(57)【要約】  本発明は、燃焼室（５）の外部のマイクロ波源（７）内で発生されたマイクロ波放射を燃焼室（５）内へ導入することによって、エンジン（２）の燃焼室（５）内の燃料の燃焼に点火する方法であって、導入されたマイクロ波放射が燃焼室（５）内に分配された燃料によって吸収され、かつ吸収に基づいて生じる、燃料へのエネルギ投入によって燃焼室（５）内で燃焼が大きな体積で分配され、好ましくは燃焼室（５）全体に均一に分配されて、ほぼ同時に点火される、燃料の燃焼に点火する方法と、付属の装置（１）および付属のエンジン（２）に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室（５）の外部のマイクロ波源（７）内で発生されたマイクロ波放射を燃焼室（５）内へ導入することによって、エンジン（２）の燃焼室（５）内の燃料の燃焼に点火する方法であって、
導入されたマイクロ波放射が燃焼室（５）内に分配された燃料によって吸収され、かつ吸収に基づいて生じる、燃料へのエネルギ投入によって燃焼室（５）内で燃焼が大きな体積で分配され、好ましくは燃焼室（５）全体に均一に分配されて、ほぼ同時に点火される、燃料の燃焼に点火する方法。
【請求項２】
マイクロ波放射が、短い時間長さと高いエネルギの１つまたは複数のマイクロ波パルスの形式で導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
エンジン（２）の駆動状態とエンジン（２）への出力要請に従って、マイクロ波パルスの数および／またはその出力、および／またはそのパルス長さ、および／またはその時点が制御されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
好ましくは１〜１０のマイクロ波パルス、特に１〜５のマイクロ波パルスが、好ましくは１ｋＷ〜７０ｋＷの間の出力、１ｎｓ〜２ｍｓの間のパルス期間および１００ｎｓ〜２ｍｓの間のパルス間隔で、使用されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
点火プロセスのために、好ましくは異なる出力および／またはパルス期間を有する複数のマイクロ波パルスが導入され、それらが段階的なエネルギ投入によって、燃焼室（５）内に分配された燃料の、点火温度までの温度上昇のレベリングを保証することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
マイクロ波放射の導入の時間長さ、その出力および場合によってはパルス期間とパルス間隔を選択することによって、燃焼室（５）内のプラズマの発生が阻止されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
エンジン（２）の燃焼室（５）内で燃料の燃焼に点火する装置（１）であって、装置（１）が燃焼室（５）の外部に配置されたマイクロ波源（７）およびマイクロ波源（７）と導入されたマイクロ波窓（１３）を有しており、かつマイクロ波窓（１３）を介してマイクロ波放射が燃焼室（５）内へ導入可能であるので、導入されたマイクロ波放射が燃焼室（５）内に分配された燃料によって吸収可能であり、かつ吸収に基づいて生じる燃料へのエネルギ投入によって燃焼室（５）内に燃焼が大きい体積で分配され、好ましくは燃焼室（５）全体に均一に分配されて、ほぼ同時に点火可能である、燃料の燃焼に点火する装置。
【請求項８】
マイクロ波源（７）が、電気的なエネルギ供給源（６）によって給電され、前記エネルギ供給源が電気的なパルスを供給し、前記電気的パルスがマイクロ波源（７）によってマイクロ波パルスに変換可能であることを特徴とする請求項７に記載の装置（１）。
【請求項９】
マイクロ波源（７）とマイクロ波窓（１３）の間に、好ましくはマイクロ波導管（８、１２）が延びる中に、導入装置（１０）が配置されており、前記導入装置が、マイクロ波源（７）から送出されたマイクロ波をマイクロ波窓（１３）へ伝達するが、燃焼室（５）内で反射されたマイクロ波をマイクロ波源（７）内へ戻るようには伝達しないことを特徴とする請求項７または８に記載の装置（１）。
【請求項１０】
導入装置（１０）がスリーゲート、特にサーキュレータ（１０）を有しており、その第１のゲートにマイクロ波源（７）が、その第２のゲートにマイクロ波窓（１３）が、そしてその第３のゲートに好ましくはパッシブなマイクロ波負荷（１９）が接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置（１）。
【請求項１１】
マイクロ波窓（１３）が、セラミック材料を有し、あるいは完全にセラミック材料からなることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
