(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼領域に近接した点火装置であって、第二導電表面から離間された第一導電表面を有し、これら表面により燃焼領域に直接通じる放電ギャップが形成される点火装置と、
前記放電ギャップに燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を提供する燃料供給器と、
第一導電表面と第二導電表面との間に少なくとも一つの電気パルスを提供し、これにより前記放電ギャップを通過する上記燃料または空気／燃料混合気の少なくともいずれか一方の少なくとも一部が分解される制御装置とを具備し、
前記少なくとも一つの電気パルスは、燃料または空気／燃料混合気の少なくともいずれか一方を分解する少なくとも一つの第一電気パルスと、可燃性混合気に点火する少なくとも一つの第二電気パルスとを具備するシステム。
【請求項２】
前記燃焼領域は内燃機関のシリンダを具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記燃料または空気／燃料混合気の少なくともいずれか一方を分解する少なくとも一つの電気パルスにより水素が生成される請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも一つの第二電気パルスは別の点火装置によって提供される請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも一つの第一電気パルスは、第一周波数の一連の電気パルスを具備し、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を分解させる請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも一つの電気パルスは第一電流の電気パルスと第二電流の電気パルスとを具備し、第一電流に関する電圧は第二電流に関する電圧よりも高く、第一電流は第二電流よりも小さい請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記第一電流および第二電流は、燃料または空気／燃料混合気の少なくともいずれか一方が燃焼することなく分解されるように調整可能である請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの電気パルスは、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を点火する請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの第二電気パルスは少なくとも一つの電気パルスの任意の一つよりも高いエネルギ値を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの電気パルスは、第一周波数の少なくとも一つの第一電気パルスと、該第一周波数よりも低い第二周波数の少なくとも一つの第二電気パルスとを具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの第二電気パルスは電気スイッチにより提供される請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの電気パルスは第一時間間隔で提供され、前記少なくとも一つの第二電気パルスは第二時間間隔で提供され、第一時間間隔と第二時間間隔とは調整可能な時間間隔だけオフセットされる請求項６に記載のシステム。
【請求項１３】
前記調整可能な時間間隔はタイマによって提供される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの第二電気パルスは、燃焼領域に配置された別の点火装置への調整可能な時間間隔の後に提供される請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記制御装置の少なくとも一つの電気パルスは、
燃料供給器から点火装置への燃料または空気／燃料混合気の流れを開始する電気パルスと、
燃焼領域への燃料噴射を開始する電気パルスと、
燃焼領域内の可燃性混合気に点火するための点火装置の点火を開始する電気パルスとを具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
燃焼領域に近接している点火装置であって、ハウジングと、放電開始領域から延びる長さが第一長さである第一導電表面と、該第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを具備し、該第二導電表面は前記放電開始領域から延びる長さが第二長さであり、第一長さと第二長さとのうち短い方が放電ギャップ長さとされ、第一導電表面と第二導電表面との間の最も短い距離が放電ギャップ幅とされ、放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率は３対１よりも大きい点火装置と、
前記点火装置に作動上の関係をもって連結されて燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を放電ギャップに提供する燃料供給器と、
第一導電表面と第二導電表面との間に少なくとも一つの電気パルスを提供する制御装置とを具備し、
前記少なくとも一つの電気パルスは前記燃焼領域に近接してプラズマを発生させ、
少なくとも一つの第一電気パルスは、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を分解して当該燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方の水素濃度を濃くするシステム。
【請求項１７】
燃焼領域に近接している点火装置であって、ハウジングと、放電開始領域から延びる長さが第一長さである第一導電表面と、該第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを具備し、該第二導電表面は前記放電開始領域から延びる長さが第二長さであり、第一長さと第二長さとのうち短い方が放電ギャップ長さとされ、第一導電表面と第二導電表面との間の最も短い距離が放電ギャップ幅とされ、放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率は３対１よりも大きい点火装置と、
