(57)【要約】【課題】ガソリンエンジンの構造を大きく変更することなく、空燃比を改善する。電磁波を出力する第１及び第２出力部を有する電磁波発生装置と、前記第１出力部から入力された電磁波を昇圧する電磁波共振構造からなる昇圧手段と該昇圧手段の出力側に設けられた放電部とを有する放電装置と、前記第２出力部から入力された電磁波を放射する放射装置を備える。電磁波発生装置は、放電装置からの反射波が所定値を超えた場合に、前記第１出力部からの出力を減らす一方、前記第２出力部からの出力を増加させる。【選択図】図７
2016108283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を出力する第１及び第２出力部を有する電磁波発生装置と、
前記第１出力部から入力された電磁波を昇圧する電磁波共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部と、を有する放電装置と、
前記第２出力部から入力された電磁波を放射する放射装置を備え、
電磁波発生装置は、放電装置からの反射波が所定値を超えた場合に、前記第１出力部からの出力を減らす一方、前記第２出力部からの出力を増加させる点火システム。
【請求項２】
電磁波発生装置は、
第１電磁波と、第２電磁波を出力する電磁波発振器と、
第１電磁波の位相を４分の１波長シフトさせた波と第２電磁波の位相を２分の１波長シフトさせた波の合成波を前記第１出力部から出力させる一方、第１電磁波の位相を２分の１波長シフトさせた波と第２電磁波の位相を４分の１波長シフトさせた波の合成波を前記第２出力部から出力させる結合器と、
電磁波発振器と結合器の間に設けられ、第１及び第２電磁波間の位相差を変更する可変位相器と、
放電装置からの反射波の変化を検出する反射波検出部を備え、
反射波検出部で検出された反射波の変化に応じて、可変位相器が制御される、請求項１に記載の点火システム。
【請求項３】
反射波検出部で検出された反射波の変化に応じて、第１電磁波を第２電磁波に対して１８０度遅相させるか、１８０度進相させるかを切り替える、請求項２に記載の点火システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の点火システムを備えた、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に用いられる点火システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関においては、従来より、スパークプラグ等の点火プラグが用いられている。【０００３】
近年、電気のみを動力として用い、気体燃料や液体燃料を用いない電気自動車や、二酸化炭素の排出量が少ない天然ガス等を燃料に用いた自動車が実用化されている。しかし、ガソリン車に比較して車体本体が高価であったり、充電スタンド・天然ガススタンドといったインフラが不十分であったりすることに起因して、これらの自動車の普及はなかなか進んでいない。【０００４】
従って、未だにガソリン車に対する需要もまだまだ多く、ガソリン車においても空燃比を改善するための様々な技術開発が現在でも盛んに行われている。【０００５】
その一環として出願人は、内燃機関にプラズマ技術を適用することにより、空燃比の改善を図る技術を提案し、またその開発を進めてきた（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８７６２１７号公報
【特許文献２】特願２０１３−１７１７８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
更に出願人は、入力されたマイクロ波を昇圧させて放電を生じさせる、新たなタイプの点火プラグを開発した（特許文献２）。この点火プラグでは、マイクロ波を電源として用いるので、高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができる。これは、従来のスパークプラグでは実現できなかったことであり、この新しい点火プラグを用いることで、空燃比を改善することができている。【０００８】
しかし、この点火プラグでは、マイクロ波の共振構造を採用する関係上、従来のスパークプラグよりも小型であるため、プラズマを生成できる範囲が小さい。従って、大型のエンジン等に用いる場合や運転負荷が大きい場合など、十分な大きさのプラズマを発生させることができない場合がある。【０００９】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の点火システムは、電磁波を出力する第１及び第２出力部を有する電磁波発生装置と、前記第１出力部から入力された電磁波を昇圧する電磁波共振構造からなる昇圧手段と該昇圧手段の出力側に設けられた放電部とを有する放電装置と、前記第２出力部から入力された電磁波を放射する放射装置を備える。