JPWO2016024563A1 - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部導体２、外部導体３及び両導体を絶縁する絶縁体４を同軸状に配備した同軸構造体であって、一端側に、内部導体２及び外部導体３と電磁波発信器ＭＷとを接続する接続端子５を配設し、他端側の内部導体２を外部導体３より延出させ、延出させた内部導体２の先端側を、内部導体２を覆うように反転して螺旋状に巻回することで共振構造とした反転巻回部２０とし、該反転巻回部２０の容量性リアクタンスＸＣと誘電性リアクタンスＸＬとが略等しくなるように外部導体３より延出させた内部導体２の線径、長さ及び反転巻回部２０の巻き数を決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、点火装置、より詳しくは電磁波を共振させることで高電圧を生じさせ放電させる点火装置に関する。

従来、内燃機関の着火のための点火装置として、内燃機関の燃焼室内に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置を用いた点火装置が提案されている。例えば特開２００９−３８０２５号公報及び特開２００６−１３２５１８号公報には、この種のプラズマ生成装置を用いた内燃機関の点火装置が記載されている。

特開２００９−３８０２５号公報には、スパークプラグの放電ギャップでスパーク放電を生じさせるとともに、その放電ギャップに向けてマイクロ波を放射してプラズマを拡大するプラズマ生成装置が記載されている。このプラズマ生成装置では、スパーク放電により生成されたプラズマがマイクロ波パルスからエネルギーを受ける。これにより、プラズマ領域の電子が加速され、電離が促進されて、プラズマの体積が増大する。

また、特開２００６−１３２５１８号公報には、電磁波放射器から燃焼室内に電磁波を放射することによりプラズマ放電を発生させる内燃機関の点火装置が開示されている。ピストンの上面には、ピストンから絶縁された点火用電極が設けられている。点火用電極は、その近傍にて燃焼室内の電磁波の電界強度を局所的に高める役割を果たす。これにより点火用電極の近傍にてプラズマ放電が生成される内燃機関の点火装置である。

特開２００９−３８０２５号公報 特開２００６−１３２５１８号公報

しかし、特開２００９−３８０２５号公報に記載のプラズマ生成装置では、スパークプラグにおいて放電を起こさせるための高電圧電源、及びマイクロ波を放射するための高周波電源の少なくとも２つの電源が必要となる。例えばプラズマ生成装置を自動車エンジン等の燃焼室に用いる場合には設置スペースに限界があるため、このように複数の電源を要するプラズマ生成装置では設置場所を確保することが難しいという不都合がある。また、このようなプラズマ生成装置における伝送システムとしては、従来のスパークプラグに対する高電圧配送システムと電磁波配送システムの双方が必要とされるため、高度に複雑化されるとともに、電磁波のみでは着火に必要なプラズマを発生することは困難であり、火種としてスパークプラグによる放電が必要不可欠であった。一方、特開２００６−１３２５１８号公報に記載のプラズマ生成装置は、電磁波のみを用いてプラズマを生成するため、電源は１つしか必要ないものの電磁波のみで着火及び燃焼反応を起こさせるためには、高周波電源から多量の電力を供給する必要がある。また、点火装置と一体型のインジェクタとして、汎用のインジェクタを改造することなくブラケットを介してインジェクタと点火装置を並列して配設する場合、既存の点火プラグを用いると、インジェクタの燃料噴射量を基準にすると、点火プラグの小径化には限界があるため、内燃機関への取り付けが困難になるという問題もあった。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関等に用いる点火装置であって、高電圧によって放電するスパークプラグや複雑なシステム等を必要とせず、電磁波のみを使って、高い電位差を生じさせ、燃料を点火することができる放電を発生させることができる小型の点火装置を供給することである。

