(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子式高周波誘導加熱器駆動装置であって、
第１及び第２接続点、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーを有し、タンク・インダクターとタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間で並列接続し、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間の電圧が負と正の値の間で振れる固有周波数を規定する値を有するように構成されたタンク回路と、
タンク・インダクターのセンター・タップに接続された損失補充電源と、
第１接続点がアースから絶縁される開状態と第１接続点が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第１オシレータ・スイッチと、
第２接続点がアースから絶縁される開状態と第２接続点が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第２オシレータ・スイッチと、
第１オシレータ・スイッチのゲートから第２接続点へのみ電流が流れることができるように接続された第１ゲート・ダイオードと、
第２オシレータ・スイッチのゲートから第１接続点へのみ電流が流れることできるように接続された第２ゲート・ダイオードとから成り、
第１及び第２オシレータ・スイッチが互いに反対の状態を維持するように構成されている電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項２】
損失補充電源が電源インダクターから成る請求項１に記載の電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項３】
第１及び第２オシレータ・スイッチがMOSFETから成る請求項１に記載の電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項４】
第１及び第２オシレータ・スイッチがIGBTデバイスから成る請求項１に記載の電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項５】
第１オシレータ・スイッチのゲートを電源電圧に接続する第１ゲート抵抗器と、
第２オシレータ・スイッチのゲートを電源電圧に接続する第２ゲート抵抗器をさらに備えた請求項１に記載の電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項６】
第１及び第２オシレータ・スイッチをアースと選択的に接続及び分離するための接地スイッチをも含む請求項１に記載の電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項７】
一次コイルがタンク・インダクターに含まれ、二次コイルが高周波誘導加熱器を駆動する加熱器駆動装置変成器を含む請求項１に記載の電子式高周波誘導加熱器駆動装置。
【請求項８】
加熱型燃料噴射システムであって、
燃料噴射器が、
噴射弁、
DC電気エネルギーを加えられると燃料弁を選択的に開閉するように構成された電気機械的アクチュエータ（L2）、
AC電気エネルギーを加えられると変化する磁場を介して燃料噴射器の金属素子中に熱を発生させる誘導加熱コイル（L3）、及び
誘導加熱コイル（L3）と電気機械的アクチュエータ（L2, 470）を両者間に電気的に並列接続した第１及び第２噴射器端子（120, 121）を含み、
DC回路（L2, L4, Q2）が第１及び第２噴射器端子（120, 121）に接続されて、選択的にDC電気エネルギーを供給して電気機械的アクチュエータ（L2, 470）を作動させ、
DC電気エネルギーが誘導加熱コイル（L3）及びフィルタ・コンデンサー（C3）から成る高域フィルタによって実質的に阻止され、
AC回路（T1二次コイル, C2, C3, L3）が第１及び第２噴射器端子（120, 121）に接続されて、選択的にAC電気エネルギーを供給して誘導加熱コイル（L3）を作動させ、
AC電気エネルギーが電気機械的アクチュエータ（L2, 470）及び阻止インダクター（L4,
460）から成る低域フィルタによって実質的に阻止され、
電子式高周波誘導加熱器駆動装置が、
第１及び第２接続点（110, 111）、タンク・インダクター（T1一次コイル）及びタンク・コンデンサー（C1）を有し、タンク・インダクターとタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間で並列接続し、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間の電圧が負と正の値の間で振れる固有周波数を規定する値を有するように構成されたタンク回路と、
タンク・インダクター（T1一次コイル）のセンター・タップに接続された損失補充電源と、
第１接続点（110）がアースから絶縁される開状態と第１接続点（110）が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点（110, 111）間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第１オシレータ・スイッチ（Q3）と、
