CN101443927B - 用于驱动超声波压电致动器的设备和方法 - Google Patents

用于驱动超声波压电致动器的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于从DC电压驱动超声波压电致动器的设备，该设备还包括与致动器并行装配的、包括与选择开关(TR)串联的电容(CR)的阻抗匹配支路，所述选择开关在与待激励的致动器的选择开关(Si)相同的时间被闭合和打开，以使得匹配电容(CR)的端子上的电压(VR)和所选致动器的端子上的电压(Vpi)在喷射开始之前和结束之后几乎为零。它也涉及一种用于控制匹配开关(TR)的方法，该方法能够受益于触发喷射的脉冲串期间的电容电荷，同时防止串开始时的急剧放电。应用于机动车辆的引擎。

Description

用于驱动超声波压电致动器的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于驱动电驱动超声波压电致动器的设备，具体地涉及具有压电级的燃料喷射器，其是由机动车辆内燃机的电喷射计算机来驱动的。本发明还涉及用于驱动由所述设备控制的致动器的方法。
具体地说，本发明要解决的问题是为了优化对压电单元的控制所进行的阻抗匹配，所述压电单元用于使得超声波喷油器的结构振动，如本申请人提交的法国专利申请号9914548中所描述的那样。
背景技术
这种超声波喷射器还包括圆柱形喷嘴，向该喷嘴供给燃料，并且在该喷嘴的端部具有喷射口，以及使得该喷嘴周期性振动的装置，例如传感器，其包括陶瓷压电级，对其端子的电压进行变化从而以大约减速比、在对应于喷射器的打开和关闭的两个极端位置之间更改其厚度。喷射器陶瓷压电单元理想地等价于具有高充电电压的电容，所述电压大于100多伏特。
这种喷射器非常精细地以小滴喷射燃料，以确保准确的用量，并且小到足以确保被喷射燃料的完全的、均匀的汽化。为了更精细地喷射燃料，在喷嘴的前部进行超声波频率的振荡打开。必须生成高频交流信号以激励压电单元。
喷射器的驱动电路从DC电压源以大于十几kHz的高频Fpi在压电单元上生成大于一百多伏的周期性高电压Vpi，所述DC电压源在这种情况下是车辆的电池或电源DC转换器的输出。在机动车辆中，电源电压的值是12或42伏，其意味着增加该电压以对陶瓷单元充电和放电。
当前存在无变压器驱动设备，例如图1中所显示的，其由例如是车辆电池的DC电压源E供电，其端子B-接地并且其端子B+接所述DC电压的第一放大级E1。
内燃机的N个喷射器并行安装并且由每个都与喷射器Ii串行装配的选择开关Si顺次控制，其中N是整数，通常是4、6或12。电喷射计算机发送逻辑控制信号给每个选择开关以使得升压转换器的高压输出被正确地施加于所选喷射器的端子。
驱动设备包括由第一电感L1和斩波开关T1组成的第一支路B1，在其端子上逆并行地装配有续流二极管(freewheeling diode)d1。电感L1的第一端子连至DC电压源E而另一端子连至第二支路B2，该第二支路由与滤波电容C串联的整流二极管D组成，其端子上递送高电压Vboost，用以供给升压转换器的第二级E2。
所述第二级包括连至第二斩波开关T2的第二电感Lr和逆并行安装的第二续流二极管d2。
升压转换器以大于十几kHz的高频Fpi生成大于一百多伏的周期性高电压Vpi，从而激励超声波喷射器Ii。图2示出了喷射器的激励电压Vpi的时间表示。
电感Lr的值随着压电致动器的声激励共振的变化而变化，它被选择成使得电感被充电至足以产生约为1200V的高激励电压Vpi。至于滤波电容C，其大小使得其对于电压Vboost的升高具有很强的反应。
图2示出了在理论上电感Lr和所选喷射器的输入电容之间的这种自由共振。然而，在实际中，其由于压电喷射器的实际特性而衰减，这导致了如图3b所示的电压Vpi的可观测到的衰减，图3b是时间表示。非零电压实际上在开关T2闭合时被观测到，其反映为在该时刻在其端子处的电流高振荡。这个非零电压关联于电荷与电感Lr之间的共振的衰减特性。还应当指出，在喷射器中流通的电流Ir在衰减时受到严重干扰，如图3a所示。
为了获得开关T2切换时的零电压，共振电感的值被减小，例如从1MHz减小到200μH，并且开关T2的打开时间被减小，零电压对于促进切换以及减小晶体管损耗而言是优选的。因此，如图4a和4b所示，可以克服这种电压衰减和这种电流干扰。
