JP5423417B2

JP5423417B2 - 高周波プラズマ点火装置

Info

Publication number: JP5423417B2
Application number: JP2010009836A
Authority: JP
Inventors: 秀幸加藤; 融吉永
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP2011150830A

Description

本発明は、難着火性の燃焼機関に装着され該燃焼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にのみ配置して、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。

また、燃焼排気の清浄化や、低燃費化を図るべく、内燃機関の吸排気バルブの大型化が進む状況において、点火プラグのさらなる小径化、及び、点火装置全体に係り、特に、プラグホール周辺に搭載される部品の小型化が望まれている。

特許文献１には、内燃機関本体の気筒の内部に先端部が臨んだ点火プラグと、この点火プラグに高電圧を印加する高電圧発生電源と、マイクロ波を発生させるための増幅素子を有するマイクロ波発振装置と、前記点火プラグに設けられ前記マイクロ波発振装置から発生したマイクロ波を前記気筒内に放射し、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域を形成するマイクロ波アンテナとを備えた内燃機関用点火装置において、前記マイクロ波発振装置は、ソリッドステート化されていることを特徴とする内燃機関用点火装置が開示されている。

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レゾネータを用い、中心導体の根本部に高周波を供給して中心導体の先端を高電位とし内側導体の先端と接地電位にある外側導体の先端との間に高電界を形成し、内部導体の先端回りに略球状のプラズマ火炎を発生させて点火を行う点火装置が開示されている。

また、本発明者等は、先に、特願２００８−２６８３５１において、優れた着火性を示す点火装置として、図７に示すような、内燃機関に装着され該内燃機関の点火を行う点火装置であって、電源と、高周波発振回路と、高電圧回路と、上記高周波発振回路から発振した高周波を伝達・増幅する共振管と、該共振管との絶縁を保持しつつ上記高電圧回路からの高電圧を伝達する高電圧配送導体とを具備し、少なくとも上記共振管の開口端を上記内燃機関の燃焼室内に露出せしめると共に、上記高周波発振回路から上記共振管を介して上記内燃機関の燃焼室内に高周波を発振した後に、又は、これと同時に上記高電圧回路から上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間に高電圧を印加して上記共振管の一部と上記高電圧配送導体との間で放電を行うことを特徴とする点火装置を提案した。
なお、図７（ａ）は、特願２００８−２６８３５１の願書に添付した図９（ａ）を、本願発明の構成と類似する部分に対して、本願発明の実施例１の対応する符号にｚの添え字を付した符号に付け換えたものである。

ところが、特許文献１等の従来技術にあるように増幅素子を有するマイクロ波発生装置から発生したマイクロ波を気筒内に放射し、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域を形成するために、点火プラグとマイクロ波アンテナとを並列させてこれをハウジングで覆って単純に一体化したのでは、点火プラグの内側で中心電極と接地電極とマイクロ波アンテナとの絶縁を確保しなければならず点火プラグ全体の体格が大きくなってしまい、近年の点火プラグの小型化要求を満足できない虞がある。

一方、非特許文献１にあるような従来のマイクロ波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、燃焼室内の絶縁耐圧が上昇するので、プラズマを発生させることが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。

また、本発明者等が先に特願２００８−２６８３５１において提案した点火装置では、特許文献１にあるように単純に点火プラグとマイクロ波発振用アンテナとを並べるのではなく、高周波を発振する同軸共振管の内側導体１４ｚを接地電極として兼用し、高電圧を印加する中心電極１１ｚとの間で放電を起こすようにして、同軸共振管の電界強度の高い位置でプラズマを発生させることによって、プラズマ発生に必要なエネルギの低減を図っているが、高周波を発振する高周波発振部（内側導体１４ｚ、外側導体１５ｚ）と高電の印加により放電する放電部（中心電極１１ｚ）とを並列して配設していたため、図７（ｂ）に示すように取付けスペースの無駄が生じていた。
本発明者等の鋭意検討により、図７（ｃ）に示すように、固定部のネジ径をＭ１６まで小型化することは可能となった。
しかし、高周波発振部の外側導体１５ｚと中心電極１１ｚとの絶縁性を絶縁体１２ｚによって確保する必要性から、高周波発振部と放電用の放電部（中心電極１１ｚ）とを平行に並べる構造では、絶縁体外径φＤ_１２ｚと外側導体外径φＤ_１５ｚの径小化に限界があるので、不可避的に利用できない無駄な空間が形成され、高周波の発振と放電とによってプラズマを発生させて点火を行う点火装置のさらなる小型化が困難であることが判明した。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、近年の小型化要求に適合し、かつ、限られた電源からの供給エネルギを有効に利用し、難着火性の燃焼機関の点火を可能とす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、高周波の発振と放電とによって機関燃焼室内の気体を高温のプラズマ状態にして機関燃焼室内に導入された圧縮空気と燃料との混合気を点火する高周波プラズマ点火装置であって、高周波の入力により高周波を発振する高周波発振部と、高電圧の印加により放電する放電部と、を具備する点火プラグと、該点火プラグに高周波を入力する高周波電源と、上記点火プラグに高電圧を印加する高電圧電源と、を具備し、上記高電圧電源は、電源電圧を昇圧する昇圧回路と該昇圧回路の駆動を制御する駆動回路とからなり、上記高周波電源は、直流電流を高周波の交流電流に変換する高周波発振回路と、該高周波発振回路から発振された高周波を増幅する高周波増幅回路とからなり、上記昇圧回路を構成する点火コイルの中心に、上記高周波電源から発振された高周波を上記点火プラグに伝送する高周波伝送線と、その周囲を覆う略筒状に形成された外側導線と、を同軸に配設し、その外側に上記点火コイルを構成する略筒状に形成された中心コアと、その外側に巻回された一次コイルと、二次コイルと、を同軸に配設せしめ、これらを一体的に上記燃焼機関のプラグホール内に収納する（請求項１）。

