EP1398487B1 - Dispositif et procédé de commande d'injecteur piézo-électrique - Google Patents

Dispositif et procédé de commande d'injecteur piézo-électrique Download PDF

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EP1398487B1
EP1398487B1 EP20030292209 EP03292209A EP1398487B1 EP 1398487 B1 EP1398487 B1 EP 1398487B1 EP 20030292209 EP20030292209 EP 20030292209 EP 03292209 A EP03292209 A EP 03292209A EP 1398487 B1 EP1398487 B1 EP 1398487B1
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EP
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voltage
stage
transducer
control
switch
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EP20030292209
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EP1398487A1 (fr
Inventor
Christophe Ripoll
André AGNERAY
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Renault SAS
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Renault SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors

Definitions

  • the invention relates to the field of fuel injection control for an internal combustion engine intended for example to equip a motor vehicle.
  • the invention more particularly relates to a fuel injection control for atomizing the injected fuel in the form of very fine droplets.
  • the fuel injection devices currently used on internal combustion engines fitted to motor vehicles or road vehicles operate conventionally on the model of a valve whose open or closed state is permanently controlled, the dosage of the fuel injected then being done directly by the opening time.
  • Such injection systems comprise an electric fuel supply pump which supplies, through the channel of a distribution manifold, all the injectors under pressure having a constant difference with the pressure prevailing in the intake manifold. thanks to a pressure regulator.
  • a pressure regulator By electronically controlling the electromagnet actuating the valve of each injector, it controls the start and the opening time thereof and then determines a precise fuel flow for each of the injectors.
  • the amount of fuel injected depends solely on the opening time of the electro-injectors.
  • the injectors of the electromagnetically controlled needle type which are the most commonly used, however, have limits which slow down the improvement of engine performance, especially in terms of pollution control.
  • the time taken to open or close the needles are still too high, about 1 to 2 ms, which prevents the distribution of the injection correctly throughout the opening time of the valve.
  • the minimum opening time which determines the minimum dose of fuel that can be injected, is still too important for certain operating points of the engine.
  • Known needle injectors also have injection orifices of relatively large diameters to allow the required quantities of fuel to be discharged for operation at full load and high speeds of the engines. This arrangement generates fuel jets having drops of large dimensions, which slows the vaporization of the fuel (and therefore the preparation of the fuel mixture) and is able to promote the phenomenon of wall wetting.
  • the non-vaporized fuel tends to be deposited on the walls of the intake duct or the direct injection combustion chamber.
  • Such a deposit causes metering problems, particularly acute transients for lack of knowledge of the amount of fuel that actually enters the corresponding combustion chamber.
  • This wetting phenomenon is one of the important causes of high pollutant emissions during cold engine starts.
  • the document FR-A-2 801 346 discloses a fuel injection device for an internal combustion engine equipped with an injector comprising a nozzle supplied with fuel and at the end of which is provided an injection orifice, means for cyclically vibrating the nozzle such as a transducer controlled in duration and intensity by the electronic engine control system, and shutter means biased by elastic return means against the end of the nozzle, said elastic return means being formed by a rod passing through the body the injector to a cavity located at the opposite end relative to the injection orifice, said rod cooperating with a mass and damping means housed in said cavity, the vibrating of the nozzle and shutter means for ejecting a predetermined amount of fuel.
  • the invention proposes a control device making it possible to make the most of such an injector.
  • the invention provides an injector control device for optimal combustion of the injected fuel while remaining simple and economical structure.
  • control device for at least one injector equipped with at least one transducer able to move on receipt of an electric control, the device comprising a means for generating a control signal defined by at least one voltage, a frequency and a duration of injection. At least one of the voltage or frequency variables is a variable setpoint according to instructions received by the control device.
  • the injection duration is, in addition, a variable instruction according to instructions received by the control device.
  • the voltage and the frequency are instructions varying according to instructions received by the control device.
  • the device comprises means for selecting a transducer for a determined duration T, and means for supplying said transducer during said duration T with a modulated voltage able to move said transducer between two opposite positions.
  • the device comprises a first stage provided with switching means for adapting the voltage.
  • the switching means may comprise an input inductor, a branch connected between the output of the inductor and the ground and comprising an electronic switch, and a second branch parallel to the first and comprising a diode and a filter capacitor mounted in series, the output of the first stage being taken at the common point between the diode and the capacitor of the second branch.
  • the electronic switch may comprise a transistor and a diode mounted in antiparallel.
  • the device comprises a second stage comprising an inductance and an electronic switch connected in series, the point common to the inductor and to the switch forming the output of the second stage, the other terminal the inductance forming the input of the second stage, and the other terminal of the switch being connected to ground.
  • the electronic switch may comprise a transistor and a diode mounted in antiparallel.
  • the output of the first stage is advantageously connected to the input of the second stage and the mass is common.
  • the device comprises a third stage comprising, for each transducer, an electronic switch connected in series with said transducer.
  • the electronic switch may comprise a transistor and a diode mounted in antiparallel.
  • the output of the second floor can be connected to the entrance of the third floor and the common ground.
  • a plurality of transducers are connected in parallel.
  • the device comprises a control computer adapted to control power components.
  • the computer can receive a voltage setpoint from outside the device.
  • the computer then generates control signals from the electronic switch of the first stage and the electronic switch or switches of the third stage.
