制される。したがって、点火時期において、確実に点火プラグにおいて火花放電を起こすことが可能になる。 According to such a configuration, even when the spark plug is used as an electromagnetic wave supply conductor, the discharge between the antenna and the inner wall of the tube is suppressed by maintaining the high pressure in the tube. Therefore, it is possible to reliably cause a spark discharge in the spark plug at the ignition timing.
具体的には、点火プラグが中心電極と中心電極に対して放電ギャップを介して対向配置される接地電極とを備えてなり、アンテナが内壁との間を所定厚みの絶縁体を介して設けてあり、管内圧力を、火花点火式内燃機関をモータリングした際の筒内圧力と放電ギャップと所定厚みとの比率に基づいて設定するものが好ましい。 Specifically, the spark plug is provided with a center electrode and a ground electrode disposed opposite to the center electrode via a discharge gap, and the antenna is provided between the inner wall with an insulator having a predetermined thickness. In addition, it is preferable to set the in-pipe pressure based on the ratio of the in-cylinder pressure, the discharge gap, and the predetermined thickness when the spark ignition internal combustion engine is motored.
本発明は、以上説明したような構成であり、点火プラグを、電磁波の供給導体として利用した場合であっても、管内圧力を高圧に維持しているので、アンテナと管内壁との間での放電を抑制することができ、点火時期において、確実に点火プラグにおいて火花放電を起こすことができる。 The present invention is configured as described above, and even when the spark plug is used as an electromagnetic wave supply conductor, the internal pressure of the tube is maintained at a high level. Discharge can be suppressed, and spark discharge can surely occur in the spark plug at the ignition timing.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、1気筒における点火プラグ1の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン100は、例えば3気筒のダブルオーバーヘッドカムシャフト(DOHC)形式のもので、吸気ポート2の開口3及び排気ポート4の開口5が、燃焼室6の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ1を中心として対向配置されて、1気筒当たりそれぞれ2ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン100は、シリンダブロック7に取り付けられ、燃焼室6の天井部分を形成しているシリンダヘッド8には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト9、10が取り付けてある。シリンダヘッド8の吸気ポート2は、カムシャフト9が回転することにより往復作動する吸気弁11により、また排気ポート4は、カムシャフト10が回転することにより往復作動する排気弁12によりそれぞれ開閉されるものである。
FIG. 1 shows an
点火プラグ1は、導電材料からなるハウジング13と、ハウジング13内に絶縁されて取り付けられる中心電極14と、中心電極14から離れてハウジング13の下端に設けられる接地電極15とを備える。すなわち、点火プラグ1は、ハウジング13がほぼ円柱形状の絶縁碍子16を支持し、絶縁碍子16の上端に取り付けられる接続端子17が、絶縁碍子16の下端から突出する中心電極14と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング13下端から中心電極14下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極15がハウジング13に一体的に設けてある構造である。中心電極14と接地電極15との間には、火花放電のための放電ギャップが形成してある。絶縁碍子16は、中心電極14とエンジン100への取付部であるハウジング13とを絶縁するとともに、中心電極14と接続端子17との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。
The spark plug 1 includes a
このようなエンジン100に対して、点火プラグ1には例えばイグナイタを一体的に備える点火コイル(図示しない)がその接続端子17に取り付けられるとともに、点火プラグ1の中心電極14に対して電磁波であるマイクロ波を供給し得るように、同軸ケーブル18が電気的に接続される。同軸ケーブル18はまた、導波管19に電気的に接続される。すなわち、この実施形態にあっては、マイクロ波を燃焼室6に供給するアンテナを単体では備えておらず、点火プラグ1の中心電極14をアンテナとしてマイクロ波を燃焼室6に供給するものである。
For such an
導波管19は、図2に示すように、その一方の端部に高周波発生装置であるマグネトロン20が取り付けられ、他方の端部近傍の内部に、管壁21から絶縁されて設けられる管内アンテナ22を備える構成である。この構成においてさらに、導波管19は、その管内の圧力を、後述する管内圧力Pinにまでヘリウムあるいはアルゴンなどの不活性ガス又は窒素ガスを充填した状態で密閉して昇圧してある。導波管19は、例えばアルミニウムダイキャスト製の中空の断面形状が矩形のもので、接地電極15と同様に接地電位に固定してある。
As shown in FIG. 2, the
管内アンテナ22は、図3に示すように、管壁21にあけられた貫通孔23に、例えばポリ四フッ化エチレンなどの絶縁体24を介して取り付けられるもので、管壁21外面に固定される同軸ケーブル接続用のコネクタ25に電気的に接続される。管内アンテナ22は、導波管19の端壁26から1/4波長だけマグネトロン20寄りの位置に設けられる。この管内アンテナ22は、いわゆるモノポール型アンテナで、受信するマイクロ波の波長の約1/4の長さの導体で構成される。管壁21内表面と管内アンテナ22との間隙は、導波管19の管内圧力を左右するので、所望の管内圧力Pinに基づいて決定するものである。
As shown in FIG. 3, the in-
所望の管内圧力Pinは、管壁21内表面と管内アンテナ22との間隙のアンテナギャップ寸法Gatと、ピストン27が上死点に位置するエンジン100のモータリングの際の最大圧縮圧力値Pmaxと、点火プラグ1の放電ギャップの放電ギャップ寸法Gspとに基づいて、以下に示す式にて設定する。
Pin=Pmax・Gsp/Gat
The desired in-pipe pressure Pin includes an antenna gap dimension Gat of a gap between the inner surface of the
Pin = Pmax · Gsp / Gat
以上において、エンジン100の圧縮比などにより最大圧縮圧力値Pmaxは決定され、又、放電ギャップ寸法Gspも使用する点火プラグにより決定される。この場合、アンテナギャップ寸法Gatは、放電ギャップ寸法Gspに比較して約3倍程度の寸法にすることができるので、所望の管内圧力Pinは最大圧縮圧力値Pmaxの約1/3程度にすることができる。このようにして、所望の管内圧力Pinを決定した後、不活性ガスを決定した所望の管内圧力Pinもしくはそれ以上の圧力まで加圧して封入する。これにより、導波管19の管内圧力を所望の管内圧力Pinに維持するものである。
