(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関用の点火装置に関し、用いることによって欠点を軽減できると考えられる、代替的点火装置、点火プラグ、点火プラグ用の駆動回路、および、関連する方法を提供する。【解決手段】点火装置１０は点火プラグ１２を備えており、当該点火プラグは第一電極１８と第二電極２０との間の点火ギャップ１６を規定する第一端１４を有する。一次巻線および二次巻線を備える変圧器もまた、装置の部分を形成する。二次巻線は第二回路において第一電極１８に接続され、二次巻線は１ｋΩ未満の抵抗および０．２５Ｈ未満のインダクタンスを有する。駆動回路は一次巻線に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内において、スパークを生成することなくまたは、ガス状物質に点火することなく、上記ガス状物質に関する少なくとも一つのパラメータを測定するための方法であって、
−  第一電極および第二電極を利用する工程であって、上記第一電極および上記第二電極のうちの少なくとも一つの電極においてコロナを発生させるために、上記第一電極および上記第二電極のうちの少なくとも一つが上記ガス状物質にさらされ、それらが集合的にギャップを規定するとともに電極コンデンサを形成する工程；
−  上記少なくとも一つの電極の範囲において、少なくとも一つのガスパラメータの指標となる電気パラメータを変化させる上記コロナを起こす工程；
−  上記電極に接続された電気回路によって電気パラメータに関する信号が感知される工程；および
−  少なくとも一つのガスパラメータをモニタするために、回路によって感知される上記信号を測定する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
上記電極のいずれかにおいてコロナ放電閾値で上記電極コンデンサに保存されるエネルギーが、上記ギャップにわたるスパークを生成するのに必要なエネルギーよりも実質的に小さくなるように構成されている点火プラグの一部を、上記電極が形成しており、
上記方法は更に、
コロナを発生させるために、または、上記ギャップをわたってスパークを形成する前に上記コロナを発生させるために、信号を用いて上記電極を駆動させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記信号は高速立ち上がり時間電圧信号であって、当該高速立ち上がり時間電圧信号は、単一電圧パルスのエッジ、および連続波のエッジのうちの一つのエッジであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記高速立ち上がり時間電圧の立ち上がり時間が、上記電極のうちの一つか、または両方において、正または負のコロナを生成するのに十分な高さであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
上記立ち上がり時間が、１００ｋＶ／μ秒よりも速いことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
上記信号の振幅が、上記ギャップの範囲において上記ガス状物質の正または負のコロナ閾値電圧よりも小さいか、同じか、大きいかのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
上記信号の上記振幅が、上記ギャップにとっての降伏電圧よりも小さいか、同じか、大きいかのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
上記信号が変圧器の一段側にフィードバックされ、上記変圧器の二次巻線が上記電極のうちの少なくとも一つに接続され、かつ、上記測定が上記一段側において行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
上記ガスパラメータが、上記ガス状物質の点火の前に、および／または、その最中、および／または後でモニタされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
上記ガスパラメータが、上記ギャップにわたるスパークのタイミング、および、当該スパークにおけるエネルギーのうちの少なくとも一つを決定するのに使用されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
上記ガスパラメータが、燃焼室内の圧力、物質組成、および、燃焼室内を移動するピストンの位置のうちの一つ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
上記測定のための上記コロナを生成するのに適した比較的低い第一の出力レベルと、上記スパークを形成するとともに点火のためのエネルギーを伝達するための比較的高い第二の出力レベルとの間で、上記電極のための駆動回路の出力レベルを変化させる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
上記第二の出力レベルは、上記測定の結果によって決まることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔序文および背景技術〕
本発明は、点火装置に関するものであり、より具体的には、内燃機関用の点火装置に関するものである。本発明はまた、代替的点火プラグ、点火プラグ用の駆動回路、および、関連する方法に関するものでもある。
【０００２】
車用の点火装置が複数の分散点火装置を備えており、それら分散点火装置が各高電圧電源ケーブルによって遠隔にあって且つ中央にある高電圧発生手段に接続されていることは知られている。周知のコンデンサ放電式の点火装置において、高電圧発生手段は、或る変圧器の一次巻線と直列に存在する、電源スイッチ装置（ＳＣＲスイッチなど）と接続したコンデンサを備える。当該高電圧のケーブルに接続されているのが、二次巻線である。使用中にエンジンのピストンが既定の位置に達したとき、電源スイッチ装置は閉鎖状態に切り替えられる。コンデンサ内のエネルギーは、その後、一次巻線に伝えられ、二次巻線から一次巻線への巻線比率のため、より高い電圧が二次巻線に伝えられる。二次巻線にかかる電圧が、プラグにおける点火電極の間の点火ギャップの耐圧に達すると、点火電極の間にプラズマ放電が生成される。