  • the device may comprise a means for generating the control signal of the electronic switch of the second stage, said generation means being provided with a resistance voltage divider connected to the output of the second stage and to the ground, of a PID comparator-regulator having an input connected to the output of the voltage divider, and an input connected to an output of the computer, and a pulse width modulation element whose input is connected to the output of the regulator and the output is connected to the control input of the electronic switch of the second stage.
  • the computer can generate a setpoint as a function of measurements coming from outside the device, and control signals of the electronic switch (s) of the third stage.
  • the device may comprise means for generating the control signals of the electronic switches of the first and second stages, said generation means comprising a frequency sensor of the output of the second stage, a frequency / voltage converter whose input is connected to the output of the frequency sensor, a comparator-PID controller having an input connected to the output of the frequency / voltage converter and an input is connected to the output of the computer, and a pulse width modulation element whose input is connected to the output of the regulator, an output is connected to the control input of the switch of the first stage and another output is connected to the control input of the switch of the second stage.
  • said generation means comprising a frequency sensor of the output of the second stage, a frequency / voltage converter whose input is connected to the output of the frequency sensor, a comparator-PID controller having an input connected to the output of the frequency / voltage converter and an input is connected to the output of the computer, and a pulse width modulation element whose input is connected to the output of the regulator, an output is connected to the control input of the switch of the first stage and
  • the pulse width modulation element may comprise an output voltage controlled oscillator (VCO) which is mounted a variable frequency pulse width generation module.
  • VCO output voltage controlled oscillator
  • the device comprises means for selecting a transducer for a determined duration T and means for supplying said transducer during said duration T with a modulated voltage able to move said transducer between two opposite positions.
  • the device may include means for varying the duration T, means for varying the modulation frequency of the voltage, and means for varying the modulated voltage.
  • a control device 1 is powered by a voltage source 2, for example the battery of the vehicle in which it is mounted, or more generally the electrical network of the vehicle, for example of the 12 or 42 volt continuous type or alternatively type .
  • the control device 1 is intended to supply four piezoelectric injectors represented by the same symbol as a capacitor because of the electrical characteristics of a piezoelectric cell which is similar to that of a capacitor and referenced 3 to 6.
  • the control device 1 itself is equipped with three power levels referenced 7 to 9, a control computer 10 and a control signal generation interface referenced 11 and arranged between the computer 10 and the second stage. 8, the computer issuing control signals directly to the first stage 7 and the third stage 9.
  • the first stage 7, intended for cutting comprises an input 12 connected to the voltage source 2 and an output 13 connected to the second stage 8.
  • the first stage 7 comprises an inductor 14 connected to the input 12 and an electronic switch 15 mounted in series with the inductor 14, the point common to the inductor 14 and the switch 15 being marked 16, the other terminal of the switch 15 being connected to ground.
  • the switch 15 comprises a transistor 17 provided with a control input 18 and a diode 19 mounted in antiparallel.
  • a transistor bidirectional current type In the case illustrated, the transistor 17 could be of the MOS type.
  • the output 13 of the first stage 7 is taken at the common point between the diode 20 and the capacitor 21.
  • the second stage 8 comprises an inductor 22 and an electronic switch 23 connected in series between the input of the second stage 8 connected to the output 13 of the first stage 7 and the ground.
  • the switch 23 may be of a type similar to the switch 15 with a transistor 24 equipped with a control input 25 and a diode 26 mounted in antiparallel.
  • the common point between the inductor 22 and the electronic switch 23 forms the output 27 of the second stage 8.
  • the other terminal of the electronic switch 23 is connected to ground.
  • the output 27 of the second stage 8 is connected to first terminals of the injectors 3 to 6 which are electrically connected in parallel.
  • the opposite terminals of the injectors 3 to 6 are connected to the third stage 9.
  • the third stage 9 comprises four electronic switches 28 to 31, each connected in series respectively with an injector 3, 4, 5, 6.
  • Each electronic switch 28 to 31 comprises a structure similar to that of the switch 15, namely a transistor, for example of the MOS type, and a diode mounted in antiparallel.
  • the terminals of the electronic switches 28 to 31 opposite the injectors 3 to 6 are connected to ground.
  • Each control input of the electronic switches 28 to 31 is connected to the computer 10.
  • the computer 10 receives as input a voltage setpoint and is provided with six outputs intended respectively for the control input 18 of the electronic switch 15 of the first stage 7, the interface 11 and the control inputs of the electronic switches 28 at 31 of the third floor 9.
  • the interface 11 comprises a resistance divider comprising a resistor 32 and a resistor 33 connected in series between the output 27 of the second stage 8 and the ground, the divided voltage being taken at the common point between said resistors 32 and 33.
  • the interface 11 also comprises a comparator-regulator, for example of the PID type, provided with an input connected to the computer 10, another input receiving the divided voltage coming from the common point to the resistors 32 and 33 and a connected output to a pulse width modulation element 35 which is also part of the interface 11.
  • the element 35 sends a control signal to the control input 25 of the switch 23 of the second stage 8.
  • the number of injectors is related to the number of cylinders of the motor vehicle and will therefore generally be between 1 and 12. Of course, it is quite possible to provide a plurality of injectors per cylinder.
  • the control device 1 makes it possible to generate a periodic high voltage which may be greater than a hundred volts at a high frequency, typically greater than about ten kiloHertz, on the piezoelectric cell of an injector from the source of voltage 2.
  • the switches 28 to 31 are used to select the injector to be activated.
  • the switch 15 of the first stage 7 makes it possible to cut a DC input voltage and the switch 23 of the second stage 8 makes it possible to determine a waveform of the pulse width modulation type.