第１の発明によれば、高周波電源から発振される高周波を伝送する高周波伝送線の一部と高電圧電源の一部とを同軸構造で上記燃焼機関に設けたプラグホール内に一体的に収納することにより、装置全体の体格を小さくし、高周波プラズマ点火装置の搭載性の向上を図るとことができる。また、上記一次コイルと上記二次コイルとを同軸に配設し、プラグホール内に収納することにより、電圧昇圧時のエネルギロスが小さくなり、コイル性能が向上し、さらなる小型化が可能となる。
なお、上記高周波電送線と外部円管との間の誘電体は、空気でも良く、この場合、電送効率が高くなる。また、外部円管も昇圧コイルの中心コアとして機能させ、磁気回路の一部とすることでコイル性能を向上させることもできる。

第２の発明では、第１の発明に加えて、上記点火プラグが、少なくとも、先端側が開口し、基端側が閉塞する略有底筒状に形成した外側導体と、該外側導体の底部に近い位置から高周波が入力される内側導体とを同軸に配設せしめた同軸共振構造体と、略長軸状に形成し、高電圧が印加される中心電極と、を具備し、上記内側導体を略筒状に形成すると共に、該内側導体の長さを高周波の波長の４分の１又はその奇数倍の長さに形成して、該内側導体の内側に、略筒状に形成した絶縁体を介して、略長軸状に形成した上記中心電極を同軸に配設せしめて、上記同軸共振構造体の先端と上記中心電極の先端とを上記機関燃焼室内に露出せしめる（請求項２）。

第２の発明によれば、上記点火プラグの体格を構造的に小さくできる効果に加え、エネルギロスの低減により、上記点火装置の全体の体格のさらなる小型化を図ることが可能となる。

第３の発明では、第１の発明又は第２の発明に加えて、上記燃焼室内に露出する上記中心電極の先端と上記内側導体の先端とのいずれか一方又は両方を径方向に突出せしめて上記中心電極の先端と上記内側導体の先端との距離を短くする（請求項３）。

第３の発明によれば、エネルギロスの低減効果に加えて、放電が開始されるための要求電圧が低くできるので、上記絶縁体の肉厚をさらに薄くして、高周波プラズマ点火装置のさらなる小型化が可能となる。また、要求電圧が低くなるため上記高電圧電源を小型化し装置全体の搭載性を向上できる。

第４の発明では、第１の発明ないし第３の発明のいずれかに加えて、上記内側導体の先端位置よりも上記中心電極の先端位置を基端側に引き込める（請求項４)。

第４の発明によれば、燃焼速度が高くなり、燃焼室内の混合気への着火性が向上するので、エネルギ効率が高く、装置のさらなる小型化が可能となる。

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に用いられる高周波プラズマ点火プラグの概要を示す断面図。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の概要を示す構成図。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の概要を示す回路図。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の効果を示す要部断面模式図。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の変形例を示す要部断面図。本発明の第２の実施形態における高周波プラズマ点火装置の概要を示す断面図。比較例として示す本発明者等が先に提案した高周波プラズマ点火装置の概要を示し、（ａ）は、断面図、（ｂ）は、下面図、（ｃ）は、比較例における小型化限界を示す下面図。

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、車両用エンジン、船舶用エンジン等の内燃機関の点火や、発電機、コジェネレーションシステム等の燃焼機関の点火に用いられ、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し、高周波の入力によって高周波発振部として設けた同軸共振構造体１６の内側導体１４をアンテナとして高周波を発振し、高電圧の印加によって放電部として設けた中心電極放電部１１４と内側導体先端部１４２との間で放電を行い、機関燃焼室内の気体を高温のプラズマ状態にして機関燃焼室内に導入された圧縮空気と燃料との混合気を点火する高周波プラズマ点火装置である。
本発明の高周波プラズマ点火装置１では、高周波の入力により、先端に強電界を形成して周囲の気体をプラズマ化する内側導体１３と外側導体１５とからなる同軸共振構造体１６を含む点火プラグ１０の内側導体１４を筒状に形成し、内側導体１４のさらに内側に絶縁体１２を介して高電圧を入力する中心電極１１が同軸に配設してある。
高周波の入力と高電圧の印加によってプラズマ発生に必要な高周波の要求出力の低減を図り、高電圧を印加する中心電極１１を、高周波を発振する同軸共振構造体１６の内側導体１４のさらに内側に置くことで小型化し、難着火性機関においても良好な着火を示す高周波プラズマ点火装置を実現可能としている。

