Brevet FR2739217A1 — publié le 19970328

Etat de la technique La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour la commande d'au moins deux utilisateurs électro- magnétiques, en particulier des soupapes électromagnétiques5 pour la commande de la quantité de carburant à injecter dans un moteur à combustion interne, les utilisateurs pouvant être re- liés avec un premier branchement d'une alimentation en tension avec un premier moyen de commutation et chacun un second moyen de commutation avec un second branchement de l'alimentation en10 tension et des moyens de relevage de tension. Selon les documents DE-OS 19 507 222 on connaît dé- jà un dispositif pour la commande d'au moins un utilisateur électromagnétique. Dans ce dispositif, l'énergie libérée par la coupure est récupérée dans un condensateur et est utilisée lors du prochain processus de mise en route. De plus, on connaît également selon le document DE- OS 44 13 240 un dispositif pour la commande d'un utilisateur électromagnétique au moyen d'un demi-pont. Dans ce cas, un élé- ment d'emmagasinement d'énergie est disposé entre le demi-pont et la source de tension. L'inconvénient dans ce dispositif est de ne pas permettre un rechargement. But de l'invention La présente invention a pour but, dans un disposi- tif pour la commande d'un utilisateur électromagnétique, de fournir un dispositif de construction simple pour la commande d'un utilisateur électromagnétique dans lequel le processus d'enclenchement est accéléré et la consommation totale d'énergie est minimisée. Avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type ci-dessus, caractérisé en ce que les moyens de relevage de tension sont branchés en parallèle avec la source de tension ou en parallèle avec le premier moyen de commutation. Ce circuit présente l'avantage d'avoir une extinc- tion sans perte. De plus, la réutilisation de l'énergie emmaga- sinée lors de l'extinction lorsqu'on enclenche le circuit, permet d'accélérer la montée du courant lors du branchement, ce qui entraîne à son tour une réduction du temps de commutation électromagnétique de la soupape. Ces avantages sont obtenus par l'utilisation d'un nombre réduit de composants. De plus, cela permet une charge du condensateur de charge selon les valeurs5 de tension désirées du fait de la possibilité de recharge. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - les moyens de relevage de la tension comprennent un condensa- teur ainsi qu'un autre moyen de commutation, le condensateur étant branché en parallèle avec la source de tension ou en parallèle avec le premier moyen de commutation. - les moyens de relevage de tension sont branchés en parallèle à la source de tension ou en parallèle au premier moyen de commutation et que les moyens de commutation sont commandés de telle sorte qu'au moins un utilisateur est alimenté en tension par les moyens de relevage de tension au début de la commande. - dans une première phase, les moyens de commutation sont com- mandés pour accumuler l'énergie dans l'utilisateur. - dans la seconde phase, les moyens de commutation sont comman- dés pour transférer l'énergie accumulée dans l'utilisateur vers le condensateur. - dans une troisième phase, les moyens de commutation sont com- mandés pour transférer l'énergie accumulée dans le condensa- teur vers l'utilisateur. Dessins Le dispositif selon l'invention sera décrit plus en détail ci-après à l'aide des modes de réalisation représentés aux dessins. Ainsi: - la figure 1 est un schéma du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un schéma d'un autre mode de réa- lisation, - la figure 3 représente différents chronogrammes. Description des exemples de réalisation Le dispositif selon l'invention est avantageusement installé dans des moteurs à combustion interne, en particulier à auto-allumage ou allumage non commandé. Le dosage de carbu- rant est commandé par des soupapes électromagnétiques. Ces sou- papes électromagnétiques sont par la suite désignées par " utilisateurs ". L'invention n'est pas limitée à cette appli- cation. Elle peut être installée partout o sont installées des soupapes électromagnétiques commutant rapidement. Dans de telles utilisations, l'instant d'ouverture et de fermeture d'une soupape électromagnétique détermine le début d'injection ou la fin d'injection. Usuellement, l'inter- valle entre