JP2010520400A - 単一の電力段による複数のプラグコイルの制御 - Google Patents

Abstract

本発明はプラズマ発生装置に関し、本プラズマ発生装置は、制御信号（Ｖ１）により制御されるスイッチ（Ｍ）を含む電源回路（２）であって、当該スイッチが制御信号により定義される周波数で電源回路の出力に中間電圧（Ｖｉｎｔｅｒ）を印加する電源回路と、コネクタ（２０）を介して前記出力に並列に配置された複数のプラズマ発生プラグコイル（ＢＢ１、ＢＢ２、ＢＢ３、ＢＢ４）であって、各コネクタが、対応するプラグコイルに取り外し可能に接続され且つ各プラグコイルが異なる共振周波数を有するように前記プラグコイルの共振周波数をずらす手段（２３）を含む複数のプラズマ発生プラグコイルと、プラグコイルの共振周波数に基づいて制御周波数を決定することにより、使用される制御周波数に従ってプラグコイルを選択的に制御する、電源回路用の制御装置（５）とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は概して、スパークプラグの２つの電極の間にプラズマを発生させるシステムに関するものであり、これらのシステムは特に、内燃機関の燃焼室におけるガス混合気の高周波点火を制御するために使用される。

このようなプラズマ発生を利用した自動車のイグニションでは、コイルスパークプラグアセンブリを組み込んだプラズマ発生回路を使用して、当該回路の電極の間にマルチフィラメント状放電を発生させることにより、エンジンの燃焼室における混合気の燃焼を開始させることができる。マルチスパークプラグは、本出願人による特許出願である、ＦＲ０３−１０７６６、ＦＲ０３−１０７６７、及びＦＲ０３−１０７６８号に詳細に記載されている。
このようなコイルスパークプラグアセンブリは従来、共振周波数Ｆｃが１ＭＨｚより大きく、典型的には５ＭＨｚに近い共振器１によってモデル化される。当該共振器は、直列に、抵抗体Ｒと、インダクタＬと、コンデンサＣとを含む。コイルスパークプラグアセンブリの点火電極１０及び１２は、コンデンサＣの両端に接続される。

共振器に、当該共振器の共振周波数ｆｃ

で高電圧が供給されると、コンデンサＣの両端の振幅が増幅されて、スパークプラグの電極の間に、センチメートルのオーダーの距離に亘って、高圧且つ２０ｋＶ未満のピーク電圧でマルチフィラメント状放電を発生させることができる。
次に、火花は、火花が飛んで少なくとも複数のイオン化線又はイオン化経路が所定の容積内に同時に発生し、その枝分かれが更に全方向に出る場合「分枝火花」と表現される。

このようなコイルスパークプラグアセンブリへの電源供給を制御するためには電源回路を使用する必要があり、この電源回路は、通常約１００ｎｓであって約１ｋＶの振幅に達することができ、且つコイルスパークプラグアセンブリの高周波共振器の共振周波数に極めて近くなるように設計された周波数の電圧パルスを発生させることができる。共振器の共振周波数と高電圧発生器の動作周波数との差が小さい程、共振器の過電圧係数（共振器の出力電圧の振幅と共振器の入力電圧の振幅との比）が大きくなる。
ＦＲ０３−１０７６７号に更に詳細に記載されているこのような電源回路を図２に模式的に示す。当該電源回路には従来から、「Ｅクラスパワーアンプ」構成が採用されている。この種のＤＣ／ＡＣコンバータによって、前述の特徴を持つ電圧パルスの生成が可能になる。

図２の実施形態によれば、アンプ２は、共振器１の端子における切り替えを制御するスイッチとして使用されるＭＯＳＦＥＴパワートランジスタＭを含む。
このように、制御装置５は、制御周波数の制御信号Ｖ１を生成し、模式的に示される制御段３を介してパワーＭＯＳＦＥＴ Ｍのゲートに印加する。アセンブリの共振器１が制御信号Ｖ１によって励起されるとき、アンプの出力に接続されるコイルスパークプラグアセンブリの電極間における火花の生成を制御するために、前記信号は、一定にではなく、制御周波数の制御パルス列の形式で供給される。

