JP6416909B2 - コロナ点火システムにおける共振周波数検出のための方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本米国特許出願は、２０１３年１２月１２日に提出された米国仮特許出願番号第６１／９１５，０８８号（代理人番号７１０２４０−６７９３；ＩＡ−５０１２９）、２０１４年１月２４日に提出された米国仮特許出願番号第６１／９３１，１３１号（代理人番号７１０２４０−６８３０；ＩＡ−５０１３４）、２０１４年３月１１日に提出された米国仮特許出願番号第６１／９５０，９９１号（代理人番号７１２０４０−６９０１；ＩＡ−５０１４７）、２０１４年１０月３０日に提出された米国仮特許出願番号第６２／０７２，５３０号（代理人番号７１０２４０−７３４６；ＩＡ−５１０２９−１）、２０１４年１２月１０日に提出された米国仮特許出願番号第６２／０９０，０９６号（代理人番号７１０２４０−７３５６；ＩΑ−５０３５９）、２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，２１９号（代理人番号７１０２４０−７４０４；ＩＡ−５０１２９およびＩＡ−５０１２９−１）、２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，２６６号（代理人番号７１０２４０−７４０９；ＩＡ−５０１４７）、２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，３３０号（代理人番号７１０２４０−７４１０；１Ａ−５０３５９）、および２０１４年１２月１２日に提出された米国実用新案出願番号第１４／５６８，４３８号（代理人番号７１０２４０−７４１１；ＩＡ−５０１３４）の恩恵を主張し、各々の内容全体を引用によって本願明細書において援用する。

発明の背景
１．発明の分野
この発明は概して、コロナ放電点火システムに関し、より特定的には、システムに供給されるエネルギ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、交流電圧および電流を供給し、高電位電極と低電位電極とを高速で連続的に反転させ、コロナ放電の形成を強化し、アーク形成のための機会を最小化する。システムは、中央電極が高い無線周波数電圧電位に充電され、燃焼室において強い無線周波数電界を生成しているコロナ点火器を含む。電界は、燃焼室における燃料および空気の混合物の一部分をイオン化し絶縁破壊を開始させ、混合気の燃焼を容易にする。これは点火事象と称される。電界は、混合気が誘電特性を維持し、非熱的プラズマとも称されるコロナ放電が生じるように制御されることが好ましい。混合気のイオン化された部分は火炎前面を形成し、次いで自律的となり、混合気の残りの部分を燃焼する。電極と、点火器の接地筒壁、ピストン、金属シェル、または他の部分との間で熱プラズマおよび電気アークを生成することになるであろうすべての誘電特性を混合気が失わないように電界が制御されることが好ましい。コロナ放電点火システムの一例は、Ｆｒｅｅｎの米国特許番号第６，８８３，５０７号に開示されている。

その上、コロナ放電点火システムは、好ましくは、コロナ点火器の共振周波数に等しいかまたは近い駆動周波数でエネルギがコロナ点火器に供給されるように制御される。これにより、燃焼室において強固なコロナ放電につながる電圧増幅がもたらされる。コロナ点火器の共振周波数を検出することがこの高いレベルの制御を実現するために必要である。しかしながら、共振周波数の正確な検出は、特に広範囲の周波数において実現することが困難である。たとえばアーキング事象による動作中の共振周波数の変化によっても、共振周波数を正確に検出することが困難となる。

発明の概要
発明の１つの局面は、向上した共振周波数検出を含むコロナ点火システムを動作させる方法を提供する。当該方法は、コロナ事象と称される第１の期間中に第１の駆動周波数でコロナ点火器にエネルギを供給するステップを含む。当該方法は、同じくコロナ事象と称される第３の期間中に第３の駆動周波数でコロナ点火器にエネルギを供給するステップも含む。第３の期間は、第２の期間によって第１の期間から離間される。第２の期間中はコロナ点火器にエネルギが供給されず、したがって第２の期間は休止期間と称される。当該方法はさらに、コロナ点火器にエネルギが供給されない第２の期間中に、コロナ点火器の第１の出力電圧および第１の出力電流の少なくとも一方から、コロナ点火器の共振周波数を取得するステップを含む。

発明の別の局面は、向上した共振周波数検出を提供するコロナ点火システムを備える。当該システムは、コロナ点火器と、エネルギ源と、周波数検出器とを含む。コロナ点火器は共振周波数を有し、コロナ点火器は、第１の出力電圧および第１の出力電流を供給する。エネルギ源は、第１の期間中に第１の駆動周波数でコロナ点火器にエネルギを供給し、コロナ点火器にエネルギが供給されない第２の期間によって第１の期間から離間された第３の期間中に第３の駆動周波数でコロナ点火器にエネルギを供給する。周波数検出器は、コロナ点火器にエネルギが供給されない第２の期間中に、第１の出力電圧および第１の出力電流の少なくとも一方から、コロナ点火器の共振周波数を取得する。

第２の休止期間中にコロナ点火器の共振周波数を測定することによって、コロナ点火器にエネルギが供給されていない時、コロナ点火器の真の共振周波数の正確な測定値が取得される。この休止期間中は、測定された共振周波数は、システムの任意の他の構成要素ではなくコロナ点火器にのみ依存する。この正確な共振周波数測定値は次いで、次のコロナ事象中に、たとえば第３の期間中に、コロナ点火器に供給され、強固なコロナ放電を実現することができる。コロナ事象に直ちに後続する第２の休止期間中に共振周波数を測定することは好都合であり、さもなければ浪費されるコロナ点火器に蓄積されたエネルギを活用する。共振周波数は、各コロナ事象後に評価し調整されることができるか、または複数のコロナ事象にわたって評価され、次いで精度をさらに向上させるように調整されることができる。

