Brevet FR2928420A1 — publié le 20090911

Procédé d'allumage pour moteur à combustion La présente invention concerne un procédé d'allumage. Elle s'applique notamment dans le domaine des systèmes d'allumage commandés pour moteurs à essence. Le processus d'allumage de l'essence par une bougie dans le cylindre d'un moteur à explosion se décompose en trois phases. Une première phase, dite phase de claquage, permet de créer les premières 1 o espèces ionisées dans le milieu ambiant et ainsi d'absorber l'énergie d'allumage. La phase de claquage dure quelques nanosecondes. Une deuxième phase, dite phase d'arc car c'est durant cette phase que l'arc électrique se forme entre les deux électrodes de la bougie, permet d'initier une réaction de combustion locale autonome. La phase d'arc dure quelques 15 microsecondes. Une troisième phase, dite phase de transition, permet au coeur de flamme laminaire d'évoluer en une flamme turbulente autonome. La phase de transition dure quelques millisecondes. Deux procédés électriques sont couramment utilisés pour mettre en oeuvre ces trois phases de l'allumage : le procédé à décharge capacitive et le procédé à décharge 20 inductive. Le procédé à décharge capacitive est plus connu par l'acronyme anglais � CDI � signifiant � Capacitive Discharge Ignition �. II est très utilisé pour les cyclomoteurs, dans le module CDI HONDA par exemple. II est également très utilisé en compétition automobile. Par le procédé à décharge 25 capacitive, la durée cumulée de la phase de claquage et de la phase d'arc est faible, cette durée cumulée étant inférieure à 0,4 millisecondes. Pour compenser cette durée cumulée courte, le rendement énergétique de ces deux phases cumulées est amélioré grâce à des courants déposés très élevés, pouvant aller jusqu'à 1 ampère pendant la phase d'arc. En effet, dans 30 le cas d'un moteur fortement suralimenté, la puissance électrique disponible favorise le claquage. Et dans le cas d'un moteur fonctionnant avec un mélange pauvre ou dilué, par exemple un moteur dilué à l'� EGR � selon acronyme anglais signifiant � Exhaust Gas Recirculation �, qui réinjecte dans le cylindre une partie des gaz de la combustion précédente, le rendement énergétique favorise le claquage et l'initiation de la combustion. Cependant, le procédé à décharge capacitive comporte de nombreux inconvénients. Tout d'abord, la durée courte de l'arc ne favorise pas l'évolution de la flamme laminaire en une flamme turbulente, car l'apport d'énergie au milieu ambiant est rapidement terminé. Ensuite, la durée d'arc est également trop faible pour les applications à Injection Directe d'Essence (IDE) stratifiées, qui sont de plus en plus répandues et pour lesquelles une durée de présence de l'étincelle relativement longue, de l'ordre de 2 millisecondes environ, est un gage de robustesse. Enfin, la présence de forts courants électriques peut 1 o dégrader rapidement les électrodes de la bougie. Le procédé à décharge inductive, quant à lui, est universellement déployé dans les véhicules automobiles, grâce aux boîtiers de contrôle moteur BOSCH ou Siemens par exemple. Par le procédé à décharge inductive, le courant d'arc aux bougies est faible, de l'ordre de 0.1 ampère, 15 mais les échelles de temps sont plus longues que pour le procédé à décharge capacitive. Quoique moins robuste, l'étincelle est présente plus longtemps et est donc un peu plus favorable dans le cas d'une application IDE stratifiée. Mais le rendement énergétique du système est dégradé et les tensions de claquage deviennent vite insuffisantes pour allumer des 20 mélanges en forte charge, notamment dans le cas d'un moteur suralimenté. Et dans le cas d'un moteur fonctionnant avec un mélange pauvre ou dilué, le claquage est peu robuste car le moteur devient fortement instable. De surcroît, la bobine d'allumage est plus volumineuse et plus lourde que celle utilisée pour un procédé à décharge capacitive. 