FR2917565A1 - Dispositif de mesure dans un systeme d'allumage radiofrequence pour un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend :- un circuit d'alimentation (2) d'un allumage radiofréquence, 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 lors d'une commande d'allumage,- un condensateur de mesure (Cmesure), connecté en série entre l'enroulement secondaire et le résonateur,- un circuit de mesure (DIFF) du courant d'ionisation (Iion) des gaz en combustion dans un cylindre d'un moteur à combustion interne associé au résonateur, ledit circuit étant connecté aux bornes du condensateur de mesure, et/ou- un circuit de mesure (RED) de la tension (Vout) aux bornes des électrodes du résonateur lors d'une commande d'allumage, ledit circuit étant connecté aux bornes du condensateur de mesure.

Description

DISPOSITIF DE MESURE DANS UN SYSTEME D'ALLUMAGE RADIOFREQUENCE POUR UN

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE

La présente invention concerne un dispositif de mesure dans un système d'allumage radiofréquence commandé électroniquement d'un moteur à combustion interne, adapté à réaliser la mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur et/ou la mesure de la tension aux bornes des électrodes d'une bougie d'allumage lors d'une commande d'allumage. La mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur s'effectue typiquement après la fin de l'allumage et trouve des applications particulièrement avantageuses, par exemple pour la détection de l'angle correspondant au pic de pression de la chambre de combustion, du cliquetis ou encore pour l'identification des ratés d'allumage. 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 de 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 l'étincelle.

De tels circuits sont classiquement disposés au pied du secondaire d'une bobine d'allumage connectée à la bougie d'allumage. Ces circuits nécessitent cependant d'être dédiés aux caractéristiques de l'allumage classique et ne sont donc 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. La présente invention vise donc notamment à 5 proposer un dispositif de mesure du courant d'ionisation adapté à un système d'allumage radiofréquence. Un autre objet est de permettre, sur la base du même dispositif, de réaliser, cumulativement ou non à la mesure du courant d'ionisation, une mesure de la tension 10 aux bornes des électrodes d'une bobine-bougie radiofréquence lors d'une commande d'allumage. Avec cet objectif en vue l'invention concerne donc un dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend : 15 - un circuit d'alimentation d'un allumage radiofréquence, 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 20 générer une étincelle lors d'une commande d'allumage, - un condensateur de mesure, connecté en série entre l'enroulement secondaire et le résonateur, - un circuit de mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans un cylindre d'un moteur à 25 combustion interne associé au résonateur, ledit circuit étant connecté aux bornes du condensateur de mesure, et/ou - un circuit de mesure de la tension aux bornes des électrodes du résonateur lors d'une commande d'allumage, 30 ledit circuit étant connecté aux bornes du condensateur de mesure.

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. Avantageusement, le dispositif comprend une résistance d'amortissement connectée en parallèle d'un enroulement primaire du transformateur. Selon encore une caractéristique, le dispositif 10 comprend une alimentation continue connectée au pied de l'enroulement secondaire du transformateur. De préférence, le circuit de mesure du courant d'ionisation comprend un circuit différentiateur de la différence de potentiel entre les bornes du condensateur 15 de mesure. De préférence, le circuit de mesure de la tension aux bornes des électrodes du résonateur comprend un circuit redresseur de la tension crête aux bornes du condensateur de mesure. 20 Selon un mode de réalisation, un enroulement primaire du transformateur est connecté d'un côté à une tension d'alimentation et de l'autre côté au drain d'au moins un transistor interrupteur commandé par un signal de commande, le transistor interrupteur appliquant la 25 tension d'alimentation aux bornes de l'enroulement primaire à une fréquence définie par le signal de commande. Avantageusement, le transformateur comprend un rapport de transformation variable. 30 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; - 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 ; - la figure 3 est un schéma illustrant une variante du circuit de la figure 2, et - 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. 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 F, 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. 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 multifilamentaires se développent entre les électrodes, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions de crête inférieures à 25 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. La figure 2 illustre schématiquement un tel circuit d'alimentation 2, détaillée par ailleurs dans la demande de brevet FR 03-10767. 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. 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.

