ITTO981028A1 - Dispositivo circuitale di pilotaggio di carichi induttivi. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale un dispositivo circuitale di pilotaggio di carichi induttivi del tipo definito nel preambolo della rivendicazione 1.

Più specificamente l'invenzione riguarda un dispositivo circuitale per il pilotaggio di iniettori di combustibile per un motore a combustione interna, o ancora per il pilotaggio elettromagnetico delle valvole di un tale motore.

Il requisito essenziale nel pilotaggio di iniettori di carburante o di valvole elettromagnetiche è la precisione nella definizione dei tempi di azionamento. In particolare, nel caso di un sistema di iniezione diretta in cui gli iniettori di carburante sono direttamente disposti nelle camere di combustione, è necessario iniettare precise quantità di carburante nei momenti appropriati, vincendo l'elevata pressione presente in tali camere.

Tale precisione è ottenibile comandando un azionamento rapido dell'iniettore o della valvola, per raggiungere il quale bisogna disporre di tensioni sufficientemente più elevate della tensione di batteria attualmente disponibile sulla maggior parte dei veicoli (12 volt). Bisogna altresì impiegare un circuito che garantisca un rapido ricircolo della corrente di scarica tipica di un carico induttivo ed eventualmente un suo recupero limitando così le dissipazioni verso un conduttore di massa.

Secondo la tecnica nota l'alimentazione di corrente alla bobina di un iniettore avviene mediante una scarica risonante di un condensatore (tecnica tradizionalmente impiegata ad esempio nell'iniezione di combustibile in motori diesel), o attraverso la scarica parziale di condensatori elettrolitici che vengono ricaricati per mezzo della corrente di scarica della bobina stessa.

Il maggiore inconveniente di tali soluzioni è che esse non consentono una successione rapida di ripetuti azionamenti di uno stesso iniettore, ad esempio per eseguire una iniettata multipla preferìta nei sistemi di iniezione diretta al fine di ottimizzare il processo di combustione. L'impiego di un condensatore in una configurazione <’ >risonante non consente di avere a disposizione in ogni momento una tensione sufficiente all'azionamento rapido dell'iniettore poiché in seguito alla scarica risonante tale condensatore deve essere ricaricato dalla batteria (o da altra sorgente di alimentazione) prima di poter nuovamente disporre dell'energia richiesta per il comando dell'iniettore. Anche in un sistema in cui vengono impiegati condensatori elettrolitici ricaricati dalle bobine stesse degli iniettori insorgono problemi di efficienza se è richiesta rapidità di funzionamento.

Allo scopo di ovviare a tali inconvenienti e di pilotare con maggiore rapidità e precisione iniettori di combustibile e/o valvole elettromagnetiche forma oggetto dell'invenzione un dispositivo di pilotaggio di carichi induttivi avente le caratteristiche richiamate nelle rivendicazioni allegate.

In particolare tale dispositivo può vantaggiosamente comprendere un circuito elevatore di tensione per elevare la tensione della batteria, qualora questa non sia sufficiente (batteria per autoveicoli a 12 volt), ad una tensione di pilotaggio di valore predeterminato che sia indipendente dal numero di carichi che richiedono di essere pilotati e che sia sempre disponibile per consentire azionamenti dello stesso carico in rapida successione.

Nel dispositivo secondo l'invenzione sono inoltre vantaggiosamente previsti mezzi di filtraggio per l'eliminazione dei disturbi elettrici ed elettromagnetici che si originano nel funzionamento e che sono rispettivamente condotti verso la sorgente di alimentazione o irradiati verso l'esterno.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente, data a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati nei quali:

la figura 1 è uno schema circuitale di una prima forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione,- e

la figura 2 è uno schema circuitale di una seconda forma di attuazione del dispositivo secondo 1'invenzione.

In particolare, nelle figure allegate è rappresentato un dispositivo inteso per il pilotaggio di iniettori di combustibile in un motore a combustione interna a quattro cilindri, ma quanto sarà detto in descrizione può essere esteso al caso più generale di pilotaggio di un numero qualsiasi di carichi induttivi.

