JP2012521517A - 燃焼エンジン用可燃性混合燃料の点火方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼エンジンの燃焼室（２）内で、該エンジンの燃焼室内に突き出すように配置されたスパークプラグ（３）を用いて、酸化剤と燃料の混合燃料（１）に点火する方法に関し、該方法は、１ＭＨｚ以上の周波数の第１交流電気信号（４）を用いて該スパークプラグに電力供給する第１ステップからなる。該方法は、また、１ＭＨｚ以上の周波数の第２交流電気信号（５）を用いてスパークプラグに電力供給する第２ステップを有し、この第２ステップは、第１ステップの後ある間隔時間を空けて行われる。

Description

本発明は、一般に、燃焼エンジンの点火方法に関する。

燃焼エンジンの点火方法の分野において、例えば、米国特許公報ＵＳ６，０８５，７３３または米国特許公開公報ＵＳ２００２／０１４４６７２に見られる従来のスパークプラグを用いる方法が知られている。こうした従来のプラグは、プラグの電極間に延びる直線的なスパークを発生させることができる。

直線的なスパークのみを発生させることができる従来のプラグによって発生する点火の欠陥の問題に対処するために、電極の先端から分岐したスパークを発生させることに適した無線周波数スパークプラグが提案されている。直線的なスパークのみを発生させることができる従来のプラグと異なり、こうした無線周波数スパークプラグは、１ＭＨｚ以上の周波数の交流電気信号によってこの電極に電力が供給されるとき、特にその形状と電極の配置によって、分岐したスパークを発生させることに適している。

無線周波数プラグを用いて作り出された分岐したスパークは、従来のプラグの直線的なスパークより、酸化剤と燃料の混合燃料に点火する機会が多い。何故なら、分岐したスパークは、従来のプラグによって作られた直線的スパークが伸びる領域より大きな容積を持つ領域に広がるからである。

米国特許公報ＵＳ６，０８５，７３３ 米国特許公開公報ＵＳ２００２／０１４４６７２ フランス特許公開公報ＦＲ２９１３２９７

本発明は、従って、特に、電極の先端から分岐したスパークを発生させる無線周波数スパークプラグを用いて、燃焼エンジンの燃焼室内の酸化剤と燃料の混合燃料に点火する方法に関し、前記プラグはエンジンの前記燃焼室内に突き出すように配置され、１ＭＨｚ以上の周波数の第１交流電気信号を用いて前記プラグに電力を供給する第１ステップを有する。

フランス特許公開公報ＦＲ２９１３２９７は、各一連のパルスが、例えば、５から１０μsといった極めて短時間のパルスを有する一連の多数パルスの形の制御信号によって、点火期間、共振回路が制御される無線周波数スパークプラグを用いた点火方法を提案している。この制御は多数点火を実現させるためにある。

本発明の理解を助けるために下記に記載の「プラグへの電力の供給」という語句は、１ＭＨｚ以上の周波数の交流電気信号を用いて、先端を装備したプラグの電極に電力供給することであり、この場合、前記語句は、以下の本文では、第１および第２交流電気信号と呼ぶ交流電気信号によって尖った電極に電力を供給することを意味する。

１ＭＨｚ以上の周波数の交流電気信号を用いて少なくとも１つのプラグに電力を供給することによって行なわれるこのタイプの点火方法は、無線周波数点火方法として既知である。

本発明によって追求される１つの目的は、プラグの電力供給に関わらず、点火された混合燃料の容積を改善し、かつ、混合燃料の点火の失敗を減少させることである。

この目的のために、さらに、上記に定義された前文において付与された包括的定義にあわせて、本発明の点火方法は、１ＭＨｚ以上の周波数を持つ第２交流電気信号を用いて前記プラグへ電力を供給する第２ステップを有することに基本的な特徴を有し、この第２ステップは第１ステップに後続し、第１ステップからある間隔時間が空けられる。

