JP7058084B2

JP7058084B2 - 点火装置

Info

Publication number: JP7058084B2
Application number: JP2017117132A
Authority: JP
Inventors: 翔太木下; 文明青木; 大介田中; 明光杉浦; ヤンフサリク; 正士神藤
Original assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Denso Corp
Current assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Denso Corp
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: US11181090B2; US20180363618A1; JP2019002332A

Description

本発明は、点火装置に関する。

内燃機関等の点火装置として、電磁波とプラズマを利用して空気と燃料との混合気に点火するものがある。例えば、特許文献１には、点火コイルから出力された高電圧パルスを中心電極及び接地電極を有する放電電極に印加して、中心電極と接地電極との間の放電ギャップに火花放電プラズマを生じさせるとともに、電磁波放射アンテナから電磁波を放射して当該火花放電プラズマの拡大及び維持を行うように構成された点火装置が開示されている。そして、特許文献１に開示の構成では、電磁波放射アンテナから電磁波を断続的に放射することにより、消費電力の低減を図っている。

国際公開第２０１４／０３４７１５号

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、火花放電プラズマを発生させる放電電極と、火花放電プラズマの拡大及び維持を図るための電磁波放射アンテナの両方が必要となるため、装置が複雑化するとともに、部品点数の増加、装置の大型化、高コスト化を招く。また、火花放電プラズマや当該火花放電プラズマにより形成された初期火炎が放電ギャップに近い位置に留まりやすいため、火花放電プラズマや初期火炎が放電電極によって冷却されて火炎成長の抑制を招き、混合気への着火性が低下するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、電磁波とプラズマを利用した点火装置であって、簡易な構成で小型化及び低コスト化が図れるとともに、着火性が向上される点火装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、プラズマによって内燃機関の燃焼室（１０１）内に供給された空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）と、上記内導体と上記誘電体との間に電磁波によりプラズマが形成されるプラズマ形成空間（Ｒ）とを備えるとともに、該プラズマ形成空間の軸方向先端が上記燃焼室に連通するように構成された点火プラグ（２）と、
上記プラズマ形成空間に電磁波を発生させる電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に、上記電磁波電源から上記点火プラグに上記電磁波電力を断続的に複数回印加するように、上記電磁波電源における上記電磁波電力の出力を制御する出力制御部（５０）と、
を備え、
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核の少なくとも一部が、上記プラズマ形成空間を燃焼室内に向けて軸方向に伸ばした仮想空間に位置しているときに、今回の電磁波電力の印加を行うように上記電磁波電源の出力を制御する、点火装置にある。
また、本発明の他の態様は、プラズマによって内燃機関の燃焼室（１０１）内に供給された空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）と、上記内導体と上記誘電体との間に電磁波によりプラズマが形成されるプラズマ形成空間（Ｒ）とを備えるとともに、該プラズマ形成空間の軸方向先端が上記燃焼室に連通するように構成された点火プラグ（２）と、
上記プラズマ形成空間に電磁波を発生させる電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に、上記電磁波電源から上記点火プラグに上記電磁波電力を断続的に複数回印加するように、上記電磁波電源における上記電磁波電力の出力を制御する出力制御部（５０）と、
を備え、
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核に、今回の電磁波電力の印加により形成されるプラズマが重合するように、今回の電磁波電力の電力値、今回の電力印加期間及びインターバルのうち少なくとも一つを設定する、点火装置にある。

上記点火装置においては、点火プラグにおける内導体と誘電体との間のプラズマ形成空間にプラズマを発生させるように構成されており、当該プラズマにより混合気に点火して初期火炎を発生させることができる。そのため、火花放電プラズマを発生させるための放電電極と火花放電プラズマの拡大及び維持のための電磁波放射アンテナとの両方を備える従来の構成に比べて、部品点数を削減できるとともに装置の構成が複雑化することを抑制でき、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

さらに、上記点火装置においては、点火プラグへの電磁波電力の印加は、内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に断続的に複数回行われる。そして、点火プラグへ電磁波電力を印加すると、プラズマ形成による温度上昇とプラズマによる混合気の燃焼反応による体積増加によってプラズマ形成空間の内圧が高まる。そのため、電磁波電力の印加により新たなプラズマが形成される毎に、形成されたプラズマ及び初期火炎をプラズマ形成空間から燃焼室内に噴出させることができる。そして、燃焼室内に噴出させた複数のプラズマ及び該プラズマにより形成された火炎核を互いに衝突させて重合させることにより、火炎核を拡大できるとともに点火プラグや燃焼室の内壁から離れた位置で混合気へ着火するようにすることができる。その結果、プラズマや火炎核が点火プラグや燃焼室の内壁によって冷却されることを抑制して、火炎成長を促して混合気への着火性を向上することができる。

