JP2019511670A - 燃焼室内の空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内で空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置に関し、第１電極と第２電極とを有するスパークプラグを有し、高電圧源の出力に電気的高電圧パルスを生成する高電圧源を有し、高周波電圧源の出力に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源を有し、高電圧源の出力は、高電圧パルスが第１電極に存在するように、第１導電路を介してスパークプラグの第１電極に電気的に接続され、高周波電圧源の出力は、高周波交流電圧が第２電極に存在するように、第２導電路を介して第２電極に電気的に接続される。

Description

本発明は、第１電極と第２電極とを有するスパークプラグを有し、高電圧源の出力に電気的な高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルスを生成する高電圧源を有し、高周波電圧源の出力に電気的な高周波交流電圧を生成する高周波電圧源又は高周波交流電圧源を有し、高電圧源の出力は、高電圧パルスが第１電極に存在するように第１導電路を介してスパークプラグの第１電極に電気的に接続されるという請求項１のプリアンブルにおける、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内の空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置に関する。

直接燃料噴射を有する、いわゆるオットー燃焼プロセスは、燃焼室内の層化給気を実現できるので、消費量を低減できる大きな可能性を提供する。しかしながら、燃焼室内の不均一な混合気は、適切な時間に確実な点火を達成するという点で、使用される点火方法に高い要件を課す。例えば、いかなる種類の変動も点火品質を低下させ、したがってエンジンの総効率を低下させる。一方で、可燃性混合気の位置が僅かに変化することがあり、他方で、スパークプラグの接地電極のフックが混合気の形成を妨害する可能性がある。直接噴射燃焼プロセスには、燃焼室内により大きい空間的広がりを有する点火システムが役立つ。この目的のため、特許文献１は、内燃機関の燃焼室内の燃料／空気の混合物にプラズマによって点火することを提案している。これに対応する高周波プラズマ点火装置は、インダクタンスとキャパシタンスを有する直列共振回路と、直列共振回路を共振励起させる高周波源とを含む。キャパシタンスは、誘電体が挟まれた内側と外側の導体電極によって提供される。これらの電極の最外端は、規定距離で離間されて燃焼室内に延在する。

特許文献２から、スパークプラズマが高電圧パルスによって生成され、更にＨＦ場によりさらに加熱され、グロー放電に変化する点火方法が知られている。それにより、高電圧パルスとＨＦ発生器の出力信号とが、一緒に、スパークプラグのスパーク電極に送られる。スパークプラグのリターン電極は接地される。

最近、ガソリンエンジン用の最新点火システムは、スパークプラグと、電子制御ユニットとを有する単一のイグニッションコイルとを含む。スパークプラグは、同軸構造を有し、実質的に、絶縁体によって取り囲まれた中央電極と、スパークプラグハウジングに接続された外側電極とから構成される。イグニッションコイルは、高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルスをスパークプラグに供給する。燃焼を引き起こすスパークが電極間に生成される。イグニッションコイルから印加される高電圧に加えて、高周波電圧がスパークプラグに印加される代替方法が、特許文献３に記載されている。これにより、スパークプラズマは、ＨＦプラズマに変化する。

上述された従来の点火概念では、スパークプラズマは、２つの電極、即ち活性「駆動」電極（高電圧電極とも呼ばれる）と不活性電極（接地電極とも呼ばれる）の間で燃焼し、不活性電極の電位は、エンジンブロックのアース（０Ｖ）並びに自動車の車体全体に接続される。また、接地電極は、複合電極の形態で設計することもできる。このような点火システムは、プラズマの点火後に、イグニッションコイルに蓄積されたエネルギーが、数十ナノ秒の時間スケールでしかプラズマ内に結合されないので、制御性が不十分という、基本原理から生じる欠点を有する。電子密度がすぐに増大し、それに関連してプラズマの導電性が高まる結果、電流が急激に増大する。これに続くプラズマ内の全てのプロセスは、単純にエネルギーの入力の結果であり、外部の影響を受けられなくなくなる。詳細には、プラズマのさらなる加熱が行われなくなる。その結果、燃焼を促進する自由電子の著しい生成と、したがって、例えば原子酸素などの反応種の著しい生成が起こらなくなる。他方、燃焼は、きわめて長い時間スケールで起こるが、これは以前に生成された原子酸素の密度に依存する。

