JP2014513760A - コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を制御するためのシステムおよび方法が提供される。本システムは、ある電圧のエネルギを受けてコロナ放電を与えるコロナ点火装置を含む。エネルギ供給部は、ある電圧のエネルギをコロナ点火装置に与える。本システムは、アーク形成の開始に応答して、コロナ点火装置に与えられるエネルギの電圧の低下を開始するコロナ制御部もまた含む。当該電圧は、アーク放電がなくなるまで低下され、その後、当該電圧は、コロナ放電を再開するために再び増加される。アーク形成を制御することで、コロナ放電点火システムの稼働中のエネルギ効率が改善される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、共に２０１１年４月４日に出願された米国仮出願連続番号６１／４７１，４４８号および６１／４７１，４５２号の利益を主張する。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概して、コロナ放電点火システムに関し、より特定的には、当該システムにおけるアーク形成を制御することに関する。

２．関連技術
コロナ放電点火システムは、交流の電圧および電流を与え、高低の電位の電極を迅速に逆転させ、それによって、アーク形成を困難にし、かつ、コロナ放電の形成を高める。当該システムは、高無線周波数電圧に帯電され、かつ、燃焼室で強無線周波数電界を発生する中央電極を有するコロナ点火装置を含む。当該電界により、燃焼室で燃料と空気との混合物の一部が電離し、誘電破壊を始め、混合気の燃焼が容易になる。当該電界は、好ましくは、燃料空気混合物が誘電特性を維持し、非熱的プラズマとも呼ばれるコロナ放電が生じるように制御される。燃料空気混合物の電離した部分は、その後自燃し、かつ、燃料空気混合物の残りの部分を燃焼させる火炎前面を形成する。好ましくは、当該電界は、燃料空気混合物が誘電特性を全て損失しないように制御されるが、もし誘電特性が損失すると、電極と、接地されたシリンダ壁、ピストン、金属シェルまたは他の点火装置の部品との間で熱プラズマおよび電気アークが発生するであろう。電気アークまたはアーク放電は、エネルギ効率を悪化させ、システムの点火事象の堅調性を低下させる。コロナ放電点火システムの一例が、フリーンに対する米国特許第６，８８３，５０７号に開示されている。

発明の要約
本発明の一局面によると、コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を制御するための方法が提供される。本方法は、ある電圧のエネルギをコロナ点火装置に与えることと、アーク形成に応答してコロナ点火装置に与えられるエネルギの電圧を低下させることとを含む。

本発明の別の局面によると、本方法を採用するシステムが提供される。当該システムは、ある電圧のエネルギを受けてコロナ放電を与えるコロナ点火装置と、ある電圧のエネルギをコロナ点火装置に与えるエネルギ供給部とを含む。当該システムは、アーク形成に応答して、コロナ点火装置に与えられるエネルギの電圧の低下を開始するコロナ制御部もまた含む。

アーク形成を制御することで、コロナ放電点火システムの稼働中のエネルギ効率が改善され、当該システムの耐久性が改善され、そして、点火性能が改善され得る。

添付の図面に関連して考慮されると、以下の詳細な説明を参照することによって本発明の他の利点がよりよく理解されるので、これらは容易に認められるであろう。

本発明の一実施の形態に従うアーク形成を制御するためのシステムのブロック図である。 本発明の別の実施の形態に従う駆動回路の部品を示す、アーク形成を制御するためのシステムの別のブロック図である。 本発明を用いないコロナ点火システムの稼働を示すグラフの図である。 本発明を用いた図３のコロナ点火システムを稼働させる利点を示すグラフの図である。

