Brevet FR2935759A1 — publié le 20100312

DISPOSITIF DE MESURE DU COURANT D'IONISATION DANS UN SYSTEME D'ALLUMAGE RADIOFREQUENCE POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne le domaine de l'allumage radiofréquence résonant d'un moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un dispositif adapté à réaliser la mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur. La mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur s'effectue typiquement après la fin de l'allumage et est ensuite utilisée pour effectuer des diagnostics sur le déroulement de la combustion, par exemple pour la détection de l'angle correspondant au maximum de pression de la chambre de combustion, du cliquetis ou encore pour l'identification des ratés de combustion. 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 air/carburant présent dans 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 la flamme. Ces circuits nécessitent cependant d'être dédiés aux caractéristiques de l'allumage classique et ne sont pas adaptables en tant que tels aux systèmes d'allumage à génération de plasma, mettant en oeuvre des bougies d'allumage de type bobines-bougies radiofréquence (BME), 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. 2 En effet, les spécificités de l'allumage radiofréquence engendrent plusieurs contraintes pour mesurer le courant issu de la combustion. Tout d'abord, le signal de commande d'allumage induit des courants importants qui ont un écart d'amplitude de plus de 120 dB avec le courant d'ionisation dû à la combustion du mélange combustible. La mesure de ce courant s'effectuant après la fin de l'allumage, on subit donc un temps d'éblouissement, pendant lequel le circuit de mesure ne peut effectuer l'acquisition d'un faible courant. En outre, le circuit de mesure s'insérant dans le système d'allumage, il est important de ne pas réduire significativement le rendement du système d'allumage. Enfin, ce type d'allumage radiofréquence permet de développer deux types de décharges, parmi une étincelle multi-filamentaires et un arc mono-filamentaire, qui influencent différemment le système d'allumage. 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 proposer un dispositif de mesure du courant d'ionisation dans un système d'allumage radiofréquence, adapté à répondre aux contraintes précitées, notamment en permettant de réduire au maximum la période de masquage de la mesure et garantissant une indépendance de la mesure par rapport au type de décharge généré. Avec cet objectif en vue l'invention concerne donc un dispositif d'allumage radiofréquence d'un moteur à combustion interne composé d'un circuit d'alimentation comprenant un transformateur dont un enroulement 3 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 d'un mélange combustible dans un cylindre du moteur en réponse à une commande d'allumage, caractérisé en ce qu'il comprend : - un condensateur de mesure connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, - un circuit de mesure d'un courant aux bornes dudit condensateur de mesure, ledit courant fournissant une image électrique de l'évolution de la combustion, un circuit de protection, connecté entre le condensateur de mesure et le circuit de mesure, adapté à affranchir le temps d'acquisition de la mesure dudit courant des effets électriques induits par la commande d'allumage. Selon un mode de réalisation, 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. Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement des moyens de polarisation du mélange combustible, adaptés à appliquer une tension de polarisation entre une électrode du résonateur et une masse moteur. Selon un mode de réalisation, le circuit de protection comprend un pont de diodes polarisé par des résistances à une tension d'alimentation proportionnelle à la tension de polarisation. 