FR2865500A1 - Montage pour charger et decharger une pluralite d'actionneurs capacitifs - Google Patents

Abstract

Le montage pour la charge et la décharge d'une pluralité d'actionneurs capacitifs comprend :- un condensateur de charge (C1) chargé à une tension prédéterminée (U),- des circuits de charge pour charger, chacun, un des actionneurs capacitifs (P1, P2...), connectés en parallèle avec le condensateur de charge (C1), les circuits de charge comprenant un des actionneurs capacitifs (P1, P2...) monté en série avec une réactance (L) et un commutateur de sélection/charge (T2', T2"...), et présentant un segment de circuit de charge commun contenant la réactance (L), et- des circuits de décharge pour décharger chacun un des actionneurs capacitifs (P1, P2...), connectés en parallèle avec les circuits série formés de la réactance (L) et des actionneurs capacitifs (P1, P2...), et contenant un commutateur de décharge (T1), les circuits de décharge comprenant un segment de circuit de décharge commun qui contient le commutateur de décharge (T1).

Description

La présente invention concerne un montage pour charger et décharger une

pluralité d'actionneurs capacitifs, en particulier d'éléments piézoélectriques dans une installation d'injecteurs de carburant d'un moteur à combustion interne.

Les normes relatives aux gaz d'échappement de moteur, qui sont devenues plus sévères ces derniers temps, ont provoqué dans l'industrie automobile le développement d'injecteurs de carburant possédant des actionneurs ou organes actionneurs à réponse rapide et dépourvus de retard. Les éléments piézoélectriques se sont révélés particulièrement avantageux dans la réalisation pratique de tels actionneurs. De tels éléments piézoélectriques sont habituellement composés d'un empilement de disques céramiques piézoélectriques qui sont activés par l'intermédiaire d'un circuit électrique parallèle pour pouvoir atteindre les intensités de champ électrique nécessaires pour obtenir une course suffisante.

L'utilisation d'une céramique piézoélectrique pour l'actionnement d'injecteurs de carburant d'un moteur à combustion interne impose des spécifications considérables à l'électronique utilisée pour charger et décharger la céramique piézoélectrique. Il faut, pour cela, produire des tensions relativement grandes (typiquement 100 V et plus) et des courants relativement forts pendant des temps courts pour la charge et la décharge (typiquement plus de 10A). Pour l'optimisation des propriétés du moteur (par exemple les taux des gaz d'échappement, la puissance, la consommation, etc.), ces processus de charge et de décharge doivent se dérouler en fractions de millisecondes en conservant en même temps une bonne maîtrise du courant et de la tension. La propriété de la céramique piézoélectrique en tant que charge purement capacitive avec une puissance utile convertie relativement faible mais d'autre part une grande puissance réactive, exige des concepts de circuits plus ou moins coûteux pour l'électronique utilisée pour l'excitation des éléments piézoélectriques.

On connaît par le document DE 199 44 733 Al un montage pour l'excitation d'au moins un actionneur capacitif. Ce montage connu est basé sur un convertisseur bidirectionnel à oscillateur bloqué et permet un dosage exact des portions d'énergie lors de la charge et de la décharge de l'actionneur, de sorte qu'il est possible de réaliser des profils moyens de courant qu'on peut choisir presque à volonté. Toutefois, le principe de convertisseur à oscillateur bloqué engendre des sollicitations non négligeables des transistors de commutation utilisés, qui peuvent avoir des effets tendanciellement négatifs sur le rendement électrique et, en conséquence, sur la sollicitation thermique du montage. Ceci doit être pris en considération pour le choix des composants électriques utilisés pour le montage. Bien que cette solution connue soit fonctionnellement entièrement satisfaisante, elle présente un certain potentiel d'amélioration du point de vue des coûts, de la puissance électrique perdue ainsi que de la compatibilité électromagnétique, qui pourrait être intéressant pour les applications futures.

