JP6620748B2 - インジェクタユニット、及び点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、インジェクタユニットに関する。特に、既存のディーゼルエンジンにおいて圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）等の気体燃料を使用可能とするためのインジェクタユニットに関する。また、このようなインジェクタユニットに用いられる点火プラグに関する。

ディーゼル排ガスを減らすための一手法として、レトロフィット技術がある。レトロフィット技術とは、既存のエンジンに対して部品を変更・追加することによりエンジンの排気性能を改善するものである。例えば、アメリカ合衆国環境保護庁（ＥＰＡ：Environmental Protection Agency）が推奨している（非特許文献１）。このレトロフィット技術はアフターマーケットとも呼ばれている。

また、ディーゼル排ガスを減らす方法として、燃料を軽油からＣＮＧに変更することも有効である。そこで、軽油インジェクタをＣＮＧインジェクタに交換することも考えられる。

しかし、ＣＮＧは軽油よりも着火温度が高いので、単にインジェクタを交換するだけでは着火することができない。そこで、軽油をパイロットとして使用するか、点火プラグ等の着火手段を併用することが考えられる（非特許文献２）。前者の例としては特許文献１が、後者の例として特許文献２、３がある。

http://www.epa.gov/cleandiesel/technologies/index.htm（米国EPAホームページ、平成26年5月30日検索） 「高効率大型ガスエンジンを開発」（三井造船技報No.191(2007-6), P.19-25） 特開２０１２−１４９５３７号公報 米国公開２０１２−１０３３０２号公報 米国特許８０９１５２８号公報 米国特許７９６３２６２号公報 特開２００７−１１３５７０号公報 国際公開第２０１２／００５２０１号公報

しかし、特許文献１の構成を採用した場合、自動車に軽油用タンクと天然ガス用タンクの両方を搭載する必要があり、自動車の重量が大きくなったり、メンテナンス負担が増大したりする。また、軽油の給油と天然ガスの給油の両方を考慮する必要があり、運転手には煩雑である。

特許文献２に記載の構成では、吸気マニフォルド側に別途インジェクタを設ける必要があり、インジェクタ挿入用の孔を加工する必要がある。したがって、レトロフィット技術には適さない。

特許文献３に記載の構成を採用した場合、マニフォルドに孔を設ける必要は無いが、構造が複雑であり高価なため、レトロフィット技術には適さない。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明のインジェクタユニットは、インジェクタと、共振構造によりマイクロ波を昇圧し、放電を行うイグナイタと、インジェクタ及びイグナイタを収納するケーシングを備える。イグナイタは、放電部、入力されたマイクロ波を伝送する第１部分、マイクロ波と該イグナイタとのインピーダンス整合を行うために容量結合を行う第２部分、容量結合されたマイクロ波を放電部に伝送する第３部分を有する。該イグナイタは、第１部分と第２部分の境界、第２部分と第３部分の境界、又は第１部分内において屈曲していることを特徴とする。

本発明のインジェクタユニットによれば、既存のディーゼルエンジンにおいてＣＮＧ等の気体燃料を使用可能とする。

インジェクタユニット１の構成を示す図である。（ａ）は一部断面の正面図、（ｂ）は一部断面の側面図、（ｃ）は一部断面の背面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は底面図である。 イグナイタ３の構成を示す図である。（ａ）は正面図であり、（ｂ）は断面正面図である。 イグナイタ３の等価回路である。 インジェクタユニット１の他の構成例を示す図である。 インジェクタユニット１の他の構成例を示す図である。 インジェクタユニット１の他の構成例を示す図である。

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、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。

（第１の実施形態）
図１は、インジェクタユニット１の構成を示す図である。（ａ）は一部断面の正面図、（ｂ）は一部断面の側面図、（ｃ）は一部断面の背面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は底面図である。同図に示すように、インジェクタユニット１は、気体燃料の一種であるＣＮＧを噴射する２個のＣＮＧインジェクタ２、２と、イグナイタ３と、これらを収納するケーシング４からなる。