4 De préférence, le circuit de mesure comprend un convertisseur courant-tension réalisé à l'aide d'un amplificateur opérationnel. Selon un mode de réalisation, l'amplificateur opérationnel possède une entrée non inverseuse reliée à la tension de polarisation et une entrée inverseuse reliée à une borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire du circuit de protection. Avantageusement, le convertisseur courant-tension comprend une résistance de contre-réaction et une capacité de contre-réaction connectée en parallèle de la résistance de contre-réaction. De préférence, l'impédance d'entrée du convertisseur courant-tension est au moins cent fois plus faible que l'impédance du condensateur de mesure. Selon un mode de réalisation, un enroulement primaire du transformateur est connecté d'un côté à une tension d'alimentation intermédiaire 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 25 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 30 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 5 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 10 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 courant d'ionisation et de la tension aux bornes des électrodes de la bougie lors d'une commande d'allumage, 15 et la figure 5 illustre un mode de réalisation du circuit de mesure du courant d'ionisation. la figure 5bis illustre une première variante du mode de réalisation de la figure 5, et 20 la figure 5ter illustre une seconde variante du mode de réalisation de la figure 5. La bobine-bougie mise en oeuvre dans le cadre de l'allumage radiofréquence commandé est équivalente électriquement à un résonateur 1 (voir figure 1), dont la 25 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 de la bobine-bougie sont connectées aux bornes de la 30 capacité Cs du résonateur, permettant de générer des décharges multi-filamentaires pour initier la combustion 6 du mélange dans les chambres de combustion du moteur, lorsque le résonateur est alimenté. 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 crêtes 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. 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 7 condensateur Cp. 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 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 intermédiaire 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 multi- filamentaire. 8 Le transistor commute ainsi de forts courants à une fréquence de 5 MHZ environ et avec une tension drain-source pouvant atteindre 1kV. Selon une variante illustrée à la figure 3, la bobine parallèle Lp est alors remplacée par un transformateur T, présentant un rapport de transformation compris entre 1 et 5. L'enroulement primaire LM du transformateur est relié, d'un côté à la tension d'alimentation intermédiaire Vinter et de l'autre côté, au drain du transistor interrupteur M, commandant l'application de la tension d'alimentation intermédiaire 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. 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. Pour la présente application, la présence de la 9 combustion est symbolisée par une résistance variable RION entre les bornes du condensateur CS. Le signal d'ionisation, représentatif de l'évolution de la combustion, a une amplitude comprise entre O.lpA et 1mA selon les conditions de la chambre de combustion (température, pression, composition du mélange, etc.). On cherche donc à mesurer un signal ayant un rapport d'amplitude pouvant atteindre 120 dB par rapport au signal d'allumage. Le signal d'ionisation est un signal basse fréquence et un échantillonnage à 100kHz permet d'extraire la totalité de l'information utile. Dans le cas de l'allumage radiofréquence, le résonateur de génération de plasma RsLsCs est piloté à une fréquence supérieure à 1 MHZ et typiquement comprise entre 4MHz et 6MHz. On bénéficie donc d'un écart de fréquence de près de deux décades, qui peut alors être utilisé pour compenser les différences de niveaux d'amplitude. La réalisation de la mesure du courant d'ionisation nécessite d'utiliser un composant qui ne dégrade pas le rendement énergétique de l'allumage. La solution retenue à cet effet consiste, en référence à la figure 4, 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 d'une dizaine de nanofarad, permet de ne pas perturber le système 10 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 résonateur. 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 Le courant d'ionisation IION, représentatif de la combustion, est en effet un signal mesuré après la fin de l'allumage, c'est-à-dire après la formation de 11 l'étincelle. Son amplitude dépend donc, entre autres, de la tension de polarisation appliquée entre l'électrode de la bobine-bougie et la masse moteur. La tension de polarisation est unipolaire et typiquement comprise entre 1V et 100V. On parlera de polarisation positive lorsque l'électrode haute tension de la bougie est polarisée à un potentiel supérieur à celui de la masse moteur. Cependant, il est possible de polariser le mélange combustible négativement. Le potentiel de l'électrode centrale de la bougie est alors inférieur à celui de la masse moteur. La tension de polarisation