電磁波発生装置は、放電装置からの反射波が所定値を超えた場合に、前記第１出力部からの出力を減らす一方、前記第２出力部からの出力を増加させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の点火システムによれば、マイクロ波を電源とする放電装置を用いるので、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができ、空燃比を改善させることができる。更に、着火、燃焼をアシストするマイクロ波放射装置も併せて用いるので、十分な強度のプラズマを生成させることができる。また、本発明の点火ユニットは小型の点火プラグにアンテナを一体化させた構成であるから、シリンダヘッドに挿入可能な大きさである。従って、エンジンの形状や仕様を大きく変更することなく、本発明の点火ユニットをガソリンエンジン等の内燃機関で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る点火システムの概略ブロック図。
【図２】第１実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。
【図３】第１実施形態に係る放電装置の一部断面の正面図。
【図４】第１実施形態に係る放電装置の等価回路。
【図５】第１実施形態に係る放射装置の一部断面の正面図。
【図６】第１実施形態に係る放射装置のアンテナ部に係る正面図。
【図７】第１実施形態に係る電磁波発生装置の概略ブロック図。
【図８】第２実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。
【図９】第３実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図
【図１０】第４実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。
【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、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】
（第１実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る点火システム１０は、放電装置２、放射装置３、これらにマイクロ波を供給する電磁波発生装置５と、電磁波発生装置５を制御する制御装置６からなる。放電装置２は、出願人が開発した一種の点火プラグであり、詳しくは後述する。放射装置３はマイクロ波を放射する。点火システム１０では、先ず放電装置２による放電により、内燃機関の燃焼室の燃料を点火する。次に、火炎を拡大させるために放射装置３からマイクロ波を放射させる。
【００１５】
図２に示すように、放電装置２と放射装置３は、ケーシング４に収容され、一体化された点火ユニット１Ａを構成する。点火ユニット１Ａは、シリンダヘッドの取付口にケーシング４ごと挿入することができる。特に本実施形態の点火ユニット１Ａは、ガソリンエンジンで広く用いられているスパークプラグに置き換わることを想定しているため、いわゆるＭ１２のプラグホールに挿入可能な大きさである。つまり、放電装置２は直径が５ミリ程度、放射装置３も同じく直径が５ミリ程度である。なお、ケーシング４には、放電装置２と放射装置３をそれぞれ挿入するための挿入口が２つ設けられており、放電装置２と放射装置３の先端部分はエンジンの燃焼室内に露出するように、各挿入口の形状が設計される。また、ケーシング４の材料は、放電装置２、放射装置３の放熱を優先させるのであれば、熱伝導率の高い金属を採用するのが好ましい。一方、放電装置２と放射装置３の間の絶縁特性を優先させるのであれば、セラミック等の絶縁体を用いることが好ましい。但し、エンジンに用いられるのであるから耐熱性の高い材料を使用すべきであることは言うまでもない。
【００１６】
なお、点火ユニット１Ａは、レシプロエンジンに限らずロータリーエンジンに用いてもよい。ロータリーエンジンに使用する場合、放電装置２と放射装置３の先端部分が燃焼室に露出していると、ロータリーエンジンのロータが接触して危険であるから、放電装置２と放射装置３の先端部分は燃焼室内には露出しない構成とすべきである。
【００１７】
放電装置２は、Microwave Discharge Igniter （ＭＤＩ：登録商標）とも呼ばれ、外部（電磁波発生装置５）から入力された２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波が共振する構造となっており、共振によりマイクロ波が昇圧されて先端部（放電部）が高電圧となることで放電が起きる構成となっている。この点で、通常のスパークプラグとは大きく相違する。
【００１８】
図３を参照して、放電装置２の構成の詳細を説明する。放電装置２は、マイクロ波
が入力される入力部分２ａ、通常５０Ω系で設計された電磁波発生装置５やマイクロ波を伝送する同軸ケーブルと、放電装置２の共振構造部分とのインピーダンス整合を行うための部分である結合部分２ｂ、及びマイクロ波共振構造で形成されマイクロ波の電圧の増幅を行う増幅部分２ｃからなる。また、増幅部分２ｃの先端部には放電電極２６を有する。放電装置２は導電性の金属からなる筒状のケース２１により内部の各部材が収容される。
