WO2016084772A1 - 点火ユニット、点火システム、及び内燃機関 - Google Patents

点火ユニット、点火システム、及び内燃機関 Download PDF

Info

Publication number
WO2016084772A1
WO2016084772A1 PCT/JP2015/082858 JP2015082858W WO2016084772A1 WO 2016084772 A1 WO2016084772 A1 WO 2016084772A1 JP 2015082858 W JP2015082858 W JP 2015082858W WO 2016084772 A1 WO2016084772 A1 WO 2016084772A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
discharge
electromagnetic wave
discharge device
ignition
radiation device
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/082858
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
池田　裕二
實 牧田
Original Assignee
イマジニアリング株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by イマジニアリング株式会社 filed Critical イマジニアリング株式会社
Priority to US15/529,217 priority Critical patent/US20170328337A1/en
Priority to EP15862649.9A priority patent/EP3225832A4/en
Priority to JP2016561574A priority patent/JP6739348B2/ja
Publication of WO2016084772A1 publication Critical patent/WO2016084772A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F02P23/045—Other physical ignition means, e.g. using laser rays using electromagnetic microwaves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/02—Arrangements having two or more sparking plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/01—Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/52—Generating plasma using exploding wires or spark gaps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/04—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits one of the spark electrodes being mounted on the engine working piston
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices
    • H01T13/44—Sparking plugs structurally combined with other devices with transformers, e.g. for high-frequency ignition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/50—Sparking plugs having means for ionisation of gap

