Brevet FR2854285A1 — publié le 20041029

La présente invention concerne un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore piloté électriquement, et plus particulièrement d'un injecteur de carburant à étage piézo-électrique piloté par le calculateur d'injection électrique d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile. Elle concerne de plus un procédé de mise en oeuvre du dispositif. Plus précisément, le problème que vise à résoudre l'invention est l'excitation des cellules piézo-électriques pour faire vibrer la structure d'un injecteur ultrasonore, telle que décrite dans la demande de brevet français, déposée sous le numéro 99 14548 au nom de la Demanderesse. Ce type d'injecteur pulvérise très finement le carburant en gouttelettes calibrées pour assurer un dosage précis et suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté. Un tel injecteur ultrasonore comporte entre autres une buse cylindrique alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection, et des moyens 15. de mise en vibration cyclique de la buse, tel un transducteur, comportant un étage en céramique piézo-électrique aux bornes de laquelle on fait varier la tension électrique pour modifier son épaisseur entre deux positions extrêmes correspondant à l'ouverture et à la fermeture de l'injecteur, à un rapport de démultiplication près. Une céramique piézo-électrique d'injecteur est équivalente au premier ordre à une capacité dont la 20 tension de chargement est élevée, supérieure à une centaine de volts. Dans un véhicule automobile, la tension d'alimentation a pour valeur 12 ou 42 volts, ce qui implique d'augmenter cette tension pour assurer la charge et la décharge de la céramique. Il existe actuellement différentes topologies de dispositifs de commande pour injecteur piézo-électrique, dont les topologies à transformateur qui ont pour inconvénients d'être chères à réaliser et de présenter un couplage de la résonance électrique avec la résonance magnétique. Il existe également des topologies sans 30 transformateur, donc sans isolation galvanique, dont un exemple de réalisation est décrit dans la demande de brevet français, déposée sous le numéro 02 14665, au nom de Renault. Cette demande propose un dispositif de commande qui comporte: un premier étage, alimenté par la source de tension continue, d'amplification de ladite tension pour générer une haute tension; - un deuxième étage, alimenté par la haute tension générée par le premier étage, de génération d'une source de courant pour alimenter les injecteurs; - d'un troisième étage de sélection des injecteurs piézo-électriques à piloter; - un quatrième étage de pilotage de la tension d'excitation Vpi des injecteurs. Le premier étage de génération d'une haute tension est constitué par une première branche comprenant une première inductance Li reliée à un interrupteur Si 5 de découpage, monté en anti-parallèle avec une diode di de roue libre, et par une deuxième branche montée en parallèle sur l'interrupteur Si de découpage et comprenant une diode D reliée à une capacité de filtrage C, une des bornes de ladite diode D étant reliée au point de jonction Ji de l'inductance L1 et de l'interrupteur S1 de la première branche, la haute tension d'alimentation étant délivrée aux bornes de la 10 capacité C. Quant au deuxième étage de génération d'une source de courant, il est constitué par une branche comprenant une seconde inductance L2 reliée à un interrupteur S2 de découpage monté en anti-parallèle avec une diode d2 de roue libre, 15 ladite inductance L2 de valeur déterminée pour réaliser un circuit oscillant avec chaque injecteur piloté étant reliée d'un côté au point de jonction J2 de la diode D avec la capacité de filtrage du premier étage et de l'autre côté à l'interrupteur S2. Le but de l'invention est de proposer une nouvelle topologie sans 20 transformateur, simplifiée par rapport à l'art antérieur, n'ayant qu'un seul élément selfique pour générer une tension alternative aux bornes d'un injecteur à partir d'une source de tension continue. Pour cela, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande d'au 25 moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle et d'une source de tension continue, caractérisé en ce qu'étant alimenté par la source de tension, délivrant une tension de sortie continue E entre deux bornes extrêmes B1, B2, il comporte, connectée en parallèle auxdites bornes, une inductance de résonance Lp en série avec un pont de quatre interrupteurs P11, P12, P21, 30 P22, associés chacun à une diode d11, d12, d21, d22 destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, celui de la charge de l'inductance Lp, ledit pont étant constitué de deux bras, qui comprennent chacun deux interrupteurs en série, P11 et P21 d'une part et P12 et P22 d'autre part, commandables