【００１９】
入力部分２ａには、電磁波発生装置５で生成されたマイクロ波を入力する入力端子２２と、第１中心電極２３が設けられる。第１中心電極２３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極２３とケース２１の間には誘電体２９ａが設けられる。誘電体２９ａは、例えばセラミック材料で形成される。
【００２０】
結合部分２ｂは、第１中心電極２３と、第２中心電極２４が設けられる。この結合部分２ｂは、上述の通り、インピーダンス整合を行うために設けられている。第２中心電極２４は、増幅部分２ｃ側に底部を有する筒状構成であり、筒状部が第１中心電極２３を囲む。棒状の第１中心電極２３と筒状の第２中心電極２４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極２３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極２４へ伝送される。第２中心電極２４の筒状部分には、セラミック等の誘電体２９ｂが充填され、第２中心電極２４とケース２１の間にもセラミック等の誘電体２９ｃが設けられる。
【００２１】
増幅部分２ｃには、第３中心電極２５が設けられる。第３中心電極２５は、第２中心電極２４と接続しており、第２中心電極２４のマイクロ波が伝送される。放電電極２６は、第３中心電極２５の先端部に取付けられる。第３中心電極２５とケーシング２１の間にはセラミック等の誘電体２９ｄが充填される。但し、後述のように、放電容量Ｃ３を調整する目的で、第３中心電極２５とケーシング２１の間には誘電体２９ｄが充填されない空洞部２７が設けられる。第３中心電極２５はコイル成分を有しており、マイクロ波の電位は第３中心電極２５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極２６とケース２１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極２６とケース２１の間で放電が起きる。また、第３中心電極２５の長さはおおよそマイクロ波の４分の１波長の長さである。但し、ここで４分の１波長とは、中心電極の屈折率等も加味した上での長さであり、単純にマイクロ波の波長の４分の１の長さという意味ではない。このような長さとした上で、一例として、第３中心電極２５と第２中心電極２４の境界部分にマイクロ波の節が来るように調整／設計すれば、放電電極２６が存する第３中心電極２５の先端部ではマイクロ波の腹が位置するので、この箇所で電圧を大きくなるようにすることができる。勿論、実際には、様々な要因があり、必ずしもこのような設計が好ましいとは限らないが、本実施形態では、基本的にはこのような考え方に基づいて設計がなされている。
【００２２】
そして、放電電極２６と、ケース２７の間には環状の空間が形成されており、この空間で放電が生じる。つまり、放電が全方位で行われる。この点、放電電極と接地電極間でいわゆる一点放電を行うスパークプラグとは相違している。
【００２３】
図４は、放電装置２の等価回路を示す図である。外部の発振回路（ＭＷ）から入力さ
れるマイクロ波（電圧Ｖ１、周波数２．４５ＧＨｚ）は容量Ｃ１を介して、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２からなる共振回路に接続される。また、容量Ｃ３と並列に放電が設けられる。
【００２４】
ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極２４と第１中心電極２３の位置関係（両電極間の距離や対向する面積）や電極間に充填される材料（本例ではセラミック構造の誘電体２９ｂ）により決まる。第１中心電極２３は、インピーダンスの調整を容易にすべく、その軸芯方向に移動可能な構成としても良い。
【００２５】
容量Ｃ２は、第２中心電極２４とケース２１によって形成される接地容量であり、第２中心電極２４とケース２１との距離や対向面積、及び誘電体２９ｃの誘電率によって決まる。ケース２１は導電性の金属で構成されており、接地電極としても機能する。
リアクタンスＬは、第３中心電極２５のコイル成分に相当する。
【００２６】
容量Ｃ３は、第３中心電極２５、放電電極２６及びとケース２１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極２６の形状、大きさ及びケース２１との距離、（２）第３中心電極２５とケース２１との距離、（３）第３中心電極２５とケース２１の間に設けた間隙（空気層）２７や誘電体２９ｄの厚み、等で決まる。Ｃ２＞＞Ｃ３とすれば、容量Ｃ３の両端の電位差をＶ１よりも十分に大きくすることができ、その結果、放電電極２６を高電位にすることができる。更にはＣ３を小さくすることができるから、コンデンサの面積も小さくて済む。なお、容量Ｃ３は実質的には、第３中心電極２５とケース２１のうち、誘電体２９ｄを挟んで対向する部分によって決まる。逆に言えば、間隙（空気層）２７の軸方向の長さを変えることで容量Ｃ３の調整を行うこともできる。  
