JP6894369B2 - 内燃機関用の点火システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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Ｌ_１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ_２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Ｃ_１とを備え、第１の共振周波数ｆ_１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Ｃ_２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ｆ_２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ｆ_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄ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。

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。

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。

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、Ｃ_１の値は、Ｃ_１＜Ｌ_２Ｃ_２／（１＋０．５ｋ）Ｌ_１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。

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、Ｃ_１の値は、Ｃ_１＞Ｌ_２Ｃ_２／（１−０．５ｋ）Ｌ_１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。

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Ｌ_１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ_２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Ｃ_１とを備え、第１の共振周波数ｆ_１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Ｃ_２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ｆ_２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ｆ_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄ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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 並列負荷抵抗Ｒ_ｐ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。 点火システムの実施形態例の別の概要回路図である。 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。 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。 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ω_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ω_ｄの変化を示す正規化されたグラフである。 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。

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。

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ω_１に関連する第１の共振周波数ｆ_１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ｆ_２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ω_２に関連し、第２の共振周波数ｆ_２は、第１の共振周波数ｆ_１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ｆ_ｃ（図４に示し後に説明する）又は角周波数ω_ｃとディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄ（同様に図４に示し後に説明する）又は角周波数ω_ｄ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ｆ_ｄのみを有する。

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ｆ_ｃ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ｆ_ｃ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。

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ｆ_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄ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。

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Ｌ_１及び二次インダクタンスＬ_２を有する。直列コンデンサ２４は、キャパシタンスＣ_１を有し、二次負荷は、キャパシタンスＣ_２及び並列抵抗Ｒ_ｐを有する。第１共振周波数ｆ_１（又は関連する角共振周波数ω_１）及び二次共振周波数ｆ_２（又は関連する角共振周波数ω_２）が同じである（ω_１，２＝１／Ｌ_１Ｃ_１＝１／Ｌ_２Ｃ_２）場合、点火回路は２つの共振周波数、

を有することを示すことができ、式中、ω_ｄ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）、ω_ｄ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ω_ｃは、一次共振周波数及び二次共振周波数ω_１＝ω_２より低く、ディファレンシャルモード共振周波数ω_ｄは、ω_１＝ω_２より高い。図４及び上記式を参照すると、ｆ_１＝ｆ_２＝５ＭＨｚ及びｋ＝０．２より、ｆ_ｃ＝４．６ＭＨｚ及びｆ_ｄ＝５．６ＭＨｚが与えられる。

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Ｒ_ｐは低下し、ω_ｃ及びω_ｄはともに（図６（ｂ）に示すように）低下する。Ｒ_ｐが値ω_２Ｌ_２に近づく際、コモンモード共振周波数ω_ｃはゼロに近づき、ω_ｄはω_１に近づく。Ｒ_ｐがω_２Ｌ_２より小さい場合、コモンモード共振周波数ω_ｃはなく、ω_ｄ＝ω_１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。

二次側における最大電圧Ｖ_２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｜Ｖ_２｜／｜Ｖ_１｜は、結合係数ｋとは無関係であり、既知の公式

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、ｋ^２＞１／Ｑ_１．１／Ｑ_２であるべきであり、式中、

及び

は、一次回路及び二次回路のＱ値である。Ｒ_１及びＲ_２については、より詳細に後述する。

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。

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Ｌ_２＝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Ｃ_２＝７ｐＦであり、その結果、二次共振周波数はｆ_２＝ω_２／２π＝５．３ＭＨｚとなる。一次巻線１１２．１は、１．７ｎＦのキャパシタンスＣ_１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ｆ_１＝ω_１／２π＝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Ｑ_１＝Ｑ_２＝１００であり、それにより、ｋ＞０．０５に対して、積Ｑ_２Ｑ_２ｋ^２＞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Ｖ_１＝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

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Ｐ_２＝Ｖ^２／Ｒ＝２ｋＷである。

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Ｌ_２＝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ｆ_２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Ｌ_１＝４μＨとなり、共振周波数ｆ_１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Ｖ_１＝１ｋＶであり、出力電圧は約Ｖ_２＝４３ｋＶである。

