JP6868421B2

JP6868421B2 - 点火装置

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Publication number: JP6868421B2
Application number: JP2017044205A
Authority: JP
Inventors: 翔太木下; 文明青木; 田中　大介; 大介田中; 明光杉浦; ヤンフサリク; 正士神藤
Original assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Denso Corp
Current assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Denso Corp
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-03-08
Also published as: US11129268B2; US20180279460A1; JP2018145948A

Description

本発明は、点火装置に関する。

内燃機関等の点火装置として、高周波プラズマを発生させて空気と燃料との混合気に点火するものがある。例えば、特許文献１には、内導体と外導体とを有する同軸導波構造体を備え、同軸導波構造体の先端を燃焼室内に突出させた点火装置が開示されている。この点火装置では、同軸導波構造体に電磁波を発生させる電磁波電力を印加して内導体の先端を高電位にすることにより、内導体の先端にプラズマを発生させて燃焼室内の混合気に点火するように構成されている。

特表２００５−５３６６８４号公報

特許文献１に開示の構成において、効率的に点火を行うには、電磁波電力のエネルギーをプラズマの形成及び拡大に効率的に利用することが必要である。しかしながら、内導体の先端部や内導体と外導体との間のプラズマ形成空間に存在する混合気のインピーダンス状態は、プラズマが発生する前後で異なる。そのため、上記電磁波を電磁波電力の印加開始からプラズマが発生するまでの状態におけるインピーダンス状態にマッチングさせると、上記電磁波はプラズマの発生後の状態におけるインピーダンス状態にマッチングしないため、電磁波電力のエネルギーをプラズマの拡大に効率的に利用することができない。

一方、上記電磁波をプラズマの発生後の状態におけるインピーダンス状態にマッチングさせると、上記電磁波はプラズマが発生するまでの状態におけるインピーダンス状態にはマッチングせず、電磁波電力のエネルギーを高周波プラズマの発生に効率的に利用することができない。従って、特許文献１に開示の構成では、プラズマの発生と拡大の両方において電磁波電力のエネルギーを効率的に利用できるようにはなっていない。その結果、消費電力や燃費が増加したり、消費電力の増加に伴って電磁波電源の大型化を招いたりしていた。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、プラズマによって混合気に点火する点火装置において、電磁波電力のエネルギーを効率的に利用することができる点火装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）にプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波を発生させて電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記プラズマの形成状態を判定する判定部（５０）と、
該判定部の判定結果に基づいて上記電磁波のマッチング対象を決定する決定部（６０）と、
上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記電磁波のマッチング状態を制御する結合状態制御部（７０）と、
を有する点火装置にある。

上記点火装置においては、プラズマの形成状態の判定結果に基づいて電磁波のマッチング対象が決定され、当該電磁波が当該マッチング対象にマッチングするように電磁波のマッチング状態が制御される。これにより、プラズマの形成状態の変化に合わせて電磁波のマッチング状態を最適な状態にすることができるため、電磁波電力のエネルギーを効率的にプラズマ形成に利用することができる。これにより、消費電力の低減、燃費の向上、電磁波電源の小型化に寄与する。

以上のごとく、本発明によれば、電磁波電力のエネルギーを効率的に使用することができる点火装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、点火装置の概略図。実施形態１における、点火プラグの斜視図。図２における、III-III線位置断面の一部拡大図。実施形態１における、点火装置の使用態様を説明するためのフロー図。図５（ａ）は実施形態１、図５（ｂ）は比較形態１、図５（ｃ）は比較形態２における反射電力の検出値の推移を示す図。実施形態１と比較形態２におけるプラズマ形成遅れ時間を比較した図。実施形態２における、点火装置の概略図。実施形態２における、点火装置の使用態様を説明するためのフロー図。

（実施形態１）
点火装置の実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
本実施形態の点火装置１は、プラズマによって、空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を形成するものである。
そして、図１に示すように、点火装置１は、点火プラグ２、電磁波電源４０、判定部５０、決定部６０、結合状態制御部７０を有する。図２、図３に示すように、点火プラグ２は、内導体１０と、該内導体１０を内側に保持する筒状の外導体２０と、内導体１０と外導体２０との間に設けられた誘電体３０とを備える。点火プラグ２は、内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒにプラズマを発生させるように構成されている。

電磁波電源４０は、電磁波を発生させて電磁波電力を点火プラグ２に印加する。
判定部５０は、プラズマの形成状態を判定する。
決定部６０は、判定部５０の判定結果に基づいて電磁波のマッチング対象を決定する。
結合状態制御部７０は、電磁波がマッチング対象にマッチングするように電磁波のマッチング状態を制御する。

