JPWO2015119162A1

JPWO2015119162A1 - 点火装置

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Publication number: JPWO2015119162A1
Application number: JP2015561012A
Authority: JP
Inventors: 池田　裕二; 裕二池田; 誠二神原; 秀和大坪
Original assignee: Imagineering Inc
Current assignee: Imagineering Inc
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2015119162A3; WO2015119162A2

Abstract

点火装置は、内燃機関の燃焼室へ電磁波を放射する放射部と、前記放射部へ供給する電磁波を生成する生成部を備え、前記生成部は、前記電磁波に対応する周波数の電気信号を生成する発振器と、前記電気信号の増幅を行う第１増幅回路と、前記第１増幅回路の後段に設けられ、前記第１増幅回路からの出力が所定値以上の場合に増幅を行う第２増幅回路を有し、前記第１増幅回路は、前記放射部が電磁波を放射するタイミングに応じて、前記電気信号の増幅のオン／オフを切り替える。【選択図】図３

Description

本発明は、点火装置に関する。特に、マイクロ波を用いて燃焼室内のプラズマを生成又は成長させることで、燃焼室における点火又は火炎伝播を促進する点火装置に関する。

特許文献１には点火プラグと一体化されたアンテナから、内燃機関の燃焼室内の混合気にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こすことで着火の容易化、燃焼の促進を行う内燃機関が開示されている。

特許文献２には、内燃機関での燃焼促進等のために、発振器と、発振器が発振した高周波を増幅する増幅器を用いてマイクロ波を発生する構成が開示されている。

特開２００７−１１３５７０号公報国際公開第２０１２／００５２０１号

内燃機関での燃焼促進等のためにマイクロ波を放射すべき期間は、内燃機関のピストンの２往復（４サイクルエンジンの場合）中、わずかの期間で良い。しかし、現状、増幅器を常時オンとする構成としており、発熱や消費電力の点で問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。

本発明のある態様の点火装置は、内燃機関の燃焼室へ電磁波を放射する放射部と、前記放射部へ供給する電磁波を生成する生成部を備え、前記生成部は、前記電磁波に対応する周波数の電気信号を生成する発振器と、前記電気信号の増幅を行う第１増幅回路と、前記第１増幅回路の後段に設けられ、前記第１増幅回路からの出力が所定値以上の場合に増幅を行う第２増幅回路を有し、前記第１増幅回路は、前記放射部が電磁波を放射するタイミングに応じて、前記電気信号の増幅のオン／オフを切り替えることを特徴とする。

本発明の他の態様の点火装置は、内燃機関の燃焼室へ電磁波を放射する放射部と、前記放射部へ供給する電磁波を生成する生成部を備え、前記生成部は、前記電磁波に対応する周波数の電気信号を生成する発振器と、前記電気信号の増幅を行う増幅回路を備え、前記発振器は、前記放射部が電磁波を放射するタイミングに応じて、当該発振器の出力のオン／オフを切り替え、前記増幅回路は、増幅トランジスタと、前記発振器の出力がオフからオンとなったとき、所定時間一定の電圧を出力するタイマを備え、前記タイマからの出力に基づいて前記増幅トランジスタへのバイアス電圧を生成することを特徴とする。

本発明の点火装置によれば、内燃機関の燃焼室に放射するマイクロ波の生成器における消費電力、発熱を抑えることができる。

内燃機関１１の断面図である。点火装置１のブロック図である。第１増幅回路５２の回路構成図である。点火装置１による制御、及び第１増幅回路５２の動作を示すタイミングチャートである。第１増幅回路５２’の回路構成図である。

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。

−内燃機関１１−
図１は、本実施形態に係る内燃機関１１の断面図である。本発明に係る点火装置は、この内燃機関１１の燃焼室内において点火を行う。

内燃機関１１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とを備える。１つのシリンダブロック２１に対し、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成される。４気筒のエンジンの場合、シリンダ２４は４つ形成される。各シリンダ２４内には、ピストン２３が設けられる。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おり、ピストン２３の上下方向の往復運動は、コネクティングロッドにより回転運動に変換されてクランクシャフトに伝達する。

