特許 6739348 点火ユニット、点火システム、及び内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6739348

(24)【登録日】2020年7月27日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】点火ユニット、点火システム、及び内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02P 23/04 20060101AFI20200730BHJP

【ＦＩ】

   F02P23/04 B

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-561574(P2016-561574)

(86)(22)【出願日】2015年11月24日

(86)【国際出願番号】JP2015082858

(87)【国際公開番号】WO2016084772

(87)【国際公開日】20160602

【審査請求日】2018年11月14日

(31)【優先権主張番号】特願2014-237242(P2014-237242)

(32)【優先日】2014年11月24日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2014-240648(P2014-240648)

(32)【優先日】2014年11月27日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2015-120831(P2015-120831)

(32)【優先日】2015年6月16日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504293528

【氏名又は名称】イマジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100157428

【弁理士】

【氏名又は名称】大池 聞平

(72)【発明者】

【氏名】池田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】牧田 實

【審査官】 小林 勝広

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−００１８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１１５７０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／０６６７０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／０１１９６６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ ３／０１、２３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁波発振器から出力された電磁波が入力される入力部分と、該入力部分に入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部を有する放電装置と、
前記電磁波発振器から出力された電磁波が入力される伝送路と、該伝送路により伝送された電磁波を燃焼室に放射するアンテナ部と有する電磁波放射装置と、を備え、
前記電磁波発振器の第１出力に対し、前記放電装置の入力部分が接続され、前記電磁波発振器の第２出力に対し、前記放電装置の入力部分とは別に設けられた前記電磁波放射装置の伝送路が接続され、前記第２出力をオフにして前記電磁波発振器から前記放電装置に電磁波が供給される状態から、前記第２出力をオンにして前記電磁波発振器から前記電磁波放射装置に電磁波が供給される状態に切り替えられる点火ユニット。

【請求項2】

放電装置と電磁波放射装置を収容し、放電装置が挿入される第１孔、電磁波放射装置が挿入される第２孔を有する収容部を更に備え、
該収容部が、内燃機関のシリンダヘッドの単一の孔に挿入可能であることを特徴とする、請求項１に記載の点火ユニット。

【請求項3】

前記放電装置は、中心電極と、中心電極を包囲する筒状導体と、筒状導体の内壁と中心電極の間に介在する誘電体を有し、
中心電極は、電磁波発振器からの電磁波が入力される第１部分と、第１部分に容量結合する第２部分を有し、
第２部分の先端部と、筒状導体の内壁との間で放電が行われることを特徴とする、請求項１に記載の点火ユニット。

【請求項4】

電磁波を発振する発振器と、
前記発振器から出力された電磁波が入力される入力部分と、該入力部分に入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部と、を有する放電装置と、
前記発振器から出力された電磁波が入力される伝送路と、該伝送路により伝送された電磁波を燃焼室に放射するアンテナ部と有する放射装置と、
放電装置と放射装置を制御する制御装置を備え、
前記発振器の第１出力に対し、前記放電装置の入力部分が接続され、前記発振器の第２出力に対し、前記放電装置の入力部分とは別に設けられた前記放射装置の伝送路が接続されており、
前記制御装置は、
まず、前記第２出力をオフとする一方、前記第１出力をオンとすることで、前記発振器から電磁波が供給される前記放電装置の放電により、燃焼室内の燃料を点火する第１動作を行い、
次に、前記第２出力をオンとすることで、前記発振器から電磁波が供給される前記放射装置からの電磁波の放射により、点火した火炎を拡大させる第２動作を行う、点火システム。

【請求項5】

制御装置は、
低負荷であるときの第１の運転条件を満たす間は、前記第１動作のみを行い、
高負荷であるときの第２の運転条件を満たす場合は、前記第１動作と前記第２動作を交互に繰り返すことを特徴とする、請求項４に記載の点火システム。

【請求項6】

請求項４に記載の点火システムと、
ピストンの頂面に配置され、前記放射装置からの電磁波を受信するアンテナを備え、
前記アンテナがセラミック材料で形成された基板と、該基板上に形成された導体により構成されたことを特徴とする、内燃機関。