図６（ａ）に示すように、負荷抵抗Ｒ_ｐの関数として負荷１４に送達される電力Ｐ_２＝Ｖ_２ ^２／Ｒ_ｐ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ｆ_ｃ、代替的にディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄ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ｆ_{ｃｏｎｓｔ}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。

図６（ａ）から、コモンモード共振周波数ｆ_ｃ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ｆ_{ｃｏｎｓｔ}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ｆ_ｄ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。

コロナが成長する際の負荷キャパシタンスＣ_２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Ｖ_２は、コモンモード共振周波数ｆ_ｃでシステムを駆動する場合よりはるかに低くなる。

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。

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。

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Ｃ_１に、及び駆動回路２２に接続される。キャパシタンスＣ_１及びインダクタンスＬ_１は、第１の角共振周波数ω_１ ^２＝１／Ｌ_１Ｃ_１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Ｑ_１を有し、それにより、角周波数ωにおける損失は、Ｑ_１＝ωＬ_１／Ｒ_１によって与えられる等価の直列抵抗Ｒ_１又は等価の並列抵抗によって提示することができる。

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Ｃ_２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Ｒ_ｐによって提示することができる。キャパシタンスＣ_２及びインダクタンスＬ_２は、二次角共振周波数ω_２ ^２＝１／Ｌ_２Ｃ_２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Ｑ_２は、Ｑ_２＝Ｒ_ｐ／ωＬ_２によって与えられる。以下の記述は、抵抗Ｒ_ｐ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。

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ω_１又は第２の角周波数ω_２のいずれとしても共振しないが、（図４においてＲ_ｐ＞１００ｋΩに対して示すように）コモンモード共振周波数ｆ_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄと呼ばれる２つの他の共振周波数を有する。

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ω_１＝ω_２（すなわち、Ｌ_１Ｃ_１＝Ｌ_２Ｃ_２）に対して、コモンモード角共振周波数は、ω_ｃ ^２＝ｗ_１ ^２／（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、ω_ｄ ^２＝ｗ_１ ^２／（１−ｋ）によって与えられる。しかしながら、ω_１がω_２より大きくなる（ω_１＞ω_２）と、コモンモード周波数は第２の共振周波数に近くなり（ω_ｃ→ω_２）、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（ω_ｄ→ω_１）。同様に、ω_１がω_２より小さくなる（ω_１＜ω_２）と、ω_ｃ→ω_１及びω_ｄ→ω_２となる。これは、周波数がω_２に関して正規化される、図８に示されている。

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Ｉ_１（図１）は、供給電圧Ｖ_０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。

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｜Ｖ_２｜｜Ｉ_２｜＝Ｑ_ｅｆｆＶ_０Ｉ_１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｜Ｖ_２｜及び二次電流｜Ｉ_２｜の大きさの積によって提示され、供給される電力は、Ｖ_０及びＩ_１（それらは同相である）によって与えられ、Ｑ_ｅｆｆ＞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、Ｑ_ｅｆｆ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。

ω_１＝ω_２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、ω_１＝ω_２（すなわち、Ｌ_１Ｃ_１＝Ｌ_２Ｃ_２）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、Ｑ_ｅｆｆ≒Ｑ_１Ｑ_２／（Ｑ_１＋Ｑ_２）又はＱ_ｅｆｆ ^−１＝Ｑ_１ ^−１＋Ｑ_２ ^−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（Ｑ_１＜Ｑ_２）、それにより、望ましくない有効Ｑ値は、Ｑ_ｅｆｆ＜Ｑ_１＜Ｑ_２となる。