Definitions

  • the present invention relates to an ignition unit used for an internal combustion engine, and more particularly to an ignition unit that ignites fuel using microwaves.
  • the present invention also relates to an ignition system using this ignition unit.
  • spark plugs such as spark plugs have been used.
  • Patent Document 1 a technique for improving the air-fuel ratio by applying plasma technology to an internal combustion engine.
  • Patent Document 2 a new type of spark plug that boosts the input microwave and generates discharge.
  • microwaves are used as a power source, high-speed and continuous discharge can be generated, and non-equilibrium plasma can be generated at an arbitrary timing. This cannot be realized by the conventional spark plug, and the air-fuel ratio can be improved by using this new spark plug.
  • this spark plug employs a microwave resonance structure, it is smaller than a conventional spark plug, and therefore, the range in which plasma can be generated is small. Therefore, there is a case where a sufficiently large plasma cannot be generated, for example, when used for a large engine or when the operation load is large.
  • the present invention has been made in view of the above points.
  • An ignition unit of the present invention includes a boosting unit having a resonance structure that boosts an electromagnetic wave input from an electromagnetic wave oscillator, a discharge device having a discharge unit provided on the output side of the boosting unit, and an electromagnetic wave input from the electromagnetic wave oscillator An electromagnetic wave radiation device that radiates light is provided.
  • An ignition system includes an oscillator that oscillates an electromagnetic wave, a booster that has a resonance structure that boosts the electromagnetic wave input from the oscillator, and a discharge unit that is provided on the output side of the booster.
  • a radiation device that radiates electromagnetic waves input from an oscillator, and a control device that controls the discharge device and the radiation device. The control device first turns off the radiation device, while turning on the discharge device. A first operation for igniting the fuel in the combustion chamber is performed, and then a second operation for enlarging the ignited flame is performed by turning on the radiation device.
  • the ignition unit of the present invention since a discharge device using an electromagnetic wave such as a microwave as a power source is used, non-equilibrium plasma can be generated at an arbitrary timing, and the air-fuel ratio can be improved. Furthermore, since an electromagnetic wave radiation device that assists ignition and combustion is also used, it is possible to generate plasma with sufficient strength. Further, since the ignition unit of the present invention has a configuration in which an antenna is integrated with a small ignition plug, the ignition unit has a size that can be inserted into a cylinder head. Therefore, the ignition unit of the present invention can be used in a gasoline engine or the like without greatly changing the shape and specifications of the engine.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an ignition system according to a first embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit which concerns on 1st Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the discharge device which concerns on 1st Embodiment.
  • the equivalent circuit of the discharge device which concerns on 1st Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the radiation device concerning a 1st embodiment.
  • the front view which concerns on the antenna part of the radiation apparatus which concerns on 1st Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit which concerns on 2nd Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit which concerns on 3rd Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit which concerns on the modification of 3rd Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit which concerns on 4th Embodiment
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit which concerns on 5th Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition unit integrated injector which concerns on 6th Embodiment
  • the front view of the partial cross section of the ignition system which concerns on an example of 1st Embodiment.
  • the front view of the antenna which concerns on an example of 1st Embodiment.
  • the front view of the partial cross section of the ignition system which concerns on an example of 1st Embodiment.
  • the bottom view of the cylinder head of the ignition system which concerns on an example of 1st Embodiment.
  • an ignition system 10 includes a discharge device 2, a radiation device 3, an electromagnetic wave oscillator 5 that supplies microwaves to these devices, and a control device 6 that controls the electromagnetic wave oscillator 5.
  • the discharge device 2 is a kind of spark plug developed by the applicant.
  • the radiation device 3 radiates electromagnetic waves. Although the present embodiment is described as radiating microwaves, it may radiate electromagnetic waves in other frequency bands.
  • the discharge device 2 and the radiation device 3 are accommodated in a casing 4 and constitute an integrated ignition unit 1A.
  • the ignition unit 1A can be inserted together with the casing 4 into the mounting opening of the cylinder head.
  • the ignition unit 1A of the present embodiment is assumed to be replaced with a spark plug widely used in gasoline engines, the ignition unit 1A has a size that can be inserted into a so-called M12 plug hole. That is, the discharge device 2 has a diameter of about 5 mm, and the radiation device 3 has a diameter of about 5 mm.
  • the casing 4 is provided with two insertion openings for inserting the discharge device 2 and the radiation device 3, respectively, so that the tip portions of the discharge device 2 and the radiation device 3 are exposed in the combustion chamber of the engine.
  • the shape of each insertion port is designed.
  • the material of the casing 4 is preferably a metal having high thermal conductivity.
  • an insulator such as ceramic.
  • a material having high heat resistance should be used because it is used for an engine.
  • the ignition unit 1A may be used for a rotary engine as well as a reciprocating engine.
  • a rotary engine When used for a rotary engine, if the tip portions of the discharge device 2 and the radiation device 3 are exposed to the combustion chamber, the rotor of the rotary engine comes into contact with the rotor, which is dangerous, so the tip portions of the discharge device 2 and the radiation device 3 Should not be exposed to the combustion chamber.
  • the discharge device 2 is also called Microwave® Discharge® Igniter (MDI: registered trademark), and has a structure in which a microwave in the 2.45 GHz band inputted from the outside (electromagnetic wave oscillator 5) resonates, and the microwave is boosted by resonance. Thus, a discharge occurs when the tip (discharge part) becomes a high voltage. In this respect, it is greatly different from a normal spark plug.
  • MDI Microwave® Discharge® Igniter
  • the discharge device 2 is used to perform impedance matching between the input portion 2a to which microwaves are input, the electromagnetic wave oscillator 5 normally designed in a 50 ⁇ system, the coaxial cable that transmits microwaves, and the resonance structure portion of the discharge device 2.
  • the coupling portion 2b which is a portion, and an amplification portion 2c that is formed of a microwave resonance structure and amplifies a microwave voltage.
  • a discharge electrode 26 is provided at the tip of the amplification portion 2c.
  • each member inside is accommodated by a cylindrical case 21 made of a conductive metal.
  • the input portion 2 a is provided with an input terminal 22 for inputting a microwave generated by the electromagnetic wave oscillator 5 and a first center electrode 23.
  • the first center electrode 23 transmits microwaves.
  • a dielectric 29 a is provided between the first center electrode 23 and the case 21.
  • the dielectric 29a is made of, for example, a ceramic material.
  • the coupling portion 2b is provided with a first center electrode 23 and a second center electrode 24. As described above, the coupling portion 2b is provided for impedance matching.
  • the second center electrode 24 has a cylindrical configuration having a bottom portion on the amplification portion 2 c side, and the cylindrical portion surrounds the first center electrode 23.
  • the cylindrical inner walls of the rod-shaped first central electrode 23 and the cylindrical second central electrode 24 are opposed to each other, and the microwave from the first central electrode 23 is transmitted to the second central electrode 24 by capacitive coupling at the opposed portion. Is done.
  • the cylindrical portion of the second center electrode 24 is filled with a dielectric 29 b such as ceramic, and a dielectric 29 c such as ceramic is also provided between the second center electrode 24 and the case 21.
  • the third center electrode 25 is provided in the amplification part 2c.
  • the 3rd center electrode 25 is connected with the 2nd center electrode 24, and the microwave of the 2nd center electrode 24 is transmitted.
  • the discharge electrode 26 is attached to the tip of the third center electrode 25.
  • a dielectric 29d such as ceramic is filled.
  • a cavity 27 that is not filled with the dielectric 29d is provided between the third center electrode 25 and the casing 21.
  • the third center electrode 25 has a coil component, and the microwave potential increases as it passes through the third center electrode 25.
  • the length of the third center electrode 25 is approximately the length of a quarter wavelength of the microwave.
  • the quarter wavelength is a length that takes into consideration the refractive index of the center electrode and the like, and does not simply mean a quarter of the wavelength of the microwave.
  • the third central electrode in which the discharge electrode 26 exists can be obtained by adjusting / designing such that the microwave node comes to the boundary portion between the third central electrode 25 and the second central electrode 24. Since the antinode of the microwave is located at the tip of 25, the voltage can be increased at this point.
  • the design is basically based on such a concept.
  • An annular space is formed between the discharge electrode 26 and the case 27, and discharge occurs in this space. That is, discharging is performed in all directions. This is different from a spark plug that performs so-called one-point discharge between a discharge electrode and a ground electrode.
  • FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the discharge device 2.
  • a microwave (voltage V1, frequency 2.45 GHz) input from an external oscillation circuit (MW) is connected to a resonance circuit including a capacitor C3, a reactance L, and a capacitor C2 via a capacitor C1.
  • a discharge is provided in parallel with the capacitor C3.
  • C1 corresponds to a coupling capacitance, and mainly the positional relationship between the second center electrode 24 and the first center electrode 23 (distance between the electrodes and the area facing each other) and the material filled between the electrodes (in this example, It is determined by the ceramic structure dielectric 29b).
  • the first center electrode 23 may be configured to be movable in the axial direction in order to easily adjust the impedance.
  • the capacitor C2 is a grounded capacitor formed by the second center electrode 24 and the case 21, and is determined by the distance between the second center electrode 24 and the case 21, the facing area, and the dielectric constant of the dielectric 29c.
  • the case 21 is made of a conductive metal and functions as a ground electrode.
  • the reactance L corresponds to the coil component of the third center electrode 25.
  • the capacity C3 is a discharge capacity formed by the third center electrode 25, the discharge electrode 26, and the case 21. This is because (1) the shape and size of the discharge electrode 26 and the distance between the case 21, (2) the distance between the third center electrode 25 and the case 21, and (3) between the third center electrode 25 and the case 21. It is determined by the gap (air layer) 27 provided, the thickness of the dielectric 29d, and the like. If C2 >> C3, the potential difference between both ends of the capacitor C3 can be made sufficiently larger than V1, and as a result, the discharge electrode 26 can be set to a high potential. Furthermore, since C3 can be reduced, the area of the capacitor can be reduced.
  • the capacitance C3 is substantially determined by the portion of the third center electrode 25 and the case 21 that face each other across the dielectric 29d. In other words, the capacitance C3 can be adjusted by changing the length of the gap (air layer) 27 in the axial direction.
  • the coupling capacitance C1 When it can be considered that the coupling capacitance C1 is sufficiently small, the capacitance C3, the reactance L, and the capacitance C2 form a series resonance circuit, and the resonance frequency f can be expressed by Equation 1.
  • the discharge device 2 generates the voltage Vc3 higher than the power supply voltage (the microwave voltage V1 input to the discharge device 2) by the boosting method using the resonator. As a result, discharge occurs between the discharge electrode 26 and the ground electrode (case 21). When the discharge voltage exceeds the breakdown voltage of the gas molecules in the vicinity, electrons are emitted from the gas molecules, non-equilibrium plasma is generated, and the fuel is ignited.
  • the discharge device 2 since the frequency in the 2.45 GHz band is used, the capacity of the capacitor is small, and the discharge device 2 is advantageous for downsizing. Thus, since it can be reduced in size, even if it combines with the radiation apparatus 3 mentioned later, it can be set as the magnitude
