Régulateur électronique d'étincelle électrique d'allumage pour moteur à explosions
La présente invention concerne un régulateur électronique d'étincelle électrique d'allumage pour moteur à explosion, destiné à être placé en série dans le circuit primaire de la bobine élévatrice de tension du dispositif d'allumage de ce moteur.
On connaît un certain nombre de régulateurs d'allumage pour moteur à explosion qui, pour la plupart, sont destinés à être connectés en parallèle avec l'organe rupteur (vis platinée) ou avec l'ensemble formé par le circuit primaire de la bobine élévatrice de tension et le dispositif rupteur, lui-même shunté par un condensateur.
Certains régulateurs connus comportent trois con ne:rions, une connexion de masse, une connexion qui dot être reliée à l'accumulateur par l'intermédiaire de la clé de contact et une troisième connexion qui doit être reliée au primaire de la bobine élévatrice de tension. Ces régulateurs présentent l'important désavantage de ne pas pouvoir être utilisés aussi bien avec des moteurs dont l'accumulateur a son pôle négatif relié à la masse qu'avec des moteurs dont l'accumulateur a son pôle positif relié à la masse. De plus, la plupart de ces régulateurs sont coûteux et compliqués sans pour autant qu'aucun ne donne entière satisfaction.
On a également proposé des régulateurs destinés à être branctllés en série dans le circuit primaire de la bobine élévatrice de tension, régulateurs ne comportant donc que deux bornes de connexion entre lesquelles était disposé au moins un composant à caractéristique tensioncourant non linéaire, comme par exemple une diode.
Ces dispositifs avaient l'avantage de pouvoir convenir aussi bien aux moteurs dont l'accumulateur était relié à la masse par son pôle négatif qu'aux moteurs dont l'accumulateur était relié à la masse par son pôle positif il suffisait selon le type de branchement d'inverser les connexions de ce régulateur série. Cependant aucun régulateur de ce type antérieurement proposé n'a donné satisfaction notamment du fait qu'ils introduisaient une impédance supplémentaire néfaste dans le circuit primaire de la bobine élévatrice de tension, ou du fait qu'ils ne modifiaient pas notablement dans le sens d'une amélioration les conditions de fonctionnement du dispositif d'allumage.
Le but de la présente invention est de fournir un régulateur électronique d'étincelle électrique d'allumage pour moteur à explosions ne présentant pas les inconvénients susmentionnés et répondant mieux que les dispositifs antérieurement connus aux exigences de ce domaine de la technique. Conformément à l'invention le régulateur électronique d'étincelle électrique d'allumage pour moteur à explosion destiné à être placé en série dans le circuit primaire de la bobine élévatrice de tension du dispositif d'allumage de ce moteur, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément électrodisruptif.
Le dessin annexé présente à titre d'exemple une forme d'exécution du régulateur selon l'invention, et illustre le fonctionnement d'un dispositif d'allumage muni de ce régulateur comparativement au fonctionnement d'un dispositif d'allumage non muni de ce régulateur.
La fig. 1 est un schéma représentant le régulateur monté dans un dispositif d'allumage de moteur à explosion.
La fig. 2 montre la courbe idéale à laquelle devrait correspondre la tension aux bornes du primaire de la bobine élévatrice de tension.
La fig. 3 montre la courbe idéale à laquelle devraient correspondre les impulsions de haute tension sur le secondaire de la bobine élévatrice de tension.
La fig. 4 représente la courbe réelle de la tension aux bornes du primaire de la bobine élévatrice de tension dans le cas (courbe a) où le dispositif d'allumage n'est pas muni d'un régulateur et dans le cas (courbe b) où le dispositif d'allumage est muni d'un régulateur comme illustré à la fig. 1, et
la fig. 5 représente la courbe de relevé en photométrie 4fAynamique de l'étincelle provoquée par le dispositif rialluma3e dans le cas (courbe a) où ce dispositif n'est *s muni d'un régulateur et dans le cas (courbe b) où ce s positif est muni d'un régulateur comme illustré à la gui 1.
Sur la fig. 1, qui représente un dispositif d'allumage
pour moteur à explosion muni d'un régulateur, on voit
un accumulateur 1 alimentant par l'intermédiaire d'un
contact à clé 2 et d'un régulateur 10 le primaire d'une
bobine élévatrice de tension 3 en série avec un contact
rupteur 4 (vis platinée) lui-même shunté par un conden
sateur 5. On voit que la tension secondaire de la bobine
élévatrice de tension fournie sur un conducteur 9 est
amenée à un distributeur 6 alimentant des bougies d'allu
mage 7. Ce dispositif est en lui-même connu à l'exception
du régulateur 10 qui fera l'objet de la description ci
après.
Avant de décrire le fonctionnement de ce régulateur
10 il est important de considérer les deux fig. 2 et 3 qui
représentent les courbes idéales de tension primaire et
secondaire que l'on devrait avoir aux bornes de la bobi
ne élévatrice de tension 3. En admettant que le contact
rupteur 4 fonctionne d'une manière parfaite et instanta
née, la tension aux bornes de l'enroulement primaire de
la bobine 3 devrait avoir la forme de créneaux représen
tés à la fig. 2. Si tel était le cas la tension secondaire,
très élevée, que devrait fournir la bobine élévatrice de
tension devrait correspondre à ce que montre la fig. 3.
Il faut bien comprendre que les tensions représentées à la
fig. 3 ne sont pas à l'échelle car elles sont de l'ordre d'un
millier de fois plus grandes que les tensions représentées
à la fig. 2. D'autre part la largeur des impulsions repré
sentées à la fig. 3 correspond respectivement au temps
d'établissement et au temps de disparition du courant
établi dans le primaire de la bobine par la tension repré
sentée à la fig. 2. L'amplitude des impulsions de la fig. 3
est théoriquement proportionnelle à la raideur de flanc
de la courbe du courant qui serait établi dans le primaire
de la bobine 3 par une tension évoluant comme le mon
tre la fig. 2.
