JP5208194B2 - 給電デバイス及び高周波式点火デバイス - Google Patents

Description

本発明は概して、点火プラグの２つの電極間におけるプラズマ生成システムであって、特に内燃機関の燃焼室における混合気体の制御式高周波点火のために使用されるプラズマ生成システムに関する。

プラズマ生成によるこのような自動車の点火用途に対し、プラグ・コイルを取入れたプラズマ生成回路は、該回路の各電極間にマルチフィラメント放電を生成することでエンジンの燃焼室内の混合気の燃焼を開始するために用いられる。ここで言及される多重火花式プラグは、本出願人により出願された特許文献１、特許文献２及び特許文献３に詳述されている。

図１を参照するとこのようなプラグ・コイルは従来共振器１によりモデル化され、その共振周波数Ｆ_ｃは１ＭＨｚより大きく、典型的には５ＭＨｚに近い。プラグレベルに配置された共振器は直列に、抵抗器Ｒ、誘導器Ｌ及びコンデンサＣを備える。プラグ・コイルの点火電極１０及び１２はコンデンサＣの各端子に接続される。

共振器がその共振周波数

において高電圧で給電されたとき、コンデンサＣの各端子における振幅は増幅されて、高圧力においてセンチメートルのオーダーの距離に亘り、且つ２０ｋＶ未満のピーク電圧に対し、プラグの各電極間にマルチフィラメント放電を発生させることができる。

それらは所定体積において少なくとも数本のイオン化ライン又は経路の同時的な生成を伴い、またそれらの分岐は全方向性であるので、そのときに生成される火花は「分岐火花」と呼ばれる。

これを高周波式点火に適用するためには、プラグ・コイルの高周波共振器の共振周波数に非常に近い周波数で、１ｋＶのオーダーの振幅に到達し得る典型的には１００ｎｓのオーダーの電圧パルスを生成し得る電源の使用が必要とされる。共振器の共振周波数と電源の動作周波数との差が更に小さくなるほど、共振器の過電圧係数（その出力電圧及びその入力電圧の振幅の間の比率）は大きくなる。

図２及び図２ａは、このような電源を概略的に示している。図２は、特許文献２において詳述されている。電源は、常套的に「クラスＥ電力増幅器」構成を使用している。この種のＤＣ／ＡＣ変換器は、上述の特性を有する電圧パルスを生成するために使用することができる。

図２の実施例によれば、電源は、それぞれがパワーＭＯＳＦＥＴトランジスタＭを有する給電回路２を備え、この回路は、当該給電回路の出力部に接続されるプラズマ生成共振器１の各端子における切換えを制御するスイッチとして使用される。

給電回路の制御デバイス５は、制御論理信号Ｖ１を生成し、この信号をパワーＭＯＳＦＥＴトランジスタＭのゲートに対して印加する。このときの周波数は、共振器１の共振周波数にほぼ一致させなければならない。

給電回路２と共振器１とから構成された高周波式点火システムは、制御信号Ｖ１により定義される周波数で給電回路の出力部に対してスイッチＭにより印加される電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}により給電される。

電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}は具体的には、コンデンサＣｐと並列な誘導器Ｌｐを備え、且つ電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}に充電された給電回路のコンデンサＣｂとスイッチＭのドレインと間に接続される並列共振回路４によって供給される。電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}に充電されたコンデンサＣｂは特に、点火命令時に電流を安定化させるために使用される。

図２ａは、二次側における接地問題を回避する電気絶縁を提供する変圧器Ｔを用いた図２の電源の変更例を詳細に示しており、この場合、誘導器Ｌｐは変圧器の一次側を形成する。この変圧器は、１．５〜２のオーダーの低い利得を有する。

その共振周波数の近傍で、並列共振器４は、電源電圧Ｖ_{ｉｎｔｅｒ}を、該電源電圧と並列共振器のＱ値との積に相当する増幅電圧Ｖａへと変換する。従って、スイッチ・トランジスタＭのドレインのレベルにおいて給電回路の出力部に印加されるのは、増幅電源電圧Ｖａである。

