JP5413186B2 - 高周波プラズマ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う高周波プラズマ点火装置に関する。

自動車エンジン等の内燃機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減やさらなる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給気化等が図られている。
一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。
特に、燃料噴霧と空気との混合気の混合比が理論空燃比に近い可燃層を点火プラグの近傍のみに配置して、混合気のさらなる希薄化を図ろうとする、いわゆるスプレーガイド式エンジンにおいて、従来の点火プラグの比較的小さな火花放電では可燃層が必ずしもプラグの放電位置に配置できるとは限らず着火が困難となったり、比較的大きな接地電極が火炎核の近くに存在するので、消炎効果が大きく、燃焼速度が遅くなったりする虞がある。

このような難着火性機関においても優れた着火性が期待できる点火装置として、特許文献１には、シリンダの内壁に備えた同軸回路構造の空胴共振器に接続したマイクロ波アンテナから高周波放電を発生させることにより高電圧火花放電による点火を行うエンジン点火装置が開示されている。

また、非特許文献１には、着火性に優れた直噴エンジンの新規な点火装置として、内側導体と外側導体とを同軸に配設したマイクロ波共振管を用い、中心導体の根本部に高周波を供給して、内側導体の先端と外側導体の先端との間に高電界を形成し、マイクロ波共振管の開放端に略球状のプラズマ火炎を発生させて点火を行うマイクロ波共振管を用いた点火装置が開示されている。

ところが、特許文献１にあるような従来の点火装置では、長軸状のマイクロ波アンテナが燃焼室内に突き出すように設けられているだけであるので、圧縮によって絶縁耐圧が高くなった混合気中にマイクロ波アンテナからの放電によって確実に点火を行うためには、燃焼室内の混合気の絶縁を破壊し、気中放電を起こすのに十分な電力をマイクロ波アンテナに伝送すべくマイクロ波の電力を大きくする必要があり、装置の大型化、製造コストの増大を招く虞がある。
また、マイクロ波アンテナが燃焼室内に長く突き出ているので、ピストンの可動範囲に制約を受け、高圧縮化ができなくなる虞もある。
一方、非特許文献１にあるようなマイクロ波共振管を用いた点火装置では、筒内圧力が１ＭＰａ以上となる場合には、マイクロ波共振管の先端側開放端にプラズマを発生可能となるマイクロ波電源の出力として６００ｗ程度のものが必要となり、マイクロ波電源の大型化を招く虞がある。

さらに、図１３に示すように、被特許文献１にあるような従来のマイクロ波共振管を用いた点火装置では、入力するマイクロ波の僅かな周波数変動によっても、共振管内の定在波の共振状態が崩れ、急激にエネルギ効率が低下し、内側導体の先端にプラズマを発生することができなくなる虞があることが判明した。特に、極めて高い精度の点火制御が要求される内燃機関においては、周波数変動の少ないマイクロ波電源が必要である。
一方、従来、電子レンジ等に代表されるマイクロ波加熱装置にマイクロ波電源として広く用いられているマグネトロンは、高出力であるが、周波数変動が大きく、例えば２．４５ＧＨｚに対して±０．０５ＧＨｚの変動幅がある。
僅かな周波数の変動によってもプラズマの発生が困難となるマイクロ波共振管を用いた点火装置のマイクロ波電源としてマグネトロンは試験的には利用できても実用上は不向きであると考えられる。
例えば、半導体マイクロ波電源では、２．４５ＧＨｚに対して±０．００００２ＧＨｚの変動幅に制御可能であり、マイクロ波共振管を用いた内燃機関お点火には、このような半導体マイクロ波電源を用いるのが望ましいことが判明した。
しかし、被特許文献１にあるような従来のマイクロ波共振管の先端側開放端にプラズマを発生させるためには、６００ｗというような高い出力が必要であり、このような場合には、半導体マイクロ波電源の高出力化、マイクロ波の増幅や、マイクロ波の供給を制御する開閉手段として用いられる半導体スイッチング素子の大容量化が必要となり、実現は容易ではない。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、限られた容量の電源から供給されるエネルギを有効に活用し、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮できる高周波プラズマ点火装置の提供を目的とするものである。

第１の発明では、内燃機関に設けられ、内側導体と、該内側導体と同軸に配設した有底筒状の外側導体と、該外側導体の底部に結合された上記内側導体の基端部に高周波電気エネルギを供給する高周波発振電源とを具備し、上記内側導体に上記高周波電気エネルギを供給したときに、上記外側導体を共振管として、上記内側導体と上記外側導体との間に高周波電界からなる定在波を発生させ、上記共振管の先端側開放端の周囲に存在する気体に高い電界エネルギを与えてプラズマ化し、上記内燃機関の燃焼室内に導入された空気と燃料との混合気の点火を行う点火装置において、
上記内側導体の先端部と上記外側導体の先端部とのいずれか一方の一部に、又は、両方の一部に、両導体間の距離を部分的に短くする導体突部を設けると共に、高電圧を印加する高電圧電源と、該高電圧電源からの高電圧の印加により、上記導体突部の近傍で、上記内側導体と上記外側導体とのいずれかとの間で、アーク放電を行う放電電極とを具備する（請求項１）。