Dans le document DE 198 14 594 Al, un montage pour la charge et la décharge d'un unique élément piézoélectrique est décrit. Ce montage d'excitation connu se base sur un étage terminal en demi-pont qui excite l'élément piézoélectrique par l'intermédiaire d'une inductance (une réactance), cette réactance servant en premier lieu à limiter le courant de charge qui circule lors de la charge et le courant de décharge qui circule lors de la décharge. Bien que, dans cette excitation, la charge puisse s'effectuer avec un flux de courant exempt d'interruption et donc avec un très bon rendement et que la sollicitation des composants utilisés soit plus basse que dans le cas du montage à convertisseur à oscillateur bloqué mentionné précédemment, le montage en soi n'est pas encore bien approprié pour l'excitation d'une pluralité d'actionneurs capacitifs.

Les montages connus pour la charge et la décharge d'une pluralité d'actionneurs capacitifs (voir, par exemple, le document DE 199 44 733 Al) présentent en supplément d'au moins un commutateur de charge et d'un commutateur de décharge - pour chaque actionneur, ce qu'on appelle un sélecteur au moyen duquel l'actionneur à charger ou à décharger est initialement sélectionné.

Un but de la présente invention consiste à créer un montage pour la charge et la décharge d'une pluralité d'actionneurs capacitifs, en particulier d'éléments piézoélectriques dans une installation d'injecteurs de carburant d'un moteur à combustion interne qui évite les inconvénients de l'état de la technique qui ont été mentionnés plus haut et, en particulier, qui puisse être réalisé avec une dépense de composants réduite en même temps qu'avec une dissipation de puissance réduite au minimum.

On atteint ce but au moyen d'un montage pour la charge et la décharge d'une pluralité d'actionneurs capacitifs dans une installation d'injecteurs de carburant d'un moteur à combustion interne d'un véhicule, comprenant - un condensateur de charge qui est chargé par une source d'énergie à une tension de charge prédéterminée par rapport à une masse du véhicule, - des circuits de charge prévus chacun pour charger un des actionneurs capacitifs, qui sont connectés en parallèle avec le condensateur de charge et dans chacun desquels est intercalé l'un des actionneurs capacitifs monté en série avec une réactance et un commutateur de sélection/charge, les circuits de charge présentant un segment de circuit de charge commun qui contient la réactance et des segments de circuit de charge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'actionneurs capacitifs, en parallèle les uns par rapport aux autres et qui comprennent chacun un commutateur de sélection/charge connecté en série avec l'un des actionneurs capacitifs, et - des circuits de décharge destinés à décharger chacun un des actionneurs capacitifs qui sont connectés en parallèle avec les circuits série formés de la réactance et des actionneurs capacitifs et qui contiennent un commutateur de décharge, les circuits de décharge comprenant un segment de circuit de décharge commun qui contient le commutateur de décharge et des segments de circuit de décharge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'actionneurs capacitifs, en parallèle les uns par rapport aux autres, qui comprennent chacun une diode de découplage.

Ce montage est remarquable en ce que la tension de charge est choisie négative par rapport à la masse du véhicule et une résistance de mesure du courant destinée à la mesure du courant qui circule à travers l'actionneur capacitif lors de la charge et de la décharge est intercalée en série avec la réactance, de telle sorte que cette résistance forme une partie du segment de circuit de charge commun et du segment de circuit de décharge commun, et une connexion de la résistance de mesure du courant est reliée à la masse du véhicule.

Ainsi, le montage selon l'invention pour la charge et la décharge d'une pluralité d'actionneurs capacitifs, en particulier d'éléments piézoélectriques, dans une installation d'injecteurs de carburant d'un montage comprend: - un condensateur de charge qui est chargé par une source d'énergie à une tension de charge prédéterminée par rapport à un potentiel de référence, - des circuits de charge prévus chacun pour un des actionneurs capacitifs, qui sont connectés en parallèle avec le condensateur de charge et dans chacun desquels est intercalé l'un des actionneurs capacitifs monté en série avec une réactance et un commutateur de sélection/charge, les circuits de charge présentant un segment de circuit de charge commun qui contient la réactance et des segments de circuit de charge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'actionneurs capacitifs, en parallèle les uns par rapport aux autres et qui comprennent chacun un commutateur de sélection/charge connecté en série avec l'un des actionneurs capacitifs, et - des circuits de décharge destinés à décharger chacun un des actionneurs capacitifs qui sont connectés en parallèle avec les circuits série formés de la réactance et des actionneurs capacitifs et qui contiennent un commutateur de décharge, les circuits de décharge comprenant un segment de circuit de décharge commun qui contient le commutateur de décharge et des segments de circuit de décharge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'actionneurs capacitifs, en parallèle les uns par rapport aux autres qui comprennent chacun une diode de découplage.

