JP5309134B2 - 内燃機関用高周波点火システムの測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の電気的に制御されるマイクロ波点火システムの測定装置に関し、この測定装置は、機関のシリンダ内のガスのイオン電流の測定、及び／又は点火指令中の点火スパークプラグの電極端子における電圧の測定に適する。

機関のシリンダ内のガスのイオン電流は通常、点火終了後に測定され、例えばピンキングが発生している燃焼室の圧力ピークに対応する角度を検出するための用途に、又は失火を確認する用途に、特に有利に利用することができる。
従来の点火システムのイオン電流測定回路が既知であり、この回路は、点火スパークプラグの電極の間で火花が発生した後で、燃焼室の混合物に極性を付与し、火花の伝播から生じる電流を測定するように動作する。

このような回路は従来、スパークプラグに接続される点火コイルの二次巻線の脚部に配置されている。
しかしながら、これらの回路は、従来型点火装置の特性専用に設ける必要があり、従って、本出願人による特許出願、ＦＲ０３−１０７６６、ＦＲ０３−１０７６７、及びＦＲ０３−１０７６８に詳細に記載されているようなマイクロ波コイルオンプラグ式の点火スパークプラグ（ＢＭＥ）を使用するプラズマ発生点火システムにそのまま使用することはできない。

従って、本発明の目的は、特に、マイクロ波点火システムに適するイオン電流測定装置を提案することである。
別の目的は、同じ装置を利用して、イオン電流の測定に加えてかどうかに関係なく、点火指令中のマイクロ波コイルオンプラグの電極端子における電圧の測定を可能にすることである。

従って、この目的のために、本発明は測定装置に関し、本装置は、
−マイクロ波点火装置に電源を供給し且つ少なくとも一つの共振器に接続された二次巻線を有する変圧器を含む回路であって、変圧器が、１ＭＨｚ超の共振周波数を有し、且つ点火指令中に火花を生成できる二つの電極を含む、回路、
−二次巻線と共振器の間に直列に接続される測定コンデンサ、
−共振器を装着した内燃機関シリンダ内の燃焼ガスのイオン電流を測定する回路であって、測定コンデンサの両端に接続される回路、及び／又は
−共振器の電極端子における電圧を点火指令中に測定する回路であって、測定コンデンサの両端に接続される回路
を備えることを特徴とする。

一実施形態によれば、測定コンデンサは、変圧器の二次巻線と共振器との間の、変圧器と共振器の接地線の位置で直列に接続される。
有利には、装置は、変圧器の一次巻線と並列に接続されるダンピング抵抗器を備える。

別の特徴によれば、装置は、変圧器の二次巻線の脚部に接続される直流電源を備える。
好適には、イオン電流を測定する回路は、測定コンデンサの両端の電位差を微分する回路を含む。

好適には、共振器の電極端子における電圧を測定する回路は、測定コンデンサの両端のピーク電圧を整流する回路を含む。
一実施形態によれば、変圧器の一次巻線の一方の側は電源電圧に接続され、他方は指令信号により制御される少なくとも一つのスイッチングトランジスタのドレインに接続され、スイッチングトランジスタは、指令信号により規定される周波数で一次巻線の両端に電源電圧を印加する。

有利には、変圧器は可変の変換比を有する。
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として提示され、且つ添付の図を参照する以下の説明により一層明確になるものと思われる。

図１は、プラズマ発生マイクロ波コイルオンプラグをモデル化した共振器の図である。 図２は、コイルオンプラグの両端にマイクロ波の交流電圧を印加することができる先行技術による電源回路を示す図である。 図３は、図２の回路の一変形例を示す。 図４は、点火指令中におけるプラグの電極端子のイオン電流及び電圧を測定するための本発明による電源回路を示す。

マイクロ波点火装置の制御に使用されるコイルオンプラグは、共振器１（図１参照）と電気的に等価であり、共振器１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Ｒｓと、誘導コイルＬｓと、記号Ｃｓで示すコンデンサとを備える。コイルオンプラグの点火電極１１及び１２は、共振器１のコンデンサＣｓの両端に接続されて、共振器に電源供給されるとき、マルチフィラメント状放電を発生させることにより、機関の燃焼室内の混合気の燃焼を開始させることができる。
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Ｃｓの両端の振幅が増幅されて、これらの電極の間に、センチメートルのオーダーの距離に亘って、高圧且つ２０ｋＶ未満のピーク電圧で、マルチフィラメント状放電を生成できる。