本発明では、中心電極１１を内側導体１４の内部に設置することで空間を有効利用して
小型化を図っている。
この時、絶縁体１２の挿入によって中心電極１１と内側導体１４との絶縁性を向上させれば、体格を大きくすることなく、高周波の入力と高電圧の印加とによって燃焼室内の気体をプラズマ化して燃料室内の混合気の点火を行う高周波プラズマ点火装置１を実現することができる。
一方、本発明によらず、高周波を入力する同軸共振構造体と高電圧を印加する中心電極とを並列に並べた図７に比較例として示すような従来の高周波プラズマ点火装置１ｚの場合には、中心電極と同軸共振構造体の外側導体が並列に並ぶことより空間が有効に利用できず、小型化に限界がある。
なお、本実施形態において、内部導体１４、外部導体１５は、略円筒状に形成したものを示したが、本発明は、円筒状に限るものではなく、本発明の効果は、これらを楕円筒状や矩形筒状などの形状でも発揮される。
本発明の高周波プラズマ点火装置１では、特許文献１にあるような従来の点火装置のように、高周波を燃焼室内に放射するのではなく、同軸共振構造体１６の先端に強電界を集中させ、中心電極放電部１１４と内側導体先端部１４５との間に放電を行うことでより低いエネルギでプラズマの発生を可能とすると共に、装置の小型化を実現可能としている。

図１〜図３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の概要について説明する。なお、以下の説明において図の上側を基端側、下側、即ち、内燃機関の燃焼室側を先端側と称す。
点火プラグ１０は、略長軸状に形成された中心電極１１と、絶縁体１２と、内側導体１４と外側導体１５とからなる同軸共振構造体１６と、これらを一体的に内燃機関４０に装着固定するハウジング１３とによって構成され、中心電極１１の先端に設けた中心電極放電部１１４と内側電極先端部１４５とのいずれか、又は両方を径方向に向かって突出させ、中心電極放電部１１４と内側導体先端部１４５との放電距離を短くしている。

中心電極１１は、Ｎｉ、Ｃｕ、鉄鋼材料等の導電性金属材料を用いて略長軸状に形成されている。中心電極１１の基端側には、高電圧電源３０に接続される中心電極端子部１１０が形成されている。中心電極端子部１１０に接続して中心電極ステム１１１が形成され、中心電極接着層１１２を介して、中心電極ステム１１１よりも細径に形成した中心電極中軸１１３が接続され、さらに、中心電極中軸１１３の先端には外径方向に突出するように略平板状又は円錐台形状に形成された中心電極放電部１１４が接続されている。また、中心電極放電部１１４は、高耐熱性材料が用いられている。
さらに、中心電極接着層１１２はノイズを吸収するための抵抗層としても良い。中心電極放電部１１４は、点火プラグ１０を内燃機関に装着したときに燃焼室内にその表面が露出するようになっている。
なお、本実施形態においては、中心電極中軸部１１３の外径φｄ_１１３は、φ０．５ｍｍに形成されている。

絶縁体１２はアルミナ等の耐熱性絶縁材料を用いて中心電極１１の外周を覆うように略筒状に形成されている。
中心電極端子部１１０に高電圧が印加されたときに、ハウジング１３と中心電極端子部１１０との間でリークが起こらないようこの間の距離を離すべく絶縁体１２の基端側には絶縁体頭部１２０が形成されている。
なお、表面積を大きくするためにコルゲート状に形成すれば絶縁体頭部１２０の長さを短くすることができる。
絶縁体頭部１２０の先端側に連なって絶縁体１２をハウジング１３内に係止すると共に燃焼室内の圧力が作用してもハウジング１３から飛び出さないように絶縁体中腹が外径方向に拡径した絶縁体ハウジング係止部１２１が形成されている。
絶縁体ハウジング係止部１２１の先端側には中心電極中軸部１１３と内側導体１４との絶縁を図る絶縁体内側導体内絶縁部１２２が形成され、その先端の絶縁体先端表面部１２３が燃焼室内に露出する構造となっている。
このような構成とすることによって、絶縁体１２をハウジング１３内に固定できるだけでなく、機関に装着し、実際の点火を実施して燃焼爆発により燃焼室内の圧力が高くなっり絶縁体１２の先端に燃焼室内の高い圧力が作用しても、絶縁体１２がハウジング１３から抜け出すことなく、小型化を実現できるのである。
本実施形態において、絶縁体内側導体内絶縁部１２２の外径φｄ_１２２は、φ３．０ｍｍに形成されており、絶縁距離が１．２５ｍｍ確保されている。このため、中心電極１１と内側導体１４との間に１５ｋＶ程度の絶縁耐圧があり、安全率を考慮した十分な絶縁性が確保されている。なお、本発明において、絶縁体内側導体内絶縁部１２２の外径は、上記寸法に限定するものではなく、適用される機関に応じて適宜変更し得るものである。