図面の簡単な説明
本発明の他の利点は、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でより良く理解されるようになるため、容易に認識されることになる。

発明の第１の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第２の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 発明の第３の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システムのブロック図である。 コロナ点火器へのエネルギ供給のタイミングに対する共振周波数検出のタイミングを例示するグラフである。 エネルギが供給されずコロナ点火器に蓄積されたままである休止期間と比較した、コロナ点火器にエネルギが供給される時のコロナ事象中の負荷電流または電圧信号を例示するグラフである。

詳細な説明
本発明は、向上した共振周波数検出をもたらすコロナ放電点火システム２０および方法を提供する。システム２０は、ともに負荷と称され、共振周波数で動作する誘導コイルＬおよびキャパシタＣを含むコロナ点火器２２を備える。コロナ点火器２２は駆動周波数においてエネルギを受取り、入力２４において電流および電圧を供給する。エネルギ源Ｖ３は、コロナ事象と称される第１の期間中、かつコロナ点火器２２が燃焼室においてコロナ放電２６を供給している間、第１の駆動周波数でコロナ点火器２２にエネルギを供給する。コロナ点火器２２へのエネルギ供給は、休止期間と称される第２の期間１０２中は中止され、別のコロナ事象と称される第３の期間１０３中に再び供給される。第１の期間１０１中に供給されるエネルギの一部は第２の休止期間１０２中にコロナ点火器２２に蓄積される。この蓄積されたエネルギの共振周波数は、システム２０の任意の他の構成要素ではなくコロナ点火器２２にのみ依存し、したがって、システム２０の真の共振周波数を正確に表す。周波数検出器、たとえば電流センサ３６または電圧センサ７８は、コントローラ２８と共同して、この休止期間中に共振周波数を取得する。センサ３６または７８は、出力電圧または出力電流を含む信号５４または８０を典型的に伝達し、当該信号を解析のためにコントローラ２８に供給する。コントローラ２８が共振周波数を識別すると、好ましくは休止期間１０２中に制御ソフトウェアを調整することができ、したがって第３の期間１０３中に適用される駆動周波数は、正確に測定された共振周波数と一致する。コントローラ２８は代替的に、複数のサイクルから共振周波数の測定値を受取り、次いでそれらの正確に測定された共振周波数から取得される平均共振周波数値と一致するようにその後のコロナ事象の駆動周波数を調整することができる。

向上した共振周波数検出を提供するコロナ点火システム２０の例示的な実施形態が図１〜図３に示される。これらのシステム２０は、関連する米国特許出願番号第１４／５６８２１９号、第１４／５６８２６６号および第１４／５６８３３０号にも記載されており、これらは引用によって本願明細書において援用される。各実施形態では、システム２０は、合わせて負荷と称され共振周波数で動作する、キャパシタＣに結合された誘導コイルＬを含むコロナ点火器２２を含む。コロナ点火器２２は、駆動周波数においてエネルギを受取り、コロナ点火器２２の入力２４において、出力電流および出力電圧と称される電流および電圧を供給する。内燃機関における動作中に、コロナ点火器２２は好ましくは、コロナ放電２６と称される高い無線周波数電界を発火端において形成して、エンジンの燃焼室内の燃料および空気の混合物を点火する。システム２０は、コロナ点火器２２に供給される駆動周波数とシステム２０のキャパシタンス／インダクタンス回路とを制御するコントローラ２８および一対のスイッチ３０Ａ，３０Ｂも含み、したがって駆動周波数は共振周波数に好ましくは維持される。駆動周波数が共振周波数に等しくなるようにシステム２０を動作させることにより、燃焼室における強固なコロナ放電２６につながる電圧増幅がもたらされる。

例示的な実施形態のコントローラ２８は、所定の時間にスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方を起動して、所望の駆動周波数を実現する。スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動されている時、エネルギは、電源Ｖ３から起動中のスイッチ３０Ａまたは３０Ｂを介してコロナ点火器２２に流れることができる。スイッチ３０Ａ，３０Ｂが起動されない時は、エネルギはコロナ点火器２２に流れることはできない。スイッチ３０Ａは第１のスイッチと称され、スイッチ３０Ｂは第２のスイッチと称されるが、スイッチ３０Ｂを代替的に第１のスイッチと称することができ、スイッチ３０Ａを第２のスイッチと称することができる。いずれの場合にも、スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方のみが起動しており、コロナ点火システム２０の動作中の任意の所与の時間にコロナ点火器２２にエネルギを供給している。したがって、コントローラ２８は、第２のスイッチ３０Ｂを起動する前に第１のスイッチ３０Ａを停止し、逆もまた同様であり、したがって２つのスイッチ３０Ａ，３０Ｂは同時には起動しない。たとえば、出力電流が正の時は常に、第１のスイッチ３０Ａが起動しており、ゆえにコロナ点火器２２にエネルギを供給し、出力電流が負の時は常に、第２のスイッチ３０Ｂが起動しており、ゆえにコロナ点火器２２にエネルギを供給する。好ましくは、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの起動は、コロナ点火器２２の共振周波数と同期される。