然而，考虑电感/喷射器组件的临界衰减的电感Lr的这种设计导致了具有工作循环Ton/Toff的喷射器驱动波形，所述工作循环是打开时间和闭合时间之比，其小于1/2。这是一个非常明显的缺陷，因为喷射器的超声波发生器的放置以及因此的喷射器流量性能在工作循环等于或大于1/2时也变得较大。
问题因而是如何减小第二级中的斩波晶体管在其切换时的损耗和过度震荡，同时保持工作循环以保证喷射器的性能。
当前，压电喷射器不能以共振原理工作，但是它们呈现出与例如堆叠式电容的电容单元或例如不起作用的互连线的电感单元有关的共振现象。此外，它们呈现出较低的特征频率。在西门子的专利申请DE19931235中，所描述的发明提出切换电容电荷以增强瞬态电荷的操作。目的是改变特定信号的上升或下降沿的外观。然而，该发明的目的不是执行阻抗匹配以在其共振频率控制致动器。
发明内容
本发明的目的是通过以下操作来克服上述缺陷：当喷射器被驱动时向每个喷射器的端子添加电容电荷以改进共振信号的趋向，从而降低设备第二级的斩波晶体管的热损耗和老化并且提高共振器的性能。其还可以向等于1/2的理想工作循环收敛而不会出现临界衰减。
为此，本发明的第一目的是一种用于驱动至少一个超声波压电致动器的设备，所述致动器从控制计算机和DC电压源被电驱动，所述设备包括用于放大所述电压以生成高电压的第一级，和由所述高电压供电的、用于生成电流源以供给与可由所述计算机控制的选择装置相关联的喷射器的第二级，其特征在于，它还包括阻抗匹配支路，该支路包括与选择开关串联的、与所述致动器并行安装的无功电容，所述无功电容的选择开关在所述致动器的选择开关被激励时被控制计算机闭合和打开。
根据所述驱动设备的另一特征，所述无功电容被设计成增加喷射器/无功电容组件的容量，所述组件应当与放大级的电感共振并且以至少等于1/2的工作循环提供AC激励电压。
本发明的第二目的是一种用于驱动几个超声波压电致动器的方法，所述致动器由根据上述特征的设备控制，以使得阻抗匹配支路的开关的打开在喷射结束控制时刻之后以及新喷射控制时刻之前的时刻被控制，同时所述驱动设备的第二级的开关在一时间段之后不再是激活的，所述时间段是基于这样的时刻而定义的：在该时刻，匹配电容端子上的电压和所选致动器端子上的电压为零或远小于该致动器的激励电压的时刻而限定的，所述无功电容保持在两个喷射串持续时间(injection train of duration)之间的几乎为零的电荷。
根据所述驱动方法的另一特征，所述阻抗匹配支路的开关的闭合必须一方面在所述驱动设备的第二级的开关闭合时刻之后发生，另一方面在其打开时刻之前发生，以使得所述时刻之间的间隔取决于开关技术并且被确定成使得所述匹配电容的端子上的电压和所选致动器的端子上的电压为零或远小于所述致动器的激励电压，所述无功电容保持两个喷射串持续时间之间的几乎为零的电荷。
附图说明
参考附图，通过阅读下面的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中，除了已描述的附图1、2、3a和3b以及4a和4b之外：
-图5是根据本发明的用于驱动超声波压电致动器的设备的示例性实施例的电路图；
-图6a至6d是喷射控制信号和致动器激励电压的时间表示。
具体实施方式
图5重复示出了图1的设备的配置，即电压源E向所述电压的第一放大级E1供电以生成用于电流源ir的第二级E2的端子上的高电压Vboost，所述电流源用于馈送压电喷射器Ii。这些并行安装的喷射器是由可以用车辆喷射计算机控制的开关Si来选择的。
用于生成高电压Vboost的第一级包括两个支路，第一支路B1包括电感L1和与二极管d1并联的斩波开关T1，所述二极管是逆并行地被装配的。
在地面与电感L1和开关T1的接合点J之间安装有第二支路B2，该第二支路包括与滤波电容C串联的整流二极管D，其端子上递送高电压Vboost以供给第二级E2。后者包括第二电感Lr和第二斩波开关T2。第二续流二极管与该开关T2的端子逆并行地安装。
本发明的主要特征在于添加与斩波开关T2并行安装的阻抗匹配支路BAI，该支路包括与选择开关TR关联的无功电容CR，所述选择开关在喷射计算机选择了喷射器的选择开关Si时被打开和闭合。这个包括电容CR和开关TR的附加支路被装配在喷射器选择支路的端子上以辅助其电压驱动。控制设备的两个第一级的其他拓扑也适用于本发明。
