BRPI0707894A2 - mÉtodo, e dispositivo, para medir uma corrente de ionizaÇço de uma vela de igniÇço de estrutura ressonante - Google Patents
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Abstract
METODO, E DISPOSITIVO, PARA MEDIR UMA CORRENTE DE IONIZAÇçO DE UMA VELA DE IGNIÇçO DE ESTRUTURA RESSONANTE. A invenção refere-se a um dispositivo para medir uma corrente de ionização de uma vela de ignição do tipo com estrutura ressonante, equipando um sistema de ignição de veículo automotivo, referida vela de ignição (BR) sendo acoplada a um gerador (GEN) compreendendo um capacitor de regulação. O referido gerador ainda compreende meios de polarização (MPOL) para polarizar a vela de ignição (BR), conectada entre o gerador (GEN) e referida vela de ignição (BR) e meios para medir (MMES) a corrente de ionização da referida vela de ignição (BR), conectada entre o capacitor de regulação (Cb) e o aterramento.
Description
"MÉTODO, E DISPOSITIVO, PARA MEDIR UMA CORRENTE DEIONIZAÇÃO DE UMA VELA DE IGNIÇÃO DE ESTRUTURARESSONANTE"
A presente invenção refere-se, geralmente, à medição de umacorrente de ionização de uma vela de ignição, particularmente de velas deignição de tipo de estrutura ressonante, usadas em sistemas de ignição paraveículos automotivos.
A invenção é particularmente apropriada para os assim chamadossistemas de ignição de "radiofreqüência" compreendendo velas de ignição deestrutura ressonante de tipo de velas múltiplas ou BME.
Estes sistemas de ignição usando correntes alternadas sãodescritas, por exemplo, nos pedidos de patente FR 2 859 830, FR 2 589 869 eFR 2 859 831, em nome do requerente.
No final do ciclo de compressão, a vela de ignição é responsávelpela formação de um arco elétrico, cuja energia é suficiente para disparar oprocesso de ignição da mistura gasosa contida na câmara de combustão domotor.
Este arco elétrico corresponde à ionização da mistura gasosalocalizada entre os eletrodos da vela de ignição, respectivamente um eletrodocentral positivo e um eletrodo de aterramento.
No entanto, na combustão da mistura, após a centelha ter sidogerada pela vela de ignição, a borda da chama pode ser propagada. Suacorrente pode deslocar uma porção da mistura contra as paredes do cilindro eo topo do pistão.
O aumento na pressão e temperatura é tão grande que ocombustível pode permanecer bloqueado contra as paredes, alcançar seuponto de auto-ignição e então inflamar em vários locais.
O resultado disto são micro-explosões produzindo vibrações nodomínio acústico (entre aproximadamente 5 e 10 kHz). Estas vibrações sãomuito fortes e podem rapidamente criar pontos quentes que ainda acentuam oproblema. O acúmulo de micro-explosões irá romper ou fundir umaquantidade pequena de metal no topo do pistão e/ou nas paredes do cilindro oque pode, após algum tempo, resultar na destruição do pistão e das paredes docilindro.
E possível detectar o aparecimento destes fenômenos dedetonação por medição da corrente de ionização, isto é, a corrente passandoatravés da vela de ignição. Na prática, uma corrente de ionização apareceatravés da vela de ignição como se um resistor fosse temporariamentecolocado nos terminais dos eletrodos (de acordo com uma primeiraaproximação).
Para isto, os meios de medição ou sensores devem conseguiroperar em largura de banda muito estreita, por exemplo em torno de 7 kHz.
Um objetivo da invenção consiste em propor meios de mediçãoda corrente de polarização no caso de velas de ignição do tipo de estruturaressonante.
Outro objetivo da invenção consiste em propor meios de mediçãoque são precisos o suficiente para serem capazes de trabalhar na largura debanda de freqüência estreita desejada.
Para esta finalidade, a invenção propõe um método de mediçãode uma corrente de ionização de uma vela de ignição de estrutura ressonante,usada em um sistema de ignição para um veículo automotivo, em que, duranteuma fase de ignição, referida vela de ignição é alimentada por uma voltagemgerada usando um capacitor de controle previamente carregado.