特許出願ＥＰ−Ａ−１５１５５９４に記載されているように、並列共振回路４が中間電圧源ＶｉｎｔｅｒとトランジスタＭのドレインの間に接続される。この回路４は、コンデンサＣｐと並列接続されるインダクタＬｐを含む。
共振器の共振周波数に近い周波数で、並列共振器は中間電圧Ｖｉｎｔｅｒを増幅電圧Ｖａ（図５に示す）に変換する。この増幅電圧Ｖａは、中間電圧と並列共振器の過電圧係数との積に相当する。この増幅電圧は、共振器１の入力に接続されたトランジスタＭのドレインに供給される。

従って、トランジスタＭはスイッチとして機能し、制御信号Ｖ１の論理状態がハイ（又はロー）であるとき、共振器１の入力に電圧Ｖａを印加する（又は、共振器１の入力への電圧Ｖａの印加を遮断する）。このようにして、トランジスタＭは、制御信号Ｖ１に応じて、出力に接続されるコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数（通常、５ＭＨｚ）に出来る限り近くなるように設定されるスイッチング周波数を印加することにより、並列共振器４とコイルスパークプラグアセンブリを形成する直列共振器１の間のエネルギー伝達を維持及び最大化する。
すると、コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数において、上述の出力電圧Ｖａと直列共振器１の過電圧係数との積が、直列共振器１のコンデンサＣの両端、つまりスパークプラグの電極の端子に現われる。

アンプにより形成される電力段からコイルスパークプラグアセンブリの共振器へエネルギーを伝達するこの過程は、高い効率を確保するために、共振器の共振周波数で行われなくてはならない。具体的には、トランジスタＭが、コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数とは異なるスイッチング周波数を印加する場合、エネルギー伝達効率は、コイルスパークプラグアセンブリに使用される直列共振器の通過帯域が狭いことに起因して低下する。
プラズマ発生による自動車点火装置の用途では、コマンドにより燃焼を開始するために、各燃焼室に上述のコイルスパークプラグアセンブリが配設される。

従って、例えば４気筒エンジンの場合、図２を参照して上に説明したように、４つのコイルスパークプラグアセンブリの各々の電源供給及び制御を行なうためには、Ｅクラスアンプ型の４つの電源回路が利用可能でなければならない。
従って、制御されるコイルスパークプラグアセンブリの数と同数の増幅経路に基づくこのような構成は、エンジンフードの下方に設置しなければならないという空間要件だけでなく、大量生産車両へのこの種の点火装置の設置を考慮するには法外であろう設置費用により、プラズマ発生を用いるこの種の自動車点火装置の開発可能性を制限する。

本発明は、同一の増幅経路を介した複数のコイルスパークプラグアセンブリの制御を可能にすることにより、上述の欠点を解決することを目的とする。
この目的を考慮して、本発明はプラズマ発生装置に関し、本プラズマ発生装置は、
−制御信号により制御されるスイッチを含む電源回路であって、当該スイッチが、制御信号によって定義される周波数で電源回路の出力に中間電圧を印加する電源回路と、
−コネクタを介して電源回路の出力に並列に配置された複数のプラズマ生成コイルスパークプラグアセンブリであって、各コネクタが対応するコイルスパークプラグアセンブリに取り外し可能に接続され且つ各コイルスパークプラグアセンブリが個別の共振周波数を有するように前記コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段を含む、複数のプラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリと、
−コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数うちの一つに基づいて制御信号の周波数を決定する電源回路の制御装置であって、使用する制御周波数に従ってコイルスパークプラグアセンブリを選択的に制御する制御回路と
を備えることを特徴とする。

有利には、各プラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリは、１ＭＨｚを超える周波数を有し且つ２つの電極を含む共振器を備え、この共振器は、電源回路の出力に高レベルの電圧が印加されると、２つの電極の間にプラズマを発生させることができる。
一実施形態によれば、コネクタは、間に共通の接続素子を使用して組み立てられる。

好適には、接続素子はフールプルーフ手段を含み、これによって、当該素子は複数のコイルスパークプラグアセンブリに単一の方式でしか固定することができない。
有利には、コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段は、前記アセンブリに隣接する、コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段を含む。

