Capteur d'ionisation dans un système d'allumage pour moteur à combustion interne

Abstract

 L'invention concerne un capteur de mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans les cylindres d'un moteur thermique, dont le système d'allumage comprend une bobine monosortie dont l'enroulement secondaire est relié à au moins une bougie d'allumage et dont l'enroulement primaire est relié d'un côté à la batterie d'alimentation du véhicule et de l'autre côté à un module électronique de commande, caractérisé en ce que, selon une première variante de réalisation, la mesure du courant d'ionisation est réalisée sur le fil (6) de commande de la bobine (2) après la fin de l'étincelle induite entre les électrodes de la bougie (1).
Selon une seconde variante de réalisation, la mesure du courant d'ionisation est réalisée sur le fil (16) d'alimentation de l'enroulement primaire (L_p) relié à la batterie.

Description

[0001] La présente invention concerne un capteur d'ionisation, dans un système d'allumage commandé électroniquement d'un moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile. Réalisant une mesure du courant d'ionisation des gaz dans les cylindres du moteur, ce capteur permet la détection du cliquetis, des ratés de combustion et le détrompage des cylindres.

[0002] Une solution actuelle pour connaître la qualité de la combustion du mélange air-carburant dans les cylindres consiste à mesurer le courant d'ionisation des gaz dans les cylindres, au moyen des bougies d'allumage, après l'étincelle éclatant entre les électrodes de chaque bougie. Dans certaines publications, sont décrits des circuits de mesure au pied du secondaire d'une bobine monosortie connectée aux bougies, dans lesquels l'amplification du signal pour augmenter l'immunité du bruit n'est pas prévue dès le pied de la bobine, mais à l'extérieur de la bobine, au moyen d'amplificateurs opérationnels, ce qui nécessite des sources d'alimentation supplémentaires.

[0003] Ces circuits utilisés antérieurement ne permettent pas la réalisation avec le même capteur des trois objectifs cités, que sont la détection du cliquetis, les ratés de combustion et le détrompage cylindrique, sur les moteurs à injection directe pour lesquels la suppression du capteur de cliquetis et du capteur d'arbre à cames peut permettre de rentabiliser cette solution.

[0004] Les solutions actuelles de mesure du courant d'ionisation au pied de la bobine imposent l'introduction d'un fil supplémentaire dans le calculateur électronique d'allumage pour sortir le signal.

[0005] L'invention propose un capteur utilisant un des fils du primaire de la bobine monosortie pour faire la mesure. Cette mesure du courant d'ionisation permet la détection des ratés de combustion et le cliquetis, puisque la présence de ce courant, mesuré dans le cylindre du moteur qui est en compression après l'étincelle, est une indication de la présence de la combustion. Cette mesure est aussi utilisée pour la détection des cycles sans combustion ou de l'apparition du cliquetis pendant la combustion.

[0006] Le capteur selon l'invention permet également de mesurer la durée de l'étincelle sur la bougie d'allumage, dans le but de détecter le cylindre en compression et de le distinguer du cylindre en échappement pour réaliser le détrompage cylindre. Cette invention peut s'appliquer aux moteurs à injection directe et à injection classique indirecte.

[0007] Pour cela deux variantes de réalisation du capteur selon l'invention sont proposées : l'une mesurant le signal d'ionisation sur le fil de commande de l'enroulement primaire de la bobine et l'autre effectuant la mesure sur le fil d'alimentation de cet enroulement primaire relié à la batterie du véhicule.

[0008] L'objet de l'invention est un capteur de mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans les cylindres d'un moteur thermique, dont le système d'allumage comprend une bobine monosortie dont l'enroulement secondaire est relié à au moins une bougie d'allumage et dont l'enroulement primaire est relié d'un côté à la batterie d'alimentation du véhicule et de l'autre côté à un module électronique de commande, caractérisé en ce que la mesure du courant d'ionisation est réalisée sur le fil de commande de la bobine après la fin de l'étincelle induite entre les électrodes de la bougie.

[0009] Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur de mesure du courant d'ionisation réalise la mesure de ce courant sur le fil d'alimentation de l'enroulement primaire relié à la batterie du véhicule.

