JP2005510660A - 内燃機関のための高周波点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導波管と高周波増幅器とを備え、高い信頼性を持って点火火花を生成することが可能な内燃機関のための高周波点火装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関のための高周波点火装置は、導波管（１）と高周波増幅器（２）とを備える。導波管（１）の第一の端部に高周波増幅器（２）が、且つ導波管（１）の第二の端部に点火ギャップ（３）が配置される。正帰還要素（１０）が備えられており、該正帰還要素と共に導波管（１）と高周波増幅器（２）が、導波管（１）の長さと負荷状態とによって定められる減衰が最小となる周波数で振動する高周波発生器を形成する。高周波発生器によって生成された高周波信号が、点火ギャップ（３）で点火火花をもたらす。

Description

本発明は、導波管と高周波増幅器とを備えた、内燃機関のための高周波点火装置に関する。

本発明は、独立の請求項に記載の類概念に基づく高周波点火装置を出発点としている。ＤＥ １９８ ５２ ６５２から、導波管と高周波増幅器とを備えた高周波点火装置が既に知られている。導波管の一方の端部は、内燃機関の燃焼室の中へ突き出し、点火ギャップを形成している。導波管の他方の端部には、高周波増幅器が接続されている。この高周波増幅器によって適合した高周波信号が形成されると、点火ギャップに点火火花が生成され、この点火火花が、内燃機関のシリンダ内の燃焼可能な混合気の点火のために利用される。
〔発明の利点〕
これに対して、本発明に基づく高周波点火装置は、正帰還要素が備えられており、該要素によって高周波増幅器の周波数が導波管の負荷状態に適合されるという利点を持っている。この措置によって、あらゆる運転状態の下で、信頼性を持って点火火花を生成することが可能になる。このことはまた、特に既に点火ギャップに点火火花が発生している場合にも当てはまる。何故なら、このことは導波管の負荷状態の変化をもたらすからである。

有利な拡張例と改良例が付属の諸特許請求の範囲のメルクマールによって生み出される。高周波増幅器は、簡単にはトランジスタとして、特に電界効果トランジスタとして、形成される。正帰還は、特に誘導性の正帰還として、或いは誘導容量性の正帰還として形成される。誘導性の正帰還の場合には、同軸導体を導波管の磁場の領域内に配置することができる。正帰還が誘導性で且つ容量性である場合には、導波管は特に簡単に同軸エレメントとして形成され、その際に、正帰還要素は特に簡単に、シールディング内の中心導体に対して並行に配置された導体によって形成することができる。
〔実施例〕
本発明の実施例が図示されており、以下に詳しく説明される。

図１には、本発明に基づく高周波点火装置の概略が示されている。この高周波点火装置は導波管１を備えており、該導波管の一方の端部に点火ギャップ３、特に点火プラグが配置されている。点火プラグは、内燃機関、特にガソリンエンジンの燃焼室（シリンダ）の中へ突き出しており、燃焼室内に送り込まれた空気と燃料（ガソリン）との点火可能な混合気の点火のために用いられる。導波管１のもう一方の端部には高周波増幅器２があり、該高周波増幅器はここでは電界効果トランジスタとして作られている。高周波増幅器２と導波管１との全体構造が高周波発生器を形成しており、該高周波発生器によって高周波信号を生成することができる。電界効果トランジスタは、ドレイン端子４によって導波管１の第一の端部に接続されている。更に電界効果トランジスタ２は、ソース端子５を備えており、これはアースと接続されている。電界効果トランジスタ２は更に、ゲート端子６を有している。

正電圧の印加によって、ゲートは導通状態に切り換えられる。即ち、この場合には、ドレイン端子４とソース端子５との間に電流が流れるのが可能となる。ソース端子５はアース端子と接続されている。ドレイン端子４は、チョークコイル７を通して電圧端子８と接続されている。

ゲート端子に高周波の制御信号が印加されると、導波管１に高周波信号が生成される。その際、高周波信号の周波数が導波管１、或いは場合によっては該導波管に対して更に接続されている点火ギャップ３へのリード線、の負荷状態に最適に適合されていると、点火ギャップ３で非常に高い電圧を有する高周波信号が生成される。この電圧は非常に高いので、点火ギャップ３で、点火火花が導波管１から点火ギャップ３を通ってアースに向けて火花連絡を起こす。そのために必要な電圧は、数千ボルトのオーダーである。