独国特許出願公開第１０ ２００４ ０５８ ９２５号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００８ ０５１ １８５号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１３ ２１５ ６６３号明細書

本発明は、スパークプラグの電極間のプラズマのパラメータに影響を及ぼす可能性の点から、上述したタイプの点火装置を改善する問題に基づく。

本発明によれば、この問題は、請求項１の特徴を有する、上述したタイプの点火装置によって解決される。本発明の有利な変形例は、更に他の請求項で述べられる。

この目的のため、本発明による上述したタイプの点火装置では、高周波電圧源の出力は、高周波交流電圧が第２電極に存在するように第２導電路を介して第２電極に電気的に接続される。

これは、２つの活性電極が設けられているので、高電圧パルスによるスパークプラグの２つの電極間のプラズマの点火に引き続いて、高周波交流電圧によって更に多くのエネルギーがきわめて低い電圧レベルで、プラズマに結合することができるという利点を有する。

高電圧源がイグニッションコイルの形態で設計されているので、特にシンプルで機能的に信頼できる点火装置が達成される。

保護回路がスパークプラグの第２電極と高周波電圧源の出力との間の第２導電路に電気的にループ接続され、高電圧源から高周波電圧源の出力への高電圧パルスのブレークダウンをブロックするので、高周波電圧源の過電圧からの保護が達成される。

周波数選択フィルタ、特に帯域フィルタの形態の分離要素は、スパークプラグの第２電極と高周波電圧源の出力との間の第２導電路に電気的にループ接続されるので、高周波電圧源からスパークプラグの第２電極への、例えば単に１つの所望の周波数帯の周波数選択伝送が達成される。

また、分離要素は、保護回路と高周波電圧源の出力との間の第２導電路にループ接続されるので、分離要素の過電圧からの保護が達成される。

本発明の好ましい更に他の改良では、分離要素は、保護回路と第２電極との間の第２導電路にループ接続される。これは、分離要素の帯域通過が、帯域通過範囲外のエネルギーを減衰させ、これにより、保護回路の実現を単純化するという利点を有する。

保護回路が、高電圧源の出力とＨＦの接地基準を表すスパークプラグの第１電極との間の第１導電路に電気的にループ接続されるので、高電圧源からスパークプラグへの高電圧の改善された伝送が達成される。

高電圧パルスのみが第１電極に存在し、高周波交流電圧のみが第２電極に存在することで、２つの活性電極の明確な分離が達成される。

本発明による点火装置の好ましい実施形態の概略図である。 本発明による点火装置の代替の好ましい実施形態の概略図である。

本発明は、以下に図面を参照して、より詳細に説明される。

図１に示す本発明における点火装置１０の好ましい実施形態は、スパークプラグ１２、高電圧源又は高ＤＣ電圧源１４、及び高周波電圧源１６を有する。スパークプラグ１２は、第１電極１８（高電圧電極）、第２電極２０（高周波電極）を有する。電極１８，２０は、燃料／空気の混合物が点火される燃焼室（図示せず）内、例えば内燃機関の作動シリンダ内に突出する。高電圧源１４は、イグニッションコイルの形態で設計され、高電圧源１４の出力２２に存在する高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルス（ＤＣ）を生成する。この場合、表現「高直流電圧パルス」は、数ｋＶ、例えば、３ｋＶから３０ｋＶ、又は８ｋＶから１２ｋＶの高電圧を有する直流電圧パルスを指す。高電圧源１４の出力２２は、高電圧源１４からの高電圧パルスがスパークプラグ１２の第１電極１８に供給されるように、第１導電路２４を介して第１電極１８に電気的に接続される。これにより、電気的高電圧パルスは、第１電極（１８）のみに存在する。