[0010] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples de réalisation, illustrée par les figures suivantes qui sont :

• les figures 1 à 3 : trois schémas électroniques d'un capteur d'ionisation selon l'invention, avec mesure sur le fil de commande de la bobine et sans amplification du signal de mesure ;
• les figures 4 à 6 : trois schémas électroniques d'un capteur d'ionisation selon l'invention, avec mesure sur le fil de commande de la bobine et avec amplification du signal de mesure ;
• les figures 7_a à 7_c : des chronogrammes des signaux de commande et de mesure du courant d'ionisation pour un capteur selon l'invention;
• la figure 8 : un schéma électronique d'un capteur d'ionisation selon l'invention, avec mesure sur le fil d'alimentation de la bobine.

[0011] Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats.

[0012] Selon une caractéristique de l'invention, la mesure du courant d'ionisation se fait par polarisation de l'électrode centrale de la bougie, avec une tension positive, après l'apparition de l'étincelle d'allumage entre les électrodes de la bougie.

[0013] Le schéma électronique de la figure 1 représente un capteur de courant d'ionisation d'une bougie 1 d'allumage affectée à un cylindre du moteur, dont l'allumage est commandé par un calculateur électronique. Le système d'allumage comporte une bobine d'allumage 2 dont l'enroulement secondaire L_s est relié, par sa partie haute tension, à une électrode de la bougie 1 et par sa partie basse tension, à un module 3 de polarisation de la bougie. Ce module 3, composé d'une diode Zener de polarisation Z_p et d'une capacité de polarisation C_p, polarise la bougie à la fin de l'étincelle induite entre les deux électrodes de la bougie, avec une tension positive sur l'électrode centrale. Il est intégré à la bobine monosortie, dans la partie basse tension du secondaire.

[0014] L'enroulement primaire L_p de la bobine 2 est relié d'un côté à la tension positive V_bat de la batterie d'alimentation électrique du véhicule, égale généralement à 12 Volts, et de l'autre côté, à un module 4 de commande de la bobine, délivrant un signal rectangulaire S_c.

[0015] Le capteur comprend de plus un module 5 de mesure du courant d'ionisation relié au fil de commande 6 de l'enroulement primaire de la bobine, servant de cellule anti-éblouissement pour protéger les composants électroniques contre la haute tension, de l'ordre de 400 Volts, existant aux bornes de la bobine lors de l'étincelle. Ce module 5 est intégré au calculateur électronique d'allumage, comme le module 4 de commande de la bobine. Pour des valeurs de tension électrique voisines de la tension d'alimentation du véhicule, environ 12 Volts, ce module présente une impédance faible devant l'impédance de l'enroulement primaire de la bobine, pour permettre l'utilisation du fil de commande de l'enroulement primaire de la bobine dans le but de mesurer le courant d'ionisation après l'étincelle.

[0016] Le module 5 d'anti-éblouissement est composé de trois circuits, dont le premier 7 est à la fois un miroir de courant et une cellule de protection contre la haute tension. Il comprend tout d'abord un ensemble réalisant un miroir de courant, constitué de deux transistors identiques, couplés thermiquement, T₂ et T₃, et d'une résistance R₂ entre la base et le collecteur du transistor T₂. Il comprend de plus un second ensemble constitué d'un transistor T₁, identique aux deux précédents et couplé thermiquement avec eux, de sa résistance base-émetteur R₁ et d'une diode D₁, réalisant un récepteur différentiel en courant avec le transistor T₂ et sa résistance R₂, associés à une diode D₂. Les diodes D₁ et D₂ assurent la protection des transistors T₁, T₂ et T₃ en supportant la tension de clamp, voisine de 400 Volts.

[0017] Les résistances R₁ et R₂ sont identiques et ont pour unique fonction d'éviter, lors du blocage des diodes D₁ ou D₂, des valeurs de tensions très importantes entre la base et l'émetteur des transistors T₁ et T₂. Ces deux diodes D₁ et D₂ sont identiques et doivent supporter la tension de clamp, en polarisation inverse. Ce circuit 7 est alimenté par la tension V_bat de la batterie.

[0018] Le second circuit 8 est un générateur de courant qui impose un courant dans une résistance R₃ et qui assure simultanément la polarisation du transistor T₃ du miroir de courant 7. Il comprend deux transistors identiques T₄ et T₅, reliés entre eux par leurs bases, avec une tension de polarisation Va sur leurs bases, de valeur inférieure à la tension de la batterie, égale à 2,5 Volts par exemple. Une diode D₃ limite la tension sur le collecteur du transistor T₄ à une valeur égale à la somme (V_bat + 0.6 Volts). La résistance R₃ supporte alors une tension voisine de la différence (V_clamp - V_bat). Si le transistor T₄ peut supporter la tension de clamp, la diode D₃ peut être supprimée et la résistance R₃ remplacée par un court-circuit.
Le circuit 8 comprend de plus deux résistances R₄ et R₅, entre la masse et respectivement les transistors T₄ et T₅, telles que la valeur de R₅ est égale au double de la valeur de R₄, à laquelle on ajoute une valeur très faible ∈ définie par les relations suivantes: R₅ = 2R₄ + ∈.

