ITMI20130002A1 - Apparato di controllo di una candela di accensione e sistema di accensione elettronica di motori con protezione da secondario aperto - Google Patents

Description

"APPARATO DI CONTROLLO DI UNA CANDELA DI

ACCENSIONE E SISTEMA DI ACCENSIONE ELETTRONICA DI

MOTORI CON PROTEZIONE DA SECONDARIO APERTO"

CAMPO TECNICO

La presente invenzione riguarda un apparato di controllo di una candela di accensione di motori, impiegabili, per esempio, in autoveicoli.

TECNICA NOTA

Per effettuare l’accensione elettronica di motori a combustione interna, quali quelli a ciclo Otto, sono noti circuiti dotati di un interruttore, una candela di accensione ed un trasformatore collegato fra la candela e l’interruttore.

Tipicamente, l’interruttore à ̈ realizzato mediante un componente a stato solido, quale un transistor IGBT, oppure mediante transistori bipolari in configurazione Darlington.

Chiudendo elettronicamente l’interruttore a stato solido, mediante un segnale di controllo, si fa passare la corrente attraverso l’avvolgimento primario del trasformatore che si carica con un’energia pari a L I<2>/2, in cui L e’ il valore dell’induttanza dell’avvolgimento primario e I à ̈ la corrente che lo attraversa.

Una volta che l’avvolgimento primario à ̈ carico all’energia desiderata, quella necessaria affinché venga prodotta una scintilla al secondario, l’interruttore a stato solido viene aperto elettronicamente.

A seguito dell’apertura dell’interruttore a stato solido, la corrente al primario e’ bruscamente interrotta e l’energia precedentemente immagazzinata e’ rilasciata sotto forma di impulso di tensione ai capi dell’avvolgimento primario, pari ad esempio a 200-400 volt.

La variazione di tensione ai capi dell’avvolgimento primario provoca la formazione di un campo elettrico e quindi mediante l’accoppiamento di mutua induttanza con l'avvolgimento secondario, che e’ dimensionato ad esempio con una rapporto spire N2/N1 di circa 100, provoca una tensione sul circuito secondario all’incirca 100 volte superiore rispetto a quella del primario, ovvero circa 20-40kV.

Questa tensione viene applicata alla candela collegata al circuito secondario del trasformatore ed e’ quindi sufficiente a far generare la scintilla in camera di combustione all’interno della quale e’ la candela à ̈ collocata.

La Richiedente ha osservato che nel caso in cui al momento dell’apertura dell’interruttore a stato solido la candela non sia presente o perfettamente funzionante, condizione questa detta di “Open Secondary†(Secondario Aperto), l’energia immagazzinata al primario del trasformatore non può essere utilmente trasferita al secondario del trasformatore per cui viene dissipata al primario e in particolare dovrà essere dissipata dal componente a stato solido che funziona da interruttore.

Questa condizione à ̈ particolarmente onerosa per il componente a stato solido quando il dispositivo si trova a lavorare in regime di corrente di limitazione, in cui la corrente e’ la massima consentita dalla configurazione del circuito di accensione, e di conseguenza l’energia da dissipare assume il valore massimo.

La Richiedente ha inoltre notato che il problema della dissipazione di potenza da parte dell’interruttore a stato solido à ̈ ulteriormente accresciuto dalla richiesta da parte del mercato di dispositivi dalle dimensioni sempre più ridotte in termini di area di silicio e di package che le ospitano, fattori questi che diminuiscono le capacità termiche utili al processo di dissipazione in caso di Open Secondary.

Alla luce di quanto descritto sopra relativamente alle difficoltà della dissipazione termica in condizioni di Open Secondary, quest’ultima condizione costituisce dunque una potenziale causa di rottura del circuito dell’accensione elettronica (in particolare del suo elemento di potenza allo stato solido che funge da interruttore) e di conseguenti gravi danni collaterali anche per le parti alle quali il circuito di accensione elettronica e’ collegato, ad esempio la bobina e centralina elettronica.

Il documento US-A-2004-0200463 descrive un dispositivo di accensione di motori a combustione interna avente, fra altro, un transistore IGBT che agisce da interruttore, un circuito di limitazione di corrente e un circuito di rivelazione di anomalie in grado di rivelare una anomalia nel segnale di accensione prodotto da un’unità di controllo elettronico.

SOMMARIO

La Richiedente ha notato che i noti dispositivi di controllo della candela di accensione di motori non risolvono in modo soddisfacente le problematiche dovute ad anomalie nel funzionamento della candela di accensione, cioà ̈ le cosiddette situazioni di Open Secondary.

La rivendicazione 1 definisce una possibile forma di realizzazione di un apparato di controllo di una candela di accensione di un motore e le rivendicazioni dipendenti si riferiscono a forme di attuazioni particolari. La rivendicazione 14 definisce un sistema di accensione elettronica di un motore.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Per meglio comprendere l’invenzione ed apprezzarne i vantaggi verranno di seguito descritte alcune sue forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:

la figura 1 mostra una particolare forma di realizzazione di un sistema di accensione elettronica di motori a combustione interna comprendente una candela, un interruttore a stato solido e una apparato di controllo dell’interruttore;

la figura 2 mostra una forma di realizzazione particolare di un modulo di comparazione impiegabile in detto apparato di controllo;

la figura 3 mostra schematicamente l’andamento esemplificativo di alcuni segnali e grandezze elettriche che caratterizzano il funzionamento del sistema di accensione;

la figura 4a si riferisce a simulazioni sperimentali e mostra una prima curva A relativa all’andamento di una corrente elettrica in un interruttore a stato solido che si verifica in un sistema di accensione elettronica di tipo noto, in concomitanza di un evento †̃Open Secondary’ e nel caso peggiore in cui sia attiva pure la protezione alla massima corrente. La seconda curva B, mostrata in figura 4a, e’ relativa all’andamento della corrente di collettore in detto interruttore a stato solido che si verifica in detto sistema di accensione della figura 1 nelle medesime condizioni applicative;

la figura 4b si riferisce a simulazioni sperimentali e mostra una terza curva C e una quarta curva D che si riferiscono all’andamento in funzione del tempo della temperatura di giunzione di dell’interruttore a stato solido in corrispondenza di correnti aventi l’andamento delle curve A e B, rispettivamente;

la figura 5 si riferisce a simulazioni sperimentali e indica, per diversi valori della corrente di limitazione che interessa detto interruttore a stato solido, la corrispondente energia elettrica da dissipare.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La figura 1 mostra una particolare forma di realizzazione di un sistema di accensione elettronica 1000 di motori a combustione interna, quali quelli a ciclo Otto, impiegabili, per esempio, in autoveicoli.

