JP2016130512A - 点火方法、及び点火システム - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波共振構造を採用した点火プラグの効率な駆動方法に関する。
【解決手段】
入力された電磁波を電磁波共振構造により昇圧して放電を生じさせる点火装置の点火方法であって、第１の期間においては、点火装置にアーク放電を行わせるために、第１のエネルギーの電磁波を点火装置に供給し、第１の期間に続く第２の期間においては、点火装置にグロー放電を行わせるために、前記第１のエネルギーよりも単位時間当たりのエネルギーが低い第２のエネルギーの電磁波を点火装置に供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、点火プラグの点火方法に関し、特にマイクロ波等の電磁波共振構造を採用した点火プラグの駆動方法に関する。また、このような点火方法を利用した点火システムに関する。

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。

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。

特許第４８７６２１７号公報 特願２０１３−１７１７８１ 特願２０１４−１６８５４０ 米国特許７９６３２６２号公報 「繰り返しナノパルス放電プラズマ中のラジカル計測と点火特性」（渡邊ほか、プラズマ・核融合学会誌第８９巻第４号）（２０１３年４月）

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、マイクロ波共振構造を利用した点火プラグを開発した（特許文献２、３）。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。

今回、出願人は、このマイクロ波共振構造を利用した点火プラグを、より効率的に駆動する方法を開発した。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明のある態様は、入力された電磁波を電磁波共振構造により昇圧して放電を生じさせる点火装置の点火方法に関し、第１の期間においては、点火装置にアーク放電を行わせるために、第１のエネルギーの電磁波を点火装置に供給し、第１の期間に続く第２の期間においては、点火装置にグロー放電を行わせるために、前記第１のエネルギーよりも単位時間当たりのエネルギーが低い第２のエネルギーの電磁波を点火装置に供給することを特徴とする。

本発明の他の態様は、点火システムに関する。この点火システムは、電磁波を生成する電磁波生成装置と、電磁波生成装置を制御する制御装置と、電磁波生成装置から入力された電磁波を電磁波共振構造により昇圧して放電を生じさせる点火装置を備える。制御装置は、点火装置にアーク放電を行わせるために、第１のエネルギーの電磁波を電磁波生成装置から点火装置に供給させる制御と、点火装置にグロー放電を行わせるために、前記第１のエネルギーよりも単位時間当たりのエネルギーが低い第２のエネルギーの電磁波を電磁波生成装置から点火装置に供給させる制御を行うことを特徴とする、点火システム。

本発明によれば、マイクロ波共振構造を利用した点火プラグを、より効率的に駆動することができる。

第１実施形態に係る点火システムの概略ブロック図。 第１実施形態に係る点火プラグの構成を示す一部断面の正面図である。 第１実施形態に係る点火プラグの等価回路を示す図である。 第１実施形態に係る点火システムの動作を示すタイミングチャート図である。

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。

（第１の実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る点火システム１０は、点火プラグ１、点火プラグ１にマイクロ波を供給する電磁波発生装置５、電磁波発生装置５を制御する制御装置
６からなる。

図２は、点火プラグ１の構成を示す図である。この点火プラグ１は、出願人が開発したマイクロ波共振構造による点火プラグであり、ガソリンエンジンの点火手段、ディーゼルエンジンにおいて天然ガス等を燃料に使用する場合の点火手段に用いることができる。

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、点火プラグ１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、電磁波発振器による発振パターンを制御することに点火プラグ１での放電パターンを自由に制御することができる。つまり、任意のタイミングで、かつ連続的な放電を生じさせることができる。

点火プラグ１は、外部（電磁波発振器）からマイクロ波が入力される入力部分１ａ、マイクロ波と点火プラグ１のインピーダンス整合等を目的とした容量結合が行われる結合部分１ｂ、及び電圧の増幅や放電を行う増幅／放電部分１ｃに分かれる。点火プラグ１は導電性の金属からなる円柱状のケース１１により内部の各部材が収容される。

入力部分１ａには、外部の発振回路で生成されたマイクロ波を入力する入力端子１２、第１中心電極１３が設けられる。第１中心電極１３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極１３とケース１１の間にはセラミック等の誘電体１９ａが設けられる。

結合部分１ｂには、第１中心電極１３、第２中心電極１４が設けられる。この結合部分１ｂは、専ら、発振回路と点火プラグ１のインピーダンス整合を行うことを目的に設けられている。第２中心電極１４は、増幅／放電部分１ｃ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１３を囲む。棒状の第１中心電極１３と筒状の第２中心電極１４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１３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極１４へ伝送される。第２中心電極１４の筒状部分には、セラミック等の誘電体１９ｂが充填され、第２中心電極１４とケース１１の間にもセラミック等の誘電体１９ｃが設けられる。

