(57)【要約】内燃機関において空気燃料混合気を高周波電気エネルギー源により点火するための装置が提案される。この装置は同軸導波構造体（５）を有し、該同軸導波構造体には高周波電気エネルギーが入力結合され、該同軸導波構造体は一方の端部を以て内燃機関のシリンダのそれぞれの燃焼室に突出している。同軸導波構造体（５）の一方の端部は点火ピン（７ａ）として構成されており、電位が発生する際、燃焼室に突入する電界構造（２２）によって自由プラズマが空気燃料混合気中の、導波構造体（５）から突出した内側導体（７，７ａ）の個所に形成される。
2005536684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関において空気燃料混合気を高周波電気エネルギー源により点火するための装置であって、
同軸導波構造体（５）を有し、該同軸導波構造体には高周波電気エネルギーが入力結合され、
該同軸導波構造体は一方の端部を以て内燃機関のシリンダのそれぞれの燃焼室に突出しており、
当該端部には高電位によってマイクロ波プラズマが形成される形式の点火装置において、
同軸導波構造体（５）の一方の端部は点火ピン（７ａ）として構成されており、
電位が発生する際、燃焼室に突入する電界構造（２２）によって自由プラズマが空気燃料混合気中の、導波構造体（５）から所定の大きさだけ突出した内側導体（７，７ａ）の個所に形成される、
ことを特徴とする点火装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
同軸導波構造体（５）は、入力結合される高周波振動の所定の有効波長（λeff`）に対して、（２ｎ＋１）＊λeff／４  ただしｎ≧０の関係による線路共振器が生じるように構成されており、
高周波振動は容量的、誘導的、双方の混合形式、またはアパーチャ結合により入力結合される。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置において、
同軸導波構造体（５）の一方の端部は、燃焼室内で外側導体（６）と内側導体（７）との間に誘電性材料からなるパッキン（２０）を有し、
該パッキンには軸方向に跳躍的に変化する、および／または滑らかに変化する横断面（２１）が設けられており、
これにより自由プラズマを形成するのに最適の電界構造（２２）が得られる。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
パッキン（２０）は外側導体（６）の切欠部に取り付けられており、該切欠部は端部に向かって跳躍的に変化する横断面拡大部（２１）を有する。
【請求項５】
請求項３または４記載の装置において、
導波構造体（５）の一方の端部の領域では、外側導体（６）の内側輪郭と内側導体（７）の外側輪郭とが所定の領域においてその横断面を相互に相応して滑らかにおよび／または跳躍的に変化する。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項記載の装置において、
発振器（２；３２）または同軸導波構造体（５）から、空気燃料混合気中の自由プラズマの物理量に依存する電気信号が出力結合される。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、
出力結合された電気信号は評価回路でさらに処理され、
該評価回路により、装置の診断、高周波電気エネルギー源の制御および／または所定の動作機能の制御を行う。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の装置において、
小型の点火ユニット（３０）が形成され、
該点火ユニットは共通のケーシングに自励型発振器回路（３２）、さらなる構成素子（３１，３３）および同軸導波構造体（５）を有する。
【請求項９】
請求項８記載の装置において、
自励型発振器回路（２；３２）には増幅器回路（３）が後置接続されている。
【請求項１０】
自励型発振器回路（２；３２）および／または後置接続された増幅器回路（３）は集積半導体回路としてＳｉＣ構成素子またはＧａＮ構成素子により構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による、内燃機関において高周波エネルギー源によって空気燃料混合気を点火するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる点火プラグを用いたこのような空気燃料混合気の点火は、自動車に対する内燃機関の通常の構成部分である。現在使用されている点火システムでは、点火プラグに点火コイルによって十分に高い電圧が供給され、これにより点火プラグの端部の点火火花が内燃機関の燃焼室に形成され、空気燃料混合気の燃焼が開始される。