Il sistema di accensione elettronica 1000 comprende: un apparato di controllo 500, un trasformatore elettrico 1 e una candela di accensione 3 ed à ̈ alimentato da un generatore di tensione elettrica 2, quale una batteria.

Il trasformatore elettrico 1 Ã ̈ dotato di un avvolgimento primario 10 posto fra un terminale di polarizzazione 11 ed un terminale del primario 12, e un avvolgimento secondario 20 posto fra un terminale di polarizzazione 11 ed un terminale del secondario 22.

Il terminale di polarizzazione 11 à ̈ connesso ad un polo positivo della batteria 2, che genera una tensione di alimentazione Vbatt. Il polo negativo della batteria 2 à ̈ invece connesso ad un terminale di terra gnd. Al terminale del secondario 22 à ̈ invece collegato un elettrodo centrale della candela d’accensione 3 avente un elettrodo di massa collegato al terminale di terra gnd. Il trasformatore elettrico 1 à ̈ adatto ad immagazzinare energia elettrica nell’avvolgimento primario 10 per poi rilasciarla verso l’avvolgimento secondario 20 in modo da consentire alla candela 3 di produrre una scintilla elettrica.

L’apparato di controllo 500 comprende un interruttore a stato solido 4 avente un terminale di controllo Gted un terminale di uscita Ctcollegato al trasformatore elettrico 1. L’interruttore a stato solido 4 à ̈ strutturato per assumere uno stato di chiusura, in cui fornisce energia al trasformatore elettrico 1, ed uno stato di apertura, in cui consente una cessione di energia dal trasformatore alla candela esterna.

Ritornando all’interruttore a stato solido 4 (di seguito, chiamato più brevemente “interruttore†) questo à ̈ realizzato, ad esempio, mediante un transistore di potenza del tipo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), come mostrato nella forma di attuazione di figura 1, oppure con transistori bipolari in configurazione Darlington o con bipolari in configurazione Trilinton, cioà ̈ a tre stadi.

L’interruttore 4 à ̈ configurato per comandare il flusso di corrente elettrica che attraversa l’avvolgimento primario 10. Più in dettaglio l’interruttore 4 à ̈ dotato di un terminale di collettore Ctatto a ricevere una corrente di collettore Ihvce a fornire una tensione di collettore Vhvcriferita al terminale di terra gnd, ed e’ collegato al terminale primario 12 del trasformatore elettrico 1.

L’interruttore 4 à ̈ inoltre dotato di un terminale di emettitore Etconnesso, per esempio, tramite un primo terminale di un resistore di sensing 5 (avente resistenza Rsense) avente un relativo secondo terminale connesso al terminale di terra gnd.

L’interruttore 4 à ̈ anche provvisto di un terminale di gate Gtatto a ricevere un primo segnale di pilotaggio Sctrlmediante il quale si attua il controllo della corrente di collettore Ihvc.

Inoltre, l’apparato di controllo 500 à ̈ provvisto di un modulo di misura 400 configurato per misurare un valore di durata temporale tMEASentro il quale, nello stato di apertura dell’interruttore 4, la tensione di collettore Vhvcdecresce da un primo valore massimo ad un secondo valore.

Secondo un esempio particolare, il modulo di misura 400 comprende un modulo di rilevazione di tensione 40, un modulo di comparazione 30 e un modulo di rivelazione temporale 13.

Il modulo di rilevazione di tensione 40 à ̈ dotato di un rispettivo primo terminale di ingresso 401, collegato al terminale di collettore Ctdell’interruttore 4, ed à ̈ configurato per rilevare la tensione di collettore Vhvce fornirla ad un primo terminale di uscita 402 sotto forma di un segnale di lettura Vrhv.

Per esempio, il modulo di rilevazione di tensione 40 comprende un resistore di rilevazione 41, di resistenza RHV, collegato fra il primo terminale di ingresso 401 ed il primo terminale di uscita 402. Inoltre, un diodo Zener DZ2 e’ collegato fra il primo terminale di uscita 402 e il terminale di terra gnd.

Il modulo di comparazione 30 à ̈ collegato al primo terminale di uscita 402 per ricevere il segnale di lettura Vrhved à ̈ provvisto di un secondo terminale di ingresso 403 per ricevere la tensione di alimentazione Vbatte un secondo terminale di uscita 404 per un segnale di comparazione hvDET, avente la forma di un’onda quadra.

Il modulo di comparazione 30 Ã ̈ configurato per comparare il segnale di lettura Vrhvcon almeno una tensione di soglia dipendente dalla tensione di alimentazione Vbatt.

La figura 2 mostra una forma di realizzazione particolare del modulo di comparazione 30 comprendente un comparatore 31 dotato di un ingresso invertente “-†, di un ingresso non invertente “+†e di una uscita di comparazione, corrispondente al secondo terminale di uscita 404, per rendere disponibile il segnale di comparazione hvDET.

