JP2011517922A

JP2011517922A - 電圧パルス列ジェネレータと、超音波圧電インジェクタの制御への適用

Info

Publication number: JP2011517922A
Application number: JP2010532608A
Authority: JP
Inventors: パウロバロゾ，; クレマンヌーヴェル，
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2011-06-16
Also published as: EP2218161B1; FR2923664A1; WO2009060079A1; ATE549786T1; EP2218161A1; FR2923664B1; CN101911454A; US20100283521A1; US8847648B2

Abstract

超音波圧電インジェクタの制御に適用される電圧パルス列ジェネレータが提供される。本電圧パルス列ジェネレータは、初期ＤＣ電圧（２）を供給する電圧源（１）と、初期電圧（２）が供給され、かつ初期電圧（２）よりも高い中間ＤＣ電圧（５）に応じてコンデンサ（４）を充電することができるＤＣ／ＤＣコンバータ（３）と、アクティブフェーズと非アクティブフェーズを交互に切り換えることにより動作し、コンデンサ（４）からの中間電圧（５）を最終電圧パルス列（９）へと変換できるＤＣ／ＡＣコンバータ（６）と、コンバータ（３、６）を駆動する制御ユニット（１０）とを備えており、ＤＣ／ＤＣコンバータ（３）が、コンデンサ（４）を充電するために、最大でＤＣ／ＡＣコンバータ（６）の切り換えの非アクティブフェーズに亘って、ＤＣ／ＡＣコンバータ（６）と同時に動作できることを特徴とする。制御装置は、超音波圧電インジェクタの制御に用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧パルス列ジェネレータ、およびその超音波圧電インジェクタの制御への適用に関する。

超音波圧電インジェクタは、内燃機関に利用可能な燃料インジェクタである。これは例えば、特許ＦＲ９９／１４５４８に記載の原理に基づいて動作する。制御に関し、それは電気双極子の形態を取り、機械的共振を生じ、よってＡＣ電圧の印加時間を通して燃料を噴射するために、高振幅のＡＣ電圧がその２つの端子間に印加されることを必要とする。

このような超音波圧電ジェネレータは、ＦＲ０４／１３２７７に記載されているような、電圧パルス列を生じることでそれを制御可能な制御電子回路を必要とし、パルス列は、前記インジェクタのための燃焼機関の噴射フェーズの開始とともに始まり、前記噴射フェーズの終了とともに終わる。

図１は、そのような制御装置１２の一実施例を示す。この制御装置１２は、電圧パルス列ジェネレータ１１と、生じたパルス列を選択的に決定されたインジェクタ１３へと切り替えるためのインジェクタセレクタ１４とを備える。電圧パルス列ジェネレータ１１は、電圧源１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と表現される直流／直流コンバータと、ＤＣ／ＡＣコンバータ６と表現される直流／交流コンバータと、制御ユニット１０とを備える。電圧源１は、初期ＤＣ電圧２をＤＣ／ＤＣコンバータ３に供給する。前記ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、その出力に配置されたコンデンサ４を、初期電圧２よりも高い中間ＤＣ電圧５に充電可能である。一例として、自動車のバッテリ／ネットワークから得られた初期電圧２がほぼ１２Ｖに等しければ、コンデンサ４における中間電圧５は約２５０Ｖとすることができる。ＤＣ／ＡＣコンバータ６は、中間電圧５から電源供給される。アクティブフェーズ７と非アクティブフェーズ８を交互に切り換えることによる切り換え原理に基づいて動作するＤＣ／ＡＣコンバータ６は、中間電圧５を、さらに振幅の大きい最終ＡＣ電圧９へと変換可能である。中間電圧５が約２５０Ｖであれば、最終電圧パルス列９の最終電圧すなわち振幅は、１．２〜１．８ｋＶに達しうる。インジェクタ１３は、前記最終ＡＣ電圧９を受け取ると噴射する。最終ＡＣ電圧９の電圧は、インジェクタ１３が噴射フェーズのときに生じる。そしてこれは、例えば２つの噴射フェーズ間で、ＤＣ／ＡＣコンバータ６の切り換えの誘導を停止することで中断される。最終電圧はよって、ゼロ電圧フェーズによって分離された一連の電圧パルス列の形態を取る。制御ユニット１０は、コンバータ３、６を駆動し、とりわけ切り換えを制御する。

