(57)【要約】  本発明は、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内で空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置（１０）に関し、第１電極（１８）と第２電極（１９）とを有するスパークプラグ（１２）と、高電圧源の出力（２２）に電気的高電圧パルスを生成する高電圧源（１４）とを有し、高周波電圧源（１６）の出力（２６）に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源（１６）を有し、高電圧源（１４）の出力（２２）は高電圧パルスが第１電極（１８）に印加されるように第１導電路（２４）を介してスパークプラグ（１２）の第１電極（１８）に電気的に接続され、第２電極（１９）は電気的接地電位に電気的に接続され、スパークプラグ（１２）は、第３電極（２０）を有し、高周波電圧源（１６）の出力（２６）は高周波交流電圧が第３電極（２０）に印加されるように第２導電路（２８）を介して第３電極（２０）に電気的に接続される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極（１８）と第２電極（１９）を有するスパークプラグ（１２）を有し、
高電圧源の出力（２２）に電気的高電圧パルスを生成する高電圧源（１４）を有し、
高周波電圧源（１６）の出力（２６）に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源（１６）を有し、
前記高電圧源（１４）の前記出力（２２）は、前記高電圧パルスが前記第１電極（１８）に印加されるように、第１導電路（２４）を介して前記スパークプラグ（１２）の前記第１電極（１８）に電気的に接続され、前記第２電極（１９）は、電気的接地電位に電気的に接続される、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内で空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置（１０）であって、
前記スパークプラグ（１２）は、第３電極（２０）を有し、前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）は、前記高周波交流電圧が前記第３電極（２０）に印加されるように、第２導電路（２８）を介して前記第３電極（２０）に電気的に接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の点火装置において、
前記高電圧源（１４）は、イグニッションコイルの形態で設計されることを特徴とする点火装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の点火装置において、
前記スパークプラグ（１２）の前記第３電極（２０）と前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）に電気的にループ接続され、前記高電圧源（１４）から前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）への前記高電圧パルスのスパークオーバーをブロックする保護回路（３０）を特徴とする点火装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の点火装置（１０）において、
前記スパークプラグ（１２）の前記第３電極（２０）と前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）内に電気的にループ接続される、周波数選択フィルタ、特にバンドパスフィルタの形態の分離要素（３２）を特徴とする点火装置（１０）。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の点火装置（１０）において、
前記分離要素（３２）は、前記保護回路（３０）と前記高周波電圧源（６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）にループ接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
【請求項６】
請求項３又は請求項４に記載の点火装置（１０）において、
前記分離要素（３２）は、前記保護回路（３０）と前記第３電極（２０）の間の前記第２導電路（２８）にループ接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の点火装置において、
前記高電圧源（１４）の前記出力（２２）とＨＦの接地基準を表わす前記スパークプラグ（１２）の前記第１電極（１８）との間の前記第１導電路（２４）に電気的にループ接続される保護回路（３１）を特徴とする点火装置（１０）。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の点火装置において、
第１の代替案では、前記第１電極（１８）への前記高電圧パルスの印加時に、前記第１電極（１８）と前記第２電極（１９）との間に第１の導電性プラズマチャネル（４２）が形成され、