la commande de la soupape électromagnétique et l'ouverture ou la fermeture effective de la soupape électroma- gnétique est désigné par " temps de commutation ". Dans le cas de moteurs Diesel en particulier, il est souhaitable que ce temps de commutation soit le plus court possible. Pour obtenir des temps de commutation les plus courts possibles, il est nécessaire d'établir ou de supprimer la puissance la plus rapidement possible dans l'utilisateur. Or, une telle mise en oeuvre de la puissance peut être obtenue en fonction d'une montée ou d'une diminution rapide du courant. En particulier dans le cas d'une pré-injection dans laquelle avant l'injection principale, une faible quantité de carburant est injectée, une tension très importante est néces- saire pour obtenir des temps de commutation courts. Le dispositif selon l'invention représenté à la fi- gure 1 est construit selon les concepts connus du demi-pont. De plus, un condensateur d'accumulation est monté en parallèle à travers des diodes en série avec la source de tension d'alimentation. La figure 1 montre les éléments essentiels du dis- positif selon l'invention. Deux utilisateurs commandés portent les références 101 et 102. Le mode de fonctionnement selon l'invention n'est pas limité à deux utilisateurs. Le dispositif représenté peut être utilisé quel que soit le nombre d'utilisateurs. De plus, une source de tension 110 est reliée à un demi-pont 120 à travers un réseau releveur 115. Le réseau 115 se compose essentiellement d'une pre- mière diode Dl, d'une seconde diode D2, d'un moyen de commuta- tion Sl et d'un condensateur C1. L'anode de la diode Dl est reliée au pôle positif de l'alimentation en tension 110 et au premier branchement du moyen de commutation Si. La cathode de la diode D1 est reliée à un premier branchement d'un condensa- teur Ci. Le second branchement du condensateur est en contact avec le pôle moins de l'alimentation en tension 110. Le conden- sateur C1 est branché en parallèle avec la source de tension 110. Le pôle négatif, ou la seconde borne du condensa- teur C1 est en contact par un second moyen de commutation S2 avec une première borne de l'utilisateur 102 et par un troi- sième moyen de commutation S3 avec une première borne de l'utilisateur 101. La seconde borne des utilisateurs 101 et 102 est en contact avec la cathode de la diode Dl à travers un moyen de commutation S4. De plus, le point de liaison entre le second bran- chement de l'utilisateur et le moyen de commutation S4 est re- lié avec la cathode d'une diode D5 dont l'anode est en contact avec le pôle négatif de l'alimentation en tension. Le point de branchement entre le second moyen de commutation S2 et la pre- mière borne de l'utilisateur 102 est relié au branchement de l'anode d'une diode D3. La ligne de liaison entre le moyen de commutation S3 et l'utilisateur 101 est en contact avec l'anode d'une diode D4. Les branchements des cathodes des diodes D3 et D4 sont reliés avec le branchement de la cathode de la diode Dl ou avec la seconde borne du moyen de commutation S4. Les moyens de commutation Si à S4 sont avantageuse- ment des commutateurs intégrés, en particulier des transistors ou des transistors à effet de champ. Ils reçoivent les signaux de commande par une unité de commande 130. Les moyens de commutation S2 et S3 sont usuellement désignés par commutateurs de niveau bas, les moyens de commuta- tion S4 par commutateurs de niveau haut et le moyen de commuta- tion S1 par commutateur de recharge. Le montage des diodes D3, D4 et D5 ainsi que les moyens de commutation S2, S3 et S4 est usuellement appelé mon- tage en demi-pont. On distingue plusieurs phases dans le mode de fonc- tionnement de ce dispositif. Pour commencer, le condensateur C1 est déchargé et le moyen de commutation S4 est ouvert. Dans la première phase, le moyen de commutation Si et les moyens de commutation S2 ou S3 sont fermés. Il en résulte un courant électrique du pôle po- sitif de la source de tension 110 à travers le moyen de commu- tation SI, la diode D2, les utilisateurs 101 et/ou 102, les moyens de commutation S2 et/ou S3 en retour vers le pôle néga- tif de l'alimentation en tension 110. Pendant ce temps, de l'énergie électrique est emmagasinée dans l'utilisateur. Dans cette phase, le courant passant par les utilisateurs augmente linéairement. Dans la première