【０００３】
この従来の点火プラグの動作時には３０ｋＶを越える電圧が発生することがあり、その際、燃焼プロセスによって残滓、例えば煤、オイルまたは炭素並びに燃料とオイルの灰が発生し、これらは所定の熱的条件の下では導電性となる。しかしこの高電圧の際に点火プラグの絶縁体にフラッシュオーバまたは絶縁破壊が発生してはならず、従って絶縁体の電気抵抗は高電圧の発生時にも点火プラグの寿命中は変化してはならない。
【０００４】
例えばＤＥ１９８５２６５２Ａ１から、このような空気燃料混合気を自動車の内燃機関で、同軸線路共振器を使用して点火する点火装置が公知である。ここでは点火コイルが十分に強力なマクイロ波源、例えば高周波発生器と増幅器との組合せにより置換される。幾何学的に最適化された同軸線路共振器は、点火に対して必要な電界強度を点火プラグに類似する線路共振器の開放端部に形成し、プラグの電極間には電圧フラッシュオーバにより点火能力のあるプラズマ区間が形成される。
【０００５】
このような高周波点火は刊行物「SAE-Paper 970071, Investigation of a Radio Frequency Plasma Ignitor for Combustion Engine Use」に記載されている。この高周波ないしマイクロ波点火でも通常の点火コイルなしで、高周波線路共振器のλ／４線路のいわゆるホット端部に、低抵抗の給電することによって高電圧が形成される。
【０００６】
発明の利点
本発明は、空気燃料混合気を内燃機関で高周波電気エネルギー源によって点火するための装置から出発する。この装置は同軸導波構造体を備えており、この導波構造体に高周波電気エネルギーが入力結合され、この導波構造体は端部を以て内燃機関のシリンダのそれぞれの燃焼室に突出しており、この端部に高電位によってマイクロ波プラズマが形成される。
【０００７】
本発明によれば有利には、同軸導波構造体の端部が次のように構成されている。すなわち電位が発生する際に、燃焼室に突入する電界構造によって自由プラズマが空気燃料混合気中で、導波構造体から所定の大きさだけ突出した内側導体と導波構造体の外側導体との間で形成されるように構成されている。突出した内側導体の端部周辺の自由プラズマ雲内では電極間のフラッシュオーバが発生せず、従ってイオン流も流れない。
【０００８】
ここで同軸導波構造体は、入力結合される高周波振動の所定の有効波長λeffに対して次式による線路共振器が発生し、
（２ｎ＋１）＊λeff／４        ただしｎ≧０
高周波振動が例えば容量的結合、誘導的結合、その混合の結合、またはアパーチャ結合により入力結合されるように構成される。ここで有効波長λeffは実質的に、突出する内側導体端部の形状、誘電体の密度、ないしは線路共振器全体の形状によって定められる。
【０００９】
本発明の実施例では、燃焼室内の点火に必要な電界強度が、形状が点火プラグに類似する共振器の開放端部に形成される。このような高周波点火プラグの、従来の点火プラグ使用に対する重大な利点は、とりわけ小型化のための手段によるコストと重量の節約である。このような装置で達成される十分な熱値自由度により、とりわけ形式が多様性するのを阻止することができ、ひいてはコストを低減することができる。
【００１０】
ここで簡単には発振器から、しかし場合により同軸導波体のその他の領域から、空気燃料混合気中の自由プラズマの物理量に依存する電気的測定信号または制御信号を出力結合することにより、基本的には火炎量を調整することができる。これにより点火容積を従来の点火プラグと比較して拡大することができ、火炎フロントを燃焼室に良好に導入することができる。このことによりとりわけ希薄混合気機関およびガソリン直接噴射における点火確実性が向上する。
【００１１】
さらに出力結合された制御信号を微分することにより、燃焼持続時間を制御するという自由度が得られる。出力結合された電気信号は評価回路でさらに処理される。この評価回路により例えば、装置の診断、高周波エネルギー源の制御および／または所定の動作機能の制御を行うことができる。燃焼診断および機関制御の最適化に基づき、点火電極として作用する構造体の摩耗が減少し、さらに不純物、例えば煤を制御して燃焼することもできる。
【００１２】
