EP2321524A1 - Device for measuring the ionization current in a radiofrequency ignition system for an internal combustion engine - Google Patents

Device for measuring the ionization current in a radiofrequency ignition system for an internal combustion engine

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EP2321524A1
EP2321524A1 EP09740412A EP09740412A EP2321524A1 EP 2321524 A1 EP2321524 A1 EP 2321524A1 EP 09740412 A EP09740412 A EP 09740412A EP 09740412 A EP09740412 A EP 09740412A EP 2321524 A1 EP2321524 A1 EP 2321524A1
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voltage
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André AGNERAY
Franck Deloraine
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Renault SAS
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    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
    • F02P2017/125—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits

Definitions

  • the ignition control signal induces large currents that have an amplitude difference of more than 120 dB with the ionization current due to combustion of the fuel mixture.
  • the measurement of this current occurring after the end of the ignition therefore undergoes a glare time, during which the measuring circuit can perform the acquisition of a low current.

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Abstract

The invention relates to a device for the radiofrequency ignition of an internal combustion engine, made up of a power supply circuit (2) comprising a transformer (T) a secondary winding of which is connected to at least one resonator (1) that has a resonant frequency in excess of 1 MHz and comprising two electrodes able to generate a spark to initiate combustion of a combustible mixture in a cylinder of the engine in response to an ignition command, characterized in that it comprises: - a measuring capacitor (CMES) connected in series between the secondary winding and the resonator, - a measurement circuit (40) for measuring a current (IION) at the terminals of the said measuring capacitor, the said current providing an electrical image of how combustion is progressing, - a protection circuit (30) connected between the capacitor and the measurement circuit and designed to spare the said current measurement acquisition time from the electrical effects caused by the ignition command.

Description

DISPOSITIF DE MESURE DU COURANT D'IONISATION DANS UN SYSTEME D'ALLUMAGE RADIOFREQUENCE POUR UN MOTEUR A DEVICE FOR MEASURING THE IONIZATION CURRENT IN A RADIOFREQUENCY IGNITION SYSTEM FOR A MOTOR
COMBUSTION INTERNEINTERNAL COMBUSTION
La présente invention concerne le domaine de l'allumage radiofréquence résonant d'un moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un dispositif adapté à réaliser la mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur. La mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur s'effectue typiquement après la fin de l'allumage et est ensuite utilisée pour effectuer des diagnostics sur le déroulement de la combustion, par exemple pour la détection de l'angle correspondant au maximum de pression de la chambre de combustion, du cliquetis ou encore pour l'identification des ratés de combustion .The present invention relates to the field of resonant radiofrequency ignition of an internal combustion engine. It relates more particularly to a device adapted to perform the measurement of the ionization current of the gases in the cylinders of the engine. The measurement of the ionization current of the gases in the cylinders of the engine is typically carried out after the end of the ignition and is then used to perform diagnostics on the course of the combustion, for example for the detection of the corresponding angle. at maximum pressure of the combustion chamber, knocking or for the identification of misfires.
Il est connu des circuits de mesure du courant d'ionisation pour un système d'allumage classique, dont le fonctionnement consiste à polariser le mélange air/carburant présent dans la chambre à combustion après la génération de l'étincelle entre les électrodes de la bougie d'allumage, afin de mesurer le courant résultant de la propagation de la flamme. Ces circuits nécessitent cependant d'être dédiés aux caractéristiques de l'allumage classique et ne sont pas adaptables en tant que tels aux systèmes d'allumage à génération de plasma, mettant en œuvre des bougies d'allumage de type bobines-bougies radiofréquence (BME), comme décrits en détail dans les demandes de brevet suivantes déposées au nom de la demanderesse FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03-10768. En effet, les spécificités de l'allumage radiofréquence engendrent plusieurs contraintes pour mesurer le courant issu de la combustion.It is known ionization current measuring circuits for a conventional ignition system, the operation of which consists in polarizing the air / fuel mixture present in the combustion chamber after the generation of the spark between the electrodes of the candle. in order to measure the current resulting from the propagation of the flame. These circuits, however, need to be dedicated to the characteristics of conventional ignition and are not adaptable as such to plasma-generated ignition systems, implementing radiofrequency coils-candles type ignition plugs (BME ), as described in detail in the following patent applications filed in the name of the applicant FR 03-10766, FR 03-10767 and FR 03-10768. Indeed, the specificities of the radiofrequency ignition generate several constraints to measure the current resulting from the combustion.
Tout d'abord, le signal de commande d'allumage induit des courants importants qui ont un écart d'amplitude de plus de 120 dB avec le courant d'ionisation dû à la combustion du mélange combustible. La mesure de ce courant s 'effectuant après la fin de l'allumage, on subit donc un temps d'éblouissement , pendant lequel le circuit de mesure ne peut effectuer l'acquisition d'un faible courant.First, the ignition control signal induces large currents that have an amplitude difference of more than 120 dB with the ionization current due to combustion of the fuel mixture. The measurement of this current occurring after the end of the ignition, therefore undergoes a glare time, during which the measuring circuit can perform the acquisition of a low current.