２つの直列コンバータ３、６を備えたこのような電圧パルス列ジェネレータ１１の設計原理によれば、安定性の理由でＤＣ／ＤＣコンバータ３とＤＣ／ＡＣコンバータ６の同時動作は困難である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３が動作してコンデンサ４を充電するか、あるいは、ＤＣ／ＡＣコンバータ６が動作することによって前記コンデンサ４を放電させるかである。最終ＡＣ信号すなわち最終電圧パルス列９は連続生成される必要はなく、かつＤＣ／ＡＣコンバータ６が動作しない非噴射フェーズはコンデンサ４を再充電するためにＤＣ／ＤＣコンバータ３を動作させるのに利用できるため、これによりインジェクタ制御への利用に問題が生じるわけではない。

しかしながら、噴射フェーズ外でのコンデンサ４の充電と噴射フェーズ中の放電という２つのステップを交互に切り換えるそうした使用原理は、多くの欠点を呈する。第１の欠点は、噴射フェーズの持続時間と関連するもので、これは１サイクルの持続時間に対して５００μｓ〜５ｍｓに及びうる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３はこのフェーズを通して動作を停止しており、このときＤＣ／ＡＣコンバータ６がコンデンサ４から大きなエネルギを引き出す。これは中間電圧５の漸進的低下につながり、これは有意な大きさとなる。非常に低くなったこの中間電圧５は、再充電に長い時間を要し、この時間は次の噴射フェーズの開始まで必ずしも利用可能ではない。

第２の欠点は、ＤＣ／ＡＣコンバータ６の動作原理に関連する。中間電圧５はＤＣ／ＡＣコンバータ６に電源供給するものであるが、変化があまりにも大きいと、ＤＣ／ＡＣコンバータ６が正確さを失い、最終信号９の特性を保証できなくなる。

したがって、ＤＣ／ＡＣコンバータ６の出力における最終電圧パルス列９の振幅を可能な限り正確に調整することができるように、中間電圧５を可能な限り安定した状態に維持することで、これらの欠点を緩和することが望ましいと思われる。

本発明は、これらさまざまな欠点を解消するもので、その主題は、初期ＤＣ電圧を供給する電圧源と、初期電圧によって電源供給され、かつコンデンサを初期電圧よりも高い中間ＤＣ電圧へと充電可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、アクティブフェーズと非アクティブフェーズを交互に切り換えることによる交換モードで動作し、コンデンサから得られた中間電圧を最終電圧パルス列へと変換可能であるＤＣ／ＡＣコンバータと、コンバータを駆動するための制御ユニットとを備えた電圧パルス列ジェネレータである。本発明の１つの特徴によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、コンデンサを充電するために、最大でＤＣ／ＡＣコンバータの非アクティブ切り換えフェーズに亘って、ＤＣ／ＡＣコンバータと同時に動作することができる。

本発明の他の主題は、先述の実施形態の１つに基づく少なくとも１つの電圧パルス列ジェネレータを備えた超音波圧電インジェクタ制御装置である。

本発明の他の主題は、そのような超音波圧電インジェクタ制御装置を用いる方法であって、噴射フェーズに待機ステップを有し、この間、２つのコンバータは反対のフェーズで動作し、超音波圧電インジェクタを制御するために、コンバータの一方は、最大で他方のコンバータの非アクティブフェーズに亘ってアクティブフェーズであり、逆も同じである。

本発明による装置の１つの利点によれば、ＤＣ／ＡＣコンバータの非アクティブフェーズをＤＣ／ＤＣコンバータの動作に利用可能とすることによって、コンデンサの再充電をより規則正しく、かつ長時間に亘って行うことができる。

上述のような２つのフェーズでの動作により、中間電圧にはある程度の残留リップルが見られる。だがこのリップルの振幅は、コンデンサの値に直接リンクされており、好都合には、前記コンデンサの値を大きくすることで小さくすることができる。

本発明による装置の他の利点によれば、安定で制御された中間電圧により、ＤＣ／ＡＣコンバータは、インジェクタの端子間の電圧を瞬時に調節することができ、よって運転の質および精度を高めることが可能である。

本発明による装置の他の利点によれば、コンデンサへのストレスがきわめて小さいことである。コンデンサの端子間の電圧の変動が少ないほど、所望の電圧設定値までコンデンサを再充電可能とするのに必要とされるエネルギが少なくなる。電流の突入も少なくなる。このように、中間電圧を制御することは原動力およびコンデンサの再充電時間を節約することができる。このようにして、車載ネットワークに吸収されるパワーも少なくなる。ＤＣ／ＤＣコンバータステージは、高効率かつ低コストで、好適な寸法とすることができる。中間電圧の残留リップルを小さくするには高コンデンサ値が必要なことはすでに述べた。しかし好都合には、コンデンサは、ｒｍｓ電流に関してオーバーディメンションである必要はない。

