JP2016514233A - セルフチューニング電力増幅器を有するコロナ点火 - Google Patents

Abstract

ＲＦ変圧器の出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタを有する電力増幅器回路である。出力巻線の他端は、電流センサに接続され、さらに接地に接続されている。変圧器は、２つの一次巻線を有する。一次巻線は両方とも、一端が電圧源に接続されている。各々の一次巻線の他端は、スイッチに取付けられている。３つの巻線は全て、コアに巻き付けられている。ＤＣ電圧源からスイッチに流れる電流は、コアに磁束を生じさせる。点火装置を流れる電流によって、二次巻線の電流センサで電圧が生成される。この電圧は、スイッチに戻され、オンおよびオフタイミングを制御する。点火装置に入る電流または点火装置から出て行く電流がゼロである場合、電圧が点火装置に提供されるか、または点火装置から引き出される。

Description

優先権の主張
本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願番号第１３／８４２，８０３号の利益を主張し、米国特許出願番号第１３／８４２，８０３号の内容は、引用によって本明細書に援用される。

発明の背景
１．技術分野
本発明は、一般に、自動車の用途などにおいて空気／燃料混合物を点火するために使用される点火装置に関し、特に、コロナ点火システムにおいて使用されるセルフチューニング電力増幅器に関する。

２．関連技術
米国特許第６，８８３，５０７号は、コロナ放電空気／燃料点火システムにおいて使用される点火装置を開示している。燃焼を開始するために使用される例示的な方法によれば、電極が高い無線周波数（「radio frequency：ＲＦ」）電位に帯電され、燃焼チャンバ内で強いＲＦ電界を生じさせる。次いで、当該強い電界は、燃焼チャンバ内の燃料−空気混合物の一部をイオン化させる。燃料−空気ガスをイオン化するプロセスは、絶縁破壊の開始であり得る。しかし、電界は動的に制御可能であり、そのため、絶縁破壊は電子なだれのレベルにまでは進まず、その結果、プラズマが形成されて、電極から、接地されたシリンダ壁またはピストンまで電気アークが引き起こされるであろう。電界は、燃料−空気ガスの一部のみ、すなわちプラズマをもたらす、前に記載した電子なだれ連鎖反応を生じさせるのに不十分な部分、がイオン化されるレベルに維持される。しかし、電界は、コロナ放電が起こるように十分に強く維持される。コロナ放電では、電極上のいくらかの電荷は、小さな電流としてガスを介して接地に搬送されることにより消散されるか、またはイオン化された燃料−空気混合物から電子が放出されるかもしくはイオン化された燃料−空気混合物から電極に電子が吸収されることにより消散されるが、アーク放電と比較して電流は非常に小さく、電極における電位は非常に高いままである。十分に強い電界により、燃料−空気混合物の一部のイオン化は、燃焼反応を促進させる。イオン化された燃料−空気混合物は、自律的になって残りの燃料−空気混合物を燃焼させる火炎面を形成する。

図１は、容量結合型ＲＦコロナ放電点火システムを示す。当該システムは、「容量結合型」と呼ばれる。なぜなら、電極４０が、燃料−空気混合物に直接さらされるようにフィードスルー絶縁体７１ｂの周囲の誘電材料から外に延在していないからである。むしろ、電極４０は、フィードスルー絶縁体７１ｂによって覆われたままであり、フィードスルー絶縁体の一部を通る電極の電界に左右されて、燃焼チャンバ５０内に電界を生成する。

図２は、本発明の例示的な実施例に係る制御電子装置および一次コイルユニット６０の機能ブロック図である。図２に示されるように、制御電子装置および一次コイルユニット６０は、ＤＣ供給源から線６２を介して例えば１５０ボルトの電圧を受取るセンタータップ一次ＲＦ変圧器２０を含む。所望の周波数、例えば高圧回路３０（図１を参照）の共振周波数で、変圧器２０に印加される電力を２つの位相、すなわち位相Ａと位相Ｂとの間で切替えるために、高電力スイッチ７２が設けられる。１５０ボルトのＤＣ供給源は、制御電子装置および一次コイルユニット６０における制御回路のための電源７４にも接続されている。制御回路電源７４は、典型的には、１５０ボルトのＤＣ供給源を制御電子装置にとって許容可能なレベル、例えば５〜１２ボルトに低減するために降圧変圧器を含む。図１および図２において「Ａ」で示される変圧器２０からの出力は、本発明の例示的な実施例に従って二次コイルユニットに収容される高電圧回路３０に電力を供給するために使用される。