  • the control device 6 can indirectly control the discharge device 2 indirectly by controlling the electromagnetic wave oscillator 5. That is, by controlling the generation timing of the microwaves by the electromagnetic wave oscillator 5, the discharge timing of the discharge device 2 can be freely controlled. In a normal spark plug using an ignition coil having a large reactance, a high-speed response is difficult, and it is difficult to perform continuous discharge. On the other hand, since the discharge device 2 is driven by microwaves, a high-speed response is possible. By freely controlling the electromagnetic wave oscillator 5, it is possible to generate a high-frequency, continuous discharge at an arbitrary timing. Therefore, various controls are possible.
  • the discharge device 2 of the present embodiment is greatly different from the conventional spark plug.
  • the radiation device 3 is roughly divided into an antenna unit 35 that radiates microwaves to the combustion chamber, and a transmission path 30 that transmits the microwaves from the electromagnetic wave oscillator 5 to the antenna unit 35. .
  • the transmission line 30 is a coaxial transmission line, and functions as a center conductor 31 that transmits microwaves and a ground (grounding portion), and an outer conductor 32 that prevents the microwaves from leaking to the outside. Is provided.
  • the center conductor 31 and the outer conductor 32 are filled with an insulator such as ceramic, and the outer conductor 32 is surrounded by an insulator made of, for example, an elastic body.
  • the antenna unit 35 can be formed by printing a spiral metal pattern 35a on a ceramic substrate as shown in FIG. 6, for example.
  • the radiation device 3 of the above embodiment is merely an example, and is not limited to the above embodiment as long as it can radiate microwaves to the combustion chamber.
  • the control device 6 controls the electromagnetic wave oscillator 5 so that the microwave is supplied only from the electromagnetic wave oscillator 5 to the discharge device 2.
  • the electromagnetic wave oscillator 5 has a two-output (two-channel) configuration, for example.
  • One channel A is connected to the discharge device 2 and the other channel B is connected to the radiation device 3. That is, the control device 6 first controls the channel A while controlling the output of the channel B to be turned off.
  • the control device 6 controls to turn on the output of the channel B of the electromagnetic wave oscillator 5 for the purpose of expanding the next flame, and the radiation device 3. To radiate microwaves. This expands the flame.
  • the antenna 60 may be disposed on the top surface of the piston 27 as shown in FIGS. These antennas 60 are arranged on the outer peripheral side of the piston 27 and receive the microwaves emitted from the radiation device 3.
  • the antenna 60 functions as a so-called secondary antenna that guides the microwaves emitted radially from the radiation device 3. That is, the microwave from the radiation device 3 is more effectively guided to the outer peripheral side of the combustion chamber by the antenna 60. Thereby, the flame ignited by the discharge device 2 can be effectively expanded. It is also possible to prevent unburned gas from being generated in the outer peripheral portion.
  • FIG. 15A shows a configuration example of the antenna 60.
  • a conductor 62 is formed on a rectangular substrate 61 formed of a ceramic material.
  • the length of the conductor 62 is set to approximately 1 ⁇ 4 of the wavelength of the microwave.
  • the antenna 60 (60A to 60D) is arranged on the bottom surface of the cylinder head 21 (between the intake valves 24, the exhaust valves 26, or the intake and exhaust valves). It may be. Even if it arrange
  • the antennas 60 may be arranged in an array on the top surface of the piston. As a result, even if some antennas malfunction due to soot adhesion or heat damage, if the remaining antennas function normally, the microwaves from the radiation device 3 can be guided to the outer peripheral side. Because.
  • the discharge device 2 and the radiation device 3 may be arranged to be inclined. With this arrangement, the microwave radiated from the radiation device 3 is easily irradiated to the tip of the discharge device 2.
  • a cavity 41 and a passage 42 that communicates the cavity 41 and the combustion chamber are provided.
  • the ignition unit 1 ⁇ / b> C has a configuration in which the discharge device 2 and the radiation device 3 are integrated.
  • the ignition unit 1C forms a radiation device 3C in a cylindrical shape on the outer periphery of the discharge device 2C.
  • the configuration of the discharge device 2C is the same as that of the discharge device 2 of the first embodiment except for the shape of the casing 21.
  • the radiation device 3 ⁇ / b> C includes an insulating tube 33, a guide tube 31, an insulating tube 34, and a conductor tube 35.
  • the insulating cylinder 33 surrounds the outer periphery of the casing 21, which is a conductor, and is formed of, for example, ceramic or the like based on alumina (AL 2 O 3 ) or the like having high insulation properties and heat and corrosion resistance.
  • the guide tube 31 is provided so as to surround the insulating tube 33.
  • the guide cylinder 31 transmits the microwave from the electromagnetic wave oscillator 5 input from the rear end portion 31b side, and radiates the microwave from the front end portion 31a toward the combustion chamber.
  • the guide tube 31 is formed of a conductor such as metal.
  • the vicinity of the tip 31a may be formed of an insulating and heat resistant material such as alumina.
  • the insulating cylinder 35 is provided so as to surround the guide cylinder 31 and is formed of an insulating and heat-resistant material, like the insulating cylinder 33 and the like. Further, a conductor cylinder 35 is provided around the insulating cylinder 35. The conductor cylinder 35 is provided in order to prevent the microwave propagating through the guide cylinder 31 from leaking to the outside of the radiation device 3C and to ensure safety and transmission efficiency.
  • the ignition unit 1C since the discharge device 2 and the radiation device 3 are integrated in a coaxial manner, further downsizing can be realized.
  • the applicant has succeeded in trial manufacture of the discharge device 2 having a diameter of about 5 mm. Therefore, the diameter of the ignition unit 1C having a configuration in which the cylindrical radiating device 3C is attached to the outer periphery of the discharge device 2 can be sufficiently set to about 10 mm. Therefore, the ignition unit 1C can be inserted into a spark plug attachment port of a gasoline engine or the like as it is, and the ignition unit 1C can be used without greatly changing the shape and specifications of the engine.
  • FIG. 9 is a modification of the ignition unit 1C according to the third embodiment.
  • the outer peripheral side of the distal end portion of the guide tube 31 may be configured not to be covered with the insulating tube 34 and the conductor tube 35. Thereby, a microwave can be more effectively radiated from the tip of the guide tube 31.
  • the ignition unit 1 ⁇ / b> D is also a unit in which the discharge device and the radiation device are integrated, as in the third embodiment.
  • the ignition unit 1F is different from the third embodiment in that the microwave is propagated to the surface on the outer peripheral side (insulating cylinder 33 side) of the casing 21 of the discharge device 2. That is, the casing 21 also functions as the insulating cylinder 33 of the third embodiment.
  • the ignition unit 1E according to the present embodiment is also a unit in which the discharge device and the radiation device are integrated, as in the third and fourth embodiments.
  • the configuration of the discharge device is different from the other embodiments.
  • the discharge device 7 of the present embodiment includes a center electrode 71, a dielectric 72, a ground electrode 73, a discharge electrode 75, and the like.
  • the center electrode 71 is divided into a first portion 71A located on the distal end side and a second portion 71B located on the rear side thereof.
  • the center electrode 71 is formed of a conductor such as metal, and electromagnetic waves propagate on the surface thereof.
  • a dielectric 72 made of ceramics or the like based on alumina (AL 2 O 3 ) or the like is formed.
  • a protruding discharge electrode 75 is formed at the tip of the first portion 71A.
  • a cylindrical ground electrode 73 is provided around the first portion 71A and the dielectric 72 with a space therebetween.
  • the center electrode 71, the dielectric 72, and the ground electrode 73 have a resonance structure that resonates at a microwave frequency so that the incident microwave voltage is maximized in the vicinity of the discharge electrode 75. Is boosted. As a result, a discharge can be generated between the discharge electrode 75 and the ground electrode 73.
  • non-equilibrium plasma can be formed at the tip portion of the discharge device, and the fuel can be ignited.
  • the discharge device 7 is also driven by microwaves, high-speed and continuous discharge can be generated at an arbitrary timing, and plasma can be generated at an arbitrary timing size. it can.
  • a radiation device 3D that emits microwaves is formed around the discharge device 7, a radiation device 3D that emits microwaves is formed.
  • the configuration of the radiation device 3D is the same as that of the radiation device 3C of the third embodiment.
  • the ignited flame can be expanded by radiating the microwave from the radiation device 3.
  • the ignition unit 1E of the present embodiment can be formed to have a diameter of about 10 mm, similarly to the ignition unit 1C of the third embodiment, it can be inserted into a spark plug attachment port of a gasoline engine or the like as it is.
  • the present invention can also be applied to an ignition unit integrated injector 1F as shown in FIG.
  • This integrated injector 1F is obtained by replacing the center electrode 71 of the ignition unit 1E of the fifth embodiment with an injector body. That is, by providing a dielectric 82 on the surface of the fuel injection tube, a structure in which microwaves resonate is formed, the microwave voltage is amplified, and a protruding discharge electrode 85 is provided at the tip between fuel injections. Then, by generating a discharge between the discharge electrode 85 and the ground electrode 83, the fuel injected from the fuel injection tube is ignited.
  • the configuration of the radiation device 3 is almost the same as that of the third and fourth embodiments.
  • the microwave from the electromagnetic wave oscillator 5 is once transmitted to the central portion 81B of the fuel injection pipe via the coaxial cable 51a.
  • An impedance matching circuit (not shown) is formed in the central portion 81B. This impedance matching circuit performs impedance matching between a coaxial cable (usually 50 ⁇ system) and a microwave resonance structure portion.
  • the coaxial cable 51a is inserted into a through hole provided in the injector body as an example.
  • the microwave from the electromagnetic wave oscillator 5 enters the guide tube 34 via the coaxial cable 51b.
  • microwaves are radiated from the tip of the guide tube 34. Also according to the present embodiment, the same effects as those of the above-described embodiments are achieved.
  • this ignition unit integrated injector 1F is of a size that can be inserted into a mounting port of a diesel injector of a diesel engine, it is particularly suitable for applications in which the diesel engine is operated with natural gas.
  • the discharge device 2 is not limited to the above, and other types such as a corona discharge plug (for example, EcoFlash (registered trademark of BorgWarner)) may be used.
  • a corona discharge plug for example, EcoFlash (registered trademark of BorgWarner)
  • EcoFlash registered trademark of BorgWarner
  • an igniter capable of continuous discharge at a high frequency is preferable in order to achieve the effects shown in the above embodiment.
  • the discharge device 2 is assumed to operate by microwaves
  • the radiation device 3 is assumed to emit microwaves, but may be operated or radiated by electromagnetic waves having other bands.
  • discharge device 2 and the radiation device 3 are integrated by the casing 4, they may be separated.
  • the discharge device 2 may not discharge between the discharge electrode 26 and the casing 21 because the voltage at the discharge electrode 26 is not sufficiently high. At this time, microwaves may be emitted from the discharge electrode 26. If this is used in reverse, the radiation device 4 can be omitted. That is, first, the output voltage of the electromagnetic wave oscillator 5 is increased so that the discharge device 2 can reliably discharge. Then, after the fuel is ignited, it is possible to enlarge the flame by controlling the output voltage of the electromagnetic wave oscillator 5 to lower the output voltage of the electromagnetic wave oscillator 5 so that the microwave is emitted from the tip of the discharge electrode 26. it is conceivable that. Thereby, radiation device 3 itself can be omitted.
  • microwaves are input to the discharge device 2 and the radiation device 3 through separate channels of the electromagnetic wave oscillator 5, but the ignition unit from the same channel.
  • a microwave may be supplied (powered) to 1C, a microwave distributor may be provided in the ignition unit 1C, and the microwave may be supplied to the discharge device 2C and the radiation device 3C.
  • the antenna 60 described above may be used for purposes other than the flame expansion.
  • it may be disposed in the vicinity of the exhaust port, function as a transmitting antenna instead of a receiving antenna, and used for processing exhaust gas.
  • a cavity 64 may be provided on the rectangular substrate 61 so that the exhaust gas can circulate.

