JP6082881B2 - 内燃機関の点火装置及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火装置及びその点火装置を備えた内燃機関に関する。

従来から、内燃機関の着火のための点火装置として、内燃機関の燃焼室内に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置を用いた点火装置が提案されている。例えば特開２００９−３８０２５号公報及び特開２００６−１３２５１８号公報には、この種のプラズマ生成装置を用いた内燃機関の点火装置が記載されている。

特開２００９−３８０２５号公報には、スパークプラグの放電ギャップでスパーク放電を生じさせるとともに、その放電ギャップに向けてマイクロ波を放射してプラズマを拡大するプラズマ生成装置が記載されている。このプラズマ生成装置では、スパーク放電により生成されたプラズマがマイクロ波パルスからエネルギーを受ける。これにより、プラズマ領域の電子が加速され、電離が促進されて、プラズマの体積が増大する。

また、特開２００６−１３２５１８号公報には、電磁波放射器から燃焼室内に電磁波を放射することによりプラズマ放電を発生させる内燃機関の点火装置が開示されている。ピストンの上面には、ピストンから絶縁された点火用電極が設けられている。点火用電極は、その近傍にて燃焼室内の電磁波の電界強度を局所的に高める役割を果たす。これにより点火用電極の近傍にてプラズマ放電が生成される内燃機関の点火装置である。

特開２００９−３８０２５号公報 特開２００６−１３２５１８号公報

しかし、特開２００９−３８０２５号公報に記載のプラズマ生成装置では、スパークプラグにおいて放電を起こさせるための高電圧電源、及びマイクロ波を放射するための高周波電源の少なくとも２つの電源が必要となる。例えばプラズマ生成装置を自動車エンジン等の燃焼室に用いる場合には設置スペースに限界があるため、このように複数の電源を要するプラズマ生成装置では設置場所を確保することが難しいという不都合がある。また、このようなプラズマ生成装置における伝送システムとしては、従来のスパークプラグに対する高電圧配送システムと電磁波配送システムの双方が必要とされるため、高度に複雑化されるとともに、電磁波のみでは着火に必要なプラズマを発生することは困難であり、火種としてスパークプラグによる放電が必要不可欠であった。一方、特開２００６−１３２５１８号公報に記載のプラズマ生成装置は、電磁波のみを用いてプラズマを生成するため、電源は１つしか必要ないものの電磁波のみで着火及び燃焼反応を起こさせるためには、高周波電源から多量の電力を供給する必要がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の点火装置であって、高電圧によって放電するスパークプラグや複雑なシステム等を必要とせず、電磁波のみを使って、プラズマの発生、拡大及び維持を効率よく行うことができる小型の内燃機関の点火装置及び内燃機関を供給することである。

内燃機関の点火装置であって、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
前記電磁波発振器と容量結合した第１のコンデンサ及び放電電極部分で構成される第２のコンデンサからなる共振回路を含む昇圧回路並びに該昇圧回路により発生した高電圧を放電させる放電電極を構成する放電部を一体的に形成したプラズマ生成器と
を備え、
前記プラズマ生成器を、前記放電電極が内燃機関の燃焼室に露出するように複数配設した内燃機関の点火装置である。

本発明の点火装置は、電磁波のみでプラズマを生成、拡大、維持させることができるため、電源は一つで足りる。さらに当該プラズマ生成装置は、電磁波を共振させる昇圧回路を含むことで高電圧を発生させることができ、電磁波のみで効率よくスパークを起こしプラズマを発生させることができる。また、本発明の点火装置に用いる電磁波は、比較的高周波の電磁波を用いるようにしているから、プラズマ生成器の共振回路を小型化することができ、周知のスパークプラグに比べて、シリンダヘッドに取り付ける部分の外形を小径とすることができる。このため、吸排気弁の構造や大きさ、シリンダヘッドの形状を変更することなく容易に複数のプラズマ生成器を配設することができる。

また、前記プラズマ生成器を、内燃機関の燃焼室天井面の中心並びに該天井面に形成される吸気ポート間、排気ポート間及び吸気ポートと排気ポートとの間に配設することが好ましい。このように配設することで、電磁波によって生成されるプラズマを効果的に維持、拡大することができる。ここで、内燃機関の燃焼室天井面とは、シリンダヘッドにおける燃焼室に露出する面をいい、ピストンと平行となる面も含む。

また、前記プラズマ生成器を、内燃機関の燃焼室天井面の外周に沿うように配設することができる。このように配設することで、シリンダ内に発生する火種（電磁波によって生成されるプラズマ）が、シリンダ外周からシリンダ中心に向かって伝播する。シリンダヘッドの略中心にスパークプラグを備えた内燃機関の場合、火炎の伝播は中心から外周に向かい、最も高温となる外周でシリンダ壁面に熱が伝達され熱効率が悪い。一方、シリンダの外周から中心に向かって火炎が伝播する本構成では熱効率に優れる。

さらに、前記制御装置が、各プラズマ生成器への電磁波の供給を、時間差をもって行うように制御することができる。時間差をもって、電磁波によるプラズマ生成を制御することで、シリンダ内での火炎伝播、火炎の位置等を制御することができる。

またこの場合において、前記制御装置が、各プラズマ生成器の放電電極からの放電が円又は半円を描くように電磁波発振器の発振制御を行うようにすることができる。このように制御することで、吸気弁からのスワール流に沿って電磁波によるプラズマを生成することができる。

