WO2014034715A1

WO2014034715A1 - プラズマ発生装置

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Publication number: WO2014034715A1
Application number: PCT/JP2013/072990
Authority: WO
Inventors: 池田　裕二
Original assignee: イマジニアリング株式会社
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-03-06
Also published as: JP6446627B2; EP2892307A1; US20150167625A1; JPWO2014034715A1; EP2892307A4; US9377004B2

Abstract

　本発明は、プラズマ発生装置において、用いる電力に対するプラズマの発生効率を向上させることを課題とする。本発明は、電磁波放射アンテナ及び放電電極を備えるプラズマ発生装置であって、プラズマの発生を制御するプラズマ制御装置を備え、上記プラズマ制御装置は、駆動シークエンス制御により、上記電磁波放射アンテナから電磁波を断続的に放射させることを特徴とするプラズマ発生装置である。特に、上記プラズマ制御装置は、上記電磁波の発振周波数、電力、出力タイミング、パルス幅、パルス周期及びデューティー比を制御することが好ましい。

Description

プラズマ発生装置

　本発明は、プラズマ発生装置に関するものである。

　従来から、電磁波を用いたプラズマ発生装置が開発されている。例えば特開２００７－１１３５７０号公報には、内燃機関等において混合気の着火前や着火後に燃焼室にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こすプラズマ発生装置を用いた点火装置が開示されている。このプラズマ発生装置においては、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波により成長させることができる

　しかし、従来のプラズマ発生装置においては、用いる電力に対するプラズマの発生効率が十分とは言えないという不都合がある。

特開２００７－１１３５７０号公報

　本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、プラズマ発生装置において、用いる電力に対するプラズマの発生効率を向上させることである。

　上記課題を解決するためになされた発明は、
　電磁波放射アンテナ及び放電電極を備えるプラズマ発生装置であって、
　プラズマの発生を制御するプラズマ制御装置を備え、
　上記プラズマ制御装置は、駆動シークエンス制御により、上記電磁波放射アンテナから電磁波を断続的に放射させる
　ことを特徴とするプラズマ発生装置である。

　本発明のプラズマ発生装置は、プラズマ制御装置の制御により断続的な電磁波を放射させることができるため、適切なパルス幅の電磁波を放射し、これにより発生したラジカルの生存期間に相当する期間には電磁波の放射を休止させ、この発生・休止のサイクルを繰り返すことで、使用する電力を低減することにより、用いる電力に対するプラズマの発生効率を向上させることができる。

　上記プラズマ制御装置は、上記電磁波の発振周波数、電力、出力タイミング、パルス幅、パルス周期及びデューティー比を制御することが好ましい。

　本発明のプラズマ発生装置は、上記プラズマ制御装置により電磁波の発振周波数、電力、出力タイミング、パルス幅、パルス周期及びデューティー比を制御することができるため、目的や状況に適した強度及び頻度で電磁波を用い、効率的にプラズマを発生させることができる。

　本発明のプラズマ発生装置は、上記電磁波放射アンテナを複数備えることが好ましい。当該プラズマ発生装置は、電磁波の放射アンテナを複数有することで、プラズマ発生領域内におけるプラズマ強度を効率的に向上させることができる。また、プラズマ発生領域内において、必要とされる位置に必要に応じてプラズマを発生させる事も可能となる。

　上記プラズマ制御装置は、プラズマ発生効率によりプログラム制御を受けることが好ましい。

　本発明のプラズマ発生装置は、上記プラズマ制御装置が、プラズマ発生領域におけるプラズマ発生効率によりプログラム制御を受けることで、プラズマ発生効率が低い場合にはそれを増大させるよう電磁波の放射を制御し、逆にプラズマ発生効率が十分に高い場合には、その条件を維持するよう電磁波の放射を制御することができる。これらの結果として、用いる電力に対するプラズマ発生効率を十分に向上させることができる。

　上記プラズマ制御装置は、プラズマ発生効率によりフィードバック制御を受けることが好ましい。

　本発明のプラズマ発生装置は、上記プラズマ制御装置が、プラズマ発生領域におけるプラズマ発生効率によりフィードバック制御を受けることで、プラズマ発生効率が低い場合には、それにリアルタイムで反応し、プラズマ発生効率を増大させるよう電磁波の放射条件を選択して実施し、逆にプラズマ発生効率が十分に高い場合には、その条件を維持するよう電磁波の放射をリアルタイムで制御することができる。これらの結果として、用いる電力に対するプラズマ発生効率を十分に向上させることができる。

