JP5036830B2 - 単一の電力段による複数のプラグコイルの制御 - Google Patents

Description

本発明は概して、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生成を利用した自動車のイグニションへの適用においては、プラグコイルを組み込んだプラズマ生成回路を使用して、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、エンジンの燃焼室中の混合気に点火することができる。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。
このようなプラグコイルは従来、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。プラグコイルの点火電極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、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３０ｋＶ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。
この時、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、火花は「分枝火花」と表現される。

このようなプラグコイル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、通常立ち上がり時間が約１００ｎｓであって約１ｋＶの振幅に達することができ、且つプラグコイル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、本実施例ではＭＯＳＦＥＴパワートランジスタの形態で実施される、共振器１の端子における切り替えを制御するスイッチ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。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プラグコイル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、異なる点火命令によって作動され、制御周波数の制御パルス列の形式を採る。

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、出力に接続されるプラグコイルの共振周波数（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とプラグコイル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、プラグコイル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プラグコイル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、プラグコイル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、プラグコイル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。
プラズマ生成による自動車点火装置の用途では、コマンドに応じて燃焼を開始するために、各燃焼室に上述のプラグコイルが配設される。

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つのプラグコイルの電源供給及び個別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、制御されるプラグコイル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されることにより必要となる容積だけでなく、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、プラズマ生成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プラグコイル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、本発明の主題は高周波プラズマ生成装置に関し、本プラズマ生成装置は、
−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、
−電源回路の出力に並列に接続された少なくとも２つのプラズマ生成回路であって、各プラズマ生成回路が、固有の共振周波数を有し、且つプラズマ生成回路の共振周波数に概ね等しい周波数で電源回路の出力に高レベルの電圧が印加されるとプラズマを生成することができる、プラズマ生成プラグコイルと、
−プラズマ生成回路の共振周波数うちの１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各プラズマ生成回路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。

一実施形態によれば、各プラズマ生成回路は１つの共振器を備え、各共振器は個別の共振周波数を有する。
別の実施形態によれば、各プラズマ生成回路は１つの共振器を備え、各共振器は同一の共振周波数を有し、プラズマ生成回路の少なくとも１つは、その共振器の共振周波数をずらす手段も備える。

有利には、周波数をずらす手段は電源回路と共振器の間に直列に配置されたインピーダンスマッチング回路を含む。
好適には、インピーダンスマッチング回路はインダクタンスを含む。

一変形例によれば、インピーダンスマッチング回路は、電源回路の出力と各共振器の間を接続する妨害リンクケーブルを備え、ケーブルの、共振器間の部分の長さが共振器の周波数のずれを定義する。
有利には、各プラズマ生成回路は、燃焼機関のシリンダ内における点火制御、粒子フィルタにおける点火、及び空調システムにおける汚染物質燃焼といった実施形態のうちの１つにおける点火を行うように設計される。

本発明はまた、プラズマ生成装置の電源供給を制御する方法に関する。当該プラズマ生成装置は、制御信号によって制御されるスイッチを有する電源回路を備え、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を電源回路の出力に印加し、当該電源回路には、少なくとも２つのプラズマ生成回路が並列接続され、各プラズマ生成回路はそれ自体に固有の共振周波数で選択的に制御されるように設計されている。本方法は、
−制御周波数を決定するようにとのリクエストを受け取るステップ、
−制御されるプラズマ生成回路を決定するステップ、
−制御されるプラズマ生成回路の共振周波数に概ね相当する制御周波数を決定するステップ、及び
−決定された制御周波数で制御信号を生成するステップ
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、プラズマ生成プラグコイルをモデル化する電気モデルを示す。 プラグコイル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。 本発明によるプラグコイルの共振周波数の分配の第１の実施形態を示す。 本発明によるプラグコイルの共振周波数の分配の第２の実施形態を示す。 本発明による、Ｎ個のプラグコイルを含む高周波点火の全体を示す図である。 本発明による点火制御の一実施例のフロー図である。

従って、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、複数のプラグコイル式プラズマ生成回路を制御して、この単一の電源回路の出力に並列接続される複数のプラズマ生成回路に選択的に電源供給することを目的とする。
この特定のアセンブリの基礎となる原理は、電源回路により生成される高電圧及び高周波数の制御レベルで、電源回路の出力に接続された各プラズマ生成回路の自己共振周波数を利用することにある。

