(57)【要約】  コロナ放電点火システム２０は、各々が高周波数を有する電気的エネルギパルスを受け取るためのイグナイタ２２を含む。燃料空気混合気をイオン化するとともに、同一の期間に亘る連続的で非パルス状のコロナ放電というよりもコロナ放電２４パルスを提供する電界パルスを、イグナイタ２２は放出する。システム２０は、コロナ駆動回路５２へ、そして最終的にはイグナイタ２２へ電気的エネルギを提供する少なくとも１つの電源４８，５０を含む。システム２０は、コロナ駆動回路５２へ電気的エネルギパルスを提供するための可変高電圧電源５０およびローカル電荷蓄積装置７０を含み得る。システム２０は、エネルギのごく一部を用いながら、アーク形成に対する改善された抵抗力を有する、シングルイベントのコロナ放電点火システムと比較できるロバストな点火を提供する。
2014500437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料空気混合気に点火するコロナ放電（２４）を提供するためのコロナ放電点火システム（２０）であって、
高周波数を有する電気的エネルギを受け取るとともに、コロナ放電（２４）を提供するためのイグナイタ（２２）と、
前記電気的エネルギを提供する少なくとも１つの電源（４８，５０）とを備え、
前記イグナイタ（２２）によって受け取られる前記電気的エネルギは、複数の電気的エネルギパルスを含み、
前記コロナ放電（２４）は、複数のコロナ放電（２４）パルスを含む、コロナ放電点火システム。
【請求項２】
前記イグナイタ（２２）は、高周波数を有し、燃料空気混合気をイオン化し、前記コロナ放電（２４）を提供する複数の電界パルスを放出する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項３】
前記イグナイタ（２２）によって受け取られる前記電気的エネルギパルスは、各々が１〜２，５００マイクロ秒の持続期間を有する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項４】
前記イグナイタ（２２）によって受け取られる前記電気的エネルギパルスは、制限されない周波数を有する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項５】
前記電気的エネルギパルスは、少なくとも４００ヘルツの周波数を有する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項６】
前記電気的エネルギパルスの各々は、少なくとも１０ボルトの電圧を有する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項７】
前記電気的エネルギパルスの各々は、前記イグナイタ（２２）によって電気的エネルギが受け取られない１〜２，５００マイクロ秒のインターバルだけ次の１つの前記パルスから離間される、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電源（４８，５０）から前記電気的エネルギを受け取り、ＡＣ電圧に前記電気的エネルギを変換し、前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供するコロナ駆動回路（５２）をさらに備える、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項９】
前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギパルスの１つを提供するように前記コロナ駆動回路（５２）に指示し、前記イグナイタ（２２）へ電気的エネルギが提供されない前記パルスと前記次のパルスとの間のインターバルを提供するように前記コロナ駆動回路（５２）に指示し、前記インターバルの後に前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギパルスのもう１つを提供するように前記コロナ駆動回路（５２）に指示する駆動制御信号（５８）を提供するコントローラ（４４）をさらに備える、請求項８に記載のシステム（２０）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの電源（４８，５０）は、前記コロナ駆動回路（５２）へ前記電気的エネルギをそれぞれ供給する主電源（４８）および高電圧電源（５０）を含み、
前記高電圧電源（５０）によって前記コロナ駆動回路（５２）へ供給される前記電気的エネルギは、少なくとも１０ボルトの電圧を有する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項１１】
第１の電圧にて前記高電圧電源（５０）から電気的エネルギを連続的に受け取り、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧にて前記電気的エネルギを蓄えるとともに前記コロナ駆動回路（５２）へ前記電気的エネルギパルスを伝達するローカル電荷蓄積装置（７０）をさらに備える、請求項１０に記載のシステム（２０）。
【請求項１２】
前記イグナイタ（２２）が前記コロナ放電（２４）を提供している間に、前記少なくとも１つの電源（４８，５０）は、前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供する、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項１３】
