(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を検出するための方法であって、
共振周波数で振動する駆動回路と、コロナ放電をもたらすためのコロナ点火装置とにエネルギを供給することと、
前記振動する駆動回路における前記エネルギの共振周波数を取得することと、
前記共振周波数の振動周期の変動を特定することとを含み、
前記共振周波数は、連続的かつ互いにほぼ等しい持続時間を有する第１の複数の前記振動周期を含み、前記共振周波数の振動周期の変動を前記特定することは、前記第１の複数の振動周期と比較して増加した持続時間を有する１つの振動周期を特定することを含み、前記１つの振動周期は前記第１の複数の振動周期の直後であり、前記１つの振動周期は前記アーク形成の開始を示す、方法。
【請求項２】
前記振動周期の変動を特定すると、前記システムの制御部に、アーク形成の検出を示すフィードバック信号を伝送することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記振動周期の前記変動を特定するステップは、少なくとも１０％の振動周期の増加を特定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
振動周期の前記変動を特定するステップは、前記共振周波数の前記振動周期のうちの１つだけにおいて増加を特定することを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記エネルギの前記振動数を取得するステップは、差動増幅器の入力または出力で生じる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記エネルギの前記共振周波数を取得するステップは、前記コロナ点火装置に、若しくは、前記コロナ点火装置から提供される電圧または電流の振動周期を抽出することを含み、さらに、前記エネルギの前記周波数を矩形波に変換することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を検出するためのシステムであって、
共振周波数で振動するエネルギを伝達する駆動回路と、
前記エネルギを受け、コロナ放電をもたらすためのコロナ点火装置と、
前記共振周波数の振動周期の変動を特定するための周波数モニタとを備え、前記振動周期における前記変動は、アーク形成の開始を示し、
前記共振周波数は、連続的かつ互いにほぼ等しい持続時間を有する第１の複数の前記振動周期を含み、前記共振周波数の振動周期の変動を前記特定することは、前記第１の複数の振動周期と比較して増加した持続時間を有する１つの振動周期を特定することを含み、前記１つの振動周期は前記第１の複数の振動周期の直後であり、前記１つの振動周期は前記アーク形成の開始を示す、システム。
【請求項８】
前記振動周期は、前記コロナ点火装置が前記コロナ放電をもたらすと１０％未満で変化し、前記振動周期は、アーク形成の開始で少なくとも１０％変化する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記振動周期は、アーク形成の開始で少なくとも１５％変化する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記周波数モニタは、前記振動周期の変動を特定すると、制御部に、アーク形成の開始を示すフィードバック信号を伝送する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を検出するためのシステムであって、
共振周波数で振動するエネルギを伝達する駆動回路と、
前記エネルギを受け、コロナ放電をもたらすためのコロナ点火装置と、
前記共振周波数の振動周期の変動を特定するための周波数モニタとを備え、前記振動周期における前記変動は、アーク形成の開始を示し、
前記エネルギの前記共振周波数は、複数の矩形波を含み、前記複数の矩形波の各々は、振動周期の１つを備え、前記矩形波の前記振動周期は、アーク形成の開始前でコロナ放電が生じている間は０．５〜１．５マイクロ秒であり、前記矩形波の１つの前記振動周期は、アーク形成の開始で０．５〜１．０マイクロ秒増加し、前記矩形波の前記振動周期は、前記１つの矩形波の後すぐに、アーク形成の開始前の前記振動周期と同じになる、システム。