以下、本実施形態の点火装置１について、詳述する。
図３に示すように、点火プラグ２に備えられた外導体２０は、円筒状の第１外導体２１と、第１外導体２１の内側に中心軸を共有するように設けられた円筒状の第２外導体２２とからなる。第１外導体２１と第２外導体２２との間には、隙間２０ａが形成されている。第１外導体２１は、点火プラグ２のハウジング２３も兼ねており、ハウジング２３の外周面には内燃機関に螺合するための取付ネジ部２４が形成されている。

図２に示すように、誘電体３０は筒状を成しており、第１外導体２１及び第２外導体２２と中心軸を共有するように第２外導体２２の内側に設けられている。図３に示すように、誘電体３０の先端側Ｙ１の先端である誘電体先端部３１は、第２外導体２２の先端側Ｙ１の端部である外導体先端部２５よりも先端側Ｙ１に位置している。すなわち、誘電体先端部３１は先端側Ｙ１に突出している。誘電体３０の材料として、内導体先端部１１の電界強度を向上する材料を採用することが好ましい。内導体１０の先端側Ｙ１の端部である内導体先端部１１の電界強度を向上することにより、内導体先端部１１と誘電体先端部３１との間に部分放電が形成されやすくなるからである。内導体先端部１１の電界強度を向上する誘電体３０の材料として、誘電率の高い材質（例えばアルミナ）を用いることができる。

内導体１０は円柱形状を有しており、誘電体３０と中心軸を共有するように誘電体３０の内側に設けられている。内導体１０の外径は誘電体３０の内径よりも小さくなっており、内導体１０の外周面１１ｂと、誘電体３０の内周面３１ｂとは離隔している。内導体先端部１１は、誘電体先端部３１よりも基端側Ｙ２に位置している。そして、第２外導体２２の外導体先端部２５と、プラグ軸方向Ｙにおける位置が同一となっている。

内導体１０の材料として、内導体先端部１１が加熱され易いようにするために、比較的導電率の低い材料又は当該材料を一部に含む材料を用いることができる。このような材料として、例えば銅よりも導電率の低い材料を用いることができる。なお、内導体先端部１１のみがこのような材料からなることとしてもよい。この場合にも内導体先端部１１が加熱され易いようにすることができる。

また、内導体１０の材料として、内導体１０の内導体先端部１１が加熱され易いようにするために、高周波エネルギーを吸収しやすい材料又は当該材料を一部に含む材料を用いることができる。あるいは、内導体１０の外周面１１ｂ又は誘電体３０の内周面３１ｂに高周波エネルギーを吸収しやすい材料をコーティングすることにより、内導体１０の内導体先端部１１が加熱され易いようにしてもよい。高周波エネルギーを吸収しやすい材料として、例えばカーボンを用いることができる。高周波エネルギーを吸収しやすい材料を一部に含む材料として、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いることができる。

プラズマ形成空間Ｒは、図３に示すように、誘電体３０の内周面３１ｂと内導体１０の内導体先端部１１及び内導体１０の外周面１１ｂとによって囲まれたプラズマ形成空間として形成されている。プラズマ形成空間Ｒは、内導体先端部１１の外側縁部１１ａと誘電体先端部３１の内側縁部３１ａとを結ぶ仮想線分Ｌを含むプラズマ形成空間である。すなわち、プラズマ形成空間Ｒにより内導体先端部１１と誘電体先端部３１とが離隔している。なお、内導体１０、外導体２０及び誘電体３０からなる同軸管のプラグ軸方向Ｙの長さは、内導体先端部１１の電界強度が最大となる大きさにすることができ、例えば、印加される高周波の波長の１／４の大きさにすることができる。

図１に示すように、点火プラグ２には、電磁波電源４０が接続されている。電磁波電源４０は、発振器４１、増幅器４２を備える。発振器４１は周波数制御器７１を有している。電磁波電源４０は、点火信号Ｉｇが入力されると、これに応じて所定の周波数を有する電磁波電力Ｐｓを出力する。電磁波電源４０から出力された電磁波電力Ｐｓはインピーダンス変更部７２及びアイソレータ６５を経由して点火プラグ２に入力される。電磁波電源４０は高周波の電磁波電力Ｐｓを出力する。電磁波電力Ｐｓの周波数は、特に限定されないが、２．４０〜２．５０ＧＨｚとすることができる。なお、電磁波電力Ｐｓの周波数を２．４０〜２．５０ＧＨｚのマイクロ波とすると、電磁波電力Ｐｓの伝送路の長さが波長に対して長くなるため、伝送路にインピーダンス不連続部がある場合には、反射電力Ｐｒが発生し、点火プラグ２への入射電力が減少することとなる。

アイソレータ６５は点火プラグ２からの反射電力Ｐｒをグランド６６側にのみ出力する。本実施形態では、反射電力Ｐｒは検出部８０としての反射電力検出部８１により検出され、検出された反射電力Ｐｒの大きさが反射電力記憶部８２に記憶される。

