IT201900002513A1 - Dispositivo elettronico per il controllo di una bobina di accensione di un motore a combustione interna e relativo sistema di accensione elettronica per rilevare una mancata combustione nel motore a combustione interna - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
“Dispositivo elettronico per il controllo di una bobina di accensione di un motore a combustione interna e relativo sistema di accensione elettronica per rilevare una mancata combustione nel motore a combustione interna”
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda in generale il settore dell’accensione elettronica di un motore a combustione interna, come ad esempio il motore di un autoveicolo.
Più in particolare, la presente invenzione è relativa ad un dispositivo elettronico per il controllo di una bobina di accensione di un motore a combustione interna e relativo sistema di accensione elettronica che è in grado di rilevare una mancata combustione di una miscela di un comburente con un combustibile (per esempio, ossigeno nell’aria come comburente e benzina come combustibile) in un cilindro del motore, per mezzo della misura della corrente di ionizzazione generata nel cilindro considerato.
Tecnica nota
I moderni motori a combustione interna per autoveicoli sono dotati di sistemi di analisi del processo di combustione interna, allo scopo di massimizzare il rendimento e le prestazioni del motore stesso.
E’ noto misurare la corrente di ionizzazione per ottenere informazioni indicative di parametri del processo di combustione della miscela aria-benzina direttamente dalla camera di combustione.
In particolare, la candela di accensione viene utilizzata come sensore di ioni (tipicamente di tipo CHO<+>, H3O<+>, C3H3<+>, NO2<+>) che vengono generati nella camera di combustione dopo che è stata generata la scintilla fra gli elettrodi della candela e si è verificata la combustione della miscela aria-benzina.
La corrente di ionizzazione è quindi generata applicando una differenza di potenziale agli elettrodi della candela di accensione e misurando la corrente generata per mezzo degli ioni prodotti nella camera di combustione.
Per mezzo della misura della corrente di ionizzazione è possibile rilevare in tempo reale una mancata combustione della miscela ariabenzina (più in generale, di una miscela di un comburente con un combustibile) e quindi intraprendere tempestivamente opportune azioni per evitare guasti del motore.
US 5534781 A1 descrive un sistema per rilevare la corrente di ionizzazione che utilizza (si vedano le Fig.1 e 2) un circuito integratore 45 per calcolare una tensione proporzionale all’integrale della corrente di ionizzazione.
L’integratore 45 è basato su un amplificatore operazionale 46 e comprende due diodi 40, 42 in parallelo collegati in direzioni opposte ed un collegamento in serie di un resistore 44 e di un condensatore 48.
Il segnale generato in uscita dall’integratore 45 viene letto dall’Unità Elettronica di Controllo (ECU) 10.
La Richiedente ha osservato che il circuito integratore 45 di US 5534781 A1 risulta troppo complesso, in quanto richiede l’utilizzo di un amplificatore operazionale 46 e di diversi altri componenti elettronici.
Inoltre US 5534781 è silente relativamente alle modalità con le quali viene trasmessa l’informazione della rilevazione di una mancata combustione dalla bobina 25 alla Unità Elettronica di Controllo 10.
Breve sommario dell’invenzione
La presente invenzione riguarda un dispositivo elettronico per il controllo di una bobina di accensione di un motore a combustione interna e relativo sistema di accensione elettronica per rilevare una mancata combustione nel motore a combustione interna come definito rispettivamente nelle annesse rivendicazioni 1 e 5 e da loro forme di realizzazione preferite descritte rispettivamente nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 4 e da 6 a 11.
La Richiedente ha percepito che il dispositivo elettronico di controllo ed il sistema di accensione elettronica in accordo con la presente invenzione permettono di rilevare una mancata combustione (misfire) di una miscela comburente-combustibile (per esempio, una miscela ariabenzina) nella camera di combustione del cilindro nel motore misurando il valore dell’integrale della corrente di ionizzazione con un circuito integratore molto semplice da realizzare, affidabile e sufficientemente preciso per l’applicazione considerata, riducendo notevolmente anche il calcolo computazionale richiesto all’Unità Elettronica di Controllo posizionata esternamente alla bobina.
Il circuito integratore dell’invenzione è affidabile perchè riduce il rischio di rilevare falsi allarmi di mancata combustione o falsi eventi di presenza della combustione, in quanto fornisce all’Unità Elettronica di Controllo il valore dell’integrale della corrente di ionizzazione, per mezzo del quale l’Unità Elettronica di Controllo è in grado di rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione.
La Richiedente ha percepito anche che il circuito integratore dell’invenzione consente anche di rilevare in modo semplice ed affidabile una pre-accensione della miscela comburente-combustibile che si verifica durante la fase di carica di energia nell’avvolgimento primario, ad esempio causata da un imbrattamento della candela stessa.
Inoltre il dispositivo elettronico di controllo ed il sistema di accensione elettronica in accordo con la presente invenzione forniscono almeno due possibili soluzioni particolarmente efficienti per trasferire l’informazione della misura dell’integrale della corrente di ionizzazione ad una Unità Elettronica di Controllo posizionata esternamente alla bobina, al fine di rilevare la presenza o assenza della mancata combustione della miscela comburente-combustibile e/o la presenza della pre-accensione della miscela comburente-combustibile nella fase di carica di energia nell’avvolgimento primario.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di una forma di realizzazione preferita e di sue varianti fornita a titolo esemplificativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- le Figure 1A-1C mostrano gli schemi a blocchi di un sistema di accensione elettronica secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;
- le Figure 2A-2C mostrano schematicamente un possibile andamento di alcuni segnali generati nel sistema di accensione elettronica durante tre cicli di combustione secondo la forma di realizzazione dell’invenzione, nel caso in cui si verichino due corrette accensioni della miscela comburente-combustibile ed una mancata combustione della miscela comburente-combustibile;
- la Figura 3 mostra gli schemi a blocchi del sistema di accensione elettronica in base ad una variante della forma di realizzazione dell’invenzione;
- le Figure 4A-4C mostrano schematicamente un possibile andamento di alcuni segnali generati nel sistema di accensione elettronica in base alla variante della forma di realizzazione dell’invenzione;
- la Figura 5 mostra schematicamente un possibile andamento di alcuni segnali generati nel sistema di accensione elettronica in base all’invenzione, nel caso in cui si verifichi una pre-accensione della miscela comburente-combustibile.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Si osservi che nella descrizione seguente blocchi, componenti o moduli identici o analoghi sono indicati nelle figure con gli stessi riferimenti numerici, anche se sono mostrati in differenti forme di realizzazione dell’invenzione.
Con riferimento alle Figure 1A, 1B, 1C, viene mostrato un sistema 15 di accensione elettronica per un motore a combustione interna secondo la forma di realizzazione dell’invenzione.
Il sistema di accensione elettronica 15 può essere montato su un qualunque veicolo a motore, come ad esempio un autoveicolo, un motoveicolo o un camion.
Il sistema di accensione 15 comprende:
- una bobina di accensione 2;
- una candela di accensione 3;
- un dispositivo elettronico di controllo 1;
- una Unità Elettronica di Controllo 20.
L’Unità Elettronica di Controllo 20 (comunemente indicata in inglese con ECU= Electronic Control Unit) è una unità di elaborazione (per esempio, un microprocessore), la quale è posizionata sufficientemente lontano dalla testa del motore a combustione interna, in modo da non essere influenzata dalla elevata temperatura di lavoro della bobina di accensione 2.
Il dispositivo elettronico di controllo 1 e la bobina 2 sono invece posizionate in prossimità della testa del motore e sono progettate per tollerare le elevate temperature di lavoro della testa del motore.
La candela di accensione 3 è collegata all’avvolgimento secondario 2-2 della bobina di accensione 2.
In particolare, la candela di accensione 3 comprende un primo elettrodo collegato all’avvolgimento secondario 2-2 e comprende un secondo elettrodo collegato alla tensione di riferimento a massa.
La candela di accensione 3 ha la funzione di generare una scintilla ai capi dei suoi elettrodi e la scintilla consente di bruciare la miscela ariabenzina contenuta in un cilindro del motore a combustione interna.
Si osservi che ai fini della spiegazione dell’invenzione si considera in seguito una miscela aria-benzina, ma più in generale l’invenzione è applicabile ad una miscela di un comburente (anche diverso dall’aria) con un combustibile (anche diverso dalla benzina).
La bobina di accensione 2 ha un avvolgimento primario 2-1, un avvolgimento secondario 2-2 ed un nucleo magnetico 2-3 per accoppiare induttivamente l’avvolgimento primario 2-1 con l’avvolgimento secondario 2-2.
Il sistema di accensione 15 è tale da funzionare in base a tre fasi di funzionamento:
- una prima fase di carica, in cui viene effettuata la carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1, per mezzo della corrente primaria I_pr che scorre attraverso l’avvolgimento primario 2-1 con andamento crescente;
- una seconda fase di trasferimento di energia, in cui viene effettuato il trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2, generando quindi la scintilla sugli elettrodi della candela di accensione 3 e quindi bruciando la miscela aria/carburante contenuta nel cilindro del motore a combustione interna;
- una terza fase di misura della corrente di ionizzazione, in cui viene effettuata la misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
La terza fase di misura della corrente di ionizzazione comprende inoltre una fase chimica ed una successiva fase termica.
Il dispositivo elettronico di controllo 1 comprende:
- una unità di pilotaggio 5;
- un interruttore ad alta tensione 4;
- un circuito di polarizzazione 6;
- un circuito integratore 7;
- una unità di controllo locale 9.
Preferibilmente, il dispositivo dispositivo elettronico di controllo 1 è un unico componente racchiuso in un involucro, ovvero l’unità di pilotaggio 5, l’interruttore ad alta tensione 4, il circuito di polarizzazione 6 ed il circuito integratore 7 sono racchiusi in un unico involucro; per esempio, l’unità di pilotaggio 5, l’interruttore ad alta tensione 4, il circuito di polarizzazione 6 ed il circuito integratore 7 sono montati su una stessa piastra a circuito stampato.
Alternativamente, il circuito di polarizzazione 6 ed il circuito integratore 7 sono racchiusi in un unico involucro, mentre l’unità di pilotaggio 5 e l’interruttore ad alta tensione 4 sono esterni a detto involucro; per esempio, l’unità di pilotaggio 5 e/o l’interruttore ad alta tensione 4 sono racchiusi all’interno dell’Unità Elettronica di Controllo 20.
L’avvolgimento primario 2-1 comprende un primo terminale atto a ricevere una tensione di batteria V_batt (per esempio, uguale a 12 Volt) e comprende inoltre un secondo terminale collegato all’interruttore ad alta tensione 4 ed atto a generare una tensione primaria V_pr.
Inoltre si indicherà in seguito con “caduta di tensione ai capi dell’avvolgimento primario 2-1” la differenza di potenziale fra il primo terminale ed il secondo terminale dell’avvolgimento primario 2-1.