本発明の他の特徴、詳細、および利点は、図面に関連して以下に示される詳細な説明からより明確となるであろう。

超音波圧電インジェクタ制御装置を使用状況において示す。そのような制御装置の詳しい実施例を示す。超音波圧電インジェクタ制御装置の使用タイミング図を示す。詳しい実施例に関して同じタイミング図を示す。

従来技術に関連して既に述べたが、図１は、本発明によれば、初期ＤＣ電圧２を供給する電圧源１と、初期電圧２によって電源供給され、かつコンデンサ４を初期電圧２よりも高い中間ＤＣ電圧５へと充電可能なＤＣ／ＤＣコンバータ３と、アクティブフェーズ７と非アクティブフェーズ８を交互に切り換えることによる交換モードで動作し、コンデンサ４から得られた中間電圧５を最終電圧パルス列９へと変換可能であるＤＣ／ＡＣコンバータ６と、コンバータ３、６を駆動するための制御ユニット１０とを備えた電圧パルス列ジェネレータ１１を有する制御装置１２を示す。本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、コンデンサ４を充電するために、最大でＤＣ／ＡＣコンバータ６の非アクティブ切り換えフェーズ８に亘って、ＤＣ／ＡＣコンバータ６と同時に動作することができる。実際には、切り換え原理に基づいて動作するＤＣ／ＡＣコンバータ６は、アクティブフェーズ７と非アクティブフェーズ８とを連続して示す。まさにこの原理によって、ＤＣ／ＡＣコンバータ６は、アクティブフェーズ７中に、トランジスタによってインダクタを介してコンデンサ４を短絡させる。しかし非アクティブフェーズ８中には、このトランジスタはブロックされる。このブロックは、非アクティブフェーズ８のすべてまたは一部の間、すなわち最大で全持続時間に亘って、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を動作させることによって、前記コンデンサ４を再充電するために利用可能である。非アクティブフェーズ８のいくつかを用いないことも可能である。

コンバータは、前記コンバータがその電源からエネルギを引き出しているときにアクティブであると言われる。一方でコンバータは、蓄えられたエネルギがライン下流に伝達されるときにパッシブすなわち非アクティブであると言われる。

図２は、ＦＲ０４／１３２７７から取られたもので、制御装置１２の詳しい実施例を示す。パルスジェネレータ１１／超音波圧電インジェクタ制御装置１２のさまざまなステージが左から右へと示されている。バッテリＥは電圧源１である。インダクタＬ１、ダイオードＤ、およびダイオードｄ１に結合されたスイッチＩＤ１を備えた構成要素の組は、その出力にコンデンサＣ、４を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ３を構成し、これはまたε１で識別される。インダクタＬｒおよびダイオードｄ２に結合されたスイッチＩＤ２を備えた構成要素の組は、ＤＣ／ＡＣコンバータ６を構成し、これはまたε２で識別される。これら３つの組が、示されていない制御ユニット１０とともに、電圧パルス列ジェネレータ１１を構成する。機能的スイッチＩＤ１、ＩＤ２は、好都合には、制御可能であるように、トランジスタである。制御ユニット１０の機能は、これらトランジスタを制御することであり、これが切り換えをもたらし、よってスイッチＩＤ１、ＩＤ２をそれぞれ駆動することによってＤＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣ機能を実行する。

前記ジェネレータ１１は、インジェクタセレクタ１４、Ｓｉを備えた第３のステージε３によって補完されている。ジェネレータ１１とセレクタ組立体１４が制御装置１２を構成する。各セレクタＳｉは、それぞれのインジェクタ１３と関連している。よって任意のインジェクタ１３のもの以外の、すべてのセレクタＳｉを開放することによって、ジェネレータ１１によって作られた電圧パルス列９が前記任意のインジェクタ１３へと送られ、噴射を制御する。

セレクタ１４はまた、ジェネレータ１１と複数のインジェクタ１３の組立体においてマルチプレクサとして機能する。各インジェクタ１３に１つのジェネレータ１１を用いることで、セレクタ１４を除外することもできる。しかしながら、そうした構成は経済的に不都合であり、多重組立体のほうが好ましい。このような多重組立体はしかし、２つの噴射間で利用可能な時間を減らすという欠点を有し、インジェクタ１３の数が増えるほどその欠点は増大する。コンデンサ４を再充電するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、従来技術の限度内では、あるインジェクタ１３の噴射の終わりと次のインジェクタの噴射の開始の間の時間しか持たない。ここでも、ＤＣ／ＡＣコンバータ６が動作している間にコンデンサ４の充電を可能とする本発明は、非常に有利である。

