JP2010101207A - High-frequency wave generator for spark-ignition internal combustion engine - 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て用いられる高周波発生装置に関するものである。 The present invention relates to a high-frequency generator 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、マグネトロンの出力を調整することにより、生成するプラズマのエネルギを変化させることが可能である。このようにプラズマのエネルギを調整することにより、内燃機関の運転状態に応じて最適化することができる。 By the way, as a method for generating plasma under atmospheric pressure, a method using a magnetron is considered. When using a magnetron, it is possible to change the energy of the plasma to be generated by adjusting the output of the magnetron. By adjusting the plasma energy in this way, it can be optimized according to the operating state of the internal combustion engine.
しかしながら、プラズマのエネルギの調整は、マグネトロンの出力を調整するものであるため、マグネトロンから出力されて導波管などを介して燃焼室に放射されるマイクロ波の電力を検出しなければならない。ところが、マイクロ波を燃焼室に導く導波管を含む伝送線路では、マイクロ波の反射が生じ、その反射によりマイクロ波の電力が変わるため、反射の大きさを把握しなければ、マグネトロンの正確な出力調整は困難であった。 However, since the adjustment of the plasma energy is to adjust the output of the magnetron, it is necessary to detect the power of the microwave output from the magnetron and radiated to the combustion chamber through a waveguide or the like. However, in the transmission line including the waveguide that guides the microwave to the combustion chamber, the reflection of the microwave occurs, and the power of the microwave changes due to the reflection. Output adjustment was difficult.
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、本発明の火花点火式内燃機関用高周波発生装置は、高周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の高周波供給部に電気的に接続される火花点火式内燃機関用高周波発生装置であって、プラズマを生成するための高周波を出力する高周波発生源と、高周波発生源と高周波供給部との間に高周波供給部に対して直列に接続する抵抗と、抵抗の両端電圧を計測して抵抗の発熱状態を推定し、推定した抵抗の発熱状態に基づいて高周波発生源が出力する高周波の特性を調整する特性調整手段とを備えることを特徴とする。 That is, the high-frequency generator for a spark-ignition internal combustion engine according to the present invention is a high-frequency supply unit for a spark-ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in a combustion chamber by high frequency with spark discharge by an ignition plug. A spark ignition internal combustion engine high-frequency generator electrically connected to a high-frequency generator that outputs a high-frequency for generating plasma, and a high-frequency supply unit between the high-frequency generator and the high-frequency supply unit A resistor connected in series, and a characteristic adjusting means for measuring a voltage across the resistor to estimate a heat generation state of the resistor, and adjusting a high frequency characteristic output from the high frequency generation source based on the estimated heat generation state of the resistor; It is characterized by providing.
このような構成によれば、抵抗に高周波を流した場合の抵抗の両端電圧と、抵抗の発熱状態との間に相関関係があるので、両端電圧を計測することで高周波発生源と高周波供給部との間の線路における発熱状態が把握できる。この発熱は、高周波の反射に起因するものであり、目標となる発熱状態となるように、したがって反射が小さくなるように特性調整手段が高周波発生源の出力する電磁波の特性を調整するもので、前記線路の破損を抑えることが可能である。 According to such a configuration, since there is a correlation between the voltage at both ends of the resistor when a high frequency is passed through the resistor and the heat generation state of the resistor, the high frequency generation source and the high frequency supply unit are measured by measuring the voltage at both ends. The heat generation state in the line between the two can be grasped. This heat generation is caused by high-frequency reflection, and the characteristic adjusting means adjusts the characteristics of the electromagnetic wave output from the high-frequency generation source so that the target heat generation state is obtained, and thus the reflection becomes small. It is possible to suppress breakage of the line.
以上の構成において、高周波の特性としては、高周波の位相、及び高周波の周波数が挙げられる。 In the above configuration, the high frequency characteristics include a high frequency phase and a high frequency.
本発明は、以上説明したような構成であり、抵抗に高周波を流した場合の抵抗の両端電圧と、抵抗の発熱状態との間に相関関係があるので、両端電圧を計測することで高周波発生源と点火プラグとの間の線路における発熱状態が把握できる。そして把握した発熱状態に応じて、特性調整手段が高周波発生源の出力する電磁波の特性を調整することで、高周波発生源と点火プラグとの間の線路の破損を抑えることができる。 The present invention is configured as described above, and since there is a correlation between the voltage across the resistor when a high frequency is passed through the resistor and the heat generation state of the resistor, high-frequency generation is achieved by measuring the voltage across the resistor. The heat generation state in the line between the source and the spark plug can be grasped. And according to the grasped heat generation state, the characteristic adjusting means adjusts the characteristic of the electromagnetic wave output from the high-frequency generation source, so that damage to the line between the high-frequency generation source and the spark plug can be suppressed.
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.
以下に説明する実施形態の高周波発生装置HFGは、点火プラグ1を備える火花点火式内燃機関(以下、エンジンと称す)100に設けられる高周波供給部たるアンテナATに電気的に接続されるものである。 A high-frequency generator HFG according to an embodiment described below is electrically connected to an antenna AT which is a high-frequency supply unit provided in a spark ignition internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 100 including a spark plug 1. .
