(57)【要約】【課題】より低いエネルギで、より広範囲の点火が可能な点火装置を提供する。【解決手段】第１の同軸路３０は、一方の端部３０ａが燃焼室１０８に臨む状態で配置され、他方の端部３０ｂが接地終端又は開放終端となっており、電磁波発生電源６０にて発生したマイクロ波を一方の端部３０ａから燃焼室１０８内に供給する。第２の同軸路４０は、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａと他方の端部３０ｂとの間に接続され、電磁波発生電源６０にて発生したマイクロ波を第１の同軸路３０へ供給する。電磁波発生電源６０は、第１の同軸路３０にて共振する第１のマイクロ波と、燃焼室１０８内にて共振する第２のマイクロ波とを発生させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
電磁波を発生させる電磁波発生手段と、
一方の端部が前記燃焼室に臨む状態で配置され、他方の端部が接地終端又は開放終端であり、前記電磁波発生手段にて発生した電磁波を前記一方の端部から前記燃焼室内に供給する第１の電磁波供給手段と、
前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部と前記他方の端部との間に接続され、前記電磁波発生手段にて発生した電磁波を前記第１の電磁波供給手段へ供給する第２の電磁波供給手段と、
を備え、
前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波供給手段で共振し得る第１の電磁波を発生させ、前記第１の電磁波が発生している間に前記燃焼室で共振し得る第２の電磁波の発生を開始する、
ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波供給手段に対する前記第２の電磁波供給手段の接続位置に応じて、前記第１の電磁波供給手段で共振し得る周波数を変えて前記第１の電磁波を発生させ、前記燃焼室で共振し得る周波数を変えて前記第２の電磁波を発生させる、
ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記第１の電磁波供給手段の前記他方の端部が接地終端の場合、前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部から前記他方の端部までの長さが、前記第２の電磁波の波長の２分の１の奇数倍となり、前記第１の電磁波供給手段に対する前記第２の電磁波供給手段の接続位置と前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部との間の長さが、前記第１の電磁波の波長の４分の１の奇数倍となり、かつ、前記第２の電磁波の波長の２分の１の整数倍となるように、前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波及び前記第２の電磁波を発生させる、
ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記第１の電磁波供給手段の前記他方の端部が開放終端の場合、前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部から前記他方の端部までの長さが、前記第２の電磁波の波長の４分の１の奇数倍となり、前記第１の電磁波供給手段に対する前記第２の電磁波供給手段の接続位置と前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部との間の長さが、前記第１の電磁波の波長の４分の１の奇数倍となり、かつ、前記第２の電磁波の波長の２分の１の整数倍となるように、前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波及び前記第２の電磁波を発生させる、
ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記第１の電磁波供給手段は、内側導体及び前記内側導体の外側に同軸状に設けられた外側導体を備え、一方の端部が前記燃焼室に臨む状態で配置され、他方の端部が、内側導体と外側導体とが短絡した接地終端又は内側導体と外側導体とが接続されていない開放終端であり、前記電磁波発生手段にて発生した電磁波を内側導体と外側導体との間を伝搬させて前記一方の端部から前記燃焼室内に供給する同軸路である、
ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の点火装置に関し、特に、電磁波を利用することで燃焼室内の混合気の点火を行う点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の点火装置として、数ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波等の電磁波を用いることで、燃焼室内の混合気の点火を行う点火装置が知られている。例えば非特許文献１には、既存の点火装置よりも広範囲で点火を行うことを目的として、マイクロ波を伝搬させる同軸路にて生じるマイクロ波の共振を利用した点火装置が開示されている。また、特許文献１には、広範囲で点火を行うことを目的として、燃焼室内にて生じるマイクロ波の共振を利用した点火装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１４９６０７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ｓｐａｒｋ−Ｐｌｕｇ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｇａｓｏｌｉｎｅ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＧＤＩ），Ｋｌａｕｓ  Ｌｉｎｋｅｎｈｅｉｌ  ｅｔ．ａｌ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．