ＤＣ／ＡＣコンバータ６と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３も、交換モードで動作可能である。こうしたコンバータの一例が、先に図２に関連して説明した組立体に提供されている。制御ユニット１０によって制御されるＤＣ／ＤＣコンバータ３の切り換えは、好都合には、ＤＣ／ＡＣコンバータ６と同一の切り換え周波数で実行され、２つのコンバータは反対のフェーズで動作し、コンバータの一方（ＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ）は、最大で他方のコンバータ（ＤＣ／ＡＣまたはＤＣ／ＤＣ）の非アクティブフェーズ８に亘って、アクティブフェーズ７である。よって、ＤＣ／ＡＣコンバータの回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータの回路と同時にアクティブであることは決してない。図２の実施例によれば、スイッチＩＤ１、ＩＤ２は決して同時には閉じることはない。コンバータ３、６のそれぞれのアクティブフェーズは、交互に配置されている。

図３は、ジェネレータ１１／制御装置１２の動作タイミング図である。タイミング図の下部は、時間の経過に伴うＤＣ／ＡＣコンバータ３の挙動を示し、上部はＤＣ／ＡＣコンバータ６の挙動を示す。図は周期的であり、期間は２回の噴射開始時点１９の間に限られている。噴射フェーズの持続時間は、通常、０．５〜５ｍ秒である。噴射フェーズ１８は、噴射開始の瞬間１９に始まって噴射終了の瞬間２０で終わり、その後に再充電フェーズ１７が続く。

噴射フェーズ１８の間、待機フェーズ１６が適用される。この待機フェーズ１６の間、２つのコンバータ３、６は反対のフェーズで動作し、コンバータ３、６の一方は、最大で他方のコンバータ６、３の非アクティブフェーズ８に亘ってアクティブフェーズ７であり、逆も同じである。ＤＣ／ＡＣコンバータ６は、例えば４５ｋＨｚの所定の切り換え周波数に合わせて、アクティブフェーズ７と非アクティブフェーズ８を交互に切り換えることによる交換モードで動作する。デューティーサイクルは、例えば０．５である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、動作のために、ＤＣ／ＡＣコンバータ６の非アクティブフェーズ８を利用する。交換モードＤＣ／ＤＣコンバータ３の場合、それ自体のアクティブフェーズは、ＤＣ／ＡＣコンバータ６の非アクティブフェーズ８に含まれている。よって中間電圧５は、待機フェーズ１６の間、リップルを生じるが、コンデンサ４を放電するＤＣ／ＡＣコンバータ６のアクティブフェーズ７中に減少し、ＤＣ／ＡＣコンバータ６の非アクティブフェーズ８中に増加し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、前記コンデンサ４を充電する。よって中間電圧５は、待機フェーズの間、実質的に一定のままである。

待機フェーズ１６はそのすべてが、噴射フェーズ１８と同時発生であってもよい。あるいは、ＦＲ０４／１３２７７でより詳しく検討された問題に関して、過渡現象を調整するために、待機フェーズ１６は、好都合には、噴射フェーズ１８の開始前に起動フェーズ１５を有してもよい。この起動フェーズ１５の間、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は非アクティブのままであり、一方、ＤＣ／ＡＣコンバータ６は動作する。このフェーズでは中間電圧５が減少する。この起動フェーズ１５は、待機フェーズ１６に対して短いままで、典型的には２０〜２００μｓ続く。

噴射フェーズ１８の後には再充電フェーズ１７があり、この間、ＤＣ／ＤＣコンバータ３はコンデンサ４を再充電するために動作し、一方、ＤＣ／ＡＣコンバータ６は動作しない。このフェーズは、噴射シーケンスにおいて、一のインジェクタ１３の噴射２０の開始により始まり、次のインジェクタ１３の噴射１９の開始で終わる。

再充電フェーズ１７の間、中間電圧５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の特性およびその駆動に基づいて、グラフ２１に従って増加する。よって、交換モードＤＣ／ＤＣコンバータの場合、制御ユニットは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の多くの特性を変化させることができる。これは非アクティブ状態のＤＣ／ＡＣコンバータ６から独立して、つまりインジェクタ１３の共振周波数から独立して行われる。このようにして制御ユニット１０は切り換え周波数を決定する。典型的な値は１００ｋＨｚである。次の噴射サイクルの開始時にＤＣ／ＡＣコンバータの動作に必要な中間電圧値５を得るために、制御ユニット１０は、切り換えデューティーサイクルを、典型的には０〜０．９で変化させることができる。これは動作時間を変化させることもできる。よって、コンデンサ４が噴射１９の次の開始前に十分に再充電されていれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動は停止できる。