プラグによって作られたスパークは、１ＭＨｚ以上の周波数の電気信号によってプラグに電力が与えられる時、混合燃料中で分岐した形状を持ち、通常複数の分岐を有する。
該スパークは複数の部分を有し、該複数部分の直径はスパークの原点（即ちスパークが開始する場所）からその終点（スパークの広がりが終了する場所）に向かって離れるに従って、減少する。スパークの温度は、スパークに沿って変化し、スパークの前記複数部分の直径の減少によって低下することが確認されている。

混合燃料の点火が、混合燃料の最高温度の場所、即ち、最大の直径を持つスパークの部分で開始する。２つのスパークが連続して開始し、混合燃料の点火前に、第２スパークが第１スパークとほぼ同じ場所で、分岐は少ない状態で起こることも確認されている。それ故、混合燃料は第１ステップによって作られたスパークの周辺で余熱され、第２のステップによって、分岐の少ないスパークが作られ、その後、第１ステップによって得られた温度を超えて温度が上昇し、該温度上昇は燃焼が開始するまで起こる。第２ステップによって引き起こされた燃焼が開始する混合燃料の容積は、従って、第１ステップのみで点火された混合燃料の容積より大きい。

それ故、それぞれ少なくとも２つの無線周波数スパークを発生する１ＭＨｚ以上のそれぞれの周波数を持つ少なくとも２つの別個の信号によって、燃焼室内にある混合燃料の点火が開始される。

本発明によって、点火が電気信号１つのみによって開始されると仮定した場合より、点火された混合燃料の容積はより大きい。本発明は、従って、不発点火の回数や燃焼しない混合燃料の容積を減少させ、一方、燃焼室内の炎の伝播速度を上昇させることができる。

前記第１と第２のステップの間の間隔時間は、第１ステップの持続期間の１０倍以下、そして好ましくは、第１ステップの持続期間の５倍以下にすることが可能である。

この特徴は、第１スパークによって予熱された混合燃料の冷却の危険性を最少にするように、プラグへの電力の供給をする２つの信号間の間隔時間を制限し、このことが、点火された混合燃料の容積の大きさを改善する条件である。

また、第１と第２ステップの間の間隔時間を第１ステップの持続時間より長くすることも可能である。

前記２つのステップ／スパークの間の間隔を最少にする条件によって、第１スパークに比較して第２スパークの分岐の数を減少させることがでることが確認されている。それ故、スパークの分岐を長くし、第１スパークと比較して、第２スパークの分岐の平均直径を増大させることができる。この平均直径は、与えられたスパークの分岐の長さ全体に亘って計算されている。

第１と第２ステップの間の間隔時間が第１ステップの持続時間の１から５倍の間であるように設定することも可能である。

そうした第１と第２ステップの間隔時間によって、点火された混合燃料の最大容積が得られ、このことは、多かれ少なかれ豊富な種々の酸化剤／混合燃料に当てはまることが確認されている。

前記第１と第２信号は、好ましくは１ＭＨｚ以上の周波数をそれぞれ持つように設定することも可能である。

そうした周波数のレベルとすると、プラグに電力を供給する全持続時間に渡って、スパークを容易に維持することができ、第１電力供給ステップによって混合燃料を最適に加熱でき、その後、プラグへの電力供給の第２ステップによって相当量の混合燃料を点火することを可能にする。その後、プラグへの電力供給の第２ステップによって発生したフィラメント状のスパークから火炎前面は、プラグが突設している燃焼室の壁面の方向に伝播する。

前記第１および第２電気信号は、信号の電圧振幅Ｕ、交流電気信号の周波数Ｆ、信号の合計持続時間Ｄといった特定のパラメータを持ち、前記第１および第２信号の少なくとも１つのパラメータのうち少なくとも１つは、前記第１と第２ステップの前のステップにおいて、燃焼を決定するパラメータによって決定され、これら燃焼を決めるパラメータが測定するおよび／または推定され、燃焼室内部の少なくとも１つの圧力Ｐ、燃焼室内の温度を代表する１つの温度Ｔ、燃料と酸化剤の混合燃料の豊富さ、および混合燃料中の燃焼されたガスの割合からなるように設定することも可能である。

