ОПТИМИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОЙ СВЕЧИ Российский патент 2014 года по МПК F02P9/00 H05H1/46 

Настоящее изобретение в целом касается свечей с радиочастотным генерированием плазмы, предназначенных для использования в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания в применении для системы зажигания автомобиля. В частности, изобретение касается процесса радиочастотного питания высоким напряжением такой свечи, основанного на явлении резонанса в цепи RLC, резонансная частота которой определяется значениями собственных параметров свечи.

На фиг.1 показано устройство генерирования плазмы. Это устройство снабжено резонатором 30 генерирования плазмы, представляющим собой первую подсистему радиочастотной свечи и содержащим последовательно соединенные резистор R₀, катушку индуктивности L₀ и конденсатор C₀, параметры которых устанавливают во время изготовления в зависимости от геометрии и природы используемых материалов таким образом, чтобы резонатор имел резонансную частоту, превышающую 1 МГц.

Устройство содержит также радиочастотный модуль 20 питания, подающий сигнал U возбуждения в виде напряжения с заданной частотой Fc на выходной интерфейс, с которым соединен резонатор 30 генерирования плазмы. Модуль 10 управления задает заданную частоту Fc модулю 20 питания.

В реальности, как показано на фиг.2, возбуждение радиочастотной свечи не является стационарным. Действительно, в момент t_0 модуль управления направляет в модуль питания команду генерирования плазмы (команду зажигания), предназначенную для инициирования возбуждения резонатора. При этом частота возбуждения близка к резонансной частоте резонатора. В конце переходного периода в момент t_d напряжение на выходе резонатора становится достаточно высоким для генерирования искры.

Вместе с тем, возникновение искры на выходе резонатора, происходящее по существу в момент t_d команды генерирования плазмы, представляет собой вторую подсистему 40 радиочастотной свечи, параметры которой меняют условия резонанса всей системы. Действительно, искра в газе, как и в любом электрическом проводнике, характеризуется емкостью, материально показанной в виде конденсатора C_d на фиг.1 на выходе радиочастотного резонатора 30. Таким образом, если в отсутствие искры резонансную частоту системы определяют только параметры R₀, L₀ и C₀ резонатора, то иначе обстоит дело при возникновении искры, поскольку в данном случае ее собственные характеристики меняют эту резонансную частоту.

Эта разница между действительной резонансной частотой резонатора при возникновении искры и частотой возбуждения резонатора, зафиксированной модулем питания и установленной для системы без искры, приводит к понижению коэффициента качества резонатора (или коэффициента повышения напряжения, определяющего соотношение между амплитудой выходного напряжения и входным напряжением).

Так, например, в случае, когда резонансная частота резонатора без искры с коэффициентом качества более 100 превышает 1 МГц, во время генерирования искры резонансная частота системы уменьшается на несколько десятков кГц, учитывая дополнительную емкость, связанную с присутствием искры на выходе резонатора, что вполне может привести к снижению коэффициента качества примерно на 25% и, следовательно, к значительному снижению эффективности радиочастотной свечи.

Поэтому данный вариант применения для автомобильного зажигания требует использования резонаторов с более высоким коэффициентом качества, при этом частота их возбуждения должна оставаться близкой к резонансной частоте всей системы. Таким образом, необходимо сохранять максимальный коэффициент качества резонатора свечи в течение всего его возбуждения до момента t_ext (фиг.2), в который модуль управления передает команду на прекращение радиочастотного питания резонатора.

Из патентной заявки FR 2895169, поданной на имя заявителя, известны средства, позволяющие оптимизировать частоту возбуждения резонатора. Эти средства предполагают включение в систему радиочастотного питания резонатора:

- интерфейса приема запроса по определению оптимальной частоты возбуждения, то есть по существу равной резонансной частоте резонатора,

- интерфейса приема сигналов измерения рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, таких как температура масла двигателя, крутящий момент, режим двигателя, угол опережения зажигания и т.д.,

- интерфейса приема сигналов измерения рабочих параметров радиочастотного питания, например, напряжения на выходе резонатора, и

- модуля памяти, в котором записаны отношения между сигналами измерения рабочих параметров двигателя, сигналами измерения рабочих параметров радиочастотного питания и оптимальной частотой возбуждения резонатора.

