KR20110000642A - 고주파 플러그의 여기 주파수의 최적화 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 플라즈마를 생성시키는 장치에 관한 것으로서, 그 장치는 전력 모듈의 출력 인터페이스부에 연결된 플라즈마-생성 공진기(30)의 출력부에서 스파크(40)를 생성시키기에 적합한 설정점 주파수(Fc)의 여기 신호(U)를 출력 인터페이스부에 인가하는 공급 모듈(20), 및 고주파 플라즈마를 생성하기 위한 명령 시에 설정점 주파수를 전력 모듈로 공급하는 제어 모듈(10)을 포함하고, 상기 장치는, 제어 모듈이, 설정점 주파수(Fc)를 스파크의 형성 후에 그 장치의 공진 상태에 적합화시킬 수 있는, 최적 여기 주파수를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고주파 플러그의 여기 주파수의 최적화{Optimisation of the excitation frequency of a radiofrequency plug}

본 발명은 일반적으로, 자동차 점화의 용도를 위하여 내부 연소 엔진의 연소 챔버를 위해 의도된, 고주파 플라즈마 스파크 플러그에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 RLC 회로(RLC circuit)에 있어서의 공진 현상에 기초한 스파크 플러그의 고주파 고전압 전력 공급부의 작동에 관한 것인데, 그것의 공진 주파수는 스파크 플러그의 내재된 파라미터 값(intrinsic parameter value)들에 의하여 결정된다.

도 1 에는 플라즈마 생성 장치가 도시되어 있다. 이 장치에는 고주파 스파크 플러그의 제1 하위 시스템(first subsystem)을 나타내는 플라즈마 생성 공진기(30)가 제공되며, 이 장치는 직렬을 이루는 레지스터(resistor; R₀), 인덕터(inductor; L₀), 및 커패시터(capacitor; C₀)를 포함하는바, 이들의 값은 사용되는 재료의 성질과 기하형태에 의하여 제작 중에 설정되어서, 공진기는 1　MHz 초과의 공진 주파수를 갖게 된다.

상기 장치에는 고주파 전력 공급 모듈(20)이 제공되는데, 이것은 설정점 주파수(Fc)에서의 전압의 형태인 여기 신호(U)를 플라즈마 생성 공진기(30)가 연결된 출력 인터페이스부에 인가한다. 제어 모듈(10)은 설정점 주파수(Fc)를 전력 공급 모듈(20)에 공급한다.

현실에서, 고주파 스파크 플러그의 여기(excitation)는 도 2 에 도시된 바와 같이 고정적이지 않다. 실제로는, 순간(t_0)에, 제어 모듈이 공진기의 여기를 촉발(trigger)하기에 적합한 전력 공급 모듈로 플라즈마 생성 명령 (ignition command)을 보낸다. 그러면 여기 주파수는 공진기의 공진 주파수에 가깝게 된다. 천이 기간(transitional period)의 끝, 즉 순간(t_d)에서는, 공진기의 출력부에서의 전압이 스파크가 형성될 수 있기에 충분히 높게 된다.

위와 같은 사항이 일어남에 따라서, 실질적으로 플라즈마 생성 명령의 순간(t_d)에 일어나는 공진기의 출력부에서의 스파크의 형성은, 고주파 스파크 플러그의 제2 하위 시스템(second subsystem; 40)를 나타내는바, 이것의 파라미터들은 시스템의 공진 상태를 전체적으로 변화시킨다. 실제에 있어서, 전기 도전체와 유사하게 가스 내의 스파크는 커패시턴스(capacitance; C_d)로 특징지워지는데, 이것은 도 1 의 고주파 공진기(30)의 출력부에서 모델링되어 있다. 따라서, 스파크가 없는 때에는, 시스템의 공진 주파수를 결정하는 것이 공진기에서 특정적인 파라미터들(R₀, L₀, 및 C₀)뿐인데, 스파크의 형성 시에는 상기 스파크에 있어서 특정적인 특성이 공진 주파수를 사실상 변화시키기 때문에 그렇지 아니하다.

스파크가 형성되는 때에 있어서의 공진기의 실제 공진 주파수와 전력 공급 모듈에 의하여 설정되고 스파크가 없는 시스템에 있어서 조정되는 공진기의 여기 주파수 간의 차이는, 공진기의 품질 인자(quality factor)의 열화를 일으킨다 (품질 인자는 공진기의 출력 전압과 입력 전압의 진폭 간의 비율로 정의됨).