前記第３電極（２０）への前記高周波交流電圧の印加時に、前記第３電極（２０）と前記第２電極（１９）との間に第３の導電性プラズマチャネル（４４）が形成されることを特徴とする点火装置。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の点火装置において、
第２の代替案では、前記第１電極（１８）への前記高電圧パルスの印加時に、前記第１電極（１８）と前記第３電極（２０）との間に第２の導電性プラズマチャネル（４３）が形成され、
前記第３電極（２０）と前記第２電極（１９）との間に第３の導電性プラズマチャネル（４４）が形成されることを特徴津する点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１電極と第２電極とを有するスパークプラグを有し、高電圧源の出力に電気的高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルスを生成する高電圧源又は高ＤＣ電圧源を有し、高周波電圧源の出力に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源又は高周波交流電圧源を有し、高電圧源の出力は高電圧パルスが第１電極に印加されるように第１導電路を介してスパークプラグの第１電極に電気的に接続され、第２電極は電気的接地電位に電気的に接続されるという請求項１のプリアンブルにおける、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内の空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接燃料噴射を有する、いわゆるオットー燃焼プロセスは、燃焼室内の層化給気を実現できるので、消費量を削減できる大きな可能性を提供する。しかしながら、燃焼室内の不均一な混合気は、適切な時間に確実な点火を達成するという点で、使用される点火方法に高い要件を課す。例えば、いかなる種類の変動も点火品質を低下させ、したがってエンジンの総効率を低下させる。一方で、可燃性混合気の位置が僅かに変化することがあり、他方で、スパークプラグの接地電極のフックが混合気の形成を妨害する可能性がある。直接噴射燃焼プロセスには、燃焼室内により大きい空間的広がりを有する点火システムが役立つ。この目的のため、特許文献１は、内燃機関の燃焼室内の燃料／空気の混合物にプラズマによって点火することを提案している。これに対応する高周波プラズマ点火装置は、インダクタンスとキャパシタンスを有する直列共振回路と、直列共振回路を共振励起させる高周波源とを含む。キャパシタンスは、誘電体が挟まれた内側と外側の導体電極によって提供される。これらの電極の最外端は、規定距離で離間されて燃焼室内に延在する。
【０００３】
特許文献２から、放電プラズマが高電圧パルスによって生成され、更にＨＦ場によりさらに加熱され、コロナ放電に変化する点火方法が知られている。それにより、高電圧パルスとＨＦ発生器の出力信号とが、一緒に、スパークプラグのスパーク電極に送られる。スパークプラグのリターン電極は接地される。
【０００４】
最近、ガソリンエンジン用の最新点火システムは、スパークプラグと、電子制御ユニットを有する単一のイグニッションコイルとを含む。スパークプラグは、同軸構造を有し、実質的に、絶縁体によって取り囲まれた中央電極と、スパークプラグハウジングに接続された外側電極とから構成される。イグニッションコイルは、高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルスをスパークプラグに供給する。燃焼を引き起こすスパークが電極間に生成される。イグニッションコイルから印加される高電圧に加えて、高周波電圧がスパークプラグに印加される代替方法が、特許文献３に記載されている。これにより、放電プラズマは、ＨＦプラズマに変化する。
【０００５】
上述された従来の点火概念では、放電プラズマは、２つの電極、即ち活性「駆動」電極（高電圧電極とも呼ばれる）と不活性電極（接地電極とも呼ばれる）の間で燃焼し、不活性電極の電位は、エンジンブロックのアース（０Ｖ）並びに自動車の車体全体に接続される。また、接地電極は、複合電極の形態で設計することもできる。このような点火システムは、プラズマの点火後に、イグニッションコイルに蓄積されたエネルギーが、数十ナノ秒の時間スケールでしかプラズマ内に結合されないので、制御性が不十分という、基本原理から生じる欠点を有する。電子密度がすぐに増大し、それに関連してプラズマの導電性が高まる結果、電流が急激に増大する。これに続くプラズマ内の全てのプロセスは、単純にエネルギーの入力の結果であり、外部の影響を受けられなくなる。詳細には、プラズマのさらなる加熱が行われなくなる。その結果、燃焼を促進する自由電子の著しい生成と、したがって、例えば原子酸素などの反応種の著しい生成が起こらなくなる。他方、燃焼は、きわめて長い時間スケールで起こるが、これは以前に生成された原子酸素の密度に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２００４  ０５８  ９２５号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０  ２００８  ０５１  １８５号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０  ２０１３  ２１５  ６６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、スパークプラグの電極間のプラズマのパラメータに影響を及ぼす可能性の点から、上述したタイプの点火装置を改善する問題に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、この問題は、請求項１の特徴を有する、上述したタイプの点火装置によって解決される。本発明の有利な変形例は、更に他の請求項で述べられる。