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する。

シリンダヘッド２２には、複数のシリンダ２４のそれぞれに対応して、点火プラグ８が１つずつ設けられる。

点火プラグ８は、燃焼室２０内で点火を行う。点火プラグ８は、その先端部が燃焼室２０に露出し、かつ燃焼室２０の天井面２０Ａ（の中心部に位置するように設けられる。点火プラグ８の先端部では、中心電極８ａ及び接地電極８ｂが空間（放電ギャップ）を隔てて対峙しており、これらの電極間に高電圧が印加されると、点火プラグ８から放電が発生する。燃焼室２０内の空気と燃料との混合気に放電を行うことで混合気が点火される。

また、本実施形態の点火プラグ８は、その先端部からマイクロ波を放射することもできる。

出願人は、マイクロ波を用いた非平衡プラズマ生成技術を確立し，そのプラズマ技術を内燃機関に適用する技術を開発した。この技術では、火花放電をプラズマの核とし、マイクロ波を供給することでプラズマを拡大する。本技術によれば、従来のエンジン形状を変更することなく、着火改善が可能である。

プラズマは電磁波を吸収する性質を持つことが知られており、自動車用の点火プラグで生成される火花放電もプラズマの一種である。点火プラグ８の放電ギャップは１ｍｍ程度と狭いので、比較的小さな入力エネルギ（５０ｍＪ以下）にてプラズマを生成できる。しかし、生成されたプラズマの体積は小さい。そこで、点火装置１では、この小さなプラズマである火花放電を成長させるためにマイクロ波を利用する。マイクロ波により生成された強電界によりプラズマ中の電子が加速され、電子なだれによりプラズマが拡大する。マイクロ波によるプラズマ領域の拡大と、プラズマ中に生成されたラジカルによる燃焼促進効果により，着火安定性の向上を実現する。

シリンダヘッド２２には、複数のシリンダ２４のそれぞれに対応して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成される。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が設けられる。本実施形態の内燃機関１１は、燃焼室２０において強いスワール流が形成されるように吸気ポート２５が設計されるが、本発明は燃焼室内にタンブル流が形成されるように設計された内燃機関にも適用できる。

−点火装置１−
図２は本実施形態に係る点火装置１の概略ブロック図である。点火装置１は、直流電源２、点火コイル３、制御部４、マイクロ波発生器５、混合器７、点火プラグ８を備える。

直流電源２は、一例として、自動車に標準的に搭載されるカーバッテリである。例えば、１２Ｖの直流電圧を出力する。

点火コイル３は、変圧器又は誘導コイルであり、直流電源２からの電圧を点火プラグ８の火花放電に必要な高電圧（例えば１万ボルト）に昇圧する。

制御部４は、クランクシャフトの角度を検出するクランク角センサーの情報に基づいて、点火タイミングを決定する。クランクシャフトの回転角度とピストンの上下位置は一対一に対応しているため、クランク角からピストン２３の位置が検出できる。制御部４は、ピストン２３が上死点に到達する手前のタイミングで点火パルス信号を点火コイル３に出力する。点火パルス信号を受けた点火コイル３は、上記昇圧した電圧を点火プラグ８へ出力する。

なお、本実施形態の内燃機関１１は４サイクルエンジンであるので、点火プラグ８による放電は、クランクシャフトの２回転につき１回行われる。従い、制御部４は、点火パルスを２回転に１回出力する。また、制御部４は、所謂、電子制御ユニット（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）により構成される。

マイクロ波発生器５は、点火プラグ８から放射するマイクロ波を生成する。マイクロ波発生器５の構成は後述する。

混合器（ミキサー）７は、点火コイル３から出力された火花放電用の高電圧と、マイクロ波発生器５から出力されたマイクロ波の高周波を混合する。混合器７では、高電圧パルス、マイクロ波のそれぞれが、他方の伝送路へ逆流しないように構成される。混合器７から出力された高電圧と高周波は点火プラグ８へ出力される。また、マイクロ波発生器５と混合器７は同軸ケーブルで接続され、マイクロ波はこの同軸ケーブルにより伝送される。

