JP2017075591A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 点火装置において、マイクロ波を利用した点火プラグによる点火の安定性を向上させる。【解決手段】放電部と、空間へ電磁波を放射する放射部と、放射部に電磁波を伝送する伝送手段を備えた点火プラグと、放射部からの反射波を検出する検出部と、検出部が検出した反射波の大きさに応じて伝送手段へ供給する電磁波の大きさを制御する制御部を備え、制御部は、前記検出部が検出した反射波の大きさが所定値より大きい場合、前記空間におけるプラズマ密度が過大であると推定し、伝送手段へ供給する電磁波の電力を低下させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、火花放電のための高電圧パルス及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が給電される点火プラグ、及びこれを制御する制御装置を備えた点火装置に関する。

従来から、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波等の電磁波により拡大させる点火プラグが開発されている（例えば、本願出願人による特許文献１）。特許文献１の点火プラグでは、火花放電のための高電圧パルスとマイクロ波発振器からのマイクロ波のエネルギとが点火プラグに入力される。そして、火花放電のための高電圧パルスが中心電極の内部を通って点火プラグの放電電極に導かれ、接地電極との間で火花放電を生じさせる。一方、マイクロ波は中心電極の外表面を通って点火プラグの先端部に導かれることにより、この先端部からマイクロ波が放射される。この点火プラグによれば、まず火花放電により、プラズマを生成し、次にマイクロ波を一定期間放射することで、一定期間プラズマを持続させることができるので、従来よりも強力な点火（着火）が可能となり、燃焼効率を高めることができる。

特開２００９−０３６１９８号公報

しかし、特許文献１の点火プラグでは、火花放電によりプラズマを生成した後にマイクロ波を放射する場合、生成したプラズマの密度が高すぎると、マイクロ波がプラズマで反射し、その反射波が点火プラグを逆流してマイクロ波発振器に戻ったり、マイクロ波の進行波と干渉したりする等の理由で点火（着火）性が安定しない場合がある。そこで、マイクロ波が反射しないようなマイクロ波照射条件を予め把握しておき、その条件に従って、マイクロ波発振器から点火プラグに供給するマイクロ波の大きさや位相を設定しておくことが本来は好ましい。

しかしながら、燃焼室内で実際に生成されるプラズマのプラズマ密度の大きさは、燃焼室内の圧力、回転数、混合気の流動等によって変化する。従って、点火プラグに供給するマイクロ波の条件を予め設定した値に固定することは困難な場合がある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明の点火装置は、放電部と、空間へ電磁波を放射する放射部と、放射部に電磁波を伝送する伝送手段を備えた点火プラグと、放射部からの反射波を検出する検出部と、検出部が検出した反射波の大きさに応じて伝送手段へ供給する電磁波の大きさを制御する制御部を備え、制御部は、前記検出部が検出した反射波の大きさが所定値より大きい場合、前記空間におけるプラズマ密度が過大であると推定し、伝送手段へ供給する電磁波の電力を低下させることを特徴とする。

本発明によれば、マイクロ波を利用した点火プラグによる点火の安定性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る点火装置の概略ブロック図。 本発明の一実施形態に係る点火プラグの一部断面の正面図。 上記点火プラグの先端部を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１を参照して、本実施形態の点火装置は、制御装置１００、高電圧パルス生成器１５０、マイクロ波発生器２００、混合器３００、スパークプラグ４００を備える。スパークプラグ４００は、火花放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波で拡大／維持させるための点火プラグであり、その構成・構造は後述する。

高電圧パルス生成器１５０は、火花放電のための高電圧パルスを生成する点火コイル等からなり、この高電圧パルスは混合器３００に入力される。

マイクロ波生成器２００は、上記のマイクロ波を生成するためのものであり、生成したマイクロ波は混合器３００に入力される。マイクロ波生成器２００は、パルス生成器２１０、増幅器２２０、検出器２３０を有する。パルス生成器２１０は、制御装置１００からの指令に基づいて、２．５ＧＨｚ前後のマイクロ波を発振すると共に、指定されたＤｕｔｙ比やパルスパターンのマイクロ波を生成する。増幅器２２０は、制御装置１００からの指令に基づいて、パルス生成器２１０で生成したマイクロ波の振幅を適切な値に増幅する。検出器２３０には、混合器３００を経由したスパークプラグ４００からの反射波が入力される。検出器２３０は、その反射波の大きさを検出して制御装置１００に出力する。