以上のごとく、本発明によれば、電磁波とプラズマを利用した点火装置であって、簡易な構成で小型化及び低コスト化が図れるとともに、着火性が向上される点火装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、点火装置の概略図。実施形態１における、点火プラグの斜視図。図２における、III-III線位置断面の一部拡大図。実施形態１における、プラズマ形成状態を説明する概念図。実施形態１における、放電終了からの経過時間と火炎核後端位置との関係を示す概念図。実施形態１における、電力値、点火制御信号及び点火タイミングの関係を示す概念図。実施形態１における、点火装置の使用態様を説明するためのフロー図。実施形態１における、プラズマ形成状態をさらに説明する概念図。実施形態１における、評価試験の結果を示す図。変形形態１における、点火装置の使用態様を説明するためのフロー図。実施形態２における、点火装置の一部を示す概略図。実施形態２における、電力値、電力制御信号、点火制御信号及び点火タイミングの関係を示す概念図。変形形態２における、点火装置の一部を示す概略図。変形形態３における、点火装置の一部を示す概略図。変形形態３における、電力値、電力制御信号、点火制御信号及び点火タイミングの関係を示す概念図。変形形態４における、点火装置の一部を示す概略図。実施形態３における、点火装置の一部を示す概略図。実施形態３における、電力値、シリアル通信信号、電力制御信号、点火制御信号及び点火タイミングの関係を示す概念図。

（実施形態１）
上記点火装置の実施形態について、図１～図９を用いて説明する。
本実施形態の点火装置１は、図１に示すように、プラズマによって内燃機関の燃焼室１０１内に供給された空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させるものである。
そして、点火装置１は、点火プラグ２、電磁波電源４０及び出力制御部５０を備える。
点火プラグ２は、内導体１０と外導体２０と誘電体３０とを備え、内導体１０と外導体２０との間にプラズマ形成空間Ｒを備える。
外導体２０は、筒状であって、内導体１０を内側に保持する。
誘電体３０は内導体１０と外導体２０との間に設けられている。
プラズマ形成空間Ｒは電磁波によりプラズマが形成されるとともに、プラズマ形成空間Ｒの軸方向先端が燃焼室１０１に連通している。
電磁波電源４０は、プラズマ形成空間Ｒに電磁波を発生させる電磁波電力Ｐｓを点火プラグ２に印加する。
出力制御部５０は、内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に電磁波電源４０から点火プラグ２に電磁波電力Ｐｓを断続的に複数回印加するように、電磁波電源４０における電磁波電力Ｐｓの出力を制御する。

以下、本実施形態の点火装置１について、詳述する。
本実施形態の点火装置１は車両の内燃機関に搭載される。そして、図１に示すように、点火装置１の点火プラグ２はシリンダヘッド１００に設けられた貫通孔１０２に取り付けられる。

図２、図３に示すように、点火プラグ２に備えられた外導体２０は、円筒状の第１外導体２１と、第１外導体２１の内側に中心軸を共有するように設けられた円筒状の第２外導体２２とからなる。図３に示すように、第１外導体２１と第２外導体２２との間には、隙間２０ａが形成されている。第１外導体２１は、点火プラグ２のハウジング２３も兼ねており、ハウジング２３の外周面には内燃機関の貫通孔１０２に螺合するための取付ネジ部２４が形成されている。なお、第１外導体２１と第２外導体２２は一体的に形成されていてもよく、隙間２０ａは形成されていなくてもよい。

図２に示すように、誘電体３０は筒状を成しており、第１外導体２１及び第２外導体２２と中心軸を共有するように第２外導体２２の内側に設けられている。図３に示すように、誘電体３０の先端側Ｙ１の先端である誘電体先端部３１は、第２外導体２２の先端側Ｙ１の端部である外導体先端部２５よりも先端側Ｙ１に位置している。すなわち、誘電体先端部３１は先端側Ｙ１に突出している。誘電体３０の材料として、内導体先端部１１の電界強度を向上する材料を採用することが好ましい。内導体１０の先端側Ｙ１の端部である内導体先端部１１の電界強度を向上することにより、内導体先端部１１と誘電体先端部３１との間に放電が形成されやすくなるからである。内導体先端部１１の電界強度を向上する誘電体３０の材料として、誘電率の高い材質（例えばアルミナ）を用いることができる。

内導体１０は円柱形状を有しており、誘電体３０と中心軸を共有するように誘電体３０の内側に設けられている。内導体１０の外径は誘電体３０の内径よりも小さくなっており、内導体１０の外周面１１ｂと、誘電体３０の内周面３１ｂとは離隔している。内導体先端部１１は、誘電体先端部３１よりも基端側Ｙ２に位置している。そして、第２外導体２２の外導体先端部２５と、プラグ軸方向Ｙにおける位置が同一となっている。

内導体１０の材料として、内導体先端部１１が加熱され易いようにするために、比較的導電率の低い材料又は当該材料を一部に含む材料を用いることができる。このような材料として、例えば銅よりも導電率の低い材料を用いることができる。なお、内導体先端部１１のみがこのような材料からなることとしてもよい。この場合にも内導体先端部１１が加熱され易いようにすることができる。

また、内導体１０の材料として、内導体１０の内導体先端部１１が加熱され易いようにするために、高周波エネルギーを吸収しやすい材料又は当該材料を一部に含む材料を用いることができる。あるいは、内導体１０の外周面１１ｂ又は誘電体３０の内周面３１ｂに高周波エネルギーを吸収しやすい材料をコーティングすることにより、内導体１０の内導体先端部１１が加熱され易いようにしてもよい。高周波エネルギーを吸収しやすい材料として、例えばカーボンを用いることができる。高周波エネルギーを吸収しやすい材料を一部に含む材料として、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いることができる。