Однако такой вариант выполнения является сложным, и, следовательно, дорогим в осуществлении.

Кроме того, он не позволяет оптимизировать режим радиочастотного питания в реальном времени, поскольку измерения рабочих параметров двигателя происходят медленно и дают только усредненные данные для нескольких циклов и для всех цилиндров.

Кроме того, прием этого запроса происходит в ходе фазы оптимизации частоты возбуждения резонатора, во время которой радиочастотное питание конфигурировано для подачи на его выходной интерфейс напряжения с заданной частотой, которое не обеспечивает генерирования плазмы в резонаторе. Иначе говоря, такая система позволяет идеально заранее отрегулировать питание по резонансной частоте, характерной для свечи без искры, но не позволяет учитывать появление искры, которое, как было указано выше, изменяет условия резонанса в ущерб эффективности свечи.

Поэтому данное решение предусматривает изменение напряжения на выходе резонатора. Действительно, во время приема запроса на определение оптимальной частоты возбуждения модуль питания подает на выходной интерфейс напряжение, которое не позволяет резонатору генерировать плазму. Затем, после определения этой оптимальной частоты модуль питания подает на выходной интерфейс напряжение на этой оптимальной частоте во время фазы работы устройства генерирования плазмы, в ходе которой должна генерироваться плазма. Поэтому данный вариант выполнения требует установки датчика высокого напряжения на выходе резонатора, что создает серьезную техническую проблему в случае автомобильной свечи.

Настоящее изобретение призвано устранить один или несколько из упомянутых недостатков. В связи с этим изобретением предлагается радиочастотное устройство генерирования плазмы, содержащее модуль питания, подающий на выходной интерфейс сигнал возбуждения на заданной частоте, позволяющий получить искру на выходе резонатора генерирования плазмы, соединенного с выходным интерфейсом модуля питания, и модуль управления, задающий заданную частоту модулю питания во время команды на радиочастотное генерирование плазмы, при этом указанное устройство отличается тем, что модуль управления содержит средства определения оптимальной частоты возбуждения, выполненные с возможностью адаптации заданной частоты к условиям резонанса устройства после образования искры.

Согласно варианту выполнения, средства определения выполнены с возможностью установки заданной частоты по значению, которое меньше резонансной частоты резонатора без искры.

Предпочтительно отклонение между указанным установленным значением и резонансной частотой резонатора без искры находится в интервале от 0 до 100 кГц.

Согласно другому варианту выполнения, средства определения выполнены с возможностью модулирования заданной частоты в течение времени команды генерирования плазмы.

Например, средства определения выполнены с возможностью последовательной установки заданной частоты по первому значению порядка величины резонансной частоты резонатора без искры в момент подачи команды генерирования плазмы и по второму значению, уменьшенному на один шаг заранее определенной частоты по отношению к указанному первому значению по существу в момент образования искры.

Согласно варианту, средства определения выполнены с возможностью задавать уменьшение заданной частоты, начиная с первого установленного значения, с частотным шагом, регулируемым в реальном времени, начиная с момента возникновения искры.

Предпочтительно первое установленное значение примерно равно величине резонансной частоты резонатора без искры.

Предпочтительно устройство содержит модуль электрического измерения питания резонатора, соединенный с модулем управления, при этом средства определения определяют значение частотного шага в зависимости от полученных электрических измерений.

Предпочтительно модуль электрического измерения выполнен с возможностью измерения относительной амплитуды тока на входе резонатора.

Объектом изобретения является также система зажигания двигателя внутреннего сгорания, которая содержит по меньшей мере одно описанное выше устройство генерирования плазмы.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид известного радиочастотного устройства генерирования плазмы.

Фиг.2 - иллюстрация реагирования по току резонатора генерирования плазмы в зависимости от времени во время команды генерирования плазмы.

Фиг.3 - вариант выполнения устройства генерирования плазмы в соответствии с настоящим изобретением.

Изобретение предлагает адаптировать в реальном времени частоту сигнала возбуждения, подаваемого модулем питания на радиочастотный резонатор, во время команды генерирования плазмы, чтобы сохранять максимальный коэффициент качества резонатора, в том числе после начала появления искры.