  • the first curve shows the voltage C 28 on the control input of the switch 28, the second curve the voltage C 29 on the control input of the switch 29, the third curve the voltage C 30 on the control input of the switch 30 and the fourth curve the voltage C 31 on the control input of the switch 31.
  • the control voltages are in the form of slots, variable width and constant height. In other words, the control voltage is fixed and the duration of selection of the switches of the third stage and therefore of the corresponding injector is variable. In addition, it is expected that only one injector is selected at the same time and that a delay is provided between two injector selections.
  • the fifth curve shows the voltage V 3 across the injector 3
  • the sixth curve shows the voltage V 5 across the injector 5
  • the seventh curve shows the voltage V 4 across the injector 4
  • the eighth curve shows the voltage V 6 across the injector 6.
  • the voltage across an injector is zero until said injector is not selected.
  • an injector for example the injector 3, it sees a voltage corresponding to the positive half of a sinusoidal or simply periodic signal, when the corresponding switch is on.
  • the frequency and the voltage of the sinusoidal signal are fixed. However, it is advantageous, in certain cases, to be able to vary the duration of activation T, and / or the frequency of the periodic signal, and / or the voltage of the periodic signal.
  • the voltage of the source 2 is transformed by the stages 7, 8 and 9, into an alternating voltage at the terminals of the injectors, characterized by the peak voltage V, the frequency F and the duration T, and, this for each injector.
  • the setpoint received by the computer 10 may be provided by control laws coming from another software layer or from another computer whose values depend on the state of the vehicle, in particular the engine, the speed, the acceleration, etc., and the type of combustion desired.
  • the interface 11 provides modulation of the pulse width of the supply voltage of each injector.
  • the first curve of the figure 3 shows the voltage V 13 at point 13, at the entrance of the first stage 7 which is here continuous.
  • the second curve of the figure 3 shows the voltage V 25 on the control input 25 of the electronic switch 23, which is in the form of crenellations.
  • the third curve of the figure 3 shows the evolution of the current I 22 in the inductor 22, and the fourth curve of the figure 3 shows the voltage V 27 at the output 27 of the second stage 8.
  • the voltage V 27 is taken by the interface 11 to supply the resistors 32 and 33, and allow a voltage comparison with the signal received by the computer 10.
  • the voltage V 27 supplies the injectors 3 to 6 and more precisely the injector selected by the third stage 9.
  • the voltage control parameters V 27 are the conduction angles of the switches 15 and 23.
  • the second stage 8 is designed and controlled so that the voltage V 27 is generated as follows.
  • the switch 23 is controlled so that when it closes, the inductor 22 is charged for a certain period of time, and then when said switch 23 is off, the voltage across a selected injector describes a pulse of sinusoidal shape.
  • the peak voltage V 27 depends on the energy stored in the inductor 22 and the voltage V 13 at the input of the second stage 8.
  • the duration of the closing of the switch 15 is set so that the voltage V 13 is input the second stage 8 is maintained and that the output voltage V 27 of the second stage 8 is obtained by controlling the charging duration of the inductor 22.
  • the peak voltage V 27 is therefore a function of the conduction angles of the switch 23.
  • the voltage V 18 here has a form of regularly spaced slots which ensures, through the filter capacitor 21, a voltage V 13 output of the first stage 7 continues.
  • the voltage V 13 can be increased by increasing the opening times of the switch 15, and vice versa.
  • the voltage V 25 is in the form of slot width and variable interval, allowing to vary the peak value of the voltage V 27.
  • the voltage setpoint received by the computer 10 is translated into a voltage setpoint received by the interface 11.
  • the voltage V 27 at the output of the second stage 8 is measured by the resistor divider and compared to the setpoint received by the interface. 11.
  • the error is amplified by the comparator-regulator 34 whose output is used to generate the pulse width modulation signal necessary to control the switch 23 of the second stage 8.
  • the function linking the peak voltage of the voltage V 27 and the set voltage V 25 can be achieved by calibration or system characterization for each injector. It thus benefits from a regulation of the peak voltage injectors simple to implement, a single parameter used to control it.
  • the voltage setpoint is variable according to the needs of the system and reflected by the waveform computer 10 characterized by the peak excitation voltage of the piezoelectric cells of the injectors 3 to 6.
  • the control device 1 is equipped with means for controlling the voltage of the injectors 3 to 6, namely the loops. counter-reaction and the necessary sensors, in order to enslave the injectors in tension.
  • frequency control can also have advantages.
  • the control device 1 comprises a frequency sensor 36 mounted on the output 27 of the second stage 8 and connected to a frequency / voltage converter 37 whose output is sent to an input of the comparator-regulator 34 whose other input is, as on the figure 1 , connected to an output of the computer 10.
  • the output of the comparator 34 is sent to a module 38 which generates the control voltages of the inputs 18 and 25 of the switches 15 and 23, respectively.
  • the module 38 comprises a voltage controlled oscillator (VCO) 39 connected to the output of the comparator 34 and a pulse width modulation element 40 mounted at the output of the oscillator 39 and generating said control voltages.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • the frequency of the pulse width modulation is included in a frequency feedback loop enabling the device to be slaved to the desired switching frequency.
  • the frequency reference is variable according to the needs of the system and is reflected by the calculator 10 waveform characterized by the excitation frequency of the injectors.
  • the control device is equipped with means of frequency control of the piezoelectric cells of the injectors, namely the feedback loops and the sensors necessary for this feedback to ensure frequency control.
  • the excitation frequency may be greater or less than the mechanical resonance frequency of the injectors, in order to control the fuel injection quality.
