JP2010535976A - 高周波プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、高周波プラズマ生成装置に関するものであり、本装置は、電圧ジェネレータ（５）と、少なくとも１つの点火アセンブリ（９）とを備え、点火アセンブリ（９）は、点火プラグ（４）と、プラグ（４）の電源端子とジェネレータ（５）の出力との間に設けられて、制御信号（Ｖ１）を受信すると電圧ジェネレータ（５）の出力を前記プラグ（４）に電気的に接続するスイッチ（７）とを含み、装置は、前記制御信号（Ｖ１）を生成する電子制御ユニット（ＵＣ）を含む。電子制御ユニット（ＵＣ）は、ジェネレータ（５）の出力電圧の経時変化を表わす値を測定する手段（Ｍ）を含み、装置（Ａ）は、プラグの前記電源端子に印加される電圧、及び／又は電流の周波数を、測定された値に基づいて変化させる手段を含む。ジェネレータ出力電圧の変化は、プラグの状態（新品又は使用済み）を表わす。

Description

本発明は概して、内燃機関の燃焼室において燃料の燃焼を開始するためのスパークプラグを備える高周波プラズマ生成装置の分野に関する。

具体的には、本発明は、
−電圧ジェネレータと、
−少なくとも１つの点火アセンブリと
を備える高周波プラズマ生成装置に関するものであり、前記点火アセンブリは、
−このプラグに１つの電圧レベルが印加されると火花を発生させるスパークプラグと、
−プラグの電源端子と電圧ジェネレータの出力との間に配置されるスイッチであって、前記スイッチの制御端子に印加された制御信号を受信すると、プラグの前記電源端子に電圧ジェネレータの出力を電気的且つ選択的に接続するスイッチと
を含み、本装置は更に、前記スイッチの前記制御端子に電気的に接続されて前記制御信号を生成する電子制御ユニットを備える。
高周波プラズマ生成装置のプラグは、火花又はプラズマを発生させて燃焼を開始可能とするために適している。したがって、プラグによって生成される火花の質を経時的に制御することが重要である。

上記に鑑み、本発明の目的は、高周波プラグによって生成される火花の質を制御できる高周波プラズマ生成装置を提案することである。
このために、本発明の高周波プラズマ生成装置は、上述の説明によって規定された同装置の包括的定義も満たすものであって、主に、電子制御ユニットが、電圧ジェネレータの出力電圧の経時変化を表わす値を測定する手段を含むことと、本装置が、プラグの前記電源端子に印加される電圧及び／又は電流の周波数を、前記測定手段により測定される値に従って変化させる手段を含むこととを特徴とする。

この新規の装置が特に有利であるのは、本装置によって、
−ジェネレータの出力電圧の変化であって、ジェネレータによって電源供給されるプラグの状態を表わす変化に関連付けられるパラメータを測定すること、及び
−この電圧及びこの周波数が、生成される火花の質を決定するパラメータであることを念頭に置いて、このプラグの電圧及び／又は電源電流の周波数を変化させること
が可能である。
したがって、本発明による装置によって、プラグの電源電圧を、プラグの摩耗状態又は汚損状態を表わすか、或いは、例えば故障状態（火花の枝分かれ、火花が小さすぎるなど）を表わす電圧変化の測定値に従って変化させることが可能になる。

実際、後述する図２に示すように、摩耗又は汚損しているプラグの電源電圧は、新品のプラグの電源電圧よりも低い速度で低下する傾向がある。したがって、本発明による装置により、ジェネレータにより生成される電圧を、プラグの観測状態と、特に電気エネルギーを消費して火花を飛ばす当該プラグの性能に応じて変化させることを想到することができる。例えば、ジェネレータが所定のプラグに供給する必要のある公称設定ポイント電圧を増大させることができる。
例えば、電子制御ユニットは、測定値と、装置のメモリに事前に保存された理論値とを比較する手段を含むことができる。