25 L'amélioration des procédés d'allumage connus passe aujourd'hui simplement par le réglage de différents paramètres électriques ayant une influence sur les trois phases du processus d'allumage. Mais il apparaît clairement que ces procédés ne sont plus adaptés à l'ensemble des modes d'injection d'avenir, les moteurs du futur pouvant être fortement suralimentés, 30 fonctionner avec une forte dilution de gaz d'échappement, fonctionner avec un mélange pauvre ou encore fonctionner en IDE stratifiée. La présente invention se propose notamment de résoudre ce problème technique. L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités, en asservissant le courant d'arc et la durée d'arc au besoin de la charge du moteur. Selon l'invention, l'arc commence par un courant fort. Puis, l'arc est maintenu sous contrôle en courant et en durée. Enfin, l'arc se termine par une phase de courant inverse. L'invention propose de synchroniser ces étapes avec les phases de la charge moteur, qui varie d'une charge faible à une charge forte en passant par une charge transitoire, et qui se termine par une phase de mélange pauvre. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'allumage pour enflammer un mélange combustible- 1 o comburant dans un cylindre d'un moteur. II comporte une phase de claquage pendant laquelle une décharge capacitive génère un courant dont l'intensité est élevée, le courant de décharge ionisisant rapidement le mélange et générant un premier arc dans le cylindre entre les électrodes d'une bougie. II comporte une phase d'arc pendant laquelle l'arc est maintenu par une 15 décharge capacitive dont le courant de décharge est asservi à la valeur du courant ionique de la bougie. II comporte une phase de transition pendant laquelle un deuxième arc de polarité inverse est généré par une décharge inductive à partir de l'énergie électrique stockée dans une bobine durant la phase de claquage et durant la phase d'arc. 20 Avantageusement, en phase de claquage, l'arc peut être interrompu à l'apparition d'une inflexion du courant au niveau d'une bobine primaire d'allumage. Dans un mode de réalisation, en phase de claquage, la durée d'arc peut être ajustable à chaque inflammation grâce à une consigne 25 logicielle envoyée par un calculateur d'allumage. Par exemple, la durée d'arc peut être de sensiblement 10 microsecondes. En phase de claquage, le courant peut également être ajustable à chaque inflammation grâce à une consigne logicielle envoyée par un calculateur d'allumage. Par exemple, le courant peut être ajusté de 30 sensiblement 100 milliampères lorsque la pression est basse dans le cylindre jusqu'à sensiblement 600 milliampères lorsque la pression est élevée dans le cylindre. Par exemple, durant la phase d'arc, le courant de décharge peut être maintenu pendant une durée variant de sensiblement 100 35 microsecondes à sensiblement 600 microsecondes. Le courant de décharge peut être maintenu à sensiblement 100 milliampères. Dans un mode de réalisation, durant la phase d'arc, le courant de décharge peut être asservi par découpage à haute fréquence. La durée de maintien du courant de décharge peut être réglable par une consigne logicielle. Par exemple, durant la phase de transition, la durée du deuxième arc peut être de sensiblement 600 microsecondes. Avantageusement, en cas d'incohérence entre le courant de décharge et la consigne logicielle durant la phase d'arc, le courant de décharge peut être fixé à une valeur donnée. Un signal de diagnostic peut 1 o être envoyé à un calculateur de pilotage d'allumage. L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet d'améliorer la robustesse de l'allumage, favorisant d'une part le démarrage et 15 d'autre part l'amorçage du catalyseur, ceci même sous forte dégradation de l'avance à l'allumage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 20 à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, par un graphe, une illustration d'un exemple de courant aux bornes d'une bobine primaire d'allumage selon l'art antérieur ; - la figure 2, par un synoptique, une illustration d'un exemple de 25 dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; - la figure 3, par deux graphes, une illustration d'un exemple de courant et de tension de bougie dans un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. 