Brevet FR2982647A1 — publié le 20130517

La présente invention est relative aux dispositifs d'allumage dit « continu » pour moteur à combustion interne à allumage commandé, notamment pour un moteur de véhicule automobile. Elle concerne plus particulièrement un système et un procédé pour générer et entretenir de manière continue un arc après l'étincelle principale, ladite étincelle principale représentant l'arc initial permettant de déclencher la combustion du mélange. On connaît dans l'art antérieur des procédés pour parvenir à un allumage entretenu après l'étincelle principale comme par exemple du document EP 2 325 476. Mais, dans les solutions connues, on sollicite à répétition l'inductance magnétisante du primaire de la bobine et on interrompt brutalement cette sollicitation, ce qui conduit à des perturbations électromagnétiques d'amplitude et de durée importantes. La présente invention a pour but d'améliorer les solutions de l'art antérieur en simplifiant leur mise en oeuvre, en diminuant les courants maximum et en réduisant leur pollution électromagnétique. L'invention propose un dispositif d'allumage continu pour moteur à combustion interne à allumage commandé, comprenant : - une bobine comprenant un enroulement primaire ayant une inductance magnétisante et une inductance de fuite, et au moins un enroulement secondaire raccordé à au moins une bougie, l'enroulement primaire ayant une première extrémité et une deuxième extrémité, - un premier étage de commande ayant un premier commutateur et un deuxième commutateur, montés en série entre une première alimentation positive et une masse, pour générer un courant d'alimentation dans l'enroulement primaire, la première extrémité dudit enroulement primaire étant raccordée à une liaison reliant les premier et deuxième commutateurs, - un second étage de commande comprenant un troisième commutateur, et un condensateur, la seconde extrémité dudit enroulement primaire étant raccordée à une sortie dudit troisième commutateur, une diode étant optionnellement interposée entre l'enroulement primaire et le troisième commutateur. Le premier étage de commande est ainsi adapté pour injecter un courant ondulé dans l'enroulement primaire pour entretenir un allumage continu pendant une phase d'allumage continu qui succède à l'allumage principal et pendant laquelle le troisième commutateur est à l'état bloqué. Une résonance est créée par le condensateur et l'inductance de fuite pendant la phase d'allumage continu. Il s'ensuit qu'un arc principal peut être généré par l'interruption du courant dans le troisième commutateur et ledit arc peut être ensuite entretenu grâce à un signal alternatif généré grâce aux premier et deuxième commutateurs, et à la résonance produite par l'inductance de fuite et le condensateur. Grâce à ces dispositions, un arc peut être généré et entretenu après l'étincelle principale grâce à une injection de courant ondulé dans l'enroulement primaire, avec des 5 valeurs de courant modérées et une faible pollution électromagnétique. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - pour la phase d'allumage continu, le premier commutateur et le deuxième commutateur sont pilotés en alternance à l'état actif avec une fréquence de cycle 10 ajustable, l'un des commutateurs étant bloqué alors que l'autre commutateur est passant, la fréquence de cycle étant ajustée en fonction d'une relecture de courant dans l'enroulement primaire. De la sorte, il est possible de maximiser l'effet de la résonance entre la capacité et l'inductance de fuite, ce qui revient à maximiser le facteur de qualité. La fréquence de cycle peut être de préférence 15 comprise entre 10 et 40 kHz, et plus préférentiellement autour de 20 kHz, - les premier et deuxième commutateurs sont pilotés en demi-pont d'onduleur avec un rapport cyclique compris entre 45 % et 55 %. De la sorte, la valeur moyenne du signal alternatif est équilibrée autour de zéro, - le courant injecté dans l'enroulement primaire présente un profil sensiblement 20 sinusoïdal, de sorte que la pollution électromagnétique est minimisée, - le système d'allumage peut comprendre en outre une résistance de pied pour mesurer le courant traversant l'enroulement primaire et la capacité, lorsque le troisième