(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波を内燃機関の燃焼室に放射するアンテナ構造であって、
高周波を内燃機関の燃焼室に導くために内燃機関に設けられた挿通孔の内側開口を塞ぐエンドキャップ部と、
エンドキャップ部に設けられ、内燃機関の燃焼室に電磁波を放射する放射アンテナと、
挿通孔内部に設けられる高周波伝送路と放射アンテナとを接続し、高周波伝送路から放射アンテナへ高周波を供給する給電部とを備え、
該給電部は、一端が、放射アンテナの一端にエンド溶接される給電導体と、
給電導体の他端と高周波伝送路の間に設けられる同軸アダプタフェルールとを備え、
高周波伝送路は、同軸アダプタフェルールを介して給電部に着脱自在かつ高周波伝達可能に接続されることを特徴とするアンテナ構造体。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ構造体において、
同軸アダプタフェルールは、断熱体を備え、
放射アンテナの給電部は、高周波伝送路から断熱体の中心を通って伸びる中心導体と接続することにより高周波を伝達することを特徴とするアンテナ構造体。
【請求項３】
請求項１に記載のアンテナ構造体において、
同軸アダプタフェルールは、給電導体の他端に接続されるアンテナ側電極と、高周波伝送路から高周波を受ける高周波伝送路側電極と、
アンテナ側電極と、高周波伝送路側電極との間に設けられる誘電体とを備え、
同軸アダプタフェルールは、高周波伝送路からアンテナの給電部に誘電体を介して容量接合により高周波を伝達することを特徴とするアンテナ構造体。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のアンテナ構造体において、
エンドキャップ部は、挿通孔に設けられた螺子部と螺合可能な螺合部を有し、挿通孔の螺子部と螺合することにより挿通孔を封止することを特徴とするアンテナ構造体。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１つに記載のアンテナ構造体において、
放射アンテナは、渦巻状に形成されてエンドキャップ部に設けられていることを特徴とするアンテナ構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１つに記載のアンテナ構造体において、
高周波伝送路は、同軸伝送路であることを特徴とするアンテナ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波を放射するためのアンテナ構造体、そのアンテナ構造体を備えた高周波放射用プラグ、その高周波放射用プラグを備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高周波を放射するためのアンテナ構造体が知られている。例えば特許文献１には、この種のアンテナ構造体が設けられた内燃機関が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の内燃機関では、シリンダヘッドに電磁波供給路が埋設され、その電磁波供給路の燃焼室側の端面が放射アンテナとなっている。放射アンテナは、誘電体により被覆されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−９６１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種のアンテナ構造体では、高周波伝送路のために開ける挿入孔が、高周波伝送路と一体化したアンテナ構造体の形状に適合しなければならず、汎用性について限界があった。そのため、コストの増大を招いていた。
【０００６】
また、従来のアンテナ構造体では、内燃機関の筒内から反射した電波の多重反射が無い場合などは、電界ピーク値が低下しているため、プラズマ生成領域が局所的で、火炎伝播促進効果が指圧波形、熱発生率に現れない。火炎伝播促進効果が見られないということがあった。このように、ピーク電界強度の不足により、プラズマ拡張が不安定であり、アンテナからの輻射効率が低かった。
【０００７】
また、従来のアンテナ構造体では、アンテナ導体に溶損が見られる場合もあった。
【０００８】
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、高周波伝送路と放射アンテナとを分離して、挿入孔、高周波伝送路、アンテナ構造体、それぞれの汎用性を向上させてコストを低減することである。
【０００９】