【請求項7】

請求項４に記載の点火システムと、
シリンダヘッドの底面に配置され、前記放射装置からの電磁波を受信するアンテナを備え、
前記アンテナがセラミック材料で形成された基板と、該基板上に形成された導体により構成されたことを特徴とする、内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関に用いられる点火ユニットに関し、特にマイクロ波を利用して燃料を点火する点火ユニットに関する。また、この点火ユニットを用いた点火システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ガソリンエンジン等の内燃機関においては、従来より、スパークプラグ等の点火プラグが用いられている。

【0003】

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なかなか進んでいない。

【0004】

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。

【0005】

その一環として出願人は、内燃機関にプラズマ技術を適用することにより、空燃比の改善を図る技術を提案し、またその開発を進めてきた（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４８７６２１７号公報

【特許文献2】特願２０１３−１７１７８１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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、新たなタイプの点火プラグを開発した（特許文献２）。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。

【0008】

しかし、この点火プラグでは、マイクロ波の共振構造を採用する関係上、従来のスパークプラグよりも小型であるため、プラズマを生成できる範囲が小さい。従って、大型のエンジン等に用いる場合や運転負荷が大きい場合など、十分な大きさのプラズマを発生させることができない場合がある。

【0009】

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の点火ユニットは、電磁波発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部を有する放電装置と、電磁波発振器から入力された電磁波を放射する電磁波放射装置を備える。

【0011】

本発明の点火システムは、電磁波を発振する発振器と、発振器から入力された電磁波を昇圧する共振構造からなる昇圧手段と、該昇圧手段の出力側に設けられた放電部と、を有する放電装置と、発振器から入力された電磁波を放射する放射装置と、放電装置と放射装置を制御する制御装置を備え、制御装置は、まず、放射装置をオフとする一方、放電装置をオンとすることで、燃焼室内の燃料を点火する第１動作を行い、次に、放射装置をオンとすることで、点火した火炎を拡大させる第２動作を行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の点火ユニットによれば、マイクロ波等の電磁波を電源とする放電装置を用いるので、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、空燃比を改善させることができる。更に、着火、燃焼をアシストする電磁波放射装置も併せて用いるので、十分な強度のプラズマを生成させることができる。また、本発明の点火ユニットは小型の点火プラグにアンテナを一体化させた構成であるから、シリンダヘッドに挿入可能な大きさである。従って、エンジンの形状や仕様を大きく変更することなく、本発明の点火ユニットをガソリンエンジン等で利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態に係る点火システムの概略ブロック図。

【図2】第１実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。

【図3】第１実施形態に係る放電装置の一部断面の正面図。

【図4】第１実施形態に係る放電装置の等価回路。

【図5】第１実施形態に係る放射装置の一部断面の正面図。

【図6】第１実施形態に係る放射装置のアンテナ部に係る正面図。

【図7】第２実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。

【図8】第３実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。

【図9】第３実施形態の変形例に係る点火ユニットの一部断面の正面図。

【図10】第４実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図

【図11】第５実施形態に係る点火ユニットの一部断面の正面図。

【図12】第６実施形態に係る点火ユニット一体型インジェクタの一部断面の正面図

【図13】第１実施形態の一例に係る点火システムの一部断面の正面図。

【図14】第１実施形態の一例に係る点火システムのピストンの頂面を示す図。

【図15】第１実施形態の一例に係るアンテナの正面図。

【図16】第１実施形態の一例に係る点火システムの一部断面の正面図。

【図17】第１実施形態の一例に係る点火システムのシリンダヘッドの底面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

（第１実施形態）
−点火システム１０の構成−
図１を参照して、本実施形態に係る点火システム１０は、放電装置２、放射装置３、これらにマイクロ波を供給する電磁波発振器５と、電磁波発振器５を制御する制御装置６からなる。放電装置２は、詳しくは後述するが、出願人が開発した一種の点火プラグである。放射装置３は電磁波を放射する。本実施形態ではマイクロ波を放射するものとして説明するが、他の周波数帯域の電磁波を放射するものであってもよい。