  • the control time T can be determined by means of a counter so that the voltage excitation time of the injectors is the desired injection time for each injector by the computer.
  • the setpoint injection duration T is variable according to the needs of the system and reflected by the control computer of the wave-shaped injectors, characterized by the duration of excitation of the piezoelectric injectors 3 to 6.
  • the device of command 1 is then equipped with servocontrol means T excitation time of the piezoelectric injectors, namely the feedback loops and the sensors necessary for the feedback.
  • the invention makes it possible to control the quantity of fuel injected by electrical control parameters at the terminals of the injectors whose fuel flow characteristics are a function of said control parameters.
  • the control can be achieved by the combination of the injector control means, in particular the frequency, the voltage and the injection duration.
  • the control means depend essentially on the electronic topology, independently of the injectors.

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Description

  • L'invention se rapporte au domaine de la commande d'injection de carburant pour moteur à combustion interne destiné par exemple à équiper un véhicule automobile.
  • L'invention concerne plus particulièrement une commande d'injection de carburant permettant d'atomiser le carburant injecté sous forme de très fines gouttelettes.
  • Les dispositifs d'injection de carburant utilisés aujourd'hui sur les moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles ou routiers, fonctionnent classiquement sur le modèle d'une vanne dont on commande en permanence l'état ouvert ou fermé, le dosage du carburant injecté se faisant alors directement par le temps d'ouverture.
  • De tels systèmes d'injection comprennent une pompe électrique d'alimentation en carburant qui alimente, par le canal d'une rampe de distribution, l'ensemble des injecteurs sous une pression présentant une différence constante avec la pression régnant dans le collecteur d'admission grâce à un régulateur de pression. En contrôlant électroniquement l'électro-aimant actionnant la soupape de chaque injecteur, on commande le début et la durée d'ouverture de celle-ci et on détermine alors un débit précis de carburant pour chacun des injecteurs. Ainsi, la quantité de carburant injectée dépend uniquement du temps d'ouverture des électro-injecteurs.
  • Les injecteurs du type à aiguille commandée électromagnétiquement, qui sont les plus communément employés, présentent toutefois des limites qui freinent l'amélioration des performances des moteurs, notamment en terme de dépollution. En particulier, les temps mis pour ouvrir ou fermer les aiguilles sont encore trop élevés, environ 1 à 2 ms, ce qui empêche de répartir correctement l'injection sur tout le temps d'ouverture de la soupape. De plus, le temps minimum d'ouverture, qui détermine la dose minimale de carburant pouvant être injecté, est encore trop important pour certains points de fonctionnement du moteur.
  • Les injecteurs à aiguille connus présentent par ailleurs des orifices d'injection de diamètres relativement importants pour permettre de débiter les quantités requises de carburant pour les fonctionnements à pleine charge et hauts régimes des moteurs. Cette disposition génère des jets de carburant présentant des gouttes de fortes dimensions, ce qui freine la vaporisation du carburant (et donc la préparation du mélange carburé) et est à même de favoriser le phénomène de mouillage de paroi.
  • En effet, le carburant non vaporisé tend à se déposer sur les parois du conduit d'admission ou de la chambre de combustion en injection directe. Un tel dépôt entraîne des problèmes de dosage, particulièrement aigus dans les transitoires par manque de connaissance de la quantité de carburant qui rentre effectivement dans la chambre de combustion correspondante. Ce phénomène de mouillage des parois est l'une des causes importantes des fortes émissions de polluants lors des démarrages à froid des moteurs.
  • Par ailleurs, avec un injecteur classique à aiguille, à l'ouverture de l'aiguille lorsque cette dernière commence à quitter son siège, il se forme une bulle de liquide qui disparaît lorsque l'aiguille est complètement levée, l'écoulement du fluide se régularisant alors. Ce changement dans la nature de l'écoulement rend impossible tout contrôle précis du débit instantané de l'injecteur.
  • Certains ont cherché à résoudre ces différents problèmes, en développant des injecteurs utilisant des actuateurs piézo-électriques pour manoeuvrer l'aiguille de façon à abaisser la durée d'ouverture et de fermeture de l'aiguille, mais de tels systèmes qui fonctionnent toujours selon le principe d'une vanne, conservent des inconvénients importants liés notamment à la dispersion importante affectant la taille des gouttes dans le jet de carburant au sortir du nez de l'injecteur.
  • L'ensemble des problèmes cités précédemment se solde donc par une vaporisation du carburant pouvant être incomplète et non homogène lors de la préparation du mélange carburé dans la chambre de combustion, des dosages imprécis, avec pour conséquence une combustion incomplète se traduisant par la formation d'une quantité élevée de gaz polluants et un déficit énergétique altérant le rendement du moteur.
  • Le document FR-A-2 801 346 décrit un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne équipé d'un injecteur comportant une buse alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection, des moyens de mise en vibration cyclique de la buse tels qu'un transducteur piloté en durée et en intensité par le système électronique de contrôle moteur, et des moyens obturateurs rappelés par des moyens élastiques de rappel contre l'extrémité de la buse, lesdits moyens élastiques de rappel étant formés par une tige traversant le corps de l'injecteur jusqu'à une cavité située à l'extrémité opposée par rapport à l'orifice d'injection, ladite tige coopérant avec une masse et des moyens d'amortissement logés dans ladite cavité, la mise en vibration de la buse et des moyens obturateurs assurant l'éjection d'une quantité de carburant prédéterminée.