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。そして、燃焼室6の天井部分には、点火プラグ1に加えて、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を燃焼室6内に供給する伝送線路の一部をなすマイクロ波供給路13が設けてある。アンテナATは、このマイクロ波給電路13の先端に設けられるもので、外側に向かって広がるホーン部を有するホーン型のアンテナである。アンテナATの内部には、燃焼室6から圧力が漏洩しないように、誘電体15が充填してある。
FIG. 1 shows an
この実施形態の高周波発生装置HFGは、図2に示すように、プラズマを生成するための高周波を出力する高周波発生源16と、高周波発生源16と高周波供給部であるアンテナATとの間にアンテナATに対して直列に接続する抵抗17と、抵抗17の両端電圧を計測して抵抗17の発熱状態を推定し、推定した抵抗17の発熱状態に基づいて高周波発生源16が出力する高周波の特性を調整する特性調整手段たる位相調整器18とを備えている。
As shown in FIG. 2, the high-frequency generator HFG of this embodiment includes an antenna between a high-
高周波発生源16は、高周波であるマイクロ波を出力する例えばマグネトロンと、そのマグネトロンの動作を制御する制御回路とを備える。マグネトロン自体は、マイクロ波加熱などの分野でよく知られているものを適用するものであってよい。また、制御回路は、マグネトロンの出力、マイクロ波の位相及び出力時期を制御するものである。
The high-
抵抗17は、マグネトロンの出力電圧が高圧であるので、数オーム程度の抵抗値のものである。この抵抗17は、マイクロ波の伝送線路19の一部をなすとともに、伝送線路19において反射波と進行波とが合成されて出現する定在波の電流値を検出する電流検出器の一部として機能する。
The
位相調整器18は、例えばマイクロプロセッサを備えてなり、ソフトウエアにより、入力される抵抗17の両端電圧を測定するとともに、測定した両端電圧に基づいて抵抗17の発熱状態を推定するものである。抵抗17の発熱状態は、アンテナATまでの伝送線路19において発生する定在波の電流に実質的に比例するので、抵抗17の発熱状態から伝送線路19の発熱状態が推定し得るものである。そして、推定した発熱状態から、マグネトロンが出力するマイクロ波の位相を調整する指令(信号)を高周波発生源16に対して出力する。位相を制御することにより、進行波と反射波との位相を最小限にするものである。
The
このような構成において、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 such a configuration, when the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is ignited using the spark plug 1, the
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 combustion chamber 6 It is the structure which burns the inside air-fuel mixture rapidly.
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 combustion chamber 6 as the radicals increase, and the combustion expands at a high combustion rate.
マイクロ波をアンテナATから燃焼室6に放射する間、伝送線路19にあっては定在波が現れる。これは、伝送線路19及びマイクロ波供給路13のインピーダンスと、アンテナATのインピーダンスとの整合にずれがあり、反射波が発生する場合に生じるものである。そして、定在波の電流が大きくなると、抵抗17の両端電圧も大きくなる。したがって、抵抗17の両端電圧を測定して、伝送線路の発熱を推定し、推定した発熱状態に基づいて位相調整器18がマイクロ波の位相を調整することで、定在波の電流を減らすことができる。したがって、伝送線路19を損傷することなく、マイクロ波を燃焼室6に供給することができる。
While the microwave is radiated from the antenna AT to the combustion chamber 6, a standing wave appears in 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、特性調整手段として、マイクロ波の位相を調整するものを説明したが、マイクロ波の特性としては、マイクロ波の周波数であってもよい。この場合、マグネトロンの陽極に流れる陽極電流を制御することにより、マイクロ波の周波数を調整するものである。 In the above-described embodiment, the characteristic adjustment unit that adjusts the phase of the microwave has been described. However, the microwave characteristic may be a microwave frequency. In this case, the frequency of the microwave is adjusted by controlling the anode current flowing through the anode of the magnetron.
又、高周波発生源としては、上述のような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 addition to the magnetron as described above, the high frequency generation source may be a traveling wave tube or the like, and may further include a semiconductor microwave oscillation circuit.
加えて、上述の実施形態においては、ビーム型のアンテナを説明したが、モノポール型のアンテナであってもよい。 In addition, although the beam type antenna has been described in the above-described embodiment, a monopole type antenna may be used.
さらには、点火プラグ1の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。 Furthermore, the center electrode of the spark plug 1 may function as an antenna to form a high-frequency power feeding unit. In this case, if the high frequency is continuously applied to the center electrode at a constant voltage, the temperature of the center electrode rises excessively, so the high frequency voltage is set to be lower than the upper limit temperature set based on the heat resistance temperature of the center electrode. It is something to control.
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
6…燃焼室
16…高周波発生源
17…抵抗
18…位相調整器
AT…アンテナ
HFG…高周波発生装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spark plug 6 ...
Claims (3)
プラズマを生成するための高周波を出力する高周波発生源と、
高周波発生源と高周波供給部との間に高周波供給部に対して直列に接続する抵抗と、
抵抗の両端電圧を計測して抵抗の発熱状態を推定し、推定した抵抗の発熱状態に基づいて高周波発生源が出力する高周波の特性を調整する特性調整手段とを備える火花点火式内燃機関用高周波発生装置。 A high-frequency generator for a spark-ignition internal combustion engine that is electrically connected to a high-frequency supply unit of a spark-ignition internal combustion engine that reacts plasma generated in a combustion chamber with a high frequency and spark discharge by an ignition plug to ignite an air-fuel mixture Because
A high-frequency generator that outputs a high frequency for generating plasma;
A resistor connected in series with the high-frequency supply unit between the high-frequency generation source and the high-frequency supply unit;
A high-frequency for a spark ignition internal combustion engine comprising a characteristic adjusting means for measuring a voltage across the resistor to estimate a heat generation state of the resistor and adjusting a high-frequency characteristic output from a high-frequency generation source based on the estimated heat generation state of the resistance Generator.
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