L’avvolgimento secondario 2-2 è collegato alla candela di accensione 3; in particolare, l’avvolgimento secondario 2-2 comprende un primo terminale collegato ad un primo elettrodo della candela di accensione 3 ed atto a generare una tensione secondaria V_sec e comprende un secondo terminale collegato verso una tensione di riferimento a massa attraverso il circuito di polarizzazione 6 ed il circuito integratore 7, come mostrato nelle Figure 1A-1C.
Si indicherà in seguito con “corrente primaria” I_pr la corrente che scorre attraverso l’avvolgimento primario 2-1 e con “corrente secondaria” I_sec la corrente che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 durante la seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2.
Preferibilmente, un resistore è interposto fra la candela di accensione 3 e l’avvolgimento secondario 2-2, avente la funzione di attenuare il rumore.
L’interruttore ad alta tensione 4 è collegato in serie all’avvolgimento primario 2.1.
Con il termine “alta tensione” si intende che la tensione del terminale I4i dell’interruttore 4 è maggiore di 200 Volt.
In particolare, l’interruttore ad alta tensione 4 comprende un primo terminale I4i collegato al secondo terminale dell’avvolgimento primario 2.1, comprende un secondo terminale I4o collegato alla tensione di riferimento a massa e comprende un terminale di controllo I4c collegato all’unità di pilotaggio 5.
L’interruttore ad alta tensione 4 è commutabile fra una posizione chiusa ed una aperta, in funzione del valore di un segnale di controllo S_ctrl ricevuto sul terminale di controllo I4c.
Preferibilmente, l’interruttore ad alta tensione 4 è realizzato con un transistore di tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) avente un terminale di collettore che coincide con il terminale I4i, avente un terminale di emettitore che coincide con il terminale I4o ed avente un terminale di gate che coincide con il terminale I4c; in questo caso quindi la tensione primaria V_pr è uguale alla tensione del terminale di collettore del transistore IGBT 4.
In particolare, il transistore IGBT 4 è tale da funzionare nella zona di saturazione quando è chiuso e nella zona di interdizione quando è aperto.
Il transistore IGBT 4 è tale da funzionare con valori di tensione maggiori di 200 Volt.
Alternativamente, l’interruttore ad alta tensione 4 può essere realizzato con un transistore ad effetto di campo (MOSFET, JFET), oppure con due transistori bipolari a giunzione (BJT) oppure può essere un interruttore (relè) a stato solido.
L’unità di pilotaggio 5 è alimentata con una tensione di alimentazione VCC minore di o uguale alla tensione di batteria V_batt.
Per esempio, se si suppone che il valore della tensione di batteria V_batt sia uguale a 12 V, il valore della tensione di alimentazione VCC può essere uguale a 8,2 V, 5 V o 3.3 V.
Il circuito di polarizzazione 6 ha la funzione di polarizzare la candela di accensione 3 in modo da generare un flusso di corrente di ionizzazione I_ion durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
Il circuito di polarizzazione 6 è interposto fra il secondo terminale dell’avvolgimento secondario 2-2 ed il circuito integratore 7.
Preferibilmente, il circuito di polarizzazione 6 comprende il collegamento in parallelo di un primo condensatore C6 (indicato in seguito con “condensatore di polarizzazione”) e di un primo diodo Zener DZ8, collegati elettricamente come mostrato nelle Figure 1A-1C.
Il condensatore di polarizzazione C6 comprende un primo terminale collegato al terminale di catodo del primo diodo Zener DZ8, i quali sono collegati al secondo terminale dell’avvolgimento secondario 2-2.
Il condensatore di polarizzazione C6 comprende un secondo terminale collegato al circuito integratore 7.
Il condensatore di polarizzazione C6 ha la funzione di generatore di energia elettrica per forzare la corrente di ionizzazione I_ion a scorrere dopo il termine della scintilla della candela 3.
Infatti il condensatore di polarizzazione C6 viene caricato durante la seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario al secondario e viene scaricato almeno parzialmente per mezzo della corrente di ionizzazione I_ion durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion.
Verrà indicata in seguito con V_C6 la caduta di tensione ai capi del condensatore di polarizzazione C6.
Si osservi che il valore della capacità del condensatore di polarizzazione C6 è molto minore rispetto al valore della capacità di condensatori utilizzati in circuiti di polarizzazione secondo le soluzioni note che misurano la corrente di ionizzazione, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
Per esempio, la capacità del condensatore di polarizzazione C6 è compresa fra 10 nano Farad e 150 nano Farad.
Nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione il condensatore di polarizzazione C6 può scaricarsi (parzialmente o completamente) sia circa alla fine della corrente di ionizzazione (come mostrato in Figura 2A), sia poco dopo o poco prima la fine della corrente di ionizzazione I_ion.
Il primo diodo Zener DZ8 comprende il terminale di catodo collegato al secondo terminale dell’avvolgimento secondario 2-2 e comprende il terminale di anodo collegato al circuito integratore 7.
Il primo diodo Zener DZ8 è tale da avere una prima modalità di funzionamento in cui la caduta di tensione ai suoi capi è uguale alla tensione di Zener Vz (per esempio, uguale a 200 Volt) quando è polarizzato inversamente (ovvero quando la tensione del terminale di anodo è minore di quella del terminale di catodo), ed è tale da avere una seconda modalità di funzionamento in cui funziona come un normale diodo quando è polarizzato direttamente (ovvero quando la tensione del terminale di anodo è maggiore di quella del terminale di catodo, per esempio di circa 0,7 Volt).
Durante la seconda fase di trasferimento di energia il primo diodo Zener DZ8 viene polarizzato inversamente ed ha la funzione di limitare il valore della tensione ai capi del condensatore di polarizzazione C6 che si carica fino a raggiungere un valore massimo uguale alla tensione di Zener del primo diodo Zener DZ8, che verrà indicata in seguito con V_DZ8 (per esempio, V_DZ8 è uguale a 200 Volt).
Durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione il primo diodo Zener DZ8 viene polarizzato direttamente; per esempio, la tensione ai capi del primo diodo Zener DZ8 è uguale a circa 0,7 Volt.
Il circuito integratore 7 ha la funzione di misurare il valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion, effettuando una conversione corrente-tensione e generando un segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion rappresentativo del valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion misurata durante la terza fase del ciclo di accensione, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
Il circuito integratore 7 è collegato fra il circuito di polarizzazione 6 e la tensione di riferimento a massa.
Durante la seconda fase di trasferimento di energia (in cui avviene la scintilla sugli elettrodi) viene effettuato l’azzeramento del circuito integratore 7 in modo da consentire durante la terza fase di effettuare la misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
Più in particolare, il circuito integratore 7 comprende il collegamento in parallelo di un secondo condensatore C4 (indicato in seguito con “condensatore di integrazione”) e di un secondo diodo Zener DZ11, come mostrato nelle Figure 1A-1C.
Il condensatore di integrazione C4 comprende un primo terminale collegato al terminale di anodo del secondo diodo Zener DZ11, i quali sono collegati al circuito di polarizzazione 6, in particolare collegati al secondo terminale del condensatore di polarizzazione C6 ed al terminale di anodo del primo diodo Zener DZ8.
Il condensatore di integrazione C4 comprende inoltre un secondo terminale collegato al terminale di catodo del secondo diodo Zener DZ11, i quali sono collegati alla tensione di riferimento a massa.
Il condensatore di integrazione C4 ha la funzione di accumulare (durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion) la carica generata dal flusso della corrente di ionizzazione I_ion, misurando pertanto un valore che è funzione dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion; in particolare, il valore misurato per mezzo del condensatore di integrazione C4 è crescente (per esempio, direttamente proporzionale) al crescere del valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
Inoltre il condensatore di integrazione C4 viene automaticamente scaricato completamente (dalla sua eventuale carica residua) durante la seconda fase di trasferimento di energia per mezzo dell’impulso della corrente secondaria I_sec che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2, ovvero quando avviene la scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3.
Pertanto il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion rappresenta la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4, la quale è funzione (per esempio, è direttamente proporzionale) del valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion misurata durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion.
Il secondo diodo Zener DZ11 comprende il terminale di anodo collegato al primo terminale del condensatore di integrazione C4, i quali sono collegati al circuito di polarizzazione 6, in particolare collegati al secondo terminale del condensatore di polarizzazione C6 ed al terminale di anodo del primo diodo Zener DZ8.
Il secondo diodo Zener DZ11 comprende inoltre il terminale di catodo collegato al condensatore di integrazione C4, i quali sono collegati alla tensione di riferimento a massa.
Il secondo diodo Zener DZ11 è tale da avere una prima modalità di funzionamento in cui la tensione ai suoi capi è uguale alla tensione di Zener Vz (per esempio, uguale a 15 Volt) quando è polarizzato inversamente (ovvero quando la tensione del terminale di anodo è minore di quella del terminale di catodo), ed è tale da avere una seconda modalità di funzionamento in cui funziona come un normale diodo quando è polarizzato direttamente (ovvero quando la tensione del terminale di anodo è maggiore di quella del terminale di catodo di circa 0,7 Volt).
Durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion, il secondo diodo Zener DZ11 viene polarizzato inversamente ed ha la funzione di limitare il valore della tensione di integrazione V_int_I_ion ai capi del condensatore di integrazione C4 ad un valore massimo uguale alla tensione di Zener V_DZ11 del secondo diodo Zener DZ11, nel caso in cui il valore della tensione di integrazione V_int_I_ion nella terza fase raggiunga un valore elevato: questo consente di collegare (direttamente o indirettamente) il primo terminale del condensatore di integrazione C4 all’unità di controllo locale 9 (per esempio, un piccolo microprocessore), senza danneggiarla.
Per esempio, la tensione di Zener V_DZ11 del secondo diodo Zener DZ11 è uguale a 15 Volt e quindi il valore della tensione di integrazione V_int_I_ion ai capi del condensatore di integrazione C4 è limitata ad un valore Vint_max=V_DZ11= -15 Volt, ovvero la caduta di tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 (durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione) è limitata ad un valore negativo definito uguale a -15 Volt.
Durante la seconda fase di trasferimento di energia il secondo diodo Zener DZ11 viene polarizzato direttamente ed ha la funzione di mantenere la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 ad un valore sostanzialmente nullo; per esempio, durante la seconda fase di trasferimento di energia la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 è limitata ad un valore positivo uguale a circa 0,7 Volt.
L’Unità Elettronica di Controllo 20 ha la funzione di controllare il funzionamento della bobina di accensione 2, allo scopo di generare all’istante corretto la scintilla ai capi della candela di accensione 3.
In particolare, l’Unità Elettronica di Controllo 20 comprende un terminale d’uscita atto a generare il segnale di accensione S_ac avente una transizione da un primo ad un secondo valore (per esempio, da un valore logico basso ad alto) per terminare la prima fase di carica dell’avvolgimento primario 2-1 ed attivare la seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
L’unità di pilotaggio 5 (per esempio, un micro-controllore) ha la funzione di controllare il funzionamento dell’interruttore ad alta tensione.
