JPH06510099A - 二重エネルギー点火システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ！〕重エネルギー点火システム ｇ男の分団 本発明は、点火システムに係り、より、仔細には、スパークを形成する第１エネ ルギー源とアークを持続する第２エネルギー源の２つのエネルギー源を使用する 点火システムに係る。

人扛挟術 点火システムの目的は、空気／燃料混合物を点火して、アークが停止した後に自 己充分な燃焼プロセスが開始するようにすることである。理論混合比に近い空気 ／燃料混合物は、自己持続炎心を形成するのにごく僅かな点火エネルギーしか必 要としない。しかしながら、空気／燃料比が理論混合比からずれるにつれて、又 は空気／燃料混合物が排気ガスの循環によって希釈されるにつれて、自己持続炎 心の形成は益々困難なものになる。

コイル点火（ＣＩ）及び容量性放電点火（ＣＤＩ）の両システムは、スパークの 発生とアークの持続に１つのエネルギー蓄積装置を用いている。蓄積されたエネ ルギーのほとんど又は全部かスパークの発生に消費され、アークを持続するため のエネルギーが残されていない場合に問題か生じる。これはあるエンジン速度及 び負伺範囲において生じる。ＣＩシステムに伴う更に別の問題は、それらのエネ ルギーを変圧器に蓄積することにより、効率の悪い変圧器となり、そしてその蓄 積されたエネルギーの全てをその効率の悪い変圧器を経て転送しようとすること である。容量性放電点火（Ｃ１，）の上たる効果は、非常に高い電圧の立りり時 間が迅速であり、スパークギャップを直ちにブレークダウンし、電圧が回路にゆ っくりと消費されるのを防止することである。これは、汚れたプラグや大きなギ ャップでも着火する能力をもたらす。

ブレークダウン点火（ＨＤ＋）システムは、ＣＤＩシステムと同一であるが、ス パークギャップと並列にキャパシタを備えている。このキャパシタは、スパーク を形成する際に費やされるエネルギーを蓄積する。この蓄積されたエネルギーは 、スパーク形成の際に、大電流アークの形態で素Ｆｉｇ　（消費される。しかし ながら、この形態には多数の問題がある。先ず第１に、キャパシタの存在により 非常に高い電圧スパイクの立上り時間が増加し、不着火を招くことがある。第２ に、キャパシタは、スパーク発生プロセスのエネルギーを奪う。これが不着火の 原因にならないよう確保するために、１次側のキャパシタに更に多くのエネルギ ーを蓄積しなければならない。−次側に蓄積された全てのエネルギーを効率の悪 い変圧器に強制的に通しそして一方のキャパシタで別のキャパシタを充電するこ とか　・ら効率か悪化する。更に、希薄混合物を点火するに必要なエネルギーは 、２次側のキャパシタの蓄積特性に逆比例する。これは、低い圧力において希薄 混合物を点火するのにより多くのエネルギーが必要とされる一方、低い圧力では スパークの発生に必要な電圧は低いからである。エネルギーは、１／２ＣＶ”で 表すことができるので、低いブレークダウン電圧では僅かなエネルギーしが蓄積 されないことが明らかである。

補足２次エネルギー（Ｓ　Ｓ　Ｅ）点火システムは、スパークのための１つのエ ネルギー源と、アークの巾を延ばすためのアーク用の別のエネルギー源とを有し ている。これらのシステムは、基本的には、２次側に付加的な蓄積エネルギーを 有していてこれがスパーク形成の際に放電されるＣＤＩシステムである。既存の ＳＳＥシステムは、変圧器の２次巻線を経て２次側エネルギーが放電し、１次側 のキャパシタを充電するので、効率が悪い。このようなシステムの例が、シモジ ョウ氏等の米国特許第４，１３６，３０１号及びワインリッツ氏の第４，３０１ ゜７８２号に開示されている。この　７８２号特許においては、放電路を分離す る試みが開示されているが、その方法は、放電路にインダクタを配置するもので ある。インダクタ又は抵抗を含ませると（ジョージンソン氏の米国特許第４，３ ４５．５７５号及びサイモン氏の第４．２６９，１．６１号のように）、ピーク 電流が減少して、アークの強度を弱めることになる。

