JP6650085B2 - プラズマ発生装置及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置及び内燃機関に関する。

従来から、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマを電磁波（マイクロ波）により拡大させるプラズマ発生装置が開発されている（特開２００９−０３６１９８号公報参照）。このプラズマ発生装置においては、放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波のエネルギとを混合する混合回路が設けられており、この混合回路は点火プラグの入力端子に接続されている。これにより、電磁波のエネルギと高電圧パルスとは同じ伝送線路に重畳されて点火プラグに供給されるため、点火プラグは、スパーク放電電極と電磁波放射用アンテナとを兼用することができる。

しかし、従来のプラズマ発生装置においては混合回路が点火プラグの上に配設される構造であるため、エンジン内の限られた空間において、このような混合回路を設置するスペースを確保するのが困難であるという不都合がある。

特開２００９−０３６１９８号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、混合回路を備えるプラズマ発生装置を小型化し、エンジン内の限られた空間に容易に設置できるようにすることである。

放電電圧を供給するための点火コイルと、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
放電のためのエネルギと電磁波のエネルギとを混合する混合器と、
放電を起こし、かつ電磁波のエネルギを燃焼反応又はプラズマ反応が行われる反応領域に導入する点火プラグとを備え、
上記反応領域に対し、放電と電磁波のエネルギとを併用して、上記燃焼反応又はプラズマ反応を始動させるプラズマ発生装置であって、
上記混合器を形成する部材の一部として、上記点火プラグを構成する部材の一部を用いることを特徴とするプラズマ発生装置である。

本発明のプラズマ発生装置は、混合器を形成する部材の一部として、点火プラグを構成する部材の一部を用いることで、混合器を点火プラグ周辺にコンパクトに配置することができ、プラズマ発生装置自体の小型化を実現できる。また、このように構成することで、混合器と点火プラグとを繋ぐ伝送線路でのパワーロスを低減することができる。

上記点火プラグを構成する部材の一部は、上記点火プラグの碍子部、中心電極又はターミナル端子であることが好ましい。絶縁体である点火プラグの碍子部、導電性を有するターミナル端子及び中心電極は、混合器における混合回路の一部として有効に用いることができる。

上記混合器は、容量結合方式又は容量結合方式と誘導結合方式の組合せによる方式を用いていることが好ましい。電磁波のエネルギと放電電圧との結合方式として上記の方式を選択することで、効率よく両者を混合することができる。

上記容量結合方式として、上記電磁波発信器に接続される上記混合器の管状伝送経路の先端部と上記点火プラグの中心電極とにより構成したコンデンサを用いることが好ましい。従来の混合器における容量結合方式として用いるコンデンサは、管状伝送経路と混合器内の中心電極部分とで構成されていた。これに対して、上記構成を採用することで、混合器を点火プラグ周辺にコンパクトに配置することができる。また、管状伝送経路の先端部と上記点火プラグの中心電極とは、誘電率の高いセラミック等で構成される点火プラグの碍子部が介在してコンデンサを構成しているから、小型かつ高効率の容量接続方式を実現することができる。

上記点火コイルと上記混合器とを連結する回路上には、電磁波漏洩防止用の共振器を備えることが好ましい。上記回路上に電磁波漏洩防止用の共振器を備えることで、混合回路から点火コイルへの電磁波の漏洩を防止することができるため、点火コイルの損傷、パワーロスを防ぐことができる。

上記共振器が、偶数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造及び奇数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造の少なくとも１の共振構造を備えることが好ましい。上記共振器がこのような共振構造を備えることでより効率良く電磁波の漏洩を防止することができる。また、偶数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造と奇数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造とを共に備えることで、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電磁波発振器から出力したときに、発生することがある偶数倍波の外部への漏洩を確実に防止することができる。