L’unità di pilotaggio 5 comprende un primo terminale d’ingresso atto a ricevere un segnale di accensione S_ac avente una transizione da un valore ad un altro (per esempio, una transizione da un valore logico alto a basso, o viceversa) e comprende un primo terminale d’uscita atto a generare, in funzione del valore del segnale di accensione S_ac, il segnale di controllo S_ctrl per comandare l’apertura o la chiusura dell’interruttore ad alta tensione 4.
In particolare, l’unità di pilotaggio 5 è configurata per ricevere il segnale di accensione S_ac avente un primo valore (per esempio, un valore logico alto) e per generare il segnale di controllo S_ctrl avente un primo valore (per esempio, un valore di tensione maggiore di zero) per comandare la chiusura dell’interruttore ad alta tensione 4.
Inoltre l’unità di pilotaggio 5 è configurata per ricevere il segnale di accensione S_ac avente un secondo valore (per esempio, un valore logico basso) e per generare il segnale di controllo S_ctrl avente un secondo valore (per esempio, un valore di tensione nullo) per comandare l’apertura dell’interruttore ad alta tensione 4, interrompendo quindi bruscamente il flusso della corrente primario I_pr che scorre attraverso l’avvolgimento primario 2-1: questo causa un impulso di tensione sul secondo terminale dell’avvolgimento primario 2-1 di breve durata, tipicamente con valori di picco di 200-450 V e con durata di pochi micro-secondi.
Di conseguenza, l’energia accumulata nell’avvolgimento primario 2-1 viene trasferita sull’avvolgimento secondario 2-2; in particolare, viene generato un impulso di tensione sul primo terminale dell’avvolgimento secondario 2-2 di valore elevato, tipicamente uguale a 15-50 kV, che è sufficiente ad innescare la scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3.
L’unità di controllo locale 9 (per esempio, un micro-processore o un micro-controllore) ha la funzione di raccogliere e trasferire verso l’Unità Elettronica di Controllo 20 l’informazione del valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion, allo scopo di rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro in cui è posizionata la candela di accensione 3, per mezzo dell’utilizzo di un canale di comunicazione separato.
La mancata combustione può essere causata ad esempio da un iniettore guasto, oppure dalla candela di accensione 3 guasta oppure per altre cause interne alla camera di combustione.
L’unità di controllo locale 9 è elettricamente collegata con il circuito integratore 7 e con l’Unità Elettronica di Controllo 20.
In particolare, l’unità di controllo locale 9 comprende un primo terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di accensione Sac, comprende un secondo terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion rappresentativo della tensione V_C4 ai capi del condensatore di integrazione C4 del circuito integratore 7 (ovvero rappresentativo dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion) e comprende un terminale d’uscita atto a generare una tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta per ogni ciclo un impulso di tensione (si vedano I1, I2, I3, I4 nelle Figure 2A-C) avente una durata T (si vedano T1, T2, T3, T4 nelle Figure 2A-C) che dipende dal valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion nel ciclo precedente, ovvero T è funzione del valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion nel ciclo precedente.
Si osservi che il valore della tensione di integrazione V_int_I_ion generata durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion ha un andamento negativo e quindi viene utilizzato un invertitore all’interno dell’unità di controllo 9 in modo da generare una tensione di integrazione avente un andamento positivo.
La tensione di monitoraggio combustione S_id verrà utilizzata dall’Unità Elettronica di Controllo 20 per rilevare in ciascun ciclo di combustione la presenza o assenza di una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro in cui è montata la candela di accensione 3, come verrà spiegato più in dettaglio in seguito.
In particolare, la durata T dell’impulso di tensione della tensione di monitoraggio combustione S_id è funzione (per esempio, è direttamente proporzionale) del valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion nel ciclo di accensione precedente, ovvero è funzione (per esempio, direttamente proporzionale) al valore della tensione di integrazione V_int_I_ion rilevata ai capi del condensatore di integrazione C4 nel ciclo di accensione precedente.
L’unità di controllo 9 nel ciclo precedente è quindi configurata per generare la tensione di monitoraggio combustione S_id in funzione del segnale di accensione S_ac ed in funzione del segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion che trasporta il valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion nel ciclo di accensione precedente:
- quando il segnale di accensione S_ac ha un fronte crescente (si vedano gli istanti t1, t10, t20, t30 nelle Fig.2A-C), viene generato un fronte crescente dell’impulso di tensione della tensione di monitoraggio combustione S_id (si vedano nelle Fig.2A-C i fronti crescenti degli impulsi di tensione I1, I2, I3, I4):
- la durata T dell’impulso di tensione della tensione di monitoraggio combustione S_id è funzione (per esempio, direttamente proporzionale) del valore della tensione di integrazione V_int_I_ion della fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion nel ciclo di accensione precedente (si vedano nelle Fig.2A-C i fronti decrescenti agli istanti t1.1, t10.1, t20.1, t30.1 degli impulsi I1, I2, I3, I4 con durata rispettivamente T1, T2, T3, T4).
L’Unità Elettronica di Controllo 20 ha quindi l’ulteriore funzione di rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro in cui è montata la candela di accensione 3.
In questo caso l’Unità Elettronica di Controllo 20 comprende un terminale d’ingresso atto a ricevere la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta, per ogni ciclo di accensione, un impulso di tensione avente una durata T che dipende dal valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
L’Unità Elettronica di Controllo 20 è quindi configurata per rilevare, in funzione del valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion, la presenza o assenza di una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro in cui è montata la candela di accensione 3.
Più in particolare, l’Unità Elettronica di Controllo 20 effettua, per ogni ciclo di accensione, un confronto della durata T dell’impulso di tensione (che dipende dal valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion) rispetto ad una soglia di accensione, al fine di rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione in ciascun ciclo di accensione.
Vantaggiosamente, il valore della soglia di accensione è variabile e dipende dalle condizioni operative del motore, come ad esempio il numero dei giri del motore ed il carico del motore.
L’Unità Elettronica di Controllo 20 ha inoltre la funzione di rilevare, in funzione del valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion, una presenza o assenza di una pre-accensione della miscela ariabenzina o di un imbrattamento della candela di accensione 3, ovvero viene rilevata la presenza di una scintilla indesiderata durante la fase di carica dell’avvolgimento primario 2-1.
Nella Figura 1A viene mostrato il sistema di accensione elettronica 15 durante la prima fase di carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1, in cui l’interruttore ad alta tensione 4 è chiuso: in questa configurazione scorre un flusso di corrente I_chg (si veda la Figura 1A) dalla tensione di batteria V_batt verso massa, attraversando il primo avvolgimento primario 2-1 e l’interruttore ad alta tensione 4; pertanto il valore di detto flusso di corrente I_chg è uguale al valore della corrente primaria I_pr che scorre nell’avvolgimento primario 2-1.
Nella Figura 1B viene mostrato il sistema di accensione elettronica 15 durante la seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2, in cui l’interruttore ad alta tensione 10 è aperto: in questa configurazione scorre un flusso di corrente I_tr (si veda la Figura 1B) attraverso la candela di accensione 3, l’avvolgimento secondario 2-2, il circuito di polarizzazione 6 ed il circuito integratore 7.
Nella Figura 1C viene mostrato il sistema di accensione elettronica 15 durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion e viene mostrata la generazione del segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion rappresentativo del valore di una misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
E’ possibile osservare che l’interruttore ad alta tensione 4 è aperto e scorre la corrente di ionizzazione I_ion attraverso il circuito integratore 7, il circuito di polarizzazione 6, l’avvolgimento secondario 2-2 e la candela di accensione 3 (si vedano nuovamente le Figure 1C e 2C).
Con riferimento alle Figure 2A-2C, viene mostrato un possibile andamento del segnale di accensione S_ac, del segnale di controllo S_ctrl, della corrente primaria I_pr, della corrente secondaria I_sec, della corrente di ionizzazione I_ion, della tensione di integrazione V_int_I_ion e della tensione di monitoraggio combustione S_id secondo la forma di realizzazione dell’invenzione.
Si osservi che ai fini della spiegazione dell’invenzione le Figure 2A-2C mostrano il segnale della corrente secondaria I_sec separato da quello della corrente di ionizzazione I_ion, ma in realtà si tratta della corrente che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 in due diverse fasi di funzionamento del sistema di accensione elettronica 15, rispettivamente nella seconda fase di trasferimento di energia avente durata T_tr e nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione avente durata T_ion: questa separazione è utile anche perché l’ordine di grandezza della corrente è diverso, ovvero centinaia di mA [milli Ampere] nel caso della corrente secondaria I_sec nella seconda fase di trasferimento di energia e centinaia di µA [micro Ampere] nel caso della corrente di ionizzazione I_ion.
Si osservi che i segnali rappresentati nelle Figure 2A-C non sono in scala e che il contenuto della descrizione ha la precedenza rispetto a valori ricavati dai segnali.
La Figura 2A mostra un primo ciclo di accensione compreso fra t1 e t10 e la Figura 2B mostra un secondo ciclo di accensione compreso fra gli istanti t10 e t20: in entrambi i cicli si verifica una corretta combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro nel motore, ovvero si verifica una corretta scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3.
Diversamente, la Figura 2C mostra un terzo ciclo di accensione compreso fra gli istanti t10 e t20 in cui si verifica una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro nel motore, ovvero nella seconda fase di trasferimento energia non si verifica una scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3.
L’andamento dei segnali continua in cicli di accensione successivi al terzo, di cui è mostrato solo una porzione di un quarto ciclo successivo al terzo ciclo.
E’ possibile osservare per il primo e secondo ciclo di accensione che sono presenti le tre fasi di funzionamento del sistema di accensione elettronica 15:
- la prima fase di carica dell’avvolgimento primario 2-1 ha una durata T_chg ed è compresa fra gli istanti t1 e t2 per il primo ciclo, fra gli istanti t10 e t12 per il secondo ciclo: in questi istanti inizia ad essere azzerato il circuito integratore 7, in particolare il condensatore di integrazione C4 inizia a scaricarsi lentamente e si scarica parzialmente attraverso il carico visto dal terminale O4 del condensatore di integrazione C4;
- la seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2 ha una durata T_tr ed è compresa fra gli istanti t2 e t5 per il primo ciclo, fra gli istanti t12 e t15 per il secondo ciclo: in questi istanti si suppone che venga generata correttamente la scintilla ai capi degli elettrodi della candela di accensione 3, viene azzerato il circuito integratore 7 (in particolare, viene scaricato velocemente il condensatore di integrazione C4 verso un valore sostanzialmente nullo) ed inoltre viene caricato il condensatore di polarizzazione C6 del circuito di polarizzazione 6 fino a raggiungere il valore della tensione di Zener V_DZ8 del primo diodo Zener DZ8;
- la terza fase di misura della corrente di ionizzazione e generazione della tensione di integrazione V_int_I_ion ha una durata T_ion ed è compresa fra gli istanti t5 e t10 per il primo ciclo, fra gli istanti t15 e t20 per il secondo ciclo: in questi istanti il condensatore di polarizzazione C6 del circuito di polarizzazione 6 funziona da generatore di energia elettrica per forzare la corrente di ionizzazione I_ion a scorrere e quindi il condensatore di polarizzazione C6 del circuito di polarizzazione 6 viene scaricato almeno parzialmente per mezzo del flusso della corrente di ionizzazione I_ion, inoltre viene misurato (per mezzo della rilevazione della tensione di integrazione V_int_I_ion ai capi del condensatore di integrazione C4) un valore che è funzione (per esempio, direttamente proporzionale) dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion per mezzo della carica del condensatore di integrazione C4 fino a quando la tensione di integrazione V_int_I_ion raggiunge un valore massimo Vint_max (limitato alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11, nel caso in cui il valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion sia un valore elevato).