　上記プラズマ発生効率は、ラジカル発光量、温度、電子温度、電子密度、及び反射波電力からなる群より選択される少なくとも１種の指標値により表される値であることが好ましい。

　プラズマの発生領域におけるプラズマ強度は、ラジカル発光量、温度、電子温度、電子密度、反射波電力を指標として表すことができる。そのため、本発明のプラズマ発生装置において、上記プラズマ制御装置が、プラズマ発生効率としてのラジカル発光量、温度、電子温度、電子密度、反射波電力により制御されることで、プラズマの発生をより適切、かつ精密に制御することができ、結果として、プラズマ発生効率を向上させることができる。

　本発明のプラズマ発生装置は内燃機関に用いられることが好ましい。当該プラズマ発生装置を内燃機関において用いることで、自動車エンジン等において、混合気の燃焼効率を向上させることにより燃費をより改善することができる。

　この場合において、上記プラズマ制御装置は、内燃機関の冷間始動時に燃料噴射を制限し、内燃機関の放電装置の近辺を加温するための電磁波照射を行うように制御することが好ましい。冷間始動に電磁波を放電装置の近辺に照射し、燃焼室内に残存する水分を加熱することで放電装置の近辺を加温し、冷間始動時の着火性を向上させることができる。

　本発明のプラズマ発生装置によると、電磁波制御装置による制御により、目的に合った条件の電磁波パルスを放射することができ、用いる電力に対するプラズマの発生効率を向上させることができる。本発明のプラズマ発生装置は、自動車エンジン等において用いることで燃費を改善することができる。

図１は、実施形態に係るプラズマ発生装置のブロック図である。図２は、実施形態に係るプラズマ発生装置が備える電磁波発振装置のブロック図である。図３は、実施形態に係るプラズマ発生装置による電磁波パルスの発振パターンを示す図である。図４は、実施形態に係るプラズマ発生装置による電磁波パルスの発振パターンのその他の例を示す図である。図５は、実施形態に係るプラズマ発生装置を自動車の内燃機関に用いた場合のフィードバック制御の例を示す図である。

　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、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。

　本実施形態は、本発明に係るプラズマ発生装置である。図１に示すように、本実施形態のプラズマ発生装置１は、プラズマ制御装置２、放電装置３、電磁波発振装置４、分配器５及び電磁波放射アンテナ６を備える。放電装置３は、直流電源７、点火コイル８及び放電電極９を備える。本実施形態のプラズマ発生装置１は、放電電極９において放電プラズマが発生し、電磁波放射アンテナ６から放射されるマイクロ波により、この放電プラズマを拡大・維持することができる。

　放電装置３は、直流電源７、点火コイル８及び放電電極９を備えている。点火コイル８は、直流電源７（例えば、自動車のバッテリー等）に接続されている。

　点火コイル８は、プラズマ制御装置２から点火信号を受けると、直流電源７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、放電電極９に供給される。

　放電電極９は、例えば自動車用の点火プラグであり、中心電極と接地電極を備えている。この放電電極９に高電圧パルスが供給されると、中心電極と接地電極との間の放電ギャップにおいて、絶縁破壊が生じて放電プラズマ（スパーク放電）が生成される。

　電磁波発振装置４は、図２に示すように、電磁波発振器１０、減衰器／スイッチ１１、アンプ１２及び方向性結合器１３を備える。方向性結合器１３とプラズマ制御装置との間には、進行波電力・反射波電力検知器１４が設置されている。

　電磁波発振器１０は、半導体発振器である。電磁波発振器１０は、プラズマ制御装置から電磁波駆動信号を受けると、所定のパルス幅及びデューティー比でマイクロ波を繰り返し出力する。なお、電磁波発振器１０としては、マグネトロンを使用してもよい。

　減衰器／スイッチ１１は、プラズマ制御装置２からの出力制御信号を受けて、電磁波発振器１０から発振されたマイクロ波の強度を調節し、それに対応した出力を行う。

　アンプ１２は、電磁波発振器１０からのマイクロ波出力を増幅する。アンプ１２は、ドライバアンプ及びファイナルアンプの２段から構成されていてもよいし、所望の出力を得られれば1段であってもよい。

　方向性結合器１３は、電磁波発振器１０からの進行波電力と、電磁波放射アンテナからの反射波電力に対応する信号を同時に取り出す。進行波電力・反射波電力検知器１４は、進行波と反射波の電力を検知し、その情報をプラズマ制御装置２に送る。

