Ion sensing circuit with controlled biasing voltage for spark-controlled ignition combustion engines

The automotive industry has been experiencing a profound change in the last years. Constant research for better efficiency and performance is leading companies towards developing new technologies to reduce the environmental impact of combustion engines. Eldor corporation has been studying a way to achieve an unprecedented sensing capability for combustion control. This work, which has been accomplished at the ignition research and development division of Eldor, aims to overcome the limitations of their recently developed ion sensing circuit with biasing voltage control. Starting from an overview of the main elements involved in the ion sensing technique for spark-controlled engines, Eldor’s application on their control unit is analyzed to find its flaws. After determining the targets to be pursued, possible solutions are proposed, first regarding the hardware structure and then the control system architecture. In particular, a circuital implementation is found to relax the switching transient, which caused coupled disturbances, and to achieve full controllability of the ion biasing voltage. The control system is optimized following a model-based approach, and a new algorithm for biasing voltage control is implemented. The developed solutions are tested and compared with the existing ones. Results confirmed the proposed changes, which have been introduced on the latest product.

Nel corso degli ultimi anni l’industria dell’automobile ha subito dei profondi cambiamenti. Le aziende sono state spinte a ricercare nuove tecnologie che permettano di migliorare efficienza e prestazioni, con lo scopo di ridurre l’impatto ambientale dei motori a combustione. In questo panorama, la Eldor Corporation si è distinta nella ricerca di soluzioni che offrano una più ampia possibilità di controllo sulla combustione. In particolare, la divisione di ricerca e sviluppo ha creato un innovativo circuito per lettura della corrente ionica con tensione di polarizzazione controllata. Questo lavoro ha lo scopo di superarne le attuali limitazioni per poterne sfruttare appieno le potenzialità. Inizialmente, vengono descritti i principali elementi coinvolti nella lettura della corrente ionica nei motori ad accensione comandata e, in seguito, viene analizzata la soluzione implementata da Eldor sulle sue ultime centraline, al fine di svelarne le criticità. Dopo aver individuato, in base a queste ultime, gli obiettivi di miglioramento, vengono proposte delle soluzioni prima a livello circuitale e successivamente a livello di sistema di controllo. Le modifiche hardware studiate permettono di ridurre i disturbi per accoppiamento, causati dalla commutazione del circuito, e di ottenere una migliore controllabilità della tensione di polarizzazione. Il sistema di controllo viene quindi ottimizzato, sfruttando la modellizzazione delle dinamiche di carica e scarica del condensatore ion per implementare un nuovo algoritmo. Infine, le soluzioni sviluppate sono testate e confrontate con le precedenti. I risultati delle prove hanno validato il lavoro svolto e le modifiche apportate sono state introdotte sulla nuova versione del prodotto.