Inoltre è possibile osservare che anche per il terzo ciclo di accensione sono presenti le tre fasi di funzionamento del sistema di accensione elettronica 15:
- la prima fase di carica dell’avvolgimento primario 2-1 ha una durata T_chg ed è compresa fra gli istanti t20 e t22: in questi istanti viene effettuata la carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1 e si scarica parzialmente e lentamente il condensatore di integrazione C4;
- la seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2 ha una durata T_tr ed è compresa fra gli istanti t22 e t25: in questi istanti si suppone che si verifichi una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro in cui è montata la candela di accensione 3;
- la terza fase di misura della corrente di ionizzazione e generazione della tensione di integrazione V_int_I_ion ha una durata T_ion ed è compresa fra gli istanti t25 e t30: diversamente dalla terza fase del primo e secondo ciclo, in questa terza fase del terzo ciclo la corrente di ionizzazione I_ion è sostanzialmente nulla a causa della mancata accensione della miscela aria-benzina e quindi il condensatore di integrazione C4 non viene caricato (ovvero rimane scarico ad un valore sostanzialmente nullo, per esempio 0,7 Volt), pertanto viene misurato (per mezzo della rilevazione della tensione di integrazione V_int_I_ion) un valore sostanzialmente nullo (ovvero molto piccolo) dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
Più in dettaglio, nella prima fase di carica (istanti compresi fra t1 e t2 per il primo ciclo, fra t10 e t12 per il secondo ciclo e fra t20 e t22 per il terzo ciclo) l’interruttore ad alta tensione 4 è chiuso, la corrente primaria I_pr ha un andamento crescente dal valore nullo ad un valore massimo Ipr_max, il valore della corrente secondaria I_sec è sostanzialmente nullo, la corrente di ionizzazione I_ion è nulla ed il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion è nullo (primo ciclo) oppure aumenta lentamente (secondo ciclo) verso il valore sostanzialmente nullo.
Nella seconda fase di trasferimento di energia (intervallo di tempo compreso fra t2 e t5 per il primo ciclo, fra t12 e t15 per il secondo ciclo e fra t22 e t25 per il terzo ciclo) si verifica il seguente funzionamento:
- l’interruttore ad alta tensione 4 è aperto, la corrente primaria I_pr è sostanzialmente nulla, la corrente secondaria I_sec ha agli istanti t2 (primo ciclo), t12 (secondo ciclo) e t22 (terzo ciclo) un impulso di valore massimo Isec_max e poi ha un andamento decrescente dal valore massimo Isec_max fino a raggiungere il valore sostanzialmente nullo rispettivamente agli istanti t4 (primo ciclo), t14 (secondo ciclo) e t24 (terzo ciclo);
- il condensatore C4 si scarica velocemente e quindi il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion aumenta prima velocemente verso il valore nullo all’inizio del secondo ciclo (ovvero fra gli istanti t2 e t3 per il primo ciclo, fra gli istanti t12 e t13 per il secondo ciclo, fra gli istanti t22 e t23 per il terzo ciclo) fino a raggiungere un valore sostanzialmente nullo (per esempio, circa 0,7 Volt uguale alla tensione ai capi del diodo Zener DZ11 polarizzato direttamente) e poi il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion si mantiene uguale ad un valore sostanzialmente nullo (per esempio, circa 0,7 Volt) per il restante intervallo di tempo del secondo ciclo (ovvero fra gli istanti t3 e t5 per il primo ciclo, fra gli istanti t13 e t15 per il secondo ciclo, fra gli istanti t25 e t25 per il terzo ciclo);
- la corrente di ionizzazione I_ion è nulla durante l’intera seconda fase del primo, secondo e terzo ciclo.
In particolare, la tensione di integrazione V_int_I_ion è la caduta di tensione V_C4 ai capi del condensatore di integrazione C4 e quindi durante la seconda fase di trasferimento di energia del secondo ciclo il condensatore di integrazione C4 si scarica fino a raggiungere la scarica completa all’istante t13 (poco distante da t12) in cui la caduta di tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 è sostanzialmente nulla (per esempio, 0,7 Volt uguale alla caduta di tensione ai capi del diodo Zener DZ11 polarizzato direttamente).
Nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione (intervallo di tempo compreso fra t5 e t10 per il primo ciclo, fra t15 e t20 per il secondo ciclo e fra t25 e t30 per il terzo ciclo) l’interruttore ad alta tensione 4 è aperto.
La corrente primaria I_pr ha valori nulli dopo l’istante t2 per il primo ciclo, dopo l’istante t12 per il secondo ciclo e dopo l’istante t22 per il terzo ciclo.
La corrente secondaria I_sec è nulla negli istanti compresi fra t4 e t10 per il primo ciclo, fra t14 e t20 per il secondo ciclo e fra t24 e t30 per il terzo ciclo.
Inoltre la corrente di ionizzazione I_ion scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 negli istanti compresi fra t5 e t7 per il primo ciclo e fra t15 e t17 per il secondo ciclo in quanto si è verificata una corretta combustione della miscela aria-benzina nel primo e secondo ciclo.
In particolare, nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione del primo e secondo ciclo la corrente di ionizzazione I_ion ha un primo picco di corrente P1 (fase chimica) negli istanti compresi fra t5 e t6 per il primo ciclo e fra t15 e t16 per il secondo ciclo, successivamente è presente un secondo picco di corrente P2 (fase termica) fra gli istanti t6 e t7 per il primo ciclo e fra t16 e t17 per il secondo ciclo, poi dall’istante t7 per il primo ciclo e dall’istante t17 per il secondo ciclo la corrente di ionizzazione I_ion ha un valore sostanzialmente nullo.
Diversamente nella terza fase del terzo ciclo la corrente di ionizzazione I_ion è sostanzialmente nulla anche fra gli istanti t25 e t27, in quanto si è verificata una mancata combustione della miscela ariabenzina.
Inoltre nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione del primo e secondo ciclo (istanti compresi fra t5 e t10 per il primo ciclo e fra t15 e t20 per il secondo ciclo) la tensione di integrazione V_int_I_ion ha invece un andamento monotono decrescente a partire da un valore sostanzialmente nullo all’istante t5 per il primo ciclo e t15 per il secondo ciclo, fino a raggiungere un valore massimo negativo Vint_max (uguale per esempio alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11): il valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion in un determinato istante di tempo nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione del primo e secondo ciclo rappresenta (a meno del segno) l’area sottesa dalla corrente di ionizzazione I_ion fino all’istante di tempo considerato, ovvero la misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
In particolare, la tensione di integrazione V_int_I_ion è la caduta di tensione V_C4 ai capi del condensatore di integrazione C4 e quindi durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione del primo e secondo ciclo viene effettuata la carica del condensatore di integrazione C4, la quale viene limitata ad un valore negativo in modo che la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 raggiunga un valore massimo negativo Vint_max uguale alla tensione di Zener V_DZ11 ai capi del diodo Zener DZ11 che è polarizzato inversamente.
Per esempio, la tensione di Zener V_D11 del diodo Zener DZ11 è uguale a 15 Volt, quindi il valore della tensione di integrazione V_int_I_ion è limitato al valore Vint_max= V_DZ11= -15 Volt, ovvero durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione del primo e secondo ciclo la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 è limitata ad un valore negativo definito uguale ad esempio a -15 Volt.
Diversamente, nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione del terzo ciclo (istanti compresi fra t25 e t30) la tensione di integrazione V_int_I_ion ha invece un andamento sostanzialmente nullo a causa della mancata combustione della miscela aria-benzina e quindi il valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion in un determinato istante di tempo nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione del terzo ciclo è un valore molto piccolo (cioè circa nullo), ovvero la misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion è un valore molto piccolo (cioè circa nullo).
Sarà descritto in seguito il funzionamento del sistema di accensione 15 secondo la forma di realizzazione dell’invenzione in tre cicli di accensione compresi fra gli istanti t1 e t30 ed una porzione di un quarto ciclo di accensione successivo a t30, facendo anche riferimento alle Figure 1A-1C e 2A-C.
Ai fini della spiegazione del funzionamento si considerano le seguenti ipotesi:
- la tensione di riferimento V_ref è uguale alla tensione di riferimento a massa;
- tensione di batteria V_batt= 12 V;
- tensione di alimentazione VCC= 5 V;
- l’interruttore ad alta tensione 4 è realizzato con un transistore IGBT; - il circuito di polarizzazione 6 è realizzato con il collegamento parallelo del condensatore di polarizzazione C6 e del diodo Zener DZ8; - il circuito integratore 7 è realizzato con il collegamento parallelo del condensatore di integrazione C4 e del diodo Zener DZ11;
- il condensatore di integrazione C4 si suppone che all’istante iniziale t1 sia carico, in particolare la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 è uguale alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11 (per esempio, -15 Volt);
- il segnale di controllo S_ctrl è un segnale di tensione;
- il segnale di accensione S_ac ed il segnale di controllo S_ctrl hanno valori logici in cui il valore logico basso è uguale a 0 V ed il valore logico alto è uguale alla tensione di alimentazione VCC= 5V;
- il rapporto fra le spire della bobina 2 è uguale a N;
- nel caso di una corretta combustione della miscela aria-benzina, la durata T degli impulsi della tensione di monitoraggio combustione S_id è direttamente proporzionale al valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion.
Si suppone di partire da una condizione in cui nel ciclo di accensione precedente l’istante t1 si sia verificata una corretta accensione della miscela aria-benzina.
All’istante t1 inizia il primo ciclo di accensione e l’Unità Elettronica di Controllo 20 genera il segnale di accensione S_ac avente una transizione dal valore logico basso al valore logico alto (uguale alla tensione di alimentazione VCC) che indica l’inizio della prima fase di carica.
L’unità di pilotaggio 5 riceve il segnale di accensione S_ac uguale al valore logico alto e genera sul terminale di controllo del transistore IGBT 4 il segnale di tensione di controllo S_ctrl avente un valore uguale al valore logico alto che chiude il transistore IGBT 4 (si veda la configurazione di Figura 1A).