30 La figure 1 illustre par un graphe un exemple de courant mesurable au niveau d'une bobine primaire d'allumage selon l'art antérieur. L'abscisse indique le temps en millisecondes et l'ordonnée indique une intensité en ampères. Une courbe C représente la variation en fonction du 35 temps de l'intensité du courant traversant une bobine primaire d'allumage selon l'art antérieur. La courbe C comporte une inflexion à un instant to. Comme explicité par la suite, la présente invention propose avantageusement, durant la phase de claquage, d'interrompre l'arc à l'apparition d'une telle inflexion du courant au niveau de la bobine primaire d'allumage. La présente invention propose de piloter ensuite judicieusement le courant par une consigne logicielle, ceci pour chaque inflammation. La figure 2 illustre par un synoptique un exemple de dispositif 1 o mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Le dispositif de la figure 2 comporte une bougie 1, une batterie 2, un générateur Haute Tension 3, un condensateur 4, un transistor MOSFET 5, une diode 6, une bobine primaire 7 et une bobine secondaire 8 formant un transformateur, une résistance 9 et un transistor MOSFET 10. Le dispositif comporte également un automate de 15 commande 11 piloté par un calculateur d'allumage. L'automate de commande 11 fournit une commande CDE1 et une commande CDE2 à partir d'un courant SECONDAIRE. Grâce au transistor 5, à la diode 6, à la bobine primaire 7, à la bobine secondaire 8, à la résistance 9 et au transisitor 10 pilotés par 20 l'automate de commande 11, le cycle décrit ci-après est réalisé. L'automate de commande 11 pilote le transistor 5 en phase de conduction permanente. Lorsque le courant passant dans la résistance 9 atteint une valeur de consigne déterminée dans l'automate de commande 11, cette valeur de consigne étant demandée par le calculateur d'allumage sous la forme d'une 25 consigne logicielle, l'automate de commande 11 pilote cycliquement le transistor 10 en phase conducteur et en phase non conducteur. En particulier, lorsque ce courant de consigne est atteint, le transistor 10 devient non passant et le courant passant dans la bobine primaire 7 circule à nouveau via la diode 6 et le transistor 5. En particulier, lorsque le courant 30 passant dans la résistance 9 atteint un seuil bas défini par le calculateur d'allumage, alors l'automate 11 commande à nouveau le transistor 10 pour établir un nouveau cycle. Dans un mode dégradé où le courant secondaire au niveau de la résistance 9 n'est plus observable, il est possible, grâce à l'allure du courant enveloppe au niveau du transistor 5, de la diode 6 et de la 35 bobine primaire 7, de négliger le courant secondaire au niveau de la résistance 9. Le courant envoyé dans la bougie 1 est limité en suivant une loi prédéterminée fournie par l'automate de commande 11. Grâce à l'automate de commande 11, si le courant au niveau du transistor 5, de la diode 6 et de la bobine primaire 7 dépasse un seuil, ce seuil correspondant au cas où la bougie 1 est défectueuse, alors le courant n'est plus envoyé et l'ensemble cylindre-bougie n'est plus alimenté. Le graphe du haut de la figure 3 illustre un exemple de courant 1 o entre les électrodes de la bougie 1, l'abscisse indiquant le temps en millisecondes et l'ordonnée indiquant une intensité en milliampères. Le graphe du bas de la figure 3 illustre un exemple de tension entre les électrodes de la bougie 1, l'abscisse indiquant le temps en millisecondes et l'ordonnée indiquant une tension en kilovolts. II apparaît que l'invention 15 cumule les avantages du procédé capacitif et les avantages du procédé inductif, sans toutefois présenter leurs inconvénients. Comme le procédé capacitif, l'invention permet de générer un arc entre les électrodes de la bougie 1 entre un instant t1=5,0123 millisecondes et un instant t4=6,3779 millisecondes. L'arc se caractérise notamment par un courant fort en début 20 d'arc, de l'ordre de 348,361 milliampères à un instant t2=5,078 millisecondes. Le courant fort est suivi d'un courant de maintien, de l'ordre de 100 milliampères par exemple pour ne pas dégrader les électrodes de la bougie 1. Le courant de maintien dure jusqu'à un instant t3=5,6720 millisecondes où il chute à une valeur de -166,858 milliampères. Comme le procédé inductif, 25 