第１の発明によれば、上記導体突部を設けた位置において、上記内側導体と上記外側導体との距離が局所的に短くなり、上記高周波発振電源から高周波を上記内側導体の基端部に供給したときに、上記導体突部における局所的な電界集中が起き、より低い出力の高周波電気エネルギで上記共振管の先端の周囲の気体をプラズマ化することができる。
このとき、高周波電気エネルギの局所的な集中と、高電圧の印加による放電エネルギとが上記導体突部の近傍に重畳的に加えられるため、より高エネルギのプラズマを発生させて、より希薄化の進んだ内燃機関の点火を可能としたり、より少ないエネルギの投入でプラズマを発生させて、高周波発振電源のさらなる小型化を可能としたりできる。
また、より高い圧力のときでも小さな高周波電気エネルギの投入によりプラズマを発生させることができる。
このため、上記内燃機関の点火に必要な上記高周波電源の要求出力が低減され、限られた容量の電源から供給されるエネルギを有効に活用し、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮できる高周波プラズマ点火装置が実現できる。

より具体的には、第２の発明のように、上記高周波の導入される上記内側導体基端部と上記導体突部形成位置までの軸方向の距離を、上記高周波の波長の４分の１又はその奇数倍に設定する。

第２の発明によれば、上記外側導体を共振管として、高周波の定在波が形成されたとき、上記導体突部を形成した位置が該定在波の腹となり電界強度の振幅が最大となり、さらに低いエネルギで上記導体突部の周辺の気体をプラズマ化できる。

さらに、第３の発明のように、上記導体突部を設けた位置における上記外側導体と上記内側導体との最短距離を０．５ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下に設定する（請求項３）。

本発明者の鋭意試験により、第３の発明の範囲に設定すると、上記内燃機関の燃焼室内の圧力が１ＭＰａ以上の条件で、かつ、上記高周波発振電源の出力を３００ｗ以下とした場合であっても、プラズマ化をすることが可能となり、上記燃焼室内の混合気に点火できることが判明した。
本発明の範囲を外れ、突部導体間距離が０．５ｍｍより短いと、短絡傾向となり、共振しなくなり、プラズマ化による混合気への点火ができなくなり、１．２ｍｍを超えると、プラズマを発生するための要求電力が車両搭載限界である３００ｗを超え、車両等の電源容量の限られた内燃機関への搭載が困難となることが判明した。

第４の発明のように、上記導体突部の幅及び高さ若しくは直径は、０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下に設定する（請求項４）。

第４の発明の範囲に設定すれば、電界の局所的な集中が起こり、より低いエネルギでプラズマを形成できるが、本発明の範囲を外れると、上記導体突部を設けた効果が得られなくなる。

さらに、第５の発明のように、上記導体突部を先端に向かって細くなる先細り状に形成しても良い（請求項５）。

第５の発明によれば、上記導体突部における電界集中がさらに進み、より低いエネルギで、その周辺の気体をプラズマ化することが可能となり、さらに着火性のよい高周波プラズマ点火装置ができる。

第６の発明では、上記導体突部を上記内側導体と上記外側導体とのいずれか又は両方に複数設ける（請求項６）。

第６の発明によれば、上記導体突部周辺の気体がプラズマ化されたときに上記導体突部が徐々に摩耗するが、上記導体突部が複数設けられているので、一つの導体突部が消耗しても他の導体突部によって、電界集中領域が維持されるので、確実に上記燃焼室内の混合気に点火でき、より信頼性の高い高周波プラズマ点火装置が実現できる。

第７の発明では、上記高周波発振電源は、高周波を発振する高周波発振回路と、該高周波発振回路から発振した高周波を増幅する高周波予備増幅回路と、少なくとも高周波半導体を含み、上記高周波予備増幅回路によって増幅された高周波をさらに増幅して上記内側導体に供給する高周波出力増幅回路とによって構成する（請求項７）。

第７の発明によれば、周波数安定性の高い高周波半導体を用いることにより、自動車エンジン等の電源容量に制限があっても、高周波プラズマによって安定した点火を行う高周波プラズマ点火装置が実現できる。
また、上記高周波発振電源を複数の回路に分割することにより、搭載性の自由度が増し、ノイズの発生を小さくするよう一部の回路を上記共振管と一体化したり、複数の気筒からなる内燃機関の点火装置として用いる場合に、上記高周波発振回路を複数の気筒に対して兼用する構成としたりできる。
搭載性のみならず、電源のさらなる小型化を図ることも可能となり、上記高周波半導体の容量をさらに小さくし、点火装置としての信頼性を向上できる。