この実施形態では、一般的なプラグの実験台での測定により測定されて事前に保存された値に従ってプラグの状態をチェックすることができる。
例えば、電子制御ユニットを前記電圧ジェネレータに電気的に接続することができ、電圧ジェネレータは、ジェネレータの出力電圧を、電子制御ユニットにより供給されるジェネレータに対する制御信号に従って変化させることができる。

この実施形態では、ジェネレータの出力電圧測定値を受信する制御ユニットが、これらの測定値を処理してジェネレータに対する制御信号を生成することにより、ジェネレータが最終的にその出力電圧を適合させることができ、これによりプラグにより生成される火花の質が向上する。
例えば、電子制御ユニットを前記電圧ジェネレータに電気的に接続することができ、この電圧ジェネレータは、ジェネレータの出力おいて生成される電流の周波数を、電子制御ユニットにより供給されるジェネレータの制御信号に従って変化させることができる。

この実施形態では、ジェネレータの出力電圧測定値を受信する制御ユニットが、これらの測定値を処理してジェネレータに対する制御信号を生成することにより、ジェネレータが最終的にその出力周波数を適合させることができる。この実施形態によって、プラグにより生成される火花の質を、電源周波数を適合させることにより向上させることができる。
例えば、前記スイッチは、プラグの前記電源端子に印加される電流の周波数を、前記電子制御ユニットにより生成される前記制御信号に従って変化させることができる。

この実施形態では、スイッチに対する制御信号を使用して、プラグの電源電流の周波数を変化させる。
例えば、高周波プラズマ生成装置が、所定の種類の点火アセンブリを複数個含み、各点火アセンブリの各スイッチが、前記電圧ジェネレータと制御ユニットとに接続される。

この実施形態では、複数のスパークプラグを、これらのプラグのうちの１つに電源が供給されるときのジェネレータの出力電圧の経時変化を測定するという同じ原理に従って制御し、次いでこの測定に基づいてこのプラグの摩耗状態を評価することにより、必要に応じて当該プラグの電源電圧を調整することができる。
例えば、各点火アセンブリは、この点火アセンブリに特有の制御信号を受信することができる。

この特徴によって、各点火アセンブリの各スイッチを個別に制御することができ、その結果、各プラグの電源の供給の遅延と、スイッチが特定の信号に従って周波数を変化させることができるとき、必要であれば電源の周波数とを制御することができる。
前述の実施形態に関連する好適な実施形態では、各スイッチは、当該スイッチの接続先であるプラグに電源供給する電流の周波数を、受信する特定の制御信号に従って規定することができる。

好ましくは、各スイッチは、当該スイッチの接続先であるプラグに電源供給する電流の周波数を、このプラグに電源供給する当該周波数が、受信される特定の制御信号の周波数に等しくなるように、決定する。
例えば、電圧及び／又は電流の周波数を変化させる前記手段は、前記測定手段により測定された前記値に従って、各プラグの電源端子に印加される電圧及び／又は電流の周波数の各々を変化させることができる。

本発明はまた、本発明によるプラズマ生成装置の制御方法に関するものであり、本方法は、主に、電源電流をスパークプラグの電源端子に印加し、次いで電圧ジェネレータの出力電圧の経時変化を表わす値を測定し、これらの測定値と、事前に保存された理論値とを比較し、これらの測定値と事前に保存された理論値との間に観測される差に従って、プラグの端子に印加される電源電圧を変化させることを特徴とする。
電圧ジェネレータの出力電圧の経時変化を表わす測定値と事前に保存された理論値との差を観測することにより、プラグの状態を決定し、特にそのエネルギー伝達率を求めることができる。理論値は、新品のプラグ又はモデルプラグからのエネルギーの伝達速度を評価するパラメータであるエネルギー伝達率のようなパラメータとすることができる。

プラグの状態を判断した後、それに従ってこのプラグの電源電圧を変化させて、このプラグの動作を向上させる。この場合、ジェネレータの公称設定ポイント電圧は、プラグが更に摩耗／汚損するにつれて、即ちこのプラグのエネルギー伝達率が低下するにつれて大きくすることができる。
即ち、プラグの観測状態に基づいて、このプラグに対し、第１及び第２の実施形態において印加される電源電圧とは異なる電源電圧を印加することを決定することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、例示的及び非限定的に提供され、添付図面を参照する本発明の説明により明確にする。