【００２７】
結合容量Ｃ１が十分に小さいと看做せる場合、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２は直列共振回路をなし、共振周波数ｆは数式１で表現できる。
【数１】
2016108283.tif 000003
【００２８】
つまり、ｆ＝２．４５ＧＨｚとした場合に、放電容量Ｃ３、コイルリアクタンスＬ、及び接地容量Ｃ２が数式１の関係を満たすように放電装置２は設計される。
【００２９】
上述のように放電装置２は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（放電装置２に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放
電電極２６と接地電極（ケース２１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火する。
【００３０】
また、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、放電装置２は、小型化に有利である。このように小型化できるから、後述する放射装置３と組み合わせても、従来のスパークプラグと同等の大きさとすることができる。また、昇圧方式を採用する結果、放電装置２のうち、放電電極２６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。
【００３１】
更には、放電装置２はマイクロ波により駆動するから、制御装置６（図１参照）が電磁波発生装置５を制御することで間接的に放電装置２を自由に制御することができる。つまり、電磁波発生装置５によるマイクロ波の生成タイミングを制御することにより、放電装置２の放電タイミングを自由に制御できる。リアクタンスの大きい点火コイルを使用する通常のスパークプラグでは、高速な応答は困難であり、連続的な放電を行うことが難しい。一方、放電装置２はマイクロ波により駆動するため高速な応答が可能であり、電磁波発生装置５を自由に制御することにより、任意のタイミングで高周波の、あたかも連続的な放電を生じさせることができる。従って、様々な制御が可能である。
【００３２】
以上のように、本実施形態の放電装置２は、従来のスパークプラグとは大きく相違する。
【００３３】
次に図５を参照して、放射装置３は、大きくは、マイクロ波を燃焼室に放射するアンテナ部３５と、電磁波発生装置５からのマイクロ波をアンテナ部３５へ伝送する伝送路３０とに分かれる。
【００３４】
また、図５では示されていないが、伝送路３０からアンテナ部３５へマイクロ波を供給する給電部を有しており、伝送路３０は、給電部に対して着脱自在とすることもできる。なお、伝送路３０は、同軸の伝送路であり、マイクロ波を伝送する中心導体３１と、グラウンド（接地部）として機能すると共に、マイクロ波が外部に漏えいすることを防ぐための外側導体３２が設けられている。また、中心導体３１と外側導体３２はセラミック等の絶縁体が充填され、また、外側導体３２の外側には例えば弾性体からなる絶縁体により包まれている。
【００３５】
アンテナ部３５は、例えば図６に示すように、セラミック基板上に渦巻き状の金属パターン３５ａを印刷等することにより形成することができる。
【００３６】
なお、上記実施形態の放射装置３は、単なる一例に過ぎず、燃焼室にマイクロ波を放射することができるものであれば、上記の実施形態に限られない。
【００３７】
図７を参照して、電磁波発生装置５の構成を説明する。電磁波発生装置５は、発振器５１、可変位相器５２、アンプ５３Ａ、５３Ｂ、サーキュレータ５４Ａ、５４Ｂ、結合器５５、検出器５６からなる。
【００３８】
発振器５１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する発振器である。発振器５１は、発振したマイクロ波をアンプ５３Ａと可変位相器５２に出力する。
【００３９】
可変位相器５２は発振器５１から出力されたマイクロ波の位相を変更する。この変更は検出器５６からの出力又は制御装置６からの指示に基づいて行われる。詳しくは後述する。
【００４０】
アンプ５３Ａは発振器５１から出力されたマイクロ波を増幅し、アンプ５３Ｂは可変位相器５２から出力されたマイクロ波を増幅する。一例として、振幅３２［Ｖ］のマイクロ波を１［ｋＷ］程度のマイクロ波に増幅して出力する。
【００４１】
アンプ５３Ａと結合器５５の入力端子ｉｎ１の間にはサーキュレータ５４Ａが挿入され、アンプ５３Ｂと結合器５５の入力端子ｉｎ２の間にはサーキュレータ５４Ｂが挿入される。サーキュレータ５４（５４Ａ、５４Ｂ）は三端子のサーキュレータであり、同図の端子（１）から入力されたマイクロ波は端子（２）から出力され、端子（２）から入力されたマイクロ波は端子（３）から出力される。従い、各アンプ５３から各サーキュレータ５４の端子（１）に入力されたマイクロ波はそれぞれ端子（２）から結合器５５に出力される。