判定部５０は、反射電力記憶部８２に記憶された検出結果に基づき、内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒにおけるプラズマの形成状態を判定する。本明細書においてプラズマの形成状態とは、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成されているか否か、プラズマ形成後にプラズマが成長段階に入っているか否か、プラズマにより初期火炎が形成されているか否かなどを含むプラズマの形成に関する状態をいう。本実施形態では、判定部５０は反射電力検出部８１が検出した反射電力の大きさに基づいて高周波プラズマが形成されたか否か、プラズマが成長段階に入っているか否か、及び初期火炎が形成されたか否かを判定する。

判定部５０の判定結果は決定部６０に入力される。決定部６０は、判定結果に基づいて、電磁波のマッチング対象を決定する。マッチング対象としては、例えば、内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒに存在する混合気や内導体先端部１１、プラズマ形成空間Ｒに形成されたプラズマ、プラズマ形成空間Ｒに形成された初期火炎などがあげられる。決定部６０の決定結果は結合状態制御部７０に入力される。

結合状態制御部７０は、決定部６０の決定結果に基づいて、電磁波がマッチング対象にマッチングするようにマッチング状態を制御する。すなわち、結合状態制御部７０は、マッチング対象を含む電磁波電力Ｐｓの伝送路のインピーダンス整合をとるように、電磁波電力Ｐｓの周波数ｆや伝送路のインピーダンスを変更する。

また、本実施形態では、点火装置１は、マッチング対象を含む伝送路のインピーダンス整合を取ることができる周波数を予測する周波数予測部９０を有する。周波数予測部９０は、点火装置１が搭載された内燃機関を有する車両の運転条件に基づいて、上記周波数を予測することができるように構成されている。周波数予測部９０は、予測結果を結合状態制御部７０に送信する。

本実施形態では、結合状態制御部７０は、周波数制御器７１及びインピーダンス変更部７２の少なくとも一方を操作して、マッチング状態を制御する。周波数制御器７１は、電磁波電源４０から出力される電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを変更することができる。インピーダンス変更部７２は、電磁波電力Ｐｓの伝送路のインピーダンスを変更することができる。そして、結合状態制御部７０は、周波数予測部９０の予測結果に基づいて、電磁波電力Ｐｓの周波数及び伝送路のインピーダンスの少なくとも一方を変更できるように構成されている。

周波数制御器７１は、ＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路によって電圧制御発振器の出力電力の周波数を制御するように構成されていてもよい。また、周波数制御器７１は、Ｄ／Ａコンバータを介して電圧制御発振器を直接制御する回路により構成されていてもよい。例えば、周波数制御器７１をＰＬＬ回路と直接制御の回路とを切り替え可能な構成とし、結合状態制御部７０から周波数制御器７１に周波数変更信号が入力された直後は直接制御の回路に接続して所望の周波数に変更した後、ＰＬＬ回路に接続するよう切り替えるようにしてもよい。このようにすれば、直接制御の回路によって周波数を高速で変更できるとともに、周波数が変更された後はＰＬＬ回路によって周波数を安定させることができる。

インピーダンス変更部７２は、電磁波電力Ｐｓの伝送路のインダクタンス及びキャパシタンスのうち少なくとも一方を変更するように構成することができ、例えば、２スタブチューナ、３スタブチューナなどのスタブ整合器により構成することができる。

次に、点火装置１による点火制御について図４を用いて説明する。
まず、図４に示すように、startから当点火サイクルを開始し、ステップＳ１において、点火信号Ｉｇの入力に先立って当点火サイクルの運転条件を収集する。次いで、ステップＳ２において、インピーダンス変更部７２の現在の状態を取得する。

その後、ステップＳ３において、周波数予測部９０が運転条件に基づいて、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成されていない状態である第１状態における伝送路のインピーダンスに整合する第１予測周波数ｆ１と、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成された状態である第２状態における伝送路のインピーダンスに整合する第２予測周波数ｆ２とを予測する。すなわち、第１予測周波数ｆ１は電磁波のマッチング対象がプラズマ形成空間Ｒの混合気であるときに予測される周波数であり、第２予測周波数ｆ２は電磁波のマッチング対象がプラズマ形成空間Ｒのプラズマであるときに予測される周波数である。

次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で予測した第１予測周波数ｆ１及び第２予測周波数ｆ２が所定範囲内にあるか否かを周波数予測部９０において判断する。本実施形態では、第１予測周波数ｆ１及び第２予測周波数ｆ２が、２．４０〜２．５０ＧＨｚの範囲内にあるか否かを判断する。

第１予測周波数ｆ１及び第２予測周波数ｆ２が当該範囲内にない場合は、ステップＳ５において、結合状態制御部７０がインピーダンス変更部７２を操作して伝送路のインピーダンスを変更し、再度ステップＳ２に戻る。

