(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロナ点火システムのための電力増幅器回路であって、
出力巻線および２つの一次巻線を有するＲＦ変圧器を含み、出力巻線および２つの一次巻線はコアに巻きつけられ、前記電力増幅器回路はさらに、
出力巻線の一方の端部に接続されるインダクタおよびキャパシタと、
出力巻線の別の端部に接続される抵抗器とを含み、
２つの一次巻線は、各々、一方の端部が可変ＤＣ電圧供給源に接続され、２つの一次巻線の各々の他方の端部は第１および第２のスイッチに取付けられ、第２のスイッチをオンにすると、電流が第２のスイッチ側の一次巻線を通って流れ、それは、次いで、磁束を、ＲＦ変圧器の内部でフェライトを通って、第１のスイッチ側の一次巻線によって引き起こされた磁束と正反対方向に流れるように誘導し、
前記電力増幅器回路は、回路の振動を開始するために、第１および第２のスイッチの１つをオンにし、インダクタおよびキャパシタを短く振動させ、その結果、電圧が抵抗器上で生成され、当該電圧は、ノイズをフィルタ処理し、インダクタおよびキャパシタの固有周波数で電圧を残す回路に供給され、残された電圧は、第１および第２のスイッチにフィードバックされ、オンオフのタイミングを制御する、電力増幅器回路。
【請求項２】
変動するキャパシタンスに対して補償するためにフィードバック信号をあたえるセンス巻線をさらに含み、出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号をあたえる、請求項１に記載の電力増幅器回路。
【請求項３】
電圧を残す回路は、バンドギャップフィルタを形成することによって固有周波数外の周波数を取り除き、残された周波数の電圧は、フィードバックされる前に第１および第２のダイオードによってクリップされる、請求項１に記載の電力増幅器回路。
【請求項４】
上側表面から燃焼室に延在する点火装置開口部を有するシリンダヘッドおよびコロナ点火装置を含む内燃機関であって、
エンジンコンピュータから信号を受取るよう構成された制御回路と、点火装置アセンブリをその共振周波数で駆動するために交流電流および電圧信号を生成する電力増幅器回路とを含み、
点火装置アセンブリは、ＬＣＲ回路を形成するインダクタ、キャパシタおよび抵抗器を含み、インダクタの一方の端部は、点火端アセンブリを介して、コロナ点火装置を点火する内燃機関の燃焼室における電極クラウンに接続され、
電力増幅器回路は、
出力巻線および２つの一次巻線を有するＲＦ変圧器を含み、出力巻線および２つの一次巻線はコアに巻きつけられ、
２つの一次巻線は、各々、一方の端部が可変ＤＣ電圧供給源に接続され、２つの一次巻線の各々の他方の端部は第１および第２のスイッチに取付けられ、第２のスイッチをオンにすると、電流が第２のスイッチ側の一次巻線を通って流れ、それは、次いで、磁束を、ＲＦ変圧器の内部でフェライトを通って、第１のスイッチ側の一次巻線によって引き起こされた磁束と正反対方向に流れるように誘導し、
前記電力増幅器回路は、回路の振動を開始するために、第１および第２のスイッチの１つをオンにし、インダクタおよびキャパシタを短く振動させ、その結果、電圧が抵抗器上で生成され、当該電圧は、ノイズをフィルタ処理し、インダクタおよびキャパシタの固有周波数で電圧を残す回路に供給され、残された電圧は、第１および第２のスイッチにフィードバックされ、オンオフのタイミングを制御する、内燃機関。
【請求項５】
インダクタおよびキャパシタは出力巻線の一方の端部で接続され、抵抗器は出力巻線の別の端部に接続される、請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
制御回路は、電力増幅器回路に印加するべき電圧を判断し、
電力増幅器回路は巻線を介して電流を駆動し、点火装置アセンブリの共振周波数のフィードバック信号をあたえ、
キャパシタのキャパシタンス、抵抗器の抵抗およびインダクタのインダクタンスが結合されると、点火装置アセンブリは特定された周波数で共振する、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