図１は、本発明によるプラズマ生成装置を示している。 図２は、新品のプラグ及び摩耗しているプラグについて、時間の経過に伴う電圧ジェネレータの出力電圧を表わす２つの変化曲線を示している。

前述のように、本発明は、高周波プラズマ生成装置Ａに関するものであり、本装置は、
−電圧ジェネレータ５と、
−互いにほぼ同じである複数の点火アセンブリ９と
を備える。
電圧ジェネレータ５は、ＤＣバッテリ２によって電流供給され、当該ジェネレータの出力で得られる可変電圧の電流を生成する。

点火アセンブリ９は、高周波プラグ４と、当該高周波プラグ４を電圧ジェネレータ５の出力に選択的に接続してこのプラグ４に選択的に電源供給するスイッチ７とを含む。
スイッチ７は制御端子を含み、この制御端子は、スイッチの制御信号Ｖ１（又は関係する点火アセンブリに応じてＶ２、Ｖ３、Ｖ４）を受信し、この信号に従って、ジェネレータ５をプラグ４の端子に電気的に接続するか又は接続しない。プラグ４がジェネレータ５から十分大きい電源電圧を受け取ると、ジェネレータはプラズマを形成する火花を生成し、ジェネレータ５の出力における電圧は、火花生成期間に亘って時間の経過とともに低下する。

本発明による装置Ａは更に、エンジン制御ユニットＥＣＵ ＣＭに接続される電子制御ユニットＵＣを含み、当該電子制御ユニットＵＣが当該エンジン制御ユニットＥＣＵ ＣＭと通信することにより、本発明の点火装置を装備したエンジンの要求に基づいて点火装置Ａを管理する。
電子制御ユニットＵＣは、電圧ジェネレータ５にも接続され、当該ジェネレータに対する制御信号Ｓｇを送信する。

ジェネレータに対するこれらの制御信号Ｓｇはジェネレータによって解釈され、当該ジェネレータは制御信号Ｓｇに従って出力電圧を変化させる。
この場合、電圧ジェネレータに対する制御信号Ｓｇは、測定値（ジェネレータの出力電圧の経時変化を表わす値）のうちの少なくとも１つと、装置のメモリに事前に保存された少なくとも１つの設定ポイント値との比較に基づいて決定される。このような実際の測定値と理論値との比較によって、プラグの摩耗状態を判断することができる。

このように、ジェネレータの出力電圧は、ジェネレータによって電源供給される必要のある又は電源供給されるプラグ４の測定摩耗状態に応じて変化する。
電子制御ユニットＵＣはまた、ジェネレータ５の出力に現われる電圧の測定を行なう測定回路Ｍを介して、電圧ジェネレータ５の出力に接続される。

電子制御ユニットは更にメモリを含み、このメモリは、プラグの寿命の異なる段階におけるプラグのエネルギー伝達率を表わす理論値を保存する。
本発明の特定の実施形態では、電子制御ユニットＵＣは更に、周波数ジェネレータ、この場合は固定周波数ジェネレータを含み、この固定周波数ジェネレータは、この周波数ジェネレータ８の接続先であるスイッチ７の端子に印加される異なる制御信号Ｖ１（Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を生成する。この周波数は、大容積のプラズマを発生させるために、プラグの共振周波数に対応して固定されるように選択され、この場合は電源電圧のみが可変である。

エネルギー伝達率は、ジェネレータによって生成されるエネルギーを伝達するプラグに接続されるジェネレータ５の出力電圧の経時変化を表わす値の一例であることに注目されたい。
したがって、電子制御ユニットＵＣは、ジェネレータ５の出力にプラグ端子を接続するスイッチ７に対し、スイッチ制御信号Ｖ１を送信することにより、火花の生成を制御する。