第８の発明では、上記高周波は、１０ｍｍから１０００ｍｍの波長と３００ＭＨｚから３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波である（請求項８）。

第８の発明によれば、マイクロ波の波長は１０ｍｍから１０００ｍｍ程度の範囲にあるので、上記高周波の導入される上記内側導体基端部と上記導体突部形成位置までの軸方向の距離は２．５ｍｍから７５ｍｍ程度の大きさとなり、搭載性に優れ、上記導体突部を設けて局所的な電界集中を起こして、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮できる高周波プラズマ点火装置の実現が容易となる。

第９の発明では、上記高周波は、２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域とする（請求項９）。

第９の発明によれば、上記高周波発振回路として、通信用等に広く普及している周波数特性の安定したマイクロ波発振回路を利用することが可能となり、上記導体突部を設けて局所的な電界集中を起こして、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮できる高周波プラズマ点火装置の実現が容易となる。

より具体的には、第１０の発明のように、上記高周波発振電源は、上記高周波半導体として、Ｓｉ半導体、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体、ダイヤモンド半導体のいずれかからなるＳワイドバンドギャップ半導体を含む（請求項１０）。

第１０の発明によれば、上記高周波発振電源の周波数変動が小さくなる上に、従来のＧａＡｓ半導体を用いた高周波用トランジスタでは、プラスとマイナスの電源が必要となり、トランジスタの駆動電源が煩雑となるのに比べ、Ｓｉ半導体トランジスタを用いれば、プラス電源のみによって駆動できるので回路構成を単純化でき、さらに、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体、ダイヤモンド半導体を使えば、電力損失がＳｉ半導体を用いたトランジスタに比べて低くなることから、発熱が少なくなり、さらなる小型化が可能となる。
したがって、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮できる高周波プラズマ点火装置の搭載空間の限られた車両等のエンジンへの搭載が可能となる。

本発明の第１の実施形態における点火装置の概要を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は要部下面図。 本発明の第１の実施形態における点火装置の効果を比較例と共に示し、（ａ）は、実施例１として示す突部導体間距離ｄを０．５ｍｍに設定した場合の電界解析図、（ｂ）は、実施例２として示す突部導体間距離ｄを１．０ｍｍに設定した場合の電界解析図、（ｃ）は、比較例１として示す突部を有さない場合の電界解析図。 比較例２として示す導体突部を、電界強度の低い部分に設けた場合の電界解析図。 本発明の第１の実施形態における点火装置の突部導体間距離に対する電界強度の変化を比較例と共に示す特性図。 本発明の第１の実施形態における点火装置の突部導体間距離に対する要求電力の変化を比較例と共に示す特性図。 本発明の効果を比較例と共に示し、（ａ）は実施例１として示す模式図、（ｂ）は、実施例２として示す模式図、（ｃ）は、比較例１として示す模式図。 本発明の第１の実施形態における点火装置の突部導体間距離に対する要求電力の変化を示す特性図。 （ａ）〜（ｃ）に本発明の第１の実施形態における点火装置の変形例を示し、枝番１は、要部断面図、枝番２は、要部下面図。 （ａ）〜（ｃ）に本発明の第１の実施形態における点火装置の他の変形例を示し、枝番１は、要部断面図、枝番２は、要部下面図。 本発明に第２の実施形態における点火装置の概要を示す構成図。 本発明に第３の実施形態における点火装置の概要を示す構成図。 本発明に第４の実施形態における点火装置の概要を示す構成図。 高周波の発振周波数に対するエネルギ効率の変化を示す特性図。

本発明の第１の実施形態における高周波プラズマ点火装置１は、自動車エンジン等の点火に用いられ、空燃比を高くした希薄燃焼機関や、過給器によって空燃比及び圧縮比を高くした高過給気混合燃焼機関等の難着火性機関においても良好な着火性を示す。
高周波プラズマ点火装置１は、内燃機関４０に設けられ、内側導体１００と、内側導体１００と同軸に配設した有底筒状の外側導体１１０と、外側導体１１０の底部１１１に結合された内側導体１００の基端部１０１に高周波電気エネルギＲＦを供給する高周波発振電源２とを具備し、内側導体１００に高周波電気エネルギＲＦを供給したときに、外側導体１１０を共振管１１として、内側導体１００と外側導体１１０との間に高周波電界からなる定在波を発生させ、共振管１１の先端側開放端１１２の周囲に存在する気体に高い電界エネルギを与えてプラズマ化し、内燃機関４０の燃焼室４００内に導入された空気と燃料との混合気の点火を行うに際して内側導体１００の先端部１０２と外側導体１１０の先端部１１２とのいずれか一方の一部に、又は、両方の一部に、両導体間の距離ｄを部分的に短くする導体突部１２を設けてある。

