Brevet FR2776718A1 — publié le 19991001

DISPOSITIF D'ALLUMAGE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE, A DECLENCHEMENT PAR ECLATEUR La présente invention concerne les dispositifs d'allumage pour moteur 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 source d'énergie électrique, le primaire d'un transformateur élévateur de tension dont le secondaire est destiné à être monté en série avec les bougies, par l'intermédiaire d'un distributeur et un organe interrupteur. Le transformateur élévateur de tension, habi- tuellement désigné par le terme de "bobine" a pour fonction de stocker dans son circuit magnétique de l'énergie fournie par la source, habituellement constituée par la batterie d'accumulateurs sur un véhicule, et de restituer cette énergie lors de l'ouverture de l'organe interrupteur, dit "rupteur"; 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 dérivé et l'étincelle ne se produit pas. 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 provoquer l'apparition brève d'une tension élevée aux bornes de la bougie et l'apparition certaine d'une étincelle et de s'affranchir de l'emploi d'un distributeur tournant. Elle propose notamment un dispositif du genre ci- dessus défini, c'est-à-dire comprenant, en série, une première source d'énergie électrique, leprimaire d'untransformateur- élévateur de tension dont le secondaire a une sortie destinée à être montée en série avec la bougie et un organe interrup- teur à état solide, caractérisé en ce qu'il comprend un éclateur placé à la sortie du secondaire et comportant une électrode de commande, une seconde source d'énergie électri- que, fournissant une tension supérieure à celle de la première, et un organe à conduction commandée permettant de porter l'électrode de commande au potentiel de la seconde source afin d'appliquer à cette électrode une tension suffi- sante pour ioniser l'espace entre la cathode et l'électrode dans l'éclateur. Lors de la formation de l'arc dans l'éclateur, la capacité répartie au secondaire peut constituer un générateur de tension qui applique une impulsion de tension brève supplémentaire de valeur élevée aux bornes de la bougie. L'é- tincelle est ultérieurement maintenue par la décharge de l'énergie stockée sous forme magnétique. La chute de tension à travers léclateur n'est que de quelques centaines de volts et son impédance dynamique est très faible, de sorte que l'éclateur ne gêne pas ultérieurement l'écoulement du courant. Lorsque ce dispositif est utilisé sur un moteur multi- cylindres, il comporte un éclateur 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. Chaque organe à conduction commandée associé à un éclateur pourra être lui aussi un IGBT. 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 d'exem- 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, les périodes de fermeture des organes interrupteurs du dispositif; - la figure 3 montre une constitution possible de bougie incorporant un éclateur commandé; - la figure 4, similaire à la figure 3, montre une variante de réalisation; la figure 5, similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation du dispositif, comprenant des éclateurs combinés en une seule ampoule; les figures 6 et 7 montrent des constitutions possibles des éclateurs schématisés en figure 5. 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. Le secondaire 14 alimente une bougie d'allumage 26. 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. Conformément à l'invention, le secondaire du transforma- teur est relié aux bougies 22, au nombre de quatre dans le cas illustré, par des éclateurs commandés respectifs 24, occupant des ampoules différentes. Chacun de ces éclateurs est prévu pour avoir une tension d'amorçage supérieure à celle que peut fournir l' énergie stockée sous forme inductive dans le transformateur. Cette tension peut être ajustée en agissant sur l'écart entre les électrodes, la forme de l'éclateur, la nature et la pression du gaz qui remplit l'ampoule. Une électrode de commande C est placée à proximité de la cathode K de l'éclateur. Chaque électrode de commande est reliée, par une résistance respective 26, au pôle positif d'une source 28. La valeur des résistances 26 est suffisam- ment élevée pour qu'il soit possible de laisser la source 28 débiter en permanence. Pour une source 28 de 1000 V, une valeur de l'ordre de 10 kO est généralement acceptable. Le pôle négatif de la source 28 est relié, par l'intermédiaire d'un organe à conduction commandée respectif 30, à chaque électrode de commande C. Les organes 30, constitués généralement par des transis- tors à effet de champ à grille isolée, ou IGFET, sont