一実施形態によれば、コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線に直接接触して配置される巻線を含む。
好適には、変更する手段の巻線は、磁性材料からなる素子の周りに配置される。

好適には、変更する手段の巻線は、磁性材料からなる素子により少なくとも部分的に取り囲まれる。
別の実施形態によれば、コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線に直接対向して配置される、磁性材料からなる素子を含む。

好適には、磁性材料からなる素子は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線の端部の少なくとも一部を取り囲む。
好適には、磁性材料からなる素子は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線に挿入される中心コアを含む。

一実施形態によれば、磁性材料はフェライトを含む。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら非制限的な例示を目的とする後述の説明を読むことによりさらに明らかになる。

共振器に使用される、プラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリをモデル化する電気モデルを示す。 コイルスパークプラグアセンブリの電源供給及び制御に使用される、アンプを備えた高電圧生成装置を示す。 単一の電源供給段の出力に並列に配置される４つのスパークプラグコイルアセンブリを備えた、本発明による高周波点火システムの全体図である。 ａ〜ｃは、コイルスパークプラグアセンブリの接続手段に組み込まれるように構成された、各コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段の種々の実施形態を示す。 接続手段の一実施形態を示す。 本発明による点火システムの制御の一実施例のフロー図である。

本発明は、単一の増幅経路の使用により、即ち、図２に関して上に説明したＥクラスパワーアンプ型の単一の電源回路の使用により、複数のコイルスパークプラグアセンブリを制御して、この単一の電源回路の出力に並列接続される複数のコイルスパークプラグアセンブリに選択的に電源供給することを提案する。
図３は、本発明による、単一の電源回路２の使用により、接続手段を介して電源回路の出力に並列接続される４つの（拡張した場合にはＮ個の）コイルスパークプラグアセンブリ、即ちＢＢ１、ＢＢ２、ＢＢ３、及びＢＢ４を個別に制御するこのようなアーキテクチャを示している。

従来、当該接続手段は複数のコネクタ２０から成り、各コネクタは、複数のコイルスパークプラグアセンブリのうちの対応するコイルスパークプラグアセンブリに取り外し可能に接続されるように設計される。
単一の電源回路によって複数のコイルスパークプラグアセンブリを個々に制御することを可能にする条件は、各プラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリが、他のアセンブリとは全く別の固有の共振周波数を有することである。本明細書における特定の目的は、各々が一つのコイルスパークプラグアセンブリを形成する共振器の共振周波数領域の重なりを回避することにより、同時に複数の点火が行なわれる問題を解決することである。

しかしながら、各コイルスパークプラグアセンブリは、特にこれらのスパークプラグの工業生産プロセスの効率に関連する理由から同じ共振周波数を有することが好ましいので、本発明は、各コネクタ２０が、所定の態様で、各コイルスパークプラグアセンブリが個別の共振周波数を有するように、対応するコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段を含む構造を提供する。
このようにして得られるコイルスパークプラグアセンブリの周波数分布においては、これらのコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数差は、好ましくは各共振器の通過帯域よりも大きくなければならない。例えば、共振器の通過帯域の２倍よりも大きな差が選択される。

従って、コイルスパークプラグアセンブリのこのような共振周波数分布によって、単一の電力段を共有することができ、且つ４つのコイルスパークプラグアセンブリを単一の電源回路２に基づいて個別に制御することが可能になるので、点火システムのコスト及び容積を大幅に節約することができる。

図４ａは、コイルスパークプラグアセンブリＢＢ１のコネクタ２０を示している。このコネクタは前記アセンブリの隣に位置し、制御に必要な２つの導体２１及び２２により形成されている。
このように、各コネクタ２０には手段２３が組み込まれ、この手段２３は、全てのコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数がずれていることにより上に定義される原理が満たされるように、所定の態様で対応するコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらすように、即ち、各コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数が互いに、好ましくは各コイルスパークプラグアセンブリの通過帯域の２倍よりも大きい値だけずれるように設計されている。