燃焼エンジンの操作特性による第１および第２信号のうち少なくとも１つのパラメータ（圧力、温度、燃料の豊富さ）を決定することは、点火条件を最適化できる燃焼室内での制御条件によって、第１ステップおよび／または第２ステップの際、作られるスパークの性質を適正化できる。

さらに、第１ステップの持続時間を１５０から２５０μsの間とし、第２ステップの持続時間を１５０から２５０μsの間とし、第１と第２ステップの間隔時間を２５０から７５０μsの間とするように設定することも可能である。

第１と第２電力供給ステップの持続時間を１５０から２５０μsの間とし、これらステップ間の間隔時間を２５０から７５０μsの間として、１ＭＨｚ以上の周波数でプラグに電力を供給するための信号の組み合わせは、驚くべきことに、第２電力供給ステップの際、発生する分岐したスパークの平均的長さを増長させ、それ故、点火欠陥の数を著しく減少させる。

本発明の理解のために、第１信号は第１ステップ全体を通して、そして該第１ステップの期間においてのみ発信される。同様に、第２信号は第２ステップ全体を通して、そして該第２ステップの期間においてのみ発信される。

第１および第２ステップの持続時間および第１と第２ステップの間の間隔時間の持続時間で、燃焼室内に火炎前面の中核を形成する時間は、約２０００μsであり、この時間は極めて迅速であり、そして、このことは、点火の成功の割合を増加させることが確認されている。

本発明は、燃焼エンジンのため酸化剤と燃料との混合燃料に点火するシステムにも関連している。このシステムは、一つの定電流源と該定電流源に接続された少なくとも１つのスパークプラグとを有し、該定電流源は１ＭＨｚ以上の周波数を持つ第１交流電気信号および１ＭＨｚ以上の周波数を持つ第２交流電気信号を発生させるのに適している。本発明のシステムは、該定電流源が、第１と第２交流電気信号をある間隔時間で時間を空けることに適しており、本発明による方法への応用に適していることを特徴としている。

定電流源によって発生した第１と第２信号は、電力が供給されたプラグを経由して、互いに所定の間隔時間で間隔をあけたスパークを発生せる。従って、本発明のシステムは、本発明の方法に関連して記載した事項と同じ利点を示す。

本発明は、また、一つの燃焼室と上述の点火システムを有する燃焼エンジンに関する。

本発明のその他の特徴および利点は、添付した図面を参照した説明および本発明を限定しない以下に示す記述から明示される。

図１は、本発明によるシステムのプラグの先端図を示し、この先端は、本発明による方法に適用可能である。領域「ａ」と「ｂ」はそれぞれ、本発明の方法を持たない点火領域（領域「ａ」）と、本発明の方法を持つ点火領域（領域「ｂ」、領域「ｂ」は領域「ａ」より大きい）である。

図２は、プラグへの電力供給の時間グラフであり、横座標には時間を、縦座標には、プラグへの供給信号の強度を示し、プラグへの電力供給のための前記第１と第２信号とこれら信号の間隔時間が図２に示され、図２は、本発明の方法に適用するために必要な信号の位相を示している。

図３は、図２に示した信号のうちの１つの信号の詳細を示し、この信号は、第１と第２信号のいずれでも良い。何故なら、この特定の実施形態においては、これらの信号は同一だからである。

図４ａは、プラグが、１ＭＨｚ以上、この場合は５ＭＨｚであるが、の高周波数の第１供給信号を受信した時、放出されるスパークを示す。

図４ｂは、プラグが、１ＭＨｚ以上、この場合は５ＭＨｚであるが、の高周波数の第２供給信号を受信した時、放出されるスパークを示す。図４ｂのこのスパークは、図４ａのスパークより分岐が少なく、スパークの分岐の振幅および幅が、図４ａに示すスパークよりも大きい。