In una prima forma di attuazione, il dispositivo circuitale descritto presenta in ingresso un circuito elevatore di tensione 10 direttamente accoppiato ad una batteria 12. La tensione V^, ai capi della batteria 12 viene elevata ad un valore predeterminato VB in corrispondenza di un nodo B di uscita del circuito elevatore 10.

Al nodo B sono collegati due rami circuitali, ciascuno dei quali è destinato al pilotaggio di due iniettori: un primo ramo circuitale Bl pilota gli iniettori II e 14; un secondo ramo circuitale B2 pilota gli iniettori 12 e 13.

Per non appesantire la notazione nel seguito della descrizione, in ciascun ramo circuitale elementi equivalenti corrispondenti sono identificati con i medesimi riferimenti.

Ciascun ramo circuitale comprende un modulo regolatore di corrente ed un circuito di filtraggio, complessivamente indicati come un blocco di modulazione 14. Tale blocco è direttamente accoppiato in ingresso al nodo B, ed in uscita ad un nodo A del ramo,· al nodo A è collegato direttamente un primo terminale di ciascuna corrispondente bobina di iniettore.

Un secondo terminale di ogni bobina di iniettore è collegato ad un conduttore di massa attraverso un corrispondente interruttore di selezione Q2n (n=l a 4) realizzato come transistore MOSFET.

Il modulo regolatore di corrente comprende un interruttore Qlf anch/esso realizzato come transistore MOSFET, accoppiato al nodo B attraverso il proprio elettrodo di drain, ed al circuito di filtraggio mediante l'elettrodo di source.

Il circuito di filtraggio è rappresentato da un tradizionale circuito di tipo LC, disposto in serie tra l'elettrodo di source del transistore Q1 ed il nodo A.

Un primo diodo Dx accoppia il.conduttore di massa con l'induttore del filtro LC in corrispondenza dell'elettrodo di source del transistore Q1 per il ricircolo della corrente nel filtro negli intervalli di tempo in cui Q1 è interdetto. Un secondo diodo Dy è collegato tra il nodo A ed un nodo al potenziale VB per limitare a tale valore la tensione raggiungibile dal nodo A stesso nel funzionamento.

Il dispositivo comprende inoltre una rete di ricircolo associata alle bobine degli iniettori per convogliare la corrente transitoria di scarica che si genera in ognuna di esse ogni volta che ne viene interrotta l'alimentazione portando in -interdizione il transistore Q1 oppure il transistore di selezione Q2n corrispondente.

Tale rete di ricircolo comprende un primo diodo di ricircolo DI per ogni ramo circuitale, il cui anodo è mantenuto al potenziale di massa ed il cui catodo è connesso al nodo A e quindi al primo terminale di ogni carico induttivo di tale ramo.

Essa comprende inoltre una pluralità di secondi diodi di ricircolo D2n (n=l a 4), ciascuno associato ad una rispettiva bobina di iniettore, il cui anodo è connesso ad un secondo terminale della bobina corrispondente ed il cui catodo è collegato ad un nodo C comune ai percorsi di ricircolo di ciascuna bobina. Il nodo comune C è accoppiato al nodo B attraverso un diodo zener D3⁄4.

Il circuito elevatore 10 in ingresso è realizzato secondo una configurazione per sé nota. Esso presenta in ingresso un condensatore di alimentazione caricato dalla batteria attraverso un diodo di alimentazione ϋΛ. Un induttore Ι3⁄4 è disposto in serie a valle del condensatore di alimentazione e connesso a massa attraverso un interruttore 3⁄4,. Un diodo Db disposto in serie all'induttore Ι3⁄4 collega quest'ultimo con due condensatori di accumulo Cb (Cbl e C^), il cui elettrodo positivo è direttamente accoppiato al nodo B di uscita e presenta, rispetto al conduttore di massa, la tensione di valore predeterminato VB.

Nel funzionamento l'elevatore di tensione 10 mantiene la tensione VB sostanzialmente costante, ricaricando i condensatori di accumulo quando la tensione ai loro capi scende sotto il valore predeterminato vB.

