(57)【要約】  装置は、同軸空洞共振器と、同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、同軸空洞共振器に結合される直流電源と、同軸空洞共振器の特性を測定することによって燃焼環境の条件を感知するように構成される燃焼プロセスフィードバックモジュールと、燃焼プロセスフィードバックモジュールからの燃焼プロセスフィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて同軸空洞共振器の作動を調節するように構成される制御器とを含む。
2017518456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性混合物を点火する装置であって、プラズマ放電を生成するように構成される同軸空洞共振器と、前記同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、前記同軸空洞共振器に結合される直流電源と、前記同軸空洞共振器の特性を測定することによって燃焼環境の条件を感知するように構成される燃焼プロセスフィードバックモジュールと、前記燃焼プロセスフィードバックモジュールからの燃焼プロセスフィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて前記同軸空洞共振器の作動を調節するように構成される制御器と、を含む装置。
【請求項２】
内部燃焼エンジンをさらに含み、前記燃焼環境は前記内部燃焼エンジンのシリンダーである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御器はさらに、前記燃焼プロセスフィードバックモジュールからの燃焼プロセスフィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて、単一燃焼サイクルの間に前記同軸空洞共振器の作動を調節するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記内部燃焼エンジンによって電力供給されるように構成される自動車をさらに含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記自動車は、前記内部燃焼エンジンを支持するシャーシと、前記内部燃焼エンジンによって駆動されるトランスミッションと、前記トランスミッションによって駆動される駆動軸と、前記駆動軸に作動可能に結合される少なくとも２個の駆動ホイールと、ステアリング機構と、前記ステアリング機構に作動可能に結合される少なくとも２個のステアリングホイールと、前記シャーシに付着される本体と、を含む自動車である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
同軸空洞共振器と、前記同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、前記同軸空洞共振器に結合される直流電源と、前記同軸空洞共振器の特性を測定することによって前記同軸空洞共振器の条件を感知するように構成される作動フィードバックモジュールと、前記作動フィードバックモジュールからの作動フィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて燃焼環境で可燃性混合物の点火を調節するように構成される制御器と、を含む、装置。
【請求項７】
内部燃焼エンジンをさらに含み、前記燃焼環境は前記内部燃焼エンジンのシリンダーである、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記内部燃焼エンジンによって電力供給されるように構成される自動車をさらに含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記自動車は、前記内部燃焼エンジンを支持するシャーシと、前記内部燃焼エンジンによって駆動されるトランスミッションと、前記トランスミッションによって駆動される駆動軸と、前記駆動軸に作動可能に結合される少なくとも２個の駆動ホイールと、ステアリング機構と、前記ステアリング機構に作動可能に結合される少なくとも２個のステアリングホイールと、前記シャーシに付着される本体と、を含む自動車である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
同軸空洞共振器と、前記同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、前記同軸空洞共振器に結合される直流電源と、前記同軸空洞共振器の特性を測定することによって前記同軸空洞共振器の条件を感知するように構成される作動フィードバックモジュールと、前記作動フィードバックモジュールからの作動フィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて燃焼環境で可燃性混合物の点火を調節するように構成される制御器と、を含む、装置。
【請求項１１】
前記燃焼環境の条件を感知するように構成される燃焼フィードバックモジュールをさらに含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御器はさらに、前記燃焼フィードバックモジュールからの燃焼フィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて前記同軸空洞共振器の作動を調節するように構成される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
内部燃焼エンジンをさらに含み、前記燃焼環境は前記内部燃焼エンジンのシリンダーである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記内部燃焼エンジンによって電力供給されるように構成される自動車をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記自動車は、前記内部燃焼エンジンを支持するシャーシと、前記内部燃焼エンジンによって駆動されるトランスミッションと、前記トランスミッションによって駆動される駆動軸と、前記駆動軸に作動可能に結合される少なくとも２個の駆動ホイールと、ステアリング機構と、前記ステアリング機構に作動可能に結合される少なくとも２個のステアリングホイールと、前記シャーシに付着される本体と、を含む自動車である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
燃焼環境で同軸空洞共振器の電圧値及び電流値のうち少なくとも一つを測定するステップと、前記測定された値を公知の可能な条件状態と比較することによって前記同軸空洞共振器の条件を決定するステップと、前記決定された条件に少なくとも部分的に基づいて前記同軸空洞共振器の作動を調節するステップと、を含む、方法。
【請求項１７】
前記燃焼環境は、内部燃焼エンジンのシリンダーである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
補助センサーを使用することによって前記燃焼環境の条件を測定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記同軸空洞共振器の作動を調節するステップは、前記補助センサーによる前記燃焼環境の条件測定に少なくとも部分的に基づく、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照として含まれる２０１４年５月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／９９４，３３２号の優先権を主張する。
【０００２】