５，Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関においては燃焼効率の向上が望まれている。燃焼効率の向上を図るためには、より低いエネルギ（低電力）で、より広範囲の点火を実現することが考えられる。上記の非特許文献１に記載された点火装置では、同軸路の内側導体の先端部（アンテナ電極の先端部）のみに高電界が形成されるため、放電を誘起する高電界領域が、数ｍｍオーダの範囲というように狭くなってしまう。そのため、より広い範囲の点火を実現することが困難であった。また、特許文献１に記載された点火装置によると、より広い範囲での点火が可能であるが、燃焼室内の広い領域に高電界が形成されるため、点火に要するエネルギ（電力）が増大する。従って、低エネルギ（低電力）で点火を実現することが困難であった。以上のように、従来技術では、低エネルギ（低電力）で広範囲の点火を実現することが困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、より低いエネルギ（電力）で、より広範囲の点火が可能な点火装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、電磁波を発生させる電磁波発生手段と、一方の端部が前記燃焼室に臨む状態で配置され、他方の端部が接地終端又は開放終端であり、前記電磁波発生手段にて発生した電磁波を前記一方の端部から前記燃焼室内に供給する第１の電磁波供給手段と、前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部と前記他方の端部との間に接続され、前記電磁波発生手段にて発生した電磁波を前記第１の電磁波供給手段へ供給する第２の電磁波供給手段と、を備え、前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波供給手段で共振し得る第１の電磁波を発生させ、前記第１の電磁波が発生している間に前記燃焼室で共振し得る第２の電磁波の発生を開始する、ことを特徴とする内燃機関の点火装置である。
【０００８】
また、前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波供給手段に対する前記第２の電磁波供給手段の接続位置に応じて、前記第１の電磁波供給手段で共振し得る周波数を変えて前記第１の電磁波を発生させ、前記燃焼室で共振し得る周波数を変えて前記第２の電磁波を発生させてもよい。
【０００９】
また、前記第１の電磁波供給手段の前記他方の端部が接地終端の場合、前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部から前記他方の端部までの長さが、前記第２の電磁波の波長の２分の１の奇数倍となり、前記第１の電磁波供給手段に対する前記第２の電磁波供給手段の接続位置と前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部との間の長さが、前記第１の電磁波の波長の４分の１の奇数倍となり、かつ、前記第２の電磁波の波長の２分の１の整数倍となるように、前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波及び前記第２の電磁波を発生させてもよい。
【００１０】
また、前記第１の電磁波供給手段の前記他方の端部が開放終端の場合、前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部から前記他方の端部までの長さが、前記第２の電磁波の波長の４分の１の奇数倍となり、前記第１の電磁波供給手段に対する前記第２の電磁波供給手段の接続位置と前記第１の電磁波供給手段の前記一方の端部との間の長さが、前記第１の電磁波の波長の４分の１の奇数倍となり、かつ、前記第２の電磁波の波長の２分の１の整数倍となるように、前記電磁波発生手段は、前記第１の電磁波及び前記第２の電磁波を発生させてもよい。
【００１１】
また、前記第１の電磁波供給手段は、内側導体及び前記内側導体の外側に同軸状に設けられた外側導体を備え、一方の端部が前記燃焼室に臨む状態で配置され、他方の端部が、内側導体と外側導体とが短絡した接地終端又は内側導体と外側導体とが接続されていない開放終端であり、前記電磁波発生手段にて発生した電磁波を内側導体と外側導体との間を伝搬させて前記一方の端部から前記燃焼室内に供給する同軸路であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、電磁波発生手段によって第１の電磁波を発生させると、第１の電磁波は第１の電磁波供給手段にて共振し、これにより、第１の電磁波供給手段の一方の端部における電界が高くなり、一方の端部の先端部にてプラズマが発生する。そして、電磁波発生手段によって第２の電磁波を発生させると、第２の電磁波は燃焼室内で共振し、これにより、燃焼室内の広範囲にて電界が高くなる。このとき、第１の電磁波によって生成されたプラズマがトリガの役割を果たすため、第２の電磁波のみを燃焼室内に供給する場合と比べて、より低い電力で燃焼室内に広範囲のプラズマを形成することが可能となる。その結果、より低い電力で、より広範囲に亘って点火を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る点火装置の概略構成を示す図である。
【図３】マイクロ波の発生タイミングを示す図である。
【図４】第１実施形態における給電位置と共振周波数及び反射率との関係を示すグラフである。
【図５】共振を誘起するマイクロ波の条件を説明するための模式図である。
【図６】実施例１にて用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す図である。
【図７】実施例１における電界分布を示す模式図である。
【図８】実施例１における電界分布を示す模式図である。
【図９】比較例１に用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す図である。
【図１０】比較例１における電界分布を示す模式図である。
