Brevet FR2928240A1 — publié le 20090904

OPTIMISATION DE LA FREQUENCE D'EXCITATION D'UNE BOUGIE RADIOFREQUENCE La présente invention concerne, de façon générale, les bougies à plasma radiofréquence, destinées à équiper les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, pour une application à un allumage automobile. L'invention concerne plus particulièrement le fonctionnement de l'alimentation haute tension radiofréquence d'une telle bougie, basé sur le phénomène de résonance dans un circuit RLC, dont la fréquence de résonance est déterminée par des valeurs de paramètres intrinsèques de la bougie. La figure 1 illustre un dispositif de génération de plasma. Ce dispositif est muni d'un résonateur 30 de génération de plasma, représentant un premier sous-système de la bougie radiofréquence, et comprenant en série une résistance Ro, une inductance Lo et une capacité Co, dont les valeurs sont figées lors de la réalisation par la géométrie et la nature des matériaux utilisés, de manière à ce que le résonateur présente une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz. Le dispositif est également muni d'un module d'alimentation radiofréquence 20, appliquant un signal d'excitation U sous forme d'une tension à une fréquence de consigne Fc sur une interface de sortie à laquelle est connecté le résonateur 30 de génération de plasma. Un module de commande 10 fournit la fréquence de consigne Fc au module d'alimentation 20. En réalité, l'excitation d'une bougie radiofréquence n'est pas stationnaire, comme illustré à la figure 2. En effet, à l'instant t 0, le module de commande envoie une commande de génération de plasma (commande d'allumage) au module d'alimentation, adaptée à déclencher l'excitation du résonateur. La fréquence d'excitation est alors proche de la fréquence de résonance du résonateur. A la fin d'une période transitoire, à l'instant t d, la tension à la sortie du résonateur devient suffisamment haute pour qu'une étincelle se forme. Or, la formation de l'étincelle à la sortie du résonateur, se produisant sensiblement au moment t d de la commande de génération de plasma, représente un deuxième sous-système 40 de la bougie radiofréquence, dont les paramètres viennent modifier les conditions de résonance du système dans son entier. En effet, une étincelle dans un gaz, comme tout conducteur électrique, est caractérisée par une capacité Cd, modélisée à la figure 1 en sortie du résonateur radiofréquence 30. Ainsi, si sans étincelle, ce sont les seuls paramètres Ro, Lo et Co, propres au résonateur, qui déterminent la fréquence de résonance du système, ce n'est plus le cas lors de la formation d'une étincelle, les caractéristiques propres à cette dernière venant en effet modifier cette fréquence de résonance. Cette différence entre la fréquence de résonance effective du résonateur avec une étincelle formée et la fréquence d'excitation du résonateur fixée par le module d'alimentation et réglée pour un système sans étincelle, entraîne alors une dégradation du facteur de qualité du résonateur (ou facteur de surtension, définissant le rapport entre l'amplitude de sa tension de sortie et sa tension d'entrée). Ainsi, à titre d'exemple, dans un cas de figure où la fréquence de résonance, propre au résonateur sans étincelle de coefficient de qualité supérieur à 100, est supérieure à 1 MHz, lors de la production de l'étincelle, la fréquence de résonance du système diminue de plusieurs dizaines de kHz compte tenu de la capacité additionnelle liée à la présence de l'étincelle à la sortie du résonateur, ce qui est suffisant pour provoquer une chute du coefficient de qualité de l'ordre de 25% et donc, une baisse significative de l'efficacité de la bougie radiofréquence. Aussi, cette application à l'allumage automobile nécessite l'utilisation de résonateurs présentant un facteur de qualité élevé, dont la fréquence d'excitation reste toujours proche de la fréquence de résonance du système entier. Ainsi, il est important de maintenir un facteur de qualité maximal du résonateur bougie tout au long de son excitation, jusqu'à l'instant t ext (figure 2), où le module de commande envoie une commande d'arrêt de l'alimentation radiofréquence du résonateur. Il est connu de la demande de brevet FR2895169, déposée au nom de la demanderesse, des moyens permettant d'optimiser la fréquence d'excitation du résonateur. Ces moyens consistent à intégrer à l'alimentation radiofréquence du résonateur : une interface de réception d'une requête en détermination d'une fréquence d'excitation optimale, c'est-à-dire sensiblement égale à la fréquence de résonance du résonateur, - une interface de réception de signaux de mesures de paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion, tels que la température d'huile moteur, le couple moteur, le régime moteur, l'angle d'allumage, etc. - une interface de réception de signaux de mesure de paramètres de fonctionnement