FR2913299A1 - Pilotage d'une pluralite de bobines bougies via un unique etage de puissance. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de génération de plasma, caractérisé en ce qu'il comprend :- un circuit d'alimentation (2), comprenant un interrupteur (M) commandé par un signal de commande (V1) pour appliquer une tension intermédiaire (Vinter) sur une sortie du circuit d'alimentation à une fréquence définie par le signal de commande,- une pluralité de bobines-bougies (BB1, BB2, BB3, BB4) de génération de plasma, disposées en parallèle sur ladite sortie par l'intermédiaire de connecteurs (20), chaque connecteur étant adapté pour être relié de manière amovible à une bobine-bougie correspondante et comprenant des moyens (23) adaptés à décaler la fréquence de résonance de ladite bobine-bougie, de sorte que chaque bobine-bougie présente une fréquence de résonance distincte,- un dispositif de commande (5) du circuit d'alimentation, déterminant la fréquence de commande parmi l'une des fréquences de résonance des bobines-bougies, de façon à commander sélectivement les bobine-bougie selon la fréquence de commande utilisée.

Description

PILOTAGE D'UNE PLURALITE D:E BOBINES BOUGIES VIA UN UNIQUE ETAGE DE

PUISSANCE

La présente invention concerne, de façon générale, les systèmes de génération de plasma entre deux électrodes d'une bougie, utilises notamment pour l'allumage radiofréquence commande d'un mélange gazeux dans des chambres de combustion d'un moteur a combustion interne.

Pour une telle application à l'allumage automobile à génération de plasma, des circuits de génération de plasma intégrant des bobines- bougies sont utilisées pour générer des décharges multi-filamentaires entre leurs électrodes, permettant d'initier la combustion du mélange dans les chambres de combustion du moteur. La bougie multi étincelles est décrite en détail dans les demandes de brevet suivantes déposées au nom de la demanderesse FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03-10768. Une telle bobine-bougie est classiquement modélisée par un résonateur 1, dont la fréquence de résonance F, est supérieure à 1 MHz, typiquement voisine de 5 MHz. Le résonateur comprend en série une résistance R, une inductance L et une capacité C. Des électrodes d'allumage 10 et 12 de la bobine-bougie sont connectées aux bornes de la capacité C. Lorsque le résonateur est alimenté par une haute tension à sa fréquence de résonance f, (1/ (2nVL*C ) , l'amplitude aux bornes de la capacité C est amplifiée, permettant de développer des décharges multi- filamentaires entre les électrodes de la bougie, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions de crête 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. Le pilotage de l'alimentation d'une telle bobine-bougie nécessite 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 prévue pour être très proche de la fréquence de résonance du résonateur radiofréquence de la bobine-bougie. Plus la différence entre la fréquence de résonance du résonateur et la fréquence de fonctionnement du générateur est réduite, plus le coefficient de surtension du résonateur (rapport entre l'amplitude de sa tension de sortie et sa tension d'entrée) est élevé. Un tel circuit d'alimentation, détaillé par ailleurs dans la demande de brevet FR 03-10767, est représenté schématiquement à la figure 2. Il met classiquement en oeuvre un montage dit amplificateur de puissance Classe E . Ce type de convertisseur DC/AC permet de créer les impulsions de tension avec les caractéristiques précitées.

Selon le mode de réalisation de la figure 2, l'amplificateur 2 comprend un transistor MOSFET de puissance M, utilisé comme interrupteur pour commander les commutations aux bornes du résonateur 1. Ainsi, un dispositif de commande 5 génère et applique un signal de commande V1 à une fréquence de commande sur la grille du MOSFET de puissance M, par l'intermédiaire d'un étage de commande 3 représenté schématiquement. Afin de contrôler la production d'étincelles entre les électrodes de la bobine-bougie connectée en sortie de l'amplificateur lorsque son résonateur 1 est excité par l'intermédiaire du signal de commande Vl, ce dernier n'est pas permanent mais est présent sous la forme de trains d'impulsions de commande à la fréquence de commande. Comme décrit dans la demande de brevet EP-A-1 515 594, un circuit résonant parallèle 4 est connecté entre une source de tension intermédiaire Vinter et le drain du transistor M. Ce circuit 4 comprend une inductance Lp en parallèle avec une capacité Cp. A proximité de sa fréquence de résonance, le résonateur parallèle transforme la tension intermédiaire Vinter en une tension amplifiée Va (illustrée à la figure 5), correspondant à la tension intermédiaire multipliée par le coefficient de surtension du résonateur parallèle. Cette tension amplifiée est fournie sur le drain du transistor M relié par ailleurs à l'entrée du résonateur 1. Le transistor M agit donc comme un interrupteur et applique (respectivement bloque) la tension Va à l'entrée du résonateur 1 lorsque le signal de commande V1 est à l'état logique haut (respectivement bas). Le transistor M impose ainsi une fréquence de commutation, déterminée par le signal de commande V1, que l'on cherche à rendre la plus proche possible de la fréquence de résonance de la bobine-bougie connectée en sortie (typiquement 5MHz), afin d'entretenir et de maximiser le transfert d'énergie entre le résonateur parallèle 4 et le résonateur série 1 formant la bobine-bougie.