ハウジング１３は、導電性金属材料を用いて絶縁体１２の外周を覆うように略筒状に形成されており、基端側は、シール部材、タルク等の絶縁性緩衝部材１３９等を介して絶縁体１２を機密に保持固定するためのハウジング絶縁体加締め部１３０が形成され、絶縁体１２の側面を保持するハウジング絶縁体保持部１３１が形成され、その先端側には絶縁体ハウジング係止部１２を係止するために縮径されたハウジング絶縁体係止部１３２が形成されている。
さらに、内側導体１４と外側導体１５とによって構成される同軸共振構造体１６の基底部を一体的に加締め固定するハウジング加締め部１３３が形成され、その先端側には、外側導体１５を保持するべく、縮径されたハウジング保持部１３５が形成され、外周の基端側には、点火プラグ１０を燃焼機関の壁面に螺結するためのハウジングナット部１３４が形成され先端側にはハウジング螺子部１３６が形成されている。ハウジング螺子部１３６は、Ｍ１４又はＭ１２の螺子径に形成されている。

内側導体１４は、例えばＣｕ等の導電性金属材料からなり、中心電極１１と同軸に配設され、絶縁体内側導体内絶縁部１２２の外周を覆い、先端側に向かって伸びるように略筒状の内側導体筒状部１４４が形成されている。先端部には高融点のＮｉ、Ｉｒなどの金属を使用しても良い。
内側導体１４の基端側は、外側導体１５の底部１５０に接続され、高周波ＲＦを入力するための伝導線１４０よりアンテナとしての機能を有する内部導体１４にマイクロ波を効率よく給電するために内側導体高周波入力部１４３にて直接結合されている。この結合位置はインピーダンスが整合する底部に近い位置である。例えば、本実施形態においては、底部より約１ｍｍの位置に結合されている。
また、片側がアースに落ちているコイルなどを底部に置いて間接的にマイクロ波を供給する方法も考えられるがマイクロ波の伝送効率が悪くなる上に、実際の成形上、２ｍｍほどの空間に精度よくコイルなどを配設することは極めて困難で、僅かな位置ずれによってマイクロ波が内側導体１４に伝送されなくなる虞がある。
さらに、給電線１４０は、外部導体１４と内部導体１５との間の空間にて曲げた場合には、コイルの効果が加わり、インピーダンスが整合しなくなることがある。
そこで、本実施形態のように、給電線１４０は、可能な限り途中で曲げることなく外部導体１５の側面の孔より内側導体１４に向かってまっすぐに配線し、内部導体１４の軸方向に対して、略直角な方向から繋げるのが望ましい。
これは、マイクロ波がプラグ１０の上部より配線されることを考慮すると、９０度に曲げる位置は、外部導体１５中又は、ハウジング１３中、若しくは、その外側で曲げることになる。
さらに、内側導体筒状部１４４の先端で内側導体先端部１４５が燃焼室内に露出する構造となっている。
なお、本実施形態では、内側導体１４の先端位置よりも中心電極１１の先端位置を基端側に引き込めるように、内側導体筒状部１４４は、中心電極中軸部１１３の長さよりも僅かに長く（約０．５ｍｍ）形成されている。
本発明のように、中心電極１１の先端を基端側に窪ませておくと、高周波によってプラズマを形成しているときに、中心電極１１の先端や絶縁体１２の先端にプラズマが触れて冷却され効率が低下することを防ぐことができる。

さらに、このような構成とすることによって、内側導体１４に入力された高周波が中心電極１１側に進入するのを防ぐことができる。
中心電極１１の長さと内部導体１４の長さが同一であると、中心電極１１に高周波が侵入し易くなり、これらの長さを変えておくと、高周波の中心電極１１への侵入が低減されることが判明した。なお、点火プラグ１０内でも、高電圧配送線３３の途中でも良いが、中心電極１１に至る配線の途中に高周波をカットするフィルタを挿入する構成としても良い。

高周波伝送線１４０は、外周が誘電体１４１で覆われ、さらにその外側が外側導線１４２で覆われた同軸ケーブルを構成し、高周波コネクタ２４、同軸ケーブル２３を介して外部に設けられた高周波電源２０に接続されている。一般に、高周波伝送線１４０には、銅線が使用され、誘電体１４１にはポリエチレン等の可撓性材料が用いられ、外部導線１４２は、編組線と呼ばれる細い銅線を編んだものや金属箔が用いられている。なお、誘電体１４１の代わりに空気を誘電層としてもよい。この場合、高周波の伝送効率の向上を図ることが期待できる。