本技術は一般に可燃性物質の電気点火の分野に関し、特に、燃焼チャンバー内で条件を診断する適用及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来技術において可燃性混合物を点火するために用いられる少なくとも２つの基本方法がある。それは、圧縮を用いた自動点火及びスパーク点火を含む。現在、非常に多いスパーク点火（ＳＩ）エンジンが限られた化石燃料供給を消費して用いられている。相当な環境的及び経済的利得が、点火エンジンをより効率的にすることによって得られる。ＳＩエンジンに対するより高い熱効率は、より少ない燃料空気混合物による作動、及びより高い電力密度及び圧力における作動から得られる。不幸にも、混合物がより少ないため、それを点火して燃焼することがより難しい。より広い表面を有するより活発なスパークは、例えば、シリンダーシステム当たり複数のスパークプラグ又はレールプラグ点火器を用いて信頼作動するのに要求される。より活発なスパークが用いられるため、その全点火効率は、より高いエネルギーレベルがスパークプラグ寿命に有害な点から、減少する。これは作業を要求する。また、このようなより高いエネルギーレベルは、エネルギー効率の全体的な減少だけでなく、不所望の汚染物の形成も招く。
【０００４】
無線周波数（ＲＦ）プラズマ点火ソースは、伝統的な直流（ＤＣ）スパーク点火に代案を提供し、ドアをより効率的・より少量・より清潔な燃焼で開放し、関連した経済的及び環境的な利益を引き起こす。プラズマを発生させる一つの方法は、コロナ放電プラズマを発生させるためにＲＦソースと定在電磁波を用いることを伴う。従来技術は所望の周波数で要求されたＲＦ電力を発生させるためにＲＦ発振器及び増幅器を使用する。ＲＦ発振器及び増幅器は、半導体又は電子チューブベースであってもよく、本技術の分野に公知である。ＲＦ発振器及び増幅器は、１／４波長同軸空洞共振器に結合され、それは順にＲＦ発振器によって決定される周波数と空洞の共振周波数で空洞内で定在ＲＦ波を発生させる。１／４波長同軸空洞共振器の入力端部を電気的に短くし、他の端部を電気的に開放させることによって、ＲＦエネルギーは空洞内で共振で増大して、１／４波長同軸空洞共振器の開放端部でコロナ放電を生成する。コロナ放電プラズマは一般に可燃性物質のための点火手段として、そして具体的に燃焼エンジンの燃焼チャンバーで機能することができる。
【発明の概要】
【０００５】
以下の概要段落のそれぞれは、本発明が、以下の詳細な説明によって開示される構造的要素又は方法要素の組み合わせによってどのように実施され得るかの非制限的な例を記載する。それぞれの概要段落の要素のいずれか一つ以上は、他の段落の別個の要素のいずれか一つ以上と共に用いられ得る。
【０００６】
可燃性混合物を点火する装置は、プラズマ放電を生成するように構成される同軸空洞共振器と、同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、同軸空洞共振器に結合される直流電源と、同軸空洞共振器の特性を測定することによって燃焼環境の条件を感知するように構成される燃焼プロセスフィードバックモジュールと、燃焼プロセスフィードバックモジュールからの燃焼プロセスフィードバックに少なくとも部分的に基づいて同軸空洞共振器の作動を調節するように構成される制御器と、を含む。装置は、内部燃焼エンジンをさらに含むことができ、燃焼環境は内部燃焼エンジンのシリンダーである。制御器は、燃焼プロセスフィードバックモジュールからの燃焼プロセスフィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて、単一燃焼サイクルの間に同軸空洞共振器の作動を調節するようにさらに構成されてもよい。
【０００７】
装置は、内部燃焼エンジンによって電力供給されるように構成される自動車をさらに含むことができる。自動車は、内部燃焼エンジンを支持するシャーシと、内部燃焼エンジンによって駆動されるトランスミッションと、トランスミッションによって駆動される駆動軸と、駆動軸に作動可能に結合される少なくとも２個の駆動ホイールと、ステアリング機構と、ステアリング機構に作動可能に結合される少なくとも２個のステアリングホイールと、シャーシに付着される本体とを含む自動車であってもよい。
【０００８】
装置は、同軸空洞共振器と、同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、同軸空洞共振器に結合される直流電源と、同軸空洞共振器の特性を測定することによって同軸空洞共振器の条件を感知するように構成される作動フィードバックモジュールと、作動フィードバックモジュールからの作動フィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて燃焼環境で可燃性混合物の点火を調節するように構成される制御器と、を含む。装置は、内部燃焼エンジンをさらに含むことができ、燃焼環境は内部燃焼エンジンのシリンダーであってもよい。装置は、内部燃焼エンジンによって電力供給されるように構成される自動車をさらに含むことができる。自動車は、内部燃焼エンジンを支持するシャーシと、内部燃焼エンジンによって駆動されるトランスミッションと、トランスミッションによって駆動される駆動軸と、駆動軸に作動可能に結合される少なくとも２個の駆動ホイールと、ステアリング機構と、ステアリング機構に作動可能に結合される少なくとも２個のステアリングホイールと、シャーシに付着される本体とを含む自動車であってもよい。
【０００９】
装置は、同軸空洞共振器と、同軸空洞共振器に結合される無線周波数電源と、同軸空洞共振器に結合される直流電源と、同軸空洞共振器の特性を測定することによって同軸空洞共振器の条件を感知するように構成される作動フィードバックモジュールと、作動フィードバックモジュールからの作動フィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて燃焼環境で可燃性混合物の点火を調節するように構成される制御器と、を含む。装置は、燃焼環境の条件を感知するように構成される燃焼フィードバックモジュールをさらに含むことができる。制御器は、燃焼フィードバックモジュールからの燃焼フィードバック情報に少なくとも部分的に基づいて同軸空洞共振器の作動を調節するようにさらに構成されてもよい。装置は、内部燃焼エンジンをさらに含むことができ、燃焼環境は内部燃焼エンジンのシリンダーである。装置は、内部燃焼エンジンによって電力供給されるように構成される自動車をさらに含むことができる。自動車は、内部燃焼エンジンを支持するシャーシと、内部燃焼エンジンによって駆動されるトランスミッションと、トランスミッションによって駆動される駆動軸と、駆動軸に作動可能に結合される少なくとも２個の駆動ホイールと、ステアリング機構と、ステアリング機構に作動可能に結合される少なくとも２個のステアリングホイールと、シャーシに付着される本体を含む自動車であってもよい。
【００１０】
方法は、燃焼環境で同軸空洞共振器の電圧値と電流値のうち少なくとも一つを測定するステップと、測定された値を公知の可能な条件状態と比較することによって同軸空洞共振器の条件を決定するステップと、決定された条件に少なくとも部分的に基づいて同軸空洞共振器の作動を調節するステップと、を含む。燃焼環境は内部燃焼エンジンのシリンダーであってもよい。方法は、補助センサーを使用することによって燃焼環境の条件を測定するステップをさらに含むことができる。同軸空洞共振器の作動を調節するステップは、補助センサーによる燃焼環境の条件測定に少なくとも部分的に基づくことができる。
【００１１】
次に、各図の簡略な説明を提供する。各図において同一の参照番号を有する要素は同一又は機能的に類似な要素を表す。また、便宜上、参照番号において最左側の数字は、当該参照番号が最初に出現する図面を識別する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】点火ソースとしてスパークプラグを使用する周知技術の点火システムの概略図である。
【図２】点火ソースとして同軸空洞共振器を使用する周知技術の点火システムの概略図である。
【図３】ＲＦ減衰器として作動する追加の共振器組立体を介して直流電力ソースに連結される例示的な同軸空洞共振器組立体の一例の断面図である。
【図４】燃焼チャンバーと作動可能に関連付けられる同軸空洞共振器組立体の一例の概略図であり、制御器は電力を同軸空洞共振器組立体に提供するようにＲＦ電力供給及びＤＣ電力供給を指示する。
【図５】ＲＦ減衰器として作動する追加の共振器組立体を介して直流電力ソースに連結される例示的な同軸空洞共振器組立体の一例の断面図である。
【図６】温度対周波数のプロット図である。