プラズマ形成空間Ｒは、図３に示すように、誘電体３０の内周面３１ｂと内導体１０の内導体先端部１１及び内導体１０の外周面１１ｂとによって囲まれたプラズマ形成空間Ｒとして形成されており、燃焼室１０１内に連通している。。プラズマ形成空間Ｒは、内導体先端部１１の外側縁部１１ａと誘電体先端部３１の内側縁部３１ａとを結ぶ仮想線分Ｌを含むプラズマ形成空間である。すなわち、プラズマ形成空間Ｒにより内導体先端部１１と誘電体先端部３１とが離隔している。なお、内導体１０、外導体２０及び誘電体３０からなる同軸管のプラグ軸方向Ｙの長さは、内導体先端部１１の電界強度が最大となる大きさにすることができ、例えば、印加される高周波の波長の１／４の大きさにすることができる。

図１に示すように、点火プラグ２には、電磁波電源４０が接続されている。電磁波電源４０は、発振器４１、増幅器４２を備える。発振器４１は周波数制御器７０を有している。電磁波電源４０は、点火タイミングにおいて点火信号Ｉｇが入力されるとともに出力制御部５０から点火制御信号Ｉｃｓが入力されると、これに応じて電磁波電力Ｐｓを出力する。電磁波電源４０から出力された電磁波電力Ｐｓはインピーダンス変更部７１及びアイソレータ６０を経由して点火プラグ２に入力される。電磁波電源４０は高周波の電磁波電力Ｐｓを出力する。電磁波電力Ｐｓの周波数は、特に限定されないが、２．４０～２．５０ＧＨｚとすることができる。

インピーダンス変更部７１は、点火プラグ２を含む電磁波電力の伝送路のインピーダンスを変更可能に構成されている。本実施形態では、インピーダンス変更部７１は、伝送路のキャパシタンス又はインダクタンスを変更可能に構成されており、これらの変更により、伝送路のインピーダンスを変更可能としている。アイソレータ６０は点火プラグ２からの反射電力Ｐｒをグランド６６側にのみ出力する。本実施形態では、反射電力Ｐｒは反射電力検出部８０により検出され、当該検出結果は結合状態制御部７２に入力される。結合状態制御部７２は、反射電力Ｐｒに基づいてインピーダンス変更部７１を制御して、電磁波のマッチング状態を調整する。

なお、電磁波電力Ｐｓの周波数を２．４０～２．５０ＧＨｚのマイクロ波とすると、伝送路の長さが電磁波電力Ｐｓの波長に対して長くなるため、伝送路にインピーダンス不連続部がある場合には、反射電力Ｐｒが発生し、点火プラグ２への入射電力が減少することとなる。本実施形態では、反射電力検出部８０により検出した反射電力Ｐｒに基づいて、結合状態制御部７２がインピーダンス変更部７１を制御して、伝送路におけるインピーダンスの不整合を解消してインピーダンス不連続部の発生を抑制するように伝送路におけるインピーダンスを調整している。

出力制御部５０は、内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に電磁波電源４０から点火プラグ２に電磁波電力を断続的に複数回印加するように、電磁波電源４０の出力を制御する。本実施例では、出力制御部５０は、１サイクル中に点火プラグ２に印加するそれぞれの電磁波電力の印加開始時においてプラズマ形成空間Ｒの混合気の気体密度が所定値以上となるように、電磁波電力を所定のインターバルＴｉで複数回印加するように電磁波電源４０の出力を制御する。当該気体密度の所定値は予め設定された値とすることができる。また、当該インターバルは、内燃機関の運転状態等に対応させて予め設定しておくこともできる。本実施形態ではプラズマ形成空間Ｒの混合気の気体密度が確実に所定値以上となるインターバルが初期値として予め記憶されている。

本実施形態では、出力制御部５０は、図４（ａ）に示すように、１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核Ｐ１の少なくとも一部が、図４（ｂ）に示すように、プラズマ形成空間Ｒを燃焼室１０１内に向けて軸方向に伸ばした仮想空間Ｓに位置しているときに、今回の電磁波電力の印加を行うように、電磁波電源４０の出力を制御する。

例えば、本実施形態では、電磁波電力のインターバルは、図５に示すように、前回の電磁波電力の印加終了からの経過時間（ｍｓ）が、前回の電磁波電力の印加により生じたプラズマにより形成された火炎核の後端位置と仮想空間Ｓの外周面との最短距離が０ｍｍ以下となる０．３５ｍｓ以下とすることができる。なお、火炎核の後端位置とは、火炎核における仮想空間Ｓの外周面に最も近い位置をいい、例えば図４（ｃ）に示す場合では、火炎核の後端位置と仮想空間Ｓの外周面との最短距離は符号Ｄで示す長さである。なお、火炎核の後端位置が仮想空間Ｓ内に位置しているときは、上記最短距離を負の値として図５に示した。なお、図５における経過時間が負の値の区間は、前回の電磁波電力の印加終了前、すなわち、前回の電磁波電力の印加中に生じている火炎核の後端位置と仮想空間Ｓの外周面との最短距離を示す。

さらに、本実施形態では、出力制御部５０は、図４（ａ）に示すように、１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマＰ１に、図４（ｂ）に示すように、今回の電磁波電力の印加により形成されるプラズマＰ２が重合するように、今回の電磁波電力の電力値ｆ、今回の電力印加期間Ｔａ及びインターバルＴｉのうち少なくとも一つを設定する。

