KR101928326B1 - 멀티이벤트 코로나 방전 점화 어셈블리와 제어 및 동작 방법 - Google Patents

멀티이벤트 코로나 방전 점화 어셈블리와 제어 및 동작 방법 Download PDF

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제임즈 디. 라이코우스키
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Abstract

코로나 방전 점화 시스템(20)은 각각 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지의 펄스를 수신하기 위한 점화기(22)를 포함한다. 점화기(22)는 연료-공기 혼합물을 이온화하고 동일한 시간 동안 연속, 비펄스의 코로나 방전이 아닌, 코로나 방전(24)의 펄스를 제공하는 전계의 펄스를 방출한다. 시스템(20)은 전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)에 그리고 궁극적으로 점화기(22)에 제공하는 적어도 하나의 전원(48, 50)을 포함한다. 시스템(20)은 전기 에너지의 펄스를 코로나 구동 회로(52)에 제공하기 위한 가변 고전압 전원(50) 및 로컬 전하 저장 장치(70)를 포함할 수 있다. 시스템(20)은 단일 이벤트 코로나 방전 점화 시스템과 비교하여, 에너지의 일부를 사용하면서, 아크 형성에 대해 향상된 내성을 갖는, 정교한 점화를 제공한다.

Description

멀티이벤트 코로나 방전 점화 어셈블리와 제어 및 동작 방법{MULTI-EVENT CORONA DISCHARGE IGNITION ASSEMBLY AND METHOD OF CONTROL AND OPERATION}
본 발명은 일반적으로 코로나 방전 점화 시스템 및 코로나 방전을 사용하여 연료-공기 혼합물을 점화하는 방법에 관한 것이다.
코로나 방전 점화 시스템의 예는 프린의 미국 특허 번호 6,883,507에 개시되어 있다. 코로나 방전 점화 시스템은 연소실 내에 무선주파수를 갖는 전계를 제공하는 높은 라디오 주파수 전위로 충전된 전극을 갖는 점화기를 포함하고 있다. 이러한 점화기는 점화팁 근방에 임의의 접지된 전극 소자를 포함하지 않는다. 오히려, 접지는 보통 연소실의 벽 또는 피스톤에 의해 제공된다. 코로나 점화기의 예는 라이코우스키 등의 미국 특허 출원 번호 US 2010/0083942에 개시되어 있다.
점화기에 의해 제공된 전계는 연소실내의 연료 및 공기의 혼합물의 일부를 이온화시키고 절연 파괴가 시작되도록 하여 연료-공기 혼합물의 점화를 촉진시킨다. 전계는 연료-공기 혼합물이 유전 특성을 유지하고 저온 플라즈마로도 불리는 코로나 방전이 발생하도록 제어되는 것이 바람직하다. 연료-공기 혼합물의 이온화된 부분은 자체 지속되고 연료-공기 혼합물의 나머지 부분을 연소시키는 불꽃면을 형성한다. 또한, 전계는 연료-공기 혼합물이 전극과 접지된 실린더 벽 또는 피스톤 사이에 열플라즈마 및 전기 아크를 생성하는, 모든 유전 특성을 잃지 않도록 제어되는 것이 바람직하다.
연료-공기 혼합물의 신뢰할만한 점화를 달성하기 위해, 최소 코로나 방전력이 자주 요구된다. 특정 지속시간을 갖는 연속 코로나 방전 점화 이벤트는 보통 매우 묽은 연료-공기 혼합물을 사용할 때 요구되는 최소 강도를 제공하기 위해 필요하다. 그러나, 긴 지속시간은 높은 에너지 사용량 및 관련된 에너지 비용을 필요로 한다. 또한, 이러한 시스템은 높은 에너지 부하를 처리할 수 있는 정교한 전자장치를 필요로 한다. 또한, 지속시간이 길수록, 코로나 방전이 접지된 피스톤 또는 연소실 벽을 만나게 되어 아킹(arcing)을 생성하고, 코로나 방전이 임의의 다른 경로를 취하는 것을 차단할 가능성이 보다 높아진다.
본 발명의 하나의 특징은 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 코로나 방전을 제공하기 위한 코로나 방전 점화 시스템을 포함한다. 이러한 시스템은 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지를 제공하는 적어도 하나의 전원을 포함한다. 점화기는 복수의 펄스의 전기 에너지를 수신하고 복수의 펄스의 코로나 방전을 제공한다.
본 발명의 다른 특징은 코로나 방전을 사용하여 연료-공기 혼합물을 점화하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 라디오 주파수를 갖는 복수의 펄스의 전기 에너지를 점화기에 제공하는 단계 및 복수의 펄스의 코로나 방전을 점화기로부터 제공하는 단계를 포함한다.
펄스 코로나 방전은 연속, 비펄스의 코로나 방전을 갖는 단일 이벤트를 제공하는 다른 코로나 방전 점화 시스템과 비교하여, 감소된 에너지 사용량 및 비용, 전자 부품의 단순화, 감소된 아킹, 및 코로나 방전의 보다 높은 전압 및 체적을 포함하는 다수의 장점을 가진 연료-공기 혼합물의 멀티 이벤트 점화를 제공한다.
본 발명의 여러 특징 및 장점은 바람직한 실시예 및 최상 모드 첨부된 청구범위 및 첨부된 도면의 상세한 설명과 함께 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 코로나 방전 점화 시스템의 연소실에 배치된 점화기의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 로컬 전하 저장 장치가 없는 코로나 방전 점화 시스템의 전자 부품의 도면이다.
도 2b는 도 2a의 시스템의 점화 이벤트 및 코로나 방전의 타이밍을 도시하는 그래프이다.
도 3a는 도 2의 코로나 방전 점화 시스템의 전자 부품의 도면이다.
