(57)【要約】  点火システム１０は、一次巻線１２．１及び二次巻線１２．２を備える高電圧変圧器１２を備える。一次共振回路２６が一次巻線１２．１及び一次回路キャパシタンス２４によって形成される。二次共振回路１６が、負荷としての点火プラグ１４、二次巻線１２．２によって形成され、点火プラグ１４は、並列に置かれた二次回路キャパシタンス１８及び二次回路負荷抵抗Ｒｐによって表される。上記負荷抵抗値は点火サイクル中に変化する。一次共振回路２６及び二次共振回路１６は、コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄを有する。コントローラー２８が、駆動回路２２に対して一次巻線を、コモンモード共振周波数ｆｃ又はディファレンシャルモード共振周波数ｆｄのいずれかの周波数で駆動させるように構成され、一次巻線の周波数を可変負荷抵抗に適合させるようにフィードバック回路５０に接続される。【選択図】図１
2017534015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のインダクタンスＬ１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ２を有する二次巻線とを備える高電圧変圧器と、
前記一次巻線と一次回路キャパシタンスＣ１とを備え、第１の共振周波数ｆ１を有する一次共振回路と、
使用時、負荷として前記二次巻線に接続されて、該二次巻線と、該二次巻線のキャパシタンス及び前記負荷によって提示されるキャパシタンスを含む二次回路キャパシタンスＣ２と、前記二次巻線における損失及び前記負荷によって提示される抵抗を含む二次回路負荷抵抗Ｒｐとを備える二次共振回路を形成し、前記二次回路負荷抵抗は、使用時及び点火サイクル中、高い第１の値と低い第２の値との間で変化し、前記二次共振回路は第２の共振周波数ｆ２を有する、点火プラグと、
前記一次巻線を駆動するように前記一次回路に接続された駆動回路と、
なお、前記一次巻線と前記二次巻線との間の磁気結合ｋは０．５未満であり、それにより、前記一次共振回路及び前記二次共振回路を備える共振変圧器がまとめて、前記負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄを有し、
前記一次共振回路及び前記二次共振回路のうちの少なくとも一方からフィードバック回路に接続され、かつ、点火サイクル中、前記駆動回路に対して、前記変化する二次回路負荷抵抗によって決まる可変駆動周波数で前記一次巻線を駆動させるように構成されたコントローラーであって、変化する二次負荷抵抗は、前記コントローラーによって前記フィードバック回路から導出される、コントローラーと、
を備える、点火システム。
【請求項２】
前記点火プラグは、点火の目的でコロナのみを発生させるコロナプラグであり、前記コントローラーは、前記駆動回路に対して、前記負荷抵抗が高い場合、コロナを発生させるように前記コモンモード共振周波数で前記一次巻線を駆動させ、火花が発生して低負荷抵抗をもたらす場合、ａ）前記一次巻線の駆動を停止させるか、又はｂ）共振周波数とは実質的に異なる周波数で前記一次巻線を駆動させ、それにより前記火花のプラズマへの電力伝達を停止させるように構成される、請求項１に記載の点火システム。
【請求項３】
前記点火プラグは、点火の目的で火花を発生させるスパークプラグであり、前記コントローラーは、前記駆動回路に対して、前記負荷抵抗が高い場合、前記コモンモード共振周波数及び前記ディファレンシャルモード共振周波数のうちの一方で前記一次巻線を駆動させ、それにより、火花を形成するように高電圧を発生させ、前記負荷抵抗が低い場合、前記負荷に対して所定量の電力を送達するように異なる周波数で前記一次巻線を駆動させるように構成されている、請求項１に記載の点火システム。
【請求項４】
前記駆動周波数が前記コモンモード周波数に等しい場合、前記Ｃ１の値は、Ｃ１＜Ｌ２Ｃ２／（１＋０．５ｋ）Ｌ１であり、それにより、前記共振変圧器の有効Ｑ値を向上させる、請求項２又は３に記載のシステム。
【請求項５】
前記駆動周波数が前記ディファレンシャルモード周波数に等しい場合、前記Ｃ１の値は、Ｃ１＞Ｌ２Ｃ２／（１−０．５ｋ）Ｌ１であり、それにより、前記共振変圧器の有効Ｑ値を向上させる、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