マイクロ波源（７）がマイクロ波窓（１３）と、好ましくは可撓性のマイクロ波導管（８、１２）を介して接続されていることを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１３】
エンジン（２）の燃焼室（５）内で燃料の燃焼に点火するための、請求項７から１２のいずれか１項に記載の装置（１）を有するエンジン（２）。
【請求項１４】
エンジンがオットーエンジン、ロータリーピストンエンジン、ＳＩＤＩ（Spark Ingition Direct Injection）エンジンまたはディーゼルエンジンであって、かつ
燃料−空気−混合気が燃焼室（５）内で点火されることを特徴とする請求項１３に記載のエンジン（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの内燃機関内で燃料の燃焼に点火する方法および付属の装置と付属のエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
点火プロセスは、内燃機関の効率に著しい影響を有し、特にエンジン出力が予め定められている場合には燃料消費と有害物質放出も決定的に定めるので、すでに過去において点火プロセスを最適化するための無数の努力がなされている。今日最も普及している点火装置は、燃料−空気−混合気に点火する、点火プラグを使用している。この点火プラグは、１つまたは複数の電極を有することができる。これらの電極の各々が点火火花を発生し、それが電極を直接取り巻く燃料−空気−混合気に点火する。従って燃焼は、まず、点火プラグの電極を中心とする極めて小さい開始体積で開始される。それに続いて燃焼が、もちろん制限された速度で拡がる。
【０００３】
特許文献１と特許文献２には、グロープラグが記載されており、それは点火に必要なエネルギ消費を削減するためにグロー部分の触媒表面コーティングを有している。その欠点は、一方で、必要な触媒物質により製造コストが増大しており、他方では燃焼プロセスが余り最適化されていないことである。特許文献３と特許文献４は、特に大きい点火火花を発生させる点火装置を記述している。
【０００４】
特許文献５は、２室点火方法を記述しており、同方法において燃料−空気−混合気は第１の小さい点火室内で点火源によって点火されて、生じる火炎伝播によって次に燃料−空気−混合気がより大きい室内、本来のシリンダ内で点火される。特許文献６は２室点火方法のさらなる展開を記述しており、その展開においてイオン化された水と燃料からなる混合物が磁場と複数の点火ロッドを用いて点火される。２室混合方法に共通なのは、それが高い構造的および製造の手間と費用を必要とすることである。
【０００５】
特許文献７と特許文献８からは、点火方法が知られており、それらにおいてマイクロ波エネルギが、燃焼室内にプラズマを発生させるために使用され、そのプラズマが燃料−空気−混合気に点火する。プラズマの発生は、共振モードの形成に関する狭い周辺条件の維持に本質的に依存しており、それが特にエンジンの往復移動するピストンに関して著しい構造的複雑さをもたらす。さらに、マイクロ波送信器がエンジン内のピストン運動の距離を制限する。同様なことが、特許文献９についても言える。
【０００６】
特許文献１０は、プラズマを発生させるためのマイクロ波エネルギとレーザーエネルギの導入の組合わせを記述している。それによって点火装置と点火方法および付属のエンジンの複雑性がさらに増大する。同様なことが、マイクロ波プラズマによる点火と霧化された燃料−空気−混合気の磁気的なイオン化の組合わせを記述する、特許文献１１についても言える。
【０００７】
既知の方法に共通なのは、それらが複雑で、従ってコストがかかり、保守に手間のかかる構造を必要とし、さらに制限された寿命しか持たないことである。燃焼プロセスと、従ってそれによって駆動されるエンジンの能力と効率は、さらに制限されている。その上、有害物質放出が十分に減少されていない。特に、燃料消費を減少させるために行われる、燃料−空気−混合気の希薄化によって、より低い燃焼温度が生じ、それがより低いパワーをもたらす。より低い燃焼温度が、さらに、増大された有害物質放出をもたらす。
【特許文献１】ＤＥ１９５２７８７３Ａ１
【特許文献２】ＵＳ５１３６９９４
【特許文献３】ＵＳ４７７４９１４
【特許文献４】ＵＳ６５９５１９４
【特許文献５】ＵＳ４１１３３１５
【特許文献６】ＵＳ４４９９８７２
【特許文献７】ＵＳ５６７３５５４
【特許文献８】ＵＳ５６８９９４９
【特許文献９】ＵＳ５８４５４８０
【特許文献１０】ＵＳ５９８３８７１
