(57)【要約】      （修正有）【課題】現存するエンジンへマイクロ波エネルギーを注入する方法を提案する。【解決手段】エンジンの燃焼空間（１８）内へマイクロ波エネルギーを注入するためのマイクロ波スパークプラグ（１）であって、内部に中空の導体を形成する細長い空間（１０）と、内部の前記空間の第１端部に配置され、燃焼室に対して中空導体（１０）を封止するマイクロ波窓（８）と、を含む細長い筐体（２）であり、前記中空導体（１０）は、前記マイクロ波窓（８）の反対側に配置される第２端部に高周波数供給導体のための接続要素（４）を有し、前記接続要素は、マイクロ波窓における高周波数出口断面形状と異なる高周波数入口断面形状（７）を有し、かつ中空導体の第１端部における高周波数入射断面形状から、中空導体の第２端部における高周波数出口断面形状への遷移が連続的に提供されることを含む。マイクロ波スパークプラグは、スパークプラグ用の典型的な貫通孔にねじ込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼空間（１８）内へマイクロ波エネルギーを注入するためのマイクロ波スパークプラグ（１）であって、
内部に中空の導体を形成する細長い空隙（１０）と、
内部の前記空隙（１０）の第１端部に配置され、燃焼室（１８）に対して中空導体（１０）を封止するマイクロ波窓（８）と、を含む細長い筐体（２）によって特徴付けられ、
前記中空導体（１０）は、前記マイクロ波窓（８）の反対側に配置される第２端部に高周波数供給導体のための接続要素（４）を有し、
前記接続要素（４）は、マイクロ波窓において高周波数出口断面形状と異なる高周波数入口断面形状（７）を有し、かつ、
中空導体（１０）の第１端部における高周波数入射断面形状から、中空導体の第２端部における高周波数出口断面形状への遷移が連続的に提供されることを特徴とする、マイクロ波スパークプラグ。
【請求項２】
前記高周波数入口断面形状から前記高周波数出口断面形状への前記遷移が、直線的に提供されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項３】
前記高周波数入口断面形状が長方形であり、前記高周波数出口断面形状が円形又は楕円形であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項４】
前記燃焼室（１８）を規定するエンジンハウジング内へねじ込むためのねじ山（３）が、筐体（２）の外周に配置されることを特徴とする、先行請求項のうちの１項に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項５】
前記ねじ山（３）の長さにわたって、前記中空導体（１０）の直径に対する前記ねじ山（３）の外径の比が１．１５〜１．４５の範囲にあることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項６】
前記中空導体（１０）の内壁面が、例えば銅又は貴金属等の良好な電気伝導性を有する材料から形成されることを特徴とする、先行請求項のうちの１項に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項７】
前記マイクロ波窓が、純度が９９％を超える高純度セラミック材料、又は好ましくはサファイアガラス若しくは石英ガラスで形成されることを特徴とする、先行請求項のうちの１項に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項８】
前記マイクロ波窓が、前記中空導体（１０）の方を向く側が平面とされ、前記燃焼空間の方を向く側が平面又は非平面とされた円盤形状に構成されることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項９】
前記マイクロ波窓が、前記中空導体（１０）の第２端部において、前記筐体（２）内へ接着、圧入、又は焼き嵌めされることを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項１０】
