Brevet FR2795771A1 — publié le 20010105

La présente invention concerne un procédé et un circuit de commande d'un injecteur haute pression à double bobine pour l'injection de carburant, notamment dans un mo- teur de véhicule, comprenant deux bobines électromagnétiques en série, alimentées en courant à partir d'un interrupteur de surtension, commun, d'un condensateur survolteur, d'un inter- rupteur côté bas, et d'un interrupteur côté haut, pour ouvrir et fermer l'injecteur. Un tel procédé et un tel circuit sont, par exem- ple, connus selon le document DE 195 39 071. Dans les injec- teurs à double bobine, électromagnétiques, les deux bobines appartenant au même circuit magnétique et le dispositif de commande électronique adapté fonctionnellement à celles-ci, servent à ouvrir et fermer rapidement l'injecteur à l'aide d'une charge stockée dans un condensateur survolteur. Le temps d'exécution du cycle d'ouverture et de fermeture de cet injecteur à double bobine à haute pression est explicité dans le chronogramme représenté dans la figure 3 annexée. Tout d'abord, au cours d'une période préparatoire Tv, au cours de laquelle un ressort de fermeture maintient l'injecteur fermé, on alimente les deux bobines. Puis, pendant une première phase d'extinction Tzl, le courant est coupé dans la bobine de fermeture et ainsi la bobine d'ouverture ouvre rapidement l'injecteur (Tvol) contre la force développée par le ressort obturateur. Puis la bobine d'ouverture est coupée pendant une seconde phase d'extinction Tz2. Puis un courant de maintien IouvH traverse la bobine d'ouverture pendant la durée d'injection TI, fixée. Ce courant mesuré aux bornes d'une ré- sistance de mesure sert à la régulation de l'intensité à l'aide d'une installation de régulation de courant reliée au dispositif de commande. A la fin de la durée d'injection sou- haitée TI, la bobine d'ouverture est de nouveau coupée si bien que le courant Iouv qui la traverse atteint la valeur zéro (durée d'extinction Tz3) L'injecteur se ferme ainsi plus rapidement. La dynamique de l'établissement de la force dé- pend des durées d'extinction respectives, c'est-à-dire de l'amplitude de la tension d'extinction. Dans un procédé mixte, on utilise une tension d'extinction allant jusqu'à V et dans le procédé à haute tension on utilise une ten- sion d'extinction allant jusqu'à 400 V. La figure 4 annexée montre schématiquement un circuit de commande 40 destiné à commander plusieurs injec- teurs à haute pression, connus en soi, branchés en parallèle et comportant chacun une double bobine; ce circuit de com- mande 40 est relié par une interface à un processeur central CPU. La construction de l'injecteur à haute pression, indiqué, avec une double bobine, présente des caractéristi- ques précieuses qui dépassent les économies liées à un cir- cuit de commande optimisé comme par exemple celui de la figure 4. Une telle caractéristique de construction, coû- teuse, est principalement due à l'induit nécessaire à l'injecteur. La présente invention a pour but, dans le cadre d'injecteurs électromagnétiques à haute pression à double bo- bine, modifiés, de développer un procédé de commande et un étage de puissance, intégrables, peu coûteux pour commander un injecteur haute pression à double bobine, à commutation rapide, modifiés, pour l'injection directe de carburant dans un moteur de véhicule automobile. A cet effet, l'invention concerne un procédé ca- ractérisé en ce que, pendant la période préparatoire, lorsque l'interrupteur de surtension est ouvert et que l'interrupteur côté bas est fermé, l'une des deux bobines est reliée comme bobine préparatoire par une borne à la tension de batterie et par son autre borne, au condensateur survolteur et à l'interrupteur de surtension, pour se charger d'énergie. Comme dans l'injecteur à haute pression à double bobine selon l'invention, une bobine du système à double bo- bine sert de bobine préparatoire fournissant l'énergie pour déclencher une phase d'accentuation rapide, c'est-à-dire une montée en courant, rapide, dans le circuit magnétique actif, par une coupure rapide du courant préparatoire et ainsi une extinction du condensateur survolteur pour fournir une ten- sion d'extinction importante et transférer le courant à la seconde bobine servant de bobine active, on conserve ainsi un moyen d'entraînement d'un coût avantageux et d'un montage fa- cile pour de l'injecteur à haute pression, électromagnétique, connu. Il est important que le circuit magnétique de la bobine préparatoire soit séparé autant que possible, magnéti- quement, de la bobine active. Comme la