A la fréquence de résonance de la bobine-bougie, on retrouve alors aux bornes de la capacité C du résonateur série 1, soit aux bornes des électrodes de la bougie, la tension de sortie Va précédemment évoquée, multipliée par le coefficient de surtension du résonateur série 1. Cette phase de transfert d'énergie de l'étage de puissance formée par l'amplificateur vers le résonateur de la bobine-bougie doit être réalisée à la fréquence de résonance du résonateur, pour assurer un bon rendement.

En effet, si le transistor M impose une fréquence de commutation différente de la fréquence de résonance de la bobine-bougie, le transfert d'énergie se dégrade, du fait de l'étroitesse de la bande passante du résonateur série utilisé pour la bobine bougie.

Dans une application à l'allumage automobile à génération de plasma, chaque chambre de combustion est équipée d'une bobine-bougie comme décrite précédemment afin d'initier, sur commande, la combustion. En conséquence, pour les moteurs 4 cylindres par exemple, il faut pouvoir disposer de quatre circuits d'alimentation du type amplificateur classe E, comme décrits précédemment en référence à la figure 2, pour alimenter et piloter respectivement les quatre bobines-bougies.

Une telle configuration reposant donc sur autant de voies d'amplification qu'il y a de bobines-bougies à commander limite alors le potentiel de développement de ce type d'allumage automobile par génération de plasma, d'une part à cause de l'encombrement provoqué par cette installation sous le capot moteur, mais également, à cause du coût d'installation, qui peut se révéler inabordable pour envisager d'installer ce type d'allumage sur des véhicules de sérieä La présente invention vise à remédier à cet inconvénient, en permettant de commander une pluralité de 5 bobines-bougies par l'intermédiaire d'une même et unique voie d'amplification. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un dispositif de génération de plasma, caractérisé en ce qu'il comprend : 10 - un circuit d'alimentation, comprenant un interrupteur commandé par un signal de commande pour appliquer une tension intermédiaire sur une sortie du circuit d'alimentation à une fréquence définie par le signal de commande, 15 - une pluralité de bobines-bougies de génération de plasma, disposées en parallèle sur la sortie du circuit d'alimentation par l'intermédiaire de connecteurs, chaque connecteur étant adapté pour être relié de manière amovible à une bobine-bougie correspondante et comprenant 20 des moyens adaptés à décaler la fréquence de résonance de ladite bobine-bougie, de sorte que chaque bobine-bougie présente une fréquence de résonance distincte, - un dispositif de commande du circuit d'alimentation, déterminant la fréquence du signal de 25 commande parmi l'une des fréquences de résonance des bobines-bougies, de façon à commander sélectivement les bobines-bougies selon la fréquence de commande utilisée. Avantageusement, chaque bobine-bougie de génération de plasma comprend un résonateur présentant une fréquence 30 supérieure à 1 MHz et comprenant deux électrodes, le résonateur étant apte à générer un plasma entre les deux électrodes lorsqu'un niveau haute tension est appliqué sur la sortie du circuit d'alimentation. Selon un mode de réalisation, les connecteurs sont assemblés entre eux par une même pièce de liaison.

De préférence, la pièce de liaison comprend des moyens de détrompage permettant de la fixer sur la pluralité de bobines-bougies de façon unique. Avantageusement, les moyens adaptés à décaler la fréquence de résonance d'une bobine-bougie comprennent 10 des moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine-bougie, situés à proximité immédiate de celle- ci. Selon un mode de réalisation, les moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine- 15 bougie comprennent un bobinage, positionné directement au contact d'un bobinage de la bobine-bougie. De préférence, le bobinage des moyens de modification est disposé autour d'un élément en matériau magnétique. 20 De préférence, le bobinage des moyens de modification est entouré au moins en partie par un élément en matériau magnétique. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine- 25 bougie comprennent un élément en matériau magnétique positionné directement contre un bobinage de la bobine-bougie. De préférence, l'élément en matériau magnétique entoure au moins une partie de l'extrémité du bobinage de 30 la bobine-bougie.