Для этого модуль управления устройства генерирования плазмы в соответствии с настоящим изобретением включает в себя средства определения оптимальной частоты возбуждения, выполненные с возможностью адаптации заданной частоты Fc к условиям резонанса устройства после возникновения искры.

Согласно первому варианту выполнения, чтобы сохранить максимальный коэффициент качества после начала появления искры, заданную частоту устанавливают на значение, которое меньше резонансной частоты резонатора без искры. Следовательно, согласно этому варианту выполнения, предварительно модуль радиочастотного питания резонатора регулируют по частоте, меньшей резонансной частоты резонатора без искры, для возбуждения этого резонатора. Учитывая, что во время образования искры собственная частота всего устройства обычно уменьшается на несколько десятков кГц, модуль управления устанавливает, например, заданную частоту в значении, находящемся в интервале от 0 до 100 кГц, ниже собственной резонансной частоты резонатора без искры.

Таким образом, после возникновения искры устройство естественным образом оказывается в оптимальных условиях работы, учитывающих появление искры, и коэффициент качества достигает своего максимума.

Однако здесь речь идет о пассивном решении, которое не требует интегрирования никакого дополнительного средства измерения или специального средства контроля. С другой стороны, учитывая произвольное изменение параметров реальной искры, которые напрямую влияют на условия резонанса устройства после возникновения искры, это решение не обеспечивает идеальной оптимизации резонансной частоты устройства.

Поэтому, согласно другому варианту выполнения, перед подачей команды генерирования плазмы заданную частоту устанавливают не окончательно по оптимизированному значению, с тем, чтобы учитывать условия резонанса после возникновения искры, как было указано выше, и заданную частоту модулируют в течение времени команды генерирования плазмы.

Согласно этому варианту выполнения, модулем питания управляют таким образом, чтобы он подавал серию импульсов возбуждения на радиочастотный резонатор, частота которого должна автоматически уменьшаться со временем по предварительно установленному шагу частоты.

В частности, средства определения модуля управления выполнены с возможностью последовательной установки заданной частоты Fc по первому значению порядка величины резонансной частоты резонатора без искры в момент t_0 начала команды генерирования плазмы и по второму значению, уменьшенному на заранее определенный частотный шаг по отношению к этому первому значению, по существу в момент t_d возникновения искры.

Например, заданную частоту уменьшают на значение 50 кГц по отношению к первоначальному значению, соответствующему значению резонансной частоты резонатора без искры, в момент t_d команды генерирования плазмы.

Таким образом, от системы, идеально согласованной во время начала команды генерирования плазмы, переходят к системе, «не совсем» рассогласованной в момент появления искры, поскольку вызывают уменьшение частоты возбуждения, позволяющее учитывать образование искры, для адаптации управления резонатором к новым условиям резонанса, но при этом данное уменьшение, значение которого устанавливают заранее, не находится во взаимосвязи с параметрами реальной искры.

Поэтому, согласно варианту, предусматривают оптимизацию в реальном времени адаптации частоты возбуждения во время команды генерирования плазмы с учетом случайного изменения параметров реальной искры. В частности, средства определения модуля управления в этом случае выполнены с возможностью подачи команды на уменьшение заданной частоты в момент образования искры, причем не по заранее установленному частотному шагу, а, наоборот, путем регулирования в реальном времени в зависимости от параметров реальной искры.

Для этого, как показано на фиг.3, устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит модуль 50 электрического измерения питания резонатора, соединенный с модулем 10 управления.

Таким образом, для полученной заданной частоты в конце переходного периода t_d модуль управления получает показание электрического измерения, характеризующего образование искры, (при помощи не показанного приемного интерфейса) и определяет оптимальную частоту возбуждения в зависимости от этих электрических измерений, адаптированную к текущим условиям резонанса с образовавшейся искрой. Электрические измерения позволяют, например, определить регулируемый частотный шаг, на который следует уменьшить заданную частоту, используемую в качестве частоты управления для модуля питания с целью оптимизации в реальном времени всей резонирующей системы.