前記点火装置に作動上の関係をもって連結されて燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を放電ギャップに提供する燃料供給器と、
第一導電表面と第二導電表面との間に少なくとも一つの電気パルスを提供する制御装置とを具備し、
前記少なくとも一つの電気パルスは前記燃焼領域に近接してプラズマを発生させ、
前記放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率は１．５対１よりも大きく、
前記少なくとも一つの第一電気パルスは、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を分解して当該燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方の水素濃度を濃くするシステム。
【請求項１８】
燃焼システム用の燃料を分解する方法であって、燃焼システムは、燃焼領域と、該燃焼領域に作動上の関係をもって連結された燃料供給器と、第一導電表面と該第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを備える点火装置とを有する方法において、
前記放電ギャップが燃焼領域と直接通じるように点火装置を配置する工程と、
放電ギャップに発生せしめられたプラズマによって燃料または空気／燃料混合気を分解する工程と、
少なくとも一つの電気パルスで燃料供給器から点火装置へ燃料を流し始める工程と、
前記燃焼領域に燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方を噴射する工程と、
前記燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一方に点火するための点火装置を点火する工程とを具備する方法。
【請求項１９】
前記分解工程は、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を水素化する工程を具備する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記分解工程は、放電ギャップにおいて燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を分解する工程を具備する請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記分解工程は、第一の周波数で燃料を分解する一連の電気パルスを提供する工程を具備する請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも一つの電気パルスが第一の周波数の少なくとも一つの第一の電気パルスと、第一の周波数よりも低い第二の周波数の少なくとも一つの第二の電気パルスとを具備する請求項３に記載のシステム。
【請求項２３】
前記少なくとも一つの第二の電気パルスは、燃焼領域内に配置された別の点火装置への調整可能な時間間隔の後に提供される請求項４に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの電気パルスは電子スイッチによって提供される請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】関連出願の相互参照
本出願は、２０００年６月８日に提出された、出願日が先である米国仮出願第６０／２１０２４３号の利点を含んでおり、参照することでその全体が本願の一部を構成する。
【０００２】発明の背景
水素が完全な燃焼を促進するので、燃料に水素を加えると機関がよりきれいに運転されると言われている。このことは、例えばHeywood, J.B.の「内燃機関の基礎（Internal Combustion Engine Fundamentals）」（McGraw Hill, 773-774, 1988）、Das,L.M.の「水素エンジン；過去と将来の展望（Hydrogen engines: a view of the past and a look into the future）」（Int. J. Hydrogen Energy, vol. 15, P.425, 1990）、DeLuchi, M.A.の「水素；燃料保管、性能、環境影響に対する安全性、およびコストの評価（Hydrogen; and evaluation of fuel storage, performance, safety environmental impacts, and cost）」（Int. J. Hydrogen Energy, vol.14, p.81, 1989）に記載されている。これら例における問題は、コンパクトな装置において搭載状態で如何にして効果的に水素を発生させるかを明確に教示していないことにある。高圧の容器、または水素が圧縮気体、液体として貯蔵されている場合には低温の容器、また水素が水素化物として貯蔵されている場合には大きな容器が必要となるため車載状態で水素を貯蔵する別の手法は実用化されていない。