【図１１】比較例１における電界分布を示す模式図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る点火装置の概略構成を示す図である。
【図１３】第２実施形態における給電位置と共振周波数及び反射率との関係を示すグラフである。
【図１４】共振を誘起するマイクロ波の条件を説明するための模式図である。
【図１５】共振を誘起するマイクロ波の条件を説明するための模式図である。
【図１６】共振を誘起するマイクロ波の条件を説明するための模式図である。
【図１７】実施例２にて用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す図である。
【図１８】実施例２における電界分布を示す模式図である。
【図１９】実施例２における電界分布を示す模式図である。
【図２０】比較例２に用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す図である。
【図２１】比較例２における電界分布を示す模式図である。
【図２２】比較例２における電界分布を示す模式図である。
【図２３】比較例２における電界分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１に、本発明の実施形態に係る内燃機関の一例を示す。内燃機関１００は、シリンダヘッド１０２と、シリンダ１０４と、シリンダ１０４及びピストン１０６により形成される燃焼室１０８と、シリンダヘッド１０２に設けられた吸気口１１０を開閉する吸気弁１１２と、シリンダヘッド１０２に設けられた排気口１１４を開閉する排気弁１１６と、燃料噴射弁１１８とを含む。吸気工程においては、吸気弁１１２が開きピストン１０６を下降させることで、吸気口１１０から燃焼室１０８内に吸気ガスが導入される。燃料噴射弁１１８が吸気口１１０に臨む状態で配置されていることで、燃料が吸気口１１０に噴射されるため、燃焼室１０８内に混合気が導入される。圧縮工程においては、吸気弁１１２が閉じてピストン１０６の上昇により混合気が圧縮される。点火装置１０は、マイクロ波等の電磁波を燃焼室１０８内に放射することで、燃焼室１０８内の混合気の点火を行う。燃焼後のガスは、排気工程において排気弁１１６が開くことで、排気口１１４へ排出される。
【００１５】
点火装置１０は、電磁波伝搬手段としてのマイクロ波放射器２０と、電磁波発生電源６０と、制御装置６２と、電磁波伝送路６４とを含む。電磁波発生電源６０は、例えばマグネトロン、進行波増幅管又は固体発振素子等により構成され、マイクロ波等の電磁波を発生させる。制御装置６２は、電磁波発生電源６０が発生させるマイクロ波のパルスの高さ及び幅のいずれか１つ以上を制御することで、その出力（電力）を制御する。電磁波発生電源６０は、燃焼室１０８内の混合気の点火を行うタイミングでマイクロ波パルスを出力し、この出力されたマイクロ波パルスは電磁波伝送路６４を伝搬する。電磁波伝送路６４は、例えば同軸ケーブルや導波管によって構成される。電磁波伝送路６４の端部には、燃焼室１０８に臨む状態でマイクロ波放射器２０が設けられている。一例として、マイクロ波放射器２０は、燃焼室１０８の上面の中央部に配置されている。マイクロ波放射器２０は、電磁波発生電源６０にて発生して電磁波伝送路６４を伝搬したマイクロ波を燃焼室１０８内に放射する。なお、混合気の点火に用いられる電磁波はマイクロ波に限られないが、以下では一例としてマイクロ波を用いる例について説明する。
【００１６】
図２に、第１実施形態に係るマイクロ波放射器２０を示す。マイクロ波放射器２０は、第１の同軸路３０と、電磁波伝送路６４を伝搬してきたマイクロ波を第１の同軸路３０に供給する第２の同軸路４０とを含む。
【００１７】
第１の同軸路３０は、外側導体３２と内側導体３４とによって構成された同軸構造を有する。外側導体３２は筒状の形状を有する。内側導体３４は柱状の形状を有し、外側導体３２の中心軸に沿って外側導体３２内に配置されている。外側導体３２と内側導体３４との間には、誘電体３６が配置されている。一例として、誘電体３６は空気であってもよいし、固体状の物質であってもよい。第１の同軸路３０の一方の端部３０ａは、燃焼室１０８に臨む状態で配置されている。その一方の端部３０ａにおいては、外側導体３２は開放端となっており、内側導体３４の先端部３４ａが燃焼室１０８内に突出している。また、第１の同軸路３０の他方の端部３０ｂは、外側導体３２と内側導体３４とが接続されて短絡した接地終端となっている。なお、第１の同軸路３０が、第１の電磁波供給手段の一例に相当する。
【００１８】
また、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａと他方の端部３０ｂとの間に、第２の同軸路４０が接続されている。第２の同軸路４０の一方の端部は給電位置５０にて第１の同軸路３０に接続され、第２の同軸路４０の他方の端部は電磁波伝送路６４に接続されている。第２の同軸路４０は、外側導体４２と内側導体４４とによって構成された同軸構造を有する。外側導体４２は筒状の形状を有する。内側導体４４は柱状の形状を有し、外側導体４２の中心軸に沿って外側導体４２内に配置されている。外側導体４２と内側導体４４との間には、誘電体４６が配置されている。一例として、誘電体４６は空気であってもよいし、固体状の物質であってもよい。例えば、第１の同軸路３０の外側導体３２と第２の同軸路４０の外側導体４２とを接続され、第１の同軸路３０の内側導体３４と第２の同軸路４０の内側導体４４とが接続されている。なお、第２の同軸路４０が、第２の電磁波供給手段の一例に相当する。
【００１９】
ここで、第１の同軸路３０の全体の長さ（一方の端部３０ａから他方の端部３０ｂまでの長さ）を長さＬ１とし、一方の端部３０ａから給電位置５０（接続位置）までの長さを長さＬ２とし、給電位置５０から他方の端部３０ｂまでの長さを長さＬ３とする。なお、図２に示す例では、第２の同軸路４０をマイクロ波供給手段として用いているが、第２の同軸路４０の代わりに導波路等をマイクロ波供給手段として用いてもよい。
【００２０】