bobine préparatoire ne nécessite pas d'entrefer, son circuit magnétique peut être réalisé avec une réluctance plus petite que celle de la bobine active. Pour une certaine inductance de la bobine préparatoire, cela per- met une conception plus faiblement ohmique avec moins de spi- res ou un fil plus épais et ainsi une période préparatoire plus courte ou une économie d'encombrement et d'enroulement de la bobine préparatoire. La bobine active peut être conçue pour que la phase d'attraction tombe dans la phase d'extinction, c'est-à- dire qu'elle chevauche celle-ci. Cela permet d'avoir une ré- sistance élevée pour la bobine active de sorte que la batte- rie du véhicule n'aura à fournir par alimentation directe, que le seul courant de maintien. En résumé, le procédé de commande et le circuit de commande selon l'invention appliqués à un injecteur à haute pression à double bobine permet les avantages sui- vants: 1 / Utilisation de la seconde bobine de l'injecteur à double bobine comme accumulateur d'énergie pour déclencher une phase de surtension rapide, par coupure du courant prépa- ratoire et décharge du condensateur à une tension d'extinction importante et un transfert de courant impor- tant à la bobine active. 2 / Conservation des caractéristiques d'entraînement, peu coûteuses et faciles à monter de l'injecteur électroma- gnétique à haute pression à double bobine, déjà dévelop- pé. 3 / Encombrement et pertes réduits pour les bobines magnéti- ques. 4 / Conception d'adaptation pour adapter le courant de sur- tension par mesure du courant, réaction et régulation de la période préparatoire Tv pour compenser les tolérances et la dérive des circuits magnétiques, des résistances, des bobines, etc. / Utilisation d'un chemin d'extinction et de roue libre commutable pour plusieurs étages d'injecteurs. 6 / Le chemin d'extinction commun permet une mesure centrali- sée du courant, c'est-à-dire une résistance de mesure placée dans le chemin d'extinction sert à toutes les bo- bines d'injecteur et à toutes les fonctions de régulation de courant, imaginables telles que la régulation du cou- rant de maintien, la régulation du courant préparatoire, l'extinction Zener à partir de la valeur cible du cou- rant, l'adaptation du courant préparatoire. Une logique prioritaire permet l'utilisation commune d'un chemin d'extinction, (dans l'extinction Zener, tous les autres injecteurs sont sans courant ou en phase de montée de courant). 7 / Une topologie avantageuse est une capacité d'intégration du circuit de commande mettant en oeuvre le procédé de l'invention. 8 / Suppression des caractéristiques de construction coûteu- ses de l'entraînement actuel à double bobine. 9 / Elimination des parties de circuit limitant la surtension Usurt (commutateur de surtension, électronique correspon- dante). Un étage de puissance très intégré est possible malgré la surtension importante (400V). / Les grandeurs des composants (pas de bobine, pas de con- densateur électrolytique mais seulement des semi- conducteurs et des condensateurs sur des puces) des com- posants nécessaires conviennent également pour des cir- cuits hybrides (installation sur le moteur). 11 / Le chemin d'extinction commun permet le fonctionnement en roue libre des diodes et une régulation de courant pour les deux bobines électromagnétiques. 12 / La régulation avantageuse sur le plan de coût de tous les courants dans les bobines et l'adaptation à toutes les tolérances électriques des injecteurs est ainsi pos- sible (circuit magnétique, résistance des bobines). La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 montre schématiquement en partie sous la forme d'un schéma par blocs, un circuit de commande selon l'invention utilisant un injecteur électromagnétique à haute pression à double bobine selon l'invention, applica- ble à la mise en oeuvre du procédé; - la figure 2 montre deus chronogrammes du procédé de com- mande selon l'invention du courant traversant la bobine préparatoire L2 et la bobine active L1; - la figure 3 montre, sous la forme de deux chronogrammes, les courants traversant la bobine d'ouverture et la bobine de fermeture d'un injecteur à haute pression à double bo- bine, connu; - la figure 4 montre le circuit de commande et l'étage de puissance connus dans le cas d'un injecteur électromagné- tique à haute pression à double bobine, connu. Le circuit de commande ou l'étage de puissance représenté schématique à la figure 1, en liaison avec un in- jecteur électromagnétique à haute pression à double bobine selon l'invention, évite grâce au procédé de commande selon l'invention, les