En outre, le circuit de mesure s 'insérant dans le système d'allumage, il est important de ne pas réduire significativement le rendement du système d'allumage. Enfin, ce type d'allumage radiofréquence permet de développer deux types de décharges, parmi une étincelle multi-filamentaires et un arc mono-filamentaire, qui influencent différemment le système d'allumage. Il existe donc une difficulté à garantir une indépendance de la mesure du courant d'ionisation par rapport au type de décharge généré.In addition, since the measurement circuit is inserted into the ignition system, it is important not to significantly reduce the efficiency of the ignition system. Finally, this type of radiofrequency ignition makes it possible to develop two types of discharges, among a multi-filament spark and a mono-filament arc, which influence the ignition system differently. There is therefore a difficulty in guaranteeing an independence of the measurement of the ionization current with respect to the type of discharge generated.
La présente invention vise donc à proposer un dispositif de mesure du courant d'ionisation dans un système d'allumage radiofréquence, adapté à répondre aux contraintes précitées, notamment en permettant de réduire au maximum la période de masquage de la mesure et garantissant une indépendance de la mesure par rapport au type de décharge généré.The present invention therefore aims at providing a device for measuring the ionization current in a radiofrequency ignition system, adapted to meet the aforementioned constraints, in particular by making it possible to minimize the masking period of the measurement and guaranteeing independence of the measurement with respect to the type of discharge generated.
Avec cet objectif en vue l'invention concerne donc un dispositif d'allumage radiofréquence d'un moteur à combustion interne composé d'un circuit d'alimentation comprenant un transformateur dont un enroulement secondaire est connecté à au moins un résonateur présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz et comprenant deux électrodes aptes à générer une étincelle pour initier la combustion d'un mélange combustible dans un cylindre du moteur en réponse à une commande d'allumage, caractérisé en ce qu'il comprend :With this object in mind, the invention thus relates to a radiofrequency ignition device of an internal combustion engine composed of a power supply circuit comprising a transformer including a winding secondary is connected to at least one resonator having a resonance frequency greater than 1 MHz and comprising two electrodes capable of generating a spark to initiate the combustion of a fuel mixture in a cylinder of the engine in response to an ignition control, characterized in that it comprises:
- un condensateur de mesure connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, - un circuit de mesure d'un courant aux bornes dudit condensateur de mesure, ledit courant fournissant une image électrique de l'évolution de la combustion, un circuit de protection, connecté entre le condensateur de mesure et le circuit de mesure, adapté à affranchir le temps d'acquisition de la mesure dudit courant des effets électriques induits par la commande d'allumage .a measurement capacitor connected in series between the secondary winding of the transformer and the resonator, a circuit for measuring a current across said measurement capacitor, said current providing an electrical image of the evolution of the combustion, a protection circuit, connected between the measurement capacitor and the measurement circuit, adapted to free the acquisition time from the measurement of said current of electrical effects induced by the ignition control.
Selon un mode de réalisation, le condensateur de mesure est connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, au niveau d'un fil de retour à la masse du transformateur et du résonateur .According to one embodiment, the measurement capacitor is connected in series between the secondary winding of the transformer and the resonator, at a ground return wire of the transformer and the resonator.
Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement des moyens de polarisation du mélange combustible, adaptés à appliquer une tension de polarisation entre une électrode du résonateur et une masse moteur.The device according to the invention advantageously comprises means for biasing the fuel mixture, adapted to apply a bias voltage between an electrode of the resonator and a motor mass.
Selon un mode de réalisation, le circuit de protection comprend un pont de diodes polarisé par des résistances à une tension d'alimentation proportionnelle à la tension de polarisation. De préférence, le circuit de mesure comprend un convertisseur courant-tension réalisé à l'aide d'un amplificateur opérationnel.According to one embodiment, the protection circuit comprises a diode bridge biased by resistances to a supply voltage proportional to the bias voltage. Preferably, the measurement circuit comprises a current-voltage converter produced using an operational amplifier.
Selon un mode de réalisation, l'amplificateur opérationnel possède une entrée non inverseuse reliée à la tension de polarisation et une entrée inverseuse reliée à une borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire du circuit de protection.According to one embodiment, the operational amplifier has a non-inverting input connected to the bias voltage and an inverting input connected to a terminal of the measurement capacitor via the protection circuit.
Avantageusement, le convertisseur courant-tension comprend une résistance de contre-réaction et une capacité de contre-réaction connectée en parallèle de la résistance de contre-réaction.Advantageously, the current-voltage converter comprises a feedback resistance and a feedback capacitance connected in parallel with the feedback resistance.
De préférence, l'impédance d'entrée du convertisseur courant-tension est au moins cent fois plus faible que l'impédance du condensateur de mesure.Preferably, the input impedance of the current-voltage converter is at least one hundred times lower than the impedance of the measurement capacitor.
Selon un mode de réalisation, un enroulement primaire du transformateur est connecté d'un côté à une tension d'alimentation intermédiaire et de l'autre côté au drain d'au moins un transistor interrupteur commandé par un signal de commande, le transistor interrupteur appliquant la tension d'alimentation aux bornes de l'enroulement primaire à une fréquence définie par le signal de commande.According to one embodiment, a primary winding of the transformer is connected on one side to an intermediate supply voltage and on the other side to the drain of at least one switching transistor controlled by a control signal, the switching transistor applying the supply voltage across the primary winding at a frequency defined by the control signal.