commutateur est bloqué. Ceci représente une solution particulièrement simple pour la mesure de courant, 25 - la première alimentation présente une valeur de tension sensiblement fixe, de préférence d'une valeur prédéterminée comprise entre 20V et 200V, une quantité d'énergie importante est ainsi disponible pour la génération d'arc électrique, - pendant la charge de l'enroulement primaire préalable à l'étincelle principale, le troisième commutateur est à l'état passant et le premier commutateur est piloté 30 avec un signal à modulation de largeur d'impulsion à rapport cyclique variable et de fréquence fixe supérieure à 50 kHz. La charge de l'inductance magnétisante peut alors être initialisée progressivement et une étincelle intempestive peut être évitée, - le système d'allumage peut comprendre en outre une inductance de lissage 35 haute fréquence placée en série entre le premier étage de commande et l'enroulement primaire, ce qui permet de lisser la tension appliquée à l'enroulement primaire. L'invention vise également un procédé de commande d'un système d'allumage pour moteur à combustion interne à allumage commandé, pour un dispositif tel que décrit plus haut, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) une phase de charge principale, dans laquelle on pilote le troisième commutateur à l'état passant et simultanément on pilote le premier commutateur au moins une partie du temps, pour charger l'inductance magnétisante de l'enroulement primaire, b) une phase d'allumage principal, dans laquelle on interrompt la commande du troisième commutateur, pour générer une étincelle dite « principale », c) une phase d'allumage continue, dans laquelle on pilote en alternance le premier commutateur et le deuxième commutateur à l'état actif avec une fréquence de cycle ajustable, en maintenant le troisième commutateur à l'état bloqué, la fréquence de cycle étant ajustée en fonction d'une relecture de courant dans l'enroulement primaire, ceci afin d'injecter un courant ondulé dans l'enroulement primaire. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes concernant le procédé : - la fréquence de cycle ajustable est comprise entre 10 et 40 kHz, - pendant l'étape c), on pilote les premier et deuxième commutateurs en mode demi-pont d'onduleur avec un rapport cyclique compris entre 45 % et 55 %, - pendant l'étape a) on pilote le premier commutateur avec un signal à modulation de largeur d'impulsions à fréquence fixe et rapport cyclique variable, la fréquence fixe étant de préférence supérieure à 50 kHz. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de 25 la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 représente un schéma du dispositif d'allumage continu selon l'invention, 30 - la figure 2 représente des chronogrammes illustrant le procédé de commande et le fonctionnement du dispositif de la figure 1. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 montre un schéma représentant un dispositif d'allumage continu. 35 Ce dispositif comprend une unité de commande 7 et au moins une bobine d'allumage 10. La bobine 10 comprend un enroulement primaire 11 et au moins un enroulement secondaire 12. L'enroulement primaire 11 présente une inductance avec une inductance magnétisante qui représente la composante principale de l'inductance et une inductance de fuite liée à l'aspect imparfait du couplage entre primaire et secondaire. Dans l'exemple illustré, la valeur de l'inductance de fuite (i.e. 0,2 mH) est dix fois inférieure à la valeur de l'inductance magnétisante (i.e. 2 mH). L'enroulement secondaire 12 est raccordé à au moins une bougie comme connu dans l'art et par conséquent non décrit en détail ici. Une étincelle ou arc électrique peut être générée au niveau de la bougie pour allumer le mélange de combustion. L'enroulement primaire 11 comprend une première extrémité 11 a et une deuxième extrémité 11b. La première extrémité lla est raccordée à un premier point de 10 connexion 23 sur l'unité de commande 7. La deuxième extrémité 11 b est raccordée à un second point de connexion 24 sur l'unité de commande 7. L'unité de commande 7 comprend un contrôleur 6, par exemple un microcontrôleur ou encore un FPGA (abréviation anglaise pour « Field Programmable Gate Array » ou « réseau de