JP5072797B2 - 火花点火式内燃機関用高周波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関にて用いられる高周波発生装置に関するものである。

従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、大気圧下でプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンを用いる場合、マグネトロンの出力を調整することにより、生成するプラズマのエネルギを変化させることが可能である。このようにプラズマのエネルギを調整することにより、内燃機関の運転状態に応じて最適化することができる。

しかしながら、プラズマのエネルギの調整は、マグネトロンの出力を調整するものであるため、マグネトロンから出力されて導波管などを介して燃焼室に放射されるマイクロ波の電力を検出しなければならない。ところが、マイクロ波を燃焼室に導く導波管を含む伝送線路では、マイクロ波の反射が生じ、その反射によりマイクロ波の電力が変わるため、反射の大きさを把握しなければ、マグネトロンの正確な出力調整は困難であった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関用高周波発生装置は、高周波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の高周波供給部に電気的に接続される火花点火式内燃機関用高周波発生装置であって、プラズマを生成するための高周波を出力する高周波発生源と、高周波発生源と高周波供給部との間に高周波供給部に対して直列に接続する、高周波発生源と高周波供給部との間の高周波の伝送線路の一部をなす抵抗と、抵抗の両端電圧を計測して抵抗の発熱状態を推定し、推定した抵抗の発熱状態に基づいて高周波発生源が出力する高周波の特性を調整する特性調整手段とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、抵抗に高周波を流した場合の抵抗の両端電圧と、抵抗の発熱状態との間に相関関係があるので、両端電圧を計測することで高周波発生源と高周波供給部との間の線路における発熱状態が把握できる。この発熱は、高周波の反射に起因するものであり、目標となる発熱状態となるように、したがって反射が小さくなるように特性調整手段が高周波発生源の出力する電磁波の特性を調整するもので、前記線路の破損を抑えることが可能である。

以上の構成において、高周波の特性としては、高周波の位相、及び高周波の周波数が挙げられる。

本発明は、以上説明したような構成であり、抵抗に高周波を流した場合の抵抗の両端電圧と、抵抗の発熱状態との間に相関関係があるので、両端電圧を計測することで高周波発生源と点火プラグとの間の線路における発熱状態が把握できる。そして把握した発熱状態に応じて、特性調整手段が高周波発生源の出力する電磁波の特性を調整することで、高周波発生源と点火プラグとの間の線路の破損を抑えることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

以下に説明する実施形態の高周波発生装置ＨＦＧは、点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関（以下、エンジンと称す）１００に設けられる高周波供給部たるアンテナＡＴに電気的に接続されるものである。

図１に、１気筒における点火プラグ１の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、例えば３気筒のダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）形式のもので、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１に加えて、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を燃焼室６内に供給する伝送線路の一部をなすマイクロ波供給路１３が設けてある。アンテナＡＴは、このマイクロ波給電路１３の先端に設けられるもので、外側に向かって広がるホーン部を有するホーン型のアンテナである。アンテナＡＴの内部には、燃焼室６から圧力が漏洩しないように、誘電体１５が充填してある。

この実施形態の高周波発生装置ＨＦＧは、図２に示すように、プラズマを生成するための高周波を出力する高周波発生源１６と、高周波発生源１６と高周波供給部であるアンテナＡＴとの間にアンテナＡＴに対して直列に接続する抵抗１７と、抵抗１７の両端電圧を計測して抵抗１７の発熱状態を推定し、推定した抵抗１７の発熱状態に基づいて高周波発生源１６が出力する高周波の特性を調整する特性調整手段たる位相調整器１８とを備えている。

高周波発生源１６は、高周波であるマイクロ波を出力する例えばマグネトロンと、そのマグネトロンの動作を制御する制御回路とを備える。マグネトロン自体は、マイクロ波加熱などの分野でよく知られているものを適用するものであってよい。また、制御回路は、マグネトロンの出力、マイクロ波の位相及び出力時期を制御するものである。

抵抗１７は、マグネトロンの出力電圧が高圧であるので、数オーム程度の抵抗値のものである。この抵抗１７は、マイクロ波の伝送線路１９の一部をなすとともに、伝送線路１９において反射波と進行波とが合成されて出現する定在波の電流値を検出する電流検出器の一部として機能する。

位相調整器１８は、例えばマイクロプロセッサを備えてなり、ソフトウエアにより、入力される抵抗１７の両端電圧を測定するとともに、測定した両端電圧に基づいて抵抗１７の発熱状態を推定するものである。抵抗１７の発熱状態は、アンテナＡＴまでの伝送線路１９において発生する定在波の電流に実質的に比例するので、抵抗１７の発熱状態から伝送線路１９の発熱状態が推定し得るものである。そして、推定した発熱状態から、マグネトロンが出力するマイクロ波の位相を調整する指令（信号）を高周波発生源１６に対して出力する。位相を制御することにより、進行波と反射波との位相を最小限にするものである。

このような構成において、このエンジン１００は、燃焼室６内の混合気に点火プラグ１を用いて着火する場合に、点火プラグ１の火花放電を燃焼室６内に生成するプラズマと反応させることにより、点火プラグ１の火花放電をプラズマと反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室６内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

マイクロ波をアンテナＡＴから燃焼室６に放射する間、伝送線路１９にあっては定在波が現れる。これは、伝送線路１９及びマイクロ波供給路１３のインピーダンスと、アンテナＡＴのインピーダンスとの整合にずれがあり、反射波が発生する場合に生じるものである。そして、定在波の電流が大きくなると、抵抗１７の両端電圧も大きくなる。したがって、抵抗１７の両端電圧を測定して、伝送線路の発熱を推定し、推定した発熱状態に基づいて位相調整器１８がマイクロ波の位相を調整することで、定在波の電流を減らすことができる。したがって、伝送線路１９を損傷することなく、マイクロ波を燃焼室６に供給することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、特性調整手段として、マイクロ波の位相を調整するものを説明したが、マイクロ波の特性としては、マイクロ波の周波数であってもよい。この場合、マグネトロンの陽極に流れる陽極電流を制御することにより、マイクロ波の周波数を調整するものである。

又、高周波発生源としては、上述のようなマグネトロン以外に、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

加えて、上述の実施形態においては、ビーム型のアンテナを説明したが、モノポール型のアンテナであってもよい。

さらには、点火プラグ１の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。 同実施形態の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…点火プラグ
６…燃焼室
１６…高周波発生源
１７…抵抗
１８…位相調整器
ＡＴ…アンテナ
ＨＦＧ…高周波発生装置

Claims (3)

1. 高周波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の高周波供給部に電気的に接続される火花点火式内燃機関用高周波発生装置であって、
   プラズマを生成するための高周波を出力する高周波発生源と、
   高周波発生源と高周波供給部との間に高周波供給部に対して直列に接続する、高周波発生源と高周波供給部との間の高周波の伝送線路の一部をなす抵抗と、
   抵抗の両端電圧を計測して抵抗の発熱状態を推定し、推定した抵抗の発熱状態に基づいて高周波発生源が出力する高周波の特性を調整する特性調整手段とを備える火花点火式内燃機関用高周波発生装置。
2. 高周波の特性が、高周波の位相である請求項１記載の火花点火式内燃機関用高周波発生装置。
3. 高周波の特性が、高周波の周波数である請求項１記載の火花点火式内燃機関用高周波発生装置。

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