詳細な説明
本発明によれば、コロナ放電２０を与えるために設計された点火システムにおける意図的でないアーク形成を制御するためのシステムおよび方法が提供される。本システムは、ある電圧でエネルギを受けてコロナ放電２０を与えるコロナ点火装置２２と、ある電圧のエネルギをコロナ点火装置２２に与えるエネルギ供給部２４とを含む。本システムは、コロナ放電２０が与えらされた後に、アーク形成が生じたことに応答して、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧の低下を開始するコロナ制御部２６もまた含む。本システムに採用される本方法は、ある電圧のエネルギをコロナ点火装置２２に与えることと、アーク形成に応答してコロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧を低下させることとを含む。

本システムおよび本方法によれば、アーク放電を制御するために用いられる先行技術のシステムに勝るいくつかの利点がもたらされる。第一に、本システムおよび本方法は、複雑なデジタル部品、キャリブレーション、または、モニタリングを必要とせずに、既存のコロナ放電点火システムの部品を使用できるため低コストである。さらに、本システムおよび本方法は、非常に高速であり、ほんの数ナノ秒または数マイクロ秒で、アーク形成の開始後にアーク放電を制御できる。本システムおよび本方法は、コロナ放電を与えるために設計されるが、アーク形成の開始を阻止しようとするものではない。しかしながら、アーク形成は制御され、もしアーク形成が生じた場合は、これは、好ましくは消滅される。アーク形成を制御することで、コロナ放電点火システムの稼働中のエネルギ効率が改善される。

本システムは、典型的には、内燃機関（図示せず）において採用される。内燃機関は、燃料および空気の可燃混合物を包含する燃焼室を規定する、シリンダヘッド、シリンダブロック、および、ピストンを含む。コロナ点火装置２２はシリンダヘッドで受けられ、点火コイル２７と、図１に示され、燃焼室に延在するコロナ先端２８を有する中央電極とを含む。エネルギ供給部２４は、エネルギを蓄え、駆動回路３０、および最終的にはコロナ点火装置２２にエネルギを与える。点火コイルは、エネルギ供給部２４から高無線周波数電圧のエネルギを受け、エネルギの一部を蓄え、その後、エネルギを中央電極に伝送する。一実施の形態において、点火コイル２７は、最大１００，０００ボルト、５アンペア未満の電流、および、０．５〜２．０メガヘルツの周波数までのレベルのエネルギを受ける。中央電極は、その後、無線周波数電界を燃焼室に送出し、燃料空気混合物の一部を電離し、燃焼室にコロナ放電２０を与える。コロナ点火装置２２は、典型的には、中央電極を囲む絶縁体３２を含み、絶縁体３２および中央電極は、図１に示されるように、金属シェル３４で受けられる。

図２は、本発明の一実施の形態に従う、コロナ点火システム、および、駆動回路３０の部品を示すブロック図である。駆動回路３０は、トリガ回路３６と、差動増幅器３８と、第１のスイッチ４０と、第２のスイッチ４２と、変圧器４４と、電流センサ４６と、ローパスフィルタ４８と、クランプ５０とを含む。駆動回路３０に与えらされるエネルギは、コロナ点火システムが稼働中に共振周波数で振動する。図２は、エネルギが部品間を信号５２で伝送されることを示す。図２は、各部品間のエネルギの電流のグラフも含む。

エンジン制御装置（図示せず）の主要制御部５１は、典型的には、差動増幅器３８を作動させるイネーブル信号５４を与える。トリガ回路３６は、その後、イネーブル信号５４に応答して、本システムを通って、コロナ点火装置２２から、およびコロナ点火装置２２に流れる、エネルギの周波数と電圧との振動を開始する。トリガ回路３６は、トリガ信号５２を発生することと、トリガ信号５２を差動増幅器３８に伝送することとによって振動を開始する。本システムは共振周期を有し、トリガ信号５２は、典型的には、共振周期の半分よりも短い。

差動増幅器３８は、トリガ信号５２を受けると起動される。差動増幅器３８は、その後、正入力５６でエネルギを受け、エネルギを増幅し、第１の出力５８および第２の出力５９からエネルギを伝送する。