本発明のプラズマ発生装置においては、上記共振器の位置、内径、外径、長さ、厚さ又は誘電率を調整することで共振周波数を調整することが好ましい。このように共振周波数を調整することで、燃焼室内の反応状態等に合わせて、効率よく電磁波の漏洩を防止することができる。また、共振器の配設位置としては、混合器の内部に配設したり、高電圧パルス（放電のためのエネルギ）の入力部分に配設したり、その両方に、それぞれ偶数次調波と奇数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造を備える共振器を配設することができる。

本発明のプラズマ発生装置においては、点火プラグを取り付けるプラグホールの内周面又はプラズマ発生装置の外周面に、電磁波外部漏洩防止部材を配設することができる。これにより、プラズマ発生装置の外装部先端とプラグホールとの間に隙間が生じ、プラズマ発生装置の外装部先端から電磁波が漏洩した場合でも、プラグホールを越えた外部への電磁波の漏洩を防止することができる。

本発明のプラズマ発生装置は、上記電磁波発振器から発振される電磁波を共振さる共振回路をさらに備えることが好ましい。当該プラズマ発生装置は、上記の共振回路をさらに備えることで、上記電磁波発振器から発振される電磁波の伝送効率を向上させるように調整することができる。

上記共振回路は、上記電磁波発振器から発振される電磁波の１／４電気長の共振構造を有することが好ましい。当該プラズマ発生装置は、上記共振回路がこのような共振構造を有することで、電磁波の伝送効率をさらに向上させることができる。

上記電磁波発振器から出力される電磁波を増幅する増幅器をさらに備え、該増幅器の主線路に、上記電磁波発振器から発振される電磁波の１／８電気長の幅となるタブを設けることができる。これによって、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電磁波発振器から出力したときに、発生することがある偶数倍波の外部への漏洩を確実に防止することができる。

本発明は、当該プラズマ発生装置を備える内燃機関も含む。本発明の内燃機関は、当該プラズマ発生装置を備えることで、電磁波発振器から点火プラグまでの伝送線路における電磁波エネルギのロスを抑制することができるため、燃焼効率を向上させることができる。

本発明によると、混合回路を備えるプラズマ発生装置において、混合回路を点火プラグ周辺に設置できることで、プラズマ発生装置を小型化し、エンジン内の限られた空間に容易に配設できるようなプラズマ発生装置を供給することができる。また、本発明のプラズマ発生装置においては、混合器と点火プラグとが直接接続されているため、放電のエネルギと電磁波のエネルギのロスを抑制することができる。

実施形態に係る内燃機関の断面図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置のブロック図を示し、（ａ）は実施形態１のブロック線図、（ｂ）は実施形態３のブロック線図である。 実施形態に係る高電圧パルス発生装置の作動を説明する回路図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の全体を示す断面図である。 実施形態の変形例に係るプラズマ発生装置の点火プラグ部分を示す一部切り欠きの断面図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置における共振器の断面図である。

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−
本実施形態は、内燃機関本体１２と本発明に係るプラズマ発生装置１とを備えた内燃機関である。内燃機関１１はプラズマ発生装置１により、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマを電磁波（以下、本発明の実施形態ではマイクロ波という。）により拡大させることで燃焼反応を促進する。このプラズマ発生装置１においては、放電のためのエネルギと電磁波発振器５からのマイクロ波のエネルギとを混合する混合回路６が、点火プラグ８の碍子部８０及び中心電極８ａを部材の一部として用い、点火プラグ上にコンパクトに配置されている。

−内燃機関本体−
内燃機関本体１２は、図１に示すように、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２４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、ピストン２３及びガスケット１８と共に、円形断面の燃焼室２０を区画する区画部材を構成している。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火プラグ８が１つずつ設けられている。図１に示すように、点火プラグ８では、燃焼室２０に露出する先端部が、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）の中心部に位置している。点火プラグ８の先端部には、中心電極８ａの先端８ａ’及び接地電極８ｂが設けられている。中心電極８ａの先端８ａ’と接地電極８ｂとの間には、放電ギャップが形成されている。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ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の吸気側開口を開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口を開閉する排気バルブ２８が設けられている。なお、内燃機関１１は、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。なお、内燃機関１１は、レシプロタイプの内燃機関に限定されない。

