無線周波数プラグの励起周波数の最適化

专利摘要:
本発明は、無線周波数プラズマの発生装置に関し、本装置は、出力インターフェースに設定値周波数（Ｆｃ）で励起信号（Ｕ）を印加する供給モジュール（２０）であって、電源モジュールの出力インターフェースに接続されたプラズマ発生共振器（３０）の出力にスパーク（４０）を発生させるのに適したモジュールと、無線周波数プラズマ発生コマンドに応じて電力モジュールに設定値周波数を供給する制御モジュール（１０）とを有し、前記装置は、制御モジュールが、最適な励起周波数を決定する手段を含む、この決定手段が、スパーク形成後の装置の共振状態へと設定値周波数（Ｆｃ）を適合させることができることを特徴とする。
公开号:JP2011513625A
申请号:JP2010548146
申请日:2009-02-19
公开日:2011-04-28
发明作者:フレデリック オーザス，；マクシム マカロフ，
申请人:ルノー・エス・アー・エス；
IPC主号:F02P3-01

专利说明:

[0001] 本発明は、概して、自動車の点火用の、内燃機関の燃焼室用の無線周波数プラズマスパークプラグに関する。具体的には、本発明は、そのようなスパークプラグの無線周波数高電圧電源の動作に関し、本動作は、共振周波数がスパークプラグの固有パラメータ値によって決定されるＲＬＣ回路内の共振現象に基づいている。]
背景技術