【０００３】
周知の装置において、スイッチング回路は使用され得る変圧器の最小インダクタンスを制限する。制限要素は、スイッチの最大定格電流Ｉｍ、スイッチＴｓのスイッチング速度、スイッチの動作過電圧Ｖｓ、および、スイッチの費用である。これら制限によって、二次巻線インダクタンスが非常に高くなり、費用を含む複数の欠点を有する。インダクタンスが大きい場合、一般的に数キロメートル（１０，０００本の巻線）の薄銅線が必要とされ、それらは高価である。数キロメートルの薄銅線が数キロオームの抵抗を有する点において、この装置は非効率的である。確実に点火するのに十分なエネルギーを伝えるには、各点火のために多量の付加エネルギーが必要とされる。また、処理されるべき多量のエネルギーおよび必要とされる多量の銅が原因で、装置は大型になる。また、銅の電気抵抗によるエネルギー損失によって、変圧器が加熱される。このことは、点火に伝達可能なエネルギーの最大量に厳しい制限を課し、さらに、冷却のための変圧器の設置にも影響を及ぼす。燃料効率、燃焼の完全性、燃焼時間、排気の清浄度、および、周期の変動性が制限される。変圧器は大型で熱くなるため、一般的にエンジンから離れたところに設置される。そのため、点火プラグと変圧器との間の高電圧ケーブルが必要となる。これら高電圧ケーブルが多量の電磁放射を発生させ、他の電子機器に影響を与える可能性がある。高電圧ケーブルを除去するために、各点火プラグにおける点火コイルからなるコイル−オン−プラグシステム（ｃｏｉｌ−ｏｎ−ｐｌｕｇ  ｓｙｓｔｅｍ）が使用される。これらコイルは、エンジンと非常に近接した一般的に周辺の空気が殆ど流れない場所に配置されているので、それらは容易に過熱して不安定なものとなる。
【０００４】
非常に低い二次抵抗を有するいくつかの点火コイルが提案されている。高透磁性を有する磁路を使用することによって、回路の切り替えに十分な高さのインダクタンスを維持しながら、巻線の数を減らすことができる。このアプローチの欠点は、高透磁性を有する磁気材料が容易に飽和するため、大型のコアが必要とされることにある。
【０００５】
他のいくつかの点火装置は、二段側上に二次エネルギー伝達経路を備える。それらはすべて、二次巻線を介してか、または、半導体素子を介して、エネルギーが通過する必要があるという欠点を有する。エネルギーが二次巻線を通過する場合、高巻線抵抗によって伝達は非常に非効率的となる。一方で、半導体素子は高電圧（通常３０ｋＶを超える）、高電流（通常１Ａを超える）装置である必要がある。これらの装置は高価で、エネルギー損失の原因にもなる。
【０００６】
これらすべての装置の他の欠点は、二次巻線の自己共振周波数が低い（概して２０ｋＨｚ未満）ことにある。自己共振周波数が低いのは、二次巻線の長さが長いことと、二次巻線インダクタンスが大きいことが原因である。二次巻線が二段側回路に接続されたときに、点火プラグとケーブル容量とが原因で、二段側回路の共振周波数は二次巻線の自己共振周波数よりもさらに低くなる。二次共振周波数が低いため、点火プラグまたは電極容量を耐圧まで充電するには数十マイクロ秒かかり、さらに、残った二次エネルギーを分散させるのに数十マイクロ秒かかる。これによって、多重スパーク式点火装置内で発生され得る連続パルス数が制限され、点火の間に放出され得るエネルギー量が制限される。点火プラグと並列にコンデンサを配置することによって、特定の点火装置内に伝達されるエネルギー効率および量が増大する。これらの装置において、二次共振周波数はより一層低い。最適点火時間が計算されている装置においてさえ（下記に説明するように）、点火を数十マイクロ秒以内に制御することができない。６０００ｒｐｍにおいて、この不正確性は、エンジン回転における１度よりも大きい。
【０００７】
燃焼後のガス温度、圧力、または組成についての情報を得るために、点火後に電離化ガス内の電流または抵抗を測定するのに点火プラグを用いることは周知の技術である。その後、この情報はエンジン管理システムへの入力の一つとして使用され、平均最適点火時間が計算される。点火用変圧器が高損失であるため、変圧器における二段側上で測定を行う必要があり、それによって二段側経路が複雑になる。
【０００８】
平均最適点火時間は、周期変動によって単一周期の最適点火時間とは大幅に異なり得る。点火の前に燃焼室の内部の状態を測定するための技術は数多く存在するが、それらはすべて燃焼室への付加的接触点を必要である、高価である、その殆どが低い精度で複雑である、という理由から、広く使用されているものはない。
【０００９】
測定のために点火プラグを用いるとき、低二次共振周波数が点火後の測定周波数を制限し、さらに、点火前の気体物性の測定を、不可能ではないにしても、困難にする。
【００１０】
〔本発明の目的〕
したがって、本発明の目的は、用いることによって上記欠点を少なくとも軽減できると出願人が考える、代替的点火装置、点火プラグ、点火プラグ用の駆動回路、および、関連する方法を提供することにある。
【００１１】
〔本発明の要約〕
本発明によると、点火装置は、
−  第一電極と第二電極との間の点火ギャップを規定する第一端を有する点火プラグ；
−  一次巻線と二次巻線とを備える変圧器であって、二次巻線が第二回路内で第一電極に接続されており、二次巻線が１ｋΩ未満の抵抗および０．２５Ｈ未満のインダクタンスを有する、変圧器；および
−  一次巻線に接続された駆動回路；
を備える。
【００１２】
駆動回路は、絶縁ゲート半導体素子を備えていてもよく、変圧器の一次巻線が絶縁ゲート半導体素子のドレインソース内において接続されていてもよい。
【００１３】
駆動回路は、少なくとも第一の電荷蓄積装置（例えば少なくとも一つのコンデンサなど）を有する電荷蓄積装置放電回路を備えていてもよい。
【００１４】
駆動回路は、絶縁ゲート半導体素子のゲートに接続されたゲート回路を備える。ゲート回路は、第一荷電蓄積装置および高速スイッチング装置を備えており、絶縁ゲート半導体素子におけるドレインソース回路内に電流が流れる前に、絶縁ゲート半導体素子における予め選択された伝導状態のために十分な充電を、絶縁ゲート半導体素子におけるゲート上に放電するように構成されている。