　分配器５は、複数の電磁波放射アンテナ６の間で、電磁波発振器１０から出力されたマイクロ波を各アンテナに分配する。また、特定のアンテナからのみマイクロ波を放射させる場合には、分配器５は、特定のアンテナにのみマイクロ波が供給されるように切り替えを行う。分配器５は、プラズマ制御装置２の制御を受けて作動する。

　プラズマ制御装置２は、進行波電力・反射電力検知器１４の検知結果の情報から最適な発振周波数を決め、電磁波発振器１０に指令信号を送る。また、プラズマ制御装置２は、適切な放電のタイミングに合わせ、放電装置３の直流電源７に点火信号を送る。さらに、プラズマ制御装置２は、減衰器／スイッチ１１に出力の大きさ及び出力のON又はOFFの指令信号を送る。

－プラズマ生成装置の動作－
　本実施形態のプラズマ生成装置の動作について説明する。

　プラズマ制御装置２は、放電装置３の直流電源７に対して点火信号を出力する。これにより、点火コイル８から出力された高電圧パルスが、放電電極９へ供給される。その結果、放電電極９の放電ギャップにおいて放電プラズマが生成される。

　また、プラズマ制御装置２は、点火コイル８から高電圧パルスが出力された直後に、電磁波発振装置４の電磁波発振器１０に対して電磁波駆動信号を送る。この電磁波駆動信号に対応して、電磁波発振器１０からマイクロ波が出力される。なお、電磁波駆動信号の出力に先立って、分配器５は、適切な電磁波放射アンテナ６がマイクロ波の供給先となるように切替動作を行う。

　電磁波発振器１０から出力されたマイクロ波は、減衰器／スイッチ１１により、強度を調節され、また必要に応じてＯＮ又はＯＦＦの制御が行われ、さらに所定の強度となるようアンプ１２により増幅され、方向性結合器１３、分配器を介して、電磁波放射アンテナ６から放射される。これにより、放電プラズマにエネルギーが供給され、非平衡プラズマが維持・拡大される。方向性結合器１３は、電磁波発振器１０からの進行波電力と、電磁波放射アンテナからの反射波電力に対応する信号を同時に取り出す。進行波電力・反射波電力検知器１４は、この進行波電力と反射波電力とを検知して、その情報をプラズマ制御装置２に送る。プラズマ制御装置２は、これらの情報に基づいて、それ以降の放電及びマイクロ波放射についてプログラム制御又はフィードバック制御を行う。なお、プラズマ制御装置２は、このようにプログラム制御又はフィードバック制御を行ってもよいし、予め決められた制御パターンに従って制御を行ってもよい。

　本実施形態のプラズマ発生装置１は、上述のように進行波電力と反射波電力とを検知して、その情報をプラズマ制御装置２に送り、プログラム制御又はフィードバック制御を行うが、上記情報としては、進行波電力と反射波電力に限られない。即ち、プラズマ制御装置２は、プラズマ発生領域におけるプラズマ発生効率によりプログラム制御及び／又はフィードバック制御を受ける。このプラズマ発生効率としては、出力した電力に対してどの程度のプラズマが発生したかを示すことが出来る値であれば特に限定されず、ラジカル強度と関連性が高いパラメータとして、例えばラジカル発光量、場の温度、電磁密度等であってもよい。

　本実施形態のプラズマ発生装置１は、プラズマ制御装置２において、上記進行波電力に対する反射波電力の値が大きい場合（プラズマ発生効率が低い場合）、上記値を減少させるよう電磁波の発振条件を制御し、逆に上記値が小さい場合（プラズマ発生効率が十分に高い場合）には、その条件を維持するよう電磁波の発振を制御することができる。これらの結果として、用いる電力に対するプラズマ発生効率を十分に向上させることができる。

　本実施形態のプラズマ発生装置１は、プラズマ制御装置２において、上記進行波電力に対する反射波電力の値が大きい場合（プラズマ発生効率が低い場合）には、それにリアルタイムで反応し、上記値を減少させる（プラズマ発生効率を増大させる）よう電磁波の放射条件を選択して実施し、逆に上記値が小さい場合（プラズマ発生効率が十分に高い場合）には、その条件を維持するよう電磁波の放射をリアルタイムで制御することができる。これらの結果として、用いる電力に対するプラズマ発生効率を十分に向上させることができる。