内部導体、外部導体及び両導体を絶縁する絶縁体を同軸状に配備した同軸構造体であって、
一端側に、内部導体及び外部導体と電磁波発信器とを接続する接続端子を配設し、
他端側の内部導体を外部導体より延出させ、延出させた内部導体の先端側を、内部導体を覆うように反転して螺旋状に巻回することで共振構造とした反転巻回部とし、
該反転巻回部の容量性リアクタンスと誘電性リアクタンスとが略等しくなるように外部導体より延出させた内部導体の線径、長さ及び反転巻回部の巻き数を決定した点火装置である。

本発明の点火装置は、反転巻回部の容量性リアクタンスと誘電性リアクタンスとが略等しくなるように外部導体より延出させた内部導体の線径、長さ及び巻き数を決定することで、反転巻回部を共振構造として、供給される電磁波を反転巻回部の所定の箇所で電位差をもたせ放電させることができる。

また、前記反転巻回部の先端を外部導体と接続することが好ましい。このように構成することで、螺旋状に巻回されている露出した内部導体の円周上の箇所と、反転巻回部よりも絶縁体側で直線上に延びる内部導体の前記円周上の箇所と最も近い箇所にあり、両箇所の内部導体の長さ距離が供給される電磁波の波長λに対してλ／２との間となる、両箇所の間隙（空間）で絶縁破壊を起こし放電する。

また、多端側の外部導体より延出させる内部導体の長さが、接続端子から入力される電磁波の周波数をλとしたとき、λ／４の整数倍とすることができる。

さらに、前記同軸構造体を、セミリジットケーブルとすることができる。セミリジットケーブルとすることで、汎用品を利用することができ、コストの低廉化を図ることができる。

本発明の点火装置は、内部導体、外部導体及び両導体を絶縁する絶縁体を同軸状に配備した同軸構造体の他端側の内部導体を外部導体より延出させて構成した反転巻回部で、供給する電磁波を共振させ所定の箇所で放電（スパーク）させることができるから、極めて小型な構成で、電磁波のみで放電（スパーク）を起こすことができる点火装置を提供することができる。

実施形態１の点火装置を示す一部切り欠き断面の正面図で、（ａ）は内部導体先端と外部導体を絶縁した状態、（ｂ）は内部導体先端と外部導体を短絡した状態である。 同点火装置の内部導体を反転巻回する前の状態を示す一部拡大の正面図である。 同軸構造体としてセミリジットケーブルを使用した例を示す正面図である。 実施形態２の点火装置一体型インジェクタを示す一部断面の正面図である。 同点火装置一体型インジェクタのブラケットを示し、（ａ１）は平面図、（ａ２）は（ａ１）のＸａ−Ｘａ断面図、（ｂ１）は実施形態２の変形例の平面図、（ｂ２）は（ｂ１）のＸｂ−Ｘｂ断面図である。 同点火装置一体型インジェクタの変形例を示し、（ａ）はブラケットの軸心とインジェクタ取付穴の軸心を一致させ、点火装置を周上複数箇所に配設した例、（ｂ）は両軸心を偏心させた例である。

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＞点火装置
本実施形態１は、本発明に係る点火装置である。当該点火装置１は、図１に示すように、内部導体２、外部導体３及び両導体２、３を絶縁する絶縁体４を同軸状に配備した同軸構造体であって、この同軸構造体の一端側には、内部導体２及び外部導体３と電磁波発信器ＭＷとを接続する接続端子５を配設し、他端側の内部導体２を外部導体３より延出させ、延出させた内部導体２の先端側を、内部導体２を覆うように反転して螺旋状に巻回することで共振構造とした反転巻回部２０を構成するようにしている。

そして、この点火装置１は、電磁波発信器ＭＷから出力する、例えば、２．４５ＧＨｚの電磁波の電力を５００Ｗ以上として、反転巻回部２０において放電を生じさせるようにしている。