一方、ステップＳ４において、第１予測周波数ｆ１及び第２予測周波数ｆ２が上記範囲内にある場合には、ステップＳ６において、結合状態制御部７０が周波数制御器７１を操作して電磁波電源４０から出力される電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを第１予測周波数ｆ１に合うように変更する。すなわち、電磁波のマッチング対象をプラズマ形成空間Ｒの混合気に設定する。

次に、ステップＳ７において、点火装置１が点火信号Ｉｇを受信したか否かを判断する。点火信号Ｉｇを受信していない場合は、再度ステップＳ７を行う。点火装置１が点火信号Ｉｇを受信した場合は、ステップＳ８において電磁波電源４０から電磁波電力Ｐｓを点火プラグ２に印加する。電磁波電力Ｐｓの周波数ｆは第１予測周波数ｆ１に設定されているため、電磁波がプラズマ形成空間Ｒの混合気にマッチングされて第１結合状態となる。

そして、ステップＳ９において、反射電力検出部８１が伝送路における反射電力Ｐｒを検出する。検出した反射電力Ｐｒの大きさは、反射電力記憶部８２に記憶される。図５（ａ）に示すように、反射電力Ｐｒは電磁波電力Ｐｓの印加開始ｔ１後に大きな値を示すが、直後に小さくなっている。

その後、ステップＳ１０において、判定部５０が、反射電力記憶部８２に記憶された反射電力Ｐｒと比較して、前回の反射電力Ｐｒの大きさが極小値であるか否かを判定する。本実施形態では、極小値の判定方法では、前々回検出した反射電力Ｐｒの大きさｘ−２、前回検出した反射電力Ｐｒの大きさｘ−１、今回検出した反射電力Ｐｒの大きさｘを比較して、ｘ−２＞ｘ−１かつｘ＞ｘ−１となるときに、前回の反射電力Ｐｒの大きさが極小値であると判定する。なお、極小値の判定方法はこれに限らず、種々の公知の方法を採用することができる。

ステップＳ１０において、前回の反射電力Ｐｒの大きさが極小値でないと判定した場合、ステップＳ１１において、判定部５０は、点火プラグ２におけるプラズマ形成状態は、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成されていない第１状態であると判定する。これにより、電磁波のマッチング対象はプラズマ形成空間Ｒの混合気に設定した状態に維持される。そして、ステップＳ９に戻る。本実施形態では、図５（ａ）においてｔ１〜ｔ２の期間において、第１状態であると判定される。

一方、ステップＳ１０において、前回の反射電力Ｐｒの大きさが極小値であると判定した場合は、ステップＳ１２において、判定部５０は、点火プラグ２におけるプラズマ形成状態は、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成されている第２状態であると判定する。そして、ステップＳ１３において、結合状態制御部７０が周波数制御器７１を操作して電磁波電源４０から出力される電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを第２予測周波数ｆ２に変更する。これにより、電磁波のマッチング対象がプラズマ形成空間Ｒに形成されたプラズマに設定され、電磁波がプラズマにマッチングされて第２結合状態となる。

本実施形態では、図５（ａ）においてｔ２で示す時点において反射電力が極小値であると判定されるとともに、ｔ２においてプラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成されたと判断される。従って、ｔ１〜ｔ２の期間は第１状態であるとともに、電磁波電力Ｐｓの印加に対するプラズマ形成の遅れ時間を示している。

その後、ステップＳ１４において、反射電力検出部８１により、反射電力Ｐｒを検出し、反射電力記憶部８２に記録する。そして、ステップＳ１５において、判定部５０が、反射電力検出部８１により検出された今回の反射電力Ｐｒと反射電力記憶部８２に記憶された前回の反射電力Ｐｒとを比較して、今回の反射電力Ｐｒの増加量が所定値以上であるか否かを判定する。今回の反射電力Ｐｒの増加量が所定値以上でないと判定された場合は、ステップＳ１４に戻る。一方、今回の反射電力Ｐｒの増加量が所定値以上であると判定された場合は、ステップＳ１６において、判定部５０はプラズマにより初期火炎が形成された第３状態であると判定する。

その後、ステップＳ１７において、結合状態制御部７０が周波数制御器７１を操作して電磁波電源４０から出力される電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを上記所定範囲内で変更する。そして、ステップＳ１８において反射電力検出部８１によって反射電力Ｐｒを検出し、ステップＳ１９において、判定部５０が今回の反射電力Ｐｒの検出値が前回の反射電力Ｐｒの検出値よりも大きいか否か判定する。今回の反射電力Ｐｒの検出値が前回の反射電力Ｐｒの検出値よりも大きいと判定された場合は、ステップＳ１７に戻って、再度電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを変更することにより、反射電力が増加しないようにフィードバック制御を行う。これにより、電磁波のマッチング対象が初期火炎に設定され、電磁波が初期火炎にマッチングされて第３結合状態を維持する。本実施形態では、図５（ａ）に示す時点ｔ３において、第３状態と判定されてフィードバック制御が行われる。

