WO2010136727A1 - Procéde de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofrequence, et dispositif correpondant - Google Patents

Procéde de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofrequence, et dispositif correpondant Download PDF

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Franck Deloraine
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Renault SAS
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    • F02P2017/125—Measuring ionisation of combustion gas, e.g. by using ignition circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/01—Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator

Definitions

  • the present invention relates to the field of radiofrequency ignition of a motor vehicle spool-plug, and more particularly the measurement of the ionization current.
  • the measurement of the ionization current of the gases in the engine cylinders is typically carried out after the end of the ignition and finds particularly advantageous applications, for example for the detection of the crankshaft angle corresponding to the pressure peak of the chamber of combustion, knocking or for the identification of misfires.
  • ionization current measuring circuits for a conventional ignition system is to bias the mixture of the combustion chamber after the generation of the spark between the electrodes of the spark plug, in order to measure the current resulting from the spread of combustion.
  • Such circuits are conventionally arranged at the foot of the secondary of an ignition coil connected to the spark plug. These circuits, however, need to be dedicated to the characteristics of conventional ignition and therefore are not adaptable as such to plasma-generated ignition systems, implementing radiofrequency coil-type spark plugs, as described in detail in the following patent applications filed in the name of the applicant FR 03-10766, FR 03-10767 and FR 03-10768.
  • the specificities of radiofrequency ignition generate several constraints for measuring the ionization current.
  • the measurement of the ionization current is carried out after the end of the ignition. Its amplitude depends on the DC voltage or "bias voltage” applied between the high voltage electrode of the spark plug and the motor mass.
  • the bias voltage is typically between the battery voltage and several hundred volts.
  • the signal representative of the ionization current has an amplitude of between 0.1 ⁇ A and 1 mA depending on the conditions of the combustion chamber (temperature, pressure, composition of the mixture, etc.).
  • the ignition control signal induces large currents that have an amplitude difference of nearly 120 dB with the ionization current that is to be measured.
  • the measuring circuit therefore undergoes a glare time during which it can not acquire a weak current.
  • this type of ignition can develop two types of discharge: a branched-or multi-filament spark, and a single-filament arc spark.
  • the invention relates to a method of detecting the type of spark generated by a radiofrequency ignition coil / spark plug, for a motor vehicle engine, comprising the steps of:
  • the present invention aims to overcome these disadvantages by providing a method for detecting in real time the type of spark generated by a radiofrequency ignition coil-plug.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that it further comprises the steps of:
  • the spark is of mono filamentary type if the value of the time is less than the reference value, and branched type if the value of the time is greater than the reference value.
  • provision is made to modify at least one of the ignition parameters as a function of the difference between the time and the reference value.
  • the method further comprises a step of slaving the reference value to the operating point of the engine.
  • the reference value is constant in time, regardless of the operating point of the motor.
  • the invention relates to a device for detecting the type of spark generated by a radiofrequency ignition coil / spark plug, for a motor of motor vehicle, capable of implementing the method according to the invention and comprising:
  • the device according to the invention is essentially characterized in that it further comprises:
  • the spark is of the monofilament type if the value of the time is less than the reference value, and of the branched type if the value of the time is greater than the reference value.
  • the device further comprises means for modifying at least one of the ignition parameters as a function of the difference between the time and the reference value.
  • the device further comprises means for controlling the reference value at the operating point of the motor.
  • the distance between the coil-spark plug electrode and the ground electrode is greater than or equal to 4 mm.
  • the invention relates to a computer program, comprising program code instructions for executing the steps of the method according to the invention, when said program is executed on a computer.
  • the invention also relates to a motor vehicle equipped with the device according to the invention or a programmable digital heart such as a processor comprising the computer program or onboard computer according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of the device According to the invention
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of the device for measuring the ionization current according to the invention
  • FIG. 3 illustrates the equivalent circuit of a single-filament spark
  • FIG. 4 illustrates the equivalent circuit of FIG. 5 illustrates the relative ranges of the values of TO and T1 after the end of the spark
  • FIG. 6 is a map illustrating the different types of sparks as a function of the interelectrode distance and the the supply voltage.
  • the detection device is configured to be connected to a motor vehicle radiofrequency ignition coil / spark plug.
  • the device may include a spark plug-coil.
  • the coil-spark plug implemented in the context of the controlled radiofrequency ignition is electrically equivalent to a resonator 1, whose frequency of resonance F c is greater than 1 MHz, and typically close to 5 MHz.
  • the resonator comprises in series a resistor Rs, an inductance coil Ls and a capacitance Cs.
  • Ignition electrodes 111 and 112 of the spark plug are connected across the capacitor Cs of the resonator, making it possible to generate electrical discharges, preferably branched, to initiate the combustion of the mixture in the combustion chambers of the engine, when the resonator is powered at its resonance frequency.
  • the amplitude across the capacitor Cs is amplified so that multi-stage discharges filaments develop between the electrodes, over distances of the order of one centimeter, at high pressure and for peak voltages below 40 kV.
  • branched sparks These are referred to as branched sparks, insofar as they involve the simultaneous generation of at least several lines or ionization paths in a given volume, their branches being moreover omnidirectional.
  • This radiofrequency ignition application requires the use of a power supply circuit, capable of generating voltage pulses, typically of the order of 100 ns, which can reach amplitudes of the order of 1 kV, at a voltage of frequency very close to the resonance frequency of the plasma generation resonator of the radiofrequency coil-plug.
  • the detection device therefore comprises a power supply circuit 2, which conventionally implements a so-called "Class E pseudo power amplifier” assembly.