【０００３】  水素を車載状態で生成するための幾つかの手法が採用されている。これら手法の一つでは、Munday, J.F.の（燃料機関を形成する水素・酸素システム「Hydrogen and Oxygen System for Producing Fuel Engines）」という題名の米国特許第５１４３０２５号に記載されているように、水の電気分解を用いており、すなわち水分子を水素と酸素とに分解し水素を内燃機関内に導入している。しかしながら、電気分解による水素の生成量はプラズマ装置よりも一桁少ない。炭素電極に電流を流すことによって固形炭素と水との相互作用によって搭載状態で水素が生成される。このことはDammann, W.A.の「燃料として使用するために自ら気体を生成する方法および手段（Methods and Means of Generating Gas from Water for use as a Fuel）」という題名の米国特許第５１５９９００号に記載されており、ここでは炭素を酸化してＣＯおよびＨ2を生成している。この手法は、短い期間に大きな電流が必要とされるため実用化されていない。あるいは、Greiner, L.およびMoard, D.M.の「内燃機関用のエミッション低減システム（Emissions Reduction System for Internal Combustion Engines）」という題名の米国特許５２０７１８５号では、バーナーを使用して、炭化水素燃料の他の一部を改良するのに炭化水素燃料の一部を用いて水素を生成している。そして、水素は内燃機関に導入するために炭化水素燃料と混合される。より実用的な手法がBreshears等によってもたらされている（Breshears, R.、Cotrill, H.およびRupe, T.の「内燃機関への部分水素噴射（Partial Hydrogen Injection into Internal Combustion Engines）」（Proc.EPS 1st Symp. On Low Plooution Power Systems Development, Ann Arbor, MI, 1973）参照）。彼らは、ガソリンの一部を流路から機関へと向け且つそれを高度水素含有気体を生成するように蒸気が改良する熱交換器に通すことを提案している。
【０００４】  内燃機関の燃料濃度を高くするための車載状態で水素を生成する手法が開発されている。この手法は、後述する文章に記載されているように、触媒を用いることなく炭化水素燃料の高度水素含有気体への変換を容易にするために、比較的小さいプラズマトロン（ワインボトルサイズである）を用いる。上記文章とは、Rabinovich, A.、Cohn, D.R.、およびBromberg, L.の「車両による汚染低減のためのプラズマトロン式内燃機関システム（Plasmatron Internal Combustion Engine System for Vehicle Pollution Reduction）」（Int. J. Vehicle Design, vol.15, P.234, 1995）、Cohn, D.R.、Rabinovich, A.、およびTitus, C.H.の「内燃機関を備えた超低公害車用の車載式プラズマトロン型水素生成装置（Onboard Plasmatron Operation Generation of Hydrogen for Extremely Low Emission Vehicles with Internal Combustion Engine）」（Int. J. Vehicle Design, Vol.17, p.550, 1996）、Cohn, D.R.、Rabinovich, A.、Titus, C.H.およびBromberg, L.の「車載プラズマトロンによる水素生成を用いた超低公害車用の短期的な可能性（Near Term Possibilities for Extremely Low Emission Vehicles using On-Board Plasmatron Generation of Hydrogen）」（Int. J. Hydrogen Energy, vol.22, p.715, 1997）、Cohn, D.R.、Rabinovich, A.、およびTitus, C.H.の「高応答性のプラズマ式燃料変換システム（Rapid Response Plasma Fuel Converter Systems）」（米国特許第５８８７５５４号）である。内燃機関は高度水素含有気体をプラズマトロンから受け取るように連結される。プラズマトロンは、アーク放電によって、高周波誘導放電によってまたはマイクロ波放電によって、電気伝導気体を加熱することによりプラズマを発生するものである。プラズマトロンのプラズマでは、５０００Ｋ〜１００００Ｋの温度で、炭化水素および空気を高度水素含有気体へ部分酸化する反応速度が高くなる。Bromberg, L.、Cohn, D.、Rabinovich, A、.Sama, J.、Viroler, J.の「車両用のコンパクトなプラズマトロンを用いた水素発生技術（Compact plasmatron-boosted hydrogen generation technology for vehicular application）」（Inter. Journal of Hydrogen Energy, Vol.24, pp.341-350, 1990）において説明された過程は以下に示す通りである。
２ＣnＨm＋nＯ2＋４nＮ2→２nＣＯ＋mＨ2＋４nＮ2      （１）
ここで、ｍおよびｎはそれぞれ炭化水素分子中の炭素原子および水素原子の数である。
【０００５】  車両用に高度水素含有気体を生成する多くの方法の一つとしてプラズマトロンは非常に魅力的である。プラズマトロンは、ほぼ瞬間的に高度水素含有気体を生成することができるので、車両の始動において使用することができる。駆動サイクルに亘って、高度水素含有気体の流れにおける迅速な変化はプラズマトロンのパラメータ、例えばエネルギ、入力値、流量、生成気体成分等を変更することによって調整される。プラズマトロンは車両への応用に利点があるが、その大きさにより実用的な利用が断念されている。
【０００６】発明の概要
本発明は、点火源を介して燃料を搬送するシステムを提供する。本発明のシステムはプラズマ点火装置を用いた点火源を提供する。燃料を点火源に送る装置を有するプラズマ点火装置は、燃料または空気および燃料の（空気／燃料）混合気を分解して装置を有し、これにより燃焼サイクルが改良される。本発明は、燃焼チャンバのチャンバに流入した空気／燃料混合気の物理構造に影響を及ぼすことによって改良を行う。本発明は、燃料チャンバ内の燃料を分解する燃料送りシステムを提供する。本発明は、燃焼するための燃料の品質を改良するように燃料または空気／燃料混合気を分解することができる。燃料の分解は燃料または空気／燃料混合気の水素化が含まれる。本発明は燃料を分解し且つ燃料に点火することができる。本発明のシステムにおける燃料の分解および点火は、単一の点火源によって行われる。単一の点火源は高エネルギ型点火源であり、短期間でプラズマを発生させ且つ移動させることができる。さらに、本発明は、燃焼チャンバに供給される燃料／空気混合気の品質および量を細かく制御することができる燃料送りシステムを提供する。本発明は、燃料、空気／燃料混合気、または可燃性混合気を分解および点火するのに単一の構成要素が用いられる直噴式燃料システムを提供する。さらに、本発明は、機関コンパートメント内における必要な燃料送り空間の小さいシステムを提供する。
