WO2018084250A1 - 点火装置 - Google Patents

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WO2018084250A1
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electromagnetic wave
ignition
frequency
resonance frequency
discharge
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French (fr)
Inventor
池田　裕二
創士 渡部
Original Assignee
イマジニアリング株式会社
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    • 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
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • 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
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor

Definitions

  • the present invention relates to an ignition device, and more particularly to an ignition device used for an internal combustion engine.
  • an ignition device for ignition of an internal combustion engine an ignition device using a plasma generation device that generates electromagnetic wave plasma by radiating electromagnetic waves into a combustion chamber of the internal combustion engine has been proposed.
  • Japanese Unexamined Patent Application Publication Nos. 2009-38025 and 2006-132518 describe an ignition device for an internal combustion engine using this type of plasma generation apparatus.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-38025 describes a plasma generation apparatus that generates a spark discharge in a discharge gap of a spark plug and radiates a microwave toward the discharge gap to expand the plasma.
  • plasma generated by spark discharge receives energy from microwave pulses. This accelerates electrons in the plasma region, promotes ionization, and increases the volume of the plasma.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2006-132518 discloses an ignition device for an internal combustion engine that generates a plasma discharge by radiating electromagnetic waves from an electromagnetic wave radiator into a combustion chamber.
  • An ignition electrode insulated from the piston is provided on the upper surface of the piston. The ignition electrode serves to locally increase the electric field strength of the electromagnetic wave in the combustion chamber in the vicinity thereof.
  • the internal combustion engine ignition device generates plasma discharge in the vicinity of the ignition electrode.
  • the present inventors have developed a plasma generator that can generate spark discharge using only electromagnetic waves (microwaves) and can be used as an ignition device for an internal combustion engine. (See cited document 3)
  • This plasma generating device generates spark discharge using only electromagnetic waves (microwaves), and is used as an ignition device for an internal combustion engine.
  • the potential difference between the ground electrode (discharge gap) is increased to cause discharge.
  • the present inventors suppress the wear of the discharge electrode, the discharge electrode melting and the occurrence of discharge failure, etc., and the oscillation time of the first electromagnetic wave as the oscillation pattern of the electromagnetic wave in which a good discharge continues
  • the oscillation time is set to 10 to 500 times the oscillation time, the oscillation time after the second time is 2.5 ⁇ sec or less, preferably 1 ⁇ sec or less, and the duty ratio is 30% or less with respect to the oscillation period, and the oscillation is performed 300 to 700 times.
  • a control method for the number of times is proposed.
  • the resonance frequency may gradually vary depending on the degree of oxidation of the metal member and the variation in the gap between the internal insulator and the metal member. Due to the fluctuation of the resonance frequency, there is a problem that a sufficient potential difference cannot be obtained between the discharge electrode and the ground electrode, and a misfire may occur.
  • the present invention has been made in view of such points, and an object thereof is to provide a small ignition device that can be operated at an optimal oscillation frequency in response to fluctuations in the resonance frequency.
  • An electromagnetic wave oscillator that oscillates electromagnetic waves;
  • a control device for controlling the electromagnetic wave oscillator;
  • Boosting means for boosting electromagnetic waves oscillated from the electromagnetic wave oscillator, a discharge electrode and a ground electrode forming a discharge gap
  • An ignition device for an internal combustion engine comprising a plasma generator for generating a discharge by increasing a potential difference of a discharge gap by the boosting means,
  • the control device oscillates from the electromagnetic wave oscillator an ignition electromagnetic wave having an output greater than the discharge energy near the compression top dead center, and confirms a resonance frequency of the ignition device at a timing other than the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave.
  • the ignition device of the present invention oscillates a resonance frequency confirmation electromagnetic wave even if the resonance frequency fluctuates during operation of the internal combustion engine, and changes the frequency of the ignition electromagnetic wave to an optimum frequency according to the value of the reflected wave.
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave may oscillate a plurality of different frequencies in one cycle, but oscillates once in one cycle, and the optimum resonance in a plurality of cycles after the next cycle, for example, 10 cycles. It is also possible to determine the frequency.
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave has an energy equal to or less than the minimum discharge energy, and preferably 50 to 80% or less of the minimum discharge energy.
  • control device can control the resonance frequency confirmation electromagnetic wave to oscillate at a plurality of different frequencies at predetermined intervals in a predetermined frequency band.
  • the control device can control the resonance frequency confirmation electromagnetic wave to be a value obtained by increasing or decreasing a predetermined frequency before and after the frequency of the ignition electromagnetic wave and the frequency of the ignition electromagnetic wave.
  • the ignition device of the present invention oscillates a resonance frequency confirmation electromagnetic wave at a timing other than the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave even if the resonance frequency fluctuates during operation of the internal combustion engine, and determines an optimum resonance frequency from the reflected wave.
  • a sufficient potential difference can be secured between the discharge electrode and the ground electrode, and the air-fuel mixture can be ignited reliably.
  • FIG. 1 is a block diagram of an internal combustion engine ignition device according to Embodiment 1.
  • FIG. The whole sectional view of the principal part of the ignition device is shown.
  • the discharge electrode and ground electrode of the same ignition device are shown, (a) is a plan view and (b) is a partially cutaway front view. It is an equivalent circuit of the pressure
  • the oscillation pulse pattern by the control apparatus of an ignition device is shown, (a) shows the oscillation pulse pattern of Embodiment 1, (b) shows the principal part enlarged view of (a). It is explanatory drawing which shows the intake stroke of an internal combustion engine, a compression stroke, an explosion stroke, and an exhaust stroke.