変圧器２０からの電流および電圧出力は、ポイントＡにおいて検出され、例えば信号からノイズを除去するために従来の信号調整が７３および７５でそれぞれ行われる。この信号調整は、例えば能動フィルタ、受動またはデジタルフィルタ、ローパスフィルタ、およびバンドパスフィルタを含み得る。次いで、電流および電圧信号は、７７，７９でそれぞれ全波整流および平均化される。信号ノイズを除去する電圧および電流の平均化は、従来のアナログまたはデジタル回路で達成され得る。平均化および整流された電流および電圧信号は、電圧を電流で除算することによって実際のインピーダンスを計算する分周器８０に送られる。また、電流および電圧信号は、高電圧回路３０のための共振周波数である周波数を出力する位相検出器および位相ロックループ（phase locked loop：ＰＬＬ）７８に送られる。ＰＬＬは、電圧および電流が同相になるようにその出力周波数を調節することによって共振周波数を決定する。直列共振回路では、共振で励起されると、電圧および電流は同相になる。

計算されたインピーダンスおよび共振周波数は、計算されたデューティサイクルを各々が有する２つのパルス信号、すなわち位相Ａおよび位相Ｂを出力して変圧器２０を駆動するパルス幅変調器８２に送られる。パルス信号の周波数は、ＰＬＬ７８から受取られる共振周波数に基づいている。デューティサイクルは、分周器８０から受取られるインピーダンスに基づき、システムコントローラ８４から受取られるインピーダンス設定点にも基づいている。パルス幅変調器８２は、分周器８０からの測定されたインピーダンスを、システムコントローラ８４から受取られたインピーダンス設定点と一致させるように、２つのパルス信号のデューティサイクルを調節する。

システムコントローラ８４は、インピーダンス設定点の出力に加えて、パルス幅変調器８２にトリガ信号パルスを送ることも行う。このトリガ信号パルスは、図１に示される高電圧回路３０および電極４０の起動を制御する変圧器２０の起動タイミングを制御する。トリガ信号パルスは、図示されていないマスタエンジンコントローラ８６から受取られるタイミング信号６１に基づいている。タイミング信号６１は、いつ点火シーケンスを開始させるかを判断する。システムコントローラ８４は、このタイミング信号６１を受取り、次いでトリガパルスの適切なシーケンスおよびインピーダンス設定点をパルス幅変調器８２に送る。この情報は、いつ点火するか、何度点火するか、どれぐらいの時間点火するか、およびインピーダンス設定点をパルス幅変調器に知らせる。所望のコロナ特性（例えば点火シーケンスおよびインピーダンス設定点）は、システムコントローラ８４にハードコードされてもよく、またはこの情報は、マスタエンジンコントローラ８６から信号６３を介してシステムコントローラ８４に送られてもよい。システムコントローラ８４は、現在のエンジン制御および点火システムにおいて慣例になっているように、診断情報をマスタエンジンコントローラ８６に送り得る。診断情報の例としては、不足／過剰電圧供給、電流および電圧信号から判断される点火の失敗などが挙げられ得る。

発明の概要および利点
ＲＦ変圧器の出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタを有する電力増幅器回路である。出力巻線の他端は、抵抗器に接続され、さらに接地に接続されている。変圧器は、２つの一次巻線を有する。一次巻線は両方とも、一端が可変ＤＣ電圧源に接続されている。各々の一次巻線の他端は、ＭＯＳＦＥＴに取付けられている。３つの巻線は全て、フェライトコアに巻き付けられている。ＤＣ電圧源からＭＯＳＦＥＴに流れる電流がフェライトコアにおいて対向する方向に磁束を生じさせるように、２つの一次巻線が配置されている。回路の発振を開始させるために、ＭＯＳＦＥＴまたはスイッチのうちの１つが短期間オンにされ、インダクタおよびキャパシタがリングになるようにする。その結果、二次巻線の電流センサで電圧が生成され、当該電圧は、回路に供給され、当該回路は、全てのノイズをフィルタリングして除去し、電圧をインダクタキャパシタの固有周波数にとどめる。電流センサは、抵抗器、ダイオード、インダクタおよびキャパシタのうちの少なくとも１つを含む。この電圧は、ＭＯＳＦＥＴに戻され、オンおよびオフタイミングを制御する。このようにして、固有周波数を測定および記録する必要性がなくなる。

本発明の一実施例において、コロナ点火システムのための電力増幅器回路があり、当該電力増幅器回路は、出力巻線および２つの一次巻線を有するＲＦ変圧器を含み、出力巻線および２つの一次巻線は、コアに巻き付けられ、当該電力増幅器回路はさらに、出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタと、出力巻線の別の端部に接続された電流センサとを含み、出力巻線において誘導された電流は、コアにおいて対向する方向に磁束を発生させる。

本発明の一局面において、２つの一次巻線は、各々、一端が可変ＤＣ電圧源に接続され、２つの一次巻線の各々の他端は、第１および第２のスイッチに取付けられ、その結果、第１および第２のスイッチのオンおよびオフタイミングが制御される。

本発明の別の局面において、増幅器回路は、変動するキャパシタンスを補償するためにフィードバック信号を提供するセンス巻線をさらに含み、出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号を提供する。