このとき、これらの放電は、少なくとも複数のイオン化線又はイオン化経路を所定の容積内に同時に発生させ、その発生方向は全方向に亘るため、「枝分かれした火花」と呼ばれる。
このとき、この現象をマイクロ波点火装置に適用するためには、電源回路を使用する必要があり、この電源回路は、約１ｋＶの振幅に達することができ、且つマイクロ波コイルオンプラグのプラズマ生成共振器の共振周波数に極めて近い周波数を持つ、通常約１００ｎｓの電圧パルスを生成できる。

図２は、このような電源回路２を模式的に示しており、この電源回路は、フランス国特許出願ＦＲ０３−１０７６７に更に詳細に説明されている。マイクロ波コイルオンプラグの電源回路には従来から、「Ｅクラス疑似パワーアンプ」と呼ばれるアセンブリが使用されている。このアセンブリによって、前述の特徴を持つ電圧パルスの生成が可能になる。
このアセンブリは、０〜２５０Ｖまで変化することができる中間直流電源Ｖｉｎｔｅｒと、ＭＯＳＦＥＴパワートランジスタＭと、コンデンサＣｐと並列なコイルＬｐを含む並列共振回路４とから構成される。トランジスタＭはスイッチとして使用されて、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に接続されるように設計されたプラズマ生成共振器１の端子のスイッチング動作を制御する。

トランジスタＭは、当該トランジスタのグリッドにおいて、指令段３から供給される、共振器１の共振周波数にほぼ固定されなければならない周波数の論理指令信号Ｖ１により制御される。
中間直流電源電圧Ｖｉｎｔｅｒは、有利には、高電圧電源、通常はＤＣ／ＤＣコンバータから供給することができる。

従って、共振周波数に近い周波数で、並列共振器４は、直流電源電圧Ｖｉｎｔｅｒを、電源電圧に並列共振器の過電圧係数を乗じた値に対応し且つスイッチングトランジスタＭのドレインの位置で電源回路の出力インターフェースに印加される増幅周期電圧に変換する。
次に、スイッチングトランジスタＭは、指令信号Ｖ１により規定される周波数で増幅電源電圧を電源出力に印加する。ユーザは、この電源電圧を、コイルオンプラグの共振周波数に出来る限り近づけようとしているのであり、前記印加により、マルチフィラメント状放電の生成及び保持のために必要な高電圧がコイルオンプラグの電極端子に発生する。

従って、トランジスタは、約５ＭＨｚの周波数で、且つ１ｋＶに達しうるドレイン−ソース間電圧で大きな電流をスイッチングする。従って、トランジスタの選択は重要であり、トランジスタを選択するためには、電圧と電流の間で妥協点を見出す必要がある。

図３に示す変形例によれば、このとき、並列コイルＬｐを、１〜５の変換比を有する変圧器Ｔで置き換える。変圧器の一次巻線Ｌ_Ｍの一方の側を電源電圧Ｖｉｎｔｅｒに接続し、他方の側をスイッチングトランジスタＭのドレインに接続して、指令信号Ｖ１により規定される周波数で電源電圧Ｖｉｎｔｅｒが一次巻線の両端に印加されるように制御する。
一方の側が接地線６を介して接地される変圧器の二次巻線Ｌ_Ｎは、コイルオンプラグに接続されるように構成される。このようにして、接地線６を含む接続配線５及び６を介して二次巻線の両端に接続されるコイルオンプラグの共振器１には、従って、変圧器の二次巻線から電源供給される。

この場合、変換比を適応させることにより、トランジスタのドレイン−ソース間電圧を小さくすることができる。しかしながら、一次巻線の電圧の低下はトランジスタを流れる電流の増大を招く。このとき、例えば二つのトランジスタを並列に配置して同じ制御段３で制御することにより、この応力を打ち消すことができる。

次に、図４は、図３を参照して上述した回路を本発明のニーズに適用したものを示している。
このためにまず、図４において記号Ｃｍｅｓｕｒｅで示す容量を有する測定コンデンサを、マイクロ波点火装置電源回路２の変圧器の二次巻き線とマイクロ波プラズマ生成共振器１の間で、変圧器及び共振器の接地線６の位置に、直列に接続する。

以下に詳細に示すように、この同じ測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅを利用して、ガスが燃焼室内で燃焼している間にイオン電流を測定し、及び／又はコイルオンプラグの電極端子における電圧を点火指令中に測定することができる。
同様に、１２〜２５０Ｖの電圧であり、従ってバッテリ電圧又は中間直流電源電圧Ｖｉｎｔｅｒとすることができる電圧Ｖｐｏｌａｒを供給する直流電源は、抵抗器Ｒｐｏｌａｒを介して、変圧器の二次巻線の脚部に接続されるように構成される。この電源の役割は、機関のシリンダヘッドに対し、電源回路の出力に接続されるコイルオンプラグの高電圧側電極に極性を持たせることである。

