FR2988233A1 - Allumage radiofrequence de moteur de vehicule automobile - Google Patents

Abstract

Circuit d'alimentation d'un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile comprenant . des moyens de commutation (5) ; . des moyens d'alimentation en tension continue (Vinter) ; . un résonateur parallèle (1) comportant en parallèle une capacité (Cp) et une inductance (Lp) ; . un transformateur (7) comportant un bobinage primaire et un bobinage secondaire, le bobinage primaire comprenant l'inductance (Lp) dudit résonateur parallèle (1) et le bobinage secondaire (Lq) étant agencé pour fournir une tension alternative à une fréquence commandée par les moyens de commutation (5) ; caractérisé par le fait que le bobinage primaire (Lp) et le bobinage secondaire (Lq) du transformateur (7) sont disposés de façon concentrique.

Description

La présente invention concerne un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile, et plus particulièrement un circuit d'alimentation d'un tel système d'allumage.

En référence à la figure 1, un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile comprend une bougie d'allumage, par exemple une BME (Bougie Multi-Etincelles), intégrant un résonateur série excité par une source de tension V. Le résonateur série, référencé 100 sur la figure 1, est équivalent électriquement à une structure RLC comportant en série une résistance Rs, une bobine d'inductance Ls et une capacité Cs. Deux électrodes d'allumage 101, 102 sont connectées aux bornes de la capacité Cs du résonateur 100. En fonctionnement, lorsque le résonateur 100 est alimenté par une haute tension alternative à sa fréquence de résonance, l'amplitude de tension aux bornes de sa capacité Cs est amplifiée de telle sorte que des étincelles sont générées entre les deux électrodes 101, 102. La source de tension V est réalisée par un circuit d'alimentation qui doit être capable de générer des impulsions de tension élevée à une fréquence très proche de la fréquence de résonance du résonateur 100. En référence à la figure 2, ce circuit d'alimentation peut comporter un transistor MOS-FET 103, un circuit résonant parallèle 104 et une source de tension continue intermédiaire Vinter.

Le transistor 103 est piloté sur sa grille par un signal de commande Vc, par l'intermédiaire d'un amplificateur, et présente une source reliée à la masse et un drain relié à la source de tension continue intermédiaire Vinter du circuit résonant parallèle 104.

Le circuit résonant parallèle 104 comporte une inductance Lp en parallèle avec une capacité Cp. Il présente une fréquence de résonance proche de la fréquence de résonance du résonateur 100 de la bougie.

Afin d'assurer une isolation galvanique entre le circuit d'alimentation et le résonateur série 100 de la bougie, l'inductance Lp est réalisée par le bobinage primaire d'un transformateur T de rapport un dont le bobinage secondaire Lq est relié d'un côté à la masse et de l'autre côté à la bougie. Le rapport 1 est optimal en ce sens qu'il permet d'avoir un écart de tension constant et égal à la tension d'alimentation, entre les spires en regard au primaire et au secondaire du transformateur. Ceci permet de réduire au minimum l'épaisseur de l'isolant entre le primaire et le secondaire. En conséquence, cette réduction de l'épaisseur de l'isolant permet un meilleur couplage entre le primaire et le secondaire. Le transistor 103 joue un rôle d'interrupteur. En fonctionnement, il commute la tension intermédiaire Vinter appliquée à une borne du circuit résonant parallèle 104 à une fréquence de commutation égale ou très proche de la fréquence de résonnance du circuit résonnant parallèle 104. Le circuit résonant parallèle 104 réglé en résonance alimente alors le résonateur 100 de la bobine bougie par l'intermédiaire du bobinage secondaire du transformateur T par une tension alternative amplifiée à une fréquence égale ou proche de la fréquence de résonance du résonateur 100. Le résonateur 100, en résonance, génère une haute tension alternative aux bornes des électrodes 101, 102, ce qui permet de générer et d'entretenir des étincelles. Un tel circuit d'alimentation présente cependant un inconvénient.

L'utilisation d'un rapport de transformation égal à 1 ne signifie pas que le rapport des tensions entre le primaire et le secondaire est égal à 1. On note en pratique une déchéance de tension, qui est finalement une forte limitation des performances du circuit d'alimentation. La présente invention vise à améliorer la situation.