De préférence, l'élément en matériau magnétique comprend un noyau central inséré dans le bobinage de la bobine-bougie. Selon un mode de réalisation, le matériau 5 magnétique comprend de la ferrite. 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 10 référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma illustrant un modèle électrique utilisé pour le résonateur modélisant une bobine-bougie de génération de plasma; - la figure 2 est un schéma illustrant un 15 dispositif de génération d'une haute tension intégrant un amplificateur, utilisé pour l'alimentation et la commande d'une bobine bougie; - la figure 3 illustre un schéma complet d'un allumage radiofréquence selon l'invention, comprenant 4 20 bougies-bobines disposées en parallèle en sortie d'un étage d'alimentation unique ; - les figures 4a à 4c illustrent différents mode de réalisation de moyens de décalage de la fréquence de résonance de chaque bobine-bougie, prévus pour être 25 intégrés aux moyens de connexion des bobines-bougies ; - la figure 5 illustre un mode de réalisation des moyens de connexion ; - la figure 6 illustre un organigramme d'un exemple de mise en œuvre de la commande de l'allumage selon 30 l'invention. La présente invention propose de commander une pluralité de bobines-bougies, en utilisant une unique voie d'amplification, autrement dit en utilisant un unique circuit d'alimentation du type amplificateur de puissance classe E comme décrit précédemment à la figure 2, pour alimenter sélectivement la pluralité de bobines- bougies connectées en parallèle en sortie de ce circuit d'alimentation unique. La figure 3 illustre une telle architecture, dans laquelle le circuit d'alimentation 2 unique est utilisé, selon l'invention, pour commander séparément 4 (et par extension N) bobines-bougies, respectivement BB1, BB2, BB3 et BB4, connectées en parallèle sur la sortie du circuit d'alimentation par l'intermédiaire de moyens de connexion. Classiquement, les moyens de connexion sont constitués d'une pluralité de connecteurs 20, chacun étant adapté pour être relié de manière amovible à une bobine-bougie correspondante de la pluralité de bobines-bougies. La condition pour permettre de commander de façon indépendante la pluralité de bobines-bougies par l'intermédiaire de l'unique circuit d'alimentation est que chacune des bobines-bougies de génération de plasma présente une fréquence de résonance propre bien séparée des autres. Il s'agit en effet d'éviter les superpositions des domaines fréquentiels de résonance des résonateurs formant chaque bobine-bougie et ainsi de s'affranchir des problèmes de multiples allumages simultanés. Or, chaque bobine-bougie présentant de préférence une fréquence de résonance identique pour des raisons d'efficacité du processus industriel de production de ces bougies notamment, la présente invention prévoit d'inclure à chaque connecteur 20 des moyens adaptés à décaler, de façon prédéterminée, la fréquence de résonance de la bobine-bougie correspondante, de sorte que chaque bobine-bougie présente une fréquence de résonance distincte. La répartition en fréquence des bobines-bougies ainsi réalisée doit être telle que l'écart de fréquence de résonance entre les bobines-bougies soit, de préférence, supérieure à la bande passante de chaque résonateur. On choisira par exemple un écart supérieur à deux fois la bande passante du résonateur. Une telle répartition des fréquences de résonance des bobines-bougies permet alors de mutualiser l'étage unique d'alimentation, et rend possible de commander séparément les 4 bobines-bougies à partir du seul circuit d'alimentation 2, offrant ainsi des gains en coût et en volume importants pour le système d'allumage. La figure 4a illustre le connecteur 20 de la bobine-bougie BB1. Il est situé à proximité immédiate de cette dernière et est formé par deux conducteurs 21 et 22, nécessaires à la commande. Chaque connecteur 20 intègre alors des moyens 2.3 adaptés à décaler de façon prédéterminée la fréquence de résonance de la bobine-bougie correspondante, de sorte que les fréquences de résonance décalées de l'ensemble des bobines-bougies satisfont alors aux principes définis plus haut, à savoir que les fréquences de résonance de chaque bobine-bougie sont décalées les unes par rapport aux autres d'une valeur de préférence supérieure à deux fois la bande passante de chaque bobine-bougie. Plus précisément, les moyens 23 adaptés à décaler la fréquence de résonance de la bobine-bougie correspondante, comprennent des moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine-bougie, prévus pour être situés à proximité immédiate de celle-ci. Selon un premier mode de réalisation décrit à la figure 4a, ces moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine--bougie comprennent un élément 30 en matériau magnétique, prévu pour être positionné directement contre un bobinage L de la bobine-bougie. L'inductance de la bobine-bougie voit sa valeur modifiée en fonction du matériau magnétique couplé directement à son bobinage et, plus particulièrement, en fonction de la nature du matériau et de la géométrie de l'élément accolé au bobinage. On pourra, à titre d'exemple, utiliser un matériau 15 magnétique de type ferrite. Selon un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 4b, l'élément 30 en matériau magnétique comprend un noyau central 32, prévu pour être inséré dans le bobinage L de la bobine-bougie. 20 Selon une variante, l'élément 30 en matériau magnétique est configuré de sorte à entourer au moins une partie de l'extrémité du bobinage L de la bobine-bougie. Cette configuration présente également l'avantage d'améliorer le coefficient de surtension de la bobine- 25 bougie. On constate cependant que pour répartir les fréquences de résonance des bobines-bougies comme souhaité, il faut pour certains cas, utiliser une ferrite de longueur allant jusqu'à un tiers du bobinage, ce qui 30 peut poser des problèmes d'isolation ou de couplage capacitif entre la ferrite et le bobinage.