そのときスイッチＭは、制御信号Ｖ１により定義される周波数であって、プラグ・コイルの共振周波数にできるだけ近い周波数で、電源の出力部に増幅電源電圧Ｖａを印加する。実際、点火命令時には、高周波式点火システムを共振モードに設定することで、プラグ・コイルを形成する共振器に伝達されるエネルギを最大化するために、実質的にその共振周波数でプラグ・コイルを制御しなければならない。

ＦＲ０３−１０７６６ ＦＲ０３−１０７６７ ＦＲ０３−１０７６８

本発明の目的は、高周波プラグ・コイルの最適な共振周波数を決定することにより、プラグ・コイルのこの共振周波数において最適制御を達成することである。

つまり、本発明は、高周波式点火システム用の給電デバイスであって、プラズマ生成共振器に接続される出力部に対し、給電回路制御デバイスにより供給された制御信号により定義される周波数で電源電圧を印加する給電回路を備える給電デバイスを提案し、本制御デバイスは、
−最適制御周波数の決定要求を受信するインタフェースと、
−給電回路のコンデンサの端子における電圧を測定している信号を受信するインタフェースと、
−最適制御周波数を決定するモジュールであって、要求を受信すると連続的な点火命令のために異なる制御周波数を連続的に給電回路に対して供給し、且つ受信インタフェースを介して受信された測定信号の関数として最適制御周波数を決定するモジュールと
を備えることを特徴とする。

好適には、最適制御周波数を決定するモジュールは、実質的にプラズマ生成共振器の共振周波数に等しい最適制御周波数を決定する。

一実施例によれば、本給電回路は、制御信号により制御されるスイッチであって、出力部に接続されたスイッチを備える。

好適には、給電回路のコンデンサは、各点火命令の開始時において電源電圧に充電される。

有利には、最適制御周波数を決定するモジュールは、点火命令の開始時における電源のコンデンサの端子における電圧の値と点火命令の終了時における電源のコンデンサの端子における電圧の値の間の、２つの連続する偏差の値を比較し、連続する偏差の値の間の差が第１符号を有する場合、制御周波数を第１方向に修正し、且つ連続する値の間の差が第２符号を有する場合、直前の制御周波数が最適制御周波数であると決定する。

本発明は、先行請求項のいずれか一項に記載の給電デバイスと、給電デバイスの出力部に接続されたプラズマ生成共振器とを備える高周波式点火デバイスにも関する。

有利には、本プラズマ生成共振器は、制御式の燃焼エンジン点火、微粒子フィルタにおける点火、及び空気調節システムにおける汚染除去点火のうちの１つに適している。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照する、例示を目的とした非限定的な実施例についての以下の説明により更に明らかとなろう。

プラズマ生成式の高周波プラグ・コイルをモデル化した共振器の概略図である。 図１のプラグ・コイルの共振器を制御すべく使用される電源を示す概略図である。 図２の電源の変更例を示す図である。 プラグ・コイルの共振周波数を決定する代表的なアルゴリズムである。

上述のように、点火が行われるためには、共振器１が接続された給電回路の出力部に高い電源電圧を印加するスイッチＭを制御する制御信号Ｖ１の最適制御周波数を決定することが必要である。プラズマ生成共振器への電源電圧の印加のための最適制御周波数は、共振器の共振周波数にできるだけ近い制御周波数である。

これを達成するために電源の制御デバイス５は、この目的のために設けられたインタフェース５２で、最適制御周波数の決定要求を受信すると、この最適制御周波数を決定してモジュール５４に供給するために使用される最適制御周波数を決定するモジュール５３を備え、モジュール５４は、スイッチＭのゲートが接続された制御デバイスの出力インタフェース５５に決定周波数で制御信号Ｖ１を送達する。そのとき、スイッチＭは、適切に定義された周波数で、プラズマ生成共振器が接続された給電回路の出力部に高電圧を印加する。

後述では、最適制御周波数の決定要求の受信時に制御デバイスにより印加される最適制御周波数を決定するための処理について、更に詳細に説明する。

Ｔ_ｃｂ（ｔ）は、時間の関数としてのコンデンサＣｂの端子における電圧である。

ｔ＝０の瞬間に、制御信号Ｖ１がスイッチＭの制御ゲートに対して印加されるので、制御信号Ｖ１により定義される周波数でプラグ・コイルの共振器の端子に高電圧を印加することができる。