点火プラグ８は中心電極８ａ、エンジン（シリンダヘッド２２）へ取りつけるためのネジ部、これらを絶縁するセラミックより構成されており、同軸伝送路となっている。マイクロ波は同軸伝送路により伝送可能であるので、本実施形態では通常の点火プラグによりマイクロ波を燃焼室２０に供給している。火花放電が生じている際にマイクロ波を供給すると、火花放電により生成したプラズマにマイクロ波が吸収され、放電ギャップを中心としてプラズマが拡大する。

−マイクロ波発生器５−
マイクロ波発生器５は、点火プラグ８から放射されるマイクロ波を生成する。マイクロ波発生器５は、発振器５１、第１増幅回路５２、第２増幅回路５３、電磁波制御回路５４からなる。本実施形態の点火プラグ８から放射されるマイクロ波のエネルギはＫＷ単位の大きさであるため、マイクロ波発生器５は、カーバッテリからの電力を１０００倍程度増幅する必要がある。マイクロ波発生器５は、この増幅を高性能に行うために２段の増幅回路（第１増幅回路５２、第２増幅回路５３）により構成している。また、発振器５１の出力側にはスイッチ５５が設けられる。

発振器５１は、点火プラグ８から放射するマイクロ波の周波数である２．４５ＧＨｚの交流信号を生成し出力する。

第１増幅回路５２は発振器５１から出力された電力を増幅する。一例として、発振器５１から出力された１Ｗの電力を３０Ｗ程度（約３０倍）に増幅する。第１増幅回路５２は、Ａ級増幅回路の一種である、ＣＭＯＳトランジスタによるソース接地回路により構成される。Ａ級増幅回路とは、増幅トランジスタに対する入力と出力の関係が、入力信号の全瞬時値にわたり直線的（比例関係）になるよう、正方向のバイアス電圧を与えるものである。これにより、入力電圧の振幅に比例した大きさの振幅を有する増幅信号が出力される。第１増幅回路５２の回路構成は後述する。

第２増幅回路５３は、第１増幅回路５２から出力された電力を増幅する。第２増幅回路５３は、Ｃ級増幅回路により構成され、所定値以上の振幅（大きな振幅）の信号が入力された場合にのみ増幅を行う。Ｃ級増幅回路では、増幅トランジスタのゲート電極に対し負方向のバイアス電圧が与えられることにより、入力信号の電圧が十分に高い場合にのみトランジスタのゲート閾値電圧を超える。従い、大きな振幅の信号が入力された場合にのみ増幅を行う。一例として、第２増幅回路５３は３０Ｗの電力を１ＫＷ程度約３０倍）に増幅する。

電磁波制御回路５４は、マイクロ波を放射するタイミングや、マイクロ波の大きさ（振幅）を決定する。このタイミングは、制御部４を経由して入力されるクランクシャフトの角度情報、クランクシャフトの回転速度に基づいて決定される。更には、後段の増幅回路の特性、混合器７や点火プラグ８でのマイクロ波の伝送特性、及び燃焼室２０における火炎の伝播状況も考慮した上で決定される。

電磁波制御回路５４は、決定したマイクロ波の放射タイミングに基づいて、スイッチ５５のオン／オフ制御を行う。マイクロ波を放射するときはスイッチ５５をオンとし、発振器５１の出力を第１増幅回路５２へ入力させる。マイクロ波を放射しないときはスイッチ５５をオフとし、発振器５１の出力が第１増幅回路５２に入力されないようにする。

−第１増幅回路５２の回路構成−

図３は、第１増幅回路５２の回路図である。

第１増幅回路５２は、発振器５１で生成された２．４５ＧＨｚの電気信号（交流電圧）を、電界効果トランジスタの一種であるＣＭＯＳトランジスタＴＲ_１を用いて増幅して第２増幅回路５３に出力する。トランジスタＴＲ_１は、ソースＳ_１側が接地されており、いわゆるソース接地回路として動作する。