Le fait que sur la fig. 3 les impulsions posi
tives sont plus courtes que les impulsions négatives mon
tre bien que la raideur de flanc de l'établissement de
ce courant au moment où la tension est établie par le
contact 4 est plus faible que la raideur de flanc de la
disparition de ce courant au moment où le circuit est
coupé par le contact 4.
I1 y a lieu cependant de considérer que dans un dis
positif d'allumage pratique rien ne se passe de la manière
idéale représentée aux fig. 2 et 3. En effet, dans la si
tuation où le rupteur 4 est ouvert, l'enroulement primaire
de la bobine 3 et le condensateur 5 constituent un circuit
oscillant série qui, au moment de la rupture du contact 4,
va être le siège d'une série d'oscillations relativement
amorties. D'autre part lors de l'établissement du con
tact il faut tenir compte premièrement des rebondisse
ments possibles (et toujours présents à l'échelle des
microsecondes) du contact 4, et il faut tenir compte éga
lement du fait que la bobine 3, avec son enroulement se
condaire élévateur de tension, constitue une impédance
inductive complexe.
Si le couplage était parfait entre les
enroulements primaires et secondaires de la bobine élé
vatrice de tension 3, c'est-à-dire s'il n'y avait aucun flux
de fuite, cette bobine se comporterait, compte tenu de la
capacité répartie de ses enroulements, et notamment de
son enroulement secondaire, et compte tenu également de la capacité constituée par les conducteurs à haute tension, capacité qui, par rapport au primaire de la bobine 3, est à multiplier par le carré du rapport de transformation (de l'ordre de 1000), à la manière d'un circuit oscillant parallèle.
Cela signifierait que, tout au moins lors de l'établissement du courant, c'est-à-dire à la fermeture du contact 4, le courant ne pourrait jamais, lors des éventuelles oscillations d'établissement, prendre une valeur négative, c'est-à-dire circuler dans le sens contraire à celui qui est donné par la polarité de l'accumulateur. 1l se trouve cependant qu'une bobine élévatrice de tension n'est jamais exempte de flux de fuite et qu'elle a donc n schéma équivalent qui présente une certaine inductance en série entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire, inductance due au flux de fuite et qui, avec la capacité répartie et la capacité du circuit à haute tension, forme un circuit ayant des points de résonance du type série.
L'explication susmentionnée est du reste encore sommaire et une analyse complète montrerait qu'une bobine élévatrice de tension comme la bobine 3 constitue en fait une impédance présentant plusieurs points de résonance série et également plusieurs points de résonance parallèle. Il résulte de ceci que déjà lors de l'établissement du courant, et même s'il n'y avait pas de rebondissement du contact 4, des oscillations d'établissement tendraient à se produire et à atteindre une valeur telle qu'en certains moments le courant circulerait en sens inverse dans le primaire de la bobine 3. A plus forte raison en tenant compte des rebondissements du contact 4, on reconnaît que sans la présence d'un dispositif particulier, le courant aura tendance à s'inverser durant quelques portions d'oscillation lors de son établissement.
Lors de la rupture du courant il apparaît même sans étude particulière que l'on a un circuit série formé de la bobine 3 et du condensateur 5, et que le courant, après avoir décrû jusqu'à une valeur nulle, aura tendance à s'inverser sous l'effet de la charge du condensateur 5.
La courbe a de la fig. 4 illustre la manière dont la tension aux bornes de l'enroulement primaire de la bobine 3 évolue lors de l'établissement et de la rupture du contact 4. On voit sur la courbe a de la fig. 4 que dès que le contact s'est établi, la tension monte et ne redescend plus au-dessous de la valeur 0 tant que le contact n'a pas à nouveau été rompu. Le courant par contre aurait tendance à s inverser durant les périodes d'oscillations qui suivent l'établissement du contact.
Le régulateur 10 introduit en série avec le primaire de la bobine 3 un élément électrodisruptif dont le premier effet serait de fonctionner comme une diode empêchant la circulation du courant en sens inverse. C'est en partie, mais seulement en partie, à ce premier effet que l'on peut attribuer l'allure de la courbe b de la fig. 4 qui représente la tension aux bornes de l'enroulement primaire de la bobine 3 lorsque le régulateur 10 est monté en série avec cet enroulement primaire. On voit que les oscillations que l'on avait lors de l'établissement du contact se trouvent pratiquement coupées par l'action du régulateur, sans doute par le fait qu'une résistance importante est appliquée en série avec le primaire dès que le courant a tendance à passer en sens inverse.
Lors de la rupture du contact 4, la courbe a de la fig. 4 montre que l'on avait des oscillations d'une amplitude notable tant que le régulateur 10 n'était pas monté en série avec le primaire de la bobine 3, et la courbe b de la fig. 4 montre que ces oscillations ont pratiquement disparu dès que le régulateur 10 a été branché. Comme pour les oscillations qui se produisaient lors de l'établissement du contact, ces oscillations tendant à se produire lors de la rupture du contact se trouvent vraisemblablement et rapidement amorties par la résistance inverse de l'élément électrodisruptif que comprend le régulateur 10.
La fonction de l'élément électrodisruptif du régulateur 10 consistant à empêcher le passage d'un courant inverse n'est cependant pas la seule fonction et même pas la fonction essentielle de cet élément électrodisruptif.
Si c'était là l'unique fonction de cet élément on pourrait tout aussi bien le remplacer par une simple diode, chose qui ne donne aucun résultat intéressant.
