JP2012502225A - 内燃機関用無線周波数点火システムにおけるイオン化電流測定デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、電源回路（２）からなる内燃機関の無線周波数点火用デバイスであって、該電源回路（２）が、変圧器（Ｔ）を備え、該変圧器（Ｔ）の二次巻線が、１ＭＨｚを超える共振周波数を有する少なくとも１つの共振器（１）に接続され、かつ、上記電源回路（２）が、点火コマンドに応答してエンジンのシリンダの可燃性混合物の燃焼を開始するためにスパークを生成可能な２つの電極を備えるデバイスに関し、二次巻線と共振器間に直列接続された測定コンデンサ（ＣＭＥＳ）と、上記測定コンデンサの端子の電流（ＩＩＯＮ）を測定する測定回路（４０）であって、上記電流が、燃焼の進行状況の電気画像を提供する測定回路（４０）と、コンデンサと測定回路間に接続され、かつ点火コマンドによってもたらされた電気効果から上記電流測定取得時間を除去するように設計されている保護回路（３０）とを備えることを特徴としている。

Description

本発明は、内燃機関の共振無線周波数点火の分野に関する。より具体的には、エンジンのシリンダにおける気体のイオン化電流を測定するように設計されているデバイスに関する。

エンジンのシリンダにおける気体のイオン化電流は通常、点火終了後に測定されて、例えば、燃焼室の最大圧力に相当する角度を検出したり、ピンキングを検出したり、燃焼の失敗を特定したりするために、燃焼の過程に関する診断を実行するのに使用される。

従来の点火システムのイオン化電流を測定するための回路が既知であり、この動作は、炎の伝搬から生じる電流を測定するために、スパークプラグの電極間でのスパークの発生後に燃焼室の空気／燃料混合物を分極することからなる。

しかしながらこれらの回路は、従来の点火の特徴専用のものでなければならず、出願人の名義で出願された以下の特許出願に詳細に説明されているように、無線周波数プラグコイル（ＢＭＥ）タイプのスパークプラグを使用するプラズマ生成点火システムなどには適合不可能である：仏国特許第０３１０７６６号明細書、仏国特許第０３１０７６７号明細書および仏国特許第０３１０７６８号明細書。

実際、無線周波数点火の詳細は、燃焼から生じる電流の測定に対して多数の制約をもたらす。

まず、点火コマンド信号は、可燃性混合物の燃焼によってイオン化電流と１２０ｄＢ以上の振幅差を有する相当電流を誘導する。この電流は点火終了後に測定されるため、グレア時間が生じ、この間測定回路は弱電流を得ることができない。

さらに、測定回路は点火システムに挿入されているため、点火システムの効率を大きく低下させないことが重要である。

最後に、このタイプの無線周波数点火によって、２つのタイプの放電であるマルチフィラメントスパークおよびモノフィラメントアークを展開することが可能になり、これは点火システムに様々に影響を与える。したがって、発生されたこのタイプの放電に対するイオン化電流の測定のインピーダンスを保証することは困難である。

したがって、本発明は、とりわけ測定マスキング期間を最小化可能にすることによって、かつ発生した放電タイプに対する測定のインピーダンスを保証することによって上記制約に対処するように設計されている、無線周波数点火システムにおけるイオン化電流を測定するためのデバイスを提案することを目的としている。

したがって、この目的をふまえると、本発明は、電源回路からなる内燃機関の無線周波数点火用デバイスであって、該電源回路が、変圧器を備え、該変圧器の二次巻線が、１ＭＨｚを超える共振周波数を有する少なくとも１つの共振器に接続され、かつ、上記電源回路が、点火コマンドに応答してエンジンのシリンダの可燃性混合物の燃焼を開始するためにスパークを生成可能な２つの電極を備えるデバイスに関し、
変圧器の二次巻線と共振器との間に直列接続された測定コンデンサと、
上記測定コンデンサの端子における電流を測定するための回路であって、上記電流が燃焼傾向の電気画像を提供する回路と、
測定コンデンサと測定回路間に接続され、点火コマンドによって誘導された電気効果から上記電流の測定の取得時間を除去するように設計されている保護回路と、を備えることを特徴とする。

