(57)【要約】  内燃機関内で従来のスパークプラグと置き換えられるマイクロ波燃焼システムが提供される。１以上のマイクロ波パルスが、シリンダ内に座したプラグ内のマイクロ波フィードに供給される。燃料混合気近傍のプラグによって発生されたマイクロ波発生プラズマは、燃料空気混合気の高効率燃焼を可能にする。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波燃焼システムであって、
マイクロ波源と、
電源とマイクロ波源との間に結合され、トリガ信号に応答して、十分な電圧のパルスをマイクロ波源に与えるパルス発生器と、
前記パルスがマイクロ波源に供給された時に、マイクロ波源からマイクロ波エネルギを受けるように結合されたプラグと
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
トリガ信号は、スパークプラグワイヤに結合されたパルス発生器によって与えられる請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
トリガ信号は、スパークプラグワイヤに与えられた高電圧過渡スパーク信号の下向きエッジと同時に与えられる請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
トリガ信号は、エンジン制御モジュールによって与えられる請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
パルス発生器は、高電圧パルス発生器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
マイクロ波源とプラグとの間に結合されたサーキュレータを更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
マイクロ波源とプラグとの間に結合されて、順方向及び逆方向伝播マイクロ波エネルギをモニタする双方向性結合器を更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
マイクロ波源とプラグとの間に結合されたチューナを更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
マイクロ波エネルギは、導波管によって、マイクロ波源とプラグとの間に結合される請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
プラグに結合され、マイクロ波エネルギを同軸ケーブルに結合する導波管／同軸遷移部を更に備える請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
マイクロ波源は、同軸ケーブルによって、プラグに結合される請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
マイクロ波源は、同軸導波管によって、プラグに結合される請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
マイクロ波源は、プラグに直接結合されると共に、プラグの一部である請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
高電圧パルス発生器は、誘導コイルを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
プラグは、マイクロ波フィードと、接地ラインとを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
接地ラインは、中央開口部を持つ環状金属部材からなる請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
環状金属部材は、中央開口部を中心として分布された一連の穴を有する請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
環状金属部材の中央開口部は、マイクロ波フィード付近に非円形開口部を形成する形状である請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
接地ラインは、ワイヤメッシュからなる請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
接地ラインは、マイクロ波フィードの回りに分布された１以上の先端からなる請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