本発明の別の局面において、二次巻線の端部は、それぞれ、コロナ点火システムを動作させることによってコロナ点火装置を点火するように回路を駆動する２つのスイッチに接続される。

本発明のさらに別の実施例において、内燃機関は、上面から燃焼室まで延びる点火装置開口を有するシリンダヘッドと、コロナ点火装置とを含み、当該コロナ点火装置は、エンジンコンピュータから信号を受取るように構成された制御回路と、点火装置アセンブリをその共振周波数で駆動するように交流電流および電圧信号を発生させるための電力増幅器回路とを含み、当該点火装置アセンブリは、ＬＣＲ回路を形成するインダクタ、キャパシタおよび電流センサを含み、インダクタの一端は、コロナ点火装置を点火する燃焼エンジンの燃焼室内の電極クラウンに点火端部アセンブリを介して接続される。

本発明の一局面において、電力増幅器回路は、出力巻線および２つの一次巻線を有するＲＦ変圧器を含み、出力巻線および２つの一次巻線は、コアに巻き付けられ、当該電力増幅器回路はさらに、出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタと、出力巻線の別の端部に接続された電流センサとを含み、出力巻線において誘導された電流は、コアにおいて対向する方向に磁束を発生させる。

本発明の別の局面において、制御回路は、電力増幅器回路に印加するための電圧を決定し、電力増幅器回路は、巻線を介して電流を駆動し、点火装置アセンブリの共振周波数のフィードバック信号を提供し、点火装置アセンブリは、キャパシタにおけるキャパシタンス、電流センサにおける抵抗、およびインダクタにおけるインダクタンスが結合されると特定の周波数で共振する。

本発明のさらに別の局面において、２つの一次巻線は、各々、一端が可変ＤＣ電圧源に接続され、２つの一次巻線の各々の他端は、第１および第２のスイッチに取付けられ、その結果、第１および第２のスイッチのオンおよびオフタイミングが制御される。

本発明のさらに別の局面において、増幅器回路は、変動するキャパシタンスを補償するためにフィードバック信号を提供するセンス巻線をさらに含み、出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号を提供する。

本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、好ましい実施例の詳細な説明から当業者により明らかになるであろう。詳細な説明に添付される図面について以下で説明する。

先行技術における例示的なコロナ放電点火システムを示す。 先行技術のシステムに係る制御電子装置および一次コイルユニットの機能ブロック図である。 本発明に係るセルフチューニング回路を示す。 １つの例示的な実施例に係るコロナ点火システムにおける図３の回路の実現例を示すブロック図である。

好ましい実施例の詳細な説明
ＲＦ変圧器の出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタを有する電力増幅器回路である。出力巻線の他端は、電流センサに接続され、さらに接地に接続されている。電流センサは、抵抗器、ダイオード、インダクタおよびキャパシタのうちの少なくとも１つを含む。変圧器は、２つの一次巻線を有する。一次巻線は両方とも、一端が可変ＤＣ電圧源に接続されている。各々の一次巻線の他端は、ＭＯＳＦＥＴに取付けられている。３つの巻線は全て、フェライトコアに巻き付けられている。ＤＣ電圧源からＭＯＳＦＥＴに流れる電流がフェライトコアにおいて対向する方向に磁束を生じさせるように、２つの一次巻線が配置されている。回路の発振を開始させるために、ＭＯＳＦＥＴのうちの１つが短期間オンにされ、インダクタおよびキャパシタがリングになるようにする。その結果、二次巻線の電流センサで電圧が生成され、当該電圧は、回路に供給され、当該回路は、全てのノイズをフィルタリングして除去し、電圧をインダクタキャパシタの固有周波数にとどめる。この電圧は、ＭＯＳＦＥＴに戻され、オンおよびオフタイミングを制御する。このようにして、固有周波数を測定および記録する必要性がなくなる。

図３に示される回路は、変圧器と、変圧器を駆動するためのｍｏｓｆｅｔと、変圧器の動作の周波数を同調させるためのフィードバック回路とを含んでいる。変圧器は、一例では、フェライトコアを有し、コアの周囲に４組の巻線を有している。インダクタＬ１およびＬ２は、ＤＣ電圧源に接続される点において接合される一次巻線である。回路は、ある範囲の電圧源電圧で動作するように設計可能であり、この実施例では、電圧は６０ＶＤＣに設定されるであろう。インダクタＬ１およびＬ２の他端は、各々がＭＯＳＦＥＴとして示されるスイッチに接続されている。当業者によって容易に理解されるように、他のタイプのスイッチが使用されてもよい。各スイッチは、発振器とも称され得る。

インダクタＬ３は、変圧器の二次または出力インダクタである。Ｌ３の一端は、低値抵抗を介して接続されている。他端は、コロナ点火装置のインダクタに接続されている。第４のインダクタ、すなわちＬ６は、さまざまな長さのアタッチメントケーブルの変動するキャパシタンスを補償するためにフィードバック信号を提供するセンスインダクタである。

