WO2018225169A1

WO2018225169A1 - 点火装置

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Publication number: WO2018225169A1
Application number: PCT/JP2017/021054
Authority: WO
Inventors: 池田　裕二
Original assignee: イマジニアリング株式会社
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13
Also published as: JPWO2018225169A1

Abstract

【課題】本発明は、放電電極と接地電極の摩耗を抑制し、電極の摩耗や溶損による放電不良が発生することのない小型の内燃機関の点火装置を供給すること。【解決手段】本発明は、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、放電ギャップを形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａと、接地電極５１ａを先端側に形成し、入力部５２及び放電電極５５ａを内包するケーシング５１とを備え、このケーシング５１には、入力部５２及び放電電極５５ａを収納する取付孔５１Ａを複数設ける。

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。

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

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

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

　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）

特開２００９－３８０２５号公報特開２００６－１３２５１８号公報国際公開２０１４／１１５７０７号

　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る内燃機関の点火装置は、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、この放電ギャップは、放電電極に対して、放電電極の側面を覆う筒状の接地電極との間で形成され、通常、決まった箇所でのみ放電が生じるため、放電電極や接地電極に摩耗や溶損が生じ、放電不良が発生する場合がある。

　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、放電電極と接地電極の摩耗を抑制し、電極の摩耗や溶損による放電不良が発生することのない小型の点火装置を供給することである。

　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の供給を受ける入力部と、
　入力された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、
　該接地電極を先端側に備え前記入力部及び放電電極を組み込むケーシングとを備え、
　該ケーシングは、前記入力部及び放電電極を収納する取付孔を複数設けるようにした点火装置である。

　本発明の点火装置は、電磁波を昇圧し放電電極と接地電極との間の電位差を高め放電を生じさせる点火装置であって、接地電極を備えたケーシング内に複数の入力部及び放電電極を配備することができ、電磁波発振器からの電磁波の発振を、切替手段を使って、内燃機関の１サイクル毎に電磁波の出力先を切り替えるようにすることで、放電に使用する放電電極と接地電極をサイクル毎に異なるようにして摩耗を低減させることができる。

　また、前記放電電極は、前記入力部から伸びる入力軸部が挿通される有底の筒状部から反入力部側に伸びる電極軸部の先端に形成され、前記筒状部は筒状の絶縁体に嵌挿された状態で前記取付孔に配設することができる。

　また、昇圧手段は、前記筒状部と筒状部を覆うケーシングとの間に形成される第１共振空間及び電極軸部と電極軸部を覆うケーシングとの間に形成される第２共振空間によって構成されるようにすることができる。

　またこの場合において、前記ケーシングの取付孔毎に共振周波数が異なるように昇圧手段を構成することができる。これにより、発振する電磁波の周波数を内燃機関の１サイクル毎に対応する昇圧手段の共振周波数に変動させることで、放電に使用する放電電極と接地電極をサイクル毎に異なった場所とする。

　本発明の点火装置によれば、高電圧によって放電するスパークプラグや複雑なシステム等を必要とせず、電磁波のみを使って、プラズマの発生、拡大及び維持を効率よく行うことができるとともに、点火装置の電極摩耗や溶損によって生じる放電不良を抑制する点火装置を供給することできる。

実施形態１の内燃機関の点火装置のブロック図である。同点火装置を示し、（ａ）は全体断面図、（ｂ）は放電ギャップ部分を示す一部拡大の断面図である。同点火装置のケーシングを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面正面図、（ｃ）は一体に形成した筒状部、電極軸部及び放電部の断面図である。同点火装置の昇圧回路の等価回路である。同点火装置の斜視図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、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。当該点火装置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、放電ギャップを形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａと、接地電極５１ａを先端側に形成し、入力部５２及び放電電極５５ａを組み込むケーシング５１とを備え、このケーシング５１には、入力部５２及び放電電極５５ａを収納する取付孔５１Ａを複数設けるようにしている。

　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、の筒状部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５１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５１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。

　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。

　図２に示す、ケーシング５１は、便宜的に入力部５２、筒状部５４、筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂ及び電極軸部５５ｂの先端に形成される放電電極５５ａ並びに筒状の絶縁体５９（以下、総称するときは組込部という）の１セットを組み込んだ状態を示すが、本発明の点火装置１は、図３に示すようにケーシング５１に組込部を収納する取付孔５１Ａを複数形成している。

　この取付孔５１Ａは組込部の形状に合わせて開口しており、組込部の固定方法は、特に限定するものではないが、入力部５２側に環状の固定部材を締結部材（図示省略）によって固定することができる。

　組込部を形成する入力部５２、筒状部５４、筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂ及び電極軸部５５ｂのうち、図３（ｃ）に示す、筒状部５４の外形寸法ｄ１、長手寸法Ｌ１及び電極軸部の外形寸法ｄ２、長手寸法Ｌ２並びにこれらを覆う絶縁体５９の寸法と誘電率によって共振周波数が変動する。本実施形態における点火装置では、図１、図３（ａ）に示すように電磁波発信器３から、各入力部５２に電磁波を分岐して供給するようにしており、各組込部（図例７箇所）の例えば、筒状部５４の長手寸法Ｌ１を変え、共振周波数が異なるように構成されている。共振周波数を変更する構成としてその他の寸法や絶縁体５９の材質を変えることによる誘電率の変更を採用することもできる。

　そして、ケーシング５１内に複数の組込部を備えた本発明の点火装置は、制御装置４が電磁波発振器３から発振する電磁波の周波数を内燃機関の１サイクル毎に各組込部に応じた周波数に変更（本実施形態においては各組込部に応じて７種類の周波数に変更）するように制御することで、１サイクル毎に点火する放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の放電ギャップ６を変動させるようにしている。