ここで、本発明に基づいて、この高周波の火花を内燃機関の点火のために利用することが提案される。しかしながら、点火火花が点火ギャップ３で導波管１とアース端子との間で火花連絡を起こす瞬間に、導波管１の負荷状態が変化するということに注意しなければならない。即ち、導波管の変圧比は、点火ギャップがアースに対してどれだけの抵抗を持っているかということにも依存している。点火ギャップが火花連絡を起こす前は、この抵抗は非常に大きい。しかしながら、点火火花によって点火ギャップの中にイオン化されたガスが生成され、このガスが或る程度の導通性を有している。このイオン化されたガスが、導波管１の、高周波増幅器２と反対側に配置されている端部を終端抵抗と接続させる。このことが導波管１の変圧比に対して影響を与える。高周波増幅器２が対応する周波数変化によって導波管１の終端抵抗の変化に対して反応する時にだけ、周波数による適合、従って高圧信号の生成が維持される。

ここで、本発明に基づいて、この周波数の適合を正帰還要素１０によって行うということが提案される。図１には、この正帰還要素は非常に略示的にしか示されていない。次いで、図２及び図３には、この正帰還要素の具体的な技術的実施例が示されている。従って図１において、正帰還要素１０は、この正帰還要素の正確な機能を示すこと無しに、単に略示的にブロックとして示されているだけである。正帰還要素１０は、対応するリード線とデカップリングコンデンサ１１を通して、高周波を生成するトランジスタ２のゲート端子６に接続されている。更に、トランジスタ２のゲート端子６は、チョークコイル１２を通して、分圧器のタップ１３に接続されている。該分圧器は、タップ１３とアース端子との間に第一の抵抗１４を備えている。タップ１３と信号端子１６との間には、第二の抵抗１５が配置されている。更にタップ１３は、バイパスコンデンサ１７を通してアースと接続されている。

この様にして形成された点火装置は、次の様に動作する。信号端子１６に矩形信号が印加され、該信号の長さは希望する点火花火の時間長さに対応している。従って通常は、信号端子１６に印加される信号の時間長さは、数ミリ秒のオーダーである。信号端子１６に正の電圧が印加されると、タップ１３も正の電圧になり、その値は、信号端子１６の電圧の値と第一と第二の抵抗１４及び１５の値に依存している。この正の電圧は、チョークコイル１２を通してゲート端子６に送られる。

ゲート端子６に電圧が印加されていなければ、トランジスタ２は非導通状態となるので、ドレイン端子４に又これによって導波管１の第一の端部には、電圧端子８で利用できる供給電圧が印加される。

ここでドレイン端子６に、信号端子１６の信号に基づいて正の電圧が印加されると、トランジスタ２が導通状態に切り換えられ、ドレイン端子４に電流が流れる。雑音信号によって、この回路は可能な限り減衰の少ない（共振）領域で、正帰還要素１０を通してゲート端子６へフィードバックされることが望ましい。かくして、この正帰還によって、ゲート端子は、導波管１で最大の電流及び電圧の振幅をもたらす周波数で制御される。

このように、高周波増幅器２は、正帰還によって、ソース抵抗と導波管１の負荷とに最適に適合した周波数に合わせられる（共振）。次いで、導波管１と点火ギャップ３のアース端子との間の電圧差が十分に大きい時には、点火火花の形成が行われる。即ち、エネルギーが導波管１から点火ギャップ３を通してアースへ流れる。点火ギャップ３内、即ち内燃機関の燃焼室の中の点火プラグには、イオン化されたガスが集まるので、導波管１は、点火ギャップ３を通して終端抵抗を伴ってアースと接続される。導波管１の点火側の端部でこの様な抵抗の変化があるので、負荷に対する最適の適合を依然として保証するためには、共振を維持するために導波管１の長さか或いは高周波増幅器２の周波数が変化されなければならないであろう。この様な前提条件の下でのみ、導波管１の点火側の端部で点火ギャップ３内で点火火花を発生させるための十分に高い電圧を得ることができる。高周波増幅器２のこの周波数の適合は、回路全体によって、減衰が最も少なく又これによって出力の適合が最善となる周波数に自動的に合わせられる。