そして、電磁波伝送路６４を介してマイクロ波放射器２０に供給されたマイクロ波等の電磁波は、第２の同軸路４０の外側導体４２と内側導体４４との間を伝搬して第１の同軸路３０に供給され、さらに、第１の同軸路３０の外側導体３２と内側導体３４との間を伝搬し、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａから燃焼室１０８内に放射される。
【００２１】
第１の同軸路３０では、所定の周波数のマイクロ波が所定の共振モードで共振する。電磁波発生電源６０は、制御装置６２の制御に基づき、第１の同軸路３０にて共振する周波数のマイクロ波を発生させる。マイクロ波が第１の同軸路３０で共振している状態では、マイクロ波のエネルギ反射が少なく、マイクロ波のエネルギのほとんどが第１の同軸路３０内に蓄えられる。すなわち、第１の同軸路３０は、一方の端部３０ａと他方の端部３０ｂとの間でマイクロ波を共振させる共振器として機能することになる。以下の説明では、第１の同軸路３０にて共振するマイクロ波を「第１のマイクロ波」と称し、第１のマイクロ波の周波数を「周波数ｆａ」と称し、第１のマイクロ波の波長を「波長λａ」と称することとする。
【００２２】
また、燃焼室１０８では、所定の周波数のマイクロ波が所定の共振モードで共振する。電磁波発生電源６０は、制御装置６２の制御に基づき、燃焼室１０８にて共振する周波数のマイクロ波を発生させる。マイクロ波が燃焼室１０８内で共振している状態では、マイクロ波のエネルギ反射が少なく、マイクロ波のエネルギのほとんどが燃焼室１０８内に蓄えられる。以下の説明では、燃焼室１０８にて共振するマイクロ波を「第２のマイクロ波」と称し、第２のマイクロ波の周波数を「周波数ｆｂ」と称し、第２のマイクロ波の波長を「波長λｂ」と称することとする。
【００２３】
ここで、図３を参照して、第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波を発生させるタイミングについて説明する。電磁波発生電源６０は、制御装置６２の制御の下、第１のマイクロ波（ｆａ）を供給し、第１のマイクロ波（ｆａ）の供給開始と同時又は直後に第２のマイクロ波（ｆｂ）の供給を開始する。例えば図３に示すように、時間ｔ１〜ｔ２の間で第１のマイクロ波（ｆａ）を供給する場合、時間ｔ１〜ｔ２の間で第２のマイクロ波（ｆｂ）の供給を開始する。すなわち、第１のマイクロ波（ｆａ）が供給されている間に、第２のマイクロ波（ｆｂ）の供給を開始すればよい。一例として、第２のマイクロ波（ｆｂ）を供給している時間間隔Δｔ２は、第１のマイクロ波（ｆａ）を供給している時間間隔Δｔ１以上となっており、具体例として、Δｔ１は１ｍｓ程度であり、Δｔ２は１〜５ｍｓ程度である。なお、第１のマイクロ波の供給開始の直後とは、時間ｔ１〜ｔ２の間の時間に相当する。
【００２４】
第１のマイクロ波を供給すると、第１のマイクロ波が第１の同軸路３０にて共振し、第１の同軸路３０内に定在波が形成され、第１の同軸路３０内の電界強度が高くなる。また、燃焼室１０８内に突出した内側導体３４の先端部３４ａの電界強度が高くなり、その先端部３４ａ付近に比較的小規模なプラズマが形成される。そして、第１のマイクロ波の供給開始と同時又は直後に第２のマイクロ波の供給を開始すると、第２のマイクロ波が燃焼室１０８内にて共振し、燃焼室１０８内に定在波が形成される。このとき、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａを起点として、中央部に高電界が形成され、周辺部に低電界が形成される。そして、第１のマイクロ波の供給により先端部３４ａ付近に発生した小規模のプラズマが初期電子供給の役割を果たし、その小規模のプラズマがトリガとなって、燃焼室１０８内の広い範囲にプラズマが形成される。そして、燃焼室１０８内に発生したプラズマによって、燃焼室１０８内の混合気を点火することが可能となる。その結果、難燃性の混合気（例えば、超希薄混合気、大量のＥＧＲを含有した混合気、難燃性燃料を使用した混合気等）を、失火や燃焼変動させずに安定して燃焼させることが可能となり、エンジン燃費を向上させることが可能となる。
【００２５】
従来においては、燃焼室１０８内に電界を形成した後、ＤＣ放電や紫外線照射等のアシストを利用して混合気を点火する必要があった。これに対して、本実施形態によると、第１のマイクロ波の供給により発生した小規模のプラズマがトリガとして機能するため、燃焼室１０８内で共振する第２のマイクロ波を単独で供給する場合と比べて、より低い電力で、燃焼室１０８内の広範囲にプラズマを形成して混合気を点火することが可能となる。
【００２６】
次に、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８のそれぞれの共振周波数と、給電位置５０（長さＬ２）との関係について説明する。但し、以下に説明するマイクロ波の周波数、燃焼室１０８の寸法及び第１の同軸路３０の寸法は一例であり、本発明はこの例に限定されない。
【００２７】
一例として、燃焼室１０８の形状を円筒状とし、円筒状の燃焼室１０８の直径Ｄを９０ｍｍとし、高さＨを１０ｍｍとした。また、第１の同軸路３０の誘電体３６を空気とし、第１の同軸路３０のインピーダンスを５０Ωとした。第１の同軸路３０の全体の長さＬ１を９０ｍｍとし、内側導体３４の先端部３４ａを燃焼室１０８内に２ｍｍ突出させた。そして、給電位置５０（長さＬ２）を２０〜８０ｍｍの範囲で変化させ、各位置における燃焼室１０８及び第１の同軸路３０のそれぞれの共振周波数と反射率とを、シミュレーションによって計算した。反射率は、燃焼室１０８及び第１の同軸路３０へのマイクロ波の入射エネルギの指標を表し、反射率のレベルが低いほど、燃焼室１０８及び第１の同軸路３０へのマイクロ波の入射エネルギが大きいことを表す。
【００２８】
図４（ａ）に燃焼室１０８についての計算結果を示し、図４（ｂ）に第１の同軸路３０についての計算結果を示す。図４（ａ）に示すように、燃焼室１０８の共振周波数は２．５４〜２．５６ＧＨｚの範囲に含まれ、給電位置５０（長さＬ２）を変えてもほとんど変化しない。ちなみに、燃焼室１０８の共振周波数は、燃焼室１０８の形状と大きさに依存し、共振器のＱ値は導電率に依存する。一方、反射率は、給電位置５０に応じて大きく変化する。反射率が小さいほど、燃焼室１０８内にエネルギを蓄えることが可能となる。一例として、燃焼室１０８での反射率は０．２以下となることが好ましく、図４（ａ）に示す例では、長さＬ２は４０〜６０ｍｍの範囲に含まれることが好ましい。
