Brevet FR2769956A1 — publié le 19990423

DISPOSITIF D'ALLUMAGE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne les dispositifs d'allumage pour moteurs à combustion interne à allumage commandé par bougie. A l'heure actuelle, on utilise essentiellement, sur les véhicules automobiles, des dispositifs d'allumage inductifs comprenant, en série, une première source d'énergie électrique, le primaire d'un transformateur élévateur de tension et un organe interrupteur, le secondaire du transformateur étant destiné à être monté en série avec la bougie. Le transformateur élévateur de tension, habituellement désigné par le terme de "bobine" a pour fonction de stocker dans le circuit magnétique l'énergie fournie par la source, habituellement constituée par la batterie d'accumulateurs sur un véhicule, et de restituer l'énergie lors de l'ouverture de l'organe interrupteur, ce dernier est maintenant constitué, en général, par un transistor à effet de champ et à grille isolée, dit IGFET. Ce dispositif fonctionne bien lorsque la bougie est en bon état. Le circuit constitue un générateur de courant capable de maintenir au secondaire un courant élevé pendant une durée longue, généralement de 1 à 2 ms. Il y a alors peu de ratés d'allumage. Mais en revanche un tel dispositif est très sensible à la présence d'un trajet de fuite entre les électrodes de bougie, dû par exemple à l'encrassement, au noyage du moteur ou à la présence d'humidité. Dans ce cas, en effet, le courant est alors dérivé et l'étincelle ne se produit pas. On connaît également des dispositifs d'allumage capacitifs, fonctionnant sur un principe notablement différent. Un circuit primaire comprend une source d'énergie à tension élevée, de quelques centaines de volts, en série avec un condensateur de stockage et avec le primaire d'un transformateur. L'interrupteur à état solide, généralement constitué par un thyristor permet de fermer l'ensemble condensateurprimaire du transformateur sur lui-même. Le système se comporte alors comme un générateur de tension. Le courant qui traverse la bougie n'est limité que par les résistances dans la bougie, les fils de fonction et la bobine : la tension appliquée aux bornes de la bougie est très élevée, de sorte que un tel système est peu sensible à l'encrassement des bougies. Mais, en contrepartie, la durée de l'étincelle est très courte (100-200 us en général) et peut être insuffisante pour provoquer l'allumage du mélange dans une chambre de combustion. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif d'allumage répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de combiner les avantages des systèmes connus, en compensant leurs inconvénients respectifs. Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne à allumage commandé par bougie, comprenant, en série, une première source d'énergie électrique, le primaire d'un transformateur-élévateur de tension et un organe interrupteur à l'état solide, le secondaire du transformateur (qui constitue une bobine d'induction avec le primaire) étant destiné à être monté en série avec la bougie, caractérisé en ce qu'il comprend également une seconde source d'énergie électrique, fournissant une tension supérieure à la première d'au moins un ordre de grandeur, montée en série avec un condensateur de stockage, le primaire et l'organe interrupteur et en ce qu'un organe à conduction commandée dont la gachette de commande est polarisée par une tension prélevée sur une fraction du primaire, est placé aux bornes de l'ensemble condensateurprimaire. Lorsque ce dispositif est utilisé sur un moteur multicylindres, il comporte une bobine par chambre de combustion. L'organe interrupteur à l'état solide, généralement constitué par un transistor à effet de champ et à grille isolée, souvent du type IGBT, est commandé par un calculateur d'alimentation moteur,qui déclenche l'étincelle avec une avance à l'allumage appropriée. L'organe à conduction commandée sera généralement un thyristor ou un triac. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, de modes particuliers de réalisation, donnés à titre dexem- ples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif suivant un mode particulier de réalisation de l'invention. - la figure 2 est un chronogramme montrant,en fonction du temps, d'une part la variation du courant dans la bougie et la bobine secondaire et, d'autre part la variation du courant dans l'enroulement primaire. - la figure 3 montre la variation du courant dans un circuit de détection de ratés d'allumage du genre montré en figure 1 ; - la figure 4 est un circuit de mesure du courant d'ionisation après étincelle, constituant une variante de celui montré en figure 1 - la figure 5, similaire à la figure 3, montre une variante de réalisation. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 comporte une bobine 10 ayant un primaire 12 et un secondaire 14, fournissant une multiplication de tension dans un rapport de l'ordre de 100. Le primaire de la bobine est placé dans un premier circuit qui comporte une source 16 à basse tension, qui sera généralement une batterie de 12 volts dans le cas d'un véhicule automobile. Le circuit comprenant la source 16 et le primaire 12 peut être fermé à la masse par un organe interrupteur à état solide 18 commandé par un calculateur 20. Un second circuit primaire comporte une source de tension 21, fournissant une tension supérieure d'au moins un ordre de grandeur à celle de la source 16. Sur un véhicule automo bile, la source 21 sera généralement constituée par un convertisseur à découpage alimenté à partir de la batterie 16. Ce convertisseur peut, par exemple, fournir une tension de l'ordre de 400 volts. Il est placé en série, généralement par l'intermédiaire d'une résistance 22 de limitation de courant, avec un condensateur 24, le primaire 12 et l'interne rupteur à état solide 18. Le secondaire 14 alimente une bougie d'allumage 26. Dans un tel circuit, qui ne comporte pas le distributeur traditionnel d'un système d'allumage inductif, il doit être prévu une bobine pour chaque chambre de combustion. Pour provoquer l'apparition d'une tension élevée au secondaire lors de l'ouverture de l'interrupteur à état solide 18, le dispositif comporte un organe à conduction commandée, généralement constitué par un thyristor 28 ou un triac, capable de fermer le circuit constitué par le condensateur 24 et le primaire 12, pour permettre au condensateur 24 de se décharger dans le primaire. Pour provoquer l'allumage automatique du thyristor lors de l'ouverture de l'organe interrupteur 18, la gachette du thyristor est montée de façon à recevoir une fraction de la tension générée aux bornes du bobinage primaire par l'ouverture de l'organe 18. Dans ce but, le noyau de la bobine 10 porte un bobinage de commande 30 s'ajoutant au bobinage 12, en série avec lui. Le calculateur 20 est prévu pour provoquer l'allumage avec une avance déterminée par rapport au passage du piston du cylindre au point mort haut. Pour cela il comporte une entrée 32 qui reçoit un signal de synchronisation prélevé par exemple sur le volant du moteur et des entrées 34 de signaux représentatifs des paramètres de fonctionnement du moteur, tels que la vitesse, la charge et la température. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Lorsque l'organe interrupteur 18 est fermé, le courant Ip qui parcourt le primaire 12 augmente progressivement de façon à créer des ampères-tours, jusqu'à atteindre une valeur I1 qui dépend de la durée de charge et/ou de la force électro-motrice de la source 16 avec une pente qui dépend des impédances du circuit. Le condensateur de stockage 24 se charge rapidement jusqu'à ce que la tension à ses bornes atteigne sensiblement la force électro-motrice de la source 21. Lorsque l'organe obturateur 18 s'ouvre, à l'instant t0, l'énergie stockée dans la bobine provoque l'apparition diun courant qui génère, dans le bobinage de commande 30, une tension qui allume le thyristor 28. Le condensateur 24 se décharge alors rapidement dans le primaire 12. Cette décharge crée un courant intense dans le circuit secondaire qui atteint une valeur I2, beaucoup plus élevée que celle que serait capable de créer une bobine, de sorte que l'amorçage intervient même si une fraction notable du courant est dérivé par la pollution de la bougie 26. Ce courant, de durée Tg très courte, généralement de l'ordre de 100 us, est très élevé, bien que le courant ainsi créé soit en opposition avec le courant de décharge du primaire de la bobine. Au primaire, le courant Ip atteint une valeur I3 très supérieure au p courant de charge I1, par exemple cinq à dix fois supérieure. Une fois le thyristor bloqué, à partir de l'instant t1, un courant provoqué par les ampères-tours stockés dans le primaire 12 s'écoule avec une décroissance beaucoup plus lente, jusqu'à coupure de l'étincelle au bout du temps T1. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un dispositif bien adapté à un moteur d'automobile de tourisme peut être prévu pour que le courant primaire Ip atteigne une valeur d'environ 6A à l'issue de la charge, pour que la durée Tg soit de tordre de 100 us, et pour que la durée T1, pendant laquelle le courant Is descend jusqu'à une valeur de l'ordre du mA soit de 1,5 à 2 ms. Le courant 12 peut être de l'ordre de 0,4A, alors que le courant I3 créé par la décharge du condensateur peut atteindre 40 A environ. Un tel dispositif nécessite, en plus des composants habituels d'un système d'allumage inductif, un condensateur et un thyristor. Ces derniers peuvent être intégrés dans une bobine sans augmentation notable de l'encombrement. Le calculateur 20 peut être prévu pour modifier le fonctionnement du dispositif en fonction de l'état du moteur. En particulier il est possible de réduire la valeur maximum I1 du courant primaire Ip, lorsque le moteur est chaud, en réduisant la durée de charge, c'est à dire en fermant plus tard l'organe commutateur 18. Il est même possible d'adopter une durée très courte, de façon que le dispositif ait un fonctionnement quasi-identique à celui d'un système d'allumage capacitif lorsque le