第２接続点（111）がアースから絶縁される開状態と第２接続点（111）が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点（111, 110）間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第２オシレータ・スイッチ（Q4）と、
第１オシレータ・スイッチ（Q3）のゲートから第２接続点（111）へのみ電流が流れることできるように接続された第１ゲート・ダイオード（D1）と、
第２オシレータ・スイッチ（Q4）のゲートから第１接続点（110）へのみ電流が流れることできるように接続された第２ゲート・ダイオード（D2）とから成り、
第１及び第２オシレータ・スイッチ（Q3, Q4）が互いに反対の状態を維持するように構成され、
AC回路が加熱器駆動変成器（T1）の二次コイルを含み、タンク・インダクターが加熱器駆動変成器（T1）の一次コイルを構成し、
電源電圧が加熱器駆動変成器（T1）の二次コイルに接続されている加熱型燃料噴射器システム。
【請求項９】
電気機械的アクチュエータがソレノイド・コイルを含むソレノイド（L2）である請求項８に記載の加熱型燃料噴射システム。
【請求項１０】
電気機械的アクチュエータが圧電アクチュエータ（470）であり、
さらに、圧電アクチュエータと直列のフィルタ・インダクター（460）をも含む請求項８に記載の加熱型燃料噴射システム。
【請求項１１】
AC回路及びタンク回路がほぼインピーダンス整合関係にある請求項８に記載の加熱型燃料噴射システム。
【請求項１２】
阻止インダンクター（L4）が第２噴射器端子（121）とアースの間に接続されて、AC電気エネルギーがアースへ分路するのを阻止する低域フィルタを形成する請求項８に記載の加熱型燃料噴射システム。
【請求項１３】
DC電気エネルギーを電気機械的アクチュエータ（L2）と選択的に接続する噴射器駆動装置スイッチ（Q2）をも含む請求項８に記載の加熱型燃料噴射システム。 
【請求項１４】
噴射器駆動スイッチ（Q2）が選択的に電気機械的アクチュエータ（L2）を電圧源と接続する請求項１３に記載の加熱型燃料噴射システム。
【請求項１５】
噴射器駆動スイッチ（Q2）が選択的に電気機械的アクチュエータ（L2）を接地する請求項１３に記載の被加熱燃料噴射システム。
【請求項１６】
第１及び第２接続点の間に並列接続され、共に第１及び第２接続点間の電圧が負値と正値の間で変動する固有周波数を規定する値を有する加熱器駆動変成器の一次コイルであるタンク・インダクター及びタンク・コンデンサーを利用して電子式高周波誘導加熱器を駆動する方法であって、
タンク・インダクターのセンター・タップに損失補充電圧を印加し、
第１及び第２接続点間の電圧が第１方向にゼロ交差するのとほぼ同時に、
第２接続点から第１オシレータ・スイッチのゲートへ電流が流れるのをそれらの間に接続された第１ゲート・ダイオードの作用により阻止しながら、第１オシレータ・スイッチのゲートに電流を供給して充電することにより、第１オシレータ・スイッチを第１接続点をアースから絶縁する開状態から第１接続点を接地する閉状態へ駆動して、第１接続点に接続された第２ゲート・ダイオードを介して第２オシレータ・スイッチのゲートを放電させ、
第１及び第２接続点間の電圧が第２方向にゼロ交差するのとほぼ同時に、
第１接続点から第２オシレータ・スイッチのゲートへ電流が流れるのを第２ゲート・ダイオードの作用により阻止しながら、第２オシレータ・スイッチのゲートに電流を供給して充電することにより、第２オシレータ・スイッチを第２接続点をアースから絶縁する開状態から第２接続点を接地する閉状態へ駆動して、第１ゲート・ダイオードを介して第１オシレータ・スイッチのゲートを放電させ、
加熱器駆動変成器の二次コイルで電子式高周波誘導加熱器を駆動するステップを含む電子式高周波誘導加熱器の駆動方法。
【請求項１７】
タンク・インダクターのセンター・タップに損失補充電圧を印加するステップにおいて、電源インダクターを介して損失補充電圧を印加する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１及び第２オシレータ・スイッチがMOSFETである請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１及び第２オシレータ・スイッチがIGBTデバイスである請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
第１オシレータ・スイッチのゲートに電流を供給して充電するステップにおいて、電源電圧を第１オシレータ・スイッチのゲートに第１ゲート抵抗器を介して供給し、
第２オシレータ・スイッチのゲートに電流を供給して充電するステップにおいて、電源電圧を第２オシレータ・スイッチのゲートに第２ゲート抵抗器を介して供給する請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
接地スイッチ（Q1）を介して第１及び第２オシレータ・スイッチを選択的に接続及び遮断するステップを含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願相互参照】
【０００１】