また、前記複数のプラズマ生成器の共振回路は、それぞれ異なる周波数特性で共振するように構成し、前記制御装置が、それぞれの共振回路が共振する周波数を指定して電磁波発振器の発振制御を行うようにすることができる。発振する電磁波の周波数を制御するだけで、電磁波によるプラズマ生成位置を制御することができる。

また、上記課題を解決するためになされた第２の発明は、
内燃機関の点火装置であって、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
前記電磁波発振器と容量結合した第１のコンデンサ及び放電電極部分で構成される第２のコンデンサからなる共振回路を含む昇圧回路並びに該昇圧回路により発生した高電圧を放電させる放電電極を構成する放電部を一体的に形成したプラズマ生成器と
該プラズマ生成器によって生成した電磁波プラズマをアシストする電磁波を放射する電磁波放射アンテナと
を備え、
前記プラズマ生成器を、前記放電電極が内燃機関の燃焼室に露出するように配設し、
前記電磁波放射アンテナを、前記プラズマ生成器によって生成した電磁波プラズマを離れた方向に向かって移動させる位置に、少なくとも１基配設した内燃機関の点火装置である。

第２の発明の点火装置は、第１の発明と同様、電磁波のみでプラズマを生成、拡大、維持させることができるため、電源は一つで足りる。さらに当該プラズマ生成装置は、電磁波を共振させる昇圧回路を含むことで高電圧を発生させることができ、電磁波のみで効率よくスパークを起こしプラズマを発生させることができる。また、本発明の点火装置では、スパーク放電を起こすための少なくとも１つのプラズマ生成器と、プラズマ生成器によって生成したプラズマを拡大維持させながら、他の方向に向かってシリンダ内を移動させるように配設した電磁波放射アンテナによって、内燃機関の燃焼効率をより向上させることができる。

この場合、前記電磁波放射アンテナへの電磁波の供給を、プラズマ生成器からの反射波を利用することができる。昇圧回路によって昇圧され高電圧となって放電された瞬間、電磁波発振器とプラズマ生成器とのインピーダンスが整合しなくなり、反射波が生じる。この反射波を有効に活用することで、電磁波発振器の小型化を図ることができる。

さらに、この場合、前記電磁波発振器、プラズマ生成器及び電磁波放射アンテナを、電磁波発振器の進行波はプラズマ生成器、プラズマ生成器からの反射波は電磁波放射用アンテナに流れるようにサーキュレータの接続端子に接続することが好ましい。サーキュレータを用いることで簡単な回路で反射波を有効に活用することができる。

本発明は、上述の本発明の点火装置と、燃焼室が形成された内燃機関本体とを備える内燃機関も含む。

本発明の内燃機関は、電磁波のみで効率良くプラズマを生成、維持、拡大する事ができる上述の点火装置を備えているため、燃焼効率により優れる。

本発明のプラズマ生成装置は、電磁波を共振させる昇圧回路を含むことで高電圧を発生させることができ、電磁波のみでスパークを起こすことができる。そのため、当該プラズマ生成装置においては、電源が一つで足り、複雑な伝送線路等を必要としない。また、当該プラズマ生成装置は、スパーク放電を起こす条件の電磁波パルスと、生じたプラズマを拡大・維持させるための放電を起こす条件の電磁波パルスとを含む所定の発振パターンを用いる。そのため、電磁波のみによってもプラズマの生成、拡大、維持を効率よく行うことができ、消費電力を低減することができるとともに、燃焼効率を向上させることができる。

実施形態１の内燃機関の点火装置のブロック図である。 同点火装置に使用するプラズマ生成器の断面図である。 プラズマ生成器の放電電極の異なる実施形態を示し、（ａ１）〜（ａ２）は放電ギャップを部分的に小さくした例を、（ｂ１）〜（ｂ２）は沿面放電を生じさせるために、電極間に誘電体を介在させた例を、（ｃ１）〜（ｃ２）は沿面放電を生じさせるとともに、放電ギャップを部分的に小さくした例を示す。 放電させるプラズマ生成器を選択する方法を説明する概略図で、昇圧回路に含まれる共振回路の周波数それぞれ異なるように設定した例を示す。 実施形態１の内燃機関の点火装置の別のブロック図である。 同プラズマ生成器の昇圧回路の等価回路である。 実施形態２の内燃機関の点火装置のブロック図である。 実施形態２の内燃機関の点火装置の別のブロック図である。 実施形態２の内燃機関のシリンダヘッドを燃焼室側から見た平面図である。 実施形態３の内燃機関を示す正面断面図である。 同内燃機関のシリンダヘッドを燃焼室側から見た平面図である。 同内燃機関のシリンダヘッドを燃焼室側から見た平面図である。

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、本質的に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。

＜実施形態１＞内燃機関の点火装置
本実施形態１は、本発明に係る内燃機関の点火装置である。当該点火装置１は、図１に示すように、電磁波用電源２、電磁波発振器３、昇圧回路５、放電電極６及び制御装置４を備えている。そして、昇圧回路５及び放電電極６を一体に形成し、プラズマ生成器１０を構成している。昇圧回路５に含まれる共振回路は、後述する第一共振部分Ｒｅ１、第二共振部分Ｒｅ２から構成されている。

電磁波用電源２は、制御装置４から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波発振器３にパルス電流を出力する。