前記イグナイタ（２２）へ提供される前記電気的エネルギは、０．１〜５Ａである、請求項１に記載のシステム（２０）。
【請求項１４】
高周波数電界を提供して、燃料空気混合気の一部をイオン化するとともに、燃焼室内の前記燃料空気混合気に点火するためのコロナ放電（２４）を提供するコロナ放電点火システム（２０）であって、
シリンダブロック（３６）と、
シリンダヘッド（３８）と、
ピストン（４０）とを備え、
これらの間には、燃焼室（４２）が提供され、
前記コロナ放電点火システムは、
前記シリンダヘッド（３８）内に配置されるとともに前記燃焼室（４２）内に延在する、高周波数および所定のエネルギパラメータを有する電気的エネルギを受け取るためのイグナイタ（２２）をさらに備え、
前記エネルギパラメータは、電圧および周波数を含み、
高周波数および１，０００〜１００，０００ボルトの電圧を有し、燃料空気混合気の一部をイオン化し、コロナ放電（２４）を提供する電界を、前記イグナイタ（２２）は放出し、
前記イグナイタ（２２）は、前記電気的エネルギを受け取るとともに、前記電界を放出する電極（２６）を含み、
前記コロナ放電点火システムは、
電気的エネルギを蓄えるとともに、前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供するコロナ駆動回路（５２）と、
前記イグナイタ（２２）が前記コロナ放電（２４）を提供している間に前記コロナ駆動回路（５２）へ前記電気的エネルギを供給する主電源（４８）と、
前記主電源（４８）から分離されるとともに、前記イグナイタ（２２）が前記コロナ放電（２４）を提供している間に前記コロナ駆動回路（５２）へ少なくとも１０ボルトの電圧にて電気的エネルギを供給する可変高電圧電源（５０）と、
前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを伝達するように前記コロナ駆動回路（５２）に指示する駆動制御信号（５８）を、前記コロナ駆動回路（５２）へ伝達するコントローラ（４４）と、
前記コロナ駆動回路（５２）から前記電気的エネルギを受け取るとともに、前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供するＬＣ回路（４６）とをさらに備え、
前記コロナ駆動回路（５２）および前記ＬＣ回路（４６）は、前記所定のエネルギパラメータを満足するように前記電源（４８，５０）によって提供される前記電気的エネルギを変換し、
前記イグナイタ（２２）によって受け取られる前記電気的エネルギは、複数の電気的エネルギパルスであり、
前記パルスの各々は、１〜２，５００マイクロ秒の持続期間を有し、電気的エネルギが前記イグナイタ（２２）へ提供されない、かつ、前記パルスの各々が少なくとも１０ボルトの電圧を有する１〜２，５００マイクロ秒のインターバルだけ前記パルスの次の１つから離間される、コロナ放電点火システム。
【請求項１５】
コロナ放電（２４）を用いて燃料空気混合気に点火する方法であって、
高周波数を有する複数の電気的エネルギパルスを、イグナイタ（２２）へ提供するステップと、
前記イグナイタ（２２）からの複数のコロナ放電（２４）パルスを提供するステップとを含む、方法。
【請求項１６】
コロナ駆動回路（５２）に前記電気的エネルギを蓄えるステップと、
前記コロナ駆動回路（５２）を活性化するステップと、
それに続いて前記コロナ駆動回路（５２）を非活性化するステップと、
それに続いて前記コロナ駆動回路（５２）を再活性化するステップとをさらに含み、
前記活性化するステップは、前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギパルスの１つを提供するステップを含み、
前記非活性化するステップは、電気的エネルギが前記イグナイタ（２２）へ提供されないインターバルを提供するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
高電圧電源（５０）からローカル電荷蓄積装置（７０）へ１０〜１５０ボルトの電圧にて前記電気的エネルギを連続的に提供するステップと、
各々が１０〜１５０ボルトの電圧を有する前記電気的エネルギパルスを、前記ローカル電荷蓄積装置（７０）から前記コロナ駆動回路（５２）へ伝達するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のコロナ放電（２４）パルスを提供しながら、前記コロナ駆動回路（５２）へ前記電気的エネルギを提供するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供する前に、前記電気的エネルギをＡＣ電圧に変換するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
コロナ放電（２４）を用いて燃焼室（４２）内の燃料空気混合気に点火する方法であって、
高周波数を有する電気的エネルギを、少なくとも１つの電源（４８，５０）からコロナ駆動回路（５２）へ提供するステップと、
７００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの高周波数および１，０００〜１００，０００ボルトの電圧を有し、燃料空気混合気をイオン化し、コロナ放電（２４）を提供するための電界を放出するために、前記コロナ駆動回路（５２）からイグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供するステップと、