  • 6 is a graph showing the in-cylinder pressure between an internal combustion engine crank angle of ⁇ 90 ° and 60 ° and the oscillation timing of an ignition electromagnetic wave. 6 is a graph showing the in-cylinder pressure between the crank angle of an internal combustion engine between ⁇ 360 ° and 360 ° (720 °), the ignition electromagnetic wave, and the oscillation timing of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave. It is a graph which shows the value of the reflected wave of the electromagnetic wave for resonance frequency confirmation which oscillated.
  • Ignition device Embodiment 1 is an ignition device for an internal combustion engine according to the present invention.
  • the ignition device 1 of the present invention includes an electromagnetic wave power source 2, an electromagnetic wave oscillator 3 that oscillates an electromagnetic wave, a control device 4 that controls the electromagnetic wave power source 2 and the electromagnetic wave oscillator 3, and an electromagnetic wave, as shown in FIGS.
  • An input unit 52 that receives supply of an electromagnetic wave oscillated from an oscillator 3, a boosting unit 5 that boosts the input electromagnetic wave, a discharge electrode 55 a that forms a discharge gap 6, and a ground electrode 51 a, are discharged by the boosting unit 5. It is configured to increase the potential difference of the gap 6 to cause discharge.
  • the control device 4 oscillates an ignition electromagnetic wave equal to or higher than the discharge energy near the compression top dead center (TDC), for example, 1 KW or more, from the electromagnetic wave oscillator 3, and at a timing other than the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave.
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave for confirming the resonance frequency is oscillated, the optimum resonance frequency is determined by the value of the reflected wave of the oscillated electromagnetic wave, and the frequency of the ignition electromagnetic wave is controlled.
  • the ignition electromagnetic wave oscillated from the electromagnetic wave oscillator 3 is controlled so that, for example, the oscillation period is 10 ⁇ sec or less, the oscillation time is 2.5 ⁇ sec or less, and the duty ratio is 3 to 25%.
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave is not particularly limited with respect to the oscillation period, oscillation time, and duty ratio.
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave oscillates 21 times at 5 MHz intervals in the frequency band of 2400 MHz to 2500 MHz and is optimal from the reflected wave.
  • the resonance frequency is determined.
  • the discharge electrode 55a is formed at the tip of the electrode shaft portion 55b extending from the bottomed cylindrical portion 54 through which the input shaft portion 53 extending from the input portion 52 is inserted to the side opposite to the input portion.
  • An input shaft portion 53 extending from the input portion 52 is insulated from the cylindrical portion 54.
  • a cylindrical insulator 59 is interposed between the inner peripheral surface of the cylindrical portion 54.
  • cylindrical portion 54 and the electrode shaft portion 55 b are also electrically insulated from the inner peripheral surface of the front end side casing 51 ⁇ / b> A of the casing 51.
  • the cylindrical portion 54 and the electrode shaft portion 55 b are enclosed in a cylindrical insulator 59.
  • An equivalent circuit C2 described later is formed between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 54 and the inner peripheral surface of the casing 51A covering the cylindrical portion 54, and between the electrode shaft portion 55b and the inner peripheral surface of the casing 51A.
  • An equivalent circuit capacitor C3 is formed. The resonance frequency is adjusted by the dielectric constant that varies depending on the type of the insulator 59.
  • C1 mentioned above can also be abbreviate
  • the casing 51B on the rear end side of the casing 51 has a through hole.
  • An input portion 52 that receives supply of electromagnetic waves from the electromagnetic wave oscillator 3 is formed at one end of the casing 51B, and an input shaft portion 53 that extends from the input portion 52 is formed at the other end.
  • a protruding cylindrical insulator 59 is disposed, and a discharge electrode 55a, a cylindrical portion 54, an electrode shaft portion 55b, and a casing 51A including the insulator 59 covering these are incorporated.
  • the method of incorporating the input portion 52, the input shaft portion 53, and the casing 51A of the insulator 59 covering them is not particularly limited, but in the present embodiment, it corresponds to the outer peripheral surface of the insulator 59 and the through hole of the casing 51B.
  • the step is inserted from the left side of the figure to engage the insulator with the step to prevent falling off to the right side, and the casing 51A is inserted from the left side to cover the input portion 52, the input shaft portion 53, and these. The falling of the insulator 59 to the left side is also prevented.
  • the fixing is performed by screwing the male screw portion engraved on the outer peripheral surface of the casing 51A into the female screw portion engraved in the through hole. To do.
  • the casing 51A can be securely fixed to the casing 51B using a fixing means such as welding, or can be fixed using a fixing means such as welding without forming a threaded portion. it can.
  • the ground electrode 51a is formed at the tip of a cylindrical casing 51A that covers the discharge electrode 55a, and forms a discharge gap 6 between the inner surface of the ground electrode 51a and the outer surface of the discharge electrode 55a.
  • the ground electrode 51a (tip of the casing 51A) forming the discharge gap 6 forms a slit s as shown in FIG. This slit s guides the air-fuel mixture into the discharge gap 6 and improves the combustion efficiency.
  • the distance of the discharge gap 6 is preferably set in the range of 0.2 to 1.2 mm.
  • the boosting means 5 is composed of an equivalent circuit shown in FIG.
  • the boosting means 5 uses the electrode shaft portion 55b as a coil L, forms a resonance structure at three locations between the capacitors C1, C2 and C3 described above, and boosts the supplied electromagnetic waves.