  • This assembly makes it possible to create the voltage pulses with the aforementioned characteristics.
  • This arrangement comprises a Vinter intermediate feed that can vary from 0 to 250V, a MOSFET transistor with power M and a parallel resonant circuit 4, comprising a coil Lm (primary of a transformer T) in parallel with a capacitor Cp, with a frequency of resonance close to 5 MHz also.
  • the primary winding L m of the transformer is connected on one side to the supply voltage Vinter and on the other side to the drain of the switching transistor M, controlling the application of the supply voltage Vinter to the terminals of the primary winding at the frequency defined by the control signal Vl.
  • the secondary winding L n of the transformer one side of which is connected to ground by a grounding wire 6, is in turn intended to be connected to the spark-plug.
  • the resonator 1 of the coil-plug connected to the terminals of the secondary winding by connecting son 5 and 6, whose ground return wire 6, is thus fed by the secondary of the transformer.
  • Transistor M is used as a switch to control the switching at the terminals of the parallel resonant circuit and the plasma generator resonator 1 to be connected to an output interface OUT of the supply circuit.
  • the transistor M is driven on its gate by a control logic signal Vl, supplied by a control stage 3, at a frequency which must be substantially set to the resonance frequency of the resonator 1.
  • the intermediate continuous supply voltage Vinter which can vary between 0 and 250 V, can advantageously be provided by a high voltage power supply, typically a DC / DC converter.
  • the parallel resonator 4 transforms the continuous supply voltage Vinter into an amplified periodic voltage, corresponding to the supply voltage multiplied by the overvoltage coefficient of the parallel resonator and applied to an interface of output of the supply circuit at the drain of the switch transistor M.
  • the switch transistor M then applies the amplified supply voltage to the output of the power supply, at the frequency defined by the control signal Vl, which is seeks to make the resonance frequency of the spark plug coil as close as possible, so as to generate the high voltage across the spark plug electrodes necessary for the development and maintenance of the multi-filament discharge.
  • the transistor thus switches strong currents (I C rête ⁇
  • the transformer T has a variable transformation ratio, for example between 1 and 5.
  • the transformation ratio is adapted so as to reduce the drain-source voltage of the switch transistor M.
  • Adaptation of the transformation ratio makes it possible to reduce the drain-source voltage of the transistor.
  • the decrease in the primary voltage induces an increase in the current flowing through the transistor. It is then possible to compensate for this constraint by placing for example two parallel transistors controlled by the same control stage 3.
  • Measuring the ionization current consists in polarizing, at the spark plug, the air / fuel mixture present in the combustion chamber. We thus obtain an electrical image of the development of the combustion which is translated in the form:
  • the solution adopted consists in connecting a measuring capacitor C MES in series between the secondary winding of the transformer T and the resonator 1, on the ground return wire 6.
  • the measuring capacitor is and advantageously placed in the circuit at a place where the potential differences with respect to the mass are the lowest possible.
  • the measurement capacitor C MES is of reduced capacitance, typically about ten nanofarad, which makes it possible not to disturb the ignition system while having the possibility of making low frequency measurements of the ionization current.
  • the detection device thus comprises, in addition to the measuring capacitor C MES , a measurement circuit 10.
  • the measuring circuit 10, connected across the measuring capacitor C MES advantageously comprises a voltage generator with a low input impedance, typically of the order of ten Ohms, so as to reduce the glare time of the measuring circuit, and able to provide a DC bias voltage V POLAR for charging the measuring capacitor C M E S • Voltage V PO LAR, may for example be between 12 and 250V.
  • the low input impedance of the generator makes it possible to maintain the constant voltage across the capacitor and / or to quickly return its voltage to V POLAR after the spark.
  • This impedance is sufficiently low that the current I ION representative of the evolution of the combustion of the gases in the combustion chamber is provided by the transistor T B , the operation of which will be described in more detail below, and not by the capacitor C MES • It is this discharge current I ION that measures the measuring circuit 10.
  • the bias voltage V POLAR is applied to the circuit via a bias stage 12, comprising a bipolar transistor T B mounted in common with an output on the emitter of the transistor, connected to a terminal of the measuring capacitor C MES •
  • the mounting of the transistor T B in common base is characterized in particular by its low input impedance, advantageously to provide the desired reactivity to the circuit of measured.
  • an input impedance Z E is obtained equivalent to:
  • R IN is the resistance placed at the input of the measuring circuit
  • R be indicates the intrinsic resistance of the transistor
  • the output current I 3 of the assembly 12, representative of the ionization current I ION is measured via the output resistor R s of the measuring circuit, which, as will be seen in more detail later, is in fact traversed by a current conferring a voltage V 3 on its terminals, the measurement of which will then provide a voltage image of the ionization current.
  • This current I 3 is substantially equal to the difference in current between the current I c entering the transistor T B and the current I P flowing in the input resistance of the circuit
  • the measurement circuit advantageously comprises current amplification means.
  • the measuring circuit comprises a first current mirror Mi, connected between the polarization voltage source V POLAR and the input of the transistor T B , and having an amplification gain defined by the values of the resistors R A and R B respectively present in each branch of the current mirror Mi.
  • the current mirror Mi thus makes it possible to carry out a current amplification of the signal I c entering the transistor T B , to copy this amplified signal to the resistor R 3 , connected at the output of the current mirror Mi.
  • the current I c is the sum of the ionization current I 10 N and the current I R flowing in the input resistance R ⁇ N . Also, in order to measure a voltage V 3 across R s that is representative of the single ionization current, it is necessary to subtract the useless component corresponding to the current flowing in the input resistor R ⁇ N , the amplified signal obtained in output of the mirror Mi. To do this, the measurement circuit 10 comprises a second current mirror M 2 , connected between the input resistance R ⁇ N of the circuit and the ground, and having an amplification gain G m identical to the first current mirror Mi, defined by the values of the resistors R ' A and R' B respectively present in each branch of the current mirror M 2 .