De préférence, le transformateur comprend un rapport de transformation variable.Preferably, the transformer comprises a variable transformation ratio.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est un schéma d'un résonateur modélisant une bobine-bougie radiofréquence de génération de plasma;Other characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly on reading the following description given by way of illustrative and nonlimiting example and with reference to the appended figures in which: Figure 1 is a diagram of a resonator modeling a radio frequency coil-candle plasma generation;
- la figure 2 est un schéma illustrant un circuit d'alimentation selon l'état de la technique, permettant d'appliquer une tension alternative dans la gamme des radiofréquences aux bornes de la bobine bougie modélisée à la figure 1,FIG. 2 is a diagram illustrating a power supply circuit according to the state of the art, making it possible to apply an alternating voltage in the range of radio frequencies at the terminals of the candle coil modeled in FIG. 1;
- la figure 3 est un schéma illustrant une variante du circuit de la figure 2,FIG. 3 is a diagram illustrating a variant of the circuit of FIG. 2,
- la figure 4 est un schéma illustrant un circuit d'alimentation adapté selon l'invention à la mesure du courant d'ionisation et de la tension aux bornes des électrodes de la bougie lors d'une commande d'allumage, etFIG. 4 is a diagram illustrating a power supply circuit adapted according to the invention for measuring the ionization current and the voltage at the terminals of the electrodes of the spark plug during an ignition control, and
- la figure 5 illustre un mode de réalisation du circuit de mesure du courant d'ionisation.FIG. 5 illustrates an embodiment of the ionization current measurement circuit.
- la figure 5bis illustre une première variante du mode de réalisation de la figure 5, et - la figure 5ter illustre une seconde variante du mode de réalisation de la figure 5.FIG. 5bis illustrates a first variant of the embodiment of FIG. 5, and FIG. 5ter illustrates a second variant of the embodiment of FIG. 5.
La bobine-bougie mise en œuvre dans le cadre de l'allumage radiofréquence commandé est équivalente électriquement à un résonateur 1 (voir figure 1), dont la fréquence de résonance Fc est supérieure à 1 MHz, et typiquement voisine de 5 MHz. Le résonateur comprend en série une résistance Rs, une bobine d'inductance Ls et une capacité notée Cs. Des électrodes d'allumage 11 et 12 de la bobine-bougie sont connectées aux bornes de la capacité Cs du résonateur, permettant de générer des décharges multi-filamentaires pour initier la combustion du mélange dans les chambres de combustion du moteur, lorsque le résonateur est alimenté.The coil-spark plug implemented in the context of the controlled radiofrequency ignition is electrically equivalent to a resonator 1 (see FIG. 1), whose resonance frequency F c is greater than 1 MHz, and typically close to 5 MHz. The resonator comprises in series a resistor Rs, an inductance coil Ls and a capacitance Cs. Ignition electrodes 11 and 12 of the coil-plug are connected across the capacitor Cs of the resonator, making it possible to generate multi-filament discharges to initiate combustion mixing in the combustion chambers of the engine, when the resonator is powered.
En effet, lorsque le résonateur est alimenté par une haute tension à sa fréquence de résonance Fc (1/ (2n\Ls* Cs ) ) , l'amplitude aux bornes de la capacité Cs est amplifiée de telle sorte que des décharges multi- filamentaires se développent entre les électrodes, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions crêtes inférieures à 20 kV. On parle alors d'étincelles ramifiées, dans la mesure où elles impliquent la génération simultanée d'au moins plusieurs lignes ou chemin d'ionisation dans un volume donné, leurs ramifications étant en outre omnidirectionnelles . Cette application à l'allumage radiofréquence nécessite alors l'utilisation d'un circuit d'alimentation, capable de générer des impulsions de tension, typiquement de l'ordre de 100 ns, pouvant atteindre des amplitudes de l'ordre de 1 kV, à une fréquence très proche de la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma de la bobine-bougie radiofréquence .Indeed, when the resonator is powered by a high voltage at its resonance frequency F c (1 / (2n \ Ls * Cs)), the amplitude across the capacitor Cs is amplified so that multi-stage discharges filaments develop between the electrodes, over distances of the order of one centimeter, at high pressure and for peak voltages below 20 kV. These are referred to as branched sparks, insofar as they involve the simultaneous generation of at least several lines or ionization paths in a given volume, their branches being moreover omnidirectional. This application to radio frequency ignition then requires the use of a power supply circuit, capable of generating voltage pulses, typically of the order of 100 ns, which can reach amplitudes of the order of 1 kV, at a frequency very close to the resonance frequency of the plasma generation resonator of the radiofrequency coil-plug.
La figure 2 illustre schématiquement un tel circuit d'alimentation 2. Le circuit d'alimentation de la bobine- bougie radiofréquence met classiquement en œuvre un montage dit « amplificateur de puissance pseudo Classe E ». Ce montage permet de créer les impulsions de tension avec les caractéristiques précitées.FIG. 2 diagrammatically illustrates such a supply circuit 2. The supply circuit of the radiofrequency coil-plug conventionally implements a so-called "pseudo-class E power amplifier" circuit. This assembly makes it possible to create the voltage pulses with the aforementioned characteristics.
Ce montage se compose d'une alimentation continue intermédiaire Vinter pouvant varier de 0 à 250V, d'un transistor MOSFET de puissance M et d'un circuit résonant parallèle 4 comprenant une bobine Lp en parallèle avec un condensateur Cp. Le transistor M est utilisé comme interrupteur pour commander les commutations aux bornes du circuit résonant parallèle et du résonateur 1 de génération de plasma destiné à être connecté sur une interface de sortie OUT du circuit d'alimentation.This assembly consists of a Vinter intermediate supply that can vary from 0 to 250V, a MOSFET transistor M power and a parallel resonant circuit 4 comprising a coil Lp in parallel with a capacitor Cp. The transistor M is used as a switch to control the switching at the terminals of the parallel resonant circuit and the plasma generation resonator 1 to be connected to an output interface OUT of the supply circuit.