尚、図１では図示を省略しているが、マイクロ波生成器２００の出力部にはサーキュレータ等により構成される方向性結合器が設けられており、基本的に、増幅器２２０からの出力（進行波）は混合器３００側のみに出力され、混合器３００からの出力（反射波）は検出器２３０側のみに出力される。

混合器３００は、高電圧パルス生成器１５０からの高電圧パルスと、マイクロ波生成器２００からのマイクロ波を混合してスパークプラグ４００に出力する。図２を参照して、混合器３００は、マイクロ波入力端子３１０、パルス入力端子３１５、混合出力端子３４０、棒状導電部材３２０、内側筒状導電部材３２１、外側筒状導電部材３３０等を有する。

マイクロ波入力端子３１０には、マイクロ波生成器２００からのマイクロ波が入力される。パルス入力端子３１５には、高電圧パルス生成器１５０からの高電圧パルスが入力される。混合出力端子３４０からは高電圧パルスとマイクロ波が点火プラグ４００に対して出力される。

棒状導電部材３２０は、一端がパルス入力端子３１５に電気的に接続され、他端が混合出力端子の内側導体３４０ａに電気的に接続される、

内側筒状導電部材３２１は、間隔を隔てて棒状導電部材３２０を囲い、棒状導電部材３２０と同軸に配置されて、マイクロ波入力端子３１０の内側導体３１０ａに電気的に接続される。

外側筒状導電部材３３０は、内側筒状導電部材３２１と間隔を隔てて内側筒状導電部材３２１等を収容し、内側筒状導電部材３２１等と同軸に配置される。また、外側筒状導電部材３３０は、マイクロ波入力端子３１０の外側導体３１０ｂと混合出力端子３４０の外側導体３４０ｂとにそれぞれ電気的に接続される。

マイクロ波入力端子３１０から供給されるマイクロ波は、内側筒状導電部材３２１と外側筒状導電部材３３０との空隙３２２を軸心と平行方向（長手方向）の共振器として構成する。また、内側筒状導電部材３２１と棒状導電部材３２０とを容量結合で接合することでマイクロ波は棒状導電部材３２０を介して点火プラグ４００に供給するようにしている。

次に図２、及び図３を参照して、スパークプラグ４００は、中心電極４５０、絶縁碍子４８０、主体金具４７０、接地電極４６０、放電部４９０を備える。中心電極４５０は円柱状の導体であって、その内部４５０ａで高電圧パルスを伝送する一方、その外表面４５０ｂでマイクロ波を伝送する。

絶縁碍子４８０は、筒状の絶縁体（例えばセラミックで形成される）であり、中心電極４５０が嵌め込まれる軸孔が形成されている。主体金具４７０は、この絶縁碍子４８０を囲むように形成された筒状の金属導体で形成される。主体金具４７０の外周部には、内燃機関のシリンダヘッドの点火プラグ取付孔に螺合する図示しない雌ネジ部が設けられている。放電部４９０は、中心電極４５０の先端に接合され、イリジウム、又はこれにタンタル等を混合したイリジウム合金等からなる電極部である。接地電極４６０は、その一端が主体金具４７０の先端に接合される一方、他端は放電部４９０に対向する。

上記の高電圧パルスが中心電極４５０から放電部４９０に伝送されると、放電部４９０と接地電極４６０との間に生じる電位差により火花放電が生じる。また、中心電極４５０の外表面４５０ｂを伝送したマイクロ波は、中心電極４５０の外周先端部４５０ｃから放射される。これらの結果、スパークプラグ４００の先端部においてプラズマを生成することが可能となる。

ここで、本来であれば、火花放電等により生成されたプラズマに対して、マイクロ波を照射することにより、プラズマが更に拡大／維持されることが好ましい。しかし、スパークプラグ４００の先端近傍の空間に生成されたプラズマのプラズマ密度が大きすぎる場合、その空間に対してマイクロ波を照射してもマイクロ波はプラズマに吸収されずに反射する。その結果、マイクロ波がスパークプラグ４００を逆流し、混合器３００を経てマイクロ波発振器２００に戻る、という不都合が生じる。逆に、上記空間に生成されたプラズマのプラズマ密度が小さすぎる場合、点火（着火）性能が低いものとなる。従って、上記空間に生成するプラズマのプラズマ密度は、その中間的な値、つまり、マイクロ波を反射せず、かつ点火性能を確保できる大きさにすることが好ましい。