かくして、本発明に基づく装置によって自動的に、導波管１の点火側の端部での負荷状態に対する高周波増幅器２の周波数適合が保証される。この周波数適合は、装置のスイッチオンの際にも又点火ギャップ３での点火火花の火花連絡の際にも、最適な負荷適合をもたらす。かくして、対応する制御信号が信号端子１６に印加されている間は、その全時間長さにわたって点火ギャップ３内で点火火花が出ているということが保証される。

図１には、他の電圧に対する導波管の周波数による結合と減結合を可能にする、多くの要素が示されている。デカップリングコンデンサ１１によって、正帰還要素１０からの交流電圧だけがゲート端子６へフィードバックされるということが保証される。かくしてこのコンデンサ１１は、広域通過フィルタの機能を有している。更にそれによって、ゲート端子６に印加された直流電圧が、正帰還要素１０の抵抗を通して影響を受けることが防止される。チョークコイル７は、単に電源８とだけではなく、コンデンサ１８を通してアースとも接続されている。ここではチョークコイル７とバイパスコンデンサ１８は、導波管１の高周波信号が、電源（電圧端子）８と結合してしまうのを防止するための低域通過フィルタとして機能している。同様にして、チョークコイル１２とコンデンサ１７は、ゲートの上の高周波信号が信号端子１６と結合してしまうのを防止するための低域通過フィルタとして作用している。抵抗１４及び１５は、信号端子１６に印加された信号をトランジスタ２の制御領域に対して適合させるために、分圧器として用いられている。

図２には、正帰還要素１０の構成が詳しく示されている。参照符号１、２、３、４、５、６、及び１１は、ここでも図１で説明されたのと同じ機能を有している、図１と同じ対象を示している。導波管１は、ここでは特にストリップ導波管として形成されている。正帰還要素１０は、ここでは中心（内側）導体２１と外側のシールディングとを有する同軸導体２０として形成されている。同軸導体２０の一方の端部２３はアースと接続されている。その際、中心導体２１とシールディング２２はアースと接続されている。同軸導体２０の結合領域２４が、端部２３から導波管１に対して平行に伸びている。その際、端部２３が導波管１のドレイン端子４に隣接しているので、結合領域２４は、端部２３から、ドレイン端子４から離れて導波管１に沿って、点火ギャップ３に向かって伸びている。結合領域２４の後部で、同軸導体２０は本質的に垂直に又その後は導波管１から大きく離れて導かれる。

かくしてこの装置の効果は、結合領域２４の平行な配置によって、結合領域２４が導波管１の磁場の領域内にあるということにある。導波管１の高周波信号は、かくして結合領域２４の領域内で中心導体２１に、対応する電圧信号を生成する。この結合の形態は、誘導結合と呼ばれる。何故なら、この結合は導波管１の高周波信号の磁場によって生成されるからである。同軸導体２０は、結合領域２４にいたるまで導波管１から比較的遠く離して配置されているので、対応する誘導信号は、この領域内では無視することもできる。本質的に結合領域２４内での結合だけが行われる。

この様にして得られた信号は、その位相位置から、正帰還、即ち、導波管１に印加されている高周波信号の増幅をもたらす。その際、特に導波管１で最大の信号振幅をもたらす高周波信号、即ち周波数的に導波管１の負荷状態に対して最適に適合している高周波信号、が増幅される。このことは、結合領域２４内で誘導された信号が中心導体２１を通してトランジスタ２のゲート６に対して導かれるということによってもたらされる。信号端子１６の制御信号によって、電界効果トランジスタ２のゲート端子６の電圧は、ドレイン端子４からソース端子５へ或る程度の電流の流れが可能となるまで引き上げられる。すると正帰還によって、周波数に応じてゲート端子６で、ゲート端子６の追加の制御電圧が利用できる様になり、この追加の制御電圧が、トランジスタ２の更なる制御をもたらす。その際、この追加の、正帰還された信号は、周波数に依存しており、且つ電界効果トランジスタ２が導波管１の負荷状態に最適に適合している周波数で制御されるということをもたらす。図２に示されている誘導性帰還の形態は、導波管がストリップ導波管として形成されている場合に、特に簡単である。