一方、ステップＳ１９において、今回の反射電力Ｐｒの検出値が前回の反射電力Ｐｒの検出値よりも大きくないと判定された場合には、ステップＳ２０において、点火信号ＩｇがＯＦＦであるか否かを判定する。点火信号ＩｇがＯＦＦでない場合、すなわち点火信号Ｉｇを受信している場合はステップＳ１８に戻る。そして、点火信号ＩｇがＯＦＦである場合、すなわち点火信号Ｉｇを受信していない場合は、ステップＳ２１において、電磁波電源４０による電磁波電力Ｐｓの印加を停止してstartに戻る。本実施形態では、図５（ａ）においてｔ４で示す時点において、電磁波電力Ｐｓの印加が停止される。すなわち、電磁波電力Ｐｓはｔ１からｔ４までの期間にわたって印加される。

プラズマによって混合気に点火する点火装置では、以下のことが知られている。すなわち、電磁波電力の印加開始後、内導体と外導体の間のプラズマ形成空間や内導体先端部に、電磁波電力のエネルギーが蓄積される過程で一旦反射電力が上昇する。そして、プラズマが形成される過程で蓄積されたエネルギーが消費されることにより、反射電力が急激に減少し、その後プラズマ成長過程への移行に伴う負荷インピーダンスの変化から反射電力が再び上昇する。

本実施形態及び比較形態の点火装置１の点火サイクルにおける反射電力の検出値の推移は以下の通りである。本実施形態の点火装置１では、まず、反射電力Ｐｒは、電磁波電力Ｐｓの印加開始前の初期状態から印加開始ｔ１後に急激に増加したが早期に減少してｔ２において極小値を取った。ｔ２の直後には反射電力は再度急激に増加したが、その大きさはｔ１の直後よりも小さかった。その後、反射電力はｔ３までは緩やかに増加し、ｔ３〜ｔ４の期間ではほぼ一定に維持されていた。そして、ｔ４以後は電磁波電力Ｐｓの印加開始前の状態に戻った。

比較形態１として、点火装置１と同様の構成において、プラズマ形成前の状態、すなわち、第１状態における伝送路のインピーダンスと整合を取るように周波数を設定した電磁波電力を、印加開始ｔ１から印加停止ｔ４まで点火プラグ２に印加し続けた。比較形態１では、図５（ｂ）に示すｔ１〜ｔ２の期間においては、図５（ａ）に示す本実施形態の場合と同様に、反射電力は電磁波電力の印加時ｔ１に増大した後に早期に減少してｔ２において極小値を取った。一方、図５（ｂ）に示すｔ２〜ｔ４の期間においては、当期間全域で図５（ａ）に示す本実施形態の場合に比べて、反射電力は大きな値を示した。

さらに、比較形態２として、点火装置１と同様の構成において、プラズマ形成後かつ初期火炎形成前の状態、すなわち、第２状態における伝送路のインピーダンスと整合を取るように周波数を設定した電磁波電力を、印加開始ｔ１から印加停止ｔ４まで点火プラグ２に印加し続けた。比較形態２では、図５（ｃ）に示すｔ１〜ｔ２の期間において、反射電力は図５（ａ）に示す本実施形態の場合よりも大きい値を示した。さらに、極小値を取った時点ｔ２は図５（ａ）に示す本実施形態の場合に比べて遅くなっており、電磁波電力の印加開始からプラズマが形成されるまでの時間であるプラズマ形成遅れ時間が長くなった。また、ｔ２〜ｔ３の期間においてはｔ２の直後の反射電力の増加状態は図５（ａ）に示す本実施形態の場合と同様ではあったが、図５（ｃ）に示すｔ３において反射電力は急激に増加した後、電磁波電力の印加終了時ｔ４になるまで減少した。

本実施形態と比較形態１を比較すると、図５（ａ）に示す本実施形態の場合では、図５（ｂ）に示す比較形態１の場合に比べて、ｔ２〜ｔ３及びｔ３〜ｔ４の期間において、反射電力の検出値が小さく、当該期間において、電磁波電力のエネルギーがプラズマ成長及び初期火炎の形成に有効に利用されたと推定される。また、本実施形態と比較形態２を比較すると、図５（ａ）に示す本実施形態の場合では、図５（ｃ）に示す比較形態２の場合に比べて、ｔ１〜ｔ２の期間で反射電力の検出値が小さいため、電磁波電力のエネルギーがプラズマ形成に有効に利用されたと推定される。また、ｔ３〜ｔ４の期間においても比較形態２の場合に比べて反射電力が上昇していないため、当該期間において、電磁波電力のエネルギーが初期火炎の形成に有効に利用されたと推定される。

