JPWO2017065310A1 - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火力が大きく、かつ反射電力の少ない電磁波共振構造の点火装置を提供する。直方体状の第１基板及び第２基板と、第１基板及び第２基板の間に設けられ、長辺の長さが第１及び第２基板よりも短い１又は複数の中間基板と、を備え、第１基板には、外部からの電磁波の入力を受ける入力部、第１電極部、及び入力部と第１電極部を接続する電磁波伝送線路が中間基板側の面に設けられ、第２基板には、電磁波共振部、電磁波共振部と電気的に接続された第２電極部が中間基板側の面に設けられており、第１電極部と第２電極部、及び電磁波伝送線路の一部と共振部の一部のそれぞれが、中間基板の設けられていない箇所において空間を隔てて対向することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に用いられ、燃料を点火する点火装置に関する。

出願人は、内燃機関での燃焼にマイクロ波技術を適用することにより、空燃比の改善を図る技術の開発を進めてきた（例えば特許文献１）。特許文献１では、スパークプラグを用いて燃料に点火したのち、マイクロ波を照射することで点火した火炎を拡大する技術が開示されている。

また、出願人は、マイクロ波共振構造による点火装置を開発した（特許文献２）。特許文献２の点火装置は、外部発振器から入力したマイクロ波を共振構造により昇圧し、先端の放電電極と接地電極間で放電を生じさせる構造である。外部から繰り返しパルス状のマイクロ波を入力すれば、繰り返しの放電をさせることができ、安定した着火を行うことができる。また、プラズマ（ＯＨラジカル）を点火領域に連続的に供給することができるから、リーンでの燃焼が可能である。直径は約４ｍｍ程度であり、通常のスパークプラグ（直径１２ｍｍ）の１／３程度であるため、バルブ径の大径化も可能となり、内燃機関の高効率化にも寄与できる。また、小径であるから、多点着火用の補助点火装置にも適する。

特許第４８７６２１７号公報 国際公開公報２０１５／０２５９１３号

しかし、特許文献２の点火装置は、小径であるゆえ、放電領域の体積が小さい。そのため、大型の内燃機関、又は天然ガス等のガソリンよりも着火性に劣る燃料の点火に用いる場合、点火力が不十分な場合がある。

また、特許文献２の点火装置では、外部回路（例えば５０Ω系）と、共振構造部のインピーダンスを整合させるための整合部がプラグ内部に設けられる。しかし、放電によりプラズマが生じた場合、放電電極と接地電極間の電気抵抗変化により、インピーダンスの不整合が起こり、マイクロ波が反射し、マイクロ波のエネルギーがプラズマに効率的に投入できない。マイクロ波の入力波形や、レベル制御や、インピーダンス不整合が起きにくい回路設計等の対策を講じてはいるものの、根本的な解決も望まれる。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明は、直方体状の第１基板及び第２基板と、第１基板及び第２基板の間に設けられ、長辺の長さが第１及び第２基板よりも短い１又は複数の中間基板と、を備え、第１基板には、外部からの電磁波の入力を受ける入力部、第１電極部、及び入力部と第１電極部を接続する電磁波伝送線路が中間基板側の面に設けられ、第２基板には、電磁波共振部、電磁波共振部と電気的に接続された第２電極部が中間基板側の面に設けられており、第１電極部と第２電極部、及び電磁波伝送線路の一部と共振部の一部のそれぞれが、中間基板の設けられていない箇所において空間を隔てて対向することを特徴とする。

本発明によれば、マイクロ波を利用した点火装置による点火の安定性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る点火プラグの外観図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグの図。（ａ）はケースを外した状態の分解斜視図、（ｂ）は第１基板の裏面側を示す図、（ｃ）は第２基板の表面側先端部を拡大した図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグの断面図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグの各基板の表面を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグの各基板の裏面を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグの等価回路を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグを用いた内燃機関の例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る点火プラグを用いた内燃機関の他の例を示し、（ａ）はピストン上昇前の一部断面図、（ｂ）はピストン上昇後（ＴＤＣ近辺）の一部断面図、（ｃ）はそのときのピストンを頂面から見たときの図である。 参考例に係る多点点火を行う内燃機関の図である。 本発明の第２実施形態を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る点火プラグを示し、（ａ）は全体平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は放電部側から見た正面図、（ｄ）は共振電極を示す斜視図である。