前記コロナ放電（２４）を提供しながら、前記少なくとも１つの電源から前記コロナ駆動回路（５２）へ前記電気的エネルギを提供するステップと、
前記コロナ駆動回路（５２）からＬＣ回路（４６）へ前記電気的エネルギを伝達するステップと、
前記ＬＣ回路（４６）から前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを伝達するステップと、
前記イグナイタ（２２）によって受け取られる前記電気的エネルギのエネルギパラメータを決定するステップとを含み、
前記エネルギパラメータは、前記エネルギの電圧および周波数を含み、
前記方法は、
前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供するステップに先立って、前記所定のエネルギパラメータを満足するように前記電気的エネルギを変換するステップをさらに含み、
前記イグナイタ（２２）へ前記電気的エネルギを提供するステップは、前記イグナイタ（２２）へ複数の電気的エネルギパルスを提供するステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連する出願への相互参照
本願は、２０１０年１２月１４日に出願された米国仮出願シリアル番号６１／４２２，８２４の利益を主張する。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般に、コロナ放電点火システム、およびコロナ放電を用いて燃料空気混合気に点火する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
コロナ点火システムの一例は、フリーン（Freen）に対する米国特許第６，８８３，５０７に開示されている。コロナ放電点火システムは、高周波数電位に荷電される電極を有するイグナイタを含み、燃焼室内に高周波数を有する電界を提供する。イグナイタは、燃焼ティップに近接するいかなる接地された電極要素も含まない。むしろ、接地は、典型的には、燃焼室の壁部またはピストンによって提供される。コロナイグナイタの一例は、リコウスキら（Lykowski et.al）に対する米国特許出願第２０１０／００８３９４２号公報に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イグナイタによって提供される電界は、燃焼室内の燃料および空気の混合気の一部をイオン化させるとともに誘電破壊を開始して、燃料空気混合気の点火を容易にする。好ましくは、電界は、燃料空気混合気が誘電特性を維持して、非熱的プラズマとも称されるコロナ放電が発生するように制御される。燃料空気混合気のイオン化された部分は、火炎前面を形成して、そして、自立するとともに燃料空気混合気の残りの部分に点火する。好ましくは、電界は、すべての誘電特性を燃料空気混合気が失わないようにも制御され、熱的プラズマおよび電極と接地されたシリンダ壁部またはピストンとの間において電気的アークを生成する。
【０００５】
燃料空気混合気の信頼性のある点火を達成するためには、多くの場合、最小のコロナ放電強度が必要とされる。ある持続期間を有する連続的なコロナ放電点火イベントは、典型的には、非常に希薄なまたは低濃度の燃料空気混合気を用いるときに必要とされる最小の強度を提供する必要がある。しかしながら、長い持続期間は、高いエネルギ使用および関連するエネルギコストを必要とする。さらに、システムは、高いエネルギ負荷を操作可能な高機能な電子機器を必要とする。また、持続期間が長いほど、接地されたピストンまたは燃焼室壁部にコロナ放電が接触して、アーキングを生成し、コロナ放電が任意の他の経路をとることを妨げやすくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の１つの局面は、燃料空気混合気に点火するコロナ放電を提供するためのコロナ放電点火システムを含む。システムは、高周波数を有する電気的エネルギを提供する少なくとも１つの電源を含む。イグナイタは、複数の電気的エネルギパルスを受け取るとともに、複数のコロナ放電パルスを提供する。
【０００７】
発明のもう１つの局面は、コロナ放電を用いて燃料空気混合気に点火する方法を提供する。方法は、高周波数を有する複数の電気的エネルギパルスを、イグナイタへ提供するステップと、イグナイタからの複数のコロナ放電パルスを提供するステップとを含む。
【０００８】
パルス状のコロナ放電は、連続的な、非パルス状のコロナ放電を有するシングルイベントを提供する他のコロナ放電点火システムと比較して、低減されたエネルギ使用およびコスト、電子部品の簡素化、低減されたアーキング、ならびにコロナ放電の高電圧および高容量を含む、多くの利点を有する燃料空気混合気のマルチイベント点火を提供する。
【０００９】
付随する図面に関連して考慮される後続の詳細な説明への参照によってより理解されるので、本発明の他の利点は、容易に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発明の１つの実施の形態に従うコロナ放電点火システムの燃焼室内に配置されるイグナイタの断面部である。
【図２Ａ】発明の１つの実施の形態に従うローカル電荷蓄積装置を持たないコロナ放電点火システムの電子部品の図である。