  • L'invention propose un dispositif de commande permettant de tirer le meilleur parti d'un tel injecteur.
  • L'invention propose un dispositif de commande d'injecteur permettant une combustion optimale du carburant injecté tout en restant de structure simple et économique.
  • Le dispositif de commande, selon un aspect de l'invention, selon le texte de la revendication 1 est destiné à au moins un injecteur équipé d'au moins un transducteur apte à se déplacer à réception d'une commande électrique, le dispositif comprenant un moyen pour générer un signal de commande défini par au moins une tension, une fréquence et une durée d' injection. L'une au moins des variables de tension ou de fréquence est une consigne variant en fonction d'instructions reçues par le dispositif de commande.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, la durée d'injection est, en outre, une consigne variant en fonction d'instructions reçues par le dispositif de commande.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, la tension et la fréquence sont des consignes variant en fonction d'instructions reçues par le dispositif de commande.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un moyen pour sélectionner un transducteur pendant une durée déterminée T, et un moyen pour alimenter ledit transducteur pendant ladite durée T avec une tension modulée apte à déplacer ledit transducteur entre deux positions opposées.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un premier étage pourvu de moyens de découpage pour adapter la tension. Les moyens de découpage peuvent comprendre une inductance d'entrée, une branche montée entre la sortie de l'inductance et la masse et comprenant un interrupteur électronique, et une deuxième branche parallèle à la première et comprenant une diode et un condensateur de filtrage monté en série, la sortie du premier étage étant prise au point commun entre la diode et le condensateur de la deuxième branche. L'interrupteur électronique peut comprendre un transistor et une diode montés en anti-parallèle.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un deuxième étage comprenant une inductance et un interrupteur électronique montés en série, le point commun à l'inductance et à l'interrupteur formant la sortie du deuxième étage, l'autre borne de l'inductance formant l'entrée du deuxième étage, et l'autre borne de l'interrupteur étant reliée à la masse. L'interrupteur électronique peut comprendre un transistor et une diode montés en anti-parallèle. La sortie du premier étage est avantageusement reliée à l'entrée du deuxième étage et la masse est commune.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un troisième étage comprenant, pour chaque transducteur, un interrupteur électronique monté en série avec ledit transducteur. L'interrupteur électronique peut comprendre un transistor et une diode montés en antiparallèle. La sortie du deuxième étage peut être reliée à l'entrée du troisième étage et la masse commune.
  • Avantageusement, une pluralité de transducteurs sont montés en parallèle.
  • De préférence, le dispositif comprend un calculateur de commande apte à commander des composants de puissance. Le calculateur peut recevoir une consigne de tension en provenance de l'extérieur du dispositif. Le calculateur génère alors des signaux de commande de l'interrupteur électronique du premier étage et du ou des interrupteurs électroniques du troisième étage.
  • Le dispositif peut comprendre un moyen de génération du signal de commande de l'interrupteur électronique du deuxième étage, ledit moyen de génération étant pourvu d'un diviseur de tension à résistance relié à la sortie du deuxième étage et à la masse, d'un comparateur-régulateur PID dont une entrée est reliée à la sortie du diviseur de tension, et une entrée est reliée à une sortie du calculateur, et d'un élément de modulation de largeur d'impulsions dont l'entrée est reliée à la sortie du régulateur et la sortie est reliée à l'entrée de commande de l'interrupteur électronique du deuxième étage.
  • Le calculateur peut générer une consigne en fonction de mesures en provenance de l'extérieur du dispositif, et des signaux de commande du ou des interrupteurs électroniques du troisième étage.
  • Le dispositif peut comprendre un moyen de génération des signaux de commande des interrupteurs électroniques des premier et deuxième étages, ledit moyen de génération comprenant un capteur de fréquence de la sortie du deuxième étage, un convertisseur fréquence/tension dont l'entrée est reliée à la sortie du capteur de fréquence, un comparateur-régulateur PID dont une entrée est reliée à la sortie du convertisseur de fréquence/tension et une entrée est reliée à la sortie du calculateur, et un élément de modulation de largeur d'impulsions dont l'entrée est reliée à la sortie du régulateur, une sortie est reliée à l'entrée de commande de l'interrupteur du premier étage et une autre sortie est reliée à l'entrée de commande de l'interrupteur du deuxième étage.
  • L'élément de modulation de largeur d'impulsion peut comprendre un oscillateur commandé en tension (VCO) en sortie duquel est monté un module de génération de largeur d'impulsions à fréquence variable.
  • Avantageusement, le dispositif comprend un moyen pour sélectionner un transducteur pendant une durée déterminée T et un moyen pour alimenter ledit transducteur pendant ladite durée T avec une tension modulée apte à déplacer ledit transducteur entre deux positions opposées. Le dispositif peut comprendre un moyen pour faire varier la durée T, un moyen pour faire varier la fréquence de modulation de la tension, et un moyen pour faire varier la tension modulée.
  • La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés; sur lesquels :
    • la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif de commande selon un aspect de l'invention ;
    • les figures 2 à 4 montrent des formes d'onde du dispositif de commande de la figure 1 ; et
    • la figure 5 est un schéma électrique d'un dispositif de commande selon un autre aspect de l'invention.
  • Comme on peut le voir sur la figure 1, un dispositif de commande 1 est alimenté par une source de tension 2, par exemple la batterie du véhicule dans lequel il est monté, ou plus généralement le réseau électrique du véhicule, par exemple de type continu 12 ou 42 volts ou encore de type alternatif.
