WO2007071867A1 - Optimisation de la frequence d'excitation d'un resonateur - Google Patents

Optimisation de la frequence d'excitation d'un resonateur Download PDF

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Andre Agneray
Julien Couillaud
Clément Nouvel
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Renault S.A.S
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays

Definitions

  • the invention relates to the supply of a resonator by voltages greater than 200 V and frequencies greater than 1 MHz and in particular the supply of resonators used in controlled ignitions.
  • resonators For a plasma-generation automotive ignition application, resonators whose resonant frequency is greater than 1 MHz are arranged at the spark plug and are typically supplied with voltages greater than 200 V and subjected to an intensity greater than 1OA.
  • This application requires the use of radio frequency resonators having a high quality factor and a high voltage generator whose operating frequency is very close to the resonance frequency of the resonator.
  • the higher the quality factor of the resonator the higher the operating frequency of the generator must be close to its resonant frequency.
  • the invention aims to solve this drawback.
  • the invention thus proposes a device for controlling a power supply of a radiofrequency ignition of a combustion engine, comprising:
  • a memory module storing relationships between measurement signals and the frequency of a control signal to be generated
  • a module determining the frequency of a control signal to be generated as a function of measurement signals received on the reception interface and relationships stored in the memory module;
  • the invention also relates to a radiofrequency ignition supply, comprising: a control device as described above;
  • a supply circuit having a switch controlled by the control signal of the control device, the switch applying an intermediate voltage to an output of the circuit power supply at the frequency defined by the control signal.
  • the invention further relates to an ignition system, comprising: - a power supply as described above;
  • a resonator having a resonant frequency greater than 1 MHz, connected to the output of the supply circuit and comprising two electrodes, the resonator being able to generate a plasma between the two electrodes when a high voltage level is applied on the output of the supply circuit.
  • FIG. 1 illustrates an ignition system incorporating a control device according to the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a control device according to the invention.
  • the invention proposes a device for controlling a power supply of a radiofrequency ignition of a combustion engine.
  • the control device takes into account the operating parameter measurement signals of the combustion engine and determines the frequency of the ignition control signal to be generated as a function of relationships stored between measurement signals and the frequency of the control signal.
  • this Frequency will be maintained very precisely at a value close to the resonance frequency of the resonator. Frequency loop control is thus performed in an open loop.
  • FIG. 1 illustrates an ignition system 1, comprising a control device 2 according to the invention.
  • the control device 2 is connected to an amplifier 3.
  • the amplifier 3 is connected to the gate of a power MOSFET transistor 4.
  • the transistor 4 acts as a switch controlled by the control signal of the device 2.
  • the switch 4 is intended to allow the application of a high level of voltage between the terminals of the electrodes at a frequency defined by the control signal.
  • a series resonator 5 is connected between the drain of transistor 4 and a ground.
  • the resonator 5 comprises a resistor 51 in series with an inductance 52, and a resistor 53 in parallel with a capacitance 54.
  • the resistors 51 and 53 are equivalent resistances resulting in particular from the imperfection of the capacitors 52 and 54. 7 and 8 are connected across the capacitor 54.
  • a resonant circuit 6 is connected between an intermediate voltage source and the drain of the transistor 4. This circuit 6 comprises an inductor 61 and a capacitor 62.
  • the device 2 comprises an interface 21 for receiving signals for measuring operating parameters of the combustion engine.
  • Engine operating parameters measured include engine oil temperature, engine coolant temperature, engine torque, engine speed, ignition angle, intake air temperature. pressure at the collector, atmospheric pressure or pressure in the combustion chamber. These types of measurements can be carried out in a manner known per se by a person skilled in the art.
  • the device 2 furthermore comprises an interface 22 for receiving signals for measuring operating parameters of the power supply, receiving for example a measurement of the voltage at the terminals of the electrodes or a measurement of the intermediate voltage applied to the circuit 6.
  • the device 2 comprises a memory module 26 in which are stored relations between the measurement signals and the frequency of a control signal to be generated. These relationships can be established based on pre-tests.
  • the memory module 26 can store the relationships as a function associating predetermined measurement signals with a single control signal frequency. For example, a linear function or a polynomial function can be extrapolated according to the results of prior tests on a resonator by varying the different parameters taken into account.
  • the memory module can also store the relationships as a multidimensional array having as input measurement signals.
  • the module 26 stores relationships providing a control frequency according to a temperature measurement in the vicinity of the resonator 5 and measurements of electrical operating parameters of the power supply. These relationships can be established based on prior tests establishing the effect of temperature on the resonance frequency of the resonator 5.
  • the device 2 comprises a module 25 determining the frequency of the control signal to be generated as a function of the measurement signals received and the relationships stored in the memory 26.
  • the frequency of the control signal is supplied by the module 25 to a module 27, applying the control signal at said frequency on an output interface 24.
  • the module 27 is for example a clock generator appropriately chosen by those skilled in the art.
  • the programming interface 23 makes it possible to receive and execute commands for modifying the relationships or parameters of the resonator stored in the memory module 26.
  • the programming interface 23 can notably be a wireless communication interface. Thus, it is conceivable to update the relationships stored in the module 26. Thus, if a better knowledge of the behavior of the resonator is acquired, the operation of the ignition system can be optimized after delivery.
  • the programming interface 23 makes it possible to program the module 26 from electrical parameter values (for example the resonance frequency) of a resonator 5 measured at the factory.
  • a code The bar may be associated with the resonator 5 to code the determined electrical parameter values, this bar code being read to write these values in the module 26 when the resonator is connected to the device 2. Thus, the manufacturing dispersions of the resonators 5 will not affect the accuracy of the generated control frequency.
  • the ignition system typically comprises a series resonator 5 whose frequency is greater than 1