portes programmable in situ ») ou un ASIC (acronyme 15 anglais pour « Application Specific Integrated Circuit » ou « circuit intégré propre à une application »), un premier étage de commande HS (pour l'abréviation anglaise de « High Side »), et un deuxième étage de commande LS (pour l'abréviation anglaise de « Low Side »). Le premier étage de commande HS comprend un premier commutateur 1 et 20 un deuxième commutateur 2, montés en série entre une première borne d'alimentation positive « VBoost » et une borne de masse. Le premier commutateur 1 et le deuxième commutateur 2 peuvent être chacun un transistor MOSFET (acronyme anglais pour «Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor » soit un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde), un IGBT (abréviation anglaise pour « lnsulated Gate Bipolar 25 Transistor » soit un transistor bipolaire à grille isolée), ou tout autre composant électronique commandé à l'ouverture et à la fermeture et disposant d'une diode en antiparallèle. Sur la liaison entre le premier commutateur 1 et le deuxième commutateur 2 est agencée la sortie 21 du premier étage de commande, qui est destinée à être raccordée à la première extrémité 11a de l'enroulement primaire 11. Le premier étage de 30 commande HS peut aussi être qualifié de demi-pont en H ou de demi-pont d'onduleur. Le premier étage de commande HS permet, entre autres, de générer un courant d'alimentation ondulé dans l'enroulement primaire, comme cela sera détaillé dans la suite. Le second étage de commande LS comprend un commutateur appelé 35 troisième commutateur 3 et un condensateur 4. La seconde extrémité 11b de l'enroulement primaire 11 est raccordée à une sortie 24 dudit troisième commutateur 3. Le condensateur 4 est agencé en parallèle du troisième commutateur 3 aux bornes respectivement de ses drain et source. Par ailleurs, le troisième commutateur 3 est raccordé à la masse, de préférence au travers d'une résistance de pied 15, non strictement essentielle au sens de 5 l'invention, destinée à servir à une mesure de courant passant dans l'enroulement primaire 11. Le troisième commutateur 3 peut être un transistor MOSFET, un IGBT, ou tout autre composant électronique équivalent à un transistor. Optionnellement selon l'invention, une diode 5 est interposée entre 10 l'enroulement primaire 11 et le troisième commutateur 3. Ladite diode 5 est destinée à empêcher toute détérioration du troisième commutateur 3 en cas d'apparition de tension alternée aux bornes du condensateur 4 comme il sera vu plus loin. La première alimentation VBoost présente de préférence une valeur de tension sensiblement fixe, de préférence d'une valeur prédéterminée comprise entre 20V 15 et 200V. De façon préférentielle, cette tension VBoost est choisie dans la gamme comprise entre 40V et 80V. Plus précisément, dans l'exemple expérimenté, la valeur de 65 volts a été choisie. En complément des éléments déjà décrits, on peu agencer optionnellement une inductance de lissage 20 haute fréquence placée en série entre le premier étage de 20 commande HS et l'enroulement primaire 11, dont l'utilité sera vue plus loin. Dans la suite de la description on utilisera les notations suivantes : - CTL1 fait référence à la commande du premier commutateur 1, impulsée par le microcontrôleur 6, - CTL2 fait référence à la commande du deuxième commutateur 2, impulsée 25 par le microcontrôleur 6, - CTL3 fait référence à la commande du troisième commutateur 3, impulsée par le microcontrôleur 6, - Icap fait référence au courant traversant le condensateur 4, - 11 fait référence au courant traversant l'enroulement primaire 11, 30 - 13 fait référence au courant traversant le troisième commutateur 3, - Vplug fait référence à la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 12, - Vsh fait référence à la tension aux bornes de la résistance de pied 15, - I _ L_ leak fait référence au courant traversant la partie « inductance de 35 fuite » de l'enroulement primaire 11, - I_L_ind fait référence au courant traversant partie « inductance magnétisante » de l'enroulement primaire 11. Le dispositif d'allumage fonctionne comme suit. Une séquence d'allumage accompagnant un cycle de combustion présente d'une part deux phases classiques, à savoir