【００４２】
一方、後述するように、放電装置２や放射装置３からの反射波が結合器５５に戻り、更にアンプ５３側へ逆流する場合がある。サーキュレータ５４では、結合器５５から各サーキュレータ５４の端子（２）に入力された反射波を端子（３）側へ出力し、アンプ５３が接続される端子（１）側には反射波が出力されないので、反射波のアンプ５３への逆流を防止し、アンプ５３の回路保護を図ることができる。
【００４３】
また、端子（３）の出力側に電流検出器５６を設けることにより、放電装置２や放射装置３からの反射波の大小を検出することができる。後述するように、放電装置２が放電している場合は結合器５５側に戻ってくる反射波が大きくなる。従って、放電装置２がオンの（放電装置２にマイクロ波を供給している）場合に検出器５６の電流値を検出すれば放電装置２の放電状況を推定することができる。
【００４４】
また、上述したように、点火システム１０は、先ず放電装置２による放電により燃焼室の燃料を点火した後、火炎を拡大させるために放射装置３からマイクロ波を放射させるものである。本実施形態の点火システム１０では、検出器５６の電流値が増加した場合、放電装置２が放電していると推定し、可変位相器５２の遅相量又は進相量を変更して、放射装置３からマイクロ波を放射させる。この処理については、後でも述べる。
【００４５】
なお、放射装置３からマイクロ波を放射する場合において、燃焼室内でプラズマが生成されている場合、マイクロ波はプラズマにより吸収されるため、結合器５５側に戻る反射波は少ない。一方、燃焼室内でプラズマが生成されていない場合、マイクロ波がプラズマにより吸収されることはなく、結合器５５側に戻るマイクロ波が大きくなる。従って、放射装置３がオンの（放射装置３にマイクロ波を供給している）場合に検出器５６の電流値を検出すれば、燃焼室内のプラズマ生成状況を推定することもできる。
【００４６】
結合器５５は、本実施形態ではブランチラインカップラで構成される。結合器５５は２つの入力端子ｉｎ１、ｉｎ２と、２つの出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２を備える。更に、結合器５５は、マイクロ波の位相を４分の１波長（90度）遅延させる位相シフタ５５１、５５２、５５３、５５４を備える。位相シフタ５５１は、入力端子ｉｎ１と出力端子ｏｕｔ１の間に接続される。位相シフタ５５２は、入力端子ｉｎ２と出力端子ｏｕｔ２の間に接続される。位相シフタ５５３は、出力端子ｏｕｔ１と出力端子ｏｕｔ２の間に接続される。位相シフタ５５４は、入力端子ｉｎ１と入力端子ｉｎ２の間に接続される。
【００４７】
尚、結合器５５では、入力端子ｉｎ１と入力端子ｉｎ２の間は、入力端子側から入力されるマイクロ波の周波数帯域の信号がアイソレートされるように設計されている。つまり、入力端子ｉｎ１から入射するマイクロ波は入力端子ｉｎ２には殆ど現れない。同様に、入力端子ｉｎ２から入射するマイクロ波は入力端子ｉｎ１に殆ど現れない。
【００４８】
一方、結合器５５では、入力端子ｉｎ１から入力されたマイクロ波の周波数帯域の信号については、出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２からは等しい大きさで出力される（均等に分配されて出力される）ように設計されている。入力端子ｉｎ２から入力されたマイクロ波の周波数帯域の信号についても、出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２からは等しい大きさで出力されるように設計されている。
【００４９】
次に、電磁波発生装置５による放電装置２と放射装置３の切替処理を説明する。
【００５０】
今、発振器５１での発振により生成されるマイクロ波をsin wt、可変位相器５２がマイクロ波をθ度遅相させるものとし、アンプ５３Ａ、５３Ｂの増幅率をそれぞれＡ、Ｂとすると、結合器５５の入力端子ｉｎ１、ｉｎ２に入力されるマイクロ波の振幅Ｍｉ１、Ｍｉ２は数式２のようになる。
【数２】
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【００５１】
結合器５５の出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２に入力されるマイクロ波の振幅ＭＯ１、ＭＯ２は、数式３のようになる。
【数３】
2016108283.tif 000006
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2016108283.tif 000008
2016108283.tif 000009