図５ａは、先行技術の場合（図４ａ）の単独の無線周波数ＲＦスパークによって開始された点火領域を示す。

図５ｂは、互いに時間的に間隔を空けた２つの連続した無線周波数のＲＦスパーク（図４ｂ）を発生させる本発明による方法によって開始された点火領域を示し、図５ｂの点火領域は図５ａの点火領域よりもはるかに広大であることが確認される。

上述の通り、本発明は、プラグと、適用すべき本発明による方法を実行する点火システム１０とこのシステムを含むエンジンを活用して、燃焼室内の酸化剤と燃料との混合燃料を点火する方法に関する。

図１は、１ＭＨｚ以上またはそれに等しい周波数をもつ第１と第２交流電気信号４、５を少なくとも１５０μsの持続時間供給するに適した定電流源Ｇに接続されたスパークプラグ３を示し、これら第１と第２信号は、互いに２００から６００μsの間の時間６で間隔が空けられている。これらの信号の位相は、第１ステップ４の持続時間中放出されるプラグ３への第１供給信号４の後に、信号なしの時間６が続き、該位相自身の後に第２ステップ５の持続時間中放出される第２信号５が続くのが見られる図２に示される。

図１で確認されるように、
−曲線Ａは、プラグ３が、第１信号４のみによって電力を供給された時のスパークの温度を表し、
−曲線Ｂは、プラグ３が、第１信号４の後に所定の信号の間隔時間６を空けて第２信号５によって電力が供給された時のスパークの温度を表す。燃焼エンジンの動作特性によってシステムを調整する時、作られるスパークの性質を点火条件の最適化を可能にする燃焼室での制御条件に適合させるために信号の間隔時間を調整しなければならない。

第１信号と第２信号の間の間隔時間６は、第１信号の持続時間（即ち、第１ステップの持続時間）よりも、少なくとも１倍以上の持続時間が選択され、この場合、間隔時間６の持続時間は１５００μs、あるいは第１信号４の持続時間（即ち、１５０μs）より３．３倍長い。

図１の水平の点線は、点火に必要な最小温度閾値を示す。従って、混合燃料が燃焼するために、この混合燃料は、スパークによって点火最小温度閾値以上の温度に加熱されなければならない。

従って、プラグが第１信号を経由して電力が供給された場合、可能点火領域は最大長さ「ａ」を持つが、この長さは、第１信号の後に、第２信号でプラグが電力を供給された時、可能点火領域を画成する長さ「ｂ」よりかなり短い。

従って、第２信号の持続時間の点火領域は、第１信号の持続時間の点火領域より遙かに大きく、これによって、燃焼室中の火炎の伝播速度を加速させ、不完全燃焼物及び点火欠陥を減少させることができる。

この潜在的な点火領域の増大は、
−第２ステップ５のスパーク９（第１ステップ４の時に発生した図４ａのスパークの後の５００μsの後に開始した図４ｂに見られる）は、第１ステップ４のスパーク７より長く、分岐が少ないという事実と、
−第２ステップ５（図４ｂ）のスパーク９が、第１ステップ４（図４ａ）のスパーク７の分岐の平均直径より大きい分岐の平均直径を持つという事実と、
−第２ステップ５のスパーク領域の温度Ｔは、第１ステップ４のスパーク領域の温度Ｔより高いという事実から得られた結果である。

従って、前記図５ａおよび図５ｂより確認されるように、混合燃料の点火領域８（「８」は点火された混合燃料の容量を表す）は、燃焼室２において、連続的な高周波のプラグへ二つの電力供給信号で、互いに所定の最小限の間隔時間（図５ｂ）を空ける本発明による方法を用いると、単独の信号（図５ａ）から得られる結果の点火領域よりもより広範囲に広がる。