Pour atteindre la faible dépense de composants qui a été indiquée, selon l'invention, les circuits de charge ainsi que les circuits de décharge possèdent avantageusement chacun un segment de circuit de charge ou un segment de circuit de décharge commun. Une partie aussi bien du segment de circuit de charge commun que du segment de circuit de décharge commun forme ici la réactance utilisée qui est ainsi utilisée avantageusement aussi bien lors de la charge que lors de la décharge. Pour obtenir la faible dépense de composants, il est par ailleurs avantageux que les commutateurs de sélection/charge qui sont compris dans les segments de circuit de charge réalisés en plusieurs exemplaires en parallèle les uns par rapport aux autres puissent remplir les fonctions de sélection d'un actionneur à charger ainsi que de déclenchement d'un courant de charge correspondant. Ceci supprime la nécessité d'agencer des commutateurs de sélection séparés pour la sélection de l'actionneur à charger. Finalement, grâce à la disposition de diodes de découplage dans les segments de circuit de décharge connectés en parallèle les uns par rapport aux autres, il devient possible de déclencher la décharge par l'intermédiaire d'un unique commutateur de décharge qui est intercalé à cet effet dans le segment de circuit de décharge commun. Au total, on obtient ainsi un nombre minime de composants de puissance, que ce soient des composants actifs ou passifs.

De préférence, une voie de roue libre de charge est formée entre la réactance et chacun des actionneurs capacitifs, cette voie contenant une diode de roue libre pour former à chaque fois un circuit de roue libre à travers lequel le courant de charge peut continuer à circuler après la coupure du commutateur de sélection/charge concerné.

Pour réaliser une charge et une décharge réglées des actionneurs, comme cela est d'un grand avantage en particulier dans le cas où les actionneurs sont utilisés dans une installation d'injecteurs de carburant d'un moteur à combustion interne, il faut que soit détectée une grandeur physique qui caractérise l'état de charge des actionneurs capacitifs. Dans une forme préférée de réalisation, il est prévu qu'une résistance de mesure du courant est connectée en série avec les actionneurs ou avec chacun des actionneurs, au travers de laquelle circule le courant de charge et/ou le courant de décharge de l'actionneur concerné et aux bornes de laquelle la chute de tension représentant ce courant peut être mesurée. II est par ailleurs préféré dans ce cas qu'il soit prévu une résistance de mesure du courant qui forme une partie du segment de circuit de charge commun et/ou du segment de circuit de décharge commun.

L'invention est décrite plus complètement ci-après au moyen d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés. Sur ces dessins: la Fig. 1 représente un montage pour l'excitation d'une pluralité d'éléments piézoélectriques selon un premier mode de réalisation, et la Fig. 2 représente un montage pour l'excitation d'une pluralité d'éléments piézoélectriques selon un autre mode de réalisation.

La Fig. 1 montre un montage désigné dans son ensemble par 10 destiné à la charge et à la décharge de plusieurs actionneurs capacitifs formés d'éléments piézoélectriques d'une installation d'injecteurs de carburant d'un véhicule automobile. Pour la clarté de la présentation, seuls deux de cette pluralité d'éléments piézoélectriques sont représentés sur la figure (désignés par P1 et P2) et décrits ci-après. En réalité, l'installation d'injection de carburant possède, par exemple, quatre injecteurs, et en conséquence quatre éléments piézoélectriques. L'ensemble des éléments piézoélectriques P1, P2... se trouve directement sur le moteur à combustion interne considéré, tandis que le reste du montage 10 représenté est logé dans ce qu'on appelle un appareil de commande de moteur du véhicule automobile et relié aux injecteurs par un faisceau de câbles.