１以上の先端は、マイクロ波フィードの回りに対称的に分布されている請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
プラグは、マイクロ波フィードと接地との間に結合されたマイクロ波アンテナを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
マイクロ波源は、マグネトロンを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
マイクロ波源は、クライストロンを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
マイクロ波源は、進行波管を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
マイクロ波源は、固体デバイスを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
内燃機関を更に備え、プラグは、この内燃機関内のシリンダに結合されている請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
燃料混合気に点火する方法であって、
シリンダ内にスパークを与えるための時間に関係したトリガ信号を受信する工程と、
このトリガ信号に応答して、シリンダに結合されたプラグのマイクロ波フィードに対し、少なくとも１つのマイクロ波エネルギのパルスを与える工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２９】
トリガ信号を受信する工程は、
スパークプラグワイヤからの信号をパルス発生器に受け入れる工程と、
スパークプラグワイヤからの信号に応答してトリガ信号を発生する工程と
を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
トリガ信号を受信する工程は、
エンジン制御ユニットからの信号をパルス発生器に受け入れる工程と、
エンジン制御ユニットからの信号に応答してトリガ信号を発生する工程と
を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つのマイクロ波エネルギのパルスを与える工程は、
トリガ信号に応答して高電圧パルスのパルス列を発生する工程と、
高電圧パルスのパルス列をマイクロ波源に受け入れて、マイクロ波エネルギのパルス列を発生する工程と、
マイクロ波エネルギのパルス列をマイクロ波フィードに結合する工程と
を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
パルス列は、１つのパルスを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
パルス列は、短持続時間の１以上のパルスと、それに後続する長持続時間の１つのパルスとを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
パルス列は、低マイクロ波電力の１以上のパルスと、それに後続する高マイクロ波電力の１つのパルスとを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
パルス列は、高マイクロ波電力の１以上のパルスと、それに後続する低マイクロ波電力の複数のパルスとを含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
内燃機関用の燃焼システムであって、
電磁放射源と、
電源と電磁放射源との間に結合され、トリガ信号に応答して、十分な電圧のパルスを電磁放射源に与えるパルス発生器と、
前記パルスが電磁源に供給された時に、電磁源からエネルギを受けるように結合され、更に内燃機関内のシリンダにも結合されたプラグと
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項３７】
電磁放射源は、マイクロ波源を含む請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
マイクロ波源は、マグネトロンを含む請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
マイクロ波源は、クライストロンを含む請求項３７に記載のシステム。
【請求項４０】
マイクロ波源は、進行波管を含む請求項３７に記載のシステム。
【請求項４１】
マイクロ波源は、固体デバイスを含む請求項３７に記載のシステム。
【請求項４２】
電磁放射源は、高周波源を含む請求項３６に記載のシステム。