一実施形態によると、測定コンデンサは、変圧器および共振器のグラウンドリターンワイヤのレベルで、変圧器の二次巻線と共振器間に直列接続されている。

本発明にしたがったデバイスは有利には、共振器の電極とエンジングラウンド間に分極電圧を印加するように設計されている、可燃性混合物を分極する手段を備えている。

一実施形態によると、保護回路は、分極電圧に比例する電源電圧の抵抗によって分極されたダイオードブリッジを備えている。

好ましくは、測定回路は、演算増幅器を使用して生成された電流／電圧コンバータを備えている。

一実施形態によると、演算増幅器は、分極電圧にリンクされた非反転入力と、保護回路を介して測定コンデンサの端子にリンクされた反転入力とを有する。

有利には、電流／電圧コンバータは、フィードバック抵抗器と、フィードバック抵抗器に並列接続されているフィードバックコンデンサとを備えている。

好ましくは、電流／電圧コンバータの入力インピーダンスは、測定コンデンサのインピーダンスより少なくとも１００倍低い。

一実施形態によると、変圧器の一次巻線は、一方では中間電源電圧に、他方では、制御信号によって制御されている少なくとも１つのスイッチトランジスタのドレインに接続されており、スイッチトランジスタは、制御信号によって定義された周波数で、電源電圧を一次巻線の端子に印加する。

好ましくは、変圧器は可変巻数比を有する。

本発明の他の特徴および利点は、例示的および非制限的実施例として付与され、かつ添付の図面を参照してなされた以下の説明を読めばより明確になる。

図１は、プラズマ生成無線周波数プラグコイルをモデリングする共振器の図である。 図２は、図１でモデリングされたプラグコイルの端子に無線周波数範囲内の交流電圧を印加可能な最新技術の電源回路を示す図である。 図３は、図２の回路の変形例を示す図である。 図４は、点火コマンド時にプラグの電極の端子においてイオン化電流および電圧を測定するように本発明にしたがって設計された電源回路を示す図である。 図５は、イオン化電流測定回路の一実施形態を示している。 図５ａは、図５の実施形態の第１の変形例を示している。 図５ｂは、図５の実施形態の第２の変形例を示している。

無線周波数点火の制御に関して使用されているプラグコイルは共振器１（図１参照）と電気的に同等であり、共振器１の共振周波数Ｆ_Ｃは１ＭＨｚを超え、通常は５ＭＨｚ付近である。共振器は、抵抗器Ｒｓと、インダクタンスコイルＬｓとコンデンサＣｓとを直列に備えている。プラグコイルの点火電極１１および１２は共振器のコンデンサＣｓの端子に接続されており、共振器に電源投入されると、マルチフィラメント放電を発生させて、エンジンの燃焼室において混合物の燃焼を開始させることができる。

実際、共振器が共振周波数Ｆ_Ｃ

の時に高電圧で電源投入されると、コンデンサＣｓの端子の振幅は増幅されて、マルチフィラメント放電は電極間で、１センチメートル程度の距離にわたって、高圧力および２０ｋＶ未満のピーク電圧で展開する。

スパークは所与の容積のイオン化の少なくとも複数のラインまたは経路の同時生成を伴い、この分岐もまた全方向性であるため、用語「分岐スパーク」が適用される。

そして無線周波数点火へのこの適用は、無線周波数プラグコイルのプラズマ生成共振器の共振周波数に極めて近い周波数で１ｋＶ程度の振幅に達することができる、通常１００ｎｓ程度の電圧パルスを生成可能な電源回路の使用を必要とする。

図２は、このような電源回路２を図示している。無線周波数プラグコイルの電源回路は従来、いわゆる「疑似クラスＥ電力増幅器」配置を使用する。この配置によって、上記特徴の電圧パルスを生成することができる。