駆動回路３０の第１のスイッチ４０は、差動増幅器３８の第１の出力５８によって有効になり、エネルギ供給部２４からコロナ点火装置２２にエネルギを向ける。スイッチ４０，４２は、ＢＪＴ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または、その他好適な種類であってもよい。

駆動回路３０の変圧器４４は、エネルギを受けるための変圧器入力６０と、エネルギ供給部２４からコロナ点火装置２２および電流センサ４６にエネルギを伝送するための変圧器出力６２とを含む。変圧器４４は、そこを介してエネルギを伝送する一次巻線６４および二次巻線６６を含む。エネルギ供給部２４からのエネルギは、最初に一次巻線６４を流れ、それによりエネルギを二次巻線６６に流す。コロナ点火装置２２の部品は、共振回路または同調回路とも呼ばれる、本システムのＬＣ回路を共に設ける。センサ４６で共振電流を検出することによって、本システムの共振周波数は、ＬＣ回路の共振周波数と等しくなる。

電流センサ４６は、典型的には抵抗器であり、変圧器４４およびコロナ点火装置２２の出力でエネルギの電流を測定する。変圧器４４の出力でのエネルギの電流は、典型的には、コロナ点火装置２２でのエネルギの電流に等しい。電流センサ４６は、その後、エネルギをローパスフィルタ４８に伝送する。ローパスフィルタ４８は、不要な周波数を除去し、エネルギの電流の位相シフトをもたらす。位相シフトは、典型的には、１８０°よりも大きくない。

クランプ５０は、ローパスフィルタ４８からエネルギを受け、エネルギの電流の信号調整を実行する。信号の調整は、エネルギの電流を方形波および安全電圧に変換することを含んでもよい。クランプ５０は、その後、エネルギを差動増幅器３８の負入力６８に戻すように伝送する。

図２は、クランプ５０と差動増幅器３８との間のコロナ制御部２６を示しているが、コロナ制御部２６は、本システムの他の位置に配置されてもよい。さらに、コロナ制御部２６は、図１および図２において別個の部品として示されているが、本システムの別の部品と一体に結合または統合されてもよい。アーク形成の開始は、意図的に阻止されないが、本システムは、典型的には、コロナ放電２０を与えるように設計され、それゆえに、アーク形成の開始は意図的でない。アーク形成は、様々な異なる方法で検出されてもよい。アーク形成は、コロナ制御部２６または別個の部品によって検出されてもよい。もし、アーク形成が別の部品によって検出されると、通知信号６９がコロナ制御部２６に伝送される。

いったんアーク形成が検出されると、コロナ制御部２６は、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧の低下を開始する。一実施の形態において、コロナ制御部２６は、差動増幅器３８の機能を無効にすること、または、差動増幅器３８がエネルギをコロナ点火装置２２に与えるのを阻止することによって、電圧の低下を開始する。コロナ制御部２６は、図１および図２に示されるように、命令信号７０を駆動回路３０に送信することによって、差動増幅器３８の機能を無効にすることができる。別の実施の形態では、コロナ制御部２６は、主要制御部２６によって与えられるイネーブル信号５４を停止することによって電圧の低下を開始する。この場合、コロナ制御部２６は、図１および図２においても示されるように、フィードバック信号７２を主要制御部５１に送信する。いったん主要制御部２６がフィードバック信号７２を受け、イネーブル信号５４を停止すると、エネルギ供給部２４は、コロナ点火装置２２に供給されるエネルギの電圧を低下させるか、または、エネルギをコロナ点火装置２２に供給することを停止する。

アーク形成に応答して、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧を低下させるステップは、エネルギの電圧を少なくとも１０％低下させることを含む。たとえば、もしコロナ点火装置２２に与えられる電圧が４０，０００ボルトである場合、電圧は、３６，０００ボルト以下に低下されるであろう。一実施の形態において、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧を低下させるステップは、エネルギがコロナ点火装置２２に与えらされないように、エネルギをコロナ点火装置２２に与えるステップを中止することを含む。いったんエネルギの供給が再開されると、エネルギの供給は、前述のようにより低水準になり得る。