発振器５１からの交流電圧は入力端子ＲＦ_ｉｎから入力される。この交流電圧はトランジスタＴＲ_１の前段に設けられたバイアス回路により、バイアス（直流のオフセット）が与えられる。バイアスを与えることにより、トランジスタＴＲ_１が動作領域（線形領域）で動作する。

上記バイアス回路はタイマ６１を有する。タイマ６１は、ＣＭＯＳによるタイマ素子などにより構成され、トリガ（Ｔｒｉｇ）入力を契機に一定時間、一定の直流電圧を出力する。出力時間は、例えばＣＭＯＳタイマ素子の電源端子と放電端子間に接続する抵抗値と、スレショルド端子とグラウンド間に接続するコンデンサの容量値とにより設定できる。一定時間の経過後は、タイマ６１は電圧を出力しない。

タイマ６１の出力とグランド（ＧＮＤ）の間には、縦列接続された抵抗Ｒ_１、抵抗Ｒ_２、抵抗Ｒ_３が設けられる。タイマ６１の出力電圧をＶ_ｂとし、Ｒ_１＝Ｒ_３とし、誘導コイルＬ_１が可変抵抗Ｒ_２の中点に接続される場合、トランジスタＴＲ_１のゲートＧ_１には、電圧Ｖ_ｂ／２がバイアス電圧として印加される。バイアス電圧は、可変抵抗Ｒ２の抵抗値を変更することにより調整できる。

Ｔ字型に接続されたコンデンサＣ_１とコイルＬ_１は、ハイパスフィルタとして動作し、低周波成分（マイクロ波のＧＨｚ帯よりも低い成分）をカットすると共に、バイアス電圧の安定化を図る。

タイマ６１の入力段ではトランジスタＴＲ_２による回路により、ＲＦ_ｉｎから入力される電圧をタイマ６１を構成するＣＭＯＳ素子の仕様電圧に合わせている。

トランジスタＴＲ_１のドレインＤ_１は抵抗Ｒ_４を介して直流電源（電圧Ｖ_Ｄ）に接続され、ソースＳ_１は、抵抗Ｒ_５を介して接地される（グランドに接続されている）。トランジスタＴＲ_１がオン状態の場合、おおよそＲ_５／（Ｒ_５＋Ｒ_４）の電圧がコンデンサＣ_２を介して、出力端子ＲＦ_ｏｕｔから第２増幅回路５３へ出力される。

コンデンサＣ_２は、直流成分をカットする目的で設けられる。

なお、タイマ６１を構成するＣＭＯＳ素子の電源電圧は一例として５[Ｖ]、タイマ６１からの出力電圧Ｖ_ｂも５[Ｖ]、直流電圧Ｖ_Dは２８[Ｖ]である。

−点火装置１による制御−
図４は、点火装置１による制御、及び第１増幅回路５２の動作を示すタイミングチャートである。制御部４は、クランク角センサーから得られたクランクシャフトのクランク角情報に基づき、点火コイル３に対し、点火パルスを出力する。点火パスルの最適なタイミングは、内燃機関の仕様やエンジンの回転数、燃焼室の燃焼状態等により決まる。本例では、圧縮行程においてピストン２３が上死点の数十度手前に到達する時刻ｔ_ｐ１において点火パスルを出力する。

次に点火パルスから時刻ｔ_ｄ遅れて、制御部４はスイッチ５５をオフからオンに変更する。これにより、第１増幅回路５２の入力端子ＲＦ_ｉｎには発振器５１からの信号が入力される。

発振器５１からの信号がタイマ６１のトリガ端子（Ｔｒｉｇ）に入力されると、これを契機にタイマ６１は、出力端子（Ｏｕｔ）から一定時間ｔ_ｌの間、一定の直流電圧（５［Ｖ］）を出力する。この時間ｔ_ｌは、マイクロ波を放射すべき時間に対応する。これにより、時間ｔ_ｌの間、トランジスタＴＲ_１のゲートにバイアス電圧が印加され、トランジスタＴＲ_１による増幅が行われる。なお、上記一定時間の期間ｔ_ｌ中に、発振器５１からの出力信号のレベルが大きく変動してもタイマ６１は、上記一定の直流電圧の出力を継続する。