前記マイクロ波窓（８）の厚さが、前記中空導体によって伝達された電磁波の半波長又は半波長の整数倍であることを特徴とする、先行請求項のうちの１項に記載のマイクロ波スパークプラグ。
【請求項１１】
少なくとも１つのスパークプラグをねじ込むために構成された少なくとも１つの貫通孔（１７）と、
少なくとも１つの吸気バルブ（１５）及び少なくとも１つの排気バルブ（１６）を含む少なくとも１つの燃焼空間（１８）と、を有し、
先行請求項１から先行請求項１０までのうちの１項に係るマイクロ波スパークプラグ（１）が前記少なくとも１つの貫通孔（１７）に配置されることを特徴とする、内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンの燃焼空間内へマイクロ波エネルギーを注入するためのマイクロ波スパークプラグ、及び少なくとも１つのスパークプラグを有する内燃機関エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０２００９０１６６６５号明細書には、ピストンを動作させるために、マイクロ波放射によって燃料混合気が自発的に点火される内燃エンジンが記載されている。マイクロ波導体はシリンダヘッドに配置され、燃焼空間に対してマイクロ波導体を封止するセラミックレンズを通して、マイクロ波放射はマイクロ波導体によって燃焼室内へ導入される。
【０００３】
燃焼室内においてマイクロ波点火を発生させる場合、制御された方法でマイクロ波エネルギーを燃焼空間へ導入することが重要である。つまり、マイクロ波エネルギーは適切な中空導体によってエンジンハウジングの近傍に配され、次いで燃焼空間内へ注入される。つまり、波伝導中において高周波数技術における条件が考慮され、可能であれば波動モードにおける予期しない反射又はリープのない、制御された方法でマイクロ波が確実に伝達されなければならない。それと共に、現存するエンジンをマイクロ波エネルギー源へ高度な複雑さなしに接続することも可能であるべきである。
【発明の概要】
【０００４】
そこで、本発明の目的は、現存するエンジンへマイクロ波エネルギーを注入する方法を提案することにある。
【０００５】
この目的は、本発明に従って請求項１の特徴を有するマイクロ波スパークプラグによって達成される。更に効果的な形態は従属請求項から導き出すことができる。
【０００６】
この目的は、更に、本発明に係るマイクロ波スパークプラグを有する内燃エンジンによって達成される。
【０００７】
例えば、レシプロピストン内燃エンジンのシリンダヘッド等のエンジンハウジングに形成された貫通孔にスパークプラグが容易に挿入可能であることは、特別な特徴である。すなわち、マイクロ波スパークプラグは、中空導体を形成する細長い円錐状の内部空隙を含み、中空導体の一方の端部にマイクロ波窓を含む、細長い筐体を有するものである。マイクロ波窓は燃焼空間に対して中空導体を封止するものである。マイクロ波窓は、温度安定性を有する、マイクロ波透過性の固形材料から形成されるものである。これは、例えば、セラミック材料（好ましくは純度９９％を超えるもの）、又は他のマイクロ波透過性の固形材料とすることができる。この種のマイクロ波スパークプラグは、エンジンハウジングに形成されたそれぞれの貫通孔に導入することができる。ここで、貫通孔は燃焼空間に接続されており、マイクロ波スパークプラグは、例えばねじ山にねじ止めされる。マイクロ波スパークプラグ内の中空導体は、マイクロ波窓の反対側に配置された他方の端部に高周波数供給導体の接続要素を更に含み、マイクロ波エネルギーは民生品の接続要素又は特別の高周波数接続要素を通じて供給される。つまり、接続要素は、マイクロ波窓側の端部における実際の高周波数出口断面形状とは異なる高周波数入口断面形状を含むものである。ここでいう断面形状とは、定義上の三角形、長方形、円形、楕円形、又は別の形状を意味し、出口断面形状が入口断面形状と異なるものである。この用語は、マイクロ波エネルギーの出口開口のそれぞれの位置を表しているのが断面形状であることを強調するものである。構造上の観点から、マイクロ波エネルギーにとって効果的なこの断面形状は、マイクロ波スパークプラグの一端において断面形状が変化していてもよい。