変動するキャパシタンスに対して補償するためにフィードバック信号をあたえるセンス巻線をさらに含み、出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号をあたえる、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
電圧を残す回路は、バンドギャップフィルタを形成することによって固有周波数外の周波数を取り除き、残された周波数の電圧は、フィードバックされる前に第１および第２のダイオードによってクリップされる、請求項４に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権に対する主張
この出願は、２００９年５月８日に提出され、その内容がここに引用により援用される、米国仮出願番号第６１／１７６，６１４号に対し、優先権の恩恵を主張する。
【０００２】
発明の背景
１．  技術分野
この発明は、一般的に、自動車用途などにおいて空気／燃料混合物の点火のために使用される点火装置に関し、特に、コロナ点火システムで使用される自己同調電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．  関連技術
米国特許６，８８３，５０７は、コロナ放電空気／燃料点火システムで使用される点火装置を開示する。燃焼を開始するために使用される例示的な方法によれば、燃焼室において強いＲＦ電界を生じさせるために、電極を高い無線周波数（「ＲＦ」）電圧電位に帯電する。強電界は、次いで、燃焼室における燃料空気混合物の一部をイオン化する。燃料空気ガスをイオン化する過程は絶縁破壊の開始になり得る。しかし、電界は動的に制御することができ、絶縁破壊は、プラズマが形成され、電気アークが電極から接地されたシリンダ壁またはピストンに打たれることに終わるであろう電子雪崩のレベルに進まない。電界は、燃料空気ガスの一部−先に記載された、プラズマに終わる電子雪崩連鎖反応を生じさせるのに不十分な一部分−だけがイオン化されるレベルに維持される。しかしながら、電界は、コロナ放電が生じるように十分に強く維持される。コロナ放電では、電極上のある電荷は、小さな電流として接地にガスを介して運ばれることを通して、または電極から放出されているか、イオン化された燃料空気混合物から電極内に吸収されている電子を介して、放散されるが、電流は非常に小さく、電極での電圧電位はアーク放電と比較して非常に高いままである。十分に強い電界は、燃料空気混合物の一部のイオン化を引起し、燃焼反応を容易にする。イオン化された燃料空気混合物は火炎前面を形成し、それは、次いで、自己持続するようになり、残りの燃料空気混合物を燃焼する。
【０００４】
図１は容量結合されるＲＦコロナ放電点火システムを示す。このシステムが「容量結合される」と名付けられるのは、電極４０が、直接的に燃料空気混合物に晒されるようフィードスルー絶縁体７１ｂの周囲の誘電材料から出て延在しないからである。むしろ、電極４０はフィードスルー絶縁体７１ｂによって包まれたままであり、燃焼室５０において電界を生じさせるためにフィードスルー絶縁体の一部を通過する電極の電界に依存する。
【０００５】
図２は、この発明の例示的な実施例に従う制御エレクトロニクスおよび一次コイルユニット６０の機能ブロック図である。図２に示されるように、制御エレクトロニクスおよび一次コイルユニット６０は、ライン６２経由で、例えばＤＣ源から１５０ボルトの電圧を受取る、センタータップ付きの一次ＲＦ変圧器２０を含む。高電力スイッチ７２が、２つの位相、位相Ａと位相Ｂとの間において、所望の周波数、例えば高電圧回路３０の共振振動数で変圧器２０にあたえられる電力を切換えるために設けられる（図１を参照）。１５０ボルトのＤＣ源は、さらに、制御エレクトロニクスおよび一次コイルユニット６０における制御回路系のための電源７４に接続される。制御回路系電源７４は、制御エレクトロニクスための許容できるレベル（例えば５〜１２ボルト）まで１５０ボルトのＤＣ源を低減するために、典型的にはステップダウン変圧器を含む。図１および図２において「Ａ」で表された変圧器２０からの出力は、この発明の例示的な実施例によれば、二次コイルユニットに収容される高電圧回路３０に電力を供給するために使用される。