moteur est chaud. Ainsi on charge moins le circuit magnétique et on réduit l'usure des bougies. Le dispositif montré en figure 1 comprend de plus un circuit permettant de détecter les ratés d'allumage, par mesure d'un courant d'ionisation après cessation de 1' étincelle. Ce circuit comporte un accumulateur d'énergie, constitué par un condensateur, dont on mesure le courant de décharge au travers des électrodes de la bougie après cessation de l'étincelle. Le circuit de détection 40 montré en figure 1 peut être considéré comme de type parallèle. Il comporte un condensateur de stockage 42, généralement de quelques nF, placé en parallèle avec une diode 44 de limitation de tension (diode Zener en général). Le condensateur 42 est placé dans un circuit qui relie la bougie 26, par l'intermédiaire d'une résistance élevée 46 de limitation de courant (ayant une valeur de l'ordre du megohm en général et une résistance 48 de création d'une tension de mesure. Le signal est prélevé entre le condensateur 42 et la résistance 48.I1 peut être appliqué au calculateur 20 pour provoquer une modification de l'avance et/ou de l'énergie dissipée. Si un tel circuit 40 est prévu, une diode 50 destinée à éviter l'écoulement d'un courant inverse est interposée entre le secondaire 14 et le point de raccordement du circuit 40. Cette diode n'est pas nécessaire dans les autres cas. Au cours de la décharge de la bobine 10 sur la bougie 26, le condensateur 42 se charge sous une tension déterminée par la diode Zener 44 (50 à 100 Volts en général). Lorsque la bobine 10 cesse d' alimenter la bougie 26, le condensateur 42 applique à la bougie la tension qui règne à ses bornes. Si les gaz dans la chambre sont ionisés à la suite du passage d'étincelle, cette tension va crée un courant dont la valeur est mesurée à partir de la tension qu'elle crée aux bornes de la résistance 48. La variation de tension aux bornes de la résistance 48 aura généralement l'allure indiquée en trait plein sur la figure 3 lorsque une étincelle s'est produite. En revanche, l'allure sera celle donnée en tirets dans le cas d'un raté d'allumage. L'existence d'un raté de combustion est détecté par comparaison entre la tension maximum de mesures et un seuil S. Il sera même possible de détecter le cliquetis, qui se manifeste par des oscillations sur la branche descendante de la courbe de variation du courant. Dans la variante de réalisation montrée en figure 4, où les organes correspondant à ceux déjà décrits sont désignés par le même numéro de référence, la résistance 48 est remplacée par des diodes de protection 52. La tension de mesure est fournie par un amplificateur trans-impédance 54 bouclé par une résistance 56. Dans le mode de réalisation montré en figure 5, qu'on peut qualifier de montage en série, le condensateur 42 se charge à une tension fixée par la tension de claquage de la diode Zener 58 pendant la durée de l'étincelle. Elle se décharge ensuite, si les gaz restent ionisés, par circuit constitué par la résistance 48 et la bougie 26. La tension de mesure peut encore être amplifiée par un amplificateur trans-impédence 54. Dans ce montage le secondaire est en série avec le dispositif de mesure ce qui permet de ne pas utiliser la diode haute tension 50. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'allumage pour moteur à combustion interne à allumage commandé par bougie, comprenant, en série, une première source d'énergie électrique (16), le primaire (12) d'un transformateur (10) élévateur de tension et un organe interrupteur à état solide (18) tandis que le secondaire (14) du transformateur (10) est monté en série avec la bougie (26), caractérisé en ce qu'il comprend également une seconde source énergie électrique (21), à tension supérieure à la première d'au moins un ordre de grandeur, placée en série avec un condensateur (24) de stockage, le primaire (12) et l'organe interrupteur (18) et en ce qu'un organe à conduction commandée (18), dont la gachette est polarisée par une tension prélevée sur une fraction du primaire (30), est placé aux bornes de l'ensemble condensateur (24) - primaire (12). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe à conduction commandée est un thyristor ou un triac. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite fraction du primaire (30) est en série avec le reste du primaire qui est parcouru par le courant de décharge du condensateur. 4 - Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3,ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de détection d'ionisation après coupure d'étincelle à la bougie. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de détection est placé en parallèle avec le secondaire et comporte un condensateur de stockage (42), placé en parallèle avec une diode (44) de limitation de tension (diode Zener en général)et placé dans un circuit qui relie la bougie (26) par l'intermédiaire d'une résistance (46) de limitation de courant. 6 - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le circuit de détection est placé en série avec le secondaire.