【特許文献１１】ＵＳ６５８１５８１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の課題は、従来技術の欠点を克服する、エンジンの燃焼室内で燃料の燃焼に点火する方法と付属の点火装置および付属のエンジンを提供することである。特に点火は、本発明に従って、最適化された燃焼推移が生じるように、特に、予め出力が定められている場合に、減少された燃料消費と減少された有害物放出が生じるように、行われる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１に定められた方法によって、かつ並置された請求項に定められた装置およびエンジンによって、解決される。本発明の特別な実施形態が、従属請求項に定められている。
【００１０】
本発明は特に、燃焼室の外部のマイクロ波源内で発生されたマイクロ波放射を燃焼室内へ導入することによって、エンジンの燃焼室内の燃料の燃焼に点火する方法に関するものであって、導入されたマイクロ波放射が燃焼室内に分配された燃料によって吸収され、かつ吸収に基づいて生じる、燃料へのエネルギ投入によって燃焼室内で燃焼が大きな体積で分配されて、ほぼ同時に点火され、好ましくは燃焼室全体に均一に分配されて、ほぼ同時に点火される。
【００１１】
通常、燃焼室内には燃料と酸素源からなる混合気、たとえば燃料−空気−混合気が存在する。シリンダ内でピストンの運動によって、さらに、燃料−空気−混合気が点火プロセスの間にしばしば圧縮される。マイクロ波放射の導入は、好ましくは、燃焼室内にできるだけ均質なエネルギ密度分布が生じるように、行われる。そのために、マイクロ波窓を比較的大面積にすることができ、あるいは小面積のマイクロ波窓を使用することができる。後者の場合においては、通常円筒状の燃焼室内へマイクロ波放射が入射する入射箇所に、等方性の方向特性を有する、燃焼室内へのマイクロ波の入射をもたらす、ディフューザ装置を設けること、たとえば適当な平面的な点構造、線構造または格子構造を設けることが効果的な場合がある。場合によっては、ディフューザの形態によって燃焼室内に予め定めることのできるエネルギ密度分布を達成することができる。
【００１２】
マイクロ波の波長は、好ましくは０．１ｃｍ〜４５ｃｍの間、特に１ｃｍ〜１５ｃｍの間、そして典型的には３ｃｍ〜１０ｃｍの間にある。本発明の好ましい実施形態において、マイクロ波はパルス状に導入され、そのために１つまたは複数のマイクロ波パルスを使用することができる。マイクロ波パルスの出力は、それぞれの適用場合に依存し、たとえば１キロワット〜７０ｋＷの間とすることができる。パルス長さは、たとえば１ｎｓｅｃ〜２ｍｓｅｃの間で行うことができ、複数のマイクロ波パルスの場合のパルス間隔は、典型的には１００ｎｓｅｃ〜２ｍｓｅｃの間にある。
【００１３】
供給されたマイクロ波エネルギは、全燃料−空気−混合気を同時かつ均一に点火するために使用される。ピストン運動の速度に関してパルス長さが比較的短いことによって、パルス長さの間の燃焼室の体積の変化は、無視できるくらい小さい。マイクロ波パルスの出力は、燃焼室内へ十分な点火エネルギが導入されるように、十分に高く選択されなければならない。
【００１４】
供給されたマイクロ波エネルギによって、燃料−空気−混合気内に存在する燃料小滴が点火温度まで加熱され、それによって混合気が点火される。従来技術とは異なり、本発明においては、プラズマの発生は回避される。
【００１５】
既知の点火システムとは異なり、本発明においては、点火は、燃焼室内の予め定められた唯一の場所において行われず、従って次に比較的低速で拡がる必要はなく、好ましくは燃焼室全体において燃料−空気−混合気全体がほぼ同時かつ均一に点火される。
【００１６】
既知の点火方法においては、燃焼室内の燃料−空気−混合気の燃焼プロセスは、２つの段階で遂行される：第１の、比較的低速の、いわゆる層流の段階において、層流の速度がエンジンの燃焼プロセスの速度とそれに伴って効率を大幅に制限する。希薄化された混合気組成を有する最近の内燃機関の典型的な層流火炎速度は、約１０ｃｍ／ｓｅｃである。層流の段階に、第２の段階として、いわゆる乱流の燃焼段階が続く。できるだけ効率を高くする視点の元で、第２の乱流の燃焼段階はできるだけ迅速に達成されなければならない。従来技術に基づく幾つかの努力は、それに集中しているが、依然として第２の段階に達するために、第１の段階の経過が必要である。
【００１７】
それとは異なり、本発明によれば、第１の低速の層流の燃焼段階が完全にスキップされて、点火が直接第２の迅速な乱流の燃焼段階をもたらす。
【００１８】