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de commande (2) d'une alimentation d'un allumage radiofréquence d'un moteur à combustion, comprenant: - une interface (21) de réception de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion ; - une interface de sortie (24) d'un signal de commande ; - un module (26) mémorisant des relations entre des signaux de mesure et la fréquence d'un signal de commande à générer ; - un module (25) déterminant la fréquence d'un signal de commande à générer en fonction de signaux de mesures reçus sur l'interface de réception et des relations mémorisées; - un module (27) appliquant le signal de commande à la fréquence déterminée.

Description

OPTIMISATION DE LA FREQUENCE D'EXCITATION D'UN RESONATEUR
L'invention concerne l'alimentation d'un résonateur par des tensions supérieures à 200 V et des fréquences supérieures à 1 MHz et en particulier l'alimentation de résonateurs utilisés dans des allumages commandés .
Pour une application à l'allumage automobile à génération de plasma, des résonateurs dont la fréquence de résonance est supérieure à 1 MHz sont disposés au niveau de la bougie et sont typiquement alimentés avec des tensions supérieures à 200 V et soumis à une intensité supérieure à 1OA. Cette application nécessite l'utilisation de résonateurs radio-fréquence présentant un facteur de qualité élevé et un générateur haute tension dont la fréquence de fonctionnement est très proche de la fréquence de résonance du résonateur. Plus la différence entre la fréquence de résonance du résonateur et la fréquence de fonctionnement du générateur est réduite, plus le facteur d'amplification du résonateur (rapport entre sa tension de sortie et sa tension d'entrée) est élevé. Plus le facteur de qualité du résonateur est élevé, plus la fréquence de fonctionnement du générateur doit être proche de sa fréquence de résonance.
De nombreux paramètres ont une incidence sur la fréquence de résonance : les dispersions de fabrication, la température dans la chambre de combustion ou dans le circuit de refroidissement ou les dérives de vieillissement des composants du résonateur. Ces paramètres ont une incidence encore plus importante pour le cas particulier des bobines bougies, du fait de la proximité entre certains composants du résonateur et la chambre de combustion. Ainsi, il est délicat de garantir un facteur d'amplification du résonateur. L'invention vise à résoudre cet inconvénient. L'invention propose ainsi un dispositif de commande d'une alimentation d'un allumage radiofréquence d'un moteur à combustion, comprenant :
- une interface de réception de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion ;
- une interface de sortie d'un signal de commande ;
- un module mémoire mémorisant des relations entre des signaux de mesure et la fréquence d'un signal de commande à générer ;
- un module déterminant la fréquence d'un signal de commande à générer en fonction de signaux de mesures reçus sur l'interface de réception et des relations mémorisées dans le module mémoire ;
- un module appliquant le signal de commande à la fréquence déterminée sur l'interface de sortie.
L'invention porte également sur une alimentation d'allumage radiofréquence, comprenant : - un dispositif de commande tel que décrit ci- dessus ;
- un circuit d' alimentation présentant un interrupteur commandé par le signal de commande du dispositif de commande, l'interrupteur appliquant une tension intermédiaire sur une sortie du circuit d' alimentation à la fréquence définie par le signal de commande .
L'invention porte en outre sur un système d'allumage, comprenant : - une alimentation telle que décrite ci-dessus ;
- un résonateur présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz, connectée à la sortie du circuit d'alimentation et comprenant deux électrodes, le résonateur étant apte à générer un plasma entre les deux électrodes lorsqu'un niveau haute tension est appliqué sur la sortie du circuit d'alimentation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 illustre un système d' allumage intégrant un dispositif de commande selon l'invention ; - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif de commande selon l'invention.
