(57)【要約】【課題】本発明は、放電電極と接地電極の摩耗を抑制し、電極の摩耗や溶損による放電不良が発生することのない小型の内燃機関の点火装置を供給すること。【解決手段】本発明は、電磁波を発振する電磁波発振器３と、電磁波発振器３を制御する制御装置４と、電磁波発振器３から発振される電磁波の供給を受ける入力部５２と、入力された電磁波を昇圧する昇圧手段５と、放電ギャップを形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせるように構成し、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間に形成される放電ギャップ６の距離を場所によって異ならしめ、制御装置４が電磁波発振器３から発振する電磁波の周波数を内燃機関の所定のサイクル毎、例えば１サイクル毎に掃引するように制御することを特徴とする。【選択図】図１
2017203449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
前記電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する昇圧回路と
放電ギャップを形成する放電電極及び接地電極とを備え、
前記昇圧回路により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる内燃機関の点火装置であって、
放電電極と接地電極との間に形成される放電ギャップの距離を場所によって異ならしめ、前記制御装置が電磁波発振器から発振する電磁波の周波数を内燃機関の所定サイクル毎に掃引するように制御するようにした点火装置。
【請求項２】
前記接地電極は、放電電極を覆う筒状に形成され、
該接地電極の内面と放電電極の外面との間で放電ギャップを形成するようにした請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
【請求項３】
前記制御装置が掃引する周波数の範囲は、初手位置に対して±３０ＭＨｚの範囲とした請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火装置、特に内燃機関に使用する点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の着火のための点火装置として、内燃機関の燃焼室内に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置を用いた点火装置が提案されている。例えば特開２００９−３８０２５号公報及び特開２００６−１３２５１８号公報には、この種のプラズマ生成装置を用いた内燃機関の点火装置が記載されている。
【０００３】
特開２００９−３８０２５号公報には、スパークプラグの放電ギャップでスパーク放電を生じさせるとともに、その放電ギャップに向けてマイクロ波を放射してプラズマを拡大するプラズマ生成装置が記載されている。このプラズマ生成装置では、スパーク放電により生成されたプラズマがマイクロ波パルスからエネルギーを受ける。これにより、プラズマ領域の電子が加速され、電離が促進されて、プラズマの体積が増大する。
【０００４】
また、特開２００６−１３２５１８号公報には、電磁波放射器から燃焼室内に電磁波を放射することによりプラズマ放電を発生させる内燃機関の点火装置が開示されている。ピストンの上面には、ピストンから絶縁された点火用電極が設けられている。点火用電極は、その近傍にて燃焼室内の電磁波の電界強度を局所的に高める役割を果たす。これにより点火用電極の近傍にてプラズマ放電が生成される内燃機関の点火装置である。
【０００５】
また、本発明者等は、電磁波（マイクロ波）のみを用いてスパーク放電を生じさせ、内燃機関の点火装置として使用することができるプラズマ生成装置を開発した。（引用文献３参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３８０２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１３２５１８号公報
【特許文献３】国際公開２０１４／１１５７０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、電磁波（マイクロ波）のみを用いてスパーク放電を生じさせ、内燃機関の点火装置は、電磁波発振器から発振される電磁波を共振させることによって昇圧する昇圧回路により放電電極と接地電極との間（放電ギャップ）の電位差を高め放電を生じさせるようにしている。通常、電磁波発振器から発振する電磁波の周波数は一定であるため、放電電極と接地電極との間に形成される放電ギャップの距離は、放電電極が略円柱状で接地電極が放電電極を覆う円筒形の場合、放電電極の中心と接地電極の中心が完全に一致しない限り不定となる。昇圧回路によって昇圧された電磁波が放電ギャップで放電する位置は、放電ギャップの距離と電界強さによって決定するため、発信する周波数が一定の場合、電界強さ一定となり放電する箇所は常に同じ箇所となる。その結果、放電電極と接地電極の摩耗が進み、放電電極の溶損や放電不良の発生等が生じる場合がある。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放電電極と接地電極の摩耗を抑制し、電極の摩耗や溶損による放電不良が発生することのない小型の点火装置を供給することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