inconvénients des injecteurs électromagnéti- ques à haute pression à double bobine, connus. A titre d'exemple, la figure 1 montre quatre in- jecteurs électromagnétiques à haute pression à double bobine DS-HDEV reliés à un condensateur survolteur Csurt commun et un interrupteur de surtension S2 commun qui leur applique la surtension. Chaque injecteur électromagnétique à haute pres- sion à double bobine DS-HDEV1 - DS-HDEV4 est alimenté par l'intermédiaire d'un interrupteur " côté bas " S1 à partir d'un pilote correspondant TR1, et d'un interrupteur " côté haut " S3 avec un pilote correspondant TR3. Une résistance de mesure RM commune à tous les injecteurs haute pression à dou- ble bobine DS-HDEV1 - DS-HEV4 permet: 1 / la mesure de l'intensité de surtension ISurt pour l'adaptation de la durée préparatoire TV (point de me- sure 1), 2 / la mesure du courant de maintien IH pour dé- terminer que l'on a le courant de maintien servant à tenir l'injecteur en phase de maintien (point de mesure 2), et 3 / la mesure du courant de maintien IH pendant son adaptation et sa régulation dans la phase de maintien (point de mesure 3). Ces mesures de courant seront décrites ultérieu- rement à l'aide des chronogrammes représentés à la figure 2. Le fonctionnement du circuit de la figure 1 et du procédé de commande selon l'invention seront décrits ci-après à l'aide des figures 1 et 2. L'injecteur, par exemple l'injecteur DS-HEVl, est fermé par un ressort obturateur. La bobine 1 caractérisée par son inductance Ll qui sert, selon l'invention, de bobine ac- tive, ouvre l'injecteur lorsqu'elle reçoit un courant suffi- sant. La construction de cette bobine, de son circuit magnétique et de l'induit correspond, en principe, à la cons- truction d'un injecteur électromagnétique à haute pression à double bobine, actuel. La bobine 2, représentée par son inductance L2, encore appelée bobine préparatoire, est utilisée comme accu- mulateur d'énergie recevant, pendant le temps de préparation Tv, lorsque l'interrupteur de surtension S2 est fermé, une énergie EL2=L2XIL2 /2; cette énergie est ensuite transmise par une opération d'extinction (Tzl), lorsque l'interrupteur S2 est ouvert et l'interrupteur côté bas S1 est fermé, à la bobine active L1. La dynamique de la montée en courant ILl(t) dépend en premier lieu de l'amplitude de la tension d'extinction Uext dépendant elle-même de l'énergie prépara- toire et de l'énergie du condensateur survolteur, c'est-à- dire de sa capacité. Le courant de bobine ILî traversant la bobine ac- tive L1 augmente jusqu'à ce que le condensateur survolteur Csurt soit déchargé (Uc=0). Puis on éteint la bobine active L1 par la diode D2 en parallèle sur l'interrupteur S2. Le poten- tiel Uc aux bornes du condensateur survolteur Csurt est abaissé en dessous de la tension de masse d'un niveau de ten- sion correspondant à la tension de passage de la diode de sorte que le courant augmente dans la bobine préparatoire L2 jusqu'à l'égalité des intensités IL1=IL2. Cette phase, combi- née à la première phase d'extinction Tzl, représente la phase d'attraction de l'injecteur et porte la référence Tvol à la figure 2. A la fin de la phase d'attraction, le courant ILi à travers la bobine active Ll est effacé au niveau de main- tien IH (phase TZ2). Cela se produit lorsque l'interrupteur côté haut S3 est ouvert à travers la diode D1 et par effet Zener; en même temps on mesure l'intensité dans la résis- tance de mesure RM. Une fois le courant de maintien IH at- teint, celui-ci est maintenu constant par commutation réglée de roue libre de diode D1, l'interrupteur côté haut S3 étant fermé, et en même temps par mesure du courant sur la résis- tance de mesure RM. Après le temps d'injection TI, le courant ILl dans la bobine active L1 est effacé à zéro (phase d'extinction TZ3). Cela se fait à travers la diode D1 et l'effet Zener, l'interrupteur côté haut S3 étant ouvert. Le circuit de roue libre à travers S3 peut être utilisé par plu- sieurs étages de puissance d'injecteurs à travers S3 comme pour l'entraînement par doubles bobines (voir l'étage de puissance économique pour des injecteurs à haute pression à double bobine selon la figure 4). Pour permettre les étapes de procédé selon l'invention, c'est-à-dire les fonctions du circuit de com- mande décrit ci-dessus, il faut que la bobine préparatoire L2 possède les propriétés suivantes: 1. Le circuit magnétique de la bobine préparatoire L2 doit être séparé aussi complètement que possible du point de vue magnétique de la bobine active L1. 