도 3b는 종래기술의 단일 이벤트 코로나 방전 점화 시스템에 채용된 전류, 전압 및 타이밍을 도시하는 그래프이다.
도 3c는 도 2 및 도 3a의 실시예에서 채용된 전류, 전압 및 타이밍을 도시하는 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로컬 전하 저장 장치를 갖는 코로나 방전 점화 시스템의 전파 부품의 도면이다.
도 4b는 도 4a의 시스템의 점화 이벤트 및 코로나 방전의 타이밍을 도시하는 그래프이다.
도 5a는 도 4의 코로나 방전 점화 시스템의 전자 부품의 도면이다.
도 5b는 도 4 및 도 5a의 실시예에 채용된 전류, 전압 및 타이밍을 도시하는 그래프이다.
도 5c는 로컬 전하 저장 장치를 갖는 종래기술의 단일 이벤트 코로나 방전 점화 시스템에 채용된 전류, 전압 및 타이밍을 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 코로나 방전 점화 시스템의 에너지 사용량을 종래 기술과 비교하는 그래프이다.
본 발명의 하나의 특징은 각각 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지의 펄스를 수신하고 각각 라디오 주파수를 갖는 전계의 펄스를 방출하는 점화기(22)를 포함하는 코로나 방전 점화 시스템(20)을 제공한다. 전계의 펄스는 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화하고, 임의의 시간 동안 연속적인 코로나 방전 보다는 동일한 임의의 시간 동안 코로나 방전(24)의 펄스를 제공한다. 이러한 펄스 코로나 방전(24)은 연속, 비펄스의 코로나 방전을 사용하는 단일 이벤트 점화를 제공하는 종래 기술과 비교하여, 감소된 에너지 사용량 및 비용, 전자 부품의 단순성, 감소된 아킹, 및 코로나 방전(24)의 보다 높은 전압 및 체적을 포함하는 다수의 장점을 가진 연료-공기 혼합물의 멀티 이벤트 점화를 제공한다.
코로나 방전 점화 시스템(20)의 점화기(22)는 전극 터미널 단부(28)로부터 전극 점화 단부(30)로 길이방향으로 뻗은 중심축을 갖는 전극(26)을 포함하고 있다. 전극(26)은 전극 터미널 단부(28)에서 전기 에너지의 펄스를 수신하고 전극 점화 단부(30)로부터 전계의 펄스를 방출한다. 전극(26)은 전극 터미널 단부(28)로부터 중심축을 따라 전극 점화 단부(30)로 길이방향으로 뻗은, 니켈과 같은, 제1 전기 도전성 재료로 형성된 전극 본체부(32)를 포함하고 있다. 하나의 실시예에서, 전극(26)은 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화하고 코로나 방전(24)를 제공하도록 전계의 펄스를 방출하기 위하여 전극 점화 단부(30)에서 점화 팁(34)을 포함하고 있다.
하나의 실시예에서, 코로나 방전 점화 시스템(20)은 자동차의 내연기관의 일부이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 내연기관은 중심을 둘레로 원주방향으로 뻗은 측벽을 갖는 실린더 블록(36)을 포함하고 있다. 이러한 측벽은 상부 개구를 둘러싸는 상단부를 갖고 있다. 실린더 헤드(38)는 측벽의 상단부에 배치되어 있고 실린더 블록(36)의 상부 개구를 가로질러 뻗어 있다. 피스톤(40)은 내연기관의 동작 동안 측벽을 따라 미끄러지기 위해 원통형 공간에 실린더 블록(36)의 측벽을 따라 배치되어 있다. 피스톤(40)은 실린더 헤드(38)로부터 이격되어 있어서, 실린더 블록(36) 및 실린더 헤드(38) 및 피스톤(40)은 함께 그 사이에 연소실(42)을 제공하여 연료-공기 혼합물을 수용한다. 이러한 연료-공기 혼합물은 내연기관의 동작 동안 연소실(42)에 걸쳐 연속으로 이동한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 점화기(22)는 실린더 헤드(38) 안에 배치되어 있고 연소실(42) 내에 횡방향으로 뻗어 있다. 상술된 바와 같이, 점화기(22)는 700 kHz 내지 2 MHz의 라디오 주파수에서 전기 에너지를 수신한다. 점화기(22)에 의해 수신된 전기 에너지의 각 펄스는 계산된 에너지 파라미터로 불리는 특정 파라미터를 충족시킨다. 계산된 에너지 파라미터는 펄스의 주파수, 지속시간, 간격 및 전압을 포함하고 있다. 점화기(22)에 의해 제공된 전기 에너지의 펄스는 비펄스의 연속적인 코로나 방전을 사용하는 단일 점화 이벤트 시스템의 점화기(22)에 제공된 전기 에너지보다 강할 수 있다. 하나의 실시예에서, 전기 에너지의 각 펄스는 100 내지 1000 볼트의 전압 및 0.1 내지 5 A의 전류를 갖고 있다.
점화기(22)에 의해 수신된 전기 에너지의 펄스는 아무런 최소 지속시간을 갖고 있지 않지만, 지속시간이 보통 수십 마이크로초이다. 하나의 실시예에서, 점화기(22)에 의해 수신된 전기 에너지의 펄스의 각각은 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초, 또는 1 내지 100 마이크로초, 또는 바람직하게는 20 내지 30 마이크로초의 지속시간을 갖고 있다. 전기 에너지의 각 펄스는 아무런 전기 에너지가 점화기(22)에 의해 수신되지 않는 시간 간격에 의해 그 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 이러한 펄스 사이의 간격은 아무런 최소 지속시간을 갖고 있지 않지만, 이러한 간격의 지속시간은 보통 수십 마이크로초이다. 하나의 실시예에서, 전기 에너지의 각 펄스는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초 또는 1 내지 100 마이크로초, 또는 바람직하게는 20 내지 30 마이크로초의 간격에 의해 그 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 펄스의 지속시간 및 이러한 펄스 사이의 간격이 보통 수십 마이크로초이지만, 펄스의 주파수는 제한되지 않을 수도 있다. 하나의 실시예에서, 에너지의 펄스는 적어도 400 Hz, 또는 400 내지 50,000 Hz의 주파수를 갖고 있다.