点火システムは、３つのサブアセンブリ、すなわち制御回路、電力増幅器および点火装置アセンブリから成っている。

制御回路：この回路は、シリンダ内でいつコロナを開始および終了させるかをシステムに知らせる信号をエンジンコンピュータ（ＥＣＵ）から受取る。この回路は、どのような電圧を電力増幅器の変圧器に印加するかを判断する。この回路の一部は、電力増幅器の変圧器に印加されるＤＣ電圧を発生させる。

電力増幅器回路：この回路は、点火装置アセンブリをその共振周波数で駆動するために交流電流および電圧信号を発生させる。この回路は、発振を開始および終了させるためのコマンドを制御回路から受取る。電力増幅器回路は、変圧器を通る電流を駆動するための回路と、点火装置アセンブリの共振周波数を戻すための回路とを含んでいる。このフィードバック信号は、インダクタの共振に関連する信号、一次巻線の電圧に関連する信号、および二次巻線の電圧に関連するフィードバック信号を含む。

点火装置アセンブリ：点火装置アセンブリは、スパークプラグと類似の態様でシリンダヘッドに取付けられている。当該アセンブリは、インダクタと、燃焼チャンバ内に電極を含む点火端部サブアセンブリとを含んでいる。点火装置アセンブリは、ＬＣＲアセンブリとして接続されるインダクタ、キャパシタおよび電流センサを有している。インダクタの一端に電圧が印加されると、ＬＣＲアセンブリは共振する。インダクタは、点火装置の一部である。インダクタの第２の端部は、燃焼チャンバにおいて点火端部アセンブリを介して電極クラウンに接続されている。点火端部アセンブリおよび燃焼チャンバは、インダクタンスと結合されると特定の周波数で共振するキャパシタンスおよび抵抗を形成する。

動作時、エンジンコンピュータ（ＥＣＵ）などの装置は、信号を制御回路に送る。この信号は、各々の点火装置でいつコロナを開始および終了させるかを制御回路に知らせる。制御回路は、コロナ事象を開始させるためにローになるノーマリハイ信号を電力増幅器に送る。当該信号は、コロナが望ましいものである限りローのままであり、コロナ事象を終了させるためにハイに戻る。この信号は、Ｑ１３のエミッタであるノードＡに印加される。Ａにおけるこの電圧の変化により、ノードＮがハイからローになる。次いで、ノードＮは、２つの場所に送られる。

１つの行き先は、Ｑ１２のコレクタならびにＱ１２およびＱ７のベースである。Ｎにおけるこの降下により、Ｑ１２およびＱ７がオンになり、電流がノードＺに流れることができる。第２の行き先はＣ３であり、Ｃ３は、Ｒ１３およびダイオード１を介してノードＲ、すなわちＱ９のベースに短期間の電圧降下を送る。次いで、これは、ノードＴにおける電圧を短期間降下させる。ベースにおけるこのディップにより、Ｑ５がオンになり、ノードＺから電流を引き込み、ノードＢを負から正に引き上げる。これにより、Ｑ１１がオンになり、Ｑ１７がオフになり、その結果、Ｑ１がオンになり、Ｑ２がオフになる。これにより、それらのエミッタが引き上げられ、エミッタは、Ｒ１６およびダイオード２を介してノードＣ、すなわちＭ１のゲートに接続される。ノードＣは、負から正になり、Ｍ１をオンにする。Ｍ１のドレインはＬ２に接続され、そのソースは接地に接続されている。Ｍ１をオンにすることにより、電流がＬ２を流れ、次いで変圧器内のフェライトを流れるように磁束が誘導される。

Ｍ１がオンのままであり続けるので、ノードＴにおける電圧が、Ｑ５をオフにする値に戻るまで、電流はＬ２を通される。これにより、ノードＺを流れる電流は、Ｒ１１からＲ１８に入り、ノードＨを負から正に引き上げる。これにより、Ｑ８がオンになり、Ｑ２０がオフになり、その結果、Ｑ４がオンになり、Ｑ３がオフになる。これにより、それらのエミッタが引き上げられ、エミッタは、Ｒ１７およびダイオード３を介してノードＦ、すなわちＭ４のゲートに接続される。ノードＦは、負から正になり、Ｍ４をオンにする。Ｍ４をオンにすることにより、電流がＬ１を流れ、次いで、Ｌ２によって引き起こされた磁束とは反対の方向に変圧器内のフェライトを流れるように磁束が誘導される。