点火システムを駆動する方法であって、前記点火システムは、第１のインダクタンスＬ１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ２を有する二次巻線とを備える高電圧変圧器と、前記一次巻線と一次回路キャパシタンスＣ１とを備え、第１の共振周波数ｆ１を有する一次共振回路と、使用時、負荷として前記二次巻線に接続されて、該二次巻線と、該二次巻線のキャパシタンス及び前記負荷によって提示されるキャパシタンスを含む二次回路キャパシタンスＣ２と、前記二次巻線における損失及び前記負荷によって提示される抵抗を含む二次回路負荷抵抗Ｒｐとを備える二次共振回路を形成し、前記二次回路負荷抵抗は、使用時及び点火サイクル中、高い第１の値と低い第２の値との間で変化し、前記二次共振回路は第２の共振周波数ｆ２を有する、点火プラグと、駆動周波数で前記一次巻線を駆動するように前記一次回路に接続された駆動回路とを備え、なお、前記一次巻線と前記二次巻線との間の磁気結合ｋは０．５未満であり、それにより、前記一次共振回路及び前記二次共振回路を備える共振変圧器がまとめて、前記負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄを有する、方法であり、該方法は、
点火サイクル中、前記変化する二次回路負荷抵抗によって決まる可変周波数で前記一次巻線を駆動すること、
を含む、方法。
【請求項７】
前記点火プラグは、点火の目的でコロナのみを発生させるコロナプラグであり、前記負荷抵抗が高い場合、前記一次巻線は、コロナを発生させるように前記コモンモード共振周波数で駆動され、火花が発生して低負荷抵抗をもたらす場合、ａ）前記一次巻線の駆動を停止させるか、又はｂ）共振周波数とは実質的に異なる周波数で前記一次巻線を駆動し、それにより前記火花のプラズマへの電力伝達を停止させる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記点火プラグは、点火の目的で火花を発生させるスパークプラグであり、前記負荷抵抗が高い場合、前記一次巻線は、前記コモンモード共振周波数及び前記ディファレンシャルモード共振周波数のうちの一方で駆動され、それにより、火花を形成するように高電圧を発生させ、前記負荷抵抗が低い場合、前記負荷に対して所定量の電力を送達するように異なる周波数で前記一次巻線を駆動する、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用の点火システムと、点火システムの点火プラグを駆動する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン内燃機関において排出基準を満たすように排出を改善するために、高い排気ガス再循環又はリーン（lean：希薄）混合気を用いて内燃機関を動作させる必要がある。これらの条件下で燃焼安定性を改善するコロナ点火プラグが知られている。しかしながら、これらのプラグは、従来の点火コイルによって駆動することができず、コロナが生成され、その後成長する際に、変化する負荷条件下で、高周波数及び高電圧で駆動しなければならない。既知の点火システムは、複雑かつ高価である。既存のコロナシステムを高価なものとする要因のうちの１つは、火花の発生を防止するために、コロナに送達される電力を注意深く制御しなければならないという要件である。
【０００３】
また、既知のスパークプラグ点火システムは、火花に送達される電力の量を制御する能力を有していない。既知のシステムは、火花抵抗に比例して電力を送達する。火花に送達される電力の量は制御可能でなく、火花抵抗は点火サイクル間で異なる可能性があるため、火花に送達される電力の量は、サイクル間で異なる可能性がある。送達される電力の相違により、サイクル間での点火及び燃焼の望ましくない相違に至る可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、本出願人が上述した不都合を少なくとも軽減することができると考える、又は既知のシステム及び方法に対して有用な代替案を提供することができる、点火システムと点火プラグを駆動する方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、点火システムであって、
第１のインダクタンスＬ１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ２を有する二次巻線とを備える高電圧変圧器と、
一次巻線と一次回路キャパシタンスＣ１とを備え、第１の共振周波数ｆ１を有する一次共振回路と、