電磁波発振器３は、例えば半導体発振器である。電磁波発振器３は、電磁波用電源２に電気的に接続されている。電磁波発振器３は、電磁波用電源２からパルス電流を受けると、昇圧回路５にマイクロ波パルスを出力する。半導体発振器を使用することで、照射する電磁波の出力、周波数、位相、デューティー比、パルス時間、発振するプラズマ生成器１０の特定を容易に制御し、変更することができる。本実施例においては、発振するプラズマ生成器１０を特定するために、電磁波発振器３にスイッチ等の分配機能を内蔵するようにしている。また、電磁波発振器３には、パワーアンプ等の増幅器を内蔵する。この増幅器は、制御装置４からのＯＮ・ＯＦＦ指令を受け、電磁波発振器３からプラズマ生成器１０へ電磁波を発振する。

プラズマ生成器１０は、昇圧回路５及び放電電極６を一体に形成している。昇圧回路５は、入力部の中心電極５３、出力部の中心電極５５、結合部の電極５４及び絶縁体５９（誘電体）を備える。中心電極５３、中心電極５５、電極５４及び絶縁体５９は、ケース５１内に同軸状に収納されているが、これに限定されるものではない。入力部の中心電極５３は、電磁波発振器３から入力部５２を介して接続され、プラズマ生成器１０のケース５１内に設置される。そして、中心電極５３は、結合部の電極５４と絶縁体５９を介して容量結合されている。

結合部の電極５４は有底の筒状で、電極５４の筒状部分の内径、中心電極５３の外径及び中心電極５３の先端部と電極５４の筒状部分との結合度（距離Ｌ１）によって結合容量Ｃ１が決定される。結合容量Ｃ１の調整のため、中心電極５３は軸芯方向に移動可能に、例えば、ねじ調整可能なように配設される。また、電極５４の開放端部を斜めに切断することで結合容量Ｃ１の調節を容易に行うこともできる

共振容量Ｃ２は、結合部の電極５４とケース５１によって形成される共振回路の第一共振部分Ｒｅ１による接地容量（浮遊容量）である。共振容量Ｃ２は、電極５４の筒状長さ、外径、ケース５１の内径（電極５４を覆う部分の内径）、電極５４とケース５１との間隙（電極５４を覆う部分の間隙）及び絶縁体５９（誘電体）の誘電率によって決定される。第一共振部分Ｒｅ１が共振する周波数は、電磁波発振器３から発振される電磁波（マイクロ波）の周波数に共振するように設計される。

共振容量Ｃ３は、出力部の中心電極５５とケース５１の中心電極５５を覆う部分によって形成される共振回路Ｒｅ２による放電側容量（浮遊容量）である。中心電極５５は、電極５４の底板中央から延設される軸部５５ｂと軸部５５ｂの先端に形成される放電部５５ａとを備えている。放電部５５ａは、軸部５５ｂよりも大径である。共振容量Ｃ３は、放電部５５ａ及び軸部５５ｂの長さ、外径、ケース５１の内径（中心電極５５を覆う部分の内径）、中心電極５５とケース５１との間隙（ケース５１の先端部５１ａが中心電極５５を覆う部分の間隙）の絶縁体（誘電体）の誘電率によって決定される。特に、放電部５５ａの外周面との先端部５１ａの内周面との間隙によって形成される環状部分の面積及び放電部５５ａの外周面との先端部５１ａの内周面との距離が、共振周波数を決定する際の重要な要素となるため、詳細に計算され決定される。

放電部５５ａは軸部５５ｂに対して、軸方向に移動可能に配設するとともに、放電部５５ａは外径の異なる複数種類を用意して共振容量Ｃ３を調整する。具体的には、軸部５５ｂの先端に雄ねじ部を形成し、放電部５５ａの底面に、軸部５５ｂの雄ねじ部に対応した雌ねじ部を形成する。また、放電部５５ａとケース５１の先端部５１ａ内面との距離を軸方向長さで異なるように、放電部５５ａの周面の形状を波形に構成したり、放電部５５ａの形状を球状体、半球状体又は回転楕円体形状としたりすることもできる。この放電部５５ａ及びケース５１の先端部５１ａ内面（接地電極）が放電電極６を構成し、放電部５５ａとケース５１の先端部５１ａ内面（接地電極）とのギャップで放電が生じる。本実施形態では、図２に示すように軸部５５bを覆う絶縁体５９の端部は放電部５５ａに到達しない長さとしている。これにより、放電電極６での放電は、空間放電となる。

放電電極６を構成する放電部５５ａは、放電を確実に行うようにするために、図３（ａ１）、（ａ２）に示すように、ティアドロップ形状や楕円形状とし、軸部５５ｂに対して偏芯して取り付けるようにすることができる。これによって、先端部５１ａの内周面と放電部５５ａの尖頭部との間で確実に放電が生じる。なお、この様な形状としたときも放電部５５ａの外周面との先端部５１ａの内周面との間隙によって形成される環状部分の面積及び放電部５５ａの外周面との先端部５１ａの内周面との距離が、共振周波数を決定する際の重要な要素となるため、環状部分の面積及び放電部５５ａの外周面との先端部５１ａの内周面との距離は、詳細に計算される。

このように、放電ギャップを部分的に短くすることで、高気圧下において、低電力で放電が可能となる。本発明者らの実験によると、放電部５５ａが円筒形でケース５１と同軸の場合、８気圧において８４０Ｗで放電するものの。９気圧では１ｋＷでも放電しなかったものが、放電ギャップを部分的に短くした形状の場合、１５気圧でも５００Ｗで放電することが確認できた。