【図２Ｂ】図２Ａのシステムの点火イベントおよびコロナ放電のタイミングを説明するグラフを含む。
【図３Ａ】図２のコロナ放電点火システムの電子部品の図である。
【図３Ｂ】先行技術のシングルイベントコロナ放電点火システムにおいて用いられる電流、電圧、およびタイミングを説明するグラフである。
【図３Ｃ】図２および図３Ａの実施の形態において用いられる電流、電圧、およびタイミングを説明するグラフである。
【図４Ａ】発明のもう１つの実施の形態に従うローカル電荷蓄積装置を持つコロナ放電点火システムの電子部品の図である。
【図４Ｂ】図４Ａのシステムの点火イベントおよびコロナ放電のタイミングを説明するグラフを含む。
【図５Ａ】図４のコロナ放電点火システムの電子部品の図である。
【図５Ｂ】図４および図５Ａの実施の形態において用いられる電流、電圧、およびタイミングを説明するグラフである。
【図５Ｃ】ローカル電荷蓄積装置を持つ先行技術のシングルイベントコロナ放電点火システムにおいて用いられる電流、電圧、およびタイミングを説明するグラフである。
【図６Ａ】発明のコロナ放電点火システムのエネルギ使用を、先行技術のシステムと比較するグラフを含む。
【図６Ｂ】発明のコロナ放電点火システムのエネルギ使用を、先行技術のシステムと比較するグラフを含む。
【図６Ｃ】発明のコロナ放電点火システムのエネルギ使用を、先行技術のシステムと比較するグラフを含む。
【図６Ｄ】発明のコロナ放電点火システムのエネルギ使用を、先行技術のシステムと比較するグラフを含む。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
発明の１つの局面は、各々が高周波数を有する電気的エネルギパルスを受け取るとともに、各々が高周波数を有する電界のパルスを放出するイグナイタ２２を含むコロナ放電点火システム２０を提供する。電界のパルスは、燃料空気混合気の一部をイオン化するとともに、同一の期間に亘る連続的なコロナ放電というよりも、ある期間に亘ってコロナ放電２４のパルスを提供する。連続的で、非パルス状のコロナ放電を用いるシングルイベントの点火を提供する先行技術のシステムと比較して、低減されたエネルギ使用およびコスト、電子部品の単純化、低減されたアーキング、ならびにコロナ放電２４の高電圧および高容量を含む、多くの利点を有する燃料空気混合気のマルチイベントの点火を、パルス状のコロナ放電２４は提供する。
【００１２】
コロナ放電点火システム２０のイグナイタ２２は、電極端子エンド２８から電極燃焼エンド３０へ長手方向に延在する中心軸を有する電極２６を含む。電極２６は、電極端子エンド２８にて電気的エネルギパルスを受け取るとともに、電極燃焼エンド３０から電界のパルスを放出する。中心軸に沿って電極端子エンド２８から電極燃焼エンド３０へ長手方向に延在する、ニッケルのような第１の導電性材料から形成される電極本体部３２を、電極２６は含む。１つの実施の形態においては、燃料空気混合気の一部をイオン化するとともに、コロナ放電２４を提供する電界のパルスを放出するために、電極２６は電極燃焼エンド３０に燃焼ティップ３４を含む。
【００１３】
１つの実施の形態においては、コロナ放電点火システム２０は、自動車の内燃機関の一部である。図１に示されるように、内燃機関は、中心軸の周囲に延在するとともに、円筒形状を有する空間を提供する側壁を有するシリンダブロック３６を含む。側壁は、上端開口部を囲む上端部を有する。シリンダヘッド３８は、側壁の上端部上に配置されるとともに、シリンダブロック３６の上端開口部に亘って延在する。ピストン４０は、内燃機関の動作中に側壁に沿って摺動するために、円筒空間内において、シリンダブロック３６の側壁に沿って配置される。ピストン４０は、シリンダヘッド３８から離間され、それによって、シリンダブロック３６と、シリンダヘッド３８と、ピストン４０とが合わさって、燃料空気混合気を収容するためのこれらの間の燃焼室４２を提供する。燃料空気混合気は、内燃機関の動作中に燃焼室４２を通って連続的に移動する。
【００１４】
図１に示されるように、イグナイタ２２は、シリンダヘッド３８内に配置されるとともに、燃焼室４２内に横方向に延在する。上記に示唆されるように、イグナイタ２２は、７００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの高周波数において電気的エネルギを受け取る。イグナイタ２２によって受け取られる各電気的エネルギパルスは、計算されたエネルギパラメータと称されるあるパラメータを満足する。計算されたエネルギパラメータは、パルスの周波数、持続期間、インターバル、および電圧を含む。イグナイタ２２へ提供される電気的エネルギパルスは、非パルス状の連続的なコロナ放電を用いるシングル点火イベントシステムのイグナイタ２２へ提供される電気的エネルギよりも強くてもよい。１つの実施の形態においては、各電気的エネルギパルスは、１００〜１，０００ボルトの電圧および０．１〜５Ａの電流を有する。
【００１５】