使用時、負荷として二次巻線に接続されて、二次巻線、二次回路キャパシタンスＣ２及び二次回路負荷抵抗Ｒｐを備える二次共振回路を形成し、負荷抵抗は、使用時及び点火サイクル中、高い第１の値と低い第２の値との間で変化し、二次共振回路は第２の共振周波数ｆ２を有する、点火プラグと、
駆動周波数で一次巻線を駆動するように一次回路に接続された駆動回路と、
なお、一次巻線と二次巻線との間の磁気結合ｋは０．５未満であり、それにより、一次共振回路及び二次共振回路を備える共振変圧器がまとめて、負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄを有し、
一次共振回路及び二次共振回路のうちの少なくとも一方からフィードバック回路に接続され、かつ、駆動回路に対して、負荷抵抗によって決まる可変駆動周波数で一次巻線を駆動させるように構成されたコントローラーであって、負荷抵抗は、コントローラーによってフィードバック回路から導出される、コントローラーと、
を備える点火システムが提供される。
【０００６】
本発明の１つの実施形態では、点火プラグは、点火の目的でコロナのみを発生させるコロナプラグであり、コントローラーは、駆動回路に対して、負荷抵抗が高い場合、コロナを発生させるようにコモンモード共振周波数で一次巻線を駆動させ、火花が発生して低負荷抵抗をもたらす場合、ａ）一次巻線の駆動を停止させるか、又はｂ）共振周波数とは実質的に異なる周波数で一次巻線を駆動させ、それにより火花のプラズマへの電力伝達を停止させるように構成することができる。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、点火プラグは、点火の目的で火花を発生させるスパークプラグであり、コントローラーは、駆動回路に対して、負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数及びディファレンシャルモード共振周波数のうちの一方で一次巻線を駆動させ、それにより、火花を形成するように高電圧を発生させ、負荷抵抗が低い場合、負荷に対して所定量の電力を送達するように異なる周波数で一次巻線を駆動させるように構成することができる。
【０００８】
駆動周波数がコモンモード周波数と等しい実施形態では、Ｃ１の値は、Ｃ１＜Ｌ２Ｃ２／（１＋０．５ｋ）Ｌ１であり、それにより、共振変圧器の有効Ｑ値（quality factor）を向上させることができる。
【０００９】
駆動周波数がディファレンシャルモード周波数と等しい実施形態では、Ｃ１の値は、Ｃ１＞Ｌ２Ｃ２／（１−０．５ｋ）Ｌ１であり、それにより、共振変圧器の有効Ｑ値を向上させることができる。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、点火システムを駆動する方法であって、点火システムは、第１のインダクタンスＬ１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ２を有する二次巻線とを備える高電圧変圧器と、一次巻線と一次回路キャパシタンスＣ１とを備え、第１の共振周波数ｆ１を有する一次共振回路と、使用時、負荷として二次巻線に接続されて、二次巻線、二次回路キャパシタンスＣ２及び二次回路負荷抵抗Ｒｐを備える二次共振回路を形成し、負荷抵抗は、使用時及び点火サイクル中、高い第１の値と低い第２の値との間で変化し、二次共振回路は第２の共振周波数ｆ２を有する、点火プラグと、駆動周波数で一次巻線を駆動するように一次回路に接続された駆動回路とを備え、一次巻線と二次巻線との間の磁気結合ｋは０．５未満であり、それにより、一次共振回路及び二次共振回路を備える共振変圧器がまとめて、負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄを有する、方法であり、本方法は、
負荷抵抗によって決まる可変周波数で一次巻線を駆動すること、
を含む方法が提供される。
【００１１】
本発明の幾つかの形態では、点火プラグは、点火の目的でコロナのみを発生させるコロナプラグであり、本方法は、負荷抵抗が高い場合、一次巻線を、コロナを発生させるようにコモンモード共振周波数で駆動し、火花が発生して低負荷抵抗をもたらす場合、ａ）一次巻線の駆動を停止させるか、又はｂ）共振周波数とは実質的に異なる周波数で一次巻線を駆動し、それにより火花のプラズマへの電力伝達を停止させることを含むことができる。
【００１２】