持続時間Ｄに亘ってプラグ・コイルの共振器の各端子に高電圧を印加した後、ｔ＝Ｄの瞬間において、プラグ・コイルの各電極間に火花が生成される。

このような点火命令時に、プラグ・コイルの高周波共振器は、点火の開始時（すなわち、制御信号Ｖ１がスイッチＭの制御ゲートに印加されたときの瞬間ｔ＝０）における給電回路のコンデンサＣｂの端子における電圧の値（Ｔｃｂ（０））と、点火の終了時（すなわち、終了時にはプラグの電極間に火花が生成される制御信号Ｖ１の印加の持続時間Ｄの後）における電圧の値（Ｔｃｂ（Ｄ））の間の偏差（ΔＴ_ｃｂ）が最大である場合、その場合に限り、共振器の共振周波数で駆動される。好適には、ΔＴ_ｃｂを計算するために使用される上述の電圧値は二乗される。

すなわち、高周波式プラズマ生成共振器１は、ΔＴ_ｃｂ＝（［Ｔｃｂ（０）］^２−［Ｔｃｂ（Ｄ）］^２）が最大である場合、その場合に限り、共振器の共振周波数で駆動される。

従って、連続する点火時に最適制御周波数を決定するモジュール５３は、このような測定信号を受信するインタフェース５１を介して、点火の開始時及び点火の終了時に電源のコンデンサＣｂの端子の電圧の電気的測定値を取得する。

次いで、上述の原理に基づき且つ後述で更に詳述するように、連続する点火時の点火開始時及び終了時におけるコンデンサＣｂの端子の電圧値に関するこれらの電気的測定値を用いることにより、実質的にプラズマ生成共振器の共振周波数に対応する、共振器を駆動するための最適制御周波数を決定する。そのとき、最適制御周波数は記憶され、次いで、プラグ・コイルの電極間にプラズマが生成される高周波式点火デバイスの通常動作段階において、スイッチＭに対する制御周波数として使用される。

プラズマ生成デバイスは、燃焼エンジンの制御式点火の実施、微粒子フィルタにおける点火の実施、又は空気調節システムにおける汚染除去点火の実施に適したプラズマ生成共振器を含むことができる。

図３は、共振器の共振周波数に対応する最適制御周波数を決定する代表的なアルゴリズムを示している。

ステップ１０１では、共振器の共振周波数Ｆ_ｃの決定要求が受信されたことを確認するためにチェックが行われる。

このような要求が無い場合、アルゴリズムはステップ１０９に進み、最適制御周波数を用いてスイッチＭにより共振器１に高電圧を印加することにより、共振器１によりプラズマが生成される。このとき、スイッチＭは、共振器１に適切な電圧を印加し、公知の方式でプラズマを生成するように制御される。

共振周波数の発見要求が存在する場合、ステップ１０２で、スイッチＭから共振器１に印加されて点火を命令する電圧Ｔ_ｃｂ（０）に、電源のコンデンサＣｂを充電する。この電圧は、例えば、高周波式プラズマ生成共振器の最小制御周波数に対応するＦｍｉｎに等しく選択された、所定の制御周波数Ｆｔｅｍｐで印加される。

ステップ１０３では、持続時間Ｄに亘り、スイッチＭの制御ゲートに周波数Ｆｔｅｍｐで制御信号Ｖ１を印加した後で、電源のコンデンサＣｂの端子の電圧の測定値Ｔ_ｃｂ（Ｄ）を取得する。

ステップ１０４では、受信インタフェースを介して受信された測定信号Ｔ_ｃｂ（０）及びＴ_ｃｂ（Ｄ）に基づいて、点火の開始時におけるコンデンサＣｂの端子の電圧Ｔ_ｃｂ（０）の二乗と、点火の終了時におけるコンデンサＣｂの端子間の電圧Ｔ_ｃｂ（Ｄ）の二乗の間の偏差ΔＴ_ｃｂを計算し、偏差を基準値ΔＴｒｅｆと比較する。該基準値の初期値は、例えばステップ１０２でこの基準値に対して実行される初期化段階において０に等しく選択される。