상술된 바와 같이, 점화기(22)의 점화 팁(34)은 700 kHz 내지 2 MHz의 주파수를 갖는 전계를 방출하여 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화하고 코로나 방전(24)을 형성한다. 전계 및 코로나 방전(24) 역시 펄스로서 제공된다. 점화기(22)로부터 방출된 전계의 펄스는 연속 코로나 방전을 갖는 단일 이벤트 시스템의 점화기(22)로부터 방출된 전계보다 강할 수 있다. 하나의 실시예에서, 전계의 각 펄스는 1,000 내지 100,000 볼트의 전압 및 100 mA에 이르는 전류를 갖고 있다.
점화기(22)로부터 방출된 전계의 각 펄스의 지속시간은 최소값이 없지만, 보통 수십 마이크로초이다. 하나의 실시예에서, 점화기(22)에 의해 방출된 전계의 펄스의 각각은 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초, 또는 1 내지 100 마이크로초, 또는 바림직하게는 20 내지 30 마이크로초의 지속시간을 갖고 있다. 점화기(22)에 의해 방출된 전계의 각 펄스는 아무런 전계가 점화기(22)에 의해 방출되지 않는 시간 간격에 의해 그 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 간격의 지속시간은 아무런 최소값이 없지만, 보통 수십 마이크로초이다. 하나의 실시예에서, 전계의 각 펄스는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초, 또는 1 내지 100 마이크로초, 또는 바람직하게는 20 내지 30 마이크로초의 간격 만큼 그 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 펄스의 지속시간 및 이러한 펄스 사이의 간격이 보통 수십 마이크로초이지만, 펄스의 주파수는 제한되지 않을 수도 있다. 하나의 실시예에서, 전계의 펄스는 적어도 400 Hz, 또는 400 내지 50,000 Hz의 주파수를 갖고 있다.
연료-공기 혼합물을 점화시키는 연소실(42)에 제공된 코로나 방전(24)의 펄스의 지속시간은 아무런 최소값이 존재하지 않지만, 보통 수십 마이크로초이다. 하나의 실시예에서, 연소실(42)에 제공된 코로나 방전(24)의 펄스는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초, 또는 1 내지 100 마이크로초, 또는 바람직하게는 20 내지 30 마이크로초의 지속시간을 갖고 있다. 코로나 방전(24)의 펄스의 각각은 아무런 코로나 방전(24)이 제공되지 않는 시간 간격에 의해 그 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 간격의 지속시간은 아무런 최소값을 갖고 있지 않지만, 보통 수십 마이크로초이다. 하나의 실시예에서, 코로나 방전(24)의 각 펄스는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초, 또는 1 내지 100 마이크로초, 도는 바람직하게는 20 내지 30 마이크로초의 간격 만큼 그 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 펄스의 지속시간 및 이러한 펄스 사이의 간격은 보통 수십 마이크로초이지만, 펄스의 주파수는 제한되지 않을 수도 있다. 하나의 실시예에서, 코로나 방전(24)의 펄스는 적어도 400 Hz, 또는 400 내지 50,000 Hz의 주파수를 갖고 있다.
본 발명의 펄스 코로나 방전(24)에 의해 제공된 점화의 강도는 연속, 비펄스의 코로나 방전을 갖는 단일 이벤트의 코로나 방전 점화 시스템에 의해 제공된 점화와 비교가능하다. 연소실(42)의 연료-공기 혼합물은 연속으로 이동하여서, 코로나 방전(24)이 연속인 것처럼 대략 동일한 레벨에서, 펄스 코로나 방전(24)에 효과적으로 노출된다. 그러나, 상술된 바와 같이, 본 발명의 시스템(20)은 다른 시스템에 의해 사용된 에너지의 부분을 사용한 점화를 제공한다.
펄스 코로나 방전(24)을 제공하는 코로나 방전 점화 시스템(20)의 전자 부품은 도 2a 및 도 4a에 대략적으로 도시되어 있다. 펄스 코로나 방전(24) 및 연료-공기 혼합물의 점화의 타이밍을 도시하는 그래프가 도 2a 및 도 4b에 도시되어 있다. 코로나 방전 점화 시스템(20)은 보통 컨트롤러(44), 튜닝 또는 LC 회로(46), 적어도 하나의 전원(48, 50) 및 점화 단부 어셈블리를 포함하고 있다. 상술된 바오 같이, 코로나 방전(24) 점화 시스템(20)은 보통 자동차의 내연기관에 채용되지만 고정 산업 엔진, 오프-하이웨이 엔진, 가스 엔진 및 압축 점화 엔진과 같은 다른 엔진 시스템(20)에 채용될 수 있다.
