Brevet FR2653498A1 — publié le 19910426

La présente invention concerne d'une manière générale un procédé et un dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne, du type dit, à train d'étincelles dans lequel, à chaque ordre d'allumage se produit une pluralité d'étincelles d'allumage. Pour assurer une combustion la plus complète possible du mélange comburant air-combustible dans chacun des cylindres du moteur à combustion interne et diminuer ainsi en particulier les éléments polluants des gaz d'échappement, on doit produire à chaque allumage entre les électrodes de la bougie un arc ou une étincelle d'une intensité suffisante pour amorcer la combustion et pouvoir prolonger ou entretenir cet arc d'une durée déterminée et avec une énergie suffisante pour assurer une combustion complète. L'énergie nécessaire à l'amorçage et à l'entretien de l'arc doit d'abord être stockée puis restituée sous forme d'énergie haute-tension lors de la création de l'étincelle. Un moyen de stockage de l'énergie nécessaire peut être constitué par un condensateur chargé à partir d'une source de tension continue et se déchargeant à travers l'enroulement primaire d'une bobine d'allumage dont l'enroulement secondaire est connecté avec au moins une bougie d'allumage. L'avantage d'un tel système est de permettre un établissement rapide de la haute-tension nécessaire, par contre son inconvénient majeur résulte de la faible durée de l'étincelle (0,3 ms), durée insuffisante pour assurer un bon fonctionnement des moteurs à mélange pauvre. Pour pallier cet inconvénient on a cherché, soit à prolonger la durée de l'étincelle produite, soit à produire plusieurs étincelles successives en utilisant par exemple des générateurs de fréquences, des oscillateurs ou des multivibrateurs mais de tels éléments sont complexes, délicats à mettre en oeuvre, et, de ce fait, augmentent le coût de l'ensemble du dispositif de manière prohibitive. Un autre procédé connu consiste à stocker l'énergie au moyen du champ magnétique d'une bobine d'allumage, la tension nécessaire à la formation de l'arc étant obtenue par coupure du circuit de ladite bobine. Si ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter une durée plus longue pour l'établissement de la haute-tension que dans le cas de l'utilisation d'un condensateur, en revanche la durée de l'étincelle est plus longue (1 à 2 ms) et un tel procédé convient mieux pour les moteurs à mélange pauvre où la durée de l'étincelle doit être prolongée. Cependant, cette durée n'est pas modulable en service, car elle dépend des caractéristiques propres de la bobine et la quantité d'énergie magnétique que l'on peut stocker est conditionnée par le volume de la bobine. Dans les dispositifs d'allumage actuels, on tend à rapprocher la bobine des bougies et à avoir autant de bobines que de bougies, lesdites bobines étant alors intégrées auxdites bougies, de manière à éviter les pertes en ligne et diminuer les perturbations électromagnétiques. De telles dispositions impliquent une diminution du volume des bobines d'allumage dans des proportions telles qu'il devient pratiquement impossible de pouvoir stocker une énergie suffisante pour assurer un allumage correct en particulier pour les moteurs utilisant un mélange pauvre. La présente invention a pour objet de remédier à tous ces inconvénients. Un procédé pour la production d'impulsions d'allumage, notamment pour l'allumage de mélange air-combustible dans un moteur à combustion interne, comportant un ensemble électronique adapté à produire à chaque ordre d'allumage une bande ou pluralité d'étincelles d'allumage, est caractérisé en ce qu'il consiste à piloter un onduleur de telle sorte que, dans une première phase, ledit onduleur travaille en résonance-série à fréquence libre pour produire une tension alternative adaptée à provoquer l'amorçage de l'arc de la première étincelle d'une bande d'étincelles et que, dans une seconde phase, on force l'onduleur à travailler à une fréquence fixe afin de délivrer une tension continue hachée susceptible d'entretenir l'arc après ladite première étincelle. Ainsi, dans un premier temps on réalise une élévation rapide de la tension pour l'amorçage de l'arc, puis dans un deuxième temps on assure l'entretien de l'arc pour réaliser une combustion la plus complète possible. Suivant un autre aspect de l'invention le procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer la durée pendant laquelle on fournit l'énergie nécessaire à l'amorçage de l'arc de la première étincelle en détectant et en comptant les passages