[0002] 図１は、プラズマ発生装置を示す。この装置はプラズマ発生共振器３０を備え、共振器３０は、無線周波数スパークプラグの第１のサブシステムであり、レジスタＲ０、インダクタＬ０、コンデンサＣ０を直列に有しており、その値は、共振器が１ＭＨｚより大きい共振周波数を有するように、使用された材料の性質によって製造中にセットされている。] 図１
[0003] 装置にはまた、無線周波数電源モジュール２０が設けられており、この電源モジュール２０は、プラズマ発生共振器３０が接続された出力インターフェースに、設定値周波数Ｆｃで、電圧の形で励起信号Ｕを印加する。制御モジュール１０は、電源モジュール２０に設定値周波数Ｆｃを供給する。]
[0004] 実際には、図２に示すように、無線周波数スパークプラグの励起は安定していない。実際には、制御モジュールは、瞬間ｔ＿０において、電源モジュールに対し、共振器の励起をトリガするために好適なプラズマ発生コマンド（点火コマンド）を送信する。このとき、励起周波数は共振器の共振周波数に近い。移行期間の終わりでは、瞬間ｔ＿ｄにおいて、共振器の出力における電圧が、スパーク形成に十分なだけ高くなる。] 図２
[0005] このとき、実質的にプラズマ発生コマンドの瞬間ｔ＿ｄに発生する共振器の出力でのスパーク形成は、無線周波数スパークプラグの第２のサブシステム４０に対応しており、そのパラメータはシステム全体の共振状態を変化させる。実際には、気体中のスパークは、あらゆる導体と同様に、図１において無線周波数共振器３０の出力にモデル化されたキャパシタンスＣｄによって特徴づけられる。よってスパークが無いとき、システムの共振周波数を決定するのは共振器に固有のパラメータＲ０、Ｌ０、Ｃ０のみであるが、作用中の前記スパークに固有の特性がこの共振周波数を変化させるため、これはスパーク形成時には当てはまらない。] 図１
[0006] スパークが形成された状態の共振器の実際の共振周波数と、電源モジュールによってセットされ、かつスパークを有さない状態のシステムに合わせて調節した共振器の励起周波数とのこのような差は、共振器のＱ値の劣化につながる（Ｑ値はその出力電圧と入力電圧の振幅間の比を規定する）。]
[0007] よって、例えば、Ｑ値が１００より大きくかつスパークを有さない共振器に固有の共振周波数が１ＭＨｚより大きい場合、スパークが生じたとき、共振器の出力におけるスパークに関連してキャパシタンスが増大することを考慮すると、システムの共振周波数は数十ｋＨｚ低下することになり、これはおよそ２５％のＱ値の低下を引き起こすのに十分であり、よって無線周波数スパークプラグの効率は著しく低下する。]
[0008] また、これを自動車の点火に適用するには、Ｑ値が高く、励起周波数が常にシステム全体の共振周波数に近い共振器が必要である。よって、励起期間中を通して、スパークプラグ共振器に最大のＱ値を維持し、その後瞬間ｔ＿ｅｘｔ（図２）において、制御モジュールが共振器の無線周波数電源をスイッチオフするコマンドを送信することが重要である。] 図２
[0009] 本出願人の名前で出願された特許出願ＦＲ２８９５１６９には、共振器の励起周波数を最適化可能する手段が開示されている。この手段は、共振器の無線周波数電源に、
− 最適な、すなわち共振器の共振周波数と実質的に等しい励起周波数を決定するリクエストを受け取るためのインターフェース、
−エンジンオイル温度、エンジントルク、エンジン速度、点火角などの燃焼機関の動作パラメータの測定信号を受け取るためのインターフェース、
− 例えば共振器の出力での電圧といった無線周波数電源の動作パラメータの測定信号を受け取るためのインターフェース、および
−エンジン動作パラメータ測定信号と、無線周波数電源動作パラメータ測定信号と、共振器の最適励起周波数との間の関係を記憶するメモリモジュール
を組み込むことを含む。]
[0010] しかしこのような実施形態は非常に複雑であり、よって実施するにはコストがかかりすぎる。]
[0011] さらに、燃焼機関の動作パラメータの測定に時間を要し、多数のサイクルおよび全シリンダに関する平均情報しか供給できないのであれば、リアルタイムで無線周波数電源の動作状態を最適化することは不可能である。]
[0012] さらに、このようなリクエストの受け取りは、共振器励起周波数最適化フェーズ中に行われ、無線周波数電源はこの間、共振器からのプラズマ発生を許容するには不適切な設定値周波数で電圧を出力インターフェースに印加する。すなわち、こうしたシステムは、スパークを有さない状態のスパークプラグに固有の共振周波数に電源を完全にプリセットすることはできるものの、スパークのトリガを考慮に入れることはできず、これにより、上述のように、共振状態が変化してスパークプラグの効率が犠牲となる。]
[0013] したがって、本解決法は、共振器の出力において電圧を変化させることを含む。実際には、最適励起周波数決定のリクエストを受け取ったとき、電源モジュールは、出力インターフェースに、共振器のプラズマ発生を可能としない電圧を印加する。次いで、この最適周波数が決定された後、電源モジュールは、プラズマが発生されねばならないプラズマ発生装置の動作フェーズ中に、その出力インターフェースに最適周波数で電圧を印加する。さらにこの実施形態は、共振器の出力にＨＶプローブを有することを必要とし、これは自動車スパークプラグの場合、深刻な技術的問題をもたらす。]
[0014] 本発明はこれらの欠点の１つ以上を解決することを目的とする。よって、本発明は、無線周波数プラズマ発生装置を提案するもので、出力インターフェースに設定値周波数で励起信号を印加する電源モジュールであって、電源モジュールの出力インターフェースに接続されたプラズマ発生共振器の出力にスパークを形成することができる電源モジュールと、無線周波数プラズマ発生コマンドに応じて電源モジュールに設定値周波数を供給する制御モジュールとを有し、前記装置は、制御モジュールが、最適な励起周波数を決定する手段であって、スパークの形成後の装置の共振状態に設定値周波数を適合させることができる手段を有することを特徴とする。]
[0015] 一実施形態によれば、決定手段は、設定値周波数を、スパークを有さない共振器の共振周波数未満の値にセットする。]
[0016] 好ましくは、前記セットされる値と、スパークを有さない共振器の共振周波数との間の差が０〜１００ｋＨｚに位置する。]
[0017] 他の実施形態によれば、決定手段は、プラズマ発生コマンドの継続時間中、設定値周波数を調節する。]
[0018] 例えば、決定手段は、プラズマ発生コマンドがトリガされた瞬間に、スパークを有さない共振器の共振周波数の大きさの第１の値へ、続いて概ねスパーク形成の瞬間に、前記第１の値から所定の周波数ステップだけ低下させた第２の値へと、連続して設定値周波数をセットする。]
[0019] 一変形例によれば、決定手段は、リアルタイムで調整可能な周波数ステップに従って、スパーク形成の瞬間以降、セットされた第１の値からの設定値周波数の低下を制御する。]
[0020] 有利には、セットされる第１の値は、およそ、スパークを有さない共振器の共振周波数の大きさである。]
[0021] 有利には、装置は、制御モジュールに接続された共振器電源電気測定モジュールを有し、決定手段は、受け取った電気測定値に応じて周波数ステップの値を決定する。]
[0022] 好ましくは、共振器電源電気測定モジュールは、共振器の入力において電流の相対振幅を測定する。]
[0023] 本発明はまた、内燃機関点火システムに関し、少なくとも１つの上述のプラズマ発生装置を有することを特徴とする。]
[0024] 本発明の他の特徴および利点は、非制限的な実施例として、添付図面を参照する以下の説明から明らかとなろう。]
図面の簡単な説明