イグナイタ２２によって受け取られる電気的エネルギパルスは、最小持続期間を持たないが、持続期間は、典型的には、数十マイクロ秒である。１つの実施の形態においては、イグナイタ２２によって受け取られる電気的エネルギパルスは、１〜２，５００マイクロ秒の、または１〜１００マイクロ秒の、または好ましくは、２０〜３０マイクロ秒の持続期間を有する。各電気的エネルギパルスは、電気的エネルギがイグナイタ２２によって受け取られない時間のインターバルだけ次のパルスから離間される。パルス間のインターバルは、最小持続期間を持たないが、インターバルの持続期間は、典型的には、数十マイクロ秒である。１つの実施の形態においては、各電気的エネルギパルスは、１〜２，５００マイクロ秒の、または１〜１００マイクロ秒の、または好ましくは、２０〜３０マイクロ秒のインターバルだけ次のパルスから離間される。パルスの持続期間およびパルス間のインターバルは、典型的には、数十マイクロ秒であるが、パルスの周波数は、非制限的であり得る。１つの実施の形態においては、電気的エネルギパルスは、少なくとも４００ヘルツの、または４００〜５０，０００ヘルツの周波数を有する。
【００１６】
上述のように、イグナイタ２２の燃焼ティップ３４は、７００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの周波数を有する電界を放出して、燃料空気混合気の一部をイオン化するとともに、コロナ放電２４を形成する。また、電界およびコロナ放電２４は、パルスとして提供される。イグナイタ２２から放出される電界のパルスは、連続的なコロナ放電を有するシングルイベントシステムのイグナイタ２２から放出される電界よりも強くてもよい。１つの実施の形態においては、電界の各パルスは、１，０００〜１００，０００ボルトの電圧および最大１００ｍＡの電流を有する。
【００１７】
イグナイタ２２から放出される電界の各パルスの持続期間は、最小値を持たないが、典型的には、数十マイクロ秒である。１つの実施の形態においては、イグナイタ２２によって放出される電界のパルスは、１〜２，５００マイクロ秒の、または１〜１００マイクロ秒の、または好ましくは、２０〜３０マイクロ秒の持続期間を有する。イグナイタ２２によって放出される電界の各パルスは、電界がイグナイタ２２によって放出されない時間のインターバルだけ次のパルスから離間される。インターバルの持続期間は、最小値を持たないが、典型的には、数十マイクロ秒である。１つの実施の形態においては、電界の各パルスは、１〜２，５００マイクロ秒の、または１〜１００マイクロ秒の、または好ましくは、２０〜３０マイクロ秒のインターバルだけ次のパルスから離間される。パルスの持続期間およびパルス間のインターバルは、典型的には、数十マイクロ秒であるが、パルスの周波数は、非制限的であり得る。１つの実施の形態においては、電界のパルスは、少なくとも４００ヘルツの、または４００〜５０，０００ヘルツの周波数を有する。
【００１８】
また、燃焼室４２内に提供されて燃料空気混合気に点火するコロナ放電２４のパルスの持続期間は、最小値を持たないが、持続期間は、典型的には、数十マイクロ秒である。１つの実施の形態においては、燃焼室４２内に提供されるコロナ放電２４のパルスは、１〜２，５００マイクロ秒の、または１〜１００マイクロ秒の、または好ましくは、２０〜３０マイクロ秒の持続期間を有する。コロナ放電２４の各パルスは、コロナ放電２４が提供されない時間のインターバルだけ次の１つのパルスから離間される。インターバルの持続期間は、最小値を持たないが、典型的には、数十マイクロ秒である。１つの実施の形態においては、コロナ放電２４の各パルスは、１〜２，５００マイクロ秒の、または１〜１００マイクロ秒の、または好ましくは、２０〜３０マイクロ秒のインターバルだけ次のパルスから離間される。パルスの持続期間およびパルス間のインターバルは、典型的には、数十マイクロ秒であるが、パルスの周波数は、非制限的であり得る。１つの実施の形態においては、コロナ放電２４のパルスは、少なくとも４００ヘルツの、または４００〜５０，０００ヘルツの周波数を有する。
【００１９】
本発明のパルス状のコロナ放電２４によって提供される点火の強度は、連続的な、非パルス状のコロナ放電を有するシングルイベントコロナ放電点火システムによって提供される点火と比較できる。燃焼室４２内の燃料空気混合気は、連続的に移動する、それによって、コロナ放電２４が連続的であったときとおよそ同一のレベルで、パルス状のコロナ放電２４に効果的にさらされる。しかしながら、上述のように、本発明のシステム２０は、他のシステムによって使用されるエネルギのごく一部を用いる点火を提供する。
【００２０】
パルス状のコロナ放電２４を提供するコロナ放電点火システム２０の電子部品は、図２Ａおよび図４Ａに概して示される。また、パルス状のコロナ放電２４および燃料空気混合気の点火のタイミングを説明するグラフは、図２Ｂおよび図４Ｂに示される。コロナ放電点火システム２０は、典型的には、コントローラ４４と、調整された回路またはＬＣ回路４６と、少なくとも１つの電源４８，５０と、燃焼エンドアセンブリとを含む。上記に示唆されたように、コロナ放電２４点火システム２０は、典型的には、自動車の内燃機関に採用されるが、固定産業エンジン、オフハイウェイエンジン、ガスエンジン、および圧縮点火エンジンなどの他のエンジンシステム２０に採用され得る。
【００２１】
コロナ放電点火システム２０の電源４８，５０は、主電源４８を含み、コロナ駆動回路５２へ電気的エネルギを提供する。主電源４８は、自動車の１２ボルトバッテリであってもよい。１つの実施の形態においては、コロナ放電点火システム２０は、可変高電圧電源５０を含み、コロナ駆動回路５２へ、そして最終的にはイグナイタ２２へも電気的エネルギを提供する。可変高電圧電源５０は、典型的には、１０〜１５０ボルトの電圧においてエネルギを蓄えるとともに、１０〜１５０ボルトの電圧においてコロナ駆動回路５２へ蓄積エネルギを伝達する。しかしながら、可変高電圧電源５０は、必要ではなく、すべての電気的エネルギは、主電源４８などの単一の電源によって提供されてもよい。電源４８，５０は、コロナ放電２４が生成されている間にコロナ駆動回路５２へ電気的エネルギを提供してもよく、それによって、コロナ駆動回路５２は、コロナ放電２４が衰える前に再度エネルギが与えられる。したがって、システム２０を再充電する時間が必要ない。