本願は、2006年2月27日付け米国仮特許出願第60/777,084号（発明の名称：「可変スプレー噴射のための定電流ゼロ電圧スイッチング方式の誘導加熱器駆動装置」）に基づく優先権を主張するものであり、この仮特許出願の全内容を本願の一部として引用する。
【発明分野】
【０００２】
本発明は、先端加熱型燃料噴射システム、特にかかるシステムの電子式誘導加熱器駆動装置及び方法に係わる。
【発明の背景】
【０００３】
内燃機関の排気の質を改善する必要性が日毎に高まっている。これと同時に、燃料を極力節約しながらエンジンのクランキング回数をできる限り少なく且つキー・オンから発進までの時間を極力短縮することが要求されている。このような要求はエタノールのような代替燃料を使用するエンジンだけでなく、ガソリンを燃料とするエンジンに対しても向けられている。
【０００４】
エンジンの低温始動時において、従来の火花点火式内燃機関には炭化水素排出量が多い、燃料の点火性及び燃焼性が悪いという特徴がある。停止し、高温で均熱させた後、エンジンが既に高温に達していない限り、クランキング時間が徒に長くなるか、エンジンが全く始動できないことがある。速度と負荷が高ければ高い程、運転温度が上昇し、燃料の霧化及び空気との混合が改善される。
【０００５】
実際にエンジンを低温で始動させる際、始動に必要な濃縮により化学量論的な適量を超えた燃料が供給され、排気管からの炭化水素排出量が増大する。排気が最悪になるのはエンジン運転の最初の数分間であり、その後、触媒及びエンジンが運転温度に近づく。エタノールを燃料とする車両の場合、燃料中に占めるエタノールの量が100%に増大すると、低温始動能力が益々低下するから、エンジン始動のための燃料として従来のガソリンを使用し、走行中は燃料としてエタノール・グレードを使用する二元燃料システムを組み込むメーカーもある。このようなシステムはコスト高になり、冗長でもある。
【０００６】
低温始動に伴う排気の問題及び低温における始動の困難性に対するもう1つの解決策として、燃料が迅速に気化するか、またはマニホルドまたは大気圧へ解放されると同時に気化する（「フラッシュ・ボイル」）温度にまで燃料を予熱するという方法がある。燃料の予熱は燃料の状態という点では高温エンジンの再現である。
【０００７】
多数の予熱方法が提案されているが、その多くは燃料噴射器内での予熱を伴う。燃料噴射器は自動車用エンジンの吸気マニホルドまたはシリンダへの燃料計量に広く使用されている。燃料噴射器は多くの場合、多量の加圧燃料を収納するハウジングと、燃料入口部と、ニードル弁を内蔵するノズル部と、電磁ソレノイド、圧電アクチュエータまたはその他のニードル弁作動機構のような電気機械的アクチュエータを含む。ニードル弁が作動すると、弁座のオリフィスを介してエンジン内へ加圧燃料が噴射する。
【０００８】
燃料の予熱に利用される技術の1つとして、燃料噴射器に正温度係数セラミック・ヒーターを組み込むことによってヒーターを囲む燃料を加熱するという技術が採用されている。セラミック・ヒーターを有する燃料噴射器の1例が米国特許第6,102,303号明細書に開示されている。抵抗加熱毛細管を利用し、この毛細管内を通過する燃料を加熱して気化させるという技術もある。加熱毛細管を含む噴霧発生器の1例が米国特許第6,681,769号明細書に開示されている。これら2つの解決策はいずれも噴射器の壁を貫通して燃料流路に達する電気結線を必要とするから、燃料漏れのリスクが大きくなる。これらの技術はまた、噴射器ヒーターに給電するための導線の別設を必要とするから、配線用ハーネス及びコネクタが複雑になる。
【０００９】
燃料を予熱するため、時変磁場を利用して噴射器内へエネルギーを電磁結合するという方法もある。この方法は電気的な貫通を必要としないから、燃料流路を密封状態に維持しながら実施することができる。時変磁界に起因するヒステリシス・ロス及び渦電流損によって加熱に好適な形状及び材質の部品内でエネルギーが熱に変換される。
【００１０】
誘導式燃料ヒーターは、ガソリン系統に関連する上記問題の解決だけでなく、エタノール・グレードを予熱することによって冗長なガソリン燃料系統を組み込むことなく有効な始動を可能にするために利用することも可能である。
【００１１】
誘導加熱技術は時変磁場を利用するから、システムは燃料噴射器内の誘導コイルに適正な高周波数交流を供給するための電子装置を内蔵しなければならない。
【００１２】
従来の誘導加熱は電力のハード・スイッチング、即ち、スイッチング装置における電圧も電流も非ゼロの状態でスイッチングすることによって行われる。多くの場合、スイッチングは共振器またはタンク回路の固有共振周波数に近い周波数で行われる。共振器は、加熱される部品へのエネルギー結合の最大化に好適な周波数で共振するように選択され、最適化されたインダクター及びコンデンサーを含む。
【００１３】
タンク回路の固有共振周波数はfr = 1/(2π√LC)。但し、Lは回路のインダクタンス、Cは回路のキャパシタンスである。共振時のピーク電圧はインダクター及びコンデンサーのエネルギー損失、または回路のQの低下によって制限される。ハード・スイッチングはそれぞれ1対または2対の半導体スイッチから成るいわゆるハーフ・ブリッジまたはフル・ブリッジ回路で行うことができる。スイッチとしては、例えば、任意の数のサイリスタ、トライアック、PNPまたはNPNトランジスタ、ダーリントン・トランジスタ、FET（電界効果トランジスタ）、MOSFET（金属酸化膜半導体FET）、IGBT（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、または真空管及び電子管、例えば、クライトロン、サイラトロン、イグナ