[0019] Le courant I₄ qui circule dans le transistor T₄ est égal à :

V_BE étant la tension base-émetteur du transistor T₄.

[0020] De même, le courant I₅ qui circule dans le transistor T₅ est égal à :

[0021] Le courant I_s mesuré sur la résistance de sortie R₅ est alors égal à :

en faisant l'approximation que ∈ est plus petit que R_4.

[0022] Le troisième circuit 9 est un convertisseur courant-tension comprenant une résistance R_s de l'ordre de 100kΩ, sur laquelle est mesuré le courant d'ionisation I_s. La sortie du signal utile est une sortie en tension V_s (V_s = I_s * R_s). La valeur de ∈ doit être très faible, ce qui induit de faibles tolérances sur les composants.

[0023] Le schéma électronique de la figure 2 représente une variante de réalisation du capteur d'ionisation selon l'invention, comprenant le même module 3 de polarisation de la bougie 1 et le même module 4 de commande de la bobine 2. Le module 5 anti-éblouissement relié au fil de commande 6 de la bobine comporte le même circuit 7 miroir de courant et cellule de protection, mais le circuit 10 est uniquement générateur de courant, constitué du transistor T₄ et de sa résistance R₄ d'émetteur, alimentés par une tension V'_a' inférieure à la tension de la batterie, et protégés de la haute tension par l'ensemble constitué de la résistance R₃ et de la diode D₃ reliée à la tension V_bat de la batterie, la polarisation du transistor T₃ du circuit 7 étant assurée par un autre circuit 11. Le circuit 11 de polarisation du transistor T₃ est composé du transistor T₅ de type NPN associé à la résistance d'émetteur R₅ et d'un ensemble comprenant un amplificateur opérationnel A₁ et un filtre du premier ordre par exemple, constitué par une résistance R₆ et une capacité C₆ polarisant la base du transistor T₅ avec une tension positive V'_a.

[0024] Le circuit 9 convertit le courant de sortie I_s en tension V_s représentative de l'ionisation des gaz.

[0025] La figure 3 représente une deuxième variante de réalisation d'un capteur selon l'invention, dans laquelle toutes les polarisations de transistors sont faites à partir de l'alimentation de la batterie. Ainsi, le circuit 11 de polarisation du transistor T₃, dans la variante précédente, est remplacé par un circuit 12 assurant la même fonction, avec un diviseur de tension, constitué des deux résistances R₇ et R₈ et d'une capacité C₇, qui assure, avec l'amplificateur opérationnel A₁ et la tension V_bat de la batterie, la polarisation du transistor T₅ et donc celle de la résistance R₅. On a ainsi supprimé la source supplémentaire de tension V_a. Le circuit générateur de courant 13 est constitué par la résistance R₃, telle que le courant I₃ qui la traverse est égal au rapport entre, d'une part la différence entre la tension de la batterie V_bat et la somme des tensions V_D2 de la diode D₂ et du transistor V_BE et, d'autre part la résistance R₃ :

[0026] L'objet des figures 4 à 6 est un capteur d'ionisation dans lequel l'amplification du courant d'ionisation est réalisée au pied de la bobine 2 et sa mesure est réalisée sur le fil 6 de commande. Ce type de capteur présente comme avantage de délivrer un signal fort, peu sensible au bruit et d'utiliser le même fil pour la commande de la bobine et la mesure du courant. Il comprend les mêmes modules 3 de polarisation de la bougie 1 et le même module 4 de commande de la bobine 2. Il comprend de plus un module 14 d'amplification du courant d'ionisation au pied de l'enroulement primaire L_p de la bobine, comportant un transistor T₆ qui amplifie le courant d'ionisation envoyé sur sa base, une diode Zener Z₆ et une résistance R₉ qui polarisent la base du transistor T₆. La valeur de la diode Z₆ est de 15 Volts par exemple. Une diode D₆ laisse passer le courant pendant la phase d'arc. La diode Zener Z₆ a un rôle de protection contre la haute tension lors de l'étincelle et permet l'utilisation d'un transistor T₆ basse tension.