例えば、図６に示すように、出力制御部５０は、内燃機関の点火サイクルの１サイクル中において、点火タイミングが到来して点火タイミングのフラグがオンとなったときに、点火制御信号Ｉｃｓを初期値のインターバルＴｉで４回、電磁波電源４０に送信する。これにより、電磁波電源４０から点火プラグ２にインターバルＴｉで電磁波電力Ｐｓが４回印加される。なお、図６に示す態様においては、電磁波電源４０から印加される電磁波電力の電力値ｗは一定となっている。

本実施形態では、図１に示すように、点火装置１は、燃焼室１０１内の気体の流速を取得する流速取得部８１を備えている。流速取得部８１が取得した流速は、出力制御部５０に入力される。出力制御部５０は、流速取得部８１が取得した流速に基づいて、電磁波電力の電力値ｗ、電力印加期間Ｔａ、インターバルＴｉ及び印加回数Ｎのうち少なくとも一つを設定するように構成されている。

次に、点火装置１の使用態様について、図７に示すフロー図を参照して説明する。
図７に示すステップＳ１において、出力制御部５０が当点火サイクルの運転条件を取得する。これとともに、流速取得部８１が燃焼室１０１内の気体の流速を取得し、取得した流速を出力制御部５０に入力する。

そして、ステップＳ２において、出力制御部５０は、当点火サイクルの運転条件及び取得した流速に基づいて、プラズマ形成空間Ｒの混合気の気体密度が所定値以上となるとともに、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ等の少なくとも一部が、仮想空間Ｓに位置しているときに次の電磁波電力の印加が行われるようにインターバルを設定する。

その後、ステップＳ３において、出力制御部５０は、設定されたインターバルに基づいて、出力する点火制御信号Ｉｃｓの波形パターンを準備する。なお、本実施形態では、インターバルの設定の際に、予めインターバル、印加時間、印加回数及び印加電力値を組み合わせてなる波形パターンが複数記憶されたマップから、上記設定されたインターバルに基づいて所望の波形パターンを読み込む。なお、当該マップは図示しない波形パターン記憶部に記憶されている。

次に、ステップＳ４において、点火タイミングが到来したか否かを判定する。点火タイミングが到来していない場合は、再度ステップＳ４を行う。一方、点火タイミングが到来した場合は、ステップＳ５において、出力制御部５０から上記波形パターンの点火制御信号Ｉｃｓを電磁波電源４０に出力する。そして、ステップＳ６において、電磁波電源４０から当該点火制御信号Ｉｃｓに基づいて点火プラグ２に電磁波電力を印加する。

これにより、図８（ａ）に示すように、１サイクルにおける初回の電磁波電力の印加により、プラズマ形成空間Ｒに初回のプラズマＰ１が形成される。そして、電磁波電力の印加によるプラズマ形成空間Ｒ内の気体の温度上昇とプラズマ形成及びプラズマによる混合気の燃焼反応とによりプラズマ形成空間Ｒの内圧が上昇し、形成されたプラズマＰ１及び初期火炎はプラズマ形成空間Ｒから燃焼室１０１の内方に向けて噴出される。なお、燃焼室１０１内に噴出されたプラズマ及び初期火炎は燃焼室１０１内の混合気の一部に着火して火炎核を形成する。本実施形態では、当該プラズマ及び当該火炎核を合わせて「プラズマ等」といい、プラズマＰ１とプラズマＰ１により形成された火炎核を合わせてプラズマ等Ｐ１という。

初回の電磁波電力の印加期間が終了すると初回のインターバルとなり、プラズマ形成が中断される。初回のインターバルでは、燃焼室１０１内の混合気がプラズマ形成空間Ｒに流入する。そして、図８（ｂ）に示すように、燃焼室１０１内に噴出されたプラズマ等Ｐ１は、初回のインターバル中に、燃焼室１０１内の気流Ｇによって仮想空間Ｓから離れる方向に流されるが、少なくともプラズマ等Ｐ１の一部が仮想空間Ｓに位置している状態で、初回のインターバルが終了し、次回の電磁波電力の印加が行われる。これにより、再度プラズマ形成空間Ｒ内の気体の温度上昇と２回目のプラズマ形成及びプラズマによる混合気の燃焼反応とによりプラズマ形成空間Ｒの内圧が上昇し、図８（ｃ）に示すように、プラズマＰ２及び初期火炎がプラズマ形成空間Ｒから仮想空間Ｓに噴出する。これにより、プラズマＰ２及び初期火炎が初回のプラズマ等Ｐ１を更に燃焼室１０１の内方に押し出しつつ、図８（ｄ）に示すように、プラズマ等Ｐ２がプラズマ等Ｐ１に重合して拡大成長したプラズマ等Ｐｘが形成されることとなる。

初回及び２回目の電磁波電力の印加と同様に３回目及び４回目の電磁波電力の印加及びインターバルにより形成されたプラズマ及び初期火炎により、プラズマ等Ｐｘを燃焼室１０１の内方に一層押し出しつつプラズマ等Ｐｘと重合して、プラズマ等Ｐｘを一層拡大成長させることとなる。プラズマ等Ｐｘは気流Ｇによって流されはするが、各プラズマ及び初期火炎の形成毎に燃焼室１０１の内方に積極的に押し出されるため、燃焼室１０１の内壁から離れやすくなっている。その結果、プラズマ等Ｐｘを燃焼室１０１の内方に位置させて着火性を向上させることができる。