そこで、本発明の１つの目的は、点火プロセスを改牌することである。特に、本 発明の１つの目的は、点火プロセスをスパークとアークの２つの現象に分けるこ とにより効率を最大にすることである。本発明の別の目的は、スパークプラグの インピーダンスとスパーク源のインピーダンスを良好に整合することにより、ス パーク源からスパークギャップへの点火エネルギーの電力伝達を最大にすること である。

ｇ叫９夾旨 本発明は、ステップアップ変圧器の１次巻線に電気的に接続された第１エネルギ ー源と、上記ステップアップ変圧器の２次巻線に並列に電気的接続されたスパー クギャップとを備え、−１−記載１エネルギー源から放射されたエネルギーが− に記スパークギャップをまたぐスパークを形成するに充分な強度及び巾のエネル ギーを−Ｉ−記スパークギャップｉびｉえるような二重エネルギー点火システム に係る。このシステムは、史に、上記スパークギャップ及び２次巻線に直列に電 気的接続された第２エネルギー源を備え、該第２エネルギー源と１次巻線との間 の結合と、に記２次巻線から放出されたエネルギーによる該第２エネルギー源の 充電は最小にされ、第２エネルギー源から放出されるエネルギーは低い抵抗路を 経てスパークギャップにエネルギーをすえ、このエネルギーはスパークギャップ 間にアークを持続するに充分な強度及び巾のものである。

１つの実施例においては、上記の低抵抗路は、第２エネルギー源からスパークギ ャップへのエネルギー伝達中には低い抵抗を与える向きにされたダイオードであ って、第２エネルギー源から２次巻線を通るエネルギーの伝達に対しては高い抵 抗をＩｊえて第２エネルギー源を１次巻線からデカップリングする向きにされた ダイオードを備えている。

別の実施例においては、−、Ｉｘ記低抵抗路は」−記２次巻線を含み、そして− １，記変圧器は、第２エネルギー源を１次巻線からデカップリングする１１飽和 コアの変圧器である。

−Ｉ−記第１エネルギー源は、当該作動条件のもとてスパークを形成するための 最小ではあるか充分な量のエネルギーを供給するのが好ましい。ある実施例では 、第１エネルギー源は、マグネト、各ポイントをもつケタリング（Ｋｅｔｔｅｒ ｉｎｇ）　、スイッチング用のトランジスタ、又はＣＤＩを含む。

第２エネルギー源は、アーク電流を増加するように働くのが好ましい。ある実施 例では、第２エネルギー源は、初期状態をもつキャパシタを備えている。

好ましい実施例では、スパークギャップは、ソースインピーダンスと負荷インピ ーダンスが実質的に一致するような狭インピーダンスデルタ特性を有する。特定 の実施例においては、表面ギャップスパークプラグがこの目標に向がって使用さ れる。

Ｖ末旦於犬施釣９緻明 本発明は、点火プロセスをスパークとアークの２つの現象に分離することにより 点火効率を改片する。スパークとは、スパークギャップに沿って物質が最初に高 電圧でイオン化及びブレークダウンしてプラズマを形成することである。アーク とは、最初のブレークダウン後に存在する電流である。本発明によれば、点火プ ロセスの各部分に専用に個別のエネルギー付与システムを設けることによって効 率が数片される。

本発明による二重エネルギー点火回路が図１ａ及び１ｈに概念的に示されている 。インピーダンス整合変圧器１２を含むスパーク形成装置１０は、スパークギャ ップ１４にスパークを形成するという１つの目的を果たす。第２のエネルギー源 １６は、スパークギャップ１４に大電流アークを形成するという１つの目的を果 たす。重要なことに、この第２のエネルギー源１６は、変圧器１２の１次側から 切り離されたスパークギャップ１４への放電路を有している。図１ａでは、これ は、変圧器１２として可飽和コアの変圧器を使用することにより達成される。

図１ｂでは、これは、高電圧ダイオード１８によって達成される。このシステム の効率は、」ユ記した既存のシステムよりも改善される。というのは、アークの エネルギーが効率の悪い変圧器を経て転送されず１１つ第２エネルギー源がスパ ーク形成装置からのエネルギーで充電されないからである。