【0016】

図２に示すように、放電装置２と放射装置３は、ケーシング４に収容され、一体化された点火ユニット１Ａを構成する。点火ユニット１Ａは、シリンダヘッドの取付口にケーシング４ごと挿入することができる。特に本実施形態の点火ユニット１Ａは、ガソリンエンジンで広く用いられているスパークプラグに置き換わることを想定しているため、いわゆるＭ１２のプラグホールに挿入可能な大きさである。つまり、放電装置２は直径が５ミリ程度、放射装置３も同じく直径が５ミリ程度である。なお、ケーシング４には、放電装置２と放射装置３をそれぞれ挿入するための挿入口が２つ設けられており、放電装置２と放射装置３の先端部分はエンジンの燃焼室内に露出するように、各挿入口の形状が設計される。また、ケーシング４の材料は、放電装置２、放射装置３の放熱を優先させるのであれば、熱伝導率の高い金属を採用するのが好ましい。一方、放電装置２と放射装置３の間の絶縁特性を優先させるのであれば、セラミック等の絶縁体を用いることが好ましい。但し、エンジンに用いられるのであるから耐熱性の高い材料を使用すべきであることは言うまでもない。

【0017】

なお、点火ユニット１Ａは、レシプロエンジンに限らずロータリーエンジンに用いてもよい。ロータリーエンジンに使用する場合、放電装置２と放射装置３の先端部分が燃焼室に露出していると、ロータリーエンジンのロータが接触して危険であるから、放電装置２と放射装置３の先端部分は燃焼室内には露出しない構成とすべきである。

【0018】

放電装置２は、Microwave Discharge Igniter（ＭＤＩ：登録商標）とも呼ばれ、外部（電磁波発振器５）から入力された２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波が共振する構造となっており、共振によりマイクロ波が昇圧されて先端部（放電部）が高電圧となることで放電が起きる構成となっている。この点で、通常のスパークプラグとは大きく相違する。

【0019】

図３を参照して、放電装置２の構成の詳細を説明する。放電装置２は、マイクロ波
が入力される入力部分２ａ、通常５０Ω系で設計された電磁波発振器５やマイクロ波を伝送する同軸ケーブルと、放電装置２の共振構造部分とのインピーダンス整合を行うための部分である結合部分２ｂ、及びマイクロ波共振構造で形成されマイクロ波の電圧の増幅を行う増幅部分２ｃからなる。また、増幅部分２ｃの先端部には放電電極２６を有する。放電装置２は導電性の金属からなる筒状のケース２１により内部の各部材が収容される。

【0020】

入力部分２ａには、電磁波発振器５で生成されたマイクロ波を入力する入力端子２２と、第１中心電極２３が設けられる。第１中心電極２３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極２３とケース２１の間には誘電体２９ａが設けられる。誘電体２９ａは、例えばセラミック材料で形成される。

【0021】

結合部分２ｂは、第１中心電極２３と、第２中心電極２４が設けられる。この結合部分２ｂは、上述の通り、インピーダンス整合を行うために設けられている。第２中心電極２４は、増幅部分２ｃ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２３を囲む。棒状の第１中心電極２３と筒状の第２中心電極２４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２３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極２４へ伝送される。第２中心電極２４の筒状部分には、セラミック等の誘電体２９ｂが充填され、第２中心電極２４とケース２１の間にもセラミック等の誘電体２９ｃが設けられる。

【0022】

増幅部分２ｃには、第３中心電極２５が設けられる。第３中心電極２５は、第２中心電極２４と接続しており、第２中心電極２４のマイクロ波が伝送される。放電電極２６は、第３中心電極２５の先端部に取付けられる。第３中心電極２５とケーシング２１の間にはセラミック等の誘電体２９ｄ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２５とケーシング２１の間には誘電体２９ｄが充填されない空洞部２７が設けられる。第３中心電極２５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２５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極２６とケース２１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極２６とケース２１の間で放電が起きる。また、第３中心電極２５の長さはおおよそマイクロ波の４分の１波長の長さである。但し、ここで４分の１波長とは、中心電極の屈折率等も加味した上での長さであり、単純にマイクロ波の波長の４分の１の長さという意味ではない。このような長さとした上で、一例として、第３中心電極２５と第２中心電極２４の境界部分にマイクロ波の節が来るように調整／設計すれば、放電電極２６が存する第３中心電極２５の先端部ではマイクロ波の腹が位置するので、この箇所で電圧を大きくなるようにすることができる。勿論、実際には、様々な要因があり、必ずしもこのような設計が好ましいとは限らないが、本実施形態では、基本的にはこのような考え方に基づいて設計がなされている。