インジェクタ２は、本例では、ポート噴射用のインジェクタで広く用いられているソレノイドインジェクタである。図１（ａ）を参照して、インジェクタ２は、フィルタ等が収容される後端部２ａ、ニードルバルブを駆動するためのソレノイド等が収容される中央部２ｂ、ニードルバルブやノズル等が配置される先端部２ｃを有する。中央部２ｂの直径は先端部２ｃの直径よりも大きく、典型的には２倍以上である。

イグナイタ３は、ＣＮＧを着火するための着火手段の一種である。このイグナイタ３は、共振器による昇圧方式により高電圧を生成して放電を行う点火プラグの一種である。この放電により、その近辺のガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、これにより燃料が点火する。ＣＮＧは軽油よりも着火温度が高く、圧縮自着火が困難である。そこで、インジェクタユニット１では、着火アシストのためイグナイタ３が用いられる。

図１（ａ）又は図２（ａ）を参照してイグナイタ３は、マイクロ波が入力される入力部分３ａ、マイクロ波とイグナイタ３のインピーダンス整合等を目的とした容量結合が行われる結合部分３ｂ、及び電圧の増幅や放電を行う増幅／放電部分３ｃに分かれる。そして、図１（ｂ）を参照して、入力部分３ａと結合部分３ｂの境界及び結合部分３ｂと増幅／放電部分３ｃの境界で屈曲している。イグナイタ３は導電性の金属からなるケース３１により内部の各部材が収容される。イグナイタ３の構成の詳細は後述する。

ケーシング４は、複数の筒部を有する円柱状の部材であり、図１（ａ）のように後端部４ａ、中央部４ｂ、先端部４ｃに分かれる。各部位の直径は、４ｃ、４ｂ、４ａの順に小さくなっている。ここで図１（ｄ）又は（ｅ）を参照して、２つのインジェクタ２は、ケーシング４の中心に対し点対称に配置され、イグナイタ３は、インジェクタ２Ａ及び２Ｂを結ぶ線分に直交する方向に配置される。

インジェクタユニット１は、圧縮着火方式エンジンの一種であるディーゼルエンジンのシリンダヘッドに、ケーシング４ごと挿入される。ＣＮＧインジェクタ２、イグナイタ３の放熱の関係上、ケーシング４は熱伝導率の高い金属で構成される。従い、実際にはインジェクタ２やイグナイタ３はケーシング４に隠れるので、インジェクタユニット１を正面視等した場合視認できないが、本図では説明の便宜上、ケーシング４は透明なものとして図示している。

なお、図１の例では、インジェクタ２のうち、後端部２ａと中央部２ｂはケーシング４の後端部４ａに配置され、先端部２ｃは中央部４ｂに配置される。また、イグナイタ３のうち、入力部分３ａはケーシング４の後端部４ａに配置され、結合部分３ｂは後端部４ａと中央部４ｂにまたがって配置され、増幅／放電部分３ｃは中央部４ｂに配置される。

インジェクタ２は、先端部２ｃに比べて中央部２ｂの直径が大きい。従って、仮にイグナイタ３が通常のイグナイタのようにストレートな構造の場合、イグナイタ３の入力部分３ａとインジェクタの中央部２ｂが干渉する。これに対し、イグナイタ３は屈曲しているため、上記入力部分３ａと中央部２ｂは干渉しない。

換言すれば、イグナイタ３がストレートな構造の場合、増幅／放電部分３ｃをケーシングの中央部４ｂに配置することができず、後端部４ａに配置せざるを得ない。この結果、インジェクタ２の噴射口よりも後ろ側で放電が起きることとなるので、燃料を点火させることが困難となる。

尚、仮に２つのインジェクタ２を中心線（ケーシング４の中心を通る線）からずらせて配置すれば（例えば２個のインジェクタ２を、図１（ｂ）における紙面左側にずらせて配置すれば）、イグナイタ３を曲げ構造にしなくてもインジェクタ２とイグナイタ３の両方の先端部がケーシングの中央部４ｂに位置するように配置させることもできる。しかし、噴射性能を考慮すれば、２つのインジェクタ２はケーシング４の中心に対し点対称に配置した方が好ましい。従い、イグナイタ３を曲げ構造にすることは、インジェクタ２の噴射性能向上にも寄与する。