Le transistor M est piloté sur sa grille par un signal logique de commande Vl, fourni par un étage de commande 3, à une fréquence qui doit être sensiblement calée sur la fréquence de résonance du résonateur 1. La tension d'alimentation continue intermédiaire Vinter peut avantageusement être fournie par une alimentation haute tension, typiquement un convertisseur DC/DC.The transistor M is driven on its gate by a control logic signal Vl, supplied by a control stage 3, at a frequency which must be substantially set to the resonance frequency of the resonator 1. The intermediate continuous supply voltage V in ter can advantageously be provided by a high voltage power supply, typically a DC / DC converter.
Ainsi, à proximité de sa fréquence de résonance, le résonateur parallèle 4 transforme la tension d'alimentation continue intermédiaire Vinter en une tension périodique amplifiée, correspondant à la tension d'alimentation multipliée par le coefficient de surtension du résonateur parallèle et appliquée sur une interface de sortie du circuit d'alimentation au niveau du drain du transistor interrupteur M.Thus, near its resonant frequency, the parallel resonator 4 converts the intermediate DC supply voltage V inter into an amplified periodic voltage, corresponding to the supply voltage multiplied by the overvoltage coefficient of the parallel resonator and applied to a power circuit output interface at the drain of the switch transistor M.
Le transistor interrupteur M applique alors la tension d'alimentation amplifiée sur la sortie de l'alimentation, à la fréquence définie par le signal de commande Vl, que l'on cherche à rendre la plus proche possible de la fréquence de résonance de la bobine- bougie, de manière à générer la haute-tension aux bornes des électrodes de la bobine-bougie nécessaire au développement et à l'entretien de la décharge multi- filamentaire . Le transistor commute ainsi de forts courants à une fréquence de 5 MHZ environ et avec une tension drain- source pouvant atteindre IkV.The switch transistor M then applies the amplified supply voltage to the output of the power supply, at the frequency defined by the control signal Vl, which is sought to make as close as possible to the resonant frequency of the coil - candle, so as to generate the high-voltage across the electrodes of the coil-spark plug necessary for the development and maintenance of the multi-filament discharge. The transistor thus switches high currents at a frequency of approximately 5 MHz and with a drain-source voltage of up to IkV.
Selon une variante illustrée à la figure 3, la bobine parallèle Lp est alors remplacée par un transformateur T, présentant un rapport de transformation compris entre 1 et 5. L'enroulement primaire LM du transformateur est relié, d'un côté à la tension d'alimentation intermédiaire Vinter et de l'autre côté, au drain du transistor interrupteur M, commandant l'application de la tension d'alimentation intermédiaire Vinter aux bornes de l'enroulement primaire à la fréquence définie par le signal de commande Vl.According to a variant illustrated in FIG. 3, the parallel coil Lp is then replaced by a transformer T having a transformation ratio of between 1 and 5. The primary winding L M of the transformer is connected on one side to the voltage intermediate V supply inter and on the other hand, the drain of the switch transistor M, controlling the application of the intermediate supply voltage V in the terminals b of the primary winding at the frequency defined by the control signal VI.
L'enroulement secondaire LN du transformateur, dont un côté est relié à la masse par un fil de retour à la masse 6, est quant à lui prévu pour être connecté à la bobine-bougie. De cette manière, le résonateur 1 de la bobine-bougie, connectée aux bornes de l'enroulement secondaire par des fils de liaison 5 et 6, dont le fil de retour à la masse 6, est donc alimenté par le secondaire du transformateur.The secondary winding L N of the transformer, one side of which is connected to ground by a grounding wire 6, is in turn intended to be connected to the spark-plug. In this way, the resonator 1 of the coil-plug, connected to the terminals of the secondary winding by connecting son 5 and 6, whose ground return wire 6, is thus fed by the secondary of the transformer.
L'adaptation du rapport de transformation permet alors de réduire la tension drain-source du transistor. La diminution de la tension au primaire induit cependant une augmentation du courant traversant le transistor. Il est alors possible de compenser cette contrainte en plaçant par exemple deux transistors en parallèle commandés par le même étage de commande 3.The adaptation of the transformation ratio then makes it possible to reduce the drain-source voltage of the transistor. The decrease in the primary voltage, however, induces an increase in the current flowing through the transistor. It is then possible to compensate for this constraint by placing for example two transistors in parallel controlled by the same control stage 3.
Lors de l'allumage, il est indispensable que l'étincelle ramifiée se développe en volume afin de garantir une combustion et un fonctionnement du moteur optimal. Pour la présente application, la présence de la combustion est symbolisée par une résistance variable RION entre les bornes du condensateur CS.When lighting, it is essential that the branched spark develops in volume to ensure optimal combustion and engine operation. For this application, the presence of the The combustion is symbolized by a variable resistance R ION between the terminals of the capacitor CS.