phase, la commande est si rapide qu'elle ne suffit pas pour laisser réagir l'utilisateur. Dans ce cas, on utilise la propriété des soupapes électromagnétiques selon laquelle jusqu'à un niveau défini de courant, les puis- sances appliquées par ce courant sur les pièces mobiles de la soupape électromagnétique ne suffisent pas à leur entraînement à cause de la force de ressort, de sorte que jusqu'à ce niveau de courant, la soupape électromagnétique ne sert pratiquement que comme bobine d'accumulation. Dans la seconde phase consécutive, l'énergie emma- gasinée dans les soupapes électromagnétiques est récupérée dans le condensateur C1. Pour cela, tous les moyens de commutation sont mis à leur état ouvert. De ce fait, le courant passe d'un premier branchement de l'utilisateur 101, 102 à travers les diodes D3, D4, le condensateur C1, la diode D5 et l'utilisa- teur. La troisième phase commence avec le début de la commande de l'utilisateur qui réalise le dosage du carburant. Dans la troisième phase, l'énergie emmagasinée dans le conden- sateur est chargée dans la soupape électromagnétique. Pour ce- la, le moyen de commutation Si est mis à sa position ouverte et les moyens de commutation S4, S2 et/ou S3 sont fermés. Il s'établit ainsi un courant à partir du condensateur à travers le moyen de commutation S4, les utilisateurs 101 et/ou 102 ain- si que les moyens de commutation S2, S3 en retour par le con- densateur Cl. De ce fait, la décharge du condensateur permet une augmentation rapide du courant et ainsi une création rapide des forces qui est avantageuse pour l'obtention de temps de commutation courts. Le dosage de la quantité de carburant com-5 mence au cours de la troisième phase. Dans une quatrième phase, le circuit 115 n'a pas de fonction et le courant passe de l'alimentation en tension 110 à travers la diode Dl, le moyen de commutation S4, les utilisa- teurs 101 et/ou 102, les moyens de commutation S2, S3 en retour vers l'alimentation en tension 110. La commande du moyen de commutation S4 ou S2 et/ou S3 permet de réguler du courant qui traverse les utilisateurs. La commande de l'utilisateur corres- pondant auquel est associé un cylindre dans lequel doit être réalisé le dosage de carburant, se fait par les moyens de com- mutation S2, S3 associés à l'utilisateur. Après la fin du do- sage, les moyens de commutation S4 et les moyens de commutation associés à l'utilisateur correspondant S2, S3 sont ouverts. Ce- la détermine le dosage du carburant. Après la fin du dosage proprement dit, le condensa- teur peut être chargé à une tension prédéterminée par plusieurs répétitions des phases 1 et 2. Il est particulièrement avantageux que le processus de recharge s'effectue dans plusieurs soupapes électromagnéti- ques en parallèle. On peut ainsi augmenter de manière signifi- cative la vitesse de recharge. La recharge du condensateur permet d'augmenter de manière significative la tension au con- densateur, ce qui conduit à un temps de commutation plus ra- pide. Le processus de recharge ultérieur permet théoriquement d'atteindre une tension aussi haute que désirée au condensateur Cl et ainsi pour le début de la commande. Pour permettre le processus de recharge, il suffit d'ajouter quelques composants au circuit demi-pont, à savoir le moyen de commutation Sl, la diode D2 et le condensateur Cl. Le réseau 115 n'a pas de fonction dans la quatrième phase. Dans cette phase, la régulation du courant se fait par la commande du moyen de commutation S4. En variante, on peut également réguler le courant par des moyens de commutation S2 et/ou S3 lorsque le moyen de commutation S4 est fermé. L'énergie libérée par l'ouverture du moyen de commutation S4 est alors transformée en chaleur. Le circuit de la figure 1 ne permet pas d'utiliser cette énergie. La figure 2 représente une modification de ce circuit dans laquelle l'énergie libérée par l'ouverture du commutateur S4 est chargée dans un condensateur C2. Dans la figure 2, les éléments correspondants à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. La différence essentielle avec la figure 1 est que le condensateur qui porte la référence Ci dans la figure 1 est branché entre la cathode de la diode Dl et l'anode de la diode D2. Cela signifie que le condensateur C2 est branché en parallèle avec le commutateur S4. On obtient ainsi un branchement en parallèle