Abstract

【課題】　ガソリンエンジンの構造を大きく変更することなく、空燃比を改善する。電磁波発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部を有する放電装置と、電磁波発振器から入力された電磁波を放射する電磁波放射装置を備える。また、放電装置と電磁波放射装置を収容し、放電装置が挿入される第１孔、電磁波放射装置が収容される第２孔を有する収容部を更に備え、該収容部が、内燃機関のシリンダヘッドの単一の孔に挿入可能である。

Description

点火ユニット、点火システム、及び内燃機関
　本発明は、内燃機関に用いられる点火ユニットに関し、特にマイクロ波を利用して燃料を点火する点火ユニットに関する。また、この点火ユニットを用いた点火システムに関する。
　ガソリンエンジン等の内燃機関においては、従来より、スパークプラグ等の点火プラグが用いられている。
　近年、電気のみを動力として用い、気体燃料や液体燃料を用いない電気自動車や、二酸化炭素の排出量が少ない天然ガス等を燃料に用いた自動車が実用化されている。しかし、ガソリン車に比較して車体本体が高価であったり、充電スタンド・天然ガススタンドといったインフラが不十分であったりすることに起因して、これらの自動車の普及はなかなか進んでいない。
　従って、未だにガソリン車に対する需要もまだまだ多く、ガソリン車においても空燃比を改善するための様々な技術開発が現在でも盛んに行われている。
　その一環として出願人は、内燃機関にプラズマ技術を適用することにより、空燃比の改善を図る技術を提案し、またその開発を進めてきた（例えば特許文献１）。
特許第４８７６２１７号公報 特願２０１３－１７１７８１
　更に出願人は、入力されたマイクロ波を昇圧させて放電を生じさせる、新たなタイプの点火プラグを開発した（特許文献２）。この点火プラグでは、マイクロ波を電源として用いるので、高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができる。これは、従来のスパークプラグでは実現できなかったことであり、この新しい点火プラグを用いることで、空燃比を改善することができている。
　しかし、この点火プラグでは、マイクロ波の共振構造を採用する関係上、従来のスパークプラグよりも小型であるため、プラズマを生成できる範囲が小さい。従って、大型のエンジン等に用いる場合や運転負荷が大きい場合など、十分な大きさのプラズマを発生させることができない場合がある。
　本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。
　本発明の点火ユニットは、電磁波発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部を有する放電装置と、電磁波発振器から入力された電磁波を放射する電磁波放射装置を備える。
　本発明の点火システムは、電磁波を発振する発振器と、発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部と、を有する放電装置と、発振器から入力された電磁波を放射する放射装置と、放電装置と放射装置を制御する制御装置を備え、制御装置は、まず、放射装置をオフとする一方、放電装置をオンとすることで、燃焼室内の燃料を点火する第１動作を行い、次に、放射装置をオンとすることで、点火した火炎を拡大させる第２動作を行うことを特徴とする。
　本発明の点火ユニットによれば、マイクロ波等の電磁波を電源とする放電装置を用いるので、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができ、空燃比を改善させることができる。更に、着火、燃焼をアシストする電磁波放射装置も併せて用いるので、十分な強度のプラズマを生成させることができる。また、本発明の点火ユニットは小型の点火プラグにアンテナを一体化させた構成であるから、シリンダヘッドに挿入可能な大きさである。従って、エンジンの形状や仕様を大きく変更することなく、本発明の点火ユニットをガソリンエンジン等で利用することができる。
第１実施形態に係る点火システムの概略ブロック図。 第１実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。 第１実施形態に係る放電装置の一部断面の正面図。 第１実施形態に係る放電装置の等価回路。 第１実施形態に係る放射装置の一部断面の正面図。 第１実施形態に係る放射装置のアンテナ部に係る正面図。 第２実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。 第３実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。 第３実施形態の変形例に係る点火ユニットの一部断面の正面図。 第４実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図 第５実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。 第６実施形態に係る点火ユニット一体型インジェクタの一部断面の正面図 第１実施形態の一例に係る点火システムの一部断面の正面図。 第１実施形態の一例に係る点火システムのピストンの頂面を示す図。 第１実施形態の一例に係るアンテナの正面図。 第１実施形態の一例に係る点火システムの一部断面の正面図。 第１実施形態の一例に係る点火システムのシリンダヘッドの底面図。
　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。
（第１実施形態）
－点火システム１０の構成－
　図１を参照して、本実施形態に係る点火システム１０は、放電装置２、放射装置３、これらにマイクロ波を供給する電磁波発振器５と、電磁波発振器５を制御する制御装置６からなる。放電装置２は、詳しくは後述するが、出願人が開発した一種の点火プラグである。放射装置３は電磁波を放射する。本実施形態ではマイクロ波を放射するものとして説明するが、他の周波数帯域の電磁波を放射するものであってもよい。
　図２に示すように、放電装置２と放射装置３は、ケーシング４に収容され、一体化された点火ユニット１Ａを構成する。点火ユニット１Ａは、シリンダヘッドの取付口にケーシング４ごと挿入することができる。特に本実施形態の点火ユニット１Ａは、ガソリンエンジンで広く用いられているスパークプラグに置き換わることを想定しているため、いわゆるＭ１２のプラグホールに挿入可能な大きさである。つまり、放電装置２は直径が５ミリ程度、放射装置３も同じく直径が５ミリ程度である。なお、ケーシング４には、放電装置２と放射装置３をそれぞれ挿入するための挿入口が２つ設けられており、放電装置２と放射装置３の先端部分はエンジンの燃焼室内に露出するように、各挿入口の形状が設計される。また、ケーシング４の材料は、放電装置２、放射装置３の放熱を優先させるのであれば、熱伝導率の高い金属を採用するのが好ましい。一方、放電装置２と放射装置３の間の絶縁特性を優先させるのであれば、セラミック等の絶縁体を用いることが好ましい。但し、エンジンに用いられるのであるから耐熱性の高い材料を使用すべきであることは言うまでもない。
　なお、点火ユニット１Ａは、レシプロエンジンに限らずロータリーエンジンに用いてもよい。ロータリーエンジンに使用する場合、放電装置２と放射装置３の先端部分が燃焼室に露出していると、ロータリーエンジンのロータが接触して危険であるから、放電装置２と放射装置３の先端部分は燃焼室内には露出しない構成とすべきである。
　放電装置２は、Microwave Discharge Igniter（ＭＤＩ：登録商標）とも呼ばれ、外部（電磁波発振器５）から入力された２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波が共振する構造となっており、共振によりマイクロ波が昇圧されて先端部（放電部）が高電圧となることで放電が起きる構成となっている。この点で、通常のスパークプラグとは大きく相違する。
　図３を参照して、放電装置２の構成の詳細を説明する。放電装置２は、マイクロ波
が入力される入力部分２ａ、通常５０Ω系で設計された電磁波発振器５やマイクロ波を伝送する同軸ケーブルと、放電装置２の共振構造部分とのインピーダンス整合を行うための部分である結合部分２ｂ、及びマイクロ波共振構造で形成されマイクロ波の電圧の増幅を行う増幅部分２ｃからなる。また、増幅部分２ｃの先端部には放電電極２６を有する。放電装置２は導電性の金属からなる筒状のケース２１により内部の各部材が収容される。
　入力部分２ａには、電磁波発振器５で生成されたマイクロ波を入力する入力端子２２と、第１中心電極２３が設けられる。第１中心電極２３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極２３とケース２１の間には誘電体２９ａが設けられる。誘電体２９ａは、例えばセラミック材料で形成される。
　結合部分２ｂは、第１中心電極２３と、第２中心電極２４が設けられる。この結合部分２ｂは、上述の通り、インピーダンス整合を行うために設けられている。第２中心電極２４は、増幅部分２ｃ側に底部を有する筒状構成であり、筒状部が第１中心電極２３を囲む。棒状の第１中心電極２３と筒状の第２中心電極２４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極２３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極２４へ伝送される。第２中心電極２４の筒状部分には、セラミック等の誘電体２９ｂが充填され、第２中心電極２４とケース２１の間にもセラミック等の誘電体２９ｃが設けられる。