高周波発振電源２から高周波ＲＦを内側導体１００の基端部１０１に供給したときに、導体突部１２における局所的な電界集中が起き、より低い出力の高周波電気エネルギで共振管１１の先端部１１１における周囲の気体をプラズマ化することができる。
このため、内燃機関４０の点火に必要な高周波電源２の要求出力が低減され、限られた容量の電源から供給されるエネルギを有効に活用し、難着火性の内燃機関においても良好な着火性を発揮できるのである。

図１を参照して、本発明の第１に実施形態における高周波プラズマ点火装置１の概要を説明する。本実施形態において高周波プラズマ点火装置１は、高周波電源２と、内燃機関の運転状況に応じて高周波電源２を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）３と、本発明の要部である高周波プラズマ点火プラグ１０（以下、高周波プラグ１０と略す）とによって構成されている。
高周波電源２は、車両に搭載したバッテリ等の図略の電源に接続され、ＥＣＵ３からの点火信号ＩＧｔに従って、所定の周波数の高周波ＲＦ（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を発振する高周波発振回路２０と、高周波発振回路２０から発振された高周波ＲＦを増幅する高周波予備増幅回路（プリアンプ）２１と、プリアンプ２１によって増幅された高周波ＲＦを高周波出力増幅回路（パワーアンプ）２２によってさらに増幅して高周波プラグ１０に供給する。

パワーアンプ２２には、周波数安定性に優れた高周波パワー半導体素子２２０が用いられている。
本発明において、高周波としてマイクロ波帯を使用する場合のパワーアンプ２２に高周波パワー半導体素子２２０として使われる高周波帯用トランジスタとして、従来のＧａＡｓ半導体を用いた高周波帯用トランジスタでは、プラスとマイナスの電源が必要となり、トランジスタの駆動電源が煩雑となる。
近年、プラス電源のみで動作するＳｉ系半導体（ＭＯＳＦＥＴ）が作られている。
また、いわゆるワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスでは、高出力、高速、高周波、低損失、オン抵抗の低減が期待されており、ＳｉＣ系半導体や、ＧａＮ系半導体（ＭＥＳＦＥＴ、ＨＦＥＴ、ＭＯＤＦＥＴ、ＨＥＭＴ）や、ダイヤモンド系半導体（ＭＩＳＦＥＴ）も作られはじめた。
そこで、本発明の高周波帯用トランジスタとして、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体、ダイヤモンド半導体のいずれかを使えば、電力損失がＳｉ半導体を用いたトランジスタに比べ遥かに低くできることから、発熱が少なくなり、信頼性の向上と、さらなる小型化が可能となり、車両等の搭載空間の限られたエンジン上への搭載も可能となる。

高周波電源２から発振された高周波ＲＦは、同軸ケーブル２３を介して高周波プラグ１０に入力される。
高周波プラグ１０は、内側導体１００と、共振管１１として内側導体１００の外側に同軸に設けた有底筒状の外側導体１０１と、内側導体１００の先端部１０２と外側導体先端部１１２との距離ｄを部分的に短くする導体突部１２によって構成されている。
本実施形態においては、導体突部１２は、外側電極１１０の先端部１１２の端面に設けられ、内側電極先端部１０１に向かって突出するように、幅Ｈ、厚さｔで、略角柱状に形成されている。
導体突部１２の幅Ｈ、厚さｔはそれぞれ０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲で設けられ、内側導体先端部１０１と導体突部１２との最短距離ｄは、０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の範囲に形成されている。

内側導体１００は例えば、直径φ１．５ｍｍ（Ｄ）、長さ３２ｍｍに形成され、外側導体１１０は内径φ５．４ｍｍ、高周波が入力される内側導体基端部１０１から外側導体先端部１１２までの軸方向の長さＬは、高周波発振電源２から入力される高周波ＲＦの波長λに対して４分の１又はその奇数倍となるように形成され、本実施形態においては、３１ｍｍとなっている。
内側導体１００の先端部１０２は外側導体１１０の開口端１１２から１ｍｍ（Δｌ）程度先端側に露出している。
なお、本実施形態においては、高周波ＲＦとして２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する高周波発振電源２が用いられているが、利用可能な高周波は、１０ｍｍから１０００ｍｍの波長と３００ＭＨｚから３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波であり、２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域とするのが望ましい。

