JP5410418B2 - 高周波点火システムのスパークプラグの汚れの状態の診断 - Google Patents

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、当該システムは、特に内燃機関の燃焼室内のガス混合気の、マイクロ波による制御された点火を行なうために使用される。

本発明は、具体的には、マイクロ波点火装置に関するものであり、当該マイクロ波点火装置は：
−点火指令信号を生成することができる制御手段と、
−点火指令信号により制御されて、電源回路の出力インターフェースに指令信号により定義される周波数で電源電圧を印加する電源回路と、
−電源回路の出力インターフェースに接続されて、点火指令中に共振器の２つの電極の間に火花を発生させることができる少なくとも１つのプラズマ生成用共振器と
を備える。
プラズマ生成式自動車点火の用途としては、共振器１（図１）によりモデル化されるコイルオンプラグ（本出願人により出願された、ＦＲ０３−１０７６６、ＦＲ０３−１０７６７、及びＦＲ０３−１０７６８に詳細に記載されている）が使用されており、当該共振器の共振周波数Ｆｃは１ＭＨｚ超であり、通常約５ＭＨｚである。共振器は、直列に、抵抗Ｒと、インダクタＬと、コンデンサＣとを含む。コイルオンプラグの点火電極１０及び１２を共振器のコンデンサＣの両端に接続することにより、マルチフィラメント状放電を発生させて、共振器に電源が供給されるとき、機関の燃焼室内の混合気の燃焼を開始することができる。

特に、共振器に、当該共振器の共振周波数Ｆｃ

の高電圧が供給される場合、コンデンサＣの両端の振幅が増幅されて、これらの電極の間に、マルチフィラメント状放電が、センチメートルのオーダーの距離に亘って高圧かつ２０ｋＶ未満のピーク電圧で発生する。
この場合、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で同時に発生し、更にはこれらの火花の分枝が全方向であることから、「枝分かれした火花」という表現が使用される。

これをマイクロ波点火に適用するためには、通常約１００ｎｓで、約１ｋＶの振幅に達することができ、マイクロ波コイルオンプラグのプラズマ生成用共振器の共振周波数に極めて近い周波数を持つ電圧パルスを発生させることができる電源手段を使用する必要がある。共振器の共振周波数と電源手段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入力電圧の振幅との比）が大きくなる。
図２は、このような電源手段を模式的に示しており、この電源手段は、ＦＲ０３−１０７６７に更に詳細に記載されている。当該電源手段には従来、「Ｅクラスパワーアンプ」と呼ばれるアセンブリが使用される。このタイプの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、このような電源回路２は、パワーＭＯＳＦＥＴトランジスタＭと、コンデンサＣｐと並列なインダクタＬｐを含む並列共振回路４とを有する。トランジスタＭはスイッチとして使用され、並列共振回路の端子、及び電源回路の出力インターフェースＯＵＴに接続されるプラズマ生成用共振器１の端子のスイッチング動作を制御する。
電源回路を制御する手段５は、トランジスタＭのグリッドに、共振器１の共振周波数にほぼ固定でなければならない周波数で印加される論理指令信号Ｖ１を生成するのに適している。

前述の点火装置には、電源回路のコンデンサＣｂの両端の電圧Ｖｉｎｔｅｒが供給される。電圧Ｖｉｎｔｅｒは、有利には、コンデンサＣｂに接続される高電圧電源から、通常ＤＣ／ＤＣコンバータから供給することができる。
従って、並列共振器４は、その共振周波数に近い周波数で、直流電源電圧Ｖｉｎｔｅｒを、当該電源電圧に並列共振器の過電圧係数を乗算した値に対応し、かつ電源回路の出力インターフェースにスイッチトランジスタＭのドレインに印加される増幅周期電圧Ｖａに変換する。

次に、スイッチＭは、指令信号Ｖ１で定義される周波数であって、ユーザがコイルオンプラグの共振周波数に出来る限り近付けようとする周波数で、増幅電源電圧Ｖａを電源出力に印加する。特に、点火指令が出される場合には、マイクロ波点火装置が共振するように設定し且つコイルオンプラグの電極端子に現われる電圧を最大にして火花を期待通りに飛ばすことができるようにするために、コイルオンプラグは、ほぼ当該プラグの共振周波数で動作するように制御されなければならない。
内燃機関のシリンダにおいて制御された点火を行なうために、コイルオンプラグを機関にねじ込み、当該プラグの中心電極を機関の対応するシリンダの燃焼室に収容する。コイルオンプラグから発生するプラズマ放電が起こると、スパークプラグに火花が飛び難い現象が発生する可能性があり、この現象は、中心電極と、当該電極の周りのセラミックの上に、煤の形態の燃焼排出物が堆積していることによって特徴付けられる。この現象は、汚れが特定のレベルを超えるとコイルオンプラグの動作を劣化させ、失火を誘発する。