増幅／放電部分１ｃには、第３中心電極１５、放電電極１６が設けられる。第３中心電極１５は、第２中心電極１４と接続しており、第２中心電極１４のマイクロ波が伝送される。放電電極１６は、第３中心電極１５の先端部に取付けられる。第３中心電極１５とケース１１の間にはセラミック等の誘電体１９ｄ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１５とケース１１の間には誘電体１９ｄが充填されない空洞部１７を有している。第３中心電極１５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１５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極１６とケース１１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極１６とケース１１の間で放電が起きる。

図３は、点火プラグ１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と並列に放電部が設けられる。

ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極１４と第１中心電極１３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１９ｄ）により決まる。第１中心電極１３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。

容量Ｃ２は、第２中心電極１４とケース１１によって形成される接地容量であり、第２中心電極１４とケース１１との距離や対向面積、及び誘電体１９ｃの誘電率によって決まる。ケース１１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１５のコイル成分に相当する。

容量Ｃ３は、第３中心電極１５、放電電極１６及びとケース１１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極１６の形状、大きさ及びケース１１との距離、（２）第３中心電極１５とケース１１との距離、（３）第３中心電極１５とケース１１の間に設けた間隙（空気層）３７や誘電体１９ｄ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１６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１５とケース１１のうち、誘電体１９ｄ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）１７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。

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。

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点火プラグ１は設計される。

上述のように点火プラグ１は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（点火プラグ１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１６と接地電極（ケース１１）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。

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、点火プラグ１は、小型化に有利である。また、昇圧方式を採用する結果、点火プラグ１のうち、放電電極１６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。これらの点において、本発明のイグナイタは、従来の共振構造のイグナイタ（例えば、特許文献４）よりも優れている。

図４を参照して、点火プラグ１は、まず、時刻t1からt2の期間T1ではアーク放電を行い、これに続く時刻t3からt4の期間T2ではグロー放電を行うように制御される。そのために、制御装置６は、期間T1中はパワーP1のマイクロ波が点火プラグ１に供給されるよう電磁波生成装置５を制御する。そして、期間T2中はパワーP2のマイクロ波が点火プラグ１に供給されるよう電磁波生成装置５を制御する。ここで、パワーP1はP2よりも大きく、期間T2はT1よりも長い。一例として、P1は1.2kW、P2は0.8kW、T1は2μs、T2は1msである。但し、期間T2中は連続波を投入する訳ではなく、パルス波を投入する。上記の条件で点火プラグ１を駆動した場合、まず期間T1では点火プラグ１の先端部から白色の発光を伴う放電が観測された。このことからアーク放電が生じているものと考えられる。そして、期間T2では青紫色の発光を伴う放電が観測された。この青紫色光は、310nmに発光スペクトルが現れるOHラジカルの発光と考えられるので、グロー放電が生じているものと考えられる。

上記のような制御を行うことにより、以下の効果を奏する。まず、初めにアーク放電を行わせることにより、点火プラグ１の先端部近傍の混合気（空気と燃料の混合気）を電離させる。この状態で、点火プラグ１にグロー放電を行わせることにより、点火プラグ１の先端部近傍に非平衡プラズマを生成させ、混合気の燃焼を促進するＯＨラジカルを生成することができる。尚、仮にアーク放電を長時間行った場合、熱プラズマが生成され、非平衡プラズマを生成することができず、化学的活性の高いラジカル（ＯＨラジカル等）を生成することができない。また、アーク放電を長時間行うと、放電電極が熱により摩耗する問題もある。そこで、本実施形態では、アーク放電により電離をさせた後、グロー放電を行わせている。

尚、基本的な考え方として、グロー放電を継続させるには、アーク放電に移行する前に放電を停止させる必要がある。例えば、点火プラグ１に供給する電流値が高すぎるとアーク放電に移行してしまうし、電流値が高くなくても点火プラグ１にマイクロ波を連続波的に供給してもアーク放電に移行する場合もある。従って、上記の期間T2においては、アーク放電に移行しないようなパワーかつデューティ比のマイクロ波を点火プラグ１に供給する必要がある。但し、点火プラグ１に供給する電流値が低すぎる場合や、パルスのデューティ比が低すぎるとグロー放電さえも生じないため、点火プラグ１に供給するマイクロ波のパワーやデューティ比は所定の範囲値内とする必要がある。