　増幅部分２ｃには、第３中心電極２５が設けられる。第３中心電極２５は、第２中心電極２４と接続しており、第２中心電極２４のマイクロ波が伝送される。放電電極２６は、第３中心電極２５の先端部に取付けられる。第３中心電極２５とケーシング２１の間にはセラミック等の誘電体２９ｄが充填される。但し、後述のように、放電容量Ｃ３を調整する目的で、第３中心電極２５とケーシング２１の間には誘電体２９ｄが充填されない空洞部２７が設けられる。第３中心電極２５はコイル成分を有しており、マイクロ波の電位は第３中心電極２５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極２６とケース２１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極２６とケース２１の間で放電が起きる。また、第３中心電極２５の長さはおおよそマイクロ波の４分の１波長の長さである。但し、ここで４分の１波長とは、中心電極の屈折率等も加味した上での長さであり、単純にマイクロ波の波長の４分の１の長さという意味ではない。このような長さとした上で、一例として、第３中心電極２５と第２中心電極２４の境界部分にマイクロ波の節が来るように調整／設計すれば、放電電極２６が存する第３中心電極２５の先端部ではマイクロ波の腹が位置するので、この箇所で電圧を大きくなるようにすることができる。勿論、実際には、様々な要因があり、必ずしもこのような設計が好ましいとは限らないが、本実施形態では、基本的にはこのような考え方に基づいて設計がなされている。
　そして、放電電極２６と、ケース２７の間には環状の空間が形成されており、この空間で放電が生じる。つまり、放電が全方位で行われる。この点、放電電極と接地電極間でいわゆる一点放電を行うスパークプラグとは相違している。
　図４は、放電装置２の等価回路を示す図である。外部の発振回路（ＭＷ）から入力されるマイクロ波（電圧Ｖ１、周波数２．４５ＧＨｚ）は容量Ｃ１を介して、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２からなる共振回路に接続される。また、容量Ｃ３と並列に放電が設けられる。
　ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極２４と第１中心電極２３の位置関係（両電極間の距離や対向する面積）や電極間に充填される材料（本例ではセラミック構造の誘電体２９ｂ）により決まる。第１中心電極２３は、インピーダンスの調整を容易にすべく、その軸芯方向に移動可能な構成としても良い。
　容量Ｃ２は、第２中心電極２４とケース２１によって形成される接地容量であり、第２中心電極２４とケース２１との距離や対向面積、及び誘電体２９ｃの誘電率によって決まる。ケース２１は導電性の金属で構成されており、接地電極としても機能する。
リアクタンスＬは、第３中心電極２５のコイル成分に相当する。
　容量Ｃ３は、第３中心電極２５、放電電極２６及びとケース２１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極２６の形状、大きさ及びケース２１との距離、（２）第３中心電極２５とケース２１との距離、（３）第３中心電極２５とケース２１の間に設けた間隙（空気層）２７や誘電体２９ｄの厚み、等で決まる。Ｃ２＞＞Ｃ３とすれば、容量Ｃ３の両端の電位差をＶ１よりも十分に大きくすることができ、その結果、放電電極２６を高電位にすることができる。更にはＣ３を小さくすることができるから、コンデンサの面積も小さくて済む。なお、容量Ｃ３は実質的には、第３中心電極２５とケース２１のうち、誘電体２９ｄを挟んで対向する部分によって決まる。逆に言えば、間隙（空気層）２７の軸方向の長さを変えることで容量Ｃ３の調整を行うこともできる。
　結合容量Ｃ１が十分に小さいと看做せる場合、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２は直列共振回路をなし、共振周波数ｆは数式１で表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　つまり、ｆ＝２．４５ＧＨｚとした場合に、放電容量Ｃ３、コイルリアクタンスＬ、及び接地容量Ｃ２が数式１の関係を満たすように放電装置２は設計される。
　上述のように放電装置２は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（放電装置２に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放
電電極２６と接地電極（ケース２１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火する。
　また、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、放電装置２は、小型化に有利である。このように小型化できるから、後述する放射装置３と組み合わせても、従来のスパークプラグと同等の大きさとすることができる。また、昇圧方式を採用する結果、放電装置２のうち、放電電極２６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。
　更には、放電装置２はマイクロ波により駆動するから、制御装置６（図１参照）が電磁波発振器５を制御することで間接的に放電装置２を自由に制御することができる。つまり、電磁波発振器５によるマイクロ波の生成タイミングを制御することにより、放電装置２の放電タイミングを自由に制御できる。リアクタンスの大きい点火コイルを使用する通常のスパークプラグでは、高速な応答は困難であり、連続的な放電を行うことが難しい。一方、放電装置２はマイクロ波により駆動するため高速な応答が可能であり、電磁波発振器５を自由に制御することにより、任意のタイミングで高周波の、あたかも連続的な放電を生じさせることができる。従って、様々な制御が可能である。
　以上のように、本実施形態の放電装置２は、従来のスパークプラグとは大きく相違する。
　次に図５を参照して、放射装置３は、大きくは、マイクロ波を燃焼室に放射するアンテナ部３５と、電磁波発振器５からのマイクロ波をアンテナ部３５へ伝送する伝送路３０とに分かれる。
　また、図５では示されていないが、伝送路３０からアンテナ部３５へマイクロ波を供給する給電部を有しており、伝送路３０は、給電部に対して着脱自在とすることもできる。なお、伝送路３０は、同軸の伝送路であり、マイクロ波を伝送する中心導体３１と、グラウンド（接地部）として機能すると共に、マイクロ波が外部に漏えいすることを防ぐための外側導体３２が設けられている。また、中心導体３１と外側導体３２はセラミック等の絶縁体が充填され、また、外側導体３２の外側には例えば弾性体からなる絶縁体により包まれている。
　アンテナ部３５は、例えば図６に示すように、セラミック基板上に渦巻き状の金属パターン３５ａを印刷等することにより形成することができる。
　なお、上記実施形態の放射装置３は、単なる一例に過ぎず、燃焼室にマイクロ波を放射することができるものであれば、上記の実施形態に限られない。
－点火システム１０による動作例－
　次に、点火システム１０による動作例を説明する。典型的には、まず初めに制御装置６は、電磁波発振器５から放電装置２に対してのみマイクロ波が供給されるように電磁波発振器５を制御する。電磁波発振器５は例えば２出力（２チャンネル）構成とし、一方のチャンネルＡは放電装置２に接続し、他方のチャンネルＢは放射装置３に接続する。つまり、制御装置６は、まずチャンネルＡに対し制御を行う一方、チャンネルＢの出力はオフになるよう制御する。そして、放電装置２による放電により、燃焼室の燃料が点火したら、次は火炎を拡大させる目的で、制御装置６は、電磁波発振器５のチャンネルＢの出力をオンにするよう制御し、放射装置３からマイクロ波を放射させる。これにより火炎が拡大される。
　また、第２の例としては、運転状態に応じて、放射装置３の使用／不使用を切り替えることが考えられる。例えば、低負荷であるときの第１の運転条件を満たす間は、放電装置２による放電動作のみにより点火を行い、高負荷であるときの第２の運転条件を満たす場合は、放電装置２で点火したのち、放射装置３を用いて火炎を拡大させることもできる。
　第３の例として、図１３、図１４に示すように、アンテナ６０（６０Ａ～６０Ｄ）をピストン２７の頂面に配置するようにしてもよい。これらのアンテナ６０はピストン２７の外周側に配置され、放射装置３から出射されるマイクロ波を受信する。換言すれば、アンテナ６０は、放射装置３から放射状に出射されるマイクロ波を誘導する、いわゆる２次アンテナとしての機能を果たす。つまり、アンテナ６０により、放射装置３からのマイクロ波がより効果的に燃焼室の外周側に誘導されることとなる。これにより、放電装置２により点火した火炎の拡大を効果的に行うことができる。また、外周部分において未燃ガスが発生することを防ぐこともできる。
　図１５（ａ）は、アンテナ６０の構成例である。同図に示すように、アンテナ６０は、セラミック材料で形成される矩形基板６１上に、導体６２が形成される。受信感度を最大化すべく、導体６２の長さはマイクロ波の波長のおおよそ１／４とする。
　第４の例として、図１６、図１７に示すように、アンテナ６０（６０Ａ～６０Ｄ）をシリンダヘッド２１の底面（吸気バルブ２４間、排気バルブ２６間、又は吸排気バルブ間）に配置するようにしてもよい。このように配置しても、放射装置３からのマイクロ波を燃焼室の外周側に誘導することができ、外周部分において未燃ガスが発生することを防ぐこともできる。
　また、アンテナ６０をピストン頂面にアレイ状に配置してもよい。これにより、仮に一部のアンテナがススの付着や熱による破損により動作不良となったとしても、残ったアンテナが正常に機能すれば放射装置３からのマイクロ波を外周側に誘導することができるためである。
（第２の実施形態）
　図７に示すように、放電装置２と放射装置３をそれぞれ傾けて配置させても良い。この配置にすれば、放射装置３から放射されるマイクロ波が放電装置２の先端部に照射されやすくなる。