【０００９】
この目的のため、本発明による上述したタイプの点火装置では、スパークプラグが第３電極を有し、高周波電圧源の出力は、高周波交流電圧が第３電極に印加されるように、第２導電路を介して第３電極に電気的に接続される。
【００１０】
これは、２つの活性電極が使用可能なので、高電圧パルスによるスパークプラグの２つの電極間のプラズマの点火に引き続いて、エネルギーがきわめて低い電圧レベルで高周波交流電圧によってプラズマに結合され続けるという利点を有する。
【００１１】
高電圧源がイグニッションコイルの形態で設計されているので、特にシンプルで機能的に信頼できる点火装置が達成される。
【００１２】
保護回路がスパークプラグの第３電極と高周波電圧源の出力との間の第２導電路に電気的にループ接続され、高電圧源から高周波電圧源の出力への高電圧パルスのスパークオーバーをブロックするので、高周波電圧源の過電圧からの保護が達成される。
【００１３】
周波数選択フィルタの形態、特にバンドパスフィルタの形態の分離要素は、スパークプラグの第３電極と高周波電圧源の出力との間の第２導電路に電気的にループ接続されるので、高周波電圧源からスパークプラグの第３電極への、例えば所望の周波数帯だけの周波数選択伝送が達成される。
【００１４】
分離要素は、保護回路と高周波電圧源の出力との間の第２導電路にループ接続されるので、分離要素の過電圧からの保護が達成される。
【００１５】
本発明の好ましい更に他の改良では、分離要素は、保護回路と第３電極との間の第２導電路にループ接続される。これは、分離要素の帯域通過が、帯域通過範囲外のエネルギーを減衰させ、これにより、保護回路の実現を単純化するという利点を有する。
【００１６】
保護回路が、高電圧源の出力とＨＦの接地基準を表すスパークプラグの第１電極との間の第１導電路に電気的にループ接続されるので、高電圧源からスパークプラグへの高電圧の伝送が改善される。
【００１７】
第１の代替案では、第１電極への高電圧パルスの印加時に、第１電極と第２電極の間に第１の導電性プラズマチャネルが形成され、第３電極への高周波交流電圧の印加時に、第３電極と第２電極の間に第３の導電性プラズマチャネルが形成される。したがって、高周波電圧源から高周波電極への高周波電圧の付加的印加によって、より多くの電力をより長い期間にわたってプラズマに導入できる。その結果、電子が連続的に生成され、反応種（とりわけ原子酸素）の永久生成と関連したプラズマ内の自由電子密度がより長く維持される。
【００１８】
第２の代替案では、第１電極への高電圧パルスの印加時に、第１電極と第３電極の間に第２の導電性プラズマチャネルが形成され、第３電極と第２電極の間に第３の導電性プラズマチャネルが形成される。第３電極への高周波電圧の印加時に、第３電極と第２電極の間の第３のプラズマチャネルが維持され、より長い期間にわたってより大きな空間に広げられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による点火装置の好ましい実施形態の概略図である。
【図２】本発明による点火装置の代替の好ましい実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、図面に関して以下により詳細に説明される。
【００２１】
図１に示す本発明における点火装置１０の好ましい実施形態は、スパークプラグ１２、高電圧源又は高ＤＣ電圧源１４、及び高周波電圧源１６を有する。スパークプラグ１２は、第１電極１８（高電圧電極）、第２電極１９（接地電極）及び第３電極２０（高周波電極）を有する。第２電極１９は、接地電位４０と電気的に接続される。電極１８，１９，２０は、燃料／空気の混合物が点火される燃焼室（図示せず）内、例えば内燃機関の作動シリンダ内に突出する。高電圧源１４は、イグニッションコイルの形態で設計され、高電圧源１４の出力２２に存在する高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルス（ＤＣ）を生成する。この場合、表現「高ＤＣ電圧パルス」は、数ｋＶ、例えば、３ｋＶから３０ｋＶ、又は８ｋＶから１２ｋＶの高電圧を有する電気的なＤＣ電圧パルスを指す。高電圧源１４の出力２２は、高電圧源１４からの高電圧パルスがスパークプラグ１２の第１電極１８に供給されるように、第１導電路２４を介して第１電極１８に電気的に接続される。
【００２２】
高周波電圧源１６は、高周波電圧源１６の出力２６に存在する高周波交流電圧を生成する。高周波電圧源１６の出力２６は、第２導電路２８を介してスパークプラグ１２の第３電極２０に電気的に接続され、その結果、高周波交流電圧が高周波電圧源１６からスパークプラグ１２の第３電極２０に供給される。高周波電圧源１６は、接地電位４０にも電気的に接続される。
【００２３】