【0023】

そして、放電電極２６と、ケース２７の間には環状の空間が形成されており、この空間で放電が生じる。つまり、放電が全方位で行われる。この点、放電電極と接地電極間でいわゆる一点放電を行うスパークプラグとは相違している。

【0024】

図４は、放電装置２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と並列に放電が設けられる。

【0025】

ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極２４と第１中心電極２３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２９ｂ）により決まる。第１中心電極２３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。

【0026】

容量Ｃ２は、第２中心電極２４とケース２１によって形成される接地容量であり、第２中心電極２４とケース２１との距離や対向面積、及び誘電体２９ｃの誘電率によって決まる。ケース２１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２５のコイル成分に相当する。

【0027】

容量Ｃ３は、第３中心電極２５、放電電極２６及びとケース２１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極２６の形状、大きさ及びケース２１との距離、（２）第３中心電極２５とケース２１との距離、（３）第３中心電極２５とケース２１の間に設けた間隙（空気層）２７や誘電体２９ｄ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２６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２５とケース２１のうち、誘電体２９ｄ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）２７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。

【0028】

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。

【数1】

【0029】

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放電装置２は設計される。

【0030】

上述のように放電装置２は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（放電装置２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２６と接地電極（ケース２１）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。

【0031】

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、放電装置２は、小型化に有利である。このように小型化できるから、後述する放射装置３と組み合わせても、従来のスパークプラグと同等の大きさとすることができる。また、昇圧方式を採用する結果、放電装置２のうち、放電電極２６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。

【0032】

更には、放電装置２はマイクロ波により駆動するから、制御装置６（図１参照）が電磁波発振器５を制御することで間接的に放電装置２を自由に制御することができる。つまり、電磁波発振器５によるマイクロ波の生成タイミングを制御することにより、放電装置２の放電タイミングを自由に制御できる。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、放電装置２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５を自由に制御することにより、任意のタイミングで高周波の、あたかも連続的な放電を生じさせることができる。従って、様々な制御が可能である。

【0033】

以上のように、本実施形態の放電装置２は、従来のスパークプラグとは大きく相違する。

【0034】

次に図５を参照して、放射装置３は、大きくは、マイクロ波を燃焼室に放射するアンテナ部３５と、電磁波発振器５からのマイクロ波をアンテナ部３５へ伝送する伝送路３０とに分かれる。

【0035】

また、図５では示されていないが、伝送路３０からアンテナ部３５へマイクロ波を供給する給電部を有しており、伝送路３０は、給電部に対して着脱自在とすることもできる。なお、伝送路３０は、同軸の伝送路であり、マイクロ波を伝送する中心導体３１と、グラウンド（接地部）として機能すると共に、マイクロ波が外部に漏えいすることを防ぐための外側導体３２が設けられている。また、中心導体３１と外側導体３２はセラミック等の絶縁体が充填され、また、外側導体３２の外側には例えば弾性体からなる絶縁体により包まれている。

【0036】

アンテナ部３５は、例えば図６に示すように、セラミック基板上に渦巻き状の金属パターン３５ａを印刷等することにより形成することができる。

【0037】

なお、上記実施形態の放射装置３は、単なる一例に過ぎず、燃焼室にマイクロ波を放射することができるものであれば、上記の実施形態に限られない。

【0038】

−点火システム１０による動作例−
次に、点火システム１０による動作例を説明する。典型的には、まず初めに制御装置６は、電磁波発振器５から放電装置２に対してのみマイクロ波が供給されるように電磁波発振器５を制御する。電磁波発振器５は例えば２出力（２チャンネル）構成とし、一方のチャンネルＡは放電装置２に接続し、他方のチャンネルＢは放射装置３に接続する。つまり、制御装置６は、まずチャンネルＡに対し制御を行う一方、チャンネルＢの出力はオフになるよう制御する。そして、放電装置２による放電により、燃焼室の燃料が点火したら、次は火炎を拡大させる目的で、制御装置６は、電磁波発振器５のチャンネルＢの出力をオンにするよう制御し、放射装置３からマイクロ波を放射させる。これにより火炎が拡大される。