A cet effet, l'invention concerne un circuit d'alimentation d'un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile comprenant - des moyens de commutation ; - des moyens d'alimentation en tension continue ; - un résonateur parallèle comportant en parallèle une capacité et une inductance ; - un transformateur comportant un bobinage primaire et un bobinage secondaire, le bobinage primaire comprenant l'inductance dudit résonateur parallèle et le bobinage secondaire étant agencé pour fournir une tension alternative à une fréquence commandée par les moyens de commutation ; caractérisé par le fait que le bobinage primaire et le bobinage secondaire du transformateur sont disposés de façon concentrique ou quasi concentrique. L'induction magnétique créée par le courant parcourant un fil diminue en raison inverse de la distance à ce fil. En d'autres termes, cette induction est beaucoup plus élevée à proximité du fil. Grâce à la disposition concentrique du bobinage primaire et du bobinage secondaire du transformateur, une grande partie du flux circulant autour du bobinage primaire passe dans le bobinage secondaire, ce qui réduit fortement l'inductance de fuite au primaire.

Dans un mode de réalisation particulier, le bobinage primaire et le bobinage secondaire sont des bobinages respectivement externe et interne du transformateur. Avec ces constructions, la quasi-totalité du flux circulant autour du bobinage primaire passe dans le bobinage secondaire. Le transformateur peut comprendre une âme autour de laquelle le bobinage secondaire est enroulé, ladite âme et le bobinage secondaire étant entourés par un matériau isolant puis par le bobinage primaire formant un blindage. Chaque bobinage peut comprendre une superposition de couches de circuit imprimé supportant des pistes conductrices respectives reliées entre elles deux à deux, les couches de l'un des deux bobinages, primaire et secondaire, étant intercalées entre les couches de l'autre bobinage. Les pistes conductrices peuvent être en forme d'anneau ouvert, le diamètre des pistes de l'un des bobinages étant plus petit que celui des pistes de l'autre bobinage. Chaque piste conductrice peut être entourée par une piste fermée.

Chacun des deux bobinages, primaire et secondaire, peut comprendre N couches supportant N pistes conductrices respectives, l'un des deux bobinages comprenant deux couches supplémentaires, supérieure et inférieure, dépourvues de piste conductrice et supportant des bornes respectives de connexion.

L'invention porte aussi sur un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile, comprenant - un circuit d'alimentation tel que décrit précédemment ; - un résonateur connecté en sortie du circuit d'alimentation et présentant une fréquence de résonance donnée ; - une paire d'électrodes connectées au résonateur et destinées à générer des étincelles lorsque le résonateur est excité à ladite fréquence de résonance par le circuit d'alimentation. L'invention concerne encore un groupe moto-propulseur intégrant le système d'allumage défini ci-dessus, ainsi que le véhicule automobile comportant ce groupe moto-propulseur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de différents exemples particuliers de réalisation du circuit d'alimentation et du système d'allumage de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma simplifié d'un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile ; - la figure 2 représente le système d'allumage radiofréquence de la figure 1 avec une représentation détaillée de son circuit d'alimentation ; - la figure 3 représente le système d'allumage radiofréquence selon une forme de réalisation particulière de l'invention ; - la figure 4 représente les bobinages primaire et secondaire d'un transformateur du système d'allumage selon un premier exemple particulier de réalisation du transformateur ; - les figures 5A et 5B représentent les bobinages primaire et secondaire d'un transformateur du système d'allumage de la figure 3, selon un second exemple particulier de réalisation du transformateur.

Sur la figure 3, on a représenté un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile. Ce système comprend un circuit d'alimentation 1 et une bougie d'allumage intégrant un résonateur 2 et deux électrodes 3, 4. Dans l'exemple particulier décrit ici, la bougie est une BME (Bougie Multi-Etincelles).

Le résonateur 2 est équivalent électriquement à un circuit RLC comprenant en série une résistance Rs, une inductance Ls et une capacité Cs reliée à la masse. Il présente une fréquence de résonance notée Fo, par exemple comprise entre 1 et 10 Mhz. Les deux électrodes 3, 4 sont connectées aux bornes de la capacité Cs et séparées par un isolant. Le circuit d'alimentation 1 est adapté pour alimenter le résonateur 2 par une tension alternative élevée, par exemple comprise entre 50 et 1000 V, à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonance Fo du résonateur 2. Il comprend : des moyens de commutation comprenant ici un transistor MOS-FET 5, jouant un rôle d'interrupteur ; un résonateur parallèle 6 comprenant en parallèle une capacité Cp et une inductance Lp et dont la fréquence de résonance, notée F1, est égale ou très proche de celle du résonateur 2 de la bougie ; une source de tension continue intermédiaire Vinter ; un transformateur 7 comprenant un bobinage primaire et un bobinage secondaire, le bobinage primaire étant réalisé par l'inductance Lp du résonateur parallèle 6 et le bobinage secondaire Lq alimentant le résonateur 2 de la bougie. Le bobinage primaire Lp du transformateur 7 est relié d'un côté à la source d'alimentation intermédiaire Vinter et de l'autre côté au drain du transistor interrupteur 5.