  • the output resistor R s connected at the output of the second amplification means M 2 , is therefore traversed by the current difference I 0 -I R , substantially equal to the ionization current IION, amplified in the ratio
  • the output resistor R s is traversed by an amplified image of the ionization current, so as to obtain the output voltage V 3 at its terminals according to the relation:
  • G m is the gain of the current mirror
  • R s is the output resistor
  • I ION is the ionization current
  • the circuit In order to obtain a large ionization current, the circuit must be polarized with the highest possible DC voltage, limited however by the maximum voltages and currents supported by the transistors of the circuit. Also, the maximum voltage accepted by the transistors of the measurement circuit determines the bias voltage of the assembly. Similarly, the input current must remain low enough to ensure linear operation. This constraint conditions the gain applied to the current mirrors. Thus, in the event of a short-circuit on the input (on the terminals of the measuring capacitor), the current increases in the resistor R A of the current mirror Mi. By amplification, the current in the resistor R B increases. To protect the circuit, a diode D 2 of the collector can be added to the base of the second transistor of the current mirror Mi.
  • a spark, in particular a single-filament spark, between the spark plug electrode and a ground plane causes a sudden increase in the current flowing in the measuring capacitor and, consequently, a large variation in the voltage at its terminals, which is potentially harmful. for the measuring circuit.
  • the measurement circuit can therefore provide a protection diode Di, for transferring the excess of energy into a buffer capacitor C ⁇ and to ensure that the voltage at the terminals of the measurement capacitor does not exceed the bias voltage V POLAR -
  • This sudden increase in the ionization current is called the ionization peak.
  • it is a first ionization peak; there is a second subsequent peak corresponding to a thermal peak of ionization which does not take into account in the present invention.
  • the circuit 10 and / or a computer connected to the ground return wire 6 can therefore be used as means for detecting the first ionization current ionization peak after the end of the spark.
  • the ionization peak appears at the moment when the flame front of the combustion touches the wall (mass) of the combustion chamber.
  • the present invention therefore aims to determine, in this case by measurement, the time T_mes between the end of the spark and the appearance of the first ionization current ionization peak.
  • Comparison means are then used to compare the value of time T_mes with a reference value T th. And, depending on the difference between the value of the time T_mes and the reference value T_th, we can deduce, via a computer for example, the type of spark.
  • the spark is of mono-filamentary type if the value of the time T_mes is lower than the reference value T_th, and of branched type if the value of the time T_mes is greater than the reference value T_th.
  • the generation of a spark from a radiofrequency ignition creates a thermal footprint and localized radicals at the filament or filaments of the discharge.
  • the equivalent resistance of the filaments is between 1 k ⁇ and 10 k ⁇ .
  • the interelectrode resistance of the non-ionized gas is greater than 40M ⁇ . Knowing that the thermal effect of the discharge is maintained in the gas for several milliseconds, it can be estimated that the equivalent resistance of the ionized channels remains identical at least 1 millisecond after the end of the spark.
  • the angel is. é, gal.ea R M MO ⁇ N NO ⁇ e [L U ⁇ ; 10 ⁇ ] J. It is then measured during an ionization peak at a first time T 0 , in this case T 0 ⁇ 80 ⁇ s with respect to the end of the spark.
  • G ⁇ Z decreases and then vanishes during the contact between the flame front and the wall of the combustion chamber: a resistive ionization peak is measured at a second time Ti, with Ti> T 0 , with respect to the end of the spark.
  • the time at which the ionization peak appears after the end of the spark therefore makes it possible to identify the type of discharge generated.
  • the reference value T_th it is possible to determine the reference value T_th as a function of the operating point. It is then possible to provide means, in this case in the form of a correspondence table, for controlling the reference value T_th at the operating point of the motor.
  • FIG. 5 it is possible to determine the reference value T_th independently of the operating point, for example by choosing a value T_th greater than the maximum value of the set of values TO, and lower than the value T_th. minimum value of the set of values T1, after the moment Ti of the end of the spark.
  • an inter-electrode distance i.e., the distance between the coil-spark plug electrode and the ground electrode, greater than 4mm is required to generate a branched spark.
  • the time between the end of the spark and the first ionization peak verifies the relationship
  • the time T_mes between the end of the spark and the appearance of the first peak of ionization of the current Ionization compared to the reference value T_th makes it possible to determine the type of spark generated.
  • zone Z1 As illustrated on the map in FIG. 6, if the spark generated is a mono-filament spark (with bridging), zone Z1, then it is advisable to reduce the Vinter supply current to return to the branched zone (without bridging), zone Z2. .
  • zone Z3 there is no branched spark; and that beyond a value substantially equal to 14 or 15mm, zone Z4, the spark is branched, even if there is a bridging to ground, which is undesirable.
  • an acquisition frequency of 3OkHz is necessary to extract the pinging information of the ionization signal.
  • the first ionization peak has a width of 50us at -3dB amplitude. Such a frequency is therefore sufficient to detect it.