à zéro du courant alternatif délivré par l'onduleur, le nombre de passages à zéro nécessaire étant comparé à un nombre prédéterminé n placé dans un compteur à préselection, la durée désirée étant atteinte lorsque N= n. Ainsi, on peut faire varier la durée du train d'étincelles (donc l'énergie) en fonction des besoins du moteur. Le dispositif conforme à l'invention utilisant ce procédé comporte un capteur de position et vitesse produisant un signal pour une ou des positions angulaires déterminées d'un vilebrequin d'un moteur à combustion interne, un convertisseur continu-continu alimentant un onduleur constitué d'une self, une capacité et des interrupteurs, la sortie de l'onduleur étant reliée, d'une part, à au moins un interrupteur correspondant à au moins une bougie, et, d'autre part, à un détecteur de courant, des moyens de commande des interrupteurs de l'onduleur tel que ledit onduleur travaille en résonance série à fréquence libre, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande déclenchés par le signal sont constitués par le détecteur de courant adapté à produire des impulsions à chaque passage à zéro du courant alternatif généré par l'onduleur et à les adresser aux interrupteurs de l'onduleur par l'intermédiaire d'un bloc logique. L'onduleur, dans cette première phase, travaillant en résonance-série à fréquence libre, la tension nécessaire à l'amorçage de l'arc de la première étincelle est atteinte très rapidement. La durée pendant laquelle on maintient cette tension doit être réglable en fonction des caractéristiques propres du moteur. A cet effet le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination de la durée pendant laquelle l'onduleur travaille en résonance-série à fréquence libre, lesdits moyens étant constitués d'un compteur à préselection auquel sont adressées les impulsions émises par le détecteur de courant, le nombre des impulsions étant comparé à un nombre prédéterminé placé dans le compteur à préselection. L'amorçage de l'arc ayant été effectué, il faut entretenir cet arc de manière à assurer une combustion la plus complète possible. A cet effet le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande des interrupteurs de l'onduleur, tel que l'onduleur travaille à fréquence fixe, lesdits moyens étant constitués du compteur à préselection apte à produire un signal lorsque le nombre des impulsions est égal au nombre prédéterminé, ledit signal déclenchant la commande des interrupteurs de l'onduleur par l'intermédiaire d'un oscillateur et du bloc logique. Le dispositif suivant l'invention présente en outre l'avantage de ne pas utiliser le principe d'un stockage d'énergie par condensateur et/ou bobine d'allumage, mais d'assurer un simple transfert de l'énergie nécessaire à la formation de l'arc, puis à son entretien. Ainsi, le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que la sortie de l'onduleur est reliée à chacune des bougies d'allumage par des interrupteurs commandés et des transformateurs élévateurs de tension. Le remplacement de chaque bobine d'allumage par un transformateur permet de miniaturiser l'organe générateur de haute-tension. En effet, un tel transformateur n'a d'autre fonction que celle d'élever suffisamment la tension pour provoquer un allumage correct. Sa miniaturisation est d'autant plus aisée que son volume n'est pas lié, comme pour une bobine, à la quantité de l'énergie à transmettre ; la durée de son fonctionnement et donc l'énergie totale transmise n'étant limitées que par son échauffement. La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. - la figure 1 est un schéma-bloc du procédé et dispositif d'allumage suivant l'invention pour un moteur à quatre cylindres - la figure 2 est un diagramme des signaux pour en expliquer le fonctionnement. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, on a représenté schématiquement en 1 un capteur de position et vitesse lié en rotation au vilebrequin du moteur produisant des impulsions destinées à déclencher l'allumage pour chaque cylindre du moteur à combustion interne : quatre cylindres dans l'exemple choisi. Après mise en forme, ces impulsions sont envoyées à un dispositif de réglage d'allumage 2, dont la fonction est de décaler le signal d'allumage d'une valeur tl dépendant, par exemple, de la vitesse de rotation du moteur, de la température, de la pression atmosphérique, de la position du papillon. Ce dispositif de réglage 2 est bien connu par ailleurs, et, ne faisant pas partie de la présente invention ne sera pas décrit plus en détails. Les impulsions émises