システム２０は、他のシステムと比較してはるかに広範囲の周波数で動作することが可能である。本明細書に記載されるシステムにおいて採用されることができる共振周波数制御の方法は、関連する米国特許出願番号第１４／５６８２１９号、第１４／５６８２６６号、および第１４／５６８３３０号に開示されていることも注記する。これらは、引用によって本願明細書において援用される。各出願は、本願と同じ発明者を挙げ、本願と同じ日に提出されたものである。

図１は、第１の例示的な実施形態に係るコロナ放電点火システム２０のブロック図であり、コロナ放電点火システム２０は、コロナ点火器２２の共振周波数と等しいかまたはほぼ等しい駆動周波数を供給し維持することが可能である。コントローラ２８、スイッチ３０Ａ，３０Ｂ、コロナ点火器２２に加えて、システム２０は、第１のドライバ３２Ａおよび第２のドライバ３２Ｂと称される一対のドライバ３２Ａ，３２Ｂも含む。図１のシステム２０はさらに、変圧器３４、第１の電流センサ３６、第１のローパスフィルタ３８、および第１の信号調整装置４０を含む。コロナ点火器２２の出力電流は、入力２４における電流と等しく、第１の電流センサ３６によって測定される。

システム２０はコントローラ２８によって制御される。コントローラ２８は、好ましくはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、複合プログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどの、プログラマブルデジタルコントローラまたはプログラマブル混合信号コントローラである。コントローラ２８は、燃焼室においてコロナ放電２６の発生を開始させるようコントローラ２８に命じるトリガ入力信号４２を受信する。コントローラ２８は、アークが検出されたことを任意の外部制御システム（図示せず）に通知するためのアーク検出出力信号４４、ならびに任意の外部制御システムに回路の健康状態および動作に関する追加的なデータを供給するためのフィードバック出力信号４６も供給する。コントローラ２８との間で伝達されるトリガ入力信号４２、アーク検出出力信号４４およびフィードバック出力信号４６は、ＥＭＣフィルタ４８と称される電磁両立性フィルタおよび他の入力フィルタ４９によってフィルタリングされる。トリガ入力信号４２に応答して、コントローラ２８は、スイッチ３０Ａ，３０Ｂを制御するドライバ３２Ａ，３２Ｂに駆動信号５０を供給する。スイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動中である時、直流電圧であるエネルギＶ３が変圧器３４の一次巻線５２に印加される。変圧器３４はその場合、入力２４を介して、エネルギをコロナ点火器２２に駆動周波数で供給する。例示的な実施形態では、変圧器３４は「プッシュプル」構造として当該分野で知られている構造を有する。

図１のシステム２０では、コロナ点火器２２から供給される電流（出力電流）は、任意の好適な技術を用いて、第２の休止期間１０２中に第１の電流センサ３６において測定される。第１の電流センサ３６は、たとえば分路抵抗器、ホール効果センサ、または変流器であり得る。コロナ点火器２２の出力電流の測定値を含む電流出力信号５４は、第１の電流センサ３６からコントローラ２８に向かって伝達される。好ましくは、この電流出力信号５４は、コントローラ２８に伝達される前に第１のローパスフィルタ３８によって軽くフィルタリングされる。第１のローパスフィルタ３８は、電流出力信号５４において、電流の発振期間より小さい位相シフトを生じさせる。一実施形態では、位相シフトは１８０度であるが、好ましくは位相シフトは１８０度未満であり、より好ましくは、位相シフトは２分の１サイクル未満である９０度未満である。第１のローパスフィルタ３８は、大電流および電圧を切替えることによって生成される不要な高周波ノイズも除去する。フィルタリングされた電流出力信号５４は、次いで、第１の信号調整装置４０に転送される。第１の信号調整装置４０は、コントローラ２８に転送するために電流出力信号５４を安全にする。したがって、電流出力信号５４は、コントローラ２８によって安全に処理することができるレベルにある。出力電流は、各コロナ事象後にコントローラ２８に典型的に供給されるが、コントローラ２８に供給される前に複数のコロナ事象について測定されてもよい。

コントローラ２８は、第２の休止期間１０２中に第１の電流センサ３６によって取得された電流測定値を有する電流出力信号５４を受信し、当該電流測定値を用いて、コロナ点火器２２の共振周波数と、スイッチ３０Ａ，３０Ｂを起動して共振動作を与えるための最適なタイミングとを識別する。コントローラ２８は、様々な異なる技術を用いて、電流出力信号５４に基づいてコロナ点火器２２の共振周波数を識別することができる。

例示的な実施形態では、起動されるべき第１のスイッチ３０Ａまたは第２のスイッチ３０Ｂのタイミングをコントローラ２８が決定すると、コントローラ２８は、第１のスイッチ３０Ａを起動するように第１のドライバ３２Ａに指示するか、または第２のスイッチ３０Ｂを起動するように第２のドライバ３２Ｂに指示する。ドライバ３２Ａ，３２Ｂは、所定の時間にスイッチ３０Ａ，３０Ｂを起動するように指示され、したがってスイッチ３０Ａ，３０Ｂによって変圧器３４に、かつ最終的にはコロナ点火器２２に伝達されるエネルギの駆動周波数は、コロナ点火器２２の共振周波数と等しい。この例示的な実施形態では、駆動周波数がコロナ点火器２２の共振周波数と等しくなるように、コロナ点火器２２の出力電流がゼロと交差するたびにスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方が起動される。