Il y a lieu de considérer la manière dont l'élément électrodisruptif contenu dans le régulateur 10, à savoir un thyristor devient conducteur à l'instant où on lui applique une tension. I1 faut revenir pour cela à la fig. 1.
on y voit que l'électrode de déclenchement du thyristor (gate) est connectée à l'anode de ce thyristor par l'intermédiaire d'une branche de circuit qui comporte en série les deux résistances Rt et R2-. un condensateur électrolytique C1 étant branché en parallèle avec la résistance R2. I1 faut remarquer ici que les polarités et les dénominations d'anode et de cathode correspondant à ce qui est représenté à la fig. 1, sont valables dans le cas où l'on a monté un thyristor (ou diode commandée Dcomm) ayant la cathode pour électrode principale de référence,
c'est-à-dire un thyristor qui s'enclenche lorsqu'un certain potentiel existe entre la gate et la cathode (il existe d'autres thyristors avec lesquels le montage cidécrit pourrait tout aussi bien être réalisé et qui ont une gate travaillant contre l'anode).
Tant qu'aucun potentiel n'est appliqué entre la gate et la cathode du thyristor, celui-ci reste bloqué (la tension anode-cathode qui serait susceptible de l'allumer étant énormément supérieure à la tension que peut fournir l'accumulateur). Dès qu'une tension se trouve établie entre la gate et la cathode, le thyristor devient conducteur et est alors pratiquement l'égal d'un court-circuit.
On voit que, par l'intermédiaire des résistances R1 et R2, la tension d'anode est amenée sur la gate. Cependant la gate doit avoir par rapport à la cathode un potentiel d'allumage minimum et doit également faire passer sous ce potentiel un courant d'allumage très faible mais pas absolument nul. Ainsi donc déjà si l'on n'avait pas le condensateur C1. des valeurs très grandes des résistances R1 et R2 pourraient conduire à ce que le thyristor ne devienne conducteur que lorsque la tension anode-cathode a atteint une certaine valeur qui pourrait être de l'ordre de plusieurs volts. On a cependant intérêt à ne pas donner aux résistances R1 et R2 des valeurs très élevées et à prévoir, en parallèle avec la résistance R2, le condensateur C1. Dès que ce condensateur C1 est en place.
la fonction d'allumage du thyristor se trouve affectée de la manière suivante: lors des quelques premiers établissements de contact produits par le contact rupteur 4, le condensateur C1 n'est pas encore chargé et agit pratiquement à la manière d'un court-circuit, c'est-à-dire que le courant de déclenchement du thyristor passe depuis la connexion reliée à l'anode à travers la résistance
R1, le condensateur C1, puis le tronçon gate-cathode du thyristor.
Si l'on admet que, du fait de la résistance non nulle des différents composants et conducteurs, et du fait également que le condensateur 5 ne peut pas se décharger en un temps infiniment court lors de la fermeture du contact 4, le saut de tension ne peut pas être absolument instantané, on se rend compte que la tension aux bornes du thyristor ne croît pas d'une manière absolument brusque mais d'une manière progressive (bien que ne durant peut-être que quelques microsecondes). Lorsque le condensateur C1 est encore décharge, le thyristor devient conducteur dès que la tension à ses bornes atteint l'ordre d'une fraction de volt.
Par contre lorsqu'un certain courant est déjà venu charger le condensateur C1 lors de quelques périodes de fonctionnement antérieures, une tension antagoniste se trouve appliquée dans le circuit de déclenchement du thyristor. C'est donc seulement lorsque la tension aux bornes de ce thyristor atteint une certaine valeur que celui-ci devient conducteur mais par contre dès qu'il est devenu conducteur sa tension devient extrêmement faible, de l'ordre d'une fraction de volt, et l'on a un saut de tension extrêmement brusque qui se transmet au primaire de la bobine d'induction. Dès l'instant où le thyristor est conducteur, le condensateur C1 peut théoriquement se décharger non plus seulement à travers la résistance R mais également à travers la résistance Rt et le thyristor.
C'est la raison pour laquelle il est avantageux d'avoir la résistance R1 branchée en série avec l'ensemble parallèle de la résistance R2 et du condensateur C si la résistance R1 n'existait pas, c'est-à-dire était remplacée par un court-circuit, le condensateur Cl se déchargerait beaucoup plus vite et l'effet précédemment décrit serait grandement affaibli.
Ce n'est cependant pas en fin de compte l'établissement du courant dans le primaire de la bobine élévatrice de tension 3 qui est déterminant pour l'allumage électrique dans les bougies du moteur, mais c'est avant tout les phénomènes qui se passent à la rupture par le contact 4 du circuit primaire de la bobine 3. Il ne faut cependant pas négliger le fait que. aux grandes vitesses du moteur, le courant a à peine le temps de s'établir dans la bobine qu'il est déjà coupé par le rupteur. Cela signifie qu'un établissement prompt et correct du courant dans la bobine sera également apte à améliorer l'évolution de la tension d'allumage fournie par cette bobine.
Lors de la rupture l'effet précédemment décrit et qui est particulier aux branchements ci-décrits du transistor, se produit également en ce sens que. lorsque au cours d'une alternance de l'oscillation qui se produit à la rupture du courant, la caractéristique de conduction unidirec tonnelle du thyristor a empêché le courant de passer en sens inverse dans le circuit primaire de la bobine 3, la suite de l'évolution de l'oscillation amène à nouveau aux bornes du thyristor une tension dans le sens passant et tend à rétablir le courant primaire dans la bobine 3 dans le sens correspondant à la polarité de l'accumu- lateur.
Avec un régulateur qui comprenait une simple diode en lieu et place du thyristor, ce courant pourrait se mettre immédiatement à circuler dès que la tension aux bornes de cette diode se serait établie dans le sens passant. Avec le montage décrit ci-dessus, le courant ne peut pas s'établir avant que la tension n'ait dépassé le seuil établi par la tension qui charge le condensateur C1.
C'est dire que le courant ne peut pratiquement plus s'établir dans le circuit primaire une fois qu'il a été interrompu, malgré le fait que la présence du condensateur 5 autoriserait ou même plus exactement tendrait à provoquer le passage d'un courant oscillatoire dans cet enroulement primaire. Le fait qu'aucun courant primaire ne peut plus circuler dans la bobine dès l'instant où le contact rupteur 4 a rompu ce circuit, évite tout amortissement de l'énergie emmagasinée dans la bobine par le circuit primaire.