変圧器フェライト磁束は、変圧器の二次巻線Ｌ３を通る電流を発生させ、当該電流は、次いで、その２つの端部間に電圧を生じさせる。Ｌ３の一端は、接地に取付けられるＲ１４に接続されている。Ｌ３の他端は、点火装置アセンブリにおけるインダクタに取付けられている。点火装置ＬＣＲアセンブリに印加される急速に変化する電圧は、共振するように点火装置ＬＣＲアセンブリを誘導する。電流がＲ１４を流れると、ノードＬにおける電圧は上昇する。この電圧は、Ｒ１５を介してノードＡ２に供給される。ノードＡ２からの電流は、Ｃ５およびＲ１９に接続されるＬ５を通過する。これらの構成要素は、ローパスフィルタを形成し、１８０°未満の電流の位相シフトを提供し、対象の範囲外の周波数を除去する。この信号は、Ｄ７およびＤ８によってクリップされ、次いでＣ７を通されてＱ１０を駆動する。Ｑ１０がオンにされると、電流は、Ｒ１８を流れ、Ｒ１１を流れるのを停止させる。これにより、Ｍ１がオフに切替えられ、Ｍ４がオンに切替えられ、逆の場合も同様である。

図４は、１つの例示的な実施例に係るコロナ点火システムにおける図３の回路の実現例を示す。図４のシステムは、パルス発生器Ａと、比較器ブロックＢと、スイッチＣおよびＤと、変圧器Ｅと、電流センサＦと、ローパスフィルタＧと、クランプＨとを含んでいる。コロナ点火装置（図示せず）は、変圧器Ｅに接続されている。

当該システムの動作は、エンジン制御ユニットなどの外部供給源によってコマンド信号または「イネーブル信号」１がアサートされることによって開始される。「イネーブル信号」１は、図３の回路における点Ａに対応する。「開始」パルス発生器Ａは、イネーブル信号１を受取り、非反転出力２を送信し、当該非反転出力２は、イネーブル信号１に応答してシステムおよびコロナ点火装置を流れる電流の発振を開始させる。パルス発生器Ａは、図３の回路の構成要素Ｃ３，Ｒ１３，Ｒ１２およびＤ１に対応する。

比較器ブロックＢは、イネーブル信号１と、パルス発生器Ａからの非反転入力２と、ローパスフィルタＧおよびクランプＨからの反転入力３とを受取る。比較器ブロックＢの反転入力３によって受取られる信号は、コロナ点火装置の電流の位相を表わす。非反転入力２は、図３のＱ９に対応し、反転入力３は、図３のＱ１０に対応する。次いで、比較器ブロックＢは、スイッチＣおよびＤのための制御信号を生じさせる。比較器ブロックＢによって提供される制御信号は、イネーブル信号１、非反転入力２および反転入力３における情報に基づいている。反転入力３は、ローパスフィルタＧおよびクランプＨからのフィードバック信号とも称される。比較器ブロックＢは、通常出力４および反転出力５としてスイッチＣおよびＤに制御信号を提供する。通常出力４は、図３の点Ｈに対応し、反転出力５は、図３の点Ｇに対応する。比較器ブロックＢの出力５および４は、図３のＱ５およびＱ６にも対応する。

スイッチＣおよびＤは、通常出力４および反転出力５を受取る。第１のスイッチＣが通常出力４を受取り、第２のスイッチＤが反転出力５を受取る。第１のスイッチＣは、図３のＱ３，Ｑ４，Ｑ９，Ｑ２２およびＱ１０１に対応し、第２のスイッチＤは、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１７およびＱ１０２に対応する。出力４および５に応答して、スイッチＣおよびＤの各々は、出力９を介してコロナ点火装置に接続される変圧器Ｅに対して信号６および７を介して電圧を印加し、それによってコロナ点火装置の電流の発振を生じさせる。

変圧器Ｅは、スイッチＣおよびＤから電圧を受取り、変圧器Ｅは、コロナ点火装置の発振を生じさせることに加えて、コロナ点火装置の駆動電圧を上昇させることも行う。回路がオンである場合、常に変圧器Ｅからコロナ点火装置に電圧が印加される。電流がコロナ点火装置に流入するたびに正の電圧が印加されるべきであり、電流がコロナ点火装置から流出するたびに負の電圧が印加されるべきである。正から負への切替えまたは負から正への切替えは、できる限りゼロに近い電流で行われるべきである。１つの可能なスキームでは、変圧器Ｅは、図３のＬ１，Ｌ２およびＬ３に対応する、磁気コア１２に巻き付けられた３つの巻線を有している。各々の一端が電源に取付けられ、他端がスイッチＣ，Ｄのうちの１つに取付けられた２つの一次巻線Ｌ１およびＬ２と、一端がコロナ点火装置に取付けられ、他端が電流センサＦに取付けられた１つの二次巻線とがある。Ｌ１およびＬ２は、通電されると磁気コア１２において対向する磁場を生じさせるようにスイッチＣおよびＤを備えている。変圧器Ｅによって生成される電圧出力は、ゼロについて対称である、バランスのとれた方形波出力である。