L’ingresso invertente “-†del comparatore 31 à ̈ collegato ad un terzo terminale di uscita 405 di un modulo di selezione 32, controllabile dal segnale di comparazione hvDET. Tale modulo di selezione 32 à ̈ in grado di commutare fra una prima configurazione in cui rende disponibile sul terzo terminale di uscita 405 una prima tensione di soglia VTH_H e una seconda configurazione in cui rende disponibile sul terzo terminale di uscita 405 una seconda tensione di soglia VTH_L.

La seconda tensione di soglia VTH_L à ̈ disponibile all’uscita di un modulo sommatore 33 configurato per sommare una tensione addizionale positiva V alla tensione di alimentazione Vbatte generare quindi la seconda tensione di soglia VTH_L.

Ritornando alla figura 1, il modulo di misura 400 Ã ̈ anche provvisto di un modulo di rilevazione temporale 13 avente un ingresso collegato al secondo terminale di uscita 404 per ricevere il segnale di comparazione hvDET.

In maggior dettaglio, il modulo di rilevazione temporale 13 à ̈ configurato per misurare il valore di durata temporale tMEASdell’intervallo intercorrente fra un fronte di salita ed il fronte di discesa successivo del segnale di comparazione hvDETe fornire un corrispondente segnale rappresentativo di tale valore, per esempio un segnale digitale, su un quarto terminale di uscita 406.

Il modulo di rilevazione temporale 13 Ã ̈ inoltre dotato di un altro terminale di ingresso per ricevere un segnale di comando CMD atto ad attivarlo e disattivarlo al/dal funzionamento: in particolare il modulo di rivelazione temporale 13 viene attivato in corrispondenza del fronte di discesa del segnale di comando CMD e disattivato al termine della misura della durata temporale tMEAS(fronte di discesa del segnale di comparazione hvDET).

Il modulo di rivelazione temporale 13 Ã ̈ realizzabile, ad esempio, mediante un contatore ed un clock.

L’apparato di controllo 500 comprende anche un modulo di rivelazione 9 strutturato per rivelare anomalie di funzionamento della candela 3, sulla base del valore di durata temporale tMEAScome misurato e produrre un segnale di rivelazione SVctr,quale per esempio un segnale digitale.

Queste anomalie della candela 3 corrispondono alle situazioni di “Open Secondary†e cioà ̈ a quelle situazioni in cui la candela 3 non à ̈ in grado di produrre la desiderata scintilla elettrica, dopo uno o più tentativi di accensione. L’Open Secondary si verifica quando la candela 3 non à ̈ presente, à ̈ danneggiata o non à ̈ collegata correttamente al sistema di accensione 1000.

In maggior dettaglio, il modulo di rivelazione 9 à ̈ strutturato per rivelare una anomalia della candela 3, quando la sopra citata durata temporale tMEASà ̈ inferiore ad una soglia temporale Tth. Inoltre, il modulo di rivelazione 9 à ̈ strutturato per rivelare una condizione di regolarità nel funzionamento della candela 3 quando la durata temporale tMEASà ̈ superiore alla soglia temporale Tth. Nella condizione di regolarità, la candela 3 produce la scintilla elettrica desiderata ai fini dell’accensione del motore.

Si noti che secondo una prima forma di attuazione del modulo di rivelazione 9, il segnale di rivelazione SVctrà ̈ tale da indicare la presenza di una anomalia quando la condizione di assenza di scintilla viene rilevata per un numero Ns di volte (in cui il numero Ns à ̈ maggiore o uguale a 1), mentre se l’assenza di scarica viene rivelata per un numero di volte inferiore al numero Ns il segnale di rivelazione SVctrindica una condizione di regolarità.

Nel seguito della descrizione, la condizione di assenza di carica sarà anche indicata come condizione “NO SPARK†mentre la condizione di presenza di carica sarà anche indicata come condizione “SPARK†.

Secondo questa prima forma di attuazione, il modulo di rivelazione 9 può comprendere, ad esempio, un modulo digitale di comparazione 91, un modulo di decisione 93 ed un registro incrementabile 92.

In particolare, il modulo digitale di comparazione 91 à ̈ configurato per comparare il valore di durata temporale tmeascon la soglia temporale Tthe fornire un ulteriore segnale di comparazione SDS,che può assumere un primo valore logico (ad esempio, 1) nel caso di una condizione di NO SPARK o un secondo valore logico (ad esempio, 0) nel caso di condizione di SPARK.

Secondo l’esempio, il modulo di decisione 93 implementa una logica tale per cui esso incrementa (di una unità) un valore di conteggio del registro incrementabile 92 quando l’ulteriore segnale di comparazione SDSindica la presenza di un numero consecutivo di condizioni di NO SPARK pari al sopracitato numero Ns. Inoltre, il modulo di decisione 93 implementa una logica tale per cui esso azzera il valore di conteggio del registro incrementabile 92 ogni volta che l’ulteriore segnale di comparazione SDSindica la rivelazione di una condizione di SPARK. Il numero Ns può essere anche pari ad 1 e cioà ̈ il valore di conteggio à ̈ incrementato ad singola rivelazione della condizione di NO SPARK.

Il registro incrementabile 92 à ̈ configurato per immagazzinare il valore di conteggio CNie fornire in uscita il segnale di rivelazione SVctrl.Secondo questo esempio, il segnale di rivelazione SVctrlpuò assumere una pluralità di valori digitali corrispondenti al contenuto corrente del registro incrementabile 92.

Ad esempio, il registro incrementabile 92 (e il segnale di rivelazione SVctrl) può assumere una pluralità di valori conteggio CN = [0, 1, 2, …, Nc] in cui:

un primo valore di conteggio CN1(per esempio lo 0) Ã ̈ rappresentativo di una condizione di SPARK;

ciascuno dei successivi valori sono indicativi del ripetersi di una condizione di NO SPARK per un numero di volte pari al prodotto Ns CNi.

L’apparato di controllo 500 comprende anche un modulo di pilotaggio 300 collegato al terminale di controllo Gtdell’interruttore 4 e strutturato per generare un primo segnale di pilotaggio Sctrldell’interruttore 4, dipendente dal segnale di rivelazione SVctrl.