En l'absence d'un régulateur ou même avec un régulateur constitué par une simple diode, une partie de l'énergie magnétiquement emmagasinée dans la bobine se dissipe, lors de la rupture du contact 4, en traversant le circuit primaire et notamment l'accumulateur qui, pour les oscillations à fréquence relativement élevée, est loin de présenter une résistance très faible. Toute l'énergie ainsi dissipée est perdue pour l'allumage alors que, avec un régulateur comme le régulateur 10 représenté à la fig. 1 toute l'énergie qui était emmagasinée dans la bobine doit se dissiper dans le circuit secondaire, c'est-à-dire doit participer à l'étincelle d'allumage du moteur.
Les considérations qui précèdent sont confirmées par l'allure des courbes a et b de la fig. 4, notamment dans la partie qui correspond à la rupture du circuit primaire de la bobine 3 (impulsion négative), cette courbe b de la fig. 4 montrant clairement que, lors de la rupture, on n'a pratiquement plus aucune oscillation et en tous les cas pratiquement plus de tension correspondant à l'alternance positive de l'oscillation qui tendait à s'établir dans courbe a de la fig. 4. On voit donc que, comme le montre la courbe b de la fig. 4, la présence du régulateur 10 en série dans le circuit primaire de la bobine élévatrice de tension 3 améliore d'une manière tout à fait notable l'évolution de la tension aux bornes de la bobine d'allumage.
Il y a lieu de noter encore que, du fait que le régulateur 10 est un simple élément à deux connexions exté- rieures à brancher en série avec le primaire de la bobine 3, on pourrait tout aussi bien selon le cas le brancher entre cette bobine 3 et le contact rupteur 4, d'autre part, dans le cas où l'on aurait un moteur dont l'accumulateur serait relié à la masse par son pôle positif, il suffirait d'employer exactement le même régulateur 10, mais en le montant dans le sens inverse, c'est-à-dire la borne négative en direction de la batterie (ou de la clé de contact) et la borne positive en direction de la bobine 3.
Il serait même également possible de brancher le régula- teur 10 entre la borne de la batterie non reliée à la masse et la clé de contact 2, pour autant que celle-ci dispose de contacts séparés pour le circuit d'allumage et pour les autres circuits (essuie-glace, feu de stop, etc.) que la clé de contact doit également couper.
Il serait naturellement tout aussi possible de remplacer l'ensemble de la résistance Ro et du condensateur C1 par un élément à tension antagoniste interne comme par exemple une diode zener. Le circuit représenté à la fig. 1 avec le condensateur C1 a cependant le très grand avantage d'être auto-adaptant, c'est-à-dire que si la tension de l'accumulateur est plus grande ou plus faible, la tension antagoniste que, toute autre condition étant égale, le condensateur C1 prendra, sera toujours dans le même rapport aves la tension de l'accumulateur. Il sera même possible d'utiliser un même régulateur 10 pour différentes tensions d'accumulateur, 6 volts, 12 volts, 24 volts, éventuellement 4S volts.
Il se pourra toutefois que des questions d'intensité de courant et d'encombrement fassent préférer l'emploi d'un régulateur spécifiquement adapté à la tension de l'accumulateur alimentant le moteur.
Il reste à parler des deux courbes de la fig. 5. Ces courbes ont été obtenues par photométrie dynamique, un transducteur optique électrique à réponse instantanée ayant été branché aux bornes d'entrée d'un oscillograpille pour relever les courbes a et b de la fig. 5. Les valeurs dirigees vers le bas des courbes de la fig. 5 sont donc des valeurs d'intensité lumineuse et il pourrait paraître incorrect d'avoir des points de ces courbes dirigés de l'autre côté de l'axe 0, comme si l'on pouvait avoir des valeurs d'intensité lumineuse négatives; il s'agit là simplement d'une conséquence de la caractéristique non suffisamment linéaire de l'oscillographe sur lequel ces courbes ont été relevées.
En fait les parties de la courbe a de la fig. 5 qui se situent au-dessus de la ligne 0 correspondent à des valeurs d'intensité lumineuse très faibles mais qui ne sauraient en aucun cas être négatives.
Mise à part cette réserve ayant trait à la manière dont les courbes a et b de la fig. 5 ont été relevées, cette figure montre clairement que, dans le cas d'un dispositif d'allumage fonctionnant sans régulateur, les étincelles obtenues, dont l'intensité dépend de la puissance électrique dissipée dans l'arc et donc finalement de la tension induite dans la bobine élévatrice de tension, sont très variables d'une étincelle à l'autre par contre, lorsque le dispositif est muni du régulateur 10 comme illustré à la fig. 1, la courbe b de la fig. 5 montre que les étincelles ont toutes approximativement la même intensité, ce qui signifie que la tension induite dans le secondaire de la bobine 3 lors de la rupture du contact 4 est pratiquement toujours la même.
Cette courbe b de la fig. 5 montre que durant l'étincelle il n'y a pratiquement pas de variation rapide d'intensité comme cela était le cas sans le régulateur 10, mais que la courbe de l'intensité de crête de l'étincelle suit par contre une évolution approximativement exponentielle.
L'utilisation du régulateur 10 illustré à la fig. 1, conduit non seulement à une amélioration de l'étincelle d'allumage, notamment dans le sens d'une beaucoup plus grande régularité de celle-ci et d'un maintien de celle-ci à valeur élevée même lorsque le contact rupture 4 fonctionne très rapidement, c'est-à-dire lorsque le moteur tourne à un régime élevé, mais également à une économie d'environ 10 % sur la valeur du courant d'ali- mentation du dispositif d'allumage, chose qui n'est pas négligeable en particulier quant au risque de surchauffer la bobine lorsque la clé de contact est enclenchée et que le contact rupteur 4 est fermé alors que le moteur ne tourne pas.