この配置は、０から２５０Ｖで変化可能な中間ＤＣ電源Ｖｉｎｔｅｒと、電力ＭＯＳＦＥＴトランジスタＭと、コンデンサＣｐと並列なコイルＬｐを備える並列共振回路４とからなる。トランジスタＭは、並列共振回路と、電源回路の出力インタフェースＯＵＴに接続されるプラズマ生成共振器１の端子におけるスイッチングを制御するためのスイッチとして使用される。

トランジスタＭは、このゲートにおいて、共振器１の共振周波数と略一致するはずの周波数でコマンドステージ３によって供給されるコマンド論理信号Ｖ１によって駆動される。

中間ＤＣ電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}は有利には、高電圧電源、通常はＤＣ／ＤＣコンバータによって供給可能である。

したがって、共振周波数付近で、並列共振器４は中間ＤＣ電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}を、並列共振器のＱ係数を乗算され、かつスイッチトランジスタＭのドレインレベルで電源回路の出力インタフェースに印加される電源電圧に相当する増幅周期電圧に変換する。

そしてスイッチトランジスタＭは、マルチフィラメント放電の展開および維持が必要なプラグコイルの電極の端子において高電圧を生成するように、プラグコイルの共振周波数に可能な限り近づけられるべき、コマンド信号Ｖ１によって定義された周波数で、増幅電源電圧を電源の出力に印加する。

したがってトランジスタは、およそ５ＭＨｚの周波数、および１ｋＶに達し得るドレイン／ソース電圧の高電流をスイッチングする。

図３に示されている変形例によると、並列コイルＬｐは次いで、１から５の巻数比を有する変圧器Ｔと置換される。変圧器の一次巻線Ｌ_Ｍは、一方では中間電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}に、他方でスイッチトランジスタＭのドレインにリンクされており、コマンド信号Ｖ１によって定義される周波数での、中間電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}の一次巻線の端子への印加を制御する。

変圧器の二次巻線Ｌ_Ｎは、一方がグラウンドリターンワイヤ６によってグラウンドにリンクされており、部分的には、プラグコイルの接続されるように設計されている。このように、プラグコイルの共振器１は、リンクワイヤ５および６によって二次巻線の端子に接続されており、かつグラウンドリターンワイヤ６を含んでおり、したがって変圧器の二次巻線によって電源投入される。

巻数比を用いることによって、トランジスタのドレイン／ソース電圧を低下させることができる。しかしながら、一次巻線の電圧を低下させることが、トランジスタを通過する電流の増大を誘導する。そして、例えば、同一の制御ステージ３によって制御された並列の２つのトランジスタを配置することによってこの制約を相殺することができる。

点火時に、燃焼および最適なエンジン動作を保証するために、分岐スパークの容積が増大することが必須である。本出願については、燃焼の有無は、コンデンサＣＳの端子間の可変抵抗Ｒ_ＩＯＮによってシンボル化される。

燃焼傾向を示すイオン化信号は、燃焼室の条件（温度、圧力、混合物の組成など）に応じて０．１μＡから１ｍＡの振幅を有する。したがって、点火信号に対して１２０ｄＢ程度の振幅比を有する信号を測定する試みがなされる。

イオン化信号は低周波数信号であり、１００ｋＨｚでのサンプリングは、有用な情報のすべてを抽出するために使用可能である。無線周波数点火の場合、プラズマ生成共振器Ｒ_ＳＬ_ＳＣ_Ｓは、１ＭＨｚを超え、通常は４ＭＨｚから６ＭＨｚの周波数で駆動される。したがって、約２０の周波数差という利点があり、これは振幅レベル差を相殺するのに使用可能である。