保護回路３０は、第２導電路２８に電気的にループ接続される。この保護回路３０は、一方で、高電圧源１４からの高電圧パルスが第２導電路２８を介して高周波電圧源１６の出力２６にスパークすることを防止し、他方で、高周波電圧源１６からの高周波交流電圧がスパークプラグ１２の第３電極２０の方向に通過するように構成される。このように、高周波電圧源１６は、過電圧から保護される。
【００２４】
分離要素３２は、また、保護回路３０と高周波電圧源１６の出力２６との間の第２導電路２８に電気的にループ接続される。この分離要素３２は、例えば、一定又は可変キャパシタンス３４と一定又は可変インダクタンス３６とを有するバンドパスフィルタなどの周波数選択フィルタの形態で設計されている。このバンドパスフィルタは、所定の周波数帯が高周波電圧源１６から第２導電路２８を介して第３電極２０の方向に通過することだけを可能にする。高周波交流電圧の結合周波数を分離要素３２によって連続的に調整でき、それにより、点火プラズマ内へのエネルギーの最適入力が達成される。
【００２５】
本発明による点火装置は、高周波プラズマ点火システムの形態で設計され、スパークプラグ１２内に、２つの活性電極１８，２０、即ち、第１電極１８としての高電圧電極及び第３電極２０としての高周波電極と、接地電極１９とを含む。イグニッションコイル１４は、第１の代替案では、スパークプラグ１２の高電圧電極１８と接地電極１９の間の降伏電圧に達したとき、２つの電極１８，１９間の空間内の初期プラズマ（第１のプラズマチャネル４２）に点火する高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルス（ＤＣ）を生成する。
【００２６】
プラズマは、とりわけ、電子、イオン、励起粒子及び中性粒子を含む。自由電荷キャリア（電子とイオン）は、最初に、スパークプラグ１２の高電圧電極１８と接地電極１９との間に導電性の第１のプラズマチャネルを形成する（矢印４２）。その後の初期プラズマの空間内にある高周波電圧源１６から第３電極２０への高周波交流電圧の給電によって、高周波電極２０と接地電極１９の間の空間内に初期プラズマが維持される（第３のプラズマチャネル４４）。プラズマは、高周波エネルギーの入力によって、高電圧源１４だけからの高電圧パルスの場合よりも長く維持される。詳細には、プラズマは、第３のプラズマチャネル４４の中心から空間的に拡大する。プラズマによって生成された自由電荷キャリアは、高周波電極２０と接地電極１９の間の高周波プラズマの電流伝送に使用される。したがって、高周波電圧源１６から高周波電極２０への高周波電圧の付加的印加によって、より多くの電力がより長い期間、プラズマ内に導入することができる。これは即ち、電子が連続的に生成され、プラズマ内の自由電子の密度がより長く維持されることを意味し、反応種（とりわけ原子酸素）の永久生成と関連付けられる。原子酸素が著しく増大するので、より有効な燃焼が保証され、特に、燃焼室内の希薄な燃料／空気の混合物の確実な点火又はある一定の燃料消費で高いエンジン出力が可能になる。
【００２７】
第２の代替案では、初期プラズマが、第１電極１８と第３電極２０の間の第２のプラズマチャネル４３、及び第３電極２０と接地電極１９の間の第３のプラズマチャネル４４に形成される。高周波交流電圧が高周波電圧源１６から第３電極２０に供給されるとき、プラズマは、ある期間にわたって維持され、第３のプラズマチャネル４４の中心から空間的に拡大する。
【００２８】
高電圧源１４からの高電圧パルスから高周波電圧源１６を保護するために、保護回路３０が、高周波電極２０と高周波電圧源１６の間に設けられる。初期スパークが常に電極間に自由電荷キャリアを生成するので、高電圧源１４からの高電圧パルスによる初期点火の後でプラズマ内にエネルギーを積極的に結合し続けるために、高周波電圧源の確実な引き継ぎが保証される。
【００２９】
保護回路３０は、例えば、電圧が所定の値、例えば約４５０Ｖを下回っている限り、絶縁効果を有するガス充填サージアレスタを含む。キャパシタンスがわずか約２ｐＦ程度の低容量のため、ガス充填サージアレスタは干渉しない。ガス充填サージアレスタの点火電圧を超えると、抵抗が、数マイクロ秒以内できわめて低い値に低下し、例えば１００ｋＡの電流ピークが消散される。
【００３０】
共通の接地電極１９は、高周波電極２０及び高電圧電極１８の基準電位である。高電圧と高周波電位の分離によって、分離要素３２の絶縁強度の要求基準が大幅に低減される。同時に、このステップによってイグニッションコイルの形態の高電圧源１４の負荷が大幅に軽減され、高電圧の生成が大幅に単純化される。ガソリンエンジンの給気圧力が高くなり小容量になってきている背景から、確実な点火を保証するために十分に高い電圧パルスを生成するという課題が大きくなってきている。更に、イグニッションコイルの容量性負荷をもはや低くする必要がないので、分離要素の反応性構造要素の選択の自由度が高くなる。以前の回路概念と比較して分離要素のキャパシタンスを高くでき、インダクタンスを低減できるので、分離要素の実現を単純化する。
【００３１】
図２において、図１と同じ機能を有する部分は同じ参照記号で示され、したがって、その説明に関しては、上述した図１の説明が参照される。図２における第２の実施形態では、図１における第１の実施形態とは対照的に、保護回路３０は、分離要素３２と高周波電圧源１６の出力２６との間の第２導電路２８にループ接続される。