따라서, 예를 들어, 100보다 큰 품질 계수(quality coefficient)를 갖는 스파크 없이 공진기에 특정적인 공진 주파수가 1　MHz보다 큰 경우에, 스파크가 생성되는 때에는 그 시스템의 공진 주파수가 공진기의 출력부에서의 스파크의 존재로 인하여 추가적인 커패시턴스를 갖기 때문에 수십 kHz 만큼 감소되는바, 이것은 대략 25% 정도의 품질 계수 저감을 유발하기에 충분하여서 고주파 스파크 플러그의 현저히 낮은 효율을 초래한다.

또한, 자동차 점화에 관한 이 적용은 높은 품질 인자를 갖는 공진기를 이용할 것을 필요로 하는바, 그것의 여기 주파수는 항상 전체 시스템의 공진 주파수에 가깝게 유지되어야 한다. 따라서, 제어 모듈이 공진기의 고주파 전력 공급부를 끄라고 하는 명령을 보내는 순간(t_ext)(도 2 참조)까지는, 그 여기 과정에 걸쳐서 스파크 플러그 공진기를 위하여 최대의 품질 인자를 유지하는 것이 중요하다.

본 출원인에 의하여 출원된 프랑스 특허출원 FR2895169에는 공진기의 여기 주파수를 최적화시키는 것을 가능하게 하는 수단이 기재되어 있다. 이 수단은 공진기의 고주파 전력 공급부에:

- 공진기의 공진 주파수와 실질적으로 같은 최적의 여기 주파수를 결정함에 있어서의 요청(request)을 수신하는 인터페이스부;

- 엔진 오일 온도, 엔진 토크, 엔진 속도, 점화 각도 등과 같은 연소 엔진의 작동 파라미터(operating parameter)들의 측정 신호들을 수신하는 인터페이스부;

- 예를 들어 공진기의 출력부에서의 전압과 같은 고주파 전력 공급부의 작동 파라미터들의 측정 신호들을 수신하는 인터페이스부; 및

- 엔진 작동 파라미터 측정 신호들, 고주파 전력 공급부의 작동 파라미터 측정 신호들, 및 공진기의 최적 여기 주파수 간의 관계를 저장하는 메모리 모듈(memory module);을 포함시키는 것과 관련된다.

그러나, 이와 같은 실시예는 상당히 복잡하고, 따라서 구현함에 있어서 비용이 많이 소요된다.

또한, 연소 엔진의 작동 파라미터 측정치들이 늦고 또한 모든 실린더들에 대하여 다수의 사이클에 걸친 평균적인 정보만을 공급한다면, 고주파 전력 공급 작동 상태를 실시간으로 최적화시키는 것이 불가능하다.

나아가, 상기 요청의 수신은 고주파 전력 공급부가 그것의 출력 인터페이스부에 설정점 주파수의 전압을 인가하게 되는 공진기 여기 주파수 최적화 단계 중에 이루어지는바, 이것은 공진기로부터 플라즈마를 생성시키는 것을 가능하게 하기에 적합하지 않다. 다시 말하면, 그러한 시스템은 스파크가 없는 상태에서 스파크 플러그에 특정적인 공진 주파수에 대해 전력 공급부를 완벽히 사전설정(preset)하는 것을 가능하게 하지만, 다른 한편으로는 앞서 살펴본 바와 같이 공진 상태를 변화시켜서 스파크 플러그의 효율을 감소시키는 스파크의 촉발을 고려하는 것은 불가능하다.

그러므로, 이 해결방안은 공진기의 출력부에서의 전압을 변형시키는 것과 관련된다. 실제에서, 최적의 여기 주파수를 결정하라는 요청을 수신한 때에는, 전력 공급 모듈이, 공진기가 플라즈마를 생성할 수 있게 하지 못하는 전압을 출력 인터페이스부에 인가한다. 그 다음, 최적 주파수가 결정되면, 플라즈마 생성 장치의 작동 단계 중에 전력 공급 모듈이 그 출력 인터페이스부에 최적 주파수의 전압을 인가하는바, 그 동안에는 플라즈마가 생성되어야 한다. 또한, 이와 같은 실시예는 공진기의 출력부에 HV 탐침(HV probe)을 포함시킬 것을 필요로 하는바, 이것은 자동차용 스파크 플러그의 경우에 심각한 기술적 문제를 유발한다.

본 발명은 전술된 종래 기술의 하나 이상의 단점들을 해결하는 것을 목적으로 한다.