2. Il y a un nombre quelconque de paires Ll-+Isurt; L2-+Iv. Il faut dans ces conditions que la relation EL2-Eperte=ELl soit respectée (ELi énergie d'attraction). 3. Les déviations de tolérance L1/L2 occasionnées par les dispersions des exemplaires et le comportement en tempéra- ture du circuit magnétique, les pertes par des aimanta- tions et l'influence de la résistance des bobines, peuvent être asservis par la mesure de l'intensité de surtension Isurt maximale (point de mesure de courant 1) par une adaptation de la période préparatoire TV; dans ces condi- tions, le courant Iv est variable et l'énergie EL2 de la bobine préparatoire L2 reste constante. 4. Comme la bobine préparatoire L2 ne nécessite pas d'entrefer mobile, son circuit magnétique peut avoir une réluctance plus faible que la bobine active L1. Cela per- met, pour une certaine inductance L2, une conception fai- blement ohmique, correspondante, c'est-à-dire par exemple moins de spires et/ou une section de fil plus épaisse et ainsi un temps de préparation plus court (durée de la dou- ble injection; perte de puissance dans l'interrupteur de surtension S2) ou un gain d'encombrement (moins de spi- res). 5. La bobine active L1 peut être conçue pour que la phase d'attraction (Tvol) tombe dans la première phase d'extinction 1(TzlI) (équilibrage des courants pour Uc Cela permet de rendre la résistance de la bobine active Ll aussi fortement ohmique pour que seulement le courant de maintien IH soit fourni par alimentation directe par la batterie du véhicule. Il faut donc respecter les condi- tions suivantes: - pour des interrupteurs à effet de champ: IH Cette condition permet une économie d'encombre- ment (fil de bobine plus mince) ou de place pour des enroule- ments supplémentaires augmentant la force d'attraction. Le bloc du circuit AD-C, selon la figure 1, relié à un microprocesseur pC, contient les fonctions de détection d'intensité, de transformation de potentiel, de génération d'information indiquant si le courant de maintien est at- teint, et un convertisseur analogique/numérique. Le micro-ordinateur pC est prévu pour générer au moment opportun les signaux de commande destinés aux pilotes TR1-TR2 pour préparer les signaux fournis par le convertis- seur analogique/numérique AD-C et l'adaptation du courant de survoltage à partir de la mesure de courant 1, en adaptant le temps de préparation Tv pour compenser les tolérances et la dérive des circuits magnétiques, des résistances de bobines, etc... du ou des injecteurs 1-4. Le chemin d'extinction commun permet une mesure centralisée du courant aux bornes de la ré- sistance de mesure RM pour les bobines de tous les injecteurs et ainsi pour le micro-ordinateur pC, la régulation de toutes les intensités telle que la régulation du courant de main- tien, la limitation du courant préparatoire, l'extinction Ze- ner sur la valeur de l'intensité de consigne, l'adaptation du courant préparatoire. Une logique prioritaire permet une uti- lisation commune d'un chemin d'extinction (pour l'extinction Zener, tous les autres injecteurs sont coupés du courant ou sont en montée d'intensité). A l'aide du procédé de commande selon l'invention et du circuit de commande pour sa mise en oeuvre, on peut réa- liser un circuit à très haute intégration malgré une surten- sion importante (400 V) dans le cas d'un injecteur électromagnétique à haute pression à double bobine, modifié. L'encombrement des composants nécessaires convient également pour des circuits hybrides (montage sur le moteur). Le cir- cuit de commande ne comporte ni bobine ni condensateur élec- trolytique mais seulement des semi-conducteurs et des condensateurs sur puce. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Procédé de commande d'un injecteur haute pression à dou- ble bobine pour l'injection de carburant, notamment dans un moteur de véhicule, comprenant deux bobines électromagnétiques (L1, L2) en série, alimentées en courant à partir d'un interrupteur de surtension (S2), commun, d'un condensateur survolteur (Csurt), d'un interrup- teur côté bas (S1) et d'un interrupteur côté haut (S3), pour ouvrir et fermer l'injecteur, caractérisé en ce que pendant la période préparatoire (Tv), lorsque l'interrupteur de surtension (S2) est ouvert et que l'interrupteur côté bas (Sl) est fermé, l'une des deux bobines (L2) est reliée comme bobine préparatoire par une borne à la tension de batterie (UBatt) et par son autre borne au condensateur survolteur (Csurt) et à l'interrupteur de surtension (S2), pour se char- ger d'énergie (EL2=L2XIL2 /2). 