【０００６】
変圧器２０から出力される電流および電圧は点Ａで検知され、従来の信号調整は、例えば、信号からノイズを取除くために７３および７５でそれぞれ実行される。例えば、この信号調整は能動、受動、またはデジタル、ローパスおよびバンドパスフィルタを含んでもよい。電流信号および電圧信号は、次いで、それぞれ７７、７９で全波整流および平均される。電圧および電流の平均化は、信号ノイズを取除くが、従来のアナログまたはデジタル回路で達成されてもよい。平均され整流された電流信号および電圧信号は、電流で電圧を割ることにより実際のインピーダンスを計算する除算器８０に送られる。電流信号および電圧信号は、さらに、高電圧回路３０のための共振振動数である周波数を出力する位相検出器および位相ロックループ（ＰＬＬ）７８に送られる。ＰＬＬは、電圧および電流が同相であるように、その出力周波数を調整することにより、共振振動数を判断する。直列共振回路に対しては、共振で励振された時、電圧および電流は同相である。
【０００７】
計算されたインピーダンスおよび共振周波数は、変圧器２０を駆動するよう、計算されたデューティサイクルを各々有する、２つのパルス信号、位相Ａおよび位相Ｂを出力するパルス幅変調器８２に送られる。パルス信号の周波数はＰＬＬ７８から受取られる共振周波数に基く。デューティサイクルは、除算器８０から受取られたインピーダンス、およびさらにシステムコントローラ８４から受取られたインピーダンス設定点に基く。パルス幅変調器８２は、除算器８０からの測定されたインピーダンスをシステムコントローラ８４から受取られたインピーダンス設定点と一致させるために、２つのパルス信号のデューティサイクルを調整する。
【０００８】
システムコントローラ８４は、さらにインピーダンス設定点の出力に加えて、パルス幅変調器８２にトリガ信号パルスを送る。このトリガ信号パルスは、図１に示される高電圧回路３０および電極４０の活性化を制御する変圧器２０の活性化タイミングを制御する。トリガ信号パルスは、マスタエンジンコントローラ８６（図示されない）から受取られるタイミング信号６１に基く。タイミング信号６１は、点火シーケンスを開始すべきときを判断する。システムコントローラ８４はこのタイミング信号６１を受取り、次いで、パルス幅変調器８２にトリガパルスおよびインピーダンス設定点の適切なシーケンスを送る。この情報は、いつ点火するか、何回点火するか、どれくらい長く点火するか、およびインピーダンス設定点を、パルス幅変調器に伝える。所望のコロナ特性（例えば点火シーケンスおよびインピーダンス設定点）は、システムコントローラ８４にハードコード化されてもよく、またはこの情報はマスタエンジンコントローラ８６からシステムコントローラ８４に信号６３を介して送ることができる。システムコントローラ８４は、現代のエンジン制御および点火システムにおいて慣習的なように、マスタエンジンコントローラ８６に診断情報を送ってもよい。診断情報の例は、電圧供給不足／過剰、電流信号および電圧信号などから判断される点火の失敗などを含んでもよい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明および利点の概要
電力増幅器回路は、インダクタおよびキャパシタがＲＦ変圧器の出力巻線の一方の端部に接続される。出力巻線の他方の端部は抵抗器に接続され、それは、次いで、接地に接続される。変圧器は２つの一次巻線を有する。両方の一次巻線は、一方の端部が可変ＤＣ電圧供給源に接続される。各一次巻線の他方の端部はＭＯＳＦＥＴに取付けられる。３本の巻線はすべてフェライトコアに巻きつけられる。ＤＣ電圧供給源からＭＯＳＦＥＴまで流れる電流が磁束をフェライトコアにおいて反対方向に引起すように、２つの一次巻線は構成される。回路の振動を開始するために、ＭＯＳＦＥＴの１つはオンにされ、インダクタおよびキャパシタを短く振動（ring）させる。その結果、電圧が二次巻線抵抗器上で生成され、それは、ノイズをすべてフィルタ処理し、インダクタキャパシタの固有周波数で電圧を残す回路に供給される。この電圧はＭＯＳＦＥＴにフィードバックされ、オンオフタイミングを制御する。このようにして、固有周波数を測定し記録する必要性がなくされる。