次に、イグナイタ３の構成を説明する。イグナイタ３の断面正面図である図２（ｂ）も参照して、入力部分３ａには、外部の発振回路で生成されたマイクロ波を入力する入力端子３２、第１中心電極３３ａが設けられる。第１中心電極３３ａはマイクロ波を伝送する。第１中心電極３３ａとケース３１の間にはセラミック等の誘電体３９ａが設けられる。

結合部分３ｂには、第１中心電極３３ｂ、第２中心電極３４が設けられる。この結合部分３ｂは、専ら、発振回路とイグナイタ３のインピーダンス整合を行うことを目的に設けられている。第１中心電極３３ｂは、第１中心電極３３ａに接続しており、かつその接続部分で屈曲している。第２中心電極３４は、増幅／放電部分３ｃ側に底部を有する筒状構成であり、筒状部が第１中心電極３３ｂを囲む。棒状の第１中心電極３３ｂと筒状の第２中心電極３４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極３３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極３４へ伝送される。第２中心電極３４の筒状部分には、セラミック等の誘電体３９ｂが充填され、第２中心電極３４とケース３１の間にもセラミック等の誘電体３９ａが設けられる。

増幅／放電部分３ｃには、第３中心電極３５、放電電極３６が設けられる。第３中心電極３５は、第２中心電極３４と接続しており、第２中心電極３４のマイクロ波が伝送される。放電電極３６は、第３中心電極３５の先端部に取付けられる。第３中心電極３５はコイル成分を有しており、マイクロ波の電位は第３中心電極３５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極３６とケース３１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極３６とケース３１の間で放電が起きる。

図３は、イグナイタ３の等価回路を示す図である。外部の発振回路（ＭＷ）から入力されるマイクロ波（電圧Ｖ１、周波数２．４５ＧＨｚ）は容量Ｃ１を介して、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２からなる共振回路に接続される。また、容量Ｃ３と並列に放電部が設けられる。

ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極３４と第１中心電極３３の位置関係（両電極間の距離や対向する面積）や電極間に充填される材料（本例ではセラミック構造の誘電体３９ｂ）により決まる。第１中心電極３３は、インピーダンスの調整を容易にすべく、その軸芯方向に移動可能な構成としても良い。

容量Ｃ２は、第２中心電極３４とケース３１によって形成される接地容量であり、第２中心電極３４とケース３１との距離や対向面積、及び誘電体３９ｃの誘電率によって決まる。ケース３１は導電性の金属で構成されており、接地電極としても機能する。

リアクタンスＬは、第３中心電極３５のコイル成分に相当する。

容量Ｃ３は、第３中心電極３５、放電電極３６及びとケース３１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極３６の形状、大きさ及びケース３１との距離、（２）第３中心電極３５とケース３１との距離、（３）第３中心電極３５とケース３１の間に設けた間隙（空気層）３７や誘電体３９ｄの厚み、等で決まる。Ｃ２＞＞Ｃ３とすれば、容量Ｃ３の両端の電位差をＶ１よりも十分に大きくすることができ、その結果、放電電極３６を高電位にすることができる。更にはＣ３を小さくすることができるから、コンデンサの面積も小さくて済む。なお、容量Ｃ３は実質的には、第３中心電極３５とケース３１のうち、誘電体３９ｄを挟んで対向する部分によって決まる。逆に言えば、間隙（空気層）３７の軸方向の長さを変えることで容量Ｃ３の調整を行うこともできる。

結合容量Ｃ１が十分に小さいと看做せる場合、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２は直列共振回路をなし、共振周波数ｆは数式１で表現できる。

つまり、ｆ＝２．４５ＧＨｚとした場合に、放電容量Ｃ３、コイルリアクタンスＬ、及び接地容量Ｃ２が数式１の関係を満たすようにイグナイタ３は設計される。

上述のようにイグナイタ３は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（イグナイタ３に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放電電極３６と接地電極（ケース３１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火する。