システム２０の動作中の任意の所与の時間にスイッチ３０Ａまたは３０Ｂの一方のみが起動していることが重要である。たとえば、コントローラ２８は、出力電流がゼロと交差する時に、第１のドライバ３２Ａを起動することができ、その結果第１のスイッチ３０Ａが起動される。次に、コントローラ２８は、第１のドライバ３２Ａおよび第１のスイッチ３０Ａをオフにし、次いで、出力電流が次にゼロと交差する時に、第２のドライバ３２Ｂを起動し、その結果第２のスイッチ３０Ｂが起動される。コントローラ２８は、第１の信号調整装置４０から受信した各電流出力信号５４を解析して共振周波数を正確に検出することができ、必要であればスイッチ３０Ａ，３０Ｂのタイミングを調整することができる。

図２は、発明の第２の例示的な実施形態に係るコロナ放電２６点火システム２０のブロック図であり、図１のシステム２０のように動作するが、いくつかの追加的な特徴を含む。追加的な１つの特徴は、システム２０の様々な機能セクションが、互いに離間された制御系統接地５６、電源系統接地５８および負荷接地６０を含む点である。この技術は、ＥＭＩおよび／または電磁両立性（ＥＭＣ）を向上させるために用いられる。制御系統接地５６は、ガルバニック絶縁６２によって電源系統接地５８から絶縁される。変圧器３４が電源系統接地５８を負荷接地６０から絶縁し、この絶縁は第１の電流センサ３６とコントローラ２８との間で維持されなければならない。電源系統接地５８と負荷接地６０との間の絶縁は、第１のローパスフィルタ３８または第１の信号調整装置４０においてガルバニック絶縁６２を追加することによって実現され得る。あるいは、電源系統接地５８と負荷接地６０との間の絶縁は、無視できる電流のみが装置を流れることができる差動モードで第１のローパスフィルタ３８または第１の信号調整装置４０を動作させることによって実現されることができる。図２のシステム２０では、第１の信号調整装置４０のみが差動モードで動作して、負荷接地６０から電源系統接地５８を絶縁する。これらの方法のうち１つ以上が採用され得る。

図２のシステム２０の別の追加的な特徴は、変圧器３４の一次側の第２のスイッチ３０Ｂの電流の振幅を測定するための第２の電流センサ６４である。第２の電流センサ６４は、具体的には第２のスイッチ３０Ｂの出力における電流を測定する。あるいは、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの各々に第２の電流センサ６４があり得る。第２の電流センサ６４は、追加的なフィードバック信号５５をコントローラ２８に供給し、第１の電流センサ３６のみの位相測定では可能でない有益な診断情報を与える。たとえば、スイッチ３０Ａ，３０Ｂの出力における電流を測定することによって、負荷回路内の開路または短絡を検出することが可能である。その上、図２のシステム２０は、コントローラ２８にフィードバック信号５５を供給する前に電流出力信号５４を軽くフィルタリングするために電流センサとコントローラ２８との間に配置される第２のローパスフィルタ６６を含む。

図３は、発明の第３の例示的な実施形態に係るコロナ放電２６点火システム２０のブロック図である。図３のシステム２０もガルバニック絶縁６２を含むが、この実施形態では、ガルバニック絶縁６２は、コントローラ２８のエネルギ入力側およびエネルギ出力側の両方に位置し、３つの接地５６，５８，６０を完全に離間する。回路がより少数の接地を用いて動作するように設計される場合、ガルバニック絶縁６２によってもたらされる障壁の一方または両方を省略することができる。

図３のシステム２０は、電圧フィードバック巻線６８と称される別の巻線をさらに含む。電圧フィードバック巻線６８によって供給される電圧は、コロナ点火器２２の入力２４における電圧を反映する。電圧センサ７８は、好ましくは、この電圧を測定するために電圧フィードバック巻線６８の出力に配置される。出力電圧を含む出力信号８０が次いで、第２の低域フィルタ６６を介してコントローラ２８に転送される。第２の低域フィルタ６６は、コントローラ２８に電圧出力信号８０を供給する前に電圧出力信号８０を軽くフィルタリングする。また、図１および図２のシステム２０とは異なり、制御信号７２が図３のコントローラ２８に供給される。制御信号７２は、アーキングが発生したかどうかまたは所望の電圧などの、コロナ点火器２２の動作に関連する任意の情報を含むことができる。

図１〜図３に示される例示的なシステム２０の特徴および関連出願に示される特徴は、本願明細書において具体的に記載されたもの以外に様々な組合せで用いてもよい。しかしながら、システム２０は、その共振周波数において、またはその付近で交流信号によってコロナ点火器２２を駆動することと、この交流駆動信号を有効にし、かつ無効にすることと、コロナ点火器２２における電流または電圧の周波数を測定することとができる能力を有するべきである。具体的には、１０個のゼロ交差、好ましくは５つ未満のゼロ交差など最少発振数で周波数を正確に識別することが可能であるべきである。