On a constaté encore que la constante de temps formée par le condensateur Ct et la résistance R de même que la constante de temps formée par le condensateur C1 et l'ensemble des deux résistances Rt et R2 pouvait, pour obtenir une efficacité maximum, être adaptée à la fréquence approximative à laquelle le rupteur fonctionne, c'est-à-dire au nombre de tours du moteur auquel le régulateur est destiné.
Si la résistance Rj est approximativement égale à la résistance R., la constante de temps de décharge à travers les deux résistances est approximativement la moitié de la constante de temps de décharge à travers la seule résistance R2, les caractéristiques du thyristor établissent, de par les résistances additionnelles qu'elles ajoutent, une valeur moyenne entre ces deux constantes de temps. On a constaté qu'avec une résistance R1 égale à la résistance R2, et avec une constante de temps C1R2 ne dépassant pas environ 25 millisecondes, on avait des valeurs favorables pour un moteur d'automobile tournant relativement lentement.
A titre d'exemple on peut citer des valeurs de 220 Ohms pour Rl et R2 et 100 microfarads pour C. Pour des moteurs tournant relativement rapidement on a constaté qu'on avait avantage à diminuer la valeur de C1, des résultats favorables sont obtenus avec des valeurs de C1 pouvant descendre jusqu'à quelques microfarads, la valeur de R1 et de Ra restant approximativement de 220 Ohms.
On a constaté notamment qu'une voiture qui dans des conditions données ne pouvait pas atteindre une vitesse supérieure à 90kmlh lorsque le dispositif d'allumage de son moteur n'était pas muni d'un régulateur a pu dans les mêmes conditions atteindre Il0kmlh après que le dispositif d'allumage de son moteur a été muni d'un régulateur comme illustré à la fig. 1.
Notons encore que l'on pourrait fort bien remplacer le thyristor illustré à la fig. 1 par un élément composite formé par exemple de deux transistors complémentaires connectés de telle manière que la base du premier soit reliée au collecteur du second et que la base du second soit reliée au collecteur du premier, les deux émetteurs constituant respectivement selon leur polarité l'anode et la cathode de l'élément, et la base de l'un des transistors constituant l'électrode de déclenchement (gate) travaillant contre l'anode ou contre la cathode suivant qu'il s'agit de la base du transistor PNP ou de la base du transistor NPN.
Il serait également pensable d'utiliser un élément électrodisruptif non commandé par une électrode de déclenchement, comme par exemple une diode tunnel, pour autant qu'un tel élément puisse être fabriqué pour supporter le courant, la tension et la puissance qui se présentent dans le cas du régulateur. Pour des régulateurs destinés à des dispositifs d'allumage pour des moteurs ayant une batterie à tension relativement élevée, par exemple 48 volts, il serait également envisageable de choisir un élément électrodisruptif autre qu'un thyristor ou un ensemble de semi-conducteurs, ayant une tension résiduelle notablement plus élevée que l'ordre de 1 volt.
Remarquons qu'il serait tout à fait possible également de réaliser le régulateur sous forme de circuit intégré, c'est-à-dire sous forme d'un seul élément du format d'un thyristor qui engloberait encore en plus des jonctions et des connexions du thyristor les deux résistances
R1 et R2 et le condensateur Cul .
Electronic spark ignition regulator for internal combustion engines
The present invention relates to an electronic electric spark ignition regulator for an internal combustion engine, intended to be placed in series in the primary circuit of the voltage raising coil of the ignition device of this engine.
A certain number of ignition regulators for internal combustion engines are known which, for the most part, are intended to be connected in parallel with the breaker member (platinum-plated screw) or with the assembly formed by the primary circuit of the lifting coil. voltage and the breaker device, itself shunted by a capacitor.
Certain known regulators have three connections: a ground connection, a connection which must be linked to the accumulator by means of the ignition key and a third connection which must be connected to the primary of the voltage boosting coil. . These regulators have the major disadvantage of not being able to be used equally well with engines whose accumulator has its negative pole connected to the mass as with engines whose accumulator has its positive pole connected to the mass. In addition, most of these regulators are expensive and complicated, but none of them are entirely satisfactory.
Regulators have also been proposed which are intended to be connected in series in the primary circuit of the voltage step-up coil, regulators therefore comprising only two connection terminals between which at least one component with a non-linear voltage characteristic, such as for example a diode.
These devices had the advantage of being able to suit both engines whose accumulator was connected to the mass by its negative pole as well as to engines whose accumulator was connected to the mass by its positive pole it was sufficient according to the type of connection. reverse the connections of this series regulator. However, no regulator of this type previously proposed has given satisfaction, in particular due to the fact that they introduced a harmful additional impedance into the primary circuit of the voltage boosting coil, or due to the fact that they did not significantly modify in the direction of an improvement in the operating conditions of the ignition device.
The aim of the present invention is to provide an electronic electronic spark ignition regulator for an explosion engine which does not have the aforementioned drawbacks and which meets the requirements of this field of the art better than the previously known devices. According to the invention, the electronic electric spark ignition regulator for internal combustion engines intended to be placed in series in the primary circuit of the voltage raising coil of the ignition device of this engine, is characterized in that it comprises at least one electrodisruptive element.
The appended drawing shows by way of example an embodiment of the regulator according to the invention, and illustrates the operation of an ignition device provided with this regulator compared to the operation of an ignition device not provided with this regulator. regulator.
Fig. 1 is a diagram showing the regulator mounted in an ignition device of an internal combustion engine.
Fig. 2 shows the ideal curve to which the voltage at the terminals of the primary of the step-up coil should correspond.
Fig. 3 shows the ideal curve to which the high voltage pulses on the secondary of the step-up coil should correspond.