高周波電圧源１６は、高周波電圧源１６の出力２６に存在する高周波交流電圧を生成する。高周波電圧源１６の出力２６は、高周波電圧源１６からの高周波交流電圧がスパークプラグ１２の第２電極２０に供給されるように、第２導電路２８を介してスパークプラグ１２の第２電極２０に電気的に接続される。高周波電圧源１６は、電気的接地電位４０にも電気的に接続される。これにより、高周波交流電圧は、第２電極（２０）のみに存在する。

保護回路３０は、第２導電路２８に電気的にループ接続される。この保護回路３０は、一方で、高電圧源１４からの高電圧パルスが第２導電路２８を介して高周波電圧源１６の出力２６に流れることを防止し、他方で、高周波電圧源１６からの高周波交流電圧をスパークプラグ１２の第２電極２０の方向に通過するように構成される。このように、高周波電圧源１６は、過電圧から保護される。

分離要素３２は、また、保護回路３０と高周波電圧源１６の出力２６との間の第２導電路２８に電気的にループ接続される。この分離要素３２は、例えば、一定又は可変キャパシタンス３４及び一定又は可変インダクタンス３６を有するバンドパスフィルタなどの周波数フィルタの形態として設計される。このバンドパスフィルタは、所定の周波数帯が高周波電圧源１６から第２導電路２８を介して第２電極２０の方向に流れることだけを可能にする。分離要素３２によって、高周波交流電圧の結合周波数を連続的に調整でき、それにより、点火プラズマ内へのエネルギーの最適入力が達成される。

本発明による点火装置は、高周波プラズマ点火システムの形態で設計され、スパークプラグ１２内に、２つの活性電極、即ち第１電極１８としての高電圧電極と、第２電極２０としての高周波電極とを含む。従来の点火システムで使用されるような接地電極は存在しない。イグニッションコイル１４は、スパークプラグ１２の高電圧電極１８と高周波電極２０との間の降伏電圧に達すると、２つの電極１８，２０のまわりの空間内に初期プラズマを生成する高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルス（ＤＣ）を生成する（矢印４２）。このプラズマは、高周波電圧源１６からの高周波交流電圧の後供給によって更に多くのエネルギーが供給され（矢印４４）、その結果、ある一定時間維持され、それにより、プラズマは、高電圧源１４からの高電圧パルスだけの場合よりも長く存在する。

プラズマは、とりわけ、電子、イオン、励起粒子及び中性粒子を含む。自由電荷キャリア（電子とイオン）は、スパークプラグ１２の高電圧電極１８と高周波電極２０の間に導電性プラズマチャネルを形成する。プラズマによって作成された自由電荷キャリアは、高周波電極２０と高電圧電極１８の間の高周波プラズマ内に電流を送るために使用される。このようにして、高周波電圧源１６から高周波電極２０への高周波電圧の付加的印加によって、より多くの電力がより長い期間、プラズマ内に導入することができる。その結果、電子が連続的に生成され、プラズマ内の自由電子の密度がより長く維持され、これは、反応種（とりわけ原子酸素）の永久生成と関連付けられる。著しく増える原子酸素は、より有効な燃焼を保証し、特に、燃焼室内の希薄な燃料／空気の混合物の確実な点火、又は一定の燃料消費で高いエンジン性能を可能にする。高周波電圧源１６を高電圧源１４からの高電圧パルスから保護するために、高周波電極２０と高周波電圧源１６の間に保護回路３０が設けられる。この点火システムの大きな利点は、プラズマが２つの活性電極１８，２０の間で直接燃焼することである。初期点火が必ず電極間に自由電荷キャリアを生成するので、高電圧源１４からの高電圧パルスによる初期点火の後でプラズマ内にエネルギーを積極的に結合し続けるために、いずれの場合も、高周波電圧源の確実な引き継ぎが保証される。

保護回路３０は、例えば、電圧が所定の値、例えば約４５０Ｖを下回っている限り、絶縁効果を有するガス充填サージアレスタを含む。キャパシタンスがわずか約２ｐＦ程度の低容量のため、ガス充填サージアレスタは干渉しない。ガス充填サージアレスタの点火電圧を超えると、抵抗が、数マイクロ秒以下のきわめて低い値に低下し、例えば１００ｋＡ以内の電流ピークが消散される。