第２エネルギー源から放出されるエネルギーは低抵抗路を経てスパークギャップ に結合されるのが重要である。この経路に抵抗を含ませると（ジョージンソン氏 の米国特許第４．３４５，５７５号及びサイモン氏の第４，２６９．１６１号の ように）、ピーク電流が減少して、アークの強度を弱めることになる。

図２は、本発明による点火回路の好ましい実施例を示している。この実施例にお いて、両エネルギー源を充電するのに弔−の電源２０が使用される。この電源は キャパシタ２２を充電する。ＣＤＩ又はストロボライトの分野で一般に使用され ているもののように、内部インダクタンスが非常に低く１１つ内部抵抗が非常に 低いキャパシタを使用すべきである。好ましくは、晶型ＪＥ、高ピーク電流のス イッチング装置を含むトリガー回路２４は、変圧器１２を経てのキャパシタ２２ の放電をトリガーするのに使用される。この迅速な放電は、変圧器１２の２次巻 線に非常に高い電圧を誘起する。この電圧はスパークギャップ１４の周りの物質 をイオン化し、スパークを形成する。トリガー回路２４のスイッチング装置は、 ＣＤＩ及びストロボ回路に共通した装置であるＳＣＲであるのが好ましい。しか しながら、トライアックのような他のスイッチング装置を使用してもよい。

変圧器１２の２次側には、第２のキャパシタ２６かあり、これもこの実施例では 電源２０により充電される。このキャパシタ２６に蓄積されたエネルギーは、ス パークが形成された後に、スパークギャップ１４を経て放電される。図２ａでは 、変圧器１２は、可飽和コアの変圧器であって、キャパシタ２６の放電が変圧器 １２の１次側へ結合されないよう確保するのに使用される。図２ｂでは、可飽和 コアに代わって高電圧ダイオード１８が使用され、同じ目的が達成される。

図３は、本発明による点火回路の別の好ましい実施例を示している。この実施例 では、第２の電源２８がキャパシタ２６を充電する。電源２０及び２８の出力は 同じである必要はない。典型的な実施例では、電源２０及び２８は、自動車によ り供給される電圧（一般的に１４ボルト）を、点火システムに要求される高い電 圧に変換するためのＤＣ，−ＤＣコンバータを備えている。図１ないし３に示さ れた回路は、分配器に関連して使用することもできるが、効率か悪くなることに 注意されたい。

本発明の点火システムの効果は、第２のエネルギー源をスパークギャップ及び変 圧器の２次側と直列に配置することから得られる。即ち、第２のエネルギー源に 蓄積される電圧が変圧器の２次側に発生された電圧に加わるので、変圧器の１次 側の回路により変圧器の２次側に低い電圧を発生することが必要である。従って 、２次側は全ブレークダウン電圧を供給する必要がなく、第２のエネルギー源に 蓄積された電圧だけ低いブレークダウン電圧を供給すればよい。

図３を参照し、回路部品の値を一例として説明する。この実施例では、０．　４ ７μＦのキャパシタ２２が、１４Ｖ−６００ＶのＤＣ−ＤＣコンバータを含む電 源２０によって６００■に充電される。０．４７μＦのキャパシタ２６は、１４ Ｖ−６００ＶのＤＣ−ＤＣコンバータを含む電源２８によって一６００■に充電 される。トリガー回路２４は、１００ＯＶ、３５ＡのＳＣＲを含んでいる。ステ ップアップ変圧器】２は、巻線比が１：１００である。高電圧ダイオード１８は 定格が４０，０ＯＯＶ、ＩＡである。

電磁障害（ＥＭＩ）のために、シールドを使用するのが好ましい。又、大電流の ＥＭＩ発生放電路を短絡するために部品はスパークプラグに接近して配置するの が好ましい。

本発明の点火システムは、ストロボ型回路の変形である（典型的な蓄積エネルギ ーの約１／１０）。例えば、マサチューセッツ州、セーレムのＥＧ＆Ｇエレクト ローオプチックスプラ製品がある。ストロボライトの回路と、本発明に用いる回 路との主たる相違は、点火の極性に関する。スパークプラグの中心電極は、ホッ ト側であり、電子を容易に放出することができる。それ故、スパークプラグが負 で点火される場合には低いブレークダウン電圧が要求されるだけである。しかし ながら、ストロボライトは正で点火される。それ故、点火回路は、ストロボライ ト回路に典型的に使用されるものとは逆の点火極性であるのが好ましい。