entre le bran- chement en série du condensateur C2 et de la diode D2 et le commutateur S4. De manière correspondante, le condensateur C2 est en parallèle avec le commutateur Si. Le mode de fonctionnement de ce circuit sera décrit à l'aide de la figure 3. La figure 3 montre différents signaux en fonction du temps t. La partie de figure 3a montre la ten- sion U aux bornes de la diode D5 en fonction du temps t. Cette tension correspond essentiellement à la tension aux bornes de l'utilisateur 101, 102. La partie de figure 3b représente le courant qui traverse l'utilisateur 101, 102 en fonction du temps. La partie de figure 3c représente la tension UC aux bor- nes du condensateur C2. De manière correspondante, la figure 3d présente la courbe du courant IC qui traverse le condensateur C2 en fonction du temps t. La commande de l'utilisateur commence à l'instant tO. Dans ce premier segment, qui correspond à la troisième phase de la figure 1, l'énergie emmagasinée dans le condensa- teur est délivrée à la soupape électromagnétique. Pour cela, les commutateurs Si, S4, S2 et S3 sont fermés. Un courant élec- trique passe ainsi de la source d'alimentation en courant 110 à travers le moyen de commutation Sl, le condensateur C2, le moyen de commutation S4, l'utilisateur 101, 102 et le moyen de commutation S2, S3, en retour vers la source d'alimentation 110. Lors de cette commande, les tensions d'alimentation et les condensateurs chargés sont branchés en série. La tension aux bornes de la diode D5 correspond à la somme UC + Ubat de la tension UC aux bornes du condensateur et dans la tension d'alimentation Ubat. La tension d'alimentation est augmentée de la tension de condensateur. On obtient ainsi une augmentation plus rapide du courant passant à travers les utilisateurs et ainsi un temps de commutation réduit de la soupape électroma- gnétique. Le condensateur est déchargé à l'instant T1. Cela signifie que la tension à travers la diode D5 est retombée à la tension de batterie Ubat. Entre les instants tO et tl, le courant I, qui tra- verse la soupape, augmente. La tension UC aux bornes du conden- sateur C2 tombe à 0. Le courant IC traversant le condensateur tombe à une valeur négative. A partir du point tl, le moyen de commutation Sl est commandé de sorte qu'il se bloque. Le courant venant de la source d'alimentation en tension 110 traverse alors la diode Dl, le moyen de commutation S4, l'utilisateur 101, 102, le moyen de commutation S2, S3 en retour vers l'alimentation 110. Durant cette phase, la tension aux bornes de la diode D5 reste à une valeur constante qui correspond à la ten- sion de la batterie. Le courant I traversant l'utilisateur con- tinue à augmenter. La tension aux bornes du condensateur C2 reste à 0 ainsi que le courant IC qui traverse le condensateur C2. Lorsque le courant I traversant l'utilisateur at- teint une valeur prédéterminée, ce courant est régulé à une va- leur prédéterminée par la commutation en ouverture et en fermeture de l'élément de commutation S4. A partir de l'instant t2, le condensateur C2 est rechargé, du fait qu'il constitue une dérivation pour le moyen de commutation S4 et le courant commute sur le condensateur C2. Pour cela, les commutateurs sont commutés de telle sorte que les moyens de commutation Si et S4 sont en état bloqué et que le moyen de commutation S2, S3 est à l'état fermé. Cela engen- dre un courant de la source d'alimentation en tension 110 à travers la diode Dl, le condensateur C2 et la diode D2 de l'utilisateur 101, 102 et le moyen de commutation S2, S3 en re- tour vers la source 110. Entre l'instant t2 et t3, la tension U aux bornes de la diode D5 tombe à 0, la tension UC aux bornes du condensa- teur C2 augmente. Le courant I traversant le condensateur C2 augmente très rapidement vers une valeur positive très élevée. Au cours de cette phase, le condensateur C2 et l'utilisateur 101 et/ou 102 sont en série, de sorte que des courants de même intensité traversent le condensateur C2 et l'utilisateur. Dans l'intervalle de temps entre les instants t3 et t4, le courant est régulé par d'autres ouvertures et fermetures du moyen de commutation S4. Ce segment correspondant à la qua- trième phase du circuit selon la figure 1. Le moyen de commuta- tion Sl est commandé de sorte qu'il se bloque. Si le courant est plus faible que sa valeur de con- signe