【０００７】  一つの好適な実施形態では、本発明は燃料送りシステムを提供する。このシステムは、燃焼領域に近接した点火装置を具備する。点火装置は、第二導電表面から離間された第一導電表面を有し、これら表面により燃焼領域に直接通じるギャップが形成される。燃料供給器は燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部をギャップへ提供する。制御装置は、第一導電表面と第二導電表面との間に少なくとも一つの電気パルスを提供し、これにより放電ギャップを通過する燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を分解する。
【０００８】
別の実施形態では、本発明は燃料送りシステムを提供する。このシステムは、燃焼領域に近接して点火装置を具備する。点火装置はハウジングと、第二導電表面から離間された第一導電表面とを有し、これら表面により放電ギャップが形成される。第二導電表面は第二長さを有する。第一長さと第二長さとのうち短い方は放電ギャップ長さとされる。第一導電表面と第二導電表面との間の最も短い距離は放電ギャップ幅とされる。放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率は３対１よりも大きい。制御装置は、第一導電表面と第二導電表面との間に少なくとも一つの電気パルスを提供する。
【０００９】  本発明の別の実施形態では、燃料送りシステムが設けられる。燃料送りシステムは燃焼領域に近接した点火装置を具備する。点火装置は、第二導電表面から離間された第一導電表面を有し、これら表面により燃焼領域に直接通じる放電ギャップが形成される。放電ギャップは開始領域を有し、絶縁体は開始領域の少なくとも一部を提供する放電ギャップに晒された表面を有する。絶縁体は、放電ギャップに晒された表面の少なくとも一部を有する。燃料供給器は燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を放電ギャップに提供する。制御装置はシステムに設けられる。
【００１０】  別の実施形態では、本発明は燃料送りシステムを提供する。システムは燃焼領域に連結された点火装置を具備する。点火装置は、中央長手軸線に沿って配置された第一部分と第二部分とを有するハウジングと、中央軸線に沿って延び且つハウジングの第二部分に近接した第一導電表面を有する電極と、ハウジングの第二部分に近接し且つ第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面と、放電ギャップに燃料または空気／燃料混合気の少なくも一部を提供するための燃料供給器とを有する。システムは、第一導電表面と第二導電表面との間に少なくとも一つの電気パルスを提供する制御装置を有する。
【００１１】  別の実施形態では、点火装置は、第一部分と第二部分とを有するハウジングと、ハウジングの第二部分に近接した第一導電表面と、ハウジングの第二部分に近接し且つ第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを具備する。放電ギャップは放電開始領域を有する。流体通路は第一部分と第二部分との間に延び、流体通路は放電ギャップと通じる。絶縁体が放電ギャップに晒される表面を有する。
【００１２】
別の実施形態では、点火装置は、第一部分と第二部分とを有するハウジングと、ハウジングの第二部分に近接し且つ第一長さを有する第一導電表面と、第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを具備する。第二導電表面は第二長さを有する。第一長さと第二長さのうち短い方は放電ギャップ長さとされる。第一導電表面と第二導電表面との間の最も短い距離は放電ギャップ幅とされ、放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率は約３対約１よりも大きい。第一部分と第二部分との間に流体通路が延びる。流体通路は放電ギャップと通じている。
【００１３】  好適な実施形態では、本発明は点火装置を提供する。点火装置は中央軸線に沿って配置された第一部分と第二部分とを有するハウジングを具備する。電極は中央長手軸線に沿って延び、ハウジングの第二部分に近接した第一表面と、ハウジングの第二部分に近接し且つ第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを有する。第一部分と第二部分との間で流体通路が延び、流体通路は長手軸線から離間され且つ放電ギャップを通じる。
【００１４】  別の好適な実施形態では、本発明は燃焼システム用の燃料分解方法を提供する。燃焼システムは、燃焼領域と、燃焼領域と作動上の関係をもって連結された燃料供給器と、第一導電表面と第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを有する点火装置とを有する。本方法は、放電ギャップが燃焼領域に直接通じるように点火装置を配置する工程と、放電ギャップによって燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を分解する工程とを具備する。
【００１５】  好適な実施形態では、本発明は燃焼システム用の燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部をイオン化する方法を提供する。燃焼システムは、燃焼領域と、燃焼領域と作動上の関係をもって連結された燃料供給器と、第一導電表面と第一導電表面から離間されて放電ギャップを形成する第二導電表面とを有する点火装置とを有する。本方法は、放電ギャップが燃焼領域と直接通じるように点火装置を配置する工程と、放電ギャップ内の流体をイオン化する工程とを具備する。