スパークギャップ１４への電力の伝達は、突出表面ギャップのスパークプラグ（ １９８９年、１月のＭ、１．　Ｔ、Ｐｈ、Ｄ　論文のステファン・ビスチンガー 著の［Ｓ■エンジンの点火及び炎発生におけるスパークプラグ設計パラメータの 影’！’（Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　５ｐａｒｋ　Ｐｌｕｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐａ ｒａｇ＋ｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ＩｇｎｉＬｆｏｎ　ａｎｄ　Ｆ撃≠高■@Ｄｅｖｅ ｌ ｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ａｎ　ＳＩ　Ｅｎｇｉｎｅ）　Ｊを参照）を用いることに よって増加することができろ。抵抗によって消費される電力はり＝Ｉ’Ｒで定義 されそ（７てアークを発生ずるスパークギャップは抵抗と同様であるから、ギＶ ツブで消費される電力もごの同じ式によってほぼ定められる。表面ギャップスパ ークプラグは、他の典型的なスパークプラグ構成よりもアーク抵抗が大きい。そ れ故、ギャップで消費される電力は、第２のエネルギー源でギャップ電流を増加 しそして表面ギャップスパ・−クブラグでアーク抵抗を増加することにより増加 される。

表面ギャップスパークプラグの使用は、スパーク発生器に対するスパークギャッ プのインピーダンス整合を次のように助成する。。

１、表面に沿ったアークがブレークダウン（スパーク）抵抗を低下し、それによ り、スパークを発生するに必要な電圧を低ドする。

２、表面に沿ったアークが放電（アーク）抵抗を上昇し、それにより、スパーク ギャップで消費される電力を上昇する。

典型的なスパークプラグ構成は、高いスパーク抵抗と、低いアーク抵抗を生じる 。スパーク抵抗をＦげると共にアーク抵抗を上げることにより、表面ギャップス パークプラグは、スパークギャップインピーダンスの範囲を相当に減少して、イ ンピーダンス整合を助成する。

表面に沿ったアークに伴う１つの問題は、付着物が堆積して不着火を生じ得るこ とである。本発明は、２次側エネルギーの迅速な放電が表面物質に対してクリー ニング作用を与えるので、表面ギャップスパークプラグに良く適している。

従来の研究では、水晶板で燃焼チャンバから分離されたプラズマジェット点火は 、水晶板がなくてもほぼ充分に空気／燃料混合物を点火することが示されている （１９８１年、ＳＡＥ論文８１０１４６、Ｊ、Ｄ、ゾール及びＡ、　Ｋ、オッペ ンハイム菩の１予混合ガスによる１、Ｃ，エンジンの改善された点火（Ｅｎｈａ ｎｃｅｄｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　１．Ｃ，ｅｎｇｉｎｅｓ　ｗｉｔｈ　ｐｒ ｅ−ａ＋１ｘｅｄ　ｇａｓｅｓ）　Ｊを参照されたい）。この形式の点火は、光 分解の現象に基づいている。本発明の点火システムは、表面ギャップスパークプ ラグと組み合わされて、より多くの電力をギャップにおいて消費し、それ故、よ り明るいアークを形成し、これはプラグにとって必ずしも局部的ではない光化学 ／燃焼反応を助成する。

本発明の点火システムの主たる特徴の１つは、スパーク点火エンジンの希薄運転 限界を延長できることである。希薄運転は、低い放射１ノベルと高い熱効率をも たらす。本発明による点火システムの原型を、定常運転状態で自動用エンジンの 性能評価に使用した。これらの研究に使用したエンジンは、スロットル本体性入 代のＣｈｅｖｒｏｌｅｔ　４．３リッタＶ−６スパ一ク点火自動屯エンジンであ −）た。