イトロン、三極管等を利用すればよい。電力のハード・スイッチングにはスイッチング・ノイズや電圧源からの共振周波数の高振幅電流パルス、またはその調波というネガティブな結果が伴う。ハード・スイッチングされる回路の周波数が高ければ高い程、スイッチング損失も大きくなる。
【００１４】
エンジン環境において、燃料噴射器は配線ハーネス及びコネクタのシステムを介して電子コントローラと結合される。加熱される燃料噴射器には噴射器内の加熱素子を駆動するための導線を補足しなければならなかった。これらの補足導線がコネクタ及びハーネスを複雑化し、コストを増大させ、配線系中の、障害が発生するおそれのある箇所を増やすことになった。
【００１５】
従って、電力ができるだけ低いレベルの遮断状態でスイッチングが行われるような燃料噴射器加熱回路、及び加熱型燃料噴射器を駆動する方法を提供する必要がある。また、それぞれの燃料噴射器に使用される導線の数を減らす必要がある。発明者が知る限り、そのような制御装置または方法は現在のところ皆無である。
【発明の概要】
【００１６】
本発明によると、電子式高周波誘導加熱器駆動装置であって、第１及び第２接続点、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーを有し、タンク・インダクターとタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間で並列接続し、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間の電圧が負と正の値の間で振れる固有周波数を規定する値を有するように構成されたタンク回路と、タンク・インダクターのセンター・タップに接続された損失補充電源と、第１接続点がアースから絶縁される開状態と第１接続点が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第１オシレータ・スイッチと、第２接続点がアースから絶縁される開状態と第２接続点が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第２オシレータ・スイッチと、第１オシレータ・スイッチのゲートから第２接続点へのみ電流が流れることできるように接続された第１ゲート・ダイオードと、第２オシレータ・スイッチのゲートから第１接続点へのみ電流が流れることできるように接続された第２ゲート・ダイオードとから成り、第１及び第２オシレータ・スイッチが互いに反対の状態を維持するように構成されている電子式高周波誘導加熱器駆動装置が提供される。
【００１７】
損失補充電源は電源インダクターで構成することができる。第1及び第2オシレータ・スイッチはMOSFET、またはIGBTデバイスで構成することができる。
【００１９】
加熱器駆動装置は第1及び第2オシレータ・スイッチをアースと選択的に接続及び分離するための接地スイッチをも含むことができる。加熱器駆動装置は一次コイルがタンク・インダクターに含まれ、二次コイルが高周波誘導加熱器を駆動する加熱器駆動装置変成器をも含むことができる。
【００２０】
本発明によれば、加熱型燃料噴射システムであって、燃料噴射器が、噴射弁、DC電気エネルギーを加えられると燃料弁を選択的に開閉するように構成された電気機械的アクチュエータ、AC電気エネルギーを加えられると変化する磁場を介して燃料噴射器の金属素子中に熱を発生させる誘導加熱コイル、及び誘導加熱コイルと電気機械的アクチュエータを両者間に電気的に並列接続した第１及び第２噴射器端子を含み、DC回路が第１及び第２噴射器端子に接続されて、選択的にDC電気エネルギーを供給して電気機械的アクチュエータを作動させ、DC電気エネルギーが誘導加熱コイル及びフィルタ・コンデンサーから成る高域フィルタによって実質的に阻止され、AC回路が第１及び第２噴射器端子に接続されて、選択的にAC電気エネルギーを供給して誘導加熱コイルを作動させ、AC電気エネルギーが電気機械的アクチュエータ及び阻止インダクターから成る低域フィルタによって実質的に阻止され、電子式高周波誘導加熱器駆動装置が、第１及び第２接続点、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーを有し、タンク・インダクターとタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間で並列接続し、タンク・インダクター及びタンク・コンデンサーが第１及び第２接続点間の電圧が負と正の値の間で振れる固有周波数を規定する値を有するように構成されたタンク回路と、タンク・インダクターのセンター・タップに接続された損失