【００１５】
他の実施形態において、駆動回路は高周波電力発振器を備えていてもよい。
【００１６】
発振器は、実質的に第二回路の共振周波数で発振するように構成されていてもよい。発振器は、１０ｋＨｚを超える周波数、１００ｋＨｚを超える周波数、または、５００ｋＨｚを超える周波数、または、１ＭＨｚを超える周波数を有していてもよい。
【００１７】
ハウジングの一端においてさらされた点火ギャップを有する単一ハウジング内に、駆動回路、変圧器、および点火プラグの全てが設置されていてもよい。ファラデー箱として作用するために、ハウジングは好ましくは適した金属などの電導性材料でできている。ファラデー箱を用いることによって、使用時に伝達される電磁妨害が遮断されるか、または、抑制されることがわかるだろう。
【００１８】
定電流および／または電圧源がハウジングの外側に設置されていてもよいし、ハウジングからハウジングの第二端に向かって延伸するケーブルを介してハウジングに接続可能であってもよい。
【００１９】
変圧器における一次巻線と二次巻線との間の結合は、８０％未満（ｋ＜０．８）であってもよいし、またはｋ＜０．６、またはｋ＜０．４、またはｋ＜０．２であってもよい。
【００２０】
変圧器は四角形のヒステリシス（ｓｑｕａｒｅ  ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）を有するコアを備えていてもよい。
【００２１】
二次巻線の抵抗は１００Ω未満であってもよいし、または５０Ω未満、または２０Ω未満、または、１０Ω未満であってもよい。
【００２２】
二次巻線のインダクタンスは１００ｍＨ未満であってもよいし、または５０ｍＨ未満、または２０ｍＨ未満、または３ｍＨ未満、または１ｍＨ未満であってもよい。
【００２３】
一次巻線のインダクタンスは５μＨ未満であってもよい。
【００２４】
二次巻線の自己共振周波数は、１０ｋＨｚよりも高くてもよいし、または１００ｋＨｚ、または５００ｋＨｚ、または１ＭＨｚよりもそれぞれ高くてもよい。
【００２５】
また、本発明に係る他の形態は、点火プラグ用のコンデンサ放電駆動回路である。当該駆動回路は、コンデンサと、絶縁ゲート半導体素子のドレインソース回路内に接続された変圧器の一次巻線と、当該点火プラグに接続されている当該変圧器の二次巻線とを備える。コンデンサおよび高速スイッチング装置を有するゲート回路によって、絶縁ゲート半導体素子が駆動されてもよい。上記ゲート回路は、装置のスイッチがオンになる前に、装置におけるゲート上に装置のドレインソース回路において予め選択された伝導状態に十分な充電を放電する。
【００２６】
本発明に係る他の形態は、点火ギャップを規定する第一電極および第二電極を備える点火プラグである。これら電極が電極コンデンサを形成し、当該電極のいずれかでコロナのみを生成させるか、または、当該ギャップにわたってスパークが発生する前に電極のいずれかでコロナを生成させるように、使用時にプラグが選択的に駆動されるように構成されている。
【００２７】
これらの電極は、当該電極のいずれかにおいてコロナ生成閾値にて電極コンデンサ内に保存されるエネルギーが、実質的に、点火ギャップにわたるスパークを生成するのに必要なエネルギーより少ないように構成されていてもよい。
【００２８】
第一電極は、第一端および第二端を有した絶縁材料からなる概して細長い円筒体のためのコアとして軸方向に延伸してもよい。第一電極は、円筒体の第一端から内側に間隔を空けて設置された電極における第一端で終結する。円筒体は、円筒体の第一端から延伸し、かつ、第一電極における第一端で終結するブラインドボアを規定する。第二電極は円筒体の第一端に向かって設置されている。それによって、第一電極と第二電極との間に電極コンデンサが配置され、使用時には、ブラインドボア内に生成されたコロナ範囲と第二電極との間に第二コンデンサが配置される。
【００２９】
さらに、室内のガス状物質に関する少なくとも一つのパラメータを測定するための方法が本発明の範囲内に含まれる。上記方法は、
−  第一電極および第二電極を利用する工程であって、少なくとも一つの電極においてコロナを発生させるために、第一電極および第二電極のうちの少なくとも一つが物質にさらされ、それらが集合的にギャップを規定し、電極コンデンサを形成する工程；
−  少なくとも一つのガスパラメータを表示する少なくとも一つの電極の範囲において、電気パラメータを変化させるコロナを発生させる工程；
−  電極に接続された電気回路によって電気パラメータに関する信号が感知される工程；および
−  少なくとも一つのガスパラメータをモニタするために、回路によって感知される信号を測定する工程；
を含んでいる。
【００３０】
電極は点火プラグの一部を形成していてもよい。上記点火プラグの一部は、電極のいずれかにおいてコロナ放電閾値で電極コンデンサ内に保存されるエネルギーが、ギャップにわたるスパークを生成するのに必要なエネルギーよりも、実質的に少なくなるように構成されている。上記方法は、上記コロナを生成させるか、または、ギャップにわたったスパークを発生させる前に上記コロナを生成させるための信号によって、電極を駆動させる工程を有していてもよい。
【００３１】
電圧信号は高速立ち上がり時間信号であってもよく、当該電圧信号は、単一電圧パルスのエッジ、および連続波のエッジのうちの一つである。高速立ち上がり時間電圧の立ち上がり時間は、一つかまたは両方の電極において正かまたは負のコロナを発生させるのに十分高くてもよい。立ち上がり時間は、１００ｋＶ／μ秒より速くてもよい。
【００３２】
方法の他の形態において、電圧信号の振幅は、点火ギャップの範囲における物質の正または負の閾値電圧よりも小さいか、同じか、大きいかのいずれかであってもよい。電圧信号の振幅は、点火ギャップの降伏電圧よりも小さいか、同じか、大きいかのいずれかであってもよい。
【００３３】
信号は変圧器の一段側にフィードバックされてもよく、変圧器の二次巻線が電極のうちの少なくとも一つと接続されており、一段側において上記測定が行われる。
【００３４】