最後に、必要に応じて、ダンピング抵抗器Ｒｓｔｏｐを変圧器Ｔの一次巻線と並列に配置することができる。このような抵抗器によって、トランジスタＭが制御されなくなったとき、すなわち火花の生成後、一次巻線の両端の残留電圧を減衰させることができる。有利には、この抵抗を設けることにより、以下に詳述するように、点火指令の終了後にイオン電流の測定を出来るだけ早く行なうことができる。
図３の電源回路は、特にイオン電流の測定を行なう。イオン電流は燃焼室内における火炎の先端の伝播に対応する。従って、イオン電流は、行なわれる燃焼の変化及び種類のモニタリングを可能にする信号である。このイオン電流は、少なくとも１ミリ秒間に亘る火花の終了後に測定することができ、約２０μＡの振幅を有する。また、イオン電流は点火終了後に測定される。

具体的には、例えば６２５０ｒｐｍでは、機関は１０^−２秒又は２６μｓ／°で回転する。燃焼は約４０°のクランクシャフト角に亘るので、１００μｓの許容誤差（又は、最大エンジン速度で約４°のクランクシャフト角）を点火後に許容することにより、点火により生じる測定回路のちらつき（ｄａｚｚｌｉｎｇ）が減衰する。
上記に詳述したように、減衰は、出力にコイルオンプラグが接続される変圧器の一次巻線に、抵抗を並列に付加することにより改善される。

本発明によれば、イオン電流は、測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅの両端で測定される。この測定を行うために、差動型の測定回路ＤＩＦＦを、測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅの両端に接続する。
従って、イオン電流は、燃焼中に測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅの両端で測定される。燃焼中の等価電価は、プラズマ生成共振器１のコンデンサＣｓに並列接続される約５００ｋΩの抵抗器Ｒｉｏｎによりモデル化することができる。

図４の実施例によれば、イオン電流を測定するために使用される差動回路ＤＩＦＦは、電圧Ｖｌｏｗが供給されるオペアンプ１０を含み、当該オペアンプの反転入力は、測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅの一方の端子に、記号Ｃが付されたコンデンサを介して接続され、このコンデンサは、例えば１００ｎＦに等しい値を有し、当該オペアンプの非反転入力は、測定コンデンサの他方の端子に、同一のコンデンサＣを介して接続され、当該オペアンプの出力Ｖｓは、記号Ｒで示す、例えば１００Ωに等しい抵抗器を介して非反転入力にループバックされる。
非反転入力もアンプの電源電圧によりバイアスされる。この電圧Ｖｌｏｗはまず、ＲＣ回路によってフィルタリングされる。このＲＣ回路は、例えば４／５Ｒに等しい値を有する抵抗を、コンデンサＣ１と直列に含む。次に、このようにしてフィルタリングされた電圧Ｖ_Ａを、電圧分割抵抗性ブリッジを介して非反転入力に印加する。この電圧分割抵抗性ブリッジは、各々が例えば２Ｒに等しい値を有する二つの抵抗から成る。

従って、差動回路の出力電圧Ｖｓは、コンデンサＣｍｅｓの両端の電位差を微分した値、すなわち

となる。
上式中のＩｉｏｎはイオン電流である。次に、この等式から直接導かれるのは、コンデンサＣｍｅｓｕｒｅを流れる電流であり、この電流が次式で表わされるイオン電流である。

上式中、

である。

上に説明した原理に従って、燃焼中にイオン電流を測定するのに適していることに加えて、変圧器Ｔと共振器１の間に測定コンデンサを直列に配置することにより、図３の電源回路は、点火指令中に（すなわち、指令信号がトランジスタＭに印加されている間に）、コイルオンプラグの電極端子における電圧Ｖｏｕｔの測定を行なうこともできる。このような電圧測定値を使用して火花の発生を最適に制御することができる。
このような制御を行なうために、整流回路ＲＥＤは、測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅの両端に接続されて、点火指令中に測定コンデンサの両端におけるピーク電圧を抽出することができる。整流回路は、値Ｒ１を有する抵抗性負荷と直列にダイオードＤを配置することにより形成される。この値Ｒ１は、例えば１００Ωに等しくなるように選択され、抵抗性負荷の両端には、点火指令中に、有利にはコイルオンプラグの電極端子の高電圧Ｖｏｕｔに比例する電圧Ｖ’ｓが得られる。