La source de tension intermédiaire Vinter est destinée à fournir au circuit d'alimentation une tension continue pouvant varier par exemple entre 20 et 250 V. A titre d'exemple illustratif, non limitatif, les éléments représentés sur la figure 3 peuvent avoir approximativement les valeurs suivantes : Cp - 2 nF Lp=Lq-390 nH Rs - 12 CI Ls - 50 pH CS ~ 20 pF. Le transistor interrupteur 5 est piloté sur sa grille par un signal de commande Vc destiné à commander une fréquence de commutation du transistor 5 qui est égale ou sensiblement égale à la fréquence de résonance Fo du résonateur 2 de la bobine bougie, ou éventuellement à un sous-multiple de cette fréquence. Le signal de commande Vc, par exemple de type bruit en créneaux selon un rapport cyclique optimal, est fourni par un étage de commande, non représenté, du véhicule automobile, par l'intermédiaire d'un amplificateur 9. Le transistor 5 présente une source reliée à la masse et un drain relié à la source de tension intermédiaire Vinter par l'intermédiaire du résonateur parallèle 6, comme représenté sur la figure 3. Le transistor 5 est adapté pour commander l'application de la tension intermédiaire Vinter à la borne 8 du résonateur parallèle 6 à la fréquence de commutation définie par le signal de commande Vc.

Le bobinage secondaire du transformateur 7, noté Lq, est connecté à l'entrée de la bougie. Plus précisément, comme représenté sur la figure 3, le bobinage secondaire Lq est relié d'un côté à la masse et de l'autre côté à la résistance Rs du résonateur 2. Ainsi, la bougie est adaptée pour être alimentée par le bobinage secondaire du transformateur 7. La tension aux bornes du bobinage secondaire Lq correspond ainsi à la tension d'alimentation du résonateur 2. Dans la forme de réalisation particulière décrite ici, le transformateur 7 présente un rapport de transformation valant 1. Autrement dit la tension aux bornes du bobinage primaire du transformateur 7 est égale (ou sensiblement égale) à celle aux bornes du bobinage secondaire du transformateur 7. Le transformateur 7 assure une isolation galvanique entre le circuit d'alimentation 1 et la bougie.

En fonctionnement, le transistor 5, piloté par le signal de commande Vc sur sa grille, commande les commutations aux bornes du résonateur parallèle 6 et du résonateur série 2 de la bobine bougie à une fréquence de commutation sensiblement calée sur les fréquences de résonance Fo et F1 des résonateurs 2 et 6 respectivement. Ainsi, le résonateur parallèle 6, excité à sa fréquence de résonance F1, transforme la tension d'alimentation intermédiaire Vinter en une tension périodique, ou alternative, amplifiée aux bornes du bobinage primaire. Cette tension alternative amplifiée, correspond à la tension d'alimentation Vinter multipliée par un coefficient de surtension du résonateur parallèle en résonance. Selon une réalisation avantageuse, le rapport entre la tension d'alimentation et la tension équivalente crête à crête de la tension de sortie est de 3. De plus, le rapport de transformation du transformateur 7 valant ici un, la tension aux bornes du bobinage secondaire Lq est égale à celle aux bornes du bobinage primaire Lp. Par conséquent, le résonateur 2 est alimenté par la tension alternative amplifiée fournie par le bobinage secondaire Lq à une fréquence correspondant à la fréquence de résonance Fo du résonateur 2 de la bougie.

Le résonateur 2, réglé en résonance, génère une haute tension entre les électrodes 3 et 4 de manière à générer et à entretenir des étincelles entre les électrodes 3, 4.

