Brevet FR2923272A1 — publié le 20090508

DISPOSITIF DE MESURE DU COURANT D'IONISATION DANS UN SYSTEME D'ALLUMAGE RADIOFREQUENCE POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un dispositif de mesure dans un système d'allumage radiofréquence commandé électroniquement d'un moteur à combustion interne, adapté à réaliser la mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur lors de la combustion. La mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur s'effectue typiquement après la fin de l'allumage et trouve des applications particulièrement avantageuses, par exemple pour la détection de l'angle vilebrequin correspondant au pic de pression de la chambre de combustion, du cliquetis ou encore pour l'identification des ratés d'allumage. Il est connu des circuits de mesure du courant d'ionisation pour un système d'allumage classique, dont le fonctionnement consiste à polariser le mélange de la chambre à combustion après la génération de l'étincelle entre les électrodes de la bougie d'allumage, afin de mesurer le courant résultant de la propagation de l'étincelle. De tels circuits sont classiquement disposés au 25 pied du secondaire d'une bobine d'allumage connectée à la bougie d'allumage. Ces circuits nécessitent cependant d'être dédiés aux caractéristiques de l'allumage classique et ne sont donc pas adaptables en tant que tels aux systèmes 30 d'allumage à génération de plasma, mettant en oeuvre des bougies d'allumage de type bobines-bougies radiofréquence, comme décrits en détail dans les demandes de brevet suivantes déposées au nom de la demanderesse FR 03-10766, FR 03-10767 et FR 03-10768. Les spécificités de l'allumage radiofréquence engendrent plusieurs contraintes pour mesurer le courant d'ionisation. En effet, la mesure du courant d'ionisation s'effectue après la fin de l'allumage. Son amplitude dépend de la tension continue ou � tension de polarisation � appliquée entre l'électrode haute-tension de la bougie et la masse moteur. La tension de polarisation batterie et montre que d'ionisation a mA selon les (température, pression, composition du mélange...). Or, le signal de commande d'allumage induit des courants importants qui ont un écart d'amplitude de près de 120 dB avec le courant d'ionisation que l'on cherche à mesurer. Le circuit de mesure subit donc un temps d'éblouissement pendant lequel il ne peut effectuer l'acquisition d'un faible courant. En outre, ce type d'allumage permet de développer 2 types de décharge (une étincelle multi-filamentaires ou un arc mono-filamentaire), qui ont une influence différente sur le système de mesure. Il existe donc une difficulté à garantir une indépendance de la mesure du courant d'ionisation par rapport au type de décharge généré. La présente invention vise donc à résoudre au moins en partie ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure du courant d'ionisation adapté à un système d'allumage radiofréquence. est typiquement comprise entre la tension plusieurs centaines de volts. L'expérience le signal représentatif du courant une amplitude comprise entre 0,1 pA et 1 conditions de la chambre de combustion Avec cet objectif en vue l'invention concerne donc un dispositif d'allumage radiofréquence d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend : un circuit d'alimentation, comprenant un transformateur dont un enroulement secondaire est connecté à au moins un résonateur présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz et comprenant deux électrodes aptes à générer une étincelle pour initier la combustion dans un cylindre du moteur lors d'une commande d'allumage, - un condensateur de mesure, connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, et - un circuit de mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans le cylindre, connecté audit condensateur de mesure, ledit circuit de mesure comprenant un générateur de tension à faible impédance d'entrée, apte à fournir une tension de polarisation du condensateur de mesure pour générer le courant d'ionisation, des premiers moyens d'amplification du courant d'ionisation et des moyens de mesure d'une tension représentative du courant d'ionisation amplifié, connectés en sortie des premiers moyens d'amplification. Avantageusement, le condensateur de mesure est connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, au niveau d'un fil de retour à la masse du transformateur et du résonateur. Selon un mode de réalisation, le circuit de mesure comprend un transistor monté en base commune, dont une première électrode est connectée à une borne du condensateur de mesure et dont une deuxième électrode est connectée à la tension de polarisation par l'intermédiaire des premiers moyens d'amplification. Selon encore un mode de réalisation, la première électrode du transistor monté en base commune est connectée en outre à une résistance d'entrée du circuit de mesure. Avantageusement, les moyens de mesure de la tension représentative du courant d'ionisation amplifié sont connectés en outre à la résistance d'entrée par l'intermédiaire de seconds moyens d'amplification, aptes à amplifier le courant circulant dans la résistance d'entrée et présentant un gain d'amplification identique aux premiers moyens d'amplification. Selon un mode de réalisation, les moyens d'amplification comprennent un miroir de courant. Selon un mode de réalisation, les moyens de mesure de la tension représentative du courant d'ionisation amplifié comprennent une résistance de mesure. Selon encore un mode de réalisation, un enroulement primaire du transformateur est connecté d'un côté à une tension d'alimentation et de l'autre côté au drain d'au moins un transistor interrupteur commandé par un signal de commande, le transistor interrupteur appliquant la tension d'alimentation aux bornes de l'enroulement primaire à une fréquence définie par le signal de commande. De préférence, le transformateur comprend un rapport de transformation variable. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est un schéma d'un résonateur modélisant une bobine-bougie radiofréquence de génération de plasma, - la figure 2 est un schéma illustrant un circuit d'alimentation selon l'état de la technique, permettant d'appliquer une tension alternative dans la gamme des radiofréquences aux bornes de la bobine bougie modélisée à la figure 1, - la figure 3 est un schéma illustrant une variante du circuit de la figure 2, - la figure 4 est un schéma illustrant un circuit d'alimentation adapté selon l'invention à la mesure du 15 courant d'ionisation, et - la figure 5 illustre un mode de réalisation du circuit de mesure du courant d'ionisation. La bobine- bougie mise en oeuvre dans le cadre de l'allumage radiofréquence commandé est équivalente 20 électriquement à un résonateur 1 (voir figure 1), dont la fréquence de résonance F, est supérieure à 1 MHz, et typiquement voisine de 5 MHz. Le résonateur comprend en série une résistance Rs, une bobine d'inductance Ls et une capacité notée Cs. Des électrodes d'allumage 11 et 12 25 de la bobine-bougie sont connectées aux bornes de la capacité Cs du résonateur, permettant de générer des décharges multi-filamentaires pour initier la combustion du mélange dans les chambres de combustion du moteur, lorsque le résonateur est alimenté à sa fréquence de 30 résonance. En effet, lorsque le résonateur est alimenté par une haute tension à sa fréquence de résonance F, (1/ (2nVLs*Cs )) , l'amplitude aux bornes de la capacité Cs est amplifiée de telle sorte que des décharges multifilamentaires se développent entre les électrodes, sur des distances de l'ordre du centimètre, à forte pression et pour des tensions de crête inférieures à 20 kV. On parle alors d'étincelles ramifiées, dans la mesure où elles impliquent la génération simultanée d'au moins plusieurs lignes ou chemin d'ionisation dans un volume donné, leurs ramifications étant en outre omnidirectionnelles. Cette application à l'allumage radiofréquence nécessite alors l'utilisation d'un circuit d'alimentation, capable de générer des impulsions de tension, typiquement de l'ordre de 100 ns, pouvant atteindre des amplitudes de l'ordre de 1 kV, à une fréquence très proche de la fréquence de résonance du résonateur de génération de plasma de la bobine-bougie radiofréquence. La figure 2 illustre schématiquement un tel circuit d'alimentation 2, détaillée par ailleurs dans la demande de brevet FR 03-10767. Le circuit d'alimentation de la bobine-bougie radiofréquence met classiquement en oeuvre un montage dit � amplificateur de puissance pseudo Classe E �. Ce montage permet de créer les impulsions de tension avec les caractéristiques précitées. Ce montage se compose d'une alimentation continue intermédiaire Vinter pouvant varier de 0 à 250V, d'un transistor MOSFET de puissance M et d'un circuit résonant parallèle 4, comprenant une bobine Lp en parallèle avec un condensateur Cp, de fréquence de résonance voisine de 5 MHz également. Le transistor M est utilisé comme interrupteur pour commander les commutations aux bornes du circuit résonant parallèle et du résonateur 1 de génération de plasma destiné à être connecté sur une interface de sortie OUT du circuit d'alimentation. Le transistor M est piloté sur sa grille par un signal logique de commande V1, fourni par un étage de commande 3, à une fréquence qui doit être sensiblement calée sur la fréquence de résonance du résonateur 1. La tension d'alimentation continue intermédiaire Vinter, pouvant varier entre 0 et 250 V, peut avantageusement être fournie par une alimentation haute tension, typiquement un convertisseur DC/DC. Ainsi, à proximité de sa fréquence de résonance, le résonateur parallèle 4 transforme la tension d'alimentation continue Vinter en une tension périodique amplifiée, correspondant à la tension d'alimentation multipliée par le coefficient de surtension du résonateur parallèle et appliquée sur une interface de sortie du circuit d'alimentation au niveau du drain du transistor interrupteur M. Le transistor interrupteur M applique alors la tension d'alimentation amplifiée sur la sortie de l'alimentation, à la fréquence définie par le signal de commande V1, que l'on cherche à rendre la plus proche possible de la fréquence de résonance de la bobine- bougie, de manière à générer la haute-tension aux bornes des électrodes de la bobine-bougie nécessaire au développement et à l'entretien de la décharge multifilamentaire. Le transistor commute ainsi de forts courants 30 (Ierête 20A) à une fréquence de 5 MHZ environ, et avec une tension drain-source pouvant atteindre 1kV. Le choix du transistor est donc critique et nécessite un compromis entre tension et