つまり、入力端子ｉｎ１から入力されたマイクロ波に対して位相シフタ５５１により90度遅相された波と、入力端子ｉｎ２から入力されたマイクロ波に対して位相シフタ５５２及び５５３により１８０度遅相された波の合成波が、出力端子ｏｕｔ１から出力される。同様に、入力端子ｉｎ１から入力されたマイクロ波に対して位相シフタ５５１及び５５３により１８０度遅相された波と、入力端子ｉｎ２から入力されたマイクロ波に対して位相シフタ５５２により90度遅相された波の合成波が、出力端子ｏｕｔ２から出力される。上述のように、結合器５５では、入力端子ｉｎ１と入力端子ｉｎ２の間はマイクロ波がアイソレートされているため、数式３では、位相シフタ５５４を通過するマイクロ波については無視している。
【００５２】
今、Ａ＝Ｂとし、また、可変位相器５２がマイクロ波を90度遅相させるものとした場合、数式３にθ=90°を代入して、数式４が得られる。
【数４】
2016108283.tif 000010
2016108283.tif 000011
つまり、可変位相器５２がマイクロ波を90度遅相させる場合、出力端子ｏｕｔ１からはマイクロ波が出力されない一方、出力端子ｏｕｔ2からは各アンプ５３Ａ、５３Ｂから出力されるマイクロ波の２倍の振幅を有するマイクロ波が出力される。つまり、放電装置２にはマイクロ波が供給されず、放射装置３のみにマイクロ波が供給される。
【００５３】
一方、可変位相器５２がマイクロ波を90度進角させるものとした場合、数式３にθ=-90°を代入して、数式５が得られる。
【数５】
2016108283.tif 000012
2016108283.tif 000013
つまり、可変位相器５２がマイクロ波を90度進角させる場合、出力端子ｏｕｔ１からは各アンプ５３Ａ、５３Ｂから出力されるマイクロ波の２倍の振幅を有するマイクロ波が出力される一方、出力端子ｏｕｔ2からはマイクロ波が出力されない。つまり、放電装置２のみにマイクロ波が供給され、放射装置３にはマイクロ波が供給されない。
【００５４】
このように、可変位相器５２により結合器５５の２つの入力端子に入力されるマイクロ波の位相差を制御することにより、マイクロ波の供給先を放電装置２、放射装置３の間で切り替えることができる。
【００５５】
尚、出力端子ｏｕｔ１から放電装置２に供給されたマイクロ波は、放電装置２内のマイクロ波共振構造により増幅され、その結果、放電電極２６の電位が高められ、放電装置２の先端部（放電電極２６と接地電極間）で放電が生じる。放電が生じると、放電電極２６と接地電極間のインピーダンスが変わるため、放電装置２自体のインピーダンスも変化する。その結果、マイクロ波の共振条件からずれたインピーダンスとなり、放電装置２に入力されたマイクロ波の一部が反射して再び電磁波発生装置５の結合器５５に戻る。結合器５５の出力端子ｏｕｔ１から逆流したマイクロ波のうちのほぼ半分は、位相シフタ５５１を経由し、入力端子ｉｎ１からサーキュレータ５４Ａを経由して検出器５６Ａに入力される。残りの半分は、位相シフタ５５１、５５４を経由し、入力端子ｉｎ２からサーキュレータ５４Ｂを経由して検出器５６Ｂに入力される。各検出器５６に入力されるマイクロ波の振幅が大きくなった場合、放電装置２において放電が起きたものとみなし、可変位相器５２は、マイクロ波の遅延角又は進角を変更する。この例では、マイクロ波の90度進角から90度遅延に変更される。
【００５６】
なお、検出器５６はサーキュレータ５４Ａ、５４Ｂの一方のサーキュレータに対してのみ設けても良い。但し、上記のように、両方のサーキュレータ５４に対して設けておけば、一方の検出器５６が故障した場合でも反射波を正しく検出することができる。尚、本実施形態の結合器５５は、出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２間は、出力端子側から入力されるマイクロ波の周波数帯域の信号がアイソレートされるように設計されており、出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２から入射するマイクロ波は他方の出力端子には殆ど現れない。
【００５７】
以上のように、電磁波発生装置５はまず初めに放電装置２に対してのみマイクロ波を供給する。放電装置２による放電により、燃焼室の燃料が点火したら、次は火炎を拡大させる目的で、電磁波発生装置５は放射装置３側にマイクロ波を供給するようスイッチングし、放射装置３からマイクロ波を放射させる。これにより点火システム１０は、マイクロ波の共振構造を利用した放電装置２による空燃比改善効果を奏し、かつ、大型のエンジン等に用いる場合や運転負荷が大きい場合などに必要となる大きさのプラズマを発生させることができる。
【００５８】
また、運転状態に応じて、放射装置３の使用／不使用を切り替えてもよい。例えば、低負荷であるときの第１の運転条件を満たす間は、放電装置２による放電動作のみにより点火を行い、高負荷であるときの第２の運転条件を満たす場合は、放電装置２で点火したのち、放射装置３を用いて火炎を拡大させることもできる。
【００５９】
なお、上記では、可変位相器５２の遅相角を±90度で切り替えているが、この遅相角を−90度と90度の間で任意に切り替えることにより、放電装置２に供給するマイクロ波の割合と、放射装置３に供給するマイクロ波の割合を変えることができる。これは上述した数式からも明らかなとおりである。