[0025] 公知の無線周波数プラズマ発生装置を図式的に示す。
プラズマ発生コマンドに応じた時間の経過に伴うプラズマ発生共振器の電流応答を示す。
本発明によるプラズマ発生装置の一実施形態を示す。]
実施例

[0026] 本発明は、スパークのトリガ後も含めて共振器の最大Ｑ値を維持するために、プラズマ発生コマンド中に電源モジュールによって無線周波数共振器に供給される励起信号の周波数を、リアルタイムで適合させることを提案する。]
[0027] これを行うために、本発明によるプラズマ発生装置の制御モジュールは、スパーク形成後の装置の共振状態に設定値周波数Ｆｃを適合させることができる最適励起周波数の決定手段を含む。]
[0028] 第１の実施形態によれば、スパークのトリガ後に最大Ｑ値を維持するために、設定値周波数は、スパークを有さない共振器の共振周波数未満の値にセットされる。したがって本実施形態によれば、共振器の無線周波数電源モジュールを、それを励起するためのスパークを有さない共振器の共振周波数よりも低い周波数に予め合わせる選択がなされる。以上を踏まえ、スパーク形成時には、装置全体の固有周波数が、典型的には数十ｋＨｚ低下し、制御モジュールが、例えば、スパークを有さない共振器に固有の共振周波数未満の０〜１００ｋＨｚの値に、設定値周波数をセットする。]
[0029] よって、スパークが形成されると、装置は自然とスパーク形成を考慮した最適動作状態となり、Ｑ値はその最大に達する。]
[0030] ただし、これは受動的解決法であり、これには、組み込まれるべき追加の測定手段も特別の制御装置も必要でない。一方、スパーク形成後の装置の共振状態に直接影響を及ぼす実際のスパークのパラメータのランダムな変化を考えると、この解決法は、装置の共振周波数の完全な最適化を保証するものではない。]
[0031] したがって、別の実施形態は、上述のようにスパーク形成後の共振状態を考慮して最適化された値に、プラズマ発生コマンドの送信前に設定値周波数をセットするのではなく、反対に、プラズマ発生コマンドの継続時間中、設定値周波数を変更する。]
[0032] この実施形態によれば、電源モジュールは、プリセットされた周波数ステップに従って時間とともに自動的に低下する周波数を有する無線周波数共振器へ励起列を送信するように、制御される。]
[0033] 具体的には、制御モジュールの決定手段は、プラズマ発生コマンドがトリガされた瞬間ｔ＿０に、スパークを有さない共振器の共振周波数の大きさの第１の値へ、続いてスパークの形成の瞬間ｔ＿ｄに、この第１の値から所定の周波数ステップだけ低下させた第２の値へと、連続して設定値周波数Ｆｃをセットする。]
[0034] 設定値周波数は、例えば、プラズマ発生コマンドの瞬間ｔ＿ｄの、スパークを有さない共振器の共振周波数の値に対応する初期値から５０ｋＨｚの値だけ低下させる。]
[0035] よって、スパークの形成を考慮して共振器の制御を新たな共振状態に適合させるために励起周波数を低下させることを前提に、プラズマ発生コマンドのトリガ時に完全に調節されるシステムは、スパーク形成の瞬間には「完全に調節されてはいない」システムへと変更される。しかしながら、このような低下が引き起こされない場合には、その値はプリセットされており、実際のスパークのパラメータと相関している。]
[0036] また、一変形例は、実際のスパークのパラメータのランダムな変化を前提として、プラズマ発生コマンド中に、リアルタイムで最適化されるべき励起周波数を適合させる。具体的には、制御モジュールの決定手段は、このとき、プリセットされておらず逆に実際のスパークのパラメータに応じてリアルタイムで調整可能な周波数ステップに従って、スパーク形成の瞬間に、設定値周波数の低下を制御する。]
[0037] このために、本発明による装置は、図３に示すように、制御モジュール１０に接続された共振器電源電気測定モジュール５０を有する。] 図３
[0038] このように、供給された設定値周波数に関して、移行期間の終わりｔ＿ｄにおいて、制御モジュールが（図示されない受信インターフェースを介して）スパークの形成を示す電気測定値を読み、次にこれらの電気測定値に従って、スパークが形成された電流共振状態に適した最適励起周波数を決定する。電気測定値は、例えば、調整可能な周波数ステップを決定するために用いることができ、これによって、共振系全体をリアルタイムで最適化するために、電源モジュールの制御周波数として用いられる設定値周波数が低下される。]
[0039] 共振器電源電気測定モジュールは、例えば、共振器の入力において電流の相対振幅を測定する。したがって、各交番において、交流器の入力における電流の振幅が、先の交番の振幅と照合及び比較される。スパークが形成される移行フェーズの終わりｔ＿ｄにおいて、（スパークの形成による）電流の減少が観測される場合、電源モジュールに供給される設定値周波数を、測定された電流の減少に応じてリアルタイムで決定される周波数ステップだけ低下させることにより、共振器の無線周波数電源は、装置全体としての電流共振状態にリアルタイムで適合される。]
[0040] 共振系を最適化するための多くの数学アルゴリズムが存在し、この目的のために利用可能である。]
[0041] したがって、本発明による装置は、その動作状態に関わらず、無線周波数スパークプラグの最大Ｑ値を維持することができる。ここに提案される解決法は、製造が容易かつ安価であり、無線周波数プラグ用の電源を、リアルタイムでかつシリンダごとに制御することができる。]