【請求項４３】
高周波源は、固体デバイスを含む請求項４２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、２００５年９月９日に出願された米国仮出願第６０／７１５，７４７号の３５ＵＳＣ１１９（ｅ）条の利益を主張し、ここにその開示を参照によって完全に組み入れる。
【０００２】
［連邦補助研究または開発に関する表明］
適用なし
【０００３】
［発明の背景］
内燃機関では、エンジンの効率及び汚染性の双方が、シリンダ内での燃料空気混合気の効率的燃焼に高度に依存する。非効率的燃焼は、不完全な燃料の使用に起因して、パワー（即ち、効率）の損失と大きな汚染とを招く。
【０００４】
従来のガスエンジンでは、燃料空気混合気は、スパークプラグによって点火される。このスパークプラグは、高電圧（即ち、１０〜３０ｋＶ）がスパークプラグのスパークギャップ両端間に印加されるときに、スパークを混合気に与える。高電圧の印加は、シリンダ容積（及び従って燃料空気混合気）が可能な限り低い容積に近づいたときに、即ち上死点（ＴＤＣ）かＴＤＣの直前又は直後に近づいたときに行われるように時間設定されている。その特徴的位置において、燃料空気混合気は可能な限り圧縮され、そしてスパークギャップからのスパークは、シリンダの容積を通って伝播するフレームに点火することができる。周知のように、多気筒エンジンは、各気筒内の燃料空気混合気の燃焼を適切に調時することによって動作する。
【０００５】
従来のジーゼルエンジンでは、燃料空気混合気は、シリンダ内での混合気の引火点に達する圧縮によって点火される。エンジンが十分に暖かくなって、少なくとも圧縮行程の終点又はその付近で燃料が単独で発火するようになるまで、グロープラグや他のデバイスを利用して燃焼を助けることがある。
【０００６】
ＲＦ又はマイクロ波エネルギを利用して燃焼を強化することは、提案されてきた。（例えば、ワードの米国特許第３，９３４，５６６号を参照）。ワードの提案では、ＲＦ又はマイクロ波エネルギの連続波（ＣＷ）は、スパークプラグ又はグロープラグを通して供給され得る。この間に、燃料空気混合気の点火は、スパークプラグギャップ両端間に高電圧を印加することによって、又は燃料空気混合気をその引火点まで圧縮することによって、従来のように達成される。そのようなシステムは、マイクロ波システムと、従来のスパークプラグに対する高電圧配送システムと、の双方を必要とするので、高度に複雑化される。
【０００７】
従って、内燃機関における燃料空気混合気の燃焼を強化するシステムに対する必要性が更に存在する。
【０００８】
［発明の要約］
本発明により、マイクロ波エネルギのパルスを利用してシリンダ内の燃料混合気に点火するマイクロ波燃焼システムが開示される。いくつかの実施形態では、１以上のマイクロ波パルスが、シリンダ内に挿入されたプラグに供給される。いくつかの実施形態では、点火を与えるパルスに加えて、前処理パルス及び／又は後処理パルスがプラグに供給される。
【０００９】
本発明のいくつかの実施形態に係るマイクロ波燃焼システムは、マイクロ波源と、高電圧電源とマイクロ波源との間に結合され、トリガ信号に応答して、高電圧のパルスをマイクロ波源に与える高電圧パルス発生器と、前記高電圧のパルスがマイクロ波源に供給された時に、マイクロ波源からマイクロ波エネルギを受けるように結合されたプラグとを備える。トリガ信号は、スパークプラグワイヤに結合されたパルス発生器によって与えられることがある。トリガ信号は、スパークプラグワイヤに与えられた高電圧過渡スパーク信号の下向きエッジと同時に与えられることがある。もう１つの実施形態では、トリガ信号は、エンジン制御モジュールによって与えられることがある。
【００１０】
マイクロ波燃焼システムは、マイクロ波源とプラグとの間に結合されたサーキュレータを備えることがある。マイクロ波燃焼システムは、マイクロ波源とプラグとの間に結合されて、順方向及び逆方向伝播マイクロ波エネルギをモニタすることを助ける双方向性結合器を更に備えることがある。マイクロ波燃焼システムは、マイクロ波源とプラグとの間に結合されたチューナを更に備えることがある。
【００１１】
マイクロ波エネルギは、導波管によって、マイクロ波源とプラグとの間に結合されることがある。プラグに結合され、マイクロ波エネルギを同軸ケーブルに結合する導波管／同軸変換器を更に備えることがある。同軸ケーブル又は同軸導波管は、マイクロ波源をプラグに結合することがある。マイクロ波源はまた、プラグに直接結合されると共に、プラグの一部であることがある。
【００１２】