また、アンテナ導体の溶損を防止しながら、高周波の放射エネルギー量を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、高周波を内燃機関の燃焼室に放射するアンテナ構造であって、高周波を内燃機関の燃焼室に導くために内燃機関に設けられた挿通孔の内側開口を塞ぐエンドキャップ部と、エンドキャップ部に設けられ、内燃機関の燃焼室に電磁波を放射する放射アンテナと、挿通孔内部に設けられる高周波伝送路と放射アンテナとを接続し、高周波伝送路から放射アンテナへ高周波を供給する給電部とを備え、高周波伝送路は、給電部に対して着脱自在かつ高周波伝達可能に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、高周波伝送路が、給電部に対して着脱自在かつ高周波伝達可能に設けられているので、高周波伝送路と放射アンテナとを分離することができ、挿入孔、高周波伝送路、アンテナ構造体、それぞれの汎用性を向上させてコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。
【図２】実施形態に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。
【図３】実施形態に係る点火装置および電磁波放射装置のブロック図である。
【図４】実施形態に係る高周波放射用プラグの概念図である。
【図５】実施形態に係る放射アンテナの正面図である。
【図６】実施形態に係るアンテナ構造体の断面図である。
【図７】その他の実施形態に係るアンテナ構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
本実施形態は、本発明に係る内燃機関１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と点火装置１２と電磁波放射装置１３と制御装置３５とを備えている。内燃機関１０では、点火装置１２により混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
−内燃機関本体−
【００１５】
内燃機関本体１１は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。
【００１６】
シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４、ピストン２３及びガスケット１８と共に、円形断面の燃焼室２０を区画する区画部材を構成している。燃焼室２０の直径は、例えば、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の波長の半分程度である。
【００１７】
シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火装置１２の一部を構成する点火プラグ４０が１つずつ設けられている。図２に示すように、点火プラグ４０では、燃焼室２０に露出する先端部が、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心部に位置している。点火プラグ４０の先端部の外周は、その軸方向から見て円形である。点火プラグ４０の先端部には、中心電極４０ａ及び接地電極４０ｂが設けられている。中心電極４０ａの先端と接地電極４０ｂの先端部との間には、放電ギャップが形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５の吸気側開口２５ａを開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口２６ａを開閉する排気バルブ２８が設けられている。
−点火装置−
【００１９】
点火装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。図３に示すように、各点火装置１２は、高電圧パルスを出力する点火コイル１４と、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが供給される点火プラグ４０とを備えている。
【００２０】
点火コイル１４は、直流電源（図示省略）に接続されている。点火コイル１４は、制御装置３５から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを点火プラグ４０の中心電極４０ａに出力する。点火プラグ４０では、高電圧パルスが中心電極４０ａに印加されると、放電ギャップにおいて絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。スパーク放電の放電経路には、放電プラズマが生成される。中心電極４０ａには、高電圧パルスとしてマイナスの電圧が印加される。
【００２１】
なお、点火装置１２は、放電プラズマに電気エネルギーを供給して放電プラズマを拡大させるプラズマ拡大部を備えていてもよい。プラズマ拡大部は、例えば、放電プラズマに高周波（例えばマイクロ波）のエネルギーを供給することによりスパーク放電を拡大させる。プラズマ拡大部によれば、希薄な混合気に対して着火の安定性を向上させることができる。プラズマ拡大部として、電磁波放射装置１３を利用してもよい。
−電磁波放射装置−
【００２２】
電磁波放射装置１３は、図３に示すように、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と高周波放射用プラグ３４とを備えている。電磁波放射装置１３では、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に高周波放射用プラグ３４が設けられている。