また、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、イグナイタ３は、小型化に有利である。また、昇圧方式を採用する結果、イグナイタ３のうち、放電電極３６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。これらの点において、本発明のイグナイタは、従来の共振構造のイグナイタ（例えば、特許文献４）よりも優れている。

更にイグナイタ３は屈曲構造としているので、インジェクタユニット１のように、狭い空間にイグナイタを挿入することができる。

なお、イグナイタ３では、入力部分３ａと結合部分３ｂの境界、及び結合部分３ｂと増幅／放電部分３ｃの境界において屈曲している。仮に結合部分３ｂで屈曲させる構成とすると、第１中心電極３３と第２中心電極３４の間で生じる容量結合の大きさの分布が軸対象にならず、この結果、放電電極５６から生じる放電が指向性を持つので好ましくない。また、筒状部材である第２中心電極３４を屈曲させることは、製造面でも困難性を伴う。

これに対し、一方、入力部分３ａと結合部分３ｂの境界では、第１中心電極３３と第２中心電極３４は対向しないので、この位置で屈曲させても第１中心電極３３と第２中心電極３４の間で生じる容量結合の大きさにはさほど影響を与えない。従って、既に設計したイグナイタの設計値が活かせるので、電気設計の工数を減らすことができる。

なお、上記のイグナイタ３屈曲部は角状であるが、Ｒ状に（ゆるやかに）曲げた構造であっても良い。

（第２の実施形態）
図４に示すような形態も考えられる。

同図（ａ）のように、１箇所のみを屈曲させたイグナイタ３を用いても良い。この構成によれば、イグナイタの放電箇所をインジェクタの噴流に近づけることができる。なお、このイグナイタ３は、入力部分３ａと結合部分３ｂの境界部分を屈曲させ、結合部分３ｂと増幅／放電部分３ｃの境界部分は屈曲させない構成とすることにより実現できる。

同図（ｂ）のように、結合部分３ｂの長さを長くしたイグナイタ３を用いても良い。この構成によれば、インジェクタ及びイグナイタの先端部をケーシング４の先端部４ｃに配置でき、インジェクタの噴射口やイグナイタの放電部を燃焼室に接近させることができる。これにより、インジェクタユニット１による着火特性を向上させることができる。なお、このイグナイタ３は、第１中心電極３３ｂのうち、第２中心電極３４と対向しない部分の長さを延長することで実現できる。

同図（ｃ）のように、結合部分３ｂの長さを長くし、かつ、１箇所のみを屈曲させたイグナイタ３を用いても良い。この構成によれば、インジェクタの噴射口を燃焼室に接近させ、かつ、イグナイタの放電箇所をインジェクタの噴流に近づけることができる。

但し、上記（ａ）〜（ｃ）のいずれを採用するかは、インジェクタユニット１が取付けられるシリンダヘッドの孔（インジェクタ挿入用の孔）の形状、大きさによる。本発明のイグナイタは屈曲することができ、かつ長さの変更ができるため、様々なシリンダヘッドに対応させることが容易である。特にインジェクタユニット１をレトロフィット用に使用する場合、様々なタイプのディーゼルエンジン（のシリンダヘッド）に対応する必要があるが、各エンジンに対し、個別にイグナイタを設計することは煩雑である。しかし、本願発明のイグナイタによれば、電気特性に影響を及ぼさない箇所で曲げたり、或いは長さ調整を行ったりするので、電気設計の工数を著しく増加させること無く、様々な形状のイグナイタの設計が可能となる。この結果、開発コストを低減でき、ひいては商品のコストダウンを図ることができ、購入者に恩恵を与える。

（第３の実施形態）
図５に示すような形態も考えられる。（ａ）は一部断面の正面図、（ｂ）は一部断面の側面図、（ｃ）は一部断面の背面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は底面図である。

第１、第２実施形態では、イグナイタ３の先端部（増幅／放電部分３ｃ）がケーシング４の中心軸からずれていたが、本実施形態では、イグナイタ３の先端部がケーシング４の中心軸上にある。