Un'unità di controllo (ECU) associata al dispositivo rileva la tensione presente al nodo B e pilota conseguentemente l'interruttore 3⁄4. Se la tensione VB è superiore al valore predeterminato il transistore Qb è comandato in interdizione ed i condensatori di accumulo si scaricano progressivamente fornendo corrente alle bobine degli iniettori. Quando la tensione VB rilevata scende sotto tale valore predeterminato l'unità di controllo comanda in conduzione il transistore Qb, richiamando corrente dalla batteria attraverso il diodo e l'induttore I3⁄4 verso massa, caricando l'induttore medesimo. La stessa unità di controllo sorveglia la corrente che circola nel transistore Qb, e quando questa raggiunge una intensita prestabilita comanda 3⁄4, nuovamente in interdizione provocando la scarica dell'induttore L,verso i condensatori di accumulo e la loro conseguente ricarica. L'unità di controllo quindi ripete il ciclo quando rileva nuovamente che la tensione VB è inferiore al valore predeterminato.

L'azionamento di ogni iniettore avviene pilotando, tramite la medesima unità di controllo, il transistore Q1 appartenente al ramo circuitale cui è accoppiata la bobina dell'iniettore in questione, ed il transistore Q2n corrispondente a tale bobina.

Nel seguito sarà descritto, come esempio, il funzionamento del dispositivo nell'azionamento dell'iniettore II.

La bobina dell'iniettore II viene selezionata pilotando in conduzione il corrispondente transistore di selezione Q21. L'intensità di corrente convogliata attraverso II è regolata pilotando il transistore Ql del ramo BL attraverso segnali di abilitazione a durata d'impulso modulata (PWM). La tensione che si stabilisce al nodo A negli intervalli di tempo in cui il transistore Ql è in conduzione è sostanzialmente la tensione VB a meno della caduta di potenziale sul transistore Ql. Tale tensione viene limitata ad un valore massimo VB collegando il nodo A stesso a tale riferimento di tensione attraverso il diodo Dy.

Poiché la tensione a valle di QÌ varia rapidamente (modulazione PWM), il filtro LC disposto a monte dei cablaggi per la connessione agli iniettori limita la pendenza dei fronti di tensione tra il nodo A e massa, ed elimina le indesiderate componenti ad alta frequenza del corrispondente campo elettrico irradiato.

La particolare configurazione circuitale dell'elevatore di tensione 10 (ed in particolare la presenza dell'induttore !3⁄4) agisce inoltre come filtro verso la batteria per filtrare le oscillazioni di corrente che si originano in seguito alla commutazione di ciascun transistore Q1 e Qb.

Nel caso non fosse presente un circuito elevatore di tensione perché una tensione sufficiente (ad esempio 42 volt) è disponibile direttamente dalla batteria, è vantaggiosamente previsto l'impiego di una induttanza in serie tra la batteria e ciascun ramo circuitale come filtro delle oscillazioni di corrente verso la stessa batteria.

Negli intervalli di tempo in cui il transistore Q1 è interdetto il ricircolo di corrente dall'iniettore avviene attraverso un percorso costituito da DI, Il e Q21.

Al termine dell'intervallo di azionamento dell'iniettore viene interdetto anche il transistore di selezione Q21, ed il ricircolo avviene attraverso un percorso costituito da DI, II, D21 e D, verso i condensatori di accumulo Cb. Grazie a questa configurazione, impiegando un adeguato diodo zener, è possibile portare la tensione al nodo C, data dalla somma della tensione di riferimento VB e della caduta di tensione su D,, ad un valore preferito grande a piacere, in modo tale da consentire una rapida scarica della bobina dell'iniettore.

La scelta di collegare il diodo zener al nodo B piuttosto che al conduttore di massa consente di impiegare un diodo zener che presenti una minore caduta di tensione ai propri capi, e quindi minori problemi in dissipazione, e di recuperare parte dell'energia proveniente dalle bobine degli iniettori convogliandone la corrente di ricircolo verso i condensatori di accumulo Q,.