Le signal d'ionisation, représentatif de l'évolution de la combustion, a une amplitude comprise entre 0. lμA et ImA selon les conditions de la chambre de combustion (température, pression, composition du mélange, etc.) . On cherche donc à mesurer un signal ayant un rapport d'amplitude pouvant atteindre 120 dB par rapport au signal d'allumage. Le signal d'ionisation est un signal basse fréquence et un échantillonnage à 10OkHz permet d'extraire la totalité de l'information utile. Dans le cas de l'allumage radiofréquence, le résonateur de génération de plasma RSLSCS est piloté à une fréquence supérieure à 1 MHZ et typiquement comprise entre 4MHz et 6MHz. On bénéficie donc d'un écart de fréquence de près de deux décades, qui peut alors être utilisé pour compenser les différences de niveaux d'amplitude.The ionization signal, representative of the evolution of the combustion, has an amplitude between 0. 1 μA and ImA according to the conditions of the combustion chamber (temperature, pressure, composition of the mixture, etc.). It is therefore sought to measure a signal having an amplitude ratio of up to 120 dB with respect to the ignition signal. The ionization signal is a low frequency signal and sampling at 10OkHz extracts all the useful information. In the case of radiofrequency ignition, the plasma generation resonator R S L S C S is controlled at a frequency greater than 1 MHZ and typically between 4 MHz and 6 MHz. We therefore benefit from a frequency difference of almost two decades, which can then be used to compensate for differences in amplitude levels.
La réalisation de la mesure du courant d'ionisation nécessite d'utiliser un composant qui ne dégrade pas le rendement énergétique de l'allumage.The realization of the measurement of the ionization current requires the use of a component that does not degrade the energy efficiency of the ignition.
La solution retenue à cet effet consiste, en référence à la figure 4, à connecter un condensateur de mesure CMES en série entre l'enroulement secondaire du transformateur T et le résonateur 1, sur le fil de retour à la masse 6. Le condensateur de mesure est ainsi avantageusement placé dans le circuit à un endroit où les différences de potentiel par rapport à la masse sont le plus faibles possibles. Un condensateur de capacité d'une dizaine de nanofarad, permet de ne pas perturber le système d'allumage tout en ayant la possibilité d'effectuer des mesures basse fréquence du courant d'ionisation.The solution adopted for this purpose consists, with reference to FIG. 4, in connecting a measurement capacitor C MES in series between the secondary winding of the transformer T and the resonator 1, on the ground return wire 6. The capacitor The measurement circuit is thus advantageously placed in the circuit at a location where the potential differences with respect to the ground are as small as possible. A capacity capacitor of about ten nanofarad, allows not to disturb the system ignition while having the ability to perform low frequency measurements of the ionization current.
Ainsi, l'intérêt principal du choix de ce composant de mesure par rapport à d'autres composants passifs réside dans son comportement en radiofréquence . En effet, en hautes fréquences, l'homme de l'art sait que le circuit équivalent haute fréquence d'un condensateur est constitué par un résonateur série. Or, un résonateur a une impédance qui évolue selon la fréquence du signal appliqué à son entrée, et est minimale à la fréquence de résonance du résonateur. Cette caractéristique de l'évolution de l'impédance d'un résonateur en fonction de la fréquence permet alors au condensateur de présenter une très faible impédance au voisinage de la fréquence de résonance de l'allumage et une impédance élevée dans la bande de fréquences utilisée pour le signal d'ionisation (FI0N<15kHz ) . Le condensateur de mesure est donc judicieusement choisi de manière à présenter sa plus faible impédance dans la plage de fréquences utilisées pour le signal de commande d'allumage. Cela permet de minimiser la tension aux bornes du condensateur de mesure pour protéger le circuit de mesure, qui va maintenant être décrit en référence à la figure 5.Thus, the main advantage of the choice of this measurement component compared to other passive components lies in its behavior in radiofrequency. Indeed, at high frequencies, those skilled in the art know that the equivalent high frequency circuit of a capacitor is constituted by a series resonator. Now, a resonator has an impedance that changes according to the frequency of the signal applied to its input, and is minimal at the resonance frequency of the resonator. This characteristic of the evolution of the impedance of a resonator as a function of the frequency then allows the capacitor to have a very low impedance in the vicinity of the resonance frequency of the ignition and a high impedance in the frequency band used. for the ionisation signal (F I0N <15kHz). The measurement capacitor is therefore judiciously chosen so as to have its lowest impedance in the frequency range used for the ignition control signal. This makes it possible to minimize the voltage across the measuring capacitor to protect the measurement circuit, which will now be described with reference to FIG. 5.
Une alimentation continue, non représentée, fournissant une tension Vpoiar;- est prévue pour polariser l'électrode haute tension de la bobine-bougie connectée en sortie du circuit d'alimentation par rapport à la culasse du moteur, de manière à permettre de polariser le mélange combustible après la fin de l'allumage. Le courant d'ionisation I10Nf représentatif de la combustion, est en effet un signal mesuré après la fin de l'allumage, c'est-à-dire après la formation de l'étincelle. Son amplitude dépend donc, entre autres, de la tension de polarisation appliquée entre l'électrode de la bobine-bougie et la masse moteur.A DC power supply, not shown, providing a voltage V po iar; - is provided for biasing the high voltage electrode of the spark plug coil connected at the output of the power supply circuit with respect to the engine cylinder head, so as to allow polarize the fuel mixture after the end of ignition. The ionization current I 10 Nf representative of combustion, is indeed a measured signal after the end of the ignition, that is to say after the formation of the spark. Its amplitude therefore depends, among other things, on the bias voltage applied between the coil-spark electrode and the motor ground.
La tension de polarisation est unipolaire et typiquement comprise entre IV et 100V. On parlera de polarisation positive lorsque l'électrode haute tension de la bougie est polarisée à un potentiel supérieur à celui de la masse moteur.The polarization voltage is unipolar and typically between IV and 100V. We will speak of positive polarization when the high voltage electrode of the spark plug is polarized at a potential higher than that of the motor mass.