【００２９】
一方、図４（ｂ）に示すように、第１の同軸路３０においては、給電位置（長さＬ２）が２０〜３０ｍｍの範囲では共振周波数は２．５ＧＨｚ近傍の値となり、長さＬ２が５０ｍｍの場合には共振周波数は４ＧＨｚ近傍の値となり、長さＬ２が６０〜８０ｍｍの場合には共振周波数は１ＧＨｚ近傍の値となる。反射率は０．９程度となり、比較的小規模のプラズマを内側導体３４の先端部３４ａに形成する機能を果たす。
【００３０】
ここで、図５を参照して、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８のそれぞれで共振を誘起することが可能なマイクロ波の波長（周波数）について説明する。図５は、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８を模式的に示すとともに、第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波の波形を模式的に示す図である。第１の同軸路３０にて共振を誘起することが可能な第１のマイクロ波（周波数ｆａ、波長λａ）、及び、燃焼室１０８にて共振を誘起することが可能な第２のマイクロ波（周波数ｆｂ、波長λｂ）は、以下の条件を満たす。
（１）第１の同軸路３０の長さＬ１は、（λｂ／２）の奇数倍である。
（２）給電位置５０（長さＬ２）は、（λａ／４）の奇数倍であり、（λｂ／２）の整数倍である。
上記の条件を満たすことで、第１のマイクロ波は、給電位置５０が「波の節」となる場合に、燃焼室１０８の端面（一方の端部３０ａ）にて「波の腹」となる波長を有することになる。また、第２のマイクロ波は、給電位置５０が「波の節」となる場合に、燃焼室１０８の端面（一方の端部３０ａ）にて「波の節」となる波長を有することになる。
【００３１】
例えば図５（ａ）に示す例では、燃焼室１０８の端面（一方の端部３０ａ）と接地端面（他方の端部３０ｂ）との間の長さＬ１は、（λｂ／２）と等しくなっている。また、給電位置５０（長さＬ２）も、（λａ／４）及び（λｂ／２）と等しくなっている。
【００３２】
また、図５（ｂ）に示す例では、長さＬ１は（λｂ／２）と等しくなっており、長さＬ２は（３λａ／４）及び（λｂ／２）と等しくなっている。
【００３３】
また、図５（ｃ）に示す例では、長さＬ１は（λｂ＋λｂ／２）と等しくなっており、長さＬ２は（λａ／４）及び（λｂ／２）と等しくなっている。または、長さＬ２は（３λａ／４）及び（λｂ＋λｂ／２）と等しくなっている。
【００３４】
また、図５（ｄ）に示す例では、長さＬ１は（λｂ＋λｂ／２）と等しくなっており、長さＬ２は（λａ＋λａ／４）及び（λｂ＋λｂ／２）と等しくなっている。または、長さＬ２は（３λａ／４）及び（λｂ／２）と等しくなっている。
【００３５】
以上の条件を満たす第１のマイクロ波を供給すると、第１のマイクロ波が第１の同軸路３０にて共振し、第１の同軸路３０内に定在波が形成され、第１の同軸路３０内の電界強度が高くなる。また、上記の条件を満たす第２のマイクロ波を供給すると、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａを中心に燃焼室１０８内に電界が広がり、第２のマイクロ波が燃焼室１０８内にて共振して定在波が形成され、燃焼室１０８内の広い範囲に高電界が形成されることになる。
【００３６】
（実施例１）
次に、マイクロ波放射器２０の具体例を説明する。まず、図４に示す計算結果を踏まえ、好ましい実施例１について説明する。図６に、実施例１にて用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す。実施例１では、給電位置５０（長さＬ２）を５０ｍｍに設定した。この位置に給電位置５０を設定すると、図６（ａ），（ｂ）に示すように、第１の同軸路３０の共振周波数は３．９８６ＧＨｚとなり、反射率は０．６７となり、半波長（λａ／２）は３７ｍｍとなる。また、燃焼室１０８の共振周波数は２．５４４ＧＨｚとなり、反射率は０．２となり、半波長（λｂ／２）は５７ｍｍとなる。
【００３７】
図７に、周波数が３．９８６ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を模式的に示す。なお、本願においては、電界分布の強度をハッチングにて表しているが、この表示態様は、説明の便宜上、模式的なものであり、実際の電界は、より滑らかに分布している。周波数が３．９８６ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０に供給すると、他方の端部３０ｂ（接地終端）と給電位置５０とを波（電界）の節とする定在波が形成される。その結果、第１の同軸路３０内の電界強度が高くなり、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界域が形成される。このとき、長さＬ２、長さＬ３及び波長λａの関係は、次のようになる。一方の端部３０ａと給電位置５０との間の長さＬ２（＝５０ｍｍ）は｛（λａ／４）＋（λａ／２）｝と等しくなり、給電位置５０と他方の端部３０ｂ（接地終端）との間の長さＬ３（＝４０ｍｍ）は（λａ／２）と等しくなる。
【００３８】
図８に、周波数が２．５４４ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が２．５４４ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０を介して燃焼室１０８に供給すると、燃焼室１０８の共振周波数では第１の同軸路３０内に定在波は形成されない。その結果、マイクロ波のエネルギのほとんどが燃焼室１０８内に供給され、広い範囲に高電界を形成することが可能となる。具体的には、燃焼室１０８内の電界は、燃焼室１０８の径方向の中央部（第１の同軸路３０の一方の端部３０ａ）にて最も高くなり、周囲部（径方向の外側）へ向かうほど低くなる。このように、燃焼室１０８内の電界分布は、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａを中心として軸対称に形成される。このとき、長さＬ２、長さＬ３及び波長λｂの関係は、次のようになる。長さＬ２（＝５０ｍｍ）は（λｂ／２．４）と等しくなり、長さＬ３（＝４０ｍｍ）は（λｂ／３）と等しくなる。