une phase de charge de la bobine (phase baptisée « Ph1 » ici) et une phase de génération d'arc par interruption brutale du courant de charge (phase baptisée « Ph2 » ici), et d'autre part une phase d'allumage entretenu (aussi appelé « allumage continu ») et baptisée « Ph3 » ici phase dans laquelle un arc électrique est entretenu au niveau de la bougie pour améliorer la combustion du mélange et diminuer la consommation du moteur à combustion interne. Ces trois phases vont être décrites ci-après, en référence aux 10 chronogrammes de la figure 2. Première phase Phi : pendant la première phase Ph1, le troisième commutateur 3 est commandé à l'état passant pour autoriser le passage d'un courant de charge de la bobine 10. Simultanément, le premier commutateur 1 est commandé, au moins une partie du temps, à l'état passant pour autoriser le courant à passer à partir de 15 la première alimentation VBoost. A partir de l'instant TO, le premier commutateur 1 étant commandé (CTL1 ON) et le troisième commutateur 3 étant commandé (CTL3 ON) alors un courant 11 traverse l'enroulement primaire 11 pour charger la bobine 10. Le premier commutateur 1 peut être commandé en permanence pendant cette 20 première phase. Mais avantageusement selon un aspect optionnel de l'invention, le premier commutateur 1 n'est pas commandé à plein temps. Le premier commutateur 1 est commandé avec un signal à modulation de largeur d'impulsions (également appelé PWM en anglais, pour « Pulse Width Modulation ») à rapport cyclique variable et de fréquence (Fch) supérieure à 50 kHz, au moins dans la première partie de la première 25 phase Ph1 à partir de TO. Ainsi, la charge de l'inductance magnétisante peut être initialisée progressivement et une étincelle intempestive peut être évitée. Avantageusement selon un aspect optionnel de l'invention, ce signal à modulation de largeur d'impulsions est filtré ou « lissé » par une inductance de lissage 20 haute fréquence, placée en série entre le premier étage de commande HS et l'enroulement 30 primaire 11, ce qui permet de lisser la tension appliquée à l'enroulement primaire 11. Deuxième phase Ph2 : à l'instant T1, qui peut par exemple correspondre essentiellement à une position de vilebrequin proche du point mort haut, le troisième commutateur 3 est coupé et le courant 11 (= 13) passe brutalement à une valeur nulle. Une surtension de l'ordre de - 400 volts en résulte au niveau de l'enroulement 35 primaire 11. Une surtension 80 de l'ordre de - 40 kiloVolts en résulte au niveau de l'enroulement secondaire 12 et au niveau de la bougie (cf. ligne « Vplug » sur la figure 2). Cette deuxième phase Ph2 n'étant pas fondamentalement différente de l'art antérieur connu, elle ne sera pas plus détaillée ici, mais il est cependant à noter que la tension d'alimentation VBoost est supérieure à la tension nominale VB du réseau qui s'établit habituellement entre 12 et 14 Volts. Troisième phase Ph3 : dans cette troisième phase Ph3, on s'attache à maintenir (entretenir) un arc électrique pendant toute la durée de la combustion. Pour ce faire, on laisse le troisième commutateur 3 à l'état bloqué et on utilise le premier étage de commande HS pour injecter un courant ondulé dans l'enroulement primaire, avec l'aide du condensateur 4 comme il va être détaillé ci-après. Le premier commutateur 1 et le deuxième commutateur 2 sont pilotés en alternance à l'état actif avec une fréquence de cycle (F1) ajustable, l'un des commutateurs étant bloqué alors que l'autre commutateur est passant. Plus précisément, à l'instant T20 sur la figure 2, le premier commutateur 1 passe de l'état passant à l'état bloqué, autrement dit de l'état ON à l'état OFF. Au même 15 instant, le deuxième commutateur 2 passe de l'état bloqué à l'état passant, autrement dit de l'état OFF à l'état ON. A l'instant T21, les commandes sont inversées, à savoir le deuxième commutateur 2 passe de l'état ON à l'état OFF et le premier commutateur 1 passe de l'état OFF à l'état ON. A l'instant T22 les commandes sont à nouveau inversées, à savoir 20 le premier commutateur 1 passe de l'état ON à l'état OFF et le deuxième commutateur 2 passe de l'état OFF à l'état ON. Et ainsi de suite, de manière à obtenir une commande alternée des premier et deuxième