Le montage 10 comprend un condensateur de charge Cl qui est chargé, dans le fonctionnement du montage, par un convertisseur continu/continu 12 à une tension de charge U=200V prédéterminée par rapport à un potentiel de référence GND (la masse - au sens électrique du terme - du véhicule). Le convertisseur continu/continu 12 est ici alimenté par une batterie non représentée du véhicule automobile, avec une tension à bord du véhicule automobile de 12 V par exemple.

Par ailleurs, le montage 10 comprend un dispositif de circuit de charge ainsi qu'un dispositif de circuit de décharge pour charger les éléments piézoélectriques P1, P2... par rapport au potentiel de référence GND à partir de la tension de charge U, et pour décharger ces éléments piézoélectriques P1, P2... D'une façon connue en soi, ces éléments piézoélectriques sont utilisés chacun comme actionneur d'une servovalve d'injection qui, lors de la charge de l'élément piézoélectrique, commence un processus d'injection de carburant qui est à son tour terminé par une décharge de cet élément piézoélectrique.

Le dispositif de circuit de charge comprend un circuit de charge connecté en parallèle avec le condensateur de charge Cl, et dans lequel l'actionneur capacitif P1 est disposé en série avec un élément inductif ou une réactance L et avec un commutateur de charge présenté sous la forme d'un transistor à effet de champ (ci- après FET) T2'. Dans l'exemple représenté, ce circuit de charge s'étend, à partir de la connexion chargée du condensateur de charge Cl, à travers une résistance de mesure du courant Rsl, la réactance L, l'élément piézoélectrique P1 et le commutateur de charge T2', jusqu'à la masse du véhicule GND. La résistance Rs2 indiquée sur la Fig. 1 représente une variante par rapport à la disposition de la résistance de mesure du courant. De préférence, une seule des deux résistances de mesure du courant Rsl, Rs2, qui sont représentées, n'est effectivement présente.

Par ailleurs, comme représenté, il est prévu une diode de roue libre Dl' entre un noeud de circuit qui connecte l'élément piézoélectrique P1 et le commutateur de charge T2' et un noeud de circuit qui connecte le condensateur de charge Cl et la résistance de mesure du courant Rsl, de sorte que, pendant un fonctionnement cadencé du commutateur T2', avec une fréquence de commutation de charge qui se trouve typiquement dans un intervalle entre 1 kHz et 100 kHz, dans un état conducteur de T2', un courant de charge circule du condensateur Cl à travers la résistance de mesure du courant Rsl, la réactance L, l'élément piézoélectrique P1 et le commutateur T2', vers la masse GND du véhicule tandis que, dans l'état interrompu de T2', un courant de charge circule dans un voie de roue libre de charge qui est formée par la réactance L, l'élément piézoélectrique P1, la diode de roue libre D1' et la résistance de mesure du courant Rsl.

Comme représenté, un circuit de charge analogue, avec la voie de roue libre, est formé pour chaque autre élément piézoélectrique, pour l'élément piézoélectrique P2 par exemple, par la résistance de mesure de courant Rsl, la réactance L, l'élément piézoélectrique P2 ainsi qu'un commutateur de sélection/charge T2" ou une diode de roue libre Dl". Les circuits de charge présentent ainsi un segment de circuit de charge commun qui comprend la réactance L et la résistance de mesure de courant Rsl et des segments de circuit de charge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'éléments piézoélectriques P1, P2..., montés en parallèle les uns par rapport aux autres, qui contiennent chacun l'élément piézoélectrique P1, P2... concerné et, connecté en série avec celui-ci, le commutateur de sélection/charge T2', T2"... et qui sont reliés par des diodes de roue libre respectives Dl', Dl"... à la connexion de la résistance de mesure du courant Rsl représentée à gauche sur la Fig.1.

Les commutateurs de sélection /charge T2', T2" servent donc ici aussi bien pour la mise en tension du courant de charge souhaité que pour la sélection de l'élément piézoélectrique parmi la pluralité d'éléments piézoélectriques utilisés. Sur l'alimentation en tension formée par le condensateur de charge Cl, il est ainsi avantageusement possible de charger plusieurs éléments piézoélectriques d'une façon très simple quant à la technique de circuit. Ceci est aussi vrai pour la décharge de ces éléments piézoélectriques, comme expliqué ci-après.