更に正確には、対応するコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段２３は、コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段を備え、この手段は前記アセンブリの隣に配置される。
図４ａに示す第１の実施形態によれば、コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更するこの手段は、磁性材料からなる素子３０を備え、この素子は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線Ｌに直接対向して配置される。

コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンスの値は、当該インダクタンスの巻線を直接巻き付ける磁性コア材料の関数として、具体的には、当該材料の性質及び巻線に隣接する素子の形状に基づいて変更される。
例えば、フェライト系磁性材料を使用することができる。

図４ｂに示す第２の実施形態によれば、磁性材料からなる素子３０は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線Ｌに挿入される中心コア３２を含む。
一変形例によれば、磁性材料からなる素子３０は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線Ｌの端部の少なくとも一部を取り囲むように構成される。このような構成は、コイルスパークプラグアセンブリの過電圧係数を高めるという利点も有する。

しかしながら、これらのコイルスパークプラグアセンブリの共振周波数を所望通りに分布させるためには、特定の場合において、巻線の３分の１を上限とする長さを持つフェライトを使用する必要があることが分かる。即ち、フェライトと巻線との間の絶縁又は容量結合に関する問題が生じうる状況である。
従って、一変形例によれば、コネクタ２０には、フェライト系磁性素子ではなく、巻線が組み込まれる。このようにしてコネクタに組み込まれる巻線は、コイルスパークプラグアセンブリの巻線に直接接触して配置される。従って、２つの巻線を結合させることで、周波数をずらす作業が有意に改善される。

図４ｃに示す別の変形例によれば、コネクタ２０には、コイルスパークプラグアセンブリの巻線に直接接するように構成された、巻線３４、及びフェライト系材料などの磁性材料からなる素子３６の両方が組み込まれる。この場合、巻線３４は磁性素子３６の周りに配置され、この磁性素子３６は更に、前記巻線を少なくとも部分的に取り囲むように構成することができる。
従って、上に提示した解決策では、単一の電源回路の出口に並列接続される各コイルスパークプラグアセンブリが当該アセンブリに固有の共振周波数を有し、これらの周波数が上述のように互いにずれるように、各コイルスパークプラグアセンブリのコネクタ２０にコイルスパークプラグアセンブリに直接対向する一つの素子（フェライト及び／又は巻線）を付加することで当該アセンブリの共振周波数を変更する。

図５に示す一つの特定の実施形態によれば、コネクタ２０は、間に共通の好ましくは剛性の接続素子２６を使用して組み立てられ、この接続素子は従って単一のコネクタとして機能し、このコネクタに、前述の周波数をずらす素子を一体化することにより、各気筒のコイルスパークプラグアセンブリの周波数を所定の態様でずらす。
部品の数を最小にし、従って製造プロセスを最適化することを可能にすることとは別に、このような単一のコネクタは更に、エンジンに確実に固定されることにより、従来使用されている個別のコネクタとは異なり、振動に対する高い機械的耐性を確保することができる。

有利には、単一のコネクタ２６を形成する接続素子は、単一の方式で当該接続素子を複数のコイルスパークプラグアセンブリに固定することを可能にするフールプルーフ手段２７を含む。
従って、単一のコネクタ２６に、最小の（又は、ゼロの）周波数ずれを発生させる素子２３を、例えば気筒番号１に配置し、周波数ずれを、例えば気筒番号４に向かって徐々に大きくすることができる。

従って、このような構成では、制御装置は、種々のコイルスパークプラグアセンブリの制御周波数の順番と気筒の順番との対応を事前に把握している。この対応は制御装置に保存される。
従って、単一の電源回路を制御する方法は、各点火装置のために制御される経路に合わせて調整される周波数を考慮する必要がある。

図６の実施例によれば、点火要求を受信すると、制御装置はまず、エンジンに配置される順番に番号１〜４が付された、制御すべき気筒を決定することができる。従って、各気筒番号には、制御対象のコイルスパークプラグアセンブリに特有の共振周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、及びＦ４がそれぞれ割り当てられる。
従って、制御装置は、点火する気筒の番号及び予め保存されている対応の関数として、これらの周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、及びＦ４の中から、生成される制御信号の周波数を決定するモジュールを備える。