Inoltre all’istante t1 l’unità di controllo locale 9 riceve il valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion e genera la tensione di monitoraggio combustione S_id avente un impulso di tensione I1 con un fronte di salita.
Poiché il transistore IGBT 4 è chiuso, inizia la prima fase di carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1 in cui inizia a scorrere la corrente primaria I_pr dalla tensione di batteria V_batt verso la tensione di riferimento a massa, attraversando l’avvolgimento primario 2-1 ed il transistore IGBT 4.
La tensione primaria V_pr ha una transizione dal valore V_batt al valore di tensione di saturazione Vds_sat, la tensione del primo terminale dell’avvolgimento primario 2.1 resta uguale a V_batt e quindi la caduta di tensione ai capi dell’avvolgimento primario 2-1 ha una transizione dal valore nullo al valore uguale a V_batt- Vds_sat; inoltre la tensione secondaria V_sec ha una transizione dal valore nullo al valore N*(V_batt-Vds_sat).
Il funzionamento negli istanti compresi fra t1 e t2 (t2 escluso) è analogo a quello descritto all’istante t1, con le seguenti differenze.
In particolare:
- il segnale di tensione di controllo S_ctrl mantiene il valore uguale al valore logico alto (uguale alla tensione di alimentazione VCC), che mantiene chiuso il transistore IGBT 4;
- la corrente primaria I_pr che scorre attraverso il primo avvolgimento primario 2-1 ha un andamento crescente, che continua a caricare di energia l’avvolgimento primario 2-1;
- la tensione del primo terminale dell’avvolgimento primario 2.1 resta uguale a V_batt
- la tensione primaria V_pr ha un andamento crescente al crescere della corrente primaria I_pr;
- la caduta di tensione ai capi dell’avvolgimento primario 2.1 ha un andamento decrescente;
- la tensione secondaria V_sec ha un andamento decrescente dal valore N*V_batt al valore N*(V_batt-Vds_sat), con un andamento che segue quello della tensione primaria V_pr a meno del valore del rapporto spire N;
- il condensatore di integrazione C4 si mantiene carico al valore della tensione di Zener del diodo Zener DZ11 e quindi la tensione di integrazione V_int_I_ion ha un andamento sostanzialmente costante uguale al valore della tensione di Zener del diodo Zener DZ11 (per esempio, - 15 Volt).
Inoltre negli istanti compresi fra t1 e t2 la corrente di ionizzazione I_ion è nulla e anche la tensione di integrazione V_int_I_ion è nulla.
Infine negli istanti compresi fra t1 e t2 l’unità di controllo locale 9 riceve il valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion e genera, in funzione di detto valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion, la tensione di monitoraggio combustione S_id avente all’istante t1.1 un fronte di discesa dell’impulso di tensione I1, generando quindi un impulso I1 avente una durata T1 direttamente proporzionale al valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion nel ciclo di accensione (non mostrato nelle figure) precedente il primo ciclo ed in cui si suppone che si sia verificata una corretta accensione della miscela ariabenzina: detta durata T1 verrà utilizzata dall’Unità Elettronica di Controllo 20 per rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3.
All’istante t2 l’Unità Elettronica di Controllo 20 genera il segnale di accensione S_ac avente una transizione dal valore logico alto (uguale alla tensione di alimentazione VCC) al valore logico basso che indica la fine della prima fase di accensione e l’inizio della seconda fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario 2-1 all’avvolgimento secondario 2-2.
L’unità di pilotaggio 5 riceve il segnale di accensione S_ac uguale al valore logico basso e genera sul terminale di controllo del transistore IGBT 4 il segnale di tensione di controllo S_ctrl avente un valore logico basso che apre il transistore IGBT 4 (si veda la configurazione di Figura 1B).
Poiché il transistore IGBT 4 viene aperto, viene interrotto bruscamente il flusso di corrente I_chg dalla tensione di batteria V_batt verso massa attraverso l’avvolgimento primario 2-1 e quindi l’energia (precedentemente accumulata nell’avvolgimento primario 2-1) inizia ad essere trasferita sull’avvolgimento secondario 2-2.
Di conseguenza, la tensione primaria V_pr ha un impulso di valore elevato (tipicamente uguale a 200-450 V) di breve durata (tipicamente uguale a qualche microsecondo), la corrente primaria I_pr decresce bruscamente dal valore massimo Ipr_max al valore nullo, la corrente secondaria I_sec ha un impulso di valore Isec_max e la tensione secondaria V_sec ha un impulso di valore molto elevato (ad esempio uguale a 30 KV), che innesca la scintilla ai capi degli elettrodi della candela di accensione 3.
Inoltre all’istante t2 inizia anche la carica del condensatore di polarizzazione C6 per mezzo dell’impulso della corrente secondaria I_sec ed inizia la scarica veloce e completa del condensatore di integrazione C4: pertanto nella seconda fase di trasferimento di energia la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 ha prima una veloce transizione verso il valore sostanzialmente nullo e poi viene mantenuta uguale al valore sostanzialmente nullo (per esempio, un valore positivo uguale a circa 0,7 Volt per mezzo della polarizzazione diretta del diodo Zener DZ11).
Si osservi che per semplicità si è considerato che la corrente primaria I_pr abbia una transizione istantanea dal valore massimo Ipr_max al valore nullo all’istante di tempo t2, ma in realtà detta transizione avviene in un intervallo di tempo che dura ad esempio fra 2 e 15 microsecondi: in questo caso il valore assoluto della tensione secondaria V_sec ha un andamento crescente con pendenza elevata verso il valore massimo e la scintilla si verifica quando il valore assoluto della tensione secondaria V_sec ha raggiunto il valore massimo (e quindi quando la corrente primaria I_pr ha raggiunto il valore nullo).
Negli istanti compresi fra t2 e t5 (t5 escluso) viene sostenuta la scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3 e quindi continua la combustione della miscela aria-benzina.
Il funzionamento è analogo a quello descritto all’istante t2, quindi il transistore IGBT 4 resta interdetto.
Di conseguenza, il valore della corrente primaria I_pr si mantiene uguale a zero, mentre la corrente secondaria I_sec ha un andamento decrescente a partire dal valore massimo Isec_max.
Negli istanti compresi fra t2 e t3 la corrente secondaria I_sec scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 e poi attraverso il condensatore di polarizzazione C6 che si carica; in un certo istante la corrente secondaria I_sec (che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2) inizia a scorrere attraverso il diodo Zener DZ8, che viene quindi polarizzato inversamente e limita la tensione V_C6 ai capi del condensatore di polarizzazione C6 uguale alla tensione di Zener V_DZ8 del primo diodo Zener DZ8 (per esempio, la tensione di Zener V_DZ8 del diodo Zener DZ8 è uguale a 200 V).
Inoltre negli istanti successivi a t2 la corrente secondaria I_sec (che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 e poi attraverso il condensatore di polarizzazione C6 o il diodo Zener DZ8 come sopra illustrato) scorre attraverso il condensatore di integrazione C4 che si scarica velocemente e quindi la tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 ha una veloce transizione dal valore massimo negativo Vint_max verso un valore sostanzialmente nullo.
Pertanto mentre il condensatore di polarizzazione C6 si sta caricando (oppure mentre il condensatore di polarizzazione C6 è già carico e limitato al valore della tensione di Zener V_DZ8 del diodo Zener DZ8), il condensatore di integrazione C4 si scarica velocemente della carica residua che aveva accumulato precedentemente, in modo da essere pronto a misurare nella terza fase il valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
In un certo istante successivo a t2 la corrente secondaria I_sec (che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 e poi attraverso il condensatore di polarizzazione C6 o attraverso il diodo Zener DZ8 come sopra illustrato) inizia a scorrere attraveso il diodo Zener DZ11 che viene polarizzato direttamente e quindi all’istante t3 la tensione V_C4 ai capi del condensatore di integrazione C4 (e quindi la tensione di integrazione V_int_I_ion) è un valore positivo uguale a circa 0,7 Volt: poiché questo valore è molto piccolo rispetto ai valori della tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11, è stato indicato in precedenza (ed anche indicato nella Figura 2A) che il condensatore di integrazione C4 nella seconda fase si scarica fino a raggiungere un valore “sostanzialmente nullo” della tensione V_C4 ai suoi capi.
Inoltre negli istanti compresi fra t2 e t5 la corrente di ionizzazione I_ion è nulla e anche la tensione di integrazione V_int_I_ion è nulla.
All’istante t5 è possibile iniziare la misura della corrente di ionizzazione I_ion, perché all’istante precedente t4 il valore della corrente secondaria I_sec ha raggiunto un valore nullo e quindi è possibile misurare solo il contributo della corrente generata agli elettrodi della candela di accensione 3 in seguito agli ioni generati durante la combustione della miscela aria-benzina.
Pertanto all’istante t5 inizia la terza fase: il circuito di polarizzazione 6 inizia a generare un flusso della corrente di ionizzazione I_ion che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 e quindi il circuito integratore 7 inizia a misurare il valore dell’integrale dell’intensità della corrente di ionizzazione I_ion.
In particolare, all’istante t5 il condensatore di polarizzazione C6 funziona come generatore di energia elettrica (per mezzo della carica accumulata nella precedente seconda fase) ed inizia la scarica del condensatore di polarizzazione C6 per mezzo della corrente di ionizzazione I_ion.
Inoltre all’istante t5 inizia la carica del condensatore di integrazione C4 verso un valore negativo, per mezzo dell’accumulo della carica elettrica generata dagli ioni generati nella camera di combustione dopo il termine della scintilla, e quindi all’istante t5 inizia la misura del valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion.
Più in particolare, negli istanti compresi fra t5 e t6 viene generato (per mezzo del circuito di polarizzazione 6) il primo picco P1 del valore della corrente di ionizzazione I_ion rappresentativo della corrente generata dagli ioni prodotti durante la fase chimica della fase di misura della corrente di ionizzazione, ed inoltre viene misurato (per mezzo del circuito integratore 7, in particolare per mezzo del condensatore di integrazione C4 che si sta caricando) il valore proporzionale all’integrale dell’intensità della corrente di ionizzazione I_ion, generando il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion.
Pertanto negli istanti compresi fra t5 e t6 continua la carica del condensatore di integrazione C4 e la tensione di integrazione V_int_I_ion ha un andamento decrescente dal valore nullo all’istante t5 ad un primo valore V1int negativo all’istante t6 (per esempio, V1int= -2 Volt).
Analogamente, negli istanti compresi fra t6 e t7 viene generato (per mezzo del circuito di polarizzazione 6) il secondo picco P2 del valore della corrente di ionizzazione I_ion rappresentativo della corrente generata dagli ioni prodotti durante la fase termica della terza fase di misura della corrente di ionizzazione, ed inoltre continua la misurazione (per mezzo del circuito integratore 7, in particolare per mezzo del condensatore di integrazione C4) del valore proporzionale all’integrale dell’intensità della corrente di ionizzazione I_ion, generando il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion; pertanto negli istanti compresi fra t6 e t7 continua la carica del condensatore di integrazione C4 e la tensione di integrazione V_int_I_ion continua ad avere un andamento decrescente dal primo valore V1int all’istante t6 ad un valore negativo massimo Vint_max (maggiore in valore assoluto di V1int) all’istante t7 (per esempio, Vint_max= -15 Volt).