  • Le dispositif de commande 1 est prévu pour alimenter quatre injecteurs piézo-électriques représentés par le même symbole qu'un condensateur en raison des caractéristiques électriques d'une cellule piézo-électrique qui est similaire à celle d'un condensateur et référencés 3 à 6.
  • Le dispositif de commande 1 proprement dit est équipé de trois étages de puissance référencés 7 à 9, d'un calculateur de pilotage 10 et d'une interface d'élaboration de signaux de commande référencée 11 et disposée entre le calculateur 10 et le deuxième étage 8, le calculateur émettant des signaux de commande directement vers le premier étage 7 et le troisième étage 9.
  • Le premier étage 7, destiné au découpage, comprend une entrée 12 reliée à la source de tension 2 et une sortie 13 reliée au deuxième étage 8. Le premier étage 7 comprend une inductance 14 reliée à l'entrée 12 et un interrupteur électronique 15 monté en série avec l'inductance 14, le point commun à l'inductance 14 et à l'interrupteur 15 étant noté 16, l'autre borne de l'interrupteur 15 étant reliée à la masse.
  • Tel qu'il est représenté en figure 1, l'interrupteur 15 comprend un transistor 17 pourvu d'une entrée de commande 18 et une diode 19 montées en anti-parallèle. On pourrait, bien entendu, utiliser un transistor de type bidirectionnel en courant. Dans le cas illustré, le transistor 17 pourrait être de type MOS.
  • Parallèlement à l'interrupteur 15, sont également montés une diode 20 et un condensateur 21 en série, la diode 20 étant reliée au point 16 et le condensateur 21 assure le filtrage de la tension. La sortie 13 du premier étage 7 est prise au point commun entre la diode 20 et le condensateur 21.
  • Le deuxième étage 8 comprend une inductance 22 et un interrupteur électronique 23 montés en série entre l'entrée du deuxième étage 8 reliée à la sortie 13 du premier étage 7 et la masse. L'interrupteur 23 peut être d'un type analogue à l'interrupteur 15 avec un transistor 24 équipé d'une entrée de commande 25 et une diode 26 montée en anti-parallèle. Le point commun entre l'inductance 22 et l'interrupteur électronique 23 forme la sortie 27 du deuxième étage 8. L'autre borne de l'interrupteur électronique 23 est reliée à la masse.
  • La sortie 27 du deuxième étage 8 est reliée à des premières bornes des injecteurs 3 à 6 qui sont montés électriquement en parallèle. Les bornes opposées des injecteurs 3 à 6 sont reliées au troisième étage 9.
  • Le troisième étage 9 comprend quatre interrupteurs électroniques 28 à 31, chacun monté en série respectivement avec un injecteur 3, 4, 5, 6. Chaque interrupteur électronique 28 à 31 comprend une structure analogue à celle de l'interrupteur 15, à savoir un transistor, par exemple de type MOS, et une diode montée en anti-parallèle. Les bornes des interrupteurs électroniques 28 à 31 opposées aux injecteurs 3 à 6 sont reliées à la masse. Chaque entrée de commande des interrupteurs électroniques 28 à 31 est reliée au calculateur 10.
  • Le calculateur 10 reçoit en entrée une consigne de tension et est pourvu de six sorties destinées respectivement à l'entrée de commande 18 de l'interrupteur électronique 15 du premier étage 7, à l'interface 11 et aux entrées de commande des interrupteurs électroniques 28 à 31 du troisième étage 9.
  • L'interface 11 comprend un diviseur à résistance comprenant une résistance 32 et une résistance 33 montées en série entre la sortie 27 du deuxième étage 8 et la masse, la tension divisée étant prélevée au point commun entre lesdites résistances 32 et 33.
  • L'interface 11 comprend encore un comparateur-régulateur, par exemple de type PID, pourvu d'une entrée reliée au calculateur 10, d'une autre entrée recevant la tension divisée en provenance du point commun aux résistances 32 et 33 et une sortie reliée à un élément 35 de modulation de largeur d'impulsions qui fait également partie de l'interface 11. L'élément 35 envoie un signal de commande à l'entrée de commande 25 de l'interrupteur 23 du deuxième étage 8.
  • Bien entendu, on comprend que le nombre d'injecteurs est lié au nombre de cylindres du véhicule automobile et sera donc généralement compris entre 1 et 12. Bien entendu, il est tout à fait possible de prévoir une pluralité d'injecteurs par cylindre.
  • Le dispositif de commande 1 permet de générer une haute tension périodique qui peut être supérieure à une centaine de volts à une fréquence élevée, typiquement supérieure à une dizaine de kiloHertz, sur la cellule piézo-électrique d'un injecteur à partir de la source de tension 2. Les interrupteurs 28 à 31 permettent de sélectionner l'injecteur qui doit être activé. L'interrupteur 15 du premier étage 7 permet d'effectuer un découpage d'une tension continue d'entrée et l'interrupteur 23 du deuxième étage 8 permet de déterminer une forme d'onde du type à modulation de largeur d'impulsions.
  • Sur la figure 2, la première courbe montre la tension C28 sur l'entrée de commande de l'interrupteur 28, la deuxième courbe la tension C29 sur l'entrée de commande de l'interrupteur 29, la troisième courbe la tension C30 sur l'entrée de commande de l'interrupteur 30 et la quatrième courbe la tension C31 sur l'entrée de commande de l'interrupteur 31.