Più in particolare, il primo segnale di pilotaggio Sctrlà ̈ tale da modificare le modalità operative dell’interruttore 4 quando il modulo di rivelazione 9 rivela una mancata scintilla elettrica della candela 3 oppure quando rivela una pluralità di mancate scariche elettriche consecutive della candela 3 in seguito a diversi tentativi di accensione del motore.

In maggior dettaglio, e con riguardo alla forma di attuazione particolare di figura 1, il modulo di pilotaggio 300 comprende un modulo di generazione di tensione 8 e un modulo pilota e limitatore di corrente 6.

Il modulo di generazione di tensione 8 Ã ̈ configurato per fornire ad un terminale di riferimento 62 un segnale di riferimento, in particolare una tensione di riferimento Vref, avente un valore che dipende dal segnale di rivelazione SVctrl.

Il modulo di generazione di tensione 8 à ̈, per esempio, un generatore di tensione di riferimento, chiamato anche “riferimento di tensione†, di tipo noto che produce tensioni elettriche di valore sostanzialmente costante al variare del carico, delle fluttuazione della tensione di alimentazione e delle variazioni di temperatura.

Secondo l’esempio descritto, la tensione di riferimento Vrefpuò assumere un numero di valori diversi a seconda del valore indicato dal segnale di rivelazione SVctrlapplicato all’ingresso del modulo di generazione di tensione 8.

In particolare, il generatore di tensione 8 Ã ̈ configurato in modo tale per cui la tensione di riferimento Vrefdecresce quando il segnale di rivelazione SVctrlindica un incremento del valore di conteggio CN.

Per esempio, per i valori crescenti CN = [0, 1, 2, …, Nc] assunti del segnale di rivelazione SVctr(e cioà ̈ dai valori di conteggio) corrispondono rispettivi valori decrescenti della tensione di riferimento Vref= [VrefM, Vref1, Vref2, …, Vrefm], in cui VrefMà ̈ un valore massimo e Vrefmà ̈ un valore minimo. Quindi, il generatore di tensione 8 opera anche da convertitore digitale-analogico in grado di convertire l’informazione digitale associata al segnale di rivelazione SVctrlin una tensione analogica e cioà ̈ nella tensione di riferimento Vref.

Il modulo limitatore di corrente 6 (chiamato di seguito, per brevità, solo “modulo limitatore†) à ̈ strutturato per generare il primo segnale di pilotaggio Sctrl, atto a comandare l’interruttore 4 e quindi controllare il flusso di corrente attraverso l’avvolgimento primario 10, sulla base del segnale di riferimento Vref, di una tensione di misura Vsensee sulla base del segnale di comando CMD.

Si noti che il valore minimo Vrefm, fornito dal generatore di tensione 8, à ̈ scelto in modo tale che in corrispondenza di una tensione di riferimento Vrefmpari al valore minimo Vrefm, il primo segnale di pilotaggio Sctrlassicuri che nello stato di chiusura dell’interruttore 4 vi sia una corrente di collettore Ihvcsufficiente a caricare l’avvolgimento primario 10 con energia adeguata alla creazione della scintilla bella candela 3.

Inoltre, il valore massimo VrefMà ̈ scelto in modo tale che in corrispondenza di una tensione di riferimento Vrefpari al valore massimo VrefM, il primo segnale di pilotaggio Sctrlassicuri che nello stato di chiusura dell’interruttore 4 vi sia una corrente di collettore Ihvcdi valore nominale prefissato.

In dettaglio, il modulo limitatore 6 à ̈ dotato di un terminale di controllo 61 collegato al terminale di gate Gtdell’interruttore 4 e atto a fornire il primo segnale di pilotaggio Sctrl, di un terminale di comando 64 per il segnale di comando CMD e di un terminale di sensing 63 per la tensione di misura Vsense.

Il modulo limitatore 6 à ̈ strutturato per confrontare la tensione di misura Vsense, rappresentativa della tensione del terminale di emettitore Ete quindi anche di quella di collettore Ctdell’interruttore 4,con il particolare valore assunto dalla tensione di riferimento Vrefe generare il primo segnale di pilotaggio Sctrl.Il primo segnale di pilotaggio Sctrlà ̈ tale da far sì che l’interruttore 4 lavori in zona lineare e quindi la corrente di collettore Ihvcsia limitata; in queste condizioni la tensione di misura Vsense viene regolata per essere uguale al valore della tensione di riferimento Vref.

Il modulo limitatore 6 può essere realizzato mediante un circuito elettronico che comprende un generatore di corrente per pilotare il terminale di gate Gtdell’interruttore 4 e un circuito limitatore di corrente, ad esempio, di tipo convenzionale.

L’apparato di controllo 500 comprende inoltre un modulo di sensing di tensione 7 configurato per misurare la caduta di tensione ai capi di un resistore di sensing 5 e fornire questa misura mediante un corrispondente segnale di misura quale, in particolare, la tensione di misura Vsense. Il resistore di sensing 5 à ̈ collegato fra il terminale di emettitore Etdell’interruttore 4 e il terminale di terra gnd.

Il modulo di sensing di tensione 7 Ã ̈ dotato di un primo terminale di sensing 71 e di un secondo terminale di sensing 72 collegati al primo e al secondo terminale del resistore di sensing 5 rispettivamente, e di un terminale di misura 73 atto a fornire la tensione di misura Vsense.

Un ulteriore diodo Zener DZ1 presenta un proprio anodo collegato al terminale di gate Gtdell’interruttore 4, ed un proprio catodo collegato al terminale di collettore Ctdell’interruttore 4, ed ha lo scopo di limitare la tensione di collettore Vhvcin modo da evitare il fenomeno del Break Down dell’interruttore 4.