システムの電流センサＦは、信号１０を介して変圧器Ｅの出力において電流を受取り、コロナ点火装置の電流でもある電流を変圧器Ｅの出力において測定する。電流センサＦは、抵抗器、ダイオード、インダクタおよびキャパシタのうちの少なくとも１つを含んでいる。図３の電流センサＦは、Ｒ１４に位置する抵抗器である。電流センサＦによって取得された電流測定値は、最終的には、二次巻線Ｌ３の電圧を制御するために使用され、その結果、二次巻線の電圧は、コロナ点火装置の電流と「同相に」なる。「同相に」という用語は、電圧および電流が同時にピークに達することを意味し、コロナ点火装置が共振周波数で動作していることを意味する。より具体的には、ブロック比較器Ｂは、電流センサＦによって取得された情報を使用して、特定の時に変圧器Ｅの一次巻線に電圧を印加するようにスイッチＣ，Ｄに指示する。一次巻線Ｌ１，Ｌ２に印加される電圧は、コロナ点火装置の電流と同相の電圧を二次巻線Ｌ３が有するようにタイミングがとられる。

より具体的には、電流が変圧器Ｅからコロナ点火装置に伝送される場合、コロナ点火装置に伝送されている電流は、電流センサＦによって検知される。応答して、電流センサＦは、信号を最終的には第２のスイッチＤに送信して、正の電圧を印加し、その結果、より多くの電流を変圧器Ｅからコロナ点火装置に押込む。電流センサＦからスイッチＤへの信号は、点火装置に伝送されている電流がゼロを通過する時刻を示す。スイッチＤがオンになり、変圧器Ｅが正の電圧を提供し、その結果、コロナ点火装置に流入する電流がゼロまたは約ゼロになったちょうどその時に、より多くの電流がコロナ点火装置に提供される。正から負の電圧への切替えまたは負から正の電圧への切替えは、できる限りゼロに近い電流で行われるべきである。

同様に、電流がコロナ点火装置から変圧器Ｅを介して接地に伝わっている場合、コロナ点火装置から出て行く電流も、電流センサＦによって検知される。応答して、電流センサＦは、信号を最終的には第１のスイッチＣに送信し、スイッチを閉じて負の電圧を印加し、その結果、より多くの電流をコロナ点火装置から引き出す。電流センサＦからスイッチＣへの信号は、点火装置から出て行く電流がゼロを通過する時刻を示す。次いで、スイッチＣが閉じられ、変圧器Ｅが負の電圧を印加し、その結果、コロナ点火装置から出て行く電流がゼロまたは約ゼロになったちょうどその時に、より多くの電流がコロナ点火装置から引き出される。

電流が名目上ゼロである時にコロナ点火装置への電流の伝送とコロナ点火装置からの電流の引き出しとを切替えることにより、システムが共振周波数で動作することが可能になる。図３および図４の例では、電流がコロナ点火装置に伝わっているときには、電流センサにおける電圧は負であり、電流がコロナ点火装置から出て行っているときには、電流センサにおける電圧は正である。また、図３のＲ１，Ｌ６およびＣ６は、回路とコロナ点火装置との間のケーブルの長さを補償する。

システムのローパスフィルタＧは、変圧器Ｅからの電流を表わす電圧信号を受取り、不要な周波数または対象の範囲外の周波数を除去またはフィルタリングする。また、ローパスフィルタＧは、少なくとも１２０°であるが１８０°未満の電流の位相シフトを生じさせる。また、上記で示唆したように、ローパスフィルタＧは、最終的に比較器ブロックＢにフィードバック信号を提供し、当該フィードバック信号は、電流が正であるか、負であるか、またはゼロであるかを示すコロナ点火装置の電流の位相を含む。ローパスフィルタＧは、図３のＬ５，Ｃ５，Ｒ９およびＲ１０に対応する。

クランプＨは、ローパスフィルタＧからフィードバック信号を受取り、比較器ブロックＢにフィードバック信号、すなわち反転入力３を送信する前に信号をトランケートする。比較器ブロックＢに提供されるフィードバック信号は、ゼロクロス電流検出のみを行う。図３では、クランプＨは、Ｄ７およびＤ８に位置している。

ここで、システムの動作およびシステムの構成要素間で送られる信号についてより詳細に説明する。最初に、イネーブル信号１が比較器ブロックＢに送信されることによってシステムの動作が開始する前に、比較器ブロックＢがディスエーブルにされ、通常出力４および反転出力５はオフである。この時点で、ＨＶ電源８がイネーブルにされ、変圧器Ｅに電力を提供する準備が整う。ＨＶ電源８は、システムの外部にある。図３では、ＨＶ電源は、ＣＯＭ＋に接続されている。しかし、システムの動作が開始する前は、電流が変圧器Ｅに流入することはない。

上記のように、システムの動作は、イネーブル信号１が比較器ブロックＢに電力を供給することによって開始する。また、イネーブル信号１は、パルス発生器Ａに非反転入力２を発生させ、当該非反転入力２は、比較器ブロックＢのバランスを狂わせる短パルスを含む。これにより、通常出力４が第１のスイッチＣを短期間イネーブルにし、ＨＶ電源８から変圧器Ｅの一次巻線を介して信号７に電流が流れる。変圧器Ｅの出力９が負に駆動され、変圧器Ｅおよび電流センサＦを介して接地に電流が流れ続ける。