【請求項１２】
前記駆動回路は、エネルギを前記駆動回路および前記コロナ点火装置に供給するためのエネルギ供給部と、入力で前記エネルギを受け、前記エネルギを出力から伝送するための
差動増幅器と、前記エネルギの電流を前記エネルギ供給部から前記コロナ点火装置に導くための、前記差動増幅器の出力によって有効にされるスイッチとを含み、前記周波数モニタは、前記エネルギから振動周期の変動を前記入力または前記出力で特定する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
共振周波数の振動周期の変動を特定することによって、コロナ放電システムにおけるアーク形成を検出するための方法であって、前記システムは、当該システムを前記共振周波数で流れるエネルギを含み、
前記共振周波数は、連続的かつ互いにほぼ等しい持続時間を有する第１の複数の前記振動周期を含み、前記共振周波数の振動周期の変動を前記特定することは、前記第１の複数の振動周期と比較して増加した持続時間を有する１つの振動周期を特定することを含み、前記１つの振動周期は前記第１の複数の振動周期の直後であり、前記１つの振動周期は前記アーク形成の開始を示す、方法。
【請求項１４】
前記共振周波数は、複数の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを含み、前記変動の前記立ち上がりエッジでアーク形成の開始を特定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記共振周波数は、複数の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを含み、前記変動の前記立ち下がりエッジでアーク形成の開始を特定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、共に２０１１年４月４日に出願された米国仮出願番号６１／４７１，４４８号および６１／４７１，４５２号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概して、コロナ放電点火システムに関し、より特定的には、当該システムにおけるアーク形成を検出することに関する。
【０００３】
２．関連技術
コロナ放電点火システムは、交流の電圧および電流をもたらし、高低の電位の電極を絶え間なく切り替え、それによって、アーク形成を困難にし、かつ、コロナ放電の形成を高める。当該システムは、高電波周波数電位に帯電させられ、かつ、燃焼室で強電波周波数電界を発生する中央電極を有するコロナ点火装置を含む。当該電界により、燃料室で燃料および空気の混合物の一部が電離し、誘電破壊を始め、燃料空気混合物の燃焼が容易になる。当該電界は、好ましくは、燃料空気混合物が誘電特性を維持し、非熱的プラズマとも呼ばれるコロナ放電が生じるように制御される。燃料空気混合物の電離した部分は、その後自燃し、かつ、燃料空気混合物の残りの部分を燃やす火炎前面を形成する。好ましくは、当該電界は、燃料空気混合物が誘電特性を全て損失しないように制御され、もし誘電特性が損失すると、電極と、設置されたシリンダ壁、ピストン、金属殻または他の点火装置の部品との間で熱プラズマおよび電気アークが発生する。電気アークまたはアーク放電は、エネルギ効率を悪化し、システムの点火事象の堅調性を低下させる。コロナ放電点火システムの一例が、フリーンの米国特許第６，８８３，５０７号に開示されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の要約
発明の一局面によると、コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を検出するための方法が提供される。当該方法は、共振周波数で振動する駆動回路と、コロナ放電をもたらすコロナ点火装置とにエネルギを供給することと、振動駆動回路におけるエネルギの共振周波数を取得することと、共振周波数の振動周期の変動を特定することとを含む。
【０００５】