時間ｔ_ｌの経過後、タイマ６１は、出力端子（Ｏｕｔ）からの出力を停止する。トランジスタＴＲ_１のゲートにバイアス電圧が印加されなくなるため、トランジスタＴＲ_１は増幅を行わない。

その後、燃焼、排気、吸気の各行程を経て、再び圧縮工程に入り、時刻ｔ_ｐ２において点火パスルが出力される。その後、上述と同様の動作により、トランジスタＴＲ_１のゲートにバイアス電圧が印加される。

−本実施形態の効果−
上記実施形態では、マイクロ波を出力すべき期間だけ第１増幅回路５２による増幅を行うため、消費電力を大幅に低下させ、更に発熱を抑えることができる。特に、第１増幅回路５２（初段アンプ）の増幅後の電流を減少させるので効果が大きい。増幅回路の発熱が著しく大きいと、放熱フィンや空冷だけでは不十分で水冷も必要となる場合がある。本実施形態によれば、発熱を低減効果により、水冷方式の採用を回避しうる。これにより、点火装置１の小型化やコストダウンにも寄与する。

また、上記実施形態では、バイアス電圧生成回路に、ＣＭＯＳ素子等で構成されるタイマ６１を用い、トリガ信号の入力を契機に一定時間、一定電圧を出力する。そして、この一定時間の間に、スパイクノイズ等により入力信号（発振器５１からの出力信号）のレベルが変動しても、一定電圧の出力が継続される。従って、マイクロ波を照射する期間中、一定のバイアス電圧を印加できるので、第１増幅回路５２による増幅度を安定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。例えば、以下の変形例も本発明の範疇である。

−変形例−
また、図５の第１増幅回路５２’のようなタイマ６１を用いない単純な回路構成を用い、発振器５１の後段のスイッチ５５のオン／オフに同期させてスイッチＳＷ１を制御してバイアス電圧を制御しても良い。但し、この回路では、高周波のノイズ（スパイクノイズ等）により、トランジスタＴＲ_１のバイアス電圧が変動し、安定した増幅が行えない虞もある。

上記実施形態では点火プラグの前段に、放電用の高電圧パルスと、マイクロ波用の高周波信号を混合する混合器を設け、点火プラグが放電とマイクロ波の放射の両方を行う構成を例に説明したが、マイクロ波を点火プラグとは別に設けた専用の放射アンテナから放射するタイプの点火装置にも適用可能である。

上記のマイクロ波発生器５は、クランクシャフトの角度情報を直接利用して、マイクロ波を放射するタイミングを決定し、増幅回路のオン／オフ制御を行っている。しかし、点火パルスをトリガとしてマイクロ波の放射タイミングを決定しても良い。この点火パルスも、元々はクランクシャフトの角度情報に基づいて決定しており、この場合もクランクシャフトの角度情報に基づいて増幅回路のオン／オフ制御するものといえる。従って、本発明の範囲内である。

また、上記実施形態の第２増幅回路５３は、Ｃ級増幅回路により増幅するものとしているが、本発明の第２増幅回路は、第１増幅回路からの出力が所定値以上の場合に増幅を行うものであれば他の構成でも良く、例えばＢ級増幅回路により増幅を行うものでも良い。一方、第１増幅回路をＢ級増幅回路とし、第２増幅回路をＣ級増幅回路としても良い。

また、上記ではアナログ増幅回路を実施例として本発明の構成例を説明したが、デジタル増幅回路により本発明を構成しても良い。

上記では、マイクロ波発生器５は１つの点火プラグ８（１の気筒）に対して１台配設しているが、１つのマイクロ波発生器５から分岐手段を使用して複数の気筒に対してマイクロ波を送出しても良い。