計算された偏差ΔＴ_ｃｂが基準値ΔＴｒｅｆを上回っている場合、まず基準値ΔＴｒｅｆを、ステップ１０５において予め計算された値ΔＴ_ｃｂで更新する。

ステップ１０６において、制御周波数Ｆｔｅｍｐの現在値が、高周波式プラズマ生成共振器の最大制御周波数に対応するＦｍａｘ未満であることを確認するためのチェックも実施される。値ＦｔｅｍｐがＦｍａｘを超えなければ、ステップ１０７において制御周波数Ｆｔｅｍｐの値は一定の周波数幅ΔＦだけ増大される。

制御周波数の現在値を増大すべく使用される周波数幅の計算に関する更なる詳細に関しては、本出願人により出願された仏国特許出願ＦＲ０５−１２７６９号の内容を参照されたい。

次に、Ｆｔｅｍｐ及びΔＴｒｅｆの新たな値によりステップ１０２ないし１０４が反復される。

ステップ１０４において、偏差ΔＴ_ｃｂが基準値ΔＴｒｅｆ未満であることが決定されたら、共振器の最適制御周波数は直前の制御周波数であったことが決定される。ステップ１０８において、制御周波数はその先行値で更新され、その際、その共振器の最適制御周波数は、プラズマ生成共振器の共振周波数Ｆ_ｃの値にほぼ対応するこの値に設定される。

このようにして決定された最適制御周波数Ｆ_ｃは、次いでステップ１０９においてプラズマ生成のために使用することができる。

直上に記述されると共に制御デバイス５のモジュール５３により適用されるアルゴリズムはそのときに、プラズマ生成共振器の共振周波数における最適制御を実現するために使用することができる。

Claims (4)

1. 高周波式点火システム用の給電デバイスであって、プラズマ生成共振器（１）に接続される出力部に対し、給電回路制御デバイス（５）により供給された制御信号（Ｖ１）により定義される周波数で電圧を印加する給電回路（２）を備え、
   当該給電回路が、
   コンデンサ（Ｃｂ）と、前記コンデンサ（Ｃｂ）と、制御信号（Ｖ１）により制御され且つ前記出力部に接続されたスイッチ・トランジスタのドレインとの間に接続された並列共振回路（４）とを備えており、
   当該給電回路制御デバイス（５）が、
   −最適制御周波数の決定要求を受信するインタフェース（５２）と、
   −点火命令の開始時と点火命令の終了時との給電回路（２）のコンデンサ（Ｃｂ）の端子の電圧を測定している信号を受信するインタフェース（５１）と、
   −最適制御周波数を決定するモジュール（５３）であって、要求を受信すると連続的な点火命令のために異なる制御周波数を連続的に給電回路に供給し、且つインタフェース（５１）を介して受信した測定信号の関数として最適制御周波数を決定するモジュール（５３）と、
   を備え、
   前記コンデンサ（Ｃｂ）は、各点火命令の開始時に電源電圧に充電され、
   最適制御周波数を決定する前記モジュール（５３）が、点火命令の開始時における前記コンデンサ（Ｃｂ）の端子における電圧の値と、点火命令の終了時における前記コンデンサ（Ｃｂ）の端子における電圧の値の間の、２つの連続する偏差の値を比較し、連続する偏差の値の間の差が第１符号を有する場合に制御周波数を第１方向に修正し、且つ連続する値の間の差が第２符号を有する場合に直前の制御周波数が最適制御周波数であると決定することを特徴とする給電デバイス。
2. 最適制御周波数を決定する前記モジュール（５３）が、前記プラズマ生成共振器の共振周波数に実質的に等しい最適制御周波数を決定することを特徴とする、請求項１記載の給電デバイス。
3. 請求項１又は２のいずれか一項に記載の給電デバイスと、前記給電デバイスの前記出力部に接続されたプラズマ生成共振器（１）とを備える、高周波式点火デバイス。
4. 前記プラズマ生成共振器（１）が、制御式燃焼エンジンの点火、微粒子フィルタにおける点火、空気調節システムにおける汚染除去点火のうちの一つに適している、請求項３記載の高周波式点火デバイス。

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