l'invention permet de générer un second arc entre les instants t3 et t4, pour assurer un allumage correcte en cas de mélange pauvre ou dilué. La durée d'arc peut ainsi atteindre une durée totale de l'ordre de 1,4 millisecondes, avec des pressions de suralimentation turbo de l'ordre de 4 bars. Ainsi, le procédé d'allumage selon l'invention est adapté aux nouvelles applications 30 suralimentées générant de fortes pressions de chambre et nécessitant des tensions de claquage élevées au niveau des électrodes de la bougie 1, de l'ordre de -30 kilovolts à l'instant t2 dans l'exemple de la figure 3. Le procédé d'allumage selon l'invention permet également des fonctionnements sous environnement dilué ou pauvre nécessitant non seulement un rendement 35 énergétique élevé en phase de claquage, mais également une durée d'arc relativement longue. Cette longue durée d'arc permet également d'obtenir un fonctionnement robuste dans les applications IDE stratifiées. L'invention décrite précédemment favorise l'évolution de la flamme laminaire durant la phase de transition, facilitant ainsi les phases de démarrage et d'amorçage du catalyseur d'échappement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'allumage pour enflammer un mélange combustible-comburant dans un cylindre d'un moteur, caractérisé en ce qu'il comporte : - une phase de claquage pendant laquelle une décharge capacitive génère un courant dont l'intensité est élevée, le courant de décharge ionisisant rapidement le mélange et générant un premier arc dans le cylindre entre les électrodes d'une bougie (1) ; - une phase d'arc pendant laquelle l'arc est maintenu par une décharge capacitive dont le courant de décharge est asservi à la valeur du courant ionique de la bougie ; - une phase de transition pendant laquelle un deuxième arc de polarité inverse est généré par une décharge inductive à partir de l'énergie électrique stockée dans une bobine (7) durant la phase de claquage et durant la phase d'arc. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en phase de claquage, l'arc est interrompu à l'apparition d'une inflexion du courant au niveau d'une bobine primaire d'allumage (7). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en phase de claquage, la durée d'arc est ajustable à chaque inflammation grâce à une consigne logicielle envoyée par un calculateur d'allumage. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, en phase de claquage, la durée d'arc est de sensiblement 10 microsecondes. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en phase de claquage, le courant est ajustable à chaque inflammation grâce à une consigne logicielle envoyée par un calculateur d'allumage. 30 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en phase de claquage, le courant est ajusté de sensiblement 100 milliampères lorsque la pression est basse dans le cylindre jusqu'à sensiblement 600 milliampères lorsque la pression est élevée dans le cylindre.25 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant la phase d'arc, le courant de décharge est maintenu pendant une durée variant de sensiblement 100 microsecondes à sensiblement 600 microsecondes. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant la phase d'arc, le courant de décharge est maintenu à sensiblement 100 milliampères. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant la phase 1 o d'arc, le courant de décharge est asservi par découpage à haute fréquence. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant la phase d'arc, la durée de maintien du courant de décharge est réglable par une 15 consigne logicielle. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant la phase de transition, la durée du deuxième arc est de sensiblement 600 microsecondes. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'en cas d'incohérence entre le courant de décharge et la consigne logicielle durant la phase d'arc, le courant de décharge est fixé à une valeur donnée. 25 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'en cas d'incohérence entre le courant de décharge et la consigne logicielle durant la phase d'arc, un signal de diagnostic est envoyé à un calculateur de pilotage d'allumage. 20 30