Brevet FR2852164A1 — publié le 20040910

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé pour déterminer la durée de commande d'un actionneur piézo-électrique d'un injecteur pour injecter une quantité de liquide sous haute pression dans une cavité, 5 notamment dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Etat de la technique Dans les systèmes d'injection équipés d'actionneurs piézoélectriques, les actionneurs sont chargés à une certaine tension. A ce i0 moment, l'élément piézo-électrique se dilate et crée une course qui n'est pas une fonction linéaire de la tension et influence ainsi de manière négative la précision de l'injection. Or, dans les systèmes d'injection de moteurs à combustion interne utilisant de plus en plus des injecteurs équipés d'actionneurs piézo-électriques, il faut obtenir une quantité ou 15 dose d'injection souhaitée avec une très grande précision notamment également pour de faibles quantités d'injection comme par exemple pour les pré-injections de façon à obtenir une situation favorable des gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Selon le document EP 1 139 448 Ai, on connaît un procédé 20 et un dispositif pour déterminer la tension de commande d'un actionneur piézoélectrique selon lesquels on détermine le courant sollicitant l'actionneur piézo-électrique en fonction du gradient de tension sur l'actionneur. A partir de la charge et de l'allongement de l'actionneur piézo-électrique on positionne une soupape de commande qui commande la 25 course de l'aiguille d'injecteur. En particulier pour répondre aux exigences posées aux systèmes d'injection modernes dans les moteurs à combustion interne il est nécessaire que l'allongement réalisé par la commande de l'actionneur piézo-électrique se fasse de manière très exacte dans toutes les conditions limites, en particulier en tenant compte du vieillissement de 30 l'actionneur piézo-électrique, des variations de température ou de phénomènes analogues. C'est pourquoi on rencontre des difficultés si l'on ne peut mesurer directement la course de l'actionneur. A titre d'exemple, un procédé et un dispositif pour charger et décharger un élément piézo-électrique sont décrits dans le document 35 DE 199 27 190 Ai. Selon ce procédé et ce dispositif, la commande de l'élément piézoélectrique se fait par une électronique de commande qui calcule une tension de consigne. Lorsqu'on atteint cette tension de consigne, on termine l'opération de charge de l'actionneur piézo-électrique. La tension appliquée à l'actionneur est mesurée à un instant prédéterminé après la fin de l'opération de charge proprement dite mais avant le début de la décharge de l'actionneur piézo-électrique si bien que l'on dispose de cette tension comme grandeur de commande également pour effectuer des 5 diagnostics. Il est en outre connu de mesurer la charge échangée à chaque opération de charge ou de décharge avec l'actionneur. La difficulté est que la relation de la course de l'actionneur et de la tension qui lui est appliquée présente une hystérésis. En outre, la température influence de manière négative la relation fonctionnelle entre la course de l'actionneur et la 10 tension. But de l'invention La présente invention a pour but de perfectionner la commande des actionneurs piézo-électriques pour arriver à une précision beaucoup plus grande de la commande et en particulier de façon indépen15 dante de l'influence de la température. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on régule la durée de commande en fonction de la quantité de charge appliquée à l'actionneur. Grâce à la régula20 tion fondée sur la charge, on arrive à une précision beaucoup plus grande de la commande car la relation fonctionnelle entre la charge et la course de l'actionneur est beaucoup plus linéaire que la relation selon l'état de la technique entre la charge et la tension de commande. De plus, la relation entre la charge et la course de l'actionneur subit moins l'influence de la 25 température que celle entre la tension de commande et la course. On définit avantageusement la charge pendant l'opération de charge par intégration du courant lors de la phase de charge de l'actionneur. A la fin de la phase (ou opération) de charge, il n'y a plus de courant et la charge obtenue reste ainsi constante. De façon avantageuse, 30 après la fin de la charge et avant le début de la décharge de l'actionneur, on détermine la quantité de charge, c'est-à-dire qu'on mesure cette quantité. La régulation de la tension de commande se fait alors selon un développement avantageux du procédé en comparant la quantité de 35 charge obtenue à une quantité de charge de consigne, prédéterminée et on utilise la différence des deux grandeurs comme valeur de sortie pour une installation de régulation servant à déterminer la durée de commande de l'actionneur. De manière préférentielle, l'installation de régulation est un régulateur PI (régulateur proportionnel-intégral) dont la grandeur de sortie est ajoutée à la valeur de consigne de la charge. Ainsi, en fonction de cette somme, on détermine la tension de commande d'au moins un actionneur. 