코로나 방전 점화 시스템(20)의 전원(48, 50)은 코로나 구동 회로(52)에 전기 에너지를 제공하는 메인 전원(48)을 포함하고 있다. 메인 전원(48)은 자동차의 12 볼트 배터리일 수 있다. 하나의 실시예에서, 코로나 방전 점화 시스템(20)은 역시 코로나 구동 회로(52) 및 궁극적으로 점화기(22)에 전기 에너지를 공급하는 가변 고전압 전원(50)을 포함하고 있다. 가변 고전압 전원(50)은 보통 10 내지 150 볼트의 전압에서 에너지를 저장하고 이러한 저장된 에너지를 10 내지 150 볼트의 전압에서 코로나 구동 회로(52)에 전송한다. 그러나, 가변 고전압 전원(50)이 필요하지 않고, 모든 전기 에너지는 메인 전원(48)과 같은 단일 전원에 의해 제공될 수 있다. 전원(48, 50)은 코로나 방전(24)가 생성되는 동안 코로나 구동 회로(52)에 전기 에너지를 제공할 수 있어서, 코로나 구동 회로(52)는 코로나 방전(24)이 약해지기 전에 다시 에너지 공급된다. 따라서, 시스템(20)을 재충전하는데 시간이 필요하지 않다.
코로나 구동 회로(52)는 전원(48, 50)으로부터 전기 에너지를 수신하고, 전기 에너지를 저장한 후 이러한 전기 에너지를 LC 회로(46) 및 궁극적으로는 점화기(22)에 전송한다. 코로나 구동 회로(52)는 보통 700 kHz 내지 2 MHz에서 동작하는 발진 회로이다. 코로나 구동 회로(52)에 의해 점화기(22)에 제공된 전기 에너지는 상술된 계산된 에너지 파라미터를 충족한다. ECU에 의해 제공된 엔진 데이터 및 시스템(20)의 공진 주파수를 포함하는 계산된 에너지 파라미터는 다양한 기술 정보를 사용하여 결정될 수 있다. 하나의 실시예에서, 도 2a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 엔진 데이터는 엔진 데이터 신호(54)로 코로나 구동 회로(52)에 제공되고, 코로나 구동 회로(52)는 계산된 에너지 파라미터를 결정하기 위해 엔진 데이터를 사용한다.
컨트롤러(44)는 자동차의 ECU와 일체화될 수 있거나 별개의 유닛일 수 있다. 하나의 실시예에서, 컨트롤러(44)는 코로나 점화 시스템(20)의 계산된 에너지 파라미터를 결정하는데 사용된다. 다른 실시예에서, 계산된 에너지 파라미터는 시스템(20)에 제공되거나 시스템(20)에서 프로그램화된다. 컨트롤러(44)는 가변 고전압 전원(50)이 특정 전압에서 전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)에 전송하도록 명령하는 전압 신호(56)를 가변 고전압 전원(50)에 전송할 수 있다.
도 2a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(44)는 구동 제어 신호(58)를 코로나 구동 회로(52)에 전송하여서 코로나 구동 회로(52)를 활성화하거나 비활성화시켜서 펄스 코로나 방전(24)를 제공한다. 코로나 구동 회로(52)를 활성화하기 위해, 구동 제어 신호(58)는 코로나 구동 회로(52)가 지속시간을 갖는 전기 에너지의 펄스를 상술된 다른 계산된 파라미터에 따라 점화기(22)에 전송하도록 명령한다. 컨트롤러(44)는 코로나 구동 회로(52)를 비활성화시키는 다른 구동 제어 신호(58)를 전송한다. 코로나 구동 회로(52)를 비활성화시키기 위해, 구동 제어 신호(58)는 코로나 구동 회로(52)가 전기 에너지를 저장하고 시간 간격을 위해 이러한 전기 에너지를 점화기(22)에 전송하지 않도록 명령한다. 그다음, 다른 구동 제어 신호(58)는 코로나 구동 회로(52)가 전기 에너지의 다른 펄스를 점화기(22)에 전송하도록 명령함으로써 코로나 구동 회로(52)를 재활성화시킨다. 활성화 및 비활성화 단계는 펄스 코로나 방전(24)을 제공하기 위해 반복된다.
코로나 구동 회로(52)는 구동 제어 신호(58) 그리고, 메인 전원(48) 및 가변 고전압 전원(50)으로부터의 전기 에너지를 수신하기 위한 적어도 하나의 코로나 구동기(60)를 포함하고 있다. 코로나 구동기(60)는 계산된 에너지 파라미터에 따라, 전기 에너지를 LC 회로(46)에 그리고 궁극적으로 점화기(22)에 전송한다.
전기 에너지를 LC 회로(46)에 전송하기 전에, 코로나 구동 회로(52)는 전원(48, 50)에 의해 수신된 전기 에너지를 전환하거나 조정하여, 계산된 에너지 파라미터를 충족시킨다. 구동 제어 신호(58)에 더하여, 코로나 구동 회로(52)는 또한 시스템(20)의 공진 주파수를 나타내는 피드백 루프 신호(62)를 LC 회로(46)로부터 수신한다. 상술된 바와 같이, 계산된 에너지 파라미터는 시스템(20)의 공진 주파수에 일부 종속된다. 코로나 구동 회로(52)는 보통 계산된 에너지 파라미터를 충족시키기 위해 전기 에너지를 조정하기 위한 트랜스포머(64)를 포함하고 있다. 코로나 구동 회로(52)는 전기 에너지를 AC 전압으로 전환하고, AC 전압을 LC 회로(46)에 전송한다.
LC 회로(46)는 코로나 구동 회로(52)로부터 전기 에너지의 AC 전류를 수신하고, 계산된 에너지 파라미터에 따라 전기 에너지를 전환하여 전기 에너지를 점화기(22)에 전송한다. LC 회로(46)는 점화 단부 어셈블리에 의해 제공된 커패시턴스 C 및 공진 인덕터(66)를 포함하고 있다. 점화 단부 어셈블리는 연소실(42)에 배치된 점화기(22)를 포함하고 있다. 하나의 실시예에서, 공진 인덕터(66)는 특정 전압 및 공진 주파수에서 동작하는 금속의 코일이다. 상술된 바와 같이, LC 회로(46)는 공진 주파수를 나타내는 피드백 루프 신호(62)를 코로나 구동 회로(52)에 전송한다. 하나의 실시예에서, LC 회로(46)는 전압을 증폭하고 전류를 감소시킴으로써 에너지를 점화기(22)에 전송하기 전에 전기 에너지를 전환한다. 전기 에너지를 LC 회로(46)로부터 점화기(22)로 전송하기 위해 공진 인덕터(66)와 점화기(22) 사이에 적어도 하나의 전기 커넥션(68)이 제공된다.