図４は好都合な一実施例を示す。図４のタイミング図は、時間に応じて、ＤＣ／ＡＣコンバータ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ３の相対的アクティブフェーズを示す。このように、コンバータ３、６の一方はフェーズ２２でアクティブ状態であり、フェーズ２３で非アクティブ状態である。他方のコンバータ６、３はアクティブ状態２４であり、好都合には、アクティブ状態２４が第１のコンバータ３、６の非アクティブフェーズ２３の終わりに配置されている。

Claims

初期ＤＣ電圧（２）を供給する電圧源（１）と、初期電圧（２）によって電源供給され、かつ初期電圧（２）よりも高い中間ＤＣ電圧（５）にコンデンサ（４）を充電できるＤＣ／ＤＣコンバータ（３）と、アクティブフェーズ（７）と非アクティブフェーズ（８）を交互に切り換えることにより交換モードで動作し、コンデンサ（４）から得られた中間電圧（５）を最終電圧パルス列（９）へと変換できるＤＣ／ＡＣコンバータ（６）と、コンバータ（３、６）を駆動する制御ユニット（１０）とを備えており、ＤＣ／ＤＣコンバータ（３）が、コンデンサ（４）を充電するために、最大でＤＣ／ＡＣコンバータ（６）の非アクティブ切り換えフェーズ（８）に亘って、ＤＣ／ＡＣコンバータ（６）と同時に動作できることを特徴とする、電圧パルス列ジェネレータ。
ＤＣ／ＤＣコンバータ（３）が、ＤＣ／ＡＣコンバータ（６）と同じ切り換え周波数で、交換モードで動作し、２つのコンバータ（３、６）が反対のフェーズで動作し、コンバータ（３、６）の一方が、最大で他方のコンバータ（６、３）の非アクティブフェーズ（８）に亘ってアクティブフェーズ（７）であり、逆も同じである、請求項１記載のジェネレータ。
請求項１および２のいずれかに記載の少なくとも１つの電圧パルス列ジェネレータ（１１）を備え、最終電圧パルス列（９）が、噴射フェーズ中に少なくとも１つの超音波圧電インジェクタ（１３）を制御する、超音波圧電インジェクタ制御装置。
電圧パルス列ジェネレータ（１１）から得られた最終電圧パルス列（９）を、複数のインジェクタの中の所定のインジェクタ（１３）に送るインジェクタセレクタ（１４）をさらに備えている、請求項３記載の装置。
各インジェクタ（１３）と関連する電圧パルス列ジェネレータ（１１）をさらに備えている、請求項３記載の装置。
噴射フェーズ（１８）に待機ステップ（１６）を有し、この間に、２つのコンバータ（３、６）が反対のフェーズで動作し、超音波圧電インジェクタ（１３）を制御するために、コンバータ（３、６）の一方が、最大で他方のコンバータ（６、３）の非アクティブフェーズ（８）に亘ってアクティブフェーズ（７）であり、逆も同じである、請求項３〜５のいずれか一項に記載の超音波圧電インジェクタ制御装置（１２）を用いる方法。
待機ステップ（１６）の前に、噴射フェーズ（１８）が始動（１９）するとき、起動ステップ（１５）をさらに有し、この間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ（３）が動作せず、一方、ＤＣ／ＡＣコンバータ（６）が超音波圧電インジェクタ（１３）を起動させるために動作する、請求項６記載の方法。
待機ステップ（１６）の後に、噴射フェーズ（１８）外において、コンデンサ（４）を再充電するステップ（１７）をさらに有し、この間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ（３）がコンデンサ（４）を再充電するために動作し、一方、ＤＣ／ＡＣコンバータ（６）が動作しない、請求項６または７記載の方法。
ＤＣ／ＤＣコンバータ（３）の切り換えが、望ましい中間電圧（５）および次の噴射フェーズ（１８）までに利用可能な時間に応じて再充電を変化させるために可変である、デューティーサイクルおよび／または動作時間を表している、請求項８記載の方法。
コンバータ（３、６）の一方が、他方のコンバータ（６、３）の非アクティブフェーズ（２３）の終わりにアクティブフェーズ（２４）であり、逆も同じである、請求項６〜９のいずれか一項に記載の方法。