【００１６】  好適な実施形態では、本発明は、長手軸線に沿って配置された少なくとも一つの中央電極と、少なくとも一つの中央電極と別の電極との間に形成された放電ギャップとを有する装置によって燃焼領域内の燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一つを点火する方法を提供する。放電ギャップは中央電極周りに配置される。本方法は、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を放電ギャップに散布する工程と、燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部が燃焼され且つ長手軸線に対して径方向外側に向かって発射されるように放電ギャップを横断する少なくとも一つの電気パルスを生成する工程とを具備する。
【００１７】
好適な実施形態では、本発明は燃焼システム内に燃料または空気／燃料混合気の少なくとも一部を点火する方法を提供する。燃焼システムは、燃焼領域と、燃焼領域に作動上の関係をもって連結される燃料供給器と、第一導電表面と第一導電表面から離間された第二導電表面とを有する点火装置とを有する。本方法は、第一電圧および第一電流の電気パルスを第一導電表面および第二導電表面に流す工程を具備し、第一導電表面は第一長さを有し、第二導電表面は第二長さを有し、第一長さと第二長さとの短い方は放電ギャップ長さを定義し、第一導電表面と第二導電表面と間の最も短い距離は放電ギャップ幅を定義し、放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率は３対１よりも大きい。また、本方法は、第一電圧と同じまたはそれよりも小さい電圧で且つ第一電流と同一またはそれよりも大きい第二電流で第二電流パルスを放電ギャップ間に流す。
【００１８】  添付の図面は、上述した概略および後述する詳細な説明と共に本発明の実施形態を示しており、本願に組み込まれるとともに本明細書の一部を構成し、本発明の特徴を説明するのに利用される。
【００１９】好適な実施形態の詳細な説明
図１および図２は燃焼強化システムの好適な実施形態である。図２に示したように、本燃焼強化システムは、機関２００、点火装置３００、４００、制御ユニット５００、および燃料供給器６００を備える燃料送りシステム１００を具備し、燃料供給器６００は圧力を受けた状態で燃料または空気と燃料の混合気を吸入することができる。機関２００は２ストローク式または４ストローク式のガソリンまたはディーゼルである。また、機関２００は２ストローク式または４ストローク式の直噴式ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであってもよい。ディーゼルに利用した場合、燃焼を強化するためにシステムは水素濃度が高くされる。システムは、燃焼領域、すなわち本実施形態では機関２００のシリンダの燃焼チャンバ２１０と共に作動する。燃焼領域は、完全に燃焼チャンバ内に配置されるのが好ましいが、例えばラムジェット、廃油焼却装置、ジェットエンジン、または燃焼が必要とされる任意の均等物において燃焼が必要とされる如何なる領域であってもよい。
【００２０】  燃焼領域またはチャンバ２１０は、制御装置５００に制御される少なくとも一つの点火装置３００を有する。制御装置５００には、機関２００用の少なくとも一度の点火または燃料の送り計画を決定するために、検出値を受信するプログラム可能なコンピュータが設けられるのが好ましい。この送り計画は、或る点火装置によって燃料または燃料と空気の（空気／燃料）混合気を分解すること、および実質的にまたは本質的に同時に別の点火装置４００によって上記混合気の少なくとも一部に点火することを含む。好ましくは、制御装置５００は、点火装置３００へ送られた燃料または空気／燃料混合気を分解して高度水素含有混合気にするように単一の点火装置３００を制御し、この高度水素含有混合気は付加的な空気／燃料混合気と混合され、これにより同一の点火装置３００によって点火される可燃性混合気が提供される。
【００２１】  点火装置３００には、燃料供給器６００によって少なくとも燃料または空気と燃料の（空気／燃料）混合気が供給される。点火装置は、分解、点火、または分解および点火の両方を行うことができる。ここで、燃料供給器６００は、燃料タンク６２０から燃料を吸引して点火装置３００に供給するポンプ６１０を備える。あるいは、燃料供給器６００は、可燃性混合気を分解および／または燃焼するように圧縮空気または圧縮空気／非圧縮空気と燃料との混合気を点火装置３００に供給することができる。燃料は、同一の点火装置３００を介して、または例えば、燃焼領域を横断するように燃料を噴射すること等、燃焼領域の任意の地点から点火装置３００へ燃料を送ることによって、燃焼領域に送られる。燃料は炭化水素タイプの燃料であってもよいし、物理的構造の一部として酸化剤を含有する物質を含む他の可燃性物質であってもよい。好ましくは、燃料は火花点火式内燃機関用のガソリンまたは天然ガスである。
【００２２】  点火装置３００は燃焼領域の基端側に配置される。点火装置３００の作動が燃焼チャンバに流入する燃料または空気／燃料混合気の状態に影響を及ぼすように点火装置３００は燃焼チャンバの基端側に位置する。好ましくは、点火装置３００は、例えば一体的な連結によって、または例えばネジ状連結部３８０によって機関２００のシリンダヘッドに機械的に連結されることにより、燃焼チャンバの基端側に配置される。図１では、点火装置３００は、第二ケーシング３５２に連結された第一ケーシング３５０を備えるハウジングを有し、例えば、これら二つのケーシングは、二つのケーシングの間に高温・高圧シール３５４を配置した状態でボルト３６１のような機械的な連結具によって連結される。ケーシングは軸線に沿って非対称的に配置されてもよい。ここで、軸線とは、長手軸線Ａ−Ａに沿った線または長手軸線Ａ−Ａ上の線である。好ましくは、ケーシングは、軸線Ａ−Ａであるかまたは軸線Ａ−Ａではない軸線周りに対称的に配置される。