変圧器Ｅおよび電流センサＦを介して接地に流れる電流により、コロナ点火装置の電流の流れを反映して、信号１０において電圧が上昇する。しかし、信号１０における電圧は、システム、特に接続ケーブルにおける寄生キャパシタンスの充電および放電のために、高周波数成分を含む。フィルタブロックＧは、これらの不要な周波数を除去し、位相シフトを提供する。位相シフトは、少なくとも１２０°であるが、好ましくは１８０°未満に近い。したがって、ローパスフィルタＧは、コロナ点火装置の電流を反映するがコロナ点火装置の電流とほぼ逆位相であるきれいな正弦波電流信号を１１において提供する。比較器ブロックＢの反転入力３を用いてさらなる１８０°位相シフトが提供される。比較器ブロックＢならびにスイッチＣおよびＤにおける不可避の遅延は、３６０°の合計位相シフトを生じさせる。これは、安定した発振に必要な条件である。

クランプＨは、電流信号１１のサイズをクリップし、信号１１を方形波に変換する。この方形波は、反転入力３、すなわちフィードバック信号および比較器ブロックＢに供給される。位相シフトにより、比較器ブロックＢの負の入力に提供された反転入力３は、ループ全体で正のフィードバックになる。正のフィードバックは、システムおよびコロナ点火装置の発振に必要な条件である。

この時点で、信号９を介して変圧器Ｅに取付けられたコロナ点火装置の共振ＬＣ動作により、信号９を介してコロナ点火装置に流入する電流は、ピークに達し、降下してゼロに戻り、次いでゼロを通過する。これにより、変圧器Ｅから電流センサＦへの信号１０における電圧は、その符号を反転させる。当該反転した信号により、比較器ブロックＢは、通常出力４および反転出力５の状態を変化させ、第１のスイッチＣから第２のスイッチＤへのコンダクタンスをスワップし、システムを通る電流の流れを反転させる。電流は、反対方向に駆動して、信号１０において負の半波を発生させる。このプロセスは、「イネーブル」信号１が除去されるまで続く。

第１のサイクル後、定常状態動作に達し、非反転入力２において提供されたパルス発生器Ａからの短パルスが完了され、非反転入力２における電圧は、静止レベルになる。反転入力３における電圧は、静止レベル付近で小振幅方形波を示し、当該小振幅方形波は、コロナ点火装置における電流と逆位相である。

スイッチＣおよびＤならびに変圧器Ｅを介した電流および印加電圧の位相整合により、コロナ点火装置の電流および電圧は同相になる。これは、直列ＬＣ回路であるコロナ点火装置などの直列ＬＣ回路の共振に必要な条件を提供する。したがって、図４のシステムに係る図３の回路の実現例は、共振周波数でコロナ点火装置の動作を実施し、コロナ点火システムをコロナ点火装置の共振周波数で動作させる。

上記の発明は、関連する法的基準に従って説明されており、そのため、説明は本質的に限定的なものではなく例示的なものである。開示されている実施例に対する変更例および変形例が当業者に明らかになり、本発明の範囲内に入り得る。したがって、本発明に与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定されることができる。

Claims (17)