イオン化電流の測定をすることは、点火のエネルギー効率を劣化させることのないコンポーネントを用いることを伴う。

このため用いられる解決策は、図４を参照すると、グラウンドリターンワイヤ６で、測定コンデンサＣ_ＭＥＳを変圧器Ｔの二次巻線と共振器１間に直列接続することからなる。したがって、測定コンデンサは、グラウンドに対する潜在的な差が可能な限り小さい位置の回路に有利に配置される。

約１０ナノファラッドのキャパシタンスのコンデンサによって、点火システムを阻害せずに、イオン化電流の低周波数測定を実行する能力を維持することができる。

したがって、他のパッシブコンポーネントに対してこの測定コンポーネントを選択することの主要な利点は、無線周波数の態様にある。実際、高周波数では、当業者は、コンデンサの高周波数回路が直列共振器からなることを理解している。実際、共振器は、入力に印加される信号の周波数に応じて変化するインピーダンスを有しており、共振器の共振周波数で最小になる。周波数に応じた共振器のインピーダンス傾向の特徴によってコンデンサは、点火の共振周波数付近の非常に低いインピーダンスと、イオン化信号に使用される周波数帯域（Ｆ_ＩＯＮ＜１５ｋＨｚ）の高インピーダンスとを示すことができる。したがって、測定コンデンサは、点火コマンド信号に使用される周波数範囲の最低インピーダンスを示すように、正しく選択される。これによって、測定コンデンサの端子の電圧を最小化して測定回路を保護することができ、これについては図５を参照して説明する。

電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}を供給するＤＣ電源（図示せず）は、点火終了後に可燃性混合物を分極できるようにするために、エンジンのシリンダヘッドに対して電源回路の出力に接続されたプラグコイルの高電圧電極を分極するように提供される。

燃焼を表すイオン化電流Ｉ_ＩＯＮは実際、点火の終了後、つまりスパークの形成後に測定される信号である。したがって、この振幅は、とりわけ、プラグコイルの電極とエンジングラウンド間に印加される分極電圧に左右される。

分極電圧は単極性であり、通常は１Ｖから１００Ｖである。「ポジティブ分極」という表現は、プラグの高電圧電極が、エンジングラウンドよりも大きなポテンシャルで分極される場合に用いられる。

しかしながら、可燃性混合物をネガティブに分極することが可能である。プラグの中央電極のポテンシャルはエンジングラウンドのポテンシャル未満である。分極電圧は、この場合、通常−１００Ｖから−１Ｖである。

燃焼傾向の電気画像を供給する、コンデンサＣ_ＭＥＳの端子におけるイオン化電流Ｉ_ＩＯＮを測定するための回路４０が図５に示されている。この図面を参照すると、測定回路４０は、入力電流に比例する出力電圧Ｖ_ｓを供給するように設計されている電流／電圧コンバータの形態で生成される。

コンバータは、演算増幅器ＭＮ１およびフィードバック抵抗器Ｒ_Ｒを備えている。

演算増幅器ＭＮ１は、分極電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}にリンクされている非反転入力（＋）と、スパークの形成の効果から測定取得時間を除去するように設計されており、かつより詳細に後述する保護回路３０を介してコンデンサＣ_ＭＥＳの端子にリンクされている反転入力（−）とを有する。

抵抗器Ｒ_Ｒは、演算増幅器ＭＮ１の反転入力（−）と出力間に搭載される。

一変形例として、図５ａに示されているように、可燃性混合物がネガティブに分極される場合、非反転入力（＋）はネガティブ分極電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}にリンクされ、反転入力（−）は、保護回路３０を介して測定コンデンサの端子にリンクされるのに対して、抵抗器Ｒ_Ｒは、演算増幅器ＭＮ１の反転入力（ー）と出力間に接続される。

図５ｂに示されている別の変形例によると、以下の条件に従う分極電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}の可燃性混合物の極性を選択することも可能である。
Ｖ_ＥＥ＜Ｖ_{ｐｏｌａｒ}＜Ｖ_ＣＣ
ここでＶ_ＥＥ＜０およびＶ_ＣＣ＞０である。