例えば、筐体が円形であり、多角形のマイクロ波窓が挿入されているが、マイクロ波窓によって規定される空隙は円形であるためマイクロ波エネルギーにとっては円形の断面形状が依然効果的である。中空導体の一方の端部における高周波数入口断面形状から中空導体の他方の端部における高周波数出口断面形状への遷移は、連続的に延びている。これは、モードのリープが生じず、所望の断面形状がマイクロ波エネルギーを燃焼室内へと注入する際にも同様に提供され得るため、マイクロ波エネルギーの伝送にとって特に有利である。この断面形状は燃焼空間に対して容易に封止可能であり、また、マイクロ波エネルギーの燃焼室内への侵入の最適化を容易にする。
【０００８】
本発明の別の形態によれば、高周波数入口断面形状から高周波数出口断面形状への遷移は、直線的である。これはマイクロ波スパークプラグの簡略製造を容易にする。
【０００９】
本発明の別の形態によれば、燃焼空間内へのマイクロ波エネルギーの対称的な注入を実行するために、高周波数入口断面形状が長方形であり、高周波数出口断面形状が円形又は楕円形である。
【００１０】
特に好ましくは、筐体の外周が、燃焼室を覆うエンジンハウジング内へマイクロ波スパークプラグをねじ止めするためのねじ山を含む。特に好ましくは、中空導体の直径に対するねじ山の外径の比が、ねじ山の長さにわたって１．１５〜１．４５の範囲である。
【００１１】
可能な限り屈折及び反射が少なくマイクロ波エネルギーを燃焼室内へ注入するために、マイクロ波窓は、例えばサファイアガラス又は石英ガラス等の純度９９％を超える高純度セラミック材料から形成される。
【００１２】
好ましくは、マイクロ波窓は円盤状に構成され、中空導体の方を向く側が平面であり、燃焼空間の方を向く側が平面又は非平面に構成される。燃焼空間の方を向く側は、凸状又は凹状に構成されていてもよく、或いは、円錐形状又はピラミッド形状に構成された先端を有していてもよい。好ましくは、中空導体の端部における窓は、安全な封止と簡便な製造を提供するために、接着、圧入、又は焼き嵌めされる。
【００１３】
好ましくは、マイクロ波窓の厚さは、マイクロ波の波長の半分、すなわち３ｍｍ〜約７ｍｍであり、好ましくは４．５ｍｍである。
【００１４】
好ましい形態によれば、マイクロ波窓の厚さは、中空導体によって伝達された電磁波の半波長又は半波長の整数倍である。これは反射性能を向上させ、反射を減少させる。空隙又は中空導体の内表面は、可能な限り確実に平坦に構成されなくてはならない。そして、伝導性を向上させるために、表面に貴金属をコートすることが可能、又は表面を銅で形成することが可能である。
【００１５】
本発明に係るマイクロ波スパークプラグは、レシプロピストンエンジン又は回転ピストンエンジンのようなあらゆる内燃エンジンに用いられることができる。用途に応じて、この種のスパークプラグの１つ又は複数を、各燃焼空間の適切な位置に配置することができる。また、局所電場増強及び起爆点火のために突出端を燃焼空間内に配置することができる。本発明に係るマイクロ波スパークプラグの構成は、理想的な状況において、エンジンハウジングへの変更を行うことなく、燃焼室内へマイクロ波エネルギーの注入を容易にすることができる。
【００１６】
本発明の更なる特徴は、図面及び特許請求の範囲と共に、以下の詳細な説明から導き出すことができる。個々の特徴は、本発明の実施の形態それ自身により、又はいくつかの実施の形態の組み合わせによりもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、フランジ（図１Ａ）及びマイクロ波窓（図１Ｂ）の斜視図を示している。
【図２】図２は、マイクロ波スパークプラグの正面図（図２Ａ）及び直線Ａ−Ａに沿った長手方向の断面図（図２Ｂ）を示している。
【図３】図３は、マイクロ波スパークプラグの正面図（図３Ａ）及び直線Ｂ−Ｂに沿った長手方向の断面図（図３Ｂ）を示しており、図２に対して９０°回転させた方向から見た図である。