est dans ce cas typiquement comprise entre -100V et -1V. Un circuit de mesure 40 du courant d'ionisation IION aux bornes du condensateur CMES, fournissant une image électrique de l'évolution de la combustion est décrit à la figure 5. En référence à cette figure, le circuit de mesure 40 est réalisé sous la forme d'un convertisseur courant-tension, adapté à fournir une tension VS en sortie proportionnelle au courant en entrée. Le convertisseur comprend un amplificateur opérationnel MN1 et une résistance de contre réaction RR. L'amplificateur opérationnel MN1 possède une entrée non inverseuse (+) reliée à la tension de polarisation Vpolar et une entrée inverseuse (-) reliée à une borne du condensateur CMES par l'intermédiaire d'un circuit de protection 30, adapté à affranchir le temps d'acquisition de la mesure des effets de la formation de l'étincelle et sur lequel nous reviendrons plus en détail par la suite. La résistance RR est montée entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur opérationnel MN1. 12 En variante, comme illustré à la figure 5bis, dans le cas où le mélange combustible est polarisé négativement, l'entrée non inverseuse (+) est reliée à la tension de polarisation négative Vpolar et l'entrée inverseuse (-) reliée à la borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire du circuit de protection 30, tandis que la résistance RR est connectée entre l'entrée inverseuse (-) et la sortie de l'amplificateur opérationnel MN1. Selon une autre variante illustrée à la figure 5ter, il est également possible de choisir une polarisation quelconque du mélange combustible avec une tension de polarisation Vpolar respectant : VEE 0 Un tel montage courant/tension est apte à mesurer avec précision de très faibles courants. L'entrée de l'amplificateur opérationnel est équivalente à une inductance de valeur Le. Ceci entraîne l'apparition d'oscillations pseudopériodiques de fréquence FOSe supérieure à 100kHz après la fin de l'allumage, dues au circuit formé par l'impédance d'entrée ZE du convertisseur courant-tension et le condensateur de mesure CMES, qui réduisent le temps de désaturation du circuit de mesure. Il est donc nécessaire d'ajouter une capacité de contre-réaction CR en parallèle de la résistance de contre-réaction RR afin d'amortir ces oscillations. On choisit donc une capacité vérifiant : Fosc > f = 2n > 100kHz RR CR La capacité de contre-réaction est donc négligeable 30 pour la bande de fréquence utile du signal mesuré représentatif de l'évolution de la combustion (typiquement inférieure à 100kHz), tout en optimisant le temps de désaturation du circuit de mesure. En outre, il est important que l'impédance de contre-réaction soit judicieusement choisie pour assurer que la tension Vs en sortie du circuit de mesure soit bien proportionnelle au courant 1ION issu de la combustion. Typiquement, le condensateur de mesure CMES se charge pendant la phase de génération de l'étincelle. Il est important que l'impédance d'entrée ZE du convertisseur courant-tension soit faible (au minimum 100 fois plus faible) devant l'impédance du condensateur de mesure ZMES. Cette condition garantit que le convertisseur courant-tension, et non le condensateur de mesure, fournit le courant image du développement de la combustion. Autrement dit, il faut que l'impédance du condensateur CMES soit forte devant l'impédance d'entrée de l'amplificateur pour que la totalité du courant d'ionisation IION se retrouve dans l'amplificateur MN1. Il est connu que ce convertisseur présente une impédance d'entrée qui suit la relation suivante : ZR ZE G G étant le gain propre de l'amplificateur opérationnel. Avec : RR ZR _ _ RR 1 + JWRR CR La relation suivante doit donc être vérifiée pour toutes les fréquences inférieures à 100kHz : ZMES G>a, où a100 ZR 14 Ainsi, si les conditions précédentes sont vérifiées, on a : VS - RR • I ION + VPOLAR Nous allons maintenant revenir plus en détail sur le circuit de protection 30, permettant donc de s'affranchir des effets de l'allumage en remplissant une fonction anti-éblouissement du circuit de mesure 40 précédemment décrit. De cette manière, l'acquisition de la mesure du courant 1ION représentatif de l'évolution de la combustion pourra être avantageusement réalisée indépendamment des effets de la formation de l'étincelle. En effet, des informations utiles sur la combustion sont extractibles du signal ionique tôt après la fin de l'allumage. Or, on a vu que les forts courants induits par le signal de commande d'allumage, qui