ケース５１の先端部５１ａは、後述する内燃機関のシリンダヘッドに形成した取付口に螺合することができるように、外周面にねじ山（雄ねじ部）を形成する。この雄ねじ部は、先端部５１ａ全体に設けてもよいが、根元部分にのみ形成し、放電電極６の部分をねじ山部分よりも小径とすることで、内燃機関のシリンダヘッドに多数配設することが可能となる。

複数のプラズマ生成器１０に対して、電磁波発振器３から同時に電磁波を発振することもできるが、本実施例においては、それぞれのプラズマ生成器１０に対して、時間差をもって制御装置４から発振信号を送信するようにしている。これにより、電磁波用電源２の容量を小型化することができる。

時間差をもって制御装置４からの発振信号によって電磁波を発振し、各放電電極６から放電させる方法は、電磁波発振器３内に上述したように、スイッチング回路等からなる分配手段を配設し、制御装置４から制御することができる。また、図４〜図５に示すように、複数のプラズマ生成器１０の共振回路を、それぞれ異なる周波数特性で共振するように構成し、制御装置４が、それぞれの共振回路が共振する周波数を指定して電磁波発振器の発振制御を行うようにすることができる。具体的には、図４に示すように、複数のプラズマ生成器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ・・・それぞれの共振回路を含む昇圧回路５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ・・・の共振周波数をｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄ・・・とする。プラズマ生成器１０Ａの放電電極６から昇圧した電磁波を放電させる場合には、制御装置４は、電磁波発振器３から発振する電磁波の周波数をｆａとなるように制御する。共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆｄ・・・の設定、特に周波数の間隔は、共振回路の構造により定まるＱ値によって決定される。Ｑ値は、共振回路の共振周波数ｗ_０、共振周波数ｗ_０を挟んで、エネルギーが１／２になる周波数ｗ_１、ｗ_２（ｗ_１＜ｗ_２）とした場合に、
ｗ_０／（ｗ_２−ｗ_１）
で表される値である。本実施形態においては、例えば、ｗ_０が２．４５ＧＨｚの場合、Ｑ値が約８１〜１２２．５（ｗ_２−ｗ_１が２０〜３０ＭＨｚ）となるように設定している。Ｑ値がこの値の場合、共振周波数ｗ_０が２．４５ＧＨｚの場合、ｗ_１＝２．４６０〜２．４６５ＧＨｚ、ｗ_２＝２．４３５〜２．４４０ＧＨｚとなる。従って、周波数の間隔は、約０．０５ＧＨｚとすることが好ましい。具体的には、中心の周波数が２．４５ＧＨｚとなるように、３種類の設定を行う場合は、ｆａ＝２．４０ＧＨｚ、ｆｂ＝２．４５ＧＨｚ、ｆｃ＝２．５０ＧＨｚの設定とすることが好ましい。

図４は、電磁波発振器３から制御装置４によって、電磁波の周波数をｆａ、ｆｂ、ｆｃへの切り替え信号の出力及び増幅器へのＯＮ・ＯＦＦ信号を出力したとき、プラズマ生成器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの放電電極６から放電される電圧を示すグラフである。高いＱ値の共振回路を構成することで、各周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃの差を大きく異なるように設定しなくても、放電させるプラズマ生成器１０を選択することができる。

昇圧回路５の等価回路を図３に示す。昇圧回路５は、電磁波発振器３と容量結合したコンデンサＣ２（第１のコンデンサ）及び放電電極部分で構成されるコンデンサＣ３（第２のコンデンサ）からなる共振回路を含んでいる。

−点火装置の動作−
点火装置１のプラズマ生成動作について説明する。プラズマ生成動作では、放電電極６からの放電により、放電電極６の近傍にプラズマが生じる。

具体的なプラズマ生成動作は、まず制御装置４が、所定周波数ｆａの電磁波発振信号を出力する。電磁波用電源２は、制御装置４からこのような電磁波発振信号を受けると、所定のデューティー比で所定の設定時間に亘ってパルス電流を出力する。電磁波発振器３は、設定時間に亘って周波数ｆａの電磁波パルスを所定のデューティー比で出力する。電磁波発振器３から出力された電磁波パルスは、共振周波数がｆａであるプラズマ生成器１０Ａの昇圧回路５により、高電圧となる。高電圧になる仕組みは、中心電極５５とケース５１との浮遊容量及び結合部の電極５４とケース５１との浮遊容量が、コイル（軸部５５ｂが相当する）と共振するためである。そして、放電部５５ａからケース５１の先端部５１ａ内面（接地電極）に向かって放電が起こり、スパークが生じる。このスパークにより、プラズマ生成器１０Ａの放電電極６の近傍のガス分子から電子が放出され、プラズマが生成される。

引き続き制御装置４は、所定周波数ｆｂの電磁波発振信号を出力する。上記と同様の手順で、共振周波数がｆｂであるプラズマ生成器１０Ｂの昇圧回路５により、高電圧となり、スパークが生じる。このスパークにより、プラズマ生成器１０Ｂの放電電極６の近傍のガス分子から電子が放出され、プラズマが生成される。引き続き、出力する電磁波発振信号の周波数を変化させ、各プラズマ生成器１０からプラズマを生成する。なお、プラズマを生成するプラズマ生成器１０の選択方法は、上述したとおり、電磁波発振器３内部に切替器を配設し、切替器を制御装置４によって制御することで行う他、種々の方法が採用され、共振回路の周波数を利用した周波数変更に限られない。