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Abstract

L' invention concerne un procédé de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiof réquence, pour moteur de véhicule automobile, comprenant des étapes consistant à : - générer une étincelle, et mesurer le courant d'ionisation. Selon l'invention, il comprend essentiellement en outre des étapes consistant à : détecter le premier pic d' ionisation du courant d'ionisation après la fin de l'étincelle, déterminer le temps (T mes) entre la fin de l'étincelle et le premier pic d'ionisation du courant d' ionisation; comparer la valeur du temps (T_mes) à une valeur de référence (T_th), et considérer que l'étincelle est de type mono filamentaire si la valeur du temps (T mes) est inférieure à la valeur de référence (T_th), et de type ramifiée si la valeur du temps (T_mes) est supérieure à la valeur de référence (T_th).

Description

PROCEDE DE DETECTION DU TYPE D'ETINCELLE GENEREE PAR UNE BOBINE-BOUGIE D'ALLUMAGE RADIOFREQUENCE , ET DISPOSITIF
CORRESPONDANT .
La présente invention concerne le domaine de l'allumage radiofréquence d'une bobine-bougie de moteur de véhicule automobile, et plus particulièrement la mesure du courant d' ionisation .
La mesure du courant d' ionisation des gaz dans les cylindres du moteur s'effectue typiquement après la fin de l'allumage et trouve des applications particulièrement avantageuses, par exemple pour la détection de l'angle vilebrequin correspondant au pic de pression de la chambre de combustion, du cliquetis ou encore pour l'identification des ratés d'allumage.
Le fonctionnement des circuits de mesure du courant d'ionisation pour un système d'allumage classique consiste à polariser le mélange de la chambre à combustion après la génération de l'étincelle entre les électrodes de la bougie d'allumage, afin de mesurer le courant résultant de la propagation de la combustion.
De tels circuits sont classiquement disposés au pied du secondaire d'une bobine d'allumage connectée à la bougie d' allumage . Ces circuits nécessitent cependant d'être dédiés aux caractéristiques de l'allumage classique et ne sont donc pas adaptables en tant que tels aux systèmes d'allumage à génération de plasma, mettant en œuvre des bougies d'allumage de type bobines-bougies radiofréquence, comme décrits en détail dans les demandes de brevet suivantes déposées au nom de la demanderesse FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03-10768.
Les spécificités de l'allumage radiofréquence engendrent plusieurs contraintes pour mesurer le courant d' ionisation . La mesure du courant d'ionisation s'effectue après la fin de l'allumage. Son amplitude dépend de la tension continue ou « tension de polarisation » appliquée entre l'électrode haute-tension de la bougie et la masse moteur. La tension de polarisation est typiquement comprise entre la tension batterie et plusieurs centaines de volts. L'expérience montre que le signal représentatif du courant d' ionisation a une amplitude comprise entre 0,1 μA et 1 mA selon les conditions de la chambre de combustion (température, pression, composition du mélange...) . Or, le signal de commande d'allumage induit des courants importants qui ont un écart d'amplitude de près de 120 dB avec le courant d'ionisation que l'on cherche à mesurer. Le circuit de mesure subit donc un temps d' éblouissement pendant lequel il ne peut effectuer l'acquisition d'un faible courant.
En outre, ce type d'allumage peut développer deux types de décharge : une étincelle ramifiée -ou multi-filamentaires-, et une étincelle à arc mono-filamentaire .
Or le type d'étincelle influe directement sur la qualité de la combustion.
Il est dont souhaitable de pouvoir détecter le type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofréquence .
Aussi, plus précisément, selon un premier de ses objets, l'invention concerne un procédé de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofréquence, pour moteur de véhicule automobile, comprenant des étapes consistant à :
- générer une étincelle, et - mesurer le courant d'ionisation.
La mesure d'un courant d'ionisation par un dispositif de mesure d'un courant d'ionisation est connue de l'homme du métier, notamment par l'exemple qu'en donne le document de i
l'état de la technique antérieure FR 07-58795 déposé par la Demanderesse .
Toutefois, un tel dispositif ne permet pas de détecter le type d'étincelle généré. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé permettant de détecter en temps réel le type d'étincelle généré par une bobine-bougie d'allumage radiofréquence .
Avec cet objectif en vue, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes consistant à :
- détecter le premier pic d' ionisation du courant d'ionisation après la fin de l'étincelle, - déterminer le temps entre la fin de l'étincelle et le premier pic d' ionisation du courant d' ionisation,
- comparer la valeur du temps à une valeur de référence, et
- considérer que l'étincelle est de type mono filamentaire si la valeur du temps est inférieure à la valeur de référence, et de type ramifiée si la valeur du temps est supérieure à la valeur de référence.
Dans un mode de réalisation, on prévoit de modifier au moins l'un des paramètres d'allumage en fonction de l'écart entre le temps et la valeur de référence.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape consistant à asservir la valeur de référence au point de fonctionnement du moteur.
Alternativement, la valeur de référence est constante dans le temps, indépendamment du point de fonctionnement du moteur .
Selon un autre de ses objets, l'invention concerne un dispositif de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofréquence, pour moteur de véhicule automobile, susceptible de mettre en œuvre le procédé selon l'invention et comprenant :
- des moyens pour générer une étincelle, et
- des moyens pour mesurer le courant d'ionisation. Le dispositif selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu' il comprend en outre :
- des moyens pour détecter le premier pic d' ionisation du courant d'ionisation après la fin de l'étincelle,
- des moyens pour déterminer le temps entre la fin de l'étincelle et le premier pic d'ionisation du courant d' ionisation,
- des moyens pour comparer la valeur du temps à une valeur de référence, et
- des moyens pour considérer que l'étincelle est de type mono filamentaire si la valeur du temps est inférieure à la valeur de référence, et de type ramifiée si la valeur du temps est supérieure à la valeur de référence.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre des moyens pour modifier au moins l'un des paramètres d'allumage en fonction de l'écart entre le temps et la valeur de référence.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre des moyens pour asservir la valeur de référence au point de fonctionnement du moteur. De préférence, la distance entre l'électrode de la bobine-bougie d'allumage et l'électrode de masse est supérieure ou égale à 4mm.