De acordo com uma característica geral deste aspecto dainvenção, referida corrente de ionização é medida periodicamente, entre duasfases de ignição, entre referido capacitor de controle e o aterramento, após terpolarizado a vela de ignição.
Em outras palavras, em vez de medir a corrente de ionização navela de ignição, que é o que seria requerido para resolver o problema, estacorrente de ionização é medida diretamente em um capacitor de controle quealimenta a vela de ignição ao ser descarregado.
Consequentemente, a imprecisão da medição é minimizada.
De acordo com uma realização, a referida corrente de ionização émedida usando meios de medição conectados entre referido capacitor decontrole e aterramento, curto-circuitados durante fases de ignição.
Em outras palavras, os meios de medição são conectadossomente entre duas fases de ignição.
De acordo com outra forma de realização, a corrente de ionizaçãoé medida ao completar uma fase de amortecimento durante a qual a correntepassando através da vela de ignição diminui progressivamente.
De acordo com outro aspecto da invenção, propõe-se umdispositivo para medir uma corrente de ionização de uma vela de ignição deestrutura ressonante, usada em um sistema de ignição para um veículoautomotivo, referida vela de ignição sendo acoplada a um geradorcompreendendo um capacitor de controle.
De acordo com uma característica geral deste outro aspecto dainvenção, referido gerador também compreende meios de polarização capazesde polarizar a vela de ignição, conectados entre o gerador e referida vela deignição e meios de medição da corrente de ionização de referida vela deignição, conectados entre o capacitor de controle e aterramento.
Assim, porque os meios de medição são conectados entre ocapacitor de controle e aterramento e não diretamente nos terminais da vela deignição, é possível escolher um resistor de polarização para a vela de igniçãoque seja de valor baixo, apropriado para a intensidade da corrente deionização, que é geralmente menor do que 1 mA, e para uma banda defreqüência particular, por exemplo a banda de freqüência em que sãoobservados os fenômenos de detonação.
Preferivelmente5 o dispositivo pode também compreender meioscontroláveis de curto-circuito, capazes de curto-circuitar os meios demedição.
Por exemplo, os meios de medição podem compreender umresistor de medição.
De acordo com uma forma de realização, os meios de curto-circuito podem compreender um transistor de curto-circuito conectado entre ocapacitor de controle e aterramento, e controlado por um gerador de voltagemde curto-circuito, e uma fonte de alimentação de polarização conectada entreo resistor de medição e aterramento, e capaz de polarizar referido transistor decurto-circuito.
De acordo com uma forma de realização, a fonte de alimentaçãode polarização pode compreender, por um lado, um resistor de alimentação euma fonte de alimentação local conectados em série e, por outro lado, umcapacitor de alimentação conectado em paralelo ao resistor de alimentação e afonte de alimentação local, entre o resistor de medição e aterramento.
Outras características e vantagens da invenção se tornarãoevidentes a partir do estudo da descrição detalhada de uma realização dainvenção, de nenhum modo limitativa, e os desenhos anexos, em que:
- a figura 1 ilustra uma forma de realização da invenção,
- a figura 2 ilustra mais precisamente uma forma de realização dainvenção;
- a figura 3 representa em maiores detalhes um módulo de umaforma de realização da invenção;
- a figura 4 representa um cronograma de várias etapas de umaforma de realização da invenção;
- as figuras 5 e 6 representam formas de realização de outrobloco da invenção.
Na figura 1, a referência SYS representa um sistema de igniçãopara veículos automotivos compreendendo uma vela de ignição BR de tipo deestrutura ressonante, bem conhecida dos versados e descrita, por exemplo, nospedidos de patente FR 2 859 830, FR 2 589 869 e FR 2 859 831, em nome dorequerente.
Uma corrente de ionização Ii circula através da vela de ignição BR.