同軸共振器が全長にわたって一定の円形状の横断面を有するシリンダとして実現される場合、共振器の開放端部を従来のように密閉することにより、ないしは共振器の容積と燃焼室とを分離することにより、材料および幾何形状に依存して、とりわけ密閉の厚さに依存して、格段の電界歪みないしは電界減衰が内側導体の先端端部に発生し、ひいては所要の電界強度に達するための必要電力が増大する。
【００１３】
本発明によれば有利には同軸共振器の横断面積を適切に変化することにより、全長にわたって一定の円形状の横断面を有する共振器に対して必要電力が格段に低減される。すなわち密閉を行わない共振器のレベルを下回るまで低減される。
【００１４】
このために有利には同軸導波構造体の端部は燃焼室に、誘電材料からなるパッキンを外側導体と同軸内側導体との間に有する。このパッキンには、跳躍的に変化する、および／または滑らかに変化する横断面が軸方向に設けられており、これにより請求項１記載の自由プラズマの発生を可能にする最適の電界構造が得られる。ここでプラズマは１つの電極だけに、すなわち突出する内側導体の端部に自由雲として形成され、前に述べたように２つの電極間で不利な火花区間が形成されない。
【００１５】
とりわけ有利にはパッキンは外側導体の切欠部に取り付けられる。この切欠部は端部に向かって跳躍的に変化する横断面拡大部を有する。さらに一方の端部の領域では有利には、外側導体の内側輪郭と内側導体の外側輪郭とが所定の領域においてその横断面を相応して変化する。
【００１６】
この本発明の構成の重大な利点は、共振器の容積と燃焼室とが最適に分離されることであり、同時に密閉作用も得られ、点火に必要な高周波電力が低減される。この本発明のコンセプトは、既存の内燃機関に後から組み込むのにも有利に適する。
【００１７】
特に有利な実施形態によれば、小型の点火ユニットを次のようにして形成することができる。すなわち共通のケーシングに自励型発振器回路と同軸導波体を配置し、自励型発振器回路に増幅器回路を後置接続することができるようにして形成することができる。自励型発振器回路および／または後置接続された増幅器回路は有利には集積半導体回路としてＳｉＣ構成素子またはＧａＮ構成素子により形成される。
【００１８】
このような高周波点火ユニットの小型構造の重大な利点は、構造寸法を低減することができることであり、例えばねじサイズをＭ１４からＭ１０に低減することができ、コストと重量の節約が達成される。なぜなら本来のプラグおよび点火コイルが省略されるからである。従来の点火プラグは物理的理由から寸法を縮小することができないが、本発明により、新たに構成された小型の点火および弁システムをとりわけ高圧縮内燃機関にも実現することができる。この構成素子を装置の同軸幾何形状に組み込めば、ＥＭＣ特性も改善される。
【００１９】
とりわけ出力結合された信号を処理することにより点火特性を制御することと組み合わせると、点火時点および点火持続時間を簡単に可変調整することができる。自由プラズマはとりわけ上記のように火炎サイズを調整することにより、ポジティブに調整することができる。これにより点火確実性が希薄燃焼時およびガソリン直接噴射（ＢＤＥ）の場合でも向上する。
【００２０】
前記の適用に対する発振器回路の構成では、この発振器回路をただ１つの動作状態に対してだけ設計するのではなく、少なくとも２つの基礎となる動作状態、すなわち非点火状態と点火状態が発生し得ることを考慮すべきである。さらにこの２つの状態間の移行領域および付加的な影響パラメータ、例えば温度、煤堆積、並びにさらなる動作パラメータが高周波共振器の共振特性およびインピーダンス特性に不利に作用することもある。このことは従来の構成では、使用可能な電力の一部しか共振器に入力結合されない事態を頻繁に引き起こした。残りの成分は反射および負荷され、または場合によっては発振器回路で使用される電力半導体構成素子を破壊することがある。場合によっては点火が完全に阻止されることもある。
【００２１】
本発明によれば、適切に小型に構成された発振器回路によっていずれの動作状態でも、使用可能な高周波電力の十分な割合が共振器に入力結合されることが簡単に保証される。ここで本発明の発振器を機関近傍に取り付けるために、耐高温性の新たな半導体技術、例えばＳｉＣまたはＧａＮを使用するのが特に有利である。なぜならこれらの素子は例えば２００℃以上の高温でも良好な周波数特性ｆTと、高い電力密度および高い集積密度を特徴とするからである。
【００２２】
図面
本発明の実施例を図面に基づき説明する。
図１は、燃料空気混合気を、共振器としての同軸導波構造体を備える内燃機関で高周波点火するための装置の基本概略図である。
図２は、内燃機関の燃焼室に突出する共振器の端部の構成を示す図であり、内燃機関の燃焼室に突出する共振器の端部のフィールド線も共に示してある。