今までは、コイルオンプラグの電極の汚れの状態を診断する最も普通の方法では、コイルオンプラグを燃焼室内の当該プラグの位置から取り外し、目視分析により当該プラグの汚れの状態をチェックしていた。

本発明の目的は、マイクロ波コイルオンプラグの電極の汚れの状態の診断を向上させることである。

本発明による装置、更には上述の冒頭部における定義による装置は、基本的に、
−共振器の電源電圧の変化を表わす電気パラメータを測定する手段と、
−電極の汚れの状態を、測定される電気パラメータ、及び所定の基準値の関数として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、電気パラメータは、電源回路の蓄電コンデンサの両端に現われる電圧であり、蓄電コンデンサは、点火指令前に電源電圧に充電されるのに適している。

１実施形態によれば、電源回路は、点火指令信号により制御されて、指令信号により定義される周波数で、出力インターフェースに電源電圧を印加するスイッチを含む。
有利には、指令周波数は、プラズマ生成用共振器の共振周波数にほぼ等しい。

使用されるプラズマ生成用共振器は、内燃機関の制御された点火、微粒子フィルタの着火、空調システムにおける汚染物質を燃焼除去するための点火のうちの１つを行なうのに適している。
有利には、本発明による装置は、電極の汚れの状態に関する情報を供給する手段を備え、前記手段は自動車のマン−マシンインターフェースに設置される。

本発明は更に、電源回路の出力インターフェースに接続される少なくとも１つのマイクロ波プラズマ生成用共振器の点火電極の汚れの状態を診断する方法に関するものであり、この電源回路は、点火指令中に、指令周波数で前記出力インターフェースに電源電圧を供給するように構成されており、前記共振器は、点火指令中に、２つの電極の間に火花を発生させることができ、前記方法は、
−点火指令中に、電源電圧の変化を表わす電気パラメータの変化を測定するステップと、
−測定された変化を所定の基準値と比較するステップと、
−測定された変化と基準値との差の関数として、電極の汚れの状態を決定するステップと
を含むことを特徴とする。

好適には、電源回路の蓄電コンデンサの両端に現われる電圧変化を測定し、前記コンデンサは点火指令前に電源電圧に充電される。
１実施形態によれば、測定される変化は、点火指令の開始時及び終了時に蓄電コンデンサの両端に現われる電圧の測定値の差から生じる。

有利には、基準値は、汚れが蓄積する前の変化に対応する。
好適には、本方法は、汚れが蓄積した状態をユーザに通知するステップを含む。有利には、このような情報をユーザに供給することにより、当該ユーザに将来の点火の失敗を知らせることができる。

本発明の他の特徴及び利点は、例示的且つ非制限的な実施例を通して提示され、かつ添付図面を参照する以下の説明により一層明確になる。

図１は、プラズマ生成マイクロ波コイルオンプラグをモデル化した共振器の線図である。 図２は、図１のコイルオンプラグの共振器に指令を出すために使用される電源を示す線図である。 図３は、コイルオンプラグの電極の汚れの状態を診断する方法の一実施例を示すフローチャートである。 図４は、点火電極の汚れが、点火指令中の電源のコンデンサＣｂの両端に現われる電圧変化に及ぼす影響を示す線図である。

本発明による点火装置は、点火指令中のプラズマ生成用共振器の電源電圧の変化を表わす電気パラメータを測定する手段６と、点火電極の汚れの状態を、測定された電気パラメータ、及び所定の基準値の関数として決定することができるモジュール７とを備える。
問題の電気パラメータは、例えば、電源回路の蓄電コンデンサＣｂの両端に現われ、かつ点火指令の少なくとも２つの所定の時点で測定される電圧Ｔ_ｃｂである。

従って、例えば点火指令の開始時及び終了時、又は点火指令の直後に選択される点火指令の２つの所定時点において、例えば電圧Ｔ_ｃｂを測定する電圧計６を使用することにより、Ｃｂの両端に現われる電圧の下降が測定される。次に、以下に更に詳細に説明するように、例えば制御手段５に組み込むことができるモジュール７が、受信インターフェース５１を介してこの電気測定値を読み取り、次いで電圧変化のこの電気測定値、及び所定の基準値の関数として点火電極の汚れの状態を決定する。
点火電極の汚れの状態を診断するための、点火指令中の所定時点においてコンデンサＣｂの両端に現われる電圧の測定値の選択は、以下の計算に基づいて行なわれる。
Ｔ_ｃｂ（ｔ）は、時間の関数としてコンデンサＣｂの両端に現われる電圧であり、
Ｖ_ｍ（ｔ）は、時間の関数としてコンデンサＣの両端に現われる電圧であり、
時点ｔ＝０では、指令信号Ｖ１がスイッチＭの指令制御部に印加されることにより、指令信号Ｖ１により定義される周波数で、コイルオンプラグの共振器の両端に高電圧が印加される。

