JPWO2015030247A1 - プラズマ発生装置及び内燃機関 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (12)
- 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。 - 上記点火プラグを構成する部材の一部が、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請求項1に記載のプラズマ発生装置。
- 上記混合器が、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請求項1又は請求項2に記載のプラズマ発生装置。
- 上記容量結合方式が、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請求項1、請求項2又は請求項3に記載のプラズマ発生装置。
- 上記点火コイルと上記混合器とを連結する回路上に、電磁波漏洩防止用の共振器を備える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。
- 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請求項5に記載のプラズマ発生装置。
- 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できる請求項5又は請求項6に記載のプラズマ発生装置。
- 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した請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。
- 上記電磁波発振器から発振される電磁波を共振させる共振回路をさらに備える請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。
- 上記共振回路が、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請求項9に記載のプラズマ発生装置。
- 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た請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置を備える内燃機関。
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