　但し、これらを傾けた結果、それぞれの先端部分を燃焼室内に露出させることができない。そこで、本実施形態のケーシング４Ｂ内には、キャビティ４１と、キャビティ４１と燃焼室を連通させる通路４２が設けられる。
　つまり、放電装置２により点火した（弱い）火花を、放射装置３から放射されたマイクロ波を用いて強めることにより、キャビティ４１内が高圧となり、これにより火炎が通路４２を介して燃焼室に押し出される。
　なお、プラグホールの直径が十分に大きい場合は、放電装置２と放射装置３をそれぞれ傾けて配置させても、これらの先端部分を燃焼室内に露出させることができるから、このようなキャビティ４１、通路４２を設ける必要はない。
（第３の実施形態）
　図８に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｃは、放電装置２と放射装置３を一体化させた構成である。点火ユニット１Ｃは、放電装置２Ｃの外周に筒状に放射装置３Ｃを形成している。
　ここで、放電装置２Ｃの構成は、ケーシング２１の形状が第１実施形態の放電装置２と相違するが、それ以外については同じである。
　一方、放射装置３Ｃは、絶縁筒３３、誘導筒３１、絶縁筒３４、導体筒３５からなる。絶縁筒３３は、導体であるケーシング２１の外周を包囲し、例えば高絶縁性、耐熱耐食性を備えたアルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックス等で形成される。誘導筒３１は絶縁筒３３を包囲するように設けられる。誘導筒３１は、後端部３１ｂ側から入力された電磁波発振器５からのマイクロ波を伝送し、先端部３１ａからマイクロ波を燃焼室に向けて放射する。誘導筒３１は、金属等の導体で形成される。但し、先端部３１ａの近傍はアルミナ等の絶縁性、耐熱性の材料で形成されていてもよい。絶縁筒３５は、誘導筒３１の周囲を囲うように設けられ、絶縁筒３３等と同様、絶縁性、耐熱性の材料で形成される。更に絶縁筒３５の周囲には導体筒３５が設けられる。この導体筒３５は、誘導筒３１を伝搬するマイクロ波が放射装置３Ｃの外部に漏えいするのを防止し、安全性と伝送効率を確保するために設けられる。
　点火ユニット１Ｃによれば、放電装置２と放射装置３を同軸状に一体化しているので、より小型化が実現できる。出願人は、一例として、直径が約５ミリの放電装置２の試作に成功している。よって、その放電装置２の外周に筒状の放射装置３Ｃを取り付けた構成である点火ユニット１Ｃの直径は１０ミリ程度とすることも十分に可能である。従って、点火ユニット１Ｃは、ガソリンエンジン等のスパークプラグの取付口にそのまま挿入させることが可能であり、エンジンの形状や仕様を大きく変更することなく、点火ユニット１Ｃを利用することができる。
（変形例）
　図９は、第３実施形態に係る点火ユニット１Ｃの変形例である。誘導筒３１の先端部分の外周側は、絶縁筒３４、導体筒３５に覆われない構成としてもよい。これにより、誘導筒３１の先端部からはより効果的にマイクロ波を放射することができる。
（第４の実施形態）
　図１０に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｄも、第３実施形態と同様、放電装置と放射装置を一体化させたものである。但し、点火ユニット１Ｆでは、放電装置２のケーシング２１の外周側（絶縁筒３３側）の表面にマイクロ波を伝播させる構成としている点で、第３実施形態と相違する。つまり、ケーシング２１が第３実施形態の絶縁筒３３の機能を兼ねている。
　この構成によれば、第３実施形態と比較して、点火ユニットの小径化を図ることができる。
（第５の実施形態）
　図１１に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｅも、第３、第４実施形態と同様、放電装置と放射装置を一体化させたものである。但し、放電装置の構成が、他の実施形態とは異なる。
　本実施形態の放電装置７は、中心電極７１、誘電体７２、接地電極７３、放電電極７５等により構成される。中心電極７１は、先端側に位置する第１部分７１Ａとその後ろ側に位置する第２部分７１Ｂとに分かれる。中心電極７１は金属等の導体で形成されその表面を電磁波が伝播する。第１部分７１Ａの表面には、アルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックス等からなる誘電体７２が形成される。第１部分７１Ａの先端部には突起状の放電電極７５が形成される。第１部分７１Ａ及び誘電体７２の周囲には、筒状の接地電極７３が空間を隔てて設けられる。
　放電装置７では、中心電極７１、誘電体７２、接地電極７３がマイクロ波の周波数において共振する共振構造となっており、これにより入射したマイクロ波の電圧が放電電極７５の近傍で最大になるように昇圧される。この結果、放電電極７５と接地電極７３の間で放電を生じさせることができる。これにより、第１実施形態の点火ユニット１Ａの放電装置２と同様、放電装置の先端部分に非平衡プラズマを形成させることができ、燃料を点火させることができる。
　また、第１実施形態と同様、この放電装置７もマイクロ波により駆動するから、任意のタイミングで高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミング大きさでプラズマを生成させることができる。
　放電装置７の周囲には、マイクロ波を放射する放射装置３Ｄが形成される。この放射装置３Ｄの構成は、第３実施形態の放射装置３Ｃと同様である。
　したがって、本実施形態の点火ユニット１Ｅによっても、まず放電装置７で燃料を点火させた後、放射装置３からマイクロ波を放射させることで点火した火炎を拡大させることができる。
　また、本実施形態の点火ユニット１Ｅも、第３実施形態の点火ユニット１Ｃと同様、直径１０ミリ程度に形成できるから、ガソリンエンジン等のスパークプラグの取付口にそのまま挿入させることが可能である。
（第６の実施形態）
　本発明は、図１２に示すような点火ユニット一体型インジェクタ１Ｆにも適用できる。この一体型インジェクタ１Ｆは、第５実施形態の点火ユニット１Ｅの中心電極７１をインジェクタ本体に置き変えたものである。つまり、燃料噴射管の表面に誘電体８２を設けることでマイクロ波が共振する構造を形成し、マイクロ波の電圧を増幅させ、また、燃料噴射間の先端部に突起状の放電電極８５を設け、放電電極８５と接地電極８３間で放電を生じさせることにより、燃料噴射管から噴射させる燃料を点火する。
　一方、放射装置３の構成は第３、第４実施形態とほぼ同じである。電磁波発振器５からのマイクロ波は、同軸ケーブル５１ａを経由して、燃料噴射管の中央部分８１Ｂに一旦伝送される。中央部分８１Ｂには、図示しないインピーダンス整合回路が形成される。このインピーダンス整合回路は同軸ケーブル（通常、５０Ω系）と、マイクロ波共振構造部分間のインピーダンス整合を行うものである。なお、同軸ケーブル５１ａは、一例として、インジェクタ本体の内部に設けられた貫通孔に挿入される。
　また、電磁波発振器５からのマイクロ波は、同軸ケーブル５１ｂを経由して、誘導筒３４にも入射する。これにより、誘導筒３４の先端部からはマイクロ波が放射する。本実施形態によっても、上記各実施形態と同様の作用効果を奏する。
　また、近年、ディーゼルエンジンをＣＮＧ等の天然ガスにより動作させるエンジンの開発が行われているが、ＣＮＧは軽油よりも着火温度が高いので、ディーゼルエンジンの圧縮比を大幅に変えない限り、強制的な着火手段が必要である。この点火ユニット一体型インジェクタ１Ｆは、ディーゼルエンジンのディーゼルインジェクタの取付口に挿入可能な大きさであるから、ディーゼルエンジンを天然ガスで動作させる用途に特に適している。
　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、放電装置２は、上記のものに限らず、例えばコロナ放電プラグ（例えばボルグワーナー社のEcoFlash（米国登録商標））など他のタイプのものを用いても良い。但し、上記の実施形態で示した効果を奏するには、高い周波数での連続放電が可能なイグナイタが好ましい。
　また、放電装置２はマイクロ波により動作するものとし、放射装置３もマイクロ波を放射するものとしているが、他の帯域を有する電磁波により動作又は放射するものでも良い。
　また、放電装置２と放射装置３は、ケーシング４により一体化されているが、別体であってもよい。
　また、放電装置２は、電磁波発振器５からの入力電圧が低い場合、放電電極２６での電圧が十分に高くならないので、放電電極２６とケーシング２１の間で放電が行われない場合がある。このとき、放電電極２６からマイクロ波が放射する場合がある。このことを逆に利用すれば、放射装置４を省略することも可能となる。つまり、まず初めは、放電装置２が確実に放電を行いうるよう、電磁波発振器５の出力電圧を高くしておく。そして、燃料が点火した後は、敢えて電磁波発振器５の出力電圧を低くすることで、放電電極２６の先端部からマイクロ波が放射するように制御することで、火炎を拡大することも可能であると考えられる。これにより、放射装置３自体を省略することができる。
　また、第３実施形態の点火ユニット１Ｃ等では、マイクロ波を放電装置２、放射装置３に対し、電磁波発振器５の別々のチャンネルか入力させることを想定しているが、同一のチャンネルから点火ユニット１Ｃにマイクロ波を供給（給電）し、点火ユニット１Ｃ内にマイクロ波の分配器を設け、放電装置２Ｃ、放射装置３Ｃにマイクロ波を供給するようにしてもよい。
　また、上述したアンテナ６０は、火炎拡大以外の目的で使用されるものであってもよい。例えば排気ポートの近傍に配置し、受信アンテナではなく、送信アンテナとして機能させ、排気ガスの処理に使用してもよい。この場合、図１５（ｂ）に示すように、排気ガスが流通できるよう、矩形基板６１上に空洞部６４を設けるようにしてもよい。
１　　点火ユニット
２　　放電装置
３　　放射装置
４　　ケーシング
５　　電磁波発振器
６　　制御装置
１０　点火システム