Selon un autre de ses objets, l'invention concerne un programme d'ordinateur, comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'invention, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur . Enfin, l'invention concerne également un véhicule automobile équipé du dispositif selon l'invention ou d'un cœur numérique programmable tel qu'un processeur comprenant le programme d' ordinateur ou de calculateur embarqué selon 1' invention .
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la figure 2 illustre un mode de réalisation du dispositif de mesure du courant d' ionisation selon l'invention, la figure 3 illustre le circuit équivalent d'une étincelle mono-filamentaire, la figure 4 illustre le circuit équivalent d'une étincelle ramifiée, - la figure 5 illustre les plages relatives des valeurs de TO et Tl après la fin de l'étincelle, et la figure 6 est une cartographie illustrant les différents types d'étincelles en fonction de la distance inter électrodes et de la tension d'alimentation.
Le dispositif de détection selon l'invention est configuré pour être relié à une bobine-bougie d'allumage radiofréquence de moteur de véhicule automobile.
Aussi dans un mode de réalisation, le dispositif peut comprendre une bobine-bougie d'allumage.
La bobine-bougie mise en œuvre dans le cadre de l'allumage radiofréquence commandé est équivalente électriquement à un résonateur 1, dont la fréquence de résonance Fc est supérieure à 1 MHz, et typiquement voisine de 5 MHz. Le résonateur comprend en série une résistance Rs, une bobine d'inductance Ls et une capacité notée Cs. Des électrodes d'allumage 111 et 112 de la bobine-bougie sont connectées aux bornes de la capacité Cs du résonateur, permettant de générer des décharges électriques, de préférence ramifiées, pour initier la combustion du mélange dans les chambres de combustion du moteur, lorsque le résonateur est alimenté à sa fréquence de résonance.
En effet, lorsque le résonateur est alimenté par une haute tension à sa fréquence de résonance Fc (1/ (2τι\Ls *Cs ) ) , l'amplitude aux bornes de la capacité Cs est amplifiée de telle sorte que des décharges multi-filamentaires se développent entre les électrodes, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions de crête inférieures à 40 kV.
On parle alors d'étincelles ramifiées, dans la mesure où elles impliquent la génération simultanée d'au moins plusieurs lignes ou chemins d'ionisation dans un volume donné, leurs ramifications étant en outre omnidirectionnelles .
Cette application à l'allumage radiofréquence nécessite l'utilisation d'un circuit d'alimentation, capable de générer des impulsions de tension, typiquement de l'ordre de 100 ns, pouvant atteindre des amplitudes de l'ordre de 1 kV, à une fréquence très proche de la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma de la bobine-bougie radiofréquence .
Le dispositif de détection selon l'invention comprend donc un circuit d'alimentation 2, qui met classiquement en œuvre un montage dit « amplificateur de puissance pseudo Classe E ». Ce montage permet de créer les impulsions de tension avec les caractéristiques précitées. Ce montage comprend une alimentation continue intermédiaire Vinter pouvant varier de 0 à 250V, un transistor MOSFET de puissance M et un circuit résonant parallèle 4, comprenant une bobine Lm (primaire d'un transformateur T) en parallèle avec un condensateur Cp, de fréquence de résonance voisine de 5 MHz également.
L'enroulement primaire Lm du transformateur est relié d'un côté à la tension d'alimentation Vinter et de l'autre côté au drain du transistor interrupteur M, commandant l'application de la tension d'alimentation Vinter aux bornes de l'enroulement primaire à la fréquence définie par le signal de commande Vl .
L'enroulement secondaire Ln du transformateur, dont un côté est relié à la masse par un fil de retour à la masse 6, est quant à lui prévu pour être connecté à la bobine-bougie. De cette manière, le résonateur 1 de la bobine-bougie, connectée aux bornes de l'enroulement secondaire par des fils de liaison 5 et 6, dont le fil de retour à la masse 6, est donc alimenté par le secondaire du transformateur.
Le transistor M est utilisé comme interrupteur pour commander les commutations aux bornes du circuit résonant parallèle et du résonateur 1 de génération de plasma destiné à être connecté sur une interface de sortie OUT du circuit d' alimentation .
Le transistor M est piloté sur sa grille par un signal logique de commande Vl, fourni par un étage de commande 3, à une fréquence qui doit être sensiblement calée sur la fréquence de résonance du résonateur 1.
La tension d'alimentation continue intermédiaire Vinter, pouvant varier entre 0 et 250 V, peut avantageusement être fournie par une alimentation haute tension, typiquement un convertisseur DC/DC.
Ainsi, à proximité de sa fréquence de résonance, le résonateur parallèle 4 transforme la tension d'alimentation continue Vinter en une tension périodique amplifiée, correspondant à la tension d'alimentation multipliée par le coefficient de surtension du résonateur parallèle et appliquée sur une interface de sortie du circuit d'alimentation au niveau du drain du transistor interrupteur M. Le transistor interrupteur M applique alors la tension d'alimentation amplifiée sur la sortie de l'alimentation, à la fréquence définie par le signal de commande Vl, que l'on cherche à rendre la plus proche possible de la fréquence de résonance de la bobine-bougie, de manière à générer la haute- tension aux bornes des électrodes de la bobine-bougie nécessaire au développement et à l'entretien de la décharge multi-filamentaire .