Le transistor M est piloté sur sa grille par un signal logique de commande V1, 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. Ainsi, à proximité de sa fréquence de résonance, le résonateur parallèle 4 transforme la tension d'alimentation continue 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. 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 V1, 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 1kV. Le choix du transistor est donc critique et nécessite un compromis entre tension et courant. 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 Vinter et de l'autre côté, au drain du transistor interrupteur M, commandant l'application de la tension d'alimentation Vinter aux bornes de l'enroulement primaire à la fréquence définie par le signal de commande Vl. 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. 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. La figure 4 illustre alors une adaptation du 25 circuit précédemment décrit en référence à la figure 3 aux besoins de l'invention. Pour ce faire, un condensateur de mesure, de capacité notée Cmesure sur la figure 4, est tout d'abord prévu pour être connecté en série entre l'enroulement 30 secondaire du transformateur du circuit d'alimentation d'allumage radiofréquence 2 et le résonateur 1 de génération de plasma radiofréquence, sur le fil de retour à la masse 6 du transformateur et du résonateur. Comme on le verra plus en détail par la suite, à partir de ce même condensateur de mesure, on pourra réaliser la mesure du courant d'ionisation lors de la combustion des gaz dans la chambre et/ou la mesure de la tension aux bornes des électrodes de la bobine-bougie lors d'une commande d'allumage. Egalement, une alimentation continue fournissant une tension Vpolar, comprise entre 12 et 250V et qui peut donc être la tension de batterie ou la tension d'alimentation continue intermédiaire Vinter, est prévue pour être connectée par l'intermédiaire d'une résistance Rpolar, au pied de l'enroulement secondaire du transformateur. Le rôle de cette alimentation est de polariser l'électrode haute tension de la bobine-bougie connecté en sortie du circuit d'alimentation par rapport à la culasse du moteur. Enfin, une résistance d'amortissement Rstop peut éventuellement. être disposée en parallèle de l'enroulement primaire du transformateur T. Une telle résistance permet d'amortir la tension résiduelle aux bornes de l'enroulement primaire une fois que le transistor M n'est plus commandé, c'est-à-dire après la génération de l'étincelle. La présence de cette résistance permet avantageusement d'effectuer des mesures du courant d'ionisation le plus tôt possible après la fin de la commande d'allumage, comme il sera vu plus en détail par la suite.

Le circuit d'alimentation de la figure 3 est en effet adapté pour réaliser des mesures du courant d'ionisation. Le courant d'ionisation correspond à la propagation du front de flamme au sein de la chambre de combustion. Il s'agit donc d'un signal permettant de suivre l'évolution et le type de combustion qui a lieu. Ce courant d'ionisation est mesurable après la fin de l'étincelle pendant au moins 1 ms et a une amplitude de l'ordre de 20pA. Aussi, la mesure du courant d'ionisation s'effectue après la fin de l'allumage. Plus précisément, à 6250 trs/min par exemple, le moteur effectue une rotation en 10-2s, soit 26ps/ . Comme une combustion dure environ 40 vilebrequin, on accepte une tolérance de 100ps (soit environ 4 vilebrequin à régime maximum) après l'allumage pour atténuer l'éblouissement du circuit de mesure causé par l'allumage.

Comme précisé plus haut, l'amortissement est amélioré par l'ajout d'une résistance parallèle à l'enroulement primaire du transformateur en sortie duquel est connectée la bobine-bougie. La mesure du courant d'ionisation selon l'invention est réalisée aux bornes du condensateur de mesure Cmesure. Pour ce faire, un circuit de mesure DIFF de type différentiateur est connecté aux bornes du condensateur de mesure Cmesure. La mesure du courant d'ionisation s'effectue donc aux bornes du condensateur de mesure Cmesure lors de la combustion. La charge équivalente lors de la combustion peut être modélisée par une résistance Rion d'environ 500 kilo Ohms, connectée en parallèle de la capacité Cs du résonateur 1 de génération de plasma.

Selon l'exemple de réalisation de la figure 4, le circuit différentiateur DIFF utilisé pour la mesure du courant d'ionisation comprend un amplificateur opérationnel 10 alimentée par une tension Vlow, dont l'entrée inverseuse est connectée à une borne du condensateur de mesure Cmesure par l'intermédiaire d'une capacité notée C, de valeur égale par exemple à 100 nF,

dont l'entrée non inverseuse est connectée à l'autre borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire d'une même capacité C, et dont la sortie Vs est rebouclée sur l'entrée non inverseuse par l'intermédiaire d'une résistance, notée R, par exemple égale à 100 Ohms.

L'entrée non inverseuse est en outre polarisée par

l'intermédiaire de la tension d'alimentation de l'amplificateur. Cette tension Vlow est d'abord filtrée par un circuit: RC, comprenant une résistance d'une valeur égale par exemple à 4/5R, en série avec une capacité Cl.

La tension ainsi filtrée VA est alors appliquée sur l'entrée non inverseuse par l'intermédiaire d'un pont résistif diviseur de tension, composé de deux résistances, chacune de valeur égale à 2R par exemple.

