ES2227676T3 - Procedimiento y dispositivo para controlar un actuador capacitivo. - Google Patents

Abstract

PARA OBTENER UN RECORRIDO CONSTANTE (DS) DE UN ACCIONADOR CAPACITIVO, POR EJEMPLO, PARA UNA VALVULA DE INYECCION DE COMBUSTIBLE DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA, EN UNA AMPLIA ESCALA DE TEMPERATURAS, EL ACCIONADOR SE CARGA POR ALIMENTACION DE UNA ENERGIA PREDETERMINADA, ES DECIR, QUE UN CONDENSADOR SE DESCARGA DE UNA MANERA DEFINIDA. COMO VARIANTE, LA CORRIENTE SUMINISTRADA AL ACCIONADOR Y LA TENSION ALIMENTADA AL MISMO SE MULTIPLICAN, SE INTEGRA EL PRODUCTO Y EL VALOR INTEGRAL SE COMPARA CON UN VALOR PREDETERMINADO DE PUNTO DE AJUSTE. EL PROCESO DE CARGA SE INTERRUMPE SI EL VALOR INTEGRAL ALCANZA O SUPERA EL VALOR DEL PUNTO DE AJUSTE.

Description

Procedimiento y dispositivo para controlar un actuador capacitivo.

La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para controlar un actuador capacitivo, especialmente una válvula de inyección de combustible accionada de forma piezoeléctrica de un motor de combustión interna.

Los actuadores piezoeléctricos se componen de una pluralidad de capas piezocerámicas y forman una denominada "pila", que modifica sus dimensiones al aplicarle una tensión, especialmente su longitud s una carrera ds, o, en caso de presión o tracción mecánica, genera una tensión eléctrica.

Se conocen diferentes procedimientos para controlar actuadores piezoeléctricos que se comportan eléctricamente como condensadores, en los que se controla la tensión que se presenta en el actuador piezoeléctrico. Como criterio para la finalización de la carga, en todos los procedimientos conocidos se consulta el que se alcance una determinada tensión en el actuador piezoeléctrico, en tanto que no esté prevista ninguna medición costosa para la carrera ds alcanzada del actuador. Un ejemplo de ello es la solicitud alemana de patente anterior 1932872.1.

Las propiedades eléctricas de una pila piezoeléctrica de este tipo varían con la temperatura a la que está expuesta. Con temperaturas crecientes, aumenta su capacidad, pero también se amplía la carrera. En el caso de las temperaturas de aproximadamente -40ºC a +150ºC que deben considerarse para las aplicaciones autopropulsadas, se observan a este respecto modificaciones de hasta un factor 2.

Si se carga un actuador piezoeléctrico en todos los puntos de trabajo, por ejemplo, a una tensión constante que con temperaturas bajas produce la carrera ds necesaria, entonces, con temperaturas altas se obtiene una carrera que es claramente mayor de lo necesario (lo que implica, en el caso de válvulas de inyección de combustible con presión constante del combustible, una cantidad de combustible demasiado grande, o a la inversa). Dado que en caso de altas temperaturas también es mayor la capacidad de la pila piezoeléctrica, se requiere mucha más carga y energía
(E = ½ \cdot C \cdot U) de la necesaria.

A partir del documento US 5.387.834 se conoce un circuito de control para un elemento piezoeléctrico de una impresora matricial, en la que un sensor de temperatura mide la temperatura del elemento piezoeléctrico. El control del elemento piezoeléctrico se realiza con tiempos de carga, que se almacenan en una tabla en función de la temperatura.

A partir del documento US 5.543.679 se conoce un circuito de control para un elemento piezoeléctrico para poner en funcionamiento una válvula de combustible en la que un condensador toma una carga supuestamente constante y la alimenta al elemento piezoeléctrico mediante un transformador. No se tienen en cuenta a este respecto todos los cambios del circuito como consecuencia de variaciones en la temperatura, la humedad del aire, las tolerancias de los componentes, el envejecimiento, etc.