Le dispositif de circuit de décharge comprend, pour la décharge de l'élément piézoélectrique P1, un circuit de décharge connecté en parallèle avec le circuit série formé de la réactance L et de l'actionneur capacitif PI. Ce circuit de décharge pour l'élément piézoélectrique P1 est formé d'un circuit série composé de la résistance de mesure du courant Rsl, d'un commutateur de décharge formé d'un FET T1 ainsi que d'une diode de découplage D2'. Pour tous les autres éléments piézoélectriques, des circuits de décharge analogues sont formés, pour l'élément piézoélectrique P2 par exemple, par la résistance de mesure de courant Rsl, le commutateur de décharge T1 et une diode de découplage D2". Les circuits de décharge présentent ainsi un segment de circuit de décharge commun qui contient la résistance de mesure de courant Rsl et le commutateur de décharge T1 et des segments de circuit de décharge réalisés en parallèle les uns par rapport aux autres et en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'éléments piézoélectriques P1, P2..., ces segments de circuit étant formés chacun par une des diodes de découplage D2', D2"....

Pour la décharge de tous les éléments piézoélectriques P1, P2..., le commutateur de décharge Ti, (de la même façon que les commutateurs de sélection/charge T2', T2"... lors de la charge), est actionné cycliquement, de sorte que l'élément piézoélectrique chargé en dernier lieu est déchargé d'une façon contrôlée à travers le circuit de décharge correspondant.

En fonctionnement cyclique du commutateur de décharge T1, il se produit avantageusement un renvoi d'énergie électrique de l'élément piézoélectrique concerné dans le condensateur de charge Cl. Cette énergie accumulée en retour est donc ainsi disponible pour le processus de charge suivant.

Avec le montage 10, on peut donc charger et décharger une pluralité d'actionneurs capacitifs d'une façon simple quant au circuit électrique, avec une dépense minimale de composants, un bon rendement et, en conséquence, une faible puissance perdue. Il n'y a donc qu'un seul élément de commutation en série avec l'élément piézoélectrique lors de la charge et de la décharge de ce dernier. La combinaison représentée d'un commutateur de sélection avec un commutateur de charge économise un commutateur supplémentaire (relativement coûteux), comme il en est prévu dans l'état de la technique. Le découplage représenté des branches de charge et de décharge au moyen d'un dispositif de diode est de même avantageux au niveau des coûts du montage. Finalement, dans le circuit représenté, une unique résistance de mesure du courant Rsl suffit pour la mesure aussi bien du courant de charge que du courant de décharge. Le nombre de composants de puissance, qu'il s'agisse de composants passifs tels que les réactances et les diodes ou de composants actifs tel que les transistors de commutation, est minimal.

Lorsque, dans le montage selon la Fig. 1, la résistance de mesure de courant Rs2 est intercalée, on obtient l'avantage de pouvoir mesurer la chute de tension sur cette résistance, qui représente le flux de courant, relativement au potentiel fixe de la masse du véhicule GND. A la différence de la résistance de mesure du courant Rsl, la chute de tension à mesurer n'est donc pas flottante . Ceci simplifie la dépense relative au circuit de la partie de l'électronique de commande du moteur, non représentée ici, qui détecte cette chute de tension.

Dans la description d'un autre élément piézoélectrique donnée ci-après en regard de la Fig. 2, on utilise les mêmes références pour les composants électroniques analogues. Ici, on se reportera presque uniquement aux différences par rapport au mode de réalisation décrit en regard de la Fig. 1 et, pour le reste, on se reportera formellement à la description qui lui est relative.

La Fig. 2 montre un montage 10 modifié par rapport au montage de la Fig. 1, qui est également approprié pour l'excitation d'un nombre quelconque d'actionneurs capacitifs, dont un seul est représenté sur le dessin sous la forme d'un élément piézoélectrique P1, pour la clarté de la représentation.