　なお、電磁波を、切替手段として分配器を用いずに各組込部の入力部５２に並列で供給するようにしても、各組込部の共振構造のＱ値を高めることで、変更する周波数の間隔を短くし、対応する組込部以外には電磁波が殆ど流れることはない。具体的にはＱ値を１２０程度に設定することができれば、組込部の各共振周波数は２．４５ＧＨｚから前後に０．０３ＧＨｚ程度の間隔で設定することができ、Ｑ値を１００程度に設定するときは、２．４５ＧＨｚから前後に０．０５ＧＨｚ程度の間隔で設定することができる。Ｑ値を１２０程度に設定した場合、２．４５ＧＨｚの電磁波を供給したとき２．４２ＧＨｚ以下、２．４８ＧＨｚ以上に設定した組込部の放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の放電ギャップ６では放電が生じない。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のときのエネルギーが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値が大きくなる。

　また、各組込部の共振周波数を揃え、電磁波発振器３からの電磁波の発振を、切替手段（図示省略）を使って、内燃機関の１サイクル毎に電磁波の出力先を切り替えるようにしても構わない。

　電磁波用電源２は、制御装置４から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波発振器３にパルス電流を出力する。

　電磁波発振器３は、例えば半導体発振器である。電磁波発振器３は、電磁波用電源２に電気的に接続されている。電磁波発振器３は、電磁波用電源２からパルス電流を受けると、入力部５２にマイクロ波パルスを出力する。半導体発振器を使用することで、照射する電磁波の出力、周波数、位相、デューティー比、パルス時間、を容易に制御し、変更することができる。本実施形態においては、発振する点火装置１（組込部）を特定するために、上述したように、電磁波発振器３から発信する電磁波の周波数を内燃機関のサイクル毎に各昇圧手段５の共振周波数に合わせて変動させるようにしている。また、電磁波発振器３には、パワーアンプ等の増幅器を内蔵する。この増幅器は、制御装置４からのＯＮ・ＯＦＦ指令を受け、電磁波発振器３から点火装置へ電磁波を発振する。なお、周波数の変動は１サイクルに限らず、複数サイクル毎に変動させるように構成しても構わない。

－点火装置の動作－
　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、所定周波数ｆａの電磁波発振信号を出力する。電磁波用電源２は、制御装置４からこのような電磁波発振信号を受けると、所定のデューティー比で所定の設定時間に亘ってパルス電流を出力する。電磁波発振器３は、設定された内燃機関のサイクル（例えば１サイクル）に亘って周波数ｆａの電磁波パルスを所定のデューティー比で出力する。電磁波発振器３から出力された電磁波パルスは、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。

　引き続き制御装置４は、所定周波数ｆｂの電磁波発振信号を出力する。上記と同様の手順で、共振周波数がｆｂ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、スパークが生じる。この動作をケーシング５１に配設された組込部の数だけ繰り返す。具体的には、Ｑ値を１００程度に設定しているときはｆａ＝２．３０ＧＨｚ、ｆｂ＝２．３５ＧＨｚとなるように、２．３０ＧＨｚ～２．６０ＧＨｚまで０．０５ＧＨｚ刻みでｆａ～ｆｇまで７種の周波数に切り替える。

　図５に示す、点火装置１は、ケーシング５１内に３基の組込部を収納した例を示し、放電電極５５ａを直径が３～４ｍｍ程度とした場合、一般的な自動車エンジンの点火プラグの取付サイズであるＭ１２ｍｍの取付孔に取り付け可能なサイズとすることができる。

－実施形態１の効果－
　本実施形態１の点火装置１は、接地電極を形成したケーシング５１内に、供給される電磁波の周波数の違いによって放電させることができる放電電極を複数備えており、内燃機関のサイクル毎に任意の箇所で放電を生じさせることができるから、絶えず同じ位置で放電することとなる従前の点火装置と比べ、電極の摩耗や溶損によって生じる放電不良を抑制する点火装置を供給することできる。また、本発明の点火装置の各組込部の外径寸法は、一般的なスパークプラグと比べて小径とすることができるから、例えば、Ｍ１２サイズの点火プラグと同等のケーシングを使うときは、上述した３基の組込部を組み込み、宝殿箇所を三箇所として高い着火性能を発揮することができる。また、放電電極の直径を更に小型化することで、４～５基の組込部を収納し、放電箇所を４～５箇所とすることも可能である。

　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、電磁波のみでプラズマを生成、拡大、維持させることができるため、電源は一つで足り、複雑な伝送線路等を必要としない。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等に好適に用いられる。

　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
　５１　　ケーシング
　５１ａ　接地電極
　５２　　入力部
　５３　　入力軸部
　５４　　筒状部
　５５　　中心電極
　５５ａ　放電電極
　５５ｂ　軸部
　５９　　絶縁体

Claims

　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の供給を受ける入力部と、
　入力された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、
　該接地電極を先端側に形成し前記入力部及び放電電極を組み込むケーシングとを備え、
　該ケーシングは、前記入力部及び放電電極を収納する取付孔を複数設けたこと特徴とする点火装置。
　前記放電電極は、前記入力部から伸びる入力軸部が挿通される有底の筒状部から反入力部側に伸びる電極軸部の先端に形成され、前記筒状部は筒状の絶縁体に嵌挿された状態で前記取付孔に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
　前記昇圧手段は、前記筒状部と筒状部を覆うケーシングとの間に形成される第１共振領域及び電極軸部と電極軸部を覆うケーシングとの間に形成される第２共振領域によって構成されるようにした請求項１又は２に記載の点火装置。
　前記ケーシングの取付孔毎に共振周波数が異なるように昇圧手段を構成したことを特徴とする請求項３に記載の点火装置。