En los resúmenes de las patentes japonesas, vol. 018, núm. 188 (E-1532), 31 de marzo de 1994 y JP-A 05 344755 se da a conocer un circuito de control para un elemento piezoeléctrico para poner en funcionamiento una válvula de combustible, en el que el elemento piezoeléctrico se carga con una cantidad de carga constante mediante una primera tensión regulada y, mediante una determinación de la capacidad del elemento piezoeléctrico a partir de la tensión medida durante la descarga, vuelve a descargarse totalmente a una segunda tensión negativa regula-
da.

La tarea de la invención es llevar a cabo el control de un actuador capacitivo sin emplear un sensor de temperatura, de manera que en todo el intervalo de temperaturas en el que trabaja el actuador se consiga una carrera de lo más constante posible. También es tarea de la invención crear un dispositivo para realizar este procedimiento.

Esta tarea se soluciona según la invención mediante las características citadas en una de las reivindicaciones 1 ó 2. En las reivindicaciones 3 y 4 se indican dispositivos correspondientes.

Los estudios han demostrado que la energía alimentada a un actuador capacitivo representa una medida mucho más precisa para la carrera ds que la tensión aplicada, y que una carga con energía constante por encima del intervalo de temperaturas necesario produce una carrera fundamentalmente más constante. La carrera varía de forma aproximadamente lineal con la tensión aplicada a una temperatura determinada. Si se modifica la temperatura, entonces también cambia la carrera en caso de que se mantenga igual la tensión. Por el contrario, la carrera varía de forma proporcional al cuadrado de la energía aplicada
(ds \approx e^{2}), aunque de forma independiente de la temperatura.

En la producción en serie de grandes cantidades de pilas piezoeléctricas, el espesor de capa de las capas piezoeléctricas individuales no es exactamente igual. Por ejemplo, pueden fabricarse pilas de longitud s constante, pero con diferente número de capas. Este tipo de pilas diferentes llegan a emplearse cuando se sustituye una válvula de combustible defectuosa por otra. Al cargar estas pilas diferentes con tensión constante, se producen ya con la misma temperatura diferentes carreras ds.

Una ventaja del procedimiento de control según la invención es que al cargar un actuador con energía constante, estas pilas diferentes presentan una carrera ds constante casi igual no sólo con una temperatura determinada, sino también en todo el intervalo de temperaturas anteriormente mencionado.

Otra ventaja del procedimiento de control según la invención es que para registrar la energía alimentada al actuador (no la carga tomada de una fuente de alimentación o un condensador) se tienen en cuenta todas las modificaciones del circuito como consecuencia de variaciones de la temperatura, la humedad del aire, las tolerancias de los componentes, el envejecimiento, etc., en la medición o dosificación de la energía.

A continuación, mediante el dibujo se explican detalladamente dos ejemplos de realización para el control de un actuador capacitivo (actuador piezoeléctrico) para accionar una válvula de inyección de combustible de un motor de combustión interna. Muestran:

la figura 1: un esquema de conexiones esquemático de un primer ejemplo de realización,

la figura 2: un esquema de conexiones esquemático de un segundo ejemplo de realización, y

la figura 3: un diagrama de flujos que se refiere a la forma de trabajo de los circuitos según las figuras 1 y 2.

La figura 1 muestra un primer ejemplo de realización para controlar un actuador P piezoeléctrico de una válvula de inyección de combustible, no mostrada, de un motor de combustión interna mediante un circuito ST de control controlado normalmente por microprocesador.

Entre el polo +V positivo y el polo GND negativo de una fuente V de energía se dispone un circuito en serie compuesto por un interruptor T1 electrónico, controlado por el circuito ST de control, por un elemento limitador de la corriente, por ejemplo, una resistencia R (o una bobina), y por un actuador P piezoeléctrico de longitud s de la válvula de inyección de combustible. Paralelamente al circuito en serie formado por el actuador P piezoeléctrico y la resistencia R está dispuesto otro interruptor T2 electrónico.