本発明のシステムは、正確な共振周波数検出の方法を実施して、強固なコロナ放電２６を含む非凡な性能を実現することが可能である。図４は、システムの１つのチャンネルについての２つのコロナ事象１０１，１０３に関する共振周波数検出の、時間またはエンジンクランク角に基づく時間的な配置を示す。たとえば図１〜図３に示されるように、チャンネルは１つのコロナ点火器２２を含む。しかしながら、たとえばマルチシリンダーエンジン用途では複数のチャンネルが用いられてもよく、システム全体を複製することによって実装されることができる。あるいは、複数のチャンネルは、複数の出力を駆動するために好適なスイッチングを有する１つのシステムを用いることによって実装されることができる。いずれの場合でも、動作原理は不変である。システムの動作中に、１つ以上の制御入力、たとえばエンジン制御ユニットからのトリガ入力信号４２に応答してコロナ放電２６が生じ、必要とされる瞬間に点火をもたらす。

図４において、コントローラ２８、ドライバ３２Ａ，３２Ｂおよびスイッチ３０Ａ，３０Ｂが時間２００においてコロナ点火器にエネルギを印加し始めると、第１の期間１０１と称される第１のコロナ事象が始まる。コロナ発生回路への外部入力に応答して時間２０１において回路が無効とされると、第１の期間１０１が終わる。第１のサイクルでは、Ｎ＝１である時、共振周波数はまだ測定されておらず、したがってシステムは、負荷の解析から導出された所定の周波数を使用してもよい。この所定の周波数は、コントローラ２８のソフトウェアにおいて典型的に規定される。あるいは、システム２０は、コントローラ２８のソフトウェアに蓄積され、システムの以前の動作期間中になされた測定から導出された周波数を、そのようなデータが利用可能であって蓄積されていれば、使用してもよい。

第１のコロナ事象１０１の終わり時刻と同時の、または終わり時刻後の時間２０２において、エネルギがコロナ点火器２２に供給されない、休止期間と称される第２の期間１０２が始まる。この休止期間中に、コロナ点火器２２またはコロナ回路に、典型的には１〜２５ミリジュールの領域にいくらかのエネルギ量が蓄積され得る。この蓄積されたエネルギは、評価されることができる出力電圧および出力電流の複数の発振中に消費される。電力を供給する駆動回路が無効にされた後でも、コロナ点火器２２に結合されたワイヤの抵抗などの寄生損失においてエネルギが消費されるまで、このエネルギはコロナ点火器２２の共振周波数でインダクタンスとキャパシタンスとの間で循環し続けることになる。この蓄積されたエネルギは通常は浪費されるが、本発明の方法では、負荷の真の共振周波数を識別するために評価される。

具体的には、第２の期間１０２中に、システムの周波数検出器は、コロナ点火器２２の第１の出力電圧と称される出力電圧または第１の出力電流と称される出力電流を測定し評価して、コロナ点火器２２の共振周波数の正確な測定値を取得する。一実施形態では、電流センサ３６または電圧センサ７８が出力電流または出力電圧を取得し、フィルタ３８または６６の一方は、１８０度以下、より好ましくは２分の１サイクル未満である９０度未満だけ信号をシフトする。

上述したように、この休止期間中に取得される共振周波数は、システム２０の他の構成要素ではなく、負荷だけに依存する。周波数検出器は、センサ３６もしくは７８、またはシステム２０の他の構成要素と共同して作動するコントローラ２８を典型的に含む。例示的な一実施形態によれば、第２の期間１０２中の共振周波数の測定および評価は、コロナ点火器２２の入力２４における出力電流の連続したゼロ交差どうしの間隔を測定することによって行われる。様々な異なる技術を用いて、コロナ点火器２２の入力２４における電流を測定することができる。たとえば、図１〜図３のシステムにおいて示される電流センサ３６は、出力電流を取得し、信号からノイズを除去する低域フィルタ３８に電流出力信号５４を供給することができる。あるいは、図３に示される電圧センサ８６は出力電圧を取得し、信号からノイズを除去する低域フィルタ６６に電圧出力信号８０を供給することができる。コントローラ２８は次いで、シフトされた電流または電圧信号のゼロ交差を評価して、システムの真の共振周波数を識別する。たとえば、コントローラ２８は、コロナ事象の終わり後にコロナ点火器２２の出力電流または出力電圧の連続したゼロ交差どうしの間隔を測定することができる。

好ましくは、共振周波数は、コロナ点火器へのエネルギ供給が中止された直後である休止期間１０２中の第１の持続時間３０１中に取得される。図４は、２０２で始まり、２０３で終わるこの第１の持続時間３０１を示す。この第１の期間３０１は測定期間と称されることが多い。第１の持続時間３０１の直後に、第２の持続時間３０２が後続し、コントローラ２８は制御ソフトウェアを調整し、正確に測定された共振周波数と一致するように、蓄積された駆動周波数値を変更する。図４はこの第２の期間が２０３で始まり、２０４で終わることを示し、２０４で次のコロナ事象が開始する。第２の持続時間３０２は、共振周波数が識別され処理されるために十分に長く、かつ次のコロナ事象の開始前に制御ソフトウェアが更新されるために十分長くなければならない。