外側導体１５は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ等の導電性金属材料を用いて、内側導体１４と同軸に配設され、内側導体１４の基端側に接続され、先端側に向かって伸びるように、基端側が閉塞し先端側が開口する略有底筒状に形成されている。
外側導体基底部１５０は略円環状に形成され、中心電極１１とは絶縁体１２を介して絶縁性が保持され、内側電極１４の基端側を固定している。
外側電極基底部１５０に接続して先端側に向かって伸びる外側導体１５１が形成されている。外側導体１５１の外周の一部には内径方向に向かって縮径した外側導体係止部１５２が形成され、ハウジング１３のハウジング保持部１３５に当節保持されている。
さらに、外側導体先端部１５３は、点火プラグ１０を内燃機関に装着したときに燃焼室内にその表面が露出するようになっている。
アンテナとして機能する内側導体１４の長さは、入力される高周波ＲＦの有効波長λの４分の１、又は、その奇数倍の長さであり、内側導体１４に高周波ＲＦが入力されたときに同調する。

本実施形態においては、例えば、高周波ＲＦとして、例えば、周波数２．４５ＧＨｚ、波長λが１２２ｍｍのマイクロ波を供給する場合、内部導体１４は、波長λの４分の１、即ち、３０．６ｍｍ程度、又は、その奇数倍に形成されている。
また、外部導体１５の長さも、略波長λの４分の１で良いが、本実施形態においては、内部導体１４を燃焼室４００内に若干突き出させるために、外部導体１５を内部導体１４より１ｍｍほど短くした。
また、本実施形態において外側導体１５の内径φＤは、φ８ｍｍに形成されている。
本構造では、内側導体１４の付け根の外側導体１５の底部１５１に近い位置に設けた高周波入力部１４３にマイクロ波を給電し、内側導体１４をアンテナとして機能させてマイクロ波を放出させる。
この時、内側導体１４の先端部１４５の周囲が最も高周波の電圧振幅が大きくなる。外側導体１５はマイクロ波を回りに広げることをなくし、アンテナ先と外側導体１５の先端が近いため、内側電極１４の先端部１４５に電界が集中しプラズマが発生する。
本実施形態においては、内側胴体１４の基端側に外径方向に向かって張り出す鍔部１４６を形成し、外側胴体基底部１５０に係止させ、さらに、ハウジング絶縁体係止部１３２の外側に外径方向に向かって張り出すように形成されたハウジング鍔部１３７によって挟持され、シール部材１３８を介して加締め部１３３によって機密に加締め固定されているが、このような多層構造のみならず、内側導体１４と外側導体１５とを一体的に形成して
同軸を構成しても良い。

高周波プラズマ点火装置１は、図２に示すように、点火プラグ１０と、高周波ＲＦを発振する高周波電源２０と、高電圧を印加する高電圧電源３０と、内燃機関４０の運転状況に応じて高周波電源２０と高電圧電源３０とを制御する電子制御装置ＥＣＵ５０とによって構成されている。

内燃機関４０は、シリンダヘッド４１と略筒状のシリンダ４３とシリンダ４３内を昇降するピストン４４とによって燃焼室４００が区画されている。シリンダヘッド４１には、吸気筒４１０と排気筒４２０とが設けられ、吸気筒４１０は吸気バルブ４１１によって開閉され、排気筒４２０は排気バルブ４２１によって開閉されている。

シリンダヘッド４１には、燃焼室４００内に燃料を噴射する図略の燃料噴射弁が設けられ、ＥＣＵ３０によって燃料の噴射と停止とが制御されている。
本発明の点火プラグ１０は、内燃機関４０のシリンダヘッド４１に設けられたプラグホール４１３内に収納保持されている。

高周波電源２０は、車載バッテ等の直流電源６０から供給される直流電流を高周波の交流に変換して発振する高周波発振回路２１と、高周波発振回路２１から発振された高周波を増幅する高周波増幅回路２２とによって構成されている。内燃機関４０の運転状況に応じてＥＣＵ５０から発信される高周波発振信号Ｉ_ＲＦにしたがって、高周波ＲＦの電気エネルギが同軸ケーブルからなる高周波伝送線２３を介して、高周波入力部１４３に入力される。

高電圧電源３０は、直流電源６０から供給される電圧を高電圧の二次電圧Ｖ２に昇圧する昇圧回路３２０と、ＥＣＵ３０から発信される点火信号ＩＧｔにしたがって昇圧回路３２を駆動する駆動回路（イグナイタ）３１とによって構成されている。中心電極端子部１１０には、コネクタキャップ３３１を介して二次電圧配送線３３が接続され、高電圧電源３０で発生した高電圧Ｖ_２が印加される。

図３に本実施形態における高周波プラズマ点火装置１の等価回路の一例を示す。
本実施形態において高周波増幅回路２２は、高周波発振回路２１から発振される数ｍＷ程度の高周波を数Ｗ程度に増幅するプレアンプ２２０と、プレアンプ２２０によって増幅された高周波をさらに数１０ｗ〜３００ｗ程度にまで増幅するパワーアンプ２２１とによって構成されている。

パワーアンプ２２１には、Ｓｉ半導体、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体、ダイヤモンド半導体等のワイドバンドギャップ半導体を含む高周波パワーデバイスが用いられている。ワイドバンドギャップ半導体を用いた高周波パワーデバイスは、高周波特性が良好で、周波数変動を押さえつつ高周波を高出力に増幅できる。また、本発明で使用される高周波は、１０ｍｍ〜１０００ｍｍの波長と３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数とを有するマイクロ波であり、特に２〜４ＧＨｚのＩＳＭバンド帯域を用いるのが実用的である。
高電圧電源２０は、いわゆるＣＤＩ型のイグナイタ３１と昇圧回路３２とによって構成されているが、本発明において、ＣＤＩ型に限るものではなく、誘導型のイグナイタを用いても良い。