ガスパラメータは、ガス状物質の点火前、および／または、その最中、および／または、その後に測定されてもよい。
【００３５】
ガスパラメータは、ギャップをわたるスパークのタイミングおよびスパーク内のエネルギーのうちの少なくとも一つを決定するために使用されてもよい。
【００３６】
ガスパラメータは、室内の圧力、室内の物質の組成物、および室内のピストン運動の位置のうちの１つ以上であってもよい。
【００３７】
上記方法は、測定のための上記コロナ放電を生成するのに適したより第一の低いレベルの間で、電極用の駆動回路の出力電力レベルを、スパークを形成し、かつ、点火のためのエネルギーを伝達するための第二のより高いレベルに変える工程を備えていてもよい。第二電力レベルは、測定の結果に基づいていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る点火装置の略図である。
【図２】本発明に係る装置の一部を形成するコンデンサ放電駆動回路に関する参考例を示す回路図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図６および図２における点３ａ、３ｂ、および３ｃでの電圧波形を示す。
【図４】駆動回路の参考例を示す回路図である。
【図５】駆動回路の参考例を示す回路図である。
【図６】駆動回路の参考例を示す回路図である。
【図７】本発明に係る点火装置を通る横断面であって、変圧器をより詳しく示すものである。
【図８】変圧器の他の実施形態を示す、図７と同様の図である。
【図９】駆動回路の一実施形態を備える装置のブロック図である。
【図１０】図９の装置のより詳細な図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、図９および図１０における選択された位置での電圧および電流波形を示す。
【図１２】図９および図１０における駆動回路の一部の代替的実施形態である。
【図１３】一部を分解した代替的点火プラグの略図である。
【００３９】
〔本発明の好ましい実施形態の説明〕
本発明に係る点火装置は、一般的に図１の部材番号１０を参照することによって指定される。
【００４０】
点火装置１０は、第一高電圧電極１８と第二電極２０との間の点火ギャップ１６を規定する第一端１４を有する細長い点火プラグ（スパークプラグ）１２を備える。第二端２４には、第一高電圧電極１８への接続ターミナル２２が設置されている。点火装置１０は点火プラグ１２用の駆動回路２６をさらに備えており、この回路は後にさらに詳述する。
【００４１】
点火プラグ１２および駆動回路２６は、適した金属などの適した材料でできたハウジング２８内に設置されており、ハウジング２８はファラデー箱として作用する。ハウジングはチューブ形状である。点火プラグ１２の金属部は、第一端１４に向かっており、また、エンジンブロック３０へのプラグを確保するためのねじ山が設けられており、ハウジング２８の第一端３４を越えて延伸している。そのため、ハウジングの上記第一端においてギャップが露出し、使用時にギャップ１６が燃焼室３２に位置するようになっている。ハウジングの逆、または第二端３６において、点火装置１０に延びるケーブル４０、４２（これらは後に詳述する）用の穴３８が設けられている。
【００４２】
点火プラグ１２および駆動回路２６を内包するとともに遮蔽するハウジング２８を具備する上述の内蔵型装置によって、高電圧スイッチング回路によって放出される電磁妨害が抑制されると考えられる。
【００４３】
単一のハウジング２８内に位置する点火プラグ１２および当該点火プラグ用の駆動回路２６を備える本発明に係る点火装置１０は、中央変圧器、コンデンサ放出アセンブリ、および分布した点火プラグまで延伸する高電圧ケーブルを取り除くことによって、車のボンネット下の複雑さを低減させる可能性があるとさらに考えられる。また、メンテナンスが簡素化される可能性があると考えられる。
【００４４】
駆動回路２６に係る参考例（コンデンサ放出回路の形状をとる）は、図２により詳しく示されている。駆動回路２６は、配電用変圧器４６における一次巻線４４および高速スイッチング電源装置Ｔ１または４８と直列に接続された第一コンデンサＣ２を備える。変圧器の二次巻線５０は、接地された第二電極２０を有する点火ギャップ１６を規定する第一電極１８に接続されている。
【００４５】
電源スイッチング装置４８はＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどの電源絶縁ゲート半導体素子を備えていてもよく、好ましくは、本出願人のＵＳ６，８７０，４０５Ｂ１において開示されたものと同様の方法および駆動回路に従って駆動される。上記発明の内容は、参照することによってここに組み込まれている。
【００４６】
図２および図６に最もよく示されるように、駆動回路２６は、コンデンサＣ２に充電するために数百ボルトの電圧を発生させるため、かつ、ギャップ１６を横断して高電圧を発生させるようにコンデンサＣ２の電源を切り替えるために、単一ＭＯＳＦＥＴ４８を用いる。図３の（ａ）〜（ｃ）において、図６の点３ａ、図２の点３ｂ、３ｃにおける電圧波形を示す。短期間電圧パルスを図３の（ａ）に示す。短期間電圧パルスは、ＭＯＳＦＥＴのゲート上に十分な電荷を放出するか、または伝えるために、ＭＯＳＦＥＴ４８のゲートに印加され、ＭＯＳＦＥＴをオンの状態に切り替える、すなわち、ＭＯＳＦＥＴのドレインソース回路内で好適な状態の伝導率とする。特に図２を参照すると、ＤＣ電圧Ｖ１が最初に回路に印加されると、コンデンサＣ２は定常電圧Ｖ２＝Ｖ１に充電される。ＭＯＳＦＥＴの電源が入ったときに、コンデンサＣ２は第一変圧器４４を介して放電する。コンデンサＣ２にかかるエネルギーは、ギャップ１６内でプラズマスパークとなって消散するだけでなく、変圧器４６およびトランジスタ４８内でもプラズマスパークとなって消散する。コンデンサが放電したあと、コンデンサＣ２にかかる電圧は殆どゼロになる。トランジスタ４８の電源がオンになっている限りは、インダクタＬ３を通る電流は増大し、インダクタ内にエネルギーを保存する。トランジスタ４８の電源がオフになったとき、コンデンサＣ２はダイオードＤ１およびインダクタＬ３を介して充電される。コンデンサＣ２を横断する電圧Ｖ２が供給電圧Ｖ１よりも少ない一方で、インダクタＬ３を通る電流は増大し続ける。Ｖ２＞Ｖ１の状態になると、インダクタを通る電流は減少し、一方でインダクタＬ３に保存される全エネルギーがコンデンサＣ２に伝えられる。インダクタＬ３における電流がゼロに達すると、トランジスタ４８の電源が再びオンになるまで、コンデンサＣ２は充電された状態となる。図３（ｃ）からわかるように、第一周期は約１２μ秒かかり、そのあと、コンデンサ放電周期は約８μ秒毎に繰り返され得る。例えば６０００ｒｐｍの高エンジン回転速度において、エンジンは４６μ秒／度で回転する。したがって、上記の多数の周期が上死点の前に完成されてもよい。