外側導体１１０は、一端が開口し他端が閉塞する有底筒状に形成されており、 内側導体１００の基端部１０１は、外側導体１１０の底部１１１と結合され、高周波電源２から、同軸ケーブル２３を介して、高周波ＲＦが入力されている。
同軸ケーブル２３は、公知のものが使用され、略柱状の内部導体と、その周囲を覆う絶縁体と、さらにその周囲を覆う外部導体と、さらにその周囲を覆う保護被覆とによって構成されている。一般に、内部導体には、銅線が使用され、絶縁体にはポリエチレン等の可撓性材料が用いられ、外部導体は、編組線と呼ばれる細い銅線を編んだものが用いられている。また外部導体は、金属箔を用いたものでも良い。外部導体はグランドに接続され０電位となっている。
高周波電源２から、内側導体１００に高周波ＲＦが入力されると、外側導体１１０を共振管１１として、高周波ＲＦの定在波が形成され、導体突部１２の形成位置が該定在波の腹となるので電界強度の振幅が最大となり、さらに低いエネルギで導体突部１２の周辺の気体をプラズマ化できる。

図２〜図７を参照して本発明の効果を確認するためにいった結果について説明する。
本発明の実施例１として示す導体突部１２と内側導体１００との最短距離ｄを０．５ｍｍに設定した高周波プラグ１０の場合、図２（ａ）に示すように、導体突部１２の先端と内側導体先端部１０２の端縁との間の最大電界強度は、０．９ｋＶ／ｍｍとなった。
本発明の実施例２として示す導体突部１２ａと内側導体１００ａとの最短距離ｄを１．０ｍｍに設定した高周波プラグ１０ａの場合、図２（ｂ）に示すように、導体突部１２ａの先端と内側導体先端部１０２ａの端縁との間の最大電界強度は、０．５８ｋＶ／ｍｍとなった。
一方、比較例１として示す導体突部を設けていない従来の高周波プラグ１０ｚの場合、図２（ｃ）に示すように、外側導体先端部１１２ｚと内側導体先端部１０２ｚとの間の最大電界強度は、０．２７ｋＶ／ｍｍであった。
また、図３に比較例２として示す導体筒部１２ｘを電界強度の低い外側導体１１０ｘの底部１１１ｘに近い位置に設けた高周波プラグ１０ｘの場合、内側導体１００ｘと外側導体１１０ｘとの間に形成される電界に影響はなく、最大電界強度は比較例１と同様０．２７ｋＶ／ｍｍであった。
このことから、本発明の高周波点火プラグ１０を用いれば、従来に比べて最大電界強度を約３．３倍に高めることができることが判明した。

図４を参照して、本発明の第１の実施形態における高周波プラズマ点火装置１の突部導体間距離ｄに対する電界強度の変化について説明する。
図４は、比較例１として示した導体突部１２を有していない従来の高周波プラグ１０ｚを用いた場合、内側導体１００ｚと外側導体１１０ｚとの距離は２ｍｍに設定されており、このときの電界強度の最大値（０．２７ｋＶ／ｍｍ）を１として、突部導体間距離ｄを変化させた場合の相対的な電界強度の最大値の変化を示し、実線は、導体突部１２の幅ｗを１．０ｍｍに設定した場合、一点鎖線は、導体突部１２の幅ｗを２．０ｍｍに設定した場合を示す。
導体突部１２を設けた導体間の最短距離ｄを徐々に短くしていくと電界強度が徐々に上昇し、導体突部の幅ｗを１．０ｍｍとしたときには、突部導体間距離ｄが０．５ｍｍで相対電界強度が比較例１の約３．３倍で最大となり、より短くなるように０．５ｍｍより短くなるように近づけると、内側導体１００と外側導体１１０とが短絡傾向となり、共振しなくなることから、電界が消滅し、導体突部の幅ｗを２．０ｍｍとしたときには、より短くなるように０．７ｍｍで相対電界強度が比較例１の約２．２倍で最大となり、突部導体間距離ｄが０．７ｍｍより短くなるように近づけると、内側導体１００と外側導体１１０とが短絡傾向となり、共振しなくなることから、電界が消滅した。
なお、導体突部１２の幅、あるいは、径を大きくすると電界集中が緩和することから、中心導体１１の外径と同等か、それより小さい寸法にすることが好ましい。