5 De cette manière on obtient d'une certaine façon une commande préalable qui a non seulement l'avantage de pouvoir commencer l'opération de régulation pour une valeur de consigne optimale et qui ainsi se fait également très rapidement mais également par exemple immédiatement lors du démarrage du moteur à combustion interne en disposant ainsi d'une 1o grandeur initiale intéressante sous la forme d'une tension de consigne. La transformation de la charge en une tension se fait dans ces conditions car dans la majorité des cas il est beaucoup plus simple de traiter une tension dans des installations de commande qu'une charge électrique. La transformation de la charge en tension de commande se fait à l'aide d'une 15 courbe caractéristique dans le cas d'un développement avantageux du procédé. Selon un autre développement avantageux du procédé, en plus de la quantité de charge, on définit la tension de commande appliquée à au moins un actionneur piézo-électrique, par exemple en la mesu20 rant et on l'ajoute à la tension de commande obtenue pour former une tension de commande de consigne. Ainsi, à côté de la quantité de charge on peut également utiliser la tension de commande, directement comme grandeur de régulation dans l'opération de régulation. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre la structure schématique d'un injecteur connu selon l'état de la technique, utilisant des actionneurs piézo-électriques pour 30 commander l'injecteur, - la figure 2 montre schématiquement une commande régulée en tension d'un actionneur piézo-électrique, - la figure 3 montre une commande régulée en tension d'un actionneur piézo-électrique selon l'invention, - la figure 4 montre une commande en cascade à régulation de tension/charge d'un actionneur piézo-électrique selon l'invention. Description de modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement un injecteur 1 connu selon l'état de la technique; celui-ci comporte un perçage central. Dans la partie supérieure il y a un piston d'actionnement 3 équipé d'un actionneur 5 piézo-électrique 2 logés dans le perçage central; le piston d'actionnement 3 est solidaire de l'actionneur 2. Le piston d'actionnement 3 ferme en partie haute un coupleur hydraulique 4 et en partie basse il comporte un orifice avec un canal de liaison vers un premier siège 6. Un piston 5 avec un organe d'obturation de soupape 12 est prévu dans ce canal. L'organe io d'obturation de soupape 12 est réalisé sous la forme d'une soupape de commande à double fermeture. Cet organe ferme le premier siège 6 lorsque l'actionneur 2 est en phase de repos. Lorsque l'actionneur 2 est mis en oeuvre, c'est-à-dire lorsqu'on applique une tension de commande Ua entre les bornes +, -, l'actionneur 2 commande le piston d'actionnement 3 15 et pousse par l'intermédiaire du coupleur hydraulique 4, le piston 5 avec l'organe d'obturation 12 vers un second siège 7. Sous le second siège, un canal correspondant comporte une aiguille d'injecteur 11 qui ferme ou libère la sortie d'un canal de haute pression (pression de rampe commune) 13 suivant la tension de commande Ua qui est appliquée. La haute pres20 sion est commandée par le fluide injecté, par exemple le carburant, alimentant un moteur à combustion interne pour passer par une arrivée 9, un organe d'étranglement d'arrivée 8 et un organe d'étranglement de sortie 10 pour commander le débit du fluide vers l'aiguille d'injecteur 11 et le coupleur hydraulique 4. Le coupleur hydraulique 4 a ainsi pour fonction, 25 d'une part, d'amplifier la course du piston 5, et, d'autre part, de découpler la soupape de commande de la dilatation statique en température de l'actionneur 2. Le renouvellement du remplissage du coupleur 4 n'est pas représenté. Le fonctionnement de cet injecteur sera décrit ci-après de 30 manière plus précise. A chaque commande de l'actionneur 2, le piston d'actionnement 3 est déplacé en direction du coupleur hydraulique 4. Le piston 5 se déplace ainsi également avec l'organe d'obturation 12 en direction du second