時点ｔ＝Ｄでは、点火指令信号を期間Ｄに亘って印加した後、点火電極１０と１２の間に火花が発生する。
コイルオンプラグのエネルギーバランスは次式を示す。

ここで、Ｖｍ（ｔ＝０）＝０であり、

であって、式中、
Ｔ_ｃｂ＿ｎ（ｔ）は、コイルオンプラグが新品である場合、すなわち点火電極が汚れる前に、点火指令中に時間の関数としてコンデンサＣｂの両端に現われる電圧であり、
Ｔ_ｃｂ＿ｅ（ｔ）は、コイルオンプラグの点火電極が汚れたとき、点火指令中に時間の関数としてコンデンサＣｂの両端に現われる電圧であり、
Ｖ_ｍ＿ｎ（ｔ）は、コイルオンプラグが新品である場合、すなわち点火電極が汚れる前に、点火指令中に時間の関数として共振器のコンデンサＣの両端に現われる電圧であり、
Ｖ_ｍ＿ｅ（ｔ）は、コイルオンプラグの点火電極が汚れたとき、点火指令中に時間の関数として共振器のコンデンサＣの両端に現われる電圧であり、これにより、前出の等式に従って、

及び

である。

従って、Ｖ_ｍ＿ｅ（ｔ）＜Ｖ_ｍ＿ｎ（ｔ）が成り立つ場合、この関係から、Ｔ_ｃｂ＿ｎ（ｔ＝０）＝Ｔ_ｃｂ＿ｅ（ｔ＝０）の場合の点火電極の汚れの状態を診断するための以下の不等式：
Ｔ_ｃｂ＿ｅ（ｔ＝Ｄ）＞Ｔ_ｃｂ＿ｎ（ｔ＝Ｄ）
を導くことができる。
換言すると、図４に示すように、点火指令中のコンデンサＣｂの両端に現われる電圧の降下（時点ｔ＝Ｄで取得されるＣｂの両端に現われる電圧の値と、時点ｔ＝０で取得されるこの電圧の値の差を特徴とする）は、点火電極の汚れが顕著になるにつれて小さくなる。

上に詳述したエネルギーバランスは、共振器の共振周波数にほぼ等しい指令周波数に関して成り立つ。特に、点火指令中にコンデンサＣｂの両端に現われる電圧降下は、マイクロ波コイルオンプラグの共振器が当該共振器の共振周波数に制御される場合に最大になるので、点火指令中にコンデンサＣｂの両端で取得され、かつ点火電極の汚れの状態の診断に使用される電圧測定値の重要性は増大する。

図３は、点火電極の汚れの状態を診断するアルゴリズムの一実施例を、点火指令中に電源のコンデンサＣｂの両端に現われる電圧の降下の測定値に基づいて説明している。
第１ステップ１００では、点火指令中の２つの所定の時点の間に新品のスパークプラグ、すなわち点火電極が汚れる前のスパークプラグのコンデンサＣｂの両端に所与の点火条件で現われる電圧降下の基準値ΔＴ_ｃｂＲｅｆを、印加されるべき電源電圧の値として決定する。指令信号Ｖ１の印加期間Ｄ、及び当該信号の指令周波数は、例えば共振器の共振周波数にほぼ等しくなるように選択される。

ステップ１０１では、同じ電圧値を印加し、同じ期間Ｄの指令信号Ｖ１を同じ指令周波数で生成し、トランジスタＭの指令ゲートに印加して、プラズマ生成用共振器に指令を出す。
ステップ１０２では、コンデンサＣｂの両端に現われる電圧の変化を、点火指令中の、基準値を決定するために選択される時点と同じ所定の時点で測定する。例えば、これらの時点は、点火指令の印加の時点ｔ＝０と、コンデンサＣｂの両端に現われる電圧の降下が最も大きいｔ＝Ｄに相当する。点火指令の開始時及び終了時、すなわち指令信号Ｖ１の印加時点ｔ＝０とｔ＝Ｄにおいて、Ｃｂの両端に現われる電圧の変化に対応する電圧降下Ｔ_ｃｂ（ｔ＝０）−Ｔ_ｃｂ（ｔ＝Ｄ）を測定する。

それでもやはり重要なのは、測定される変化値及び基準値が、点火指令の同じ時点を表わし、更には同じ条件におけるものを表わしていることである。
次に、ステップ１０３の間に、測定されたこの変化値Ｔ_ｃｂ（ｔ＝０）−Ｔ_ｃｂ（ｔ＝Ｄ）を所定の基準値ΔＴｃｂＲｅｆと比較する。