イグナイタ３１は、直流電源６０からのエネルギを蓄積するコンデンサ３１０と点火信号ＩＧｔにしたがって昇圧回路３２に設けた点火コイル３２０の開閉を制御するスイッチング素子３１１とによって構成されている。
昇圧回路３２は、昇圧コイル３２０と昇圧コイル３２０で昇圧された二次電圧Ｖ_２を整流
する整流素子３３０と、点火ノイズを吸収するノイズ吸収抵抗３３１とによって構成されている。

昇圧コイル３２０は一次コイル３２１と二次コイル３２２とコア３２３とによって構成されている。イグナイタ３１の開閉により昇圧コイル３２０内の磁界が変化し、二次コイル３２２に高電圧が発生する。

高圧電源３０は本実施形態の高電圧電源に限定するものではなく、通常の火花点火プラグに高電圧を印加する高電圧電源と同様の構成が適宜採用し得る。
ただし、本発明において必要とされる二次電圧Ｖ_２は、後述するように、１０ｋＶ程度でよい。

高周波点火プラグ１０の内側導体１４と外側導体１５とは、ハウジング１３を介してエンジンヘッド４１に接地状態となっており、中心電極１１の中心電極放電部１１４と内側導体１４の内側導体先端部１４５とは一対の放電電極をなしている。

図４を参照して、本発明の効果について説明する。内燃機関４０の運転状況に応じてＥＣＵ３０から高周波発振信号Ｉ_ＲＦが発振されると、内側導体１４に高周波ＲＦが入力される。高周波の入力位置を内部導体１４の底部とすることによって、インピーダンスの整合が図られ、内側導体１４は高周波を発振するアンテナとして機能する。内部導体１４の底部にマイクロ波を入力することより内部導体１４の先端が高電位となる。内部導体１４の回りに接地電位の外部導体１５がある。このため、内側導体先端部１４５の近傍に最も電界強度が高くなる強電界が形成される。

加えて、ＥＣＵ３０からの点火信号ＩＧｔにしたがって中心電極１１に高電圧Ｖ_２が印加されると中心電極放電部１１４と内側導体先端部１４５との間に放電が発生させる。
高周波の入力による強電界の形成と放電とより、内側導体先端部１４５の近傍に高温のプラズマが発生し、燃焼室内の混合気に点火をすることができる。

本実施形態においては、中心電極放電部１１４が外径方向に向かって張り出すように形成され内側導体先端部１４５との距離は、通常のスパークプラグに比べて短い放電距離であるため放電空間の絶縁耐圧が低くなっており、放電空間の絶縁を破壊するための要求電圧が低くなっている。

また、発生するアーク放電は、絶縁体先端表面部１２３の表面を這うような沿面放電となるので、通常の点火プラグで行われる火花放電のような気中放電に比べて放電の開始される要求電圧をさらに低くできる。

加えて、中心電極放電部１１４が内側導体先端部１４５に比べて基端側に引き込んだ位置となっているため、中心電極放電部１１４の先端側表面と内側導体先端部１４５の内周縁と絶縁体先端表面部１２３によって区画された放電空間内でプラズマが発生し、その放電空間内の圧力が高くなり燃焼室４００内に向かって噴射されるので、燃焼速度が高くなり、燃焼室内の混合気への着火性がさらに向上できる。
また、中心電極放電部１４５の位置を基端側に窪ませておくと、マイクロ波によってプラズマを形成しているときに中心電極１１や絶縁体１２の先端にプラズマが触れて冷却され効率が低下することを防ぐことができる。
このような構成とすることにより内側導体１４の先端部１４５のさらに先端側でプラズマが発生するため、このような消炎作用によるエネルギの無駄が発生せず、より早期に燃焼成長するので極めて良好な着火性を示すのである

本発明の要部である点火プラグ１０は、高電圧の印加される中心電極１１と同軸構造管を構成する内側導体１４と外側導体１５とを同軸に配設することにより構造的に体格を小さくできる。
加えて、印加される二次電圧Ｖ_２を１０ｋＶ程度と通常のスパークプラグ（例えば、３０ｋＶ）に比べて遙かに低くできるので、絶縁体１２の肉厚を薄く形成しても十分な絶縁耐圧が得られるので、さらに細径にすることができ、搭載性に優れた高周波プラズマ点火装置１を実現できる。