−実施形態１の効果−
本実施形態１の点火装置１のプラズマ生成器１０は、電磁波を共振させる第一共振部分Ｒｅ１、第二共振部分Ｒｅ２から構成される共振回路を含む昇圧回路５を備えていることで高電圧を発生させることができ、電磁波のみでスパークを起こすことができる。そのため、対象空間において、電磁波のみで複数のプラズマ生成器１０からプラズマを生成、維持、拡大させることができ、電源は電磁波用電源２のみで足り、複雑な伝送線路等を必要としない。さらには、複数のプラズマ生成器１０から、放電させる順番、強さ等を制御装置によって簡単に設定することができ、タンブル、タービレンス、バルブタイミングの関係から決定される火炎の向きや火炎伝播のコントロール、着火順（着火場所）のコントロールを容易に行うことができる。また、電磁波の出力等を制御することで、燃焼室内の温度を容易にコントロールすることができる。さらに、出力部の昇圧回路５を構成する各電極等がケース５１内に同軸状に内包された構造となっていることで、プラズマ生成器１０の先端の径をより細くすることも可能となる。

また、当該点火装置１のプラズマ生成器１０を用いることにより、火炎の着火場所をコントロールすることで、効果的に内燃機関のノッキングを有効に防止することができる。この場合、ノックセンサーを併用し、ノッキング発生箇所に応じた着火コントロールを行ってより確実にノッキングを抑制することが可能となる。

−実施形態１の変形例１−
実施形態１の変形例１では、プラズマ生成器１０が、放電電極６の構成が異なる以外の点は実施形態１と同様である。

この放電電極６は、ケース５１の先端部５１ａ内面（接地電極）と放電部５５ａとの間で沿面放電するように構成されている。沿面放電は、電極間に誘電体を介在させ、誘電体に沿うように放電させることで、放電のために要する電圧を低く抑えることができる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、軸部５５ｂに、先端部５１ａ内面に当接する環状の誘電体５７を取り付ける。そして、放電部５５ａを、この誘電体５７の表面に接するようにして軸部５５ｂに取り付ける。

この際、放電部５５ａの形状は、ティアドロップ形状や楕円形状とし、軸部５５ｂに対して偏芯して取り付けるようにすることができる。これによって、先端部５１ａの内周面と放電部５５ａの尖頭部との間の誘電体５７表面で、確実に放電が生じる。

＜実施形態２＞内燃機関の点火装置
本実施形態２は、本第２発明に係る内燃機関の点火装置である。当該点火装置１は、図８に示すように、電磁波用電源２、電磁波発振器３、昇圧回路５、放電電極６及び制御装置４を備えている点は、実施形態１同様である。そして、昇圧回路５及び放電電極６を一体に形成したプラズマ生成器１０を少なくとも１基備えるとともに、電磁波発振器３からの電磁波パルスを、昇圧回路を介することなく内燃機関の燃焼室に放射する電磁波放射用アンテナ７を少なくとも１基備えている。このプラズマ生成器１０は燃焼室内で混合気に点火するための種火となるプラズマを生成する役割を果たし、図９（ａ）に示すように、燃焼室２０の天井面２０Ａ（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の略中心に１基配設するようにしている。そして、電磁波放射用アンテナ７は、プラズマ生成器によって生成した電磁波プラズマを離れた方向に向かって移動させる位置（図９（ａ）に示すように、天井面２０Ａに形成される各ポートの間でシリンダヘッド２２の外周側）に配設するようにしている。

図７に示すブロック図の構成は、複数の電磁波放射用アンテナ７に対して、同時に電磁波を出力するようにしているが、これに限られるものではなく、電磁波発振器３内に分配器を配設し、制御装置４によって、電磁波パルスを出力する電磁波放射用アンテナ７を選択するように構成することが好ましい。

また、プラズマ生成器１０を、天井面２０Ａの吸入ポート間に配設し、電磁波放射用アンテナ７を、燃焼室内で生じるスワール流に沿うように配設することもできる。このスワール流の流れ沿うように配設とは、シリンダヘッドの外周に沿うように複数の電磁波放射用アンテナ７を配設し、電磁波発振器３からスワール流の流れに沿うように時間差をもって、順次電磁波放射用アンテナ７に電磁波パルスを出力するよう制御装置４によってパルス電圧を制御することをいう。

昇圧回路５に含まれる共振回路は、実施形態１と同様に、第一共振部分Ｒｅ１、第二共振部分Ｒｅ２から構成されている。

そして、電磁波放射用アンテナ７から照射される電磁波は、プラズマ生成器１０から放電されるプラズマを、維持・拡大させる電磁波パルスを出力する。そのため、電磁波放射用アンテナ７に出力するパルス電圧は、電磁波発振器３から昇圧回路を介する必要はなく、また電磁波発振器３内部に配設される増幅器を介する必要もない。

−実施形態２の効果−
本実施形態２の内燃機関の点火装置においては、高電圧を利用したプラズマ生成器１０と、このプラズマ生成器１０から放電したプラズマを維持・拡大させるための電磁波を照射する電磁波放射用アンテナ７とを備え、電磁波放射用アンテナ７から照射する電磁波は低い電圧でよく、全体として必要な電力を抑えることができる。

−実施形態２の変形例１−
実施形態２の変形例１においては、図８のブロック図に示すように、電磁波放射用アンテナ７に出力される電磁波を、プラズマ生成器１０からの反射波を利用するようにしている。プラズマ生成器１０において、昇圧回路５によって高電圧となり、放電電極６で放電された瞬間に内部インピーダンスの整合が崩れ、反射波は急激に増加する。本変形例ではこの反射波を電磁波放射用アンテナ７に導き、反射波を有効に活用するようにしたものである。

