Brevet FR2772434A1 — publié le 19990618

CAPTEUR D'IONISATION DANS UN SYSTEME D'ALLUMAGE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un capteur d'ionisation, dans un système d'allumage commandé électroniquement d'un moteur & combustion interne, notamment pour véhicule automobile. Réalisant une mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans les cylindres du moteur, ce capteur permet la détection du cliquetis, des ratés de combustion et le détrompage des cylindres. Une solution actuelle pour connaître la qualité de la combustion du mélange air-carburant dans les cylindres consiste à mesurer le courant d'ionisation des gaz dans les cylindres, au moyen des bougies d'allumage, après l'étincelle éclatant entre les électrodes de chaque bougie. Dans certaines publications, sont décrits des circuits de mesure au pied du secondaire d'une bobine mono-sortie connectée à la bougie, dans lesquels l'amplification du signal pour augmenter l'immunité au bruit n'est pas prévue dès le pied de la bobine, mais à l'extérieur de la bobine, au moyen d'amplificateurs opérationnels. La demande de brevet déposée au nom de RENAULT sous le numéro 95 14936 décrit des circuits de mesure du courant d'ionisation sur la partie haute tension des bobines. Les mesures au secondaire de la bobine nécessitent des composants qui tiennent la haute tension et sont généralement coûteux. Les solutions actuelles ne résolvent donc pas les problèmes de coût, d'amplification du courant d'ionisation nécessitant une alimentation supplémentaire et d'amortissement des oscillations de la bobine, à la fin de chaque étincelle, qui masque le signal d'ionisation et réduit la plage temporelle du signal exploitable. L'invention vise à résoudre ces inconvénients en proposant un capteur de mesure du courant d'ionisation, assurant la polarisation de la bougie par l'utilisation directe de la tension de la batterie ou la remise en conduction de la bobine après la fin de l'étincelle, et l'amplification du courant de mesure par l'utilisation d'un transistor au pied du circuit secondaire de la bobine. Pour cela, l'objet de l'invention est un capteur d'ionisation dans un système d'allumage commandé électroniquement d'un moteur à combustion interne, dont le système d'allumage comprend une bobine mono-sortie dont l'enroulement primaire Lp est relié à un module 3 électronique de commande de l'allumage et dont la partie haute tension de l'enroulement secondaire Ls est reliée à l'électrode centrale d'au moins une bougie d'un cylindre qui a une seconde électrode reliée à la masse et qui émet des étincelles entre ces électrodes, caractérisé en ce que la partie basse tension de l'enroulement secondaire Ls est reliée à un circuit de mesure du courant d'ionisation, constitué: - de moyens de polarisation de l'électrode centrale de la bougie, à la fin de chaque étincelle; - d'un module d'amplification du courant d'ionisation, connecté aux moyens de polarisation; - d'un module de réception du courant d'ionisation et de conversion de ce courant en un signal de tension Vs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation, illustrée par les figures suivantes qui sont: - les figures 1 à 4: trois variantes de réalisation d'un capteur de courant d'ionisation selon l'invention; - les figures 5a à 5d: des chronogrammes des signaux de commande et de mesure du courant d'ionisation pour un capteur selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Sur la figure 1 est représenté un capteur de courant d'ionisation d'une bougie 1 d'allumage affectée à un cylindre du moteur, dont l'allumage est commandé par un calculateur électronique. Le système d'allumage comporte une bobine d'allumage 2, dont l'enroulement primaire Lp est relié d'un côté à la tension positive Vbat de la batterie d'alimentation du véhicule, égale à 12 volts, et de l'autre côté à un module 3 de commande d'allumage, composé d'un transistor T1 et d'une diode Zener Z1, qui délivre des créneaux de tension. La partie haute tension de l'enroulement secondaire Ls de la bobine est reliée à une électrode de la bougie 1 et la partie basse tension de cet enroulement est reliée à un circuit de mesure du courant d'ionisation. Ce circuit de mesure est composé de trois modules 4, 5 et 6. Le module 4 est constitué de moyens de polarisation de l'électrode centrale de la bougie à la fin de l'étincelle, avec une tension positive sur son électrode centrale, afin de réaliser une mesure du courant d'ionisation. Dans cette première variante de réalisation, il se compose d'une diode Zener Zp, de tension voisine de 100 Volts par exemple, et d'une capacité de polarisation Cp, de l'ordre de 10 nanoFarads par exemple, en parallèle sur la diode. Pour obtenir une polarisation positive de l'électrode centrale de la bougie, il faut induire une étincelle de polarité négative sur cette électrode. A ce précédent module 4 est connecté un module 5 d'amplification du courant d'ionisation, réalisé à partir d'un transistor Ta de type PNP