【００３２】
必要に応じて、保護回路３０及び／又は分離要素３２は、更に、図１と図２に破線で示すように、接地電位４０との電気接続を有する。
【００３３】
必要に応じて、接地電位４０への電気接続を有する保護回路３１は、高電圧源１４の出力２２と第１電極１８との間の第１導電路２４に電気的にループ接続される。これに対応して、この保護回路３１は、図１と図２に破線で示される。保護回路は、ＨＦの接地基準を表すものであり、高電圧を阻止するものではない。
【図１】
2019511671.tif 000003
【図２】
2019511671.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月15日(2018.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極（１８）と第２電極（１９）とを有するスパークプラグ（１２）を有し、
高電圧源の出力（２２）に電気的高電圧パルスを生成する高電圧源（１４）を有し、
高周波電圧源（１６）の出力（２６）に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源（１６）を有し、
前記高電圧源（１４）の前記出力（２２）は、前記高電圧パルスが前記第１電極（１８）に印加されるように、第１導電路（２４）を介して前記スパークプラグ（１２）の前記第１電極（１８）に電気的に接続され、前記第２電極（１９）は電気的接地電位に電気的に接続され、前記スパークプラグ（１２）は、第３電極（２０）を有し、前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）は、前記高周波交流電圧が前記第３電極（２０）に印加されるように、第２導電路（２８）を介して前記第３電極（２０）に電気的に接続される、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内で空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置（１０）であって、
前記スパークプラグ（１２）の前記第３電極（２０）と、前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の第２導電路（２８）に電気的にループ接続され、キャパシタンス（３４）とインダクタンス（３６）とから形成されたバンドパスフィルタの形態の分離要素（３２）を特徴とする点火装置（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の点火装置（１０）において、
前記高電圧源（１４）は、イグニッションコイルの形態で設計されることを特徴とする点火装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の点火装置において、
前記スパークプラグ（１２）の前記第３電極（２０）と前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）に電気的にループ接続され、前記高電圧源（１４）から前記高周波電圧源（１６）の前記出力（２６）への前記高電圧パルスのスパークオーバーをブロックする保護回路（３０）を特徴とする点火装置。
【請求項４】
請求項３に記載の点火装置（１０）において、
前記分離要素（３２）は、前記保護回路（３０）と前記高周波電圧源（６）の前記出力（２６）との間の前記第２導電路（２８）にループ接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
【請求項５】
請求項３に記載の点火装置（１０）において、
前記分離要素（３２）は、前記保護回路（３０）と前記第３電極（２０）の間の前記第２導電路（２８）にループ接続されることを特徴とする点火装置（１０）。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の点火装置において、
前記高電圧源（１４）の前記出力（２２）とＨＦの接地基準を表わす前記スパークプラグ（１２）の前記第１電極（１８）との間の前記第１導電路（２４）に電気的にループ接続される保護回路（３１）を特徴とする点火装置（１０）。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の点火装置において、
第１の代替案では、前記第１電極（１８）への前記高電圧パルスの印加時に、前記第１電極（１８）と前記第２電極（１９）との間に第１の導電性プラズマチャネル（４２）が形成され、
前記第３電極（２０）への前記高周波交流電圧の印加時に、前記第３電極（２０）と前記第２電極（１９）との間に第３の導電性プラズマチャネル（４４）が形成されることを特徴とする点火装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の点火装置において、
第２の代替案では、前記第１電極（１８）への前記高電圧パルスの印加時に、前記第１電極（１８）と前記第３電極（２０）との間に第２の導電性プラズマチャネル（４３）が形成され、