Mais especificamente, como ilustrado em diagrama na figura 1, avela de ignição BR compreende um conjunto ressonante RSl (chamadobobina de ignição), compreendendo uma bobina indutiva Ll e um capacitorCl, que, neste exemplo, compreende um conjunto de envoltório 1 - cerâmica2 - eletrodo central 3.
A vela de ignição BR é conectada a um gerador GEN capaz degerar uma voltagem de valor elevado chamada "voltagem intermediária". Estaalta voltagem é dirigida pelo eletrodo central 3 do capacitor Cl. Um arcoelétrico é produzido quando a corrente passa entre o eletrodo central 3 e umeletrodo de aterramento 4, gerando uma centelha 5.
A vela de ignição BR é conectada ao gerador GEN via umestágio DHT chamado "piloto de alta voltagem" conectado em série commeios de desacoplamento MDEC. Os meios de polarização da vela de igniçãoMPOL são conectados em paralelo ao piloto de alta voltagem DHT e aosmeios de desacoplamento MDEC.
O gerador GEN compreende meios de medição MMES capazesde medir a corrente de ionização Ii circulando através da vela de ignição BR.
Com referência à figura 2, esta figura ilustra, em maioresdetalhes, uma forma de realização dos blocos do sistema SYS de acordo coma invenção.
O gerador GEN pode ser produzido usando um conjunto devariação de voltagem do tipo "boost", de acordo com a expressão usada pelosversados na técnica.
O gerador GEN compreende uma fonte de alimentação Vbat5neste caso uma fonte de alimentação de 12 volts, capaz de carregar uma assimchamada bobina "reservatório" BRES conectada por um primeiro terminal blà fonte de alimentação Vbat. A carga da bobina BRES é controlada por umtransistor Ml conectado entre o outro terminal b2 da bobina BRES eaterramento. O transistor Ml é controlado por um gerador de voltagem GM1.
A bobina reservatório BRES é descarregada na parte do circuitoconectada a seu terminal b2, via um diodo retificador DR5 em uma voltagemmaior do que a da voltagem de 12 volts fornecida pela fonte de alimentaçãoVbat. Esta voltagem relativamente elevada é chamada "voltagemintermediária" Vint. Ela se situa em torno de 100 volts. De modo a manteresta voltagem intermediária Vint mais ou menos constante, o gerador GENcompreende um assim chamado capacitor de "lastro" Cb conectado à saída dodiodo do retificador DR.
O gerador GEN é ligado ao piloto de alta voltagem DHTalimentado pela voltagem intermediária Vint, e controlado por um sinal decontrole Scom pelos meios de controle MCOM.
O sinal de controle Scom diretamente se origina da criação e dageração de centelhas pela vela de ignição BR.
A figura 3 ilustra uma forma de realização exemplar do piloto dealta voltagem DHT.
Este compreende um sistema formado por uma bobina L2 ecapacitor C2 conectados em paralelo, recebendo a voltagem intermediáriaVint como entrada.O conjunto L-2C2 é ligado em sua saída a um transistor decontrole M5 recebendo, em seu eletrodo de controle, o sinal de controleScom.
O sinal de controle Scom corresponde a um trem-de-pulsos,gerados periodicamente.
Assim, em cada trem-de-pulsos, o transistor M5 carrega a bobinaL2, que ressona com o capacitor C2 e o conjunto ressonante RS1, de modo aproduzir pulsos de alta voltagem na freqüência natural da vela de ignição BR.
Quando o conjunto ressonante RSl é excitado em sua freqüêncianatural, e seu fator de qualidade é elevado (por exemplo, maior do que 40), oresultado é uma voltagem muito alta nos terminais do capacitor Cl. Oeletrodo central da vela de ignição BR, que é um dos terminais do capacitorCl, é então elevado a uma voltagem muito alta capaz de desencadearcentelhas.
Referência é feita novamente à figura 2.
A excitação gerada pelo piloto de alta voltagem DHT étransmitida para a estrutura ressonante RSl da vela de ignição BR via meiosde desacoplamento MDEC, neste caso um capacitor de desacoplamento Cd.