Negli istanti compresi fra t7 e t10 la corrente di ionizzazione I_ion ha un valore sostanzialmente nullo in quanto è terminata l’attività sugli elettrodi della candela di accensione 3, il condensatore di integrazione C4 mantiene la carica e la tensione di integrazione V_int_I_ion ha un andamento costante uguale al valore massimo negativo Vint_max.
Nell’ipotesi in cui il valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione raggiunga (negli istanti compresi fra t6 e t7 della terza fase) un valore elevato, si verifica la polarizzazione inversa del diodo Zener DZ11 e quindi la corrente scorre dal terminale di riferimento a massa attraverso il diodo DZ11 (mentre la corrente attraverso il condensatore di integrazione C4 diventa nulla), limitando così il valore della tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 ad un valore uguale alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11 (per esempio uguale a -15 Volt); pertanto in un istante compreso fra t6 e t7 la tensione di integrazione V_int_I_ion raggiunge un valore uguale alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11 (per esempio, -15 Volt) e negli istanti successivi la tensione di integrazione V_int_I_ion ha un andamento sostanzialmente costante uguale alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11 (per esempio, -15 Volt).
Si osservi che nelle soluzioni note che misurano la corrente di ionizzazione il condensatore di polarizzazione C6 viene mantenuto carico durante tutta la fase di misura della corrente di ionizzazione (ovvero è necessario mantenere la tensione V_C6 ai capi del condensatore di polarizzazione C6 sostanzialmente costante ad un valore diverso da zero Volt).
Diversamente, in base all’invenzione è sufficiente (per mezzo della carica del condensatore di integrazione C4 e contemporanea scarica del condensatore di polarizzazione C6, e viceversa) mantenere (durante la terza fase di misura della corrente di ionizzazione) il condensatore di polarizzazione C6 carico per un intervallo di tempo minore della durata della terza fase di misura della corrente ionizzazione, consentendo così di utilizzare il condensatore di polarizzazione C6 con valori di capacità molto minori (quindi il condensatore di polarizzazione C6 ha dimensioni minori); per esempio, la Figura 2A mostra che la caduta di tensione V_C6 ai capi del condensatore di polarizzazione C6 raggiunge un valore molto piccolo (al limite nullo) circa all’istante di tempo t7 in cui la corrente di ionizzazione I_ion ha raggiunto il valore nullo, ma è anche possibile che la tensione VC_6 raggiunga un valore molto piccolo in un istante di tempo precedente o successivo all’istante di tempo t7, in quest’ultimo caso ad una distanza dall’istante t7 molto più piccola rispetto alla distanza dall’istante t10.
Per esempio, il valore della capacità del condensatore di polarizzazione C6 ha valori compresi fra 50 nF (nano Farad) e 150 nF.
All’istante t10 termina il primo ciclo di accensione ed inizia il secondo ciclo di accensione in cui si suppone che si verifichi ancora una corretta combustione della miscela aria-benzina.
Il funzionamento fra gli istanti t10 e t12 (prima fase di carica energia) del secondo ciclo di accensione è analogo a quello descritto in precedenza fra gli istanti t1 e t2 del primo ciclo di accensione, con la differenza che il condensatore di integrazione C4 inizia a scaricarsi lentamente e si scarica parzialmente attraverso il carico visto dal terminale O4 del condensatore di integrazione C4.
Inoltre all’istante t10 il segnale di controllo S_ctrl ha un fronte di salita e l’unità di controllo locale 9 genera la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta un impulso di tensione I2 avente un fronte di salita, il quale verrà utilizzato dall’Unità Elettronica di Controllo 20 per rilevare la presenza nel primo ciclo della corretta combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3.
In particolare, l’unità di controllo locale 9 riceve la tensione di integrazione V_int_I_ion rappresentativa di un valore direttamente proporzionale alla misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion nel primo ciclo di accensione e genera la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta l’impulso di tensione I2 avente una durata T2 direttamente proporzionale al valore della tensione di integrazione V_int_I_ion della fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion del primo ciclo di accensione.
Pertanto negli istanti compresi fra t10 e t12 l’unità di controllo locale 9 trasmette all’Unità Elettronica di Controllo 20 la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta l’impulso di tensione I2 avente una durata T2; l’Unità Elettronica di Controllo 20 riceve la tensione di monitoraggio combustione S_id, effettua il confronto fra il valore della durata temporale T2 ed il valore della soglia di accensione, rileva che il valore della durata temporale T2 è maggiore del valore della soglia di accensione e quindi rileva che nel primo ciclo di accensione non si è verificata una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3 (ovvero nel primo ciclo si è verificata una corretta scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3, ovvero si è verificata una corretta combustione della miscela aria-benzina).
Il funzionamento fra gli istanti t12 e t15 (seconda fase di trasferimento energia in cui si verifica la scintilla) del secondo ciclo di accensione è uguale a quello descritto in precedenza fra gli istanti t2 e t5 del primo ciclo di accensione.
In particolare, fra gli istanti t12 e t13 del secondo ciclo (t13 vicino a t12) si verifica la scarica veloce della tensione residua ai capi del condensatore di integrazione C4 (che era stato caricato nella precedente fase di misura della corrente di ionizzazione del primo ciclo) per mezzo del flusso della corrente secondaria I_sec, fino a raggiungere all’istante t13 un valore sostanzialmente nullo (per esempio, circa 0,7 Volt) della tensione ai capi del condensatore di integrazione C4 per mezzo della polarizzazione diretta del diodo Zener DZ11: in questo modo il condensatore di integrazione C4 (scaricato completamente) è pronto per essere utilizzato per accumulare la carica generata nella fase di misura della corrente di ionizzazione del secondo ciclo, pertanto il circuito di integrazione 7 viene azzerato automaticamente, senza richiedere l’intervento dell’unità di pilotaggio 5 né dell’Unità Elettronica di Controllo 20.
Si osservi che la scarica della tensione residua ai capi del condensatore di integrazione C4 durante la prima fase del secondo ciclo avviene molto più lentamente rispetto a quella durante la seconda fase del secondo ciclo.
Pertanto durante le fasi di carica e trasferimento di energia del secondo ciclo (istanti compresi fra t10 e t15), la tensione di integrazione V_int_I_ion ha un andamento crescente dal valore massimo negativo Vint_max al valore sostanzialmente nullo (per esempio, circa 0,7 Volt) all’istante t13 e poi si mantiene uguale al valore sostanzialmente nullo (si veda la Figura 2B), in cui detto valore sostanzialmente nullo viene raggiunto in un istante t13 poco distante dall’istante t12.
Il funzionamento fra gli istanti t15 e t20 (terza fase di misura della corrente di ionizzazione) del secondo ciclo di accensione è analogo a quello descritto in precedenza fra gli istanti t5 e t10 del primo ciclo di accensione, pertanto il condensatore di polarizzazione C6 si scarica almeno parzialmente per mezzo del flusso della corrente di ionizzazione I_ion attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 ed il condensatore di integrazione C4 si carica verso un valore negativo, misurando così un valore proporzionale all’integrale della corrente di ionizzazione I_ion per mezzo della rilevazione del segnale di tensione di integrazione V_in_I_ion ai capi del condensatore di integrazione C4.
Negli istanti compresi fra t17 e t20 la corrente di ionizzazione I_ion ha un valore sostanzialmente nullo in quanto è terminata l’attività agli elettrodi della candela di accensione 3.
All’istante t20 termina il secondo ciclo di accensione ed inizia il terzo ciclo di accensione in cui si verifica una mancata combustione.
Il funzionamento fra gli istanti t20 e t22 (prima fase di carica energia) del terzo ciclo di accensione è analogo a quello descritto in precedenza fra gli istanti t10 e t12 del secondo ciclo di accensione.
In particolare, all’istante t20 il segnale di controllo S_ctrl ha un fronte di salita e l’unità di controllo locale 9 genera la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta un impulso di tensione I3 avente un fronte di salita, il quale verrà utilizzato dall’Unità Elettronica di Controllo 20 per rilevare la presenza nel secondo ciclo della corretta combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3.
In particolare, l’unità di controllo locale 9 riceve la tensione di integrazione V_int_I_ion rappresentativa di un valore direttamente proporzionale alla misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion nel secondo ciclo di accensione e genera la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta l’impulso di tensione I3 avente una durata T3 direttamente proporzionale al valore della tensione di integrazione V_int_I_ion della fase di misura della corrente di ionizzazione I_ion del secondo ciclo di accensione.
Pertanto negli istanti compresi fra t20 e t22 l’unità di controllo locale 9 trasmette all’Unità Elettronica di Controllo 20 la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta l’impulso di tensione I3 avente una durata T3; l’Unità Elettronica di Controllo 20 riceve la tensione di monitoraggio combustione S_id, effettua il confronto fra il valore della durata temporale T3 e la soglia di accensione, rileva che il valore della durata temporale T3 è maggiore del valore della soglia di accensione e quindi rileva che nel secondo ciclo di accensione non si è verificata una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3 (ovvero nel secondo ciclo si è verificata una corretta scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3, ovvero si è verificata una corretta combustione della miscela aria-benzina).
Il funzionamento fra gli istanti t22 e t25 (seconda fase di trasferimento energia) del terzo ciclo di accensione è analogo a quello descritto in precedenza fra gli istanti t12 e t15 del secondo ciclo di accensione.
Diversamente, il funzionamento fra gli istanti t25 e t30 (terza fase di misura della corrente di ionizzazione e misura dell’integrale della corrente di ionizzazione) del terzo ciclo di accensione è diverso da quello fra gli istanti t15 e t20 del secondo ciclo di accensione, in quanto nel terzo ciclo si è verificata una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3.
In particolare, negli istanti compresi fra t25 e t30 del terzo ciclo il valore della corrente di ionizzazione I_ion che scorre attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 è sostanzialmente nullo a causa della mancata combustione della miscela aria-benzina e quindi il condensatore di integrazione C4 non si carica, ma si mantiene scarico ad un valore sostanzialmente nullo; di conseguenza, durante la terza fase del terzo ciclo viene rilevata la tensione di integrazione V_int_I_ion avente valori sostanzialmente nulli, ovvero il valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion nella terza fase del terzo ciclo è circa uguale a zero.
All’istante t30 termina il terzo ciclo di accensione ed inizia il quarto ciclo di accensione, che viene mostrato solo parzialmente nella Figura 2C.