courant. Aussi, selon la mode de réalisation illustrée à la figure 3, on propose de remplacer la bobine parallèle Lp par un transformateur T, présentant un rapport de transformation variable, par exemple compris entre 1 et 5, et d'adapter le rapport de transformation de manière à réduire la tension drain-source du transistor interrupteur M. L'enroulement primaire LM du transformateur est relié, d'un côté à la tension d'alimentation Vinter et de l'autre côté, au drain du transistor interrupteur M, commandant l'application de la tension d'alimentation Vinter aux bornes de l'enroulement primaire à la fréquence définie par le signal de commande V1. L'enroulement secondaire LN du transformateur, dont un côté est relié à la masse par un fil de retour à la masse 6, est quant à lui prévu pour être connecté à la bobine-bougie. De cette manière, le résonateur 1 de la bobine-bougie, connectée aux bornes de l'enroulement secondaire par des fils de liaison 5 et 6, dont le fil de retour à la masse 6, est donc alimenté par le secondaire du transformateur, comme illustré à la figure 4. L'adaptation du rapport de transformation permet alors de réduire la tension drain-source du transistor. La diminution de la tension au primaire induit cependant une augmentation du courant traversant le transistor. Il est alors possible de compenser cette contrainte en plaçant par exemple deux transistors en parallèle commandés par le même étage de commande 3. Lors de l'allumage, il est indispensable que l'étincelle ramifiée se développe en volume afin de garantir une combustion et un fonctionnement du moteur optimal. La réalisation de la mesure du courant d'ionisation nécessite donc d'utiliser un composant qui ne dégrade pas le rendement énergétique de l'allumage. La solution retenue à cet effet consiste à connecter un condensateur de mesure CMES en série entre l'enroulement secondaire du transformateur T et le résonateur 1, sur le fil de retour à la masse 6. Le condensateur de mesure est ainsi avantageusement placé dans le circuit à un endroit où les différences de potentiel par rapport à la masse sont le plus faibles possibles. Un condensateur de capacité réduite, typiquement une dizaine de nanofarad, permet de ne pas perturber le système d'allumage tout en ayant la possibilité d'effectuer des mesures basse fréquence du courant d'ionisation. Ainsi, l'intérêt principal du choix de ce composant de mesure par rapport à d'autres composants passifs réside dans son comportement en radiofréquence. En effet, en hautes fréquences, l'homme de l'art sait que le circuit équivalent haute fréquence d'un condensateur est constitué par un résonateur série. Or, un résonateur a une impédance qui évolue selon la fréquence du signal appliqué à son entrée, et est minimale à la fréquence de résonance du resonateur. Cette caractéristique de l'évolution de l'impédance d'un résonateur en fonction de la fréquence permet alors au condensateur de présenter une très faible impédance au voisinage de la fréquence de résonance de l'allumage et une impédance élevée dans la bande de fréquences utilisée pour le signal d'ionisation (FION Où : RIN est la résistance placée en entrée du circuit de mesure, 25 Rbe indique la résistance intrinsèque du transistor TB, et R correspond au gain du transistor TB. Typiquement, en choisissant : RIN = 8k52, Rbe = 1kS2 et R = 100, on obtient ZB 1052. 30 Le courant de sortie Is du montage 12, représentatif du courant d'ionisation IION, est mesuré par ZEùRN/ l'intermédiaire de la résistance de sortie RS du circuit de mesure, qui, comme on le verra plus en détail par la suite, est en effet traversée par un courant lui conférant une tension VS à ses bornes, dont la mesure fournira alors une image en tension du courant d'ionisation. Ce courant IS est sensiblement égal à la différence de courant entre le courant le entrant dans le transistor TB et le courant IP circulant dans la résistance d'entrée du circuit RIN. Or, l'amplitude du courant d'ionisation que l'on cherche à mesurer étant faible et majoritairement inférieure à 1mA, le circuit de mesure comprend avantageusement des moyens d'amplification en courant. A cette fin, le circuit de mesure comprend un premier miroir de courant MI, connecté entre la source de tension de polarisation VPOLAR et l'entrée du transistor TB, et présentant un gain d'amplification Gm=RA/RB, défini par les valeurs des résistances RA et RB présentes respectivement dans chaque branche du miroir de courant MI. Le miroir de courant M1 permet donc d'effectuer une amplification en courant du signal I, entrant dans le transistor TB, pour recopier ce signal amplifié à destination de la résistance RS, connectée en sortie du miroir de courant MI. Comme on l'a vu, le courant I~ est la somme du courant d'ionisation IION et du courant IR circulant dans la résistance d'entré RIN. Aussi, afin de mesurer une tension VS aux bornes de RS qui soit représentative du seul courant d'ionisation, il est nécessaire de soustraire la composante inutile correspondant au courant circulant dans la résistance d'entrée RIN, du signal amplifié obtenu en sortie du miroir de courant MI. Pour ce faire, le circuit de mesure comprend un second miroir de courant M2, connecté entre la résistance d'entrée RIN du circuit et la masse, et présentant un gain d'amplification Gm