alternativement, et dont les points milieux respectifs J1 et J2 sont reliés par l'actionneur piézoélectrique Ai. 35 Selon une autre caractéristique du dispositif de commande alimenté par la source de tension, délivrant une tension de sortie continue E entre deux bornes extrêmes Bi, B2, celui-ci comporte, connectée en parallèle auxdites bornes, une inductance de résonance Lp en série avec une diode D, passante dans le sens de la charge de ladite inductance, et avec un pont de quatre interrupteurs Pl,, P12, P21, P22, associés chacun à une diode d1, , d12, d21, d22 destinée à bloquer le passage du 5 courant dans un seul et même sens, montée dans le sens inverse de la diode D associée à l'inductance, ledit pont étant constitué de deux bras, qui comprennent chacun deux interrupteurs en série, P11 et P21 d'une part et P12 et P22 d'autre part, commandables alternativement, et dont les points milieux respectifs J1 et J2 sont reliés par l'actionneur piézo-électrique Ai. Un second objet de l'invention est un procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes pour obtenir une tension alternative avec composante continue aux bornes de l'injecteur piézo-électrique, le calculateur de 15 contrôle réalise les étapes suivantes: - A) fermeture simultanée d'un premier couple d'interrupteurs constitué d'un premier interrupteur Pli du premier bras de pont et du second interrupteur P22 du second bras de pont, et ouverture simultanée du second couple constitué du second interrupteur P12 du premier bras et 20 du premier interrupteur P2, du second bras; - B) fermeture du second interrupteur P21 du premier bras pour accumuler de l'énergie dans l'inductance de résonance Lp; - C) ouverture de ce même second interrupteur P21 du premier bras pour que l'inductance Lp se décharge dans l'actionneur qui se charge 25 ainsi à son tour; - D) ouverture simultanée du premier couple d'interrupteurs fermés Pli et P22; - E) fermeture simultanée du second couple d'interrupteurs ouverts P12 et P21 pour permettre à la tension aux bornes de l'actionneur de 30 s'inverser par l'inductance Lp; - F) fermeture du second interrupteur P22 du second bras pour accumuler de l'énergie dans l'inductance; - G) ouverture de ce même interrupteur P22 du second bras pour charger l'actionneur une nouvelle fois par l'énergie accumulée dans 35 l'inductance; - H) ouverture simultanée du second couple d'interrupteurs P12 et P21; - 1) fermeture simultanée du premier couple d'interrupteurs P11 et P22 pour permettre à la tension aux bornes de l'actionneur de s'inverser par l'inductance Lp; le cycle se poursuit de l'étape B) à l'étape 1). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de deux variantes de réalisation d'un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, illustrée par les figures suivantes qui sont: - les figures 1 et 2: un schéma électronique d'un dispositif de commande d'un 10 actionneur piézo-électrique, selon deux variantes; - les figures 3a, 3b, 3c et 3d: les signaux de commande des quatre interrupteurs de pont du dispositif de commande; - les figures 4 et 5: les variations temporelles respectives du courant dans l'inductance de charge et de la tension aux bornes de l'injecteur; - les figures 6 et 7: un schéma électronique d'un dispositif de commande de quatre actionneurs piézo-électriques, selon deux variantes. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. 20 L'invention consiste à générer un signal sinusoïdal haute tension, supérieure à une centaine de volts, et haute fréquence, supérieure à une dizaine de kilohertz, sur la cellule piézo-électrique de chaque injecteur de carburant d'un véhicule à partir d'une source de tension continue, soit la batterie. Pour cela, elle propose deux variantes 25 différentes d'une topologie de dispositif de commande d'un actionneur assurant l'excitation desdites céramiques piézo-électriques, à travers une inductance pour constituer un circuit résonant. Ces structures sont valables de 1 à N injecteurs, N étant un entier préférentiellement égal à 4, 5, 6, 8, 10 ou 12. A titre d'exemple non limitatif, le nombre d'injecteurs commandés est 4 dans la description suivante. 