따라서 본 발명은 전력 공급 모듈(power supply module) 및 제어 모듈(control module)을 포함하는 고주파 플라즈마 생성 장치(radiofrequency plasma generation device)를 제안하는바, 전력 공급 모듈은 전력 공급 모듈의 출력 인터페이스부(output interface)에 연결된 플라즈마 생성 공진기(plasma generation resonator)의 출력부에서 스파크(spark)의 형성을 가능하게 하기에 적합한 설정점 주파수(setpoint frequency)의 여기 신호(excitation signal)를 출력 인터페이스부에 인가하고, 제어 모듈(control module)은, 고주파 플라즈마 생성 명령에 응답하여 전력 공급 모듈에 설정점 주파수를 공급하며, 상기 장치는 제어 모듈이 최적의 여기 주파수를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는바, 그 결정 수단은 설정점 주파수를 스파크의 형성 후에 상기 장치의 공진 상태에 적합화시키도록 설계된다.

일 실시예에 따르면, 상기 결정 수단은, 스파크가 없는 때에는 설정점 주파수를 공진기의 공진 주파수 미만의 값으로 설정하기에 적합하다.

바람직하게는, 스파크가 없는 공진기의 공진 주파수와 상기 설정된 값 간의 차이는 0 내지 100　kHz 사이의 범위 내에 위치된다.

다른 일 실시예에 따르면, 상기 결정 수단은 플라즈마 생성 명령 지속 중에 설정점 주파수를 변조하기에 적합하다.

예를 들어, 상기 결정 수단은, 설정점 주파수를 연속적으로, 플라즈마 생성 명령이 촉발되는 순간에 스파크없는 공진기의 공진 주파수의 크기 정도인 제1 값으로 설정하고, 또한 실질적으로 스파크 형성의 순간에 상기 제1 값에 대해 상대적인 미리 결정된 주파수 단계만큼 저감된 제2 값으로 설정하기에 적합하다.

변형예에 따르면, 상기 결정 수단은, 스파크의 형성 순간으로부터, 설정된 제1 값으로부터의 설정점 주파수의 감소를 실시간으로 조정될 수 있는 주파수 단계에 따라서 제어하기에 적합하다.

바람직하게는, 설정된 제1 값은 스파크 없는 공진기의 공진 주파수의 크기 정도이다.

바람직하게는, 상기 장치가, 제어 모듈에 연결된 공진기 전력 공급 전기 측정 모듈(50)을 포함하고, 결정 수단은 수신된 전기적 측정치들에 따라서 주파수 단계의 값을 결정한다.

바람직하게는, 공진기 전력 공급 전기 측정 모듈은 공진기의 입력부에서 전류의 상대적 진폭을 측정하기에 적합하다.

또한 본 발명은, 앞서 기술된 적어도 하나의 고주파 플라즈마 생성 장치를 포함하는 내부 연소 엔진 점화 시스템에 관한 것이기도 하다.

본 발명에 의하여, 종래 기술의 하나 이상의 단점들이 해결된다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 하기의 도면들을 참조로 하여 비제한적인 예를 들어 아래에서 제시되는 상세한 설명으로부터 명확히 이해될 것이다.
도 1 은 공지된 고주파 플라즈마 생성 장치를 도시하는 개략도이고;
도 2 는 플라즈마 생성 명령에 응답하는 플라즈마 생성 공진기의 전류 응답을 시간의 함수로서 도시한 그래프이고;
도 3 은 본 발명에 따른 플라즈마 생성 장치의 일 실시예를 도시한다.

본 발명은, 스파크의 촉발 후를 포함하여 공진기의 최대 품질 인자를 유지하기 위하여 플라즈마 생성 명령 중에 전력 공급 모듈에 의하여 고주파 공진기에 공급되는 여기 신호의 주파수를 실시간으로 적합화시키는 것을 제안한다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 생성 장치의 제어 모듈은, 스파크의 형성 후에 상기 장치의 공진 상태에 따라 설정점 주파수(Fc)를 적합화시키도록 설계된 최적 여기 주파수 결정 수단을 포함한다.

제1 실시예에 따르면, 스파크의 촉발 후에 최대 품질 인자를 유지하기 위하여, 설정점 주파수는 스파크가 없는 공진기의 공진 주파수 미만의 값으로 설정된다. 그러므로, 이 실시예에 따르면, 공진기의 고주파 전력 공급 모듈을 스파크를 여기시키기 위한 스파크가 없는 공진기의 공진 주파수보다 낮은 주파수로 미리 조정하는 선택이 행해진다. 이를 감안하면, 스파크의 형성 시에는, 상기 장치의 전체적인 자연 주파수가 수십 kHz 만큼 저감되는 것이 통상적이고, 제어 모듈은 예를 들어 설정점 주파수를 스파크 없는 공진기에 특정적인 공진 주파수 아래의 0 내지 100　kHz 사이의 범위 내에 위치된 범위로 설정한다.