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une première étape d'extinction qui fait suite, pendant une première durée d'extinction (Tzl), lorsque l'interrupteur de surtension est ouvert et que l'interrupteur côté bas (Sl) est fermé, l'énergie (EL2) chargée dans la bobine prépara- toire (L2) est transférée par le condensateur survolteur (Csurt) à la seconde bobine (L1) servant de bobine active, branchée entre l'interrupteur côté bas (S2) et la bobine pré- paratoire (L2), la transmission se faisant jusqu'à la dé- charge du condensateur survolteur(Csurt). 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que dans une phase d'attraction (Tvol), suivante, la bobine ac- tive (L1) est éteinte par l'intermédiaire d'une diode (D2) en parallèle sur l'interrupteur de surtension (S2), jusqu'à ce que le potentiel du condensateur survolteur (Csurt) descend en dessous du potentiel de la masse et que le courant aug- Il mente dans la bobine préparatoire (L2), pour arriver à l'équilibre des intensités dans les deux bobines (L1, L2). 4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans une seconde étape d'extinction (Tz2) suivante, lorsque l'interrupteur côté haut (S3) est ouvert, par une diode de roue-libre (D1) en parallèle à l'interrupteur côté haut, on éteint le courant (ILl) dans la bobine active (L1) jusqu'à la valeur de l'intensité de maintien (IH). ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le courant de maintien (IH), une fois atteint, est maintenu constant par l'intermédiaire de la diode de roue-libre (D1) à l'aide d'une régulation de commutation, l'interrupteur côté haut (S3) étant fermé, le courant de maintien étant mesuré dans une résistance de mesure (RM) en série avec l'interrupteur côté haut (S3). 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' après une durée d'injection prédéterminée (Ti), l'in- terrupteur côté haut (S3) étant ouvert, par l'intermédiaire de la diode de roue libre (D1) en parallèle sur cet interrup- teur, on éteint jusqu'à la valeur zéro le courant (IL1) pas- sant dans la bobine active (L1). 7 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on applique la relation suivante EL2-Eperte=EL1 pour les énergies stockées dans les deux bobines (L1, L2). 8 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on mesure sur la résistance de mesure (RM) le courant de surtension (Isurt) maximum à la fin de la première opération d'extinction (b) et, en adaptant la période préparatoire (Tv), on détermine et/ou on compense les déviations de tolé- rance des deux bobines (LI, L2) comme celles engendrées par exemple par les variations de température des circuits magné- tiques et/ou les pertes par des aimantations et/ou l'influence des résistances des bobines, en modifiant l'intensité du courant (Iv) passant pendant le temps de pré- paration (Tv). 9 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit magnétique de la bobine préparatoire (L2) est sé- paré magnétiquement de la bobine active (L1). 10 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit magnétique de la bobine préparatoire (L2) a une réluctance plus faible que celle de la bobine active (L1). 11 ) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enroulement de la bobine préparatoire (L2) pour une induc- tance prédéterminée comporte moins de spires et/ou a une sec- tion de fil plus épaisse que l'enroulement de la bobine active (L1). 12 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que par un dimensionnement approprié de la bobine active (L1), la phase d'attraction (Tvol) chevauche la première durée d'extinction (Tzl). 13 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la résistance de la bobine active (L1) est suffisamment ohmi- que pour fournir uniquement le courant de maintien (IH) par alimentation directe à partir de la batterie du véhicule, se- lon les relations suivantes en fonction du type d'interrupteur côté bas (Si): - IH 14 ) Circuit de commande pour la mise en oeuvre du procédé se- lon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'interrupteur côté bas (S1), l'interrupteur côté haut (S3) et l'interrupteur de surtension (S2) sont reliés par des cir- cuits pilotes (TR1, TR3, TR2) à un micro-ordinateur (pC) qui commande les durées de commutation et les intensités de cou- rant respectives. ) Circuit selon la revendication 14, caractérisé en ce que la résistance de mesure (RM) est reliée par un convertisseur analogique/numérique (AD-C) à une entrée du micro-ordinateur (PC). 16 ) Circuit selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le micro-ordinateur (pC) est conçu pour réguler le temps pré- paratoire (Tv) et le courant de maintien (IH) selon le procé- dé de la revendication 3.