상술된 바와 같이, 점화기(22)의 전극(26)은 LC 회로(46)로부터 전기 에너지의 펄스를 수신한다. 전기 에너지의 각 펄스는 보통 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 지속시간을 갖고 있고 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 간격만큼 다음 펄스로부터 이격되어 있다. 점화기(22)의 전극(26)에 의해 수신된 전기 에너지의 펄스는 보통 0.1 A 내지 5 A의 전류를 갖고 있다. 펄스 전기 에너지의 전압 및 공진에 의해 전극(26)은 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화하고 펄스 코로나 방전(24)를 연소실(42)에 제공하는 펄스 전계를 연소실(42)에 방출한다.
상술된 바와 같이, 하나의 실시예에서, 코로나 방전 점화 시스템(20)은 전기 에너지를 저장하고 이러한 전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)에 제공하는 고전압 전원(50)을 포함하고 있다. 이러한 실시예에서, 시스템(20)은 또한, 도 4a 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 고전압 전원(50)과 코로나 구동 회로(52)의 코로나 구동기(60) 사이에 로컬 전하 저장 장치(70)를 포함할 수 있다. 로컬 전하 저장 장치(70)는 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 필요하지 않다. 로컬 전하 저장 장치(70)는 보통 커패시턴스를 포함하고 고전압 전원(50)으로부터 전기 에너지를 연속으로 수신한다. 고전압 전원(50)에 의해 수신된 전기 에너지는 보통 10 내지 150 볼트의 전압을 갖는다. 코로나 구동 회로(52)에 저장된 에너지가 급감할 때, 코로나 구동기(60)는 로컬 전하 저장 장치(70)로부터 전기 에너지의 펄스를 취득한다. 로컬 전하 저장 장치(70)로부터 취득된 전기 에너지의 펄스는 보통 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 지속시간을 갖고 있고 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 간격 만큼 서로 이격되어 있다. 로컬 전하 저장 장치(70)로부터 전송된 전기 에너지의 펄스는 로컬 전하 저장 장치(70)에 의해 수신된 전기 에너지의 연속 흐름보다 큰 전류를 갖고 있다. 즉 로컬 전하 저장 장치(70)는 상기 고전압 전원(50)으로부터 제1 전압에서 전기 에너지를 연속으로 수신하고 상기 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지의 펄스를 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압에서 상기 코로나 구동 회로(52)로 전송한다.
도 3c는 로컬 전하 저장 장치(70)가 없는 실시예에 대한 임의의 시간 동안의 가변 고전압 전원(50)으로부터의 전류, 코로나 구동기(60)로의 전압 및 코로나 방전(24)의 타이밍을 도시하는 그래프이고, 도 5b는 로컬 전자 저장 장치(70)를 갖는 실시예의 동일 시간 동안의 전류, 전압 및 타이밍을 도시하는 그래프이다. 도 3b 및 도 5c는 각각 로컬 전하 저장 장치(70)가 없는 것과 있는 것의, 동일 시간 동안 연속, 비펄스의 코로나 방전을 제공하는 종래기술의 단일 점화 이벤트 시스템의 전류, 전압, 및 타이밍을 도시하는 비교 그래프이다. 코로나 방전(24)의 타이밍이 점선으로 도시되어 있다.
로컬 전하 저장 장치(70)가 없는 도 2 및 도 3a의 실시예에서, 전기 에너지의 전류는 전기 에너지가 가변 고전압 전원(50)을 떠날 때 측정되고 전압은 전기 에너지가 코로나 구동기(60)에 들어갈 때 측정된다. 로컬 전하 저장 장치(70)가 있는 도 4a 및 도 5a의 실시예에서, 전기 에너지의 전류는 전기 에너지가 로컬 전하 저장 장치(70)에 의해 수신되기 전에 가변 고전압 전원(50)으로부터 전송될 때 측정되고, 전압은 코로나 구동기(60)에 의해 수신되기 전에 로컬 전하 저장 장치(70)로부터 전송된 후에 측정된다.
도 3a 및 도 5b의 그래프는 양측의 본 발명의 실시예가 연속의, 비펄스 코로나 방전을 제공하는 종래기술의 시스템 보다 낮은 평균 전류 및 보다 낮은 에너지 사용량을 가지면서 거의 비슷한 전압을 제공한다는 것을 설명하고 있다. 도 5b는 로컬 전하 저장 장치(70)가 평균 전류를 평활화하고 로컬 전하 저장 장치(70)가 없는 도 2 및 도 3a의 실시예와 비교하여 보다 낮은 평균 전류를 제공한다는 것을 보여준다. 로컬 전하 저장 장치(70)는 가변 고전압 전원(50)이 점화기(22)에 의해 요구되는 최대 가능 전류에 대하여 레이팅되는 것을 방지하기 위해 사용되는 것이 바람직하다.