【００２３】
電磁波発生装置３１は、制御装置３５から電磁波駆動信号（パルス信号）を受けると、その電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘ってマイクロ波を連続的に出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波を生成する。なお、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。
【００２４】
電磁波切替器３２は、１つの入力端子と、高周波放射用プラグ３４毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置３１に電気的に接続されている。各出力端子は、対応する高周波放射用プラグ３４の入力端子に電気的に接続されている。電磁波切替器３２は、制御装置３５により制御されて、複数の高周波放射用プラグ３４の間で、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。
【００２５】
高周波放射用プラグ３４は、高周波を内燃機関の燃焼室に放射するアンテナ構造であって、図６に示すように、高周波を内燃機関の燃焼室に導くために内燃機関に設けられた挿通孔の内側開口を塞ぐエンドキャップ部５１と、エンドキャップ部５１に設けられ、内燃機関の燃焼室に電磁波を放射する放射アンテナ１６と、挿通孔内部に設けられる高周波伝送路６０と放射アンテナ１６とを接続し、高周波伝送路６０から放射アンテナ１６へ高周波を供給する給電部５２とを備え、高周波伝送路６０は、給電部５２に対して着脱自在かつ高周波伝達可能に設けられている。
【００２６】
給電部５２は、一端が、放射アンテナ１６の一端にエンド溶接される給電導体５２aを備え、給電導体５２aの他端には、高周波伝送路６０の内部導体の端部に設けられた係止部に係合可能な係合部が設けられ、高周波伝送路６０は、係止部と給電導体５２aの係合部との係合により給電部５２に着脱自在かつ高周波伝達可能に接続される。
【００２７】
この構造によれば、高周波伝送路６０が、給電部５２に対して着脱自在かつ高周波伝達可能に設けられているので、高周波伝送路６０と放射アンテナ１６とを分離することができ、挿入孔、高周波伝送路６０、アンテナ構造体、それぞれの汎用性を向上させてコストを低減することができる。
【００２８】
エンドキャップ部５１は、セラミックで構成されるベースセラミックと、挿通孔に設けられた螺子部と螺合可能な螺合部とを有し、挿通孔の螺子部と螺合することにより挿通孔を封止する。
【００２９】
このように、エンドキャップ部５１は、内燃機関壁面にネジ締結される。
【００３０】
ベースセラミックと嵌合ナット部の螺合部、及び給電導体５２aの錨型中心導体はインサート成型される。
【００３１】
高周波伝送路６０は、図４に示すように、同軸伝送路であって、高周波伝送路６０には、高周波伝送用の導体として、中心導体６１及び外側導体６２が設けられている。中心導体６１は、直線状の導体である。中心導体６１は、高周波伝送路６０の全長に亘って、電気絶縁体３６の軸心上に設けられている。一方、外側導体６２は、筒状導体により構成されている。
【００３２】
放射アンテナ１６は、渦巻状に形成されてエンドキャップ部５１に設けられている。
ここで、放射アンテナ１６は、φ0.3高融点金属バネをエンドキャップにて接合したものである。
【００３３】
−制御装置の動作−
【００３４】
制御装置３５の動作について説明する。制御装置３５は、各燃焼室２０に対して、１回の燃焼サイクルに、点火装置１２に混合気への点火を指示する第１動作と、混合気の着火後に電磁波放射装置１３にマイクロ波の放射を指示する第２動作とを行う。
【００３５】
具体的に、制御装置３５は、ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに第１動作を行う。制御装置３５は、第１動作として点火信号を出力する。
【００３６】
点火装置１２では、点火信号を受けると、上述したように、点火プラグ４０の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。混合気は、スパーク放電により着火する。混合気が着火すると、燃焼室２０の中心部の着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって火炎が広がる。
【００３７】
制御装置３５は、混合気が着火した後に、例えば火炎伝播の後半期間の開始タイミングに第２動作を行う。制御装置３５は、第２動作として電磁波駆動信号を出力する。
【００３８】
電磁波放射装置１３は、電磁波駆動信号を受けると、上述したように、放射アンテナ１６からマイクロ波の連続波（ＣＷ）を放射する。マイクロ波は、火炎伝播の後半期間に亘って放射される。
【００３９】
アンテナ１６の近傍では、火炎伝播の後半期間の間ずっと、燃焼室２０において相対的に電界強度が強い強電界領域が形成される。火炎の伝播速度は、その火炎が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。