Los interruptores T1 y T2 electrónicos con transistor son controlados por el circuito ST de control, que recibe una señal st de control externa para la duración de la inyección, por ejemplo, desde un aparato de control del motor (en el que también puede estar integrado el circuito de control). Además, con el interruptor T1 conmutado de forma conductora, se mide la corriente i, limitada por la resistencia R, que fluye al actuador P piezoeléctrico, y la tensión u que desciende en el actuador P piezoeléctrico, y se alimentan al circuito ST de control como parámetros de entrada adicionales.

En el circuito ST de control están dispuestos en fila unos tras otros, rodeados con líneas discontinuas, un elemento X multiplicador, un integrador I y un comparador K, de modo que la salida del elemento X multiplicador está unida con la entrada del integrador I y su salida, con una entrada del comparador K. A la otra entrada del comparador K se alimenta un valor G teórico para la cantidad de energía deseada.

Mediante el diagrama de flujos mostrado en la figura 3 se describe un procedimiento para poner en funcionamiento el circuito según la figura 3, el cual también puede aplicarse al circuito descrito más abajo según la figura 2, partiendo de un estado inicial (estado 0) en el que los dos interruptores T1 y T2 no dejan pasar la corriente. T1 = 0 significa no conductor, T1 = 1 significa conductor. Lo mismo es válido para T2. Para las señales st y k es válido: "1" significa presente, "0" significa no presente.

Con el comienzo de una señal st de control, que cambia de 0 a 1 (estado I), se controla el interruptor 1 de forma que permite el paso de la corriente. Con ello comienza a fluir una corriente i, limitada por la resistencia R, desde el polo +V positivo de la fuente de tensión, pasando por el interruptor T1 y por el actuador P piezoeléctrico, al polo GND negativo. En el actuador P piezoeléctrico se forma la tensión u: el actuador piezoeléctrico se dilata la carrera ds a la longitud s + ds y abre la válvula de inyección (estado II), de manera que se inyecta combustible. Impulsado por el flanco st' inicial de la señal st de control, se descarga al mismo tiempo el integrador I. Por consiguiente, al comienzo de cada proceso de inyección su señal inicial es e = 0.

Las magnitudes i e u medidas, alimentadas al circuito ST de control, se multiplican entre sí en el elemento X multiplicador y el producto p que se presenta en su salida se integra a continuación en el integrador I que acaba de descargarse. La señal e de salida del integrador I es proporcional a la energía e = \intuidt alimentada al actuador P piezoeléctrico, y se alimenta al comparador K, en el que se compara con un valor G teórico. En cuanto se alcanza o se supera este valor teórico, el comparador emite una señal k = 1 ab digital de salida (estado III). Mediante esta señal k = 1 de salida del comparador se induce al circuito ST de control a controlar el interruptor T1 de forma no conductora (estado IV), con lo que se finaliza el proceso de carga del actuador P piezoeléctrico.

El actuador ha conseguido la carrera ds deseada y, con ello, la válvula de inyección de combustible, la abertura deseada, con lo que, como consecuencia de la presión constante del combustible, la cantidad de combustible inyectada es proporcional a la duración de abertura del actuador. La válvula de inyección de combustible permanece abierta con la carrera ds asignada a la energía e aplicada hasta que se desvanece la señal st de control, st = 0 (estado V).

Si la señal de control se hace st = 0, el circuito ST de control controla el interruptor T2 de forma conductora (estado VI), con lo que el actuador piezoeléctrico se descarga por medio de la resistencia R y se cierra la válvula de inyección de combustible. Con ello finaliza el proceso de inyección. El siguiente y todos los procesos de inyección posteriores se realizan de la misma manera.

La figura 2 muestra un ejemplo de realización más sencillo del circuito según la invención con una modificación respecto al circuito según la figura 1, en el sentido de que en el recorrido de la corriente de carga del actuador P piezoeléctrico se añade una fuente Q de corriente constante, por medio de la cual se carga el actuador P piezoeléctrico con una corriente i = const constante. Como consecuencia de la intensidad de corriente conocida, puede omitirse la medición de la corriente y, con ello, también la multiplicación u*i, de realización costosa, así como el elemento X multiplicador. El único parámetro u de entrada del circuito ST de control, además de la señal st de control, se alimenta al integrador I, cuya señal e de salida es proporcional a la energía alimentada. La función adicional del circuito corresponde a la de la figura 1. La resistencia o el elemento limitador de la corriente sólo es necesario aquí para limitar la corriente de descarga y, por tanto, está dispuesto entre el actuador P piezoeléctrico y el interruptor T2.