【００６０】
また、上記の結合器５５は、出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２側から入力されるマイクロ波の周波数帯域の信号がアイソレートされるものとして説明したが、アイソレートされていない構成の結合器を使用する場合、出力端子ｏｕｔ１から入力されたマイクロ波は位相シフタ５５３を通過する。その結果、入力端子ｉｎ１においては、位相シフタ５５１により90度遅延したマイクロ波と、位相シフタ５５３、５５２、５５４により270度遅延したマイクロ波とが相殺される。つまり、逆相の関係にあるマイクロ波が相殺されるため、出力端子ｏｕｔ１から入力されたマイクロ波は入力端子ｉｎ１には現れない（若しくは小さい信号しか現れない）。一方、入力端子ｉｎ２においては、位相シフタ５５１、５５４により180度遅延したマイクロ波と、位相シフタ５５３、５５２により180度遅延したマイクロ波が合成される。つまり同相の関係にあるマイクロ波が合成される。結合器５４内での損失が無いと仮定すれば、出力端子ｏｕｔ１から入力されたマイクロ波と同振幅のマイクロ波が入力端子ｉｎ２から出力される。従って、この場合は、放電装置２からの反射波検出のためには、サーキュレータ５４Ｂの端子（３）側のみに検出器５６を設けておけば良い。
【００６１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、放電装置２と放射装置３を別体としていた。これに対し、本実施形態に係る点火ユニット１Ｃは、図８に示すように放電装置２と放射装置３を一体化させた構成である。点火ユニット１Ｃは、放電装置２Ｃの外周に筒状に放射装置３Ｃを形成している。
【００６２】
ここで、放電装置２Ｃの構成は、ケーシング２１の形状が第１実施形態の放電装置２と相違するが、それ以外については同じである。
【００６３】
一方、放射装置３Ｃは、絶縁筒３３、誘導筒３１、絶縁筒３４、導体筒３５からなる。絶縁筒３３は、導体であるケーシング２１の外周を包囲し、例えば高絶縁性、耐熱耐食性を備えたアルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックス等で形成される。誘導筒３１は絶縁筒３３を包囲するように設けられる。誘導筒３１は、後端部３１ｂ側から入力された電磁波発生装置５からのマイクロ波を伝送し、先端部３１ａからマイクロ波を燃焼室に向けて放射する。誘導筒３１は、金属等の導体で形成される。但し、先端部３１ａの近傍はアルミナ等の絶縁性、耐熱性の材料で形成されていてもよい。絶縁筒３５は、誘導筒３１の周囲を囲うように設けられ、絶縁筒３３等と同様、絶縁性、耐熱性の材料で形成される。更に絶縁筒３５の周囲には導体筒３５が設けられる。この導体筒３５は、誘導筒３１を伝搬するマイクロ波が放射装置３Ｃの外部に漏えいするのを防止し、安全性と伝送効率を確保するために設けられる。
【００６４】
点火ユニット１Ｃによれば、放電装置２と放射装置３を同軸状に一体化しているので、より小型化が実現できる。出願人は、一例として、直径が約５ミリの放電装置２の試作に成功している。よって、その放電装置２の外周に筒状の放射装置３Ｃを取り付けた構成である点火ユニット１Ｃの直径は１０ミリ程度とすることも十分に可能である。従って、点火ユニット１Ｃは、ガソリンエンジン等のスパークプラグの取付口にそのまま挿入させることが可能であり、エンジンの形状や仕様を大きく変更することなく、点火ユニット１Ｃを利用することができる。
【００６５】
（第３の実施形態）
図９に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｄも、第２実施形態と同様、放電装置と放射装置を一体化させたものである。但し、点火ユニット１Ｄでは、放電装置２のケーシング２１の外周側（絶縁筒３３側）の表面にマイクロ波を伝播させる構成としている点で、第２実施形態と相違する。つまり、ケーシング２１が第３実施形態の絶縁筒３３の機能を兼ねている。また、誘導筒３１の先端部からより効果的にマイクロ波を放射するために、誘導筒３１の先端部分の外周側は、絶縁筒３４、導体筒３５に覆われない構成としている。
【００６６】
この構成によれば、第２実施形態と比較して、点火ユニットの小径化を図ることができる。
【００６７】
（第４の実施形態）
図１０に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｅも、第３実施形態と同様、放電装置と放射装置を一体化させたものである。但し、放電装置の構成が、他の実施形態とは異なる。
【００６８】