アーク形成に応答して、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧を低下させるステップは、ある期間、好ましくはある短い期間、電圧を低下させることを含む。一実施の形態において、電圧は、命令信号７０の持続時間の間、低下される。命令信号７０の適切な持続時間、または時間の長さは、プログラム可能であり、様々な要因に基づいて決定され得る。たとえば、電圧もしくは電流の特定の値もしくは形状が観測されるまで、または、本システムを通って流れているエネルギの周波数が望ましいパターンを達成するまで、電圧を低下させるか、またはエネルギの供給を停止することが適切であるかもしれない。代わりに、エンジン制御装置（図示せず）は、動作パラメータに基づいて適切な時間の長さを判断してもよい。

ある期間は、本システムを通って流れているエネルギの周波数の１つの振動周期であってもよく、または、個々の振動サイクルについて固定間隔であってもよく、または、各振動サイクルの一部であってもよい。一実施の形態において、ある期間は、数マイクロ秒よりも長くない。適切な時間の長さの後、および、ある低減された電圧では、アーク形成をもはや維持できず、これは消滅する。

エネルギがコロナ点火装置２２に与えられると、エネルギの一部は、点火コイル２７に蓄えられる。それゆえに、電圧を低下させるステップは、コイル２７からエネルギを消費するステップを含む。これにより、コイル２７に蓄えられたエネルギが消費されるので、コロナ点火装置２２のコロナ先端２８でのエネルギの電圧が低下する。一実施の形態において、電圧を低下させるステップは、ある短い期間で、アーク放電とコロナ放電２０との両方を消滅させることを含む。

アーク形成が消滅されたすぐ後に、本方法は、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧を増加することを含む。増加されたエネルギの電圧は、ある期間の間コロナ点火装置２２に印加された電圧を低下させるステップのすぐ後に印加される。コロナ放電２０がグランドに達し、再びアークを形成する程度に十分大きくなるためにはしばらく時間を要するので、コロナ放電２０が再開する場合には、少なくともある期間が必要であろう。もしアーク放電が再び生じると、本システムは、コロナ放電２０を再開するために、コロナ点火装置２２に与えられるエネルギの電圧を再び低下させることができる。アーク放電の制御は、非常に高速に生じることができ、サイクルは１回の点火事象で数回繰り返すことができる。

一実施の形態において、電圧が低下されたある期間の後に、およびアーク形成が消滅された後に、本方法は、当該ある期間の前に、およびアーク形成の開始前にコロナ点火装置２２に最初に与えられたのと同じ電圧まで電圧を増加させることを含む。たとえば、もしコロナ点火装置２２に最初に与えられた電圧が４０，０００ボルトである場合には、その後、同じ４０，０００ボルトがコロナ点火装置２２に再び与えられる。別の実施の形態では、アーク形成が消滅された後に、より低い電圧がコロナ点火装置２２に与えられる。たとえば、もしコロナ点火装置２２に最初に与えられた電圧が４０，０００ボルトである場合には、その後、アーク形成が消滅された後に、３０，０００ボルトがコロナ点火装置２２に与えられる。代わりに、アーク形成が消滅された後に、より高い電圧がコロナ点火装置２２に与えられてもよい。

実施の形態の一例において、エネルギ供給部２４が作動され、コロナ点火装置２２に供給されるエネルギが第１の電圧になる。アーク放電が検出されると、コロナ点火装置２２に供給される電圧がゼロに低減され、かつ、アーク放電とコロナ放電２０との両方がある短い期間で消滅されるように、エネルギ供給部２４は完全にオフされる。ある短い期間の後に、エネルギ供給部２４は再び作動され、コロナ点火装置２２に供給されるエネルギは、第１の電圧よりも大きい第２の電圧になる。

