(57)【要約】【課題】装置の大型化、コストの高騰を伴うことなく、内燃機関における空燃比を改善できる点火装置を提供する。表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体と接地導体の間に形成され、後端側で中心導体と接続する一方、先端側では中心導体から離間し、かつ接地導体と絶縁される筒状の第２中心導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部を備え、中心導体と第２中心導体を用いて構成される電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて、放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる。【選択図】図１
2016088899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を電磁波が伝播する中心導体と、
中心導体を包囲する接地導体と、
中心導体と接地導体の間に形成され、後端側で中心導体と接続する一方、先端側では中心導体から離間し、かつ接地導体と絶縁される筒状の第２中心導体と、
中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部を備え、
中心導体と第２中心導体を用いて構成される電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて、放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる点火装置。
【請求項２】
接地導体の外周側に、スパークプラグ取付口の内壁に螺合するネジ部を備えた請求項１記載の点火装置。
【請求項３】
表面を電磁波が伝播する中心導体と、
中心導体を包囲する接地導体と、
中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部と、
接地導体の外周側に、スパークプラグ取付口の内壁に螺合するネジ部を備え、
中心導体と第２中心導体を用いて構成される電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて、放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる点火装置。
【請求項４】
中心導体は、放電電極部を含む先端側の第１電極と、後端側の第２電極とに分離可能である請求項１又は３に記載の点火装置。
【請求項５】
表面を電磁波が伝播する中心導体と、
中心導体を包囲する接地導体と、
中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部と、
中心導体と接地導体の間に配設された環状の絶縁体を備え、
前記環状の絶縁体に、燃料と空気の混合気の流出入を許容する流出入部を設けた点火装置。
【請求項６】
表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部を備え、電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる点火装置とケーブルとを接続するためのコネクタであって、
前記電子波共振構造部のインピーダンスと、前記ケーブルのインピーダンスを整合させるためのインピーダンス整合回路を内蔵する、コネクタ。
【請求項７】
点火装置と、この動作を制御する制御装置からなる点火システムであって、
点火装置は、表面を電磁波が伝播する中心導体と、
中心導体を包囲する接地導体と、
中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部と、
中心導体と接地導体の間に配設された環状の絶縁体と、
前記絶縁体の前方、放電電極部の後方に設けた環状空間と、を備え、
制御装置は、
第１Ｄｕｔｙ比により点火装置を駆動する通常運転モードと、
第１Ｄｕｔｙ比よりも大きい第２Ｄｕｔｙ比により点火装置を駆動させて前記環状空間に蓄積した付着物を除去する第２運転モードを少なくとも実行する
点火システム。
【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、燃料を点火する点火装置に関する。又、この点火装置用のコネクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
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十分ではない。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。また、天然ガス車の技術開発においても競争は熾烈であり、空燃比の改善は大きなサクセスファクターとなっている。【０００３】