プラグは、マイクロ波フィードと、接地ラインとを含むことがある。接地ラインは、金属ワッシャーによって形成されることがある。金属ワッシャーは、中央穴の回りに一連の穴を有することがある。金属ワッシャーの中央穴は、マイクロ波フィード付近に非円形形状の開口部を有することがある。接地ラインは、ワイヤメッシュよって形成されることがある。接地ラインは、マイクロ波フィードの回りに配置された１以上の先端であることがある。
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態に係る燃料混合気に点火する方法は、シリンダ内での燃焼のための時間に関係したトリガ信号を受信する工程と、このトリガ信号に応答して、シリンダに結合されたプラグのマイクロ波フィードに対し、少なくとも１つのマイクロ波エネルギのパルスを与える工程とを備える。トリガ信号を受信する工程は、スパークプラグワイヤからの信号をパルス発生器に受け入れる工程と、スパークプラグワイヤからの信号に応答してトリガ信号を発生する工程とを含むことがある。トリガ信号を受信する工程は、エンジン制御モジュールからの信号を受ける工程を含むことがある。少なくとも１つのマイクロ波エネルギのパルスを与える工程は、トリガ信号に応答して高電圧パルスのパルス列を発生する工程と、高電圧パルスのパルス列をマイクロ波源に受け入れて、マイクロ波エネルギのパルス列を発生する工程と、マイクロ波エネルギのパルス列をマイクロ波フィードに結合する工程とを含むことがある。パルス列は、１つのパルスを含むことがある。パルス列は、短持続時間の１以上のパルスと、それに後続する長持続時間の１つのパルスとを含むことがある。パルス列は、低マイクロ波電力の１以上のパルスと、それに後続する高マイクロ波電力の１つのパルスとを含むことがある。
【００１４】
この発明は、添付図面に関連してなされる以下の詳細な説明から、より十分に理解されるであろう。
【００１５】
図において、同じ記号表示を持つ要素は、同じ又は同様の機能を有する。
【００１６】
［発明の詳細な説明］
図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態に係るマイクロ波燃焼システムを描いている。図１Ａに描かれたシステムの一実施形態は、例えば、単気筒芝刈り機エンジンを動作させることに首尾よく利用されてきた。
【００１７】
図１Ａに示されているように、スパークプラグワイヤ１０１は、通常はスパークプラグ１１３に直接つながると共に必要な１０〜３０ｋＶの高電圧パルスを与えて、シリンダ１１５の容積１１６内にスパークを発生するものであるが、その代わりにパルス発生器１０２に結合されている。いくつかの実施形態では、パルス発生器１０２は、スパークプラグワイヤ１０１ではなく、エンジン制御ユニットや、エンジンの回転に同期した他のピックアップに結合されることがある。パルス発生器１０２は、スパークプラグワイヤ１０１上のパルスの下向きエッジに応答して、高電圧パルス発生器１０４への制御パルスを発生する。パルス発生器１０４は、高電圧電源１０３をマイクロ波源１０５に結合できる高電圧スイッチングデバイスでよい。パルス発生器１０４は、電圧を供給してマイクロ波源１０５を動作させるために、電源１０３に結合されている。電源１０３は、例えば、約４０００ＶのＤＣ電源であり得る。マイクロ波源１０５は、マクネトロン、クライストロン、進行波管、又は他のマイクロ波エネルギー源であり得る。例えば、本発明はまた、マクネトロンやクライストロンのように高電圧を必要としない固体マイクロ波源の使用を予測している。また、２以上の固体マイクロ波源の出力を組み合わせて、より大きな電力を達成することができる。
【００１８】
発明のいくつかの実施形態では、パルス発生器１０４は、電圧パルス列を供給することができる。電圧パルス列は、異なる持続時間の複数のパルスや、異なる電圧の複数のパルスを含むことができる。それからマイクロ波源１０５は、電圧パルス列中のパルスの持続時間及び電圧に依存して、変化するエネルギ及び持続時間のマイクロ波パルスのパルス列を発生する。フィラメント電圧源１０６もまた、マイクロ波源１０５に結合されて、マイクロ波源１０５のフィラメントを絶えず高温に保っている。いくつかの実施形態では、パルス発生器１０４は、誘導コイルを含むことがある。
【００１９】
図１Ａに示されたシステムでは、マイクロ波源１０５からのマイクロ波パルスは、１つの導波管中に結合される。この導波管は、サーキュレータ１０７に結合されている。典型的に、サーキュレータは、マイクロ波源１０５をシステムの残部からの反射マイクロ波エネルギから隔離することに使用される。そのようなものとして、マイクロ波パルスは、サーキュレータ１０７の第１ポート１０７ａでもう１つの導波管中に結合される。これに対し、サーキュレータ１０７の第２ポート１０７ｂは、第１ポートに入る反射エネルギを整合負荷１１６中に結合する。