L'invention propose un dispositif de commande d'une alimentation d'un allumage radiofréquence d'un moteur à combustion. Le dispositif de commande prend en compte des signaux de mesure de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion et détermine la fréquence du signal de commande d' allumage à générer en fonction de relations mémorisées entre des signaux de mesure et la fréquence du signal de commande. En adaptant la fréquence du signal de commande en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, cette fréquence sera maintenue très précisément à une valeur proche de la fréquence de résonance du résonateur. On réalise ainsi un asservissement en fréquence en boucle ouverte .
La figure 1 illustre un système d'allumage 1, comprenant un dispositif de commande 2 selon l'invention. A l'exception du dispositif de commande 2, des exemples d'éléments du système d'allumage 1 illustré ont été détaillés dans le document EP-A-I 515 594. Le dispositif de commande 2 est connecté à un amplificateur 3. L'amplificateur 3 est connecté à la grille d'un transistor MOSFET de puissance 4. Le transistor 4 fait office d'interrupteur commandé par le signal de commande du dispositif 2. L'interrupteur 4 est destiné à permettre l'application d'un haut niveau de tension entre les bornes des électrodes à une fréquence définie par le signal de commande. Un résonateur série 5 est connecté entre le drain du transistor 4 et une masse. Le résonateur 5 comprend une résistance 51 en série avec une inductance 52, et une résistance 53 en parallèle avec une capacité 54. Les résistances 51 et 53 sont des résistances équivalentes découlant notamment de l'imperfection des capacités 52 et 54. Des électrodes d'allumage 7 et 8 sont connectées aux bornes de la capacité 54. Un circuit résonant 6 est connecté entre une source de tension intermédiaire et le drain du transistor 4. Ce circuit 6 comprend une inductance 61 et une capacité 62. La figure 2 illustre schématiquement un exemple de dispositif de commande 2 selon l'invention. Le dispositif de commande 2 comprend une interface 21 de réception de signaux de mesure de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion. Parmi les paramètres de fonctionnement moteur mesurés, on peut envisager la température d'huile moteur, la température du liquide de refroidissement moteur, le couple moteur, le régime moteur, l'angle d'allumage, la température de l'air d'admission, la pression au niveau du collecteur, la pression atmosphérique ou la pression dans la chambre de combustion. Ces types de mesures peuvent être effectués de façon connue en soi par l'homme de métier.
Avantageusement, le dispositif 2 comprend par ailleurs une interface 22 de réception de signaux de mesure de paramètres de fonctionnement de l'alimentation, réceptionnant par exemple une mesure de la tension aux bornes des électrodes ou une mesure de la tension intermédiaire appliquée au circuit 6.
Le dispositif 2 comprend un module mémoire 26 dans lequel sont stockées des relations entre les signaux de mesure et la fréquence d'un signal de commande à générer. Ces relations peuvent être établies en fonction de tests préalables. Le module mémoire 26 peut mémoriser les relations sous la forme d'une fonction associant des signaux de mesure prédéterminés à une unique fréquence de signal de commande. On peut par exemple extrapoler une fonction linéaire ou une fonction polynomiale en fonction de résultats de tests préalables sur un résonateur en faisant varier les différents paramètres pris en compte. Le module mémoire peut également mémoriser les relations sous forme de tableau multidimensionnel ayant pour entrée des signaux de mesure. Selon une version simplifiée, le module 26 mémorise des relations fournissant une fréquence de commande en fonction d'une mesure de température à proximité du résonateur 5 et de mesures de paramètres électriques de fonctionnement de l'alimentation. Ces relations peuvent être établies en fonction de tests préalables établissant l'incidence de la température sur la fréquence de résonance du résonateur 5.
Le dispositif 2 comprend un module 25 déterminant la fréquence du signal de commande à générer en fonction de signaux de mesure reçus et des relations mémorisées dans la mémoire 26. La fréquence du signal de commande est fournie par le module 25 à un module 27, appliquant le signal de commande à ladite fréquence sur une interface de sortie 24. Le module 27 est par exemple un générateur d'horloge choisi de façon adéquate par l'homme de métier.