【００２３】  第二ケーシング３５２の一部は電極または第一導電表面３０２を構成する。第一導電表面３０２は、シリンダヘッドに形成された対応のネジ山と噛合する螺旋状ネジ３８０を有し、シリンダヘッドは点火装置３００に接続される電気接地を提供する。好ましくは、第一導電表面および第二導電表面は同軸ケーブルに作動上の関係をもって接続され、電気接地または電流戻りを提供する。絶縁体３４０、好ましくは電気絶縁体が、ハウジング内に配置され、中央電極または第二導電表面３０４が絶縁体３４０を通って延びている。中央電極は中央軸線Ａ−Ａに沿って中央軸線に平行に配置されるか、または中央軸線の一部上に配置される。なお、中央電極または第二導電表面３０４は第一導電表面３０２と同軸に配置され、一つ以上の中央電極は点火装置３００の中央軸線Ａ−Ａ周りに配置されてもよい。あるいは、一つ、二つまたはそれ以上の電極が中央軸線Ａ−Ａに対して様々にオフセットされた状態で配置されてもよい。加えて、各電極は各電極から延びる複数のロッドを有してもよい。
【００２４】  絶縁体３４０は周方向に延びる突出部３４２を備えて示されているが、燃料がポート３５６から放電ギャップ３０６へ流れることができるように絶縁体３４０とハウジングとの間に十分な隙間が残っていれば、点火装置３００はこのような突出部無しで形成されてもよい。
【００２５】  図１および図３に示したように、第一導電表面３０２は、放電ギャップ３０６を形成するように第二導電表面３０４から離間されている。放電ギャップ３０６は燃焼領域に直接通じている。特に、放電ギャップ３０６および燃焼チャンバは、例えばチェックバルブのような如何なる機械的制限もなく放電ギャップ３０６内の任意の媒体が放電ギャップ３０６の出口を介して燃焼チャンバに流れることができるように方向付けされる。しかしながら、放電ギャップ３０６と燃焼チャンバとの間に中間通路またはチャンバが設けられてもよい。放電ギャップ３０６は一般区域３０９周りに放電開始領域を有し、この放電開始領域は導電表面間の破壊抵抗が最も低い領域である。一般区域３０９周りの放電開始領域は、第一導電表面３０２と絶縁体３４０の表面と第二導電表面３０４との間の任意の領域に形成される。幾つかの例では、絶縁体３４０の晒された表面は一般区域３０９周りの放電開始領域の少なくとも一部を構成する。
【００２６】  ポート３５６は第一ケーシングおよび第二ケーシングのうちの一方に連結される。ポート３５６によって、燃料供給器６００からの燃料が放電ギャップ３０６に通じる。ポート３５６は、ケーシング上に入口部分３６０を有する。入口部分は、例えば燃料噴射器のような燃料供給器６００に連結される。こうして、燃料供給器６００は、燃料３５９を搬送するために流体通路３５８を介して放電ギャップ３０６と流体的に接続される。流体通路はほぼ対称的であるように示されているが、流体通路は中央軸線Ａ−Ａに対してオフセットしていてもよい。さらに、流体通路３５８は中央軸線Ａ−Ａに沿って中央部分上に配置されてもよい。
【００２７】  絶縁体３４０の少なくとも一部３０９は、放電ギャップ３０６と流体的に通じることができるように多孔性材料物質である。絶縁体３４０は半導体材料または誘電性材料を有してもよい。絶縁体３４０は分極性セラミックを有するのが好ましいが、成型アルミナ、加工可能なガラスセラミックス、安定化ジルコニア、耐火セメント、または磁性セラミック等の別の物質を絶縁体３４０としてまたはその一部として用いてもよい。好ましくは、電極の表面である導電表面は、鋼鉄、クラッド金属、白金メッキされた鉄鋼、白金、銅、インコネル、モリブデンまたはタングステンである。あるいは、導電表面は高温永久磁石物質であってもよい。
【００２８】  エネルギを有効に使用するためおよび物質の耐久性を高めるためには、導電表面と絶縁体３４０との間の寸法に関するパラメータの関係が重要である。これら寸法に関するパラメータは「放電ギャップ長さ」および「放電ギャップ幅」である。ここで、「放電ギャップ長さ」は、一般区域３０９周りの放電開始領域から放電ギャップ３０６の出口に向かって延びる方向において、最も長さの短い一つまたはそれ以上の導電表面の長さとして定義される。放電ギャップ長さおよび放電ギャップ幅の方向は、一方または両方の導電表面の長手軸線Ａ−Ａに対して平行または横方向である軸線に対して定義される。
【００２９】  例えば、図３に示した好適な実施形態では、長手軸線Ａ−Ａに沿って平行に一般区域３０９周りの放電開始領域から出口に向かって延びる第一導電表面３０２の第一長さ１１が最初に測定される。そして、一般区域３０９周りの放電開始領域から出口に向かって延びる第二導電表面３０４の第二長さ１２が測定される。二つの長さ１１および１２のうち、短い方の長さが「放電ギャップ長さ」として定義される。
【００３０】  他方、「放電ギャップ幅」は第一導電表面３０２と第二導電表面３０４との間の距離のうち最も短い距離である。
【００３１】
場合によっては、「放電ギャップ長さ」に対する「放電ギャップ幅」の比率は、約３対約１（〜３：〜１）よりも大きく、放電ギャップ長さに対する放電ギャップ幅の比率の最大値は約３である。
【００３２】  図４は、プラグを介して提供された噴射燃料または燃料／空気混合気を点火する点火装置３００の作動原理を示す概略図である。燃料６４０は、上述したように通路３５８を介して放電ギャップ３０６に提供される。比較的エネルギの低い少なくとも一つの電気パルスが二つの導電表面のうち一方に送られる。好ましくは、電気パルスは繰返し数の多い一連のパルスであり、その繰返し数は機関２００が作動する燃焼サイクルのサイクル数よりも少なくとも一桁多い。そして、気体状混合気の高電圧破壊工程の間に放電ギャップ３０６内にプラズマが生成される。最初に気体破壊が起こる領域の位置は一般区域３０９周りの放電開始領域として参照される。多くの場合、エネルギの低い短時間の電気パルスを加えることによって、イオン化された混合気またはプラズマが絶縁体３４０の表面の近傍に生成される。プラズマ内を流れる電流により、点火電極構成に電流が生成される。この電流は、放電空間を流れる電流にローレンツ力を発生させる磁場を生成する。この力はプラズマを移動させるのに十分である。好ましくは、プラズマ３１２は、ローレンツ力の作用により、一般区域３０９周りの放電開始領域から放電ギャップ３０６の出口に向かって移動する。プラズマ３１２が電極の端部に（すなわち、燃焼領域に向けて）移動するにつれて、プラズマが気体状混合気を分離させて、水素分子（Ｈ2）および一酸化炭素分子（ＣＯ）を生成する。これら両分子は上記化学式（１）によって燃料分子からプラズマにおいて発生せしめられる。この水素濃度を高める工程を効果的にするために、プラズマ３１２による電流パルスは、プラズマ３１２を第一導電表面および第二導電表面３０４の放電ギャップ３０６の出口から離れて維持するように、十分に短くされ且つ数多く繰返される。