【００３９】
そして、周波数が３．９８６ＧＨｚの第１のマイクロ波を供給することで、図７に示すように、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界が形成されて比較的小規模なプラズマが形成され、周波数が２．５４４ＧＨｚの第２のマイクロ波を供給することで、図８に示すように、燃焼室１０８内の広い範囲に高電界が形成される。第１のマイクロ波に起因して発生した小規模なプラズマがトリガ（初期電子供給）の役割を果たし、燃焼室１０８内の広い範囲でプラズマが形成され、燃焼室１０８内の混合気を着火させることが可能となる。これにより、ＤＣ放電等のアシストを用いずに、混合気を着火させることが可能となる。
【００４０】
なお、長さＬ２、長さＬ３及び波長の関係が、図５に示す理想的な関係を満たさなくても、理想的な関係からのずれが小さければ、実施例１のように、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８内で共振を発生させ、燃焼室１０８内の広い範囲にプラズマを形成することができる。
【００４１】
（比較例１）
次に、実施例１に対する比較例１について説明する。図９に、比較例１にて用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す。比較例１では、給電位置５０（長さＬ２）を３０ｍｍに設定した。この位置に給電位置５０を設定すると、図９（ａ），（ｂ）に示すように、第１の同軸路３０の共振周波数は２．３７５ＧＨｚとなり、反射率は０．５２となり、半波長（λａ／２）は６２ｍｍとなる。また、燃焼室１０８の共振周波数は２．５６４ＧＨｚとなり、反射率は０．８４となり、半波長（λｂ／２）は５７ｍｍとなる。
【００４２】
図１０に、周波数が２．３７５ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が２．３７５ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０に供給すると、他方の端部３０ｂ（接地終端）と給電位置５０とを波（電界）の節とし、一方の端部３０ａ（燃焼室１０８側の端部）を波の腹とする定在波が形成される。その結果、第１の同軸路３０内の電界強度が高くなり、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界が形成される。このとき、長さＬ２、長さＬ３及び波長λａの関係は、次のようになる。長さＬ２（＝３０ｍｍ）は（λａ／４）と等しくなり、長さＬ３（＝６０ｍｍ）は（λａ／２）と等しくなる。
【００４３】
図１１に、周波数が２．５６４ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が２．５６４ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０を介して燃焼室１０８に供給すると、他方の端部３０ｂ（接地終端）と給電位置５０とを波（電界）の節とし、一方の端部３０ａ（燃焼室１０８側の端部）を波の腹とする定在波が形成される。その結果、第１の同軸路３０内にてマイクロ波のエネルギが消費され、燃焼室１０８に供給されるマイクロ波のエネルギが低減するため、燃焼室１０８内にて広い範囲に高電界を形成することができなくなる。このとき、長さＬ２、長さＬ３及び波長λｂの関係は、次のようになる。Ｌ２（＝３０ｍｍ）は（λｂ／４）と等しくなり、Ｌ３（＝６０ｍｍ）は（λｂ／２）と等しくなる。
【００４４】
比較例１では、燃焼室１０８内にて広い範囲に高電界を形成することができないため、燃焼室１０８内の広い範囲にプラズマを形成して混合気を着火させることができない。
【００４５】
［第２の実施の形態］
図１２に、第２実施形態に係る点火装置１０Ａ及びマイクロ波放射器２０Ａの構成を示す。点火装置１０Ａは、第１実施形態に係るマイクロ波放射器２０の代わりにマイクロ波放射器２０Ａを含む。マイクロ波放射器２０Ａは、第１実施形態と同様に、第１の同軸路３０と第２の同軸路４０とを含む。第２実施形態では、第１の同軸路３０の他方の端部３０ｂは、外側導体３２と内側導体３４とが接続されていない開放終端となっている。なお、内側導体３４の先端部３４ａとは反対側の端部を、第１の同軸路３０の他方の端部３０ｂ（開放終端）とする。
【００４６】
第１実施形態と同様に、電磁波発生電源６０は、制御装置６２の制御の下、第１のマイクロ波を供給し、第１のマイクロ波の供給開始と同時又は直後に、第２のマイクロ波の供給を開始する。その結果、第１のマイクロ波の供給に起因して先端部３４ａ付近に発生した小規模なプラズマが初期電子供給の役割を果たすことで、燃焼室１０８内の広い範囲にプラズマが形成され、燃焼室１０８内の混合気を点火することが可能となる。
【００４７】
次に、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８のそれぞれの共振周波数と、給電位置５０（長さＬ２）との関係について説明する。但し、以下に説明するマイクロ波の周波数、燃焼室１０８の寸法及び第１の同軸路３０の寸法は一例であり、本発明はこの例に限定されない。
【００４８】
第１実施形態と同様に、一例として、燃焼室１０８の形状を円筒状とし、円筒状の燃焼室１０８の直径Ｄを９０ｍｍとし、高さＨを１０ｍｍとした。また、第１の同軸路３０の誘電体３６を空気とし、第１の同軸路３０のインピーダンスを５０Ωとした。第１の同軸路３０の全体の長さＬ１を９０ｍｍとし、内側導体３４の先端部３４ａを燃焼室１０８内に２ｍｍ突出させた。そして、給電位置５０（長さＬ２）を１０〜９０ｍｍの範囲で変化させ、各位置における燃焼室１０８及び第１の同軸路３０のそれぞれの共振周波数と反射率とを、シミュレーションによって計算した。