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。

＜実施形態1＞
図１乃至図５を参照して、本実施形態の点火プラグ１は、上側から順に第１基板１３、中間基板１４、中間基板１５、第２基板１６からなり、これらの４つの基板は直方体状のケース１１に収納される。また、上記の４つの基板はいずれもセラミック等の絶縁材料からなる。

第１基板１３の左側の短辺には、図示しない外部発振器で生成されたマイクロ波を伝送する同軸ケーブル２９（図７等参照）が接続されるＳＭＡコネクタ１２が装着される。第１基板１３の上面には、マイクロ波が外部に漏えいすることを防止する金属パターン１３ｂが全面にわたり形成される。また、第１基板１３の下面側には、右端の短辺に電極１３ａが形成され、更に、ストリップライン状の金属パターンであるマイクロ波伝送路１３ｃが、電極１３ａとＳＭＡコネクタ１２を電気的に接続するように形成される。

第２基板１６の上面には共振部１６ａが形成され、その右側の短辺には放電電極１６ｂが共振部１６ａと電気的に接続するように形成される一方、接地電極１６ｃが放電電極１６ｂと離間するが近接して形成される。また、第２基板の下面には、共振部１６ａを流れるマイクロ波が外部に漏えいすることを防止する金属パターン１６ｄが全面にわたり形成される。

中間基板１４及び１５は、第１基板１３と第２基板１４に挟まれるように配置され、長辺の長さは第１基板１３と第２基板１４よりも短い。このため、第１基板１３の下面の右辺側と、第２基板１３の上面の右辺側が空間を隔てて対向する。つまり、第１電極１３ａと放電電極１６ｂ、及びマイクロ波伝送路１３ｃの一部と共振部１６ａの一部のそれぞれが、中間基板１４の設けられていない箇所において空間を隔てて対向する。この空間は、第１基板１３のマイクロ波伝送路１３ｃを流れるマイクロ波を電界結合により第２基板１４の共振部１６に誘導するための結合部１７として機能する。また、中間基板１５の上面には、第１基板１３のマイクロ波伝送路１３ｃを流れるマイクロ波を、第２基板１６に対してシールドする金属パターンが形成される。尚、この金属パターンは中間基板１４の下面に形成しても良い。

次に、点火プラグ１の動作を説明する。ＳＭＡコネクタ１２から入力されたマイクロ波は、マイクロ波伝送路１３ｃを伝送する。そして、上記の結合部１７を介して、このマイクロ波は電界結合により第２基板１４の共振部１６に誘導される。共振部１６は、マイクロ波共振構造を有し、共振部１６に誘導されたマイクロ波は昇圧され、放電電極１６ｂで高電位になる。その結果、放電電極１６ｂと接地電極１６ｃの間で放電が生じる（以下、この放電のことを「第１の放電」と呼ぶ）。第１の放電によりプラズマが生成し、これを種火として、第１基板１３の電極１３ａとの間で放電が生じる（以下、この放電のことを「第２の放電」と呼ぶ）。

尚、点火プラグ１においては、放電電極１６ｂと接地電極１６ｃの距離は一例として、０．３ｍｍである。また、放電電極１６ｂと電極１３ａの距離は一例として４ｍｍである。従って、放電体積は、第２の放電の方が第１の放電よりも大きい。尚、特許文献２の従来型のマイクロ波共振構造の点火プラグの放電ギャップ長は０．３ｍｍであるので、本発明の点火プラグは従来品よりも放電体積が大きく、大きなプラズマを生成できる。