本実施形態の放電装置７は、中心電極７１、誘電体７２、接地電極７３、放電電極７５等により構成される。中心電極７１は、先端側に位置する第１部分７１Ａとその後ろ側に位置する第２部分７１Ｂとに分かれる。中心電極７１は金属等の導体で形成されその表面を電磁波が伝播する。第１部分７１Ａの表面には、アルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックス等からなる誘電体７２が形成される。第１部分７１Ａの先端部には突起状の放電電極７５が形成される。第１部分７１Ａ及び誘電体７２の周囲には、筒状の接地電極７３が空間を隔てて設けられる。
【００６９】
放電装置７では、中心電極７１、誘電体７２、接地電極７３がマイクロ波の周波数において共振する共振構造となっており、これにより入射したマイクロ波の電圧が放電電極７５の近傍で最大になるように昇圧される。この結果、放電電極７５と接地電極７３の間で放電を生じさせることができる。これにより、第１実施形態の点火ユニット１Ａの放電装置２と同様、放電装置の先端部分に非平衡プラズマを形成させることができ、燃料を点火させることができる。
【００７０】
また、第１実施形態と同様、この放電装置７もマイクロ波により駆動するから、任意のタイミングで高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミング大きさでプラズマを生成させることができる。
【００７１】
放電装置７の周囲には、マイクロ波を放射する放射装置３Ｄが形成される。この放射装置３Ｄの構成は、第２実施形態の放射装置３Ｃと同様である。
【００７２】
したがって、本実施形態の点火ユニット１Ｅによっても、まず放電装置７で燃料を点火させた後、放射装置３からマイクロ波を放射させることで点火した火炎を拡大させることができる。
【００７３】
また、本実施形態の点火ユニット１Ｅも、第２実施形態の点火ユニット１Ｃと同様、直径１０ミリ程度に形成できるから、ガソリンエンジン等のスパークプラグの取付口にそのまま挿入させることが可能である。
【００７４】
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。
【００７５】
例えば、放電装置２は、上記のものに限らず、例えばコロナ放電プラグ（例えばボルグワーナー社のEcoFlash（米国登録商標））など他のタイプのものを用いても良い。但し、上記の実施形態で示した効果を奏するには、高い周波数での連続放電が可能なイグナイタが好ましい。
【００７６】
また、放電装置２はマイクロ波により動作するものとし、放射装置３もマイクロ波を放射するものとしているが、他の帯域を有する電磁波により動作又は放射するものでも良い。
【００７７】
また、放電装置２と放射装置３は、ケーシング４により一体化されているが、別体であってもよい。例えば、シリンダヘッドの別々の孔にそれぞれ設けられるものであってもよいし、放電装置２又は放射装置３の一方はシリンダブロック又は吸排気ポートに設けられるものであってもよい。
【００７８】
また、放電装置２は、電磁波発生装置５からの入力電圧が低い場合、放電電極２６での電圧が十分に高くならないので、放電電極２６とケーシング２１の間で放電が行われない場合がある。このとき、放電電極２６からマイクロ波が放射する場合がある。このことを逆に利用すれば、放射装置４を省略することも可能となる。つまり、まず初めは、放電装置２が確実に放電を行いうるよう、電磁波発生装置５の出力電圧を高くしておく。そして、燃料が点火した後は、敢えて電磁波発生装置５の出力電圧を低くすることで、放電電極２６の先端部からマイクロ波が放射するように制御することで、火炎を拡大することも可能であると考えられる。これにより、放射装置３自体を省略することができる。
【００７９】
また、図７で示した電磁波発生装置５では、発振器５１自体が２つの電磁波出力部を備えるものとして説明したが、発振器５１の出力部に分配器を接続して、アンプ５３Ａ及び、可変位相器５２にマイクロ波を供給してもよい。この構成においても、本願発明の「第１電磁波と、第２電磁波を出力する電磁波発振器」に該当する。
【００８０】
また、図７で示した電磁波発生装置５では、可変位相器５２を発振器５１の一方の出力部側のみに設けているが、両方の出力部に設けてもよい。
【００８１】
また、上記では、点火システム１０は、ガソリンエンジンに適用されるものとして説明したが、ディーゼルエンジン、又は天然ガスを燃料とするエンジン、更にはレシプロエンジンに限らず、ロータリーエンジン、ガスエンジン、ガスタービン等、各種の内燃機関に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１    点火ユニット
２    放電装置
３    放射装置
４    ケーシング
５    電磁波発生装置
６    制御装置
１０  点火システム
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2016108283.tif 000021
【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2016108283.tif 000025
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