（評価試験）
次に、本実施形態の点火装置１の評価試験を行った。
本評価試験では、本実施形態の点火装置１が搭載された内燃機関を試験例とし、本実施形態の点火装置１において、電磁波電力の印加時にインターバルを設けることなく、各点火サイクルにおいて、電磁波電力の印加を一度行う構成を比較例とした。かかる試験例及び比較例において、着火限界A/Fを検出した。なお、評価試験における試験条件は以下の通りとした。すなわち、ガソリンを燃料として列型のエンジンを機関回転数2000r/min、中負荷条件で駆動した。そして、試験例では、電磁波電力の電力値を１０００ｗ、電力印加期間Ｔａを０．１ｍｓ、インターバルＴｉは０．１ｍｓ～０．４ｍｓとして電磁波電力を印加し、当該エンジンの試験対象の気筒における着火限界A/Fを取得した。一方、比較例では、試験例と同一の気筒において、電磁波電力の印加にインターバルを設けずに着火限界A/Fを取得した。

図９に示すように、上記評価試験によれば、試験例における着火限界A/Fは２８．０であり、比較例における着火限界A/Fの２７．０よりも十分高いものであった。これにより、本実施形態の点火装置１により、着火限界A/Fが高まることにより燃費が向上することが示された。

次に、本実施形態の点火装置１における作用効果について、詳述する。
本実施形態の点火装置１によれば、点火プラグ２における内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒにプラズマを発生させるように構成されており、当該プラズマにより混合気に点火して初期火炎を発生させることができる。そのため、火花放電プラズマを発生させるための放電電極と火花放電プラズマの拡大及び維持のための電磁波放射アンテナとの両方を備える従来の構成に比べて、部品点数を削減できるとともに装置の構成が複雑化することを抑制でき、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

さらに、点火装置１においては、点火プラグ２への電磁波電力の印加は、内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に断続的に複数回行われる。そして、プラズマ形成空間Ｒでは、プラズマ形成による温度上昇とプラズマ反応及びプラズマによる混合気の燃焼反応とによる体積増加によってプラズマ形成空間Ｒの内圧が高まる。そのため、電磁波電力の印加により新たなプラズマ及び初期火炎が形成される毎に、プラズマ形成空間Ｒから燃焼室１０１内にプラズマ及び初期火炎を噴出させることができる。そして、燃焼室１０１内に噴出させた複数のプラズマ等を互いに衝突させて重合させることにより、火炎核を拡大できるとともに点火プラグ２や燃焼室１０１の内壁から離れた位置で混合気へ着火するようにすることができる。その結果、プラズマ等が点火プラグ２や燃焼室１０１の内壁によって冷却されることを抑制して、火炎成長を促して混合気への着火性を向上することができる。

また、本実施形態では、出力制御部５０は、１サイクル中に点火プラグ２に印加するそれぞれの電磁波電力の印加開始時においてプラズマ形成空間Ｒの混合気の気体密度が所定値以上となるように、電磁波電力を所定のインターバルＴｉで複数回印加するように電磁波電源４０の出力を制御する。これにより、プラズマ形成によりプラズマ形成空間Ｒ内の混合気が消費されるが、インターバルＴｉよって、混合気をプラズマ形成空間Ｒに再び流入させて、次回のプラズマ形成のために必要な所定値以上の気体密度の混合気を確保することができる。これにより、次回のプラズマ形成を促すとともに、プラズマ形成による温度上昇とプラズマ反応及びプラズマによる混合気の燃焼反応とによる体積増加によってプラズマ形成空間Ｒの内圧の上昇を確実に発生させて、プラズマ及び初期火炎をプラズマ形成空間Ｒから燃焼室１０１内に積極的に噴出させることができる。その結果、燃焼室１０１内の混合気の着火性を一層向上できる。

また、本実施形態では、出力制御部５０は、１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ及び初期火炎又は該プラズマ及び初期火炎により形成された火炎核の少なくとも一部が、プラズマ形成空間Ｒを燃焼室１０１内に向けて軸方向に伸ばした仮想空間Ｓに位置しているときに、今回の電磁波電力の印加を行う。これにより、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ等と今回の電磁波電力の印加により発生させるプラズマとを確実に衝突させるとともに両者を重合させることができる。その結果、プラズマ形成空間Ｒから噴出させたプラズマ等が点火プラグ２や燃焼室１０１の内壁から一層離れやすくなり、当該プラズマ等が点火プラグ２や燃焼室１０１の内壁により冷却されることを一層抑制することができる。

また、本実施形態では、出力制御部５０は、１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核に、今回の電磁波電力の印加により形成されるプラズマが重合するように、今回のインターバルＴｉを設定するように構成されている。これにより、火炎核を拡大成長させて、燃焼室１０１内の混合気への着火性を向上することができる。なお、今回のインターバルＴｉを設定することとともに又はこれに替えて、今回の電磁波電力の電力値ｗ及び今回の電力印加期間Ｔａのうち少なくとも一つを設定することにしてもよい。この場合も本実施形態と同等の作用効果を奏する。