従来のマイクロ波共振構造の点火プラグでは、放電によりプラズマが生じると反射が起きる。等価回路を用いこれを説明する。図６（ａ）は、従来のマイクロ波共振構造の点火プラグの共振構造部の等価回路である。まず、外部のマイクロ波発振器からマイクロ波が入力されると、コンデンサＣ１に同図の左から右に向かって電流が流れる。次に、このマイクロ波の周波数に共振して、リアクタンスＬ、コンデンサＣ３、Ｃ２で形成されるループ回路に強い共振電流が流れると、特にコンデンサＣ３の両端に高い電圧が発生するし、コンデンサＣ３の両端で絶縁破壊となり、放電してプラズマが発生する。コンデンサＣ３の両端は、解放状態から抵抗Ｒｐが並列に接続された状態と等価になる。これにより、もともと５０Ω系の外部回路とインピーダンス整合が取れていた状態から、インピーダンスが不整合の状態に変化するので、マイクロ波が反射するのである。

一方、図６（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る点火プラグ１の共振構造部の等価回路である。プラズマが発生していない状態では、抵抗Ｒｐ１、Ｒｐ２の両端は解放状態と等価であると考える。外部のマイクロ波発振器からマイクロ波が入力されると、まずコンデンサＣ１に電流が流れる。このマイクロ波の周波数に共振して、コンデンサＣ３、Ｃ２、及びリアクタンスＬで形成されるループ回路に強い共振電流が流れると、特にコンデンサＣ３の両端に高い電圧が発生する。コンデンサＣ３の両端で絶縁破壊となり、放電してプラズマが発生する（これは上述の第１の放電に相当する）。コンデンサＣ３の両端には、解放状態から抵抗Ｒｐ１が並列に接続された状態に変化する。この状態では、（ａ）の従来型の点火プラグと同様、インピーダンスの不整合状態が起きているので、反射波が大きい。次に、コンデンサＣ３の両端で発生したプラズマを種火として伝送線（マイクロ波伝送路１３ｃ）との間で放電が発生する（これは上述の第２の放電に相当する）。これにより、伝送線とグランド（ＧＮＤ）の間に強い電流が流れる（電気回路的には、解放状態から抵抗Ｒｐ２が接続された状態となる）。しかし、伝送線と直結した経路による放電では共振器（共振部１６）を介さないから、インピーダンス不整合による反射の発生量を減らすことができ、入力電力を高効率にプラズマに与えることができる。つまり、反射波が大きい期間は上述の第１の放電の期間のみに留めることができ、第２の放電の期間では反射波を小さく抑えることができる。

なお、一例として、従来型のマイクロ波共振構造の点火プラグでは、プラズマ生成に起因する反射率は８０％程度であるが、本発明の第１実施形態に係る点火プラグ１では１０％程度に抑えることができていることを実験的に確認した。

次に、本発明の点火プラグの使用例を説明する。図７は、点火プラグ１をスパークプラグに代えて使用した例を示す図である。

図８は、点火プラグ１を燃焼室の側方に設けた例である。同図の（ａ）〜（ｃ）を参照して、シリンダブロック２６とシリンダヘッド２７の間（通常、ガスケットが挿入される箇所）に４つの点火プラグ１（１Ａ〜１Ｄ）が挿入される。一方、ピストン２５の頂面には円環状の受信アンテナ４３が形成される。ピストン２５が上死点に到達するタイミングにおいて点火プラグ１にマイクロ波を給電して上述の「第２の放電」を起こさせる。そうすると、この第２の放電が受信アンテナ４３にも派生し、点火プラグ１と受信アンテナ４３の間で大きな放電を生じさせることができる。これにより、ノッキングの抑制等を図ることができる。

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。

上記の各例では、例えば電磁波の一例としてマイクロ波を例に説明したが、他の波長域の電磁波であってもよい。

また、本点火装置が適用される内燃機関は自動車用のレシプロガソリンエンジン、ロータリーガソリンエンジンが想定されるが、例えば天然ガスを燃料とするエンジン、又は軽油を燃料とするエンジンに適用してもよい。

又、上記では第１の放電が放電電極１６ｂと接地電極１６ｃの間で生じるものとしたが、例えば、ケース１１の金属部を接地電極として機能させ、放電電極１６ｂとケース１１の間で放電を生じさせるようにしても良い。