In the above, the maximum compression pressure value Pmax is determined by the compression ratio of the
このように管内圧力Pinを大気圧よりも高くすることにより、点火時期毎に放電電圧が管内アンテナ22に印加されたとしても、管内アンテナ22と管壁24との間で放電が生じることを抑制することができる。したがって、マイクロ波の周波数を上げて導波管19を小型化することでアンテナギャップGatが小さくなる場合であっても、放電を防止することができる。さらに、点火コイルからの放電電圧が、マグネトロン20に浸入することを防止することができる。
By making the in-tube pressure Pin higher than the atmospheric pressure in this way, even if a discharge voltage is applied to the in-
なお、このエンジン100は、燃焼室6内の混合気に点火プラグ1を用いて着火する場合に、点火プラグ1の火花放電を燃焼室6内に生成するプラズマと反応させることにより、点火プラグ1の火花放電をプラズマと反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。
In addition, when this
点火に際しては、点火プラグ1に点火コイル(図示しない)により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室6内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
At the time of ignition, a spark discharge is generated in the spark plug 1 by an ignition coil (not shown), and a high-frequency electric field is generated by microwaves almost simultaneously with or immediately after the spark discharge to generate plasma, whereby the
具体的には、点火プラグ1による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。 Specifically, the spark discharge by the spark plug 1 becomes plasma in a high-frequency electric field, and the flame becomes large.
これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、OHラジカルやNラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。 This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge oscillate and meander due to the influence of the high-frequency electric field, resulting in a longer path length and the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to a dramatic increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The flame will increase dramatically.
この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ1のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室6内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。
As a result, the air-fuel mixture is ignited by the spark discharge increased by reacting with the high-frequency electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the spark plug 1 is changed to the three-dimensional ignition. Therefore, the initial combustion is stabilized, and the combustion rapidly propagates into the
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
上述の実施形態においては、高周波発生装置であるマグネトロンを説明したが、マグネトロン以外に、進行波管などであってよく、さらには高周波発生装置が半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。 In the above-described embodiment, a magnetron that is a high-frequency generator has been described. However, in addition to the magnetron, a traveling wave tube or the like may be used, and even if the high-frequency generator includes a microwave oscillation circuit made of a semiconductor. Good.
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。 As an application example of the present invention, it can be used for a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and requires spark discharge by an ignition plug for ignition.
1…点火プラグ
14…中心電極
15…接地電極
18…同軸ケーブル
19…導波管
20…マグネトロン
22…管内アンテナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (2)
一方の端部に高周波発生装置を接続し、他方の端部近傍の内部に同軸ケーブルを接続するアンテナを絶縁して設けてなり、その管内圧力を燃焼室内の圧力より高圧に維持する導波管。 This is a waveguide that guides the electromagnetic waves output from the high-frequency generator into the combustion chamber, which is assembled in a spark ignition internal combustion engine that ignites the air-fuel mixture by reacting the plasma generated in the combustion chamber with electromagnetic waves and the spark discharge from the spark plug. There,
A waveguide that has a high frequency generator connected to one end and an insulated antenna that connects a coaxial cable in the vicinity of the other end, and maintains the pressure inside the tube higher than the pressure in the combustion chamber .
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JP2012159033A (en) * | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Imagineering Inc | Engine |
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