測定期間を含むコロナ事象および休止期間の長さは変動し得る。しかしながら、例示的な実施形態では、各コロナ事象の持続時間は典型的に２０〜２５０マイクロ秒であり、各休止期間の持続時間は典型的に１５〜２４０ミリ秒であり、測定期間はわずか５〜２５マイクロ秒である。しかしながら、ある実施形態では、反復率が高いか、または１つのシステムによって複数のコロナ出力を提供しなければならず、第１の持続時間３０１（測定期間）はたとえば１ミリ秒未満より短くなり得る。この場合、共振周波数を評価するのに利用可能な時間は制限要因になり得る。そのような場合、非常に短い周期にわたって、たとえば１共振サイクルまたは２分の１共振サイクルで共振周波数を評価し、この共振周波数データを用いて多くのサイクルにわたって周波数の推定値を向上させることが必要であり得る。もちろん、共通回路が複数のコロナ点火器２２を駆動する場合、異なるコロナ点火器２２からの測定された共振周波数は別個に保たれ、個々に処理される必要がある。

図５は、第１の期間１０１（コロナ事象）の終わりのコロナ点火器２２の入力２４における電流または電圧信号の拡大図であり、その後、エネルギがコロナ点火器２２に供給されない、第１の期間１０１直後の第２の休止期間１０２中の電流または電圧信号が後続する。図５に示される第１の期間１０１の部分は、コロナ期間３００と称され、図５に示される第２の休止期間の部分は測定期間３０１である。コロナ期間３００中に、コントローラ２８によって周波数Ｆ１で負荷が駆動され、負荷に電圧を、または駆動周波数によって規定された負荷５００に電流を与える。この電流または電圧信号５００は、上記した技術などの、いくつかの利用可能な技術の任意の好都合な方法によって導出することができる。電流または電圧信号５００は、同じく上記したコントローラ２８によって解析に好適な電圧または電流信号を与える多くのやり方で処理されることもできる。

図５に示される例では、ゼロ交差信号５０１を与えるために、たとえば低域フィルタ３８によって信号５００が処理される。信号５００のゼロ交差とゼロ交差５０１の出力との間にわずかな位相シフトがある。これは、用いられる任意のフィルタリングまたは信号調整によって課された遅延によりシフトされ、システムまたは方法の動作に影響しない。一実施形態では、位相シフトは１８０度以下である。コロナ期間３００の終わり後、駆動エレクトロニクスが無効とされる。しかしながら、上述したように、休止期間中にいくらかのエネルギがコロナ点火器２２に蓄積される。蓄積されたエネルギは、負荷および駆動回路の寄生損失で完全に消費されるまで、測定期間３０１中に電気と磁気との間で発振し続ける。この測定期間３０１中には、発振は負荷の真の共振周波数である周波数Ｆ２を有する。したがって、コントローラ２８は、測定期間３０１中に共振周波数を評価し取得するように設計される。測定期間３０１の長さは、負荷信号５００が小さすぎて正確に検出することができないロック期間５０２の終わりの前に常に完了されるように設定されることができる。

あるいは、周波数Ｆ２を測定する代わりに、規定された数の移行を行なうための時間、または規定された時間における移行の数が測定され得る。移行の総数およびそれらにかかる時間を数えることを含み得る「スマートな」方法を用いることもできる。さらなる代替案は、負荷信号５００の直接解析またはいずれかの信号の周波数領域解析を含み、典型的にＦＦＴ解析を含む。電流または電圧信号種類のいずれかは、フィルタリング（アナログまたはデジタル）の適用、または予め規定された範囲の外側もしくは先行する間隔とは大きく異なるゼロ交差間隔の排除などによる、コントローラ２８によるさらなる処理を受けることができる。信号処理の他の周知の方法を用いることもできる。共振周波数Ｆ２が識別されると、測定期間３０１に後続する次のコロナ期間中に駆動周波数として直接に用いることができる。たとえば、複数の測定期間３０１にわたって取得された共振周波数Ｆ２測定値を平均することによって、推定される駆動周波数の精度を向上させるために共振周波数Ｆ２を用いることもできる。

第２の休止期間１０２中に正確な共振周波数測定値が取得された後、第３の期間１０３と称される次のコロナ事象が始まる。図４は、２０４で始まり２０５で終わる第３の期間１０３を示す。エネルギは、第３の期間１０３中にコロナ点火器２２に再び供給される。一実施形態では、第３の期間１０３中にコロナ点火器２２に供給される、第３の駆動周波数と称される駆動周波数は、第２の期間１０２中に取得される共振周波数と等しくなるようにコントローラ２８によって設定される。

第３の期間１０３後に、方法は、コロナ点火器２２にエネルギが供給されない、第４の期間１０４と称される別の休止期間を典型的に含む。ちょうど第２の休止期間１０２が第１の期間１０１に直ちに後続するように、この第４の休止期間１０４は、第３の期間１０３（コロナ事象）に直ちに後続する。図４は、２０５で始まるが終わりが示されていない第４の期間１０４を示す。この休止期間１０４も２０６で始まり２０７で終わる測定期間３０３から始まる。第４の休止期間１０４の持続時間は、第２の休止期間１０２の持続時間と等しいかまたは異なり得る。第２の出力電圧および第２の出力電流と称されるこの第４の休止期間１０４中のコロナ点火器２２の出力電圧および／または出力電流は、第２の休止期間１０２に取得されたのと同じように、周波数検出器によって測定され評価されて、負荷の共振周波数を取得する。

次に、エネルギ源は、第４の休止期間１０４によって第３の期間から離間された第５の期間（図示せず）中に第５の駆動周波数でコロナ点火器２２にエネルギを供給する。第５の期間は別のコロナ事象と称される。このコロナ事象の持続時間は、図４に示される先行するコロナ事象の持続時間と同じかまたは異なり得る。第４の休止期間１０４中に、コントローラは、第４の休止期間１０４中に測定された共振周波数と等しくなるように第５の駆動周波数を設定することができる。この場合、第５の駆動周波数は典型的に、第３の駆動周波数よりも、負荷の実際の共振周波数にわずかに近い。