図３には、本発明に基づく正帰還のもう一つの実施例が示されている。参照符号１、２、３、４、５、６、及び１１は、ここでも図１で説明されたのと同じ機能を有する、図１と同じ対象を示している。しかしながら、導波管１は、ここでは中心導体３１とシールディング３２とを有する同軸導波管３０として形成されている。シールディング３２は、ドレイン端子４に隣接している端部で、アース端子３３と接続されている。正帰還は、ここでは導体４０によってもたらされる。導体４０は、一方の端部でゲート端子６と、またもう一方の端部でアース端子３３と接続されている。導体４０は、アース端子３３から内部導体３１に対して平行に結合領域４１内を伸びている。更に、この結合領域４１は、同軸導体３０のシールディング３２の内部に配置されている。導体４０の結合領域４１は、同軸導体３０のドレイン端子４から内部導体３１に対して平行に点火ギャップ３の方向へ或る程度伸び、次いでシールディング３２の開口部４２を通って同軸導体３０の内部スペースを離れ、ゲート端子６へフィードバックされる。

導体４０の一部を結合領域４１内で内部導体３１に対して平行にする平行配置によって、いわゆる容量性で且つ誘導性の正帰還がもたらされる。このことは、導体４０の電圧信号が、内部導体３１の磁場によってもたらされ又そこに発生する電圧によってももたらされるということを意味している。

純粋に誘導性の正帰還の利点は構造が簡単なことと、劣化の原因となる容量性の成分が無いということにある。誘導性と容量性の混合正帰還は、エネルギーの進行方向に依存しており、方向性結合である。

図３に基づく正帰還の機能もまた、既に図２で説明された機能に対応している。信号端子１６に印加された信号によって、電界効果トランジスタ２が、ドレイン端子４とソース端子との間に或る程度の電流の流れを許す状態にされる。導体４０の結合領域４１の中で正帰還信号が生成され、該信号がゲート端子６で追加の電圧を利用できるようにする。この正帰還信号は、該信号が同軸導体３０の負荷状態に最適に適合し、またそれによって電界効果トランジスタ２のこの周波数による制御をもたらす高周波信号の周波数を有するときに、特に強い。かくして、電界効果トランジスタ２は常に、点火ギャップ３で最大電圧を生成する周波数で制御されるということがもたらされる。このことは、何よりも先ず、点火ギャップ３で点火火花の点火によって終端抵抗が、またこれによって、ここでは同軸導体３０として形成されている導波管１の波動インピーダンスが変化したときに、機能する。

正帰還部分を大幅に簡略化した、本発明に基づく高周波点火装置の第一の概略図である。 正帰還の第一の実施例を示す。 正帰還のもう一つの実施例を示す。

Claims (6)

1. 導波管（１）と高周波増幅器（２）とを備えた、内燃機関のための高周波点火装置であって、
   導波管（１）の第一の端部に高周波増幅器（２）が、且つ導波管（１）の第二の端部に点火ギャップ（３）が配置されており、
   正帰還要素（１０）が備えられており、該正帰還要素と共に導波管（１）と高周波増幅器（２）が、導波管（１）の長さと負荷状態とによって定められる減衰が最小となる周波数で振動する高周波発生器を形成し、
   前記高周波発生器によって生成された高周波信号が、点火ギャップ（３）で点火火花をもたらす、
   内燃機関のための高周波点火装置。
2. 高周波増幅器（２）がトランジスタとして、特に電界効果トランジスタとして形成されることを特徴とする請求項１に記載の高周波点火装置。
3. 正帰還要素（１０）が、導波管（１）と誘導正帰還を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波点火装置。
4. 正帰還要素（１０）が同軸ケーブル（２０）として形成されていること、同軸ケーブル（２０）が、導波管（１）の磁場の領域内で導波管（１）に対して平行に延びる結合領域（２４）を有していることを特徴とする請求項３に記載の高周波点火装置。
5. 正帰還要素（１０）が、誘導容量性の正帰還要素として形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波点火装置。
6. 導波管（１）が、中央導体（３１）とシールディング（３２）とを有する同軸導体として形成されていること、且つ前記正帰還要素が結合領域（４１）を有し、結合領域（４１）が、シールディング（３２）内を中央導体（３１）と並行に伸びている導体として形成されていることを特徴とする請求項５に記載の高周波点火装置。

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