Fig. 4 represents the real curve of the voltage at the terminals of the primary of the voltage step-up coil in the case (curve a) where the ignition device is not fitted with a regulator and in the case (curve b) where the ignition device is fitted with a regulator as shown in fig. 1, and
fig. 5 represents the reading curve in photometry 4fAynamics of the spark caused by the rialluma3e device in the case (curve a) where this device is not fitted with a regulator and in the case (curve b) where this s positive is fitted with a regulator as shown in gui 1.
In fig. 1, which represents an ignition device
for internal combustion engine fitted with a regulator, we see
an accumulator 1 supplying power via a
key switch 2 and a regulator 10 the primary of a
voltage step-up coil 3 in series with one contact
breaker 4 (platinum-plated screw) itself shunted by a conden
sator 5. We see that the secondary voltage of the coil
voltage booster supplied on a conductor 9 is
brought to a distributor 6 supplying allu candles
mage 7. This device is itself known with the exception of
regulator 10 which will be the subject of the description below
after.
Before describing the operation of this regulator
10 it is important to consider the two figs. 2 and 3 who
represent the ideal primary voltage curves and
secondary that we should have at the terminals of the bobi
voltage step-up 3. Assuming that the contact
breaker 4 works perfectly and instantly
born, the voltage across the primary winding of
coil 3 should have the shape of slots represented
tees in fig. 2. If this was the case the secondary voltage,
very high, which should be provided by the lifting coil of
voltage should match what fig. 3.
It should be understood that the tensions represented in the
fig. 3 are not to scale because they are of the order of one
thousand times greater than the voltages represented
in fig. 2. On the other hand the width of the pulses represented
felt in fig. 3 corresponds respectively to time
establishment and time of disappearance of the current
established in the coil primary by the voltage represented
felt in fig. 2. The amplitude of the pulses of FIG. 3
is theoretically proportional to the stiffness of the flank
of the current curve that would be established in the primary
of coil 3 by a voltage evolving like the mon
be fig. 2.
The fact that in fig. 3 the posi pulses
tives are shorter than negative pulses my
be well that the stiffness of the flank of the establishment of
this current at the moment when the voltage is established by the
contact 4 is weaker than the side stiffness of the
disappearance of this current when the circuit is
switched off by ignition 4.
However, it should be considered that in a dis
practical ignition positive nothing happens the way
ideal shown in fig. 2 and 3. Indeed, in the si
where the breaker 4 is open, the primary winding
coil 3 and capacitor 5 form a circuit
oscillating series which, when contact 4 breaks,
is going to be the seat of a series of relatively
amortized. On the other hand when establishing the con
tact we must first take into account the rebounds
possible (and still present at the scale of
microseconds) of contact 4, and we must also take into account
owing to the fact that the coil 3, with its winding is
voltage booster, constitutes an impedance
inductive complex.
If the coupling was perfect between the
primary and secondary windings of the ele coil
voltage vat 3, i.e. if there was no flow
leakage, this coil would behave, taking into account the
distributed capacity of its windings, and in particular of
its secondary winding, and also taking into account the capacitance formed by the high voltage conductors, a capacitance which, with respect to the primary of coil 3, is to be multiplied by the square of the transformation ratio (of the order of 1000), like a parallel oscillating circuit.
This would mean that, at least during the establishment of the current, that is to say when the contact 4 is closed, the current could never, during any oscillations of establishment, take a negative value, c ' that is to say circulate in the opposite direction to that given by the polarity of the accumulator. It turns out, however, that a voltage step-up coil is never free from leakage flux and that it therefore has an equivalent diagram which has a certain inductance in series between the primary winding and the secondary winding, inductance due to leakage flux and which, together with the distributed capacitance and the capacitance of the high voltage circuit, forms a circuit having series-type resonance points.
The aforementioned explanation is moreover still sketchy and a complete analysis would show that a voltage step-up coil such as coil 3 in fact constitutes an impedance having several points of series resonance and also several points of parallel resonance. It follows from this that already during the establishment of the current, and even if there were no rebound of the contact 4, the oscillations of establishment would tend to occur and to reach a value such that at certain moments the current would flow in the opposite direction in the primary of coil 3. All the more so, taking into account the bounces of contact 4, it is recognized that without the presence of a particular device, the current will tend to reverse during a few portions of oscillation during its establishment.
When breaking the current it appears even without special study that we have a series circuit formed by coil 3 and capacitor 5, and that the current, after having decreased to a zero value, will tend to s' reverse under the effect of the capacitor charge 5.
The curve a of FIG. 4 illustrates the way in which the voltage at the terminals of the primary winding of the coil 3 changes during the establishment and breaking of the contact 4. It can be seen on the curve a of FIG. 4 that as soon as the contact is established, the voltage rises and no longer drops below the value 0 until the contact has been broken again. The current on the other hand would tend to be reversed during the periods of oscillations which follow the establishment of the contact.
The regulator 10 introduces in series with the primary of the coil 3 an electrodisruptive element, the first effect of which would be to function as a diode preventing the flow of current in the opposite direction. It is in part, but only in part, to this first effect that we can attribute the shape of the curve b of FIG. 4 which represents the voltage across the primary winding of coil 3 when regulator 10 is mounted in series with this primary winding. We see that the oscillations that we had when making the contact are practically cut off by the action of the regulator, no doubt by the fact that a large resistance is applied in series with the primary as soon as the current has tendency to pass in the opposite direction.
When the contact 4 breaks, the curve a in FIG. 4 shows that there were oscillations of a significant amplitude as long as the regulator 10 was not mounted in series with the primary of the coil 3, and the curve b of FIG. 4 shows that these oscillations have practically disappeared as soon as the regulator 10 has been connected. As for the oscillations which occurred during the establishment of the contact, these oscillations tending to occur during the breaking of the contact are probably and rapidly damped by the reverse resistance of the electrodisruptive element that the regulator 10 comprises.