内燃機関の点火装置であって、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記電磁波発振器を制御する制御装置と、
前記電磁波発振器から発振される電磁波を昇圧する昇圧回路と
放電ギャップを形成する放電電極及び接地電極とを備え、
前記昇圧回路により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる内燃機関の点火装置であって、
放電電極と接地電極との間に形成される放電ギャップの距離を場所によって異ならしめ、前記制御装置が電磁波発振器から発振する電磁波の周波数を内燃機関の所定サイクル毎に掃引するように制御するようにした点火装置である。
【００１０】
本発明の点火装置は、電磁波を昇圧し放電電極と接地電極との間の電位差を高め放電を生じさせる点火装置であって、電磁波発振器から発振する電磁波を内燃機関の所定サイクル毎、例えば１サイクル毎に基準となる周波数から所定値だけ掃引（Ｓｗｅｅｐ）することで電界強度を微妙に変動させる。この結果、放電ギャップの異なる放電電極と接地電極において、一定の箇所で放電を生じることがない。
【００１１】
また、前記接地電極は、放電電極を覆う筒状に形成され、この接地電極の内面と放電電極の外面との間で放電ギャップを形成するようにすることができる。放電電極を略円柱状、接地電極を、放電電極を覆う円筒状とすることで放電ギャップの距離（大きさ）を容易に異なる距離に設定することができる。
【００１２】
また、前記制御装置が掃引する周波数の範囲は、所定値に対して±５０ＭＨｚの範囲とすることが好ましい。また、所定値に対して±１ＭＨｚ以下とすることもできる。このように微少範囲で周波数を掃引（Ｓｗｅｅｐ）するように構成することで、昇圧回路として共振構造を用いる場合でも、昇圧回路としての機能に
【発明の効果】
【００１３】
本発明のプラズマ生成装置は、電磁波を共振させる昇圧回路を含むことで高電圧を発生させることができ、電磁波のみでスパークを起こすことができる。そのため、当該プラズマ生成装置においては、電源が一つで足り、複雑な伝送線路等を必要としない。また、当該プラズマ生成装置は、スパーク放電を起こす条件の電磁波パルスと、生じたプラズマを拡大・維持させるための放電を起こす条件の電磁波パルスとを含む所定の発振パターンを用いる。そのため、電磁波のみによってもプラズマの生成、拡大、維持を効率よく行うことができ、消費電力を低減することができるとともに、燃焼効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１の内燃機関の点火装置のブロック図である。
【図２】同点火装置の全体断面図である。
【図３】同点火装置の放電ギャップを説明する正面図である。
【図４】同点火装置の昇圧回路の等価回路である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、本質的に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。
【００１６】
＜実施形態１＞内燃機関の点火装置
本実施形態１は、本発明に係る内燃機関の点火装置である。当該点火装置１は、図１〜図２に示すように、電磁波用電源２と、電磁波を発振する電磁波発振器３と、電磁波用電源２及び電磁波発振器３を制御する制御装置４と、電磁波発振器３から発振される電磁波の供給を受ける入力部５２と、入力された電磁波を昇圧する昇圧手段５と、放電ギャップを形成する放電電極５５ａ及び接地電極５１ａとを備え、昇圧手段５により放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせるように構成されている。そして、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間に形成される放電ギャップ６の距離を場所によって異ならしめ、制御装置４が電磁波発振器３から発振する電磁波の周波数を内燃機関の所定のサイクル毎、例えば１サイクル毎に掃引するように制御している。
【００１７】
放電電極５５ａは、入力部５２から伸びる入力軸部５３が挿通される有底の筒状部５４から反入力部側に伸びる電極軸部５５ｂの先端に形成されている。入力部５２から伸びる入力軸部５３は、筒状部５４とは絶縁されている。具体的には、の筒状部５４内周面との間に筒状の絶縁体５９が介在している。絶縁体５９を介在させるか筒状部５４の内周面と接触しないように構成することで筒状部５４と入力軸部５３は容量結合となり、後述する等価回路のＣ１を形成する。また、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとケーシング５１の先端側ケーシング５１Ａの内周面との間も電気的に絶縁されている。本実施形態においては、筒状部５４及び電極軸部５５ｂは筒状の絶縁体５９に内包されている。筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１Ａの内周面との間によって、後述する等価回路のＣ２を形成し、電極軸部５５ｂとケーシング５１Ａの内周面との間で等価回路のコンデンサＣ３を形成している。