de l'alimentation radiofréquence, par exemple la tension à la sortie du résonateur, et - un module mémoire dans lequel sont stockées des relations entre les signaux de mesure de paramètres de fonctionnement du moteur, les signaux de mesure de paramètres de fonctionnement de l'alimentation radiofréquence et la fréquence optimale d'excitation du résonateur. Une telle réalisation est cependant assez complexe et, en conséquence, onéreuse à mettre en oeuvre. De plus, elle ne permet pas d'optimiser le régime d'alimentation radiofréquence en temps réel, dans la mesure où les mesures de paramètres de fonctionnement d'un moteur à combustion sont lentes et ne fournissent que des informations moyennes sur plusieurs cycles et tous les cylindres. En outre, la réception de cette requête est effectuée durant une phase d'optimisation de la fréquence d'excitation du résonateur au cours de laquelle l'alimentation radiofréquence est configurée pour appliquer sur son interface de sortie une tension à une fréquence de consigne, inapte à permettre la génération de plasma du résonateur. Autrement dit, un tel système permet de prérégler parfaitement l'alimentation à la fréquence de résonance propre à la bougie sans étincelle, mais en revanche, ne permet pas de tenir compte du déclenchement de l'étincelle, qui, comme on l'a vu, modifie les conditions de résonance au détriment de l'efficacité de la bougie. Cette solution implique donc de modifier la tension à la sortie du résonateur. En effet, lors de la réception d'une requête de détermination d'une fréquence d'excitation optimale, le module d'alimentation applique sur l'interface de sortie une tension qui ne permet pas au résonateur de générer un plasma. Puis, une fois cette fréquence optimale déterminée, le module d'alimentation applique sur son interface de sortie une tension à cette fréquence optimale, lors d'une phase de fonctionnement du dispositif de génération de plasma, durant laquelle un plasma doit être généré. Aussi, ce mode de réalisation nécessite l'implantation d'une sonde HT à la sortie du résonateur, ce qui pose un sérieux problème technique dans le cas d'une bougie automobile. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention propose ainsi dispositif de génération de plasma radiofréquence, comprenant un module d'alimentation appliquant sur une interface de sortie un signal d'excitation à une fréquence de consigne, adapté à permettre la formation d'une étincelle en sortie d'un résonateur de génération de plasma connecté à l'interface de sortie du module d'alimentation, et un module de commande, fournissant la fréquence de consigne au module d'alimentation lors d'une commande de génération de plasma radiofréquence, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le module de commande comprend des moyens de détermination d'une fréquence d'excitation optimale, propres à adapter la fréquence de consigne aux conditions de résonance du dispositif après formation de l'étincelle. Selon un mode de réalisation, les moyens de détermination sont adaptés à fixer la fréquence de consigne à une valeur inférieure à la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. De préférence, l'écart entre ladite valeur fixée et la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle est situé dans une plage comprise entre 0 et 100 kHz. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de détermination sont adaptés à moduler la fréquence de consigne pendant la durée de la commande de génération de plasma. Par exemple, les moyens de détermination sont adaptés à fixer successivement la fréquence de consigne à une première valeur de l'ordre de grandeur de la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle, au moment du déclenchement de la commande de génération de plasma et à une seconde valeur diminuée d'un pas de fréquence prédéterminée par rapport à ladite première valeur, sensiblement au moment de la formation de l'étincelle. Selon une variante, les moyens de détermination sont adaptés à commander une diminution de la fréquence de consigne depuis une première valeur fixée, selon un pas de fréquence réglable en temps réel, à partir du moment de la formation de l'étincelle. Avantageusement, la première valeur fixée est de l'ordre de grandeur de la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. Avantageusement, le dispositif comprend un module 30 de mesure électrique de l'alimentation du résonateur connecté au module de commande, les moyens de détermination déterminant la valeur du pas de fréquence en fonction de mesures électriques reçues. De préférence, le module de mesure électrique de l'alimentation du résonateur est adapté à mesure l'amplitude relative du courant à l'entrée du résonateur. L'invention concerne également un système d'allumage d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de génération de plasma tel qu'il vient d'être décrit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de