In particolare, nella Figura 2C viene mostrato che all’istante t30 il segnale di controllo S_ctrl ha un fronte di salita e l’unità di controllo locale 9 genera la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta un impulso di tensione I4 avente un fronte di salita, il quale verrà utilizzato dall’Unità Elettronica di Controllo 20 per rilevare la presenza nel terzo ciclo della mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3.
In particolare, l’unità di controllo locale 9 riceve la tensione di integrazione V_int_I_ion avente un valore circa nullo in quanto nel terzo ciclo di accensione la misura dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion è circa uguale a zero a causa della mancata combustione, quindi l’unità di controllo locale 9 genera la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta l’impulso di tensione I4 avente una durata T4 molto piccola.
Pertanto negli istanti compresi fra t30 e t30.1 l’unità di controllo locale 9 trasmette all’Unità Elettronica di Controllo 20 la tensione di monitoraggio combustione S_id che trasporta l’impulso di tensione I4 avente una durata T4 molto piccola; l’Unità Elettronica di Controllo 20 riceve la tensione di monitoraggio combustione S_id, effettua il confronto fra il valore della durata temporale T4 e la soglia di accensione, rileva che il valore della durata temporale T4 è minore del valore della soglia di accensione e quindi rileva che nel terzo ciclo di accensione si è verificata una mancata combustione della miscela aria-benzina nella camera di combustione del cilindro del motore in cui è montata la candela di accensione 3 (ovvero nel terzo ciclo non si è verificata una corretta scintilla fra gli elettrodi della candela di accensione 3, ovvero non si è verificata una corretta combustione della miscela aria-benzina).
Si osservi che ai fini della precedente spiegazione del funzionamento dell’invenzione si è considerato per semplicità che nel caso di una corretta combustione della miscela aria-benzina, la durata T degli impulsi della tensione di monitoraggio combustione S_id è direttamente proporzionale al valore (assoluto) rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion, ma più in generale l’invenzione è applicabile al caso in cui la durata T degli impulsi della tensione di monitoraggio combustione S_id è crescente al crescere del valore (assoluto) rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion.
Si osservi inoltre che l’unità di pilotaggio 5 e l’unità di controllo locale 9 possono essere anche realizzate con un unico componente elettronico che effettua sia la funzione di pilotaggio dell’unità di pilotaggio 5, sia la funzione di controllo dell’unità di controllo locale 9; in altre parole, l’unità di controllo locale 9 può essere incorporata all’interno dell’unità di pilotaggio 5, o viceversa.
Si osservi che nelle Figure 2A-2C è stato mostrato il caso in cui la tensione di monitoraggio combustione S_id trasporta impulsi temporali I1, I2, I3, I4 rappresentativi dalla presenza o assenza di una mancata combustione nel ciclo precedente, ovvero:
- la durata temporale T1 del primo impulso di tensione I1 è posizionata all’interno della prima fase di carica del primo ciclo, ma è rappresentativa della assenza di una mancata combustione nel ciclo (non mostrato nelle Figure 2A-2C) precedente al primo ciclo compreso fra t1 e t10;
- la durata temporale T2 del secondo impulso di tensione I2 è posizionata all’interno della prima fase di carica del secondo ciclo, ma è rappresentativa della assenza di una mancata combustione del primo ciclo compreso fra t1 e t10;
- la durata temporale T3 del terzo impulso di tensione I3 è posizionata all’interno della prima fase di carica del terzo ciclo, ma è rappresentativa della assenza di una mancata combustione del secondo ciclo compreso fra t10 e t20;
- la durata temporale T4 del quarto impulso di tensione I4 è posizionata all’interno della prima fase di carica del quarto ciclo, ma è rappresentativa della presenza di una mancata combustione nel terzo ciclo compreso fra t20 e t30.
Alternativamente, è possibile anche generare la tensione di monitoraggio combustione S_id in modo che trasporti impulsi temporali I1, I2, I3 siano rappresentativi dalla presenza o assenza di una mancata combustione nello stesso ciclo, ovvero:
- la durata temporale T1 del primo impulso di tensione I1 è posizionata all’interno della prima fase di carica del primo ciclo ed è rappresentativa della assenza di una mancata combustione nel primo ciclo compreso fra t1 e t10;
- la durata temporale T2 del secondo impulso di tensione I2 è posizionata all’interno della prima fase di carica del secondo ciclo ed è rappresentativa della assenza di una mancata combustione nel secondo ciclo compreso fra t10 e t20;
- la durata temporale T3 del terzo impulso di tensione I3 è posizionata all’interno della prima fase di carica del terzo ciclo ed è rappresentativa della presenza di una mancata combustione nel terzo ciclo compreso fra 20 e t30.
Con riferimento alla Figura 3, viene mostrato un sistema 115 di accensione elettronica in base ad una variante della forma di realizzazione dell’invenzione.
Il sistema di accensione 115 di Figura 3 differisce da quello delle Figure 1A-C per il fatto di comprendere ulteriormente un generatore di correntev 11 controllato in funzione del valore di un segnale di controllo corrente S_ctrl_i generato dall’unità di controllo locale 109 (analoga alla 9): in questo modo è possibile evitare l’utilizzo di un collegamento addizionale fra l’unità di controllo locale 109 e l’Unità Elettronica di Controllo 20 per trasferire il segnale di monitoraggio combustione S_id.
In particolare, il generatore di corrente 11 è configurato per generare una corrente di trigger I_cl avente un valore che dipende dal valore del segnale di controllo corrente S_ctrl_i, il quale a sua volta dipende dal valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion.
Più in particolare, nella variante dell’invenzione viene utilizzata la distanza fra due fronti della variazione di un impulso della corrente di trigger I_cl (si vedano gli impulsi I5, I6, I7, I8 e rispettive distanze T5, T6, T7, T8 nelle Figure 4A-C) per determinare in ciascun ciclo di combustione la presenza o assenza di una mancata combustione nel ciclo precedente, ovvero la distanza fra i due fronti dell’impulso di corrente è direttamente proporzionale al valore del segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion durante la fase di misura della corrente di ionizzazione del ciclo precedente.
L’unità di controllo locale 9 comprende un primo terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di accensione Sac, comprende un secondo terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di tensione di integrazione V_int_I_ion rappresentativo del valore misurato dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion (misurato per mezzo della caduta di tensione ai capi del condensatore di integrazione C4) del circuito integratore 7) e comprende un terminale d’uscita atto a generare, in funzione del valore del segnale di accensione Sac e del valore rilevato della tensione di integrazione V_int_I_ion, il segnale di controllo corrente S_ctrl_i per controllare il valore della corrente di trigger I_cl generata dal generatore di corrente 11.
Con riferimento alle Figure 4A-4C, viene mostrato l’andamento di alcuni segnali del sistema 115 di accensione elettronica della Figura 3.
Si è considerato il caso in cui la distanza fra due fronti della variazione della corrente di trigger I_cl di un ciclo è rappresentativa della presenza o assenza di una mancata combustione di un ciclo precedente.
In particolare, si suppone che nel primo ciclo compreso fra t1 e t10 si verifichi una corretta combustione della miscela aria-benzina, che nel secondo ciclo compreso fra t10 e t20 si verifichi una corretta combustione e che nel terzo ciclo compreso fra t20 e t30 si verifichi una mancata combustione.
E’ possibile osservare che il valore delle distanze T6 e T7 fra due fronti di variazione della corrente di trigger I_cl nel secondo ciclo e terzo di accensione sono molto maggiori della distanza T8 fra due fronti di variazione della corrente di trigger I_cl nel quarto ciclo, in quanto nel primo e secondo ciclo si è verificata una corretta accensione della miscela ariabenzina, mentre nel terzo ciclo si è verificata una mancata combustione della miscela aria-benzina.
Si osservi che ai fini della spiegazione dell’invenzione è stato considerato il caso di una mancata combustione della miscela comburente-combustibile (per esempio, aria-benzina) nella camera di combustione del cilindro in cui è montata la candela di accensione 3, ma più in generale l’invenzione è applicabile al caso in cui si verifichi una combustione della miscela comburente-combustibile di entità insufficiente nella camera di combustione (ovvero si verifica una scintilla insufficiente fra gli elettrodi della candela di accensione 3); pertanto le precendenti considerazioni relativamente alla mancata combustione sono applicabili in modo analogo al caso di una insufficiente combustione.
Con riferimento alla Figura 5, viene mostrato l’andamento dei segnali nel sistema di accensione nel caso in cui si verifichi una preaccensione della miscela aria-benzina durante la prima fase di carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1: in questo caso viene generata una corrente di ionizzazione I_ion attraverso l’avvolgimento secondario 2-2 anche durante la prima fase di carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1.
La Figura 5 rappresenta un ciclo di accensione analogo a quello della Figura 2B, con la differenza che la corrente di ionizzazione I_ion ha un andamento crescente dal valore nullo ad un valore massimo Iion_max fra gli istanti t10.2 e t12 della prima fase di carica di energia nell’avvolgimento primario 2-1 in quanto si è verificata una pre-accensione della miscela aria-benzina a partire dall’istante t10.2; di conseguenza, durante la prima fase di carica si verifica una pre-carica del condensatore di integrazione C4, quindi il segnale di integrazione V_int_I_ion (ovvero il valore dell’integrale della corrente di ionizzazione I_ion) è nullo fra gli istanti t10 e t10.2, poi all’istante t10.2 inizia ad avere un andamento monotono decrescente fino a raggiungere il valore massimo negativo Vint_max (uguale per esempio alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo Zener DZ11) in un istante t10.3 compreso fra gli istanti t10.2 e t12.
Successivamente nella seconda fase di trasferimento di energia il segnale di integrazione V_int_I_ion ha un andamento crescente in modo rapido verso il valore nullo a causa della scarica veloce del condensatore di integrazione C4, quindi il segnale di integrazione V_int_I_ion mantiene il valore sostanzialmente nullo (per esempio, uguale a 0,7 Volt) durante il restante intervallo di tempo della seconda fase di trasferimento di energia compreso fra t12.1 e t15.
Infine nella terza fase di misura della corrente di ionizzazione (istanti compresi fra t15 e t20) l’andamento del segnale di integrazione V_int_I_ion è analogo a quello illustrato in precedenza per il secondo ciclo della forma di realizzazione dell’invenzione di Figura 2B, ovvero a partire dall’istante t15 ha un andamento decrescente dal valore nullo fino a raggiungere il valore massimo negativo Vint_max all’istante t17 a causa della carica del condensatore di integrazione C4, poi il segnale di integrazione V_int_I_ion ha un andamento sostanzialmente costante uguale a Vint_max nel restante intervallo di tempo della terza fase compreso fra t17 e t20.
Nel caso in cui, invece, non si verifichi una pre-accensione della miscela aria-benzina nella camera di combustione durante la fase di carica, il condensatore di integrazione C4 mantiene lo stato di carica sostanzialmente costante, ovvero un valore sostanzialmente nullo (come mostrato in Figura 5) oppure un valore uguale alla tensione di Zener V_DZ11 del diodo DZ11 (come mostrato in Figura 2A).