このような電流／電圧配置は、極めて弱い電流を正確に測定することができる。

演算増幅器の入力は、値Ｌ_ｅのインダクタンスに等しい。これは、電流／電圧コンバータおよび測定コンデンサＣ_ＭＥＳの入力インピーダンス｜Ｚ_Ｅ｜によって形成されている回路ゆえに、点火の終了後に１００ｋＨｚより大きな周波数Ｆ_ＯＳＣの疑似周期的振動の出現をもたらし、このことは、測定回路の不飽和時間を短縮する。したがって、これらの振動を弱めるために、フィードバック抵抗器Ｒ_Ｒと並列にフィードバックキャパシタンスＣ_Ｒを追加する必要がある。したがって、以下を満たすキャパシタンスが選択される：

したがって、フィードバックキャパシタンスは、燃焼傾向を表す測定信号の有用な周波数帯域（通常は１００ｋＨｚ未満）に対しては無視できる程度であるが、測定回路の不飽和時間を最適化する。

さらに、フィードバックインピーダンスは、測定回路の出力電圧Ｖ_Ｓが、燃焼から生じる電流Ｉ_ＩＯＮに正比例することを保証するように正しく選択されることが重要である。

通常、測定コンデンサＣ_ＭＥＳは、スパーク生成段階で帯電する。電流／電圧コンバータの入力インピーダンスＺ_Ｅは、測定コンデンサＺ_ＭＥＳのインピーダンスと比較して低い（少なくとも１００倍低い）ことが重要である。この条件は、測定コンデンサではなく電流／電圧コンバータが、燃焼の広がりの画像である電流を供給することを保証する。言い換えると、コンデンサＣ_ＭＥＳのインピーダンスは、イオン化電流Ｉ_ＩＯＮのすべてが増幅器ＭＮ１で検索されるように、増幅器の入力インピーダンスと比較して高いことが必須である。

このコンバータは、以下の関係に従う入力インピーダンスを有していることが分かっている：

Ｇは演算増幅器の自然利得である。
ここで、

したがって、以下の関係は、１００ｋＭｚ未満の全周波数について満たされるべきである：

ここで、α≧１００である。

したがって、上記条件が満たされると、以下が適用される：
Ｖ_Ｓ＝Ｒ_Ｒ．Ｉ_ＩＯＮ＋Ｖ_{ｐｏｌａｒ}

次に、上記測定回路４０の反グレア機能を実行することによって点火の効果をなくすことができる保護回路３０をより詳細に説明する。このように、燃焼傾向を表す電流Ｉ_ＩＯＮの測定の取得は、スパークの形成の効果とは関係なく有利に実行可能である。

実際、燃焼に関する有用な情報は、点火の終了後ただちにイオン信号から抽出可能である。

実際、点火コマンド信号によって誘導される強力な電流は、燃焼を表す電流に対して約１２０ｄＢの振幅差を有しており、グレア時間、つまりマスキング期間をもたらし、この間に弱電流の取得は実行不可能であることが分かっている。

また、点火コマンドと関連した効果を最小化するために、測定回路４０を形成する測定コンデンサと電流／電圧コンバータ間に保護回路３０を接続する。実際、電流／電圧コンバータは、最大速度の燃焼の確実な測定を可能にするために、最も可能な動的範囲を維持し、かつ好ましくは３００μｓ未満の不飽和時間を示さなければならない。

保護回路３０は、電源電圧Ｖ_ＡＬＩＭ、好ましくは分極電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}付近で抵抗器Ｒ_ＨおよびＲ_Ｂによって分極されたダイオードブリッジ３１を備えている。