また、本発明の高周波プラズマ点火装置１によって発生するプラズマ自体が容積的に大きな火炎核状のエネルギの塊であるため、通常の点火プラグのように火花放電に発生した放電アークが混合気の一部と反応して火炎核に成長するまでの燃焼開始時間が不要となり、プラズマの発生と同時に混合気の燃焼が開始され速やかに火炎の成長が進む。したがって難着火性の内燃機関の点火が実現可能となる。
さらに、点火プラグ１０の体格を小さくできるだけでなく、プラズマを発生させるための高周波電源２０の出力電力及び高電圧電源３０の出力電圧Ｖ_２を低くできるので、高周波電源２０及び高電圧電源３０の体格も小さくできる。
なお、本発明者等の鋭意試験により、本発明のように高電圧を印加する中心電極１１と、高周波を入力する内側導体１４と外側導体１５とからなる同軸共振構造体１６とを、絶縁体１２を介して同軸に配設した場合にはハウジング螺子部１３７をＭ１２まで小型化することが可能となった。

また、絶縁体１２の絶縁体内側導体内絶縁部１２２の側面全体にわたり、内側導体１４が形成され、中心電極放電部１１４が内側導体先端部１４５よりも基端側に引き込んだ位置にあるので、高周波が中心電極１１内に伝送されることがない。
上記実施形態においては、内側導体１４は、導電性材料を用いて絶縁体１２２の外周を覆うように略筒状に形成したが、導電性材料を用いてコーティング、メッキ、箔貼付、蒸着、薄膜形成等の方法で絶縁体内側導体内絶縁部１２２の側面の表面に内側導体層を形成しても良い。内側導体１４の肉厚を薄肉化することができ、高周波プラズマ点火装置１のさらなる小型化が実現可能となる。

図５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の変形例として高周波プラズマ点火装置１ａ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に加えて、点火プラグ１０ａの内側導体１４ａの内側導体先端部１４５ａを中心電極放電部１１４に向かって突出するように縮径してある。このように形成することによって、放電距離をさらに短くし、放電が開始されるための要求電圧Ｖ_２をさらに低くできる。また、内側導体先端部１４５ａの放電を発生させる部位が厚くなるので、耐久性の向上を図ることもできる。

図６を参照して本発明の第２の実施形態における高周波プラズマ点火装置１ｂの概要を説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を伏したので説明を省略する。
本実施形態においては、高電圧電源３０は、図略の電源電圧を昇圧する昇圧回路３２ｂと昇圧回路３２ｂの駆動を制御する駆動回路３１とからなり、高周波電源２０は、直流電流を高周波の交流電流に変換する高周波発振回路２１と、高周波発振回路２１から発振された高周波を増幅する高周波増幅回路２２とからなり、昇圧回路３２ｂを構成する点火コイル３２０ｂの中心に、高周波電源２０から発振された高周波を同軸共振構造体１６ｂに伝送する高周波伝送線２３ｂと、高周波伝送線２３ｂの外周を覆う略筒状に形成された誘電体２３１と、さらにその周囲を覆う略筒状に形成された外側導線２３２と、を同軸に配設し、その外側に点火コイル３２０ｂを構成する略筒状に形成された中心コア３２３ｂと、その外側に巻回された二次コイル３２２ｂと、その外側に巻回された一次コイル３２１ｂと、を同軸に配設せしめ、これらを一体的に燃焼機関のプラグホール４１３内に収納してある。

本実施形態においても、実施形態と同様に、中心電極１１ｂと絶縁体１２ｂと内側導体
１４ｂと外側導体１５ｂとを同軸に配設して点火プラグ１０ｂの体格を小さくし、中心電極放電部１１４と内側導体先端部１４５との距離を短くして、高周波の出力と放電電圧Ｖ_２とを低くする点に加えて、高周波電源２０から発振される高周波を伝送する高周波伝送線２３の一部と高電圧電源３０の一部とを同軸構造でシリンダヘッド４１に設けたプラグホール４１３内に一体的に収納することにより、装置全体の体格を小さくし、高周波プラズマ点火装置１ｂの搭載性の向上を図るとことができる。

本実施形態における点火コイル３２ｂは、少なくとも、中心に配設され先端側に向かって伸びる高周波伝送線２３ｂと、高周波伝送線２３ｂの外周を覆う略筒状に形成された誘電体２３１と、さらにその周囲を覆う略筒状に形成された外側導線２３２と、その外側に同軸に配設され略筒状に形成された中心コア３２３ｂと、さらにその外側に巻回された二次コイル３２３ｂと、さらにその外側に巻回された一次コイル３２１ｂとを含み、これらを一体的にプラグホール４１３内に収納する略筒状の点火コイルハウジング部３２４ｂによって構成されている。

中心コア３２３ｂは、硅素鋼板を軸方向に積層して略筒状としても良いし、硅素鋼板を径方向に積層して略筒状としても良い。
また、中心コア３２３ｂの一部を廃して外側導線２３２を磁性材料で形成し、中心コアとして用いることによりさらなる小型化を図ることもできる。
点火コイルハウジング部３２４ｂは、硅素鋼板を積層して外側コアとして構成しても良い。点火コイルハウジング部３２４ｂの基端側には、第１の螺子部１３７ｂ１とナット部１３４ｂが設けられ、点火プラグ１０ｂをプラグホール４１３内に固定すると共にプラグホール４１３の開口端を閉塞している。