そこで、本発明の点火装置の制御装置１００は、一例として以下の制御を行う。
（１）先ず、放電部４９０からの火花放電に同期するように、又はこれに少し後のタイミングで放射部４９０からマイクロ波を放射させる制御を行う。
（２）上記（１）においては、通常、確実な点火を行うためにマイクロ波の出力は高目に設定される一方、火花放電の直後は、上記空間のプラズマ密度は非常に高い。従って、上記空間に照射したマイクロ波はプラズマにより反射される。
（３）その結果、検出器２３０が反射波を検出すると、その大きさを数値化して制御装置１００へ出力する。
（４）これを受けて、制御装置１００は、増幅器２２０を制御し、ゲインを下げることでマイクロ波の振幅を下げる。又は、パルス生成器２１０を制御し、Ｄｕｔｙ比を下げることによってマイクロ波の電力を下げるようにしてもよい。
（５）上記（３）（４）の動作を反射波がゼロになるまで、又はあらかじめ設定した値になるまで、若しくは（３）の初回時に検出した反射波が例えば１０％程度の大きさになるまで、これらを繰り返す。

尚、上記（１）〜（５）は、以下のタイミングで実施することが想定される。
（ア）本点火装置を、新規のエンジンに搭載するとき。例えば、エンジンの出荷前の段階において、複数の回転速度、負荷の条件下で上記（１）〜（５）によるテストを実施し、それぞれの条件に対して適切なマイクロ波の大きさ、Ｄｕｔｙを決定しておく。
（イ）エンジン（自動車）の出荷後、実際の走行時に上記（１）〜（５）を適応的に行う。例えば、現在の回転速度が２０００ｒｐｍである場合に、運転手の指示（アクセルの更なる踏み込み）により２５００ｒｐｍとなる場合に、先ず予測に基づいてマイクロ波のパワー等を変化させ、仮に反射波が大きすぎる場合は、上記（１）〜（５）の動作（特に上記（４）（５））を行う。
（ウ）また、プラズマ密度は外気温（季節や、昼／夜等の時間帯）によっても変動すると考えられるので、自動車の運転開始直後に上記（１）〜（５）の動作を行う。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。

例えば電磁波の一例としてマイクロ波を例に説明したが、他の波長域の電磁波であってもよい。
また、本点火装置が適用される内燃機関は自動車用のレシプロガソリンエンジン、ロータリーガソリンエンジンが想定されるが、例えば天然ガスを燃料とするエンジン、又は軽油を燃料とするエンジンに適用してもよい。
又、本発明は点火装置に限らず、プラズマ装置として、電子レンジ等の電気機器に応用されるものであってもよい。 上記では、放射部に電磁波を伝送する伝送手段として、中心電極４５０の外表面４５０ｂを例に挙げたが、中心電極４５０とは別の専用の伝送線路を用いて電磁波を伝送するようにしてもよい。

１００ 制御装置
１５０ 高電圧パルス生成器
２００ マイクロ波生成器
２１０ パルス生成器
２２０ 増幅器
２３０ 検出器
３００ 混合器
４００ スパークプラグ
４５０ 中心電極
４６０ 接地電極
４７０ 主体金具

Claims (2)

1. 放電部、空間へ電磁波を放射する放射部、及び放射部に電磁波を伝送する伝送手段を備えた点火プラグと、
   放射部からの反射波を検出する検出部と、
   検出部が検出した反射波の大きさに応じて伝送手段へ供給する電磁波の大きさを制御する制御部とを備え、
   制御部は、前記検出部が検出した反射波の大きさが所定値より大きい場合、前記空間におけるプラズマ密度が過大であると推定し、伝送手段へ供給する電磁波の大きさを低下させることを特徴とする点火装置。
2. 空間へ電磁波を放射する放射部と、
   放射部からの反射波を検出する検出部と、
   検出部が検出した反射波の大きさに応じて伝送手段へ供給する電磁波の大きさを制御する制御部とを備え、
   制御部は、前記検出部が検出した反射波の大きさが所定値より大きい場合、前記空間におけるプラズマ密度が過大であると推定し、伝送手段へ供給する電磁波の大きさを低下させることを特徴とするプラズマ装置。