発明の別の局面によると、本方法を採用するシステムが提供される。当該システムは、エネルギ振動を共振周波数で伝達する駆動回路と、エネルギを受け、かつ、コロナ放電をもたらすためのコロナ点火装置と、共振周波数の振動周期の変動を特定するための周波数モニタとを含み、振動周期の変動は、アーク形成の開始を示す。
【発明の効果】
【０００６】
本システムおよび本方法によると、コロナ放電点火システムにおけるアーク形成の開始を検出するための、迅速で、費用効率が高い手段が提供される。本システムは、アーク形成の防止を試みるのではなく、コロナ放電が、典型的には、より高いエネルギ効率および性能をもたらすので、コロナ形成は典型的には意図的ではない。
【０００７】
図面の簡単な説明
本発明の他の利点が、添付の図面に関連して考慮されると、以下の詳細な説明を参照することによってより理解されるのと同様に、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に従うアーク形成を検出するためのシステムのブロック図である。
【図２】本発明の別の実施形態に従う駆動回路の構成要素を示す、アーク形成を検出するためのシステムの別のブロック図である。
【図３】典型的な共振周波数、および、本システムのコロナ点火装置に提供されるエネルギの振動周期を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
本発明によれば、コロナ放電２０をもたらすために設計された点火システムにおけるアーク形成を検出するためのシステムおよび方法が提供される。当該システムは、エネルギを伝達し、共振周波数で振動する駆動回路２２と、エネルギを受け取り、コロナ放電２０をもたらすためのコロナ点火装置２４と、共振周波数の振動周期の変動を特定するための周波数モニタ２６とを含み、振動周期の変動は、アーク形成の開始を示す。
【００１０】
本システムで採用される方法によれば、エネルギが駆動回路２２およびコロナ点火装置２４に供給される。当該方法は、次に、振動する駆動回路２２におけるエネルギの共振周波数を取得することと、共振周波数の振動周期の変動を特定することとを含む。図１は、エネルギ供給部２８と、駆動回路２２と、有効信号３０と、周波数信号３２と、コロナ点火装置２４と、周波数モニタ２６と、フィードバック信号３４とを含む本システムの主な構成要素を示すブロック図である。
【００１１】
本システムおよび本方法は、アーク放電を検出するために使用される先行技術のシステムよりもいくつかの利点をもたらす。最初に、本システムおよび本方法は、複雑なデジタル構成要素、キャリブレーション、または、モニタリングを必要とせずに、既存のコロナ放電点火システムの構成要素を使用できるため低価格である。さらに、本システムおよび本方法は、非常に高速であり、ほんの数ナノ秒または数マイクロ秒でアーク形成の開始を検出できる。本発明のシステムおよび方法は、電流を直接測定する、またはインピーダンスを決定する必要がない。
【００１２】
本システムは、典型的には、内燃エンジン（図示しない）において採用される。内燃エンジンは、典型的には、燃料および空気の可燃混合物を包含する燃焼室を定義する、シリンダヘッド、シリンダブロック、および、ピストンを含む。コロナ点火装置２４は、シリンダヘッドで受けられ、図１に示される、コロナ先端３６を有する中央電極を含み、燃焼室に延在する。エネルギ供給部２８は、エネルギを貯め、駆動回路２２、および最終的にはコロナ点火装置２４にエネルギを供給する。中央電極は、エネルギ供給部２８から高周波数電圧でエネルギを受ける。一実施形態において、中央電極は、最大１０００００ボルト、５Ａ未満の電流、および、０．５〜２．０ＭＨｚの周波数の水準でエネルギを受ける。中央電極は、その後、電波周波数電界を燃焼室に放出し、燃料空気混合物の一部を電離し、燃焼室にコロナ放電２０をもたらす。コロナ点火装置２４は、典型的には、中央電極の周囲に絶縁体３８を含み、絶縁体３８および中央電極は、図１に示されるように、金属殻４０で受け入れられる。
【００１３】
図２は、本発明の一実施形態に従う、コロナ点火システムおよび駆動回路２２の構成要を示すブロック図である。コロナ点火システムは、エネルギが共振周波数で本システムを流れるように設計される。駆動回路２２は、トリガ回路４２と、差動増幅器４４と、第１のスイッチ４６と、第２のスイッチ４８と、変圧器５０、電流センサ５２と、ローパスフィルタ５４と、クランプ５６とを含む。駆動回路２２に提供されるエネルギは、コロナ点火システムが稼働中に共振周波数で振動する。図２は、エネルギが構成要素の間を信号５７で伝えられることを示す。図２は、各構成要素間のエネルギ電流のグラフも含む。