 

Claims (7)

  1. 　電磁波発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部を有する放電装置と、
    　電磁波発振器から入力された電磁波を放射する電磁波放射装置と、を備える点火ユニット。
  2. 　放電装置と電磁波放射装置を収容し、放電装置が挿入される第１孔、電磁波放射装置が挿入される第２孔を有する収容部を更に備え、
    　該収容部が、内燃機関のシリンダヘッドの単一の孔に挿入可能であることを特徴とする、請求項１に記載の点火ユニット。
  3. 　前記放電装置は、中心電極と、中心電極を包囲する筒状導体と、筒状導体の内壁と中心電極の間に介在する誘電体を有し、
    　中心電極は、電磁波発振器からの電磁波が入力される第１部分と、第１部分に容量結合する第２部分を有し、
    　第２部分の先端部と、筒状導体の内壁との間で放電が行われることを特徴とする、請求項１に記載の点火ユニット。
  4. 　電磁波を発振する発振器と、
    　発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部と、を有する放電装置と、
    　発振器から入力された電磁波を放射する放射装置と、
    　放電装置と放射装置を制御する制御装置を備え、
    　制御装置は、
    　まず、放射装置をオフとする一方、放電装置をオンとすることで、燃焼室内の燃料を点火する第１動作を行い、
    　次に、放射装置をオンとすることで、点火した火炎を拡大させる第２動作を行う、点火システム。
  5. 　制御装置は、
    　低負荷であるときの第１の運転条件を満たす間は、前記第１動作のみを行い、
    　高負荷であるときの第２の運転条件を満たす場合は、前記第１動作と前記第２動作を交互に繰り返すことを特徴とする、請求項４に記載の点火システム。
  6. 　請求項４に記載の点火システムと、
    　ピストンの頂面に配置され、前記放射装置からの電磁波を受信するアンテナを備え、
    　前記アンテナがセラミック材料で形成された基板と、該基板上に形成された導体により構成されたことを特徴とする、内燃機関。
  7. 　請求項４に記載の点火システムと、
    　シリンダヘッドの底面に配置され、前記放射装置からの電磁波を受信するアンテナを備え、
    　前記アンテナがセラミック材料で形成された基板と、該基板上に形成された導体により構成されたことを特徴とする、内燃機関。
PCT/JP2015/082858 2014-11-24 2015-11-24 点火ユニット、点火システム、及び内燃機関 WO2016084772A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/529,217 US20170328337A1 (en) 2014-11-24 2015-11-24 Ignition unit, ignition system, and internal combustion engine
EP15862649.9A EP3225832A4 (en) 2014-11-24 2015-11-24 Ignition unit, ignition system, and internal combustion engine
JP2016561574A JP6739348B2 (ja) 2014-11-24 2015-11-24 点火ユニット、点火システム、及び内燃機関