【００１８】
ケーシング５１の後端側ケーシング５１Ｂは貫通孔を備え、この貫通孔に、一端に電磁波発振器３からの電磁波の供給を受ける入力部５２を形成し他端に入力部５２から伸びる入力軸部５３が突出する筒状の絶縁体５９を配設するとともに、放電電極５５ａ、筒状部５４及び電極軸部５５ｂとこれらを覆う絶縁体５９を内包したケーシング５１Ａが組み込まれている。入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９のケーシング５１Ａが組み込み方法は特に限定するものではないが、本実施形態においては、絶縁体５９の外周面及びケーシング５１Ｂの貫通孔に対応する段差を設け、図例左側から挿通し、絶縁体を段差に係合させ、右側への抜け落ちを防止するとともに、左側からケーシング５１Ａを挿通して入力部５２、入力軸部５３及びこれらを覆う絶縁体５９の左側への抜け落ちも防止する。ケーシング５１Ｂに対するケーシング５１Ａの固定方法も特に限定するものではないが、本実施形態においては、貫通孔に刻設した雌ねじ部にケーシング５１Ａの外周面に刻設した雄ねじ部を螺合することによって固定する。螺合による固定後に溶接等の固定手段を用いてケーシング５１Ａをケーシング５１Ｂに対して確実に固定することもでき、また、ねじ部を形成することなく溶接等の固定手段を用いて固定することもできる。
【００１９】
接地電極５１ａは、放電電極５５ａを覆う筒状のケーシング５１Ａの先端で形成され、この接地電極５１ａの内面と放電電極５５ａの外面との間で放電ギャップ６を形成する。そして、上述したように、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間に形成される放電ギャップ６の距離を場所によって異なるように構成する。具体的には図３に示すように、ケーシング５１Ａの軸心と放電電極５５ａの軸心をずらすことによって放電ギャップ６の距離を場所によって異なるようにしている。これによって放電ギャップ６の距離と電界強さによって決定する放電位置に関して、多種類の放電ギャップ距離を有する本実施形態の点火装置１の場合、供給する電磁波の周波数を変えることで放電位置を移動させることができる。
【００２０】
昇圧手段５は、図４に示す等価回路で構成されている。昇圧手段５は、電極軸部５５ｂをコイルＬとして、上述したコンデンサＣ１、Ｃ２及びＣ３との間の３箇所で共振構造形成し、供給される電磁波を昇圧するようにしている。特に、筒状部５４の外周面と筒状部５４を覆うケーシング５１の内周面との間に形成されるコンデンサＣ２による第１共振領域及び電極軸部５５ｂと電極軸部５５ｂを覆うケーシング５１との間に形成されるコンデンサＣ３による第２共振領域によって、供給される電磁波を昇圧して、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電を生じさせるようにしている。なお、入力軸部５３と筒状部５４を電気的に接続して容量結合としないことで等価回路のＣ１を形成しない構成とすることもできる。
【００２１】
一般に、共振領域、特に第２共振領域での共振周波数から外れた周波数の電磁波を供給しても、電磁波を昇圧して放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差高めることができない。共振領域で定まる共振周波数からどの程度外れた周波数を供給しても昇圧することができるかは、所謂Ｑ値によって決定される。Ｑ値とは、
Ｑ=ω０／（ω１−ω２）で表される。
ここで、ω０：共振周波数、ω１及びω２（ω１＞ω２）：それぞれ周波数ω０のときのエネルギーが１／２となる周波数である。従って、ω１及びω２の値がω０に近いほど、共振のピークが鋭く、Ｑ値が大きくなり、大きなエネルギを得ることができ一般的にはＱ値が大きくなる設計をすることが望ましい。しかし、Ｑ値が大きい場合、共振させるためには共振領域で定まる共振周波数からのズレを大きく取ることはできない。本発明者等の実験によるときは、Ｑ値が５０程度の時に±３０ＭＨｚ、より好ましくは±２０ＭＨｚの範囲の周波数の電磁波であれば共振させて放電させることが可能であると判明した。
【００２２】
電磁波用電源２は、制御装置４から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波発振器３にパルス電流を出力する。
【００２３】