siège 7. Les intervalles de fuite permettent à une partie du fluide hydraulique se trouvant dans le coupleur 4, par exemple le car35 burant, d'être expulsée. C'est pourquoi il faut remplir de nouveau le coupleur hydraulique 4 entre deux injections pour garantir sa sécurité de fonctionnement. Une pression élevée arrive par le canal d'alimentation 9; dans le cas d'un système d'alimentation en rampe commune, cette pression peut être de l'ordre de 200 à 2000 bars. Cette pression agit contre l'aiguille d'injecteur 11 et maintient celle-ci fermée de sorte que le carbu5 rant ne peut s'échapper. Si maintenant par suite de la tension de commande Ua on actionne l'actionneur 2 et que l'organe d'obturation 12 est déplacé en direction du second siège, la pression régnant dans la zone de haute pression diminue et l'aiguille d'injecteur 11 libère le canal d'injection. La référence Pl désigne la pression dite de couplage mesurée 10 dans le coupleur hydraulique 4. Sans la tension de commande Ua il s'établit une pression stationnaire Pl dans le coupleur 4; cette pression représente par exemple 1/1lème de la pression régnant dans la partie haute pression. Après la décharge de l'actionneur 2, la pression de couplage Pi est pratiquement égale à 0 et cette pression sera de nouveau rele15 vée par le nouveau remplissage. La course de l'actionneur tracée en fonction de la tension présente une hystérésis plus grande que la course de l'actionneur représentée en fonction de la charge. De plus, la relation fonctionnelle entre la course de l'actionneur et la charge est linéaire et peut se caractériser plus 20 simplement avec la température que la relation entre la course de l'actionneur et la tension de commande. De la même manière, la tension de commande constitue l'unique grandeur de régulation pour la commande de l'actionneur. La raison est que la tension se mesure plus simplement par exemple à l'aide 25 d'un simple diviseur de tension alors que pour mesurer la charge il faut intégrer le courant qui a passé. Pour une condition de coupure en ligne lors de la charge d'un actionneur piézo-électrique on ne peut en principe envisager que la tension. L'idée de base de l'invention consiste à réaliser une com30 mande régulée en tension de l'actionneur piézo-électrique. L'invention utilise le fait que l'on peut mesurer la charge et la tension de l'actionneur après la fin de la phase de charge et avant le début de la phase ou opération de décharge pour utiliser cette mesure comme grandeur de régulation. Un exemple de procédé de commande régulé en tension d'un actionneur selon l'état de la technique sera décrit brièvement ciaprès en liaison avec la figure 2. Comme le montre la figure 2, la grandeur d'entrée est la pression de la rampe p-rampe transformée en une tension de consigne UcOns dans un champ de caractéristiques 210. De cette tension de consigne Ucons on soustrait la tension réelle mesurée Uréel, mes dans un soustracteur 5 220 et on applique cette différence à un régulateur PI-230 (régulateur proportionnel-intégral). Un additionneur 240 additionne la grandeur de sortie du régulateur PI à la tension de consigne Ucons. Cette grandeur est alors transformée dans un autre élément de calcul en une tension de consigne Ua (tension de commande) appliquée à une électronique de commande, 10 par exemple à une commande intégrée. La régulation se fait toujours de façon à annuler la différence entre la tension de consigne et la tension réelle mesurée Uréei, mes. Pour cela on utilise comme grandeur de régulation initiale, toujours la tension de consigne Uons. Cela permet de réaliser une certaine commande préalable qui assure une régulation très rapide de la 15 tension de commande appliquée à l'actionneur. Selon les figures 3 et 4 on décrira ci-après la commande régulée en charge selon l'invention. Dans un élément de calcul 310 on transforme la pression de rampe p-rampe en une valeur de consigne de charge Qcors. A partir de celle-ci, un soustracteur 320 retranche la valeur 20 réelle mesurée de la charge Qréel, mes correspondant à l'intégration du courant ayant passé. Cette différence est appliquée à un régulateur PI-330 (régulateur proportionnel-intégral). Le signal de sortie du régulateur PI330 est ajouté dans un additionneur 340 à la valeur de charge de consigne Qcons. Cette somme est convertie par un élément de calcul 350 en une 25 tension de commande Ua de l'actionneur. La régulation consiste alors à rendre nulle la différence entre la valeur de la charge de consigne Qcons et la valeur de charge réelle mesurée Qréel, mes. Comme grandeur