  • the first resonance region by the capacitor C2 formed between the outer peripheral surface of the cylindrical portion 54 and the inner peripheral surface of the casing 51 that covers the cylindrical portion 54, and the casing 51 that covers the electrode shaft portion 55b and the electrode shaft portion 55b.
  • the potential difference between the discharge electrode 55a and the ground electrode 51a is increased to several tens of kV to cause discharge. Yes.
  • it can also be set as the structure which does not form C1 of an equivalent circuit by electrically connecting the input shaft part 53 and the cylindrical part 54, and not carrying out capacitive coupling.
  • the electromagnetic wave oscillator 3 is always supplied with a predetermined voltage, for example, 12 V from the electromagnetic wave power source 2. Then, an electromagnetic wave (for example, 2.45 GHz microwave) is output from the control device 4 as an electromagnetic wave oscillation signal (for example, TTL signal) as a pulse wave of an oscillation pattern in which a predetermined duty ratio, pulse time, and the like are set.
  • a predetermined voltage for example, 12 V
  • an electromagnetic wave for example, 2.45 GHz microwave
  • an electromagnetic wave oscillation signal for example, TTL signal
  • the oscillation pattern of the electromagnetic wave oscillator 3 sets the oscillation time tw0 of the first electromagnetic wave to 10 to 500 times the oscillation time after the second time, and the oscillation time tw1 after the second time is 2.5 ⁇ sec or less, preferably 1 ⁇ sec.
  • the number of oscillations is 300 to 700 times with a duty ratio of 30% or less, preferably 5 to 20% with respect to the oscillation period tp1.
  • the first oscillation time tw0 is 10 ⁇ sec (100 times the oscillation time after the second oscillation), and after the first oscillation, the pause time tq0 is 0.1 to 0.9 ⁇ sec.
  • the oscillation period tp1 is 1 ⁇ sec
  • the oscillation time tw1 is 0.1 ⁇ sec (duty ratio 10%)
  • the oscillation frequency is 750 times (see FIGS. 5A to 5B). ).
  • the oscillation time of 0.1 ⁇ sec depends on the performance of the electromagnetic wave oscillator 3, particularly the performance of the diode used in the oscillator, but can be set to 0.02 ⁇ sec to 0.05 ⁇ sec (20 nsec to 50 nsec).
  • the number of oscillations 750 is set to be equal to the total oscillation energy of the conventional control method (oscillation time 15 ⁇ sec, number of oscillations 5 times).
  • the number of oscillations is configured such that the control device 4 changes the setting in response to information (engine speed, engine load, in-cylinder pressure, in-cylinder temperature, etc.) from the ECU.
  • an electromagnetic wave of 5 ⁇ sec to 15 ⁇ sec (10 ⁇ sec in the present embodiment) is oscillated as the first burst (Burst 1) for the generation of the initial plasma, and after the pause of about 0.1 ⁇ sec, the second burst (Burst 2) is generated.
  • Oscillation with a duty ratio of 10% is performed 350 to 700 times with a period of 0.1 ⁇ sec ON and 0.9 ⁇ sec OFF and 1 ⁇ sec.
  • the electromagnetic wave for ignition by one ignition needs to oscillate for a maximum of about 715 ⁇ sec.
  • the piston reciprocates twice.
  • the time is 40 msec, and the time required for the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave is less than 4% of the whole. Even if the distributor D is used to supply electromagnetic waves to, for example, a four-cylinder internal combustion engine, it does not reach 20% of the total. Therefore, in the case where the ignition electromagnetic wave is supplied to the ignition plug by the one-time ignition described above, the frequency can be confirmed by irradiating the resonance frequency confirmation electromagnetic wave between 80% of the whole.
  • the timing of oscillation of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave is not particularly limited as long as it is a timing other than the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave, and the TDC immediately before the end of the compression stroke shown in FIG. At this time, it can be performed in a compression stroke, an explosion stroke, an exhaust stroke, and an intake stroke other than -25 ° to 0 °, which is the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave. Also, in the range of 12 ° with 0 ° as shown in the figure, the minus side is the oscillation timing of the electromagnetic wave for ignition, and the resonance frequency confirmation electromagnetic wave may be oscillated in the range of 12 ° on the plus side that is symmetrical to it. it can.
  • the resonance frequency is affected by the volume of the combustion chamber, but the vertical dimension fluctuation due to the vertical movement of the piston rarely affects the resonance frequency, and the influence of the cylinder diameter in the horizontal direction is large. The impact of is not significant. Further, the influence due to the temperature change in the combustion chamber is small during the steady operation and the influence is not large. Further, when the influence of the pressure change is taken into consideration, as shown in FIGS. 7 to 8, the in-cylinder pressure when the oscillation timing of the ignition electromagnetic wave is ⁇ 20 ° to ⁇ 10 ° (M0 in the figure) becomes substantially the same pressure as +55 It is preferable to oscillate around ° (M1 in the figure).
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave oscillate between ⁇ 60 ° and ⁇ 30 ° (M2 in the figure) before the ignition electromagnetic wave oscillation in the compression stroke P2. It was possible to determine the resonant frequency. Further, it may be performed during the intake stroke (M3 in the figure) or during the exhaust stroke (M4 in the figure).
  • the number of oscillations of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave is 21 times at 5 MHz intervals in the frequency band of 2400 MHz to 2500 MHz at the timing of oscillation of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave once, for example, the timing of M2 shown in FIG.
  • the optimum resonance frequency with the smallest reflected wave is determined by the reflected wave, and in this embodiment, the voltage value of the detector 7 in this embodiment.