Il apparaît d'autre part important de considérer que le rapport de tension au niveau du transformateur doit prendre en compte les inductances de fuites du transformateur. En particulier, l'inductance de fuite au primaire induit un diviseur selfique des tensions dans le rapport de l'inductance magnétisante au primaire et de l'inductance de fuite au primaire. Comme des faibles valeurs d'inductance magnétisante sont requises (typiquement de l'ordre de 500nH), ce diviseur s'élève alors à un facteur 2/3. Or, la tension au primaire est limitée par la tension maximale admissible entre le drain et la source du transistor. Les modes de réalisation choisis et précisés ci-dessous permettent d'obtenir un transformateur de rapport 1 de très faible inductance de fuite au primaire. Afin de fortement réduire l'inductance de fuite au niveau du bobinage primaire, le bobinage primaire Lp et le bobinage secondaire Lq sont disposés de façon concentrique. Autrement dit, l'enveloppe entourant le bobinage primaire et l'enveloppe entourant le bobinage secondaire sont coaxiales et disposées l'une autour de l'autre. Dans les exemples particuliers de réalisation décrits ci-après, le bobinage primaire Lp et le bobinage secondaire Lq sont respectivement les bobinages externe et interne du transformateur 7. Autrement dit, l'enveloppe du bobinage primaire entoure celle du bobinage secondaire. Grâce à cela, la quasi-totalité du flux circulant autour du bobinage primaire en fonctionnement passe dans le bobinage secondaire. Il en résulte que le transformateur 7 présente une inductance de fuite négligeable au niveau du bobinage primaire.

L'inductance de fuite primaire est due à la partie du flux produit par le bobinage primaire qui ne passe pas dans le bobinage secondaire. L'idée directrice est donc de faire en sorte que le courant du bobinage primaire se répartisse autour du bobinage secondaire. On obtient par exemple ce résultat dans un transformateur de Ruthroff. Dans un premier exemple de réalisation, le transformateur 7 présente une structure analogue à celle d'un câble coaxial, par exemple réalisée en bobinant un câble coaxial. Pour rappel, un câble coaxial comprend une âme centrale, entourée d'un matériau diélectrique isolant puis d'un blindage, une gaine isolante et protectrice entourant le blindage. Le primaire du transformateur est alors constitué par le blindage du câble coaxial et le secondaire du transformateur par le primaire du câble coaxial. Tout le flux produit par le courant primaire circulant dans le blindage du câble produit un flux qui passe aussi à l'intérieur du circuit constitué par l'âme du câble formant le secondaire. L'utilisation d'un câble coaxial est une solution relativement coûteuse. Ainsi, une variante de réalisation du premier exemple de réalisation, illustré par la figure 4, consiste à réaliser le transformateur par trois couches de bobinage de même nombre de spires et d'un fil identique. Chaque couche constitue un bobinage. La première et la dernière couches 10, 12, mises en parallèle, constituent le bobinage primaire, le bobinage secondaire étant constitué par la deuxième couche 11. Dans un deuxième exemple de réalisation, chacun des deux bobinages, primaire et secondaire, est réalisé par une pluralité de couches d'un circuit électrique multicouches.30 En référence aux figures 5A et 5B, chacun des bobinages, primaire 70 et secondaire 71, est réalisé par une pluralité de pistes conductrices 700, 710 réalisées sur des couches 701, 711 respectives superposées de circuit imprimé. Le rapport de transformation du transformateur valant ici un, chaque bobinage (primaire et secondaire) comprend N pistes conductrices. Les N pistes conductrices 700 (710) de chaque bobinage 70 (71) ont ici une forme d'anneau ouvert. On pourrait envisager une autre forme, par exemple une forme de carré ou de rectangle. L'ouverture est ménagée entre deux extrémités de piste dotées de deux plots de connexion 702 (712) respectifs représentés par des points épais sur les figures 5A et 5B. Les pistes conductrices superposées voisines 700 (710) de chaque bobinage 70 (71) sont connectées deux à deux par des liaisons conductrices 703 (713) entre les plots de connexion 702 (712), représentées par des traits verticaux sur les figures 5A et 5B. Les deux pistes conductrices supérieure et inférieure de chaque bobinage sont reliées par un plot de connexion à deux bornes respectives de connexion externe 704 (714), représentées par des traits droit sur les figures 5A et 5B. Les pistes conductrices superposées 700 (710) ainsi reliées forment un bobinage.

Dans l'exemple particulier décrit ici, non limitatif, chaque piste est entourée par une piste fermée 705 (715), optionnelle, ici de forme annulaire. Ces pistes fermées ont pour fonction de limiter l'extension du champ électrique vers le plan de masse du circuit.

Les pistes conductrices du bobinage primaire sont plus larges que celles du bobinage secondaire de manière à ce que l'enveloppe du bobinage primaire entoure l'enveloppe du bobinage secondaire. Dans l'exemple particulier décrit ici, le diamètre des pistes annulaires conductrices du bobinage primaire 70 représenté sur la figure 5A est supérieur au diamètre des pistes annulaires conductrices du bobinage secondaire 71 représenté sur la figure 5B. Le bobinage primaire 70 comprend deux couches supplémentaires, inférieure 707 et supérieure 706, supportant les deux bornes de connexion externe 704. Les deux bornes de connexion 714 du bobinage secondaire 71 sont imprimées sur les couches supérieure et inférieure supportant également des pistes conductrices 710. Ainsi, dans l'exemple particulier décrit ici, le bobinage primaire comprend N+2 couches, dont N couches 701 supportent des pistes conductrices 700 et deux couches supplémentaires, supérieure 706 et inférieure 707, dépourvues de piste conductrice et supportant les deux bornes de connexion 704. Le bobinage secondaire comprend N couches 711 supportant N pistes conductrices respectives 710.