In una forma di attuazione alternativa illustrata nella figura 2 ciascun ramo circuitale è accoppiato alla batteria 12 per mezzo di un circuito regolatore di tensione 20, che opera come regolatore di corrente a commutazione bidirezionale per consentire anche la ricarica della batteria stessa. Il circuito 20 coTnprende un induttore Ι3⁄4 disposto in serie alla batteria, un condensatore di accumulo Ci, il cui elettrodo positivo è direttamente accoppiato al nodo di uscita B e presenta, rispetto al conduttore di massa, la tensione di valore predeterminato VBI e transistori e q, disposti a valle dell'induttore Ι3⁄4 e rispettivamente collegati verso l'elettrodo positivo del condensatore C,,e verso massa. Per completezza sono stati indicati nel disegno i diodi parassiti 3⁄4 e 3⁄4 tra gli elettrodi di drain e source dei transistori.

Nel funzionamento come elevatore di tensione il circuito 20 si comporta analogamente al circuito elevatore di tensione 10 di figura 1, il transistore Qbir pilotato in conduzione, corrispondendo al diodo

Nel caso in cui il condensatore di accumulo <1⁄2, venga caricato eccessivamente tramite la corrente di ricircolo proveniente dalle bobine degli iniettori, l'unità di controllo riconosce tale condizione rilevando la tensione presente al nodo B e pilota entrambi i transistori secondo modalità adeguate per consentire al condensatore di accumulo di rilasciare corrente verso la batteria e ricaricare quest'ultima.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo circuitale per il pilotaggio di carichi induttivi, suscettibile di essere accoppiato ad una sorgente di tensione di alimentazione continua (12) e comprendente almeno un ramo circuitale (Bir Bj) destinato ad essere collegato ad almeno un relativo carico induttivo (II, 14; 12, 13), detto dispositivo circuitale essendo caratterizzato dal fatto che detto almeno un ramo circuitale (Blf-B2) comprende in combinazione: - un modulo regolatore di corrente (14) avente un ingresso destinato ad essere collegato a detta sorgente di tensione (12) e l'uscita destinata ad essere collegata ad un primo terminale di detto almeno un relativo carico induttivo (II, 14; 12, 13), detto modulo (14) comprendendo primi mezzi commutatori elettronici (Ql) predisposti per essere pilotati in conduzione in modo da regolare la corrente da fornire a detto almeno un carico; - secondi mezzi commutatori elettronici (Q21, Q24; Q22, Q23) associati ad un rispettivo carico (II, 14; 12, 13) e destinati ad essere collegati tra un secondo terminale di detto carico ed un conduttore mantenuto ad un primo potenziale di riferimento, detti secondi mezzi commutatori (Q21, Q24; Q22, Q23) essendo suscettibili di essere resi selettivamente conduttivi secondo modalità predeterminate in modo tale da consentire un flusso di corrente dalla sorgente di alimentazione (12) attraverso il rispettivo carico (II, 14; 12, 13) quando detti primi mezzi commutatori (Ql) sono comandati in conduzione; ed - una rete di ricircolo (DI, D21, D24; DI, D22 , D23) della corrente, associata a detto almeno un carico induttivo (II, 14; 12, 13) per convogliarne la corrente transitoria di scarica che vi circola ogni volta che un tale carico viene disaccoppiato dalla sorgente di tensione di alimentazione (12), detta rete di ricircolo comprendendo: un primo diodo di ricircolo (DI) il cui anodo è mantenuto al primo potenziale di riferimento ed il cui catodo è connesso a detto primo terminale di detto almeno un carico induttivo, ed almeno un secondo diodo di ricircolo (D21, D24 ; D22, D23) associato ad un rispettivo carico (II, 14; 12, 13), il cui anodo è connesso ad un secondo terminale di detto rispettivo carico ed il cui catodo è collegato ad un nodo (C) suscettibile di essere pilotato ad un secondo potenziale di riferimento, detto secondo potenziale di riferimento essendo controllato da corrispondenti mezzi regolatori di tensione.
2. 2. Dispositivo circuitale secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno un ramo circuitale (Blf· B2) comprende un circuito di filtraggio disposto tra detti primi mezzi commutatori (Ql) ed il primo terminale di detto almeno un carico (II, 14; 12, 13) per filtrare le componenti armoniche di tensione che si generano a valle di detti primi mezzi commutatori (Ql) nel funzionamento del circuito.