Cependant, il est possible de polariser le mélange combustible négativement. Le potentiel de l'électrode centrale de la bougie est alors inférieur à celui de la masse moteur. La tension de polarisation est dans ce cas typiquement comprise entre -100V et -IV.However, it is possible to polarize the fuel mixture negatively. The potential of the central electrode of the candle is then lower than that of the motor mass. The polarization voltage is in this case typically between -100V and -IV.
Un circuit de mesure 40 du courant d'ionisation I10N aux bornes du condensateur C^sr fournissant une image électrique de l'évolution de la combustion est décrit à la figure 5. En référence à cette figure, le circuit de mesure 40 est réalisé sous la forme d'un convertisseur courant-tension, adapté à fournir une tension Vs en sortie proportionnelle au courant en entrée.A measuring circuit 40 of the ionization current I 10N at the terminals of the capacitor C ^ sr providing an electrical image of the evolution of the combustion is described in FIG. 5. With reference to this figure, the measurement circuit 40 is realized in the form of a current-voltage converter, adapted to provide a voltage V s output proportional to the input current.
Le convertisseur comprend un amplificateur opérationnel MNl et une résistance de contre réaction RR. L'amplificateur opérationnel MNl possède une entrée non inverseuse (+) reliée à la tension de polarisation Vpoiar et une entrée inverseuse (-) reliée à une borne du condensateur CMES par l'intermédiaire d'un circuit de protection 30, adapté à affranchir le temps d'acquisition de la mesure des effets de la formation de l'étincelle et sur lequel nous reviendrons plus en détail par la suite. La résistance RR est montée entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur opérationnel MNl. En variante, comme illustré à la figure 5bis, dans le cas où le mélange combustible est polarisé négativement, l'entrée non inverseuse (+) est reliée à la tension de polarisation négative Vpoiar et l'entrée inverseuse (-) reliée à la borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire du circuit de protection 30, tandis que la résistance RR est connectée entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur opérationnel MNl. Selon une autre variante illustrée à la figure 5ter, il est également possible de choisir une polarisation quelconque du mélange combustible avec une tension de polarisation Vpoiar respectant : VEE < Vpolar < Vcc avec VEE < 0 et Vcc > 0 Un tel montage courant/tension est apte à mesurer avec précision de très faibles courants.The converter comprises an operational amplifier MN1 and a feedback resistor R R. The operational amplifier MN1 has a non-inverting input (+) connected to the bias voltage Vpoiar and an inverting input (-) connected to a terminal of the capacitor C MES via a protection circuit 30, suitable for franking. the time of acquisition of the measurement of the effects of the formation of the spark and on which we will return in more detail later. The resistor R R is connected between the inverting input (-) and the output of the operational amplifier MN1. Alternatively, as illustrated in FIG. 5a, in the case where the fuel mixture is negatively biased, the non-inverting input (+) is connected to the negative bias voltage V po iar and the inverting input (-) connected to the measuring capacitor terminal via the protection circuit 30, while the resistor R R is connected between the inverting input (-) and the output of the operational amplifier MN1. According to another variant illustrated in FIG. 5ter, it is also possible to choose any polarization of the fuel mixture with a bias voltage V po i ar complying with: V EE <V polar <Vcc with V EE <0 and Vcc> 0 A such current / voltage arrangement is able to accurately measure very low currents.
L'entrée de l'amplificateur opérationnel est équivalente à une inductance de valeur Le. Ceci entraîne l'apparition d'oscillations pseudopériodiques de fréquence Fosc supérieure à 10OkHz après la fin de l'allumage, dues au circuit formé par l'impédance d'entrée Zj? du convertisseur courant-tension et le condensateur de mesure CMESΛ qui réduisent le temps de désaturation du circuit de mesure. Il est donc nécessaire d'ajouter une capacité de contre-réaction CR en parallèle de la résistance de contre-réaction RR afin d'amortir ces oscillations. On choisit donc une capacité vérifiant :The input of the operational amplifier is equivalent to an inductance of value L e . This results in the appearance of pseudoperiodic oscillations of frequency F osc greater than 10OkHz after the end of ignition, due to the circuit formed by the input impedance Z j ? of the current-voltage converter and the measuring capacitor C MESΛ which reduce the desaturation time of the measuring circuit. It is therefore necessary to add a feedback capacitance C R in parallel with the feedback resistor R R in order to damp these oscillations. We therefore choose a capacity that checks:
Fosc > f = 2π > 10OkHzFosc> f = 2π > 10OkHz
RRCRRRCR
La capacité de contre-réaction est donc négligeable pour la bande de fréquence utile du signal mesuré représentatif de l'évolution de la combustion (typiquement inférieure à 10OkHz), tout en optimisant le temps de désaturation du circuit de mesure.The feedback capacity is therefore negligible for the useful frequency band of the measured signal representative of the evolution of the combustion (typically less than 10OkHz), while optimizing the desaturation time of the measuring circuit.
En outre, il est important que l'impédance de contre-réaction soit judicieusement choisie pour assurer que la tension Vs en sortie du circuit de mesure soit bien proportionnelle au courant I10N issu de la combustion .In addition, it is important that the impedance of cons-reaction is judiciously selected to ensure that the voltage V s at the output of the measuring circuit is well proportional to the current I 10 N from the combustion.