따라서, 일단 스파크가 형성되면, 상기 장치는 자연히 스파크의 형성을 감안하여 최적 작동 상태에 있게 되고, 품질 인자는 그 최대값에 도달한다.

그러나, 이것은 피동적인 해결방안(passive solution)인바, 부가적인 측정 수단이나 어떤 특정한 제어 장치가 포함될 것을 필요로 하지 않는다. 한편, 스파크의 형성 후에 장치의 공진 상태에 직접적인 영향을 주는, 실제 스파크의 파라미터들의 임의적인 변화(random variation)가 있다면, 이 해결방안은 장치의 공진 주파수의 완벽한 최적화를 보장하지 않는다.

따라서, 다른 일 실시예는 설정점 주파수를, 플라즈마 생성 명령을 보내기 전에 앞서 살펴본 스파크의 형성 후에 공진 상태를 감안하여 최적화된 값으로 설정하지 않고, 그와는 반대로 플라즈마 생성 명령 지속(duration) 중에 설정점 주파수를 변조(modulation)한다.

이 실시예에 따르면, 전력 공급 모듈을 제어하는 것이 전제되는데, 그것은 여기 트레인(excitation train)을 고주파 공진기로 보내고, 고주파 공진기의 주파수는 사전설정 주파수 단계(preset frequency step)에 따라서 시간과 함께 자동적으로 감소하도록 설계된다.

보다 구체적으로, 제어 모듈의 결정 수단은 설정점 주파수(Fc)를 연속적으로, 플라즈마 생성 명령의 촉발 순간(t_0)에서 스파크없는 공진기의 공진 주파수의 크기 정도인 제1 값으로 설정하고, 또한 실질적으로 스파크의 형성 순간(t_d)에서 제1 값에 대해 미리 결정된 주파수 단계만큼 저감된 제2 값으로 설정하기에 적합하다.

설정점 주파수는, 플라즈마 생성 명령의 순간(t_d)에서 스파크없는 공진기의 공진 주파수의 값에 해당하는 초기 값에 대해 예를 들어 50　kHz의 값만큼 저감된다.

따라서, 플라즈마 생성 명령의 촉발 시에 완벽히 조절(tune)된 시스템은 스파크의 형성 순간에 "별로" 조절되지 않은 시스템으로 변화되는바, 여기 주파수의 감소는 스파크의 형성을 감안하기 위하여 이루어져서 공진기의 제어를 새로운 공진 상태에 적합화시키는데, 이러한 감소가 없다면 그 값은 실제 스파크의 파라미터들과 상호관련되어 사전설정되는 것이다.

또한, 일 변형예는 실제 스파크의 파라미터들이 임의적으로 변화하는 상태에서, 플라즈마 생성 명령 중에 실시간으로 여기 주파수가 최적화되도록 적합화시키는 것을 제공한다. 보다 구체적으로, 제어 모듈의 결정 수단은 스파크의 형성 순간에 설정점 주파수를, 사전설정이 아니라 실제 스파크의 파라미터들에 따라서 실시간으로 조정가능한 주파수에 따라 감소시키는 제어에 적합하다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 장치는, 도 3 을 참조로 하면, 제어 모듈(10)에 연결된, 공진기 전력 공급 전기 측정 모듈(50)을 포함한다.

따라서, 공급되는 설정점 주파수를 위하여, 천이 기간(t_d)의 끝에서, 제어 모듈은 스파크의 형성을 나타내는 전기적 측정치를 (도시되지 않은 수신 인터페이스부를 거쳐서) 독출하고, 그 전기적 측정치에 따라서 최적의 여기 주파수를 형성되는 스파크에 맞는 현재의 공진 상태에 적합하게 결정한다. 그 전기적 측정치는, 예를 들어 조정가능한 주파수 단계를 결정하는데에 이용될 수 있는바, 그 조정가능한 주파수는, 전력 공급 모듈을 위한 제어 주파수로서 이용되는 설정점 주파수가 전체적인 공진 시스템을 실시간으로 최적화시키기 위하여 감소되어야 하는 만큼이다.