【００１０】
この発明の一実施例ではコロナ点火システムのための電力増幅器回路があり、それは、出力巻線および２つの一次巻線を伴うＲＦ変圧器を含み、出力巻線および２つの一次巻線はコアに巻きつけられ；電力増幅器回路はさらに、出力巻線の一方の端部に接続されるインダクタおよびキャパシタと；出力巻線の別の端部に接続される抵抗器とを含み、出力巻線に誘導された電流は、磁束をコアにおいて反対方向に生成する。
【００１１】
この発明の１つの局面では、２つの一次巻線は、各々、一方の端部が可変ＤＣ電圧供給源に接続され、２つの一次巻線の各々の他方の端部は第１および第２のスイッチに取付けられ、第１および第２のスイッチのオンおよびオフのタイミングが制御される。
【００１２】
この発明の別の局面では、増幅器回路は、変動するキャパシタンスに対して補償するためにフィードバック信号をあたえるセンス巻線をさらに含み、出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号をあたえる。
【００１３】
この発明の別の実施例では、ＲＦ変圧器の出力巻線の一方の端部に接続されるセンシング変圧器を有する自己同調増幅器回路を有するコロナ点火システムがある。
【００１４】
この発明の１つの局面では、出力巻線において誘導された電流は、二次巻線を励振するようセンシング変圧器において磁束を生成する。
【００１５】
この発明の別の局面では、二次巻線の端部は、コロナ点火システムを動作させるために回路を駆動する２つのスイッチにそれぞれ接続され、それによって、コロナ点火装置を点火する。
【００１６】
この発明のさらに別の実施例では、上側表面から燃焼室に延在する点火装置開口部を有するシリンダヘッドおよびコロナ点火装置を含む内燃機関であって：エンジンコンピュータから信号を受取るよう構成された制御回路と；点火装置アセンブリをその共振周波数で駆動するために交流電流および電圧信号を生成する電力増幅器回路とを含み、点火装置アセンブリは、ＬＣＲ回路を形成するインダクタ、キャパシタおよび抵抗器を含み、インダクタの一方の端部は、点火端アセンブリを介して、コロナ点火装置を点火する内燃機関の燃焼室における電極クラウンに接続される、内燃機関が設けられる。
【００１７】
この発明の１つの局面では、電力増幅器回路は、出力巻線および２つの一次巻線を有するＲＦ変圧器を含み、出力巻線および２つの一次巻線はコアに巻きつけられ；インダクタおよびキャパシタは出力巻線の一方の端部で接続され；抵抗器は出力巻線の別の端部に接続され、出力巻線に誘導された電流は、磁束をコアにおいて反対方向に生成する。
【００１８】
この発明の別の局面では、制御回路は、電力増幅器回路に印加するべき電圧を判断し、電力増幅器回路は巻線を介して電流を駆動し、点火装置アセンブリの共振周波数のフィードバック信号をあたえ、点火装置アセンブリは、キャパシタのキャパシタンス、抵抗器の抵抗およびインダクタのインダクタンスが結合されると、特定された周波数で共振する。
【００１９】
この発明のさらに別の局面では、２つの一次巻線は、各々、一方の端部が可変ＤＣ電圧供給源に接続され、２つの一次巻線の各々の他方の端部は第１および第２のスイッチに取付けられ、第１および第２のスイッチのオンおよびオフのタイミングが制御される。
【００２０】
この発明のさらに別の局面では、増幅器回路は、変動するキャパシタンスに対して補償するためにフィードバック信号をあたえるセンス巻線をさらに含み、出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号をあたえる。
【００２１】