図３は、本発明を用いないコロナ点火システムの稼働を示すグラフを含む。コロナ先端２８での電圧は、ある期間にわたって与えられる。イネーブル信号５４は１００で示され、命令信号７０は採用されない。エネルギがコロナ点火装置２２に与えられると電圧が上がり、コロナ放電２０が形成される。そのうちに、コロナ放電２０は、接地された部品に接触し、アーク放電に切り替わる。グラフは、開始時およびアーク放電中の、電圧の急激な低下を示す。

図４は、本発明を用いた稼働を示すグラフを含む。イネーブル信号５４は１００で示され、命令信号７０が採用される。エネルギがコロナ点火装置２２に与えられると電圧が上がり、コロナ放電２０が形成される。そのうちに、コロナ放電２０は、接地された部品に接触し、アーク放電に切り替わり、電圧が急激に低下する。しかしながら、アーク形成が生じた場合には、命令信号７０が、コロナ制御部２６から主要制御部２６に伝送され、エネルギ供給部２４の電圧が低減される。命令信号７０は、アーク放電が消滅されるまでの予め定められた期間伝送される。その時点で、命令信号７０が終わり、電圧が増大し、コロナ放電２０が再開する。

明らかに、本発明の多くの変更例および変形例が、上述の教示に照らして可能であり、添付の請求項の範囲内で具体的に説明されるようなもの以外のやり方で実施され得る。

Claims (16)

1. コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を制御するための方法であって、
   コロナ点火装置にある電圧のエネルギを与えることと、
   アーク形成に応答して、前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧を低下させることとを備える、方法。
2. 前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧を低下させるステップは、前記電圧を少なくとも１０％低下させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧を低下させるステップは、前記エネルギの電圧をある期間低下させることを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ある期間は、数マイクロ秒よりも大きくない、請求項３に記載の方法。
5. 前記ある期間のすぐ後に前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧を増加させることを備える、請求項３に記載の方法。
6. 前記ある期間の前に前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧は、第１の電圧であり、前記ある期間後に前記エネルギの電圧を増加させるステップは、前記第１の電圧よりも小さい第２の電圧のエネルギで与えることを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧を低下させるステップは、エネルギを前記コロナ点火装置に前記ある期間与えるステップを中止することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧を低下させるステップは、エネルギを前記コロナ点火装置にある期間与えるステップを中止することを含む、請求項１に記載の方法。
9. エネルギを前記コロナ点火装置に与えるステップは、前記コロナ点火装置のコイルにエネルギを与えることと、前記エネルギを前記コイルに蓄えることとを含み、前記電圧を低下させるステップは、前記コイルから前記エネルギを消費することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記アーク形成は意図的でない、請求項１に記載の方法。
11. 前記アーク形成の前にコロナ放電を与えることを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記電圧を低下させるステップは、前記エネルギが予め定められた電圧または電流を達成するまで生じる、請求項１に記載の方法。
13. 前記電圧を低下させるステップは、前記エネルギが予め定められた周波数パターンを有するまで生じる、請求項１に記載の方法。
14. コロナ放電点火システムにおけるアーク形成を制御するためのシステムであって、
    ある電圧のエネルギを受けてコロナ放電を与えるコロナ点火装置と、
    ある電圧の前記エネルギをコロナ点火装置に与えるエネルギ供給部と、
    アーク形成に応答して、前記コロナ点火装置に与えられる前記エネルギの電圧の低下を開始するコロナ制御部とを備える、システム。
15. 前記エネルギ供給部からエネルギを受け、前記エネルギを増幅し、増幅された前記エネルギを前記コロナ点火装置に与えるための差動増幅器を含み、前記コロナ制御部は、前記差動増幅器が前記エネルギを前記コロナ点火装置に与えることを阻止することによって、前記電圧の低下を開始する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記エネルギ供給部が前記エネルギを前記コロナ点火装置に与えることを許可するイネーブル信号を与える主要制御部を含み、前記コロナ制御部は、前記イネーブル信号を停止することによって前記電圧の低下を開始する、請求項１４に記載のシステム。