  • Les tensions de commande se présentent sous la forme de créneaux, de largeur variable et de hauteur constante. En d'autres termes, la tension de commande est fixe et la durée de sélection des interrupteurs du troisième étage et donc de l'injecteur correspondant est variable. En outre, on prévoit qu'un seul injecteur est sélectionné en même temps et qu'une temporisation est prévue entre deux sélections d'injecteur.
  • La cinquième courbe montre la tension V3 aux bornes de l'injecteur 3, la sixième courbe montre la tension V5 aux bornes de l'injecteur 5, la septième courbe montre la tension V4 aux bornes de l'injecteur 4 et la huitième courbe montre la tension V6 aux bornes de l'injecteur 6.
  • Bien entendu, la tension aux bornes d'un injecteur est nulle tant que ledit injecteur n'est pas sélectionné. Lorsqu'un injecteur est sélectionné, par exemple l'injecteur 3, il voit une tension correspondant à l'alternance positive d'un signal sinusoïdal ou simplement périodique, lorsque l'interrupteur correspondant est passant.
  • Dans le mode de réalisation représenté ici, la fréquence et la tension du signal sinusoïdal sont fixes. Toutefois, il est avantageux, dans certains cas, de pouvoir faire varier la durée d'activation T, et/ou la fréquence du signal périodique, et/ou la tension du signal périodique.
  • En d'autres termes, la tension de la source 2 est transformée par les étages 7, 8 et 9, en une tension alternative aux bornes des injecteurs, caractérisée par la tension crête V, la fréquence F et la durée T, et, ceci pour chaque injecteur. La consigne reçue par le calculateur 10 peut être fournie par des lois de commande venant d'une autre couche logicielle ou d'un autre calculateur dont les valeurs dépendent de l'état du véhicule, notamment du moteur, de la vitesse, de l'accélération, etc., et du type de combustion désiré. L'interface 11 assure la modulation de la largeur d'impulsions de la tension d'alimentation de chaque injecteur.
  • La première courbe de la figure 3 montre la tension V13 au point 13, à l'entrée du premier étage 7 qui est ici continue. La deuxième courbe de la figure 3 montre la tension V25 sur l'entrée de commande 25 de l'interrupteur électronique 23, qui se présente sous la forme de créneaux. La troisième courbe de la figure 3 montre l'évolution du courant I22 dans l'inductance 22, et la quatrième courbe de la figure 3 montre la tension V27 à la sortie 27 du deuxième étage 8. La tension V27 est prélevée par l'interface 11 pour alimenter les résistances 32 et 33, et permettre une comparaison de tension avec le signal reçu par le calculateur 10. La tension V27 alimente les injecteurs 3 à 6 et plus précisément l'injecteur sélectionné par le troisième étage 9.
  • On voit que, lorsque la tension V25 est élevée, l'interrupteur 23 est passant, la tension V27 est nulle et le courant I22 dans l'inductance 22 tend à croître. Lorsque la tension V25 est nulle, l'interrupteur 23 est bloqué, le courant dans l'inductance 22 tend à décroître et la tension V27 est élevée. Les paramètres de contrôle de la tension V27 sont les angles de conduction des interrupteurs 15 et 23. Le deuxième étage 8 est conçu et piloté de telle sorte que la tension V27 est générée de la façon suivante.
  • L'interrupteur 23 est commandé de telle sorte qu' à sa fermeture, l'inductance 22 se charge pendant une certaine durée, puis lorsque ledit interrupteur 23 est bloqué, la tension aux bornes d'un injecteur sélectionné décrit une impulsion de forme sinusoïdale. La tension crête V27 dépend de l'énergie emmagasinée dans l'inductance 22 et de la tension V13 en entrée du deuxième étage 8. On fixe la durée de fermeture de l'interrupteur 15 de façon que la tension V13 en entrée du deuxième étage 8 soit maintenue et que la tension V27 de sortie du deuxième étage 8 soit obtenue par la commande de la durée de chargement de l'inductance 22. La tension V27 en crête est donc une fonction des angles de conduction de l'interrupteur 23.
  • On peut se reporter à la figure 4, où sont représentés respectivement la tension V25 de commande de l'interrupteur 23, le courant I22 dans l'inductance 22, la tension V13 en sortie du premier étage 7 et en entrée du deuxième étage 8, la tension V18 de commande de l'interrupteur 15 et la tension V27 de sortie du deuxième étage 8.
  • La tension V18 présente ici une forme de créneaux régulièrement espacés qui assure, grâce au condensateur de filtrage 21, une tension V13 de sortie du premier étage 7 continue. La tension V13 peut être augmentée en augmentant les temps d'ouverture de l'interrupteur 15, et vice versa. La tension V25 se présente sous la forme de créneaux de largeur et d'intervalle variables, ce qui permet de faire varier la valeur crête de la tension V27.
  • La consigne en tension reçue par le calculateur 10 est traduite en une consigne en tension reçue par l'interface 11. La tension V27 en sortie du deuxième étage 8 est mesurée par le diviseur à résistances et comparée à la consigne reçue par l'interface 11. L'erreur est amplifiée par le comparateur-régulateur 34 dont la sortie est utilisée pour générer le signal à modulation de largeur d'impulsions nécessaire à la commande de l'interrupteur 23 du deuxième étage 8. La fonction liant la tension crête de la tension V27 et la tension de consigne V25 peut être réalisée par étalonnage ou caractérisation du système pour chaque injecteur. On bénéficie ainsi d'une régulation de la tension crête des injecteurs simple à mettre en oeuvre, un seul paramètre servant à la contrôler.