制御周波数が決定されると、制御装置は、前記周波数の制御信号を、スイッチＭを制御するために用いられる出力インターフェースに印加する。
この場合、点火装置に対応して制御されるコイルスパークプラグアセンブリへの電力の選択的供給は、当然のことながら、この点火装置に使用される制御周波数によって決まる。

特定の一実施形態によれば、単一の電源回路の出力において得られる共振周波数は、本出願人による仏国特許出願ＦＲ０５−１２７６６９及び同ＦＲ０５−１２７７０号に記載されている表形式化法又は自動制御方法を使用して決定することができる。
例えば、制御装置には、エンジン動作パラメータ（エンジンオイル温度、エンジントルク、エンジン速度、点火角度、吸気温度、燃焼室の圧力など）の測定信号、及び／又は電源動作パラメータの測定信号を受信するインターフェースと、更に、測定信号と生成される制御信号の周波数との関係を保存する特定のメモリモジュールとを取り付けることができる。このようにして、制御装置は、受信インターフェースで受信される測定信号及びメモリモジュールに保存された関係の関数として、生成される制御信号の周波数を決定する。

従って、本発明の範囲から逸脱せずに、微粒子フィルタの点火装置の実施、又は空調システムの汚染物質除去燃焼装置の実施など、内燃機関の点火装置の制御の実施以外の用途を考案することができる。

Claims (12)

1. −制御信号（Ｖ１）により制御されるスイッチ（Ｍ）を備え、当該スイッチが、制御信号によって定義される周波数で中間電圧（Ｖｉｎｔｅｒ）を電源回路の出力に印加する電源回路（２）と、
   −コネクタ（２０）を介して電源回路の出力に並列に配置される複数のプラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリ（ＢＢ１、ＢＢ２、ＢＢ３、ＢＢ４）であって、各コネクタ（２０）が、対応するコイルスパークプラグアセンブリに取り外し可能に接続され且つ各コイルスパークプラグアセンブリが個別の共振周波数を有するように前記コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段（２３）を含む、複数のプラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリと、
   −コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数のうちの一つに基づいて制御信号の周波数を決定する電源回路用の制御装置（５）であって、使用する制御周波数に従ってコイルスパークプラグアセンブリを選択的に制御する制御装置と
   を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 各プラズマ発生コイルスパークプラグアセンブリが、１ＭＨｚを超える周波数を有し且つ２つの電極を含む共振器（１）を備え、当該共振器が、高レベルの電圧が電源回路の出力に印加されると２つの電極の間にプラズマを発生させることができることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. コネクタ（２０）が、それらの間に共通の接続素子（２６）を使用して組み立てられることを特徴とする、請求項１又は２記載の装置。
4. 接続素子がフールプルーフ手段（２７）を含み、これによって確実に単一の方式で接続素子を複数のコイルスパークプラグアセンブリに固定できることを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数をずらす手段（２３）が、前記アセンブリに隣接するコイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
6. コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段が、コイルスパークプラグアセンブリの巻線（Ｌ）に直接接触して配置される巻線（３４）を含むことを特徴とする、請求項５記載の装置。
7. 変更する手段の巻線（３４）が、磁性材料からなる素子（３６）の周りに配置されることを特徴とする、請求項６記載の装置。
8. 変更する手段の巻線（３４）が、磁性材料からなる素子（３６）により少なくとも部分的に取り囲まれることを特徴とする、請求項６又は７記載の装置。
9. コイルスパークプラグアセンブリのインダクタンス値を変更する手段が、コイルスパークプラグアセンブリの巻線（Ｌ）に直接対向して配置される磁性材料からなる素子（３０）を含むことを特徴とする、請求項５記載の装置。
10. 磁性材料からなる素子（３０）がコイルスパークプラグアセンブリの巻線の端部の少なくとも一部を取り囲むことを特徴とする、請求項９記載の装置。
11. 磁性材料からなる素子（３０）が、コイルスパークプラグアセンブリの巻線に挿入される中心コア（３２）を含むことを特徴とする、請求項９又は１０記載の装置。
12. 磁性材料がフェライトを含むことを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれか一項に記載の装置。

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