本発明は、本発明に基づく方法を実施するための点火装置にも関する。電気的なエネルギ供給源として、好ましくはパルス高圧網部分が考えられ、それがマイクロ波パルスに必要なエネルギを準備する。マイクロ波源として、たとえばマグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン、進行波管（Travelling Wave Tube TWT）などを使用することができる。場合によるマイクロ波接続は、反射とパワー損失をできるだけ小さく抑えるために、その寸法に関してマイクロ波源の波長に適合される。場合によっては、マイクロ波導管をフレキシブルに形成することもできる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、マイクロ波源とマイクロ波窓との間に導入装置が配置されており、その導入装置は、一方で、マイクロ波源から送出されたマイクロ波をマイクロ波窓へ伝達するが、他方では、燃焼室から反射されたマイクロ波を、マイクロ波源へ戻るように伝達はしない。特にこの導入装置はスリーゲート、特にサーキュレータを有することができ、その第１のゲートにマイクロ波源が、その第２のゲートにはマイクロ波窓が、そしてその第３のゲートには好ましくはパッシブなマイクロ波負荷が接続されている。サーキュレータは、マイクロ波源からマイクロ波エネルギを燃焼室へ案内し、同時に燃焼室から再放射されたマイクロ波エネルギをパッシブなマイクロ波負荷へ案内する機能を有しており、そのマイクロ波負荷が燃焼室から反射されたマイクロ波エネルギを吸収する。それによってマイクロ波源が、反射されたマイクロ波放射から保護される。サーキュレータは、再放射されたマイクロ波エネルギの削減の機能を改良するために、ガス充填された放電子を有することができる。
【００２０】
マイクロ波窓は、マイクロ波エネルギをほぼ透過し（特に高いマイクロ波出力が通過移送され）、他方で燃焼室を外部に対して密封する。マイクロ波窓の可能な実施形態は、セラミックディスク、サファイアガラスまたは他の適切な材料からなるディスクにある。さらに、マイクロ波窓は、好ましくはその表面に、たとえば金属の構造を設けることによって、たとえば平面的または三次元の構造を有することができ、その構造によって燃焼室内へのマイクロ波エネルギの予め定めることのできる放射特性が保証されている。
【００２１】
本発明は、また、本発明に基づく点火方法に従って働く点火装置を有するエンジンに関する。好ましい実施形態において、エンジンは、燃料−空気−混合気が燃焼室内で点火される、オットーエンジン、ロータリーピストンエンジン、ＳＩＤＩ（Spark Ingition Direct Injection）エンジンまたはディーゼルエンジンである。
【００２２】
本発明は、燃焼室全体において燃料−空気−混合気の同時かつ均一な点火と燃焼によって第１の低速の層流燃焼段階が生じず、点火の際に第２の迅速な乱流の燃焼段階が直接開始されることによって、本発明に基づくエンジン内で燃料−空気−混合気の最適な燃焼をもたらす。そのために、燃焼室全体に小さい乱流の、互いに独立して拡がる点火および燃焼ゾーンが、極めて大きい数でほぼ同時に、発生される。従って燃焼室全体内で燃料−空気−混合気がほぼ同時に点火されて、次に燃焼される。
【００２３】
複数のマイクロ波パルスの使用によって、燃料−空気−混合気内に存在する燃料小滴が点火温度に達するまで段階的に加熱される。それによって原則的に望ましくない、燃焼室内の異なる温度領域が防止される。というのは、温度を段階的に少しずつ上げることが、燃焼室内の混合気全体の均一化とそれに伴って最終効果において実際に同時かつ均一な点火をもたらす。さらに、多重パルスによって、原則的に同様に望ましくないプラズマ発生が防止される。
【００２４】
本発明の他の利点、特徴および詳細は、従属請求項と以下の説明から明らかにされ、その説明において図面を参照しながら複数の実施例が詳細に説明される。請求項および説明で述べられた特徴は、それぞれそれ自体単独で、あるいは任意の組合わせにおいて発明の本質であり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、単に図式的に示されているエンジン２のための、本発明に基づく点火装置１を、同様に図式的に示しており、そのエンジンのうちのシリンダ３とその中で往復移動するピストン４だけが示されている。ピストン４とシリンダ３が燃焼室５を画成し、その中に燃料−空気−混合気が、理想的には均一に分配されている。図１の表示において、ピストン４はほぼ上死点にある。
【００２６】
点火装置１は、まず、パルス高圧網部分６を有し、そのエネルギによってマイクロ波源７が駆動される。好ましくは可撓性のマイクロ波導管８の第１の片が、サーキュレータ１０の第１の接続フランジ９とフランジ状に結合されている。サーキュレータ１０は、第１の接続フランジ９とは反対の側に、第２の接続フランジ１１を有しており、それが第２のマイクロ波導管１２とフランジ状に結合されており、そのマイクロ波導管も同様に好ましくは可撓性であって、マイクロ波窓１３へ通じている。