−プラズマ発生装置−
本実施形態におけるプラズマ発生装置１は、図２（ａ）に示すように、制御装置４、高電圧パルス発生装置１０、電磁波発振器５及び点火部９を備える。高電圧パルス装置１０は、直流電源２及び点火コイル３からなる。点火部９は、共振器６、混合器７及び点火プラグ８を備える。高電圧パルス発生部１０及び電磁波発振器５のそれぞれから発振されたエネルギは、点火部９に伝達される。点火部９における混合器７は、高電圧パルス発生装置１０及び電磁波発振器５から与えられたエネルギを、時間を隔てて混合する。

混合器７において混合されたエネルギは、点火プラグ８に供給される。点火プラグ８に供給された高電圧パルスのエネルギは点火プラグ８の中心電極８ａの先端８ａ’と接地電極８ｂとの間、即ちギャップ部でスパーク放電を生じさせる。また、電磁波発振器５から発振されたマイクロ波のエネルギは、上記スパーク放電により生じた放電プラズマを拡大・維持させる。制御装置４は、直流電源２、点火コイル３及び電磁波発振器５を制御して、点火プラグ８からの放電及びマイクロ波エネルギ投入のタイミング、強度等を調節し、所望の燃焼状態を実現する。

−高電圧パルス発生装置−
高電圧パルス発生装置１０は、直流電源２及び点火コイル３を備えている。点火コイル３は、直流電源２に接続されている。点火コイル３は、制御装置４から点火信号を受けると、直流電源２から印加された電圧を昇圧する。昇圧後の高電圧パルスは、共振器６、混合器７及び点火プラグ８を備える点火部９に出力される。

高電圧パルス発生装置１０の動作を、図３に従って具体的に説明する。高電圧パルス発生装置１０は、端子１０Ａへの信号入力によりトランジスタＴ１、Ｔ２が導通し、コイル３ａに電流が流れる。そして、端子１０Ａの信号がオフになるとコイル３ａに流れていた電流が遮断され逆起電力によりコイル３ｂに、過大な高電圧が誘起され、点火プラグ８の中心電極８ａに電圧が生じるとともに点火プラグ８の放電ギャップ（中心電極８ａの先端８ａ’と接地電極８ｂとの間）で放電に至る。なお、制御装置４は、端子１０Ａの信号をオフにするタイミングから所定時間遅れたタイミングでマイクロ波が発生するよう制御する。これにより放電で生じイオン化した気体群、即ちプラズマに対してマイクロ波エネルギが効率よく与えられ、プラズマが拡大膨張する。

−電磁波発振器−
電磁波発振器５は、制御装置４から電磁波駆動信号を受けると、所定の発振パターンで電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波発振器５では、半導体発生装置がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発生装置の代わりに、マグネトロン等の他の発生装置を使用してもよい。これによりマイクロ波パルスは点火部９の混合器７に出力される。本実施例においては、図４に示すように、電磁波発振器５を１つの点火プラグ８（１の気筒）に対して、１台配設した例を示すが、複数の気筒（例えば、４気筒内燃機関）の場合、１つの電磁波発振器５から分岐手段（図示省略）を使用して各プラズマ発生装置１にマイクロ波パルスを分岐して出力するように構成することが好ましい。この場合、分岐手段（例えば、スイッチ等）を通過することでマイクロ波は減衰することとなる。そのため電磁波発振器５からの出力は低出力（例えば１Ｗ）とし、各プラズマ発生装置１において混合器７への入力前に増幅器（図示省略）を通過させるようにすることが好ましい。つまり、図４に示す電磁波発振器５の位置には増幅器（例えばパワーアンプ等）を配設するように構成することが好ましい。