高周波伝送線２３ｂは、高周波コネクタ２４ｂ及び同軸ケーブルを介して、外部の高周波電源２０に接続されている。

一次コイル３２１ｂには、一次電圧入力線３０１ｂを介して、外部の駆動回路３１に接続されている。一次電圧入力線３０１ｂは絶縁体３１２によって点火コイルハウジング部３２４ｂとの絶縁が保持されている。

二次コイル３２２ｂには、二次電圧配送線３３ｂが接続され、さらに整流素子３３０ｂ、ノイズ吸収抵抗３３１ｂを介して中心電極１１ｂに接続されている。
点火コイルハウジング部３２４ｂに延設して略筒状のハウジング１３ｂが形成されている。ハウジング１３ｂは、高周波伝送線２３ｂと、二次電圧配送線３３ｂと、外側導体１５ｂと内側導体１４ｂとからなる同軸共振構造体１６ｂと、絶縁体１２ｂと、中心電極１１ｂとを一体的に収納保持する複数のハウジングブロック１３３ｂ、１３５ｂとによって構成されている。

本実施形態においては、プラグホール４１３の内径φＤ_４１３をφ２４ｍｍ程度にまで縮小できる。また、一次コイル３２１ｂ、二次コイル３２２ｂ、内側コア３２３ｂ、外側コア３２４ｂを同軸に配設し、プラグホール４１３内に収納することにより、電圧昇圧時のエネルギロスが小さくなり、コイル性能が向上し、さらなる小型化が可能となる。
なお、本実施形態においては、点火コイルハウジング部３２４ｂを金属で形成した例を示したが、絶縁性の樹脂で設けてもよい。
なお、内側を一次コイルとしても問題ないが、内側を二次コイルとした方が中心軸にある点火プラグの中心電極への接続が容易となる。

１プラズマ点火装置
１０点火プラグ
１１中心電極
１１４中心電極放電部（放電部）
１２絶縁体
１３ハウジング
１４内側導体
１４３内側導体高周波入力部
１４４内側導体筒状部
１４５内側導体先端部
１５外側導体
１５３外側導体先端部
１６同軸共振構造体（高周波発振部）
２０高周波電源
２１高周波発振回路
３０高電圧電源
３１高電圧駆動回路
３２昇圧回路
４０内燃機関
４００燃焼室

特開２０１０−１８２７号公報

「ＡＮｏｖｅｌＳｐａｒｋ−ＰｌｕｇｆｏｒＩｍｐｒｏｖｅｄＩｇｎｉｔｉｏｎｉｎＥｎｇｉｎｅｓＷｉｔｈＧａｓｏｌｉｎｅＤｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＧＤＩ）」、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｌａｓｍａＳｃｉ．３３巻、１６９６頁−１７０２頁、Ｎｏ．５、２００５年１０月

Claims

高周波の発振と放電とによって機関燃焼室内の気体を高温のプラズマ状態にして機関燃焼室内に導入された圧縮空気と燃料との混合気を点火する高周波プラズマ点火装置であって、
高周波の入力により高周波を発振する高周波発振部と、高電圧の印加により放電する放電部と、を具備する点火プラグと、該点火プラグに高周波を入力する高周波電源と、上記点火プラグに高電圧を印加する高電圧電源と、を具備し、
上記高電圧電源は、電源電圧を昇圧する昇圧回路と該昇圧回路の駆動を制御する駆動回路とからなり、
上記高周波電源は、直流電流を高周波の交流電流に変換する高周波発振回路と、該高周波発振回路から発振された高周波を増幅する高周波増幅回路とからなり、
上記昇圧回路を構成する点火コイルの中心に、
上記高周波電源から発振された高周波を上記点火プラグに伝送する高周波伝送線と、
その周囲を覆う略筒状に形成された外側導線と、を同軸に配設し、
その外側に上記点火コイルを構成する略筒状に形成された中心コアと、
その外側に巻回された一次コイルと、二次コイルと、を同軸に配設せしめ、
これらを一体的に上記燃焼機関のプラグホール内に収納したことを特徴とする高周波プラズマ点火装置。
上記点火プラグが、少なくとも、先端側が開口し、基端側が閉塞する略有底筒状に形成した外側導体と、該外側導体の底部に近い位置から高周波が入力される内側導体とを同軸に配設せしめた同軸共振構造体と、略長軸状に形成し、高電圧が印加される中心電極と、を具備し、
上記内側導体を略筒状に形成すると共に、該内側導体の長さを高周波の波長の４分の１又はその奇数倍の長さに形成して、
該内側導体の内側に、略筒状に形成した絶縁体を介して、略長軸状に形成した上記中心電極を同軸に配設せしめて、
上記同軸共振構造体の先端と上記中心電極の先端とを上記機関燃焼室内に露出せしめた請求項１に記載の高周波プラズマ点火装置。
上記燃焼室内に露出する上記中心電極の先端と上記内側導体の先端とのいずれか一方又は両方を径方向に突出せしめて上記中心電極の先端と上記内側導体の先端との距離を短くした請求項１又は２に記載の高周波プラズマ点火装置。
上記内側導体の先端位置よりも上記中心電極の先端位置を基端側に引き込めた請求項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。