休止期間によって互いに離間されたコロナ事象のサイクルは、上記したのと同じように継続することができる。たとえば、コロナ点火器２２にエネルギが供給されない第６の休止期間が第５の期間（コロナ事象）に後続することができる。この休止期間中のコロナ点火器２２の出力電圧および電流は、第３の出力電圧および第３の出力電流と称される。第３の出力電圧および第３の出力電流の少なくとも一方は、コロナ点火器２２の入力２４において測定され、周波数検出器によって評価されて、第６の休止期間中に負荷の共振周波数を取得することができる。制御ソフトウェアは、第２および第４の休止期間中に更新されたのと同じように、第６の休止期間中に再び更新されることができる。

第６の休止期間後、エネルギ源は第７の期間（図示せず）中に第７の駆動周波数でコロナ点火器２２にエネルギを供給することができる。第７の期間は、第６の休止期間によって第５の期間から離間される別のコロナ事象である。このコロナ事象の持続時間は、先行するコロナ事象の持続時間と同じかまたは異なり得る。第６の休止期間中に、コントローラ２８は、第６の休止期間中に測定された共振周波数と等しくなるように第７の駆動周波数を設定することができる。この場合、第７の駆動周波数は典型的に、第５の駆動周波数よりも、負荷の実際の共振周波数にわずかに近い。

別の実施形態では、直前の休止期間中に取得された共振周波数測定値と一致するように各コロナ事象の駆動周波数を変更する代わりにまたはそれに加えて、コントローラは、コロナ点火器２２にエネルギが供給されない第２の期間、第４の期間および第６の期間中に取得された共振周波数測定値を平均して、平均共振周波数値を取得することができる。この平均共振周波数値は、将来のコロナ事象中にコロナ点火器２２に適用することができる。たとえば、エネルギ源は、エネルギがコロナ点火器２２に供給されない第８の期間によって第７の期間から離間された第９の期間中に第９の駆動周波数でコロナ点火器２２にエネルギを供給することができる。第９の駆動周波数は、コントローラ２８によって供給される平均共振周波数値と等しい。

本発明のシステム２０および方法は、比較のためのシステムに対する複数の利点をもたらす。たとえば、１つの比較のためのシステムは、異なる周波数で多くの試行を行ない、フィードバックパラメータ（例えば電流フロー、出力電圧、および／またはエネルギ使用量）を用いることによって、負荷の共振周波数に近似することを試み、共振に最も近い試行を識別することを試みる。別の比較のためのシステムは、ドライバ回路が通電されている間、相当な数の共振サイクルにわたって電圧と電流との間の位相差を減少させるように共振周波数を調整する。別の比較のためのシステムは、動作中に負荷電流の位相を測定し、この情報を用いて、適切な位相で電子スイッチを直接駆動し、したがってシステムは共振で動作する。しかしながら、この技術はある周波数範囲に限定される。しかしながら本発明のシステム２０および方法は、システムの動作サイクルにおいて通常休止している時間に共振周波数の測定を可能にし、通常浪費されるコロナ点火器２２に蓄積されたエネルギを用いる。コロナ点火器２２に電源供給されていない間に共振周波数を測定することによって、本発明のシステムは、複数の試行の必要性、およびコロナ点火サイクルにおいて余分な電力供給された位相を導入する必要性なしに、共振周波数のより正確な測定値を取得する。共振周波数の完全な測定はすべてのコロナ事象後に行うことができ、測定は、サイクルごとに評価され用いることができる。複数のサイクルにわたる測定は必要とされないが、共振周波数測定の精度を反復して向上させるように行われることができる。

明らかに、本発明の多くの変更および変形が上記の教示に照らして可能であり、具体的に記載された以外のやり方で、請求項の範囲内において実施され得る。

Claims (20)