The function of the electrodisruptive element of the regulator 10 of preventing the passage of a reverse current is not, however, the only function and not even the essential function of this electrodisruptive element.
If this were the only function of this element, we could just as easily replace it with a simple diode, something which does not give any interesting result.
It is necessary to consider the way in which the electrodisruptive element contained in the regulator 10, namely a thyristor becomes conductive at the instant when a voltage is applied to it. I1 must return for this to fig. 1.
it can be seen that the trigger electrode of the thyristor (gate) is connected to the anode of this thyristor by means of a circuit branch which comprises in series the two resistors Rt and R2-. an electrolytic capacitor C1 being connected in parallel with the resistor R2. It should be noted here that the polarities and the denominations of anode and cathode corresponding to what is shown in FIG. 1, are valid in the case where a thyristor (or controlled diode Dcomm) having the cathode as the main reference electrode has been fitted,
i.e. a thyristor which engages when a certain potential exists between the gate and the cathode (there are other thyristors with which the assembly described could just as well be carried out and which have a gate working against the anode).
As long as no potential is applied between the gate and the cathode of the thyristor, the latter remains blocked (the anode-cathode voltage which would be liable to ignite it being enormously greater than the voltage which the accumulator can supply). As soon as a voltage is established between the gate and the cathode, the thyristor becomes conductive and is then practically equal to a short circuit.
It can be seen that, via resistors R1 and R2, the anode voltage is brought to the gate. However, the gate must have a minimum ignition potential relative to the cathode and must also pass under this potential a very low ignition current but not absolutely zero. So already if we did not have the capacitor C1. very large values of resistors R1 and R2 could lead to the thyristor becoming conductive only when the anode-cathode voltage has reached a certain value which could be of the order of several volts. It is however advantageous not to give the resistors R1 and R2 very high values and to provide, in parallel with the resistor R2, the capacitor C1. As soon as this capacitor C1 is in place.
the ignition function of the thyristor is affected as follows: during the first few contact establishments produced by the breaker contact 4, the capacitor C1 is not yet charged and acts practically in the manner of a short-circuit , i.e. the thyristor tripping current flows from the connection connected to the anode through the resistor
R1, capacitor C1, then the gate-cathode section of the thyristor.
If we admit that, due to the non-zero resistance of the various components and conductors, and also to the fact that the capacitor 5 cannot discharge in an infinitely short time when the contact 4 is closed, the voltage jump can not be absolutely instantaneous, we realize that the voltage across the thyristor does not increase absolutely abruptly but in a progressive manner (although perhaps lasting only a few microseconds). When the capacitor C1 is still discharging, the thyristor becomes conductive as soon as the voltage at its terminals reaches the order of a fraction of a volt.
On the other hand, when a certain current has already come to charge the capacitor C1 during a few previous operating periods, an antagonistic voltage is applied in the trigger circuit of the thyristor. It is therefore only when the voltage at the terminals of this thyristor reaches a certain value that it becomes conductive but on the other hand as soon as it has become conductive, its voltage becomes extremely low, of the order of a fraction of a volt, and there is an extremely sudden voltage jump which is transmitted to the primary of the induction coil. As soon as the thyristor is conducting, the capacitor C1 can theoretically be discharged not only through the resistor R but also through the resistor Rt and the thyristor.
This is the reason why it is advantageous to have the resistor R1 connected in series with the parallel set of the resistor R2 and the capacitor C if the resistor R1 did not exist, i.e. was replaced. by a short circuit, the capacitor C1 would discharge much faster and the previously described effect would be greatly weakened.
However, it is not ultimately the establishment of the current in the primary of the voltage step-up coil 3 which is decisive for the electrical ignition in the engine spark plugs, but it is above all the phenomena that occur. upon breaking by contact 4 of the primary circuit of coil 3. However, the fact that. at high motor speeds, the current barely has time to build up in the coil when it is already cut by the breaker. This means that a prompt and correct establishment of the current in the coil will also be able to improve the evolution of the ignition voltage supplied by this coil.
When breaking the effect described above and which is particular to the connections described above of the transistor, also occurs in that. when during an alternation of the oscillation which occurs at the breaking of the current, the unidirec arbor conduction characteristic of the thyristor prevented the current from flowing in the opposite direction in the primary circuit of the coil 3, the continuation of the The evolution of the oscillation again brings a voltage across the thyristor in the on direction and tends to re-establish the primary current in the coil 3 in the direction corresponding to the polarity of the accumulator.
With a regulator that included a simple diode instead of the thyristor, this current could immediately begin to flow as soon as the voltage across this diode is established in the conducting direction. With the assembly described above, the current cannot be established before the voltage has exceeded the threshold established by the voltage which charges the capacitor C1.
This means that the current can practically no longer be established in the primary circuit once it has been interrupted, despite the fact that the presence of the capacitor 5 would allow or even more exactly tend to cause the passage of a current. oscillatory in this primary winding. The fact that no primary current can any longer circulate in the coil as soon as the breaker contact 4 has broken this circuit, prevents any damping of the energy stored in the coil by the primary circuit.
In the absence of a regulator or even with a regulator consisting of a simple diode, part of the energy magnetically stored in the coil is dissipated, when contact 4 breaks, passing through the primary circuit and in particular the accumulator which, for oscillations at relatively high frequency, is far from having a very low resistance. All the energy thus dissipated is lost for ignition, whereas with a regulator such as regulator 10 shown in FIG. 1 all the energy which was stored in the coil must dissipate in the secondary circuit, that is to say must participate in the ignition spark of the engine.
The foregoing considerations are confirmed by the shape of curves a and b in FIG. 4, in particular in the part which corresponds to the rupture of the primary circuit of the coil 3 (negative pulse), this curve b of FIG. 4 clearly showing that, when breaking, there is practically no oscillation and in all cases practically no more voltage corresponding to the positive alternation of the oscillation which tended to be established in curve a of FIG. 4. It can therefore be seen that, as shown by curve b in FIG. 4, the presence of the regulator 10 in series in the primary circuit of the voltage step-up coil 3 quite significantly improves the development of the voltage at the terminals of the ignition coil.