공진기 전력 공급 전기 측정 모듈은, 예를 들어 공진기의 입력부에서의 전류의 상대 진폭을 측정하기에 적합하다. 따라서, 매 교번(alternation) 시마다 공진기의 입력부에서의 전류의 진폭은 체크되고 앞선 교번의 진폭과 비교된다. 스파크가 형성되는 천이 단계의 끝(t_d)에서 (스파크의 형성으로 인하여) 전류 강하가 관찰되면, 전력 공급 모듈로 공급되는 설정점 주파수는 측정된 전류 강하에 따라 실시간으로 결정되는 주파수 단계만큼 저감되는바, 이로써 공진기의 고주파 전력 공급부는 전체적으로 그 장치의 현재의 공진 상태에 맞게 실시간으로 적합화된다.

공진 시스템을 최적화시키기 위한 수학적 알고리즘은 다수가 있으며, 여기에서의 목적을 위하여 이용될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 장치는 작동 상태에 관계없이 고주파 스파크 플러그의 최대 품질 인자를 유지하는 것을 가능하게 한다. 제안된 해결방안은 제작이 용이하고 비용이 적게 소요되며, 또한, 고주파 플러그들에 대한 전력 공급을 실시간으로 그리고 실린더마다 제어하는 것을 가능하게 한다.

10: 제어 모듈
20: 고주파 전력 공급 모듈
30: 플라즈마 생성 공진기
50: 공진기 전력 공급 전기 측정 모듈
Fc: 설정점 주파수
t_0: 플라즈마 생성 명령의 촉발 순간
t_d: 스파크의 형성 순간
U: 여기 신호

Claims (9)

1. 전력 공급 모듈(power supply module; 20) 및 제어 모듈(control module; 10)을 포함하는 고주파 플라즈마 생성 장치(radiofrequency plasma generation device)로서,
   전력 공급 모듈은 전력 공급 모듈의 출력 인터페이스부(output interface)에 연결된 플라즈마 생성 공진기(plasma generation resonator; 30)의 출력부에서 스파크(spark; 40)의 형성을 가능하게 하기에 적합한 설정점 주파수(setpoint frequency; Fc)의 여기 신호(excitation signal; U)를 출력 인터페이스부에 인가하고,
   제어 모듈(control module; 10)은, 고주파 플라즈마 생성 명령에 응답하여 전력 공급 모듈에 설정점 주파수를 공급하며, 제어 모듈은, 스파크의 형성 후에 설정점 주파수(Fc)를 상기 장치의 공진 상태에 적합화시키도록 설계되고 또한 스파크가 없는 때에는 설정점 주파수(Fc)를 공진기의 공진 주파수 미만의 값으로 설정하기에 적합한 수단을 포함하며,
   제어 모듈은(10)은 전력 공급 모듈을 제어하도록 구성되어, 그것이 여기 트레인(excitation train)을 고주파 공진기로 보내고, 고주파 공진기의 주파수는 사전설정 주파수 단계에 따라서 시간과 함께 자동적으로 감소되도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   스파크가 없는 공진기의 공진 주파수와 상기 설정된 값 간의 차이는 0 내지 100　kHz 사이의 범위 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   설정점 주파수(Fc)를 적합화시키도록 설계된 수단은 플라즈마 생성 명령 지속 중에 설정점 주파수를 변조하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   설정점 주파수(Fc)를 적합화시키도록 설계된 수단은, 설정점 주파수(Fc)를 연속적으로, 플라즈마 생성 명령이 촉발되는 순간(t_0)에 스파크없는 공진기의 공진 주파수의 크기 정도인 제1 값으로 설정하고, 또한 실질적으로 스파크 형성의 순간(t_d)에 상기 제1 값에 대해 상대적인 미리 결정된 주파수 단계만큼 저감된 제2 값으로 설정하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   설정점 주파수(Fc)를 적합화시키도록 설계된 수단은, 스파크의 형성 순간(t_d)으로부터, 설정된 제1 값으로부터의 설정점 주파수의 감소를 실시간으로 조정될 수 있는 주파수 단계에 따라서 제어하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   설정된 제1 값은 스파크 없는 공진기의 공진 주파수의 크기 정도인 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 장치는 제어 모듈에 연결된 공진기 전력 공급 전기 측정 모듈(50)을 포함하고, 결정 수단은 수신된 전기적 측정치들에 따라서 주파수 단계의 값을 결정하는 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   공진기 전력 공급 전기 측정 모듈은 공진기의 입력부에서 전류의 상대적 진폭을 측정하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 고주파 플라즈마 생성 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 고주파 플라즈마 생성 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내부 연소 엔진 점화 시스템.

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