補充電源と、第１接続点がアースから絶縁される開状態と第１接続点が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第１オシレータ・スイッチと、第２接続点がアースから絶縁される開状態と第２接続点が接地される閉状態を有し、第１及び第２接続点間の電圧がゼロ交差するのとほぼ同時に状態を換えるように構成された第２オシレータ・スイッチと、第１オシレータ・スイッチのゲートから第２接続点へのみ電流が流れることできるように接続された第１ゲート・ダイオードと、第２オシレータ・スイッチのゲートから第１接続点へのみ電流が流れることできるように接続された第２ゲート・ダイオードとから成り、第１及び第２オシレータ・スイッチが互いに反対の状態を維持するように構成され、AC回路が加熱器駆動変成器の二次コイルを含み、タンク・インダクターが加熱器駆動変成器の一次コイルを構成し、電源電圧が加熱器駆動変成器の二次コイルに接続されている加熱型燃料噴射器システムをも提供される。
【００２１】
電気機械的アクチュエータはソレノイド・コイルを含むソレノイドで構成することができ、その場合、システムは誘導加熱コイルと直列の高域フィルタ・コンデンサーをも含む。電気機械的アクチュエータは圧電アクチュエータで構成することができ、その場合、システムは圧電アクチュエータと直列の低域フィルタ・インダクターをも含む。
【００２２】
加熱型燃料噴射システムは一次コイル及び二次コイルを有するが、加熱器駆動変成器の二次コイルはAC回路の一部を形成し、一次コイルはタンク回路の一部を形成し、AC回路及びタンク回路はほぼインピーダンス整合関係にある。
【００２３】
システムは第2噴射器端子と接続し、前記噴射器端子及びこれと接続するアースの間に介在し、AC電気エネルギーがアースへ分路するのを防止する低域フィルタを含む阻止インダンクターをも含むことができる。
【００２４】
加熱型燃料噴射システムはDC電気エネルギーを電気機械的アクチュエータと選択的に接続する噴射器駆動スイッチをも含むことができる。噴射器駆動スイッチは電気機械的アクチュエータが選択的に電気機械的アクチュエータを電圧源と接続することができる。噴射器駆動スイッチが選択的に電気機械的アクチュエータを接地するように構成することもできる。
【００２５】
本発明によると、第１及び第２接続点の間に並列接続され、共に第１及び第２接続点間の電圧が負値と正値の間で変動する固有周波数を規定する値を有する加熱器駆動変成器の一次コイルであるタンク・インダクター及びタンク・コンデンサーを利用して電子式高周波誘導加熱器を駆動する方法であって、タンク・インダクターのセンター・タップに損失補充電圧を印加し、第１及び第２接続点間の電圧が第１方向にゼロ交差するのとほぼ同時に、第２接続点から第１オシレータ・スイッチのゲートへ電流が流れるのをそれらの間に接続された第１ゲート・ダイオードの作用により阻止しながら、第１オシレータ・スイッチのゲートに電流を供給して充電することにより、第１オシレータ・スイッチを第１接続点をアースから絶縁する開状態から第１接続点を接地する閉状態へ駆動して、第１接続点に接続された第２ゲート・ダイオードを介して第２オシレータ・スイッチのゲートを放電させ、第１及び第２接続点間の電圧が第２方向にゼロ交差するのとほぼ同時に、第１接続点から第２オシレータ・スイッチのゲートへ電流が流れるのを第２ゲート・ダイオードの
作用により阻止しながら、第２オシレータ・スイッチのゲートに電流を供給して充電することにより、第２オシレータ・スイッチを第２接続点をアースから絶縁する開状態から第２接続点を接地する閉状態へ駆動して、第１ゲート・ダイオードを介して第１オシレータ・スイッチのゲートを放電させ、加熱器駆動変成器の二次コイルで電子式高周波誘導加熱器を駆動するステップを含む電子式高周波誘導加熱器の駆動方法をも提供される。
【００２６】
接続点間の電圧が第２方向にゼロ交差するのとほぼ同時に、第１オシレータ・スイッチのゲートを放電するとともに；第２オシレータ・スイッチのゲートを充電する。加熱器駆動変成器の二次コイルで電子式高周波誘導加熱器を駆動する。
【００２７】
タンク・インダクターのセンター・タップに損失補充電圧を印加するステップにおいて、電源インダクターを介して損失補充電圧を印加することができる。第1及び第2オシレータ・スイッチとしてMOSFETまたはIGBTデバイスを使用することができる。
【００２８】
本発明の方法は、第1ゲート・ダイオードにおいて、第2接続点から第1オシレータ・スイッチのゲートへ電流が流れるのを防止し、第2ゲート・ダイオードにおいて、第1接続点から第2オシレータ・スイッチのゲートへ電流が流れるのを防止するステップをも含むことができる。この場合、本発明の方法は第1オシレータ・スイッチ及び第1ゲート・ダイオードをゲート電源電圧に接続する第1ゲート抵抗器を設け、第2オシレータ・スイッチ及び第2ゲート・ダイオードをゲート電源電圧に接続する第2ゲート抵抗器を設けるステップをも含むことができる。
【００２９】
本発明の方法は、接地スイッチを介して第1及び第2スイッチを選択的に接続及び遮断するステップをも含むことができる。
【発明の説明】
【００３０】
理想としては、スイッチング・デバイスにおける電圧または電流がゼロ時点でタンク回路にエネルギーを補充すべきである。ゼロ電圧またはゼロ電流スイッチング中は電磁ノイズが比較的低く、ゼロ電圧スイッチング中が最も低いことが知られている。ゼロ・スイッチング下ではスイッチング・デバイスの電力消費が極めて少ないことも知られている。この理想的なスイッチング時点は各サイクルにおいて正弦波がゼロ交差して極性を反転させる2つの時点、即ち、正弦波が正から負への第1方向にゼロ交差する時点と、負から正への第2方向にゼロ交差する時点である。
【００３１】