その一環として、出願人は、内燃機関での燃焼にマイクロ波技術を応用することにより、空燃比の改善を図る技術の開発を進めてきた（例えば特許文献１）。特許文献１では、スパークプラグを用いて燃料に点火したのち、マイクロ波を照射することで点火した火炎を拡大する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８７６２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術によれば、スパークプラグを駆動するための高圧回路と、マイクロ波を生成するための高周波回路の２回路が必要であるため、装置が大型化し、コストが高騰するデメリットがある。【０００６】
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】
【０００７】
本発明のある態様の点火装置は、表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体と接地導体の間に形成され、後端側で中心導体と接続する一方、先端側では中心導体から離間し、かつ接地導体と絶縁される筒状の第２中心導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部を備え、中心導体と第２中心導体を用いて構成される電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて、放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる。【０００８】
本発明の他の態様の点火装置は、表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部と、接地導体の外周側にスパークプラグ取付口の内壁に螺合するネジ部を備え、中心導体と第２中心導体を用いて構成される電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる。【０００９】
本発明の他の態様の点火装置は、表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部と、中心導体と接地導体の間に配設された環状の絶縁体を備え、前記環状の絶縁体に、燃料と空気の混合気の流出入を許容する流出入部を設けた。【００１０】
本発明のコネクタは、表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部を備え、電磁波共振構造により放電電極部の電位を昇圧させて放電電極部と接地導体の間で放電を生じさせる点火装置とケーブルとを接続するためのコネクタであって、前記電子波共振構造部のインピーダンスと、前記ケーブルのインピーダンスを整合させるためのインピーダンス整合回路を内蔵する。【００１１】
本発明の点火システムは、点火装置と、この動作を制御する制御装置からなる。点火装置は、表面を電磁波が伝播する中心導体と、中心導体を包囲する接地導体と、中心導体の先端部側面に形成された突状の放電電極部と、中心導体と接地導体の間に配設された環状の絶縁体と、前記絶縁体の前方、放電電極部の後方に設けた環状空間と、を備える。制御装置は、第１Ｄｕｔｙ比により点火装置を駆動する通常運転モードと、第１Ｄｕｔｙ比よりも大きい第２Ｄｕｔｙ比により点火装置を駆動させて前記環状空間に蓄積した付着物を除去する第２運転モードを少なくとも実行する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、装置の大型化、コストの高騰を伴うことなく、内燃機関における空燃比を改善できる点火装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る点火装置１０の一部断面の正面図。
【図２】図１に係る点火装置１Ａの先端部分の拡大図。
【図３】第２実施形態に係る点火装置３０の一部断面の正面図。
【図４】第４実施形態に係る点火装置４０の一部断面の正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る点火装置１０は、中心導体１、第２中心導体３、絶縁体４、絶縁体５．放電電極６、ケーシング７、Ｏリング８を備える。
【００１６】
中心導体１は、前側の導体１Ａ（以下、中心導体１Ａと呼ぶ）と後側の導体１Ｂ（以下、中心導体１Ｂと呼ぶ）に分かれ、棒状の導体で形成される。その材料としては、タングステン、モリブデン、黄銅、ステンレス（ＳＵＳ）、タンタル、ベリリウム銅などの導電性の金属が用いられる。中心導体１Ｂの先端側には中心導体１Ａの後端部が挿入される挿入孔を有し、中心導体１Ｂの後端側には同軸コネクタ２１の中心ピン２１ａが挿入される挿入孔を有する。尚、この同軸コネクタ２１は、図示しないマイクロ波発振器で生成されたマイクロ波を伝送する同軸ケーブル２２のコネクタ部分である。