図３は、自励型発振器、共振器、および高周波振動の共振器への入力結合部を有する点火ユニットのブロック回路図である。
【００２３】
実施例の説明
図１には空気燃料混合気を内燃機関で高周波点火するための装置が示されている。この装置はいわゆる高周波点火プラグ１の構成部材を有する。ここには高周波発生器２と場合により省略できる増幅器３が備えられている。これらはマイクロ波源として高周波振動を形成する。ここには概略的に高周波振動の同軸導波構造体への誘導正入力結合部４が示されている。同軸導波構造体はλeff／４共振器５として構成されており、高周波点火プラグ１の重要な構成部材である。
【００２４】
同軸共振器５は外側導体６と内側導体７からなり、共振器５のいわゆる開放端部またはホット端部８は内側導体７と共に点火に作用する。内側導体はここでは外側導体６に対して絶縁された点火ピン７ａとして示されている。高周波振動のために、燃焼室から離れる側の共振器５の他方の端部、いわゆるコールド端部が短絡を形成する。外側導体６と内側導体７との間の誘電体１０は実質的に空気または適切な非導電材料からなる。共振器５の開放端部８を燃焼室に対して密閉するためにだけパッキン１１が設けられている。このパッキン１１は燃焼室内の温度に耐え非導電性材料からなり、例えばセラミックである。ここでは充填材料１０ないしパッキン１１の誘電特性が共振器５の寸法を定める。
【００２５】
この高周波点火プラグ１では、長さ（２ｎ＋１）＊λeff／４  ただしｎ≧０の同軸共振器５における電界上昇の原理が利用される。十分に強力なマイクロ波源としての発生器２と増幅器３により形成された高周波信号は入力結合部４またはアパーチャ結合部により共振器５に供給される。この入力結合部４は例えば誘導性結合部、容量性結合部、または双方の混合形式の結合部である。短絡部９における電圧節と開放端部８における電圧腹の形成により、ここでは点火ピン７ａに電界上昇が生じ、この電界上昇が明細書冒頭に述べたように自由プラズマを形成する。
【００２６】
本発明の主要な構成部材が図２に示されている。図１のパッキン１１と開放端部８により引き起こされる、内側導体７の先端ないし点火ピン７ａにおける電界歪みないし電界減衰の作用を補償するために、図２のパッキン２０の横断面が共振器５の開放端部８の領域で変化されている。この変化は例えば横断面の跳躍的変化２１ないし滑らかな形状付与、テーパー化等によって行われる。例えば外側導体６の内側輪郭と内側導体７，７ａの外側輪郭とは所定の領域においてその横断面が相応するように変化することができる。
【００２７】
共振器５の一方の端部８の幾何学的寸法は詳細には装置全体のシステムパラメータおよび材料パラメータに依存する。図２には付加的にフィールド線２２が示されており、このフィールド線はパッキン２０の幾何形状を最適化すると、フィールド線分布がどのようになるかを示しており、このようなフィールド線分布により本発明の自由プラズマが最適化される。
【００２８】
図３には高周波点火ユニット３０の基本構成部材がブロック回路図として示されている。この基本構成部材は高周波点火ユニット３１を含み、これについてはすでに図１および図２に基づいて説明した。さらに周波数を決定する自励型発振器３２と、発振器３２の高周波振動を点火装置３１に入力結合する入力結合部３３が示されている。自励型発振器３２には耐高温性の高周波半導体技術に基づく電力トランジスタ、例えば耐高温性のＳｉＣ素子またはＧａＮ素子が使用されている。ここで動作に起因する周波数変動はそれ自体公知の発振器３２の適切な構造により考慮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、燃料空気混合気を、共振器としての同軸導波構造体を備える内燃機関で高周波点火するための装置の基本概略図である。
【図２】図２は、内燃機関の燃焼室に突出する共振器の端部の構成を示す図であり、内燃機関の燃焼室に突出する共振器の端部のフィールド線も共に示してある。
【図３】図３は、自励型発振器、共振器、および高周波振動の共振器への入力結合部を有する点火ユニットのブロック回路図である。
【図１】
2005536684.tif 000003
【図２】
2005536684.tif 000004
【図３】
2005536684.tif 000005
【国際調査報告】
2005536684.tif 000006
2005536684.tif 000007
2005536684.tif 000008
2005536684.tif 000009
2005536684.tif 000010
2005536684.tif 000011