実際には、プラズマ生成回路の共振周波数を慎重に分配することにより、電源回路からプラズマ生成回路の一方又は他方への電力の望ましい伝送を、自然に決定できると思われる。よって、電源回路の出力において、当該電源回路に接続される複数のプラズマ生成回路の端子に同時に同一の高電圧を印加することにより、電源回路のレベルで使用される制御周波数と概ね一致する自己共振周波数を有するプラズマ生成回路に応じて、これらプラズマ生成回路の１つを選択的に制御することができる。
従って、単一の電源回路を介して複数のプラズマ生成回路を個別に制御することを可能にする条件は、これらのプラズマ生成回路の各々が、他と有意に異なる共振周波数を持つことである。この目的は、各プラズマ生成回路を形成する共振器の共振周波数領域が重なり合うことを防ぎ、よって複数が同時点火される問題を排除することである。

単一の電源回路の出力に並列接続された複数のプラズマ生成回路間の共振周波数の差は、好適には、各共振器の通過帯域の少なくとも数倍に相当する。例えば、各プラズマ生成回路の共振周波数を、他の回路から、各回路の通過帯域の２又は３倍に等しい値だけずらすことができる。
このような各プラズマ生成回路の共振周波数の間の周波数のずれを生成するために、複数の実施形態を考案することができる。

第１の方法は、各プラズマ生成回路に１つの、図１にモデル化したような、構造がそれぞれ異なるプラグコイルを使用することにより、使用されるプラグコイルの共振周波数を、上述の原理に従って他から十分に区別可能にすることである。
しかしながら、各プラズマ生成回路が図１に示されるような共振器を有し、各共振器が個別の共振周波数を有するこのような実施形態は、工業プロセスへの統合という観点からは最良のものではない。

実際には、複数の個別のプラグコイルの製造に工業プロセスを適用する必要があるので、制御される経路と同数のプラグコイル基準が必要となる。
また、図３及び４に示すように、制御される複数のプラズマ生成回路の共振周波数にずれを生じさせる好適な実施形態では、同一のプラグコイルを使用し、それらを形成するその共振器が同一の共振周波数を有し、各共振器にその共振周波数をずらす手段を接続する。

図３に示すように、プラズマ生成回路の共振周波数をずらす手段は、電源回路２の出力と共振器１の間に直列に配置される、インピーダンスマッチング回路１４を備える。このように、プラズマ生成回路を形成するインピーダンスと共振器の組の共振周波数は、分離されたプラグコイルの共振器１の共振周波数からずらされている。

上述の原理によれば、図５に示すように、単一の電源回路の出力と、各プラグコイル、即ちＢＢ１、ＢＢ２、ＢＢ３及びＢＢ４との間に、それぞれ値の異なる、即ち値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３及びＺ４を有するそのようなインピーダンス回路を直列に挿入することにより、単一の電源回路の出力に並列に接続されたプラズマ生成回路の共振周波数を思い通りに分配することができる。
従って、回路１４のインピーダンス値は、各々がインピーダンス−共振器の組を備える各プラズマ生成回路の間の共振周波数の差が、各共振器の通過帯域の少なくとも数倍に相当するように選択される。

例えば、追加されたインピーダンス回路に、各プラズマ生成回路の共振周波数が所望の値だけシフトされるようなインダクタンスを使用することができる。
電源回路の効率を最適化し、プラグコイルの動作を最適化するために、プラグコイルの制御に望ましい共振周波数より高い共振周波数を有する同一のプラグコイルを使用することができる。この場合、追加されるインピーダンス回路がインダクタンスである場合、この追加の効果は、各インダクタンス／プラグコイルの組の共振周波数全体の値を低下させることに相当する。