本方法の他の形態では、点火プラグは、点火の目的で火花を発生させるスパークプラグであり、本方法は、負荷抵抗が高い場合、一次巻線を、コモンモード共振周波数及びディファレンシャルモード共振周波数のうちの一方で駆動し、それにより、火花を形成するように高電圧を発生させ、負荷抵抗が低い場合、負荷に対して所定量の電力を送達するように一次巻線を異なる周波数で駆動することを含むことができる。
【００１３】
ここで、添付の図面を参照して本発明について単に例として更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】点火プラグを備える点火システムの実施形態例の概要回路図である。
【図２】コロナプラグの形態の点火プラグを備える点火システムの実施形態例の概略断面図である。
【図３】スパークプラグの形態の点火プラグを備える点火システムの別の実施形態例の同様の図である。
【図４】並列負荷抵抗Ｒｐの種々の値に対する、駆動周波数に対する出力電力のグラフである。
【図５】点火システムの実施形態例の別の概要回路図である。
【図６（ａ）】種々の駆動周波数に対する、並列負荷抵抗に対する出力電力のグラフである。
【図６（ｂ）】種々の磁気結合係数に対する、並列負荷抵抗に対するコモンモード周波数及びディファレンシャルモード周波数のグラフである。
【図７（ａ）】図６（ａ）に類似するが、負荷キャパシタンスが２０％増大しているグラフである。
【図７（ｂ）】図６（ｂ）に類似するが、負荷キャパシタンスが２０％増大しているグラフである。
【図８】第１の共振周波数及び第２の共振周波数が互いに対して変化する際のコモンモード共振周波数ωｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ωｄの変化を示す正規化されたグラフである。
【図９】第１の共振周波数及び第２の共振周波数の比に対する要素ｇ（ω）の値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
点火システムの実施形態例を、図１及び図５において１０、図２において１０．１並びに図３において１０．２で示す。
【００１６】
図１を参照すると、点火システムは、一次巻線１２．１と二次巻線１２．２とを備える高電圧変圧器１２を備える。使用時、二次巻線に負荷として点火プラグ１４が接続されて、二次巻線１２．２、二次回路キャパシタンス１８、及び二次巻線１２．２と並列の負荷抵抗２０を備える二次共振回路１６を形成する。負荷抵抗２０及び負荷キャパシタンス１８は、主に、点火プラグの電極１１４．１及び１１４．２（図２及び図３に示す）の間の媒体（ガス及び／又はプラズマ）の抵抗及びキャパシタンスによって与えられる。使用時及び点火中、負荷抵抗は第１の高い値から第２のより低い値に変化し、負荷キャパシタンスは第１の低い値から第２のより高い値に変化する。最初にコロナが生成される際、キャパシタンスは増大し、負荷抵抗は低下する。火花が形成されるとき、負荷抵抗は急にかつ劇的に低下する。コンデンサ２４が、直列構成の場合は一次巻線１２．１に直列に接続され（図１を参照）、又は並列構成の場合は並列に接続されて（図５を参照）、一次共振回路２６を形成している。一次巻線を駆動するために、一次回路に駆動回路２２が接続されている。駆動回路は、電圧源（直列構成の場合）又は電流源（並列構成の場合）のいずれかとすることができる。一次共振回路２６は、第１の角共振周波数ω１に関連する第１の共振周波数ｆ１を有し、二次共振回路１６は、負荷抵抗２０が大きい（その第１の値を有する）場合は第２の共振周波数ｆ２を有し、負荷抵抗が小さい（その第２の値を有する）場合は第２の共振周波数を有さない。第２の共振周波数は、第２の角共振周波数ω２に関連し、第２の共振周波数ｆ２は、第１の共振周波数ｆ１と等しい場合もあれば異なる場合もある。一次巻線１２．１と二次巻線１２．２との間の磁気結合係数（ｋ）は０．５未満であり、それにより、一次共振回路及び二次共振回路を備える共振変圧器は、負荷抵抗がその第１の値を有するとき、コモンモード共振周波数ｆｃ（図４に示し後に説明する）又は角周波数ωｃとディファレンシャルモード共振周波数ｆｄ（同様に図４に示し後に説明する）又は角周波数ωｄとを有するが、負荷抵抗がその第２の低い値に近づくときは、ディファレンシャルモード共振周波数ｆｄのみを有する。
【００１７】