Claims (5)

1. Procedimiento para controlar un actuador (P) capacitivo, especialmente una válvula de inyección de combustible accionada de forma piezoeléctrica de un motor de combustión interna, con una cantidad (e) de energía predeterminada asignada a una carrera (ds) determinada del actuador, caracterizado porque durante el proceso de carga del actuador (P) a partir de una fuente (V) de energía se multiplican entre sí la corriente (i) que fluye en el actuador (P) y la tensión (u) que puede tomarse en el actuador (P), porque el producto (p = ui) de la corriente (i) y la tensión (u) se integra (e = \intuit) respecto al tiempo, y porque se finaliza el proceso de carga cuando el valor (e) de la integral alcanza o supera un valor (G) teórico predeterminado.

2. Procedimiento para controlar un actuador (P) capacitivo, especialmente de una válvula de inyección de combustible accionada de forma piezoeléctrica de un motor de combustión interna, con una cantidad (e) de energía predeterminada asignada a una carrera (ds) determinada del actuador, caracterizado porque el actuador (P) se carga con una corriente (i = const) constante predeterminada, porque la tensión (u) que puede tomarse en el actuador (P) se integra (e = \intudt) respecto al tiempo durante el proceso de carga, y porque el proceso de carga se finaliza cuando el valor (e) de la integral alcanza o supera un valor (G) teórico predeterminado.

3. Dispositivo para realizar el procedimiento según la reivindicación 1, con un circuito en serie dispuesto entre el polo (+V) positivo y el polo (GND) negativo de una fuente (V) de tensión, compuesto por un actuador (P), un elemento (R) limitador de la corriente y un interruptor (T1) electrónico, caracterizado porque está previsto un circuito (ST) de control, al que se le alimentan como parámetros de entrada una señal (st) de control, para el comienzo, la duración y el final de un proceso de control, y las magnitudes medidas de la corriente (i), alimentada al actuador (P), y la tensión (u), que puede tomarse en el actuador (P), y que controla el interruptor (T1) de forma conductora al comienzo de una señal (st) de control, porque el circuito (ST) de control incluye un elemento (X) multiplicador, en el que se multiplican las magnitudes medidas de la corriente (i) y la tensión (u) entre sí, un integrador (I), que integra (e = \intuidt) el producto (p = ui), un comparador, que compara el valor (e) de la integral con un valor (G) teórico predeterminado, y controla el interruptor (T1) de forma no conductora cuando el valor (e) de la integral alcanza o supera el valor (G) teórico.

4. Dispositivo para realizar el procedimiento según la reivindicación 2, con un circuito en serie dispuesto entre el polo (+V) positivo y el polo (GND) negativo de una fuente (V) de tensión, formado por un actuador (P) y un interruptor (T1) electrónico, caracterizado porque en el circuito de corriente de carga del actuador (P) está prevista una fuente (Q) constante de corriente, porque está previsto un circuito (ST) de control al que se le alimentan, como parámetros de entrada, una señal (st) de control para el comienzo, la duración y el final de un proceso de control, y la magnitud medida de la tensión (u) que puede tomarse en el actuador (P), y que controla el interruptor (T1) de forma conductora con el comienzo de una señal (st) de control, porque el circuito (ST) de control contiene un integrador (I) que integra (e = \intudt) la magnitud (u) medida, un comparador (K), que compara el valor (e) de la integral con un valor (G) teórico predeterminado, y controla el interruptor (T1) de forma no conductora cuando el valor (e) de la integral alcanza o supera el valor (G) teórico.

5. Dispositivo para la realización del procedimiento según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el integrador (I) se descarga antes del flanco (st') de conexión de cada señal (st) de control.