−点火部−
点火部９は、共振器６、混合器７及び点火プラグ８を備えている。電磁波発振器５で発生したエネルギは直接に、高電圧パルス発生装置１０で発生したエネルギは共振器６を介して、混合器７に伝送される。混合器７は、電磁波発振器５及び高電圧パルス発生装置１０から与えられたエネルギを混合する。共振器６は、マイクロ波のエネルギが混合器７から点火コイル３側に漏洩するのを防止する。混合器７において混合されたエネルギは、点火プラグ８に供給される。点火プラグ８に供給された高電圧パルスのエネルギは点火プラグ８でスパーク放電を生じさせる。また、電磁波発振器５から発振されたマイクロ波のエネルギは、上記スパーク放電により生じた放電プラズマを拡大・維持させる。

（混合器）
混合器７は、高電圧パルス発生装置１０からの高電圧パルスと電磁波発振器５からのマイクロ波とを別々の入力端子７Ａ、７Ｂで受けて、同じ出力端子から点火プラグ８へ高電圧パルスとマイクロ波とを出力する。つまり、混合器７は高電圧パルスとマイクロ波とを混合可能に構成されている。混合器７では、入力端子７Ａが高電圧パルス発生装置１０に電気的に接続され、入力端子７Ｂが電磁波発振器５に電気的に接続されている。

この混合器７は、外筒７０Ｂが接地電位であるため結合管７１との間で同軸構造を形成する。結合管７１は円筒形であるため、内部に電界は発生しない。このため、マイクロ波は外筒７０Ｂと結合管７１の間を伝わり、結合管７１の先端部７１Ａへと給電される。先端部７１Ａと点火プラグ８の中心電極８ａとは、結合管７１における伝送線路の誘導成分Ｅ、結合管７１の先端部７１Ａと中心電極８ａ間の容量成分Ｃ１から形成される共振回路によって容量結合される（容量結合方式を構成するコンデンサに関しては後述する。）。その際の共振周波数ｆは、
ｆ＝１／（２π×（Ｅ×Ｃ１）^１／２）
で表され、この時、回路上には点火プラグ８の抵抗成分ｒ、結合管７１と外筒７０Ｂとの間の容量成分Ｃ２が存在するが、抵抗成分が十分に小さいため共振への影響は無視できる。したがって、共振周波数ｆは、先端部７１Ａの長さ（先端部７１Ａと中心電極８ａとの間で構成されるコンデンサの軸方向の長さ）または径を変化させることにより調整可能である。このように容量結合方式である場合は、コンデンサの容量は、数ギガヘルツ（ＧＨｚ）のマイクロ波の通過を許容し、短波帯の周波数は通過を阻止するように設定されている。

混合器７の構成を具体的に説明する。混合器７は、図４に示す通り、筒状の結合管７１（マイクロ波導管）と、この結合管７１と同軸で形成された外筒７０Ｂにマイクロ波が供給される。結合管７１の外径は点火プラグ８の外径より大きく、点火プラグ８の碍子部８０に誘電体を介して嵌めこまれている。結合管７１の一端はλ／４（ここで、λはマイクロ波の波長（電気長と記載する場合もある）をいう、以下同じ。）の倍数の長さの導体で接地してもよい。また、外筒７０Ｂ及び結合管７１の周面の所定の位置には、入力端子７Ａを配設するための切欠穴Ｈが設けられている。外筒７０Ｂは、点火プラグ８のねじ部の基端側から碍子部８０を覆うように配設されている接地用の外筒７０Ａと嵌め合い接続されている。嵌め合い部分からの電波漏洩を防止するため金属メッシュによるガスケットを配設することは好ましい。上記切欠穴Ｈに配設される高圧給電部分となる入力端子７Ａの先端（共振器６側）は、高電圧伝送路７２に嵌合されている。高電圧伝送路７２は、結合管７１と同軸で、かつ結合管７１に内接した絶縁物により保持されている。また、高電圧伝送路７２は、機械振動に耐えることができるように、図４に示す通り、一部若しくは全体をコイルバネＳで構成することが好ましい。また、高電圧伝送路７２には電波漏洩の吸収と雑音防止の為に抵抗体Ｒを接続することが好ましい。