O capacitor de desacoplamento Cd evita a ligação contínua entrea voltagem intermediária Vint e o eletrodo central da vela de ignição 3. Estaquebra na ligação torna possível evitar choques elétricos ou eletrocussões paraas pessoas.
Além disso, se uma descarga de tipo de "arco elétrico" fossecomeçar, isto iria resultar em uma destruição rápida dos eletrodos, emparticular do eletrodo central 3. De fato, se uma centelha com umacondutividade suficientemente forte fosse criada entre o eletrodo central eaterramento, a queda de voltagem gerada poderia cair abaixo da voltagemintermediária Vint. Todas as cargas acumuladas no capacitor Cd são entãotransferidas na ligação criada pela centelha. Esta transferência de cargas érealizada com altas correntes que podem danificar o eletrodo central 3.
A função do capacitor de desacoplamento Cd consiste em evitareste tipo de transferência de carga.
Como uma variante, o gerador pode ser um transformador, dotipo elevador, que evita a transferência de corrente contínua. Neste caso, o usode um capacitor de desacoplamento não é mais necessário.
De modo a ser capaz de medir a corrente de ionização, meios depolarização MPOL são usados para manter uma polarização preferivelmentepositiva após a geração da centelha, no eletrodo central 3 da vela de igniçãoBR.
Convencionalmente, os meios de polarização MPOL podem serformados por um resistor Rpol conectado entre a saída do diodo doretificador DR fornecendo a voltagem intermediária Vint e a saída dos meiosde desacoplamento MDEC, neste caso o capacitor Cd.
Uma solução simples para então medir a corrente de ionizaçãoseria conectar aos terminais do resistor de polarização Rpol um conjuntocapaz de dividir o valor da voltagem, converter o valor da voltagemcorretamente dividida em corrente e então medir a mesma.
Estas montagens convencionais que são bem conhecidas dosversados na técnica podem ser produzidas usando um amplificador diferencialcom transistor discreto, ou um amplificador operacional, ou mesmo usandouma montagem usando espelhos de corrente. No entanto, estas montagens,incluindo um divisor de voltagem, reduzem a precisão necessária para umamedição de uma corrente de ionização muito fraca.
Diferente destas soluções, a invenção envolve usar um resistor depolarização com um valor baixo de modo a reter um máximo de precisão namedição da corrente de ionização, e acoplar os meios de medição, não aosterminais do resistor de polarização Rpol, mas entre o capacitor Cb eaterramento, dentro do gerador GEN.
Estes meios de medição MMES compreendem um resistor demedição Rm e um terminal de medição Bm onde a corrente de ionização émedida.
Além disso, estes meios de medição MMES são associados commeios de curto-circuito MCC compreendendo um comutador INT conectadoem paralelo ao resistor de medição Rm5 este comutador INT sendo controladopor um gerador de curto-circuito GCC.
O comutador é preferivelmente rápido e de impedância muitobaixa.
A figura 4 ilustra as várias etapas de um modo de operação dainvenção, durante um período T.
No instante tO, o transistor Ml se torna passando e permite que ocapacitor Cb seja carregado.
Em um instante tl, o sinal de controle Scom controla o transistorM5, usando um sinal de controle pulsado (o pulso estando, por exemplo, nafreqüência de 5 MHz), disparando a fase de ignição apropriada, e a geração decentelhas pela vela de ignição BR. No instante T2, o sinal de controle se tornainativo mais uma vez.
Durante uma fase de amortecimento (entre t2 e t3), a corrente deignição (tendo uma alta amplitude) é natural e progressivamente atenuadadentro da vela de ignição BR, devido à existência de resistências espúrias.
Entre os instantes tO e t3, os meios de curto-circuito são ativos ecurta-circuitam o resistor de medição. Consequentemente, o capacitor Cb éconectado entre o diodo do retificador DR e aterramento.
No instante t3, o transistor M2 torna os meios de curto-circuitoinativos, e o capacitor Cb é então descarregado através do resistor de mediçãoRm. A corrente de descarga do capacitor Cb corresponde à corrente deionização que circula através do resistor Rpol, na vela de ignição BR5 entãona mistura de combustão.