この発明のこれらならびに他の特徴および利点は、当業者には、好ましい実施例の詳細な記載からより明らかになる。詳細な記載に伴う図面を以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】先行技術における例示的なコロナ放電点火システムを示す。
【図２】先行技術のシステムに従う制御エレクトロニクスおよび一次コイルユニットの機能ブロック図を示す。
【図３】この発明に従う自己同調回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
好ましい実施例の詳細な記載
電力増幅器回路は、インダクタおよびキャパシタがＲＦ変圧器の出力巻線の一方の端部に接続される。出力巻線の他方の端部は抵抗器に接続され、それは、次いで、接地に接続される。変圧器は２つの一次巻線を有する。両方の一次巻線は、一方の端部が可変ＤＣ電圧供給源に接続される。各一次巻線の他方の端部はＭＯＳＦＥＴに取付けられる。３本の巻線はすべてフェライトコアに巻きつけられる。ＤＣ電圧供給源からＭＯＳＦＥＴまで流れる電流が磁束をフェライトコアにおいて反対方向に引起すように、２つの一次巻線は構成される。回路の振動を開始するために、ＭＯＳＦＥＴの１つはオンにされ、インダクタおよびキャパシタを短く振動（ring）させる。その結果、電圧が二次巻線抵抗器上で生成され、それは、ノイズをすべてフィルタ処理し、インダクタキャパシタの固有周波数で電圧を残す回路に供給される。この電圧はＭＯＳＦＥＴにフィードバックされ、オンオフタイミングを制御する。このようにして、固有周波数を測定し記録する必要性がなくされる。
【００２４】
図３に図示された回路は、変圧器、変圧器を駆動するＭＯＳＦＥＴ、および変圧器の動作の周波数を同調させる帰還回路を含む。変圧器は、一例において、４組の巻線をまわりに伴うフェライトコアを有する。インダクタＬｌおよびＬ２は一次巻線であり、それらは、ＤＣ電圧供給源に接続される点でともに連結される。回路はある範囲の電圧供給源電圧で動作するよう設計することができ、この実施例では、電圧は６０ＶＤＣに設定される。インダクタＬｌおよびＬ２の他方の端部は各々スイッチに接続され、それはＭＯＳＦＥＴとして示される。当業者には容易に理解されるように、他の種類のスイッチが使用されてもよい。
【００２５】
インダクタＬ３は変圧器の二次的または出力インダクタである。Ｌ３の一方の端部は低値抵抗を介して接続される。他方の端部はコロナ点火装置のインダクタに接続される。第４のインダクタ（Ｌ６）は、異なる長さの取付ケーブルの変動するキャパシタンスを補償するためにフィードバック信号をあたえるセンスインダクタである。
【００２６】
点火システムは３つのサブアセンブリ：制御回路、電力増幅器および点火装置アセンブリから構成される。
【００２７】
制御回路：この回路は、シリンダにおいてコロナをいつ開始し終わらせるべきであるかをシステムに伝えるエンジンコンピュータ（ＥＣＵ）から信号を受取る。この回路は、電力増幅器変圧器にどの電圧を印加するかを判断する。この回路の一部は、電力増幅器変圧器に印加されるＤＣ電圧を生成する。
【００２８】
電力増幅器回路：この回路は、点火装置アセンブリをその共振周波数で駆動するために交流電流および電圧信号を生成する。それは制御回路からコマンドを受取って振動を開始し終了する。電力増幅器回路は、変圧器を介して電流を駆動する回路、および点火装置アセンブリの共振周波数をフィードバックする回路を含む。このフィードバック信号は、インダクタ共振と関係のある信号、一次巻線電圧と関係のある信号、および二次巻線電圧と関係のあるフィードバック信号を含む。
【００２９】
点火装置アセンブリ：点火装置アセンブリはスパークプラグに類似する態様でシリンダヘッドに取付けられる。アセンブリは、インダクタ、および燃焼室の内側に電極を含む点火端サブアセンブリを含む。点火装置アセンブリは、ＬＣＲアセンブリとしてともに配線されるインダクタ、キャパシタおよび抵抗器を有する。電圧がインダクタの一方の端部に印加されると、ＬＣＲアセンブリは共振する。インダクタは点火装置の一部である。インダクタの第２の端部は点火端アセンブリを介して燃焼室における電極クラウンに接続される。点火端アセンブリおよび燃焼室は、インダクタンスと結合されると特定の周波数で共振するキャパシタンスおよび抵抗を形成する。