【００２７】
マイクロ波窓１３は、燃焼室５内へのマイクロ波の入射が、燃焼室５内できるだけ均質なエネルギ密度分布が生じるように行われるように、シリンダ３の外側面に固定されている。好ましい実施例においては、マイクロ波窓１３はセラミックディスクからなり、それがシリンダ３内に、燃焼室５が外側へ向かって密閉されているように、挿入されている。マイクロ波窓１３は、特にその、燃焼室５に向いた側に構造１４を有することができ、その構造によって燃焼室５内へのマイクロ波の拡散する入射特性が保証される。
【００２８】
サーキュレータ１０によって、矢印１５で表されるエネルギの流れに従って、第１の接続フランジ９を介して供給されたマイクロ波エネルギが実際に減衰されずに第２の接続フランジ１１を介してマイクロ波窓１３へ供給され、従って燃焼室５内へ導入される。燃焼室５内で生じる反射が、第２のマイクロ波導管１２を介して、かつ第２の接続フランジ１１内へのマイクロ波エネルギの再放射をもたらすことができる。もちろんこの場合に、サーキュレータ１０が、矢印１６に示すマイクロ波エネルギの搬出、従って第１の接続フランジ９内へ戻るのではなく、第３の接続フランジ１７を介しての搬出を保証し、その接続フランジに第３のマイクロ波導管１８が接続されており、それが反射されたエネルギ流をパッシブなマイクロ波負荷１９へ案内する。サーキュレータ１０の接続フランジ９、１１、１７は、図１の表示とは異なり、それぞれ１２０°の角度間隔で対称に配置することもできる。
【００２９】
本発明に基づく点火方法が、本発明に基づく点火装置によって内燃機関においてテストされた。内燃機関は、４本のシリンダと１、３００ｃｍ３の体積を有する４サイクルオットーエンジンであった。エンジン出力は、６３馬力（４６．６ｋＷ）であった。従来の点火システムによって駆動する場合には、燃焼消費は１００ｋｍにつき約６．５リットルであった。
【００３０】
この直列エンジンにおいて、点火プラグが除去され、その代りにセラミックのディスクがシールおよびマイクロ波窓として挿入された。点火装置１の構造は、図１の構造に相当する。内燃機関は、機械的に電気ジェネレータと結合されており、従ってエンジン出力を定めることが可能であって。ジェネレータに、水熱量計内に位置するオーム負荷が接続されていた。
【００３１】
図２から４は、燃料−空気−混合気内の燃料量の減少（希薄化）に従ってエンジンの出力を、３つの異なる駆動領域、すなわち全負荷（図２）、半負荷（図３）および３分の１負荷（図４）において示している。希薄化のファクターは、図２から４の表示において１／１から始まって１／４．５まで、燃料割合が減少された、分数部分である。本発明に基づく点火装置によって駆動した場合に、混合気の中の燃料割合は全負荷においてさえ、出力を減少させることなしに、ファクター３だけ希薄化することができる。３分の１負荷の場合には、このファクターは特に３．５である。
【００３２】
図５は、本発明に基づくエンジンの排ガス内の一酸化炭素（ＣＯ）含有量の減少を、燃料−空気−混合気内の燃料の減少に従って示している。ファクター１においてすでに、０．０５体積％を有するＣＯの濃度は、この値が約０．２０体積％である、従来の点火装置を有する標準エンジンの場合よりもずっと小さい。ファクター３だけ希薄化した場合には、ＣＯ含有量はさらに、０．０２体積％まで減少する。これは、ＣＯ排出量がファクター１０だけ減少することを意味している。ほぼ等しい出力において、本発明に基づく点火方法による消費は、１００ｋｍでガソリン約２．３リットルであって、従って従来の点火方法による消費に比較して、約３分の１である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に基づく点火装置の構造を図式的に示している。
【図２】燃料−空気−混合気内の燃料量の減少（希薄化）によるエンジンの出力の変化を示すグラフである。
【図３】燃料と空気の混合気内の燃料量の減少（希薄化）によるエンジンの出力の変化を示すグラフである。
【図４】燃料と空気の混合気内の燃料量の減少（希薄化）によるエンジンの出力の変化を示すグラフである。
【図５】希薄化によるエンジンのＣＯ含有量の変化を示している。
【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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【国際調査報告】
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