後により詳細に説明するように、一次共振回路又は二次共振回路のいずれかからフィードバック回路５０に接続されているコントローラー２８は、コロナプラグ１４．１（図２に示す）の場合、駆動回路２２が、一次巻線１２．１をコモンモード共振周波数ｆｃで駆動してコロナを発生させ、付随した負荷抵抗の低下により火花が形成される場合、ｉ）一次巻線の駆動を停止させるか、又はｉｉ）コモンモード共振周波数ｆｃとは実質的に異なる周波数で一次巻線を駆動するようにし、それにより火花を終了させることができるように構成されている。火花が終了すると、コモンモード共振での発振を再開するように、コントローラーを構成することができる。
【００１８】
スパークプラグ１４．２（図３に示す）の場合、コントローラーは、負荷抵抗が小さくなりかつ火花が形成されるまで、駆動回路が、コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄのうちの一方で一次巻線１２．１を駆動し、その後、異なる周波数で一次巻線を駆動するようにして、所定量の電力が火花に送達されるのを確実にするように構成されている。
【００１９】
さらに図１を参照すると、変圧器１２は、一次インダクタンスＬ１及び二次インダクタンスＬ２を有する。直列コンデンサ２４は、キャパシタンスＣ１を有し、二次負荷は、キャパシタンスＣ２及び並列抵抗Ｒｐを有する。第１共振周波数ｆ１（又は関連する角共振周波数ω１）及び二次共振周波数ｆ２（又は関連する角共振周波数ω２）が同じである（ω１，２＝１／Ｌ１Ｃ１＝１／Ｌ２Ｃ２）場合、点火回路は２つの共振周波数、
【数１】
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を有することを示すことができ、式中、ωｄはコモンモード共振周波数と呼ばれ（一次巻線１２．１における電流と二次巻線１２．２における電流とが同相である場合）、ωｄは、ディファレンシャルモード共振周波数と呼ばれる（電流が、１８０度位相がずれている場合）。図４に示すように、コモンモード共振周波数ωｃは、一次共振周波数及び二次共振周波数ω１＝ω２より低く、ディファレンシャルモード共振周波数ωｄは、ω１＝ω２より高い。図４及び上記式を参照すると、ｆ１＝ｆ２＝５ＭＨｚ及びｋ＝０．２より、ｆｃ＝４．６ＭＨｚ及びｆｄ＝５．６ＭＨｚが与えられる。
【００２０】
さらに、使用時、点火プラグによって生成されるコロナが成長する際、負荷抵抗Ｒｐは低下し、ωｃ及びωｄはともに（図６（ｂ）に示すように）低下する。Ｒｐが値ω２Ｌ２に近づく際、コモンモード共振周波数ωｃはゼロに近づき、ωｄはω１に近づく。Ｒｐがω２Ｌ２より小さい場合、コモンモード共振周波数ωｃはなく、ωｄ＝ω１である。これは、図４において、Ａがマークされた破線によっても示す。
【００２１】
二次側における最大電圧Ｖ２は、一次側及び二次側の損失によって決まり、磁気結合係数ｋとは略無関係であることを更に示すことができる。変圧器電圧比｜Ｖ２｜／｜Ｖ１｜は、結合係数ｋとは無関係であり、既知の公式
【数２】
2017534015.tif 000004
によって与えられる。必要な最小結合は、一次側及び二次側における損失によって決まり、ｋ２＞１／Ｑ１．１／Ｑ２であるべきであり、式中、
【数３】
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及び
【数４】
2017534015.tif 000006
は、一次回路及び二次回路のＱ値である。Ｒ１及びＲ２については、より詳細に後述する。
【００２２】
コロナを発生させる点火システム１０．１の一例を、図１とともに読まれる図２に示す。システム１０．１は、変圧器１１２に接続されたコロナプラグ１４．１（本出願人の「Ignition Plug」と題する同時係属国際出願（その内容は引用することにより本明細書の一部をなす）に記載されているもの等）を備える。火花を発生させる点火システム１０．２の一例は、図１とともに読まれる図３に示す。システム１０．２は、変圧器１１２に接続されたスパークプラグ１４．２を備える。
【００２３】