【図７】圧力対周波数のプロット図である。
【図８】温度、圧力、及び周波数のグラフである。
【図９】プロット図のセットである。
【図１０】プラズマ点火システムのシステムブロック図である。
【図１１】プラズマ点火システムのシステムブロック図である。
【図１２】プラズマ点火システムのシステムブロック図である。
【図１３】プラズマ点火システムのシステムブロック図である。
【図１４】燃焼エンジン内のシリンダーの斜視図である。
【図１５】燃焼エンジン内のシリンダーの斜視図である。
【図１６】燃焼エンジン内のシリンダーの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この明細書は、請求項に引用されていない制限を規制しないとともに、特許法の実施可能要件を満たすように提供される。各例の全部又は一部は、一つ以上の他の例示の全ての例示又は一部の例示との組み合わせで用いられ得る。
【００１４】
スパークプラグを有する周知の点火システム
まず、図１に図示される周知の点火システム１００の概略図を参照すると、バッテリー１０２は、スパークプラグワイヤーによってスパークプラグ１０６に連結される電子点火制御システム１０４に連結される。
【００１５】
自動車に見られるような一般的な周知の点火システム１００において、バッテリー１０２は電気電力を電子点火制御システム１０４に提供する。電子点火制御システム１０４は、点火イベントを誘発させるための適切なタイミングを決定し、適切な時間に高電圧直流（ＤＣ）パルスをスパークプラグワイヤーを介してスパークプラグ１０６の末端部に送信する。高電圧パルスは燃焼チャンバー（図示せず）の内部へ変位されるスパークプラグ１０６の先端からスパークが放出されるようにする。スパークは、燃焼エンジンの燃焼チャンバー内部にあるガソリン蒸気のような可燃性物質を点火させ、燃焼シーケンスを完了する。
【００１６】
同軸空洞共振器を有する周知の点火システム
次に、図２に図示される周知の同軸空洞共振器点火システム２００の概略図を参照すると、電源２０２は、同軸空洞共振器２０８に連結される増幅器２０６に、電子点火制御システム１０４を介して連結される無線周波数（ＲＦ）発振器２０４に連結される。同軸空洞共振器２０８を使用する例示的なシステムは、本願に本記載の一部として参照されて含まれる、スミス等による米国特許第５，３６１，７３７号公報に記載されている。また、米国特許出願第２０１１／０１４６６０７号公報及び第２０１１／０１７５６９１号公報は、本願に本記載の一部として参照されて含まれる。また、同軸空洞共振器は１／４波長同軸空洞共振器（ＱＷＣＣＲ）とも称される。
【００１７】
周知の同軸空洞共振器点火システムの一例において、電源２０２は電気電力をＲＦ発振器２０４に提供する。ＲＦ発振器２０４は、同軸空洞共振器２０８の共振周波数に隣接するように選択される周波数でＲＦ信号を発生させる。ＲＦ発振器２０４は、点火イベントを誘発させるための適切なタイミングを決定し、適切な時間に、増幅のための増幅器２０６にＲＦ信号を伝送する電子点火制御システム１０４にＲＦ信号を伝送する。増幅器２０６は、燃焼エンジンの燃焼チャンバーで可燃性物質を点火させるために、同軸空洞共振器２０８の中心導体の放電チップで十分に活動的なコロナ放電プラズマ２１０を生成するように適切な電力でＲＦ信号を増幅させる。ＲＦ信号をＱＷＣＣＲに提供する部品の特定の組み合わせは、従来技術の異なる例で可変してもよい。
【００１８】
ＱＷＣＣＲ２０８は電場を用いてガス混合物の絶縁破壊を誘導することによってマイクロウエーブプラズマを生成する。一例で、周知のＱＷＣＣＲ２０８は、電磁気エネルギーが結合される１／４波長共振器同軸空洞で構成されて定在電磁場を引き起こす。ＲＦ振動は約７５０ＭＨｚから７．５ＧＨｚである。１〜１０ｃｍの長さを測定する同軸空洞共振器２０８は、７５０Ｍｈｚ〜７．５Ｇｈｚの範囲にある作動周波数に略相応する。このような範囲で周波数を発生させる利点は、同軸空洞共振器２０８を含む本体の幾何学的構造が周知のスパークプラグ１０６の大きさにほぼ寸法化し得るという点である。
【００１９】
無線周波数電力及び直流電力の両方を用いる同軸空洞共振器を有する点火システム
本発明によれば、装置は、無線周波数電力と直流電力から電圧の結合量を印加することによってプラズマを発生させる構成で組み立てられる複数の共振器を用いてさらに構成されてもよい。かかる装置３００を図３に例示する。このような特定例で、装置３００は、互いに結合される２個の１／４波長同軸空洞共振器の組立体である。より具体的に、例えば、図３に図示される共振器組立体３００は、縦方向軸３１５に沿って連続配置で結合される第１共振器３１０と第２共振器３１２を含む。
【００２０】
図示の例で、第１共振器３１０と第２共振器３１２は共通の外部導体壁構造３２０によって規定される。壁構造３２０は、軸３１５の中心にある第１円筒形壁３２２と第２円筒形壁３２４を含む。第１壁３２２は伝導物質で構成され、軸３１５の中心にある第１円筒形空洞３２５を取り囲む。このような物質の厚さは、誘電破壊強度に基づく。それは、外部導体から内部導体への電流を抑制する程度に十分に強い必要がある。このような例で、第１円筒形空洞３２５は、４とほぼ同じ相対誘電定数（εｒ＝４）を有する誘電物質３２６で満たされる。このような例で、第１共振器３１０と第２共振器３１２は、軸３１５に直交する連結平面３３２で互いに結合される。他の例で、結合平面３３２は直交する必要はなく、第１共振器３１０と第２共振器３１２との間で一定のインピーダンスを維持する任意の比率で変わってもよい。
【００２１】
第２円筒形壁３１２は、伝導材料で構成され、且つ軸３１５の中心にある第２空洞３４５を取り囲む。第２空洞３４５は第１空洞３２５と同軸をなすが、より大きい物理的長さを有する。第２壁３１２は、第２空洞３４５の近位端部３４９から縦方向軸３１５に沿って離隔される遠位端部３４７を有する第２空洞３４５を提供する。
【００２２】
中心導体構造３５０は、誘電物質３２６によって共振器組立体３００の壁構造３２０内で支持される。中心導体構造３５０は第１中心導体３５２、第２中心導体３５４及び放射形導体３５７を含む。第１中心導体３５２は軸３１５に沿って第１空洞３２５内に到達する。図示の例で、第１中心導体３５２は、第１空洞３２５の近位端部３３０に隣接した近位端部３６０と、第１空洞３２５の遠位端部３４９に隣接した遠位端部３６２を有する。放射形導体３５７は、第１中心導体３５２の遠位端部３６２に隣接した位置から第１空洞３２５に沿って放射形に突出し、孔３３９から外部に突出する。
【００２３】
第２中心導体３５４は、第１中心導体３５２の遠位端部３６２で近位端部３７０を有し、それぞれの空洞３４５の遠位端部３４７に位置したり近接して位置する電極チップとして構成される遠位端部３７２に軸３１５に沿って突出する。
【００２４】
第１共振器３１０と第２共振器３１２間のインピーダンスの任意の不整合を最小化するために、両円筒形壁３２２，３２４とそれぞれの中心導体３５２，３５４間の相対的な放射形厚さは、誘電物質３２６の相対的な誘電定数と第２空洞３４５を満たす空気の誘電定数に対して規定される。図示の例で、第２中心導体３５４の縦方向軸３１５に沿う物理的長さは、第１中心導体３５２の縦方向軸３１５に沿う物理的長さの略２倍である。しかし、４と略同じ相対的な誘電定数を有する誘電物質３２６に少なくとも部分的に基づいて、２個の中心導体の電気長は略同一である。任意の中心導体と任意の外部導体間の任意のギャップは誘電物質で満たされたり、又はギャップは弧（ａｒｃｉｎｇ）を最小化するのに十分に大きいことに注目されたい。図３にさらに図示されているように、誘電物質３２６は第１中心導体３５２と放射形導体３５７の周囲で第１空洞３２５を満たす。
【００２５】