１５００ないし２５００回転／回転−ンジと、２０ないし１００フイート・ポン ドトルクのレンジとにわたり、個々の速度−負荷点においてエンジンの熱効率を 測定した。燃料の消費量を比重計で測定し、速度及びトルクの要求値から電力を 計算した。本発明の点火システムを用いてエンジンが希薄な理論混合比で運転さ れたときには、エンジン効率が、空気／燃料比及びスパークのタイミングに基づ き、ストック構成に対して４ないし１８％改善された。

−Ｉ−記運転範囲においてエンジンの放射レベル（エンジンの放射する予備触媒 ）を測定した。本発明の点火システムからのＨＣ放射レベルは、ストック構成か ら測定されたものと同等であるか又はそれより低かった。最良の燃料消費が観察 された適度に希薄な空気／燃料比（約２１　：　１）においては、ＨＣレヘルが 典型的にストックよりも低かった。２３：１より大きい空気／燃料比においては 、空気／燃料比が増加するにつれて、ＨＣ放射が急激に増加した。ｃｏレベルは 、一般に、ストックよりも半分ないし１／４低かった。ＮＯｘの放射レベルは、 空気／燃料比とスパークのタイミングとによって大きく左右される。一般に、Ｎ Ｏ，のレベルは、空気／燃料比が２ｏ：１より大きい場合にはストックより低い 。ある運転ポイントでは、ストック構成よりもＮＯＩの放射が１０倍も少ないこ とが実証された。

本発明の点火システムの性能効果を評価するために、手動タイミング制御式のス トックエンジンシステムを希薄な状態のもとで運転した。一般に、このシステム は、希薄運転限界を約１ないし３の空気／燃料比まで拡張した。従って、希薄限 界は、空気／燃料比が増加するにつれて炭化水素の放射が急激に増加する点であ ると考えられる。

放射に係わりなく最大効率を得るようにエンジン制御戦略を最適化する場合には 、燃料消費を、初期エンジン性能に基づき、平均で約１０％だけ理論混合比エン ジンより減少できることが４えられる。この燃料消費の減少は、限界速度及び負 荷範囲（例えば、発電機）に対して最適化された場合にも大きなものとなる。

いずれにせよ、これは、放射が調整されないエンジンのみに適用される。

ＮＯ□の放射を少なくするようにエンジン制御戦略を最適化する場合には、効率 の改善（おそらく３−５％）を得ながらも現行の放射基準（ＩｇのＮ０１７ｍ１ ．０．４１ｇのＨＣ／ｍｉ及び３．４ｇのＣＯ／ｍｉ）を達成できることか考え られる。この放射要件に適合しようとすると、２０マイル／ガロン以トの乗物燃 料経済性と、触媒（酸化のみか、又は酸化触媒として作用する三方触媒）を必要 とすることになる。定常放射レベルを連邦試験手順（Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｔｅ５ｔ 　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）のドライブサイクル中に得られるものに対して外挿する ことは非常に困難であるが、はとんどの状態のもとで２０ｒｒｒｐｇを得そして ＮＯｘの放射が１８０ｐｐｍより少ない乗物は、現行のＩｇ　ＮＯｘ／ｍ１ｌｅ 基準をパスする見込みが高いことが推定される。本発明は、空気／燃料比が２２ ：１ないし２４：１において［−１つ乗物の加速及びハイウェイ走行に合致する 速度及び負荷条件において運転できることを実証した（激しい加速及びハイウェ イ走行は多ｈｔのＮＯ□発生の条件である）。ＮＯ８レベルは１８０ｐｐｍより 低く、ＩＬ味燃料消費率はストックよりも４％良好であった。

空気浄化条例（Ｃ１ｅａｎ　Ａｉｒ　Ａｃｔ）では、乗物のＮＯ，放射レベルを 将来０．４ｇ／マイルにすることか要求されている。テスト結果によれば、本発 明の点火システムを用いた希薄燃焼エンジンは、４０ｍｐｇより優れた燃料経済 性の高い乗物においてこのＮ　Ｏｘレベルを得ることができると考えられる。Ｈ Ｃ及びＣＯ基準を満たすには酸化触媒がほぼ確実に必要とされる。３０ないし４ ０ｍｐｇに達しない乗物に対して０．４ｇ／ｍｉのＮＯ８基準を達成することは 非常に困難であり、あり得ないことである。