【００２２】
コロナ駆動回路５２は、電源４８，５０から電気的エネルギを受け取り、電気的エネルギを蓄え、そして、ＬＣ回路４６へ、そして最終的にはイグナイタ２２へ電気的エネルギを伝達する。コロナ駆動回路５２は、典型的には、７００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの周波数で動作する発振回路である。コロナ駆動回路５２によってイグナイタ２２へ提供される電気的エネルギは、上述の計算されたエネルギパラメータを満足する。計算されたエネルギパラメータは、ＥＣＵによって提供されるエンジンデータおよびシステム２０の共振周波数を含む様々な技術情報を用いて決定され得る。１つの実施の形態においては、図２Ａおよび図４Ａに示されるように、エンジンデータは、エンジンデータ信号５４においてコロナ駆動回路５２へ提供され、コロナ駆動回路５２は、エンジンデータを用いて、計算されたエネルギパラメータを決定する。
【００２３】
コントローラ４４は、自動車のＥＣＵに統合されてもよいし、もしくは分離されたユニットであってもよい。１つの実施の形態においては、コントローラ４４は、コロナ点火システム２０の計算されたエネルギパラメータを決定するために用いられる。もう１つの実施の形態においては、計算されたエネルギパラメータは、システム２０へ提供されるか、またはシステム２０にプログラムされる。また、コントローラ４４は、ある電圧レベルにおいてコロナ駆動回路５２へ電気的エネルギを伝達するように可変高電圧電源５０に指示する電圧信号５６を、可変高電圧電源５０へ伝達し得る。
【００２４】
図２Ａおよび図４Ａに示されるように、コントローラ４４は、コロナ駆動回路５２へ駆動制御信号５８を伝達して、コロナ駆動回路５２を活性化または非活性化し、そして、パルス状のコロナ放電２４を提供する。コロナ駆動回路５２を活性化するために、持続期間を有するとともに上述の他の計算されたエネルギパラメータに従う電気的エネルギパルスを、イグナイタ２２へ伝達するように、駆動制御信号５８は、コロナ駆動回路５２に指示する。コントローラ４４は、コロナ駆動回路５２を非活性化するもう１つの駆動制御信号５８を伝達する。コロナ駆動回路５２を非活性化するために、電気的エネルギを蓄えるとともに時間のインターバルの間にイグナイタ２２へ電気的エネルギを伝達しないように、駆動制御信号５８は、コロナ駆動回路５２に指示する。そして、もう１つの駆動制御信号５８は、イグナイタ２２へもう１つの電気的エネルギパルスを伝達するようにコロナ駆動回路５２に指示することによってコロナ駆動回路５２を再活性化する。
【００２５】
コロナ駆動回路５２は、主電源４８および可変高電圧電源５０からの電気的エネルギ、ならびに駆動制御信号５８を受け取るための少なくとも１つのコロナドライバ６０を含む。コロナドライバ６０は、計算されたエネルギパラメータに応じて、ＬＣ回路４６へ、そして最終的にはイグナイタ２２へ電気的エネルギを伝達する。
【００２６】
ＬＣ回路４６への電気的エネルギの伝達に先立って、コロナ駆動回路５２は、電源４８，５０によって受け取られた電気的エネルギを、計算されたエネルギパラメータを満足するように伝達するまたは操作する。また、駆動制御信号５８に加えて、システム２０の共振周波数を示すフィードバックループ信号６２を、コロナ駆動回路５２は、ＬＣ回路４６から受け取る。上述のように、計算されたエネルギパラメータは、部分的に、システム２０の共振周波数に左右される。コロナ駆動回路５２は、典型的には、計算されたエネルギパラメータを満足するように電気的エネルギを操作するためのトランス６４を含む。コロナ駆動回路５２は、ＡＣ電圧に電気的エネルギを変換して、ＬＣ回路４６へＡＣ電圧を伝達する。
【００２７】
ＬＣ回路４６は、コロナ駆動回路５２から電気的エネルギのＡＣ電流を受け取り、さらに、電気的エネルギのイグナイタ２２への伝達に先立って、計算されたエネルギパラメータに応じて電気的エネルギを変換する。ＬＣ回路４６は、共振インダクタ６６と、燃焼エンドアセンブリによって提供されるキャパシタンスＣと含む。燃焼エンドアセンブリは、燃焼室４２内に配置されるイグナイタ２２を含む。１つの実施の形態においては、共振インダクタ６６は、特定の電圧および共振周波数において動作する金属のコイルである。上述のように、ＬＣ回路４６は、共振周波数を示すフィードバックループ信号６２を、コロナ駆動回路５２へ伝達する。１つの実施の形態においては、イグナイタ２２へのエネルギの伝達に先立って、ＬＣ回路４６は、電圧を増幅して電流を低減することによって電気的エネルギを変換する。ＬＣ回路４６からイグナイタ２２へ電気的エネルギを伝達するために、共振インダクタ６６とイグナイタ２２との間に少なくとも１つの電気的接続６８が提供される。
【００２８】