仮にイグナイタ３が通常のイグナイタのようにストレートな構造の場合、イグナイタ３の入力部分３ａとインジェクタの中央部２ｂが干渉するため、イグナイタ３の先端部をケーシングの中心軸上に配置させることができない。

これに対し、本実施形態のイグナイタ３は屈曲しているため、インジェクタ２と干渉することなく、イグナイタ３の先端部をケーシングの中心軸上に配置させることができる。つまり、ケーシングの中心でイグナイタ３による放電が行われるので、燃料の着火特性の向上に寄与する。

（第４の実施形態）
図６に示すような形態も考えられる。本実施形態では、イグナイタ３を２つ用いた構成としている。

同図（ａ）はイグナイタ３の先端部（増幅／放電部分３ｃ）をケーシング４の中央部４ｂに配置させた例である。この例では、インジェクタ２の噴射口近辺でイグナイタ３による放電が行うことができる。

同図（ｂ）は、イグナイタ３の先端部をケーシング４の先端部４ｃから露出させ、エンジンの燃焼室内に突き出させた例である。これにより、イグナイタ３による放電が行われるので、燃料の着火特性を向上させることができる。

同図（ｃ）は、２つのイグナイタ３のうち、一方のイグナイタはケーシング４の先端部４ｃから露出する一方、他方は露出させず、インジェクタ２の噴射口近辺に先端部を配置させる。例えば、燃料の噴射前は、インジェクタ２の噴射口の近辺にあるイグナイタ３を放電させ、この状態で燃料を噴射させることで種プラズマを生成させる。そして、燃料の噴射後は、ケーシング４から露出する方のイグナイタ３を放電させることにより、種プラズマを拡大させる。これにより、燃料の着火特性を向上させることができる。

なお、これらの例はいずれも、イグナイタ３が屈曲構成であるからこそ実現可能な例である。仮に通常のイグナイタのようにストレートな構造の場合、これらの配置は不可能である。即ち、屈曲構造のイグナイタ３を用いることにより、燃料の着火特性を向上させることができる。

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。

１ インジェクタユニット
２ インジェクタ
３ イグナイタ
３ａ 入力部分
３ｂ 結合部分
３ｃ 増幅／放電部分
３１ ケース（接地電極）
３２ マイクロ波入力端子
３３ 第１中心電極
３４ 第２中心電極
３５ 第３中心電極
３６ 放電電極
３７ 空隙
３９ 誘電体
４ ケーシング

Claims (2)

1. インジェクタと、
   共振構造によりマイクロ波を昇圧し、放電を行うイグナイタと、
   前記インジェクタ及び前記イグナイタを収納するケーシングを備え、
   前記イグナイタは、
   入力されたマイクロ波を伝送する第１中心電極を有する第１部分と、
   前記第１中心電極に接続された電極と、該電極と容量結合されて前記第１部分から入力されたマイクロ波を伝送する第２中心電極とを有する第２部分と、
   前記第２中心電極に接続されて前記第２部分から入力されたマイクロ波を伝送する第３中心電極と、前記第３中心電極の先端部に設けられた放電電極とを有する第３部分を有し、
   前記イグナイタは、前記第１部分と前記第２部分の境界、前記第２部分と前記第３部分の境界、又は前記第１部分内において屈曲していることを特徴とするインジェクタユニット。
2. イグナイタであって、
   入力されたマイクロ波を伝送する第１中心電極を有する第１部分と、
   前記第１中心電極に接続された電極と、該電極と容量結合されて前記第１部分から入力されたマイクロ波を伝送する第２中心電極とを有する第２部分と、
   前記第２中心電極に接続されて前記第２部分から入力されたマイクロ波を伝送する第３中心電極と、前記第３中心電極の先端部に設けられた放電電極とを有する第３部分を有し、
   当該イグナイタは、前記第１部分と前記第２部分の境界、前記第２部分と前記第３部分の境界、又は前記第１部分内において屈曲していることを特徴とするイグナイタ。

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