プラズマ生成器１０からの反射波を電磁波放射用アンテナ７に導く手段としては、電磁波発振器３、プラズマ生成器１０及び電磁波放射アンテナ７を、電磁波発振器３の進行波はプラズマ生成器１０、プラズマ生成器１０からの反射波は電磁波放射用アンテナ７に流れるようにサーキュレータの接続端子に接続することによって行うことができる。

サーキュレータの構成は特に限定するものではないが、本実施形態においては、３ポートサーキュレータ（３端子サーキュレータ）を使用する。３ポートサーキュレータは、ポート１から入力された信号はポート２に、ポート２から入力された信号はポート３に、ポー３3から入力された信号はポート１へ出力される。本実施形態においては、電磁波発振器３とポート１、プラズマ生成器１０とポート２、電磁波放射用アンテナ７とポート３を接続する。電磁波放射用アンテナ７が複数ある場合、ポート３と分配器８の入力端子を接続し、分配器８の複数の出力端子と電磁波放射用アンテナ７とを接続する。そして、分配器８を制御装置４によって制御することで、プラズマ生成器１０からの反射波を、任意の電磁波放射用アンテナ７に導くことができる。

また、プラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７を一対として、分配器８を用いることなく構成することもできる。

この場合、一対のプラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７の使用に限られない。例えば、図９（ｂ）に示すように、四対のプラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７を使用する場合、一対のプラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７を、シリンダヘッドの吸気ポート間の外周側近傍にプラズマ生成器１０、中心部側近傍に電磁波放射用アンテナ７に配設する。そして、残り三対のプラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７を、シリンダヘッドの排気ポート間、吸気ポートと排気ポートの間（２箇所）に対して同様の位置に配設することもできる。通常の内燃機関では、中心に点火プラグを設けることで火炎温度は中心付近が約８００℃程度の低温で、シリンダの外周付近で約２０００℃の高温となりシリンダ壁面に熱が伝達して大きな熱損失となっている。この様にプラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７を配設することで、火炎の伝播はシリンダ内で外側から内側に流れ熱損失を大幅に低減することができる。

＜実施形態３＞内燃機関
本実施形態３は、実施形態１に係る点火装置１を備えた内燃機関３０である。点火装置１は、燃焼室２０を対象空間としてマイクロ波プラズマを生成する。内燃機関３０は、図２に示すように、レシプロタイプのガソリンエンジンであるがこれに限定するものではない。内燃機関３０は、内燃機関本体３１と実施形態１の点火装置１とを備えている。

内燃機関本体３１は、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダが複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室２０を区画している。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火装置１のプラズマ生成器１０の先端部が内燃機関本体３１の燃焼室２０に露出するように複数設けられている。プラズマ生成器１０の先端部は、放電電極６として機能する。本実施形態では、プラズマ生成器１０は、従来の自動車エンジンのスパークプラグと比べて、その外径を小径かし、小型化することができる。そのため、吸排気ポートを形成する関係から、配設スペースが限られたシリンダヘッド２２に、複数のプラズマ生成器１０を配設することが可能となる。

シリンダヘッド２２には、シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５を開閉する吸気バルブ２７が設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６を開閉する排気バルブ２８が設けられている。

シリンダ２４に対して、燃料噴射用のインジェクター２９が１つずつ設けられている。インジェクター２９は、２つの吸気ポート２５の少なくとも一方の上流側に噴出孔を形成し、吸気とともに燃焼室内に燃料を噴霧する。また、インジェクター２９は、２つの吸気ポート２５の開口の間から燃焼室２０に突出させ、所謂直噴型インジェクターとして構成しても構わない。この場合、インジェクター２９は、複数の噴射口から互いに異なる方向へ燃料を噴射する。直噴型インジェクターとしたときは、ピストン２３の頂面に向かって燃料を噴射する。また、インジェクター２９は、吸気ポート及び燃焼室の両方に設けるツインインジェクター方式とすることもできる。

そして、点火装置１のプラズマ生成器１０は、図１１（ａ）に示すように、燃焼室２０の天井面２０Ａ（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心並びにシリンダヘッド２２の吸気ポート２５、２５間、排気ポート２６、２６間及び吸気ポート２５と排気ポート２６との間に配設するようにしている。

各プラズマ生成器１０の放電電極６からの放電は、制御装置４によって、各プラズマ生成器１０への電磁波の供給を、時間差をもって行い、それぞれが異なるタイミングで放電するように制御することが好ましい。これによって、電磁波発振器３にパルス電流を供給する電磁波用電源２の小型化及び電磁波発振器３の電磁波発振用半導体チップの低容量化を促進する。また、最初に放電するプラズマ生成器１０へ供給するパルス電流よりもそれ以降に放電するプラズマ生成器１０へ供給するパルス電流を低出力とすることができる。これは、最初に放電するプラズマ生成器１０を天井面２０Ａの中心に配設したプラズマ生成器１０とし、このプラズマ生成器１０からの放電（スパーク放電）によって混合気に着火する種火を形成し、それ以降に放電するプラズマ生成器１０からの放電は、最初の放電によって生成されたプラズマを維持・拡大させることを目的とする場合に有効であり、トータルの消費電力の低減を図ることができる。