また、本実施形態では、燃焼室１０１内における気体の流速を取得する流速取得部８１を有し、出力制御部５０は、流速取得部８１が取得した流速に基づいて、電磁波電力の電力値ｗ、電力印加期間Ｔａ、インターバルＴｉ及び印加回数Ｎを設定するように構成されている。これにより、燃焼室１０１内の気体の流速に応じて、プラズマの形成状態及び噴出位置を制御しやすくなるため、着火性の向上を図ることができる。なお、電磁波電力の電力値ｗ、電力印加期間Ｔａ、インターバルＴｉ及び印加回数Ｎの全てを流速取得部８１が取得した流速に基づいて設定することに替えて、電磁波電力の電力値ｗ、電力印加期間Ｔａ、インターバルＴｉ及び印加回数Ｎのうち少なくとも一つを流速取得部８１が取得した流速に基づいて設定するようにしてもよい。この場合も、燃焼室１０１内の気体の流速に応じて、プラズマの形成状態及び噴出位置を制御しやすくなるため、着火性の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、出力制御部５０は、流速取得部８１が取得した流速等に基づいて、波形パターンが複数記憶されたマップから所望の波形パターンを読み込むこととしたが、これに替えて下記の変形形態１のようにしてもよい。図１０に示す変形形態１では、出力制御部５０は、１サイクル中において、流速取得部８１が取得した流速が所定値以上であるとき、電磁波電力の電力値ｗの増加、電力印加期間Ｔａの拡大、インターバルの縮小Ｔｉ及び印加回数Ｎの増加のうち少なくとも一つを実施するように構成されている。

そして、当該変形形態１の点火装置１では、図１０に示すように、まず、図７に示す実施形態１の場合と同様に、ステップＳ１を実施する。その後、ステップＳ１０において、出力制御部５０は、流速取得部８１が取得した流速が所定値以上であるとき、電磁波電力の電力値ｗの増加、電力印加期間Ｔａの拡大、インターバルＴｉの縮小及び印加回数Ｎの増加のうち少なくとも一つを実施する。上記所定値は、例えば、前回の点火サイクルにおいて取得した流速又は予め定めた基準値とすることができる。

変形形態１の点火装置１によれば、燃焼室１０１内の気体の流速が比較的速い場合においても、形成されたプラズマの少なくとも一部が仮想空間Ｓに位置しやすくなり、前回噴出されたプラズマＰ１に今回噴出されるプラズマを衝突させるとともに互いに重合させやすくすることができる。その結果、燃焼室１０１内の気体の流速が比較的速い場合においても、燃焼室１０１内の混合気への着火性を向上することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、電磁波とプラズマを利用した点火装置１であって、簡易な構成で小型化及び低コスト化が図れるとともに、着火性が向上される点火装置１を提供することができる。

（実施形態２）
実施形態２の点火装置１では、図１に示す実施形態１における電磁波電源４０において、図１１に示すように、増幅器４２の前段にバイパススイッチ４３を介してアッテネータ４４が接続されている。バイパススイッチ４３の切替は、後述する出力制御部５０から入力される電力制御信号Ｗｃｓにより行われる。なお、本実施形態において、実施形態１の同等の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

さらに、実施形態１では図６に示すように、出力制御部５０は、１サイクル中に複数回印加される電磁波電力の電力値ｗが一定となるように制御したが、これに替えて、実施形態２では、図１２（ａ）に示すように、１サイクル中において、複数回印加される電磁波電力のうち、初回に印加される電磁波電力の電力値が最大となるように電磁波電源４０を制御する。

本実施形態では、出力制御部５０は、図１２（ｃ）に示すように電磁波電源４０が電磁波電力を出力するための点火制御信号Ｉｃｓとともに、図１２（ｂ）に示すように電磁波電力の電力値ｗを制御するための電力制御信号Ｗｃｓを電磁波電源４０に出力する。そして、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、電磁波電源４０は、電力制御信号ＷｃｓがＨである場合は、図１１に示すようにバイパススイッチ４３をアッテネータ４４を通電しない側に切り替える。これにより、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、電磁波電力の電力値ｗが第１電力値ｗ１となる。一方、電力制御信号ＷｃｓがＬである場合は、バイパススイッチ４３を図１１に示す状態と反対の、アッテネータ４４を通電する側に切り替える。これにより、電磁波電力の電力値ｗを第１電力値ｗ１よりも低い第２電力値ｗ２にするとともに、出力を安定した状態にすることができる。

本実施形態の点火装置１によれば、図１２（ａ）に示すように、１サイクル中において初回に印加される電磁波電力の電力値ｗ１が２回目以降に印加される電磁波電力の電力値ｗ２よりも大きい。そのため、１サイクル中に複数回印加される電磁波電力のうち、初回の電磁波電力の電力値ｗ１が最大となっている。そして、図１２（ｅ）に示すように、初回に電磁波電力を電力値ｗ１で印加したことにより、プラズマ形成空間Ｒ内の温度が電磁波電力の印加、プラズマ形成及び混合気の燃焼にともなって上昇した後、２回目に電力値ｗ２での印加においてもプラズマ形成空間Ｒ内の温度は初回の印加時と同程度に上昇している。これにより、プラズマ形成時にプラズマ形成空間Ｒ内の温度をプラズマ形成及び噴出に必要な温度に上昇させつつ、点火プラグ２に投入するエネルギーを低減することができる。本実施形態においても実施形態１と同様の作用効果を奏する。