本発明の装置及び方法はハード・スイッチングとそのネガティブな結果を排除し、これに替わるゼロ電圧スイッチングを採用する。本発明はまた、電圧源からの電流パルスを定電流レベルまで著しく低下させ、システム・ノイズをも軽減する。本発明の好ましい実施態様では、専用ACパスへの高周波エネルギーを分離して、他の構成部分、例えば、燃料噴射器ソレノイドの作用が帰地パスを共有することによって影響されないようにする。帰地パスを噴射器ソレノイドと共有させれば、噴射器がターン・オフされると必然的に加熱器駆動装置もターン・オフされる。好ましい実施態様では、加熱器を駆動するために燃料噴射器への配線を追加しなくてもよい。このような配線ではなく、本発明のシステムは燃料噴射器内に信号分離器を使用する。
【００３２】
本発明の電子式高周波誘導加熱器駆動装置の統合機能を、本発明の回路100を、煩雑さを避けるため基本的構成部分の多くを省いて略示する図1を参照しながら以下に説明する。尚、特定のまたは一般的な値、定格、構成部分の追加、包含または除外は本発明の範囲を左右するものではない。
【００３３】
L2、C3及びL3は燃料噴射器内に位置する。L3は好適な燃料噴射器コンポーネントを誘導加熱するのに必要なアンペア‐ターンを提供する誘導加熱コイルである。C3は高域フィルタ・コンデンサーである。L3とC3は第1及び第2噴射器端子120、121間に直列接続され、高域フィルタ及びACループの一部を形成する。L2はQ2によって給電されると噴射弁を開くソレノイド・コイルである。L2は噴射器端子120、121間でL3/C3と並列接続され、低域フィルタを形成する。
【００３４】
図1に示すように、DC噴射器駆動回路のスイッチングは、電圧源からのDC電気エネルギーが噴射器端子120に印加され、端子121からアースへの結線がMOSFET Q2によってスイッチされるいわゆる「ローサイド(low side)」噴射器駆動装置構成で実施することができる。これに代わる実施態様では、噴射器駆動回路を、電圧源から噴射器端子120への結線がスイッチングされるいわゆる「ハイサイド(high side)」構成（図示しない）でスイッチングする。
【００３５】
L2、C3及びL3の低域及び高域複合フィルタ機能は加熱型噴射器の二線式動作を可能にするから、噴射弁を作動させるDCパルス部分と加熱器のAC電流が同時に共有ワイヤー・ペアに存在する。L4は別の低域フィルタを形成し、低インピーダンスACパスである高周波交流がアース及び電圧源を介して噴射器から分路するのを防止する阻止インダクターとして作用する。噴射器駆動スイッチQ2はL2を介して電圧源をアースに接続するMOSFETスイッチであり、ターン・オンすると、噴射器弁ソレノイドL2に給電する。
【００３６】
電圧源からL2へ、さらにL4及びQ2を経てアースに至るのが噴射弁のためのDC回路である。
【００３７】
R1、R2、D1、D2、Q3,Q4、L1,C1及び加熱器駆動装置変成器T1が定電流ゼロ電圧スイッチング・オシレータ回路を構成する。Q1はゼロスイッチング回路をアースに接続するMOSFETスイッチであり、ターン・オンすると本発明の高周波誘導加熱機能を可能にする。
【００３８】
C1及びT1の一次コイルまたは巻線はそれぞれ共振タンク回路のタンク・コンデンサー及びタンク・インダクターであり、共振タンク回路は接続点110、111を有し、両接続点間にC1とT1が並列に設けられている。タンク回路の共振周波数はfr=1/(2π√LC)である。但し、Lは一次コイルインダクタンス、CはC1のキャパシタンスを表す。タンク回路におけるピーク電圧はVout=π*Vinによって設定される。但し、Vinは供給電圧を表す。タンク回路における電流レベルは1/2LI２=1/2CV２で表されるエネルギー・バランスから求められる。T1の二次コイル、及びC2、C3、L3がタンク回路とインピーダンス整合するAC回路ループを構成し、L3を介して高周波交流が最大になる。
【００３９】
ゼロ‐スイッチング発振回路はロイヤー・タイプの構成に基づいているが、ロイヤー・オシレータに見られるようなT1におけるフィードバック巻線を省くことができ、従来のNPNまたはPNPトランジスタ及びこれと関連するベース・エミッタ電流引き込みではなく、MOSFETスイッチで実施される。MOSFETはドレン・ソース電流に応じた量のクーロン電荷でゲートを充電することを必要とするデバイスである。電荷が充分なレベルに達するとデバイスは「オン」状態となる。第１及び第２ゲート抵抗器R1、R2がそれぞれ第１及び第２オシレータ・スイッチQ3、Q4にゲート充電電流を供給し、それぞれ第１及び第２ゲート・ダイオードD1、D2へ電流が流れるのを制限する。
【００４０】
加熱されるコンポーネントの抵抗損失及びヒステリシス損失によって生ずるローディングが共振タンク回路における損失として反映される。この損失は電源インダクターL1からT1の一次側のセンター・タップへ流れる電流によって補充される。電流が流れるT1の一次側の部分に応じて、電流はQ3またはQ4を介して接地スイッチQ1に達し、アースに流れる。
L1はその磁場に蓄積されているエネルギーからタンク回路へ電流を供給する。このエネルギーはL1へ流入する定電流として電圧源から補充される。L1からタンク回路への電流はタンク周波数の２倍の繰返し数のパルスの形を取る。
【００４１】