【００１４】
エンジン制御装置（図示しない）の制御部５８は、典型的には、差動増幅器４４を作動する有効信号３０を提供する。トリガ回路４２は、その後、有効信号３０に応答して、本システムを通って、コロナ点火装置２４から、およびコロナ点火装置２４に流れる、周波数と電圧との振動を開始する。トリガ回路４２は、トリガ信号５９を発生することと、トリガ信号５９を差動増幅器４４に伝送することとによって振動を開始する。本システムは、共振周期を有し、トリガ信号３２は、典型的には、共振周期の半分よりも短い。
【００１５】
差動増幅器４４は、トリガ信号３２を受けると起動される。差動増幅器４４は、その後、正入力６０でエネルギを受け、エネルギを増幅し、第１の出力６２および第２の出力６３からエネルギを伝送する。
【００１６】
駆動回路２２の第１のスイッチ４６は、差動増幅器４４の第１の出力６２によって有効になり、エネルギ供給部２８からコロナ点火装置２４にエネルギを導く。スイッチ４６，４８は、ＢＪＴ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または、その他適切な種類であってもよい。
【００１７】
駆動回路２２の変圧器５０は、エネルギを受けるための変圧入力６４と、エネルギ供給部２８からコロナ点火装置２４および電流センサ５２にエネルギを伝送するための変圧出力６６とを含む。変圧器５０は、そこを通ってエネルギを伝送する、一次巻線６８および二次巻線７０を含む。エネルギ供給部２８からのエネルギは、最初に、一次巻線６８を流れ、それによりエネルギを二次巻線７０に流す。コロナ点火装置２４の構成要素は、共振回路または同調回路とも呼ばれる、本システムのＬＣ回路を共に提供する。電流センサ５２で共振電流を検出することによって、本システムの共振周波数は、ＬＣ回路の共振周波数と等しくできる。
【００１８】
電流センサ５２は、典型的には、抵抗器であり、変圧器５０およびコロナ点火装置２４の出力でエネルギ電流を測定する。変圧器５０の出力でのエネルギ電流は、典型的には、コロナ点火装置２４でのエネルギ電流に等しい。電流センサ５２は、その後、エネルギをローパスフィルタ５４に伝送する。ローパスフィルタ５４は、不要な振動周波数を除去し、エネルギ電流の位相シフトをもたらす。位相シフトは、典型的には、１８０度以下である。
【００１９】
クランプ５６は、ローパスフィルタ５４からエネルギを受け、エネルギ電流の信号の調整を実行する。信号の調整は、エネルギ電流を矩形波および安全電圧に変換することを含んでもよい。クランプ５６は、その後、エネルギを差動増幅器４４の負入力７２に戻すように伝送する。
【００２０】
コロナ点火システムの周波数モニタ２６は、本システムを伝わる、信号３２のエネルギの共振周波数を取得する。図１および図２は、周波数信号７４が共振周波数を駆動回路２２から周波数モニタ２６に伝送することを示す。本方法は、典型的には、コロナ点火装置２４に、または、コロナ点火装置２４から提供される電圧または電流の振動周波数を抽出することによってエネルギの共振周波数を取得することを含み、さらに、エネルギの周波数を矩形波に変換することを含む。
【００２１】
図２は、クランプ５６と差動増幅器４４との間に位置付けられる周波数モニタ２６を示しているが、周波数モニタ２６は、本システムの他の位置に配置されてもよい。さらに、周波数モニタ２６は、図１および図２において別個の構成要素として示されているが、電流センサ５２に結合または統合されてもよいし、または、本システムの他の構成要素と統合されてもよい。周波数モニタ２６は、典型的には、差動増幅器４４の入力６０，７２または出力６２，６３でエネルギの共振周波数を計測する。しかしながら、周波数モニタ２６は、エネルギ供給部２８と変圧器５０との間、変圧器５０とコロナ点火装置２４との間、変圧器５０と電流センサ５２との間、電流センサ５２とローパスフィルタ５４との間、および、ローパスフィルタ５４とクランプ５６との間のエネルギ信号３２からの共振周波数を代わりに計測または取得してもよい。周波数モニタ２６は、他の手段によって、たとえば、エンジンからの接地帰還ループ（図示されない）において電流若しくは電圧を計測することによって、または、駆動回路２２において選択された導体の近く、または、適切に位置決めされた磁気または電気ピックアップ（図示されない）によって、共振周波数を取得してもよい。