本実施形態では、図１１に示すようにアッテネータ４４を用いて、電磁波電力の電力値ｗを切り替える回路を構成したが、これに替えて、図１３に示す変形形態２のように、増幅器４２として、第１増幅器４２１と第２増幅器４２２とが並列接続された構成とすることができる。かかる変形形態２の場合は、電磁波電源４０は、電力制御信号ＷｃｓがＨである場合は、図１３に示す第１増幅器４２１及び第２増幅器４２２の両方を出力させて、その出力を合成する。これにより、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、電磁波電力の電力値ｗを第１電力値ｗ１にする。一方、電力制御信号ＷｃｓがＬである場合は、図１３に示す第１増幅器４２１及び第２増幅器４２２の一方を停止させて、他方を出力させる。これにより、電磁波電力の電力値ｗを第１電力値ｗ１よりも低い第２電力値ｗ２とする。当該変形形態２においても実施形態１、２と同様の作用効果を奏する。

さらなる変形形態３として、図１４に示すように、変形形態２におけるバイパススイッチ４３及びアッテネータ４４の後段にこれらと同等の回路構成のバイパススイッチ４３１及びアッテネータ４４１を直列接続した構成としてもよい。なお、変形形態３ではアッテネータ４４１はアッテネータ４４よりも高い減衰率を有する。そして、変形形態３では、図１５に示すように、出力制御部５０は、点火制御信号として、第１点火制御信号ＩｃｓＡ及び第２点火制御信号ＩｃｓＢを出力する。電磁波電源４０は、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＨである場合はバイパススイッチ４３をアッテネータ４４を通電しない側に切り替え、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＬである場合はバイパススイッチ４３をアッテネータ４４を通電する側に切り替えて、電磁波電力を出力する。また、電磁波電源４０は、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＨである場合は、バイパススイッチ４３１をアッテネータ４４１を通電しない側に切り替え、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＬである場合はバイパススイッチ４３１をアッテネータ４４１を通電する側に切り替えて、電磁波電力を出力する。

かかる変形形態３では、図１５に示すように、第１点火制御信号ＩｃｓＡ及び第２点火制御信号ＩｃｓＢがＨである場合は、出力される電磁波電力は最も大きい第１電力値ｗ１を示す。また、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＨ、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＬである場合は、電磁波電力は第１電力値ｗ１よりも小さい第２電力値ｗ２を示す。また、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＬ、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＨである場合は、電磁波電力は第２電力値ｗ２よりも小さい第３電力値ｗ３を示す。かかる変形形態３では、ノイズが発生しやすい内燃機関において、簡便でかつ確実に電磁波電力の電力値を第１電力値ｗ１、第２電力値ｗ２及び第３電力値ｗ３のうちの任意の値とすることができる。そして、当該変形形態３においても実施形態１、２と同様の作用効果を奏する。

さらなる変形形態４として、図１６に示す増幅器４２として、第１増幅器４２１と第２増幅器４２２とが並列接続されて第１アンプユニット４２０を構成するとともに、第１アンプユニット４２０と第３増幅器４２３が並列接続された構成とすることができる。かかる変形形態４の場合は、電磁波電源４０は、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＨである場合は、第１増幅器４２１及び第２増幅器４２２を出力させ、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＬである場合は、第１増幅器４２１及び第２増幅器４２２を停止させる。第２点火制御信号ＩｃｓＢがＨである場合は、第３増幅器４２３を出力させ、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＬである場合は、第３増幅器４２３を停止させる。

従って、かかる変形形態４においても変形形態３の場合と同様に、第１点火制御信号ＩｃｓＡ及び第２点火制御信号ＩｃｓＢがＨである場合は、出力される電磁波電力は最も大きい第１電力値ｗ１を示す。また、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＨ、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＬである場合は、電磁波電力は第１電力値ｗ１よりも小さい第２電力値ｗ２を示す。また、第１点火制御信号ＩｃｓＡがＬ、第２点火制御信号ＩｃｓＢがＨである場合は、電磁波電力は第２電力値ｗ２よりも小さい第３電力値ｗ３を示す。かかる変形形態４では各増幅器４２１～４２３の出力を合成する必要はあるが、電気的ノイズの多い内燃機関において、簡便でかつ確実に電磁波電力の電力値を第１電力値ｗ１、第２電力値ｗ２及び第３電力値ｗ３のうちの任意の値とすることができる。そして、当該変形形態４においても実施形態１、２と同様の作用効果を奏する。

（実施形態３）
実施形態３の点火装置１では、図１に示す実施形態１における電磁波電源４０において、増幅器４２の前段に、図１７に示すように、可変減衰器７３が備えられている。そして、可変減衰器７３には、可変減衰器７３を制御する減衰器制御部５０１がシリアル接続されている。減衰器制御部５０１にはシリアル信号デコーダ５０２が接続されているとともに、出力制御部５０から点火制御信号Ｉｃｓが入力されるように構成されている。なお、出力制御部５０から減衰器制御部５０１に点火制御信号Ｉｃｓが出力されるタイミングは、出力制御部５０から電磁波電源４０に点火制御信号Ｉｃｓが出力されるよりも前のタイミングとなっている。そして、減衰器制御部５０１は、点火制御信号Ｉｃｓの入力に応じて、可変減衰器７３にシリアル通信信号を送信可能なように構成されている。その他の構成は実施形態１と同様であって、実施形態１と同等の構成には実施形態１の場合と同一の符号を付してその説明を省略する。