1. コロナ点火システムのための電力増幅器回路であって、
   出力巻線および２つの一次巻線を有するＲＦ変圧器を備え、前記出力巻線および前記２つの一次巻線は、磁気コアに巻き付けられ、前記電力増幅器回路はさらに、
   前記出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタと、
   前記出力巻線の別の端部に接続された電流センサとを備え、
   前記出力巻線を通る電流は、前記コアにおいて対向する方向に磁束を発生させる、電力増幅器回路。
2. 前記２つの一次巻線は、各々、一端が可変ＤＣ電圧源に接続され、前記２つの一次巻線の各々の他端は、第１および第２のスイッチに取付けられ、その結果、前記第１および第２のスイッチのオンおよびオフタイミングが制御される、請求項１に記載の電力増幅器。
3. 変動するキャパシタンスを補償するためにフィードバック信号を提供するセンス巻線をさらに備え、前記出力巻線は、コロナ点火装置に出力信号を提供する、請求項２に記載の電力増幅器。
4. 前記電流センサは、抵抗器、ダイオード、インダクタおよびキャパシタのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の電力増幅器。
5. 共振周波数、発振器およびローパスフィルタを有するコロナ点火装置を含み、前記ローパスフィルタは、前記発振器を前記コロナ点火装置の前記共振周波数に維持するために、少なくとも１２０°であって１８０°未満の電流の位相シフトを提供し、不要な周波数をフィルタリングし、フィルタリングされたフィードバック信号を提供する、請求項１に記載の電力増幅器。
6. コロナ点火システムであって、
   磁気コアの周囲に配置され、各々の一端が電源から電力を受取る一対の一次巻線と、
   各々が電圧を前記一次巻線に印加するために前記一次巻線の他端に接続された一対のスイッチと、
   前記一次巻線とは反対方向に前記磁気コアの周囲に配置され、一端がコロナ点火装置に接続された二次巻線と、
   前記二次巻線の他端に接続され、最終的には前記スイッチに接続された電流センサとを備え、前記電流センサは、前記二次巻線の電流を取得し、前記二次巻線の前記電流を使用して、前記一次巻線に一度に前記電圧を印加して前記二次巻線の電圧を前記コロナ点火装置の電流と同相にするように最終的に前記スイッチに指示する、コロナ点火システム。
7. 前記電流センサから取得された前記電流を表わす信号を受取って、前記一次巻線に一度に前記電圧を印加して前記二次巻線の電圧を前記コロナ点火装置の電流と同相にするように前記スイッチに指示するための比較器ブロックを含む、請求項６に記載のコロナ点火装置。
8. 前記電流センサからの前記電流を表わす信号を受取り、前記電流から不要な周波数を除去し、前記信号を最終的に前記比較器ブロックに送信する前に、少なくとも１２０°であって１８０°未満の電流信号の位相シフトを生じさせるためのローパスフィルタを含む、請求項７に記載のコロナ点火システム。
9. ローパスフィルタからの前記電流を表わす信号を受取り、前記信号を前記比較器ブロックに送信する前に前記信号をトランケートするクランプを含む、請求項８に記載のコロナ点火システム。
10. 共振周波数でコロナ点火装置を動作させる方法であって、
    コロナ点火装置に接続された二次巻線から電流を取得するステップを備え、前記二次巻線の前記電流は、前記コロナ点火装置の電流を示し、前記二次巻線は、一次巻線に接続され、前記方法はさらに、
    前記一次巻線に一度に電圧を印加して二次巻線の電圧を前記コロナ点火装置の前記電流と同相にするようにスイッチに指示するステップを備える、方法。
11. 前記電流を表わす信号を比較器ブロックに送信するステップを含み、前記比較器ブロックは、前記一次巻線に前記電圧を印加するように前記スイッチに指示する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記電流を表わす前記信号から不要な周波数を除去し、前記比較器ブロックに送信する前に、少なくとも１２０°であって１８０°未満のこの信号の位相シフトを生じさせるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. この信号を前記比較器ブロックに送信する前に、前記電流を表わす前記信号をトランケートするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記二次巻線から電流を取得するステップは、前記コロナ点火装置に入る電流を検出し、前記コロナ点火装置に入る前記電流が名目上ゼロである場合に前記コロナ点火装置に正の電圧を印加するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記二次巻線から電流を取得するステップは、前記コロナ点火装置から出て行く電流を検出し、前記コロナ点火装置から出て行く前記電流が名目上ゼロである場合に前記コロナ点火装置に負の電圧を印加するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
16. 電力増幅器回路であって、
    各々がコアに巻き付けられた２つの一次巻線および出力巻線を含むＲＦ変圧器を備え、前記出力巻線は、抵抗器を含み、
    前記一次巻線は、一端が可変ＤＣ電圧源に接続され、各々の一次巻線の他端は、スイッチに取付けられ、前記ＤＣ電圧源から前記スイッチに電流が流れ、
    前記電力増幅器回路はさらに、
    前記ＲＦ変圧器の前記出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタと、
    前記出力巻線の他端に接続され、接地に接続された抵抗器とを備え、前記ＤＣ電圧源から前記スイッチに流れる電流は、前記コアに磁束を生じさせ、二次巻線の前記抵抗器で電圧を発生させ、この電圧は、前記スイッチのオンおよびオフタイミングを制御するために前記スイッチに戻される、電力増幅器回路。
17. 電力増幅器回路を動作させる方法であって、
    各々がコアに巻き付けられた２つの一次巻線および出力巻線を含むＲＦ変圧器を設けるステップを備え、前記出力巻線は、抵抗器を含み、前記一次巻線は、一端が可変ＤＣ電圧源に接続され、各々の一次巻線の他端は、スイッチに取付けられ、前記ＤＣ電圧源から前記スイッチに電流が流れ、前記方法はさらに、
    前記ＲＦ変圧器の前記出力巻線の一端に接続されたインダクタおよびキャパシタを設けるステップと、
    前記出力巻線の他端に接続され、接地に接続された抵抗器を設けるステップと、
    前記コアに磁束を生じさせ、二次巻線の前記抵抗器で電圧を発生させるために、前記ＤＣ電圧源から前記スイッチに電流を伝送するステップと、
    前記スイッチのオンおよびオフタイミングを制御するために、前記二次巻線の前記抵抗器で発生した前記電圧を前記スイッチに戻すステップとを備える、方法。

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