【００４７】
ＭＯＳＦＥＴ４８がオンになっている時間が短い場合には、インダクタＬ３には殆どエネルギーが保存されない。すると、最終電圧Ｖ２は供給電圧Ｖ１の略倍になる。反対にＭＯＳＦＥＴが長時間オンであると、２×Ｖ１より高い電圧Ｖ２が達成される可能性がある。
【００４８】
点火装置１０のプロトタイプにおいて、コンデンサを約６００Ｖに充電するために３００Ｖの供給電圧Ｖ１を使用する。コンデンサ充電の後にＭＯＳＦＥＴ４８の電源がオフになるときにコンデンサＣ２にエネルギーがまだ残っている場合には、電圧Ｖ２は２×Ｖ１に達しないだろう。ＭＯＳＦＥＴを適切な時間ほどオンにしておくことによって、十分なエネルギーがインダクタＬ３に保存されるようにこれが補正されてもよい。
【００４９】
駆動回路２６は１４Ｖ程度の低い供給電圧Ｖ１から作動するものであってもよい。インダクタＬ３に十分なエネルギーが保存されるようにＭＯＳＦＥＴ４８を長時間オンの状態にしておくことによって、これが達成され、コンデンサが６００Ｖまで充電される可能性がある。当然のことながら、これによって周期期間が長くなる。
【００５０】
図４を参照すると、コンデンサＣ２に保存されるエネルギーが二段側総電気容量を３０ｋＶまで充電するのに十分ではない場合、変速機４６における二段側において、高電圧ダイオードＤ２が使用されてもよい。各コンデンサ放電周期の間に、耐圧に至るまで点火プラグまたは電極容量Ｃｓが充電される。最初の数ナノ秒でプラズマに伝えられるエネルギーを増大させるために、並行して別の高電圧コンデンサによって点火プラグ容量が増大する。
【００５１】
図５に示したとおり、ＭＯＳＦＥＴ４８は、コンデンサＣ３およびダイオードＤ２を追加することによって逆過電圧から保護されてもよい。これによって、二次巻線５０を介して、スパークプラズマへの、エネルギー伝達の別経路が提供される。ＭＯＳＦＥＴ４８がオフの状態になったとき、コンデンサＣ３はダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２と並列に充電される。ＭＯＳＦＥＴがオンの状態になったとき、電圧Ｖ２はゼロになり、Ｖ５がマイナスになる。コンデンサ放電によってスパークプラズマが生成された後で、ＭＯＳＦＥＴ４８、二次巻線５０およびスパークプラズマを介してコンデンサＣ３が放電され、さらにプラズマを加熱する。この二次エネルギー伝達は、二次巻線抵抗が低いことから効率的であり、二次インダクタンスが低いことから迅速であり、かつ、それはＭＯＳＦＥＴ４８を用いて制御可能でもある。
【００５２】
図６（図６は、高速ＭＯＳＦＥＴスイッチングを用いた図２の実施例である）を参照すると、光学ケーブル４０を経由して受信されたタイミング信号５２がトランジスタＴ３を介して伝導を開始したとき、コンデンサＣ１は抵抗器Ｒ１を介してコンデンサＣ２にかかる電圧から充電し始める。コンデンサＣ２はコンデンサＣ１よりもずっと高い電位容量を有する。Ｃ１にかかる電圧がトランジスタＴ２のアバランシェ電圧に達した時に、トランジスタＴ２の電源がオンになり、上述のとおり、ＭＯＳＦＥＴ４８のゲート上にＣ１にかかる充電を放出する。その後、この充電は１ナノ秒未満でＭＯＳＦＥＴ４８の電源をオンにする。上述のとおり、その後、コンデンサＣ２からコンデンサ放電が行われる。ＭＯＳＦＥＴがオンのとき、遅延時間Ｔｏｎの後でトランジスタＴ４の電源を入れるのにゲート電圧が使用される。その後、トランジスタＴ４がＭＯＳＦＥＴ４８のゲートにおいて電圧を引き下げ、それによってＭＯＳＦＥＴ４８の電源がオフになる。ＭＯＳＦＥＴ４８がオフになると、上述のようにコンデンサＣ２が充電され、全周期が繰り返される。したがって、タイミング信号５２がケーブル４０を介して受信される限りは、図６の回路２６が自励振動回路として作動する。ＤＣ電圧供給ケーブル４２内にフィルタ６０が設置されていてもよく、さらに、ハウジング２８内に設置されていてもよい。それによって、電磁妨害が抑制される。
【００５３】
従来の点火プラグを使用するときに、約１０〜１５ｐＦの点火プラグ電気容量Ｃｓを２０ｋＶ〜３０ｋＶまで充電するために、約５ｍＪのエネルギーが必要である。燃料／空気の混合物が傾き過ぎない場合は、室内の燃料に点火するために十分なエネルギーが必要である。従来の装置においては１５ｐＦを上回っていた二次巻線５０の寄生容量が原因で、実質的に５ｍＪを上回るエネルギーを第二回路に供給する必要がある。本願において、寄生容量を１５ｐＦ以下に維持することが可能であり、このことは、耐圧に到達するのに付加的に約５ｍＪのみが必要であるということを意味する。したがって、変圧器４６の第一側上で１０ｍＪを二次に供給するために、６００Ｖで約５５ｎＦの最小電気容量Ｃ２が必要とされる。一次巻線におけるインダクタＬ１の最小値は、スイッチング装置４８のスイッチング速度、および最大電流容量によって制限される。駆動回路と連結されたＭＯＳＦＥＴ４８に関して、スイッチング損失を避けるために、スイッチング速度ｔｓ＜１ナノ秒、Ｌ１＞１８ｐＨが必要とされる。上記のプロトタイプにおいて、上記駆動方法および回路を用いたＭＯＳＦＥＴの最大電流容量は、初期の１００ナノ秒の間は約１２０Ａである。これによって、インダクタＬ１＞１．４μＨという制限値、および、二次インダクタＬ２＞３．５ｍＨという制限値が与えられる。したがって、上記最大電流容量は、インダクタＬ１のより低い制限値を設定し、この制限値は従来のＳＣＲ技術のスイッチング速度によって指示された制限値よりも実質的に小さい。