【図４】図４は、マイクロ波スパークプラグを有するレシプロピストンエンジンのシリンダヘッドを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１Ａ及び図１Ｂの斜視図は、エンジン内の各貫通孔内にねじ込むためのねじ山３が配置された細長い筐体２を有するマイクロ波スパークプラグ１を示している。ねじ山２を有するマイクロ波スパークプラグ１の直径は、従来のスパークプラグの典型的な直径に相当する。筐体２の一方の端部には、貫通孔６を有するフランジ４と、図示されないシールリング９を受ける溝５が存在し、マイクロ波を伝達するための中空導体の接続導体がシールリング９において接続可能である。接続には、中空導体の内側形状とＭＷ−スパークプラグの内側形状の、機械的な接続／フランジ付けの正確な一致が必要である。このように、規格形式のプラグコネクタや適切なクイックコネクタ等のあらゆるタイプの接続が利用可能である。フランジ内にはマイクロ波エネルギーを注入するための長方形状の開口が存在する。図１Ｂから明らかなように、長手方向に延びる筐体の他方の端部には、圧入、接着、又は焼き嵌めされていてもよい、マイクロ波窓として構成されたセラミックディスク８が配置されている。
【００１９】
図２は、図２Ａにおいてフランジ４の正面図と、直線Ａ−Ａに沿ってマイクロ波スパークプラグ１を通る断面線と、を示している。図２Ｂは、フランジ４における溝５内にシールリング９が挿入され、筐体２の他方の端部にセラミックディスク８が挿入された状態での断面線Ａ−Ａに沿ったマイクロ波スパークプラグ１の断面図を示している。図２Ａ及び２Ｂは、ねじ山３を示しており、筐体の内部には、マイクロ波エネルギーのための中空導体として用いられ、その高さが開口部７の高さからセラミックディスク８の直径に近似する高さまで直線的に拡大する空隙１０が示されている。セラミックディスク８の直径が若干大きく形成されているので、筐体２内でセラミックディスク８のための押え１１が提供される。
【００２０】
図３は、図２と同様に、図３Ａにおいて断面線Ｂ−Ｂと共にフランジの正面図を示しているが、この図においては図２で示したシールリング９は示されていない。図３Ｂは、マイクロ波スパークプラグ１の長手方向の断面図を示しており、ここではセラミックディスク８は除去されているので、セラミックディスク８を受ける筐体２内に端面開口部１２と押え１１とが見えている。この形態において、空隙１０は、やはり開口部７の幅から押え１１まで直線的に拡大しているので、図２及び図３の組み合わせにおいて、中空導体１０はマイクロ波窓における押え１１において円形状の構成を有している。
【００２１】
セラミックディスク８は、押え１１を有する凹みに配置されているため、押え１１の僅かに手前の中空導体１０における出口形状の実効断面積よりも大きい。セラミックディスク８は、本形態では円形状であるが、理論上は、中空導体１０の出口断面とは全く別の形状を有していてもよい。
【００２２】
図４は、シリンダヘッド１４、ピストン１９、及び複数の開口から形成される吸気部１５を有するピストンエンジンのシリンダ１３の模式的詳細を示している。ピストン１９からの排気部は図示されていないが、公知の典型的な方法によって設けることができる。シリンダヘッドには２つの貫通孔１７が設けられ、マイクロ波窓８を通して燃焼空間１８内へマイクロ波エネルギーを注入するために、各貫通孔内にそれぞれマイクロ波スパークプラグ１がねじ止めされている。特定のエンジン作動領域において同一の周波数及び同一の相でマイクロ波エネルギーを注入することが有益である。同様に、別のエンジン作動領域においては、周波数変化及び相シフトが必要である。そのため、異なる内部形状のマイクロ波スパークプラグを用いることが必要となり得る。本形態においては、レシプロピストンエンジンが例示的に示されているが、スパークプラグはもちろん回転ピストンエンジンにも用いられてもよい。そのため、マイクロ波エネルギーを注入するためのマイクロ波スパークプラグは、マイクロ波エネルギーによって引き起こされる燃焼室内での点火が望ましいあらゆるエンジン種において用いられ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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