上記共振器６は、高電圧伝送路７２の一部を覆うように結合管７１の内径に沿って軸中心に開口を設けた共振器である。共振器６の開口から結合管７１の先端（碍子部８０との嵌合部）までの距離はλ／２の倍数となるように定めている。この共振器６を配設することにより、高電圧伝送路７２の線路インピーダンスが高く維持され、伝送路間のインピーダンスの差が大きくなるため、マイクロ波が点火コイル３側に流れることを防止するとともに、結合管７１の先端電位を一層高めることになる。これらの効果により高圧電源はマイクロ波を重畳して点火プラグ先端に効率的に供給される。共振器６の具体的な構造については後述する。

そして、当該プラズマ発生装置１は、混合器７を形成する部材の一部として、点火プラグ８を構成する部材の一部が用いられている。具体的には当該プラズマ発生装置１では、混合器７の容量結合方式を構成するコンデンサＣが、上述したように混合器７の筒状の結合管７１の先端７１Ａ（管状伝送経路の先端部）と、点火プラグ８内部の中心電極８ａとによって構成されている。結合管７１の先端７１Ａと中心電極８ａとの間には、誘電率の高いセラミック等で構成される碍子部８０が介在しているから、小型かつ高効率の容量接続方式を実現することができる。この際、結合管７１の先端７１Ａから点火プラグ８の中心電極８ａの先端までの距離Ｌをλ／２の倍数となるようにすることで、結合管７１の先端部７１Ａで腹部となるマイクロ波が、放電ギャップにおいても同様に腹部となるマイクロ波を放射することができ、プラズマに対してマイクロ波エネルギを効率よく与えることができる。

このように、側面より給電された高圧電源は高電圧伝送路７２を通じて点火プラグ８のターミナル端子に接続され、マイクロ波は円筒状の結合管７１の先端７１Ａにより点火プラグ８を囲い込むように構成することで点火プラグ８の中心電極８ａと先端７１Ａとが容量結合され、中心電極８ａに容量結合されたマイクロ波は点火プラグ８の先端放電部に供給される。高圧電源が供給される側には共振器６が配設されているので、高電圧伝送路７２の線路インピーダンスが高く維持され、電線路間のインピーダンスの差が大きくなるため、マイクロ波は反射され、マイクロ波が点火コイル３側に流れることを防止するとともに、結合管先端電位を一層高めることになる。これらの効果により高圧電源はマイクロ波を重畳して点火プラグの先端に効率的に供給される。

（共振器）
共振器６は、混合器７から点火コイル３側へ漏洩しようとするマイクロ波を共振させる例えば、同軸構造の空洞共振器である。マイクロ波を共振器６内で共振させることにより点火コイル３側への漏洩を抑制することができる。共振器６は、図６に示すように、複数の共振構造を備えることができる。周知のとおり、共振器６の中では共振条件を満たす特定周波数のマイクロ波しか存在することができない。そのため共振器６の内筒に開口部分を設けることにより、共振条件を満たす特定の周波数をもったマイクロ波のみが共振器６へ入射し、定在波を作る。共振器６の最上部での定在波の振幅が最大になるよう設計すると、共振器６の開口部と共振器６上部での位相は１８０度ずれることとなり、共振器６に入射しないマイクロ波の振幅は最小になる。共振周波数は共振構造の長さによって決定されるため、使用するマイクロ波の周波数帯（例えば、２．４５GHｚ）が共振する大きさに調整することで、マイクロ波の漏洩を有効に防ぐことが可能となる。図６に示す共振器６は、第１の共振器６Ａを、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が共振するような寸法に調整し、第２の共振器６Ｂをその他の周波数帯、例えば、２．４５ＧＨｚ周辺の周波数帯（２．４１ＧＨｚ〜２．４４ＧＨｚ、２．４６ＧＨｚ〜２．４９ＧＨｚ等）や、２．４５ＧＨｚに対して倍となる４．９ＧＨｚの周波数帯のマイクロ波が共振するような寸法に調整することができる。また、第２の共振器６Ｂも第１の共振器６Ａと同様に２．４５GHｚのマイクロ波が共振するような寸法に調整することもできる。