変圧器は、非磁性材料の本体３２で充填された約２０ｍｍの直径Ｄを有する金属チューブ３０の内側に２０ｍｍの長さにわたって約１０ｍｍの直径の２００の二次巻線の巻数を備える。二次巻線１１２．２は、約Ｌ２＝１３０μＨのインダクタンスを有する。コロナプラグ１４．１に接続される場合、二次負荷キャパシタンスは、約Ｃ２＝７ｐＦであり、その結果、二次共振周波数はｆ２＝ω２／２π＝５．３ＭＨｚとなる。一次巻線１１２．１は、１．７ｎＦのキャパシタンスＣ１を有する直列コンデンサ２４に接続された、約５３０ｎＨのインダクタンスを有する約１０ｍｍの直径の１０の巻数を備え、その結果、第１の共振周波数はｆ１＝ω１／２π＝５．３ＭＨｚとなる。結合係数ｋは、巻線１１２．１と巻線１１２．２との間のオーバーラップによって決まり、通常、ｋ＝０．０５とｋ＝０．４との間である。２つの共振器（一次回路及び二次回路）のＱ値は約Ｑ１＝Ｑ２＝１００であり、それにより、ｋ＞０．０５に対して、積Ｑ２Ｑ２ｋ２＞２５となる。点火回路は、ピーク間が２００Ｖの矩形波を出力する駆動回路によって駆動される。そして、一次側巻線における電圧は、約Ｖ１＝３ｋＶであり、出力電圧は、大きい負荷に対して共振周波数のうちの１つで駆動される場合、約
【数５】
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である。負荷が１ＭΩである場合、負荷に送達される電力は、図４に示すように共振時にはＰ２＝Ｖ２／Ｒ＝２ｋＷである。
【００２４】
スパークプラグ１４．２の代わりに、通常型スパークプラグも用いることができる。しかしながら、スパークプラグセラミックにおける望ましくないコロナを防止するために、より低い駆動周波数を利用しなければならない。こうした場合、二次巻線１１２．２は、フェライト磁性材料の周囲に１０ｍｍの直径の７４０の巻数を備えることができ、その結果、二次インダクタンスはＬ２＝７．５ｍＨとなる。スパークプラグキャパシタンスを含む二次側キャパシタンスは、約３０ｐＦであり、３４０ｋＨｚの第２共振周波数ｆ２を与える。一次巻線１１２．１は、同じ磁性材料の周囲に１２の巻数を備え、その結果、５６ｎＦの直列コンデンサ２４に接続されている場合、インダクタンスはＬ１＝４μＨとなり、共振周波数ｆ１は同じ３４０ｋＨｚとなる。点火回路は、ピーク間が２００Ｖの矩形波を出力する駆動回路２２によって駆動される。大きい負荷に対して共振状態で駆動されるとき、一次巻線における電圧は約Ｖ１＝１ｋＶであり、出力電圧は約Ｖ２＝４３ｋＶである。
【００２５】
図６（ａ）に示すように、負荷抵抗Ｒｐの関数として負荷１４に送達される電力Ｐ２＝Ｖ２２／Ｒｐは、駆動回路２２の周波数によって決まる。図１及び図５において５０で示すようなフィードバックを用いて、一次巻線１２．１は、使用時にそれぞれ変化するように、コモンモード共振周波数ｆｃ、代替的にディファレンシャルモード共振周波数ｆｄで駆動することができる。代替的に、図６（ｂ）に示すように、４．５ＭＨｚ等、一定の周波数ｆｃｏｎｓｔで、システム１０を駆動することができる。抵抗の関数としての電力は、これら３つの場合について図６（ａ）に示されている。
【００２６】
図６（ａ）から、コモンモード共振周波数ｆｃでシステムを駆動することにより、６２に示すように、負荷抵抗が小さくなると、電力伝達が本質的に停止することになることが分かる。このため、システム及び方法は、本質的に、火花が形成される瞬間に電力を低減させる。一定の周波数ｆｃｏｎｓｔで回路を駆動することにより、６４に示すように、小さい負荷に一定の電流を送達することになり、ディファレンシャルモード共振周波数ｆｄでシステムを駆動することにより、６６に示すように、小さい負荷に非常に高い電力が送達されることになる。
【００２７】
コロナが成長する際の負荷キャパシタンスＣ２の変化の影響は、図７（ｂ）に示すように、二次キャパシタンスを例えば２０％増大させ、それによりコモンモード共振周波数を約１０％低減させることによって見ることができる。駆動周波数が、追加のキャパシタンスなしにコモンモード共振周波数に固定される場合、システムは、追加のキャパシタンスによりそれ以上共振状態で駆動されない。これにより、高電圧Ｖ２は、コモンモード共振周波数ｆｃでシステムを駆動する場合よりはるかに低くなる。
【００２８】
駆動回路２２は、図５に示すように、二次電流を検知し、二次電流で一次回路２６を同相で（又は１８０度位相をずらして）駆動することにより、コモンモード（又はディファレンシャルモード）周波数で発振するように構成することができる。
【００２９】
このため、２つの弱結合した共振器を用いて、点火システムに高電圧を発生させることができる。コントローラー２８が、駆動回路２２に対し、負荷が変化する際に、変化するコモンモード共振周波数又はディファレンシャルモード共振周波数に従わせることにより、負荷に伝達される電力の量を制御することができる。システムがコモンモード共振周波数で駆動されるとき、図６（ａ）において６２に示すように、火花が形成される瞬間に電力伝達を本質的に低減させるという、コロナ点火システムにおいて予期しない結果がもたらされた。