  • the resonance frequency confirmation electromagnetic wave is oscillated three times at 2400, 2405, and 2410 MHz for one cycle without performing all 21 times at 5 MHz intervals at the timing of oscillation of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave once.
  • the oscillation frequency of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave is oscillated once for 21 cycles. You may make it oscillate.
  • the 5 MHz interval may be smaller than this, or a large interval of 10 MHz or 20 MHz may be adopted. According to the experiments by the present inventors, as shown in FIG. 9, the resonance frequency, which was 2420 MHz at the beginning of the operation, became an optimum resonance frequency when operated for a long time.
  • the oscillation frequency and the number of oscillations of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave are, for example, frequencies that are shifted to a predetermined frequency, for example, about 10 MHz, such as 2440, 2450, and 2460 MHz when the frequency of the electromagnetic wave for ignition is 2450 MHz.
  • the frequency of the electromagnetic wave for ignition and the three types of oscillation frequency confirmation electromagnetic waves are oscillated once each, and the frequency with less reflection compared to the frequency of the electromagnetic wave for ignition (2450 MHz) is determined as the optimum resonance frequency and changed from the next cycle It can also be controlled.
  • the frequency of the electromagnetic wave for ignition is the frequency with the least reflection, it is not necessary to change in the next cycle.
  • Such oscillation of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave can be performed every cycle, but can also be controlled to be performed once every plural cycles.
  • the output of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave may be the lowest level output at which the detector 7 can detect the reflected wave to be generated, and is less than the minimum discharge energy, preferably 50 to 80% or less of the minimum discharge energy. It is preferable to do. Thereby, power saving of the whole apparatus can be achieved.
  • the control device 4 For a specific ignition operation, first, the control device 4 outputs an electromagnetic wave oscillation signal having a predetermined frequency fa. This frequency fa is the resonance frequency of the booster circuit 5 of the ignition device 1 before being attached to the internal combustion engine.
  • the electromagnetic wave power source 2 When receiving the electromagnetic wave oscillation signal from the control device 4, the electromagnetic wave power source 2 is advanced by 20 ° from the TDC of the compression stroke once per cycle using the first burst and the second burst as the ignition electromagnetic wave ⁇ Output at 20 °.
  • the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave oscillator 3 is discharged in the discharge gap 6 of the ignition device including the boosting means 5 having a resonance frequency fa, and plasma is generated.
  • the control method of the control device 4 is a short pulse oscillation method. For this reason, a deviation in impedance matching between the discharge part and the boosting means generated immediately after the discharge is reduced, and reflection of electromagnetic waves is reduced.
  • the resonance frequency of the booster circuit 5 fluctuates relatively abruptly. Gradually advances, the resonance frequency of the booster circuit 5 gradually changes. The fluctuation of the resonance frequency varies depending on the main part of the ignition device. Depending on the individual, the resonance frequency changes in proportion to the time from the initial operation (normally, the resonance frequency decreases in proportion to the time). In some cases, the fluctuation range is large and the fluctuation range after long-time operation is small.
  • the oscillation of the resonance frequency confirmation electromagnetic wave is controlled to oscillate the resonance frequency confirmation electromagnetic wave having a narrow interval within a predetermined frequency many times in the initial stage of operation, and after a predetermined time has elapsed, It is preferable to control the resonance frequency confirmation electromagnetic wave so that confirmation at three points of a frequency shifted by a predetermined frequency before and after the frequency of the ignition electromagnetic wave is performed once every several cycles.
  • the ignition device 1 according to the first embodiment is attached to an internal combustion engine and oscillates an electromagnetic wave for confirming the resonance frequency even when the resonance frequency of the internal booster circuit fluctuates, and optimizes the booster circuit in real time from the reflected wave.
  • the resonance frequency can be determined as the frequency of the ignition electromagnetic wave.
  • a premixed compression ignition system (HCCI (homogeneous-charge compression ignition)) can be adopted.
  • the premixed compression ignition method is a method in which gasoline is self-ignited like a diesel engine, but it is difficult to control because the ignition timing depends on the temperature in the combustion chamber. Therefore, by using the ignition device 1 of the present invention and controlling the output of electromagnetic waves to be lower than that used in a gasoline engine, combustion support can be performed and the temperature in the combustion chamber can be easily controlled. The disadvantage of the mixed compression ignition system can be compensated.
  • the ignition device of the present invention can be controlled to match the changed resonance frequency even if the resonance frequency of the internal booster circuit changes, and is used as an ignition device used in an internal combustion engine. It can be used stably without causing misfire. Therefore, the ignition device of the present invention can be suitably used for an internal combustion engine such as an automobile engine.