【００４９】
図１３（ａ）に燃焼室１０８についての計算結果を示し、図１３（ｂ）に第１の同軸路３０についての計算結果を示す。図１３（ａ）に示すように、燃焼室１０８の共振周波数は２．５４ＧＨｚ近傍の値となり、給電位置５０（長さＬ２）を変えてもほとんど変化しない。一方、反射率は、給電位置５０に応じて大きく変化する。燃焼室１０８での反射率は０．２以下となることが好ましいので、長さＬ２は２０〜４０ｍｍ、８０〜９０ｍｍの範囲に含まれることが好ましい。
【００５０】
一方、図１３（ｂ）に示すように、第１の同軸路３０においては、給電位置（長さＬ２）に応じて、３ＧＨｚ近傍（共振周波数Ａ）と１．５ＧＨｚ近傍（共振周波数Ｂ）の周波数で共振が発生する。反射率は０．９程度となり、比較的小規模のプラズマを内側導体３４の先端部３４ａに形成する機能を果たす。
【００５１】
ここで、図１４〜図１６を参照して、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８のそれぞれで共振を誘起することが可能なマイクロ波の波長（周波数）について説明する。図１４〜図１６は、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８を模式的に示すとともに、第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波の波形を模式的に示す図である。第１の同軸路３０にて共振を誘起することが可能な第１のマイクロ波（周波数ｆａ、波長λａ）、及び、燃焼室１０８にて共振を誘起することが可能な第２のマイクロ波（周波数ｆｂ、波長λｂ）は、以下の条件を満たす。
（３）第１の同軸路３０の長さＬ１は、（λｂ／４）の奇数倍である。
（４）給電位置５０（長さＬ２）は、（λａ／４）の奇数倍であり、（λｂ／２）の整数倍である。
上記の条件を満たすことで、第１のマイクロ波は、給電位置５０が「波の節」となる場合に、燃焼室１０８の端面（一方の端部３０ａ）にて「波の腹」となる波長を有することになる。また、第２のマイクロ波は、給電位置５０が「波の節」となる場合に、燃焼室１０８の端面（一方の端部３０ａ）にて「波の節」となる波長を有することになる。
【００５２】
例えば図１４に示す例では、図１４（ａ）に示すように、長さＬ１は（３λｂ／４）と等しくなっており、給電位置５０（長さＬ２）は（λｂ／２）と等しくなっている。波長の関係が「λｂ＜λａ」となる一例では、図１４（ｂ）に示すように、給電位置５０（長さＬ２）は（λａ／４）と等しくなっている。一方、波長の関係が「λｂ＞λａ」となる一例では、図１４（ｃ）に示すように、長さＬ２は（３λａ／４）と等しくなっている。
【００５３】
また、図１５に示す例では、図１５（ａ）に示すように、長さＬ１は（λｂ＋λｂ／４）と等しくなっており、長さＬ２は（λｂ／２）と等しくなっている。波長の関係が「λｂ＜λａ」となる一例では、図１５（ｂ）に示すように、長さＬ２は（λａ／４）と等しくなっている。一方、波長の関係が「λｂ＞λａ」となる一例では、図１５（ｃ）に示すように、長さＬ２は（３λａ／４）と等しくなっている。
【００５４】
また、図１６に示す例では、図１６（ａ）に示すように、長さＬ１は（λｂ＋３λｂ／４）と等しくなっており、長さＬ２は（λｂ＋λｂ／２）と等しくなっている。波長の関係が「λｂ＜λａ」となる一例では、図１６（ｂ）に示すように、長さＬ２は（３λａ／４）と等しくなっている。一方、波長の関係が「λｂ＞λａ」となる一例では、図１６（ｃ）に示すように、長さＬ２は（２λａ＋λａ／４）と等しくなっている。
【００５５】
以上の条件を満たす第１のマイクロ波を供給すると、第１のマイクロ波が第１の同軸路３０にて共振し、第１の同軸路３０内に定在波が形成され、第１の同軸路３０内の電界強度が高くなる。また、上記の条件を満たす第２のマイクロ波を供給すると、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａを中心に燃焼室１０８内に電界が広がり、第２のマイクロ波が燃焼室１０８内にて共振して定在波が形成され、燃焼室１０８内の広い範囲に高電界が形成されることになる。
【００５６】
（実施例２）
次に、マイクロ波放射器２０Ａの具体例について説明する。まず、図１３に示す計算結果を踏まえ、好ましい実施例２について説明する。図１７に、実施例２にて用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す。実施例２では、給電位置５０（長さＬ２）を２０ｍｍに設定した。この位置に給電位置５０を設定すると、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、第１の同軸路３０の共振周波数は３．１１２ＧＨｚとなり、反射率は０．６９となり、半波長（λａ／２）は４７ｍｍとなる。また、燃焼室１０８の共振周波数は２．５３６ＧＨｚとなり、反射率は０．０４となり、半波長（λｂ／２）は５８ｍｍとなる。
【００５７】
図１８に、周波数が３．１１２ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が３．１１２ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０に供給すると、他方の端部３０ｂ（開放終端）を波（電界）の腹とし、そこからＬ３１（＝２３ｍｍ＝λａ／４）離れた位置を波の節とし、さらにＬ３２（＝４７ｍｍ＝λａ／２）離れた給電位置５０を波の節とし、一方の端部３０ａ（燃焼室１０８側の端部）を波の腹とする定在波が形成される。その結果、第１の同軸路３０内の電界強度が高くなり、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界域が形成される。なお、長さＬ２（＝２０ｍｍ）は（λａ／４）と等しくなる。
【００５８】