Le transistor commute ainsi de forts courants (ICrête ≈
20A) à une fréquence de 5 MHZ environ, et avec une tension drain-source pouvant atteindre IkV. Le choix du transistor est donc critique et nécessite un compromis entre tension et courant .
Aussi, selon le mode de réalisation illustré à la figure 1, le transformateur T présente un rapport de transformation variable, par exemple compris entre 1 et 5.
De préférence, on adapte le rapport de transformation de manière à réduire la tension drain-source du transistor interrupteur M.
L'adaptation du rapport de transformation permet de réduire la tension drain-source du transistor. La diminution de la tension au primaire induit cependant une augmentation du courant traversant le transistor. Il est alors possible de compenser cette contrainte en plaçant par exemple deux transistors en parallèle commandés par le même étage de commande 3.
La mesure du courant d'ionisation consiste à polariser, au niveau de la bougie d'allumage, le mélange air/carburant présent dans la chambre à combustion. On obtient donc une image électrique du développement de la combustion qui se traduit sous la forme :
/(O=- POLAR
Z(O
Avec :
^ > le courant d'ionisation mesuré au cours du temps,
POLAR ]_a tension de polarisation appliquée, et
^ l'impédance équivalente du mélange combustible/gaz brûlé.
Pour mesurer le courant d' ionisation, la solution retenue consiste à connecter un condensateur de mesure CMES en série entre l'enroulement secondaire du transformateur T et le résonateur 1, sur le fil de retour à la masse 6. Le condensateur de mesure est ainsi avantageusement placé dans le circuit à un endroit où les différences de potentiel par rapport à la masse sont les plus faibles possibles.
De préférence, le condensateur de mesure CMES est de capacité réduite, typiquement une dizaine de nanofarad, ce qui permet de ne pas perturber le système d'allumage tout en ayant la possibilité d'effectuer des mesures basse fréquence du courant d'ionisation.
Le dispositif de détection selon l'invention comprend donc, outre le condensateur de mesure CMES, un circuit de mesure 10.
Le circuit de mesure 10, connecté aux bornes du condensateur de mesure CMES, comprend avantageusement un générateur de tension à faible impédance d'entrée, typiquement de l'ordre de la dizaine d'Ohms, de manière à réduire le temps d' éblouissement du circuit de mesure, et apte à fournir une tension de polarisation continue VPOLAR pour charger le condensateur de mesure CMES • La tension VPOLAR, peut par exemple être comprise entre 12 et 250V.
La faible impédance d' entrée du générateur permet de maintenir la tension constante aux bornes du condensateur et/ou de ramener rapidement sa tension à VPOLAR après l'étincelle. Cette impédance est suffisamment faible pour que le courant IION représentatif de l'évolution de la combustion des gaz dans la chambre de combustion soit fourni par le transistor TB, dont le fonctionnement va être décrit plus en détail ci-après, et non par le condensateur CMES • C'est ce courant de décharge IION que mesure le circuit de mesure 10. La tension de polarisation VPOLAR est appliqué au circuit via un étage de polarisation 12, comprenant un transistor bipolaire TB monté en base commune avec une sortie sur l'émetteur du transistor, connecté à une borne du condensateur de mesure CMES • Le montage du transistor TB en base commune se caractérise notamment par son impédance d'entrée faible, permettant avantageusement de procurer la réactivité souhaitée au circuit de mesure.
Par exemple, en connectant ce montage sur le condensateur de mesure, on obtient une impédance d'entrée ZE équivalente à :
Figure imgf000012_0001
Où : RIN est la résistance placée en entrée du circuit de mesure, Rbe indique la résistance intrinsèque du transistor
TB, et β correspond au gain du transistor TB. Typiquement, en choisissant : RΣN = 8kΩ, Rbe = lkΩ et β = 100, on obtient ZE ≈ 10Ω.
Le courant de sortie I3 du montage 12, représentatif du courant d'ionisation IION, est mesuré par l'intermédiaire de la résistance de sortie Rs du circuit de mesure, qui, comme on le verra plus en détail par la suite, est en effet traversée par un courant lui conférant une tension V3 à ses bornes, dont la mesure fournira alors une image en tension du courant d' ionisation . Ce courant I3 est sensiblement égal à la différence de courant entre le courant Ic entrant dans le transistor TB et le courant IP circulant dans la résistance d'entrée du circuit
Or, l'amplitude du courant d'ionisation que l'on cherche à mesurer étant généralement faible et majoritairement inférieure à ImA, le circuit de mesure comprend avantageusement des moyens d'amplification en courant. A cette fin, le circuit de mesure comprend un premier miroir de courant Mi, connecté entre la source de tension de polarisation VPOLAR et l'entrée du transistor TB, et présentant un gain d'amplification
Figure imgf000013_0001
défini par les valeurs des résistances RA et RB présentes respectivement dans chaque branche du miroir de courant Mi. Le miroir de courant Mi permet donc d'effectuer une amplification en courant du signal Ic entrant dans le transistor TB, pour recopier ce signal amplifié à destination de la résistance R3, connectée en sortie du miroir de courant Mi.
Le courant Ic est la somme du courant d' ionisation I10N et du courant IR circulant dans la résistance d'entré RΣN. Aussi, afin de mesurer une tension V3 aux bornes de Rs qui soit représentative du seul courant d' ionisation, il est nécessaire de soustraire la composante inutile correspondant au courant circulant dans la résistance d'entrée RΣN, du signal amplifié obtenu en sortie du miroir de courant Mi. Pour ce faire, le circuit de mesure 10 comprend un second miroir de courant M2, connecté entre la résistance d'entrée RΣN du circuit et la masse, et présentant un gain d'amplification Gm identique au premier miroir de courant Mi, défini par les valeurs des résistances R'A et R'B présentes respectivement dans chaque branche du miroir de courant M2.