Aussi, selon une alternative, le connecteur 20 intègre un bobinage, en lieu et place de l'élément magnétique de type ferrite. Le bobinage ainsi intégré au connecteur est prévu pour être positionné directement au contact du bobinage de i_a bobine-bougie. Le couplage entre les deux bobinages améliore alors grandement le décalage en fréquence. Selon une autre alternative, représentée à la figure 4c, le connecteur 20 intègre à la fois un bobinage 34 et un élément 36 en matériau magnétique, par exemple de type ferrite, prévus pour être positionnés directement au contact de la bobine-bougie. Le bobinage 34 est alors disposé autour de l'élément magnétique 36, lequel peut en outre être configuré de manière à entourer au moins en partie ledit bobinage. Les solutions présentées ci-dessus consistent donc à ajouter au connecteur 20 de chaque bobine-bougie, un élément (ferrite et/ou bobinage) directement contre la bobine-bougie afin de modifier sa fréquence de résonance, de sorte à arriver au résultat que chaque bobine-bougie connectée en parallèle en sortie du circuit d'alimentation unique, présente alors une fréquence de résonance qui lui est propre, décalée les unes par rapport aux autres comme expliqué précédemment.

Selon un mode de réalisation particulier décrit à la figure 5, les connecteurs 20 sont assemblés entre eux par une même pièce de liaison 26, de préférence rigide, faisant alors office de connecteur unique, auquel les éléments de décalage en fréquence susmentionnés sont intégrés, de façon à décaler la fréquence de la bobine-bougie de chaque cylindre de façon prédéterminée.

Un tel connecteur unique, en plus de permettre une minimisation du nombre de pièces et donc une optimisation du processus de fabrication, peut en outre être fixé sur le moteur de façon fiable, de façon à garantir une bonne résistance mécanique aux vibrations, contrairement aux connecteurs distincts classiquement utilisés. Avantageusement, la pièce de liaison formant connecteur unique 26, comprend des moyens de détrompage 27, permettant de la fixer sur la pluralité de bobines- bougies de façon unique. Il est ainsi possible de positionner dans le connecteur unique 26, l'élément 23 générant le décalage en fréquence le plus faible (voire nul) sur le cylindre n 1 par exemple et d'augmenter le décalage en fréquence progressivement jusqu'au cylindre n 4 par exemple. Dans une telle configuration, le dispositif de commande connaît alors d'avance la correspondance entre l'ordre des fréquences de commande des différentes bobines-bougies et l'ordre des cylindres. Cette correspondance est mémorisée dans le dispositif de commande. Le procédé de commande de l'unique circuit d'alimentation doit alors tenir compte de la fréquence adaptée à la voie à commander pour chaque allumage.