无功电容CR被设计成提高喷射器/无功电容组件的容量，该组件应当与放大级的电感共振并且提供AC激励电压给具有可达到值1/2的工作循环的喷射器。
本发明提出了一种控制这个附加支路的开关TR的方法，其能够受益于触发喷射的脉冲串期间的电容电荷，同时防止在脉冲串开始时的突发放电。为此，在基于为使其没有时间再次上升很高而对所选喷射器端子上的电压Vpi以及匹配电容CR端子上的电压VR的取消所确定的时间段do之后，在喷射结束命令之后命令打开开关TR，喷射器驱动设备的第二级的斩波开关T2保持打开，而开关TR的闭合相对于开关T2的闭合延迟了时间段dF以使得这些相同的电压VR和Vpi在喷射开始时几乎为零。匹配无功电容CR因而保持两个喷射串持续时间Dt之间几乎为零的电荷，其急剧放电的问题因而被避免。
图6a示出了控制喷射持续时间的信号SCI，其开始于时刻t0而结束于时刻t3，图6b示出了控制驱动设备第二级的信号ST2，其开始于时刻t0并且包括几个持续时间为D且周期为Tcom的脉冲，应当在开关T2的打开脉冲期间命令结束喷射，也就是说当所选喷射器的端子上的电压Vpi为正时。
图6c示出了控制喷射器的选择开关Si和与匹配电容关联的开关TR的信号STR，并且所选喷射器的端子上的电压Vpi和匹配电容的端子上的VR在图6d中被示出。从喷射结束命令后的时刻t4开始，所选喷射器的端子上的电压Vpi为零或远小于激励电压Vboost，大约为后者的1/10。
控制喷射器的选择开关Si和匹配支路的开关TR的信号STR开始于与控制喷射开始的时刻t0不同的时刻t1，其中它由时间间隔dF隔开，并且所述开关的打开是在时刻t5被命令的，这迟于取消所选喷射器端子上的电压Vpi的时刻t4，该电压已经导致新的喷射命令。这两个时刻t4和t5被时间间隔do隔开，该时间间隔小于施加于喷射器驱动设备的第二级的斩波开关T2的控制周期Tcom的1/10。
喷射结束命令可以在时刻t3、仅在驱动设备第二级的开关T2的打开阶段期间发生，喷射器的选择开关Si和与匹配电容CR关联的开关TR在时刻t5被打开，这迟于时刻t3和t4而早于新的喷射命令，同时开关T2不再被激活。
关于匹配开关TR的闭合的时刻t1，它一方面必须在驱动设备第二级的开关T2闭合的时刻t0之后发生，因为其技术由于喷射开始稍微延迟而并没有真正在时刻t0闭合，另一方面必须在其打开的时刻t2之前发生以使得时刻t0与t1之间的时间间隔dF取决于开关T2的技术。
根据本发明，一方面从喷射结束命令之后的时刻t4开始，另一方面在开关TR闭合的时刻t2之前，图6d所示的所选喷射器端子上的电压Vpi和匹配电容端子上的电压VR为零或远小于激励电压Vboost，大约为其1/10。存储于所选压电喷射器的电容中以及匹配电容中的能量于喷射开始时在选择开关Si和开关TR闭合时、以及于喷射结束时当它们在时刻t5打开时释放。
元件寿命被延长并且对应于开关的切换动作的热耗散被最小化，同时控制工作循环尽可能接近于1/2从而保持良好的喷射性能特征。

Claims (9)

1.一种用于驱动几个超声波压电喷射器的设备，所述喷射器是从控制计算机和DC电压源被电驱动的，所述设备包括用于放大所述DC电压源以生成高电压Vboost的第一放大级，以及由所述高电压Vboost馈送的、用于生成电流源以馈给与由所述计算机控制的选择装置关联的喷射器的第二级，其特征在于，它还包括阻抗匹配支路，所述阻抗匹配支路包括选择开关TR和与该选择开关TR串联的、与所述喷射器并行装配的匹配无功电容CR，所述阻抗匹配支路的所述选择开关TR在与待激励的所述喷射器的选择开关Si相同的时间由所述控制计算机闭合和打开。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述匹配无功电容CR被设计成提高喷射器的容量，所述喷射器应当与所述放大级的电感Lr共振并且以至少等于1/2的工作循环供给喷射器的端子上的激励电压Vpi，其中所述工作循环是所述喷射器的打开时间与闭合时间之比。