Un modulo di controllo 100, per esempio esterno al dispositivo per l’accensione elettronica 1000, quale un microcontrollore à ̈ configurato per generare il segnale di comando CMD il quale comanda l’interruttore 4 fra lo stato di chiusura e di apertura .

FUNZIONAMENTO

Verrà, qui di seguito descritto un esempio di funzionamento del sistema di accensione elettronica 1000 e quindi anche dell’apparato di controllo 500.

Il modulo di controllo 100 genera il segnale di comando CMD, ad esempio in forma di onda quadra, in cui l’intervallo temporale Tonall’interno del quale il segnale si mantiene alto e’ ad esempio pari a 4ms, ed in cui l’intervallo temporale Toffall’interno del quale il segnale si mantiene basso e’ ad esempio pari a 16ms, risultando in un valore del periodo dell’onda quadra T pari 20 ms e in un valore di duty cycle pari a 20%.

La presente descrizione del funzionamento sistema di accensione elettronica 1000 si riferisce ad una generica porzione del segnale di comando CMD che fa riferimento a quattro cicli di accensione 1, 2, 3 4. Fra due successivi fronti di salita del segnale di comando CMD avviene un ciclo di accensione o tentata accensione del motore e cioà ̈ una chiusura ed una successiva apertura dell’interruttore 4.

Un primo fronte di salita Eupdel segnale di comando CMD fa sì che il modulo limitatore 6 chiuda l’interruttore 4, cioà ̈, secondo l’esempio, provochi l’accensione del transistore IGBT.. L’accensione del transistore IGBT 4 determina l’inizio dello scorrimento della corrente di collettore Ihvc. Successivamente al fronte di salita Eupil segnale di comando CMD viene mantenuto ad un livello alto per un intervallo temporale di durata Tonprovocando un andamento crescente della corrente di collettore Ihvccome rappresentato in figura 3.

Durante l’intervallo Tonla corrente di collettore Ihvctransita attraverso il terminale di emettitore Etdell’interruttore 4 e da questo scorre nel resistore di sensing 5 provocando una caduta di tensione ai suoi capi. La caduta di tensione ai capi del resistore di sensing 5, avente resistenza Rsense,à ̈ misurata dal modulo di sensing di tensione 7 che quindi fornisce la corrispondente tensione di misura Vsenseal modulo limitatore 6.

Il modulo limitatore 6 confronta la tensione di riferimento Vrefcon la tensione di misura Vsense,la quale ha un andamento crescente proporzionalmente alla corrente di collettore Ihvcche scorre nel resistore di sensing 5 secondo la legge Vsense=Rsense*Ihvc. Quando la tensione di misura Vsensesupera un valore di soglia opportunamente inferiore alla tensione di riferimento Vref, il modulo limitatore 6 regola la tensione del terminale di gate Gtdell’interruttore 4, in modo da limitare l’intensità’ della corrente di collettore Ihvcad un valore di corrente di limitazione nominale ILIM0.

Durante l’intervallo Tonla corrente di collettore Ihvc, a meno di un contributo di corrente Ihvche alimenta il modulo di rilevazione di tensione 40, scorre attraverso l’avvolgimento primario 10, caricandolo con un valore di energia pari a L I2

hvc/2, dove L à ̈ il valore dell’induttanza dell’avvolgimento primario 10.

Al termine dell’intervallo Ton, quando la corrente di collettore Ihvcha già raggiunto un valore di limitazione nominale ILIM0, la tensione di collettore Vhvcdell’interruttore 4 à ̈ pari alla tensione di batteria Vbatt.

Al fronte di discesa Edwil segnale di controllo CMD fa sì che il modulo limitatore 6 possa aprire l’interruttore 4, cioà ̈ provoca lo spegnimento del transistore IGBT.

Per effetto dello spegnimento dell’interruttore 4, la tensione di collettore Vhvcaumenta rapidamente, come mostrato in figura 3. L’incremento del valore della tensione di collettore Vhvcal terminale di collettore può eventualmente essere limitato dall’azione dell'ulteriore diodo zener DZ1 in modo da evitare il fenomeno del Break-down dell’interruttore 4.

Il valore di picco della tensione di collettore Vhvcdurante lo spegnimento dell’interruttore 4 à ̈, ad esempio, compreso fra i 300 V e i 400 V. Si noti che la tensione di collettore Vhvc, a meno della tensione di batteria Vbatt, corrisponde alla tensione dell’avvolgimento primario 10.

Per effetto dell’accoppiamento induttivo fra l’avvolgimento primario 10 e l’avvolgimento secondario 20, si genera una tensione sull’avvolgimento secondario 20 di valore determinato dal rapporto spire del trasformatore elettrico 1.

Ad esempio, supponendo un rapporto spire pari a 100, ed una tensione all’avvolgimento primario 10 compreso fra i 300V e i 400 V, la tensione che si determina sull’avvolgimento secondario 20 e’ compreso fra i 30kV e i 40 kV.

In caso di presenza della candela d’accensione 3 e di corretto funzionamento della stessa, la tensione determinatasi all’avvolgimento secondario 20, viene applicata all’elettrodo centrale della candela 3 determinando la scintilla all’interno della camera di combustione, e quindi determinando il trasferimento dell’energia accumulata all’avvolgimento primario 10 verso l’avvolgimento secondario 20. Questa condizione operativa à ̈ indicata, come già detto, anche come condizione di SPARK.

Nel caso invece di assenza della candela d’accensione 3, oppure di malfunzionamento della stessa, non si genera la scintilla all’interno della camera di combustione, e di conseguenza non si attua il trasferimento dell’energia accumulata nell’avvolgimento primario 10 verso l’avvolgimento secondario 20. In conseguenza di questa condizione operativa, condizione NO SPARK, l’energia accumulata nell’avvolgimento primario sarà dissipata dall’interruttore 4 con le modalità che saranno descritte nei successivi paragrafi.