（参考例）
図９は、参考例に係る、多点点火用の点火装置である。同軸ケーブル２９により伝送されたマイクロ波を、シリンダヘッドに設けた平面アンテナ４１から燃焼室４２に向けて放射させ、これをピストン２５の頂面に設けた受信アンテナ４３ａ〜４３ｄで受信するようにする。各受信アンテナ４３は、８〜９ｍｍ角の平面パッチアンテナと、共振部とからなり、パッチアンテナ部で受信したマイクロ波が共振部で昇圧されて、共振部の先端部で放電する構造となっている。これにより、多点点火を実現しようとするものである。

＜実施形態２＞
実施形態２の点火プラグは、図１０に示すように、各基板１３〜１６を積層して点火プラグを構成したものをさらに複数束ねて構成するようにしている。図例では縦横それぞれ３列とした９個を束ねた例をしめすが、４列１６個等、これらに限られるものではない。

複数の点火プラグ１の第１基板１３の一方の短辺には、上述したように、電磁波の入力部となる。この入力部のそれぞれに、電磁波発振器と繋がる同軸ケーブル３１と連結するためのコネクタ（例えば、ＳＭＡコネクタ１２）を配設するように構成し、それぞれを外部の電磁波発振器と接続しても構わないが、分配器を介して接続するようにしても構わない。また、それぞれの入力部（伝送路１３ｃの電極１３ａの逆側端部）を電気的に接続し、１の外部の電磁波発振と接続し分配器を介することなく電磁波（マイクロ波）を各点火プラグ１に伝送するようにしても構わない。
＜実施形態３＞
実施形態３の点火プラグは、実施形態１で説明した基盤型点火プラグ１の等価回路（図６（ｂ）参照）を円筒形上で実現した点火プラグである。この点火プラグ３は、図１１に示すように、中空円筒状のケース３０と、ケース３０と略同軸状で、一端が外部の電磁波発振器ＭＷと接続される入力部３３と連結されるとともに、他端に入力部３３から供給される電磁波を放射するアンテナ部３１ａを形成した中心電極３１と、中心電極３１のアンテナ部３１ａと入力部３３を連結するアンテナ部３１ａより小径の軸部３１ｂを覆うシールドパイプ３３と、アンテナ部３１ａを覆う放電部３２ａとシールドパイプ３３を覆う筒状の共振部３２ｂとからなる共振電極３２とから構成される。そして、共振部Ｒｅで供給される電磁波が昇圧され放電部３２ａとケース３０の先端に形成された接地電極３０ａとの間の電位差が高められ、１次プラズマＳＰ１が生成される。

共振電極３２を構成するアンテナ部３１ａを覆う放電部３２ａは、筒状部であっても構わないが、図１１（ｄ）に示すように、半円形状となるように構成している。そして、放電部３２ａと共振部３２ｂは１５乃至３０°程度の円弧部を残して切り欠いた連結部３２ｃによって連結されている。図より明らかなように、共振電極３２は薄肉の円筒状金属材料を切り欠いて製作する。ケース３０の先端に形成される接地電極３０ａは、図１１（ｂ）〜（ｃ）に示すように、複数の切り欠き部（スリットＳ）を形成することが好ましく、これにより、内燃機関に配設したときの混合気への着火性を向上させることができる。

シールドパイプ３３は、軸部３１ｂから共振部３２ｂへ供給される電磁波が容量結合しないためのシールドで、中心電極３１及び共振電極３２と電気的に絶縁されている。シールドパイプ３３は、一端が入力部３３と一体に形成し、ケース３０の反接地電極側に固定するようにしている。シールドパイプ３３の内周面と中心電極３１の外周面との間には絶縁体としてセラミックパイプやセラミック粉末等を充填し、絶縁するようにしても構わない。また、シールドパイプ３３の外周面と共振部３２ｂの内周面との間にも絶縁パイプを設けることが好ましく、この絶縁パイプは共振電極３２の位置決めができるようにケース３０内周面の段差とシールドパイプ３３の外周面と共振部３２ｂの内周面との隙間形状に沿った絶縁パイプ３４を配設することが好ましい。