また、点火装置１のプラズマ生成器１０は、図１１（ｂ）に示すように、燃焼室２０の天井面２０Ａの外周に沿うように配設することができる。この場合の放電のタイミングは、各プラズマ生成器１０からの放電が円又は半円を描くように順に放電するように制御することができる。具体的には、図に示すように、プラズマ生成器１０Ａからプラズマ生成器１０Ｈの８基のプラズマ生成器（各共振回路の共振周波数を異なる周波数となるように設定する。）を配設した場合、プラズマ生成器１０Ａ〜プラズマ生成器１０Ｈの順に放電させることで放電の順番が円を描くようになる。これらの制御は制御装置４によって、電磁波発振器３の発振する周波数の制御によって行う。また、
（１） プラズマ生成器１０Ａ
（２） プラズマ生成器１０Ｂ及びプラズマ生成器１０Ｈを同時
（３） プラズマ生成器１０Ｃ及びプラズマ生成器１０Ｇを同時
（４） プラズマ生成器１０Ｅ
の順に放電することで放電の順番が反円を描くようになる。この場合、プラズマ生成器１０Ｂとプラズマ生成器１０Ｈ、プラズマ生成器１０Ｃとプラズマ生成器１０Ｇ、プラズマ生成器１０Ｄとプラズマ生成器１０Ｆそれぞれの共振回路の共振周波数を同じ周波数に設定する。

さらに、プラズマ生成器１０Ａ、プラズマ生成器１０Ｃ、プラズマ生成器１０Ｅ及びプラズマ生成器１０Ｇを同時に放電させ、次いで、残りのプラズマ生成器１０Ｂ、プラズマ生成器１０Ｄ、プラズマ生成器１０Ｆ及びプラズマ生成器１０Ｈを放電させるようにすることもできる。

また、図１２（ａ）に示すように、燃焼室２０の天井面２０Ａの外周に沿うように配設するプラズマ生成器１０を、プラズマ生成器１０Ａからプラズマ生成器１０Ｌまでの１２基配設することもできる。この場合の放電の順番も上述した場合と同様、放電の順番が沿又は半円を描くように放電の順番を決定する等、種々のパターンを選択することができる。さらに、図１２（ｂ）に示すように、プラズマ生成器１０を配設することもできる。この場合、天井面２０Ａの中心近傍に配設するプラズマ生成器１０に出力するパルス電流を外周側に配設する、プラズマ生成器１０に出力するパルス電流よりも低出力に設定することもできる。

図１１及び図１２に示すように、特に図１１（ｂ）及び図１２（ａ）に示すように、燃焼室２０の天井面２０Ａ外周にプラズマ生成器１０を複数配設するときは、火炎の伝播は、シリンダ２４内で外側から内側に流れることとなり、シリンダ壁面に伝達する熱量を低減させ、熱損失を大幅に低減することができる。このように、本実施形態の内燃機関３０においては、混合気に着火した後、熱損失を下げるとともに、熱発生位置をプラズマ生成器１０からの放電開始時期を調整することでコントロールすることができる。これらのコントロール（放電出力、放電位置、放電タイミングのコントロール）は、電磁波発振器３として半導体チップ（ＲＦチップ）を利用することで、ｎｓｅｃ（ナノ秒）オーダーで制御することが可能である。

−実施形態３の効果−
本実施形態２の内燃機関においては、実施形態１と同様の点火装置を用いていることで、高電圧を利用した点火プラグとマイクロ波放射アンテナとを備える従来のプラズマ生成装置を備える内燃機関のように複数の電源を必要とせず、複雑な伝送線路等も必要としない。さらに、本実施形態の内燃機関においては、プラズマ生成器１０の放電電極６となる先端部は、従来の自動車エンジンのスパークプラグの放電部よりも外形が小径であり、シリンダヘッドに複数配設することができる。また、配設位置の自由度も高く、着火位置（熱発生位置）を容易に設定することができる。

また、内燃機関として、予混合圧縮着火方式（ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ））を採用することができる。予混合圧縮着火方式は、ガソリンをディーゼルエンジンのように自己着火させる方式であるが、着火時期が燃焼室内の温度に依存するため、そのコントロールが困難である。そのため、本発明の点火装置１のプラズマ生成器１０を用いることにより、電磁波の出力等を制御することで、燃焼室内の温度を容易にコントロールすることができ、予混合圧縮着火方式の欠点を補うことができる。

＜実施形態４＞内燃機関
本実施形態３は、実施形態２に係る点火装置１を備えた内燃機関３０である。点火装置１は、燃焼室２０を対象空間としてマイクロ波プラズマを生成する。内燃機関３０は、実施形態３と同様、図２に示すように、レシプロタイプのガソリンエンジンであるがこれに限定するものではない。内燃機関３０は、内燃機関本体３１と実施形態２の点火装置１とを備えている。

内燃機関本体３１の構成は、実施形態３と同様であり、説明を省略する。

そして、この内燃機関３０は、燃焼室２０の天井面２０Ａに、少なくとも１基のプラズマ生成器１０及び少なくとも１基の電磁波放射用アンテナ７を配設するようにしている。

プラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７の配設位置は、特に限定されないが、図９（ａ）に示す位置に配設する。

燃焼室２０の天井面２０Ａ（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の略中心に配設されるプラズマ生成器１０は、燃焼室２０内で混合気に点火するための種火となるプラズマを生成する役割を果たす。そして、電磁波放射用アンテナ７から照射される電磁波は、プラズマ生成器１０から放電されるプラズマを、維持・拡大させる電磁波パルスを出力する。そのため、電磁波放射用アンテナ７に出力するパルス電圧は、電磁波発振器３から昇圧回路を介する必要はなく、また電磁波発振器３内部に配設される増幅器を介する必要もない。