【００５４】
上記装置は従来の装置よりも電力効率がよいと考えられる。ＭＯＳＦＥＴ４８の高速スイッチング時間のために、変圧器４６に関するインダクタンスが低減される可能性があり、それによって線の長さが短くなり、変圧器およびインダクタ抵抗の大きさが小さくなる。このことから、（従来のコンデンサ放電変圧器において使用された数キロメートルのワイヤと比較して）数十メートルの二次線の全長が、１ｋΩ未満、好ましくは１００Ω未満、より好ましくは数十Ω、例えば５０Ω未満、２０Ω未満、さらには１０Ω未満を有するようになることが推定される。二次抵抗がスパークプラズマ抵抗より小さいため、殆どのエネルギーがプラズマに伝達される。
【００５５】
二次インダクタが低く、かつ、ワイヤの長さが相対的に短いため、二段側自己共振周波数は１０ｋＨｚを上回る、好ましくは１００ｋＨｚ、さらに好ましくは５００ｋＨｚ、最も好ましくは１ＭＨｚをそれぞれ上回るようになっていてもよいと推定される。二段側共振周波数は自己共振周波数よりも低く、変圧器のコア材料の損失によって制限される。フェライト型のコアを用いた場合、二段側共振周波数は５００ｋＨｚから１ＭＨｚの間であってもよい。
【００５６】
図７および８を参照すると、変圧器４６の２つの実施例が図示されている。一次巻線４４は厚い銅線でできた数十の巻線を備えており、二次巻線５０は０．１ｍｍの銅線（約１０ｍのワイヤ）でできた４００本の巻線を備えており、変圧器コア４７はフェライト棒６４および外部フェライトチューブ６６を備える。一次巻線は、２〜４μＨの電気容量を有する。図７に示したとおり、ロッド６４の端に向かって一次巻線を配置することによって、または、図８に示したとおり、一次巻線４４と直列にトロイダルインダクタ６８を加えることによって、弱結合が達成される。トロイドは非磁性素材からなるコア９２を有しているか、または、変圧器のコアの部分を備えていてもよい。変圧器４６における一次巻線４４と二次巻線５０との間の結合は、８０％未満（すなわち、ｋ＜０．８）、またはｋ＜０．６、またはｋ＜０．４、または、ｋ＜０．２であってもよい。図７に示すように、二次巻線は一層の巻線からなっていてもよいし、代わりに、図８に示すように、一層より多い巻線からなっていてもよい。同じインダクタ、巻線比率、およびコアを維持する一方で、並列層が抵抗を減らす。二次巻線は単層につき約２０Ωの抵抗、二重層につき約１０Ωの抵抗、約３ｍＨのインダクタンス、約５００ｋＨｚの自己共振周波数を有する。上述のとおり、二次巻線のインダクタンスは好ましくは２５０ｍＨ未満、好ましくは１００ｍＨ未満、好ましくは５０ｍＨ未満、さらに好ましくは２０ｍＨ未満、より好ましくは１０ｍＨ未満、さらに好ましくは３ｍＨ未満、最も好ましくは１ｍＨ未満である。内部ロッド６４と外部チューブ６６とに磁気的に接続された変圧器の二つの端のうちの一つの端において、フェライト材料が加えられてもよい。
【００５７】
図９に、駆動回路２６の実施形態をより詳細に示す。本実施形態において、変圧器４６における一次巻線４４が電力発振器５６に接続されている。この発振器５６はエネルギー源５８に接続されており、それら全てがハウジング２８内にある。エネルギー源はケーブル４２を経由してハウジングの外側のＤＣ電圧源に接触可能であり、発振器はケーブル４０を経由してハウジングの外側に接続されるトリガー入力を有する。変圧器４６における二次巻線５０は一次巻線４４に弱結合されている。二次巻線５０は点火プラグ１２およびエネルギー源５８と直列に接続されている。二次巻線インダクタンス、電気容量、および点火ギャップ容量が特定の共振周波数を有するＬＣ共振回路を形成する。変圧器４６は四角形のヒステリシス(ｓｑｕａｒｅ  ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ)のコア４７を有しており、これは、二次巻線が低電流に対して相対的に高いインダクタンスを有するが、特定のより高い電流において、インダクタンスが急激に小さくなるということを意味する。
【００５８】
図１０は高調波加重駆動回路(ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｓｕｍｍａｔｉｏｎ  ｄｒｉｖｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ)のさらなる実施形態を示すものであり、電力発振器５６において２つの電力ＭＯＳＦＥＴ６０、６２が使用されている。トリガーを受信すると発振し始める発振器６４は、変圧器６６を介してＭＯＳＦＥＴ６０、６２のゲートを駆動させる。エネルギー源５８は２つのエネルギー保存コンデンサＣ５およびＣ６を備える。エネルギー源５８はケーブル４２を経由して電圧および／またはハウジング２８の外部にある電源６７に制限された電流に接続される。
【００５９】
図１１の（ａ）〜（ｄ）に示された電圧および電流波形を参照して、図９および図１０の実施形態を説明する。外部からの定電圧または定電流供給６７によって、エネルギー源５８内にエネルギーが保存される。入力４２を介して外部トリガーを受信したとき、図１１の（ａ）の１００で示すように、電力発振器は二次共振周波数で発振し始める。一次巻線と二次巻線との間の弱結合が原因で、各周期の間にエネルギーが二次共振回路に伝達される。図１１の（ｂ）の１０２で示すように、エネルギー源５８におけるエネルギーが各周期毎に減少する。一方で、図１１の（ｃ）の１０４で示すように、点火ギャップ１６を横断するＡＣ電圧は増大する。回路は、その共振周波数で駆動する直列共振回路と同様に働く。発振の数周期のあとで点火ギャップ１６がブレークスルー電圧１０３（ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｖｏｌｔａｇｅ）に達したとき、１０５で示すように二段側に伝達された殆ど全てのエネルギーが点火ギャップに消散する。ブレークスルーの後で、１０７で示すように発振器は発振し続け、それによって変圧器４６を介してスパークにエネルギーが伝達される。二次巻線５０の抵抗が小さいため、このエネルギー伝達は非常に効率が良い。点火電極の間にプラズマが形成されるとすぐに、エネルギー源５８は直接プラズマと二次巻線５０とを介して他の電流を発生させる。二次巻線のインダクタンスがほぼ１ｍＨであるので、電流は約０．５Ａ／μ秒の割合で増加する。数マイクロ秒後にコア４７が飽和するとき、二次巻線５０のインダクタンスは上述のとおり小さくなる。その後、図１１の（ｄ）の１０６で示すように電流がより速く（３Ａ／μ秒を上回って）増加する。スパークが何らかの方法で消火された場合、スパークを維持するために発振器は自動的に再び高電圧を発生させる。したがって、エネルギー源５８を使い果たすまでエネルギーがスパークに伝達される。エネルギー源が使い果たされたとき、発振器は停止する。