3. 3 . Dispositivo circuitale secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito di filtraggio è un filtro LC.
4. 4. Dispositivo circuitale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi regolatori di tensione comprendono un diodo zener (Dr) , il cui catodo è accoppiato al catodo di detto almeno un secondo diodo di ricircolo (D21, D24; D22, D23) ed il cui anodo è mantenuto a detto primo potenziale di riferimento.
5. 5. Dispositivo circuitale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi regolatori di tensione comprendono un diodo zener (D,), il cui catodo è accoppiato al catodo di detto almeno un secondo diodo di ricircolo (D21, D24; D22, D23) ed il cui anodo è accoppiato a detta sorgente di tensione di alimentazione (12).
6. 6. Dispositivo circuitale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un ramo circuitale (Blf· B2) è suscettibile di essere accoppiato alla sorgente di tensione di alimentazione (12) attraverso un circuito elevatore di tensione (10) atto a generare una tensione di valore predeterminato (VB) a partire dalla tensione di alimentazione (V^), detto valore predeterminato essendo quindi fornito in ingresso al modulo regolatore di corrente (14).
7. 7. Dispositivo circuitale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detto almeno un ramo circuitale (Β^- B2) è suscettibile di essere accoppiato alla sorgente di tensione di alimentazione (12) attraverso detti mezzi regolatori di tensione, e dal fatto che detti mezzi regolatori comprendono un circuito regolatore di corrente a commutazione (20) predisposto per operare come elevatore di tensione dalla sorgente di alimentazione (12) verso il ramo circuitale (Blf-B2) e come riduttore di tensione dal ramo circuitale (Bl f- B2) verso la sorgente di alimentazione (12) . ff.
8. Dispositivo circuitale secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto circuito regolatore di corrente a commutazione (20) comprende in combinazione: - un elemento induttivo (!3⁄4) .avente un primo terminale suscettibile di essere accoppiato con detta sorgente di alimentazione (12) continua,· - un elemento capacitivo (CJ avente un primo terminale collegato ad un secondo terminale di detto elemento induttivo (LJ attraverso un primo interruttore (Qbl) , ed un secondo terminale accoppiato ad un conduttore di massa,· ed - un secondo interruttore (3⁄4*) collegato tra detto secondo terminale dell'elemento induttivo (Ι3⁄4) ed il conduttore di massa, detto elemento capacitivo (Cb) essendo atto a: - ricevere una corrente da detto elemento induttivo (Ι3⁄4) per incrementare la tensione ai propri capi (VB) in modo tale da raggiungere una tensione superiore alla tensione (V^,) fornita dalla sorgente di alimentazione (12) e corrispondente a detto secondo potenziale di riferimento,-- ricevere una corrente di scarica da detta rete di ricircolo (DI, D21, D24; DI, D22, D23); e - rilasciare una corrente verso la sorgente di alimentazione (12) quando la tensione ai propri capi (VB) ha superato un valore determinato<^ >corrispondente a detto secondo potenziale di riferimento.
9. 9. Dispositivo circuitale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende un'unità di controllo (ECU) atta a pilotare in conduzione detti primi e secondi mezzi commutatori (Ql; Q21, Q24, Q22, Q23) secondo modalità predeterminate, rispettivamente in modo tale da regolare l'intensità di corrente da fornire a detto almeno un carico (II, 14, 12, 13) ed in modo tale da alimentare selettivamente tale corrente in detto almeno un carico (II, 14, 12, 13).
10. 10 . Dispositivo circuitale secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (ECU) è atta a pilotare in conduzione detti primi mezzi commutatori (Ql) attraverso segnali di abilitazione a durata d'impulso modulata.
11. 11. Dispositivo circuitale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti primi e secondi mezzi commutatori (Ql; Q21, Q24, Q22, Q23) sono realizzati come transistori MOSFET.
12. 12. Dispositivo circuitale secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti primo e secondo interruttore (Qbll Qb2) sono realizzati come transistori MOSFET. Il tutto sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.