La résistance de sortie Rs, connectée en sortie des seconds moyens d'amplification M2, est donc traversée par la différence de courant I0-IR, sensiblement égale au courant d'ionisation IION, amplifiée du rapport
Figure imgf000014_0001
Autrement dit, la résistance de sortie Rs est traversée par une image amplifiée du courant d' ionisation, de sorte à obtenir la tension de sortie V3 à ses bornes suivant la relation :
Figure imgf000014_0002
Où : Gm est le gain du miroir de courant,
Rs est la résistance de sortie, et IION correspond au courant d'ionisation.
Dans le but d'obtenir un courant d'ionisation important, le circuit doit être polarisé avec une tension continue la plus élevée possible, limitée cependant par les tensions et courants maximaux supportés par les transistors du circuit. Aussi, la tension maximale acceptée par les transistors du circuit de mesure détermine la tension de polarisation du montage. De même, le courant d'entrée doit rester suffisamment faible pour garantir un fonctionnement en mode linéaire. Cette contrainte conditionne le gain appliqué aux miroirs de courant. Ainsi, en cas de court-circuit sur l'entrée (sur les bornes du condensateur de mesure), le courant augmente dans la résistance RA du miroir de courant Mi. Par amplification le courant dans la résistance RB s'accroît. Pour protéger le circuit, on peut ajouter une diode D2 du collecteur vers la base du second transistor du miroir de courant Mi . Une étincelle, en particulier mono-filamentaire, entre l'électrode de la bougie et un plan de masse entraîne une brusque augmentation du courant circulant dans le condensateur de mesure et, en conséquence, une forte variation de la tension à ses bornes, potentiellement dommageable pour le circuit de mesure. Le circuit de mesure peut donc prévoir une diode de protection Di, permettant de transférer l'excédant d'énergie dans un condensateur tampon Cτ et d'assurer que la tension aux bornes du condensateur de mesure n'excède pas la tension de polarisation VPOLAR-
Cette brusque augmentation du courant d' ionisation est appelée pic d'ionisation. En l'espèce, il s'agit d'un premier pic d' ionisation ; il existe un deuxième pic ultérieur correspondant à un pic thermique d'ionisation qui n'entre pas en compte dans la présente invention.
Le circuit 10 et/ou un calculateur relié au fil de retour à la masse 6 peuvent donc être utilisés comme moyens pour détecter le premier pic d' ionisation du courant d'ionisation après la fin de l'étincelle. Le pic d' ionisation apparaît au moment où le front de flamme de la combustion touche la paroi (masse) de la chambre de combustion.
Il existe donc un délai (de propagation de la flamme) entre la fin de l'étincelle et le pic d'ionisation. Or le moment auquel l'étincelle prend fin est une donnée connue en entrée de l'étage de commande 3.
La présente invention vise donc à déterminer, en l'espèce par mesure, le temps T_mes entre la fin de l'étincelle et l'apparition du premier pic d'ionisation du courant d'ionisation.
Des moyens de comparaison sont ensuite utilisés pour comparer la valeur du temps T_mes à une valeur de référence T th. Et, en fonction de l'écart entre la valeur du temps T_mes et la valeur de référence T_th, on peut en déduire, via un calculateur par exemple, le type d'étincelle.
A cet effet, on considère que l'étincelle est de type mono filamentaire si la valeur du temps T_mes est inférieure à la valeur de référence T_th, et de type ramifiée si la valeur du temps T_mes est supérieure à la valeur de référence T_th.
En effet, la génération d'une étincelle à partir d'un allumage radiofréquence crée une empreinte thermique et des radicaux localisés au niveau du ou des filaments de la décharge .
La résistance équivalente des filaments est comprise entre lkΩ et 1OkQ. D'autre part, la résistance interélectrodes du gaz non ionisé est supérieure à 40MΩ. Sachant que l'effet thermique de la décharge est maintenu dans le gaz pendant plusieurs millisecondes, on peut estimer que la résistance équivalente des canaux ionisés reste identique au moins 1 milliseconde après la fin de l'étincelle.
Ainsi, au début de la combustion, deux circuits équivalents du circuit de mesure du courant d' ionisation sont envisageables selon le type de décharge généré :
* En régime de décharge mono-filamentaire (canal unique entre l'électrode de la bougie et une paroi au potentiel de la masse) (voir figure 3) : l'impédance ^ du
mé ,l,ange est. é,gal.e a RM MO υN NO υ e [LUΩ;10ΛΩ]J . O„n mesure al.ors un pic d'ionisation à un premier temps T0, en l'espèce T0<80μs par rapport à la fin de l'étincelle.
* En régime ramifié (voir figure 4) : l'impédance ^'
équival -,ent,e est, é,gal-,e pour c ,haque canal , a . RM Mn 0N Arn 0 + Rr GΛ Â Z 7 » 40MΩ. Le courant d'ionisation est alors nul. Cependant, lors du
D développement de la combustion, GΛZ diminue puis s'annule lors du contact entre le front de flamme et la paroi de la chambre de combustion : on mesure un pic d' ionisation résistif à un deuxième temps Ti, avec Ti>T0, par rapport à la fin de l'étincelle.
La valeur respective de TO et celle de Tl est sensiblement dépendante du point de fonctionnement du moteur, et varie dans un ensemble respectif. Toutefois, quelle que soient les valeurs respectives de TO et Tl, on a toujours Tl >
TO.
Le temps auquel apparaît le pic d' ionisation après la fin de l'étincelle permet donc d'identifier le type de décharge généré.