【００１７】
また、図２で示すように、中心導体１Ａの先端部分には円錐台形状の放電電極６が接合される。放電電極６には、銅や、ニッケル合金などの材料が用いられる。放電電極６と中心導体１Ａの接合は、レーザ溶接やネジ締結などで行うことができる。放電電極６は、前方側が凸となるの後端部は径が大きく、ケーシング７に最も接近する。従って、この後端部とケーシング７の間で放電が行われる。
【００１８】
第２中心導体３は筒状導体からなる。その材料としては、タングステン、モリブデン、黄銅、ステンレス（ＳＵＳ）、タンタル、ベリリウム銅などの導電性の金属が用いられる。第２中心導体３の後端側は中心導体１Ｂと接続する一方、先端側は絶縁体５と接続する。第２中心導体３の中央部分は、中心導体１Ａに対し環状の空間２Ａを隔てて離間する一方、ケーシング７に対しては空間２Ｂを隔てて離間している。
【００１９】
絶縁体４は、後側の中心導体１Ｂとケーシング７の間に位置する。この絶縁体４により、後側の中心導体１Ｂとケーシング７が電気的に絶縁される。絶縁体４の材料としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を基材とするセラミックや、ステアタイト、窒化ケイ素等を用いることができる。
【００２０】
絶縁体５も、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を基材とするセラミックやステアタイト、窒化ケイ素等からなる。絶縁体５は、前側の中心導体１Ａとケーシング７の間に環状に形成される。絶縁体５は、中心導体１Ａとケーシング７を電気的に絶縁すると共に、点火装置１０の機械的な強度を強化する。更に、絶縁体５は、第２中心導体３の先端側に接続し、後述するようにマイクロ波の伝送路の一部を構成する。
【００２１】
ケーシング７は筒状の導体からなり、その材料としてはタングステン、モリブデン、黄銅、ステンレス（ＳＵＳ）、タンタル、ベリリウム銅などを用いることができる。ケーシング７の先端部のうち、放電電極６の後端の尖鋭部分（円錐台形のうち、最も径が大きい部分）に対峙する部分７ａは接地電極としての機能を果たす。そして、放電電極６の尖鋭部分と接地電極部７ａとの間に所定値以上の電位差が発生した場合に放電が生じる。また、ケーシング７は、中心導体１を収容する収容体としての機能も有しており、中心導体１を伝播するマイクロ波が外部に漏えいすることを防止するので、安全性とマイクロ波の伝送効率が確保される。ケーシング７の後端部には、同軸コネクタ２１を挿入するための凹部７ｃが形成される。また、ケーシング７の外周側表面には、スパークプラグの取付口に螺合するネジ部９が形成されている。
【００２２】
また、ケーシング７と絶縁体４の間には、この間の空間を埋めて気密性を確保するためのＯリング８が装着される。
【００２３】
また、ケーシング７の先端部分には、中心導体１等の抜けを防止するための段差部７ｂが設けられる。
【００２４】
次に、上記の構成を有する点火装置１０において、マイクロ波がどのように伝播するかを説明する。
【００２５】
同軸コネクタ２１から点火装置１０に入力されるマイクロ波は、いわゆる表皮効果により、中心導体１Ｂの表面を伝播して、第２中心導体３に入射する。そして、マイクロ波は筒状の第２中心導体３の外表面を伝播し、第２中心導体３の前端側に到達する。なお、ここで表皮効果とは、交流電流が導体を流れるとき電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなる現象のことを言う。特にマイクロ波のように周波数が高い電磁波では、電流が表面へ集中する。
【００２６】
また、第２中心導体３の長さは、マイクロ波の波長の４分の１になるように設計される（但し、ここでは単純にマイクロ波波長÷４という訳ではなく、第２中心電極３の屈折率なども加味した上での長さである）。そして、第２中心電極３の後端側にマイクロ波の節が到達するように設計すれば、第２中心電極３の前端側にはマイクロ波の腹が位置し、電位を大きくすることができる。これにより、点火装置１０の先端部分の電位、ひいては放電電極６の電位を大きくすることができ、放電電極６と接地電極部７ａの間で放電を生じさせることができる。
【００２７】