par le dispositif de réglage 2 sont envoyées sur quatre portes électroniques 4a,4b,4c,4d du type bascule par l'intermédiaire d'un répartiteur 3. Chacune des portes électroniques 4~,4b,4c,4d correspond à un cylindre du moteur et le rôle du répartiteur 3 est d'aiguiller l'impulsion émise par le dispositif de réglage 2 vers la porte électronique correspondant au cylindre dans lequel on veut provoquer l'allumage. Chacune des sorties des portes électroniques 4a,4k,4c,4d est reliée respectivement à un interface de puissance 5a,5b,5c,56 pouvant commander quatre interrupteurs, respectivement I1,I2,I3,I4. La batterie 7 du véhicule alimente un convertisseur d'entrée 8 continu-continu permettant d'obtenir une tension régulée fixe et prédéterminée à partir d'une tension batterie variable. L'une des sorties du convertisseur 8 alimente, par l'intermédiaire de régulateurs l'ensemble des circuits électroniques du dispositif d'allumage. Ces éléments étant connus en soi,et ne faisant pas partie de la présente invention, n'ont pas été représentés. Le convertisseur 8 alimente par ailleurs un onduleur 9 constitué d'une self L, d'une capacité C et de deux interrupteurs Q1,Q2. La commande des interrupteurs Q1,Q2 s'effectue par l'intermédiaire d'un ensemble logique 10. La sortie de l'onduleur 9 est reliée à l'une des bornes des quatre interrupteurs I1,I2,I3,I4. L'autre borne de chacun desdits interrupteurs est reliée à l'entrée de l'enroulement primaire d'un transformateur, respectivement T1,T2,T3,T4 constituant les organes générateurs de la haute-tension. L'une des extrémités de l'enroulement secondaire des transformateurs T1,T2,T3,T4 est reliée chacune, respectivement aux quatre bougies d'allumage 6a,6b,6c,6d correspondant aux quatre cylindres du moteur à combustion interne dans l'exemple choisi. Les autres extrémités des enroulements primaire et secondaire des transformateurs T1,T2,T3,T4 sont reliées à la masse. Les interrupteurs Q1,Q2 de même que les interfaces de puissance 5a à 5d sont réalisés à l'aide de transistors de puissance pouvant être avantageusement du type MOS. La sortie de l'onduleur 9 est reliée également à un module électronique 11 détecteur de courant dont le rôle est en particulier de détecter les passages à zéro de courant alternatif engendré par l'onduleur 9 et de générer à chacun de ces passages à zéro une impulsion positive. Chacune des impulsions émises par le détecteur de courant 11 est envoyée, d'une part, à l'ensemble logique 10, et d'autre part, à un compteur électronique à présélection 12. L'une des sorties du compteur à présélection 12 est reliée à chacune des portes électroniques 4a,4b,4c,4d, tandis que l'autre sortie du compteur à présélection 12 est reliée à un oscillateur 13 à fréquence fixe prédéterminée dont la sortie est reliée à l'ensemble logique 10. Suivant un aspect de l'invention l'onduleur 9 travaille en résonance-série à une fréquence libre qui est beaucoup plus élevée que la fréquence prédéterminée de l'oscillateur 13, le rapport des deux fréquences pouvant être de l'ordre de 7. L'ensemble logique 10 reçoit également, d'une part, l'impulsion émise directement par le capteur position et vitesse 1, d'autre part, l'impulsion retardée émise par le dispositif de réglage 2. Le fonctionnement de l'ensemble du dispositif représenté sur la figure 1 sera mieux compris en se référant au diagramme des signaux représenté sur la figure 2, ce diagramme étant limité à un seul cycle d'allumage et dans l'exemple choisi au cycle d'allumage correspondant au premier cylindre ctest-à-dire la commande relative à la bougie 6a. En dehors de tout ordre d'allumage, l'interrupteur Q1 est ouvert, l'interrupteur Q2 est fermé, la tension en sortie de l'onduleur 9 est nulle, aucun des interrupteurs I1 à I4 n'est fermé. L'ordre d'allumage est transmis par le capteur position et vitesse 1 sous forme d'une impulsion rectangulaire S1, d'une part, au dispositif de réglage 2, d'autre part, au bloc logique 10, ce qui provoque la fermeture de l'interrupteur Q1 et l'ouverture de l'interrupteur Q2 ; un courant apparaît dans 1'onduleur 9. A la fin de l'alternance, le courant s'inverse et ce passage à zéro du courant S3 est détecté par le détecteur de courant 11 et transmis au bloc logique 10 qui ouvre l'interrupteur Q1 et ferme l'interrupteur Q2 L'onduleur 9 est donc refermé sur lui-même. L'inversion suivante du courant est également détectée par le détecteur 11, transmise au bloc logique 10 et aux interrupteurs Q1 et Q2 et un nouveau cycle recommence. Cette succession de cycles produit une montée