pour le courant de maintien, les moyens de commutation S4 et S2, S3 sont commandés de sorte que le courant passe. Le cou- rant venant de la source d'alimentation en tension 110 traverse maintenant la diode Dl, le moyen de commutation S4, l'utilisateur 101, 102, le moyen de commutation S2, S3 en re- tour vers la source 110. Cela correspond à l'intervalle de temps entre tl et t2. Si le courant est plus grand que sa valeur de con- signe, alors les moyens de commutation sont commandés de sorte que les moyens de commutation Sl et S4 sont dans leur état blo- qué et que les moyens S2, S3 sont fermés. Cela engendre un cou- rant de l'alimentation en tension 110 à travers la diode Dl, le condensateur C2, la diode D2, l'utilisateur 101, 102 et le moyen de commutation S2 ou S3 en retour vers l'alimentation 110. Cela correspond à l'intervalle de temps t2, t3. La commande s'arrête à l'instant t4. A cet instant, les moyens de commutation S4 et S2, S3 sont mis dans leur état bloqué. Dans cet état, tous les moyens de commutation sont blo- qués. Ainsi, le courant électrique à partir de l'utilisateur passe à travers la diode D4, le condensateur C2, la diode D2 en retour vers l'utilisateur 101, 102. Cette phase est désignée par extinction rapide. L'énergie accumulée dans l'accumulateur est utilisée pour une recharge ultérieure du condensateur C2. Cela a pour conséquence qu'à l'instant t4, la tension U aux bornes de la diode D5 retombe à nouveau à 0, le courant I tra- versant l'utilisateur retombe également à O et la tension aux bornes du condensateur C2 augmente à nouveau jusqu'à sa valeur de départ d'avant la commande. De manière correspondante, le courant IC traversant le condensateur à l'instant t4 augmente un court instant et retombe à nouveau à 0. Tous les processus se répètent lors de la commande suivante de l'utilisateur. l1 R E V E N D I C A T IONS 1 ) Dispositif pour la commande d'au moins deux utilisateurs électromagnétiques, en particulier des soupapes électromagnéti- ques pour la commande de la quantité de carburant à injecter dans un moteur à combustion interne, les utilisateurs pouvant être reliés avec un premier branchement d'une alimentation en tension avec un premier moyen de commutation et chacun un se- cond moyen de commutation avec un second branchement de l'alimentation en tension et des moyens de relevage de tension, caractérisé en ce que les moyens de relevage de tension (115) sont branchés en paral- lèle avec la source de tension (110) ou en parallèle avec le premier moyen de commutation (Si). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de relevage de la tension (115) comprennent un con- densateur (Cl) ainsi qu'un autre moyen de commutation, le con- densateur (C1) étant branché en parallèle avec la source de tension (110) ou en parallèle avec le premier moyen de commuta- tion (Si). 3 ) Dispositif pour la commande d'au moins deux utilisateurs électromagnétiques, en particulier des soupapes électromagnéti- ques pour la commande de la quantité de carburant à injecter dans un moteur à combustion interne, les utilisateurs pouvant être reliés avec un premier branchement d'une alimentation en tension avec un premier moyen de commutation et chacun un se- cond moyen de commutation avec un second branchement de l'alimentation en tension et des moyens de relevage de tension, caractérisé en ce que les moyens de relevage de tension sont branchés en parallèle à la source de tension (110) ou en parallèle au premier moyen de commutation (S1) et que les moyens de commutation (Si, S2, S3, S4) sont commandés de telle sorte qu'au moins un utilisateur (101, 102) est alimenté en tension par les moyens de relevage de tension (115) au début de la commande. 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans une première phase, les moyens de commutation (S1, S2, S3, S4) sont commandés pour accumuler l'énergie dans l'utilisateur (101, 102). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans la seconde phase, les moyens de commutation (Si, S2, S3, S4) sont commandés pour transférer l'énergie accumulée dans l'utilisateur (101, 102) vers le condensateur (C1). 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans une troisième phase, les moyens de commutation (Si, S2, S3, S4) sont commandés pour transférer l'énergie accumulée dans le condensateur (Cl) vers l'utilisateur (101, 102).