前記第３電極（２０）と前記第２電極（１９）との間に第３の導電性プラズマチャネル（４４）が形成されることを特徴津する点火装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１電極と第２電極とを有するスパークプラグを有し、高電圧源の出力に電気的高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルスを生成する高電圧源又は高ＤＣ電圧源を有し、高周波電圧源の出力に電気的高周波交流電圧を生成する高周波電圧源又は高周波交流電圧源を有し、高電圧源の出力は高電圧パルスが第１電極に印加されるように第１導電路を介してスパークプラグの第１電極に電気的に接続され、第２電極は電気的接地電位に電気的に接続される、燃焼室内、特に内燃機関の燃焼室内の空気／燃料の混合物に点火を行う点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接燃料噴射を有する、いわゆるオットー燃焼プロセスは、燃焼室内の層化給気を実現できるので、消費量を削減できる大きな可能性を提供する。しかしながら、燃焼室内の不均一な混合気は、適切な時間に確実な点火を達成するという点で、使用される点火方法に高い要件を課す。例えば、いかなる種類の変動も点火品質を低下させ、したがってエンジンの総効率を低下させる。一方で、可燃性混合気の位置が僅かに変化することがあり、他方で、スパークプラグの接地電極のフックが混合気の形成を妨害する可能性がある。直接噴射燃焼プロセスには、燃焼室内により大きい空間的広がりを有する点火システムが役立つ。この目的のため、特許文献１は、内燃機関の燃焼室内の燃料／空気の混合物にプラズマによって点火することを提案している。これに対応する高周波プラズマ点火装置は、インダクタンスとキャパシタンスを有する直列共振回路と、直列共振回路を共振励起させる高周波源とを含む。キャパシタンスは、誘電体が挟まれた内側と外側の導体電極によって提供される。これらの電極の最外端は、規定距離で離間されて燃焼室内に延在する。
【０００３】
特許文献２から、放電プラズマが高電圧パルスによって生成され、更にＨＦ場によりさらに加熱され、コロナ放電に変化する点火方法が知られている。それにより、高電圧パルスとＨＦ発生器の出力信号とが、一緒に、スパークプラグのスパーク電極に送られる。スパークプラグのリターン電極は接地される。
【０００４】
最近、ガソリンエンジン用の最新点火システムは、スパークプラグと、電子制御ユニットを有する単一のイグニッションコイルとを含む。スパークプラグは、同軸構造を有し、実質的に、絶縁体によって取り囲まれた中央電極と、スパークプラグハウジングに接続された外側電極とから構成される。イグニッションコイルは、高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルスをスパークプラグに供給する。燃焼を引き起こすスパークが電極間に生成される。イグニッションコイルから印加される高電圧に加えて、高周波電圧がスパークプラグに印加される代替方法が、特許文献３に記載されている。これにより、放電プラズマは、ＨＦプラズマに変化する。
【０００５】
上述された従来の点火概念では、放電プラズマは、２つの電極、即ち活性「駆動」電極（高電圧電極とも呼ばれる）と不活性電極（接地電極とも呼ばれる）の間で燃焼し、不活性電極の電位は、エンジンブロックのアース（０Ｖ）並びに自動車の車体全体に接続される。また、接地電極は、複合電極の形態で設計することもできる。このような点火システムは、プラズマの点火後に、イグニッションコイルに蓄積されたエネルギーが、数十ナノ秒の時間スケールでしかプラズマ内に結合されないので、制御性が不十分という、基本原理から生じる欠点を有する。電子密度がすぐに増大し、それに関連してプラズマの導電性が高まる結果、電流が急激に増大する。これに続くプラズマ内の全てのプロセスは、単純にエネルギーの入力の結果であり、外部の影響を受けられなくなる。詳細には、プラズマのさらなる加熱が行われなくなる。その結果、燃焼を促進する自由電子の著しい生成と、したがって、例えば原子酸素などの反応種の著しい生成が起こらなくなる。他方、燃焼は、きわめて長い時間スケールで起こるが、これは以前に生成された原子酸素の密度に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２００４  ０５８  ９２５号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０  ２００８  ０５１  １８５号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０  ２０１３  ２１５  ６６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、スパークプラグの電極間のプラズマのパラメータに影響を及ぼす可能性の点から、点火装置を改善する問題に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、この問題は、請求項１による点火装置によって解決される。本発明の有利な変形例は、更に他の請求項で述べられる。
【０００９】
この目的のため、本発明による点火装置では、スパークプラグが第３電極を有し、高周波電圧源の出力は、高周波交流電圧が第３電極に印加されるように、第２導電路を介して第３電極に電気的に接続される。