【００３０】
動作では、エンジンコンピュータ（ＥＣＵ）のような装置が制御回路に信号を送る。この信号は、各々の点火装置上でいつコロナを開始および終了すべきであるかを制御回路に伝える。制御回路は、電力増幅器に、コロナ事象を開始するようＬレベルになる、通常Ｈレベルの信号を送る。コロナが所望される間、信号はＬレベルにとどまり、コロナ事象を終了するためにＨレベルに戻る。この信号は、Ｑ１３のエミッタであるノードＡにあたえられる。Ａの電圧におけるこの変化はノードＮをＨレベルからＬレベルにする。次いで、ノードＮは２つの場所に送られる。
【００３１】
１つの宛先は、Ｑ１２のコレクタ、ならびにＱ１２およびＱ７のベースである。Ｎのこの降下はＱ１２およびＱ７をオンにして、電流がノードＺに流れることを可能にする。第２の宛先はＣ３であり、それは、ノードＲ、Ｑ９のベースに、Ｒ１３およびダイオード１を介して、短い電圧降下を送る。これは、次いで、ノードＴで電圧を短く降下させる。ベースにおけるこの下落はＱ５をオンにして、ノードＺから電流を引出し、ノードＢを負から正に上げる。これはＱ１１をオン、およびＱ１７をオフにし、それはＱ１をオン、およびＱ２をオフにする。これは、Ｒ１６およびダイオード２を介してノードＣ、Ｍ１のゲートに接続されるそれらのエミッタを引上げる。ノードＣは負から正になり、Ｍ１をオンにする。Ｍ１のドレインはＬ２に接続され、そのソースは接地に接続される。Ｍ１をオンにすると、電流がＬ２を通って流れ、それは、次いで、磁束を、変圧器の内部でフェライトを通って流れるよう誘導する。
【００３２】
Ｍ１がオンに留まるので、電流は、ノードＴの電圧がＱ５を遮断する値に戻るまで、Ｌ２を介して導通させられる。これは、ノードＺを通って流れる電流をＲ１１からＲ１８内に移らせ、ノードＨを負から正に上げる。これはＱ８をオン、およびＱ２０をオフにし、それはＱ４をオン、およびＱ３をオフにする。これは、Ｒｌ７およびダイオード３を介してノードＦ、Ｍ４のゲートに接続されるそれらのエミッタを引上げる。ノードＦは負から正になり、Ｍ４をオンにする。Ｍ４をオンにすると、電流がＬ１を通って流れ、それは、次いで、磁束を、変圧器の内部でフェライトを通って、Ｌ２によって引起された磁束と正反対方向に流れるよう誘導する。
【００３３】
変圧器フェライト磁束は、次いで電圧をその２つの端部にわたって生じさせる変圧器二次巻線Ｌ３を介して、電流を生成する。Ｌ３の一方の端部は、接地に取付けられるＲ１４に接続される。Ｌ３の他方の端部は点火装置アセンブリにおいてインダクタに取付けられる。点火装置ＬＣＲアセンブリに印加された、急速に変化する電圧は、それを共振するよう誘導する。電流がＲ１４を通って流れると、ノードＬの電圧は上昇する。この電圧はＲ１５を介してノードＡ２に供給される。ノードＡ２からの電流は、Ｃ５およびＲ１９に接続されるＬ５を通過する。これらの構成要素はバンドギャップフィルタを形成し、当該範囲外の周波数を取除く。この信号はＤ７およびＤ８によってクリップされ、次いで、Ｑ１０を駆動するためにＣ７を通して渡される。Ｑ１０がオンにされると、電流はＲ１８を通って流れ、Ｒ１１を通って流れることをやめる。これは、Ｍ１をオフ、およびＭ４をオンに、ならびにその逆に切換える。
【００３４】
前述の発明は関係のある法的基準に従って記載され、したがって、この記載は本質において限定的ではなく、例示的である。開示された実施例に対する変形および修正は当業者に明らかであり、この発明の範囲内で入るであろう。従って、この発明を与えられる法的な保護の範囲は特許請求の範囲を検討することによりのみ判断することができる。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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