【００２０】
サーキュレータ１０７からのマイクロ波パルスは、それから双方向性結合器１０８中に結合され、マイクロ波電力が順方向及び逆方向の双方でモニタされるようにする。双方向性結合器１０８中からの電力の大半は、順方向電力をモニタするために、チューナ１０９中に結合される。チューナ１０９から双方向性結合器１０８中に入る反射電力の一部は、逆方向電力をモニタするために、第２ポート１０８ｂに結合される。チューナ１０９は、マイクロ波システムを同調することに利用され得る。この場合、順方向に結合されたマイクロ波電力は最大化され且つ反射電力は最小化されるように同調することができる。図１に示されたシステムでは、チューナ１０９からのマイクロ波電力は、導波管１１０に結合され得る。
【００２１】
フレキシブル導波管であり得る導波管１１０は、導波管／同軸ケーブル遷移部を介してプラグ１１３の中央穴に結合される。このプラグは、シリンダ１１５の容積１１６の頂部中に挿入される。良好なシールディングと、同軸型エネルギフィードとを与えるために、金属製シールド１１４がスパークプラグ１１３の回りに配置されることがある。
【００２２】
テストでは、最大１００Ｈｚのレートで５０〜１００μｓの持続時間のマイクロ波パルスは、信頼性のあるスパークをプラグ１１３の先端に生成することに成功した。このスパークは、一例では従来のスパークプラグから、それがエンジンの外部にあるときに、得られたものである。このスパーク生成のレートは、４行程エンジンでは約１２０００ｒｐｍの回転レートに対応する。
【００２３】
図１Ａに示されたマイクロ波燃焼システム１００の動作例では、電源１０３は約４０００ＶのＤＣ電源であった。パルス発生器１０４は、パルス発生器１０２からのＴＴＬパルスでトリガされた時に、最大約１００μｓの間、ＨＶ電源１０３をマイクロ波源１０５に結合できるＨＶスイッチであった。マイクロ波源１０５は、電源１０３から高電圧を供給されているときに、約１００μｓの持続時間の２．４５ＧＨｚマイクロ波パルスを生成した。パルス発生器１０２は、スタフォード・リサーチ・システムズ社によって製造されるモデルＤＧ５３５であり得る。ＨＶ電源１０３は、スペルマン高電圧エレクトロニクス社によって製造されるモデルＳＲ６ＰＮ６であり得る。パルス発生器１０４は、ダイバースファイド・テクノロジー社によって製造されるモデル“ＰｏｗｅｒＭｏｄ”パルス制御ユニット付き固体モジュレータであり得る。マイクロ波源１０５は、イタリアのオルター社によって製造されるモデルＴＭ０２０であり得る。フィラメント電圧源１０６は、リチャードソン・エレクトロニクス社によって製造されるスイッチング・パワー・ジェネレータＰＭ７４０であり得る。サーキュレータ１０７と、方向性結合器１０８と、チューナ１０９は、標準的なマイクロ波デバイスである（例えば、サーキュレータ１０７は、マイクロ波源１０５を反射電力から保護し、双方向性結合器１０８は、順方向及び反射マイクロ波電力が測定される信号を与え、チューナ１０９は、ライン遠方でのインピーダンスの不整合に起因するマイクロ波の反射を最小化する３スタブ型チューナであり得る）。ＷＲ３４０からＷＲ２４８への僅かな導波管の減少は、チューナ１０９で達成され得る。この結果、より小サイズの、より柔軟な導波管１１０が利用され得る。導波管／同軸ケーブル遷移部１１１は、マイクロ波エネルギを、導波管の側面上に搭載された同軸ケーブル１１２の内導体に供給する。
【００２４】
プラグ１１３は、従来のスパークプラグに由来する。スパークプラグの上側の端部は、スパークプラグワイヤ１０１で普通に利用されるものからは変形されている。上側の、コネクタ端部は、サイズが低減され、同軸ケーブルコネクタの内導体上に設けられた穴へ緊密に嵌合するようになっている。このことは、マイクロ波エネルギのスパークプラグ自体への容易な結合を可能にする。シールド１１４は薄い銅箔でよく、この銅箔は、導波管／同軸ケーブル遷移部１１１の同軸コネクタの外導体の回りと、プラグ１１３の六角金属ベースの一方の端部とに緊密に巻かれる。プラグ１１３がシリンダ１１５のシリンダーヘッドに結合されると、シールド１１４の銅箔は、同軸導波管の外導体を形成することができる。加えて、プラグ１１３として利用されているスパークプラグのギャップは僅かに減少されて、マイクロ波パルスによる良好なスパーク動作を促進する。
【００２５】
上述した動作例は、芝刈り機エンジンを動作させることに成功した。マイクロ波パルス電力は、標準パルスモードでは８ｋＷに制限された。加えて、最大パルス持続時間は、１００ミリ秒であった。スパークプラグワイヤ１０１へのスパークパルスの到着と、スパークプラグ１１３でのマイクロ波パルスの放出との間に、約２ミリ秒の固有遅延が測定された。