上述のように、イグナイタ２２の電極２６は、ＬＣ回路４６から電気的エネルギパルスを受け取る。各電気的エネルギパルスは、典型的には、１〜２，５００マイクロ秒の持続期間を有し、１〜２，５００マイクロ秒のインターバルだけ次のパルスから離間される。イグナイタ２２の電極２６によって受け取られる電気的エネルギパルスは、典型的には、０．１〜５Ａの電流を有する。パルス状の電気的エネルギの電圧および共振は、燃焼室４２内にパルス状の電界を電極２６に放出させて、燃料空気混合気の一部をイオン化するとともに、燃焼室４２内にパルス状のコロナ放電２４を提供する。
【００２９】
上述のように、１つの実施の形態においては、コロナ放電点火システム２０は、電気的エネルギを蓄えるとともにコロナ駆動回路５２へ電気的エネルギを提供する高電圧電源５０を含む。また、この実施の形態においては、図４Ａおよび図５Ａに示されるように、システム２０は、高電圧電源５０とコロナ駆動回路５２のコロナドライバ６０との間のローカル電荷蓄積装置７０を含み得る。図２Ａおよび図３Ａに示されるように、ローカル電荷蓄積装置７０は必要ではない。ローカル電荷蓄積装置７０は、典型的には、キャパシタンス含み、高電圧電源５０から電気的エネルギを連続的に受け取る。高電圧電源５０によって受け取られる電気的エネルギは、典型的には、１０〜１５０ボルトである。コロナ駆動回路５２に蓄えられたエネルギが枯渇したときに、コロナドライバ６０は、ローカル電荷蓄積装置７０から電気的エネルギパルスを得る。ローカル電荷蓄積装置７０から得られる電気的エネルギパルスは、典型的には、１〜２，５００マイクロ秒の持続期間を有し、１〜２，５００マイクロ秒のインターバルだけ互いに離間される。ローカル電荷蓄積装置７０から伝達される電気的エネルギパルスは、ローカル電荷蓄積装置７０によって受け取られる電気的エネルギの連続的な流れよりも大きな電流を有する。
【００３０】
図３Ｃは、ローカル電荷蓄積装置７０を持たない実施の形態について、ある期間に亘る可変高電圧電源５０からの電流、コロナドライバ６０への電圧、およびコロナ放電２４のタイミングを説明するグラフであり、図５Ｂは、ローカル電荷蓄積装置７０を有する実施の形態について、同一の期間に亘る電流、電圧、およびタイミングを説明するグラフである。図３Ｂおよび図５Ｃは、ローカル電荷蓄積装置７０を持つ場合および持たない場合の各々について、同一の期間に亘って連続的な、非パルス状のコロナ放電を提供する先行技術のシングル点火イベントシステムの電流、電圧、およびタイミングを説明する比較グラフである。コロナ放電２４のタイミングは、点線によって示される。
【００３１】
ローカル電荷蓄積装置７０を持たない図２および図３Ａの実施の形態においては、電気的エネルギの電流は、電気的エネルギが可変高電圧電源５０から出るときに計測され、電圧は、電気的エネルギがコロナドライバ６０に入るときに計測される。ローカル電荷蓄積装置７０を持つ図４Ａおよび図５Ａの実施の形態においては、電気的エネルギの電流は、ローカル電荷蓄積装置７０によって受け取られる前であって可変高電圧電源５０から電気的エネルギが伝達されるときに計測され、電圧は、コロナドライバ６０によって受け取られる前であってローカル電荷蓄積装置７０から電気的エネルギが伝達された後に計測される。
【００３２】
図３Ｃおよび図５Ｂのグラフは、双方の発明の実施の形態が、連続的な、非パルス状のコロナ放電を提供する先行技術のシステムよりも低い平均電流および低いエネルギ使用を伴う比較電圧を提供することを説明する。図５Ｂは、ローカル電荷蓄積装置７０が平均電流を平滑化して、ローカル電荷蓄積装置７０を持たない図２および図３Ａの実施の形態と比較して低い平均電流を提供することを示す。好ましくは、ローカル電荷蓄積装置７０は、イグナイタ２２によって必要とされる最大可能電流に対して可変高電圧電源５０が定格になることを防止するために用いられる。
【００３３】
図６Ａから図６Ｄは、同一の期間に亘って、本発明のコロナ放電２４点火システム２０のエネルギ使用を、シングル点火イベントを持つコロナ放電点火システム、シングルスパークイベントを持つ火花点火システム、およびマルチスパークイベントを持つ火花点火システムと比較する。図６は、本発明のパルス状のコロナ放電システム２０によって使用される電流およびエネルギが先行技術のシステムよりも著しく小さいことを図示する。また、図６は、５０％の低いデューティサイクルを、本発明のシステム２０が提供することを示す。しかしながら、ある条件下では、１０％の低デューティサイクルが点火の質の低下なしに実現可能である。また、コロナ放電点火システム２０は、使用される平均電流を９０％まで、およびピーク電流を７５％まで低減し得る。また、図６は、本発明のシステム２０が火花点火システムよりも短時間で点火を提供することを図示する。
【００３４】
上述のように、本発明のコロナ放電点火システム２０は、低減されたエネルギ使用および関連するエネルギコストに加えて、多くの利点を提供する。低いピーク電流および平均電流のために、システム２０の電子部品は、簡素化されてもよい。たとえば、連続的な、非パルス状のコロナ放電を提供するシングルイベントコロナ放電点火システムに採用されるものに比べて、より小さい電荷蓄積キャパシタおよびより小さいフィルタ要素が採用され得る。
【００３５】