上記構成において、外部の電磁波発振器ＭＷから供給される電磁波（本実施形態においては２．４５ＧＨｚのマイクロ波）は中心電極３１のアンテナ部３１ａから放電部３２ａを介して共振電極３２の共振部３２ｂの外周面とケース３０の内周面との間に形成される共振部Ｒｅで昇圧され、共振電極３２の放電部３２ａと接地電極３０ａとの間の電位差が高められる。その結果、放電部３２ａと接地電極３０ａとの間で１次プラズマＳＰ１が生成される。アンテナ部３１ａと放電部３２ａは、容量結合されるコンデンサを形成している。

１次プラズマＳＰ１が生成されることで、インピーダンスの不整合が生じるが、共振部Ｒｅを介さない中心電極３１を通る電磁波は、アンテナ部３１ａから電磁波が１次プラズマＳＰ１に供給され、１次プラズマＳＰ１が維持拡大される。

この点火プラグ３を内燃機関に使用する場合、供給数ル電磁波はパルスで供給し、一般的な点火プラグとの点火タイミングと略同一のタイミングで１次プラズマＳＰ１が生成するように５マイクロ秒から２０マイクロ秒の発振時間で電磁波を供給するとともに、その後も発振時間１０ナノ秒から５００ナノ秒、可及的に短い時間で発振することが好ましいが、本実施形態においては、５０ナノ秒で発振し、デューティ比３０から８０％、好ましくは４０から６０％、本実施形態においては、５０％のデューティ比としている。そして、発振回数とし３００から１０００回、好ましくは６００から８００回、本実施形態においては、７００回程度の電磁波を発振するようにしている。

このような発振パターンを、図６（ｂ）に示す等価回路で表さすことのできる上記構成の筒状点火プラグにおいて実施することで、１次プラズマＳＰ１が維持拡大し、電磁波のみで生成するプラズマで、空燃比の高い所謂スーパーリーン状態で確実な燃焼を維持することができる。

１ 点火プラグ
１２ ＳＭＡコネクタ
１３ 第１基板
１３ａ 電極
１３ｃ マイクロ波伝送路
１４ 中間基板
１５ 中間基板
１６ 第２基板
１６ａ 共振部
１６ｂ 中心電極
１６ｃ 接地電極
３ 点火装置（点火プラグ）
３０ ケース
３１ 中心電極
３１ａ アンテナ
３１ｂ 軸部
３２ 共振電極
３２ａ 放電部
３２ｂ 共振部
３２ｃ 連結部
３３ シールドパイプ

Claims (5)

1. 直方体状の第１基板及び第２基板と、
   第１基板及び第２基板の間に設けられ、長辺の長さが第１及び第２基板よりも短い１又は複数の中間基板と、を備え、
   第１基板には、外部からの電磁波の入力を受ける入力部、第１電極部、及び入力部と第１電極部を接続する電磁波伝送線路が中間基板側の面に設けられ、
   第２基板には、電磁波共振部、電磁波共振部と電気的に接続された第２電極部が中間基板側の面に設けられており、
   第１電極部と第２電極部、及び電磁波伝送線路の一部と共振部の一部のそれぞれが、中間基板の設けられていない箇所において空間を隔てて対向することを特徴とする点火装置。
2. 前記入力部が第１基板の一方の短辺側に設けられ、前記第１電極部が該第１基板の他方の短辺側に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 前記電磁波伝送線路を流れる電磁波が電界結合により前記共振部に誘導され、該誘導された電磁波が共振部により昇圧されることによって前記第２電極部において第１の放電を生じさせ、
   この第１の放電を契機として、第２電極部と前記第１電極部の間で該第１の放電よりも放電体積が大きな第２の放電を生じさせることによって点火を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 前記第２基板には、前記第２電極部に近接して接地電極部が設けられており、前記第１の放電が該第２電極部と該接地電極部との間で生じることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の点火装置。
5. 中空円筒状のケースと、
   該ケースと略同軸状で、一端が外部の電磁波発振器と接続される入力部を形成するとともに、他端に入力部から供給される電磁波を放射するアンテナ部を形成した中心電極と、
   該中心電極のアンテナ部と入力部を連結する軸部を覆うシールドパイプと、
   前記アンテナ部を覆う放電部と前記シールドパイプを覆う筒状の共振部とからなる共振電極とから構成される点火装置。

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