要約すれば、本発明の二重エネルギー点火システムは、ストック点火に比して希 薄不着火限界を空気／燃料比で３ないし４拡張できることか分かった。これらの テストに使用した点火システムは原型ユニットであったことに注意するのか重要 である。更に別の開発や最適化により、これらの定常的な概念立証テストで示さ れた結果を同一ヒすることかできよう。

→：ｌ：ｌ：１１次側＝：：＝シく＃　２次側ユニ二〉図面の簡単な説明 図１ａ及び１ｂは、スパーク形成装置及び第２エネルギー源（概念的に示された ）を使用すると共に、ａ）可飽和コア変圧器と、ｂ）第２エネルギー源を１次側 からデカップルするための高電圧ダイオードとを使用する本発明による二重エネ ルギー点火システムの回路図である。

図２３及び２ｂは、ａ）可飽和コア変圧器と、ｂ）高電圧ダイオードとを使用す る本発明による二重エネルギー点火システムで、両エネルギー源を充電するのに 弔−の電源が使用されたシステムの回路図である。

図３８及び３ｂは、ａ）可飽和コア変圧器と、ｂ）高電圧ダイオードとを使用す る本発明による二重エネルギー点火システムで、２つのエネルギー源を充電する のに個別の電源が使用されたシステムの回路図である。

ＦＩＧ、２Ｅ ＦＩＧ、３Ａ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．１次及び２次巻線を有するステップアップ変圧器と、上記１次巻線に電気的 に接続された第１エネルギー源と、上記ステップアップ変圧器の上記２次巻線に 並列に電気的接続されたスパークギャップであって、上記第１エネルギー源から 放出されたエネルギーが上記スパークギャップにまたがるスパークを形成するに 充分な強度及び巾のエネルギーを上記スパークギャップに与えるようになったス パークギャップと、上記スパークギャップ及び上記２次巻線に直列に電気的接続 された第２エネルギー源であって、この第２エネルギー源と上記１次巻線との間 の結合と、上記２次巻線から放出されたエネルギーによるこの第２エネルギー源 の充電は最小にされ、この第２エネルギー源から放出されるエネルギーが上記ス パークギャップ間にアークを持続するに充分な強度及び巾のエネルギーを低抵抗 路を経て上記スパークギャップに与えるようになった第２エネルギー源とを具備 することを特徴とする点火システム。
2. ２．上記の低抵抗路は、上記第２エネルギー源からスパークギャップヘのエネル ギー伝達中には低い抵抗を与える向きにされたダイオードであって、上記第２エ ネルギー源から２次巻線を通るエネルギーの伝達に対しては高い抵抗を与えて上 記第２エネルギー源を１次巻線からデカップリングする向きにされたダイオード を備えている請求項１に記載のシステム。
3. ３．上記低抵抗路は上記２次巻線を含み、そして上記第２エネルギー源を上記１ 次巻線からデカップリングするために変圧器コアの飽和が使用される請求項１に 記載のシステム。
4. ４．上記第１エネルギー源は、当該作動条件のもとでスパークを形成するための 最小ではあるが充分な量のエネルギーを供給する請求項１、２又は３に記載のシ ステム。
5. ５．上記第１エネルギー源は、マグネトより成る請求項１、２又は３に記載のシ ステム。
6. ６．上記第１エネルギー源は、各ポイントをもつケタリング又はスイッチング用 のトランジスタより成る請求項１、２又は３に記載のシステム。
7. ７．上記第１エネルギー源は、ＣＤＩより成る請求項１、２又は３に記載のシス テム。
8. ８．上記第２エネルギー源は、アーク電流を増加するように働く請求項１、２又 は３に記載のシステム。
9. ９．上記第２エネルギー源は、初期状態をもつキャパシタより成る請求項１、２ 又は３に記載のシステム。
10. １０．上記スパークギャップは、ソースインピーダンスと負荷インピーダンスが 実質的に一致するような狭インピーダンスデルタ特性を有する請求項１、２又は ３に記載のシステム。
11. １１．上記スパークギャップは、表面ギャップスパークプラグによって構成され る請求項１、２又は３に記載のシステム。