パルス状のコロナ放電２４によって提供されるもう１つの利点は、連続的な、非パルス状のコロナ放電と比較して、低減されたアーキングならびにコロナ放電２４の高電圧および高容量である。多くの場合、燃焼室４２内にコロナ放電２４を提供するときに、たとえばピストン４０が燃焼ティップ３４に近接すると、コロナ放電２４の少なくとも１つのストリーマが接地金属部に接触する条件が発生する。この場合、イグナイタ２２から接地へ電流が流れて、アーキングと称されるイグナイタ２２と接地との間のイオン化された経路を生成するとともに、燃焼ティップ３４における電圧が急峻に下降する。さらに、イグナイタ２２と接地との間に形成されるイオン化された経路は、コロナ放電２４が任意の他の経路をとることを妨げ、コロナ放電２４の空間的な広がりは、厳しく制限される。一旦アーキングが発生すると、電流の流れを停止するために十分に電圧供給が低下されなければ、アーク放電は消滅させられない。これは、典型的には、コロナ放電２４の形成のための電圧よりも低い。したがって、アーキングから回復するためには、システム２０は、イグナイタ２２への電気的エネルギの供給を停止しなければならない。
【００３６】
しかしながら、パルス状のコロナ放電２４を提供するときに、コロナ放電２４が接地要素に接触して、接地へのイオン化された経路が形成されると、これは現在のパルスの長さだけ持続する。パルスが終わると、パルス間のインターバルの間に経路は消滅し、電気的エネルギは、イグナイタ２２へ提供されない。次のパルスが始まると、望ましいコロナ放電２４が再び形成される。次に、接地されたエンジンの部分に達するために十分に大きく成長するために必要な時間をコロナ放電２４が持たないように、パルスの持続期間が選択されてもよい。これは、高電圧のコロナ放電２４の使用を可能とし、エンジン動作におけるサイクル変動に対するキャリブレーション、ロバスト性を容易とし、生成されるコロナ放電２４の大容量を可能とする。
【００３７】
発明のもう１つの局面は、コロナ放電点火システム２０の燃焼室４２内の燃料空気混合気に点火する方法を提供する。上記に示唆されたように、方法は、高周波数を有する複数の電気的エネルギパルスを、イグナイタ２２へ提供するステップと、イグナイタ２２からの複数のコロナ放電２４パルスを提供するステップとを含む。
【００３８】
１つの実施の形態においては、方法は、まず、高周波数を有する電気的エネルギを電源４８，５０の少なくとも１つからコロナ駆動回路５２へ提供するステップを含み、複数のコロナ放電２４パルスを提供しながらコロナ駆動回路５２へ電気的エネルギを提供するステップをさらに含む。好ましくは、方法は、高電圧電源５０からローカル電荷蓄積装置７０へ、１０〜１５０ボルトの電圧において電気的エネルギを連続的に提供するステップと、各々が１０〜１５０ボルトの電圧を有する電気的エネルギパルスをローカル電荷蓄積装置７０からコロナ駆動回路５２へ伝達するステップとを含む。
【００３９】
上記に示唆されたように、方法は、コロナ駆動回路５２に電気的エネルギを蓄えるステップと、コロナ駆動回路５２を活性化するステップと、続いてコロナ駆動回路５２を非活性化するステップと、その後、コロナ駆動回路５２を再活性化するステップとを含む。活性化するステップは、イグナイタ２２へ１つの電気的エネルギパルスを提供するステップを含み、非活性化するステップは、電気的エネルギがイグナイタ２２へ提供されないインターバルを提供するステップを含む。活性化するステップおよび非活性化するステップは、パルス状のコロナ放電２４を提供するように繰り返される。１つの実施の形態においては、方法は、イグナイタ２２へ電気的エネルギを提供する前に、ＡＣ電流に電気的エネルギを変換するステップを含む。
【００４０】
方法は、燃料空気混合気をイオン化してコロナ放電２４を提供する７００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの高周波数および１，０００〜１００，０００ボルトの電圧を有する電気的エネルギを放出するために、コロナ駆動回路５２からイグナイタ２２へ電気的エネルギを提供するステップをさらに含む。イグナイタ２２への電気的エネルギの伝達に先立って、方法は、コロナ駆動回路５２からＬＣ回路４６へ電気的エネルギを伝達するステップと、そして、ＬＣ回路４６からイグナイタ２２へ電気的エネルギを伝達するステップと含む。
【００４１】
また、上記に説明されたように、コロナ放電２４を提供するステップは、イグナイタ２２によって受け取られる電気的エネルギのエネルギパラメータを決定するステップを含む。イグナイタ２２へ電気的エネルギを提供するステップに先立って、方法は、所定のエネルギパラメータを満足するように電気的エネルギを変換するステップを含む。上述のように、イグナイタ２２へ電気的エネルギを提供するステップは、イグナイタ２２へ複数の電気的エネルギパルスを提供するステップを含む。本発明の方法は、少ないエネルギを用いたロバストな点火とともに、上述の他の利点を提供する。
【００４２】
明らかなように、本発明の多くの修正および変更が上記教示に照らして可能であり、添付された特許請求の範囲の範囲内であるが具体的に記載されているもの以外で実行されてもよい。これらの先行する記述は、発明の新規性がその有用性を発揮する任意の組み合わせをカバーするように解釈されるべきである。さらに、特許請求の範囲における参照番号は、単に便宜的なものであって、いかなる限定もされずに読まれるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図４Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【国際調査報告】
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