commutateurs 1, 2 avec une fréquence de cycle notée F1 et un rapport cyclique voisin de 50%. Avantageusement selon un aspect optionnel de l'invention, les premier et 25 deuxième commutateurs 1, 2 sont pilotés en mode demi-pont d'onduleur avec un rapport cyclique compris entre 45 % et 55 %. Le fonctionnement nominal correspond à un rapport cyclique à 50 %, mais cette valeur peut être ajustée autour de 50 %. De préférence, la fréquence de cycle F1 est ajustée en fonction d'une relecture de courant passant dans l'enroulement primaire 11, pour maximiser l'effet de 30 résonance. Dans l'exemple illustré on mesure le courant 'cap en temps réel en mesurant en temps réel la différence de potentiel Vsh aux bornes de la résistance de pied 15 pour en déduire une valeur de courant lcap instantanée. En fonction de cette mesure de courant lcap le contrôleur ajuste la fréquence de cycle F1 pour maximiser ce courant et donc maximiser l'effet de résonance entre le 35 condensateur 4 et l'inductance de fuite de l'enroulement primaire 11 (on peut dire aussi augmenter le facteur de qualité du couple résonant constitué par le condensateur 4 et l'inductance de fuite qui constitue un circuit résonant classique LC) dont la fréquence optimale est donnée par : 1 211,./LC Dans la pratique, la fréquence de cycle F1 peut être de préférence comprise 5 entre 10 et 50 kHz, et plus préférentiellement autour de 20 kHz. Le courant Icap se présente donc comme un courant alterné, ainsi que la tension aux bornes de la capacité 4. Il est à noter que puisque le troisième commutateur 3 est bloqué dans cette phase, ICap est égal à 11. Le courant injecté dans l'enroulement primaire 11 présente donc un profil 10 alternatif. En pratique, ce courant injecté dans l'enroulement primaire 11 présente un profil sensiblement sinusoïdal, comme illustré sur les courbes I_L_leak de la figure 2, ce qui est bénéfique pour amoindrir la pollution électromagnétique de la phase d'allumage continu. La tension Vplug aux bornes du secondaire 12 présente un profil plus carré comme illustré sur la figure 2. Quant à la partie du courant 11 qui représente le courant 15 d'inductance magnétisante l_L_ind, celle-ci a un profil plus triangulaire comme le montre la courbe du bas de la figure 2. Etant donné que la tension aux bornes du condensateur 4 est alternative, il est nécessaire de protéger le troisième commutateur 3 si celui-ci n'est pas naturellement protégé. En l'occurrence, si on utilise un IGBT ou un MOSFET, il convient de le protéger 20 contre des polarités inverses et ceci est réalisé par la diode 5 susmentionnée qui empêche un courant inverse de passer dans ce troisième commutateur 3. On pourrait s'affranchir de la diode 5 en utilisant un composant naturellement protégé comme un triac et de fait la diode n'est pas strictement essentielle pour réaliser l'invention. 25 A la fin du temps de combustion, la commande alternée des premier et deuxième commutateurs 1, 2 est stoppée et alors les premier, deuxième et troisième commutateurs 1, 2, 3 restent à l'état bloqué jusqu'au début du cycle moteur suivant. Les trois phases décrites ci-dessus peuvent alors être répétées pour le cycle moteur suivant. F1= REVENDICATIONS1. Dispositif d'allumage continu pour moteur à combustion interne à allumage commandé, comprenant - une bobine (10) comprenant un enroulement primaire (11) ayant une inductance magnétisante et une inductance de fuite, et au moins un enroulement secondaire (12) raccordé à au moins une bougie, l'enroulement primaire ayant une première extrémité (11a) et une deuxième extrémité (11b), - un premier étage de commande (HS) ayant un premier commutateur (1) et un deuxième commutateur (2), montés en série entre une première alimentation positive (VBoost) et une masse, pour générer un courant d'alimentation dans l'enroulement primaire (11), la première extrémité (11a) dudit enroulement primaire (11) étant raccordée à une liaison (21) reliant les premier et deuxième commutateurs (1, 2), - un second étage de commande (LS) comprenant un troisième commutateur (3) et un condensateur (4), la seconde extrémité (11b) de l'enroulement primaire (11) étant raccordée à une sortie dudit troisième commutateur (3), une diode (5) étant optionnellement interposée entre l'enroulement primaire (11) et le troisième commutateur (3), dans lequel le premier étage de commande (HS) est adapté pour injecter un courant ondulé dans l'enroulement primaire (11) pour entretenir un allumage continu pendant une phase d'allumage continu pendant laquelle le troisième commutateur (3) est à l'état bloqué, une résonance étant créée par le condensateur (4) et l'inductance de fuite pendant la phase d'allumage continu. 