commandés par un circuit d'attaque 32, lui-même piloté par le calculateur 20. La séquence des signaux de commande peut être celle indiquée schématiquement sur la figure 2. La ligne 36 indique les périodes de rupture du circuit primaire par l'organe interrupteur 18. Les lignes 38a et 38b indiquent les périodes d'ouverture de deux organes 30 successifs. Lors de l'ouver- ture d'un organe 30, l'électrode de commande correspondante C, jusque là au potentiel de la cathode K, est amené à la haute tension fournie par la source 28. La tension d'ionisa- tion entre la cathode K et l'électrode de commande C est choisie à une valeur inférieure à la haute tension. Une valeur de 800 V par exemple peut être choisie pour une haute tension de 1000 V. L'énergie stockée dans la capacité répartie 40 du secondaire 14 favorise encore l'ionisation. Dès l'ouverture de l'organe interrupteur 18, un arc se forme entre la cathode K et l'anode A de l'éclateur 24, permettant la création d'une étincelle aux bornes de la bougie respective. L'échelonnement des étincelles est donné par les lignes 22a à 22d de la figure 2. On voit que les éclateurs 24 jouent le rôle de distri- buteur statique, en plus de faciliter l'établissement d'une étincelle. Les éclateurs 24 peuvent être incorporés dans les bougies d'allumage 22 elles-mêmes. La bougie montrée, à titre d'exemple, sur la figure 3 a une constitution générale classique. Elle comporte un culot métallique 42 prolongé par l'électrode de masse 44, un isolant 46 et une électrode centrale 48. Dans une bougie classique, l'électrode centrale traverse la totalité de l'isolant et se termine par une portion filetée qui reçoit un embout de connexion 50. Dans la bougie illustrée en figure 3, l'électrode centrale 48 délimite, avec une tige terminale 52 sur laquelle est fixé l'embout 50, un espace de décharge 54 rempli de gaz neutre. L'éclateur est dans ce cas constitué par l'électrode centra- le 48, l'isolant 46 qui délimite l'espace de décharge et la tige 52. L'électrode de commande C traverse l'isolant et se termine à proximité de l'extrémité de la tige 52, qui constitue la cathode de l'éclateur. Il faut remarquer qu'une bougie incorporant un éclateur, commandé ou non, peut également être utilisée dans un dispositif d'allumage à déclenchement spontané d'un arc lors de l'ouverture de l'organe interrupteur. Une telle bougie peut être fabriquée en posant l'élec- trode centrale 48 et la tige 52 dans une atmosphère du gaz neutre désiré (en général argon ou azote). Une autre solution consiste à prévoir un queusot 56 (figure 4) servant au remplissage en gaz neutre et obturé ensuite. Dans la variante de réalisation montrée en figure 5, o les organes correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, tous les éclateurs sont combinés dans une seule ampoule 60 ou se forme un arc tournant. L'ampoule contient une cathode centrale unique K et des anodes A régulièrement réparties angulairement à la périphérie de l'ampoule, reliées chacune à une bougie 22a,...,22d. Entre chaque anode et la cathode K est placée une électrode de commande C, située à proximité immédiate de la cathode. Le fonctionnement du dispositif de la figure 5 est très similaire à celui de la figure 1. Il faut simplement remar- quer que, dans ce cas, le recouvrement temporel t indiqué sur la figure 2 facilite le passage de l'arc d'une anode A à la suivante. Au contraire, ce recouvrement n'est pas nécessaire dans le cas du mode de réalisation de la figure 1. Comme le montre la figure 6, chaque électrode de comman- de C peut être trouée en regard de l'anode correspondante. Ainsi, le gaz ionisé créé dans l'intervalle cathode-électrode de commande passe vers l'anode A qui doit recevoir l'arc de transmission d'énergie vers la bougie sélectionnée. L'arc principal est et reste créé par l'énergie stockée dans le transformateur 10 comportant le primaire 12 et le secondaire 14. On voit que chaque électrode de commande C agit pour valider le chemin que prendra l'arc principal pour s'établir. En effet, l'électrode de commande entretient un nuage de particules chargées qui sont immédiatement disponibles pour propager l'arc principal dans la direction voulue, du fait que les particules chargées assurant l'arc et la conduction sont immédiatement mobiles. Au contraire, il faudrait l'établissement d'un champ disruptif pour qu'un arc s'éta- blisse vers les autres anodes. Une fois l'arc principal créé vers l'anode voulue, le potentiel de la cathode K rejoint, à la faible tension d'arc près, le potentiel de l'anode A sélectionnée et l'arc ne peut plus s'établir sur les autres anodes. Le trajet préférentiel est d'autant plus favorisé