【００３０】
上述したように、一次巻線１２．１は、直列（図１）又は並列（図５）のいずれかでコンデンサＣ１に、及び駆動回路２２に接続される。キャパシタンスＣ１及びインダクタンスＬ１は、第１の角共振周波数ω１２＝１／Ｌ１Ｃ１を有する第１の共振回路を形成する。第１の共振回路における損失により、回路は、第１のＱ値Ｑ１を有し、それにより、角周波数ωにおける損失は、Ｑ１＝ωＬ１／Ｒ１によって与えられる等価の直列抵抗Ｒ１又は等価の並列抵抗によって提示することができる。
【００３１】
二次巻線は、点火プラグ等の負荷１４に接続される。二次巻線及び負荷のキャパシタンスは、並列コンデンサＣ２によって提示することができる。二次巻線の損失及び負荷の抵抗は、並列抵抗器Ｒｐによって提示することができる。キャパシタンスＣ２及びインダクタンスＬ２は、二次角共振周波数ω２２＝１／Ｌ２Ｃ２を有する共振回路を形成する。角周波数ωでの二次側のＱ値Ｑ２は、Ｑ２＝Ｒｐ／ωＬ２によって与えられる。以下の記述は、抵抗Ｒｐが大きい場合、すなわち、点火プラグの電極の間に火花がない場合に関する。
【００３２】
一次巻線と二次巻線との間の磁気結合により、第１の回路及び第２の回路は、共振変圧器と呼ばれる結合された共振回路を形成する。この共振変圧器は、第１の角周波数ω１又は第２の角周波数ω２のいずれとしても共振しないが、（図４においてＲｐ＞１００ｋΩに対して示すように）コモンモード共振周波数ｆｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆｄと呼ばれる２つの他の共振周波数を有する。
【００３３】
第１の角周波数及び第２の角周波数が同じである特別な場合ω１＝ω２（すなわち、Ｌ１Ｃ１＝Ｌ２Ｃ２）に対して、コモンモード角共振周波数は、ωｃ２＝ｗ１２／（１＋ｋ）によって与えられ、ディファレンシャルモード角共振周波数は、ωｄ２＝ｗ１２／（１−ｋ）によって与えられる。しかしながら、ω１がω２より大きくなる（ω１＞ω２）と、コモンモード周波数は第２の共振周波数に近くなり（ωｃ→ω２）、ディファレンシャルモード周波数は第１の共振周波数に近くなる（ωｄ→ω１）。同様に、ω１がω２より小さくなる（ω１＜ω２）と、ωｃ→ω１及びωｄ→ω２となる。これは、周波数がω２に関して正規化される、図８に示されている。
【００３４】
共振変圧器がその２つの共振周波数のうちの任意の１つで駆動される場合、一次電流Ｉ１（図１）は、供給電圧Ｖ０と同相であり、プッシュプル駆動回路２２は、図１に示すように直列に接続される場合、ゼロ電流で切り替えることができ、又は、図５に示すように並列に接続される場合、ゼロ電圧で切り替わる。これには、切替損失が小さいという第１の利点がある。
【００３５】
共振変圧器が共振状態で駆動される第２の利点は、各発振サイクルが、二次回路にエネルギーを伝達し、それにより、エネルギー損失が各サイクル中に伝達されたエネルギーに等しくなる定常状態が達成されるまで、二次回路におけるエネルギー（したがって、高電圧）が各追加のサイクルで蓄積する点である。この結果、二次回路におけるエネルギーは、各サイクル中に駆動回路によって供給されるエネルギーよりはるかに大きくなる。これは、式｜Ｖ２｜｜Ｉ２｜＝ＱｅｆｆＶ０Ｉ１によって提示することができ、そこでは、二次回路における電力は、二次電圧｜Ｖ２｜及び二次電流｜Ｉ２｜の大きさの積によって提示され、供給される電力は、Ｖ０及びＩ１（それらは同相である）によって与えられ、Ｑｅｆｆ＞１は、共振変圧器の有効Ｑ値である。火花を発生させるため、又はコロナを成長させるため、約３０ｋＶの二次電圧が必要である。これは、Ｑｅｆｆが大きいほど、同じ出力電圧を発生させるために、より高出力の駆動回路より安価、単純かつ信頼性の高い、より小さい（より低出力の）駆動回路を用いることができることを意味する。
【００３６】
ω１＝ω２を有する共振変圧器は、いわゆるテスラ（Tesla）コイルにおいて一般に使用されている。しかしながら、ω１＝ω２（すなわち、Ｌ１Ｃ１＝Ｌ２Ｃ２）である場合、コモンモード共振周波数及びディファレンシャルモード共振周波数の両方における有効Ｑ値は、変圧器の一次回路及び二次回路の両方のＱ値によって決まり、すなわち、Ｑｅｆｆ≒Ｑ１Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）又はＱｅｆｆ−１＝Ｑ１−１＋Ｑ２−１である。一次巻線は、通常、数巻のみからなり、一次巻線における電流は、二次巻線における電流よりはるかに大きい。この結果、一次回路は二次回路より損失が大きく（Ｑ１＜Ｑ２）、それにより、望ましくない有効Ｑ値は、Ｑｅｆｆ＜Ｑ１＜Ｑ２となる。