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Abstract

本発明は、共振周波数の変動に対応し、最適な発振周波数で運転することができる小型の点火装置を提供することである。電磁波を発振する電磁波発振器３と、電磁波発振器３を制御する制御装置４と、放電ギャップ６を形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５により放電ギャップ６の電位差を高め放電を生じさせるように構成されている。そして、制御装置４によって、点火用電磁波の発振タイミング以外のタイミングにおいて点火装置の共振周波数を確認する共振周波数確認用電磁波を発振し、発振した電磁波の反射波の値によって最適な共振周波数を決定し、点火用電磁波の周波数を制御する。

Description

点火装置
　本発明は、点火装置、特に内燃機関に使用す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。
　また、本発明者等は、電磁波（マイクロ波）のみを用いてスパーク放電を生じさせ、内燃機関の点火装置として使用することができるプラズマ生成装置を開発した。（引用文献３参照）
　このプラズマ生成装置は、電磁波（マイクロ波）のみを用いてスパーク放電を生じさせ、内燃機関の点火装置として使用され、電磁波発振器から発振される電磁波を共振させることによって昇圧する昇圧手段により放電電極と接地電極との間（放電ギャップ）の電位差を高め放電を生じさせるようにしている。そして、本発明者等は放電電極の摩耗、放電電極の溶損や放電不良の発生等を抑制し、良好な放電が継続する電磁波の発振パターンとして、初回の電磁波の発振時間を２回目以降の発振時間の１０乃至５００倍の時間に設定するとともに、２回目以降の発振時間を２．５μｓｅｃ以下、好ましくは１μｓｅｃ以下とし、発振周期に対しデューティ比３０％以下として、３００回～７００回の発振回数とする制御方法を提案している。
特開２００９－３８０２５号公報 特開２００６－１３２５１８号公報 国際公開２０１４／１１５７０７号
　しかし、電磁波を、共振回路を用いて昇圧し、放電を生じさせる点火装置の場合、内燃機関の燃焼室内の環境変化として雰囲気温度・圧力の変動、プラズマ生成器である点火装置自体の温度変化や金属部材の酸化の程度、内部の絶縁体と金属部材との隙間の変動によって共振周波数が徐々に変動する場合がある。この共振周波数の変動によって放電電極と接地電極間に十分な電位差を得られなくなり、失火が発生する場合があるという問題があった。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、共振周波数の変動に対応し、最適な発振周波数で運転することができる小型の点火装置を提供することである。
　電磁波を発振する電磁波発振器と、
　前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
　前記電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する昇圧手段と
　放電ギャップを形成する放電電極及び接地電極とを備え、
　前記昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせるプラズマ生成器からなる内燃機関用の点火装置であって、
　前記制御装置は、圧縮上死点近傍で放電エネルギ以上の出力とした点火用電磁波を電磁波発振器から発振するとともに、点火用電磁波の発振タイミング以外のタイミングにおいて点火装置の共振周波数を確認する共振周波数確認用電磁波を発振し、発振した電磁波の反射波の値によって最適な共振周波数を決定し、点火用電磁波の周波数を制御するようにした点火装置である。
　本発明の点火装置は、内燃機関の運転中に共振周波数が変動しても、共振周波数確認用電磁波を発振し、その反射波の値によって点火用電磁波の周波数を最適な周波数に変更する。この場合、共振周波数確認用電磁波は１サイクルで複数回異なる周波数を発振するようにしてもよいが、１サイクルで１回発振し、次サイクル以降の複数サイクル、例えば１０サイクルの中で最適な共振周波数を決定するようにすることもできる。また、共振周波数確認用電磁波は最小放電エネルギ以下、好ましくは、最小放電エネルギの５０～８０％以下のエネルギとする。
　この場合において、前記制御装置は、共振周波数確認用電磁波を所定範囲の周波数帯域において所定間隔で異なる複数の周波数として発振するように制御することができる。
　前記制御装置は、共振周波数確認用電磁波を点火用電磁波の周波数と該点火用電磁波の周波数の前後に所定周波数分を増減させた値となるように制御することができる。
　本発明の点火装置は、内燃機関の運転中に共振周波数が変動しても共振周波数確認用電磁波を点火用電磁波の発振タイミング以外のタイミングで発振し、その反射波から最適な共振周波数を決定して点火用電磁波の周波数を最適な共振周波数に変動させることで、放電電極と接地電極間に十分な電位差を確保し、混合気に確実に着火することができる。
実施形態１の内燃機関の点火装置のブロック図である。 同点火装置の主要部の全体断面図を示す。 同点火装置の放電電極及び接地電極を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部切り欠きの正面図である。 同点火装置の昇圧手段の等価回路である。 点火装置の制御装置による発振パルスパターンを示し、（ａ）は実施形態１の発振パルスパターンを、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図を示す。 内燃機関の吸入行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程を示す説明図である。 内燃機関のクランク角度－９０°～６０°の間の筒内圧力と点火用電磁波の発振タイミングを示すグラフである。 内燃機関のクランク角度－３６０°～３６０°（７２０°）の間の筒内圧力と点火用電磁波及び共振周波数確認用電磁波の発振タイミングを示すグラフである。 発振した共振周波数確認用電磁波の反射波の値を示すグラフである。