도 6a 내지 도 6d는 동일한 시간 동안의 본 발명의 코로나 방전(24) 점화 시스템(20)의 에너지 사용량을 단일 점화 이벤트를 갖는 코로나 방전 점화 시스템, 단일 스파크 이벤트를 갖는 스파크 점화 시스템, 및 다수의 스파크 이벤트를 갖는 스파크 점화 시스템과 비교한다. 도 6은 본 발명의 펄스 코로나 방전 시스템(20)에 의해 사용된 전류 및 에너지가 종래기술의 시스템 보다 상당히 적다는 것을 보여주고 있다. 도 6은 또한 본 발명의 시스템(20)이 50%의 듀티 사이클을 제공한다는 것을 보여주고 있다. 그러나, 특정 조건에서, 점화 품질의 저하 없이 10%의 낮은 듀티 사이클이 가능하다. 코로나 방전 점화 시스템(20)은 또한 사용되는 평균 전류를 90%까지 그리고 피크 전류를 75%까지 감소시킬 수 있다. 도 6은 본 발명의 시스템(20)이 스파크 점화 시스템 보다 적은 시간에 점화를 제공한다는 것을 보여주고 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 코로나 방전 점화 시스템(20)은 감소된 에너지 사용량 및 관련된 에너지 비용 절감에 더하여 다수의 유익을 제공한다. 보다 낮은 피크 및 평균 전류로 인해, 시스템(20)의 전자 부품은 단순화될 수 있다. 예를 들어, 연속, 비펄스의 코로나 방전을 제공하는 단일 이벤트 코로나 방전 점화 시스템에 채용되는 것에 비교하여, 보다 작은 전하 저장 커패시터 및 보다 작은 필터 부품이 채용될 수 있다.
펄스 코로나 방전(24)에 의해 제공된 다른 장점은 연속, 비펄스의 코로나 방전과 비교하여, 감소된 아킹이고 이에 따른 코로나 방전(24)의 보다 높은 전압 및 체적이다. 연소실(42)에 코로나 방전(24)을 제공할 때, 예를 들어, 피스톤(40)이 점화 팁(34)에 가깝게 접근하는 경우, 코로나 방전(24)의 적어도 하나의 스트리머가 접지된 금속 부분과 닿는 일이 자주 있다. 이러한 경우에, 전류는 점화기(22)로부터 접지로 흘러 점화기(22)와 접지 사이에, 아킹으로 불리는 이온화된 경로를 생성하고 점화 팁(34)에서의 전압은 급격히 강하된다. 또한, 점화기(22)와 접지 사이에 형성된 이온화된 경로는 코로나 방전(24)이 임의의 다른 경로를 취하는 것을 방지하고 코로나 방전(24)의 공간 확장은 상당히 제한된다. 일단 아킹이 일어나면, 전압원이 전류 흐름을 차단할 만큼 충분히 낮아지지 않으면 소멸될 수 없다. 이것은 보통 코로나 방전(24) 형성에 필요한 전압 미만이다. 따라서, 아킹으로부터 복구되려면, 시스템(20)은 전기 에너지를 점화기(22)에 제공하는 것을 중지시켜야 한다.
그러나, 펄스 코로나 방전(24)을 제공할 때, 코로나 방전(24)이 접지된 부품에 닿고 접지로의 이온화된 경로가 형성되는 경우에, 현 펄스 동안만 지속될 것이다. 펄스가 종료할 때, 경로는 아무런 전기 에너지가 점화기(22)에 제공되지 않는, 펄스 사이의 간격 동안 사라질 것이다. 요구되는 코로나 방전(24)이 그 다음 펄스가 시작될 때 다시 형성될 것이다. 두번째로, 펄스의 지속시간은 코로나 방전(24)이 접지된 엔진 부분에 도달하기에 충분히 크게 성장하는데 필요한 시간을 갖지 않도록 선택될 수 있다. 이것은 보다 높은 전압의 코로나 방전(24)의 사용을 허용하고, 교정의 용이성, 엔진 동작에 있어서의 사이클 다양성에 대한 정교함의 유익을 제공하고, 보다 큰 체적의 코로나 방전(24)이 생성되도록 한다.
본 발명의 다른 특징은 코로나 방전 점화 시스템(20)의 연소실(42)내의 연료-공기 혼합물을 점화하는 방법을 제공한다. 상술된 바와 같이, 본 방법은 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지의 복수의 펄스를 점화기(22)에 제공하는 단계 및 코로나 방전(24)의 복수의 펄스를 점화기(22)로부터 제공하는 단계를 포함한다.
하나의 실시예에서, 본 방법은 전원(48, 50)중 적어도 하나로부터 코로나 구동 회로(52)에 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지를 제공하는 단계를 먼저 포함하고, 코로나 방전(24)의 복수의 펄스를 제공하는 동안 코로나 구동 회로(52)에 전기 에너지를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 고전압 전원(50)으로부터 로컬 전하 저장 장치(70)로 10 내지 150 볼트의 전압의 전기 에너지를 연속으로 제공하는 단계 및 각각 10 내지 150 볼트의 전압을 갖는 전기 에너지의 펄스를 로컬 전하 저장 장치(70)로부터 코로나 구동 회로(52)로 전송하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이, 본 방법은 코로나 구동 회로(52)에 전기 에너지를 저장하는 단계 그리고, 코로나 구동 회로(52)를 비활성화시킨 후 코로나 구동 회로(52)를 재활성화시키는 단계를 수반하는 코로나 구동 회로(52)를 활성화시키는 단계를 포함한다. 이러한 활성화시키는 단계는 점화기(22)에 전기 에너지의 펄스중 하나를 제공하는 단계를 포함하고 비활성화시키는 단계는 아무런 전기 에너지가 점화기(22)에 제공되지 않는 간격을 제공하는 단계를 포함한다. 이러한 활성화시키는 단계 및 비활성화시키는 단계는 펄스 코로나 방전(24)을 제공하기 위해 반복된다. 하나의 실시예에서, 본 방법은 전기 에너지를 점화기(22)에 제공하기 전에 전기 에너지를 AC 전류로 전환시키는 단계를 포함한다.