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014-237242 2014-11-24
JP2014237242 2014-11-24
JP2014-240648 2014-11-27
JP2014240648 2014-11-27
JP2015-120831 2015-06-16
JP2015120831 2015-06-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016084772A1 true WO2016084772A1 (ja) 2016-06-02

Family

ID=56074332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2015/082858 WO2016084772A1 (ja) 2014-11-24 2015-11-24 点火ユニット、点火システム、及び内燃機関

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20170328337A1 (ja)
EP (1) EP3225832A4 (ja)
JP (1) JP6739348B2 (ja)
WO (1) WO2016084772A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018099871A (ja) * 2016-11-18 2018-06-28 イマジニアリング株式会社 印刷装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170248109A1 (en) * 2014-05-29 2017-08-31 Imagineering, Inc. Injector having in-built ignition system
JP6620748B2 (ja) * 2014-08-04 2019-12-18 イマジニアリング株式会社 インジェクタユニット、及び点火プラグ
JP6868421B2 (ja) * 2017-03-08 2021-05-12 株式会社Ｓｏｋｅｎ 点火装置
US10677456B2 (en) * 2017-12-29 2020-06-09 Southwest Research Institute Waveguide antenna for microwave enhanced combustion

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010001827A (ja) * 2008-06-20 2010-01-07 Mitsubishi Electric Corp 内燃機関用点火装置
WO2012066708A1 (ja) * 2010-11-16 2012-05-24 日本特殊陶業株式会社 プラズマ点火装置およびプラズマ点火方法
WO2013011966A1 (ja) * 2011-07-16 2013-01-24 イマジニアリング株式会社 内燃機関
WO2014115707A1 (ja) * 2013-01-22 2014-07-31 イマジニアリング株式会社 プラズマ生成装置、及び内燃機関

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10239410B4 (de) * 2002-08-28 2004-12-09 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor
CN104763572B (zh) * 2006-09-20 2017-05-24 创想科学技术工程株式会社 等离子设备
US7387115B1 (en) * 2006-12-20 2008-06-17 Denso Corporation Plasma ignition system
US8904535B2 (en) * 2006-12-20 2014-12-02 The Penn State Research Foundation Proactive worm containment (PWC) for enterprise networks
US8863495B2 (en) * 2007-07-12 2014-10-21 Imagineering, Inc. Ignition/chemical reaction promotion/flame holding device, speed-type internal combustion engine, and furnace
EP2180176B1 (en) * 2007-07-12 2016-12-14 Imagineering, Inc. Ignition or plasma generation device
US8783220B2 (en) * 2008-01-31 2014-07-22 West Virginia University Quarter wave coaxial cavity igniter for combustion engines
US8887683B2 (en) * 2008-01-31 2014-11-18 Plasma Igniter LLC Compact electromagnetic plasma ignition device
JP2011034953A (ja) * 2009-02-26 2011-02-17 Ngk Insulators Ltd プラズマイグナイター及び内燃機関の点火装置
DE102010045171B4 (de) * 2010-06-04 2019-05-23 Borgwarner Ludwigsburg Gmbh Zünder zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Verbrennungskammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor, durch Erzeugen einer Korona-Entladung
US8078384B2 (en) * 2010-06-25 2011-12-13 Ford Global Technologies, Llc Engine control using spark restrike/multi-strike
EP2592911B1 (en) * 2010-07-07 2017-05-10 Imagineering, Inc. Plasma-generating apparatus
US8726871B2 (en) * 2011-01-13 2014-05-20 Federal-Mogul Ignition Company Corona ignition system having selective enhanced arc formation
WO2012102070A1 (ja) * 2011-01-28 2012-08-02 イマジニアリング株式会社 内燃機関の制御装置
EP2677163A4 (en) * 2011-02-15 2018-08-08 Imagineering, Inc. Internal combustion engine
CN103891069B (zh) * 2011-05-24 2015-12-23 创想科学技术工程株式会社 火花塞以及内燃机
WO2013011968A1 (ja) * 2011-07-16 2013-01-24 イマジニアリング株式会社 プラズマ生成装置、及び内燃機関
JP6191030B2 (ja) * 2011-07-16 2017-09-06 イマジニアリング株式会社 プラズマ生成装置、及び内燃機関
JP6145600B2 (ja) * 2011-07-16 2017-06-14 イマジニアリング株式会社 プラズマ生成装置、内燃機関及び分析装置
WO2013021852A1 (ja) * 2011-08-10 2013-02-14 イマジニアリング株式会社 内燃機関
EP2754884A4 (en) * 2011-09-11 2016-06-15 Imagineering Inc HIGH FREQUENCY RADIATION PLUG
WO2013035882A2 (ja) * 2011-09-11 2013-03-14 イマジニアリング株式会社 アンテナ構造体、高周波放射用プラグ、内燃機関、及びアンテナ構造体の製造方法
WO2013042597A1 (ja) * 2011-09-22 2013-03-28 イマジニアリング株式会社 プラズマ生成装置、及び内燃機関
JP6059998B2 (ja) * 2013-02-05 2017-01-11 株式会社デンソー 点火装置
WO2015025913A1 (ja) * 2013-08-21 2015-02-26 イマジニアリング株式会社 内燃機関の点火装置及び内燃機関
US20170248109A1 (en) * 2014-05-29 2017-08-31 Imagineering, Inc. Injector having in-built ignition system
WO2015182774A1 (ja) * 2014-05-29 2015-12-03 イマジニアリング株式会社 点火装置内蔵インジェクタ
US20170306918A1 (en) * 2014-08-21 2017-10-26 Imagineering, Inc. Compression-ignition type internal combustion engine, and internal combustion engine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010001827A (ja) * 2008-06-20 2010-01-07 Mitsubishi Electric Corp 内燃機関用点火装置
WO2012066708A1 (ja) * 2010-11-16 2012-05-24 日本特殊陶業株式会社 プラズマ点火装置およびプラズマ点火方法
WO2013011966A1 (ja) * 2011-07-16 2013-01-24 イマジニアリング株式会社 内燃機関
WO2014115707A1 (ja) * 2013-01-22 2014-07-31 イマジニアリング株式会社 プラズマ生成装置、及び内燃機関

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018099871A (ja) * 2016-11-18 2018-06-28 イマジニアリング株式会社 印刷装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6739348B2 (ja) 2020-08-12
US20170328337A1 (en) 2017-11-16
EP3225832A4 (en) 2017-12-13
JPWO2016084772A1 (ja) 2017-11-09
EP3225832A1 (en) 2017-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016084772A1 (ja) 点火ユニット、点火システム、及び内燃機関
JP5423417B2 (ja) 高周波プラズマ点火装置
JP5533623B2 (ja) 高周波プラズマ点火装置
JP2010096109A (ja) 点火装置
JP6082881B2 (ja) 内燃機関の点火装置及び内燃機関
JP2006132518A (ja) 内燃機関及びその点火装置
JP2008082286A (ja) 内燃機関及びその点火装置
JP6677877B2 (ja) 点火装置内蔵インジェクタ
JP2017517675A (ja) 二重信号同軸空洞共振器プラズマ発生
WO2013035880A1 (ja) 高周波放射用プラグ
WO2016108283A1 (ja) 点火システム、及び内燃機関
WO2016027873A1 (ja) 圧縮着火式内燃機関、及び内燃機関
JP2012149608A (ja) 内燃機関の点火装置
EP3364509A1 (en) Ignition device
JP6677865B2 (ja) 点火装置
JP6620748B2 (ja) インジェクタユニット、及び点火プラグ
JP6145759B2 (ja) アンテナ構造、高周波放射用プラグ、及び内燃機関
JP5578092B2 (ja) 内燃機関の点火装置
WO2016125857A1 (ja) 点火プラグ
JP6685516B2 (ja) 内燃機関
WO2016093351A1 (ja) 点火装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15862649

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016561574

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15529217

Country of ref document: US

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015862649

Country of ref document: EP