具体的な共振器６の構造を説明する。共振器６の共振部分の材質としては、高電圧伝送路７２の絶縁材料と同等又は誘電率の近い物質を誘電体として用い、導体部分に関しては機械加工またはメッキにより金属で形成する。共振器６の共振構造としての長さはマイクロ波の波長λの１／４倍とする。誘電体内の波長は誘電体の比誘電率により調節可能である。このため、共振器６の大きさは内部に使用する誘電体・共振させる周波数により決定され、誘電体の比誘電率が大きいほど全体を小型化することが可能である。また、基本波以外の高次調波の共振構造、具体的には、偶数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造及び奇数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造の少なくとも１の共振構造を備えるようにすることで高次調波の漏洩を防止することも可能となる。これによって、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電磁波発振器５から出力したときに発生することがある偶数倍波（倍波や４倍波）の外部への漏洩を確実に防止することができる。

また、偶数倍波（倍波や４倍波）の外部への漏洩防止方法としては、電磁波発振器５から出力される増幅器に、偶数倍波の漏洩防止手段を配備することができる。この漏洩防止手段は、増幅器の主線路に、λ／８の幅のタブを設けるようにする。具体的には、主線路の幅（約４ｍｍ）に対して、２．４５ＧＨｚの波長１２２ｍｍ／８×０．７≒１１ｍｍ（０．７は短縮率）の幅のタブを設けることで、偶数倍波の電磁波の通過を阻止し、その結果、偶数倍波の漏洩を防止することができる。

また、共振器６の位置、内径、外径、長さ、厚さ又は誘電率を調整することで共振周波数を調整することができる。このように共振周波数を調整することで、燃焼室内の反応状態等に合わせて、効率よく電磁波の漏洩を防止することができる。また、共振器６の配設位置としては、混合器７の内部に配設したり、高電圧パルス発生装置１０からの高電圧パルスの入力部である入力端子７Ａに配設したり、その両方に、それぞれ偶数次調波と奇数次調波の共振周波数の１／４電気長の共振構造を備える共振器６を配設することができる。

（電磁波外部漏洩防止部材）
電磁波外部漏洩防止部材６０は、点火プラグを取り付けるプラグホールＰＨの内周面又はプラズマ発生装置１の外周面に配設する。本実施例においては図４に示すように、プラズマ発生装置１の外周面に配設するようにしている。この電磁波外部漏洩防止部材６０は上述した共振器６と同様に、筒状の空洞共振器を用いることが好ましい。通常、プラズマ発生装置１の外装部の先端部分（本実施例においては接地用の外筒７０Ａ）は、プラグホールＰＨと当接し、かかる部分からの電磁波漏洩を防止している。しかし、振動等、何らかの不具合によって外筒７０ＡとプラグホールＰＨとの間に隙間が生じた場合、外筒７０Ａ（プラズマ発生装置１の外装部の先端部分）から電磁波が漏洩する。電磁波外部漏洩防止部材６０は、このような不測の事態において漏洩することのある電磁波を、プラグホールＰＨを越えて外部漏洩することを防止する。なお、電磁波の外部への漏洩防止の手段としては、電磁波外部漏洩防止部材６０に代えて、プラズマ発生装置１の外周面を、プラグホールＰＨの内周面と接地させる環状の接地部材６１（図４参照）を配設することで行うこともできる。また、電磁波外部漏洩防止部材６０と共に接地部材６１を配設することで、電磁波の外部への漏洩をより確実に防止することができる。接地部材６１は、例えば、金属メッシュ、板バネ、リングバネ等、プラズマ発生装置１の外周面とプラグホールＰＨの内周面との隙間に嵌合することができる部材であればよい。この接地部材６１を配設することで、プラズマ発生装置１は、振動によるプラグホールＰＨ内での移動が抑制され、耐久性を向上させることができる。