La tension de sortie Vs du circuit différentiateur

est donc la dérivée de la différence de potentiel aux bornes de la capacité Cmes, soit : Vs=R Lion+VaR Lion+ 4 Vlow Cmesure 2 Cmesure 10

lion étant le courant d'ionisation. On en déduit alors directement le courant traversant le condensateur 25 Cmesure, qui est le courant d'ionisation : Cmesure lion Vs + Cste RC 4Cmesure Où Cste = - 1ORC

En plus d'être adapté à mesurer le courant d'ionisation lors de la combustion selon les principes 30 exposés ci-dessus, grâce au condensateur de mesure placé en série entre le transformateur T et le résonateur 1, le circuit d'alimentation de la figure 3 peut également être adapté pour réaliser une mesure de la tension Vout aux bornes des électrodes de la bobine-bougie lors d'une commande d'allumage (c'est-à-dire tant qu'un signal de commande est appliqué sur le transistor M). Une telle mesure de la tension peut être utilisée en vue d'un contrôle optimal du développement de l'étincelle. Pour ce faire, un circuit redresseur RED est connecté aux bornes du condensateur de mesure Cmesure, permettant d'extraire la tension crête aux bornes du condensateur de mesure lors d'une commande d'allumage. Le circuit redresseur est réalisé en mettant une diode D en série avec une charge de type résistif de valeur R1, choisie par exemple égale à 100 Ohms, aux bornes de laquelle est obtenue lors d'une commande d'allumage, une tension V's avantageusement proportionnelle à la haute tension Vaut aux bornes des électrodes de la bobine-bougie.

En effet, les capacités parasites du transformateur étant négligeables, l'isolation galvanique permet d'avoir un courant identique à travers le condensateur de mesure Cmesure et le condensateur Cs du résonateur 1 modélisant la bobine-bougie. On obtient donc un diviseur capacitif selon la relation (en considérant comme négligeable l'écart induit par la chute de tension aux bornes de la diode D) . Vs Cs Vout Crnesur e Par exemple, avec Cs=20pF, Cmesure=40nF et Vout 30 compris entre 0 et 24 kV, on obtient le résultat suivant : Vout 0<_V's-- -(12V 2000

Dans un souci d'optimisation du circuit redresseur, on peut disposer en amont de la diode D et en série avec celle-ci, une capacité de découplage, notée C3 sur la

figure 4, d'une valeur par exemple égale à 100 nF, et une résistance R3 à la masse, en vue d'éliminer la composante continue du signal en entrée du circuit redresseur. Une capacité notée C2, d'une valeur par exemple égale à 1 nF, en parallèle de la charge résistive en sortie du circuit

redresseur, permet la mémorisation de la valeur crête de la tension.

Ainsi, la mesure de la tension aux bornes de la capacité de mesure Cmes lors d'une commande d'allumage permet avantageusement d'obtenir une mesure image de la

tension aux bornes des électrodes de la bobine-bougie.

Une telle mesure permet avantageusement :

- de connaître la tension de claquage de la bobine-bougie,

- d'effectuer une recherche de la fréquence de 20 résonance du résonateur 1 par recherche du maximum d'amplification, - d'identifier un pontage (c'est-à-dire une décharge brutale de la capacité Cs du résonateur conduisant à une étincelle unique plutôt qu'une étincelle

25 ramifiée) par écroulement instantané de l'amplitude de la mesure, et encore - de diagnostiquer une déconnexion entre le circuit d'alimentation et la bobine-bougie. La solution décrite dans le cadre de la présente 30 demande permet donc, à partir du même condensateur de mesure monté en série en sortie du circuit d'alimentation 12 de l'allumage radiofréquence, de réaliser à la fois la mesure du courant d'ionisation et la mesure de la tension aux bornes des électrodes de la bobine-bougie lors d'une commande d'allumage, ou encore l'une ou l'autre seulement de ces mesures, selon que l'on choisit d'intégrer les deux circuits précédemment décrits aux fins de la réalisation de ces mesure aux bornes du condensateur Cmesure, ou l'un ou l'autre seulement de ces circuits.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend : un circuit d'alimentation (2) d'un allumage radiofréquence, 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 lors d'une commande d'allumage, - un condensateur de mesure (Cmesure), connecté en série entre l'enroulement secondaire et le résonateur, - un circuit de mesure (DIFF) du courant d'ionisation (lion) des gaz en combustion dans un cylindre d'un moteur à combustion interne associé au résonateur, ledit circuit étant connecté aux bornes du condensateur d.e mesure, et/ou - un circuit de mesure (RED) de la tension (Vout) aux bornes des électrodes du résonateur lors d'une commande d'allumage, ledit circuit étant connecté aux bornes du condensateur de mesure.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur de mesure (Cmesure) 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.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance d'amortissement (Rstop) connectée en parallèle d'un enroulement primaire du transformateur.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une alimentation continue (Vpolar) connectée au pied de l'enroulement secondaire du transformateur.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (DIFF) du courant d'ionisation comprend un circuit différentiateur de la différence de potentiel entre les bornes du condensateur de mesure.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (RED) de la tension (Vout) aux bornes des électrodes du résonateur comprend un circuit redresseur de la tension crête aux bornes du condensateur 15 de mesure.

7. 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 (Vinter) et de l'autre 20 côté au drain d'au moins un transistor interrupteur (M) commandé par un signal de commande (V1), le transistor interrupteur appliquant la tension d'alimentation aux bornes de l'enroulement primaire à une fréquence définie par le signal de commande. 25

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur (T) comprend un rapport de transformation compris entre 1 et 5.