ステップ１０４では、点火電極の汚れの状態を、測定された変化値と基準値との算出差が特定の閾値を超えるかによって決定する。
この場合、特に、使用するコイルオンプラグのタイプ、及び機関の動作条件の関数として、当業者であれば種々の閾値を特定することができ、これらの閾値を超えるそれぞれの算出差は、例えば、点火電極の、やや汚れた状態、汚れた状態、又は非常に汚れた状態を特徴付ける。

１変形例として、コンデンサＣｂの両端に現われる電圧の測定値を、点火指令の各時点で取得することを想起することができる。この場合、点火指令の間にＣｂの両端に現われる電圧降下のこれらの連続測定値を当業者が最適に使用して、点火電極の汚れの状態を診断することができる。
プラズマ生成式自動車点火への適用においては、このようにして得られるスパークプラグの汚れの状態の診断結果を使用して、運転者に、点火システムに将来的な故障を通知することが提案される。また、スパークプラグの汚れの状態に関する情報を供給する手段の少なくとも一部が、自動車の客室内に設置される。例えば、故障時点灯発光ダイオードが車両のマン−マシンインターフェース部で点灯し、診断された汚れの状態に基づいて、運転者に点火システムの将来的な点火の失敗を警告する。

点火電極の汚れの状態の診断結果がコイルオンプラグの将来時点の故障を示唆する劣化モードをコイルオンプラグに適用し、当該劣化モードにおいて、特定の電圧の振幅、周波数、及び期間をプログラムすることにより、コイルオンプラグを当該電圧に制御して、部品の劣化を遅らせることも想起される。

Claims (9)

1. −点火指令信号（Ｖ１）を生成することができる制御手段（５）と、
   −前記点火指令信号（Ｖ１）により制御されて、電源回路の出力インターフェース（ＯＵＴ）に前記指令信号により定義される周波数で電源電圧を印加する電源回路（２）と、
   −前記電源回路の前記出力インターフェースに接続されて、点火指令中に共振器の２つの点火電極（１０、１２）の間に火花を生成できる少なくとも１つのプラズマ生成用共振器（１）と、
   を備えるマイクロ波点火装置であって、
   −前記共振器の前記電源電圧の変化を表わす電気パラメータを測定する手段（６）と、
   −測定された前記電気パラメータ及び所定の基準値の関数として、前記電極の汚れの状態を決定するモジュール（７）と、
   を備え、
   前記電気パラメータが、前記電源回路の蓄電コンデンサ（Ｃｂ）の両端に現われる電圧であり、前記蓄電コンデンサが、点火指令前に前記電源電圧に充電されるのに適していることを特徴とするマイクロ波点火装置。
2. 前記電源回路が、前記点火指令信号（Ｖ１）により制御されて、前記指令信号により定義される前記周波数で、前記出力インターフェースに前記電源電圧を印加するスイッチ（Ｍ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記指令信号により定義される前記周波数が、前記プラズマ生成用共振器の共振周波数にほぼ等しいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記プラズマ生成用共振器が、内燃機関の制御された点火、微粒子フィルタの着火、空調システムにおける汚染物質の燃焼除去のための点火のうちの１つの用途における点火を行なうのに適している、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記電極の汚れの状態に関する情報を供給する手段を備え、前記電極の汚れの状態に関する情報を供給する手段が、自動車のマン−マシンインターフェースに設置され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装置。
6. 電源回路（２）の出力インターフェース（ＯＵＴ）に接続される少なくとも１つのマイクロ波プラズマ生成用共振器の点火電極（１０、１２）の汚れの状態を診断する方法であって、前記電源回路（２）が、点火指令中に、前記出力インターフェースに指令周波数で電源電圧を供給するように構成されており、前記共振器が、前記点火指令中に、前記２つの電極の間に火花を発生させることができ、前記方法が、
   −前記点火指令中に、前記電源電圧の変化を表わす電気パラメータの変化を測定するステップ（１０２）と、
   −測定された前記電気パラメータの変化を、所定の基準値（１００）と比較するステップ（１０３）と、
   −測定された前記電気パラメータの変化と前記基準値の差の関数として、前記電極の汚れの状態を決定するステップ（１０４）と、
   を含み、
   前記電源回路の蓄電コンデンサ（Ｃｂ）の両端に現われる前記電圧変化を測定し、前記点火指令前に前記コンデンサを前記電源電圧に充電することを特徴とする方法。
7. 測定された前記電気パラメータの変化は、前記点火指令の開始時及び終了時に前記蓄電コンデンサ（Ｃｂ）の両端に現われる前記電圧の測定値の差から生じることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記基準値が、汚れが蓄積する前の前記電気パラメータの変化に対応することを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
9. ユーザに汚れの状態を通知することにより、将来的な点火の失敗を通知するステップを含むことを特徴とする、請求項６ないし８のいずれか一項に記載の方法。

Images