et d'une diode Da entre la base et l'émetteur du transistor, alimentés par la tension de la batterie Vbat, et qui doivent répondre aux contraintes thermiques de l'intérieur de la bobine. Pendant la phase d'étincelle, le courant d'arc circule dans la diode Da et le transistor Ta est bloqué. A la fin de l'étincelle, le courant d'ionisation étant de signe opposé au courant d'arc, il sera ainsi amplifié par le transistor Ta et envoyé sur une résistance Rs, composant un module 6 de conversion du courant d'ionisation Isen tension de sortie Vs. Ce module 6 constitue le circuit de réception du courant d'ionisation Is amplifié. Il est situé à l'extérieur de la bobine 1 et peut être intégré au calculateur électronique ou à tout autre circuit électronique exploitant le courant d'ionisation. La figure 2 est la figure duale de la figure 1, c'est- à-dire que le transistor est de type NPN et que tous les composants électroniques sont placés en sens inverse pour que toutes les polarités et les courants soient inversés. Les avantages de cette première variante de réalisation sont la faible sensibilité aux bruits puisque le courant d'ionisation est amplifié au pied de la bobine, le facteur d'amplification très élevé obtenu par le transistor Ta et la sortie en tension du signal d'ionisation dans des valeurs habituelles des signaux. La figure 3 est une deuxième variante de réalisation d'un capteur selon l'invention, dont le module d'amplification 5a diffère du module 5 de la précédente version et permet de contrôler le facteur d'amplification indépendamment des caractéristiques du transistor et de la température. Les autres modules 3, 4 et 6 sont identiques à ceux de la première variante. Ce module d'amplification 5a à gain contrôlé comporte un transistor Ta et une diode Da, protégeant le transistor du courant inverse pendant l'étincelle de la bougie et montée en parallèle avec une seconde diode D'ai identique à Da, reliée à une résistance Rb dans le circuit base-collecteur du transistor. Le gain Ga d'amplification est obtenu par le rapport entre cette résistance Rb et une autre résistance Rc sur le collecteur du transistor: Ga = Rc/Rb- La diode D'a permet la compensation en température de la tension baseémetteur pour avoir un gain plus finement ajusté. La figure 4 représente une troisième variante de réalisation pour laquelle la polarisation de la bougie n'est plus réalisée par un module 4 classique, mais elle est assurée par la tension d'alimentation Vbat de la batterie du véhicule. Cette variante comporte un module d'amplification du courant d'ionisation 5 comme sur la figure 1, ou préférentiellement 5a comme sur la figure 2 quand il n'y a pas de polarisation. Avec ce même circuit, on peut augmenter la tension de polarisation de l'électrode centrale de la bougie, par remise en conduction du circuit primaire Lp de la bobine 2. Par ce moyen, l'électrode centrale est polarisée avec une tension Vpol, égale au produit de la tension- batterie Vbat par le rapport de transformation N d la bobine: Vpol = Vbat * N. Ce moyen a également pour avantage de réduire les oscillations de la bobine en fin d'étincelle et par conséquent d'augmenter la plage temporelle du signal d'ionisation exploitable. Les figures 5a à 5d dont les chronogrammes des signaux de commande et de mesure du courant d'ionisation pour la polarisation de l'électrode centrale de la bougie 1, par remise en conduction de l'enroulement primaire Lp de la bobine 2. Le signal S1, représenté sur la figure 5a, est le signal de commande de la bobine appliqué en entrée du module 3 de commande. Le premier créneau C1 est le créneau de charge de la bobine qui déclenche la production d'une étincelle sur son front descendant fil Le deuxième créneau C2, déclenché à la fin de l'étincelle, est destiné à la polarisation de la bougie en vue de la mesure du courant d'ionisation Is par remise en conduction de l'enroulement primaire Lp. Lors du front descendant f2 de ce deuxième créneau sera déclenchée une étincelle résiduelle sans effet sur le fonctionnement du moteur. La largeur de ce deuxième créneau ne peut pas dépasser la durée maximale de charge de la bobine et constitue la durée de mesure du courant d'ionisation. Sur la figure 5b, le signal S2 est la tension sur l'électrode centrale de la bougie, mesurée par rapport à la masse, constituée par exemple par le culot de la bougie. Entre les instants t1 et t2 correspondant au premier créneau C1 de commande de la bobine, la bobine se charge et la tension S2 atteint une valeur positive Vpol. Sur le front descendant fi du créneau Cl, le courant est brusquement interrompu dans l'enroulement primaire Lp de la bobine, provoquant une forte surtension amplifiée dans l'enroulement secondaire Ls, dont la tension S2 présente un pic P1 négatif. Ce pic traduit une chute brutale de sa valeur qui provoque un claquage au niveau des électrodes de la bougie et l'apparition d'une étincelle. Entre les instants t2 et t3, la bobine se décharge. A la fin de