【００４０】
なお、マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成される。強電界領域を通過する火炎の伝播速度は、活性種により増大する。
《その他の実施形態》
【００４１】
前記実施形態は、以下のように構成してもよい。
【００４２】
給電部５２は、一端が、放射アンテナ１６の一端にエンド溶接される給電導体５２aと、給電導体５２aの他端と高周波伝送路６０の間に設けられる同軸アダプタフェルール５３とを備え、高周波伝送路６０は、同軸アダプタフェルール５３を介して給電部５２に着脱自在かつ高周波伝達可能に接続される。
【００４３】
同軸アダプタフェルール５３は、断熱体５４を備え、放射アンテナ１６の給電部５２は、高周波伝送路６０から断熱体５４の中心を通って伸びる中心導体と接続することにより高周波を伝達する。
【００４４】
また、本実施形態では、アンテナの輻射効率を改善する為、給電線とアンテナ間に緩衝整合回路を設ける。これにより、プラズマ火炎伝播の効果向上、電力低減を図る。
【００４５】
なお、本実施形態では、エンジン筒内の電界強度を高める為、半導体アンプのアイソレーターを廃止している。
【００４６】
このように、エンジン内部を貫通した同軸管は先端で錨型中心導体と軸方向に摺動接合し電気導通を得る。
【００４７】
アンテナの輻射効率を改善する為、給電線とアンテナ間に緩衝整合回路を設けてもよい。
【００４８】
このように、本実施形態では、アンテナ導体の溶損を防止しながら、高周波の放射エネルギー量を増大させることができる。
【００４９】
また、電界ピーク値を増加させ、プラズマ生成領域を拡大する。また、指圧波形、熱発生率などにおいて、火炎伝播促進効果を高めることができる。また、プラズマ拡張を安定的なものにし、アンテナからの輻射効率を向上させることができる。
【００５０】
また、アンテナ導体の溶損も低減できる。
【００５１】
前記実施形態は、以下のように構成してもよい。
【００５２】
同軸アダプタフェルール５３は、給電導体５２aの他端に接続されるアンテナ側電極と、高周波伝送路６０から高周波を受ける高周波伝送路側電極と、アンテナ側電極と、高周波伝送路側電極との間に設けられる誘電体５５とを備え、同軸アダプタフェルール５３は、高周波伝送路６０からアンテナの給電部５２に誘電体５５を介して容量接合により高周波を伝達する。
【００５３】
このように、前記実施形態では、中心導体６１が放射アンテナ１６に当接しているが、中心導体６１が放射アンテナ１６に容量結合されていてもよい。
【００５４】
この場合も、本実施形態では、アンテナ導体の溶損を防止しながら、高周波の放射エネルギー量を増大させることができる。
【００５５】
また、電界ピーク値を増加させ、プラズマ生成領域を拡大する。また、指圧波形、熱発生率などにおいて、火炎伝播促進効果を高めることができる。また、プラズマ拡張を安定的なものにし、アンテナからの輻射効率を向上させることができる。
【００５６】
また、アンテナ導体の溶損も低減できる。
【００５７】
また、前記実施形態では、放射アンテナ１６が矩形に旋回する螺旋状に形成されていたが、放射アンテナ１６が円形に旋回する螺旋状に形成されていてもよい。また、放射アンテナ１６は、複数回に亘って往復するように折れ曲がった棒状のアンテナであってもよい。
【００５８】
また、前記実施形態において、高周波放射用プラグ３４を内燃機関本体１１に複数設けてもよい。
【００５９】
また、前記実施形態において、内燃機関１０が他のタイプ（ディーゼルエンジン、エタノールエンジン、ガスタービン等）のものであってもよい。また、内燃機関１０が航空機のエンジンである場合にエンジンの失火時に、点火装置１２および電磁波放射装置１３を用いて、スパーク放電によるプラズマをマイクロ波により拡大したマイクロ波プラズマを生成して再着火を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本発明は、高周波を放射するための放射アンテナが誘電体により被覆されたアンテナ構造体、そのアンテナ構造体を備えた高周波放射用プラグ、その高周波放射用プラグを備えた内燃機関、及びアンテナ構造体の製造方法について有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１６       放射アンテナ
３４       アンテナ構造体
６０       高周波伝送路
６１       中心導体（高周波伝送用の導体）
６２       外側導体（高周波伝送用の導体）
５１       エンドキャップ部
５２       給電部
５２ａ    給電導体
５３       同軸アダプタフェルール
５４       断熱体
【図１】
0005994062.tif 000002
【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】
0005994062.tif 000008