　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、本発明に係る内燃機関の点火装置である。本発明の点火装置１は、図１～図２に示すように、電磁波用電源２と、電磁波を発振する電磁波発振器３と、電磁波用電源２及び電磁波発振器３を制御する制御装置４と、電磁波発振器３から発振される電磁波の供給を受ける入力部５２と、入力された電磁波を昇圧する昇圧手段５と、放電ギャップ６を形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５により放電ギャップ６の電位差を高め放電を生じさせるように構成されている。そして、制御装置４によって、圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍で放電エネルギ以上、例えば、１ＫＷ以上の点火用電磁波を電磁波発振器３から発振するとともに、点火用電磁波の発振タイミング以外のタイミングにおいて点火装置１の共振周波数を確認する共振周波数確認用電磁波を発振し、発振した電磁波の反射波の値によって最適な共振周波数を決定し、点火用電磁波の周波数を制御するようにしている。また、電磁波発振器３から発振する点火用電磁波は、例えば、発振周期が１０μｓｅｃ以下、発振時間が２．５μｓｅｃ以下で、かつ、デューティ比が３乃至２５％となるように制御するようにしている。そして、共振周波数確認用電磁波は、発振周期、発振時間、デューティ比に関しては特に限定するものではなく、例えば、２４００ＭＨｚ～２５００ＭＨｚの周波数帯域で、５ＭＨｚ間隔で２１回の発振を行いその反射波から最適な共振周波数を決定する。
　放電電極５５ａは、入力部５２から伸びる入力軸部５３が挿通される有底の筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂの先端に形成されている。入力部５２から伸びる入力軸部５３は、筒状部５４とは絶縁されている。具体的には、筒状部５４内周面との間に筒状の絶縁体５９が介在している。絶縁体５９を介在させるか筒状部５４の内周面と接触しないように構成することで筒状部５４と入力軸部５３は容量結合となり、後述する等価回路のＣ１を形成する。また、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとケーシング５１の先端側ケーシング５１Ａの内周面との間も電気的に絶縁されている。本実施形態においては、筒状部５４及び電極軸部５５ｂは筒状の絶縁体５９に内包されている。筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１Ａの内周面との間によって、後述する等価回路のＣ２を形成し、電極軸部５５ｂとケーシング５１Ａの内周面との間で等価回路のコンデンサＣ３を形成している。絶縁体５９の種類によって異なる誘電率によって、共振周波数が調整される。なお、上述したＣ１は、入力軸部５３を筒状部材５４と電気的に接続することで省略することもできる。
　ケーシング５１の後端側ケーシング５１Ｂは貫通孔を備え、この貫通孔に、一端に電磁波発振器３からの電磁波の供給を受ける入力部５２を形成し他端に入力部５２から伸びる入力軸部５３が突出する筒状の絶縁体５９を配設するとともに、放電電極５５ａ、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとこれらを覆う絶縁体５９を内包したケーシング５１Ａが組み込まれている。入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９のケーシング５１Ａが組み込み方法は特に限定するものではないが、本実施形態においては、絶縁体５９の外周面及びケーシング５１Ｂの貫通孔に対応する段差を設け、図例左側から挿通し、絶縁体を段差に係合させ、右側への抜け落ちを防止するとともに、左側からケーシング５１Ａを挿通して入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９の左側への抜け落ちも防止する。ケーシング５１Ｂに対するケーシング５１Ａの固定方法も特に限定するものではないが、本実施形態においては、貫通孔に刻設した雌ねじ部にケーシング５１Ａの外周面に刻設した雄ねじ部を螺合することによって固定する。螺合による固定後に溶接等の固定手段を用いてケーシング５１Ａをケーシング５１Ｂに対して確実に固定することもでき、また、ねじ部を形成することなく溶接等の固定手段を用いて固定することもできる。
　接地電極５１ａは、放電電極５５ａを覆う筒状のケーシング５１Ａの先端で形成され、この接地電極５１ａの内面と放電電極５５ａの外面との間で放電ギャップ６を形成する。この放電ギャップ６を形成する接地電極５１ａ（ケーシング５１Ａの先端）は図３に示すようにスリットｓを形成するようにしている。このスリットｓによって、放電ギャップ６内に混合気を導き燃焼効率を向上させる。なお、放電ギャップ６の距離は０．２～１．２ｍｍの範囲で設定することが好ましい。
　昇圧手段５は、図４に示す等価回路で構成されている。昇圧手段５は、電極軸部５５ｂをコイルＬとして、上述したコンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３との間の３箇所で共振構造形成し、供給される電磁波を昇圧するようにしている。特に、筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１の内周面との間に形成されるコンデンサＣ２による第１共振領域及び電極軸部５５ｂと電極軸部５５ｂを覆うケーシング５１との間に形成されるコンデンサＣ３による第２共振領域によって、供給される電磁波を昇圧して、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電を生じさせるようにしている。なお、入力軸部５３と筒状部５４を電気的に接続して容量結合としないことで等価回路のＣ１を形成しない構成とすることもできる。
　一般に、共振領域、特に第２共振領域での共振周波数から外れた周波数の電磁波を供給しても、電磁波を昇圧して放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高めることができない。共振領域で定まる共振周波数からどの程度外れた周波数を供給しても昇圧することができるかは、所謂Ｑ値によって決定される。Ｑ値とは、
　Ｑ=ω０／（ω１－ω２）で表される。