【0039】

また、第２の例としては、運転状態に応じて、放射装置３の使用／不使用を切り替えることが考えられる。例えば、低負荷であるときの第１の運転条件を満たす間は、放電装置２による放電動作のみにより点火を行い、高負荷であるときの第２の運転条件を満たす場合は、放電装置２で点火したのち、放射装置３を用いて火炎を拡大させることもできる。

【0040】

第３の例として、図１３、図１４に示すように、アンテナ６０（６０Ａ〜６０Ｄ）をピストン２７の頂面に配置するようにしてもよい。これらのアンテナ６０はピストン２７の外周側に配置され、放射装置３から出射されるマイクロ波を受信する。換言すれば、アンテナ６０は、放射装置３から放射状に出射されるマイクロ波を誘導する、いわゆる２次アンテナとしての機能を果たす。つまり、アンテナ６０により、放射装置３からのマイクロ波がより効果的に燃焼室の外周側に誘導されることとなる。これにより、放電装置２により点火した火炎の拡大を効果的に行うことができる。また、外周部分において未燃ガスが発生することを防ぐこともできる。

【0041】

図１５（ａ）は、アンテナ６０の構成例である。同図に示すように、アンテナ６０は、セラミック材料で形成される矩形基板６１上に、導体６２が形成される。受信感度を最大化すべく、導体６２の長さはマイクロ波の波長のおおよそ１／４とする。

【0042】

第４の例として、図１６、図１７に示すように、アンテナ６０（６０Ａ〜６０Ｄ）をシリンダヘッド２１の底面（吸気バルブ２４間、排気バルブ２６間、又は吸排気バルブ間）に配置するようにしてもよい。このように配置しても、放射装置３からのマイクロ波を燃焼室の外周側に誘導することができ、外周部分において未燃ガスが発生することを防ぐこともできる。

【0043】

また、アンテナ６０をピストン頂面にアレイ状に配置してもよい。これにより、仮に一部のアンテナがススの付着や熱による破損により動作不良となったとしても、残ったアンテナが正常に機能すれば放射装置３からのマイクロ波を外周側に誘導することができるためである。

【0044】

（第２の実施形態）
図７に示すように、放電装置２と放射装置３をそれぞれ傾けて配置させても良い。この配置にすれば、放射装置３から放射されるマイクロ波が放電装置２の先端部に照射されやすくなる。

【0045】

但し、これらを傾けた結果、それぞれの先端部分を燃焼室内に露出させることができない。そこで、本実施形態のケーシング４Ｂ内には、キャビティ４１と、キャビティ４１と燃焼室を連通させる通路４２が設けられる。

【0046】

つまり、放電装置２により点火した（弱い）火花を、放射装置３から放射されたマイクロ波を用いて強めることにより、キャビティ４１内が高圧となり、これにより火炎が通路４２を介して燃焼室に押し出される。

【0047】

なお、プラグホールの直径が十分に大きい場合は、放電装置２と放射装置３をそれぞれ傾けて配置させても、これらの先端部分を燃焼室内に露出させることができるから、このようなキャビティ４１、通路４２を設ける必要はない。

【0048】

（第３の実施形態）
図８に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｃは、放電装置２と放射装置３を一体化させた構成である。点火ユニット１Ｃは、放電装置２Ｃの外周に筒状に放射装置３Ｃを形成している。

【0049】

ここで、放電装置２Ｃの構成は、ケーシング２１の形状が第１実施形態の放電装置２と相違するが、それ以外については同じである。

【0050】

一方、放射装置３Ｃは、絶縁筒３３、誘導筒３１、絶縁筒３４、導体筒３５からなる。絶縁筒３３は、導体であるケーシング２１の外周を包囲し、例えば高絶縁性、耐熱耐食性を備えたアルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）等を基材とするセラミックス等で形成される。誘導筒３１は絶縁筒３３を包囲するように設けられる。誘導筒３１は、後端部３１ｂ側から入力された電磁波発振器５からのマイクロ波を伝送し、先端部３１ａからマイクロ波を燃焼室に向けて放射する。誘導筒３１は、金属等の導体で形成される。但し、先端部３１ａの近傍はアルミナ等の絶縁性、耐熱性の材料で形成されていてもよい。絶縁筒３５は、誘導筒３１の周囲を囲うように設けられ、絶縁筒３３等と同様、絶縁性、耐熱性の材料で形成される。更に絶縁筒３５の周囲には導体筒３５が設けられる。この導体筒３５は、誘導筒３１を伝搬するマイクロ波が放射装置３Ｃの外部に漏えいするのを防止し、安全性と伝送効率を確保するために設けられる。