본 방법은 연료-공기 혼합물을 이온화하고 코로나 방전(24)을 제공하는 700 KhZ 내지 2 MHz의 라디오 주파수 및 1,000 내지 100,000 볼트의 전압을 갖고 있는 전계를 방출하기 위한 전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)로부터 점화기(22)로 제공하는 단계를 더 포함한다. 전기 에너지를 점화기(22)에 전송하기 전에, 본 방법은 전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)로부터 LC 회로(46)로 전송하는 단계, 그 후에 전기 에너지를 LC 회로(46)로부터 점화기(22)로 전송하는 단계를 포함한다.
상술된 바와 같이, 코로나 방전(24)을 제공하는 방법은 점화기(22)에 의해 수신되는 전기 에너지의 에너지 파라미터를 결정하는 단계를 포함한다. 전기 에너지를 점화기(22)에 제공하기 전에, 본 방법은 사전결정된 파라미터를 충족시키기 위해 전기 에너지를 전환시키는 단계를 포함한다. 상술된 바와 같이, 전기 에너지를 점화기(22)에 제공하는 단계는 전기 에너지의 복수의 펄스를 점화기(22)에 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 상술된 다른 유익은 물론 보다 적은 에너지를 사용하여 정교한 점화를 제공한다.
본 발명의 많은 수정 및 변형이 본원으로부터 가능하고, 상술된 것 달리 첨부된 청구범위내에서 실행될 수 있다는 것은 명백하다. 이러한 설명은 본 발명의 임의의 조합을 포함하는 것으로 해석되어져야 한다. 또한, 청구범위의 부재번호는 단지를 편의를 위한 것일 뿐 제한을 위한 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 코로나 방전(24)을 제공하기 위한 코로나 방전 점화 시스템(20)으로서,
    라디오 주파수를 갖는 전기 에너지를 수신하고 코로나 방전(24)을 제공하기 위한 점화기(22),
    상기 전기 에너지를 제공하는 적어도 하나의 전원(48, 50),
    상기 적어도 하나의 전원(48, 50)으로부터 전기 에너지를 수신하고 상기 전기 에너지를 AC 전압으로 전환시키고 상기 전기 에너지를 상기 점화기(22)에 제공하는 코로나 구동 회로(52) - 상기 적어도 하나의 전원(48, 50)은 각각 전기 에너지를 상기 코로나 구동 회로(52)에 공급하는 메인 전원(48) 및 고전압 전원(50)을 포함하고, 상기 고전압 전원(50)에 의해 상기 코로나 구동 회로(52)에 공급된 전기 에너지는 적어도 10 볼트의 전압을 가짐-, 및
    상기 고전압 전원(50)으로부터 제1 전압에서 전기 에너지를 연속으로 수신하고 상기 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지의 펄스를 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압에서 상기 코로나 구동 회로(52)로 전송하는 로컬 전하 저장 장치(70)를 포함하고,
    상기 점화기에 의하여 수신된 전기 에너지는 각각이 적어도 20 마이크로초의 지속시간을 갖는 복수의 펄스의 전기 에너지를 포함하고, 각각의 상기 펄스 동안에 상기 점화기에 의하여 수신된 전기 에너지는 700 kHz 내지 2 MHz의 주파수를 갖고,
    상기 전기 에너지의 각 펄스는 아무런 전기 에너지가 점화기(22)에 의해 수신되지 않는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 간격만큼 그 다음 펄스로부터 이격되어 있고,
    상기 코로나 방전은 복수의 펄스의 코로나 방전(24)를 포함하고,
    상기 점화기에 의하여 제공된 상기 코로나 방전의 각 펄스는 아무런 코로나 방전이 점화기(22)에 의해 제공되지 않는 간격만큼 코로나 방전의 다음 펄스로부터 이격되어 있고, 코로나 방전의 펄스는 적어도 400 Hz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
  2. 제1항에 있어서, 상기 점화기(22)는 연료-공기 혼합물을 이온화하고 상기 코로나 방전(24)을 제공하는 라디오 주파수를 갖는 전계를 생성하는 복수의 펄스의 전기 에너지를 방출하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
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  6. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지의 펄스의 각각의 펄스 동안에 상기 점화기에 의하여 수신된 전기 에너지는 적어도 10 볼트의 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
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  9. 제1항에 있어서, 상기 코로나 구동 회로(52)가 상기 전기 에너지의 펄스 중 하나를 상기 점화기(22)에 제공하도록 명령하고 상기 코로나 구동 회로(52)가 아무런 전기 에너지가 상기 점화기(22)에 제공되지 않는 간격을 상기 펄스와 그 다음 펄스 사이에 제공하도록 명령하고 상기 코로나 구동 회로(52)가 상기 간격 후에 상기 전기 에너지의 펄스의 다른 펄스를 상기 점화기(22)에 제공하도록 명령하는 구동 제어 신호(58)를 제공하는 컨트롤러(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원(48, 50)은, 상기 점화기(22)가 상기 코로나 방전(24)을 제공하는 동안 상기 점화기(22)에 전기 에너지를 제공하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
  13. 제1항에 있어서, 상기 점화기(22)에 제공된 전기 에너지는 0.1 내지 5 A인 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
  14. 연소실(42)에서 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화하고 코로나 방전(24)을 제공하도록 라디오 주파수 전계를 제공하는 코로나 방전 점화 시스템(20)으로서,
    실린더 블록(36) 및 실린더 헤드(38) 및 피스톤(40)을 포함하고, 그 사이에 연소실(42)이 제공되고,