その時点での正弦波半サイクルの極性に基づいて電流がQ3を流れ、デバイスがR1によって供給される電荷でエンハンスメント状態にあれば、Q3のドレン・ソースからアースへの導通で、D2を介してQ4のゲートから電荷が取り出される。この時点でQ4は導通状態にはなく、D1を介してQ3からゲート電荷を取り出すことはない。これと同時に、R2が電圧源から電流を引き出すが、R2における電圧降下は、Q3を介した導通によってアースへ分路しているQ4のゲートを充電することはできない。
【００４２】
正弦波がゼロ交差すると、Q3が逆方向にバイアスされ、内部に組み込まれたダイオードを介してD2を逆方向にバイアスする。D2はQ4からの電流導通を停止するから、R2はQ4のゲートを充電してこれをターン・オンし、続く正弦波半サイクルのための電流導通を開始することができる。Q4はD1を介してQ3からアースへゲート電荷を逃がして、Q3を遮断状態に維持することによってR2がQ4を完全なエンハンスメント状態に維持することを可能にする。
【００４３】
正弦波が負から正への第１方向にゼロ交差し、次いで正から負への第２方向にゼロ交差して極性を変えるのに伴って上記プロセスが繰返される。電流はタンク回路においてL1から補充され続ける。MOSFETの真性ダイオードがIGBTのドレン及びソースを横切る外部ダイオードにより表されるならば、この実施態様においてMOSFETをIGBTデバイスに代えることができる。当業者には明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、上記以外の絶縁ゲートまたは間接エンハンスメント半導体スイッチを代用することができる。
【００４４】
図2は噴射弁駆動手段を組み込まれた誘導加熱器駆動装置の確実且つ特徴的な動作を可能にするのに充分な幾つかの基本的な機能を備えたより完全な回路200を示す。図2において、図1と同じ要素には図1と同じ参照符号を付してある。
【００４５】
抵抗器対R5、R6と抵抗器対R7、R8はそれぞれQ1、Q2のゲートを、これらのゲートを「オン」に保持する信号がない限り、接地して「オフ」状態に保持する分圧器を形成する。信号が受信されると、R6及びR8の対地インピーダンスがそれぞれ充分に高いレベルとなり、殆ど瞬時にゲートへ充分な電流を流入させてQ1、Q2をそれぞれ完全なエンハンスメント状態にする。
【００４６】
Z1はQ1を電圧スパイクから保護するためのツェナー・ダイオード保護デバイスである。このようなスパイクはL1及びT1における磁場の崩れまたはL2またはL3からの変成器結合誘導スパイク、またはタンク回路共振の過電圧が原因となることがある。また、Q1をスイッチ・オン、スイッチ・オフする速度が速すぎるために内部のなだれによる放散が限界を超えると、Z1が放散負担を分担することによってQ1を保護する。
Z4及びZ5はL2またはL3からの変成器結合誘導スパイクからQ3及びQ4を保護する。
【００４７】
Z2及びZ3は並列のR3及びR4と共に電圧調整器として利用され、Q3及びQ4のゲートにおける充電電圧を制限することにより、所要の最大ドレン・ソース電流が得られるようにMOSFETを完全なエンハンスメント状態にするのに適切な充電電圧とする。Z2及びZ3はまた、充電時間が一定となるようにゲート電圧を固定し、ノイズまたは以上に高い供給電圧の場合にゲートをその電圧上限以下に保護する。
【００４８】
Z6及びD3はQ2をL2及びL3からの誘導電圧スパイクから保護すると共に、タンク回路からの変成器結合過電圧からも保護する機能を果す。Z6はまた、噴射弁がターン・オフされている状態でのL2の磁場の崩壊速度を設定し、これにより弁の閉鎖時間のばらつきを少なくし、噴射弁を適正に較正できるようにする。R7、R8、Q2、Z6及びD3は協働して「飽和スイッチ」駆動装置と呼称される基本的な噴射弁駆動装置を構成する。当業者には周知のように、本発明の基本的機能に影響を及ぼすことなく「ピーク-アンド-ホールド」駆動装置またはその他のタイプの電子装置を代用することができる。
【００４９】
図3は図2の加熱器駆動装置及び噴射器駆動回路の実施態様300を示す。図3では、構成部分の特定値及び仕様を実用プロトタイプとして示す。これらの値及び仕様はあくまでも説明のためのものであって本発明の範囲を制限するものではない。
【００５０】
加熱器駆動変成器T1及び電源インダクターL1を図4aにしめすようなハイブリッド構成部分400として組み合わせることができる。このようなハイブリッド構成部分においては、入力電流を一定化するため、電源インダクター410は加熱器駆動変成器の二次巻線420のハイ・サイド(high side)を直接タップする。
【００５１】
本発明の加熱器駆動/噴射器駆動構造はソレノイド・アクチュエータ以外の電気機械的弁アクチュエータを含むことができる。例えば、図4bに示すように、コンデンサー470として図示する圧電アクチュエータを図1のソレノイドL2の代わりに使用することができる。この場合、圧電アクチュエータ470はこれと直列のインダクター460と協働して低域フィルタとして作用し、これと同時に誘導加熱コイル450は高域フィルタとして作用する。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の電気機械的弁アクチュエータを使用することができる。当業者ならば、高周波加熱器駆動信号をDC噴射器駆動信号から分離する構成をも案出できるであろう。
【００５２】