図１９に、周波数が２．５３６ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が２．５３６ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０を介して燃焼室１０８に供給すると、燃焼室１０８の共振周波数では第１の同軸路３０内に定在波は形成されない。その結果、マイクロ波のエネルギのほとんどが燃焼室１０８内に供給され、広い範囲に高電界を形成することが可能となる。具体的には、燃焼室１０８内の電界は、燃焼室１０８の径方向の中央部にて最も高くなり、周囲部へ向かうほど低くなる。このとき、長さＬ２、長さＬ３及び波長λｂの関係は、次のようになる。長さＬ２（＝２０ｍｍ）は（λｂ／５．８）と等しくなり、長さＬ３（＝７０ｍｍ）は（λｂ／１．７）と等しくなる。
【００５９】
そして、周波数が３．１１２ＧＨｚの第１のマイクロ波を供給することで、図１８に示すように、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界が形成されて比較的小規模なプラズマが形成され、周波数が２．５３６ＧＨｚの第２のマイクロ波を供給することで、図１９に示すように、燃焼室１０８内の広い範囲に高電界が形成される。第１のマイクロ波に起因して発生した小規模なプラズマがトリガの役割を果たし、燃焼室１０８内の広い範囲でプラズマが形成され、燃焼室１０８内の混合気を着火させることが可能となる。
【００６０】
なお、長さＬ２、長さＬ３及び波長の関係が、図１４〜１６に示す理想的な関係を満たさなくても、理想的な関係からのずれが小さければ、実施例２のように、第１の同軸路３０及び燃焼室１０８内で共振を発生させ、燃焼室１０８内の広い範囲にプラズマを形成することができる。
【００６１】
（比較例２）
次に、実施例２に対する比較例２について説明する。図２０に、比較例２にて用いたマイクロ波の周波数及び半波長を示す。比較例２では、給電位置５０（長さＬ２）を６０ｍｍに設定した。この位置に給電位置５０を設定すると、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、第１の同軸路３０の第１の共振周波数ａ１は１．５６３ＧＨｚとなり、反射率は０．９７となり、半波長（λａ１／２）は９４ｍｍとなる。また、第１の同軸路３０の第２の共振周波数ａ２は３．１６５ＧＨｚとなり、反射率は０．９４となり、半波長（λａ２／２）は４６ｍｍとなる。また、燃焼室１０８の共振周波数は２．５３７ＧＨｚとなり、反射率は０．９３となり、半波長（λｂ／２）は５８ｍｍとなる。
【００６２】
図２１に、周波数が１．５６３ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が１．５６３ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０に供給すると、一方の端部３０ａ（燃焼室１０８側の端部）と他方の端部３０ｂ（開放終端）とを波（電界）の腹とする定在波が形成される。その結果、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界が形成される。
【００６３】
図２２に、周波数が３．１６５ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が３．１６５ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０に供給すると、他方の端部３０ｂ（開放端部）を波（電界）の腹とし、給電位置５０の近傍を波の節とし、一方の端部３０ａ（燃焼室１０８側の端部）を波の腹とする定在波が形成される。その結果、内側導体３４の先端部３４ａの周囲に高電界が形成される。
【００６４】
図２３に、周波数が２．５３７ＧＨｚのマイクロ波を供給したときの電界分布を示す。周波数が２．５３７ＧＨｚのマイクロ波を第１の同軸路３０を介して燃焼室１０８に供給すると、他方の端部３０ｂ（開放端部）を波（電界）の腹とし、給電位置５０を波の節とし、一方の端部３０ａ（燃焼室１０８側の端部）を波の節とする定在波が形成される。その結果、第１の同軸路３０内にてマイクロ波のエネルギが消費され、燃焼室１０８に供給されるマイクロ波のエネルギが低減するため、燃焼室１０８内にて広い範囲に高電界を形成することができなくなる。このとき、長さＬ２、長さＬ３及び波長λｂの関係は、次のようになる。長さＬ２（＝６０ｍｍ）は（λｂ／２）と等しくなり、長さＬ３（＝３０ｍｍ）は（λｂ／４）と等しくなる。
【００６５】
比較例２では、燃焼室１０８内にて広い範囲に高電界を形成することができないため、燃焼室１０８内の広い範囲にプラズマして混合気を着火させることができない。なお、比較例２においては、第１の同軸路３０の長さＬ１が（λｂ／４）の奇数倍であり、給電位置５０（長さＬ２）が（λｂ／２）の整数倍となっているが、図２３に示すように、燃焼室１０８内の広い範囲に高電界が形成されない。これは、第１の同軸路３０の一方の端部３０ａ（燃焼室１０８の端面）にて「波の節」となるように給電位置５０が設定されているものの、第１の同軸路３０と第２の同軸路４０（給電ポート）との交点（給電位置５０）と、第１の同軸路３０の他方の端部３０ｂ（開放終端）との間で強い共振が発生し、その結果、燃焼室１０８へのマイクロ波の供給が阻害され、燃焼室１０８内に強い共振が生じなくなっているからである。
【符号の説明】
【００６６】
１０，１０Ａ  点火装置、２０，２０Ａ  マイクロ波放射器、３０  第１の同軸路、３２，４２  外側導体、３４，４４  内側導体、３６  誘電体、４０  第２の同軸路、５０  給電位置、６０  電磁波発生電源、６２  制御装置、６４  電磁波伝送路、１００  内燃機関、１０２  シリンダヘッド、１０４  シリンダ、１０６  ピストン、１０８  燃焼室、１１０  吸気口、１１２  吸気弁、１１４  排気口、１１６  排気弁、１１８  燃料噴射弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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