【００２２】
典型的には、コロナ点火システムの稼働中において、差動増幅器４４の、入力６０，７２と出力６２，６３とに、および、入力６０，７２と出力６２，６３とから伝えられるエネルギは共振周波数であり、これは稼働周波数とも呼ばれる。図３は、点火事象中における、図２の本システムの共振周波数の一例を示し、駆動回路２２は、時間ｔ＝０ですでに振動している。共振周波数は、一定期間にわたる、駆動回路２２を流れるエネルギの電圧または他のパラメータの変化である。共振周波数は、複数の、立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを含む矩形波として示される。共振周波数の振動周期は、２つの隣合う立ち上がりエッジの間、または２つの隣合う立ち下がりエッジの間の時間に等しい。振動周期は、２つの隣合う立ち上がりエッジの間、または、２つの隣合う立ち下がりエッジの間、または、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとの間の間隔を評価することによって計測されてもよい。
【００２３】
コロナ点火システムがコロナ放電２０をもたらすとき、振動周期は、一定期間の間、極めて一貫性のあるままである。振動周期は、図３において、１００で特定される。振動周期は、アーク形成の開始後もまた一定期間の間、極めて一貫性のあるままである。アーク形成の開始前後の振動周期は、概ね等しい。しかしながら、アーク形成の開始で、コロナ放電２０がアーク放電に転換する場合に、たとえば、コロナ放電２０の流動がシリンダブロック、金属殻４０、または、他の接地された構成要素に達したような場合に、振動周期の変動が生じる。
【００２４】
振動周期の変動は、アーク形成の開始であり、それは一度だけ生じる。変動は、図３において２００で特定される。アーク形成の開始は、変動時に矩形波の立ち上がりエッジで特定され、図３において３００で特定される。アーク形成の開始は、変動時に矩形波の立ち下がりエッジで特定されてもよい。変動は、少なくとも１０％、典型的には、少なくとも１５％の振動周期の継続期間の変化である。さらに、振動周期は、典型的には、少なくとも１０％増加する。計測の一例において、１００での振動周期は、約１．０４マイクロ秒（９６５ｋＨｚ）で、２００での継続期間は、約１．７マイクロ秒（５８８ｋＨｚ）である。他の例において、各矩形波の振動周期は、コロナ放電２０が生じて、アーク形成まで、たとえば、１００での振動周期を含むそれ以下までの間では、０．５〜１．５マイクロ秒である。しかしながら、この例においては、矩形波の１つの振動周期は、アーク形成の開始で、たとえば２００で、０．５〜１．０マイクロ秒増加する。
【００２５】
アーク形成の開始後すぐに、矩形波の振動周期は、通常に戻り、１つの変動振動周期の前、および、アーク形成の開始前の振動周期である１００での継続期間に再び概ね等しくなる。アーク形成の検出は、１つの共振周波数の変動によって特定され、検出方法は瞬時である。変動は、典型的には、アーク放電の第１のサイクルにおいて生じ、電気検出方法が使用され得る十分な大きさである。たとえば、本システムは、リセット可能なタイマ、位相ロックループ、または、プログラム可能なデジタル解決法を採用してもよい。
【００２６】
振動周期の変動が周波数モニタ２６によって特定されるとすぐに、フィードバック信号３４は、エンジン制御装置の制御部５８に送られ得、エンジン制御装置は、アーク形成に応答するというオプション（option）を有する。
【００２７】
明らかに、本発明の多くの変更例および変形例が、上述の技術を考慮して可能であり、添付の特許請求の範囲内で具体的に説明される他の方法で実施され得る。
【図１】
0005873165.tif 000002
【図２】
0005873165.tif 000003
【図３】
0005873165.tif 000004