また、マイクロ波発生器５のうち、発振器５１は複数の気筒で１つとして共通使用し、第１増幅回路５２及び第２増幅回路５３は気筒毎に設けても良い。この場合、発振器５１の後段には出力先の気筒を切り替えるための分岐スイッチが設けられる。そして、本発明の発振器のオン／オフを切り替えるとは、このような出力先を切り替える場合も含む。

燃焼室２０内の燃焼状況に応じてバイアス電圧を動的に変動させても良い。バイアス電圧の変更は、例えば図３の可変抵抗Ｒ２の抵抗値を変更することで可能である。また、燃焼状況の推定は、例えば、放射アンテナを兼ねる点火プラグ８からの反射波の大きさをモニタする構成を混合器７内に設けておくことで実現できる。反射波の大小に応じて火炎の有無、又は大きさを推定できる。例えば、燃焼室が未燃状態の場合、高い増幅度が得るためにバイアス電圧を大きく設定（線形領域において、飽和領域に近い領域で使用）することで、大きなマイクロ波を出力でき、着火（プラズマの発生）を促進させることができる。一方、プラズマが既に発生し、プラズマを伝播させるステージでは、さほど大きなマイクロ波は必要ないと考えられる。この場合、消費電力を優先させるため、トランジスタの閾値電圧よりも少し高い程度のバイアス電圧に設定（線形領域において、遮断領域に近い領域で使用）しても良い。

マイクロ波の制御や増幅回路の制御は電磁波制御回路５４が行う代わりに制御部４が行っても良い。

上記では点火プラグ８により放電着火を行うエンジン（ガソリンエンジンで一般的なタイプ）を例に説明したが、本発明は点火プラグを有さないエンジン（ディーゼルエンジンで一般的に用いられるタイプ）にも適用可能である。

上記実施形態は、本発明を自動車のエンジン等の内燃機関の点火に用いる点火装置に適用した例であるが、本発明は、プラズマを効果的に発生、拡大させるプラズマ発生装置に適用することもできる。かかるプラズマ装置は、例えば内燃機関の燃焼室内の排気ガスの浄化機能の向上、塗装装置の性能向上、除菌／洗浄装置の性能向上などに活用することができる。

本発明は、自動車のエンジン等の内燃機関等において適用可能である。

１点火装置
２直流電源
３点火コイル
４制御装置
５マイクロ波発生器
７混合器
８点火プラグ
８ａ中心電極
８ｂ接地電極
１１内燃機関
５１発振器
５２第１増幅回路
５３第２増幅回路
５４電磁波制御回路
５５スイッチ
６１タイマ

Claims

内燃機関の燃焼室へ電磁波を放射する放射部と、
発振器と、該発振器からの出力を増幅する第１及び第２増幅回路を有し、前記放射部へ供給する電磁波を生成する生成部を備え、
前記第２増幅回路は、前記第１増幅回路の後段に設けられ、前記第１増幅回路からの出力が所定値以上の場合に増幅を行い、
前記第１増幅回路は、前記放射部が電磁波を放射するタイミングに応じて、前記電気信号の増幅のオン／オフを切り替える
ことを特徴とする点火装置。
前記第１増幅回路は、電界効果トランジスタによるソース接地回路、又はバイポーラトランジスタを用いたエミッタ接地回路により構成され、
前記第２増幅回路は、Ｃ級増幅回路により構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
前記内燃機関に向けて放電を行う放電部を更に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
内燃機関の燃焼室へ電磁波を放射する放射部と、
発振器と、該発振器からの出力を増幅するトランジスタを用いた増幅回路を有し、前記放射部へ供給する電磁波を生成する生成部を備え、
前記発振器は、前記放射部が電磁波を放射するタイミングに応じて、出力のオン／オフが切り替わり、
前記増幅回路は、前記発振器の出力がオフからオンとなったとき、所定時間一定の電圧を出力するタイマを備え、前記タイマからの出力に基づいて前記トランジスタへのバイアス電圧を生成する
ことを特徴とする点火装置。