当該点火装置１を構成する同軸構造体は、内部導体２、外部導体３及び両導体２、３を絶縁する絶縁体４を同軸状に配備したものであれば、特に限定されないが、図３に示すように、所謂、セミリジットケーブルを利用することができる。セミリジットケーブルとすることで、汎用品を利用することができ、コストの低廉化を図ることができるとともに、任意の箇所で屈曲させることができる。

内部導体２の径は，０．２５ｍｍ〜１．００ｍｍ程度、外部導体３の径は、１．００ｍｍ〜４．００ｍｍ程度が好ましい。また、絶縁体４は、耐熱性の観点からガラス繊維等を利用することが好ましい。また、図１（ａ）に示すように、絶縁体４の反転巻回部２０側の端部を耐熱性に優れるセラミック４０等とすることもできる。この場合、耐熱セラミック系接着剤等を充填して構成することもできる。このように、当該点火装置１の外径は、略外部導体３の外径と等しくなり、極めて小径で小型化を実現する。これにより、内燃機関のシリンダヘッドに小径の取付穴を形成するだけで済み、１の燃焼室に対し、多数配設することができる。また、ガスケット部分を改良して配設することも可能である。さらに、通常の点火プラグと併用して使用することもでき、シリンダ壁面近傍に当該点火装置１を設けることで火炎伝播の向きを外側（シリンダ壁面）から内側（シリンダ中心）に向かうようにして、冷熱損失の低減を図ることもできる。

そして、この点火装置１は、ノーマルモード型のヘリカルアンテナと略同様の構成である。そして、反転巻回部２０を共振構造とするために、次式（１）で表される容量性リアクタンスＸＣと、次式（２）で表される誘導性リアクタンスＸＬとを略等しくなるように設計している。
ＸＣ＝１／（ω・Ｃ）・・・（１）
ここで、電荷からの容量Ｃは、
Ｃ＝επＮ（４．４αＨ＋Ｄ）^２／（γ（１−２α）Ｈ）
Ｎ：巻き数、Ｈ：反転巻回部の長さ、Ｄ：反転巻回部の直径、γ：定数
αＨは、電荷領域の高さでα＝０．２１
１／（ε・ω）＝６０λ（λは供給する電磁波の周波数）
ＸＬ＝ｊωＬＡ・・・（２）
ここで、インダクタンスＬＡは、
ＬＡ＝（１９．７Ｎ^２Ｄ^２・１０^−６）／ｊ（９Ｄ＋２０Ｈ）

変数パラメータとなる、巻き数、反転巻回部の長さ、反転巻回部の直径と供給する電磁波（マイクロ波）の周波数λ（例えば、２．４５ＧＨｚ）を、上式（１）、（２）に代入し、容量性リアクタンスＸＣと誘導性リアクタンスＸＬとが略等しくなる値を採用する。そして、決定した巻き数、反転巻回部の長さ、反転巻回部の直径に基づいて、反転巻回部２０を構成することで、反転巻回部２０の先端を外部導体３と接続しない（絶縁）ときは反転巻回部２０の先端と外部導体の間の空間ｓ１で、反転巻回部２０の先端を外部導体３と接続部２１として接続（短絡）するときは、螺旋状に巻回されている露出した内部導体２の円周上の点ｂと、反転巻回部２０よりも絶縁体４側で直線上に延びる内部導体２のうち点ｂと最も近い距離にある点ａとの間となる空間ｓ２で絶縁破壊を起こし放電する。

反転巻回部２０の先端を外部導体３と接続部２１として接続するときに放電するのは、点ｂは外部導体３と同電位（０電位）となっている点ｃから、供給される電磁波の波長λに対してλ／４の点、点ｂは点ａからλ／２の点となるように設定（図２参照）しているからであり、０電位である点ｃが波長の節となり、点ａ、点ｂ共に波長の腹と腹にあたる点となって、最も電位差の大きく、かつ、近接した箇所となっているからである（図１（ｂ）参照）。点ａが点ｂから最も近い点（巻回半径と略等しい距離）となるように、反転巻回部２０の螺旋状の巻回ピッチを適宜調整するようにしている。