【００２６】
図１Ａに示されているように、信号は、スパークプラグワイヤ１０１から受信される。いくつかの実施形態では、ピックアップコイルがスパークプラグワイヤ１０１の外皮上に卷きつけられて、マイクロ波源の最終点火用トリガパルスを収集する。このトリガパルスは、適切な整形用にパルス発生器１０２に接続され、それからＨＶパルス発生器に供給される。標準的スパークプラグへのスパークプラグ電圧は、一般的に負である。従って、パルス発生器１０２は、スパークプラグワイヤ１０１から収集されたトリガパルスの立下りエッジと同時にパルスを発生する。このことは、スパークプラグ１０３が正常に、即ち、スパークプラグワイヤによって直接点火される時点と、１以上のマイクロ波パルスのパルス列がスパークプラグ１０３に供給される時点との間の最小遅延を確実にする。特別な例では、固有遅延は約２ミリ秒として測定されたが、これは数千ＰＲＭでのエンジン稼動にとっては無視できるものである。
【００２７】
一般に、本発明の実施形態に係るマイクロ波燃焼システムは、図１Ａのテキスト例に示された要素、特にマイクロ波部品の多くを必要としない。図２は、提案されたプラグ２００を描いている。このプラグは、図１Ａに示されたマイクロ波源１０５の代わりに、直接結合され得る。そのようなプラグは、パルス発生器１０２、電源１０３、パルス発生器１０５、及びフィラメント電圧源１０６と共に、従来のエンジンのスパークプラグと直接置換できる。図２に示されているように、プラグ２００は、マイクロ波源２０１と、可溶性リンク２０２と、マイクロ波フィード２０５と、接地電極又はライン２０６とを有する。プラグ２００は、ネジ部２０４によって、エンジンブロック内に、ベース２０３がシリンダヘッドの頂部と面一になるまで螺入される。フィラメント電源１０６を直接マイクロ波源２０１に与えることができる。更に、パルス発生器１０４からのパルスをマイクロ波源２０１に与えることができる。いくつかの実施形態では、マイクロ波源２０１を取り外して、可溶性リンク２０２を露出させ、この可溶性リンクを直接スパークプラグワイヤ１０１に結合することができる。動作時に、マイクロ波エネルギは、マイクロ波フィード２０５と接地ライン２０６との間のギャップから放射される。そのパルスが十分なマイクロ波エネルギを含んでいる場合、プラズマがギャップ中に励起される。いくつかの動作のモードでは、プラズマを励起しないマイクロ波パルスを利用して、容積１１６内に与えられる燃料混合気、例えば燃料空気混合気を、プラズマに点火するパルスが与えられる前に、予備励起することができる。そのような動作は、整形されたマイクロ波パルスのパルス列を用いて、容積１１６内に与えられた燃料混合気の燃焼を効率的且つクリーンに制御するように最適化される。
【００２８】
多気筒エンジンは、各気筒のスパークプラグを、図１Ａに示されたマイクロ波燃焼システム１００と置換することによって構成され得る。図１Ｂは、単一マイクロ波源を共用した多気筒マイクロ波燃焼システムを描いている。図１Ｂに示されているように、マイクロ波源１０５は、マイクロ波分配器１５１を通してＮ個のプラグ１１３−１〜１１３−Ｎの各々に結合されている。スパークプラグワイヤ１０１−１〜１０１−Ｎは、パルス及び信号発生器１５０に結合されている。このパルス及び信号発生器は、パルス発生器１０４を駆動するパルスを発生すると共に、プラグ１１３−１〜１１３−Ｎのどれがマイクロ波源１０５からマイクロ波パルス列を受けるかを分配器１５１に示す選択信号を与える。図１Ｂに示されているように、パルス発生器１０４は、シリンダ１１５−１〜１１５−Ｎの各々内の燃料混合気が点火されるときに、トリガ信号を受信する。分配器１５１への選択信号は、マイクロ波源１０５によって発生されたマイクロ波パルス列を、シリンダ１１５−１〜１１５−Ｎ中の適切なものへ導くように、ルート設定する。
【００２９】
図１Ａ及び１Ｂの双方は、ガス内燃機関を描いている。ジーゼルエンジンでは、スパークプラグワイヤ１０１は、エンジン制御モジュールからの信号ワイヤと置換される。更に、プラグ１１３は、スパークプラグよりも更に密接にグロープラグと似ている。マイクロ波エネルギは、ギャップを与える代わりに、エンジンブロックとマイクロ波フィードとの間のコイルから放射される。
【００３０】