このアーキテクチャは安定しており、保護回路のダイオードを流れる分極電流Ｉ_Ｄが、コンバータによって供給される電流と比較して高い場合に測定を阻害するものではない。

以下をチェックすることが可能である：

Ｒ_ｄｙｎはダイオードの動的抵抗である。

したがって、次のとおりである：

または、Ｖ_ＡＬＩＭ＝１２ＶおよびＲ_Ｂ＝Ｒ_Ｈ＝１ｋΩについて、以下が取得される：
ＩＤ＝３ｍＡ＞Ｉ_{ＩＯＮｍａｘ}＝５００μＡ

この式によって、保護回路の配置の安定性と平均消費間の良好なトレードオフを発見することができる。抵抗器Ｒ_ＢおよびＲ_Ｈは通常、１００Ωから５０ｋΩの値を有することができ、異なる値でもよい。

したがって、最適分極電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}は、以下によって定義される：

電圧Ｖ_{ｐｏｌａｒ}は、例えば、それ自体が既知の抵抗分割回路を介して電圧Ｖ_ＡＬＩＭから取得されてもよい。

したがって、保護回路３０は二重の機能を有する。これによって、スパーク生成条件にかかわらず測定回路の低不飽和時間を維持することができる。また、共振点火システムが生成可能な各タイプのスパークに対する測定回路のロバスト性を支持する。

Claims (10)

1. 電源回路（２）からなる内燃機関の無線周波数点火用デバイスであって、前記電源回路（２）が、変圧器（Ｔ）を備え、前記変圧器（Ｔ）の二次巻線（Ｌ_Ｎ）が、１ＭＨｚを超える共振周波数を有する少なくとも１つの共振器（１）に接続され、かつ、前記電源回路（２）が、点火コマンドに応答してエンジンのシリンダの可燃性混合物の燃焼を開始するためにスパークを生成可能な２つの電極（１１、１２）を備えるデバイスであって、
   前記変圧器の前記二次巻線と前記共振器との間に直列接続された測定コンデンサ（Ｃ_ＭＥＳ）と、
   前記測定コンデンサの端子において電流（Ｉ_ＩＯＮ）を測定する回路（４０）であって、前記電流が前記燃焼傾向の電気画像を提供する回路（４０）と、
   前記測定コンデンサと前記測定回路との間に接続され、前記点火コマンドによって誘導された前記電気効果から前記電流（Ｉ_ＩＯＮ）の測定の取得時間を除去するように設計されている保護回路（３０）と、を備えることを特徴とするデバイス。
2. 前記測定コンデンサ（Ｃ_ＭＥＳ）が、前記変圧器および前記共振器のグラウンドリターンワイヤ（６）のレベルで、前記変圧器の前記二次巻線と前記共振器との間に直列接続されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記共振器の電極とエンジングラウンドとの間に分極電圧（Ｖ_{ｐｏｌａｒ}）を印加するように設計されている、前記可燃性混合物を分極する手段を備えることを特徴とする請求項１および２のいずれか一項に記載のデバイス。
4. 前記保護回路（３０）が、前記分極電圧（Ｖ_{ｐｏｌａｒ}）に比例する電源電圧（Ｖ_ＡＬＩＭ）の抵抗（Ｒ_Ｈ、Ｒ_Ｂ）によって分極されたダイオードブリッジを備えることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記測定回路（４０）が、演算増幅器（ＭＮ１）を使用して生成される電流／電圧コンバータを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記演算増幅器が、前記分極電圧にリンクされた非反転入力と、前記保護回路を介して前記測定コンデンサの端子にリンクされた反転入力とを有することを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
7. 前記電流／電圧コンバータが、フィードバック抵抗器と、前記フィードバック抵抗器に並列接続されたフィードバックコンデンサとを備えることを特徴とする請求項５および６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記電流／電圧コンバータの入力インピーダンスが、前記測定コンデンサのインピーダンスより少なくとも１００倍低いことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記変圧器の一次巻線が、一方で中間電源電圧（Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}）に、他方で制御信号（Ｖ１）によって制御される少なくとも１つのスイッチトランジスタ（Ｍ）のドレインに接続され、前記スイッチトランジスタは、前記制御信号によって定義された周波数で前記一次巻線の端子に前記電源電圧を印加することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記変圧器が可変巻線比を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。

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