【００３７】
しかしながら、ω１≠ω２である場合、有効Ｑ値Ｑｅｆｆがコモンモード共振周波数及びディファレンシャルモード共振周波数のうちの一方において増大し、他方において低減するという予測されない効果があった。コモンモード周波数及びディファレンシャルモード周波数における有効Ｑ値は、関数ｇ（ω）＝（−ω２２／ω２＋１）２／ｋ２を用いて、Ｑｅｆｆ−１（ωｃ）≒ｇ（ωｃ）Ｑ１−１＋Ｑ２−１及びＱｅｆｆ−１（ωｄ）≒ｇ（ωｄ）Ｑ１−１＋Ｑ２−１と書くことができる。関数ｇ（ω）は、二次共振回路及び一次共振回路に蓄積されたエネルギーの比として解釈することができる。したがって、コモンモード共振周波数又はディファレンシャルモード共振周波数のいずれかがω２に近づく、すなわち、ωｃ，ｄ→ω２である際に、その共振における有効Ｑ値はＱ２に近づき、すなわち、Ｑｅｆｆ（ωｃ，ｄ）→Ｑ２である。
【００３８】
ω１はω２より係数ｒだけ大きいか又は小さい、すなわち、ω１＝ｒω２であるものとする。そして、図９から、ω１がω２より大きくなる（ω１＞ω２）と、ｇ（ωｃ）→０となり、Ｑｅｆｆ（ωｃ）→Ｑ２となり、コモンモード共振がより効率的になり、ω１がω２より小さくなる（ω１＜ω２）と、ｇ（ωｄ）→０となり、Ｑｅｆｆ（ωｄ）→Ｑ２となり、ディファレンシャルモード共振がより効率的になることを見ることができる。
【００３９】
図はまた、ｇ≦ｋ／（４｜１−ω１／ω２｜）を示す。これにより、ω１２＝１／Ｌ１Ｃ１及びω２２＝１／Ｌ２Ｃ２に関して有効なＱ値の向上を推定することができる。
【００４０】
Ｑ１の効果は、
【数６】
2017534015.tif 000008
、すなわち、
【数７】
2017534015.tif 000009
である場合、ディファレンシャルモード共振では少なくとも２倍小さくなり、
【数８】
2017534015.tif 000010
、Ｑ１の効果は、
【数９】
2017534015.tif 000011
である場合、コモンモード共振では半分未満となる。
【００４１】
Ｑ１の効果は、
【数１０】
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、すなわち、
Ｌ２Ｃ２＜（１−ｋ）Ｌ１Ｃ１である場合、ディファレンシャルモード共振では少なくとも４倍小さくなり、
【数１１】
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、Ｌ２Ｃ２＞（１＋ｋ）Ｌ１Ｃ１である場合、コモンモード共振では半分未満となる。
【００４２】
コロナプラグ及びスパークプラグの実施形態例を、図３及び図２にそれぞれ示す。これらの実施形態例は、第１の端部とこの第１の端部の反対側の第２の端部とを有する絶縁材料の細長い円筒状本体を備えることができる。第１の端部に第１の面が設けられる。第１の細長い電極１１４．１が、本体内に長手方向に延在している。第１の電極は、第１の端部及び第２の端部を有する。第１の電極は、その第１の端部において、本体の第２の端部に向かう方向において本体の第１の端部から第１の距離ｄ１で終端する。このため、本体は、本体の第１の端部において第１の電極の第１の端部と口部１１９との間に延在する止り穴１１８を画定する。本体の外面に第２の電極１１４．２が設けられ、第２の電極は、ａ）（図３に示すようなスパークプラグの場合）本体の第１の面と同一平面、及びｂ）（図２に示すようなコロナプラグの場合）本体の第２の端部に向かう方向において本体の第１の端部から第２の距離ｄ２のうちの一方で終端する。
【００４３】
発生した火花は、点火可能なガスとともに、第１の電極と第２の電極との間を、口部１１９を通ってチャンバー内に延び、そこで、その範囲の少なくとも一部では、ガスによって包囲される。コロナは、第１の電極から口部１１９を通って指状にチャンバー内に延び、そこで、その範囲の少なくとも一部では、ガスによって包囲される。
【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（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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