progressive de la tension alternative aux bornes de L et C. Très rapidement, la tension aux bornes de la capacité C atteint le niveau souhaité, de l'ordre de 200 Volts crête. Cette tension alternative a été représentée en pointillé sur le diagramme S3, car elle est en faite déphasée de 90 par rapport au courant correspondant. Suivant l'invention l'onduleur 9 travaille en résonance-série à fréquence libre, la valeur de cette fréquence étant environ de 70kHz. Le système est prêt à recevoir l'ordre d'allumage. Par l'action du dispositif de réglage 2, cet ordre d'allumage S2 est décalé d'un temps tl par rapport à l'apparition du signal S1. L'ordre d'allumage S2 est transmis simultanément au bloc logique 10 et au répartiteur 3 qui va autoriser une seule des portes électroniques 4a à 4d, la porte 4a dans l'exemple choisi, à recevoir un ordre de fermeture de l'interrupteur Il correspondant. Le répartiteur 3, interdit simultanément aux trois autres portes électroniques 4b,4c,4d de recevoir un ordre de fermeture. Quel que soit le moment ou arrive l'ordre d'allumage S2, le passage à zéro du courant S3 qui le suit, est transmis par le détecteur de tension 11 sous forme d'une impulsion positive S4, d'une part à un compteur à présélection 12, d'autre part aux portes électroniques 4a à 4d. Cette impulsion positive S4, reçue par la porte 4a autorise celle-ci à transmettre l'ordre de fermeture à l'interrupteur I1 à travers l'interface de puissance 5a. Les autres portes 4b,4c,46 reçoivent la même impulsion positive S4 mais il n'en résulte aucun effet, lesdites portes ayant préalablement été bloquées par le répartiteur 3. Comme on peut le constater sur le diagramme des signaux, les retards de transmission inhérents-au système sont tels que la fermeture de l'interrupteur I1 s'effectue lorsque la tension à la sortie de l'onduleur est à sa valeur maximale. La tension aux bornes de la capacité C est transmise à la bougie d'allumage 6a à travers un transformateur T1 qui va élever la tension à une valeur de 40KV environ et provoquer ainsi l'amorçage de l'arc. Suivant l'invention, le transformateur T1 ne sert qu'à transmettre l'énergie entre l'onduleur 9 et la bougie d'allumage 6a. De manière à assurer l'amorçage de l'arc, on maintient le fonctionnement de l'onduleur 9 à fréquence libre et tension S3 élevée pendant une durée prédéterminée. Suivant l'invention, la détermination de cette durée est réalisée en comptant les passages à zéro transmis par le détecteur de courant 11 sous forme d'impulsions positives S4 par le compteur à présélection 12. Le compteur à présélection contient un nombre prédéterminé n, ce nombre ayant été défini en fonction des caractéristiques du moteur. Tant que le nombre N d'impulsions S4 n'a pas atteint le nombre prédéterminé n, le bloc logique 10 continue de commander les interrupteurs Q1 et Q2 de la même manière que précédemment, assurant ainsi l'amorçage de l'arc. Comme on le constate, la durée correspondant à l'amorçage est réglable de manière particulièrement simple. Lorsque le nombre N d'impulsions S4 correspond au nombre prédéterminé n, le compteur à présélection 12 émet un signal S5 qui valide la commande des interrupteurs Q1,Q2, à travers le bloc logique 10, par un oscillateur à fréquence fixe 13. Cette fréquence fixe à une valeur d'environ lOkHz et est en tout cas nettement inférieure à la valeur de la fréquence libre de 1'onduleur 9. La fréquence fixe imposée à l'onduleur 9 par l'oscillateur 13 est telle que le circuit L,C est complètement désaccordé. I1 n'y a plus surtension aux bornes de la capacité C et, suivant l'invention, l'onduleur 9 délivre une tension continue hachée S3, sous forme de signaux carrés avec ondulation résiduelle décroissante. Cette tension continue, transmise à la bougie d'allumage correspondante 6a, permet l'entretien de l'arc généré précédemment. Cet entretien de l'arc est maintenu tant que le signal S2 est présent, ce qui assure une combustion la plus complète possible du mélange air-combustible. Comme on le remarque sur le diagramme des signaux, la tension continue hachée S3 délivrée par l'onduleur 9 est constituée d'impulsions positives dont la valeur moyenne est + U. On a constaté que la présence d'impulsions uniquement positives conduit à une mauvaise utilisation des capacités des transformateurs, T1 par exemple. En effet la valeur + U conduit à une saturation excessive dudit transformateur, ce problème pouvant être résolu en augmentant la taille du transformateur T1. De manière à conserver une taille minimum on augmente le rendement du