Dans le montage selon la Fig. 2, le condensateur de charge Cl est chargé par le convertisseur continulcontinu 12, à une tension de charge U négative par rapport au potentiel de référence GND. En général, ceci n'entraîne en pratique aucune dépense supplémentaire puisque cette tension de charge doit de toute façon être dérivée de la tension à bord du véhicule au moyen du convertisseur 12 et puisque les procédés de conversion habituels pour cela ne limitent pas la polarité de la tension de sortie de convertisseur qui est produite.

Comparativement au circuit selon la Fig. 1, on obtient deux avantages. D'une part, le potentiel de travail par rapport à la masse du véhicule GND n'est pas présent en permanence sur les actionneurs mais il ne l'est que dans l'état activé (lors de la charge d'un actionneur). De cette façon, la problématique d'éventuels courts-circuits qui s'établissent dans la pratique sur les lignes reliant l'électronique de commande du moteur à l'installation d'injecteurs de carburant est rendue moins critique. D'autre part, la résistance de mesure de courant Rsl est intercalée dans la ligne de masse, de sorte que la détection de la tension qui chute à travers cette résistance est simplifiée grâce au potentiel de référence fixe (il n'est pas nécessaire de procéder à ce qu'on appelle un décalage de niveau, de l'anglais level shift ).

L'électronique d'excitation destinée à exciter les transistors T1, T2'... peut avantageusement être construite avec référence à la masse GND du véhicule même si, à ce moment là, les commutateurs de sélection/charge T2', T2"... doivent être excités en mode flottant.

Finalement, il est possible d'apporter une autre modification au circuit représenté sur la Fig. 2, dans lequel, comparativement au circuit représenté sur la Fig.2, seule la polarité de la tension de charge U est modifiée. Dans ce cas, toute l'électronique d'excitation doit être réalisée flottante par rapport à la référence négative GND.

Claims (2)

REVENDICATIONS

1. Montage pour la charge et la décharge d'une pluralité d'actionneurs capacitifs (P1, P2...) dans une installation d'injecteurs de carburant d'un moteur à combustion interne d'un véhicule, comprenant - un condensateur de charge (Cl) qui est chargé par une source d'énergie à une tension de charge prédéterminée (U) par rapport à une masse du véhicule (GND), - des circuits de charge prévus chacun pour charger un des actionneurs capacitifs (P1, P2...), qui sont connectés en parallèle avec le condensateur de charge (Cl) et dans chacun desquels est intercalé l'un des actionneurs capacitifs (P1, P2...) monté en série avec une réactance (L) et un commutateur de sélection/charge (T2', T2"...), les circuits de charge présentant un segment de circuit de charge commun qui contient la réactance (L) et des segments de circuit de charge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'actionneurs capacitifs, en parallèle les uns par rapport aux autres et qui comprennent chacun un commutateur de sélection/charge (T2', T2") connecté en série avec l'un des actionneurs capacitifs (P1, P2...), et - des circuits de décharge destinés à décharger chacun un des actionneurs capacitifs (P1, P2...) qui sont connectés en parallèle avec les circuits série formés de la réactance (L) et des actionneurs capacitifs (P1, P2...) et qui contiennent un commutateur de décharge (Ti), les circuits de décharge comprenant un segment de circuit de décharge commun qui contient le commutateur de décharge et des segments de circuit de décharge réalisés en plusieurs exemplaires, selon le nombre d'actionneurs capacitifs P1, P2...), en parallèle les uns par rapport aux autres, qui comprennent chacun une diode de découplage (D2', D2"...).

caractérisé en ce que la tension de charge (U) est choisie négative par rapport à la masse du véhicule (GND) et une résistance de mesure du courant (Rs1) destinée à la mesure du courant qui circule à travers l'actionneur capacitif (P1, P2...) lors de la charge et de la décharge est intercalée en série avec la réactance (L), de telle sorte que cette résistance forme une partie du segment de circuit de charge commun et du segment de circuit de décharge commun, et une connexion de la résistance de mesure du courant (Rs1) est reliée à la masse du véhicule (GND).

2. Montage selon la revendication 1, dans lequel, entre la réactance (L) et chacun des actionneurs capacitifs (P1, P2...), est formée à chaque fois une voie de roue libre de charge contenant une diode de roue libre (Dl', D1"...).