【００１０】
これは、２つの活性電極が使用可能なので、高電圧パルスによるスパークプラグの２つの電極間のプラズマの点火に引き続いて、エネルギーがきわめて低い電圧レベルで高周波交流電圧によってプラズマに結合され続けるという利点を有する。
【００１１】
周波数選択フィルタの形態、特にバンドパスフィルタの形態の分離要素は、スパークプラグの第３電極と高周波電圧源の出力との間の第２導電路に電気的にループ接続されるので、高周波電圧源からスパークプラグの第３電極への、例えば所望の周波数帯だけの周波数選択伝送が達成される。
【００１２】
高電圧源がイグニッションコイルの形態で設計されているので、特にシンプルで機能的に信頼できる点火装置が達成される。
【００１３】
保護回路がスパークプラグの第３電極と高周波電圧源の出力との間の第２導電路に電気的にループ接続され、高電圧源から高周波電圧源の出力への高電圧パルスのスパークオーバーをブロックするので、高周波電圧源の過電圧からの保護が達成される。
【００１４】
分離要素は、保護回路と高周波電圧源の出力との間の第２導電路にループ接続されるので、分離要素の過電圧からの保護が達成される。
【００１５】
本発明の好ましい更に他の改良では、分離要素は、保護回路と第３電極との間の第２導電路にループ接続される。これは、分離要素の帯域通過が、帯域通過範囲外のエネルギーを減衰させ、これにより、保護回路の実現を単純化するという利点を有する。
【００１６】
保護回路が、高電圧源の出力とＨＦの接地基準を表すスパークプラグの第１電極との間の第１導電路に電気的にループ接続されるので、高電圧源からスパークプラグへの高電圧の伝送が改善される。
【００１７】
第１の代替案では、第１電極への高電圧パルスの印加時に、第１電極と第２電極の間に第１の導電性プラズマチャネルが形成され、第３電極への高周波交流電圧の印加時に、第３電極と第２電極の間に第３の導電性プラズマチャネルが形成される。したがって、高周波電圧源から高周波電極への高周波電圧の付加的印加によって、より多くの電力をより長い期間にわたってプラズマに導入できる。その結果、電子が連続的に生成され、反応種（とりわけ原子酸素）の永久生成と関連したプラズマ内の自由電子密度がより長く維持される。
【００１８】
第２の代替案では、第１電極への高電圧パルスの印加時に、第１電極と第３電極の間に第２の導電性プラズマチャネルが形成され、第３電極と第２電極の間に第３の導電性プラズマチャネルが形成される。第３電極への高周波電圧の印加時に、第３電極と第２電極の間の第３のプラズマチャネルが維持され、より長い期間にわたってより大きな空間に広げられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による点火装置の好ましい実施形態の概略図である。
【図２】本発明による点火装置の代替の好ましい実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、図面に関して以下により詳細に説明される。
【００２１】
図１に示す本発明における点火装置１０の好ましい実施形態は、スパークプラグ１２、高電圧源又は高ＤＣ電圧源１４、及び高周波電圧源１６を有する。スパークプラグ１２は、第１電極１８（高電圧電極）、第２電極１９（接地電極）及び第３電極２０（高周波電極）を有する。第２電極１９は、接地電位４０と電気的に接続される。電極１８，１９，２０は、燃料／空気の混合物が点火される燃焼室（図示せず）内、例えば内燃機関の作動シリンダ内に突出する。高電圧源１４は、イグニッションコイルの形態で設計され、高電圧源１４の出力２２に存在する高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルス（ＤＣ）を生成する。この場合、表現「高ＤＣ電圧パルス」は、数ｋＶ、例えば、３ｋＶから３０ｋＶ、又は８ｋＶから１２ｋＶの高電圧を有する電気的なＤＣ電圧パルスを指す。高電圧源１４の出力２２は、高電圧源１４からの高電圧パルスがスパークプラグ１２の第１電極１８に供給されるように、第１導電路２４を介して第１電極１８に電気的に接続される。
【００２２】
高周波電圧源１６は、高周波電圧源１６の出力２６に存在する高周波交流電圧を生成する。高周波電圧源１６の出力２６は、第２導電路２８を介してスパークプラグ１２の第３電極２０に電気的に接続され、その結果、高周波交流電圧が高周波電圧源１６からスパークプラグ１２の第３電極２０に供給される。高周波電圧源１６は、接地電位４０にも電気的に接続される。
【００２３】
保護回路３０は、第２導電路２８に電気的にループ接続される。この保護回路３０は、一方で、高電圧源１４からの高電圧パルスが第２導電路２８を介して高周波電圧源１６の出力２６にスパークすることを防止し、他方で、高周波電圧源１６からの高周波交流電圧がスパークプラグ１２の第３電極２０の方向に通過するように構成される。このように、高周波電圧源１６は、過電圧から保護される。
【００２４】
分離要素３２は、また、保護回路３０と高周波電圧源１６の出力２６との間の第２導電路２８に電気的にループ接続される。この分離要素３２は、例えば、一定又は可変キャパシタンス３４と一定又は可変インダクタンス３６とを有するバンドパスフィルタなどの周波数選択フィルタの形態で設計されている。このバンドパスフィルタは、所定の周波数帯が高周波電圧源１６から第２導電路２８を介して第３電極２０の方向に通過することだけを可能にする。高周波交流電圧の結合周波数を分離要素３２によって連続的に調整でき、それにより、点火プラズマ内へのエネルギーの最適入力が達成される。