权利要求:

請求項1
無線周波数プラズマ発生装置であって、出力インターフェースに設定値周波数（Ｆｃ）で励起信号（Ｕ）を印加する電源モジュール（２０）であって、電源モジュールの出力インターフェースに接続されたプラズマ発生共振器（３０）の出力にスパーク（４０）を形成することができる電源モジュールと、無線周波数プラズマ発生コマンドに応じて電源モジュールに設定値周波数を供給する制御モジュール（１０）であって、スパーク形成後に装置の共振状態に設定値周波数（Ｆｃ）を適合させる手段を有し、設定値周波数（Ｆｃ）を、スパークを有さない共振器の共振周波数未満の値にセットする制御モジュールとを備えており、制御モジュール（１０）が電源モジュールを制御することにより、電源モジュールが、プリセットされた周波数ステップに従って時間の経過とともに自動的に低下する周波数を有する無線周波数共振器に励起列を送信することを特徴とする装置。
請求項2
前記セットされる値と、スパークを有さない共振器の共振周波数との差が、０〜１００ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
請求項3
設定値周波数（Ｆｃ）を適合させる手段が、プラズマ発生コマンドの継続時間中、設定値周波数を調節することを特徴とする、請求項１記載の装置。
請求項4
設定値周波数（Ｆｃ）を適合させる手段が、プラズマ発生コマンドがトリガされた瞬間（ｔ＿０）に、スパークを有さない共振器の共振周波数の大きさの第１の値へ、続いて概ねスパークの形成の瞬間（ｔ＿ｄ）に、前記第１の値から所定の周波数ステップだけ低下させた第２の値へと、連続して設定値周波数（Ｆｃ）をセットすることを特徴とする、請求項３記載の装置。
請求項5
設定値周波数（Ｆｃ）を適合させる手段が、リアルタイムで調整可能な周波数ステップに従って、スパークの形成の瞬間（ｔ＿ｄ）以降、セットされた第１の値からの設定値周波数の低下を制御することを特徴とする、請求項３記載の装置。
請求項6
セットされた第１の値が、スパークを有さない共振器の共振周波数の大きさであることを特徴とする、請求項５記載の装置。
請求項7
制御モジュールに接続された共振器電源電気測定モジュール（５０）を有し、決定手段が、受け取った電気測定値に応じて周波数ステップの値を決定することを特徴とする、請求項５または６記載の装置。
請求項8
共振器電源電気測定モジュールが、共振器の入力において電流の相対振幅を測定することを特徴とする、請求項７記載の装置。
請求項9
請求項１〜８のいずれか一項に記載の少なくとも１つのプラズマ発生装置を備えることを特徴とする、内燃機関点火システム。