【００６０】
約４周期内で耐圧に到達した場合、発振器の周波数は正確な二次共振周波数である必要はなく、数パーセント異なっていてもよい。これによって二段側から発振器へのフィードバックが不要となり、温度差および点火プラグ設計の違いによる共振周波数の変動に十分耐える余地が与えられる。
【００６１】
図１２に示すように、インダクタ６８およびコンデンサ９４は一次巻線４４と直列に加えられてもよい。この導入の主な目的は、高周波数高エネルギーリターンパルスに対して高調波駆動回路５６をセーブガード（ｓａｖｅ−ｇｕａｒｄ）することにある。それによって、巻線比率を低減させること、および、高電圧変圧器４６における二次巻線５０用の巻線の数を減らすことも可能である。
【００６２】
高調波加重ドライブにおいて、各周期の間に従来のコンデンサ放電点火（ＣＤＩ）装置におけるよりも少量のエネルギーが伝達されるので、同じスイッチング装置に対してより小さい二次インダクタンスおよび抵抗が可能となる。このドライブによって、６００Ｖのスイッチング装置４８で１：２５未満まで変圧器４６の巻線比率を低減させることができる。従来のＣＤＩ装置においては、巻線比率は１：５０を上回る割合が必要とされた。これによって二次インダクタンスを低減させることができ、さらに、これによって二次抵抗が減少し、かつ、自己共振周波数が増加する。付加的な利点としては、駆動回路が、弱結合による二段側に対する高エネルギーパルスのフィードバックから保護されることが挙げられる。
【００６３】
図１３を参照すると、代替的点火プラグもまた設置されている。代替的点火プラグ７０は、第一端７４および第二端７６を有する細長くて概して円筒形であるセラミック本体７２を備える。第一電極８０がコアとして中心で当該セラミック本体に沿って延伸し、その第一端８２は、第一端７４から距離ｄほど離れている。第一電極８０の第二端は、第二端７６において、接点または端部８４と電気的に接続される。本体における第一端に向かって配置された第二電極７８がねじ山を有していてもよい。したがって、プラグは第一端７４から延伸するブラインドボア（ｂｌｉｎｄ  ｂｏｒｅ）８６を規定し、第一電極における第一端８２において終結する。中央穴９０を規定する環状部材８８は、本体の端７４を被覆しており、第二電極と電気的に接続している。ボア８６はその全長に沿って単一の横断面部分を有していてもよいし、有していなくてもよい。例えば、ボア８６はいかなる方向に先細りになっていてもよい。穴９０の横断面部分は、ボア８６のそれと同じであっても、大きくても、または小さくてもよい。
【００６４】
したがって、点火プラグ７０は使用時に、第一電極８０と第二電極７８、８８との間に第一または電極コンデンサを備えるか、またはそれが設置されており、さらにコロナ範囲の間に第二コロナコンデンサを備えるか、またはそれが設置されている。コロナ範囲は、下記のように、使用時にボア内および第二電極７８、８８内で生成される。
【００６５】
セラミック本体７２はボア８６の周囲よりも、第一電極８０の周囲の方が厚い（より大きい外周を有する）。これによって、電極容量がコロナ容量よりも小さくなる。電気容量を増加させるか、減少させるために、セラミック本体の外側および／または導電性第二電極７８の内側が、ボアのいかなる端に向かって先細りになっていてもよい。
【００６６】
第一電極８０に電圧が加えられたとき、ボア８６内部の電界強度は、第一電極の端８２における強度のほうが、ボアにおける他の部分における強度よりもずっと高い。これによって、第一電極におけるボア内の電界がコロナ放電を形成するのに十分高く、しかし、ボアの残りを覆う電界が降伏よりも十分に低いように、高電圧パルスを印加することができる。
【００６７】
そのような電圧が印加されると、第一端８２においてコロナ放電が実施される。印加電圧が維持される場合、コロナは実質上本体の第一端７４の方向に第一電極を延ばし、穴の残りにおける電界が増大する。コロナコンデンサが充電されるにつれ、プラズマは実質上第一電極の第一端８２から第二電極８に向かって伸びる。コロナ容量が高ければ高いほど、コロナは遅い速度で伸びる。コロナが接地電極８８に接近するとき、電界が降伏電界強度に達する可能性があり、スパークが発生する可能性がある。
【００６８】
コロナ放電がエネルギーを消散させるので、コロナ伸長を維持するために第一電極にエネルギーを供給する必要がある。電極コンデンサおよび第二回路内に保存されるエネルギーがコロナコンデンサを充電するのに適切でない場合、コロナは一定の距離伸びるだけで消滅する。より大きなエネルギーが供給される場合、スパークを生成するまでコロナを伸ばすのに十分であってもよいが、点火エネルギーで必要とされる最小未満であってもよい。
【００６９】
下記のように、各コロナ放電の後で、ガス点火なしときの穴内部の気体温度、圧力、組成物についての情報を得るためにコロナ内で失われたエネルギー量を使用してもよい。より具体的には、コロナが電荷分離を引き起こし、それによってガスの電気的パラメータが変化する。上記情報を得るために、コロナ内で失われたエネルギー量および電気的パラメータでの変化を使用してもよい。
【００７０】
より多くのエネルギーが、点火プラグに供給されるとともに電極間の導電性プラズマの加熱に用いられると、ガスが点火し始め、急速に膨張し、燃焼室内に噴出し、ガスに点火する。プラズマが穴から噴出する前に、好ましくは、エネルギーの殆どを伝達するのに十分な速さでエネルギー伝達を行う必要がある。
【００７１】