【００２５】
本発明による点火装置は、高周波プラズマ点火システムの形態で設計され、スパークプラグ１２内に、２つの活性電極１８，２０、即ち、第１電極１８としての高電圧電極及び第３電極２０としての高周波電極と、接地電極１９とを含む。イグニッションコイル１４は、第１の代替案では、スパークプラグ１２の高電圧電極１８と接地電極１９の間の降伏電圧に達したとき、２つの電極１８，１９間の空間内の初期プラズマ（第１のプラズマチャネル４２）に点火する高電圧パルス又は高ＤＣ電圧パルス（ＤＣ）を生成する。
【００２６】
プラズマは、とりわけ、電子、イオン、励起粒子及び中性粒子を含む。自由電荷キャリア（電子とイオン）は、最初に、スパークプラグ１２の高電圧電極１８と接地電極１９との間に導電性の第１のプラズマチャネルを形成する（矢印４２）。その後の初期プラズマの空間内にある高周波電圧源１６から第３電極２０への高周波交流電圧の給電によって、高周波電極２０と接地電極１９の間の空間内に初期プラズマが維持される（第３のプラズマチャネル４４）。プラズマは、高周波エネルギーの入力によって、高電圧源１４だけからの高電圧パルスの場合よりも長く維持される。詳細には、プラズマは、第３のプラズマチャネル４４の中心から空間的に拡大する。プラズマによって生成された自由電荷キャリアは、高周波電極２０と接地電極１９の間の高周波プラズマの電流伝送に使用される。したがって、高周波電圧源１６から高周波電極２０への高周波電圧の付加的印加によって、より多くの電力がより長い期間、プラズマ内に導入することができる。これは即ち、電子が連続的に生成され、プラズマ内の自由電子の密度がより長く維持されることを意味し、反応種（とりわけ原子酸素）の永久生成と関連付けられる。原子酸素が著しく増大するので、より有効な燃焼が保証され、特に、燃焼室内の希薄な燃料／空気の混合物の確実な点火又はある一定の燃料消費で高いエンジン出力が可能になる。
【００２７】
第２の代替案では、初期プラズマが、第１電極１８と第３電極２０の間の第２のプラズマチャネル４３、及び第３電極２０と接地電極１９の間の第３のプラズマチャネル４４に形成される。高周波交流電圧が高周波電圧源１６から第３電極２０に供給されるとき、プラズマは、ある期間にわたって維持され、第３のプラズマチャネル４４の中心から空間的に拡大する。
【００２８】
高電圧源１４からの高電圧パルスから高周波電圧源１６を保護するために、保護回路３０が、高周波電極２０と高周波電圧源１６の間に設けられる。初期スパークが常に電極間に自由電荷キャリアを生成するので、高電圧源１４からの高電圧パルスによる初期点火の後でプラズマ内にエネルギーを積極的に結合し続けるために、高周波電圧源の確実な引き継ぎが保証される。
【００２９】
保護回路３０は、例えば、電圧が所定の値、例えば約４５０Ｖを下回っている限り、絶縁効果を有するガス充填サージアレスタを含む。キャパシタンスがわずか約２ｐＦ程度の低容量のため、ガス充填サージアレスタは干渉しない。ガス充填サージアレスタの点火電圧を超えると、抵抗が、数マイクロ秒以内できわめて低い値に低下し、例えば１００ｋＡの電流ピークが消散される。
【００３０】
共通の接地電極１９は、高周波電極２０及び高電圧電極１８の基準電位である。高電圧と高周波電位の分離によって、分離要素３２の絶縁強度の要求基準が大幅に低減される。同時に、このステップによってイグニッションコイルの形態の高電圧源１４の負荷が大幅に軽減され、高電圧の生成が大幅に単純化される。ガソリンエンジンの給気圧力が高くなり小容量になってきている背景から、確実な点火を保証するために十分に高い電圧パルスを生成するという課題が大きくなってきている。更に、イグニッションコイルの容量性負荷をもはや低くする必要がないので、分離要素の反応性構造要素の選択の自由度が高くなる。以前の回路概念と比較して分離要素のキャパシタンスを高くでき、インダクタンスを低減できるので、分離要素の実現を単純化する。
【００３１】
図２において、図１と同じ機能を有する部分は同じ参照記号で示され、したがって、その説明に関しては、上述した図１の説明が参照される。図２における第２の実施形態では、図１における第１の実施形態とは対照的に、保護回路３０は、分離要素３２と高周波電圧源１６の出力２６との間の第２導電路２８にループ接続される。
【００３２】
必要に応じて、保護回路３０及び／又は分離要素３２は、更に、図１と図２に破線で示すように、接地電位４０との電気接続を有する。
【００３３】
必要に応じて、接地電位４０への電気接続を有する保護回路３１は、高電圧源１４の出力２２と第１電極１８との間の第１導電路２４に電気的にループ接続される。これに対応して、この保護回路３１は、図１と図２に破線で示される。保護回路は、ＨＦの接地基準を表すものであり、高電圧を阻止するものではない。
【国際調査報告】
2019511671.tif 000005
2019511671.tif 000006
2019511671.tif 000007
2019511671.tif 000008
2019511671.tif 000009
2019511671.tif 000010