−実施形態４の効果−
本実施形態４の内燃機関においては、高電圧を利用し、混合気に着火するプラズマを放電するプラズマ生成器１０と、このプラズマ生成器１０から放電したプラズマを維持・拡大させるための電磁波を照射する電磁波放射用アンテナ７とを備え、電磁波放射用アンテナ７から照射する電磁波は低い電圧でよく、全体として必要な電力を抑えることができる。

−実施形態４の変形例１−
実施形態４の変形例１においては、実施形態２の変形例１と同様の内燃機関の点火装置を備えている。このような点火装置の詳細については、実施形態２の変形例１において詳細に説明したので、ここでの説明を省略する。本変形例の内燃機関においては、このような点火装置を備えていることで、プラズマ生成器１０からの反射波を有効に利用し、必要な電力の合計量を低減させることができる。

このようにプラズマ生成器１０及び電磁波放射用アンテナ７の配設することで、本実施形態の内燃機関は、火炎の伝播が、シリンダ２４内で外側から内側に流れることとなり、シリンダ壁面に伝達する熱量を低減させ、熱損失を大幅に低減することができる。

以上説明したように、本発明の点火装置は、電磁波のみでプラズマを生成、拡大、維持させることができるため、電源は一つで足り、複雑な伝送線路等を必要としない。さらには、本発明の点火装置に使用されるプラズマ生成器は、一般的なスパークプラグと比べてシリンダヘッドへの取付部の外形寸法を小径とすることができるので、配設位置の自由度が高く、容易に複数のプラズマ生成器を取り付けることができ、電磁波のみによってもプラズマの生成、拡大、維持を効率よく行うことができ、消費電力の合計量を低減することができ内燃機関の燃焼効率の向上を図ることができる。そのため、本発明の点火装置は、自動車エンジン等の内燃機関等に好適に用いられる。

１ 点火装置
２ 電磁波用電源
３ 電磁波発振器
４ 制御装置
５ 昇圧回路
６ 放電電極
７ 電磁波放射用アンテナ
８ 分配器
１０ プラズマ生成器
２０ 燃焼室
２０Ａ 天井面
３０ 内燃機関
５１ ケース
５１ 外ケース
５１ａ 先端部
５２ 入力部
５３ 中心電極
５４ 電極
５５ 中心電極
５５ａ 放電部
５５ｂ 軸部
５７ 誘電体
５９ 絶縁体

Claims (10)

1. 内燃機関の点火装置であって、
   電磁波を発振する電磁波発振器と、
   前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
   前記電磁波発振器と容量結合した第１のコンデンサ及び放電電極部分で構成される第２のコンデンサからなる共振回路を含む昇圧回路並びに該昇圧回路により発生した高電圧を放電させる放電電極を構成する放電部を一体的に形成したプラズマ生成器と
   を備え、
   前記プラズマ生成器を、前記放電電極が内燃機関の燃焼室に露出するように複数配設した内燃機関の点火装置。
2. 前記プラズマ生成器を、内燃機関の燃焼室天井面の中心並びに該天井面に形成される吸気ポート間、排気ポート間及び吸気ポートと排気ポートとの間に配設した請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 前記プラズマ生成器を、内燃機関の燃焼室天井面の外周に沿うように配設した請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
4. 前記制御装置が、各プラズマ生成器への電磁波の供給を、時間差をもって行うように制御する請求項１、２又は３に記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記制御装置が、各プラズマ生成器の放電電極からの放電が円又は半円を描くように電磁波発振器の発振制御を行うようにした請求項４記載の内燃機関の点火装置。
6. 前記複数のプラズマ生成器の共振回路は、それぞれ異なる周波数特性で共振するように構成し、前記制御装置が、それぞれの共振回路が共振する周波数を指定して電磁波発振器の発振制御を行うようにした請求項１、２又は３に記載の内燃機関の点火装置。
   
7. 内燃機関の点火装置であって、
   電磁波を発振する電磁波発振器と、
   前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
   前記電磁波発振器と容量結合した第１のコンデンサ及び放電電極部分で構成される第２のコンデンサからなる共振回路を含む昇圧回路並びに該昇圧回路により発生した高電圧を放電させる放電電極を構成する放電部を一体的に形成したプラズマ生成器と
   該プラズマ生成器によって生成した電磁波プラズマをアシストする電磁波を放射する電磁波放射アンテナと
   を備え、
   前記プラズマ生成器を、前記放電電極が内燃機関の燃焼室に露出するように配設し、
   前記電磁波放射アンテナを、前記プラズマ生成器によって生成した電磁波プラズマを離れた方向に向かって移動させる位置に、少なくとも１基配設した内燃機関の点火装置。
8. 前記電磁波放射アンテナへの電磁波の供給を、プラズマ生成器からの反射波を利用するようにした請求項７記載の内燃機関の点火装置。
9. 前記電磁波発振器、プラズマ生成器及び電磁波放射アンテナを、電磁波発振器の進行波はプラズマ生成器、プラズマ生成器からの反射波は電磁波放射用アンテナに流れるようにサーキュレータの接続端子に接続した請求項８記載の点火装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の点火装置と、燃焼室が形成された内燃機関本体とを備える内燃機関。

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