図５、図６を参照して、本発明の第１の実施形態における点火装置の突部導体間距離ｄ（ｍｍ）と筒内圧力Ｐ_ＣＹＬ（ＭＰａ）に対する要求電力Ｐ（ｗ）の変化について説明する。
燃焼室４００を模した圧力容器内の圧力Ｐ_ＣＹＬを大気圧（０．１ＭＰａ）から、内燃機関の点火時における圧力である１ＭＰａまで上昇させ、高周波電気エネルギを入力したときに共振管１１の先端付近にプラズマ火炎核ＰＫＦが発生するときの要求電力の変化を示す。
実線で示す実施例１は、突部導体間距離ｄを０．５ｍｍに設定した場合であり、二点鎖線で示す実施例２は、突部導体間距離ｄを１．０ｍｍに設定した場合であり、一点鎖線で示す比較例は、導体突部１２を設けていない従来の高周波プラグ１０ｚを用いた場合である。
本図に示すように、実施例１では、点火時期の筒内圧力Ｐ_ＣＹＬを１ＭＰａに設定した場合でも、１８０ｗの出力でプラズマ火炎核ＰＦＫを発生させることが可能となり、実施例２では、車載搭載限界以下の２５０ｗから３００ｗの出力でプラズマ火炎核ＰＦＫａを発生させることが可能となった。
一方、比較例では、筒内圧Ｐ_ＣＹＬを０．５ＭＰａ以上にすると、車載限界の３００ｗを超え、点火時の１ＭＰａでは、６００ｗ程度の高周波エネルギを入力しなければプラズマ火炎核ＰＦＬｚを形成することができず、高周波発振電源として、高出力のマグネトロンを使用する必要があり、高周波半導体を用いた高周波電源では、出力不足でプラズマ火炎核を発生させることが困難であった。
本比較試験におけるプラズマ火炎核ＰＦＫの形成の様子を図６に模式図で示す。図６（ａ）は、実施例１におけるプラズマ火炎核ＰＦＫの発生状態を示し、図６（ｂ）は、実施例２におけるプラズマ火炎核ＰＦＫａの発生状態を示し、図６（ｃ）は、比較例におけるプラズマ火炎核ＰＦＫｚの発生状態を示す。

図７を参照して、筒内圧力を１ＭＰａに設定したときの本発明の第１の実施形態における高周波プラズマ点火装置１の突部導体間距離ｄに対する要求電力Ｐ（ｗ）の変化について説明する。
本図に示すように、突部導体間距離ｄを０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の範囲に設定すれば、筒内圧力Ｐ_ＣＹＬが１ＭＰａに上昇したときでも、車載が可能な、１８０ｗから３００ｗの要求電力の範囲でプラズマ火炎核ＰＦＫを発生させることができることが判明した。
突部導体間距離ｄを０．５ｍｍより小さくしていくと、エネルギ効率が急激に低下する共振しない状態が発生しはじめる。
突部導体間距離ｄを１．２ｍｍより大きくしていくと、要求電力Ｐ（ｗ）が車両搭載限界である３００ｗを超える。
そこで、突部導体間距離ｄは、０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下が、小さな電力でもプラズマを発生できる限界の距離となる。

図８（ａ）〜（ｃ）に本発明の第１の実施形態における点火装置の変形例を示し、枝番１は、要部断面図、枝番２は、要部下面図である。
図８（ａ）に示すように、導体突部１２ａを外側導体先端部１１２に設け、内側導体先端部１０２の対向する位置に導体突部１３ａを設けても良い。
本実施例においては、導体突部１２ａは、外側導体先端部１１２の一部を先端側に向かって略角柱状に引き延ばすように形成してあり、導体突部１３ａは、内側導体先端部１０２の側面に略棒状に形成した突部材をレーザ溶接等により貼り付けてある。

図８（ｂ）に示すように、導体突部１２ｂを別部材で形成し、内側導体先端部１０２に向かって、外側導体１１２ｂの内周よりも内側に張り出すように形成し、導体突部１３ｂを内側導体先端部１０２の側面に突出するように形成しても良い。

さらに、図８（ｃ）に示すように、導体突部１２ｃ、１３ｃを複数箇所に設けても良い。この場合において、内側導体先端部１０２と外側導体先端部１１２のいずれか一方に複数の導体突部を設けても良いし、両方に対をなすようにして複数の導体突部１２ｃ、１３ｃを設けても良い。
導体突部１２ｃ、１３ｃ周辺の気体がプラズマ化されたときに導体突部１２ｃ、１３ｃが徐々に摩耗するが、本実施形態のような構成とすれば、導体突部１２ｃ、１３ｃが複数設けられているので、導体突部１２ｃ、１３ｃの消耗によって突部導体間距離ｄが変化しても、複数の突部導体間距離ｄの内、最短となる位置において電界集中がおこり、一つの導体突部が消耗しても他の導体突部によって、常に電界集中領域が維持されるので、確実に上記燃焼室内の混合気に点火でき、より信頼性の高い高周波プラズマ点火装置が実現できる。