3.一种用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，所述喷射器由如权利要求1和2所述的设备控制，其特征在于，所述阻抗匹配支路的选择开关TR的打开是在比取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的时刻t4迟的时刻t5被控制的，取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的所述时刻本身又迟于喷射结束控制时刻t3，同时所述设备的第二级的开关T2不是激活的，在取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的时刻t4与它之后的时刻t5之间的时间间隔do被定义为使得所述匹配无功电容CR的端子上的电压VR以及所述喷射器的端子上的激励电压Vpi为零或远小于高电压Vboost，所述匹配无功电容CR保持在两个喷射串持续时间Dt之间的几乎为零的电荷。
4.根据权利要求3所述的用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，其特征在于，所述阻抗匹配支路的选择开关TR的闭合必须在这样的时刻t1进行：一方面迟于所述设备的第二级的开关T2闭合的时刻t0，另一方面早于其打开的时刻t2，以使得在闭合所述设备的第二级的开关的时刻t0与它之后的时刻t1之间的时间间隔dF取决于所述设备的第二级的开关T2的特性并且被确定为使得所述匹配无功电容CR的端子上的电压VR以及所述喷射器的端子上的激励电压Vpi为零或远小于所述高电压Vboost，所述匹配无功电容CR保持在两个喷射串持续时间Dt之间的几乎为零的电荷。
5.根据权利要求4所述的用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，其特征在于，在取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的时刻t4与它之后的时刻t5之间的时间间隔do是基于取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的所述时刻t4而被定义的，并且所述时间间隔dF是基于所述驱动设备的第二级的开关T2的闭合时刻t0而被定义的，以使得所述匹配电容CR的端子上的电压VR和所述喷射器的端子上的激励电压Vpi为零。
6.根据权利要求4所述的用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，其特征在于，在取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的时刻t4与它之后的时刻t5之间的时间间隔do是基于取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的所述时刻t4而被定义的，并且所述时间间隔dF是基于所述驱动设备的第二级的开关T2的闭合时刻t0而被定义的，以使得所述匹配电容CR的端子上的电压VR和所述喷射器的端子上的激励电压Vpi远小于所述高电压Vboost，其分别在喷射结束和开始时大约为该高电压Vboost的1/10。
7.根据权利要求5所述的用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，其特征在于，在取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的所述时刻t4与打开所述阻抗匹配支路的开关TR的所述时刻t5之间的时间间隔do小于施加于所述喷射器驱动设备的第二级的开关T2的控制周期Tcom的1/10。
8.根据权利要求6所述的用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，其特征在于，在取消所述喷射器的端子上的激励电压Vpi的所述时刻t4与打开所述阻抗匹配支路的开关TR的所述时刻t5之间的时间间隔do小于施加于所述喷射器驱动设备的第二级的开关T2的控制周期Tcom的1/10。
9.根据权利要求3所述的用于驱动几个超声波压电喷射器的方法，其特征在于，该方法适于驱动具有压电级的燃料喷射器，该喷射器是由机动车辆中的内燃机的电喷射计算机驱动的。
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