図示の例で、ＤＣ電源３９０は、仮想短絡回路ポイントに隣接して連結される放射形導体３５７を介して中心導体構造３５０に連結される。ＲＦ制御部品、具体的にＲＦ周波数消去共振器組立体３９１は放射形導体３５７とＤＣ電源３９０との間に配置されて、ＲＦ電力がＤＣ電源３９０に到達されないようにする。ＲＦ消去共振器組立体は、それぞれ同一の電気長Ｘ（第１中心導体３５２と第２中心導体３５４と同じ電気長）を有する第１部３９３と第２部３９４を有する中心導体３９２を有する付加的な共振器組立体３９１である。好ましい例で、図３に表示される電気長Ｘは、１／４波長、又はラムダ／４と同一であり、波長はＲＦ電力の周波数と逆に関連する。また、付加的な共振器組立体３９１は、短い外部伝導壁３９５と長い外部伝導壁３９６を有する。短い外部伝導壁３９５は、付加的な共振器組立体３９１の反対端部上に第１端部と第２端部を有する。また、長い外部伝導壁３９６は、付加的な共振器組立体３９１の反対端部上に第１端部と第２端部を有する。短い外部伝導壁３９５の第１端部と第２端部は、長い外部伝導壁３９６の相応する第１端部と第２端部から反対側面上にそれぞれ位置する。
【００２６】
短い外部伝導壁３９５と長い外部伝導壁３９６間の電気長の差は、第１部３９３と第２部３９４の結合された電気長と略同一であり、それは同様に、第１中心導体３５２の電気長に略２倍である。短い外部伝導壁３９５と長い外部伝導壁３９６は、誘導物質で満たされる空洞３９７を取り囲む。このような例における活性作動の下に、付加的な共振器組立体３９１の外部導体に沿って流れる電流は主に最短経路に沿い、短い外部伝導壁３９５に沿って流れるはずである。したがって、付加的な共振器組立体３９１の外部導体上の電流は、付加的な共振器組立体３９１の中心導体３９２に沿って流れる電流に比べて２個少ない１／４波長を移動するはずである。
【００２７】
また、付加的な共振器組立体３９１は、空洞３９７内で中心導体３９２の第１部３９３と第２部３９４との間に配置される内部伝導接地平面３９８を有する。このような配置は、ＤＣ電源３９０及び放射形導体３５７に連結される周波数消去回路を提供する。付加的な共振器組立体３９１は、付加的な共振器組立体３９１の短い外部伝導壁３９５と中心導体３９２間の電気長の差によってＱＷＣＣＲ組立体３００の接地平面に対して位相が１８０度異なるＲＦエネルギーの電圧提供をシフトするように構成される。
【００２８】
図４に概略的に図示するように、ＲＦ電源４０１は、第１中心導体３５２からＱＷＣＣＲ組立体３００に結合され、それは、電極チップ３７２がシリンダー４０２内の燃焼チャンバー４０３から露出された状態で、内部燃焼エンジン内のシリンダー４０２に結合される。このような好ましい例で、制御器４０４は電源に特定パラメータ内で電圧を供給するように指示するためにＲＦ電源４０１とＤＣ電源３９０に結合される。制御器４０４は、記載及び請求されるように、ハードウェア及び／又はソフトウェアと共に実行するようにプログラミングされたり又は他の方法で構成され得る、任意の適切なプログラム可能論理制御器又は他の制御装置、又は制御装置の組み合わせを含むことができる。
【００２９】
プラズマが第２中心導体３５４の電極チップ３７２に隣接して発生する時、制御器４０４はＲＦ電源４０１にＲＦエネルギーの電圧供給を第１中心導体３５２に容量結合するように指示することによって、第１中心導体３５２の遠位端部３６２に隣接して仮想短絡回路を生成する。また、このような仮想短絡回路はＲＦエネルギーの電圧供給を第２中心導体３５４に結合する。ＲＦエネルギーの電圧供給はそれ自体ではプラズマを発生させるのに十分でなく、電力／電圧の第１比率で提供される。また、制御器４０４はＤＣ電源３９０にプラズマを発生させるのにそれ自体で十分でないＤＣ電力の電圧供給を提供するように指示する。ＤＣ電力の電圧供給は、電力対ＲＦエネルギーの電圧供給と関連する電圧の第１比率未満である電力／電圧の第２比率で提供される。ＲＦエネルギーとＤＣ電力からの結合された電圧は、プラズマを発生させるのに十分である。その結果、プラズマは第２中心導体３５４の電極チップ３７２に隣接して発生する。プラズマを発生させるに十分な結合された電圧の決定は、燃焼チャンバー４０３に対して測定される条件に応答して制御器４０４によってなされ得る。
【００３０】
代案の例で、制御器４０４は遠位端部３７２でプラズマを開始させるのに十分な電圧の５１パーセントを超える電圧がＤＣ電源３９０から提供される構成のモードが可能である。
【００３１】
代案の例で、ＤＣ電力の電圧供給の導入は、上記記載された特定仮想短絡回路位置に制限されないが、存在可能な任意の他の仮想短絡回路に隣接して提供されてもよいため、高電圧ＤＣ電力がＲＦ電力部品によって形成される定在電磁波に最小効果を有することを保障し、ＲＦ電力がＤＣ電源を妨害することを防ぐ。
【００３２】
代案の例で、ＤＣ電源３９０及びＲＦ電源４０１のいずれか一方又は両方は、電極チップ３７２でプラズマを発生させるのに適した電力の組み合わせの提供を指示するための独自の専用制御器を含んでもよく、又は、ＤＣ電源３９０及びＲＦ電源４０１のいずれか一方又は両方は主要電源内に提供されてもよい。主要電源は、ＤＣ電源３９０とＲＦ電源４０１間の電力出力を制御するように構成され得る。様々な例で、制御器４０４はＤＣ電源３９０及びＲＦ電源４０１のいずれか一方又は両方の前又は後に配置されてもよく、制御器４０４はＤＣ電源３９０及びＲＦ電源４０１を収容する物理的部品内に又はそのような部品無しで同一に統合されてもよい。中心導体へのＲＦ電源４０１の結合は数個の手段によって可能になり得る。誘導結合（例えば、誘導フィードループ）、並列容量結合（例えば、平行板キャパシタ）、又は非並列容量結合（例えば、０でない電圧導体端部の反対に印加される電場）。用いられる特定結合配置は、結合手段の選択と共振器空洞の特定構造によって決定されるだろう。
【００３３】
代案の例で、ＲＦ周波数消去共振器組立体３９１は、ＲＦ電力がＤＣ電源３９０に到達しないようにするために、抵抗素子、集中定数誘導器、周波数消去回路を含むが、これに制限されない任意の部品、又は連続の部品であってもよい。代案の例で、ＲＦ周波数消去共振器組立体３９１はＤＣ電源３９０にもっと隣接して位置してもよく、ＲＦ周波数消去共振器組立体３９１はＱＷＣＣＲ組立体３００にもっと隣接して位置してもよく、ＲＦ周波数消去共振器組立体３９１はＤＣ電源３９０と共振器組立体３００との間のいずれか他の箇所に位置してもよい。加熱で損失されるエネルギーの量を減少させ、共振器組立体で高品質因子を維持するために、ＲＦを発生地点に可能な限り近接して除去することが好ましい。
【００３４】
代案の例で、本開示の教示は、１個のＱＷＣＣＲだけを含む共振器組立体、又は連続して配置される複数のＱＷＣＣＲを含む組立体に適用され得る。用いられるＱＷＣＣＲの数にかかわらず、比較的にＲＦ電力の電圧供給（より低い電圧、より高い電力）と組み合わせて仮想短絡回路でＤＣ電力の電圧供給（より高い電圧、より低い電力）の導入は、向上した燃焼及び向上した全エンジン効率性のための全エネルギー要件を減少させながらより広い範囲の燃焼環境でプラズマを発生させるために、より効率的なシステムを提供するはずである。上述したようにＤＣ電力の電圧供給を使用することによって、非常に大きい電位は、プラズマを発生させるために用いられるＲＦ電力と比較して、無視してもよい電流又は電力の使用を有するシステムに導入される。
【００３５】
本発明によれば、装置は、無線周波数電力及び直流電力から電圧の結合量を印加することによってプラズマを発生させるために連続構成で組み立てられる２個の共振器を用いてさらに構成されてもよい。このような装置５００の例を図５に図示する。このような特定例で、装置５００は、縦方向軸５１５に沿って連続配置で結合される第１共振器部５１０と第２共振器部５１２を含む。
【００３６】
図示の例で、第１共振器部５１０と第２共振器部５１２は、共通の外部導体壁構造５２０によって規定される。壁構造５２０は、軸５１５の中心にある第１円筒形壁部５２２及び第２円筒形壁部５２４を含む。第１壁部５２２は伝導物質で構成され、軸５１５の中心にある第１円筒形空洞５２５を取り囲む。このような例で、第１円筒形空洞５２５は誘電物質５２６で満たされる。第１壁部５２２の環状エッジ５２８は、第１空洞５２５の近位端部５３０を規定する。第２円筒形壁部５２４の近位端部は、第１空洞５２５の遠位端部５３２に結合される。
【００３７】
第２中心導体部５５４は、第１中心導体部５５２の遠位端部５６２に結合される近位端部５７０を有し、第２空洞５４５の遠位端部５４７に位置したり近接して位置する電極チップで構成される遠位端部５７２に軸５１５に沿って突出する。
【００３８】