図９（ａ）〜（ｃ）に本発明の第１の実施形態における点火装置の他の変形例を示し、枝番１は、要部断面図、枝番２は、要部下面図である。
図９（ａ）に示す実施例では、棒針状に形成した導体突部１２ｄを外側導体先端部１１２に貼り付け、その先端を内側導体先端部１０２の端縁に向かう方向に望ませてある。また、本実施例の導体突部１２ｄを先端に向かって細くなる先細り状に形成しても良い。導体突部１２ｄ近傍における電界強度のさらなる強化が期待できる。
また、棒針状の先部の面積は小さいことから、内側導体１１との間で形成される電磁界結合が小さくなり、共振状態を維持しやすくできるので、さらに、プラズマの発生熱を逃げにくくでき、エネルギ効率の向上につながる。
図９（ｂ）に示す実施例では、導体突部１２ｅ、１３ｅを外側導体先端部１１２と内側導体先端部１０２との両方に設けてある。
図９（ｃ）に示す実施例では、導体部１２ｆの内周側を軸方向基端側に向かって延設するように肉厚に形成してある。このような形状とすることによって、導体と粒１２ｆの消耗を抑制し、耐久性を増し、信頼性を向上することもできる。

図１０を参照して、本発明に第２の実施形態における高周波プラズマ点火装置１ｇについて説明する。
本実施形態においては上記実施形態と同様の構成を基本とし、これに加えて高電圧を印加する高電圧電源２４と、高電圧電源２４からの高電圧の印加により、導体突部１２の近傍で、内側導体先端部１０２と外側導体先端部１１２とのいずれかとの間で、アーク放電を行う放電電極１４とを具備する。
放電電極１４は、絶縁体１３によって保持された長軸状の導体の先端側を導体突部１２の近傍に向かって屈曲するように放電電極先端部１４０が形成され、さらに、放電位置には耐久性の高い耐熱材料を用いた放電チップ１４１が設けられている。
本実施形態では、ＥＣＵ３ｇからの点火信号ＩＧｔに従って、高周波電源２０、２１、２２からは、内側導体基端部１０１に高周波の電気エネルギが入力され、高電圧電源２４からは、放電電極１４に高電圧が印加される。
高周波電気エネルギの局所的な集中と、高電圧の印加による放電エネルギとが導体突部１２の近傍の気体に重畳的に加えられるため、より高エネルギのプラズマを発生させて、より希薄化の進んだ内燃機関４０の点火を可能としたり、より少ないエネルギの投入でプラズマを発生させて、高周波発振電源２０、２１、２２のさらなる小型化を可能としたりできる。

図１１を参照して、本発明の第３の実施形態における点火装置１ｈの概要を説明する。本実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成を基本とし、高周波発振電源２のうち、高周波出力増幅回路２２を高周波プラグ１０と一体に設けて、内燃機関４０のシリンダヘッド４１に装着し、高周波発振電源２の内、プリアンプ２１と高周波発振回路２０とを外部に設けた構成としている。このような構成とすることにより、高周波プラグ１０が小型化でき、搭載性の自由度が増す。
また、高周波の発振に伴う外部へのノイズの放出を防止すべく、高周波発振回路２０とプリアンプ２１とがケーシング２ｈ１に収納され、パワーアンプ２２は、電磁シールドとして機能するケーシング２ｈ２内に収納されている。
ＥＣＵ３は、燃料噴射信号ＩＮＪと点火信号ＩＧｔを発信し、燃料噴射弁５からの燃料噴射と高周波プラグ１０からの高周波プラズマの発生を制御している。
また、本実施形態において、成層燃焼を行うべく、燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧と燃焼室４００内の空気との混合比が可燃性となる層が近づくように導体突部１２の位置を設定するのが望ましい。

図１２を参照して、本発明に第４の実施形態における点火装置の概要を説明する。
本実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成を基本とし、一つの高周波発振回路２０ｉから発振される高周波を複数の気筒からなる内燃機関の各気筒に装着された高周波プラグ１０に分配するようにプリアンプ２１ｉとパワーアンプ２２ｉとを一体的にケーシング２ｉ内に設けてある。
このような構成とすることにより、高周波発振電源のさらなる小型化を図ることも可能となり、高周波半導体２２０の容量をさらに小さくし、点火装置としての信頼性を向上できる。