第２中心電極３の前端に到達したマイクロ波は、次は筒状の第２中心電極３の内表面側を伝播して、第２中心電極３の後端側に向かう。上述のように第２中心電極の長さはマイクロ波の波長の４分の１であるから、第２中心電極３の後端側は、マイクロ波の節が位置するようになる。そして、第２中心導体３の後端に到達したマイクロ波は、中心電極１Ａの表面を伝播して再び前端側に向かう。中心電極１Ａの長さもマイクロ波の波長の４分の１になるように設計されているので、中心電極１Ａの前端にはマイクロ波の腹が位置し、電位が大きくなる。また、第２中心導体３の外表面を伝播したマイクロ波と、中心電極１Ａの表面を伝播したマイクロ波は同相となるから、これらのマイクロ波が共振し、中心電極１Ａ及び第２中心導体３の前端部分の電位は更に大きくなる。  
【００２８】
つまり、点火装置１０の内部では、第２中心電極３、中心導体１Ａ、及び環状空間２Ａで構成されるマイクロ波の共振構造が形成されている。そして、この共振構造を利用して放電電極６の電位が昇圧される結果、放電電極６と接地電極部７ａ間の電位差が大きくなり、電位差が所定値を超えた場合に、放電電極６と接地電極部７ａの間で放電を生じる。
【００２９】
本実施形態では、中心電極１の後端側に同軸ケーブル２２を直接接続しているが、実際には、点火装置１０と同軸ケーブル２２はインピーダンスが相違するので、この違いを整合させるためのインピーダンス整合回路を、これらの間に介在させることが好ましい。例えば、同軸コネクタ２１と中心電極１の後端側及び絶縁体４等により、所望の周波数特性を有する回路を形成してインピーダンス整合回路としてもよいし、同軸コネクタ２１部分に、インピーダンス整合回路を形成してもよい。
【００３０】
但し、外部にスタブチューナを設けることにより上記インピーダンス整合を行うことも可能である。実際に発明者らは、外部にスタブチューナを設けた構成を用いて、本点火装置１０の性能確認実験を行った。その結果、放電電極６と接地電極部７ａの間に放電を生じさせることに成功した。更に、点火装置１０による上記放電により、燃料（メタンと空気の混合気）の点火にも成功した。
【００３１】
更に、本実施形態の点火装置１０は、通常のスパークプラグとは異なり、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。これにより、従来のスパークプラグよりも多量かつ長時間にわたりプラズマを発生させることができるので、空燃比を改善させることもできる。換言すれば、特許文献１における、燃料を点火するためのスパークプラグと、点火した火炎を拡大するためのマイクロ波照射手段を点火装置１０で兼用することができる。従って、スパークプラグを駆動するための高圧回路と、マイクロ波を生成するための高周波回路の２回路を用いる必要が無いので、システムの小型化とコストダウンを図ることができる。また、スパークプラグの機能と、マイクロ波照射手段としての機能を１つの部品で兼用できるので、シリンダヘッドに複数の取付口を設ける必要が無く、１つの取付口を設けるだけで済む。
【００３２】
また、絶縁体５には、空気（正確には燃料と空気の混合気）の流出入を許す流出入部が設けられる。流出入部は、例えば、複数の貫通孔を設けたり、放射状のスリットを設ける等により形成できる。これにより、第２中心導体３とケーシング７の間で軸方向に伸びる環状空間２Ｂに燃料と空気を流入させることができ、この空間２Ｂをキャビティとして活用させることができる。放電電極６での放電により混合気が点火すると、このキャビティ内が高圧になる。キャビティ側が高圧となった結果、放電電極６近傍で点火した火炎が燃焼室に拡散し、燃焼が促進される。
【００３３】
なお、絶縁体５に流出入部を設ける代わりに、ケーシング７の内周面に流出入部を設けてもよい。
【００３４】
また、流出入部では、キャビティ内の燃焼ガスの噴出方向を制御する傾斜面を備えてもよい。
【００３５】
また、本実施形態では中心導体１は、導体１Ａ、１Ｂの２つの部材により構成されるが、単一の部材により形成されていてもよい。但し、本実施形態では中心導体１Ａの先端部分１ａが円錐台形状に形成され、径が太くなっているため、導体１Ａ、１Ｂを単一部材で形成すると、この円錐台形状部よりも細い径を有する筒状の第２中心導体３を配備することができない。従って、本実施形態では。導体１Ａ、１Ｂの２つの部材に分け、導体１Ａの後端側を第２中心導体３の内側に挿入させた状態で、導体１Ｂの挿入孔に導体１Ａを挿入することにより、組み立て作業が可能となる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図３を参照して、本実施形態に係る点火装置３０は、ケーシング７１の構成が、第１実施形態の点火装置１０のケーシング７と異なる。また、ハウジング部材７２を備える点で第１実施形態と相違する。
【００３７】
ハウジング部材７２は、通常のスパークプラグの主体金具に該当し、その外周部にはネジ部７３が設けられている。つまり、本実施形態では、市場に流通するスパークプラグの主体金具を活用しつつ、その中味を本発明の点火装置に置き換えた構成としている。