　ここで、ω０：共振周波数、ω１及びω２（ω１＞ω２）：それぞれ周波数ω０のときのエネルギが１／２となる周波数である。従って、ω１及びω２の値がω０に近いほど、共振のピークが鋭く、Ｑ値が大きくなり、大きなエネルギを得ることができ一般的にはＱ値が大きくなる設計をすることが望ましい。しかし、Ｑ値が大きい場合、共振させるためには共振領域で定まる共振周波数からのズレを大きくとることはできない。本発明者等の実験によるときは、Ｑ値が５０程度のときに±３０ヘルツ、より好ましくは±２０Ｈｚの範囲の周波数の電磁波であれば共振させて放電させることが可能である。
　電磁波発振器３は、常時所定電圧、例えば１２Ｖを電磁波用電源２から供給される。そして、制御装置４から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を所定のデューティ比、パルス時間等を設定した発振パターンのパルス波として電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を出力する。
　電磁波発振器３の発振パターンは、初回の電磁波の発振時間ｔｗ０を２回目以降の発振時間の１０乃至５００倍の時間に設定するとともに、２回目以降の発振時間ｔｗ１を２．５μｓｅｃ以下、好ましくは１μｓｅｃ以下とし、発振周期ｔｐ１に対しデューティ比３０％以下、好ましくは５乃至２０％として、発振回数を３００回～７００回とする。具体的な発振パターンとして、初回の発振時間ｔｗ０を１０μｓｅｃ（２回目以降の発振時間の１００倍）とし、初回の発振後、休止時間ｔｑ０として０．１乃至０．９μｓｅｃ、本実施形態においては、０．１μｓｅｃを設けた後に、２回目以降の発振として、発振周期ｔｐ１が１μｓｅｃ、発振時間ｔｗ１が０．１μｓｅｃ（デューティ比１０％）、発振回数７５０回（図５（ａ）～（ｂ）参照）となるようにしている。この０．１μｓｅｃとした発振時間は電磁波発振器３の性能、特に発振器に使用するダイオードの性能によって左右されるものであるが、０．０２μｓｅｃ～０．０５μｓｅｃ（２０ｎｓｅｃ～５０ｎｓｅｃ）まで設定することができる。また、発振回数の７５０回は従来の制御方法（発振時間１５μｓｅｃ、発振回数５回）の発振トータルエネルギと同等となるように設定したもので、３００～５００回の発振回数、また、筒内圧力が低い場合等、さらに少ない回数であっても良好な燃焼状態を得ることができた。この発振回数については、ＥＣＵからの情報（エンジン回転数・エンジン負荷・筒内圧力・筒内温度等）を受け制御装置４が設定を変更するように構成する。
　このように、初期プラズマの生成に第１バースト（Ｂｕｒｓｔ１）として、５μｓｅｃ～１５μｓｅｃ（本実施形態においては、１０μｓｅｃ）電磁波を発振し、０．１μｓｅｃ程度の休止の後、第２バースト（Ｂｕｒｓｔ２）として０．１μｓｅｃＯＮ、０．９μｓｅｃＯＦＦといった周期が１μｓｅｃでデューティ比１０％の発振を３５０回～７００回行うようにしている。この場合、１度の点火による点火用電磁波は最大約７１５μｓｅｃの間発振される必要があるが、４ストロークの内燃機関の場合、例えば、３０００ｒｐｍで回転しているエンジンの場合、ピストンが２往復する時間は４０ｍｓｅｃであって、点火用電磁波の発振タイミングに要する時間は全体の４％にも満たない。また、分配器Ｄを使って、例えば４気筒の内燃機関に電磁波を供給するように構成したとしても、全体の２０％にも満たない。そのため、上述の１度の点火により点火用電磁波を点火プラグに供給する場合では、全体の８０％の間で共振周波数確認用電磁波を照射し、周波数の確認を行うことができる。
　この共振周波数確認用電磁波の発振のタイミングは、点火用電磁波の発振タイミング以外のタイミングであれば、特に限定するものではなく、図５に示す、圧縮行程の終了間際となるＴＤＣを０°としたとき、点火用電磁波の発振タイミングとなる－２５°～０°以外の圧縮行程、爆発行程、排気行程、吸入行程で行うことができる。また、図に示す、０°を境とした１２°の範囲はマイナス側が点火用電磁波の発振タイミングであり、それと対称となるプラス側１２°の範囲で共振周波数確認用電磁波の発振を行うこともできる。
　共振周波数は、燃焼室の容積によって影響を受けるが、ピストンの上下動による縦方向の寸法変動は共振周波数に大きな影響を与えることが少なく、シリンダ径である横方向による影響が大きいため、容積変動による影響は大きくはない。また、燃焼室内の温度変化による影響は定常運転時では少なく影響は大きくはない。また、圧力変化による影響を考慮すると図７～８に示すように、点火用電磁波の発振タイミングが－２０°～－１０°（図中Ｍ０）のときの筒内圧力と略同一圧力となる＋５５°（図中Ｍ１）近辺で発振することが好ましい。また、本発明者等の実験によると、圧縮行程Ｐ２の点火用電磁波の発振前である－６０°～－３０°（図中Ｍ２）の間で共振周波数確認用電磁波を発振すると良好な最適な共振周波数を決定することが可能であった。また、吸気行程中（図中Ｍ３）や排気行程中（図中Ｍ４）に行っても構わない。
　共振周波数確認用電磁波の発振回数は、１度の共振周波数確認用電磁波の発振のタイミング、例えば、図８に示すＭ２のタイミングで、２４００ＭＨｚ～２５００ＭＨｚの周波数帯域で、５ＭＨｚ間隔で２１回の発振を行いその反射波、本実施形態では検出器７の電圧値によって最も反射波の小さい最適な共振周波数を決定する。また、１度の共振周波数確認用電磁波の発振のタイミングで、５ＭＨｚ間隔２１回全てを行わずに１サイクルの間では、２４００、２４０５、２４１０ＭＨｚの３回の共振周波数確認用電磁波を発振し、２サイクル目で２４１５、２４２０、２４２５ＭＨｚの３回、７サイクルで２５００ＭＨｚまでの発振を行うようにしたり、１サイクルの１度の共振周波数確認用電磁波の発振のタイミングでは１回の発振のみで２１サイクルかけて発振するようにしても構わない。この５ＭＨｚの間隔は、これよりも小さくしてもよいし１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚと大きな間隔を採用しても構わない。本発明者等の実験によると、図９に示すように、運転当初、２４２０ＭＨｚであった共振周波数が、長時間運転をしたときには２４１０ＭＨｚが最適な共振周波数となった。