génération de plasma radiofréquence connu ; - la figure 2 illustre la réponse en courant du résonateur de génération de plasma en fonction du temps lors d'une commande de génération de plasma ; - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de génération de plasma selon l'invention. L'invention propose d'adapter en temps réel la fréquence du signal d'excitation fourni par le module d'alimentation au résonateur radiofréquence pendant une commande de génération de plasma, afin de maintenir le facteur de qualité maximal du résonateur, y compris après le déclenchement de l'étincelle. Pour ce faire, le module de commande du dispositif de génération de plasma selon l'invention intègre des moyens de détermination d'une fréquence d'excitation optimale, propres à adapter la fréquence de consigne Fc aux conditions de résonance du dispositif après formation de l'étincelle. Selon un premier mode de réalisation, afin de maintenir le facteur de qualité maximal après le déclenchement de l'étincelle, la fréquence de consigne est fixée à une valeur inférieure à la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. On choisit donc, selon ce mode de réalisation, de régler préalablement le module d'alimentation radiofréquence du résonateur à une fréquence plus faible que la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle pour exciter ce dernier. Sachant que lors de la formation de l'étincelle, la fréquence propre du dispositif dans son ensemble diminue typiquement de plusieurs dizaines de kHz, le module de commande fixe par exemple la fréquence de consigne à une valeur située dans une plage comprise entre 0 et 100 kHz sous la fréquence de résonance propre au résonateur sans étincelle. Ainsi, une fois que l'étincelle est formée, le dispositif se trouve naturellement dans les conditions optimales de fonctionnement tenant compte de la formation de l'étincelle et le facteur de qualité atteint son maximum. Il s'agit là cependant d'une solution passive, qui 25 ne nécessite aucun moyen de mesure supplémentaire, ni dispositif de contrôle spécifique à intégrer. En revanche, compte tenu la variation aléatoire des paramètres de l'étincelle réelle, qui influent directement sur les conditions de résonance du dispositif 30 après formation de l'étincelle, cette solution ne garantit pas une optimisation parfaite de la fréquence de résonance du dispositif. Aussi, un autre mode de réalisation consiste non pas à fixer une fois pour toute la fréquence de consigne préalablement à l'envoi de la commande de génération de plasma à une valeur optimisée pour tenir compte des conditions de résonance après formation de l'étincelle comme il vient d'être vu, mais au contraire, à moduler la fréquence de consigne pendant la durée de la commande de génération de plasma. Selon ce mode de réalisation, on prévoit de commander le module d'alimentation, de manière à ce qu'il envoie un train d'excitation au résonateur radiofréquence dont la fréquence est prévue pour diminuer automatiquement avec le temps selon un pas de fréquence préalablement fixé. Plus précisément, les moyens de détermination du module de commande sont adaptés à fixer successivement la fréquence de consigne Fc à une première valeur de l'ordre de grandeur de la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle, au moment t 0 du déclenchement de la commande de génération de plasma, et à une seconde valeur diminuée du pas de fréquence prédéterminée par rapport à cette première valeur, sensiblement au moment t d de la formation de l'étincelle. On diminue par exemple la fréquence de consigne d'une valeur de 50 kHz par rapport à une valeur initiale correspondant à la valeur de la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle, à l'instant t d de la commande de génération de plasma. Ainsi, on passe d'un système parfaitement accordé lors du déclenchement de la commande de génération de plasma, à un système "pas tout à fait" désaccordé au moment de la formation de l'étincelle, dans la mesure où on provoque une diminution de la fréquence d'excitation permettant de tenir compte de la formation de l'étincelle pour adapter la commande du résonateur aux nouvelles conditions de résonance, sans toutefois que cette diminution, dont la valeur est préalablement fixée, soit mise en corrélation avec les paramètres de l'étincelle réelle. Aussi, une variante prévoit d'optimiser en temps réel l'adaptation de la fréquence d'excitation pendant la commande de génération de plasma, compte tenu de la variation aléatoire des paramètres de l'étincelle réelle. Plus précisément, les moyens de détermination du module de commande sont alors adaptés à commander la diminution de la fréquence de consigne au moment de la formation de l'étincelle, selon un pas de fréquence non plus préalablement fixé, mais au contraire réglable en temps réel en fonction des paramètres de l'étincelle réelle. Pour ce faire, le