Le precedenti considerazioni relative agli impulsi di tensione delle Figure 2A-2C e agli impulsi di corrente delle Figure 4A-4C per la mancata combustione sono applicabili in modo analogo alla pre-accensione, con la differenza che gli impulsi di tensione o corrente sono posizionati alla fine della prima fase di carica di energia.
Pertanto l’impulso di tensione (si vedano I9 e I10 in Fig.5) trasportato dal segnale di monitoraggio S_id è posizionato nella parte finale del segnale di accensione S_ac in cui ha un valore alto ed è relativo alla presenza o assenza di una pre-accensione nel ciclo precedente, ed ha un significato opposto rispetto a quello della rilevazione di una mancata combustione, ovvero:
- se la durata T è minore del valore di una soglia di pre-accensione, significa che non si è verificata una pre-accensione nel ciclo precedente, - se la durata T è maggiore o uguale al valore della soglia di preaccensione, significa che si è verificata una pre-accensione nel ciclo precedente.
Considerando l’esempio illustrato in Figura 5, l’impulso di tensione I9 nel secondo ciclo ha una durata T9 minore del valore della soglia di pre-accensione in quanto non si è verificata una pre-accensione nel primo ciclo, mentre l’impulso di tensione I10 nel terzo ciclo ha una durata T9 maggiore del valore della soglia di pre-accensione in quanto nel secondo ciclo si è verificata una pre-accensione.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico (1) per il controllo di una bobina di accensione di un motore a combustione interna, il dispositivo elettronico di controllo comprendente: - un interruttore ad alta tensione (4) collegato in serie ad un avvolgimento primario di una bobina e configurato per commutare fra una posizione di chiusura ed una di apertura; - una unità di pilotaggio (5) configurata per: • controllare la chiusura dell’interruttore ad alta tensione durante una fase di carica (T_chg) di energia nell’avvolgimento primario; • controllare l’apertura dell’interruttore ad alta tensione durante una fase di trasferimento (T_tr) di energia dall’avvolgimento primario ad un avvolgimento secondario della bobina e durante una fase di misura (T_ion) di una corrente di ionizzazione (I_ion) successiva alla fase di trasferimento di energia, in cui detta corrente di ionizzazione è generata dagli ioni prodotti durante il processo di combustione della miscela comburente-combustibile nella camera di combustione di un cilindro del motore per mezzo della scintilla generata da una candela di accensione (3) nella fase di trasferimento di energia; - un circuito di polarizzazione (6) configurato per generare detta corrente di ionizzazione (I_ion) durante la fase di misura (T_ion) della corrente di ionizzazione, in cui detto circuito di polarizzazione è collegato in serie ad un secondo terminale dell’avvolgimento secondario; - un circuito integratore (7) interposto fra il circuito di polarizzazione ed una tensione di riferimento (GND); caratterizzato dal fatto che detto circuito integratore comprende un condensatore di integrazione (C4) collegato in serie al circuito di polarizzazione (6) e collegato fra il circuito di polarizzazione e la tensione di riferimento, in cui detto condensatore di integrazione è configurato per: - scaricarsi completamente per mezzo della corrente che scorre attraverso l’avvolgimento secondario durante la fase di trasferimento (T_tr) di energia dall’avvolgimento primario all’avvolgimento secondario; - caricarsi (t5, t7) ad un valore diverso da zero durante la fase di misura (T_ion) della corrente di ionizzazione (I_ion) in modo da misurare un valore dell’integrale della corrente di ionizzazione, in caso di una corretta accensione della miscela comburente-combustibile; - mantenere una carica sostanzialmente nulla (t25, t27) durante la fase di misura (T_ion) della corrente di ionizzazione (I_ion) in modo da misurare un valore sostanzialmente nullo dell’integrale della corrente di ionizzazione, in caso di una mancata combustione della miscela comburente-combustibile.
- 2. Dispositivo elettronico di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui il circuito integratore (7) comprende il collegamento in parallelo del condensatore di integrazione (C4) e di un diodo Zener (DZ11), il diodo Zener avente un terminale di anodo collegato al circuito di polarizzazione ed avente un terminale di catodo collegato verso la tensione di riferimento, in cui durante la fase di misura della corrente di ionizzazione il diodo Zener (DZ11) è polarizzato inversamente ed è configurato per limitare la tensione ai capi del condensatore di integrazione (C4) durante la sua carica ad un valore massimo definito (Vint_max) uguale alla tensione di Zener del diodo Zener (DZ11), ed in cui durante la fase di trasferimento di energia il diodo Zener (DZ11) è polarizzato direttamente ed è configurato per polarizzare la tensione ai capi del condensatore di integrazione (C4) ad un valore sostanzialmente nullo.
- 3. Dispositivo elettronico di controllo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui il circuito di polarizzazione comprende un collegamento in parallelo di un condensatore di polarizzazione (C6) e di un ulteriore diodo Zener (DZ8), l’ulteriore diodo Zener avente un terminale di anodo collegato al circuito integratore ed avente un terminale di catodo collegato al secondo terminale dell’avvolgimento secondario, in cui il condensatore di polarizzazione (C6) è configurato per: - caricarsi (t2, t3) durante la fase di trasferimento di energia, per mezzo della corrente che scorre attraverso l’avvolgimento secondario generata dalla scintilla sulla candela di accensione; - scaricarsi (t5) almeno parzialmente per mezzo della corrente di ionizzazione durante la fase di misura della corrente di ionizzazione; in cui durante la fase di trasferimento di energia l’ulteriore diodo Zener (DZ8) è polarizzato inversamente ed è configurato per limitare la tensione ai capi del condensatore di polarizzazione (C6) durante la sua carica ad un valore massimo definito (V_DZ8) uguale alla tensione di Zener dell’ulteriore diodo Zener (DZ8).
- 4. Dispositivo elettronico secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui detto condensatore di integrazione (C4) è ulteriormente configurato per: - nel caso in cui si verifichi una pre-accensione della miscela comburente-combustibile nella camera di combustione durante la fase di carica (t10.2, t12), pre-caricarsi durante la fase di carica di energia nell’avvolgimento primario per mezzo della corrente di ionizzazione che scorre attraverso l’avvolgimento secondario (2-2) durante la fase di carica (T_chg) , in modo da misurare un valore dell’integrale della corrente di ionizzazione che scorre attraverso l’avvolgimento secondario durante la fase di carica a causa di detta pre-accensione; - nel caso in cui non si verifichi la pre-accensione della miscela comburente-combustibile, mantenere lo stato di carica sostanzialmente costante durante la fase di carica di energia.
- 5. Sistema (15) di accensione elettronica per rilevare una mancata combustione in un motore a combustione interna, il sistema comprendente: - una bobina (2) avente l’avvolgimento primario (2-1) con un primo terminale collegato ad una tensione di batteria ed avente l’avvolgimento secondario (2-2) con un primo terminale collegato ad una candela di accensione (3); - un dispositivo elettronico di controllo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui l’avvolgimento primario ha un secondo terminale collegato all’interruttore ad alta tensione (4); - una unità elettronica di controllo (20) collegata con l’unità di pilotaggio (5) del dispositivo elettronico di controllo (1) e comprendente un terminale d’uscita atto a generare un segnale di accensione (Sac) avente un primo valore per indicare l'inizio della fase di carica dell’avvolgimento primario ed avente un secondo valore per indicare l'inizio della fase di trasferimento di energia dall’avvolgimento primario all’avvolgimento secondario, ed in cui l’unità di pilotaggio (5) è ulteriormente configurata per ricevere il segnale di accensione e generare, in funzione di esso, un segnale di controllo (S_ctrl) dell’apertura e chiusura dell’interruttore ad alta tensione.
- 6. Sistema (15) di accensione elettronica secondo la rivendicazione 5, il dispositivo elettronico comprendente ulteriormente una unità di controllo locale (9) collegata con il circuito integratore (7) e con l’unità elettronica di controllo (20), in cui l’unità di controllo locale (9) comprende: • un primo terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di accensione (Sac); • un secondo terminale d’ingresso atto a ricevere un segnale di tensione di integrazione (V_int_I_ion) rappresentativo della tensione ai capi del condensatore di integrazione (C4); • un terminale d’uscita atto a generare un segnale di monitoraggio combustione (S_id) che trasporta, durante la fase di carica di energia, un impulso di tensione (I2, I3, I4) avente una durata ( T2, T3, T4) crescente al crescere del valore del segnale di tensione di integrazione (V_int_I_ion) nella fase di misura della corrente di ionizzazione del ciclo precedente; in cui l’unità elettronica di controllo (20) comprende ulteriormente un terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di monitoraggio combustione (S_id), ed in cui l’unità elettronica di controllo (20) è configurata per rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione in funzione del confronto fra la durata ( T2, T3, T4) di detto impulso di tensione (I2, I3, I4) ed una soglia di accensione.
- 7. Sistema (115) di accensione elettronica secondo la rivendicazione 5, il dispositivo elettronico comprendente ulteriormente: - una unità di controllo locale (109) collegata con il circuito integratore (7) e con l’unità elettronica di controllo (20); - un generatore di corrente (11) atto a generare una corrente di trigger controllata dall’unità di controllo locale (109); in cui l’unità di controllo locale (9) comprende: • un primo terminale d’ingresso atto a ricevere il segnale di accensione (Sac); • un secondo terminale d’ingresso atto a ricevere un segnale di tensione di integrazione (V_int_I_ion) rappresentativo della tensione ai capi del condensatore di integrazione (C4); • un terminale d’uscita atto a generare un segnale di controllo (S_ctrl_i) della corrente di detto generatore di corrente; in cui il generatore di corrente è configurato per generare, durante la fase di carica di energia, un impulso di corrente avente due fronti di variazione che definiscono una distanza crescente al crescere del valore del segnale di tensione di integrazione (V_int_I_ion) nella fase di misura della corrente di ionizzazione del ciclo precedente, ed in cui l’unità elettronica di controllo (20) è configurata per rilevare la presenza o assenza di una mancata combustione in funzione del confronto fra la distanza ( T6, T7, T8) di detto impulso di corrente (I6, I7, I8) ed una soglia di accensione.
- 8. Sistema (15) di accensione elettronica secondo le rivendicazioni 6 o 7, in cui il valore della soglia di accensione è variabile e dipende almeno dal numero di giri del motore e dal carico del motore.
- 9. Sistema (15) di accensione elettronica secondo una qualunque delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui il circuito di polarizzazione (6) ed il circuito integratore (7) sono racchiusi in un unico involucro.
- 10. Sistema elettronico secondo la rivendicazione 9, in cui detto involucro comprende ulteriormente l’interruttore ad alta tensione (4) e l’unità di pilotaggio (5).
- 11. Sistema elettronico secondo la rivendicazione 10, in cui l’unità elettronica di controllo (20), l’interruttore ad alta tensione (4) e l’unità di pilotaggio (5) sono racchiusi in un ulteriore involucro.
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