Typiquement, le condensateur de mesure CMES se charge pendant la phase de génération de l'étincelle. Il est important que l'impédance d'entrée ZE du convertisseur courant-tension soit faible (au minimum 100 fois plus faible) devant l'impédance du condensateur de mesure ZMES . Cette condition garantit que le convertisseur courant-tension, et non le condensateur de mesure, fournit le courant image du développement de la combustion. Autrement dit, il faut que l'impédance du condensateur CMES soit forte devant l'impédance d'entrée de l'amplificateur pour que la totalité du courant d'ionisation I10N se retrouve dans l'amplificateur MNl. II est connu que ce convertisseur présente une impédance d'entrée qui suit la relation suivante : Typically, the measuring capacitor C MES is charged during the spark generation phase. It is important that the input impedance Z E of the current-voltage converter is low (at least 100 times smaller) in front of the impedance of the measurement capacitor Z MES . This condition ensures that the current-to-voltage converter, not the measurement capacitor, provides the image current of the development of the combustion. In other words, it is necessary that the impedance of the capacitor C MES is high in front of the input impedance of the amplifier so that the entire ionization current I 10 N is found in the amplifier MNl. It is known that this converter has an input impedance which follows the following relation:
G étant le gain propre de l'amplificateur opérationnel . Avec :G being the gain of the operational amplifier. With:
|ZJ= ** ≈RR l+jωRRCR | ZJ = ** ≈R R l + jωR R C R
La relation suivante doit donc être vérifiée pour toutes les fréquences inférieures à 10OkHz :The following relation must therefore be verified for all frequencies below 10OkHz:
où α>100 Ainsi, si les conditions précédentes sont vérifiées, on a :where α> 100 So, if the previous conditions are true, we have:
Vs = RR. I ION + VpoLARVs = RR. I ION + VpoLAR
Nous allons maintenant revenir plus en détail sur le circuit de protection 30, permettant donc de s'affranchir des effets de l'allumage en remplissant une fonction anti-éblouissement du circuit de mesure 40 précédemment décrit. De cette manière, l'acquisition de la mesure du courant I10N représentatif de l'évolution de la combustion pourra être avantageusement réalisée indépendamment des effets de la formation de l'étincelle.We will now return in more detail on the protection circuit 30, thus eliminating the effects of ignition by filling an anti-glare function of the measuring circuit 40 described above. In this way, the acquisition of the measurement of the current I 10N representative of the evolution of the combustion can be advantageously carried out independently of the effects of the formation of the spark.
En effet, des informations utiles sur la combustion sont extractibles du signal ionique tôt après la fin de l 'allumage . Or, on a vu que les forts courants induits par le signal de commande d'allumage, qui ont un écart d'amplitude de près de 12OdB avec le courant représentatif de la combustion, provoquent un temps d'éblouissement , ou période de masquage, pendant lequel l'acquisition d'un faible courant ne peut pas être effectué .Indeed, useful information on the combustion is extractable from the ionic signal soon after the end of the ignition. However, it has been seen that the strong currents induced by the ignition control signal, which have an amplitude difference of nearly 120 dB with the current representative of the combustion, cause a glare time, or masking period, during which the acquisition of a weak current can not be carried out.
Aussi, afin de s'affranchir au maximum des effets liés à la commande d'allumage, on prévoit de connecter le circuit de protection 30 entre le condensateur de mesure et le convertisseur courant-tension formant le circuit de mesure 40. En effet, le convertisseur courant-tension doit conserver la meilleure dynamique possible et présenter un temps de désaturation de préférence inférieur à 300 μs pour permettre une mesure fiable de la combustion au régime maximum.Also, in order to overcome the effects of the ignition control, it is planned to connect the protection circuit 30 between the measurement capacitor and the current-voltage converter forming the measurement circuit 40. current-voltage converter must maintain the best possible dynamics and have a desaturation time of preferably less than 300 μs to allow a reliable measurement of combustion at maximum speed.
Le circuit de protection 30 comprend un pont de diodes 31, polarisé par des résistances RH et RB à une tension d'alimentation VALIM, de préférence proche de la tension de polarisation VPOLAR-The protection circuit 30 comprises a diode bridge 31, biased by resistors R H and R B at a supply voltage V ALIM , preferably close to the bias voltage V PO LAR-
Cette architecture est stable et ne perturbe pas la mesure si le courant de polarisation ID circulant dans les diodes du circuit de protection est important devant le courant fourni par le convertisseur.This architecture is stable and does not disturb the measurement if the bias current I D flowing in the diodes of the protection circuit is large compared to the current supplied by the converter.
On peut vérifier que : j = VALIM et _, 1We can check that: j = V ALIM and _, 1
2(rdyn+RB+RH) dyn 4Ox/D 2 (r dyn + R B + R H ) dyn 4Ox / D
Rdyn étant la résistance dynamique d'une diode. Donc : j - VALIM -1/20 RB +RHR d yn being the dynamic resistance of a diode. So: j - VALIM -1/20 RB + R H
Soit pour VALIM=12V et RB=RH=lkΩ, on obtient : ID=3mA > IIONmax=500μA.Either for V ALIM = 12V and R B = R H = lkΩ, we obtain: ID = 3mA> I IONmax = 500μA.
Cette équation permet de trouver le bon compromis entre la stabilité du montage et la consommation moyenne du circuit de protection. Les résistances RB et RH peuvent typiquement avoir une valeur comprise entre 100Ω et 50k Ω et peuvent être de valeurs différentes.This equation makes it possible to find the right compromise between the stability of the assembly and the average consumption of the protection circuit. Resistors R B and R H may typically have a value between 100Ω and 50kΩ and may be of different values.