孔５７９は、放射形導体５７７がＲＦ電力入力線によってＲＦ電源４０１への連結のために、縦方向軸５１５から延長される第１壁部５２２を通って外部へ放射状に至る。縦方向軸５１５に相対的に近接している放射形導体５７７の端部は、中心導体構造５５０に結合配置である平行板キャパシタ５７５に連結される。また、平行板キャパシタ５７５はインライン折り曲げＲＦ減衰器５９１に結合構造である。
【００３９】
図示の例で、ＤＣ電源３９０は、ＤＣ電力入力線を有する近位端部５６０の中心導体構造５５０に連結される。インライン折り曲げＲＦ減衰器５９１は、ＲＦ電力がＤＣ電源３９０に到達しないようにするために、第２共振器部５１２とＤＣ電源３９０との間に配置される。インライン折り曲げＲＦ減衰器５９１は、第１近位端部５９６及び第１遠位端部５９７を有する内部中心導体部５９２を含む。また、インライン折り曲げＲＦ減衰器５９１は、外部中心導体部５９３、及び内部中心導体部５９２と外部中心導体部５９３とを連結する転移中心導体部５９４を含む。外部中心導体部５９３は、第１近位端部５９６とほぼ同じ平面内の近位端部、及び第１遠位端部５９７とほぼ同じ平面内の遠位端部を有する。このような例で、転移中心導体部５９４は第１遠位端部５９７に隣接して位置する。外部中心導体部５９３は内部中心導体部５９２を取り囲む。
【００４０】
このような例で、外部中心導体部５９３は、内部中心導体部５９２の残りを取り囲む伝導物質の円筒形部に似ている。内部中心導体部５９２と外部中心導体部５９３の縦方向長さは、それらが結合配置となっている平行板キャパシタ５７５の縦方向長さとほぼ同一である。内部中心導体部５９２と外部中心導体部５９３の両方のために、第１近位端部５９６と第１遠位端部５９７間の電気長は１／４波長とほぼ同一である。第２中心導体５５４と第２円筒形壁部５２４は両方とも１／４波長の電気長を有するように構成される。
【００４１】
壁構造５２０は、第１近位端部５９６とほぼ同一の平面内の近位端部、及び第１遠位端部５９７とほぼ同一の平面内の遠位端部を有する短い外部伝導部５９５を含む。外部伝導経路は、壁構造５２０（第２空洞５４５の遠位端部５４７と実質的に同一平面上にある。）の遠位端部から短い外部伝導部５９５に沿って延び、第１壁部５２２の近位端部５３０で終わる。このような例で、外部伝導経路は、２個の１／４波長の電気長を有する。
【００４２】
内部伝導経路は、遠位端部電極チップ５７２から第２中心導体部５５４の近位端部５７０へ転移中心導体部５９４の外部に沿って、次に遠位端部から外部中心導体部５９３の近位端部へ外部に沿って、次にその近位端部からその遠位端部へ外部中心導体部５９３の内部壁５９９に沿って、次にその遠位端部からその近位端部へ内部中心導体部５９２に沿ってつながる。このような例で、このような内部伝導経路の電気長は、４個の１／４波長、又は２個の半波長である。内部伝導経路と外部伝導経路との電気長の差は１／２波長である。
【００４３】
このような配置は、ＤＣ電源３９０とＲＦエネルギーの電圧供給との間に連結される無線周波数制御部品を提供する。無線周波数制御部品のこのような特定例はインライン折り曲げＲＦ減衰器５９１であり、ＱＷＣＣＲ組立体５００の接地平面に対して位相が１８０度異なるＲＦエネルギーの電圧供給をシフトするように構成される。
【００４４】
当業者は、図５に図示される特定ＱＷＣＣＲ配置がインライン折り曲げＲＦ減衰器５９１の配向に対して制限されないことが理解できるだろう。代案の例で、図５に図示される全体ＱＷＣＣＲ配置は増え得ることから、インライン折り曲げ減衰器５９１は遠位端部５７２からさらに遠ざかって配置され、平行板キャパシタ５７５にそれ以上直接結合されないが、平行板キャパシタ５７５と直接結合配置のままである中心導体の部から１／４波長によって分離され得る。代案として、図５に図示される全体ＱＷＣＣＲ配置がさらに減り得ることから、インライン折り曲げＲＦ減衰器５９１の外部中心導体部５９３は平行板キャパシタ５７５分だけ縦方向に延長され、且つプラズマ生成のために露出される中心導体の部を取り囲む。これは、転移中心導体部５９４をそれ以上インライン折り曲げＲＦ減衰器５９１の端部ではなく中央に配置することによって実施可能であり、外部中心導体部５９３は縦方向に両方向に延長される。このような配置の任意の特定の幾何学的構造は、インピーダンス併合と全体１８０度位相消去を保障するために誘電体の様々なパラメータにトゥイーキング（ｔｗｅａｋｉｎｇ）を要求するが、このような作業は、よく理解されている工学作業である。
【００４５】
一例で、本発明のＱＷＣＣＲとＱＷＣＣＲにＲＦ信号を提供する部品との特定組み合わせは、従来技術のスパークプラグ１０６の大きさにほぼ寸法化される本体に含まれ、燃焼エンジンの燃焼チャンバーと結合するように適応される。より具体的に、このような例は、マイクロウエーブ増幅器を共振器で使用し、発振器増幅器配置で周波数決定要素として共振器を使用する。増幅器／発振器はプラグの上部に付着され、診断を有するモジュールにまた統合される高電圧供給を有する。このような例は、タイミング信号と共にモジュールを供給するために単一低電圧ＤＣ供給の使用を許容する。
【００４６】
このような記載の文脈で、様々な用語は、特定構成の結果として、及び作動の特定条件の下に、電圧部品が非存在する場合に近似して測定され得る位置を言及することができる。例えば、“電圧不足”は、電圧部品が特定条件下に非存在することに近い任意の位置を言及することができる。類似の用語は、０に近い電圧、例えば、“仮想短絡回路”，“仮想短絡位置”又は“電圧無効”のこのような位置を同一に言及することができる。たびたび当業者は、０に近い電圧が０を超える定在波の結果であるそのような位置に“電圧不足”の使用を制限してもよい。“電圧無効”は、例えば電圧減衰又は消去のように、０を超える定在波の結果と異なる理由で、０に近い電圧の位置を言及するために、時にはより頻繁に使用され得る。また、このような開示の文脈で、０に近い電圧の位置を言及し得るこのような用語はそれぞれ非制限的なものを意味し、代わりに、記載される適用の特定の寸法と仕様を含むその周囲の文脈によってのみ制限される。
【００４７】
診断考慮事項及び使用
同軸空洞共振器はアンテナとして作動することができ、燃焼環境を調査することができ、コロナプラズマ放電の前、途中、及び後に、 他のもののうち、圧力、温度、及びインピーダンスの変化に反応し得る。診断又は制御の目的のために利用可能な情報はいずれも用いることができ、４サイクルエンジンの燃焼プロセスの各段階によって収集することができる。同様に、このような情報は、２ストロークエンジンのために収集することができる。
【００４８】
様々な共振器を以下に記載されるシステム及び方法と共に用い得るということは、この明細書の判読から理解されるべきである。記載の容易性及び単純化のために、ここで提示される特定例はＱＷＣＣＲを言及する。当業者は、他の共振器が、記載されるＱＷＣＣＲの代わりに用いられてもよいことが理解でき、また、特定の具現で他の共振器を使用するためになされ得る小さい変更も理解できるだろう。
【００４９】
ＱＷＣＣＲは電場電位を増加させるためにステップ−アップ増加装置として用いられ得る。ＱＷＣＣＲはその内部同軸環境と異なる環境に露出され得る。様々な因子は、 他のもののうち、温度、圧力、環境雰囲気組成、静電の効果、誘導容量の効果、及び電磁気放射のような設計基準及び環境条件を含む、ＱＷＣＣＲの作動及び性能に影響を及ぼし得る。例えば、燃焼環境の小さい変化がインピーダンスと共振周波数の測定可能な変化を引き起こし得る。同様に、周波数の変化又は伝達される電力の変化のような共振器の作動の変化は燃焼プロセスに影響を及ぼし得る。
【００５０】
次に記載されるシステムを内部燃焼エンジン内の燃焼環境でプロセス及び作動条件を決定するために用いることができる。 他のもののうち、プロセス温度及び圧力、ピストン位置、ガス組成物及びインピーダンス、及びプラズマ形成の体積及び事例のような、このような条件を監視する能力は、フィードバック及び制御作動が様々な内部燃焼エンジンシステム及びプロセスのための燃焼プロセスの作動を最適化しカストマイズするように試みることを可能にする。
【００５１】
周波数、温度、及び圧力
周波数、伝搬速度、及び波長を連係する物理学の基本原理は、真空で伝搬速度と光の伝搬速度との比較を含むように拡大し得る。また、これは、様々な媒体を介した伝搬を含むように拡大してもよい。