Selon l'exemple de la figure 6, à la réception d'une demande d'allumage, le dispositif de commande est tout d'abord à même de déterminer le cylindre à commander, numéroté de 1 à 4 dans l'ordre de disposition sur le moteur. A chaque numéro de cylindre est donc associée la fréquence de résonance, respectivement F1, F2, F3 et F4, propre à la bobine-bougie devant être commandée.

Le dispositif de commande comprend alors un module déterminant la fréquence du signal de commande à générer, parmi ces fréquences F1, F2, F3 et F4, en fonction du numéro de cylindre à allumer et de la correspondance préalablement mémorisée. Une fois la fréquence de commande déterminée, le dispositif de commande applique le signal de commande à ladite fréquence sur une interface de sortie, destiné à la commande de l'interrupteur M.

Le transfert de puissance sélectif vers bobine- bougie à commander pour l'allumage est alors naturellement géré par la fréquence de commande utilisée pour cet allumage. Selon un mode de réalisation particulier, la détermination des fréquences de résonance à obtenir en sortie du circuit d'alimentation unique peut être maîtrisée par des méthodes de tabulation ou d'asservissement comme décrites dans les demandes de brevet français déposées au nom de la demanderesse FR 05- 127669 et FR 05-12770. Par exemple, le dispositif de commande peut être doté d'une interface de réception de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement du moteur (température d'huile moteur, couple moteur, régime moteur, angle d'allumage, température de l'air d'admission, pression dans la chambre de combustion, etc.) et/ou de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement de l'alimentation, ainsi que d'un module mémoire particulier mémorisant des relations entre des signaux de mesures et la fréquence d'un signal de commande à générer. Le dispositif de commande détermine alors la fréquence d'un signal de commande à générer en fonction de signaux de mesures reçus sur l'interface de réception et des relations mémorisées dans le module de mémoire. D'autres applications que la réalisation d'un allumage commandé de moteur à combustion peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention, telles que la réalisation d'un allumage dans un filtre à particule, ou d'un allumage de décontamination dans un système de climatisation.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de génération de plasma, caractérisé en ce qu'il comprend : - un circuit d'alimentation (2), comprenant un interrupteur (M) commandé par un signal de commande (Vl) pour appliquer une tension intermédiaire (Vinter) sur une sortie du circuit d'alimentation à une fréquence définie par le signal de commande, - une pluralité de bobines-bougies (BB1, BB2, BB3, BB4) de génération de plasma, disposées en parallèle sur la sortie du circuit d'alimentation par l'intermédiaire de connecteurs (20), chaque connecteur (20) étant adapté pour être relié de manière amovible à une bobine-bougie correspondante et comprenant des moyens (23) adaptés à décaler la fréquence de résonance de ladite bobine-bougie, de sorte que chaque bobine-bougie présente une fréquence de résonance distincte, - un dispositif de commande (5) du circuit d'alimentation, déterminant la fréquence du signal de commande parmi l'une des fréquences de résonance des bobines-bougies, de façon à commander sélectivement les bobines-bougies selon la fréquence de commande utilisée.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bobine-bougie de génération de plasma comprend un résonateur (1) présentant une fréquence supérieure à 1 MHz et comprenant deux électrodes, le résonateur étant apte à générer un plasma entre les deux électrodes lorsqu'un niveau haute tension est appliqué sur la sortie du circuit d'alimentation.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les connecteurs (20) sont assemblés entre eux par une même pièce de liaison (26).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce de liaison comprend des moyens de détrompage (27) permettant de la fixer sur la pluralité de bobines-bougies de façon unique.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (23) adaptés à décaler la fréquence de résonance d'une bobine-bougie comprennent des moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine- bougie, situés à proximité immédiate de celle-ci.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine-bougie comprennent un bobinage (34), positionné directement au contact d'un bobinage (L) de la bobine-bougie.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bobinage (34) des moyens de modification est disposé autour d'un élément (36) en matériau magnétique.

8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le bobinage (34) des moyens de modification est entouré au moins en partie par un élément (36) en matériau magnétique.

9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de modification de la valeur d'inductance de la bobine--bougie comprennent un élément (30) en matériau magnétique positionné directement contre un bobinage (L) de la bobine-bougie.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément (30) en matériau magnétique entoure au moins une partie de l'extrémité du bobinage de la bobine-bougie.11 Dispositif selon les revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'élément (30) en matériau magnétique comprend un noyau central (32) inséré dans le bobinage de la bobine-bougie. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à caractérisé en ce que le matériau magnétique comprend de la ferrite.