図１８（ｂ）に示すように、減衰器制御部５０１は、点火タイミングが到来する前に出力制御部５０から出力された点火制御信号Ｉｃｓに基づいて、複数回印加される電磁波電力のそれぞれの電力値ｗを示すシリアル信号を可変減衰器７３に出力する。可変減衰器７３は、点火タイミングが到来する前に、入力された当該シリアル信号に基づいて、複数回印加される電磁波電力のそれぞれの電力値ｗを予め決定する。そして、点火タイミングが到来すると、出力制御部５０から電磁波電源４０に点火制御信号Ｉｃｓを出力し、電磁波電源４０が点火制御信号Ｉｃｓに基づいた印加時期、インターバル、回数及び上記予め決定された電力値で電磁波電力を点火プラグ２に印加する。これにより、図１８（ａ）に示すように、シリアル通知で通信品質を確保しつつ、点火プラグ２に印加される電磁波電力の電力値ｗを例えば電力値ｗ１、ｗ２、ｗ３及びｗ４のように多段化することができるとともに、配線を削減できて装置の構成を簡略化できる。本実施形態においても、実施形態１、２と同等の作用効果を奏する。

なお、出力制御部５０による電磁波電源４０の制御は、上記実施形態１～３及び変形形態１～４に示したものに限定されない。例えば、ステップモータによるアッテネータ制御や、信号の電圧値による設定等、他の設定方法や制御方法を用いることができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１において、流速取得部を備えない構成としてもよい。この場合は、点火サイクルの運転条件に基づいて、インターバルを設定することができる。

１点火装置
２点火プラグ
１０内導体
２０外導体
３０誘電体
４０電磁波電源
５０出力制御部

Claims

プラズマによって内燃機関の燃焼室（１０１）内に供給された空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）と、上記内導体と上記誘電体との間に電磁波によりプラズマが形成されるプラズマ形成空間（Ｒ）とを備えるとともに、該プラズマ形成空間の軸方向先端が上記燃焼室に連通するように構成された点火プラグ（２）と、
上記プラズマ形成空間に電磁波を発生させる電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に、上記電磁波電源から上記点火プラグに上記電磁波電力を断続的に複数回印加するように、上記電磁波電源における上記電磁波電力の出力を制御する出力制御部（５０）と、
を備え、
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核の少なくとも一部が、上記プラズマ形成空間を燃焼室内に向けて軸方向に伸ばした仮想空間に位置しているときに、今回の電磁波電力の印加を行うように上記電磁波電源の出力を制御する、点火装置。
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核に、今回の電磁波電力の印加により形成されるプラズマが重合するように、今回の電磁波電力の電力値、今回の電力印加期間及びインターバルのうち少なくとも一つを設定する、請求項１に記載の点火装置。
プラズマによって内燃機関の燃焼室（１０１）内に供給された空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）と、上記内導体と上記誘電体との間に電磁波によりプラズマが形成されるプラズマ形成空間（Ｒ）とを備えるとともに、該プラズマ形成空間の軸方向先端が上記燃焼室に連通するように構成された点火プラグ（２）と、
上記プラズマ形成空間に電磁波を発生させる電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記内燃機関の点火サイクルにおける１サイクル中に、上記電磁波電源から上記点火プラグに上記電磁波電力を断続的に複数回印加するように、上記電磁波電源における上記電磁波電力の出力を制御する出力制御部（５０）と、
を備え、
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、前回の電磁波電力の印加により形成されたプラズマ又は該プラズマにより形成された火炎核に、今回の電磁波電力の印加により形成されるプラズマが重合するように、今回の電磁波電力の電力値、今回の電力印加期間及びインターバルのうち少なくとも一つを設定する、点火装置。
上記出力制御部は、上記１サイクル中に上記点火プラグに印加するそれぞれの上記電磁波電力の印加開始時において上記プラズマ形成空間の上記混合気の気体密度が所定値以上となるように、上記電磁波電力を所定のインターバルで複数回印加するように上記電磁波電源の出力を制御する、請求項１～３のいずれか一項に記載の点火装置。
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、複数回印加される上記電磁波電力のうち、初回に印加される上記電磁波電力の電力値が最大となるように上記電磁波電源を制御する、請求項１～４のいずれか一項に記載の点火装置。
上記燃焼室内における気体の流速を取得する流速取得部を有し、
上記出力制御部は、上記流速取得部が取得した上記流速に基づいて、上記電磁波電力の電力値、電力印加期間、インターバル及び印加回数のうち少なくとも一つを設定する、請求項１～５のいずれか一項に記載の点火装置。
上記出力制御部は、上記１サイクル中において、上記流速取得部が取得した上記流速が所定値以上であるとき、上記電磁波電力の電力値の増加、電力印加期間の拡大、インターバルの縮小及び印加回数の増加のうち少なくとも一つを実施する、請求項６に記載の点火装置。