30 Comme le montre le schéma de la figure 1, concernant une première variante de réalisation, le dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique Ai selon l'invention est alimenté par une source B de tension continue, telle qu'une batterie électrique 12 Volts ou 42 Volts du véhicule, ou un convertisseur DC-DC, qui délivre 35 une tension continue E entre ses deux bornes extrêmes B1 et B2. Entre ces deux bornes, en parallèle à cette source de tension est connectée une inductance de résonance Lp en série avec un pont de quatre interrupteurs P11, P12, P21, P22, associés chacun à une diode d1, ,d12, d21, d22 destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, celui de la charge de l'inductance Lp. L'inductance et l'ensemble des quatre diodes réalisent une source de courant unidirectionnelle. Le pont est constitué de deux bras, comprenant chacun deux interrupteurs en série, P11 et P21 5 d'une part et P12 et P22 d'autre part, commandables alternativement, et dont les points milieux respectifs J1 et J2 sont reliés par l'actionneur piézo-électrique Ai. L'inductance de résonance Lp est dimensionnée pour que sa fréquence de résonance avec la capacité d'entrée de l'actionneur piézo-électrique soit supérieure à 10 la fréquence de récurrence des interrupteurs, soit la fréquence de pilotage ultrasonique des injecteurs piézo-électriques. Ainsi, le principe de fonctionnement du dispositif repose à la fois sur le caractère réactif de l'inductance Lp et de l'impédance d'entrée de l'actionneur sélectionné, ainsi que sur la charge et la décharge rapide(s) du piézo-électrique par une inductance dimensionnée pour que sa résonance avec la 15 capacité d'entrée de l'injecteur ait lieu à une fréquence plus grande que la fréquence de répétition du motif en tension désirée. Le fonctionnement de ce dispositif de commande, pour obtenir une tension alternative avec composante continue aux bornes de l'injecteur piézoélectrique, 20 comporte les étapes suivantes: - A) fermeture simultanée d'un premier couple d'interrupteurs constitué d'un premier interrupteur P1i du premier bras de pont et du second interrupteur P22 du second bras de pont, et ouverture simultanée du second couple constitué du second interrupteur P12 du premier bras et 25 du premier interrupteur P21 du second bras; - B) fermeture du second interrupteur P21 du premier bras pour accumuler de l'énergie dans l'inductance de résonance Lp; - C) ouverture de ce même second interrupteur P21 du premier bras pour que l'inductance Lp se décharge dans l'actionneur Ai qui se 30 charge ainsi à son tour; - D) ouverture simultanée du premier couple d'interrupteurs fermés Pli et P22; - E) fermeture simultanée du second couple d'interrupteurs ouverts P12 et P21 pour permettre à la tension aux bornes de l'actionneur de 35 s'inverser par l'inductance Lp; - F) fermeture du second interrupteur P22 du second bras pour accumuler de l'énergie dans l'inductance; - G) ouverture de ce même interrupteur P22 du second bras pour charger l'actionneur une nouvelle fois par l'énergie accumulée dans l'inductance; - H) ouverture simultanée du second couple d'interrupteurs P12 et P21; - 1) réitération de l'étape A) soit fermeture simultanée du premier couple d'interrupteurs P11 et P22 pour permettre à la tension aux bornes de l'actionneur de s'inverser par l'inductance Lp, le cycle se poursuivant ensuite de l'étape B) à l'étape 1). Les figures 3a et 3b représentent les signaux de commande d'ouverture et de fermeture des premiers interrupteurs Pli et P12 respectivement des deux bras de pont, et les figures 3c et 3d représentent les signaux de commande d'ouverture et de fermeture des seconds interrupteurs P21 et P22 respectivement des deux bras de pont. Le pilotage des quatre interrupteurs du pont aboutit au courant lLp circulant dans l'inductance de résonance Lp représenté sur la figure 4 et à la tension d'excitation Vp; de l'actionneur piézo-électrique A représentée sur la figure 5. Lors de l'étape B), entre les instants t1 et t2, le courant ILp croît dans l'inductance Lp jusqu'à une valeur maximale 'max, puis chute brutalement à la valeur nulle à l'instant t2 de début de l'étape 20 C). A l'instant t3 de début de l'étape E), le courant lp présente un pic de valeur Ip, correspondant à l'inversion de la polarité de l'actionneur par la résonance entre l'inductance Lp et la capacité d'entrée de l'actionneur. Simultanément, la tension d'excitation Vp; de l'actionneur, nulle jusqu'à l'instant 25 t2 décroît brutalement jusqu'à une valeur très négative V-, de l'ordre par exemple de - 250 Volts, puis croît progressivement entre les instants t2 et t3 pour ensuite, à l'instant t3 d'inversion de polarité de l'actionneur, croître jusqu'à une première valeur V1, décroître jusqu'à l'instant t4, puis croître jusqu'à une valeur maximale V+, de valeur absolue égale à V-, correspondant à la charge de l'actionneur par l'inductance Lp. 30 Entre les instants t4 et t5 de fin d'étape H), la tension d'excitation Vp; décroît puis bascule à la valeur négative V-. Dans le cas d'un moteur thermique de véhicule automobile nécessitant quatre injecteurs, le schéma de la figure 6 représente un dispositif de commande de quatre 35 actionneurs en céramique piézo-électrique A1 à A4, montés en parallèle et, qui selon cette première variante de réalisation, comporte d'une part un premier bras de pont, monté en série avec une inductance de résonance Lp, et d'autre part quatre deuxièmes bras, montés en parallèle