しかしながら、ω_１≠ω_２である場合、有効Ｑ値Ｑ_ｅｆｆ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）＝（−ω_２ ^２／ω_２＋１）^２／ｋ^２を用いて、Ｑ_ｅｆｆ ^−１（ω_ｃ）≒ｇ（ω_ｃ）Ｑ_１ ^−１＋Ｑ_２ ^−１及びＱ_ｅｆｆ ^−１（ω_ｄ）≒ｇ（ω_ｄ）Ｑ_１ ^−１＋Ｑ_２ ^−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ω_２に近づく、すなわち、ω_ｃ，ｄ→ω_２である際に、その共振における有効Ｑ値はＱ_２に近づき、すなわち、Ｑ_ｅｆｆ（ω_ｃ，ｄ）→Ｑ_２である。

ω_１はω_２より係数ｒだけ大きいか又は小さい、すなわち、ω_１＝ｒω_２であるものとする。そして、図９から、ω_１がω_２より大きくなる（ω_１＞ω_２）と、ｇ（ω_ｃ）→０となり、Ｑ_ｅｆｆ（ω_ｃ）→Ｑ_２となり、コモンモード共振がより効率的になり、ω_１がω_２より小さくなる（ω_１＜ω_２）と、ｇ（ω_ｄ）→０となり、Ｑ_ｅｆｆ（ω_ｄ）→Ｑ_２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。

図はまた、ｇ≦ｋ／（４｜１−ω_１／ω_２｜）を示す。これにより、ω_１ ^２＝１／Ｌ_１Ｃ_１及びω_２ ^２＝１／Ｌ_２Ｃ_２に関して有効なＱ値の向上を推定することができる。

Ｑ_１の効果は、

、すなわち、

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、

、Ｑ_１の効果は、

である場合、コモンモード共振では半分未満となる。

Ｑ_１の効果は、

、すなわち、
Ｌ_２Ｃ_２＜（１−ｋ）Ｌ_１Ｃ_１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、

、Ｌ_２Ｃ_２＞（１＋ｋ）Ｌ_１Ｃ_１である場合、コモンモード共振では半分未満となる。

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。

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。

Claims (8)

1. 第１のインダクタンスＬ_１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ_２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Ｃ_１とを備え、第１の共振周波数ｆ_１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Ｃ_２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ｆ_２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共振回路に接続された駆動回路とを備える点火システムであって、
   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、前記二次回路負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数ｆ_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄを有し、使用時、前記二次回路負荷抵抗が変化すると、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が変化し、
   前記点火システムはさらに、
   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、変化する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いずれかに従うことにより、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、変化する二次回路負荷抵抗は、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、コントローラーを備える、点火システム。
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、前記二次回路負荷抵抗が高い場合、コロナを発生させるように前記変化するコモンモード共振周波数で前記一次巻線を駆動させ、火花が発生して低二次回路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。
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、前記二次回路負荷抵抗が高い場合、前記変化するコモンモード共振周波数及び前記変化する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、前記二次回路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。
4. 前記可変駆動周波数が前記コモンモード共振周波数に等しい場合、前記一次回路キャパシタンスＣ_１の値は、Ｃ_１＜Ｌ_２Ｃ_２／（１＋０．５ｋ）Ｌ_１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。
5. 前記可変駆動周波数が前記ディファレンシャルモード共振周波数に等しい場合、前記一次回路キャパシタンスＣ_１の値は、Ｃ_１＞Ｌ_２Ｃ_２／（１−０．５ｋ）Ｌ_１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。
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Ｌ_１を有する一次巻線と第２のインダクタンスＬ_２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Ｃ_１とを備え、第１の共振周波数ｆ_１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Ｃ_２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ｆ_２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、前記二次回路負荷抵抗が高い場合、コモンモード共振周波数ｆ_ｃ及びディファレンシャルモード共振周波数ｆ_ｄを有し、使用時、前記二次回路負荷抵抗が変化すると、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が変化する、方法であり、該方法は、
   点火サイクル中、変化する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いずれかに従うことにより、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。
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、前記二次回路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変化するコモンモード共振周波数で駆動され、火花が発生して低二次回路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。
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、前記二次回路負荷抵抗が高い場合、前記一次巻線は、前記変化するコモンモード共振周波数及び前記変化する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、前記二次回路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。

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