−内燃機関の動作−
プラズマ発生装置１の動作を含めて内燃機関１１の動作を説明する。

内燃機関１１は、プラズマ生成装置１によって生成したマイクロ波プラズマにより、燃焼室２０の混合気に着火するプラズマ着火運転を行う。

各シリンダ２４では、ピストン２３が上死点を達する直前に、吸気バルブ２７が開かれて、吸気行程が開始される。そして、ピストン２３が上死点を通過した直後に、排気バルブ２８が閉じられて、排気行程が終了する。制御装置４は、吸気行程中のシリンダ２４に対応するインジェクター２９に対して噴射信号を出力し、そのインジェクター２９に燃料を噴射させる。

続いて、ピストン２３が下死点を通過した直後に、吸気バルブ２７が閉じられて、吸気行程が終了する。吸気行程が終了すると、圧縮行程が開始される。制御装置４は、ピストン２３が上死点に達する直前に対応する高電圧パルス生成装置１０に対して、点火信号を出力する。これにより、点火コイル３から出力された高電圧パルスが、点火プラグ８へ供給される。その結果、点火プラグ８の放電ギャップにおいて放電プラズマが生成される。

また、制御装置４は、高電圧パルス生成装置１０から高電圧パルスが出力された直後に、電磁波発振器５に電磁波駆動信号を出力する。電磁波駆動信号の出力タイミングは、燃焼効率、運転モード等に合わせて適宜調節し、適切なタイミングを選択して発信することができる。

このようにして、電磁波発振器５に電磁波駆動信号が出力され、電磁波発振器５からマイクロ波パルスが発振される。マイクロ波パルスのエネルギは、混合器７に直接供給される。

本実施形態のプラズマ発生装置１においては、混合器７に供給されたマイクロ波のエネルギは、上述したとおり、共振器６により、点火コイル３及び電磁波発振器５の方向には漏洩しにくい構造になっている。即ち、電磁波発振器５から発振され共振器６に供給されたマイクロ波は、共振器６が備える共振構造により共振を起こし、共振器６から点火コイル３側への漏洩が起こりにくくなっている。

当該内燃機関の点火プラグ８においては、スパーク放電により生じた放電プラズマが、マイクロ波のエネルギを吸収して拡大し、比較的大きなマイクロ波プラズマになる。燃焼室２０では、マイクロ波プラズマにより混合気が体積着火され、混合気の燃焼が開始される。

シリンダ２４では、混合気が燃焼するときの膨張力によりピストン２３が下死点側へ動かされる。そして、ピストン２３が下死点に達する直前に、排気バルブ２８が開かれて、排気行程が開始される。上述したように、排気行程は、吸気行程の開始直後に終了する。

−実施形態１の効果−

本実施形態の内燃機関におけるプラズマ発生装置は、混合器を形成する一部の部材として点火プラグの一部の部材を用いているため、混合回路を点火プラグ周辺にコンパクトに設置することができる。これにより、プラズマ発生装置を小型化することができるため、エンジン内の限られた空間においても容易に配設することができる。また、本発明のプラズマ発生装置は、混合器と点火プラグとが接続されているため、混合器から点火プラグへの伝送線路が必要なく、放電のエネルギ及びマイクロ波のエネルギのロスを抑制することができる。これらの結果、本実施形態の内燃機関によると、燃焼効率の向上により燃費を削減することができる。

−実施形態の変形例１−
混合器７の結合管７１及び点火プラグ８の形態の変形例として、図５に示すように、点火プラグ８の碍子部８０の内部に、中心電極８ａを覆うように埋設した管状の内部浮遊電極７５を配設することができる。内部浮遊電極７５は中心電極８ａを覆うように絶縁隔離された管状の電極部本体７５ａと、電極部本体７５ａの環状の一端部から円盤状に延設され碍子部８０表面から突出する端子部７５ｂとから構成されている。そして、図に示すように端子部７５ｂは結合管７１の先端７１Ａと電気的に接続され、電極部本体７５ａと中心電極８ａとの間で容量接合される。内部浮遊電極７５を配設することで電磁波発振器５からのマイクロ波を効果的に中心電極８ａに伝送させることができる。