O valor da corrente de ionização é então medido no terminal demedição Bm.
A fase de medição termina em um instante t4, e em um instantet5 outro ciclo de carga, ignição e medição é repetido.
A figura 5 representa uma forma de realização do comutadorINT. Neste exemplo, o comutador controlável é implementado por umtransistor, neste caso de tipo MOS, M2, cujo eletrodo de controle é conectadoao gerador GCC. A fim de contrabalançar o efeito do diodo estrutural dotransistor MOS M2, uma polarização é introduzida usando uma fonte dealimentação de polarização Apol conectada entre o resistor de medição Rm eaterramento.
Na figura 6, uma forma de realização desta fonte alimentação depolarização Apol é representada.
Neste exemplo, a fonte alimentação de polarização Apolcompreende um capacitor Cal ligado a uma fonte de alimentação local Alocvia um resistor de alimentação Ral. A fonte de alimentação local Aloc pode,por exemplo, ser uma voltagem de bateria ou fonte de alimentação de 5 volts.
Os versados na arte saberão como dimensionar os componentesusados, de modo a conhecer a voltagem Val nos terminais do capacitor Cal. Apartir deste valor de voltagem Vai, a corrente de ionização Ii pode serdeduzida pela relação:
Ii = (voltagem_Apol - voltagem_Bm)/Rm
A invenção torna, assim, possível medir a ionização com muitaprecisão e dentro de uma faixa de freqüência bem definida, por exemploapropriada para detectar os fenômenos de detonação.
Claims (8)
1. Método para medir uma corrente de ionização de uma vela deignição de estrutura ressonante, usada em um sistema de ignição para umveículo automotivo, em que, durante uma fase de ignição, a referida vela deignição (BR) é alimentada por uma voltagem gerada usando um capacitor decontrole previamente carregado (Cb), caracterizado pelo fato de que referidacorrente de ionização (Ii) é medida periodicamente, entre duas fases deignição, entre referido capacitor de controle (Cb) e o aterramento, após terpolarizado a vela de ignição (BR).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que referida corrente de ionização é medida usando meios de mediçãoconectados entre referido capacitor de controle (Cb) e aterramento, curto-circuitados durante as fases de ignição.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a corrente de ionização é medida ao completar uma fase deamortecimento durante a qual a corrente passando através da vela de igniçãodiminui progressivamente.
4. Dispositivo para medir uma corrente de ionização de uma velade ignição de estrutura ressonante, usado em um sistema de ignição para umveículo automotivo, a referida vela de ignição (BR) sendo acoplada a umgerador (GEN) compreendendo um capacitor de controle, caracterizado pelofato de que referido gerador também compreende meios de polarização(MPOL) capazes de polarizar a vela de ignição (BR), conectados entre ogerador (GEN) e a referida vela de ignição (BR) e meios (MMES) de medir acorrente de ionização da referida vela de ignição (BR), conectados entre ocapacitor de controle (Cb) e aterramento.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de também compreender meios de curto-circuito (MCC)controláveis capazes de curto-circuitar os meios de medição (MMES).
6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que referidos meios de medição (MMES) compreendem umresistor de medição (Rm).
7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5 ou 6,caracterizado pelo fato de que os meios de curto-circuito (MCC)compreendem um transistor de curto-circuito (M2) conectado entre ocapacitor de controle (Cb) e aterramento, e controlados por um gerador devoltagem de curto-circuito (GCC) e uma fonte de alimentação de polarização(Apol) conectada entre o resistor de medição (Rm) e aterramento, e capaz depolarizar referido transistor de curto-circuito.
8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopelo fato de que a fonte de alimentação de polarização compreende, de umlado, um resistor de alimentação (Ral) e uma fonte de alimentação local(Aloc) conectados em série e, por outro lado, um capacitor de alimentação(Cal) conectado em paralelo ao resistor de alimentação (Ral) e a fonte dealimentação local (Aloc), entre o resistor de medição (Rm) e aterramento.
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