【0051】

点火ユニット１Ｃによれば、放電装置２と放射装置３を同軸状に一体化しているので、より小型化が実現できる。出願人は、一例として、直径が約５ミリの放電装置２の試作に成功している。よって、その放電装置２の外周に筒状の放射装置３Ｃを取り付けた構成である点火ユニット１Ｃの直径は１０ミリ程度とすることも十分に可能である。従って、点火ユニット１Ｃは、ガソリンエンジン等のスパークプラグの取付口にそのまま挿入させることが可能であり、エンジンの形状や仕様を大きく変更することなく、点火ユニット１Ｃを利用することができる。

【0052】

（変形例）
図９は、第３実施形態に係る点火ユニット１Ｃの変形例である。誘導筒３１の先端部分の外周側は、絶縁筒３４、導体筒３５に覆われない構成としてもよい。これにより、誘導筒３１の先端部からはより効果的にマイクロ波を放射することができる。

【0053】

（第４の実施形態）
図１０に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｄも、第３実施形態と同様、放電装置と放射装置を一体化させたものである。但し、点火ユニット１Ｆでは、放電装置２のケーシング２１の外周側（絶縁筒３３側）の表面にマイクロ波を伝播させる構成としている点で、第３実施形態と相違する。つまり、ケーシング２１が第３実施形態の絶縁筒３３の機能を兼ねている。

【0054】

この構成によれば、第３実施形態と比較して、点火ユニットの小径化を図ることができる。

【0055】

（第５の実施形態）
図１１に示すように、本実施形態に係る点火ユニット１Ｅも、第３、第４実施形態と同様、放電装置と放射装置を一体化させたものである。但し、放電装置の構成が、他の実施形態とは異なる。

【0056】

本実施形態の放電装置７は、中心電極７１、誘電体７２、接地電極７３、放電電極７５等により構成される。中心電極７１は、先端側に位置する第１部分７１Ａとその後ろ側に位置する第２部分７１Ｂとに分かれる。中心電極７１は金属等の導体で形成されその表面を電磁波が伝播する。第１部分７１Ａの表面には、アルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）等を基材とするセラミックス等からなる誘電体７２が形成される。第１部分７１Ａの先端部には突起状の放電電極７５が形成される。第１部分７１Ａ及び誘電体７２の周囲には、筒状の接地電極７３が空間を隔てて設けられる。

【0057】

放電装置７では、中心電極７１、誘電体７２、接地電極７３がマイクロ波の周波数において共振する共振構造となっており、これにより入射したマイクロ波の電圧が放電電極７５の近傍で最大になるように昇圧される。この結果、放電電極７５と接地電極７３の間で放電を生じさせることができる。これにより、第１実施形態の点火ユニット１Ａの放電装置２と同様、放電装置の先端部分に非平衡プラズマを形成させることができ、燃料を点火させることができる。

【0058】

また、第１実施形態と同様、この放電装置７もマイクロ波により駆動するから、任意のタイミングで高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミング大きさでプラズマを生成させることができる。

【0059】

放電装置７の周囲には、マイクロ波を放射する放射装置３Ｄが形成される。この放射装置３Ｄの構成は、第３実施形態の放射装置３Ｃと同様である。

【0060】

したがって、本実施形態の点火ユニット１Ｅによっても、まず放電装置７で燃料を点火させた後、放射装置３からマイクロ波を放射させることで点火した火炎を拡大させることができる。

【0061】

また、本実施形態の点火ユニット１Ｅも、第３実施形態の点火ユニット１Ｃと同様、直径１０ミリ程度に形成できるから、ガソリンエンジン等のスパークプラグの取付口にそのまま挿入させることが可能である。