そして、電磁波用電源（図示省略）は、制御装置（図示省略）から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波発振器ＭＷにパルス電流（マイクロ波パルス）を出力する。半導体発振器を使用することで、照射する電磁波の出力、周波数、位相、デューティー比、パルス時間、を容易に制御し、変更することができる。

−点火装置の動作−
点火装置１の点火動作（プラズマ生成動作）について説明する。プラズマ生成動作では、空間ｓ１及び空間ｓ２での放電（スパーク）により、空間ｓ１及び空間ｓ２の近傍にプラズマが生じる。

具体的なプラズマ生成動作は、まず制御装置が、所定周波数λの電磁波発振信号を出力する。電磁波用電源は、制御装置からこのような電磁波発振信号を受けると、所定のデューティー比で所定の設定時間に亘ってパルス電流を出力する。電磁波発振器ＭＷは、設定時間に亘って周波数（例えば、２．４５Ｇｚ）の電磁波パルスを所定のデューティー比で出力する。電磁波発振器ＭＷから出力された電磁波パルスは、上述した式（１）及び式（２）により定められ、容量性リアクタンスＸＣと、誘導性リアクタンスＸＬとが略等しい巻き数、線径、長さで、反転して螺旋状に巻回することで共振構造とした反転巻回部２０によって、最も電位差の大きくなる空間ｓ１及び空間ｓ２において、放電（スパーク）が起こり、スパークが生じる。この放電（スパーク）により、反転巻回部２０の近傍のガス分子から電子が放出され、プラズマが生成され、燃料が点火する。

−実施形態１の効果−
本実施形態１の点火装置１は、内部導体２、外部導体３及び両導体を絶縁する絶縁体４を同軸状に配備した同軸構造体の他端側の内部導体２を外部導体３より延出させて構成した反転巻回部２０で、供給する電磁波を共振させ上述した所定の箇所で放電（スパーク）させることができるから、極めて小型に構成し、電磁波のみで放電（スパーク）を起こすことができる。

＜実施形態２＞点火装置一体型インジェクタ
本実施形態２は、本発明に係る点火装置とインジェクタとを、ブラケットを介して一体的に構成し、内燃機関に使用するものである。

図４は、当該点火装置１を、直噴型のインジェクタと共に、内燃機関のシリンダヘッド１００に取り付けた例を示す。この内燃機関は、例えば、中古車市場の大型ディーゼルトラック用エンジンであって、使用する燃料を、燃費向上、環境性の向上の観点から燃料にガス燃料（ＣＮＧガスやＬＰＧガス）に置き換える内燃機関である。このような技術は、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レトロフィット技術と呼ばれ、例えば、アメリカ合衆国環境保護庁が推奨している。

図に示すように、当該点火装置１及びインジェクタ７は、シリンダヘッド１００のインジェクタ取付口１０１にブラケット６を介して配設する。７０は、燃料タンク及び燃料供給用ポンプを示し、制御手段（例えば、ＥＣＵ）からの噴射指令（例えば、インジェクタ７が備える電磁コイルアクチュエータに通電される燃料噴射弁駆動電流Ｅ）に同期して作動する。

ブラケット６は、図５（ａ１）、（ａ２）に示すように、インジェクタ取付口１０１の形状に対応した形状の中空円筒部材で、外表面にシール部材としてのＯリングを取り付ける溝部を設けている。インジェクタ取付穴６１は、取り付けるインジェクタ７の形状に対応した段差を設けている。このインジェクタ取付穴６１は、ブラケット本体６０の軸心に対して偏心して開口する。そして、肉厚の厚い部分に点火装置取付孔６２を開口する。この点火装置取付孔６２は、ブラケット６の段差部をかわすように屈曲して形成する。