プラズマに点火するか、混合気を励起するために、容積１１６内に供給された燃料混合気へのマイクロ波エネルギの結合に寄与する１つのファクターは、マイクロ波フィード２０５の端部、特にマイクロ波フィード２０５と接地ライン２０６との間のギャップ回りのプラグ２００の形状である。図３Ａ〜７は、このギャップ領域に対する構成の種々の例を描いている。図８は、ジーゼルエンジンで使用可能なプラグ８００を描いている。ここに図示され説明された以外のデバイス及び構成を使用して、スパークギャップにエネルギを移送することもできる。
【００３１】
図３Ａ〜６Ｃは、本発明のいくつかの実施形態で利用されることがあるいくつかのプラグの実例の実施形態を示している。図３Ａ〜３Ｃは実例プラグ３００を描き、図４Ａ〜４Ｃは実例プラグ４００描き、図５Ａ〜５Ｃは実例プラグ５００を描き、図６Ａ〜６Ｃは実例プラグ６００を描き、図７は実例プラグ７００を描いている。実例プラグ３００，４００，５００，６００及び７００は、マイクロ波フィード２０５と接地ライン２０６との間のギャップ領域の構成が異なる。一般に、本発明に係るプラグは、混合気を励起するか、混合気中のプラズマに点火するために、効率的にマイクロ波電力をギャップ領域へ伝送するデバイスであればよい。燃料空気混合気中のプラズマへの点火は、燃料混合気の燃焼を開始させる。図８は、ジーゼルエンジンで利用可能な実例プラグ８００を描いている。
【００３２】
図３Ａに示されているようなプラグ３００は、例えば、先端３０１を有する。この先端は、マイクロ波源２０１か、導電性の先端、例えばスパークプラグ１１３の先端であり得る。いずれの場合でも、マイクロ波エネルギは、先端３０１によってマイクロ波フィード２０５に供給される。マイクロ波フィード２０５は、セラミック絶縁体３０２によって囲まれている。プラグ３００は、ネジ部３０４によって、シリンダ１１５のシリンダヘッド内に実装され得る。プラグ３００は、典型的に六角ベース３０３がシリンダ１１５のシリンダヘッドと電気的及び物理的に接触するまで、シリンダヘッド内に挿入される。
【００３３】
図３Ａ〜３Ｃ及び図５Ａ〜５Ｃに示されているように、接地ライン２０６は、多数の穴が予め穿孔された環状金属部材又はワッシャによって形成されている。図３Ａ〜３Ｃのプラグ３００では、接地ライン２０６は、４つの穴３０５を有する。図５Ａ〜５Ｃのプラグ５００では、接地ライン２０６は、３つの穴５０５を有する。一般に、任意の数の穴が使用可能である。更に、穴のサイズは異なってもよい。穴３０５及び５０５は、燃料混合気が環状部材の背面に容易に達して、マイクロ波パルスによって接地ライン２０６とマイクロ波フィード２０５の間に生成されたプラズマに対し、良好に接触することを可能にする。１ｍｍ以下の穴は、接地ライン２０６とマイクロ波フィード２０５の間のギャップにマイクロ波エネルギを捕捉することに利用できる。これは、その領域におけるプラズマの生成を強化するためである。プラグ３００及び５００内に接地ライン２０６を形成することに利用されるプリセット穴付きの環状部材は、それぞれプラグ３００及び５００のベースに対し、ネジ部３０４の直下に溶接され得る。
【００３４】
図４Ａ〜４Ｃのプラグ４００では、接地ライン２０６は、ネジ部３０４付近でベースに溶接された薄い金属メッシュ又はスクリーンによって形成されている。メッシュ（又はスクリーン）は、一般にドーム（凸部）形状であり、制御された量のマイクロ波放射がスクリーンから放射することを可能にする。メッシュの穴のサイズは、放射出力を制御することができる。
【００３５】
図６Ａ〜６Ｃのプラグ６００では、接地ライン２０６は、金属環状部材又はワッシャによって形成されている。ワッシャには、開口部６０１が形成されている。先のように、金属ワッシャは、プラグ６００のベースに対し、ネジ部３０４の下側に溶接される。開口部６０１の形状は、燃料混合気中へのマイクロ波エネルギの漏洩を最適化する一方で、マイクロ波エネルギを維持して、接地ライン２０６とマイクロ波フィード２０５の間に形成されたギャップ内のプラズマに点火するように形成され得る。
【００３６】
図３Ａ〜６Ｃに描かれた実例プラグの変形は可能である。例えば、図７のプラグ７００に示されているように、接地ライン２０６は、マイクロ波フィード２０５の回りに離隔配置された複数の先端７０１によって形成され得る。いくつかの実施形態では、接地ライン２０６は、マイクロ波フィード２０５を中心として離隔配置された２，３又は４個の接地電極によって形成され得る。いくつかの実施形態では、別々の接地電極は、マイクロ波フィード２０５を中心として対称的に配置され得る（即ち、２，３又は４個の接地電極は、マイクロ波フィード２０５の回りに１８０，１２０又は９０度離れて配置される）。一般に、接地ライン２０６は、マイクロ波誘導プラズマによって、信頼性のある手法で、燃料混合気に点火することが可能となるように形成され得る。また制御された量のマイクロ波エネルギが漏洩して、総合点火過程を改善することを助けることができるように形成され得る。