一変形例として、制御される経路の１つに、インダクタンスなどの、プラグコイルに直列な、余分な受動素子を追加する必要のない単純な接続を使用することができる。

図４に示す別の実施形態によれば、プラズマ生成回路の共振周波数を他からずらす手段は、直列インピーダンスとして電源回路の出力と各プラグコイルの間の接続部となるリンクケーブルを使用し、この場合プラグコイルも同一であり、つまりそれらの共振器は同一の共振周波数を有する。この場合、インピーダンス、具体的にはインダクタンスとなり、よってプラグコイルの共振器間に共振周波数のずれを定義するのは、ケーブルの、プラグコイル間に位置する部分の長さ、即ち、ＢＢ１とＢＢ２の間のＬ１、ＢＢ２とＢＢ３の間のＬ２、及びＢＢ３とＢＢ４の間のＬ３である。
プラグコイル間に妨害ケーブルを使用することにより、有利には、図３の実施形態により必要とされるような、プラグコイルの周波数をずらすための余分な構成部品の使用を排除することが可能になる。

上述の原理によれば、異なる経路の共振周波数が個別に分配されるので、単一の電源回路に基づいた本制御方法では、点火の度に、制御される経路に一致する周波数を考慮する必要がある。
このために、一実施形態によれば、電源回路の制御装置５は、制御される経路の各々に対応する周波数の等級付けの順序を保持できるメモリを有することができる。

よって、４気筒燃焼機関用の自動車の点火装置に使用される基準となる図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、例えば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、制御対象のプラズマ生成回路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。
この場合、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周波数の等級付けの順番に従って、これらの周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、及びＦ４の中から、生成すべき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プラズマ生成回路への電力の選択的供給は、当然ながらこの点火装置に使用される制御周波数によって管理される。

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に記載されている表形式化法又は自動制御方法により制御することができる。
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、測定信号と生成される制御信号の周波数との関係を記憶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記憶された関係に従って、生成される制御信号の周波数を決定する。

本発明の範囲から何ら逸脱することなく、微粒子フィルタの点火、又は空調システムの汚染物質燃焼装置の点火など、燃焼機関の点火制御の実施以外の用途が考慮可能である。

Claims (6)

1. −制御信号（Ｖ１）により制御されるスイッチ（Ｍ）を備える電源回路（２）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中間電圧（Ｖｉｎｔｅｒ）を電源回路の出力に印加する電源回路と、
   −電源回路の出力に並列に接続される少なくとも２つのプラズマ生成回路（ＢＢ１、ＢＢ２、ＢＢ３、ＢＢ４）であって、各プラズマ生成回路が、固有の共振周波数を有し、且つプラズマ生成回路の共振周波数に概ね相当する周波数で電源回路の出力に高レベルの電圧が印加されるとプラズマを生成することができる、プラズマ生成回路と、
   −プラズマ生成回路の共振周波数（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）の１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各プラズマ生成回路を選択的に制御する制御装置と、
   −各プラズマ生成回路に設けられた同一の共振周波数を有する共振器（１）と、
   を備え、
   プラズマ生成回路の少なくとも１つがその共振器の共振周波数をずらす手段も備えることを特徴とする高周波プラズマ生成装置。
2. 周波数をずらす手段が、電源回路の出力と共振器の間に直列に配置されたインピーダンスマッチング回路（１４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. インピーダンスマッチング回路がインダクタンスを含むことを特徴とする、請求項２記載の装置。
4. インピーダンスマッチング回路が、電源回路の出力と各共振器の間の接続部となる妨害リンクケーブルを含み、共振器間にあるケーブルの部分の長さ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）が、共振器間の周波数のずれを定義することを特徴とする、請求項２記載の装置。
5. 各プラズマ生成回路が、燃焼機関のシリンダ内の点火制御、粒子フィルタにおける点火、及び空調システムの汚染物質燃焼の点火のうちの１つを行うように設計される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. 電源回路（２）を備えたプラズマ生成装置の電力供給制御方法であって、電源回路（２）が、制御信号（Ｖ１）により制御されて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）を印加するスイッチ（Ｍ）を有し、且つ電源回路の出力には、少なくとも２つのプラズマ生成回路が並列に接続されており、各プラズマ生成回路がそれ自体の共振周波数で選択的に制御され、かつ、同一の共振周波数を有する共振器（１）を備えるように構成され、プラズマ生成回路の少なくとも１つがその共振器の共振周波数をずらすように構成され、
   前記方法が、
   −制御周波数を決定するようにとのリクエストを受信するステップ、
   −制御されるプラズマ生成回路を決定するステップ、
   −制御されるプラズマ生成回路の共振周波数に概ね相当する制御周波数を決定するステップ、及び
   −決定された制御周波数で制御信号を生成するステップ
   を含む方法。

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