【００５２】
【数１】
2017518456.tif 000003
【００５３】
ｆは作動周波数、ｖは波長速度、λは波長、εｒ及びε０はそれぞれ相対的誘電率及び自由空間誘電率、μｒ及びμＯはそれぞれ相対的誘電率及び自由空間誘電率、ｃＯは真空における光の速度である。
【００５４】
上記の式に提示されたようなモデルは、媒体の誘電率と透磁率が固定時不変値である真空の場合を仮定する。圧力と温度が時間によって変わり、燃焼サイクルの間にシリンダーでピストンが変わる内部燃焼エンジンではそうでない。誘電率は時変圧力と温度を含むように変更され得る。
【００５５】
【数２】
2017518456.tif 000004
【００５６】
εｒは、計算された誘電率であり、εｒＮは、標準温度及び圧力下にガス／蒸気の誘電率であり、θ及びＰはそれぞれプロセス温度及び圧力であり、θＮ及びＰＮは標準温度及び圧力である。
【００５７】
大部分の場合、ガス燃料は非磁性であり、まれには、常磁性の性質を有する。これらの場合のいずれかにおいて、これに対する寄与はユニティに非常に近いため、それは無視されてもよい。
【００５８】
時変モデルは、プロセス温度及び圧力による時間変動周波数を達成するために前の式に置き換わってもよい。
【００５９】
【数３】
2017518456.tif 000005
【００６０】
図６及び図７はそれぞれ、温度対作動周波数（固定圧力でＰＮ）及び圧力対周波数（固定温度でθＮ）の変化を示す。図８は、燃焼環境で予測された作動条件で温度対圧力対周波数のサーフェスを示す。
【００６１】
このようなプロットはεｒＮ＝１．０００５７６を用いてなされており（窒素ガス蒸気の誘電率、充電空気の主要成分）、圧力範囲はτ＝１．３のとき、圧縮比率に基づく。
【００６２】
このようなグラフから、温度と圧力間の連続関係を観察することができる。条件の初期セットのような１個のデータセットに関する情報を、作動の全範囲にわたって燃焼プロセスを追跡するために用いることができる。
【００６３】
周波数及び電力
電圧ステップ−アップ装置として作動する時、ＱＷＣＣＲは共振器空洞で定在波を生成するために特定の同調無線周波数（ＲＦ）入力信号を使用することができる。理想的な臨界整合共振器は、反射インピーダンスと入射インピーダンスとが一致する時、０の反射係数を有するはずである。全ての他の場合に、不整合として反射される入射信号のパーセンテージがあるはずである。
【００６４】
【数４】
2017518456.tif 000006
【００６５】
Γは、反射係数であり、ＶＲ及びＶＩはそれぞれ反射信号及び入射信号の電圧であり、ＺＲ及びＺＩはそれぞれ反射信号及び入射信号のインピーダンスである。
【００６６】
ＱＷＣＣＲと他の共振器空洞のインピーダンスは、抵抗、誘導容量、及び静電容量の寄与に基づく。それぞれが大きさにおいて他のものとどのように比較するかは、ロードが誘導性であるか、容量性であるか又は完全に抵抗性であるかを判断できる。
【００６７】
【数５】
2017518456.tif 000007
【００６８】
ＸＣ及びＸＬはそれぞれ、インダクターのインピーダンス及びキャパシタのインピーダンスであり、ωは各周波数であり、ｆは作動周波数であり、Ｌ及びＣはそれぞれ、空洞の誘導容量及び静電容量である。
【００６９】
成分はＱＷＣＣＲを変更し、ＱＷＣＣＲに影響を及ぼし得る、 他のもののうち、物質的、作動的、及び環境的特性のような他の特性の寄与及び効果を含めてより拡大されてもよい。このようなインピーダンス成分は、抵抗（Ｒ）、誘導容量（ＸＬ）、及び静電容量（ＸＣ）を含むことができる。
【００７０】
【数６】
2017518456.tif 000008
【００７１】
Ｒ及びＲ０はそれぞれ、計算された抵抗及び標準抵抗であり、ρは物質比抵抗であり、αは抵抗の物質特定係数であり、θ及びθ０はそれぞれプロセス温度及び標準温度である。
【００７２】
【数７】
2017518456.tif 000009
【００７３】
ＸＣ及びＸＬはそれぞれインダクターのインピーダンス及びキャパシタのインピーダンスであり、ωは各周波数であり、ｆは作動周波数であり、Ｌ及びＣはそれぞれ空洞の誘導容量及び静電容量である。
【００７４】
【数８】
2017518456.tif 000010
【００７５】
また、コロナプラズマ形成の存在は、ＱＷＣＣＲの電磁気特性を変更し得る。また、共振周波数ｆｒは、この時、ｆｒ（θ，Ｐ，ｔ，ＰＦ）及びＺ（ｐ，ａ，θ，Ｐ，ｔ，ＰＦ）だけでなく、プラズマ形成ＰＦに従うはずである。
【００７６】
反射インピーダンスと入射インピーダンスとの差を解釈する一方法は、反射損失を検査することである。反射損失は、反射される信号の大きさ（ｄＢ）を記載する。このようなスケールで、０ｄＢの反射損失は全信号が反射されることを意味し、−００ｄＢの反射損失は信号が反射されないことを意味する。
【００７７】
反射損失＝２０ｌｏｇＦ（１０）
反射損失を測定するに適した装置は、たびたび略−６０ｄＢ未満の信号を区別することができない。記載の容易性のために、これは測定装置から予想される最小反射損失として本議論で処理されるはずである。
【００７８】
反射インピーダンス対入射インピーダンスの比率の測定は、定在波比率（ＳＷＲ）であるか、反射電圧対入射電圧を測定することは、電圧定在波比率（ＶＳＷＲ）である。
【００７９】
【数９】
2017518456.tif 000011
【００８０】
ＳＷＲ及びＶＳＷＲはそれぞれ、定在波比率及び電圧定在波比率であり、Ｆは反射係数であり、ρは反射係数の大きさである。
【００８１】
理想的に整合された共振器間のＳＷＲ及びＶＳＷＲ範囲は、（ＳＷＲ＝１：１）であり、完全に不整合された共振器間のＳＷＲ及びＶＳＷＲ範囲は、（ＳＷＲ＝１：∞）である。図９は、正規化反射インピーダンスに対する反射係数、反射損失、及び定在波比率のプロットを図示する。
【００８２】
置換すれば、ＳＷＲの従属が識別され得る。
【００８３】
【数１０】
2017518456.tif 000012
【００８４】
ＳＷＲ及びＶＳＷＲは、インピーダンスの位相（ｐ）に関する任意の情報を無視する。センサーは、共振器の誘導容量又は静電容量を記載するために条件変化を検出し、付加的な情報を収集するために追加され得る。
【００８５】
このような従属は、ＱＷＣＣＲ点火器の出力を変更させ、作動条件を変化させ得る。このような従属の一部は設計で変更され、一部は作動プロセスで変更される。表１は、それぞれの従属が与えられた特性にどのようにマップされるかを表す。
【００８６】
【表１】
2017518456.tif 000013
【００８７】
ＳＷＲとＶＳＷＲに対する値は、現在利用可能な装備を用いて決定及び記録することができる。
【００８８】
ＱＷＣＣＲを作動し、コロナプラズマを生成するために必要な電力は、共振器で結合の品質（例えば、ＳＷＲ）だけでなく、入力である電力の量（例えば、順方向電力、Ｐｆ）に基づく。電力が電圧の自乗と関連することから、以下のモデルを、反映される電力（Ｐｒ）を予想するために用いることができる。
【００８９】
【数１１】
2017518456.tif 000014
【００９０】
ＳＷＲ（ｆｏ）は、動周波数（ｆｏ）で定在波比率であり、Ｐｒ及びＰｆはそれぞれ、作動周波数ｆｏで時変反射電力及び順方向電力である。
【００９１】
このような複数の入力システムに入力されるデータを測定、調整、及び校正することによって、フィードバック及び制御方式は作動をし、内部燃焼エンジンの点火システムの作動を最適化しようとするために用いられ得る。何より、このような同一の変化を、それぞれのサイクル及び位置によって、処理ピストンのシリンダー環境で品質、燃焼開発及び変化の表示子として用いることができる。
【００９２】
フィードバック及び制御
内部燃焼プロセスを制御することに関係するプロセス及び作動特性は、以前に確認された。このような情報を考慮すると、そのようなシステムの性能及び出力を最適化しようと試みるために利用可能なフィードバック制御方式を設計することができる。
【００９３】
本願に参照として含まれる米国特許第５，３６１，７３７号公報は、点火がＲＦソースによって発生する信号で、増幅器によって電力供給されるＱＷＣＣＲによって制御されるシステムを開示する。ＱＷＣＣＲの共振はまた、参照として含まれる米国特許第７，７２１，６９７号公報に開示されているように、エネルギー／電力シェーパーによって生成されて電力供給され得る。これは図１０及び図１１から明らかである。