【００３７】
図８は、ジーゼルエンジンで利用可能なプラグ８００を描いている。プラグ８００は、マイクロ波電力がマイクロ波フィード２０５に加えられたときに、シリンダ中にマイクロ波エネルギを放射するアンテナ又はコイル８０１を有する。このプラグは、中央のマイクロ波フィード導体２０５と外側の接地体との間に接続された１以上のワイヤ又は薄い金属ストリップを有することがある。加えて、プラグ８００は、標準的なグロープラグとして機能することも可能である。
【００３８】
先に示唆されたように、本発明のマイクロ波システムは、マイクロ波パルスのパルス列を利用することができる。プラズマに点火しない短持続時間パルス又は低エネルギパルスは、燃料混合気を前処理して、燃焼過程を改善することを助けることができる。プラズマに点火する高エネルギで長持続時間のパルスは、より効率的な燃料混合気の燃焼を与えることを助けることができる。
【００３９】
本発明の燃焼システムはまた、より広範囲な電磁スペクトルに亘って動作可能である。例えば、スパーク、従って点火は、マイクロ波の周波数範囲よりも低いＲＦ周波数、例えばＵＨＦ，ＶＨＦ等のパルスによっても生成可能である。固体電源は、そのようなＲＦ周波数で動作可能であり、且つそのような応用に使用可能である。
【００４０】
この発明は、添付の請求の範囲によって指示される以外は、特に図示され説明されたものによって限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施形態に係るマイクロ波燃焼システムを示す。
【図１Ｂ】本発明のいくつかの実施形態に係る多気筒エンジン内のマイクロ波燃焼システムを示す。
【図２】本発明のいくつかの実施形態で利用可能なプラグを描いている。
【図３Ａ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な１つのプラグ先端デザインを描いている。
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な１つのプラグ先端デザインを描いている。
【図３Ｃ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な１つのプラグ先端デザインを描いている。
【図４Ａ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図４Ｂ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図４Ｃ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図５Ａ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図５Ｂ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図５Ｃ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図６Ａ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図６Ｂ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図６Ｃ】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図７】本発明のいくつかの実施形態で利用可能な別のプラグ先端デザインを描いている。
【図８】本発明のいくつかの実施形態に係るジーゼルエンジンで利用可能な１つのプラグ先端デザインを描いている。
【符号の説明】
【００４２】
１００：マイクロ波燃焼システム
１０１：スパークプラグワイヤ
１０２：パルス発生器
１０３：高電圧電源
１０４：パルス発生器
１０５：マイクロ波電源
１０６：フィラメント電源
１０７：サーキュレータ
１０７ａ：サーキュレータ１０７の第１ポート
１０７ｂ：サーキュレータ１０７の第２ポート
１０８：結合器
１０８ａ：結合器１０８の第１ポート
１０８ｂ：結合器１０８の第２ポート
１０９：チューナ
１１０：導波管
１１１：導波管／同軸ケーブル遷移部
１１２：同軸ケーブル
１１３：スパークプラグ
１１４：金属製シールド
１１５：シリンダ
１１６：シリンダ１１５の容積部
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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