【００３３】  図１では、高圧燃料噴射装置（図示せず）が点火装置３００内の燃料噴射ラインに連結される。絶縁体３４０は、燃料３５９を流すために絶縁体３４０と外側電極との間に十分な隙間ができるように構成される。第一導電表面３０２の一部を形成する第二ケーシング３５２は絶縁体３４０に気密にシールされる。第二ケーシング３５２は第一ケーシングに取付けられ、少なくとも一つの高温・高圧シールでシールされる。燃料３５９は、第一導電表面３０２と絶縁体３４０との間を移動し、絶縁体３４０の端部において中央電極と外側電極との間の自由空間内へ流入する。
【００３４】  図３に戻ると、燃料３５９が（絶縁体の端部において）電極間の自由空間３１１に到達すると、制御装置のパルス発生装置５１０から中央電極へ流れる高電圧パルスによって電極間の放電が開始される。特定の状態において、この放電は最初に絶縁体３４０の表面に沿って行われる。そして、ローレンツ力およびサーマルフオース（thermal force）がプラズマ３１２を一般区域３０９の放電開始領域から離れて伝搬させる。電極間の放電伝搬の間に、一般区域３０９周りの放電開始領域において流れる電流は、燃料または燃料／空気混合気をイオン化させ、多量のプラズマ３１２ａを生成する。放電ギャップ３０６内における水素の生成を多くするために、プラズマ３１２に送られるエネルギは、燃焼を起こすのに用いられる点火装置３００において典型的である高い程度でイオン化を起こさせるのではなく、分解を促すように制御される。
【００３５】  このことは、電気パルスのエネルギを減らすことによって達成される。温度、体積、速度等のプラズマのパラメータは、少なくとも一つの電気パルスの電圧、電流、周波数のうちの少なくとも一つを修正することによって制御される。このことにより、システムが水素発生装置として作動したときに、噴射された燃料の量と発生せしめられる水素の量との関数として高い自由度でシステムを最適化することができるようになる。システムの最適化の更なるパラメータとして、電極間の放電ギャップ幅「ｗ」と放電ギャップ長さ「ｌ」（なお、「ｌ」は「ｌ１」および「ｌ２」の短い方）との関係が挙げられる。これらパラメータにより、電気エネルギまたは電気パルス幅のうち少なくとも一つを制御することによってプラズマの速度を制御することができるようになる。
【００３６】  上述した点火装置３００は、燃料送りシステムの一部として二つの別個のモードで作動せしめられる。
ＭＯＤＥＩ
ＭＯＤＥＩでは、点火装置３００は燃料噴射装置および水素発生装置として機能する。燃料または空気／燃料混合気を燃焼させるために、システムは、点火機能を果たすための点火装置４００のような第二の点火装置を必要とする。
ＭＯＤＥＩＩ
ＭＯＤＥＩＩでは、このシステムは、水素発生装置、および燃料チャンバ内の燃料または空気／燃料混合気の点火装置として機能する。水素発生装置として作動するときには、システムはエネルギが低く且つ繰返し数が多い電気パルスで作動する。これらパルスの数は必要とされる噴射燃料の量およびパルスの時刻ｔfでパルスが立ち上がって電気パルスが時刻ｔiで点火するまでの時間に依存する。ｔi＞ｔfである場合、点火時間ｔfにおいて、付加的なパルス発生装置によってエネルギの高い電気パルスが提供される。システムは、エネルギが小さく周波数の高い電気パルスの数、パルス当たりに送られる電気エネルギ、燃料噴射装置（図示せず）によって送られる燃料の量に関して最適化されることができる。
【００３７】  或るケースでは、ＭＯＤＥＩＩで作動する点火装置３００は、点火装置３００に送られる電気エネルギが大きい状態（〜３００ｍＪ）で十分な量の燃料または燃料／空気混合気がスパークプラグを通って流れているときには、単一のパルスで作動する。このような大きな電気パルスは可燃性混合気に点火するプラズマ３１２を形成するために必要とされる。上述した分解により、水素濃度の高い条件が形成されるのが好ましく、このことにより燃焼用の高度水素含有燃料および空気と燃料の混合気が発生する。水素濃度の高くなったプラズマ３１２は燃焼され且つ燃焼チャンバへ向かって加速せしめられる。このような状態のプラズマ３１２は電極間の放電ギャップ３０６の長さに対する電気パルスエネルギの比率の限界を決定する。このような状態は、放電電流が放電ギャップ３０６の一般区域３０９周りの放電開始領域から電極の長さの１／３を超えて延びないことによって表される。例えば、電極の長さが約３ｍｍでギャップ幅が１．２ｍｍであり、放電ギャップ３０６を通って移動するプラズマの平均速度が毎秒３×１０4ｃｍであると、パルスは３マイクロ秒を超えることはない。
【００３８】  図４は、点火装置３００をＭＯＤＥＩまたはＭＯＤＥＩＩで作動させるためにデュアルエネルギ装置を有する制御装置５００の簡単な概略図を示す。デュアルエネルギ装置は、簡単な概略形式で示したように、好ましくは、点火制御装置と、多重チャンネル式タイマＴｒ1と、高速スイッチＥｓｗと、二つのダイオードと、四つのコンデンサと、一つの抵抗と、一つの誘電子とが必要とされる。これら構成要素は、単一の構成要素に一体化されてもよいし、別個の副構成要素に分割されてもよいし、またはシステムに関して説明した機能を達成する回路毎に分割されてもよい。ＭＯＤＥＩでは、コンデンサＣ３およびＣ４および誘電子Ｌ１が第二点火装置４００用の別個の点火システムの部分であり、これらは米国特許第５７０４３２１号および第６１３１５４２号に記載された移動型火花点火装置（ＴＳＩ）であり、これら特許は参照することでその全体が本願の一部を構成する。
【００３９】
ＭＯＤＥＩＩでは、電子タイマＴｒ1が停止信号の後に調整可能な遅れ時間で電子スイッチ（Ｅｓｗ）を閉じるための信号を提供し、この電子スイッチはダイオードＤ1を介して電圧Ｖsで充電されたコンデンサＣ3およびＣ4を中央電極に接続する。これらコンデンサは、燃焼チャンバ内の燃焼混合気に点火するために、電圧が低く且つ電流が大きく且つコンデンサＣ1およびＣ2によって提供されるエネルギよりも１０〜２０倍大きなエネルギの電気パルスを提供する。この回路を用いることによって、エネルギが小さく繰返し数の高いパルスが点火装置に提供される。このエネルギが小さく繰返し数の高いパルスは、好ましくは、第一電流および第二電流であるのが好ましく、第一電流に関する電圧は第二電流に関する電圧よりも大きく、第一電流は第二電流よりも小さい。ここで、第一電流および第二電流は、燃料または空気／燃料混合気の一方が燃焼することなく分解するように調整可能である。