au premier bras. Chaque actionneur piézo-électrique A1 à A4 relie le point milieu J1 du premier bras de pont au point milieu J2i d'un des quatre seconds bras de pont respectivement. Chaque bras de pont est constitué de deux interrupteurs P1i et P21 pour le premier bras, et P1i et P2i, i entier variant de 1 à 4, pour 5 chacun des quatre seconds bras, chaque interrupteur étant associé à une diode, d11 ou d2i, destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, celui de la charge de l'inductance Lp. Selon une seconde variante de réalisation, comme le montre le schéma de la 10 figure 2, le dispositif de commande d'un actionneur piézo- électrique Ai selon l'invention est alimenté par une source B de tension continue, qui délivre une tension continue E entre ses deux bornes extrêmes B1 et B2. En parallèle desdites bornes est connectée une inductance de résonance Lp en série avec une diode D, passante dans le sens de la charge de ladite inductance, et avec un pont de quatre interrupteurs Pli, P12, P21, 15 P22, associés chacun à une diode d11, d12, d21, d22 destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, montée dans le sens inverse de la diode D associée à l'inductance. Comme dans la première variante, le pont est constitué de deux bras, comprenant chacun deux interrupteurs en série, Pli et P21 d'une part et P12 et P22 d'autre part, commandables alternativement, et dont les points milieux respectifs 20 Ji et J2 sont reliés par l'actionneur piézo- électrique Ai. Le schéma de la figure 7 représente un dispositif de commande de quatre actionneurs en céramique piézo-électrique AI à A4, montés en parallèle selon la seconde variante de réalisation, qui comporte d'une part un premier bras de pont, 25 monté en série avec une inductance de résonance Lp associé à une diode D, et d'autre part quatre deuxièmes bras, montés en parallèle au premier bras. Chaque actionneur piézo-électrique AI à A4 relie le point milieu JI du premier bras de pont au point milieu J2i d'un des quatre seconds bras de pont respectivement. Comme dans la première variante, chaque bras de pont est constitué de deux interrupteurs Pli et P21 pour le 30 premier bras, et Pli et P2i, i entier variant de 1 à 4, pour chacun des quatre seconds bras, chaque interrupteur étant associé à une diode, d11 ou d2i, destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, celui de la charge de l'inductance Lp. Le fonctionnement de ce dispositif de commande selon la seconde variante, 35 pour obtenir une tension alternative avec composante continue aux bornes de l'injecteur piézo-électrique, comporte les mêmes étapes que celui du dispositif selon la première variante. Les interrupteurs de chaque bras de pont du dispositif de commande selon l'invention peuvent être des transistors de type MOSFET avec diode intrinsèque ou de type IGBT. Le procédé de fonctionnement d'un tel dispositif de commande de plusieurs actionneurs piézo-électriques, selon la première ou la seconde variante de réalisation, comporte une première phase de sélection de l'actionneur Ai à exciter puis une deuxième phase d'excitation dudit actionneur par les différentes étapes A) à H) décrites précédemment pour la commande d'un seul actionneur. 10 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle d'une source 5 de tension continue, caractérisé en ce qu'étant alimenté par la source de tension, délivrant une tension de sortie continue (E) entre deux bornes extrêmes (B1, B2), il comporte, connectée en parallèle auxdites bornes, une inductance de résonance (Lp) en série avec un pont de quatre interrupteurs (P11, P12, P21, P22), associés chacun à une diode (d11, d12, d21, d22) destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et 10 même sens, celui de la charge de l'inductance (Lp), ledit pont étant constitué de deux bras, qui comprennent chacun deux interrupteurs en série, (P11 et P21) d'une part et (P12 et P22) d'autre part, commandables alternativement, et dont les points milieux respectifs (Ji et J2) sont reliés par l'actionneur piézo-électrique (Ai). 2. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle d'une source de tension continue, caractérisé en ce qu'étant alimenté par la source de tension, délivrant une tension de sortie continue (E) entre deux bornes extrêmes (B1, B2), il comporte, connectée en parallèle auxdites bornes, une inductance de résonance (Lp) 20 en série avec une diode (D), passante dans le sens de la charge de ladite inductance, et avec un pont de quatre interrupteurs (Pli, P12, P21, P22) , associés chacun à une diode (d11, d12, d21, d22) destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, montée dans le sens inverse de la diode (D) associée à l'inductance, ledit pont étant constitué de deux bras, qui comprennent chacun deux interrupteurs en 25 série, (P11 et P21) d'une part et (P12 et P22) d'autre part, commandables alternativement, et dont les points milieux respectifs (J1 et J2) sont reliés par l'actionneur piézoélectrique (Ai). 3. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique 30 ultrasonore selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que I'inductance de résonance (Lp) est dimensionnée pour que sa fréquence de résonance avec la capacité d'entrée de l'actionneur piézo-électrique (Ai) soit supérieure à la fréquence de récurrence des interrupteurs, soit la fréquence de pilotage ultrasonique des injecteurs piézo-électriques. 4. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la commande de quatre actionneurs en céramique piézo-électrique (A1 à A4), montés en parallèle, il comporte, connectée en parallèle auxdites bornes extrêmes (B1, B2) de la source de tension, une inductance de résonance (Lp) en série avec d'une part un premier bras de pont, et d'autre part quatre deuxièmes bras de pont, montés en parallèle au premier 5 bras, et en ce que chaque actionneur piézo-électrique (AI à A4) relie le point milieu (J1) du premier bras de pont au point milieu (J2i) d'un des quatre seconds bras de pont respectivement, chaque bras de pont étant constitué de deux interrupteurs (P11 et P21) pour le premier bras, et (Pli et P2i) , i entier variant de 1 à 4, pour chacun des quatre seconds bras, chaque interrupteur étant associé à une diode (dîj ou d2i) destinée à 10 bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, celui de la charge de l'inductance (Lp) . 5. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour la commande de 15 quatre actionneurs en céramique piézo-électrique (Ai à A4), montés en parallèle, il comporte, d'une part un premier bras de pont, monté en série avec une inductance de résonance (Lp) associée à une diode (D), et d'autre part quatre deuxièmes bras, montés en parallèle au premier bras, chaque actionneur piézo-électrique (A1 à A4) reliant le point milieu (JI) du premier bras de pont au point milieu (J2i) d'un des quatre 20 seconds bras de pont respectivement, et en ce que chaque bras de pont est constitué de deux interrupteurs (Pli et P21) pour le premier bras, et (Pli et P21) , i entier variant de 1 à 4, pour chacun des quatre seconds bras, chaque interrupteur étant associé à une diode, (dîj ou d2i) , destinée à bloquer le passage du courant dans un seul et même sens, celui de la charge de l'inductance (Lp). 25 6. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de tension (B) est une batterie basse tension 12 ou 42 Volts. 7. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les interrupteurs de pont sont du type MOSFET avec diode intrinsèque ou IGBT. 8. Procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de commande d'au moins un 35 actionneur piézo-électrique ultrasonore selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pour obtenir une tension alternative avec composante continue aux bornes de l'injecteur piézo-électrique, le calculateur de contrôle réalise les étapes suivantes: il - A) fermeture simultanée d'un premier couple d'interrupteurs constitué d'un premier interrupteur (P1i) du premier bras de pont et du second interrupteur (P22) du second bras de pont, et ouverture simultanée du second couple constitué du second interrupteur (P12) du premier bras et du premier interrupteur (P21) du second bras; - B) fermeture du second interrupteur (P21) du premier bras pour accumuler de l'énergie dans l'inductance de résonance (Lp); - C) ouverture de ce même second interrupteur (P21) du premier bras pour que l'inductance (Lp) se décharge dans l'actionneur qui se charge 10 ainsi à son tour; - D) ouverture simultanée du premier couple d'interrupteurs fermés (Pli et P22); - E) fermeture simultanée du second couple d'interrupteurs ouverts (P12 et P21) pour permettre à la tension aux bornes de l'actionneur de 15 s'inverser par l'inductance (Lp); - F) fermeture du second interrupteur (P22) du second bras pour accumuler de l'énergie dans l'inductance; - G) ouverture de ce même interrupteur (P22) du second bras pour charger l'actionneur une nouvelle fois par l'énergie accumulée dans 20 l'inductance; - H) ouverture simultanée du second couple d'interrupteurs (P12 et P21); - 1) fermeture simultanée du premier couple d'interrupteurs (P11 et P22) pour permettre à la tension aux bornes de l'actionneur de s'inverser par l'inductance (Lp); le cycle se poursuit de l'étape B) à l'étape 1). 9. Procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de commande de plusieurs actionneurs de commande de plusieurs actionneurs piézo-électriques ultrasonores selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une première 30 phase de sélection de l'actionneur (Ai) à exciter et une deuxième phase d'excitation dudit actionneur comprenant les étapes A) à H).