dispositif selon l'invention comprend, en référence à la figure 3, un module 50 de mesure électrique de l'alimentation du résonateur, connecté au module de commande 10. Ainsi, pour une fréquence de consigne fournie, à la fin de la période transitoire t d, le module de commande relève une mesure électrique représentative de la formation de l'étincelle (par l'intermédiaire d'une interface de réception non représentée) et détermine alors une fréquence d'excitation optimale en fonction de ces mesures électriques, adaptée aux conditions de résonance courantes avec une étincelle formée. Les mesures électriques permettent par exemple de déterminer le pas de fréquence réglable dont il convient de diminuer la fréquence de consigne utilisée comme fréquence de commande pour le module d'alimentation pour optimiser en temps réel le système résonant dans son entier. Le module de mesure électrique de l'alimentation du résonateur est par exemple adapté à mesurer l'amplitude relative du courant à l'entrée du résonateur. Ainsi, à chaque alternance, on vérifie l'amplitude du courant à l'entrée du résonateur et on la compare avec l'amplitude de l'alternance précédente. Si, à la fin de la phase transitoire t d où se forme l'étincelle, on constate une chute du courant (due à la formation de l'étincelle), on diminue alors la fréquence de consigne fournie au module d'alimentation d'un pas de fréquence déterminée en temps réel en fonction de la chute de courant mesurée, de manière que l'alimentation radiofréquence du résonateur s'adapte en temps réel aux conditions de résonance courantes du dispositif dans son entier. Plusieurs algorithmes mathématiques d'optimisation des systèmes résonants existent et peuvent être utilisés 20 à cet effet. Le dispositif selon l'invention permet donc de maintenir le facteur de qualité maximale de la bougie radiofréquence, quel que soit le régime de son fonctionnement. La solution proposée est facile à 25 réaliser, peu coûteuse et permet de contrôler les alimentations des bougies radiofréquence en temps réel et cylindre par cylindre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de génération de plasma radiofréquence, comprenant un module d'alimentation (20) appliquant sur une interface de sortie un signal d'excitation (U) à une fréquence de consigne (Fc), adapté à permettre la formation d'une étincelle (40) en sortie d'un résonateur (30) de génération de plasma connecté à l'interface de sortie du module d'alimentation, et un module de commande (10), fournissant la fréquence de consigne au module d'alimentation lors d'une commande de génération de plasma radiofréquence, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le module de commande comprend des moyens de détermination d'une fréquence d'excitation optimale, propres à adapter la fréquence de consigne (Fc) aux conditions de résonance du dispositif après formation de l'étincelle. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination sont adaptés à fixer la fréquence de consigne (Fc) à une valeur inférieure à la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écart entre ladite valeur fixée et la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle est situé dans une plage comprise entre 0 et 100 kHz. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination sont adaptés à moduler la fréquence de consigne pendant la durée de la commande de génération de plasma. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de détermination sontadaptés à fixer successivement la fréquence de consigne (Fc) à une première valeur de l'ordre de grandeur de la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle, au moment (t 0) du déclenchement de la commande de génération de plasma et à une seconde valeur diminuée d'un pas de fréquence prédéterminée par rapport à ladite première valeur, sensiblement au moment (t d) de la formation de l'étincelle. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de détermination sont adaptés à commander une diminution de la fréquence de consigne depuis une première valeur fixée, selon un pas de fréquence réglable en temps réel, à partir du moment (t d) de la formation de l'étincelle. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première valeur fixée est de l'ordre de grandeur de la fréquence de résonance du résonateur sans étincelle. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un module (50) de mesure électrique de l'alimentation du résonateur connecté au module de commande, les moyens de détermination déterminant la valeur du pas de fréquence en fonction de mesures électriques reçues. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le module de mesure électrique de l'alimentation du résonateur est adapté à mesurer l'amplitude relative du courant à l'entrée du résonateur. 10. Système d'allumage d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de génération de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.