ont un écart d'amplitude de près de 120dB avec le courant représentatif de la combustion, provoquent un temps d'éblouissement, ou période de masquage, pendant lequel l'acquisition d'un faible courant ne peut pas être effectué. Aussi, afin de s'affranchir au maximum des effets liés à la commande d'allumage, on prévoit de connecter le circuit de protection 30 entre le condensateur de mesure et le convertisseur courant-tension formant le circuit de mesure 40. En effet, le convertisseur courant-tension doit conserver la meilleure dynamique possible et présenter un temps de désaturation de préférence inférieur à 300 ps pour permettre une mesure fiable de la combustion au régime maximum. Le circuit de protection 30 comprend un pont de diodes 31, polarisé par des résistances RH et RB à une tension d'alimentation VALIM, de préférence proche de la tension de polarisation VPOLAR. Cette architecture est stable et ne perturbe pas la mesure si le courant de polarisation ID circulant dans les diodes du circuit de protection est important devant le courant fourni par le convertisseur. On peut vérifier que : VALIM ID _ 2(rdyn + RB + RH) e t rdyn 40 x ID Rdyn étant la résistance dynamique d'une diode. 10 Donc : VALIM -1/20 ID RB + RH Soit pour VALIM=I2V et RB=RH=1kS, on obtient : ID=3mA > IloNmax=500PA. Cette équation permet de trouver le bon compromis 15 entre la stabilité du montage et la consommation moyenne du circuit de protection. Les résistances RB et RH peuvent typiquement avoir une valeur comprise entre 10052 et 50k52 et peuvent être de valeurs différentes. La tension de polarisation VPOLAR optimale est ainsi 20 définie par : RH VPOLAR ù .VALIM RH ++ B La tension VPOLAR peut par exemple être obtenue à partir de la tension VALIM par l'intermédiaire d'un circuit diviseur résistif, bien connu en soi. 25 Le circuit de protection 30 a ainsi un double rôle. Il permet de maintenir un temps de désaturation faible du circuit de mesure quel que soit les conditions de génération d'étincelle. En outre, il favorise la 16 robustesse du circuit de mesure à chaque type d'étincelle qu'un système d'allumage résonant peut générer. REVENDICATIONS1. Dispositif d'allumage radiofréquence d'un moteur à combustion interne composé d'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 d'un mélange combustible dans un cylindre du moteur en réponse à une commande d'allumage, caractérisé en ce qu'il comprend : - un condensateur de mesure (CMES) connecté en série entre l'enroulement secondaire du transformateur et le résonateur, - un circuit de mesure (40) d'un courant (IioN) aux bornes dudit condensateur de mesure, ledit courant fournissant une image électrique de l'évolution de la combustion, - un circuit de protection (30), connecté entre le condensateur de mesure et le circuit de mesure, adapté à affranchir le temps d'acquisition de la mesure dudit courant (IioN) des effets électriques induits par la commande d'allumage. 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 l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend 18 des moyens de polarisation du mélange combustible, adaptés à appliquer une tension de polarisation (Vpolar) entre une électrode du résonateur et une masse moteur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit de protection (30) comprend un pont de diodes polarisé par des résistances (RH, RB) à une tension d'alimentation (VABIM) proportionnelle à la tension de polarisation (Vpolar) 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (40) comprend un convertisseur courant-tension réalisé à l'aide d'un amplificateur opérationnel (MN1) . 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'amplificateur opérationnel possède une entrée non inverseuse reliée à la tension de polarisation et une entrée inverseuse reliée à une borne du condensateur de mesure par l'intermédiaire du circuit de protection. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le convertisseur courant-tension comprend une résistance de contre-réaction et une capacité de contre-réaction connectée en parallèle de la résistance de contre-réaction. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'impédance d'entrée du convertisseur courant-tension est au moins 19 cent fois plus faible que l'impédance du condensateur de mesure. 9. 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 intermédiaire (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. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur comprend un rapport de transformation variable.