Dans un mode de réalisation, on peut prévoir de déterminer la valeur de référence T_th en fonction du point de fonctionnement . On peut alors prévoir des moyens, en l'espèce sous forme de table de correspondance, pour asservir la valeur de référence T_th au point de fonctionnement du moteur.
Dans un autre mode de réalisation, figure 5, on peut prévoir de déterminer la valeur de référence T_th indépendamment du point de fonctionnement, par exemple en choisissant une valeur T_th supérieure à la valeur maximale de l'ensemble des valeurs TO, et inférieure à la valeur minimale de l'ensemble des valeurs Tl, après le moment Ti de la fin de 1' étincelle . Comme illustré figure 6, une distance inter-électrodes, c'est-à-dire la distance entre l'électrode de la bobine-bougie d'allumage et l'électrode de masse, supérieure à 4mm est nécessaire pour générer une étincelle ramifiée. En l'espèce, le temps compris entre la fin de l'étincelle et le premier pic d' ionisation vérifie la relation
Tl > 2TO, soit Tl > 160μs.
Ainsi, le temps T_mes entre la fin de l'étincelle et l'apparition du premier pic d'ionisation du courant d' ionisation comparé à la valeur de référence T_th permet de déterminer le type d'étincelle généré.
On peut donc prévoir des moyens pour modifier au moins l'un des paramètres d'allumage, par exemple le courant ou la tension d'alimentation Vinter, en fonction de la comparaison.
Grâce à cette caractéristique, comme illustré figure 1, on peut boucler le circuit de mesure 10 sur la circuit d'alimentation 2.
Comme illustré sur la cartographie figure 6, si l'étincelle générée est une étincelle mono-filamentaire (avec pontage) , zone Zl, il convient alors de diminuer le courant d'alimentation Vinter pour revenir en zone ramifiée (sans pontage), zone Z2.
On notera qu'en deçà d'une distance de 4mm, zone Z3, il n'y a pas d'étincelle ramifiée ; et qu'au-delà d'une valeur sensiblement égale à 14 ou 15mm, zone Z4, l'étincelle est ramifiée, même s'il existe un pontage vers la masse, ce qui n'est pas souhaitable.
Afin d'optimiser le rendement de la combustion, on utilise de nombreux artifices pour augmenter les turbulences des gaz (swirl, tumble) dans la chambre de combustion. La vitesse d'une flamme fortement turbulente peut atteindre
25m/s. Le temps de propagation de la flamme influe directement sur l'apparition du pic d'ionisation faite suite à un régime de décharge ramifié. Quels que soient les artifices utilisés, on a toujours T1>TO.
Par ailleurs, au regard de l'acquisition du signal, une fréquence d'acquisition de 3OkHz est nécessaire pour extraire l'information cliquetis du signal d'ionisation. Le premier pic d'ionisation a une largeur de 50us à -3dB d'amplitude. Une telle fréquence est donc suffisante pour le détecter.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofréquence, pour moteur de véhicule automobile, comprenant des étapes consistant à :
- générer une étincelle, et
- mesurer le courant d' ionisation, caractérisé en ce qu' il comprend en outre des étapes consistant à : - détecter le premier pic d' ionisation du courant d'ionisation après la fin de l'étincelle,
- déterminer le temps (T mes) entre la fin de l'étincelle et le premier pic d'ionisation du courant d' ionisation, - comparer la valeur du temps (T_mes) à une valeur de référence (T_th) , et
- considérer que l'étincelle est de type mono filamentaire si la valeur du temps (T mes) est inférieure à la valeur de référence (T_th) , et de type ramifiée si la valeur du temps (T_mes) est supérieure à la valeur de référence (T_th) .
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape consistant à : modifier au moins l'un des paramètres d'allumage en fonction de l'écart entre le temps (T_mes) et la valeur de référence (T_th) .
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape consistant à asservir la valeur de référence (T_th) au point de fonctionnement du moteur.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la valeur de référence (T_th) est constante dans le temps, indépendamment du point de fonctionnement du moteur .
5. Dispositif de détection du type d'étincelle générée par une bobine-bougie d'allumage radiofréquence, pour moteur de véhicule automobile, susceptible de mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant :
- des moyens pour générer une étincelle, et
- des moyens pour mesurer le courant d' ionisation, caractérisé en ce qu' il comprend en outre :
- des moyens pour détecter le premier pic d' ionisation du courant d'ionisation après la fin de l'étincelle,
- des moyens pour déterminer le temps (T_mes) entre la fin de l'étincelle et le premier pic d'ionisation du courant d' ionisation,
- des moyens pour comparer la valeur du temps (T_mes) à une valeur de référence (T_th) , et
- des moyens pour considérer que l'étincelle est de type mono filamentaire si la valeur du temps (T_mes) est inférieure à la valeur de référence (T_th) , et de type ramifiée si la valeur du temps (T_mes) est supérieure à la valeur de référence (T_th) .
6. Dispositif selon la revendication 5, comprenant en outre des moyens pour modifier au moins l'un des paramètres d'allumage en fonction de l'écart entre le temps (T_mes) et la valeur de référence (T_th) .
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, comprenant en outre des moyens pour asservir la valeur de référence (T_th) au point de fonctionnement du moteur.
8. Dispositif selon la revendication 5 à 7, dans lequel la distance entre l'électrode de la bobine-bougie d'allumage et l'électrode de masse est supérieure ou égale à 4mm.
9. Programme d'ordinateur ou de calculateur embarqué, comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur ou sur un calculateur embarqué.
10. Véhicule automobile équipé du dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.
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