【００９４】
このような制御方式から欠落されたものはフィードバック構成要素であり、ＱＷＣＣＲ及び関連した装備の作動及び性能は、燃焼環境でサイクルごとに変化時に起きる変化によって制御され得る。前に論議されたとおり、ＱＷＣＣＲの共振及び作動周波数と、その効率性に影響を与え得る複数の条件がある。
【００９５】
フィードバック制御システムは、燃焼環境のサイクルごとの小さい変化だけでなく点火制御の状態に基づいて点火情報を増加させるために利用可能な燃焼プロセスフィードバック情報を生成するように、燃焼環境と電子点火制御からの情報を用いることができる。これは“電子点火制御”にフィードバックされ、次のシリンダー点火状態のために用いられるＲＦ増幅器の状態及びパラメータ（順方向電力及び反射電力、ＳＷＲ／ＶＳＷＲ、タイミングなど）を含み得る作動フィードバック要素と結合され得る。
【００９６】
このようなフィードバック方式は、以前の実施形態に提示された同一の情報を使用し、また高電圧ＤＣ電源に関する情報を含む。ＨＶ電源制御は、ＱＷＣＣＲに伝達されるＤＣ電力のタイミング及び量を供給するはずである。ＨＶ電源フィードバックは、用いられるＤＣ電力（具体的に電圧及び電流モニター）の量に基づいてコロナプラズマ形成があるか否かに関する情報を提供するはずである。また、このような情報は、付加的な情報を“電子点火制御”に提供するために“作動フィードバック要素”に提供されるはずである。
【００９７】
電源に加えて、ピックアップループ、送電線、循環器、熱電対、圧力変換器などからの測定可能なデータもフィードバック要素として具現され、“燃焼プロセスフィードバック”又は“作動フィードバック制御”内に供給され得る。
【００９８】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）
このような分析で、ＱＷＣＣＲと伝達された点火制御の処理及び向上に使用可能なフィードバックデータの使用が強調されている。ＩＣエンジンの将来開発及び使用において、シリンダーに伝達される空気及び燃料から、混合物の燃焼及び最終的に燃焼の消費された生成物の処理にエンジン環境の全体制御は同様に重要であろう。２つの重要な要素は、本発明を引き起こし、いままで技術的に使用不可能だったが、エンジン開発業界で広く議論されていた以前の発明だけでなく、本発明に存在する。
【００９９】
その第一は、ＱＷＣＣＲが現在提供する燃焼環境のサイクルごとの診断を提供するシリンダー内センサーの存在である。このような診断能力の初期値の大部分は、化学量論的空気／燃料比率条件によって与えられる制限に関連する。このような制限は、適度な量の燃料及び酸素及び適切な時間が与えられると全ての燃料が消費されることを基本的に表す。現在のエンジン点火環境で、目標は、このような完壁な混合物に可能な限り近接するようにすることである。十分すぎる混合物は、燃料を浪費し、付加的な排気ガスを招き（減少した燃料経済）、稀薄すぎる燃料混合物は、不良な点火又は着火失敗の悪化の問題がある。このような稀薄な混合物を扱うことは、ここで記載されたように、動的点火制御システムを要求するはずである。それは、現在の技術が受容できないサイクルごとの変化が可能な点火ソースにおいて、伝達されたエネルギー、その形態及びタイミングを検出し変更し得るシステムを要求するはずである。
【０１００】
第二の利点は最初のものから始まる。このような技術が化学量論的制限無しで効果的に空気／燃料比率を燃焼できるため、駆動環境の電力要求に基づいて燃料及び空気の注入を変更又は調節する能力は実現可能になった。相当な燃料使用の減少は、駆動環境がそれを要求する時、電力に対する必要性を犠牲することなく空回転速度又は維持された速度で発生し得る。より大きいエンジンは重負荷要件に必要な電力を相変らず持ちながら、その駆動サイクルの相当な部分にわたって燃料消費（増加した燃料経済）がより小さく現れることが可能になる。
【０１０１】
このような２個の要素の組み合わせは、ＥＣＵが、駆動者の要求を感知し、サイクルごとにシリンダーに燃料と空気の正確な量を伝達するエンジン制御ユニットとなるようにする。それは、伝達された作業を最大化し、また次に来るものに関する汚染制御に、我々が認知するいままで用いられていない能力をシグナルするために、点火システムと同じエネルギー及び伝達を変更するはずである。
【０１０２】
シリンダー空洞の大きさの変化、ピストンの正常往復は、ＱＷＣＣＲの測定可能な電気的特性に影響を与えるということが示されている。これがクランク角度センサーの除去によってより安価なエンジンで潜在的な値を有することができるが、大部分の複雑なエンジンに対して、電流センサーの単純化を統制することは難しいだろう。ここで重要なものは、燃焼体積の制御された環境内で大きさ、形状及び大気環境の全ての変化がまた影響を及ぼす現実である。
【０１０３】
ピストンの位置を認識することは、他の全ての特性を作業するために背景及び基準となる。したがって、空気、燃料の注入及びその次の点火プロセスと結合される、ピストンの位置のそれぞれの増加変化はこのような背景に対して設定され、その背景は予想の基準であるため、混合物から差し引かれてもよい。
【０１０４】
このような全ては、それぞれのシリンダーがそれぞれのピストン位置でそして燃焼プロセスを含むシリンダー環境（圧力及び温度変化、燃料及び空気の添加）のそれぞれの変化の間に適切に設置されると、次のシリンダーサイクルのための要件を変更するために用いられ得る測定可能なパラメータがあることを意味する。実際に、センサーが十分に反応した場合には、燃料及び空気注入率（明確に近い将来の可能性）を変更する能力を有し、点火ソースが（我々にとって可能な）十分に速く反応し得ると仮定して、変更が同じサイクルの間になされ得る。
【０１０５】
効果的に、点火を変更し調節できることに加えて、ＱＷＣＣＲはセンサーの完全なセットである。ピストンの移動より桁早いデューティーサイクルのため、シリンダー環境と燃焼プロセスを実時間で連続して変更する可能性がある。このような能力は、エンジン産業の聖杯である。それが燃焼プロセスのダイナミックを判読できるセンサーを要求するだけでなく、それが同じダイナミック環境の変化に影響を与える能力、すなわちＱＷＣＣＲを希望する。
【０１０６】
それぞれの燃焼シナリオにおいてそれぞれの変数に対する又は任意のエンジン設計及び適用のためのそのような方式に対する正確な値を認識できないことは明らかである。実際に、それをこの時点で認識する必要がない。そのような変化を実時間で測定することができ、全ての製造者が要求する正常エンジンテストデータを有すると、全体プロセスを実行するのに必要なルックアップテーブル又は経験的公式を発生させ得ることを認識することだけが必要である。この理由で、特定値が与えられない。そのような値は他の実施形態にわたって変わるはずである。
【０１０７】
これはここ数百年前から生まれつきの本性だった。ＱＷＣＣＲは、動力装置の同期効率性を連続して向上させるために、優れた点火プロセス及び診断能力を提供する。
【０１０８】
記載
前に論議されたように、燃焼環境条件（温度、圧力、雰囲気構成など）とプラズマ点火器装置の設計基準（誘導容量、静電容量、電磁気特徴など）は、作動と性能に影響を及ぼす因子であろう。このような全ての従属は、プラズマ点火器の出力を変更させ、作動条件を変化させるはずである。表１は、それぞれの従属が、与えられた特性（プロセス又は作動）にどのようにマップされるかを示す。
【０１０９】
【表２】
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【０１１０】
最も基本的な特性の一部を概説したため、システムの詳細な反応は、標準４ストローク燃焼プロセスで全ての位相に対して論議可能になった。次の例示表３は、４サイクルエンジンに対して、点火プロセス自体だけでなく、誘導、圧縮、電力、及び露出位相の間にプロセスと作動特性の反応を示すだろう。このようなプロセスは２サイクル及び回転エンジンとやや異なるが、燃焼プロセスは効率的に同一である。
【０１１１】
【表３】