【0062】

（第６の実施形態）
本発明は、図１２に示すような点火ユニット一体型インジェクタ１Ｆにも適用できる。この一体型インジェクタ１Ｆは、第５実施形態の点火ユニット１Ｅの中心電極７１をインジェクタ本体に置き変えたものである。つまり、燃料噴射管の表面に誘電体８２を設けることでマイクロ波が共振する構造を形成し、マイクロ波の電圧を増幅させ、また、燃料噴射間の先端部に突起状の放電電極８５を設け、放電電極８５と接地電極８３間で放電を生じさせることにより、燃料噴射管から噴射させる燃料を点火する。

【0063】

一方、放射装置３の構成は第３、第４実施形態とほぼ同じである。電磁波発振器５からのマイクロ波は、同軸ケーブル５１ａを経由して、燃料噴射管の中央部分８１Ｂに一旦伝送される。中央部分８１Ｂには、図示しないインピーダンス整合回路が形成される。このインピーダンス整合回路は同軸ケーブル（通常、５０Ω系）と、マイクロ波共振構造部分間のインピーダンス整合を行うものである。なお、同軸ケーブル５１ａは、一例として、インジェクタ本体の内部に設けられた貫通孔に挿入される。

【0064】

また、電磁波発振器５からのマイクロ波は、同軸ケーブル５１ｂを経由して、誘導筒３４にも入射する。これにより、誘導筒３４の先端部からはマイクロ波が放射する。本実施形態によっても、上記各実施形態と同様の作用効果を奏する。

【0065】

また、近年、ディーゼルエンジンをＣＮＧ等の天然ガスにより動作させるエンジンの開発が行われているが、ＣＮＧは軽油よりも着火温度が高いので、ディーゼルエンジンの圧縮比を大幅に変えない限り、強制的な着火手段が必要である。この点火ユニット一体型インジェクタ１Ｆは、ディーゼルエンジンのディーゼルインジェクタの取付口に挿入可能な大きさであるから、ディーゼルエンジンを天然ガスで動作させる用途に特に適している。

【0066】

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。

【0067】

例えば、放電装置２は、上記のものに限らず、例えばコロナ放電プラグ（例えばボルグワーナー社のEcoFlash（米国登録商標））など他のタイプのものを用いても良い。但し、上記の実施形態で示した効果を奏するには、高い周波数での連続放電が可能なイグナイタが好ましい。

【0068】

また、放電装置２はマイクロ波により動作するものとし、放射装置３もマイクロ波を放射するものとしているが、他の帯域を有する電磁波により動作又は放射するものでも良い。

【0069】

また、放電装置２と放射装置３は、ケーシング４により一体化されているが、別体であってもよい。

【0070】

また、放電装置２は、電磁波発振器５からの入力電圧が低い場合、放電電極２６での電圧が十分に高くならないので、放電電極２６とケーシング２１の間で放電が行われない場合がある。このとき、放電電極２６からマイクロ波が放射する場合がある。このことを逆に利用すれば、放射装置４を省略することも可能となる。つまり、まず初めは、放電装置２が確実に放電を行いうるよう、電磁波発振器５の出力電圧を高くしておく。そして、燃料が点火した後は、敢えて電磁波発振器５の出力電圧を低くすることで、放電電極２６の先端部からマイクロ波が放射するように制御することで、火炎を拡大することも可能であると考えられる。これにより、放射装置３自体を省略することができる。

【0071】

また、第３実施形態の点火ユニット１Ｃ等では、マイクロ波を放電装置２、放射装置３に対し、電磁波発振器５の別々のチャンネルか入力させることを想定しているが、同一のチャンネルから点火ユニット１Ｃにマイクロ波を供給（給電）し、点火ユニット１Ｃ内にマイクロ波の分配器を設け、放電装置２Ｃ、放射装置３Ｃにマイクロ波を供給するようにしてもよい。

【0072】

また、上述したアンテナ６０は、火炎拡大以外の目的で使用されるものであってもよい。例えば排気ポートの近傍に配置し、受信アンテナではなく、送信アンテナとして機能させ、排気ガスの処理に使用してもよい。この場合、図１５（ｂ）に示すように、排気ガスが流通できるよう、矩形基板６１上に空洞部６４を設けるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0073】

１ 点火ユニット
２ 放電装置
３ 放射装置
４ ケーシング
５ 電磁波発振器
６ 制御装置
１０ 点火システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】