Si consideri adesso il caso in cui all’interno del ciclo 1, figura 3, si verifichi una condizione di NO SPARK. Al fronte di discesa Edowndel segnale di comando CMD, il modulo di comparazione 30 compara il segnale di lettura Vrhv, rappresentativo della tensione di collettore Vhvc, fornito dal modulo di rilevazione 40 con la prima tensione di soglia VTH_H resa disponibile dal modulo di selezione.

Il valore della prima tensione di soglia VTH_H e’ fissato in modo tale che in corrispondenza dello spegnimento dell’interruttore 4 il segnale di lettura Vrhvsuperi il valore della prima tensione di soglia VTH_H. Fino a quando il segnale di lettura Vrhvrisulta inferiore al valore della prima tensione di soglia VTH_H il segnale di comparazione hvDETassume un primo valore logico, ad esempio 0.

Si noti che il segnale di lettura Vrhvsegue l’andamento della tensione di collettore Vhvcche si verifica a partire dall’istante di spegnimento dell'interruttore 4. Tale tensione di collettore Vhvcpresenta un picco e decresce rapidamente per la dissipazione che avviene sull’interruttore 4 anche se si trova nello stato aperto.

Dal momento in cui il segnale di lettura Vrhvoltrepassa, crescendo, il valore della prima tensione di soglia VTH_H il segnale di comparazione hvDETcommuta verso un secondo valore logico, ad esempio 1. Si noti che sia in condizione di SPARK sia in condizione di NO SPARK il segnale di comparazione hvDETnon commuterà ulteriormente e quindi, rimarrà al valore logico 1, fino a quando si verificherà una dissipazione sostanzialmente completa dell’energia immagazzinata all’avvolgimento primario 10.

La commutazione del segnale di comparazione hVDET, dal valore logico 0 al valore logico 1 fa sì il modulo di selezione 32 commuti e fornisca al comparatore 31 la seconda tensione di soglia VTH_L, il cui valore di progetto e’ inferiore a quello della prima tensione di soglia VTH_H.

Inoltre la commutazione del segnale di comparazione hVDET, dal valore logico 0 al valore logico 1 attiva un processo di misura della durata temporale tMEASintercorrente fra due fronti successivi del segnale di comparazione hvDET, attuato dal modulo di rilevazione temporale 13.

Fino a che il segnale di lettura Vrhvcontinua a mantenersi al di sopra della seconda tensione di soglia VTH_L, il segnale di comparazione hvDETsi mantiene al valore logico 1. Successivamente, quando il segnale di lettura Vrhvscende al di sotto della seconda tensione di soglia VTH_L, il segnale di comparazione hvDETcommuta al valore logico 0. Ciò avviene quando la tensione di collettore Vhvcdecresce per la dissipazione sull’interruttore 4.

In corrispondenza della commutazione del segnale di comparazione hvDETdal valore logico 1 al valore logico 0, il modulo di rilevazione temporale 13 completa il processo di misura della durata temporale tMEAS1intercorrente fra due fronti successivi del segnale di comparazione hvDETe rende disponibile il valore misurato tMEAS1al modulo di rivelazione 9.

Il modulo digitale di comparazione 91 del modulo di rivelazione 9 riceve in ingresso il valore di durata temporale misurato tMEAS1e lo compara con la soglia temporale Tthscelta opportunamente, in modo da discriminare fra le due possibili condizioni di funzionamento, vale a dire la condizione SPARK oppure la condizione NO SPARK.

A tal proposito, si definisca un intervallo temporale tHVcome l’intervallo di tempo in cui la tensione di collettore Vhvcsi mantiene maggiore della seconda tensione di soglia V_THL. La Richiedente ha osservato che in condizioni di SPARK tale intervallo temporale assume un valore tHV(SPARK) che risulta superiore al valore tHV(NO SPARK) che l’intervallo temporale tHVassume in caso di condizione NO SPARK:

tHV(SPARK) > tHV(NO SPARK) Tipicamente, non limitativamente, il valore tHV(SPARK) à ̈ compreso fra 0.8 ms e 2 ms ed il valore tHV(NO SPARK) à ̈ non superiore ai 0.3 ms. Secondo questo esempio, il valore di soglia temporale Tthsopra indicato può essere scelto nel range 0.3 – 0.8 (ad esempio 0.5ms).

Nel caso del ciclo 1 di figura 3 la durata temporale misurata tMEAS1à ̈ inferiore alla soglia temporale Tth, e quindi il modulo di comparazione temporale 91 rileva una condizione operativa di NO SPARK e produce l’ulteriore segnale di comparazione SDS,che assume, per esempio, il primo valore logico 1. L’ulteriore segnale di comparazione SDSà ̈ reso disponibile al modulo di decisione 93. Inoltre, si consideri il caso particolare in cui Ns sia pari ad 1 e cioà ̈ il valore del registro incrementabile 92 à ̈ incrementato di una unità ad ogni singola rivelazione della condizione di NO SPARK.

Quindi, in seguito a questo valore logico 1, assunto dall’ulteriore segnale di comparazione SDS,il modulo di decisione 93 incrementa di una unità il contenuto del registro incrementabile 92 e di conseguenza si incrementa il valore digitale rappresentato dal segnale di rivelazione SVctrl.

Il valore del registro incrementabile 92 così determinato viene reso disponibile al modulo di generazione di tensione 8 mediante un aggiornamento del valore assunto dal segnale di rivelazione SVctrlsulla base del nuovo valore di conteggio assunto dal registro incrementabile 92.

Sulla base del valore assunto dal segnale di rivelazione SVctrl, il modulo di generazione di tensione 8, genera un nuovo valore Vref1della tensione di riferimento Vref.

In particolare, il nuovo valore Vref1della tensione di riferimento Vrefrisulta inferiore al valore della tensione di riferimento Vrefassunto precedentemente.