La tension de polarisation VP0LAR optimale est ainsi définie par :The optimal polarization voltage V P0LAR is thus defined by:
RH R H
VPOLAR =— RH +R—B-VALIM V POLAR = - R H + R- B - V ALIM
La tension VP0LAR peut par exemple être obtenue à partir de la tension VALIM par l'intermédiaire d'un circuit diviseur résistif, bien connu en soi. Le circuit de protection 30 a ainsi un double rôle. Il permet de maintenir un temps de désaturation faible du circuit de mesure quel que soit les conditions de génération d'étincelle. En outre, il favorise la robustesse du circuit de mesure à chaque type d'étincelle qu'un système d'allumage résonant peut générer. The voltage V P0LAR can for example be obtained from the voltage V ALIM via a resistive divider circuit, well known per se. The protection circuit 30 thus has a dual role. It makes it possible to maintain a low desaturation time of the measuring circuit whatever the conditions of spark generation. In addition, it promotes robustness of the measuring circuit to each type of spark that a resonant ignition system can generate.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'allumage radiofréquence d'un moteur à combustion interne composé d'un circuit d'alimentation (2) comprenant un transformateur (T) dont un enroulement secondaire (LN) est connecté à au moins un résonateur (1) présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz et comprenant deux électrodes (11, 12) aptes à générer une étincelle pour initier la combustion d'un mélange combustible dans un cylindre du moteur en réponse à une commande d'allumage, caractérisé en ce qu'il comprend :1. Radio frequency ignition device for an internal combustion engine composed of a supply circuit (2) comprising a transformer (T) of which a secondary winding (L N ) is connected to at least one resonator (1) having a resonant frequency greater than 1 MHz and comprising two electrodes (11, 12) capable of generating a spark to initiate the combustion of a fuel mixture in a cylinder of the engine in response to an ignition command, characterized in that He understands :
- un condensateur de mesure (CMES) connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, - un circuit de mesure (40) d'un courant (IION) aux bornes dudit condensateur de mesure, ledit courant fournissant une image électrique de l'évolution de la combustion,a measurement capacitor (C MES ) connected in series between the secondary winding of the transformer and the resonator; a measurement circuit (40) of a current (I ION ) across said measurement capacitor, said current providing a electrical image of the evolution of combustion,
- un circuit de protection (30), connecté entre le condensateur de mesure et le circuit de mesure, adapté à affranchir le temps d'acquisition de la mesure dudit courant (IION) des effets électriques induits par la commande d'allumage.- a protection circuit (30), connected between the measurement capacitor and the measurement circuit, adapted to overcome the acquisition time of the measurement of said current (IION) of the electrical effects induced by the ignition control.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur de mesure (CMES) est connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, au niveau d'un fil de retour à la masse (6) du transformateur et du résonateur.2. Device according to claim 1, characterized in that the measuring capacitor (C MES ) is connected in series between the secondary winding of the transformer and the resonator, at a ground return wire (6). transformer and resonator.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de polarisation du mélange combustible, adaptés à appliquer une tension de polarisation (Vpoiar) entre une électrode du résonateur et une masse moteur.3. Device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises means for biasing the fuel mixture, adapted to apply a bias voltage (V po iar) between an electrode of the resonator and a motor mass.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de protection (30) comprend un pont de diodes polarisé par des résistances (RH, RB) à une tension d'alimentation (VALIM) proportionnelle à la tension de polarisation (Vpoiar) .4. Device according to claim 3, characterized in that the protection circuit (30) comprises a diode bridge biased by resistors (R H , R B ) to a supply voltage (V ALIM ) proportional to the voltage of polarization (V po i ar ).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (40) comprend un convertisseur courant- tension réalisé à l'aide d'un amplificateur opérationnel (MNl) .5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring circuit (40) comprises a current-voltage converter produced using an operational amplifier (MN1).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'amplificateur opérationnel possède une entrée non inverseuse reliée à la tension de polarisation et une entrée inverseuse reliée à une borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire du circuit de protection.6. Device according to claim 5, characterized in that the operational amplifier has a non-inverting input connected to the bias voltage and an inverting input connected to a terminal of the measuring capacitor via the protection circuit.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le convertisseur courant-tension comprend une résistance de contre-réaction et une capacité de contre-réaction connectée en parallèle de la résistance de contre- réaction .7. Device according to any one of claims 5 or 6, characterized in that the current-voltage converter comprises a feedback resistance and a feedback capacitance connected in parallel with the feedback resistance.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'impédance d'entrée du convertisseur courant-tension est au moins cent fois plus faible que l'impédance du condensateur de mesure .8. Device according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the input impedance of the current-voltage converter is at least one hundred times lower than the impedance of the measuring capacitor.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un enroulement primaire du transformateur est connecté d'un côté à une tension d'alimentation intermédiaire (Vinter) et de l'autre côté au drain d'au moins un transistor interrupteur (M) commandé par un signal de commande (Vl), le transistor interrupteur appliquant la tension d'alimentation aux bornes de l'enroulement primaire à une fréquence définie par le signal de commande.9. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that a primary winding of the transformer is connected on one side to an intermediate supply voltage (V inte r) and on the other side to the drain of at least one switching transistor (M) controlled by a control signal (Vl), the switching transistor applying the supply voltage across the primary winding at a frequency defined by the control signal.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur comprend un rapport de transformation variable . 10. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the transformer comprises a variable transformation ratio.
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