高電圧と高周波電位の分離は、分離要素３２の絶縁強度の点での要求を大幅に低減させる。同時に、このステップの結果として、イグニッションコイルの形態の高電圧源１４への負荷が著しく軽減され、高電圧の生成が大幅に単純化される。ガソリンエンジンの給気圧力が次第に高くなっている背景で、確実な点火を保証するのに十分に高い電圧パルスを生成する課題が次第に大きくなっている。更に、イグニッションコイルの容量性負荷をできるだけ低くする必要がなくなるので、分離素子の反応性構成要素の選択において自由度が向上する。以前のスイッチング概念と比較すると、分離要素のキャパシタンスを大きく、また、インダクタンスを低くできるので、分離要素の実現が単純化される。

図２では、図１と同じ機能を有する部分は同じ参照記号で示され、したがって、その説明に関しては図１の上の説明が参照される。図２による第２の実施形態では、図１による第１の実施形態と対照的に、保護回路３０は、分離要素３２と高周波電圧源１６の出力２６との間の第２導電路２８にループ接続される。

必要に応じて、保護回路３０及び／又は分離要素３２は、図１と図２に破線で示すように、接地電位４０との電気接続を有する。

必要に応じて、接地電位４０への電気接続を有する保護回路３１は、高電圧源１４の出力２２と第１電極１８との間の第１導電路２４に電気的にループ接続される。この保護回路３１は、図１と図２により破線で示される。保護回路は、ＨＦの接地基準を表すものであり、高電圧をブロックするものではない。

Claims (8)

1. 第１電極（１８）と第２電極（２０）を有するスパークプラグ（１２）を有し、
   高電圧源の出力（２２）に電気的高電圧パルスを生成する高電圧源（１４）を有し、
   高周波電圧源（１６）の出力（２６）に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源（１６）を有し、
   前記高電圧源（１４）の前記出力（２２）は、前記高電圧パルスが前記第１電極（１８）に存在するように、第１導電路（２４）を介して前記スパークプラグ（１２）の前記第１電極（１８）に電気的に接続される、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内で空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置（１０）であって、
   前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）は、前記高周波交流電圧が前記第２電極（２０）に存在するように、第２導電路（２８）を介して前記第２電極（２０）に電気的に接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
2. 請求項１に記載の点火装置（１０）において、
   前記高電圧源（１４）は、イグニッションコイルの形態で設計されることを特徴とする点火装置（１０）。
3. 請求項１又は請求項２に記載の点火装置（１０）において、
   前記スパークプラグ（１２）の前記第２電極（２０）と前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）に電気的にループ接続され、前記高電圧源（１４）から前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）への前記高電圧パルスのブレークダウン“breakdown”をブロックする保護回路（３０）を特徴とする点火装置（１０）。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の点火装置（１０）において、
   前記スパークプラグ（１２）の前記第２電極（２０）と前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）に電気的にループ接続される周波数選択性フィルタの形態、特に、バンドパスフィルタの形態の分離要素（３２）を特徴とする点火装置（１０）。
5. 請求項３又は請求項４に記載の点火装置（１０）において、
   前記分離要素（３２）は、前記保護回路（３０）と前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）にループ接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
6. 請求項３又は請求項４に記載の点火装置（１０）において、
   前記分離要素（３２）は、前記保護回路（３０）と前記第２電極（２０）との間の前記第２導電路（２８）にループ接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記高電圧源（１４）の前記出力（２２）とＨＦの接地基準を表わす前記スパークプラグ（１２）の前記第１電極（１８）との間の前記第１導電路（２４）に電気的にループ接続される保護回路（３１）を特徴とする点火装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の点火装置において、
   前記高電圧パルスのみが前記第１電極（１８）に存在し、前記高周波交流電圧のみが前記第２電極（２０）に存在することを特徴とする点火装置。
   

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