In tal modo, nel successivo ciclo 2 di accensione ed apertura dell’interruttore 4, il modulo limitatore 6 genera il secondo segnale di pilotaggio Sctrlcon un valore tale per cui la corrente di collettore Ihvcavrà un valore massimo ridotto rispetto a quello che si era verificato nel ciclo precedente.

Inoltre, come appare dalla figura 3, sia la tensione di riferimento sia il valore massimo della corrente di collettore Ihvcdiminuiscono (entro i range prestabiliti) nel ciclo 2 rispetto al ciclo 1.

Secondo l’esempio mostrato anche nel ciclo 2 si verifica una condizione di NO SPARK, con ulteriore riduzione della corrente di collettore Ihvcmassima (cioà ̈ di limitazione) nel successivo ciclo 3.

Si osservi che in queste consecutive condizioni di NO SPARK, riducendo la corrente massima che interessa l’interruttore 4 quando à ̈ nello stato aperto si riduce l’energia dissipata in tale interruttore 4 stesso, riducendo quindi lo stress a cui esso viene sottoposto in caso di anomalia nel funzionamento della candela 3.

Secondo l’esempio mostrato in figura 3, nel ciclo 3 si verifica che la durata temporale tMEAS3à ̈ superiore o uguale al valore di soglia temporale Tth, e quindi il modulo di rivelazione 9 rileva una condizione operativa di SPARK e azzera il valore di conteggio memorizzato nel registro incrementabile 92.

Il valore del registro incrementabile 92 azzerato viene reso disponibile al modulo di generazione di tensione 8 mediante un ulteriore aggiornamento del valore assunto dal segnale di rivelazione SVctrl. Sulla base del valore assunto dal segnale di rivelazione SVctrlaggiornato, il modulo di generazione di tensione 8, genera la tensione di riferimento Vrefavente valore Vmaxe quindi nel successivo ciclo di accensione, ossia il ciclo 4, la corrente di collettore Ihvcpotrà assumere il valore nominale massimo prestabilito. Questa situazione esemplificativa illustrata dai cicli 1, 2, 3 e 4 di figura 3 può verificarsi, per esempio, nel caso di candela sporca e cioà ̈ può accadere che dopo un certo numero di tentativi senza successo si verifica infine la scintilla di accensione.

Si osservi che secondo un’altra forma di realizzazione à ̈ possibile prevedere che dopo il verificarsi di un numero prefissato di condizioni consecutive di NO SPARK (con Ns maggiore o uguale all’unità), si decida di inibire l’accensione dell’interruttore 4. Per esempio, può essere previsto un contatore addizionale che conta il numero delle volte che vengono rivelate un numero pari a Ns di condizioni di NO SPARK e inoltre, in tal caso, il modulo di comando 100 può inibire ulteriori cicli di accensione e spegnimento dell’interruttore 4. Questa soluzione permette di evitare la distruzione dell’interruttore 4.

Si ricordi che l’accensione elettronica e’ una funzione importantissima per la sicurezza di un veicolo e una rottura dell’interruttore 4 oltre a impedire il funzionamento di un cilindro, potrebbe provocare anche gravi incidenti, in alcuni casi anche incendi o danni gravi alla bobina o alla centralina.

La Richiedente ha costruito un modello termico di un IGBT per testarne le prestazioni in caso di mancata scintilla e per un andamento di corrente di collettore analogo a quello ottenibile nel sistema di accensione 1000 descritto e uno ottenibile secondo la tecnica nota e cioà ̈ senza u riduzione della corrente di limitazione all’aumentare del numero di cicli senza scintilla.

I maggior dettaglio, la figura 4a mostra una prima curva A relativa dell’andamento della corrente di collettore per più cicli di accensione, in caso di †̃Open Secondary’ e corrente di limitazione sempre attiva. La figura 4b mostra una seconda curva B relativa all’andamento della corrente di collettore Ihvc,per più cicli di accensione, come si verifica nel sistema di accensione 1000 descritto. La curva A mostra l’assenza di una riduzione della corrente di limitazione che appare invece presente nella curva B.

In figura 4b, una terza curva C e una quarta curva D si riferiscono all’andamento in funzione del tempo della temperatura di giunzione di un IGBT 4 in corrispondenza di correnti di collettore aventi l’andamento delle curve A e B, rispettivamente.

Dall’osservazione delle curve C e D si noti come in circa 150 ms la temperatura di giunzione raggiunta dall’IGBT 4 per una corrente di collettore che segue l’andamento della seconda curva B presenti circa 20 C° in meno di quella raggiunta dall’IGBT sottoposto ad una corrente con l’andamento della prima curva A.

Inoltre, la figura 5 mostra nuovamente la prima curva A e la seconda curva B e, in aggiunta, indica per ogni diverso valore della corrente di limitazione per le due suddette curve la corrispondente energia elettrica da dissipare ESCIS. Come si apprezza dalla figura 5, nell’esempio considerato, il valore minimo della corrente di limitazione comporta una energia da dissipare pari a 54 mJ e cioà ̈ un valore all’incirca tre volte inferiore a quello da dissipare per il valore massimo di corrente di limitazione pari a 150 mJ.