【００３８】
これにより、従来のガソリンエンジンのスパークプラグ取付口に点火装置３０を取付けることが可能となる。更に、中古品のスパークプラグの主体金具をそのまま活用（再使用）することができるので、主体金具部分の設計／製作が不要となり、本発明の点火装置のコストを低減できる。
【００３９】
つまり、第１実施形態の点火装置１０では、ケーシング７の外周に設けたネジ部９を利用して、スパークプラグ取付口（プラグホール）への取付を行うが、本実施形態の点火装置３０では、ハウジング部材７２も利用して、プラグホールへの取付を行う。これに伴い、ケーシングの形状が第1実施形態とは相違する。
【００４０】
（第３の実施形態）
再び図２を参照して、点火装置１０の中心電極１の先端部分１ａの後ろ側には環状空間６が形成されている。仮に、この環状空間６が存在せず、絶縁体５の前面が、放電電極６と接地電極部７ａの間に位置することとなった場合、燃料の燃焼時に発生するススやカーボン又はオイル等の付着物が絶縁体５の前面に付着する結果、放電電極６と接地電極部７ａの間で適切に放電を行うことができなくなる。そこで、本実施形態では、放電電極６と接地電極部７ａ間のギャップの後方に環状空間１５を設けておき、この環状空間１５にスス等を一時的に蓄積（退避）させるようにすることで、上記の放電不良の問題を解決できる。但し、一定期間、点火装置１０を使用すれば、蓄積したスス等が環状空間１５を埋めてしまい、放電が適切に行えなくなるので、定期的にアッシング動作を行うようにするのが好ましい。
【００４１】
このアッシング動作は、例えば、この点火装置１０を高出力又は高いＤｕｔｙ比のマイクロ波で駆動させ、放電電極６の近傍を発熱させて、環状空間６に蓄積したススを焼き切り、これを燃焼室内に発生する気流等を利用して吹き飛ばすようにすれば良い。尚、通常運転時は、点火装置１０が放電する期間は、４サイクルエンジンの１周期（７２０度）のせいぜい数％程度の期間である。これに対し、アッシング動作時は、例えば連続波（ＣＷモード）や、３０％のＤｕｔｙ等で駆動するようにしてもよい。
【００４２】
（第４の実施形態）
図４を参照して、本実施形態に係る点火装置４０は、第１実施形態の点火装置１０と比較して第２中心導体３を有さない点で相違するが、その他の構成は同じである。但し、この構成の相違に伴いマイクロ波共振構造が相違する。
【００４３】
同軸コネクタ２１から点火装置１０に入力されるマイクロ波は中心導体１Ｂの表面を伝播して、中心導体１Ａに入射する。そして、マイクロ波は中心導体１Ａの表面を伝播してその前端側に到達する。
【００４４】
中心導体１Ａの長さは、マイクロ波の波長の４分の１になるように設計される。従い、中心導体１Ａの後端側にマイクロ波の節が到達するように設計すれば、中心導体１Ａの前端側にはマイクロ波の腹が位置し、電位を大きくすることができる。これにより、点火装置１０の先端部分の電位、ひいては放電電極６の電位を大きくすることができ、放電電極６と接地電極部７ａの間で放電を生じさせることができる。
【００４５】
つまり、点火装置１０の内部では、中心導体１Ａ、ケーシング７、及び環状空間２Ａで構成されるマイクロ波の共振構造が形成されている。そして、この共振構造を利用して放電電極６の電位が昇圧される結果、放電電極６と接地電極部７ａ間の電位差が大きくなり、電位差が所定値を超えた場合に、放電電極６と接地電極部７ａの間で放電を生じる。
【００４６】
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。
【００４７】
例えば、上記では、同軸コネクタ２１部に点火装置１０と同軸ケーブル２２のインピーダンス整合を行うための整合回路を形成する例を説明したが、この整合回路は説としてもよいし、同軸コネクタ２１部分に、インピーダンス整合回路を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１    中心電極
３    第２中心電極
４    絶縁体
５    絶縁体
６    放電電極
７    ケーシング
８    Ｏリング
９    ネジ部
１０  点火装置
２１  同軸コネクタ
２２  同軸ケーブル
３０  点火装置
４０  点火装置
７１  ケーシング
７２  ハウジング
７３  ネジ部
【図１】
2016088899.tif 000003
【図２】
2016088899.tif 000004
【図３】
2016088899.tif 000005
【図４】
2016088899.tif 000006
【国際調査報告】
2016088899.tif 000007
2016088899.tif 000008
2016088899.tif 000009
2016088899.tif 000010