また、プラズマ形成遅れ時間ｔ１〜ｔ２について、本実施形態と比較形態２を比較すると、図６に示すように、比較形態２のプラズマ形成遅れ時間ｔ１〜ｔ２を１としたとき、本実施形態のプラズマ形成遅れ時間ｔ１〜ｔ２は０．１であった。これにより、比較形態２に比べて、本実施形態ではプラズマ形成遅れ時間ｔ１〜ｔ２が充分短くなっており、これによっても電磁波電力のエネルギーがプラズマ形成に有効に利用されたと推定される。

以下に、本実施形態の点火装置１の作用効果について詳述する。
本実施形態の点火装置１によれば、上述のごとくプラズマの形成状態の判定結果に基づいて電磁波のマッチング対象が決定され、当該電磁波が当該マッチング対象にマッチングするように電磁波のマッチング状態が制御される。これにより、プラズマの形成状態の変化に合わせて電磁波のマッチング状態を最適な状態にすることができるため、電磁波電力のエネルギーを効率的にプラズマ形成に利用することができる。これにより、消費電力の低減、燃費の向上、電磁波電源４０の小型化に寄与する。

また、本実施形態では、判定部５０が内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒにプラズマが発生していない第１状態であると判定したときは、決定部６０はマッチング対象をプラズマ形成空間Ｒに存在する混合気に決定する。また、判定部５０が内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒにプラズマが発生している第２状態であると判定したときは、決定部６０はマッチング対象をプラズマ形成空間Ｒに存在するプラズマに決定する。これらにより、第１状態及び第２状態のそれぞれに適した状態で電磁波をマッチングさせることができるため、電磁波電力のエネルギーを効率的にプラズマ形成及び成長に利用することができる。

また、本実施形態では、点火プラグ２からの反射電力Ｐｒを検出する検出部８０を有し、判定部５０は、検出部８０の検出結果に基づいてプラズマの形成状態を判定する。これにより、電磁波電力Ｐｓの伝送路のインピーダンスの不整合の有無を高精度に検出することができ、第１状態及び第２状態のそれぞれに一層適した状態で電磁波をマッチングさせることができる。なお、本実施形態では、反射電力Ｐｒを検出部８０の検出対象としたが、これに替えて又はこれとともに、点火プラグ２への入射電力、入射電力又は反射電力を検出するための検波電圧あるいは検波電流のうち少なくとも一つを検出対象としてもよい。なお、電磁波は周波数が高いため、その瞬時値を求めてマッチング状態を制御することはコスト面で不利であるほか、周波数帯によっては事実上困難であるが、検波電圧又は検波電流を検出対象にすれば、低コストでマッチング状態を制御することができる。特に、ＲＦ帯レベルの高い周波数の電磁波を用いる場合は、検波電圧又は検波電流を検出対象にすれば測定時の応答性が十分高いため、高い確実性と有効性が得られる。

また、本実施形態では、検出部８０は反射電力Ｐｒを検出し、検出部８０が検出した反射電力Ｐｒが電磁波電力Ｐｓの印加開始ｔ１から最初の極小値となったとき、判定部５０は、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが発生したと判定する。これにより、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが発生したことを精度よく判定することができる。

また、本実施形態では、判定部５０がプラズマによって初期火炎が形成されている第３状態と判定したときは、決定部６０はマッチング対象を初期火炎に決定する。初期火炎は、プラズマとは異なる化学種で形成されるため、負荷インピーダンスもプラズマとは異なる。上述のようにすることにより、初期火炎が形成された後には、電磁波電力Ｐｓのエネルギーを初期火炎に投入することができるため、電磁波電力Ｐｓのエネルギーを一層有効に利用することができ、初期火炎の成長を促進し着火性を向上することができる。

また、本実施形態では、電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを変更する周波数制御部７１を備え、結合状態制御部７０は、周波数制御部７１を操作して電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを変更することにより、電磁波がマッチング対象にマッチングするように電磁波のマッチング状態を制御する。これにより、電磁波をマッチング対象にマッチングさせやすくしている。

また、本実施形態では、電磁波電力Ｐｓの伝送路のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部７２を備え、結合状態制御部７０は、インピーダンス変更部７２を操作して伝送路のインピーダンスを変更することにより、電磁波がマッチング対象にマッチングするようにマッチング状態を制御する。これによっても、電磁波をマッチング対象にマッチングさせやすくしている。