供給エネルギーがスパークを発生させるのに十分ではない（または、電圧パルスが短すぎる）場合、エネルギー量は損失する。これは、可動ピストン３３を有する図１に示された室３２内の圧力、温度、ガス組成によって変化する。上述のとおりコンデンサ放電周期の後で、変圧器４６における一段側に残りのエネルギーの少なくとも一部が伝達されるか、またはフィードバックされ、ＭＯＳＦＥＴ４８の電源がオフになった後でコンデンサＣ２にかかるエネルギーが計測され得る。上記高調波加重ドライブを使用する場合、エネルギー源５８に伝達されるか、またはフィードバックされるエネルギー量もまた測定されてもよい。しかし、二次巻線におけるエネルギー損失があまり大きくない場合、一段側におけるコロナ内のエネルギー損失を測定しうるのみである。低二次インダクタンスによって、異なる状況下でコロナ放電を可能にする超高速電圧増大時間が形成されるので、上記駆動回路は、燃焼用の代替的点火プラグを最適に用いることも必要である。
【００７２】
コロナが生成された後で電極に電圧が供給される場合、さらにその電圧がコロナを維持するのに小さすぎる場合、コロナは消滅し、コロナによって分離された電荷は、供給電圧によって電極に移動する。電極の間で起こるこの電荷の移動によって第二回路内に電流が発生し、この電流は、室内のガスまたはガス組成の圧力を示す指標となるために計測され得る。
【００７３】
穴の長さｄが長くなる場合、降伏電圧は増大するが、コロナが開始する電離閾電圧は実質的に同じままである必要がある。したがって、電離電圧における電極コンデンサ内に保存されたエネルギーは変わらないが、スパークを発生させるのに必要なエネルギーおよびガスに点火するのに必要なエネルギーは増大する。
【００７４】
長さｄを長くすることによって、電離電圧での電極コンデンサ内に保存されるエネルギーがスパークを生成するのに必要なエネルギーよりも小さくなるように、かつ、ガスに点火するのに必要なエネルギーよりも小さくなるように、点火プラグを構成することができる。従来の点火プラグにおいて、コロナが形成される電圧は、通常、スパークを発生させる降伏電圧に非常に近いことに留意されたい。従来の点火プラグにおいて、５ｍＪを上回るエネルギーがこれらの電圧での電極コンデンサ内に保存されるので、スパークが形成され、エネルギーがプラズマに消散され、場合によってはガスに点火する。
【００７５】
したがって、点火プラグは、電極のいずれかにおいて、コロナ放電閾値で電極コンデンサ内に保存されたエネルギーが、実質的に、点火ギャップをわたるスパークを生成するのに必要なエネルギー未満であるように構成されていてもよい。さらに、上記コロナを発生させるために、または、点火ギャップをわたったスパークを形成する前に上記コロナを生成させるために、上記方法は、電圧信号を用いて電極を駆動させる工程を有していてもよい。
【００７６】
電圧信号は高速立ち上がり時間電圧信号であってもよく、その信号は単一電圧パルスのエッジ（ｅｄｇｅ）および連続波のエッジのうちの一つである。高速立ち上がり時間電圧の立ち上がり時間は、電極の一方か、または両方において、正か、または負のコロナを発生させるのに十分高いものであってよい。立ち上がり時間は、１００ｋＶ／μ秒より速くてもよい。
【００７７】
方法の他の形態において、電圧信号の振幅は、点火ギャップの範囲において、物質の正または負のコロナ閾電圧よりも小さいか、同じか、または大きいかのいずれかであってもよい。電圧信号の振幅は、点火ギャップの耐圧よりも小さいか、同じか、または大きいかのいずれかであってもよい。
【００７８】
方法は、測定用のコロナ放電を生成するのに適した第一のより低いレベルの間で、電極の駆動回路の出力電力レベルを、点火用のスパーク形成およびエネルギー伝達のための第二のより高いレベルに変化させる工程を備えていてもよい。第二電力レベルは測定の結果に基づいていてもよい。したがって、コロナ生成とスパーク形成との間の時間周期は、スパークが形成されない範囲内において不定であってもよいし、選択可能なものであってもよい。
【００７９】
測定されたデータは、室内における、燃焼室圧力、ピストンの位置、予燃焼パラメータ、燃焼パラメータ、および、燃焼後パラメータのうちの１つ以上を決定するのに使用してもよいし、タイミング改善、エネルギー伝達制御改善、想定されるエンジン制御目的に関する装置情報、および自動タイミングなどの可能性を広げるのに使用してもよい。
【００８０】
自動タイミングの方法は、多重低エネルギーコロナ放電を用いること、および、第一側に戻るエネルギーの変化率を測定することである。ガスが最大圧縮に近づくと、変化率が小さくなる。変化率が閾値よりも小さいとき、ガスに点火する。
【００８１】
上記駆動回路、低損失の高周波数変圧器、および、適した点火プラグを用いることによって、これら制御装置および方法が実施されてもよい。駆動回路の電力レベルは、第一の低電力レベルと第二の高電力レベルとの間で調節可能であるか、または、可変であってもよい。第一の低電力レベルにおいて、上記のように測定用のコロナ放電が生成され、第二の高電力レベルにおいて、ガスに点火される。ハウジング２８内にある制御回路によって、電力制御および測定が行われてもよい。制御部は駆動回路と統合されていてもよい。これによって、ハウジングに接続された外部トリガー４０が必要ではなくなり、さらに、点火時間を決めるためにピストン位置を感知するのに現在使用されている他の構造も必要ではなくなる。制御部はマイクロプロセッサおよび関連のメモリ配列を備えていてもよく、当該制御部において、異なる燃焼室状態のための最適点火時間／持続時間、および／または、エネルギー、および／または、電力レベルが保存されてもよい。制御部は、中央エネルギー制御システムに接続されていてもよいし、または、その一部を形成していてもよい。
【００８２】
燃焼室測定に基づいて点火時間／持続時間およびエネルギーを計算するために、より高性能の制御装置が使用されてもよい。最適点火時間持続および異なる燃焼室状態のエネルギーが、あらかじめ特定のエンジンのために測定され、制御部内にプログラム化されていてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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