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【０１１２】
このようなサンプルの場合は、共振器が全ての燃焼環境で全ての条件にどのように反応するかを示さない。代わりに、このようなサンプルは概要であるはずであり、プロセスと作動特性間の相互作用及びフィードバックプロセスをガイドする。
【０１１３】
提案されたマイクロウエーブプラズマ共振器は、電圧をステップアップし、コロナプラズマを形成するその能力上、点火装置として用いられ、及びその内在された共振構造上、感知装置として用いられ得る。しかし、閉鎖した燃焼類似環境でのプラズマの存在は、共振の電磁気特徴を歪ませるため、共振器は、任意の与えられた時間に、点火装置又は感知装置としてのみ用いられ得る。上記表で“測定不可”と表示される特性が存在することは、このような理由である。共振器は瞬時に（マイクロ秒）感知装置から点火装置にスイッチする能力を有する。
【０１１４】
センサー又は点火ソースとして用いられ得るＱＷＣＣＲの好ましい能力に注目すべきである。これは、点火プロセスの間に測定可能なデータがないことを意味しない。問題は、点火イベントがセンサー能力を圧倒して、このような情報がより小さい値を有する可能性が最も多い。発見する可能性が最も多いことは、点火器が発火する度に点火プロセスの効率性を示すデータストリームのそれぞれ異なる類型を得るということである。また、これは技術の発展態様である。
【０１１５】
加えて、燃焼プロセスのそれぞれの位相にわたって特性とそれらの反応のかかる表は、フィードバックを含み、このような類型の内部燃焼点火システムの効率と出力を増加させる方式を制御するように拡大可能であり、拡大されるはずである。また、識別される特性、及び燃焼プロセスにわたるそれの反応は、本開示において、既存のＤＣスパーク点火システムで現在使用不可であるプロセス及びシステム特徴化及びシリンダー内診断のための道具としても用いられ得る。
【０１１６】
４ストロークエンジン内のＱＷＣＣＲの感知及び点火タイミング
以下は、燃焼シリンダー、燃焼シリンダー内のピストン、吸気バルブ、及び排気バルブを含む例示的な内部燃焼エンジンの４ストローク燃焼プロセスの簡略な議論である。このような内部燃焼エンジンは、乗用自動車、トラック、又は他の類型の乗客又は貨物自動車を含む自動車に電源を供給するために用いられ得る。燃焼サイクルの位相は、（１）初期位置、（２）吸気ストローク、（３）圧縮ストローク、（４）点火、（５）電力ストローク、及び（６）排気ストロークを含む。初期位置で、ピストンは上死点（ＴＤＣ）に位置するそれの初期位置にある。燃料と圧縮はない。クランクシャフトセンサー及びＱＷＣＣＲは、ピストンがＴＤＣにあるということを測定するはずである。
【０１１７】
吸気ストロークの間に、ピストンはＴＤＣから下死点（ＢＤＣ）へ移動し、吸気バルブは、燃焼のための新鮮で新しい酸素化された空気を吸気するために開放される。このようなストロークは、圧力と温度の変化を引き起こす環境から十分の圧力と温度を誘導する。このような圧力と温度の変化は、ＱＷＣＣＲ内のインピーダンスに影響を及ぼし、その結果、定在波比率（ＳＷＲ）測定と反射されたＲＦ電力の量を用いて定量的に測定され得る。
【０１１８】
圧縮ストロークの間に、吸気バルブは閉鎖され、ピストンはＴＤＣに上方に移動する。このような圧縮は、シリンダー内の空気の密度を変更させ、よって、ＱＷＣＣＲのインピーダンスを変更させる。このような変更は、ＱＷＣＣＲのＳＷＲの変化によって検出され得る。ピストンがその移動途中にＢＤＣからＴＤＣ位置に接近することによって、燃料注入器は加圧、エアゾール化された燃料を燃焼チャンバーに注入する。また、燃料の追加は、シリンダーの密度とインピーダンスを変更させるはずであり、またＱＷＣＣＲによって変化として検出され得る。ＱＷＣＣＲは、インピーダンスの機能として圧力、温度、及び他の作動特性の変化を監視することができ、このようなインピーダンスは、測定されたＳＷＲ、反射されたＲＦ電力、及びＤＣ電力供給の特性によって決定され得る。燃焼プロセスの３個の位相は、ＱＷＣＣＲが測定し得る領域の一つと称されてもよい。
【０１１９】
ＱＷＣＣＲによる燃料−空気混合物の点火は、ピストンがＴＤＣに到達するやや前に開始され得る。このような例で、燃料点火は段階的連鎖反応であり、次の位相で最大作業ポテンシャルに到達するために、点火は初期に開始される。点火位相はＱＷＣＣＲの測定の第２区域である。感知装置としてのＱＷＣＣＲの結果は、ＲＦプラズマがＳＷＲ及び他の関連した測定を大きく歪ませるため、以前の区域と異なるはずである。追加的に、このような測定は、エアゾール化された燃料が存在し、シリンダーが最大温度及び圧力を経験するピストンによる圧縮の点で発生するはずである。
【０１２０】
燃料−空気混合物の点火は、ピストンを下向きにしてＢＤＣに押し入れ、燃料エネルギーを機械エネルギーに変換させる。これは運動エネルギーの大部分が伝達される時、一般的に電力ストロークと称される。
【０１２１】
ピストンは、今回は排気バルブが開放されたままで、ＢＤＣからＴＤＣに再び移動する。このような排気ストロークはシリンダーで全ての排気ガスを押し出し、全プロセスが最初から始まり得る。点火位相は、ＱＷＣＣＲの測定の第３区域である。このような区域は、シリンダーで燃焼プロセスの残りがある以外は、最初と類似になるであろう。また、排気システム内への排気プロセスによる圧力及び温度のため、インピーダンスのより遥かに少ない影響があるはずである。このような区域と第１領域からのインピーダンスの差は、残りの排気ガス及び消費されていない燃料をよりよく処理することに関して排気システムを指示するために用いることができる。
【０１２２】
２ストローク対４ストロークエンジン
また、２サイクルエンジンと呼ばれる２ストロークエンジンは、ストロークの半分の数（又はサイクル当たり点火の数の２倍）だけがあるという点で、４ストロークエンジンと異なる。これを達成するために、４ストロークプロセスで位相の一部が組み合わせられる。例えば、４ストロークサイクルの位相（２）及び（５）は、２ストロークエンジンの圧縮ストロークに組み合わせられる。同様に、４ストロークサイクルの位相（３）及び（６）は、２ストロークエンジンの電力ストロークに組み合わせられる。例示的な２ストロークエンジンにバルブがないため、ピストンと付加的な貯蔵所の移動は、排気ガスを吸気するために用いられる。
【０１２３】
ＳＷＲ及び測定技術の記載
無線周波数（ＲＦ）システムで、定在波比率（ＳＷＲ）は、ＲＦ電力がどれだけ効率的に電源から送信媒体を介して最終目的地（一般的にロードと呼ばれる。）に伝達されるかを測定するために用いられ得る。ＳＷＲは一般に、アンテナシステム（送信機及び受信機）と関連し、ＱＷＣＣＲはＲＦ放出器として用いられ得るため、このような同一原理が適用され得る。そのようなアンテナのインピーダンスが一般的にそれの作動時に直接測定されることが不可能なため、このような測定技術が用いられ得る。代わりに、直列ＳＷＲメータは、ロードに行ったり又はロードによって反射されるＳＷＲを測定するために用いられ得る。送信機は一般的に特定条件に調節される。一般的に５０オーム及び７５オームは、インピーダンスマッチングのための基準である。電子が媒体を介して送信される時、それは最小限の抵抗及び小さい変化の経路に沿って移動することを好む。ソース、送信経路、及びロードがいずれも５０オームインピーダンスと連結されると、反射された電子（エネルギー）がないだろう。変化は反射率を生成し得る。ＳＷＲはこのような反射率を測定し、その次にインピーダンスがどれだけ多く変更されたかを判断する手段として用いられ得る。
【０１２４】
図面に図示され、以上に記載された本発明の例は、添付の請求項の範囲内で実施可能な多数の代表例示である。本発明の付加的な例は、本発明によって使用可能になる構造及び機能の任意の好ましい実行を達成するのに必要であるように、上述された周知の技術の任意の一つ以上から選択される要素をさらに含むことができる。本特許の範囲が添付の請求項の範囲のみによって制限されることは出願人の意図である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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