que la géométrie des électrodes et leur position respective conduisent à un chemin beaucoup plus court entre la zone ionisée et l'anode sélectionnée qu'entre cette zone ionisée et n'importe laquelle des autres anodes. Dans la pratique, on constituera généralement la seconde source 28 par un convertisseur continu-continu à sortie flottante. La valeur des résistances 26 permet de maintenir un courant d'ionisation, généralement de quelques milli- ampères. Dans la variante de réalisation montrée en figure 7, o les organes correspondant à ceux de la figure 6 sont désignés par le même numéro de référence, la cathode K est annulaire et fractionné en portions en nombre égal à celui des anodes A. Les électrodes de commande C sont placées à l'intérieur du volume délimité par la cathode K. Les fentes séparant les portions de la cathode K sont placées suivant les trajets ra- diaux raliant les électrodes de commande C aux anodes corres- pondantes. La disposition de la figure 7 rend plus facile la fabrication reproductiblede1 ' éclateur multiple, constituant distributeur, et elle rassemble toutes les lignes de fuite des électrodes de commande vers l'électrode principale, ce qui facilite la conception du circuit électronique 32 d'attaque des électrodes de commande. Quel que soit le mode de réalisation adopté, il est possible de le compléter par des moyens permettant de surveiller, lors du fonctionnement d'un moteur, la bonne alimentation des bougies. En effet, l'arc dans l'éclateur produit une lueur. Elle peut être détectée en plaçant des capteurs photosensibles, tels que des photodiodes ou photo- transistors, face aux emplacements d'arc. L'invention est susceptible de nombreuses variantes supplémentaires. Si le moteur a de nombreux cylindres (moteur V8 par exemple), deux ensembles de quatre éclateurs peuvent être prévus. Les organes interrupteurs peuvent être consti- tués d'éléments différents de ceux décrits. Les éclateurs peuvent être incorporés à un boîtier commun avec le transfor- mateur. 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 élévateur de tension dont le secondaire (14) a une sortie destinée à être montée en série avec la bougie (22) et un organe interrupteur à état solide (18), caractérisé en ce qu'il comprend un éclateur (24) placé à la sortie du secondaire et comportant une électrode de commande (C), une seconde source d'énergie électrique (28) fournissant une tension supérieure à celle de la première et un organe à conduction commandé (30) permettant de porter l'électrode de commande au potentiel de la seconde source afin d'amener cette cette électrode à une tension suffisante pour ioniser l'espace entre la cathode et l'électrode dans l'éclateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, pour moteur à plusieurs chambres de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend un éclateur (24) par chambre, l'ensemble des éclateurs constituant distributeur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde source est reliée en permanence à l'élec- trode de commande (C) de chaque éclateur par une résistance (26) de limitation de courant et en ce que les organes à conduction commandée sont prévus pour maintenir les électro- des de commande respectives au potentiel de la cathode lorsqu'ils sont conducteurs. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une résistance est interposée entre la seconde source et chaque électrode de commande. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'éclateur est ménagé à l'intérieur de l'isolant de la bougie. 6. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caracté- risé en ce que les éclateurs sont combinés dans une ampoule unique (60). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ampoule (60) contient une cathode centrale unique (K) et des anodes (A) régulièrement réparties angulairement à la périphérie de l'ampoule, destinées à être reliées chacune à une bougie (22a,...,22d). 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une électrode de commande trouée (C) est placée entre chaque anode et la cathode (K) à proximité immédiate de la cathode. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ampoule contient une cathode (K) annulaire et fractionnée en portions en nombre égal à celui des anodes (A) et en ce que les électrodes de commande (C) sont placées à l'intérieur du volume délimité par la cathode (K), les fentes séparant les portions de la cathode (K) étant placées suivant les trajets radiaux raliant les électrodes de commande (C) aux anodes correspondantes. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des capteurs photosensibles face aux emplacements d'arc dans les éclateurs.