Il sistema di accensione 1000 e l’apparato di controllo 500 sopra descritti presentano molti vantaggi in confronto ai sistemi dell’arte nota. In particolare, consentendo una diminuzione della temperatura massima raggiunta dalla giunzione dell’interruttore a stato solido e una diminuzione dell’energia elettrica da dissipare in caso di anomalie nel funzionamento della candela, permettono un allungamento del ciclo di vita dell’interruttore a stato solido e consentono anche l’utilizzo, a parità di prestazioni, di interruttori a stato solido di dimensioni ridotte (cioà ̈ meno costosi) e più veloci, nonostante questi risultino meno efficienti da un punto di vista dello smaltimento del calore.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1.Apparato di controllo (500) di una candela di accensione (3) di un motore, comprendente: un interruttore a stato solido (4) avente un terminale di controllo (Gt) ed un terminale di uscita (Ct) collegabile ad un trasformatore elettrico esterno, strutturato per assumere uno stato di chiusura in cui fornire energia al trasformatore e uno stato di apertura in cui consentire cessione di energia dal trasformatore alla candela esterna, un modulo di misura (400) configurato per misurare una durata temporale in cui, nello stato di apertura, una tensione elettrica al terminale di uscita (Ct) decresce da un primo valore ad un secondo; un modulo di rivelazione (9) strutturato per rivelare una anomalia/regolarità della candela se la durata temporale à ̈ inferiore/superiore ad una soglia temporale, rispettivamente, e fornire un corrispondente segnale di rivelazione (SVctrl).
2. 2. Apparato (500) secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente: un modulo di pilotaggio (300) collegato al terminale di controllo (Gt) e strutturato per generare un segnale di pilotaggio dell’interruttore (Sctrl) dipendente dal segnale di rivelazione (SVctrl).
3. 3. Apparato (500) secondo la rivendicazione 2, in cui il segnale di pilotaggio dell’interruttore (Sctrl) à ̈ tale da modificare le modalità operative dell’interruttore in una delle seguenti condizioni di funzionamento anomalo: una prima condizione in cui il modulo di rivelazione rivela una mancata scintilla elettrica della candela; una seconda condizione cui il modulo di rivelazione rivela una pluralità di mancate scintille elettriche della candela.
4. 4. Apparato (500) secondo la rivendicazione 1, in cui il modulo di misura (400) comprende: un sensore di misura (41) collegato a detto terminale di uscita (Ct) per fornire una tensione di lettura (Vrhv); un modulo di comparazione (30) per comparare una tensione di soglia ottenuta da una tensione di alimentazione dell’apparato (Vbatt) con la tensione di lettura (Vrhv) e fornire un primo segnale comparazione di tipo impulsivo (hvdet).
5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 4, in cui il modulo di misura (400) comprende inoltre: un modulo di rivelazione temporale (13) configurato per fornire un valore di durata temporale ( tMEAS) di un impulso del segnale di comparazione (hvdet)
6. 6. Apparato (500) secondo la rivendicazione 5, in cui il modulo di rivelazione (9) comprende: un modulo di comparazione temporale (91), configurato per comparare il valore di durata temporale ( tMEAS) con la soglia temporale e fornire un ulteriore segnale di comparazione atto ad assumere: un primo valore rappresentativo di una mancata scintilla della candela se il valore di durata temporale à ̈ inferiore al valore di soglia temporale; un secondo valore rappresentativo di una avvenuta scintilla della candela se il valore di durata temporale à ̈ superiore alla soglia temporale.
7. 7 Apparato (500) secondo la rivendicazione 6, in cui il modulo di rivelazione (9) comprende inoltre: un registro incrementabile (92) strutturato per incrementare un valore di conteggio quando il secondo segnale di comparazione assume una o più volte il primo valore e fornire il segnale di rivelazione (SVctrl) dipendente dal valore di conteggio.
8. 8. Apparato (500) secondo la rivendicazione 2, in cui il modulo di pilotaggio (300) comprende: un generatore di tensione di riferimento (8) configurato per ricevere il segnale di rivelazione (SVctrl) e fornire una corrispondente tensione elettrica di riferimento (SVref); un circuito limitatore di corrente elettrica (6) strutturato per generare il segnale di pilotaggio (Sctrl) funzione della tensione elettrica di riferimento (Vref) ed effettuare una regolazione di una corrente elettrica (Ihvc) a detto terminale di uscita (Ct).
9. 9. Apparato (500) secondo la rivendicazione 7, in cui il modulo di rivelazione (9) ed il generatore di tensione (8) sono configurati in modo tale per cui detta tensione elettrica di riferimento (Vref) decresce quando il segnale di rivelazione indica un incremento del segnale di conteggio.
10. 10. Apparato (500) secondo la rivendicazione 9, in cui il modulo di rivelazione (9) Ã ̈ configurato in modo tale che detta tensione elettrica di riferimento (Vref) possa assumere valori compresi fra un valore di tensione minimo superiore ad una tensione elettrica minima necessaria per causare una scintilla di detta candela ed un valore di tensione massimo al quale corrisponde una predeterminata corrente elettrica al terminale di collettore.
11. 11. Apparato (500) secondo la rivendicazione 9, inoltre comprendente un dispositivo sensore di tensione elettrica (7,5) provvisto di: almeno un primo terminale (71, 72) collegato ad un ulteriore terminale di uscita (Et) di detto interruttore (4) per prelevare una tensione elettrica; un secondo terminale (73) per fornire al circuito limitatore di corrente una tensione elettrica rivelata (Vsense) indicativa di detta tensione elettrica prelevata; in cui detto circuito limitatore di corrente (6) à ̈ configurato per confrontare la tensione elettrica di riferimento (Vref) con la tensione elettrica rivelata e (Vsense) e generare un corrispondente segnale di pilotaggio (Sctrl) dell’interruttore.
12. 12. Apparato (500) secondo la rivendicazione 1, in cui detto interruttore a stato solido (4) comprende uno dei seguenti dispostivi: transistori bipolari in configurazione Darlington, bipolari in configurazione Trilinton, almeno un transistore IGBT.
13. 13. Sistema di accensione elettronica (1000) di un motore a combustione interna, comprendente: una candela di accensione (3) strutturata per provocare una scintilla; un trasformatore elettrico (11) avente un avvolgimento primario (10) ed un avvolgimento secondario (20) collegato a detta candela di accensione; un apparato di controllo (500) collegato all’avvolgimento primario e realizzato secondo almeno una delle precedenti rivendicazioni.
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 14, inoltre comprendente: un modulo di controllo (100) strutturato per generare un segnale di comando impulsivo da fornire all’apparato di controllo (1000) per temporizzare cicli di accensione della candela.