It should also be noted that, since the regulator 10 is a simple element with two external connections to be connected in series with the primary of the coil 3, one could just as easily, depending on the case, be connected between this coil. 3 and the breaker contact 4, on the other hand, in the case where we have an engine whose accumulator is connected to the mass by its positive pole, it would be sufficient to use exactly the same regulator 10, but with it rising in the opposite direction, i.e. the negative terminal towards the battery (or the ignition key) and the positive terminal towards the coil 3.
It would even also be possible to connect the regulator 10 between the terminal of the unearthed battery and the ignition key 2, provided that the latter has separate contacts for the ignition circuit and for the others. circuits (wiper, brake light, etc.) that the ignition key must also cut.
It would naturally be just as possible to replace the whole of the resistor Ro and of the capacitor C1 by an element with internal antagonistic voltage such as for example a zener diode. The circuit shown in fig. 1 with capacitor C1 has however the very great advantage of being self-adapting, that is to say that if the voltage of the accumulator is greater or less, the antagonistic voltage that, all other conditions being equal , the capacitor C1 will take, will always be in the same ratio with the voltage of the accumulator. It will even be possible to use the same regulator 10 for different accumulator voltages, 6 volts, 12 volts, 24 volts, possibly 4S volts.
However, it is possible that questions of current intensity and size lead to prefer the use of a regulator specifically adapted to the voltage of the accumulator supplying the motor.
It remains to speak of the two curves of FIG. 5. These curves were obtained by dynamic photometry, an electrical optical transducer with instantaneous response having been connected to the input terminals of an oscillograpille to record the curves a and b of FIG. 5. The values directed downwards from the curves of fig. 5 are therefore light intensity values and it might appear incorrect to have points of these curves directed on the other side of the 0 axis, as if one could have negative light intensity values; this is simply a consequence of the insufficiently linear characteristic of the oscillograph on which these curves were recorded.
In fact the parts of the curve a of FIG. 5 which are located above line 0 correspond to very low light intensity values but which can in no case be negative.
Apart from this reservation relating to the way in which the curves a and b of FIG. 5 have been recorded, this figure clearly shows that, in the case of an ignition device operating without a regulator, the sparks obtained, the intensity of which depends on the electric power dissipated in the arc and therefore ultimately on the induced voltage in the voltage step-up coil, are very variable from one spark to another, on the other hand, when the device is provided with the regulator 10 as illustrated in FIG. 1, the curve b of FIG. 5 shows that the sparks all have approximately the same intensity, which means that the voltage induced in the secondary of the coil 3 when breaking the contact 4 is almost always the same.
This curve b of FIG. 5 shows that during the spark there is practically no rapid variation of intensity as was the case without the regulator 10, but that the curve of the peak intensity of the spark follows an approximately evolution. exponential.
The use of the regulator 10 illustrated in FIG. 1, leads not only to an improvement of the ignition spark, in particular in the sense of a much greater regularity thereof and of maintaining it at a high value even when the break contact 4 is operating very quickly, that is to say when the engine is running at high speed, but also at a saving of about 10% on the value of the supply current to the ignition device, something which is not not negligible in particular as regards the risk of overheating the coil when the ignition key is engaged and the breaker contact 4 is closed when the engine is not running.
It has also been observed that the time constant formed by the capacitor Ct and the resistor R as well as the time constant formed by the capacitor C1 and the set of the two resistors Rt and R2 could, in order to obtain maximum efficiency, be adapted. at the approximate frequency at which the breaker operates, i.e. the number of engine revolutions for which the governor is intended.
If the resistance Rj is approximately equal to the resistance R., the discharge time constant across the two resistors is approximately half of the discharge time constant through the single resistor R2, the characteristics of the thyristor establish, by the additional resistances that they add, an average value between these two time constants. It has been found that with a resistance R1 equal to the resistance R2, and with a time constant C1R2 not exceeding about 25 milliseconds, favorable values were obtained for an automobile engine running relatively slowly.
By way of example, we can cite values of 220 Ohms for R1 and R2 and 100 microfarads for C. For motors running relatively quickly, it has been observed that it was advantageous to reduce the value of C1, favorable results are obtained with values of C1 can go down to a few microfarads, the value of R1 and Ra remaining approximately 220 Ohms.
It has been found in particular that a car which under given conditions could not reach a speed greater than 90 kmlh when the ignition device of its engine was not fitted with a regulator was able under the same conditions to reach Il0kmlh after the ignition device of its engine has been fitted with a regulator as illustrated in fig. 1.
Note also that one could very well replace the thyristor illustrated in FIG. 1 by a composite element formed for example of two complementary transistors connected in such a way that the base of the first is connected to the collector of the second and that the base of the second is connected to the collector of the first, the two emitters constituting respectively according to their polarity the anode and the cathode of the element, and the base of one of the transistors constituting the trigger electrode (gate) working against the anode or against the cathode depending on whether it is the base of the PNP transistor or of the base of the NPN transistor.
It would also be conceivable to use an electrodisruptive element not controlled by a trigger electrode, such as for example a tunnel diode, provided that such an element can be manufactured to withstand the current, the voltage and the power which are present in the circuit. case of the regulator. For regulators intended for ignition devices for engines having a relatively high voltage battery, for example 48 volts, it would also be conceivable to choose an electrodisruptive element other than a thyristor or a set of semiconductors, having a residual voltage significantly higher than the order of 1 volt.
Note that it would also be quite possible to realize the regulator in the form of an integrated circuit, that is to say in the form of a single element of the format of a thyristor which would also include in addition to the junctions and connections of the thyristor the two resistors
R1 and R2 and the Cul capacitor.