この信号Ｖ１を受信すると、スイッチは、ジェネレータ制御信号Ｓｇにより固定される値の出力電圧を生成するジェネレータ５の出力に、プラグ４の電源端子を接続する。
次に、プラグ４は、火花を発生させて、プラグ４の状態に応じた特定の速度でエネルギーを放出する。

高周波プラグ４の動作は、
−プラグ４の共振周波数（このプラグの摩耗状態に応じて変化する）、
−較正によって設定される点火開始設定ポイント電圧、つまりジェネレータ５が供給する出力電圧、
−較正により設定される火花継続期間
に基づいている。

図２に示す２つの曲線はジェネレータ出力における電圧低下を表わしており、一方の曲線は、「摩耗したＢＭＥ」の動作、すなわち摩耗又は汚損したプラグの動作に対応し、他方の曲線は、「新品のＢＭＥ」の動作、すなわち新品のプラグの動作に対応する。
電圧低下速度は、摩耗したプラグより新品のプラグの方が大きいことが分かる。

電子制御ユニットＵＣは、ジェネレータ５の出力に現われる電圧の変化を表わす値を測定する手段から電圧測定値Ｍを受信する。
少なくとも２回の測定を行なって、ジェネレータ出力における電圧低下の速度、具体的には、電源供給されたプラグのエネルギー伝達率を求める。

具体的には、電子制御ユニットＵＣは、制御段７の導通の開始時点における、つまり信号Ｖ１がスイッチ７に送信される時点における、電圧設定装置５の出力に現われる電圧を取得する。このような、ジェネレータの出力電圧を表わす値Ｖｓｔａｒｔ＿ａｌｌ（ｘ）の取得は、ジェネレータによりプラグへの電源供給が開始されるときに行なわれる。Ｖｓｔａｒｔ＿ａｌｌ（ｘ）は制御ユニットのメモリに保存される。
スイッチ又は制御段７が、火花継続期間に等しい時間の経過後に、ジェネレータ５の出力へのプラグ４の接続を停止すると、計算ユニット６が、電圧設定装置５から出力電圧を取得する。

プラグへの電源供給が停止する少し前のジェネレータ出力電圧を表わす値Ｖｅｎｄ＿ａｌｌ（ｘ）を取得し、電子制御ユニットＵＣのメモリに保存する。
これらの開始時点及び終了時点は、信号Ｖ１によりスイッチ７を制御する制御ユニット自体によって決定されるので、容易に計算することができる。

複数の点火アセンブリ９が設けられる場合、「ｘ」は４気筒エンジンのシリンダ番号１、２、３、及び４のマルチスパークプラグの順番を表わす。
順番「ｘ」の各プラグについて、電圧値Ｖｓｔａｒｔ＿ａｌｌ（ｘ）及びＶｅｎｄ＿ａｌｌ（ｘ）を保存した後、次に各プラグについて、ジェネレータ出力電圧の経時変化を表わす値、つまり順番「ｘ」の各プラグの電源電圧を表わす値を計算する。

この場合、この代表値は、無次元の数値である等式

で表わされる。
順番「ｘ」のプラグの摩耗状態を表わすこの値を理論上のエネルギー伝達率値と比較して補正値を生成することにより、ジェネレータに対する制御信号Ｓｇを生成し、所定のプラグ「ｘ」への電源供給開始時のジェネレータの出力における設定ポイント電圧を設定することができる。

この場合、補正値は、「エネルギー伝達率」の関数であるテーブルから線形補間によって得ることができる。このようなテーブルは、測定される「エネルギー伝達率」と理論上の「エネルギー伝達率」との相関を確立し、当該相関は、ジェネレータの公称設定ポイント出力電圧を規定するための、対応する所定の補正値を有する。
例えば、データテーブルを介して得られる補正係数を、新品の基準部品の公称設定ポイント電圧に付加して、プラグの摩耗状態を考慮に入れた、ジェネレータの出力における新規の公称設定ポイント電圧を求めることができる。

Claims (10)