電磁波発振器３は、例えば半導体発振器である。電磁波発振器３は、電磁波用電源２に電気的に接続されている。電磁波発振器３は、電磁波用電源２からパルス電流を受けると、入力部５２にマイクロ波パルスを出力する。半導体発振器を使用することで、照射する電磁波の出力、周波数、位相、デューティー比、パルス時間、を容易に制御し、変更することができる。本実施形態においては、上述したように、電磁波発振器３から発信する電磁波の周波数を内燃機関の所定サイクル毎に変動させるようにしている。制御装置４が掃引（Ｓｗｅｅｐ）する周波数の範囲は、所定値、例えば２．４５ＧＨｚに対して±３０ＭＨｚの範囲とする。また、電磁波発振器３には、パワーアンプ等の増幅器を内蔵する。この増幅器は、制御装置４からのＯＮ・ＯＦＦ指令を受け、電磁波発振器３から点火装置へ電磁波を発振する。なお、周波数の変動は１サイクルに限らず、複数サイクル毎、例えば２サイクルや３サイクル毎に変動させるように構成することもできる。
【００２４】
−点火装置の動作−
点火装置１の点火動作について説明する。点火動作では、放電電極５５ａと接地電極５１ａとの間の電位差を数十ｋＶまで高め放電ギャップ６の近傍にプラズマが生じさせるようにしている。
【００２５】
具体的な点火動作は、まず制御装置４が、所定周波数ｆａの電磁波発振信号を出力する。電磁波用電源２は、制御装置４からこのような電磁波発振信号を受けると、所定のデューティー比で所定の設定時間に亘ってパルス電流を出力する。電磁波発振器３は、設定された内燃機関のサイクル（例えば１サイクル）に亘って周波数ｆａの電磁波パルスを所定のデューティー比で出力する。電磁波発振器３から出力された電磁波パルスは、共振周波数がｆａである昇圧手段５を備えた点火装置の放電ギャップ６において放電が生じ、プラズマが生成される。
【００２６】
引き続き制御装置４は、所定周波数ｆｂの電磁波発振信号を出力する。上記と同様の手順で、共振周波数がｆｂである昇圧手段５を備えた点火装置の放電ギャップ６において放電が生じ、スパークが生じる。この動作をケーシング５１に配設された組込部の数だけ繰り返す。具体的には、Ｑ値を５０程度に設定しているときは、所定値２．４５ＧＨｚに対して±３０ＭＨｚの範囲、掃引間隔を１０ＭＨｚとしたときｆａ＝２．４２ＧＨｚ、ｆｂ＝２．４３ＧＨｚとなるように設定する。所定周波数ｆｂを発振した後は２．４４ＧＨｚ〜２．４８ＧＨｚまでの任意の周波数の電磁波を発振する。本実施形態においては、０．０１ＧＨｚ刻みでｆａ〜ｆｇまで複数の周波数に切り替えるようにしているが、掃引間隔は１０ＭＨｚに限られるものではない。
【００２７】
−実施形態１の効果−
本実施形態１の点火装置１は、接地電極を形成したケーシング５１内に、供給される電磁波の周波数の違いによって放電する放電ギャップの位置が変動する。つまり、内燃機関のサイクル毎に任意の箇所で放電を生じさせることができるから、絶えず同じ位置で放電することとなる従前の点火装置と比べ、電極の摩耗や溶損によって生じる放電不良を抑制する点火装置を供給することできる。
【００２８】
また、内燃機関として、予混合圧縮着火方式（ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ））を採用することができる。予混合圧縮着火方式は、ガソリンをディーゼルエンジンのように自己着火させる方式であるが、着火時期が燃焼室内の温度に依存するため、そのコントロールが困難である。そのため、本発明の点火装置１を使用し、電磁波の出力をガソリンエンジンで使用する場合よりも低く制御することで、燃焼支援を行うとともに、燃焼室内の温度を容易にコントロールすることができ、予混合圧縮着火方式の欠点を補うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上説明したように、本発明の点火装置は、電磁波のみでプラズマを生成、拡大、維持させることができるため、電源は一つで足り、複雑な伝送線路等を必要としない。そのため、本発明の点火装置は、自動車エンジン等の内燃機関等に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００３０】
１      点火装置
２      電磁波用電源
３      電磁波発振器
４      制御装置
５      昇圧手段
６      放電ギャップ
５１    ケーシング
５１ａ  接地電極
５２    入力部
５３    入力軸部
５４    筒状部
５５    中心電極
５５ａ  放電電極
５５ｂ  軸部
５９    絶縁体
【図１】
2017203449.tif 000003
【図２】
2017203449.tif 000004
【図３】
2017203449.tif 000005
【図４】
2017203449.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月25日(2016.5.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記制御装置が掃引する周波数の範囲は、所定値に対して±３０ＭＨｚの範囲とした請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、前記制御装置が掃引する周波数の範囲は、所定値に対して±３０ＭＨｚの範囲とすることが好ましい。また、所定値に対して±１ＭＨｚ以下とすることもできる。このように微少範囲で周波数を掃引（Ｓｗｅｅｐ）するように構成することで、昇圧回路として共振構造を用いる場合でも、昇圧回路としての機能に問題はない。