このように、点火プラグ１は、マイクロ波により駆動することができ、かつアーク放電、グロー放電を使い分けて使用することができる。一般的に、ＯＨラジカルの寿命は７５μｓ程度と言われている（非特許文献１）。従来のスパークプラグでは、ＯＨラジカルの寿命よりも短い周期での連続的放電を行うことができない。従って、上述のようなＯＨラジカルを生成させるためのグロー放電を行うことはできない。これに対し、本実施形態の点火プラグ１は、マイクロ波を電源として駆動するので、ＯＨラジカルの寿命よりも短い周期でのグロー放電を行わせることにより、ＯＨラジカルを効率的に生成させることができる。これにより、希薄燃焼時での点火特性を改善させることができる。

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。

例えば、図２で示した点火プラグ１は、放電電極１６の周囲は誘電体１９で覆われていないが、この周囲（側部及び／又は前方）を誘電体１９で覆うようにしても良い。これにより、アーク放電時の熱による放電電極の摩耗の防止／低減を図ることができる。また、燃焼室の火炎の熱による電極の昇温も減らすことができる。なお、アーク放電時の熱による放電電極の摩耗を防ぐ方法としては、点火プラグ１に供給するマイクロ波の電力を下げることも考えられるが、電力を下げることで放電自体が適切に行えなくなる場合もある。従って、放電を確実に行わせ、かつ、摩耗も防止できるという点で、放電電極１６の周囲を誘電体１９で覆うようにするのが良い。

なお、上記では、点火プラグ１の先端部近傍の混合気を確実に電離させるために、初めにアーク放電を行わせている。しかし、混合気の電離ができるのであれば、グロー放電を行わすようにしても良い。アーク放電を行った場合、その放電空間において、後続のマイクロ波が吸収されにくいという問題があるが、グロー放電の場合はそのような問題が無い。従って、混合気の電離ができるのであれば、グロー放電を行わすようにしても良い。但し、このことが可能なグロー放電の条件は限られている。これに対し、放電電極１６の周囲は誘電体１９で覆うようにすれば、係るグロー放電の条件の範囲を拡大することが可能であると考えられる。なお、放電電極１６の周囲を覆う誘電体（セラミックス）はアルミナではなく、耐熱性に優れた窒化ケイ素を用いることが好ましい。一方、後方に配置する誘電体（誘電体１９ｄなど）は、共振器の増幅度（Ｑ値）を高める点では、セラミックスとして、窒化ケイ素よりはアルミナを用いるのが良い。

１ 点火プラグ
１ａ 入力部分
１ｂ 結合部分
１ｃ 増幅／放電部分
１１ ケース（接地電極）
１２ マイクロ波入力端子
１３ 第１中心電極
１４ 第２中心電極
１５ 第３中心電極
１６ 放電電極
１７ 空隙
１８ａ 環状空間
１８ｂ 環状空間
１９ 誘電体
５ 電磁波発生装置
６ 制御装置
１０ 点火システム

Claims (4)

1. 入力された電磁波を電磁波共振構造により昇圧して放電を生じさせる点火装置の点火方法であって、
   第１の期間においては、点火装置にアーク放電を行わせるために、第１のエネルギーの電磁波を点火装置に供給し、
   第１の期間に続く第２の期間においては、点火装置にグロー放電を行わせるために、前記第１のエネルギーよりも単位時間当たりのエネルギーが低い第２のエネルギーの電磁波を点火装置に供給することを特徴とする、点火方法。
   
2. 電磁波を生成する電磁波生成装置と、
   電磁波生成装置を制御する制御装置と、
   電磁波生成装置から入力された電磁波を電磁波共振構造により昇圧して放電を生じさせる点火装置を備え、
   制御装置は、
   点火装置にアーク放電を行わせるために、第１のエネルギーの電磁波を電磁波生成装置から点火装置に供給させる制御と、
   点火装置にグロー放電を行わせるために、前記第１のエネルギーよりも単位時間当たりのエネルギーが低い第２のエネルギーの電磁波を電磁波生成装置から点火装置に供給させる制御を行うことを特徴とする、点火システム。
   
3. 第２のエネルギーの電磁波は、第１のエネルギーの電磁波よりもパワー又はデューティ比が低い、請求項２記載の点火システム。
   
4. 入力された電磁波を電磁波共振構造により昇圧して放電を生じさせる点火装置の点火方法であって、
   第１の期間においては、点火装置に第１の放電を行わせるために、第１のエネルギーの電磁波を点火装置に供給し、
   第１の期間に続く第２の期間においては、点火装置に第２の放電を行わせるために、前記第１のエネルギーよりも単位時間当たりのエネルギーが低い第２のエネルギーの電磁波を点火装置に供給することを特徴とする、点火方法。
   
   

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