l'étincelle, pendant la durée du deuxième créneau C2 de commande, le potentiel de l'électrode centrale est égal à Vpol, soit le produit de la tension de la batterie Vbat par le rapport N de transformation de la bobine, et permet la création du courant d'ionisation. La deuxième étincelle résiduelle, provoquée par un pic P2 de la tension S2, lors du front descendant f2 du deuxième créneau, ne doit pas avoir lieu dans la phase d'admission du carburant du cylindre, du cycle suivant. C'est pourquoi il faut calculer la durée de ce second créneau C2 de commande afin d'empêcher un tel événement, quel que soit le régime du moteur. La figure 5c représente le signal Is, qui est le courant d'ionisation mesuré en sortie du capteur selon l'invention. Sur les fronts de commutation F1, fi et f2 du signal de commande S1 de la bobine, le courant Is présente des impulsions parasites Il, 12 et 13 dues aux effets capacitifs. A la fin de la première étincelle, à l'instant t3, le courant Is présente des oscillations d'amortissement oa de la bobine, suivies du signal d'ionisation réellement exploitable Cio. La remise en conduction de l'enroulement primaire de la bobine, par le deuxième créneau de commande C2 du signal S1, met fin aux oscillations de la bobine et permet la mesure du courant d'ionisation pendant toute la durée du créneau C2, entre les instants t4 et t5. Il est intéressant de noter que la deuxième étincelle peut provoquer une combustion tardive destinée à protéger le pot catalytique en améliorant la combustion des gaz non brûlés à la première étincelle. Elle permet ainsi d'augmenter la durée de vie du pot catalytique en cas de ratés d'allumage. La figure 5d est le chronogramme d'un exemple de courant d'ionisation détecté avec le capteur selon l'invention, lorsque la bougie est encrassée. Dans ce cas, le signal entre les deux instants t1 et t2, correspondant au premier créneau C1 de commande de la bobine, présente un palier P au lieu des deux impulsions parasites Il et 12. Ce palier est un signe d'encrassement de la bougie. Le capteur d'ionisation selon l'invention permet de détecter les anomalies de combustion, par la mesure du courant d'ionisation dans le cylindre en compression après l'étincelle, et de connaître le type d'anomalies, par exemple les ratés de combustion correspondant à une absence de combustion qui peut endommager le pot catalytique ou le cliquetis dommageable pour le moteur. REVENDICATIONS 1. Capteur de mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans les cylindres d'un moteur à combustion interne, dont le système d'allumage comprend une bobine mono-sortie dont l'enroulement primaire (Lp) est relié à un module (3) électronique de commande de l'allumage et dont la partie haute tension de l'enroulement secondaire (Ls) est reliée à l'électrode centrale d'au moins une bougie d'un cylindre qui a une seconde électrode reliée à la masse et qui émet des étincelles entre ces électrodes, caractérisé en ce que la partie basse tension de l'enroulement secondaire (Ls) est reliée à un circuit de mesure du courant d'ionisation, constitué: - de moyens (4) de polarisation de l'électrode centrale de la bougie, à la fin de chaque étincelle; - d'un module (5) d'amplification du courant d'ionisation, connecté aux moyens (4) de polarisation; - d'un module (6) de réception du courant d'ionisation et de conversion de ce courant en un signal de tension (Vs). 2. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module (5) d'amplification du courant d'ionisation est constitué par un transistor (Ta) et une diode (Da), alimentés par la tension (Vbat) de la batterie du moteur. 3. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module (5a) d'amplification du courant d'ionisation est constitué 1l par un transistor (Ta) et une diode (Da) montée en parallèle avec une seconde diode (D'a), identique à (Da), reliée à une première résistance (Rb) dans le circuit base-collecteur du transistor (Ta), le gain (Ga) d'amplification étant obtenu par le rapport entre ladite résistance (Rb) et une seconde résistance (Rc) sur le collecteur du transistor. 4. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens (4) de polarisation de l'électrode centrale de la bougie sont constitués par la tension (Vbat) de la batterie, le module (5, 5a) d'amplification du courant d'ionisation étant directement connecté à la partie basse tension de l'enroulement secondaire (Ls) de la bobine. 5. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens (4) de polarisation de l'électrode centrale de la bougie sont constitués par le module électronique (3) de commande de l'allumage qui commande la remise en conduction de l'enroulement primaire (Lp) de la bobine par l'émission d'un deuxième créneau, dont la durée est déterminée pour ne pas dépasser la durée de charge de la bobine et pour que l'étincelle résiduelle induite se produise avant la phase d'admission du cycle moteur suivant et provoque la combustion des gaz non brûlés à la première étincelle.