　放電プラズマが生成された時点から所定の遅れ時間の後に、所定のパルス幅、パルス周期、デューティー比のマイクロ波が電磁波放射アンテナから繰り返し放射される。本実施形態において、電磁波放射アンテナ６から放射されるマイクロ波の好ましい発振パターンを図３に示す。スパーク放電の後、所定の遅れ時間Ｆの後にマイクロ波を所定のパルス幅Ｂ、パルス周期Ｃ、デューティー比、所定のバーストパルス幅Ｄで繰り返し放射する。一定時間の後、再び同様の放射を行い、このバーストパルス周期Ｄを繰り返し行う。ここで、パルス幅とは、マイクロ波を継続的に放射する時間をいい（図３におけるＢ）、パルス周期とは、上記パルス幅でマイクロ波が放射されるマイクロ波ＯＮの時間と、その後のマイクロ波ＯＦＦの時間とを合わせたもの（図３におけるＣ）をいい、デューティー比とは、上記パルス幅をパルス周期で除した値をいうが、図４（ｂ）に示すように、パルス幅及びパルス周期がバーストパルス周期内で変動する場合は、バーストパルス周期内のパルス幅の総和をバーストパルス幅で除した値をいう。スパーク放電から所定の遅れ時間を持ってマイクロ波を放射することで、スパーク放電とマイクロ波を同時に行う場合に生じる放電電極９の摩耗、溶損を防ぐことができる。なお、上記遅れ時間としては、スパーク放電によって生じた放電プラズマが存在している時間内であり、マイクロ波のエネルギーが十分に吸収され、放電プラズマが拡大するタイミングであれば特に限定されないが、０．１ミリ秒以上１０ミリ秒以下であることが好ましく、０．５ミリ秒以上５．０ミリ秒以下であることがより好ましく、０．８ミリ秒以上３．０ミリ秒以下であることがさらに好ましく、１．０ミリ秒以上２．０ミリ秒以下であることが特に好ましい。上記遅れ時間を上記特定の範囲とすることで、放電プラズマを十分拡大することができると共に、放電電極の摩耗、溶損を防止することができる。

　上記パルス幅は、プラズマがより拡大するように適宜選択することができる。通常、２ミリ秒以上であることが好ましく、３ミリ秒以上であることがより好ましい。パルス幅の上限としては、消費電力を低減する観点から、１０ミリ秒以下であることが好ましく、５ミリ秒以下であることがより好ましい。上記デューティー比としては、５％以上８０％以下が好ましく、１０％以上７０％以下がより好ましく、２０％以上６０％以下がさらに好ましい。このようなパルス幅、デューティー比でマイクロ波を放射することで、消費電力を低減しつつ、放電プラズマを効率的に拡大することができる。

　また、マイクロ波の発振パターンは、上記のパターンに限定されず、例えば図４に示すように、マイクロ波出力を変化させたもの（図４（ａ））、パルス幅を変化させたもの（図４（ｂ））、パルス周期を変化させたもの（図４（ｃ））であってもよい。

　本実施形態のプラズマ発生装置１は、自動車エンジン等の内燃機関に好適に用いることができる。このような場合、本発明のプラズマ発生装置は、上記内燃機関の燃焼場の状況によりプラズマを最適化するテーブル（プラズマ最適化テーブル）を有し、エンジンの運状況に応じてエンジンを制御するＥＣＵのＭＡＰ制御等に対応し、燃焼伝播速度に応じてプラズマ強度を変えてラジカルを効率的に発生させ、反射波電力が最小となるように制御されることが好ましい。

　なお、プラズマ最適化テーブルは、エンジン回転数、エンジン負荷、車輌速度、推進軸回転数、変速機シフト位置、アクセル位置、エンジン温度、外気温度、外気圧量等の車輌運転条件と、点火時期、噴霧時期、ＥＧＲ、吸入空気量、吸入空気温度、Ａ／Ｆ等の機関運転条件をパラメータとして、マイクロ波の最適な周波数、強度、放射時期、放射機関等を決定し得るものである。

　自動車用エンジンに使用する当該プラズマ生成装置１は、冷間始動時のエンジンに好適に用いることができる。冷間始動とは、内燃機関の温度が外気温と同じかそれよりも冷えている状態（外気温度以下の状態）で始動することをいう。一般に冷間始動に対応するためには、始動に必要な空燃比を得るために燃料の供給量を増やすリッチ状態とするようにしている。しかし、冷間状態では、燃料への着火不良が起きやすく、トータルハイドロカーボンが増加する。このような冷間始動時において、当該プラズマ生成装置１のプラズマ制御装置２によって、上述したパラメータのうち、特にエンジン温度、外気温度、Ａ／Ｆに基づいて、冷間始動の間はマイクロ波出力、デューティ比を通常運転時よりも高い強力着火モードで運転する。これによって、冷間始動時におけるリッチ状態の燃料を完全に燃焼させることができる。また、強力着火モードの度合いを高めることで、燃料供給量を減らした、ストイキ状態、リーン状態であっても良好な冷間始動を行うことができる。