[0027] Le module 5 anti-éblouissement est composé comme précédemment d'un circuit miroir de courant 7, du circuit 9 convertisseur de courant en tension et d'un circuit 15 générateur de courant. Ce circuit 15 est une variante du circuit 10 de la figure 2, pour laquelle la polarisation de la base du transistor T₄ est assurée par le circuit diviseur de tension, composé des résistances R₇ et R₈ et de la capacité C₇, à partir de la tension de la batterie V_bat. Les caractéristiques et les contraintes des composants électroniques de ce circuit 15 sont les mêmes que dans le module 10.

[0028] Le schéma de la figure 5 est une variante de réalisation du capteur d'après la figure 4, dans laquelle le circuit générateur de courant 15 est remplacé par le circuit 13 décrit à la figure 3 et constitué de la seule résistance R₃. La source d'alimentation de la batterie V_bat est filtrée dans un filtre passe-bas du premier ordre composé d'une capacité C_f et d'une résistance R_f.

[0029] La figure 6 est une variante du schéma électronique du capteur d'ionisation représenté sur la figure 5 précédente, dans lequel la tension d'alimentation provient directement de la batterie du véhicule sans filtrage. Dans ce cas, le module 5 anti-éblouissement est composé du circuit 7 miroir de courant, du circuit 12 de polarisation du transistor T₃, du circuit 13 générateur de courant et du convertisseur courant-tension 9.

[0030] Dans les trois précédents schémas électroniques représentés sur les figures 4 à 6, il est possible de supprimer la diode Zener Z₆ et la résistance R₉ du module 14 d'amplification du courant d'ionisation si le transistor T₆ est capable de supporter la tension de clamp, de 400 Volts par exemple.

[0031] La figure 7_a est un exemple de chronogramme du signal de commande S_c délivré par le calculateur électronique d'allumage. Il se présente sous forme de créneaux de tension C_c, dont le front montant f_m déclenche la charge de la bobine d'allumage à l'instant t₁ et le front descendant f_d commande l'étincelle à l'instant t₂. Simultanément, le signal S_B de la haute tension sur la bougie, représenté sur la figure 7_b, croît à l'instant t₁ de début de charge d'une valeur nulle à une valeur positive V_c, puis décroît lentement selon un palier jusqu'à l'instant t₃ de mise en régulation où il redevient nul. Entre les instants t₂ et t₄ correspondant à la durée de l'étincelle, il présente une valeur négative -V_e. La réponse du capteur, représentée sur la figure 7_c, est une tension V_s de valeur égale à une référence V_ref, de 5 Volts par exemple, avant l'étincelle entre les électrodes de la bougie, qui devient nulle pendant cette étincelle. A la fin de l'étincelle, la présence d'un courant d'ionisation des gaz se traduit par une valeur supérieure à cette référence V_ref.

[0032] La figure 8 est le schéma électronique d'un capteur de courant d'ionisation selon l'invention dans lequel la mesure du courant d'ionisation est faite sur le fil d'alimentation 16 de la bobine 2 relié à la batterie V_bat. Dans ce mode de réalisation, on retrouve le module 3 de polarisation de la bougie 1 , le module 14 d'amplification du courant d'ionisation et le module 4 de commande de l'enroulement primaire L_p de la bobine 2. Le fil de mesure est le fil 16 reliant l'alimentation électrique du véhicule, donc la batterie, à l'enroulement primaire de la bobine, fil sur lequel on peut faire une mesure de courant avec des capteurs à effet Hall par exemple.

Revendications

1. Capteur de mesure du courant d'ionisation des gaz en combustion dans les cylindres d'un moteur thermique, dont le système d'allumage comprend une bobine monosortie dont l'enroulement secondaire est relié à au moins une bougie d'allumage et dont l'enroulement primaire est relié d'un côté à la batterie d'alimentation du véhicule par un premier fil de liaison, dit d'alimentation, et de l'autre côté à un module électronique de commande par un second fil de liaison, dit de commande, caractérisé en ce que la mesure du courant d'ionisation est réalisée sur l'un des fils de liaison (6, 16) de l'enroulement primaire de la bobine.

2. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du courant d'ionisation est réalisée sur le fil (6) de commande de l'enroulement primaire (L_p) de la bobine (2) après la fin de l'étincelle induite entre les électrodes de la bougie (1).

3. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du courant d'ionisation est réalisée sur le fil (16) d'alimentation de l'enroulement primaire (L_p) de la bobine, relié à la batterie.

4. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un module (5) de mesure du courant d'ionisation relié au fil (6) de commande de l'enroulement primaire (L_p) de la bobine (2), présentant une impédance très inférieure à l'impédance de cet enroulement primaire (L_p) constitué par :

- un circuit (7) miroir de courant et protection des éléments électroniques du module (5) contre la haute tension apparaissant sur le fil de commande lors de l'étincelle, alimenté par la tension (V_bat) de la batterie ;

- un circuit générateur de courant, relié au circuit (7) miroir de courant ;

- un circuit (9) convertisseur de courant en tension.

5. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit (7) miroir de courant est composé d'un ensemble réalisant un miroir de courant, constitué de deux transistors identiques (T₂ et T₃) reliés par leurs bases et d'une résistance (R₂) entre la base et l'émetteur du transistor (T₂), et d'un ensemble d'un transistor (T₁), identique aux deux transistors précédents (T₂ et T₃) et couplés thermiquement avec eux, de sa résistance base-émetteur (R₁) et d'une diode (D₁), constituant un récepteur différentiel en courant avec le transistor (T₂) et la résistance (R₂) précédents et une diode (D₂), les résistances (R₁ et R₂) étant identiques et les diodes (D₁ et D₂) identiques assurant la protection des transistors (T₁, T₂ et T₃) en supportant la tension de clamp.

6. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit (8) générateur de courant comprend :

- deux transistors identiques (T₄ et T₅) reliés entre eux par leurs bases, polarisées par une tension (V_a) déterminée, et dont leurs émetteurs sont reliés à une résistance respectivement (R₄, R₅) telles que la valeur de l'une (R₅) vaut le double de la valeur de l'autre (R₄), et

- un ensemble de protection du transistor (T₄) contre la haute tension au primaire de la bobine pendant l'étincelle, constitué par une résistance (R₃), connectée aux deux diodes (D₁ et D₂) du circuit (7) miroir de courant, et d'une diode (D₃) reliée à la tension (V_bat) de la batterie.

7. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit (10) générateur de courant est constitué par un transistor (T₄) et sa résistance d'émetteur (R₄), alimentés par une tension (V'_a) et protégés de la haute tension par une résistance (R₃), connectée aux deux diodes (D₁ et D₂) du circuit (7) miroir de courant, et par une diode (D₃) reliée à la tension d'alimentation (V_bat) de la batterie, et en ce que le module (5) de mesure du courant d'ionisation comprend de plus un circuit (11) de polarisation du transistor (T₃) du circuit (7) miroir de courant, constitué par un transistor (T₅) associé à sa résistance d'émetteur (R₅) et d'un ensemble, comprenant un amplificateur opérationnel (A₁) et un filtre du premier ordre, composé d'une résistance (R₆) et d'une capacité (C₆), polarisant la base du transistor (T₅) avec la tension (V'_a).

8. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit générateur de courant (13) est constitué par une résistance (R₃) connectée entre la masse et les deux diodes (D₁ et D₂) du circuit (7) miroir de courant, et en ce que le module (5) de mesure du courant d'ionisation comprend de plus un circuit (11) de polarisation du transistor (T₃) du circuit (7) miroir de courant, constitué par un transistor (T₅) associé à sa résistance d'émetteur (R₅) et d'un ensemble, comprenant un amplificateur opérationnel (A₁) et un filtre du premier ordre, composé d'une résistance (R₆) et d'une capacité (C₆) , polarisant la base du transistor (T₅) avec la tension (V_bat) de la batterie du véhicule.

9. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant d'ionisation est amplifié au pied de l'enroulement primaire (L_p) de la bobine (2), avant le circuit (4) de commande électronique de l'allumage.

10. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un module (14) d'amplification du courant d'ionisation, comportant un transistor (T₆), destiné à amplifier le courant d'ionisation envoyé sur sa base, une diode Zener (Z₆) entre sa base et le collecteur, et une résistance (R₉) entre son collecteur et la masse déterminées pour polariser la base du transistor (T₆), et une diode (D₆) entre sa base et son émetteur laissant passer le courant pendant l'étincelle.

11. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un module (14) d'amplification du courant d'ionisation, constitué par un transistor (T₆), recevant le courant d'ionisation sur sa base et choisi pour supporter la haute tension pendant l'étincelle, et par une diode (D₆) entre sa base et son émetteur, laissant passer le courant pendant l'étincelle.

12. Capteur de mesure du courant d'ionisation selon les revendications 8 et 10, caractérisé en ce que la tension délivrée par la batterie d'alimentation est filtrée par un filtre passe-bas du premier ordre, composé d'une capacité (C_f) et d'une résistance (R_f).

Dessins