最後に、図３に示すように、所定の信号（第１または第２ステップ４、５の期間放出される第１または第２信号）は、プラグ先端（周波数Ｆを持つ）の交流電圧Ｕを持ち、この電圧の振幅は、プラグへの電力供給ステップの最初から、それが最大電圧に達するまで増大する。この第１電圧Ｕの振幅の増加部分Ｘは、スパークフィラメントの形成部に相当する。その後、最大電圧Ｕに達した後、ある所定の閾値に安定するまで、電圧Ｕは減少するし、この信号の第２部分Ｙは、スパークのフィラメントの温度における上昇期間に相当する。該信号は、プラグ３への電力供給ステップの期間に相当する期間Ｄの間中放出される。

本発明による方法を改良するために、第１および／または第２信号のそれぞれの信号のパラメータＵ、ＦおよびＤは、圧力Ｐおよび／または燃焼室２の温度Ｔおよび／または点火された混合燃料８の豊富さといったエンジンの動作パラメータによって予め決定される。

Claims (9)

1. 電極の先端から分岐したスパークを発生させる無線周波数スパークプラグ（３）を用いて燃焼エンジンの燃焼室内（２）で酸化剤と燃料の混合燃料（１）に点火する方法であって、前記プラグはエンジンの燃焼室内（２）に突設するように配置され、該方法は、１ＭＨｚ以上の周波数の第１交流電気信号（４）を用いて、前記プラグへの電力を供給する第１ステップを有し、１ＭＨｚ（５）以上の周波数の第２交流電気信号を用いて、前期プラグへの電力を供給する第２ステップを有し、該第２ステップは第１ステップに続いて、第１ステップに対してある間隔時間（６）で間隔を空けることを特徴とする点火方法。
2. 前記第１ステップと第２ステップの間の間隔時間（６）は、第１ステップの持続時間の１０倍以下で、好ましくは、第１ステップの持続時間の５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１ステップと第２ステップの間の間隔時間（６）は、第１ステップの持続時間より大きいことを特徴とする請求項１から２のいずれか１つに記載の方法。
4. 第１ステップと第２ステップの間の間隔時間（６）は、第１ステップの持続時間の１から５倍の間であることを特徴とする請求項２及び３に記載の方法。
5. 前記第１および第２信号（４、５）は、それぞれ、好ましくは１ＭＨｚ以上の周波数を持つことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
6. 前記第１および第２の各電気信号（４、５）は、信号の電圧振幅（Ｕ）、交流電気信号の周波数（Ｆ）および信号の合計持続時間（Ｄ）といった特定のパラメータを持ち、前記第１および第２信号（４、５）の少なくとも一方の信号の少なくとも１つのパラメータは、燃焼を決めるパラメータによって前記第１および第２ステップの前のステップで決められ、燃焼を決める該パラメータは測定および／または推定され、該パラメータは、燃焼室内の圧力（Ｐ）、燃焼室内部の温度を代表する１つの温度（Ｔ）、酸化剤および燃料の混合燃料の豊富さ、および混合燃料中にある燃焼したガスの比率を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
7. 第１ステップの持続時間は１５０から２５０μsの間であり、また、第２ステップの持続時間は１５０から２５０μsの間であり、第１と第２のステップの間の前記間隔時間は、２５０から７５０μsの間であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
8. 燃焼エンジン用に酸化剤と燃料の混合燃料に点火するシステム（１０）であって、
   定電流源（Ｇ）と、前記定電流源（Ｇ）に接続されたスパークプラグ（３）とを有し、該定電流源（Ｇ）は、１ＭＨｚ以上の周波数の第１交流電気信号（４）および１ＭＨｚ以上の周波数の第２交流電気信号（５）を発生するに適合し、
   前記定電流源（Ｇ）は、前記第１および第２交流電気信号（４、５）をある間隔時間で時間的に間隔を空けることに適合し、請求項１から７のいずれか１つに記載の方法に適用するのに好適であることを特徴とする点火システム。
9. 燃焼室と請求項８に記載の点火システム（１０）を有する燃焼エンジン。

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