特に、変圧器の干渉容量は無視できるので、ガルバニ絶縁を行なうことにより、測定コンデンサＣｍｅｓｕｒｅ、及びコイルオンプラグをモデル化する共振器１のコンデンサＣｓを流れる電流を同じ値にすることができる。従って、これにより、次の関係式で表わされる容量性分割器が得られる（ダイオードＤの両端における電圧降下により生じる差分は無視できると考えられる）。

例えば、Ｃｓ＝２０ｐＦ、Ｃｍｅｓｕｒｅ＝４０ｎＦ、且つＶｏｕｔ＝０〜２４Ｖである場合、以下の結果が得られる。

整流回路を最適化するために、ダイオードＤの上流に、ダイオードＤに直列に、例えば１００ｎＦに等しい値を有する遮断コンデンサ（図４に記号Ｃ３で示す）と、接地される抵抗Ｒ３とを配置して、整流回路の入力において信号の直流成分を除去することができる。例えば１ｎＦに等しい値を有するコンデンサ（記号Ｃ２で示す）を、整流回路の出力に、抵抗性負荷と並列に配置することにより、電圧のピーク値を蓄えることができる。
従って、点火指令中に測定コンデンサＣｍｅｓの両端における電圧を測定することにより、コイルオンプラグの電極端子における電圧を表わす測定値を取得することができるので有利である。

このような測定値によって、有利には、
−コイルオンプラグの破壊電圧を知ることができ、
−最大増幅率を求めることにより共振器１の共振周波数を求めることができ、
−測定振幅の瞬間的な減少による橋絡（すなわち、共振器のコンデンサＣｓが急に放電することにより、枝分かれした火花ではなく１本の火花が飛ぶ状態）を特定することができ、更に、
−電源回路とコイルオンプラグとの遮断を診断することができる。
従って、本明細書に記載した解決策により、マイクロ波点火装置の電源回路の出力に直列に取り付けられた同じ測定コンデンサを利用して、コンデンサＣｍｅｓｕｒｅの両端でこれらの測定を行なうために上述の二つの回路を統合するように選択するか、或いはこれらの回路の一方又は他方を設けるように選択するかに応じて、点火指令中に、イオン電流の測定とコイルオンプラグの電極端子における電圧の測定の両方、又はこれらの測定のうちの一方の測定のみを行なうことができる。

Claims (7)

1. −マイクロ波点火装置に電源を供給し、且つ変圧器（Ｔ）を含む回路（２）であって、変圧器の二次巻線（Ｌ_Ｎ）が、１ＭＨｚ超の共振周波数を有し且つ点火指令中に火花を生成できる二つの電極（１１、１２）を含む少なくとも一つの共振器（１）に接続される、回路（２）、
   −二次巻線と共振器の間に直列に接続される、ガスが燃焼室内で燃焼している間のイオン電流を測定し、かつ、コイルオンプラグの電極端子における電圧を点火指令中に測定する、測定コンデンサ（Ｃｍｅｓｕｒｅ）、
   −共振器を装着した内燃機関のシリンダ内部の燃焼ガスのイオン電流（Ｉｉｏｎ）を測定する回路（ＤＩＦＦ）であって、測定コンデンサの両端に接続される回路（ＤＩＦＦ）、及び、
   −測定コンデンサの両端における電圧を測定し、且つ点火指令中に共振器の電極端子における電圧（Ｖｏｕｔ）に比例する電圧（Ｖ’ｓ）を供給する回路（ＲＥＤ）
   を備え、
   前記イオン電流を測定する回路（ＤＩＦＦ）が、測定コンデンサの両端の電位差を微分する回路を含むことを特徴とする、測定装置。
2. 測定コンデンサ（Ｃｍｅｓｕｒｅ）が、変圧器及び共振器の接地線（６）の位置で、変圧器の二次巻線と共振器の間に直列に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 変圧器の一次巻線と並列に接続されるダンピング抵抗（Ｒｓｔｏｐ）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 変圧器の二次巻線の脚部に接続される直流電源（Ｖｐｏｌａｒ）を備えることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
5. 測定コンデンサの両端における電圧（Ｖｏｕｔ）を測定する回路（ＲＥＤ）が、測定コンデンサの両端におけるピーク電圧を整流する回路を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
6. 変圧器の一次巻線の一方の側が電源電圧（Ｖｉｎｔｅｒ）に接続され、他方の側が指令信号（Ｖ１）により制御される少なくとも一つのスイッチングトランジスタ（Ｍ）のドレインに接続されており、スイッチングトランジスタが、指令信号により規定される周波数で、一次巻線の両端に電源電圧を印加することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。
7. 変圧器（Ｔ）が、１〜５の変換比を有することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。

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