    상기 코로나 방전 점화 시스템(20)은,
    상기 실린더 헤드(38) 내에 배치되고 상기 연소실(42) 내로 뻗어, 전압 및 주파수를 포함하는 사전결정된 에너지 파라미터와 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지를 수신하고; 연료-공기 혼합물의 일부를 이온화하고 코로나 방전(24)을 제공하는 라디오 주파수 및 1,000 내지 100,000 볼트의 전압을 갖는 전계를 방출하고, 전기 에너지를 수신하고 전계를 방출하는 전극(26)을 포함하는 점화기(22),
    전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지를 상기 점화기(22)에 제공하기 위한 코로나 구동 회로(52),
    상기 점화기(22)가 상기 코로나 방전(24)을 제공하는 동안 상기 전기 에너지를 상기 코로나 구동 회로(52)에 공급하는 메인 전원(48),
    상기 메인 전원으로부터 분리되어 있고, 상기 점화기(22)가 상기 코로나 방전(24)을 제공하는 동안 적어도 10 볼트의 전압에서 전기 에너지를 상기 코로나 구동 회로(52)에 공급하는 가변 고전압 전원(50),
    상기 코로나 구동 회로(52)가 전기 에너지를 상기 점화기(22)에 전송하도록 명령하는 구동 제어 신호(58)를 상기 코로나 구동 회로(52)에 전송하는 컨트롤러(44),
    상기 고전압 전원(50)으로부터 제1 전압에서 전기 에너지를 연속으로 수신하고 상기 전기 에너지를 저장하고 상기 전기 에너지의 펄스를 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압에서 상기 코로나 구동 회로(52)로 전송하는 로컬 전하 저장 장치(70), 및
    상기 코로나 구동 회로(52)로부터 전기 에너지를 수신하고 상기 점화기(22)에 전기 에너지를 제공하는 LC 회로(46)를 포함하고,
    상기 코로나 방전은 복수의 펄스의 코로나 방전(24)을 포함하고, 상기 점화기에 의하여 제공된 상기 코로나 방전의 각 펄스는 아무런 코로나 방전이 점화기(22)에 의해 제공되지 않는 간격만큼 코로나 방전의 다음 펄스로부터 이격되어 있고, 코로나 방전의 펄스는 적어도 400 Hz의 주파수를 갖고,
    상기 코로나 구동 회로(52) 및 상기 LC 회로(46)는 상기 사전결정된 에너지 파라미터를 충족시키기 위해 상기 전원(48, 50)에 의해 제공된 전기 에너지를 전환하고,
    상기 점화기(22)에 의해 수신된 전기 에너지는 복수의 펄스의 전기 에너지이고, 상기 펄스의 각각은 20 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 지속시간을 갖고 있고, 아무런 전기 에너지가 상기 점화기(22)에 수신되지 않는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 간격만큼 상기 펄스의 그 다음 펄스로부터 이격되어 있고, 각 이격된 펄스 동안에 상기 점화기에 의하여 수신된 전기 에너지는 700 kHz 내지 2 MHz의 주파수 및 적어도 10 볼트의 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
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  16. 코로나 방전(24)을 사용하여 연소실(42)에서 연료-공기 혼합물을 점화하기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 전원(48, 50)으로부터 코로나 구동 회로(52)로 라디오 주파수를 갖는 전기 에너지를 제공하는 단계,
    연료-공기 혼합물을 이온화하고 코로나 방전(24)을 제공하는, 700 kHz 내지 2MHz의 라디오 주파수 및 1,000 내지 100,000 볼트의 전압을 갖는 전계를 방출하기 위한 전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)로부터 점화기(22)에 제공하는 단계,
    상기 점화기로부터 복수의 펄스의 코로나 방전을 제공하는 단계를 포함하는 상기 코로나 방전을 제공하는 단계-상기 코로나 방전의 각 펄스는 아무런 코로나 방전이 점화기(22)로부터 제공되지 않는 간격만큼 코로나 방전의 다음 펄스로부터 이격되어 있고, 코로나 방전의 펄스는 적어도 400 Hz의 주파수를 가짐-;
    코로나 방전(24)을 제공하는 동안 전기 에너지를 10 내지 150 볼트의 전압에서 고전압 전원(50)으로부터 로컬 전하 저장 장치(70)로 연속적으로 제공하는 단계 및 10 내지 150 볼트의 전압에서 전기 에너지의 펄스를 로컬 전하 저장 장치(70)로부터 코로나 구동 회로(52)에 전송하는 단계,
    전기 에너지를 코로나 구동 회로(52)로부터 LC 회로(46)로 전송하는 단계,
    전기 에너지를 LC 회로(46)로부터 점화기(22)로 전송하는 단계,
    상기 점화기(22)에 의해 수신된 전기 에너지의 에너지 파라미터로서, 상기 전기 에너지의 전압 및 주파수를 포함하는 상기 에너지 파라미터를 결정하는 단계, 및
    점화기(22)에 전기 에너지를 제공하기 전에, 사전결정된 에너지 파라미터를 충족시키기 위해 전기 에너지를 전환하는 단계를 포함하고,
    상기 점화기(22)에 전기 에너지를 제공하는 단계는 복수의 펄스의 전기 에너지를 점화기(22)에 제공하는 단계를 포함하고, 상기 전기 에너지의 각 펄스는 적어도 20 마이크로초의 지속시간을 갖고, 상기 전기 에너지의 각 펄스는 아무런 전기 에너지가 점화기(22)에 제공되지 않는 1 마이크로초 내지 2,500 마이크로초의 간격만큼 그 다음 펄스로부터 이격되어 있고, 각 이격된 펄스 동안에 상기 점화기에 제공된 전기 에너지는 700 kHz 내지 2 MHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 점화 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제1항에 있어서, 상기 점화기에 의하여 수신된 전기 에너지의 각 펄스는 다음 펄스로부터 100 마이크로초 이하만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전 점화 시스템(20).
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