Dans l'exemple particulier décrit ici, le nombre N vaut quatre. On pourrait bien évidemment prévoir un nombre N de couches de pistes conductrices supérieur ou inférieur à quatre. Le transformateur 7 est réalisé par entrelacement des couches du bobinage primaire et des couches du bobinage secondaire, les N couches du bobinage secondaire étant intercalées, entre les N+2 couches du bobinage primaire, chaque couche du bobinage secondaire 71 étant « prise en sandwich », intercalée entre deux couches du bobinage primaire 70. Les couches sont entrelacées de telle sorte que les pistes conductrices du bobinage primaire 70 et celles du bobinage secondaire 71 soient coaxiales. On pourrait envisager que ce soit le bobinage secondaire qui comprennent N+2 couches, le bobinage primaire comprenant N couches.

Dans ce cas, les N couches du bobinage primaire seraient intercalées entre les N+2 couches du bobinage secondaire.

On pourrait envisager que le bobinage secondaire soit le bobinage externe et le bobinage primaire le bobinage interne.

Le système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile qui vient d'être décrit est destiné à être intégré dans un groupe moto-propulseur de véhicule automobile. L'invention concerne donc aussi le groupe moto-propulseur intégrant le système d'allumage et le véhicule automobile comprenant un tel groupe moto-propulseur.10

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Circuit d'alimentation d'un système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile comprenant des moyens de commutation (5) ; des moyens d'alimentation en tension continue (Vinter) ; un résonateur parallèle (1) comportant en parallèle une capacité (Cp) et une inductance (Lp) ; un transformateur (7) comportant un bobinage primaire et un bobinage secondaire, le bobinage primaire comprenant l'inductance (Lp) dudit résonateur parallèle (1) et le bobinage secondaire (Lq) étant agencé pour fournir une tension alternative à une fréquence commandée par les moyens de commutation (5) ; caractérisé par le fait que le bobinage primaire (Lp) et le bobinage secondaire (Lq) du transformateur (7) sont disposés de façon concentrique.
2. 2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, dans lequel le bobinage primaire (Lp) et le bobinage secondaire (Lq) sont des bobinages respectivement externe et interne du transformateur (7).
3. 3. Circuit d'alimentation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le transformateur comprend une âme autour de laquelle le bobinage secondaire est enroulé, ladite âme et le bobinage secondaire étant entourés par un matériau isolant puis par le bobinage primaire formant un blindage.
4. 4. Circuit d'alimentation selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque bobinage (70, 71) comprend une superposition de couches de circuit imprimé (701, 711) supportant des pistes conductricesrespectives (700, 710) reliées entre elles deux à deux, les couches de l'un des deux bobinages, primaire (70) et secondaire (71), étant intercalées entre les couches de l'autre bobinage.
5. 5. Circuit d'alimentation selon la revendication 4, dans lequel les pistes conductrices (700, 710) sont en forme d'anneau ouvert, le diamètre des pistes de l'un des bobinages étant plus petit que celui des pistes de l'autre bobinage.
6. 6. Circuit d'alimentation selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel chaque piste conductrice est entourée par une piste fermée.
7. 7. Circuit d'alimentation selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel chacun des deux bobinages, primaire (70) et secondaire (71), comprend N couches supportant N pistes conductrices respectives et l'un des deux bobinages comprenant deux couches supplémentaires, supérieure (706) et inférieure (707), dépourvues de piste conductrice et supportant des bornes respectives de connexion (704, 714).
8. 8. Système d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile, comprenant un circuit d'alimentation (1) selon l'une des revendications 1 à 7; un résonateur (2) connecté en sortie du circuit d'alimentation (1) et présentant une fréquence de résonance donnée ; une paire d'électrodes (3, 4) connectées au résonateur (2) et destinées à générer des étincelles lorsque le résonateur (2) est excité à ladite fréquence de résonance par le circuit d'alimentation.
9. 9. Groupe moto-propulseur de véhicule automobile comprenant le système d'allumage selon la revendication 8.
10. 10. Véhicule automobile comprenant le groupe moto-propulseur selon la revendication 9.