Модуль электрического измерения питания резонатора выполнен, например, с возможностью измерения относительной амплитуды тока на входе резонатора. Таким образом, на каждом полупериоде проверяют амплитуду тока на входе резонатора и сравнивают ее с амплитудой на предыдущем полупериоде. Если в конце переходного периода t_d, когда возникает искра, отмечают падение тока (связное с образованием искры), то уменьшают заданную частоту, задаваемую модулю питания, на частотный шаг, определяемый в реальном времени в зависимости от измеренного падения тока, чтобы адаптировать в реальном времени радиочастотное питание резонатора к текущим условиям резонанса всего устройства.

Для этого существуют и применяются несколько математических алгоритмов оптимизации резонирующих систем.

Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет сохранять максимальный коэффициент качества радиочастотной свечи, независимо от режима ее работы. Предложенное решение является простым в реализации, недорогим и позволяет управлять питанием радиочастотных свечей в реальном времени в каждом цилиндре.

Изобретение относится к радиочастотным устройствам генерирования плазмы для двигателей внутреннего сгорания. Радиочастотное устройство генерирования плазмы содержит модуль (20) питания, подающий на выходной интерфейс сигнал (U) возбуждения на заданной частоте (Fc), позволяющий получить искру (40) на выходе резонатора (30) генерирования плазмы, соединенного с выходным интерфейсом модуля питания, и модуль (10) управления, задающий частоту модулю питания во время команды на радиочастотное генерирование плазмы. Модуль управления содержит средства для определения оптимальной частоты возбуждения, выполненные с возможностью адаптации заданной частоты (Fc) к условиям резонанса устройства после возникновения искры. Технический результат - возможность управления питанием радиочастотных свечей в каждом цилиндре и повышение срока службы свечей. 2 н.и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиочастотное устройство генерирования плазмы, содержащее модуль (20) питания, подающий на выходной интерфейс сигнал (U) возбуждения на заданной частоте (Fc), для получения искры (40) на выходе резонатора (30) генерирования плазмы, соединенного с выходным интерфейсом модуля питания, и модуль (10) управления, задающий заданную частоту модулю питания во время команды на радиочастотное генерирование плазмы, причем модуль управления содержит средства, выполненные с возможностью адаптации заданной частоты (Fc) к условиям резонанса для устройства после возникновения искры и выполненные с возможностью установки заданной частоты (Fc) по значению, меньшему, чем резонансная частота резонатора без искры, при этом модуль (10) управления выполнен с возможностью управления модулем питания таким образом, чтобы он подавал серию импульсов возбуждения на радиочастотный резонатор, частота которых автоматически уменьшается во времени в соответствии с заранее установленным частотным шагом, отличающееся тем, что указанная резонансная частота резонатора без искры выше 1 МГц, и при этом отклонение между указанным установленным значением и резонансной частотой резонатора без искры находится в интервале от 0 до 100 кГц.

2. Устройство по п.1, в котором средства для адаптации заданной частоты (Fc) выполнены с возможностью модулирования заданной частоты в течение времени команды генерирования плазмы.

3. Устройство по п.2, в котором средства для адаптации заданной частоты (Fc) выполнены с возможностью последовательной установки заданной частоты по первому значению величины резонансной частоты резонатора без искры в момент (t_0) подачи команды генерирования плазмы и по второму значению, уменьшенному на один заранее определенный частотный шаг по отношению к указанному первому значению, по существу в момент (t_d) возникновения искры.

4. Устройство по п.2, в котором средства для адаптации заданной частоты (Fc) выполнены с возможностью задавать уменьшение заданной частоты с первого установленного значения согласно частотному шагу, регулируемому в реальном времени, начиная с момента (t_d) возникновения искры.

5. Устройство по п.4, в котором первое установленное значение примерно равно величине резонансной частоты резонатора без искры.

6. Устройство по п.4 или 5, характеризующееся тем, что содержит модуль (50) для электрического измерения питания резонатора, соединенный с модулем управления, при этом средства определения определяют значение частотного шага в зависимости от полученных электрических измерений.

7. Устройство по п.6, в котором модуль для электрического измерения питания резонатора выполнен с возможностью измерения относительной амплитуды тока на входе резонатора.

8. Система зажигания двигателя внутреннего сгорания, характеризующаяся тем, что содержит по меньшей мере одно устройство генерирования плазмы по любому из пп.1-7.