1. コロナ点火システムを動作させる方法であって、
   第１の期間中に第１の駆動周波数で、かつコロナ点火器にエネルギが供給されない第２の期間によって前記第１の期間から離間された第３の期間中に第３の駆動周波数で、前記コロナ点火器にエネルギを供給するステップと、
   前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第２の期間中に、前記コロナ点火器の第１の出力電圧および第１の出力電流の少なくとも一方から、前記コロナ点火器の共振周波数を取得するステップとを備える、方法。
2. 前記第３の駆動周波数は、前記第２の期間中に取得される前記共振周波数と等しい、請求項１に記載の方法。
3. 前記第３の期間中に前記コロナ点火器に供給されるエネルギが前記第１の駆動周波数から前記第３の駆動周波数に変化するように、前記第２の期間中に制御ソフトウェアを調整することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第４の期間によって前記第３の期間から離間された第５の期間中に第５の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給することと、
   前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第６の期間によって前記第５の期間から離間された第７の期間中に第７の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給することと、
   前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第４の期間中に、前記コロナ点火器の第２の出力電圧および第２の出力電流の少なくとも一方から、前記コロナ点火器の共振周波数を取得することと、
   前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第６の期間中に、前記コロナ点火器の第３の出力電圧および第３の出力電流の少なくとも一方から、前記コロナ点火器の共振周波数を取得することと、を含み、
   前記第５の駆動周波数は、前記第４の期間中に取得される前記共振周波数と等しく、
   前記第７の駆動周波数は、前記第６の期間中に取得される前記共振周波数と等しい、請求項２に記載の方法。
5. 前記コロナ点火器にエネルギを供給するステップは、前記第２の期間において中止され、前記コロナ点火器の共振周波数を取得するステップは、前記エネルギが中止された直後に行われる、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の期間は、第２の持続時間が後続する第１の持続時間を含み、前記第１の持続時間中にのみ前記共振周波数を取得することと、前記コロナ点火器に供給される前記エネルギが前記第１の駆動周波数から前記第３の駆動周波数に変化するように、前記第２の持続時間中に制御ソフトウェアを調整することと、を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の期間中に前記コロナ点火器に供給される前記エネルギの一部分を前記第２の期間中に前記コロナ点火器に蓄積することを含み、前記共振周波数は、前記蓄積されたエネルギから取得される、請求項１に記載の方法。
8. 前記蓄積されたエネルギは１〜２５ミリジュールであり、前記第１の出力電流および前記第１の出力電圧の複数の発振を含み、前記共振周波数は、前記蓄積されたエネルギの前記第１の出力電流および前記第１の出力電圧の少なくとも一方から取得される、請求項７に記載の方法。
9. 前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得するステップは、前記第１の出力電流および／または前記第１の出力電圧を含む信号を取得することと、１８０度以下だけ前記信号をシフトすることと、前記シフトされた信号のゼロ交差を評価することとを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記シフトされた信号の連続したゼロ交差間の間隔を測定することによって、前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第４の期間によって前記第３の期間から離間された第５の期間中に第５の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給することと、
    前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第４の期間中に、前記コロナ点火器の第２の出力電圧および第２の出力電流の少なくとも一方から、前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得することと、
    前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第６の期間によって前記第５の期間から離間された第７の期間中に第７の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給することと、
    前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第６の期間中に、前記コロナ点火器の第３の出力電圧および第３の出力電流の少なくとも一方から、前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得することと、
    前記第２の期間、前記第４の期間および前記第６の期間中に取得された前記共振周波数を平均して、平均共振周波数値を取得することと、
    前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第８の期間によって前記第７の期間から離間された第９の期間中に第９の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給することと、を含み、
    前記第９の駆動周波数は、前記平均共振周波数値と等しい、請求項１に記載の方法。
12. コロナ点火システムであって、
    共振周波数を有するコロナ点火器を備え、前記コロナ点火器は、第１の出力電圧および第１の出力電流を供給し、さらに、
    第１の期間中に第１の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給し、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第２の期間によって前記第１の期間から離間された第３の期間中に第３の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給するエネルギ源と、
    前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第２の期間中に、前記第１の出力電圧および前記第１の出力電流の少なくとも一方から、前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得する周波数検出器とを備える、コロナ点火システム。
13. 前記第３の駆動周波数は、前記第２の期間中に取得される前記共振周波数と等しい、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１の期間中に前記コロナ点火器に供給されたエネルギの少なくとも一部分は、前記第２の期間中に前記コロナ点火器に蓄積され、前記共振周波数は、前記蓄積されたエネルギから取得される、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記周波数検出器は、前記コロナ点火器からの前記第１の出力電流および／または前記第１の出力電圧を含む信号を受信し、前記信号から前記共振周波数を判定するコントローラを含む、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記周波数検出器は、前記コロナ点火器の入力から前記第１の出力電流または前記第１の出力電圧を取得するセンサをさらに含み、前記センサは、前記第１の出力電流または前記第１の電圧出力を含む前記信号を前記コントローラに伝達する、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記センサから前記信号を受信し、シフトされた前記信号を前記コントローラに供給する前に、前記信号を１８０度以下だけシフトする低域フィルタを含み、前記コントローラは、前記シフトされた信号から前記共振周波数を判定する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記コントローラは、前記コロナ点火器に供給されるエネルギが前記第１の駆動周波数から前記第３の駆動周波数に変化するように、前記第２の期間中に調整される制御ソフトウェアを含む、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記エネルギ源は、電源と、前記電源から前記コロナ点火器にエネルギを供給する一対のスイッチとを含む、請求項１２に記載のシステム。
20. 前記エネルギ源は、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第４の期間によって前記第３の期間から離間された第５の期間中に第５の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給し、
    前記エネルギ源は、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第６の期間によって前記第５の期間から離間された第７の期間中に第７の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給し、
    前記周波数検出器は、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第４の期間中に前記コロナ点火器の第２の出力電圧および第２の出力電流の少なくとも一方から前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得し、
    前記周波数検出器は、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第６の期間中に前記コロナ点火器の第３の出力電圧および第３の出力電流の少なくとも一方から前記コロナ点火器の前記共振周波数を取得し、
    前記コントローラは、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない前記第２の期間、前記第４の期間および前記第６の期間中に取得された前記共振周波数を平均して、平均共振周波数値を取得し、
    前記エネルギ源は、前記コロナ点火器にエネルギが供給されない第８の期間によって前記第７の期間から離間された第９の期間中に第９の駆動周波数で前記コロナ点火器にエネルギを供給し、
    前記第９の駆動周波数は、前記コントローラによって供給される前記平均共振周波数値と等しい、請求項１２に記載のシステム。

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