  • La consigne en tension est variable suivant les besoins du système et répercutée par le calculateur 10 en forme d'onde caractérisée par la tension crête d'excitation des cellules piézo-électriques des injecteurs 3 à 6.
  • Le dispositif de commande 1 est équipé de moyens d'asservissement en tension des injecteurs 3 à 6, à savoir les boucles de contre-réaction et les capteurs nécessaires, afin d'asservir en tension les injecteurs.
  • Toutefois, un pilotage en fréquence peut également présenter des avantages.
  • Sur la figure 5, est représenté un dispositif de commande 1 dont les trois étages 7 à 9 sont identiques à ceux de la figure 1. Le dispositif de commande 1 comprend un capteur de fréquence 36 monté sur la sortie 27 du deuxième étage 8 et relié à un convertisseur fréquence/tension 37 dont la sortie est envoyée à une entrée du comparateur-régulateur 34 dont l'autre entrée est, comme sur la figure 1, reliée à une sortie du calculateur 10. La sortie du comparateur 34 est envoyée à un module 38 qui génère les tensions de commande des entrées 18 et 25 des interrupteurs 15 et 23, respectivement. Le module 38 comprend un oscillateur commandé en tension (VCO) 39 relié à la sortie du comparateur 34 et un élément à modulation de largeur d'impulsions 40 monté en sortie de l'oscillateur 39 et générant lesdites tensions de commande.
  • En d'autres termes, la fréquence de la modulation de largeur d'impulsions est incluse dans une boucle de contre-réaction de fréquence permettant d'asservir le dispositif à la fréquence de découpage désirée. La consigne en fréquence est variable suivant les besoins du système et est répercutée par le calculateur 10 en forme d'onde caractérisée par la fréquence d'excitation des injecteurs.
  • Le dispositif de commande est équipé de moyens d'asservissement en fréquence des cellules piézo-électriques des injecteurs, à savoir les boucles de contre-réaction et les capteurs nécessaires à cette contre-réaction afin d'assurer l'asservissement en fréquence. La fréquence d'excitation peut être supérieure ou inférieure à la fréquence de résonance mécanique des injecteurs, afin de contrôler la qualité d'injection du carburant.
  • On peut également prévoir un pilotage en durée d'injection variable. Le temps de commande T peut être déterminé au moyen d'un compteur pour que la durée d'excitation en tension des injecteurs soit la durée d'injection désirée pour chaque injecteur par le calculateur. La consigne en durée d'injection T est variable suivant les besoins du système et répercutée par le calculateur de pilotage des injecteurs en forme d'onde, caractérisée par la durée d'excitation des piézo-électriques des injecteurs 3 à 6. Le dispositif de commande 1 est alors équipé des moyens d'asservissement en durée d'excitation T des piézo-électriques des injecteurs, à savoir les boucles de contre-réaction et les capteurs nécessaires à la contre-réaction.
  • L'invention permet de contrôler la quantité de carburant injectée par des paramètres de contrôle électrique aux bornes des injecteurs dont les caractéristiques en débit de carburant sont fonction desdits paramètres de contrôle. La commande peut être réalisée par la combinaison des moyens de pilotage des injecteurs, notamment la fréquence, la tension et la durée d'injection. Les moyens de commande dépendent essentiellement de la topologie d'électronique, indépendamment des injecteurs.

Claims (13)

  1. Dispositif de commande (1) d'au moins un injecteur (3) équipé d'au moins un transducteur apte à se déplacer entre une position d'ouverture et une position de fermeture à réception d'une commande électrique modulée, comprenant un moyen pour générer ladite commande électrique modulée définie au moins par une tension, une fréquence et une durée d'injection, caractérisé par le fait que au cours d'une phase d'injection l'une au moins de la tension ou de la fréquence est une consigne variant en fonction d'instructions reçues par le dispositif de commande, le transducteur passant, au cours d'une phase d'injection, successivement par des phases d'ouverture et de fermeture dépendant de la variation de ladite consigne.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tension est une variable de consigne variant en fonction d'instructions reçues par le dispositif de commande.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour sélectionner un transducteur pendant une durée déterminée T, et un moyen pour alimenter ledit transducteur pendant ladite durée T avec une tension modulée apte à déplacer ledit transducteur entre deux positions opposées.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier étage (7) pourvu de moyens de découpage pour adapter la tension.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de découpage comprennent une inductance d'entrée (14), une branche montée entre la sortie d'inductance et la masse et comprenant un interrupteur électronique (15) et une deuxième branche parallèle à la première et comprenant une diode (20) et un condensateur de filtrage (21) montés en série, la sortie (13) du premier étage étant prise au point commun entre la diode et le condensateur de la deuxième branche.
  6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un deuxième étage (8) comprenant une inductance (22) et un interrupteur électronique (23) montés en série, le point commun à l'inductance et à l'interrupteur formant la sortie (27) du deuxième étage, l'autre borne de l'inductance formant l'entrée du deuxième étage, et l'autre borne de l'interrupteur étant reliée à la masse.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un troisième étage (9) comprenant, pour chaque transducteur, un interrupteur électronique (28 à 31) monté en série avec ledit transducteur.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'une pluralité de transducteurs sont montés en parallèle.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un calculateur (10) apte à commander des composants de puissance.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour faire varier 1a durée de sélection d'un transducteur.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour faire varier la fréquence de modulation de la tension.
  12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour faire varier la tension crête vue par les injecteurs.
  13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour moduler la largeur d'impulsions de la tension d'alimentation d'un transducteur.
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