transformateur en lui adressant une tension formée successivement d'impulsions positives et d'impulsions négatives de valeurs respectivement +U/2 et -U/2 comme représentées en pointillés sur le diagramme grâce à une capacité C' placée en sortie de l'onduleur 9. REVENDICATIONS 1) Procédé pour la production d'impulsions d'allumage, notamment pour l'allumage de mélange air-combustible dans un moteur à combustion interne, comportant un ensemble électronique adapté à produire à chaque ordre d'allumage une bande ou pluralité d'étincelles composée de plusieurs étincelles d'allumage, caractérisé en ce qu'il consiste à piloter un onduleur (9) de telle sorte que, dans une première phase, ledit onduleur (9) travaille en résonance-série à fréquence libre pour produire une tension alternative adaptée à provoquer l'amorçage de l'arc de la première étincelle d'une bande d'étincelles et que, dans une seconde phase, on force l'onduleur (9) à travailler à une fréquence fixe afin de délivrer une tension continue hachée susceptible d'entretenir l'arc après ladite première étincelle. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer la durée pendant laquelle on fournit l'énergie nécessaire à l'amorçage de l'arc de la première étincelle en détectant et en comptant les passages à zéro du courant alternatif délivré par l'onduleur (9), le nombre de passages à zéro nécessaire N étant comparé à un nombre prédéterminé n placé dans un compteur à présélection (12), la durée désirée étant atteinte lorsque N = n. 3) Dispositif pour la production d'impulsions d'allumage, notamment pour l'allumage de mélange air-combustible dans un moteur à combustion interne, pouvant produire à chaque ordre d'allumage une bande ou pluralité d'étincelles et comportant un capteur de position et vitesse (1) produisant un signal (S1) pour une ou plusieurs positions angulaires déterminées d'un vilebrequin d'un moteur à combustion interne, un convertisseur continu-continu (8) alimentant un onduleur (9) constitué d'une self (L), une capacité (C) et des interrupteurs (Q1,Q2), la sortie de 1'onduleur (9) étant reliée, d'une part, à au moins un interrupteur (I1,I2,I3,I4) correspondant à au moins une bougie (6a,6b,6c,6d), d'autre part, à un détecteur de courant (11), des moyens de commandes des interrupteurs de l'onduleur (Q1,Q2), tel que ledit onduleur (9) travaille en résonance-série à fréquence libre, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande déclenchés par le signal (S1) sont constitués par le détecteur de courant (11) adapté à produire des impulsions (S4) à chaque passage à zéro du courant alternatif (S3) généré par l'onduleur (9) et à les adresser aux interrupteurs de l'onduleur (Q1,Q2) par l'intermédiaire d'un bloc logique (10). 4) Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de réglage d'allumage (2) produisant un signal (52) décalé d'un temps tl par rapport au signal (S1), ledit signal (52) déclenchant des moyens de détermination de la durée pendant laquelle l'onduleur (9) travaille en résonance-série à fréquence libre, lesdits moyens étant constitués d'un compteur à présélection (12) auquel sont adressées les impulsions (S4) émises par le détecteur de courant (11), le nombre N des impulsions (S4) étant comparé à un nombre prédéterminé n placé dans le compteur à présélection (12). 5) Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande des interrupteurs de l'onduleur (Q1,Q2), tel que l'onduleur (9) travaille à fréquence fixe, lesdits moyens étant constitués d'un compteur à présélection (12) apte à produire un signal (S5) lorsque le nombre N des impulsions (S4) est égal au nombre prédéterminé n, ledit signal (S5) déclenchant la commande des interrupteurs de l'onduleur (Q1,Q2) par l'intermédiaire d'un oscillateur (13) et du bloc logique (10). 6) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la sortie de l'onduleur (9) est reliée à chacune des bougies d'allumage (6a,6b,6c,6d) par des interrupteurs commandés respectivement (I1,I2,I3,I4) et des transformateurs élévateurs de tension respectivement (T1,T2,T3,T4). 7) Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de sélection d'un des interrupteurs (I1,I2,I3,I4), constitués par un répartiteur (3) et des portes respectivement (4a,4k,4c,4d) dont une des entrées est reliée au répartiteur (3) et dont une autre entrée est reliée à la sortie de l'onduleur (9) par l'intermédiaire du détecteur de courant (11), la sortie des portes (4a,4k,4c,4d) commandant les interrupteurs (I1,I2,I3,I4) par l'intermédiaire d'interfaces de puissance respectivement (5a,5k,5c,5d).