−実施形態の変形例２−
混合器の結合管の形態はコンデンサ型と巻線型のコイル形状のコイル型の組み合わせで形成することも可能である。この場合、伝送線路の誘導成分と結合部の容量成分の両方で共振周波数を調節することができる。

また、混合器の結合管の形態の別の変形例として、巻線型のコイル形状が挙げられる。この場合、等価回路としては同じであるが結合部の容量はコイルと中心電極８ａ間の浮遊容量となり、伝送線路の誘導成分を調整することで共振周波数を調整出来ることになる。

−実施形態の変形例３−
結合器の形状は上記以外の様々な形状で形成することが可能である。伝送線路を近接させるだけでも寄生容量は発生し、伝送線路自体も誘導成分を持つため共振回路とみなすことが出来るためである。

＜実施形態２＞
本実施形態のプラズマ発生装置は、電磁波発振器５から発振されるマイクロ波を共振さる共振回路をさらに備えるようにしている。当該プラズマ発生装置１は、マイクロ波を共振さる共振回路をさらに備えることで、上記電磁波発振器５から発振されるマイクロ波の伝送効率をさらに向上させるように調整することができる。

以上説明したように、本発明によると、混合器を備えるプラズマ発生装置において、混合器を点火プラグ周辺に設置できることで、プラズマ発生装置を小型化し、エンジン内の限られた空間に容易に配設できるようなプラズマ発生装置を供給することができる。また、本発明のプラズマ発生装置においては、混合器と点火プラグとが直接接続しているため、放電のエネルギとマイクロ波のエネルギのロスを抑制することができる。これらの結果、本発明のプラズマ発生装置を用いた自動車エンジン等の内燃機関は、燃焼効率を向上させ、燃費を低減することができる。そのため、本発明のプラズマ発生装置、このプラズマ発生装置を用いた内燃機関は、自動車、飛行機、船舶等に広く使用することができる。

１ プラズマ発生装置
２ 直流電源
３ 点火コイル
４ 制御装置
５ 電磁波発振器
６ 共振器
７ 混合器
８ 点火プラグ
８０ 碍子部
８ａ 中心電極
８ｂ 接地電極
９ 点火部
１０ 高電圧パルス発生装置
１１ 内燃機関
１２ 内燃機関本体

Claims (2)

1. 放電電圧を供給するための点火コイルと、
   マイクロ波を発振する電磁波発振器と、
   放電電圧とマイクロ波電力とを混合する混合器と、
   放電を起こし、かつマイクロ波電力を燃焼反応又はプラズマ反応が行われる反応領域に導入する点火プラグとを備え、
   上記反応領域に対し、放電電圧とマイクロ波電力とを併用して、上記燃焼反応又はプラズマ反応を始動させるプラズマ発生装置であって、
   上記混合器では、
   外筒と、その内側の筒状の結合管とにより同軸構造が形成されて、上記外筒と上記結合管との間をマイクロ波が伝送され、
   上記結合管の先端部が、上記混合器を形成する部材の一部として、上記点火プラグを構成する部材の一部を用いて、上記点火プラグの中心電極に容量結合され、
   上記結合管が、マイクロ波電力が上記混合器から上記点火コイル側に漏洩することを防止するための共振器も構成しており、該結合管では、上記点火コイルからの高電圧が入力される側の開口から、上記先端部までの距離が、マイクロ波の電気長をλとした場合にλ／２の倍数となっていることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 上記容量結合の方式が、上記電磁波発振器に接続される上記結合管の先端部と上記点火プラグの中心電極とにより構成したコンデンサを用い、上記結合管の先端部から上記点火プラグの中心電極の先端までの距離が、マイクロ波の電気長をλとした場合にλ／２の倍数となっている、請求項１に記載のプラズマ発生装置。

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