ここで、図１３を参照して高周波の発振周波数に対するエネルギ効率の変化について説明する。
図１３に示すように、高周波プラグ１０を用いた場合、入力される高周波の発信周波数にバラツキが生じると、共振管内での共振状態が保てず、共振管内に定在波が形成されなくなるので、エネルギ効率の急激な低下を招く。
従来の高周波プラズマを利用した点火装置や、電子レンジ等に広く用いられているマグネトロンを用いた高周波発振電源では、２．４５ＧＨｚの場合、周波数の変動が、±０．０５ＧＨｚ程度あり、本発明の高周波プラズマ点火装置の高周波発振電源として用いた場合著しいエネルギ効率の低下を招く虞がある。
一方、高周波半導体を用いた高周波電源の場合、発振出力は小さいものの、２．５４ＧＨｚに対して、±０．００００２ＧＨｚと周波数変動が極めて小さい。したがって、本発明の高周波プラズマ点火装置に用いた場合、導体突部によって、電界集中を起こし、プラズマ発生の要求出力が低減されているので、出力の小さい点に対して増幅回路を用いて補うことが可能となり、高周波半導体を用いた周波数変動の少ない高周波発振電源を用いて、点火を行うことが可能となるのである。
本発明の導体突部１２を設けた構造の高周波共振プラズマ点火プラグ１０を用いる場合には、半導体を用いた周波数変動の少ない高周波発振電源２と組み合わせることが必要となる。

１ 高周波プラズマ点火装置
１０ 高周波共振プラズマ点火プラグ
１００ 内側導体
１０１ 内側導体基端部
１０２ 内側導体先端部
１１ 共振管
１１０ 外側導体
１１１ 外側導体底部
１１２ 外側導体先端部
１２ 導体突部
２ 高周波発振電源
２０ 高周波発振回路
２１ 高周波予備増幅回路（プリアンプ）
２２ 高周波出力増幅回路（パワーアンプ）
２２０ 高周波半導体
３ 電子制御装置（ＥＣＵ）
Ｌ 高周波入力部導体突部間距離（１／４λ）
ｄ 導体間距離
ＲＦ 高周波
Ｄ 外側導体内径
４０ 内燃機関
４００ 燃焼室

特開昭５７−１８６０６７号公報

「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｐａｒｋ−Ｐｌｕｇ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｗｉｔｈ ＧａｓｏｌｉｎｅＤｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＧＤＩ）」、 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ． ３３巻、１６９６頁−１７０２頁、 Ｎｏ．５、２００５年１０月

Claims (10)

1. 内燃機関に設けられ、内側導体と、該内側導体と同軸に配設した有底筒状の外側導体と、該外側導体の底部に結合された上記内側導体の基端部に高周波電気エネルギを供給する高周波発振電源とを具備し、上記内側導体に上記高周波電気エネルギを供給したときに、上記外側導体を共振管として、上記内側導体と上記外側導体との間に高周波電界からなる定在波を発生させ、上記共振管の先端側開放端の周囲に存在する気体に高い電界エネルギを与えてプラズマ化し、上記内燃機関の燃焼室内に導入された空気と燃料との混合気の点火を行う点火装置において、
   上記内側導体の先端部と上記外側導体の先端部とのいずれか一方の一部に、又は、両方の一部に、両導体間の距離を部分的に短くする導体突部を設けると共に、
   高電圧を印加する高電圧電源と、該高電圧電源からの高電圧の印加により、上記導体突部の近傍で、上記内側導体と上記外側導体とのいずれかとの間で、アーク放電を行う放電電極とを具備することを特徴とする高周波プラズマ点火装置。
2. 上記高周波の導入される上記内側導体基端部と上記導体突部を形成した位置までの軸方向の距離を、上記高周波の波長の４分の１又はその奇数倍に設定した請求項１に記載の高周波プラズマ点火装置。
3. 上記導体突部を設けた位置における上記外側導体と上記内側導体との最短距離を０．５ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下に設定した請求項１又は２に記載の高周波プラズマ点火装置。
4. 上記導体突部の幅及び高さ若しくは直径は、０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下に設定した請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高周波プラズマ点火装置。
5. 上記導体突部を先端に向かって細くなる先細り状に形成した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波プラズマ点火装置。
6. 上記導体突部を上記内側導体と上記外側導体とのいずれか又は両方に複数設けた請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高周波プラズマ点火装置。
7. 上記高周波発振電源は、高周波を発振する高周波発振回路と、該高周波発振回路から発振した高周波を増幅する高周波予備増幅回路と、少なくとも高周波半導体を含み、上記高周波予備増幅回路によって増幅された高周波をさらに増幅して上記内側導体に供給する高周波出力増幅回路とによって構成した請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高周波プラズマ点火装置。
8. 上記高周波は、１０ｍｍから１０００ｍｍの波長と３００ＭＨｚから３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の高周波プラズマ点火装置。
9. 上記マイクロ波は、２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域とすることを特徴とする請求項８に記載の高周波プラズマ点火装置。
10. 上記高周波発振電源は、上記高周波半導体として、Ｓｉ系半導体、ＳｉＣ系半導体、ＧａＮ系半導体、ダイヤモンド系半導体のいずれかからなるワイドバンドギャップ半導体を含む請求項７ないし９のいずれか１項に記載の高周波プラズマ点火装置。