identique au premier miroir de courant MI, défini par les valeurs des résistances R'A et R'B présentes respectivement dans chaque branche du miroir de courant M2. La résistance de sortie RS, connectée en sortie des seconds moyens d'amplification M2, est donc traversée par la différence de courant le-IR, sensiblement égale au courant d'ionisation IION, amplifiée du rapport Gm=RA/RB=R'A/R'B. Autrement dit, la résistance de sortie RS est traversée par une image amplifiée du courant d'ionisation, de sorte à obtenir la tension de sortie VS à ses bornes suivant la relation : VS = Gm x RS x IION Où : Gm est le gain du miroir de courant, RS est la résistance de sortie, et LION correspond au courant d'ionisation. Dans le but d'obtenir un courant d'ionisation important, le circuit doit être polarisé avec une tension continue la plus élevée possible, limitée cependant par les tensions et courants maximaux supportés par les transistors du circuit. Aussi, la tension maximale acceptée par les transistors du circuit de mesure détermine la tension de polarisation du montage. De même, le courant d'entrée doit rester suffisamment faible pour garantir un fonctionnement en mode linéaire. Cette contrainte conditionne le gain appliqué aux miroirs de courant. Ainsi, en cas de court-circuit sur l'entrée (sur les bornes du condensateur de mesure), le courant augmente dans la résistance RA du miroir de courant M. Par amplification le courant dans la résistance RB s'accroît. Pour protéger le circuit, on peut ajouter une diode D2 du collecteur vers la base du second transistor du miroir de courant M. On observe en outre que la tension aux bornes du condensateur de mesure est également fonction du type d'étincelle générée. Une étincelle monofilamentaire entre l'électrode de la bougie et un plan de masse entraîne une brusque augmentation du courant circulant dans le condensateur de mesure et, en conséquence, une forte variation de la tension à ses bornes, potentiellement dommageable pour le circuit de mesure. Le circuit de mesure peut donc prévoir une diode de protection Dlr permettant de transférer l'excédant d'énergie dans un condensateur tampon CT et d'assurer que la tension aux bornes du condensateur de mesure n'excède pas la tension de polarisation VPOLAR. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage radiofréquence d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend : un circuit d'alimentation (2), comprenant un transformateur (T) dont un enroulement secondaire (LN) est connecté à au moins un résonateur (1) présentant une fréquence de résonance supérieure à 1 MHz et comprenant deux électrodes (11, 12) aptes à générer une étincelle pour initier la combustion dans un cylindre du moteur lors d'une commande d'allumage, - un condensateur de mesure (CMES), connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, et - un circuit de mesure (10) du courant d'ionisation (110N) des gaz en combustion dans le cylindre, connecté audit condensateur de mesure, ledit circuit de mesure comprenant un générateur de tension à faible impédance d'entrée, apte à fournir une tension de polarisation (VPOLAR) du condensateur de mesure pour générer le courant d'ionisation, des premiers moyens d'amplification (MI, RA, RE) du courant d'ionisation et des moyens de mesure (RS) d'une tension (VS) représentative du courant d'ionisation amplifié, connectés en sortie des premiers moyens d'amplification. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur de mesure (CMES) est connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, au niveau d'un fil de retour à la masse (6) du transformateur et du résonateur. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de mesure comprend un transistor (TB) monté en base commune, dont une première électrode est connectée à une borne du condensateur de mesure et dont une deuxième électrode est connectée à la tension de polarisation (VPOLAR) par l'intermédiaire des premiers moyens d'amplification. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première électrode du transistor monté en base commune est connectée en outre à une résistance d'entrée (RIN) du circuit de mesure. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la tension représentative du courant d'ionisation amplifié sont connectés en outre à la résistance d'entrée par l'intermédiaire de seconds moyens d'amplification (M2, R'A, R'B), aptes à amplifier le courant circulant dans la résistance d'entrée et présentant un gain d'amplification identique aux premiers moyens d'amplification. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'amplification comprennent un miroir de courant. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de mesure de la tension représentative du courant d'ionisation amplifié comprennent une résistance de mesure (Rs). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un enroulement primaire du transformateur est connecté d'un côté à une tension d'alimentation (Vinter) et de l'autre côté au drain d'au moins un transistor interrupteur (M)commandé par un signal de commande (V1), le transistor interrupteur appliquant la tension d'alimentation aux bornes de l'enroulement primaire à une fréquence définie par le signal de commande. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur comprend un rapport de transformation variable.