また、本実施形態では、電磁波電力Ｐｓの周波数ｆを変更する周波数制御部７１と、電磁波電力Ｐｓの伝送路のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部７２とを備え、結合状態制御部７０は、電磁波がマッチング対象にマッチングするときの電磁波の周波数が周波数制御部７１で制御可能な所定範囲内となるようにインピーダンス変更部７２を操作して伝送路のインピーダンスを変更した後、周波数制御部７１を操作して電磁波を所定範囲内で変更することにより電磁波がマッチング対象にマッチングするように電磁波のマッチング状態を制御する。そして、本実施形態では上記周波数の所定範囲は、２．４０〜２．５０Ｇｈｚとなっている。通常、インピーダンス変更部７２によるインピーダンスの変更には時間がかかるが変更範囲が広く、周波数制御部７１による周波数の変更は高速で行うことが可能であるが変更範囲が狭いという特性がある。従って、上述の構成を採用することにより、電磁波電力Ｐｓの印加前にインピーダンス変更部７２によって上述の如くインピーダンスを変更しておき、電磁波電力Ｐｓの印加中は周波数制御部７１によって周波数を変更することにより、制御可能な周波数範囲を広げつつ高速で正確に電磁波をマッチング対象にマッチングさせることができる。

また、本実施形態では、インピーダンス変更部７２は、伝送路のインダクタンス及びキャパシタンスのうち少なくとも一方を変更するように構成されている。これにより、インピーダンス変更部７２によりインピーダンスを変更してリアクタンスを変化させて共振部を変えることで、マッチング状態を調整することができる。そのため、より広い範囲においてマッチング状態の調整が可能となる。

以上のごとく、本実施形態によれば、電磁波電力Ｐｓのエネルギーを効率的に使用することができる、点火装置１を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の点火装置１は、図７に示すように、実施形態１の構成に加えて、遅れ時間記憶部６１を有する。遅れ時間記憶部６１には、予め設定されたプラズマ形成遅れ時間が記憶されている。プラズマ形成遅れ時間とは、点火プラグ２への電磁波電力Ｐｓの印加開始ｔ１からプラズマが形成された時点ｔ２までの時間をさす。プラズマ形成遅れ時間は、プラズマが形成されるプラズマ形成空間Ｒにおける気体密度によって変化するものである、そして、プラズマ形成空間Ｒにおける気体密度は当該点火装置１が備えられた内燃機関の運転条件から決定される点火時期での筒内圧力、筒内温度によって決まることとなる。そして、本例では、運転条件のマップ値としてプラズマ形成遅れ時間が規定されている。その他の構成要素は実施形態１の場合と同様であり、本実施形態においても実施形態１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

本実施形態の点火装置１における点火サイクルを、図８を用いて以下に説明する。
図８に示すように、ステップＳ１〜Ｓ８は実施形態１の場合と同様である。そして、ステップＳ８の後、ステップＳ３０において、判定部５０が、遅れ時間記憶部６１に記憶されたマップから、ステップＳ１で収集した運転条件に対応するプラズマ形成遅れ時間を取得する。その後、ステップＳ３１において、印加開始ｔ１からステップＳ３０で取得したプラズマ形成遅れ時間を経過したか否か判定する。プラズマ形成遅れ時間を経過していないと判定した場合は、ステップＳ１１において第１状態と判定し、ステップＳ３１に戻る。一方、プラズマ形成遅れ時間を経過していると判定した場合は、ステップＳ１２において、判定部５０は第２状態であると判定する。以降のステップＳ１３〜ステップＳ２１は実施形態１の場合と同様である。

本実施形態の点火装置１によれば、判定部５０は、点火プラグ２への電力印加開始ｔ１から予め設定された時間、すなわち、プラズマ形成遅れ時間が経過するまでは第１状態と判定し、プラズマ形成遅れ時間が経過した後は第２状態と判定する。これにより、第１状態と判定することが容易となる。その他は実施形態１の場合と同様の作用効果を奏する。

なお、本実施形態においても、実施形態１と同様に、検出部８０による検出結果に基づいてプラズマが形成されたか否かを判定できるようにしてもよい。例えば、点火装置１が搭載された内燃機関は運転条件変更時の過渡域では筒内の圧力や温度の環境のバラつきが生じやすく、統計的なプラズマ形成遅れのバラつきが生じる場合もある。かかる場合には実施形態１の場合と同様に、検出部８０の検出結果に基づいてプラズマが形成されたか否かを判定してもよい。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１点火装置
２点火プラグ
１０内導体
２０外導体
３０誘電体
４０電磁波電源
５０判定部
６０決定部
７０結合状態制御部
８０検出部
９０周波数予測部