図5は高周波交流のT1への帰路としてアース及び電圧源の複合低インピーダンス点を利用する実施態様500を示す。この実施態様はQ1が作用可能状態になると同時に作用可能とする追加のMOSFETスイッチQ5と、Q2が「オン」でなければ高周波電流をアースへ分路するACバイパス・コンデンサーC5の形態を呈する高域フィルタを含む。この実施態様の主な欠点は噴射駆動Q2がターン・オフされている間及びターン・オフされるまで、誘導加熱器をオフの状態にしておかねばならないことであり、さもないと、弁閉鎖がQ2を介したACバイパス・コンデンサーC5の分離と整合しないことになる。図5では構成部分の特定値をこの実施態様の実用プロトタイプとして示した。
【００５３】
図6はQ3のゲート電圧610を、目盛1つを5Vとして示し、Q3及びQ4におけるドレン間電圧を、目盛1つをタンク電圧に相当する25Vとして示し、L2/L3のトップにおける噴射器への加熱電流を、目盛1つを2アンペアとして示す。図6のグラフは加熱器駆動回路のゼロ電圧スイッチングを実証している。正弦波620がゼロ交差して正になるとQ3のゲートが「オン」となり(電圧610が上昇し）、正弦波620が再びゼロ交差して負になると、Q3のゲートが「オフ」となる（電圧が降下する）。こうして誘導加熱コイルへの正弦波加熱電流630が発生する。
【００５４】
図７はインダクターL1に対する供給電流710を、目盛1つを2アンペアとして示し、電源インダクターL1における電圧720を、目盛１つを10ボルトとして示す。このグラフは加熱器駆動回路が取り込むのがほぼ一定であること、即ち、5%未満の電流リプルであることを立証するものである。電源インダクターにおける電圧脈動はタンク共振周波数の2倍である。
【００５５】
図8は電源インダクターL1に対する供給電流810、目盛１つを2アンペアとして示し、Q3及びQ4におけるドレン間電圧820を、目盛１つをタンク電圧に相当する25Vして示す。パラメータは加熱器駆動装置の始動中に測定した値である。このグラフはQ1がターン・オンすると加熱器駆動装置が自励発振始動することを立証するものである。
【００５６】
図9は目標温度190℃まで加熱され、ソフトウェア制御下にQ1を「オン」及び「オフ」することによって調整される噴射器の該当コンポーネントの温度910を示す。電圧及び電流のレベルなどの諸条件は図6、7及び8の場合と同様に測定された。加熱時における電圧源からの電力はこの実施態様の場合160ワットである。周囲温度25℃から130℃までの加熱時間は0.7 秒未満であり、変時磁界による本発明の加熱方法の速度を実証するものである。
【００５７】
図10は加熱器駆動装置を作用させない場合のエタノール燃料グレードE-100の燃料噴射を示す。2孔スプリット‐ストリーム・オリフィスが噴射の形態と霧化度を決定する。図11は加熱器駆動装置を作用させ、110℃に調整してエタノール燃料グレードE-100を噴射した場合の燃料噴射を示す。燃料噴射器を出た瞬間に燃料がフラッシュ-ボイルして殆ど気化しているから最早オリフィスが噴射の形態または霧化度を決定することはない。
【００５８】
以上の詳細な説明はあくまでも本発明の内容を解説するためのものであり、その範囲を制限するものではなく、ここに開示する本発明の範囲は特許法が許す範囲おいて請求項から判断すべきである。例えば、本発明の電子式高周波誘導加熱器駆動装置を、ここでは内燃機関の燃料噴射器における内部加熱器を駆動する場合について説明しているが、この駆動装置は他の用途における他の誘導加熱器の駆動に利用することができる。本明細書において図示し、説明した実施態様は本発明の原理を説明するだけがその目的であり、当業者ならば、本発明の範囲と思想を逸脱することなく種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の電子式高周波誘導加熱器駆動装置を略示する回路図である。
【図２】同じく本発明の電子式高周波誘導加熱器駆動装置を略示する回路図である。
【図３】各部の数値例と共に本発明の電子式高周波誘導加熱器駆動装置を略示する回路図である。
【図４ａ】本発明の他の実施態様における変成器を略示する回路図である。
【図４ｂ】本発明の他の実施態様における電子式高周波誘導加熱気駆動装置を略示する回路図である。
【図５】本発明の他の実施態様における電子式高周波誘導加熱気駆動装置を略示する回路図である。
【図６】本発明の誘導加熱器駆動装置のゼロ交差電力スイッチングを示すグラフである。
【図７】本発明システムにおける加熱器駆動装置インダクターの電流リプルを示すグラフである。
【図８】本発明システムにおける始動時のインダクター入力電流及びタンク電圧を示すグラフである。
【図９】本発明システムの試験における噴射器構成部材の経時的温度変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の誘導加熱器が使用不能な状態における燃料噴射器スプレーの写真である。
【図１１】本発明の誘導加熱器が使用可能な状態における燃料噴射器スプレーの写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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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