　また、内燃機関に用いられる当該プラズマ発生装置１は、そのプラズマ制御装置２が、内燃機関の冷間始動時に燃料噴射を制限し、内燃機関の放電装置３の近辺を加温するための電磁波照射を行うように制御することが好ましい。冷間始動に電磁波を放電装置３の近辺に照射し、燃焼室内に残存する水分を加熱することで放電装置３の近辺を加温し、冷間始動時の着火性を向上させることができる。燃料噴射を制限する期間（内燃機関がスタータモータによって何回転する間か）は、特に限定されないが、例えば、２回転（４気筒４サイクルエンジンの場合、各気筒とも１サイクルが終了する期間）から４回転とすることが好ましい。この期間、燃料噴射を止め、電磁波のみを照射（マイクロ波の空打ち）を行うことで、放電電極３及び放電電極３の近辺を加温し、良好な冷間始動を実現することができる。

　また、冷間始動時の未燃ガス対策として、エキゾーストマニホールド内に電磁波放射アンテナ６を配設し、エキゾーストマニホールド内で、電磁波（マイクロ波）によって、未燃ガスが後燃えするようにプラズマ制御装置２によって制御することができる。これによっても、未燃ガスが残存する場合、空気を過剰に供給し、この過剰空気とエキゾーストマニホールド内で照射される電磁波とによって、未燃ガスを完全酸化させるようにすることができる。

　また、内燃機関に用いられる当該プラズマ発生装置１において、複数配設する電磁波放射アンテナ６を、シリンダヘッドに、環状に複数（シリンダ外周、吸気ポートと排気ポート間を通る円周に）設け、火炎をシリンダ外周からシリンダ中心に向かって流れるように制御することができる。これにより、シリンダ内壁面に伝達する熱を低減し、内燃機関の熱効率を向上させることができる。

　燃焼場の変化に対する上記以外の制御方法としては、電磁波波発振器の発振周波数をフィードバック制御して反射波電力を最小化することによりプラズマ強度極大条件でラジカルを効率的に発生させるように制御する方法等が好ましい方法として挙げられる。

－本実施形態のプラズマ発生装置の効果－
　本実施形態のプラズマ発生装置１は、マイクロ波パルスを上述のように制御することができるため、電力の無駄を省き、使用の目的に合った強度のプラズマを適切なタイミングで発生させることができる。それにより、用いる電力に対するプラズマ発生効率を向上させることができる。

　以上説明したように、本発明は、エンジンを制御するための信号を処理する信号処理装置について有用である。

１　　プラズマ発生装置
２　　プラズマ制御装置
３　　放電装置
４　　電磁波発振装置
５　　分配器
６　　電磁波放射アンテナ
７　　直流電源
８　　点火コイル
９　　放電電極
１０　電磁波発振器
１１　減衰器／スイッチ
１２　アンプ
１３　方向性結合器
１４　進行波電力・反射波電力検知器

Claims

　電磁波放射アンテナ及び放電電極を備えるプラズマ発生装置であって、
　プラズマの発生を制御するプラズマ制御装置を備え、
　上記プラズマ制御装置は、駆動シークエンス制御により、上記電磁波放射アンテナから電磁波を断続的に放射させる
　ことを特徴とするプラズマ発生装置。
　上記プラズマ制御装置は、上記電磁波の発振周波数、電力、出力タイミング、パルス幅、パルス周期及びデューティー比を制御する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
　上記電磁波放射アンテナを複数備える請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置。
　上記プラズマ制御装置は、プラズマ発生効率によりプログラム制御を受ける請求項１、請求項２又は請求項３に記載のプラズマ発生装置。
　上記プラズマ制御装置は、プラズマ発生効率によりフィードバック制御を受ける請求項１、請求項２又は請求項３に記載のプラズマ発生装置。
　上記プラズマ発生効率は、ラジカル発光量、温度、電子温度、電子密度及び反射波電力からなる群より選択される少なくとも１種の指標値により表される請求項４又は請求項５に記載のプラズマ発生装置。
　内燃機関に用いられる請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
　上記プラズマ制御装置は、内燃機関の冷間始動時に燃料噴射を制限し、内燃機関の放電装置の近辺を加温するための電磁波照射を行うように制御する請求項７に記載のプラズマ発生装置。