　また、共振周波数確認用電磁波の発振周波数及び発振回数は、例えば、点火用電磁波の周波数が２４５０ＭＨｚであるときは、２４４０、２４５０、２４６０ＭＨｚのように、所定周波数、例えば１０ＭＨｚ前後に周波数をずらした周波数と点火用電磁波の周波数、３種類の発振周波数確認用電磁波をそれぞれ１回ずつ発振し、点火用電磁波の周波数（２４５０ＭＨｚ）と比べより反射の少ない周波数を最適共振周波数と決定し、次サイクルから変更するように制御することもできる。もちろん点火用電磁波の周波数が最も反射の少ない周波数の場合は次サイクルで変更する必要はない。このような共振周波数確認用電磁波の発振は毎サイクル行うことも出来るが、複数サイクルに１度行うように制御することもできる。
　共振周波数確認用電磁波の出力は、発生する反射波を検出器７が検出することのできる最低レベルの出力でよく、最小放電エネルギ以下、好ましくは、最小放電エネルギの５０～８０％以下のエネルギとすることが好ましい。これにより、装置全体の省電力化を図ることができる。
＜点火装置の動作＞
　本実施形態の点火装置１の点火動作について説明する。点火動作では、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電ギャップ６の近傍にプラズマが生じさせるようにしている。
　具体的な点火動作は、まず制御装置４が、所定の周波数ｆａの電磁波発振信号を出力する。この周波数ｆａは、内燃機関に取り付ける前の点火装置１の昇圧回路５の共振周波数である。電磁波用電源２は、制御装置４から電磁波発振信号を受けると、上述した第１バースト及び第２バーストを点火用電磁波として１サイクルの間に１度、圧縮行程のＴＤＣより２０°進角した－２０°のときに出力する。電磁波発振器３から出力された電磁波は、共振周波数がｆａである昇圧手段５を備えた点火装置の放電ギャップ６において放電が生じ、プラズマが生成される。本実施形態の点火装置１は制御装置４の制御方法が短パルス発振方式である。そのため、放電直後に生じる放電部と昇圧手段とのインピーダンス整合のズレが小さくなり、電磁波の反射が低減する。
　しかし、コールドスタートした内燃機関の燃焼室は、運転初期には瞬時に温度が上昇するため、比較的急激に昇圧回路５の共振周波数が変動し、長時間の運転によって放電電極５５ａの摩耗、酸化が徐々に進行するため緩やかに昇圧回路５の共振周波数が変動する。この共振周波数の変動は、点火装置の主要部の個体差があり、個体によっては運転初期から時間に比例して変化（通常、共振周波数は時間に比例して低下する）するものや、運転初期にばらつきが大きく、長時間運転後の変動幅は小さくなるものがある。従って、後者の場合は、共振周波数確認用電磁波の発振は、運転初期の段階では所定周波数内で間隔の狭い共振周波数確認用電磁波を多数回発振するように制御するとともに、所定時間経過後は、共振周波数確認用電磁波を、点火用電磁波の周波数に対して、前後に所定周波数をずらした周波数の３点での確認を数サイクルに１度行うように制御することが好ましい。
－実施形態１の効果－
　本実施形態１の点火装置１は、内燃機関に取り付け使用することで内部の昇圧回路の共振周波数が変動しても、共振周波数確認用電磁波を発振し、その反射波からリアルタイムで昇圧回路の最適な共振周波数を点火用電磁波の周波数として決定することができる。これにより、共振周波数が変動しても放電が途切れることがなく、内燃機関の運転中に失火が生じることがない。
　また、内燃機関として、予混合圧縮着火方式（ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ－Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ））を採用することができる。予混合圧縮着火方式は、ガソリンをディーゼルエンジンのように自己着火させる方式であるが、着火時期が燃焼室内の温度に依存するため、そのコントロールが困難である。そのため、本発明の点火装置１を使用し、電磁波の出力をガソリンエンジンで使用する場合よりも低く制御することで、燃焼支援を行うとともに、燃焼室内の温度を容易にコントロールすることができ、予混合圧縮着火方式の欠点を補うことができる。
　以上説明したように、本発明の点火装置は、内部の昇圧回路の共振周波数が変動しても、変動した共振周波数に合わせるように制御することが可能であり、内燃機関で使用する点火装置として失火を起こすことなく安定して使用することができる。そのため、本発明の点火装置は、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。
　１　　　点火装置
　２　　　電磁波用電源
　３　　　電磁波発振器
　４　　　制御装置
　５　　　昇圧手段
　６　　　放電ギャップ
　７　　　検出器
　Ｍ０　　点火用電磁波の発振タイミング
　Ｍ１～Ｍ４　共振周波数確認用電磁波の発振タイミング

Claims (3)

  1. 　電磁波を発振する電磁波発振器と、
    　前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
    　前記電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する昇圧手段と
    　放電ギャップを形成する放電電極及び接地電極とを備え、
    　前記昇圧手段により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせるプラズマ生成器からなる内燃機関用の点火装置であって、
    　前記制御装置は、圧縮上死点近傍で放電エネルギ以上の出力とした点火用電磁波を電磁波発振器から発振するとともに、点火用電磁波の発振タイミング以外のタイミングにおいて点火装置の共振周波数を確認する共振周波数確認用電磁波を発振し、発振した電磁波の反射波の値によって最適な共振周波数を決定し、点火用電磁波の周波数を制御するようにした点火装置。
  2. 　前記制御装置は、共振周波数確認用電磁波を所定範囲の周波数帯域において所定間隔で異なる複数の周波数として発振するように制御する請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
  3. 　前記制御装置は、共振周波数確認用電磁波を点火用電磁波の周波数と該点火用電磁波の周波数の前後に所定周波数分を増減させた値となるように制御する請求項１又は２に記載の点火装置。
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