1. 高周波プラズマ生成装置（Ａ）であって、
   −電圧ジェネレータ（５）と、
   −少なくとも１つの点火アセンブリ（９）と
   を備え、前記点火アセンブリ（９）が、
   −１つの電圧レベルが印加されると、プラグの２つの電極の間に火花を発生させるスパークプラグ（４）と、
   −プラグ（４）の電源端子と電圧ジェネレータ（５）の出力との間に配置されるスイッチ（７）であって、スイッチ（７）の制御端子に印加される制御信号（Ｖ１）を受信すると、電圧ジェネレータ（５）の出力をプラグ（４）の前記電源端子に電気的且つ選択的に接続するスイッチ（７）と
   を含み、当該装置が更に、前記スイッチ（７）の前記制御端子に電気的に接続されて、前記制御信号（Ｖ１）を生成する電子制御ユニット（ＵＣ）を備えており、電子制御ユニット（ＵＣ）が、電圧ジェネレータ（５）からの出力電圧の経時変化を表わす値を測定する手段（Ｍ）を含むことと、当該装置が、プラグの前記電源端子に印加される電圧及び／又は電流の周波数を、前記測定手段（Ｍ）により測定された値に従って変化させる手段を含むこととを特徴とする、高周波プラズマ生成装置。
2. 電子制御ユニット（ＵＣ）が、測定値と、装置のメモリに事前に保存された理論値とを比較する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ生成装置。
3. 電子制御ユニット（ＵＣ）が前記電圧ジェネレータ（５）に電気的に接続されており、この電圧ジェネレータ（５）が、ジェネレータの出力電圧を、電子制御ユニット（ＵＣ）により供給されるジェネレータに対する制御信号（Ｓｇ）に従って変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波プラズマ生成装置。
4. 電子制御ユニット（ＵＣ）が前記電圧ジェネレータ（５）に電気的に接続されることと、この電圧ジェネレータが、ジェネレータ（５）の出力における電流の周波数を、電子制御ユニット（ＵＣ）により供給されるジェネレータに対する制御信号（Ｓｇ）に従って変化させることとを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の高周波プラズマ生成装置。
5. 前記スイッチ（７）が、プラグ（４）の前記電源端子に印加される電流の周波数を、前記電子制御ユニット（ＵＣ）により生成される前記制御信号（Ｖ１）に従って変化させることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の高周波プラズマ生成装置。
6. 所定の種類の点火アセンブリ（９）を複数含み、各点火アセンブリの各スイッチ（７）が、前記電圧ジェネレータ（５）と前記制御ユニット（ＵＣ）とに接続されることを特徴とする、請求項１なしい５のいずれか一項に記載の高周波プラズマ生成装置。
7. 各点火アセンブリ（９）が、この点火アセンブリ（９）に特有の制御信号（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を受信することを特徴とする、請求項６に記載の高周波プラズマ生成装置。
8. 電圧及び／又は電流の周波数を変化させる前記手段が、前記測定手段（Ｍ）により測定された前記値に従って、プラグ（４）の各々の電源端子に印加される電圧及び／又は電流の周波数の各々を変化させることを特徴とする、請求項６に記載の高周波プラズマ生成装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置の制御方法であって、電源電流をスパークプラグ（４）の電源端子に印加し、次いで電圧ジェネレータ（５）の出力電圧の経時変化を表わす値を測定し、これらの測定値を、事前に保存された理論値と比較し、プラグ（４）の端子に印加される電源電圧を、これらの測定値と事前に保存された理論値との間に観測される差に従って変化させることを特徴とする方法。
10. 電圧ジェネレータ（５）の出力電圧の経時変化を表わす値を測定するために、電圧ジェネレータの出力電圧の第１回測定（Ｖｓｔａｒｔ＿ａｌｌ（ｘ））を、装置の所定のプラグへの電源供給開始時に行ない、次いで第１回測定の後、電圧ジェネレータの出力電圧の第２回測定（Ｖｅｎｄ＿ａｌｌ（ｘ））を、このプラグへの電源供給の中断前に行なうことを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ生成装置の制御方法。

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