このように構成したブラケット６に所定のインジェクタ７及び当該点火装置１を配設することで、シリンダヘッド１００のインジェクタ取付口１０１を追加工することなくインジェクタと点火装置を並列した点火装置一体型のインジェクタとして中古市場の大型ディーゼルトラック用エンジンの燃料をガスエンジンとしたレトロフィット技術に適用することができる。なお、インジェクタ取付口１０１を大径に追加工を施した場合でも、追加工したインジェクタ取付口１０１に適用するブラケット６を製作することで大容量のインジェクタ７を使用して当該点火装置１と共に利用することができる。

−実施形態２の効果−
本実施形態２の点火装置一体型インジェクタは、ディーゼルエンジンにおいて、燃料として軽油を使用するときと比べて圧縮着火温度が高く自着火が困難となるガス燃料を使用するようにしても、電磁波のみで放電する当が点火装置１を組み込んでいるから、安定して燃料を点火することができる。

−実施形態２の変形例−
実施形態２の変形例は、図５（ｂ１）、（ｂ２）及び図６に示すように、ブラケット６の内燃機関側端面の点火装置取付孔６３に、点火装置１の端子部４の外表面に形成した雄ねじ部が螺合する取り付け用の雌ねじ部を形成するようにしている。

このように構成することで、ブラケット６内の点火装置取付孔６３には同軸構造の点火装置１を挿通することなく、電磁波発振器ＭＷからの電磁波伝送用ケーブルのみを挿通すればよい。これによって、点火装置取付孔６３を大幅に小径化することができ、ブラケット６の軸心とインジェクタ取付穴６１の軸心を一致させ、点火装置取付孔６３を周上複数箇所に形成することができる。

点火装置取付孔６３を周上複数箇所に形成し、点火装置１を複数配設することで、ガス燃料に対して確実な点火を実現することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、ブラケット６の軸心とインジェクタ取付穴６１の軸心を偏心させ、実施形態２と同様に、点火装置１を１箇所のみに配設するようにしても構わない。

以上説明したように、本発明の点火装置は、電磁波のみで放電を生じさせ、プラズマを生成させることができる。また、小径であり、内縁機関に複数配設することができる。また、インジェクタと一体的に構成することも可能であり、通常の内燃機関のみならず、中古車市場の大型ディーゼルトラック用エンジンであって、使用する燃料を、燃費向上、環境性の向上の観点から燃料にガス燃料（ＣＮＧガスやＬＰＧガス）に置き換える内燃機関等に好適に用いられる。

１ 点火装置
２ 内部導体
２０ 反転巻回部
２１ 接続部
３ 外部導体
４ 絶縁体
５ 接続端子
６ ブラケット
６０ ブラケット本体
６１ インジェクタ取付穴
６２ 点火装置取付孔
７ インジェクタ
ＸＣ 容量性リアクタンス
ＸＬ 誘導性リアクタンス
ＭＷ 電磁波発信器

Claims (4)

1. 内部導体、外部導体及び両導体を絶縁する絶縁体を同軸状に配備した同軸構造体であって、
   一端側に、内部導体及び外部導体と電磁波発信器とを接続する接続端子を配設し、
   他端側の内部導体を外部導体より延出させ、延出させた内部導体の先端側を、内部導体を覆うように反転して螺旋状に巻回することで共振構造とした反転巻回部とし、
   該反転巻回部の容量性リアクタンスと誘電性リアクタンスとが略等しくなるように外部導体より延出させた内部導体の線径、長さ及び反転巻回部の巻き数を決定した点火装置。
2. 前記反転巻回部の先端を外部導体と接続した請求項１に記載の点火装置。
3. 外部導体より延出させる内部導体の長さが、接続端子から入力される電磁波の周波数をλとしたとき、λ／４の整数倍である請求項１又は請求項２に記載の点火装置。
4. 前記同軸構造体が、セミリジットケーブルである請求項１、２又は請求項３に記載の点火装置。

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