2. Système d'allumage selon la revendication 1, dans lequel pour la phase d'allumage continu, le premier commutateur (1) et le deuxième commutateur (2) sont pilotés en alternance à l'état actif avec une fréquence de cycle (F1) ajustable, l'un des commutateurs étant bloqué alors que l'autre commutateur est passant, la fréquence de cycle (F1) étant ajustée en fonction d'une relecture de courant passant dans l'enroulement primaire (11). 3. Système d'allumage selon la revendication 2, dans lequel les premier et deuxième commutateurs (1, 2) sont pilotés en demi-pont d'onduleur avec un rapport cyclique compris entre 45 % et 55 %. 4. Système d'allumage selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel le courant injecté dans l'enroulement primaire (11) présente un profil sensiblement sinusoïdal. . Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre une résistance de pied (15) pour mesurer le courant (Icap) traversant l'enroulement primaire et la capacité (4), lorsque le troisième commutateur (3) est bloqué. 6. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la 5 première alimentation (VBoost) présente une valeur de tension sensiblement fixe, de préférence d'une valeur prédéterminée comprise entre 20V et 200V. 7. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel pendant une phase de charge de l'enroulement primaire préalable à l'étincelle principale, le troisième commutateur (3) est à l'état passant et le premier commutateur (1) est piloté avec un signal à modulation de largeur d'impulsions à rapport cyclique variable et de fréquence (Fch) fixe supérieure à 50 kHz. 8. Système d'allumage selon la revendication 7, comprenant en outre une inductance de lissage (20) haute fréquence placée en série entre le premier étage de commande et l'enroulement primaire. 9. Procédé de commande d'un système d'allumage pour moteur à combustion interne à allumage commandé, le dispositif comprenant : - une bobine (10) comprenant un enroulement primaire (11), - un premier étage de commande (HS) ayant un premier commutateur (1) et un deuxième commutateur (2), montés en série entre une première alimentation positive (VBoost) et une masse, - un second étage de commande (LS) comprenant un troisième commutateur (3), et un condensateur (4), l'enroulement primaire étant raccordé entre lesdits premier et deuxième étages de commande (HS, LS), le procédé comprenant les étapes suivantes : a) une phase de charge principale, dans laquelle on pilote le troisième commutateur (3) à l'état passant et simultanément on pilote le premier commutateur (1) au moins uns partie du temps, pour charger l'inductance magnétisante de l'enroulement primaire (11), b) une phase d'allumage principal, dans laquelle on interrompt la commande du troisième commutateur (3), pour générer une étincelle principale, c) une phase d'allumage continue, dans laquelle on pilote en alternance le premier commutateur (1) et le deuxième commutateur (2) à l'état actif avec une fréquence de cycle (F1) ajustable, en maintenant le troisième commutateur (3) à l'état bloqué, la fréquence de cycle (F1) étant ajustée enfonction d'une relecture de courant dans l'enroulement primaire (11), ceci afin d'injecter un courant ondulé dans l'enroulement primaire (11). 10. Procédé de commande d'un système d'allumage selon la revendication 9, dans lequel pendant l'étape c), on pilote les premier et deuxième commutateurs (1, 2) en 5 mode demi-pont d'onduleur avec un rapport cyclique compris entre 45 `)/0 et 55 %, 11. Procédé de commande d'un système d'allumage selon l'une des revendications 9 à 10, dans lequel pendant l'étape a) on pilote le premier commutateur (1) avec un signal à modulation de largeur d'impulsions à fréquence fixe (Fch) et rapport cyclique variable, la fréquence fixe (Fch) étant de préférence supérieure à 50 kHz.