【００４０】  コンデンサＣ1およびＣ2の役割は、点火コイルによって供給されるエネルギを高めることにある。抵抗Ｒは、プラズマ３１２によって覆われる距離が電極の長さの約１／３に等しいときコンデンサＣ1およびＣ2から放電する時定数を放電ギャップ３０６間のプラズマ３１２の移動期間に合わせる。誘導子Ｌは、コンデンサＣ3およびＣ4の放電時定数を、電極の長さに等しい距離に亘る（絶縁体３４０の表面から電極お端部まで）点火装置３００におけるプラズマ３１２の移動期間に合わせるように使用される。
【００４１】  電子タイマＴｒ1は、燃料または燃料／空気混合気が電気破壊の起きる絶縁体３４０の表面３４１に、または概して３０９に示した放電開始領域に到達する時間を提供するために、エネルギの低い放電の時刻またはその前に燃料噴射装置から燃料または燃料／空気混合気を噴射する機関制御装置（図示せず）を始動する。燃料噴射期間はタイマＴｒ1によって制御され、且つこの期間は点火のための電気パルスが送られる前のエネルギの低い全てのパルスの全期間と等しいか、またはそれよりも短い。
【００４２】  このシステムで用いられる好ましい電気回路の概略を図４に示す。制御装置５００の一部である、インダクタンスが低く静電容量が大きい放電点火装置がダイオードＤ２を介して中央電極１８に接続される。外側の電極は接地される。典型的には約５００Ｖの電圧を提供する電力供給源は、大容量のコンデンサＣ４（好ましくはＣ＝２〜３μＦ）および小容量のコンデンサＣ３（好ましくはＣ＝０．２〜０．３μＦ）を充電する。両コンデンサは電子スイッチおよびダイオードＤ１を介して中央電極に接続される。ダイオードＤ２は電力供給源の電流が点火装置に到達するのを防止し、ダイオードＤ１は点火制御装置の点火コイルからの高い電圧が全てのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４および電力供給源に到達するのを防止する。
【００４３】  あるいは、ダイオードＤ１は誘導子（Ｌ１）に変更されてもよいし、高電圧ダイオードＤ２はピークコンデンサ（peaking capacitor）を備えた空気ギャップに変更されてもよい。空気ギャップは、絶縁体３４０（例えばセラミック）の表面に沿ってスパークプラグの電極間で破壊を起こすために、ピークコンデンサを十分に高い電圧で充電することができるように調整される。
【００４４】  制御装置の回路５１０は、従来の点火回路よりも高い繰返し数でエネルギの低いパルスを供給する。好ましくは、回路５１０の繰返し数はＴＳＩ（米国特許第５７０４３２１号、同第６１３１５４２号、および２０００年６月１６日に提出された「層状燃料混合気の点火システム（IGNITION SYSTEM FOR STRATIFIED FUEL MIXTURES）」という題名の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ００／１６７４７号に記載、これら特許、特許出願は参照することで本願の一部を構成する）の点火回路よりも少なくとも１０倍高い。
【００４５】  図４に戻ると、電子スイッチ（Ｓｗ）はコンデンサＣ３およびＣ４を中央電極へ導く電気ラインから切断し、或る時刻ｔｉにおいて点火装置３００においてより強力な放電を発生させるため且つ燃焼混合気を点火するために（すなわちＭＯＤＥＩの作動において）コンデンサＣ３およびＣ４をこの電気ラインに接続することができる。ＭＯＤＥＩの作動では、スイッチは通常開かれている。例えばプラズマスイッチまたはクライトロンスイッチのようなこのスイッチは、好ましくは５００〜１０００Ａまでの電流に耐えることができ、約１０9のライフサイクルまで耐えられることができる。
【００４６】  電気パルスは燃料供給器６００から燃料噴射装置への流れの開始、および燃料噴射装置（図示せず）の弁の開放するのに必要とされ、燃料噴射装置は図４に概略的に示したように点火装置３００に取付けられている。これら電気パルスは、点火装置３００の点火を開始する制御装置５００の始動パルスと同期せしめられる。この同期は、制御装置５００を始動させる電気パルスが燃料噴射装置への電気パルスを始動させることによって行われる。制御装置始動パルスは、制御装置の高電圧コイルから到達した高電圧パルスの破壊が起こる前に燃料噴射装置からの燃料または燃料／空気混合気が点火装置３００の絶縁体表面周りの領域に到達するように、燃料噴射装置始動パルスに対してτだけ遅らされる。遅れ時間τは、システムが最高の性能を発揮するように特定の燃料噴射装置および点火システム毎に設定される。この設定ポイントは、特定の機関または車両の作動状態を測定しながら動力計のマップまたは別の検出結果を用いて内燃機関の性能を監視することにより確定される。
【００４７】  特定の実施形態を参照して本発明を開示したが、特許請求の範囲に定義された本発明の領分および範囲を逸脱することなく上述した実施形態に対して数多くの修正、改変、変更を行うことができる。よって、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲およびその均等物の言葉によって定義された全ての範囲を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃料を分解し且つ高度水素含有可燃混合気に点火する本発明の好適な実施形態の装置の断面図を示す。
【図２】  本発明の好適な実施形態の燃焼強化システムを示す。
【図３】  図１に示した燃料濃縮工程の説明のための拡大図である。
【図４】  水素濃縮／点火装置を操作する制御回路と連動する図１の水素濃縮／点火装置の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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