On peut prévoir une interface de programmation 23 permettant de recevoir et d'exécuter des commandes de modifications des relations ou des paramètres du résonateur mémorisés dans le module mémoire 26. L'interface de programmation 23 peut notamment être une interface de communication sans fil. Ainsi, on peut envisager de mettre à jour les relations mémorisées dans le module 26. Ainsi, si une meilleure connaissance du comportement du résonateur est acquise, le fonctionnement du système d' allumage peut être optimisé après sa livraison. Par ailleurs, l'interface de programmation 23 permet de programmer le module 26 à partir de valeurs de paramètres électriques (par exemple la fréquence de résonance) d'un résonateur 5 mesurées en usine. Un code barre peut être associé au résonateur 5 pour coder les valeurs de paramètres électriques déterminés, ce code barre étant lu pour inscrire ces valeurs dans le module 26 lors de la connexion du résonateur au dispositif 2. Ainsi, les dispersions de fabrication des résonateurs 5 n'auront pas d'incidence sur la précision de la fréquence de commande générée.
Pour une application à l'allumage d'un moteur à combustion, le système d'allumage comprend typiquement un résonateur série 5 dont la fréquence est supérieure à 1
MHz, des moyens d'application d'une tension supérieure à
200 Volts entre les bornes des électrodes et un dispositif de commande apte à générer un signal de commande présentant une fréquence de l'ordre de grandeur de la fréquence de résonance du résonateur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de commande (2) d'une alimentation d'un allumage radiofréquence d'un moteur à combustion, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une interface (21) de réception de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion ;
- une interface de sortie (24) d'un signal de commande ;
- un module mémoire (26) mémorisant des relations entre des signaux de mesure et la fréquence d'un signal de commande à générer ;
- un module (25) déterminant la fréquence d'un signal de commande à générer en fonction de signaux de mesures reçus sur l'interface de réception et des relations mémorisées dans le module mémoire ;
- un module (27) appliquant le signal de commande à la fréquence déterminée sur l'interface de sortie.
2. Dispositif de commande (2) selon la revendication 1, dans lequel l'interface de réception (22) est également destinée à la réception de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement de l'alimentation.
3. Dispositif (2) selon la revendication 1 ou 2, comprenant une interface de programmation (23) connectée au module mémoire (26), cette interface étant destinée à recevoir des valeurs de paramètres électriques d'un résonateur destiné à être connecté à l'interface de sortie, les valeurs des paramètres électriques mémorisés dans le module mémoire intervenant dans lesdites relations mémorisées.
4. Dispositif de commande (2) selon la revendication 3, dans lequel les valeurs des paramètres électriques mémorisés sont issues de mesures effectuées sur un résonateur (5) destiné à être connecté à l'interface de sortie (24).
5. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les signaux de mesures sont choisis dans le groupe comprenant la température d'huile moteur, la température du liquide de refroidissement moteur, le couple moteur, le régime moteur, l'angle d'allumage, la température de l'air d'admission, la pression au niveau du collecteur, la pression atmosphérique ou la pression dans la chambre de combustion .
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module mémoire
(26) mémorise des relations sous forme de tableau multidimensionnel ayant pour entrée des signaux de mesure.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module mémoire
(26) mémorise des relations sous la forme d'une fonction associant une unique fréquence de signal de commande à des signaux de mesure prédéterminés.
8. Alimentation d'allumage radiofréquence, comprenant :
- un dispositif de commande (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
- un circuit d' alimentation présentant un interrupteur (4) commandé par le signal de commande du dispositif de commande (2), l'interrupteur appliquant une tension intermédiaire sur une sortie du circuit d' alimentation à la fréquence définie par le signal de commande .
9. Système d'allumage, comprenant :
- une alimentation selon la revendication 8 ; - un résonateur (5) présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz, connectée à la sortie du circuit d'alimentation et comprenant deux électrodes (7, 8), le résonateur étant apte à générer un plasma entre les deux électrodes lorsqu'un niveau haute tension est appliqué sur la sortie du circuit d'alimentation.
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