Claims

プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）にプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波を発生させて電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記プラズマの形成状態を判定する判定部（５０）と、
該判定部の判定結果に基づいて上記電磁波のマッチング対象を決定する決定部（６０）と、
上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記電磁波のマッチング状態を制御する結合状態制御部（７０）と、
を有し、
上記判定部が上記プラズマ形成空間にプラズマが発生していない第１状態であると判定したときは、上記決定部は上記マッチング対象を上記プラズマ形成空間に存在する混合気に決定し、
及び／又は、上記判定部が上記プラズマ形成空間にプラズマが発生している第２状態であると判定したときは、上記決定部は上記マッチング対象を上記プラズマ形成空間に存在するプラズマに決定する、点火装置。
上記判定部は、上記点火プラグへの電力印加開始から予め設定された時間が経過するまでは上記第１状態と判定し、上記点火プラグへの電力印加開始から予め設定された時間が経過した後は上記第２状態と判定する、請求項１に記載の点火装置。
上記点火プラグからの反射電力、上記点火プラグへの入射電力、又はこれらを検出するための検波電圧あるいは検波電流のうち少なくとも一つを検出する検出部（８０）を有し、
上記判定部は、上記検出部の検出結果に基づいて上記プラズマの形成状態を判定する、請求項１に記載の点火装置。
上記検出部は上記反射電力を検出し、上記検出部が検出した上記反射電力が上記電磁波電力の印加開始から最初の極小値となったとき、上記判定部は上記プラズマ形成空間にプラズマが発生したと判定する、請求項３に記載の点火装置。
プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）にプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波を発生させて電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記プラズマの形成状態を判定する判定部（５０）と、
該判定部の判定結果に基づいて上記電磁波のマッチング対象を決定する決定部（６０）と、
上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記電磁波のマッチング状態を制御する結合状態制御部（７０）と、
を有し、
上記点火プラグからの反射電力、上記点火プラグへの入射電力、又はこれらを検出するための検波電圧あるいは検波電流のうち少なくとも一つを検出する検出部（８０）を有し、
上記判定部は、上記検出部の検出結果に基づいて上記プラズマの形成状態を判定し、
上記検出部は上記反射電力を検出し、上記検出部が検出した上記反射電力が上記電磁波電力の印加開始から最初の極小値となったとき、上記判定部は上記プラズマ形成空間にプラズマが発生したと判定する、点火装置。
上記電磁波の周波数を変更する周波数制御部（７１）を備え、上記結合状態制御部は、上記周波数制御部を操作して上記電磁波の周波数を変更することにより、上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記電磁波のマッチング状態を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の点火装置。
上記電磁波の伝送路のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部（７２）を備え、上記結合状態制御部は、上記インピーダンス変更部を操作して上記伝送路のインピーダンスを変更することにより、上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記マッチング状態を制御する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の点火装置。
プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）にプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波を発生させて電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに印加する電磁波電源（４０）と、
上記プラズマの形成状態を判定する判定部（５０）と、
該判定部の判定結果に基づいて上記電磁波のマッチング対象を決定する決定部（６０）と、
上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記電磁波のマッチング状態を制御する結合状態制御部（７０）と、
を有し、
上記電磁波の周波数を変更する周波数制御部（７１）と、上記電磁波の伝送路のインピーダンスを変更するインピーダンス変更部（７２）とを備え、上記結合状態制御部は、上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするときの上記電磁波の周波数が上記周波数制御部で制御可能な所定範囲内となるように上記インピーダンス変更部を操作して上記伝送路のインピーダンスを変更した後、上記周波数制御部を操作して上記電磁波を上記所定範囲内で変更することにより上記電磁波が上記マッチング対象にマッチングするように上記電磁波のマッチング状態を制御する、点火装置。
上記判定部が上記プラズマ形成空間にプラズマが発生していない第１状態であると判定したときは、上記決定部は上記マッチング対象を上記プラズマ形成空間に存在する混合気に決定し、
及び／又は、上記判定部が上記プラズマ形成空間にプラズマが発生している第２状態であると判定したときは、上記決定部は上記マッチング対象を上記プラズマ形成空間に存在するプラズマに決定する、請求項８に記載の点火装置。
上記判定部は、上記点火プラグへの電力印加開始から予め設定された時間が経過するまでは上記第１状態と判定し、上記点火プラグへの電力印加開始から予め設定された時間が経過した後は上記第２状態と判定する、請求項９に記載の点火装置。
上記点火プラグからの反射電力、上記点火プラグへの入射電力、又はこれらを検出するための検波電圧あるいは検波電流のうち少なくとも一つを検出する検出部（８０）を有し、
上記判定部は、上記検出部の検出結果に基づいて上記プラズマの形成状態を判定する、請求項８又は９に記載の点火装置。
上記検出部は上記反射電力を検出し、上記検出部が検出した上記反射電力が上記電磁波電力の印加開始から最初の極小値となったとき、上記判定部は上記プラズマ形成空間にプラズマが発生したと判定する、請求項１１に記載の点火装置。
上記インピーダンス変更部は、上記伝送路のインダクタンス及びキャパシタンスのうち少なくとも一方を変更する、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の点火装置。
上記判定部が上記プラズマによって初期火炎が形成されている第３状態と判定したときは、上記決定部は上記マッチング対象を初期火炎に決定する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の点火装置。