d'entrée on utilise alors la valeur de charge de consigne Qcons. Cette valeur sert également par exemple au démarrage d'un moteur à combustion interne 30 comme valeur initiale de sorte que dès le démarrage du moteur à combustion interne on dispose de valeurs de charge significatives permettant d'accélérer considérablement la phase ou opération de régulation. L'élément de calcul 350 est réalisé avantageusement par une courbe caractéristique qui transforme les charges en une tension Ua. La tension de 35 commande Ua est alors finalement la grandeur que l'on détermine dans l'électronique de commande et avec laquelle on commande les actionneurs piézo-électriques. La tension de commande Ua sert ainsi également de condition de coupure en ligne. Les avantages d'une telle tension de commande régulée en charge sont que la relation fonctionnelle entre la charge appliquée à l'actionneur et sa courbe présente une linéarité beaucoup plus grande que la relation fonctionnelle entre la tension de commande appliquée à l'actionneur et la course de cet actionneur. De plus, la relation en5 tre la charge appliquée à l'actionneur et la course de l'actionneur a une dépendance beaucoup moindre de la température. De plus, il est également avantageux de déterminer la charge pendant l'opération de charge en intégrant le courant de charge. A la fin de l'opération de charge, il n'y a plus passage de courant et la charge obtenue est ainsi constante. Cela 1o permet de mesurer cette valeur de mesure à tout instant après la fin de l'opération ou phase de charge et avant le début de la charge avec la même précision. Vis-à-vis de cela, le signal de tension que l'on peut mesurer sur un actionneur piézo-électrique n'offre par exemple pas de valeur constante à la fin de la phase de charge car les oscillations mécaniques de 15 l'actionneur, les variations des efforts appliqués à l'actionneur ou éléments analogues se répercutent de manière significative sur la tension de l'actionneur et risquent de fausser le signal. Après un certain temps cet effet s'atténue et pour des durées de commande prolongées (par exemple dans le cas d'une injection principale) cet effet n'a plus une grande signifi20 cation. Toutefois, la tension est également influencée de manière négative par d'autres influences comme par exemple une diminution de la force de coupleur du fait des fuites du coupleur hydraulique produisant une diminution continue de la réaction à l'actionneur et ainsi une réduction de la tension. Dans ce cas, la tension de commande dépend de la durée de 25 commande. Pour des durées de commande brèves, l'effet lié aux fuites est négligeable mais pour des durées de commande prolongées, cet effet se répercute néanmoins de manière gênante. Contrairement à cela, le signal de charge est dans une certaine mesure indépendant des vibrations et, d'autre part, indépendant de la durée de commande. La tension régulée de 30 la charge, telle que décrite ci-dessus, permet ainsi une précision considérablement améliorée de la commande et ainsi d'améliorer la qualité des gaz d'échappement du moteur à combustion interne. La figure 4 montre un développement du procédé décrit à l'aide de la figure 3; les éléments de la figure 4 identiques à ceux de la fi35 gure 3 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. A la différence du procédé décrit en liaison avec la figure 3, après avoir déterminé la tension de commande Ua, on ne l'applique pas directement pour commander l'actionneur. Au contraire, cette grandeur est elle- même la grandeur d'entrée d'une autre commande régulée en tension. La tension ainsi obtenue est utilisée dans ce cas comme tension de consigne Ucons dont on soustrait la tension réelle mesurée Uréel, mes dans un soustracteur 410. La différence obtenue est appliquée à un autre régulateur PI5 420 qui assure la régulation de la différence sur zéro. La grandeur de sortie du régulateur PI-420 est alors ajoutée à la tension de consigne Ucons dans un élément additionneur 430; la grandeur obtenue est fournie comme tension de commande Ua. Ce procédé a l'avantage d'utiliser en plus de la charge également en même temps la tension mesurée comme io autre grandeur de régulation. Dans ce procédé décrit en liaison avec la figure 4, la charge mesurée de l'actionneur est également la grandeur déterminante pour commander les actionneurs piézo-électriques. Le procédé décrit ci-dessus de commande de l'actionneur piézo-électrique se caractérise par une précision beaucoup plus grande du 15 positionnement de l'aiguille de l'injecteur des systèmes d'injection ou encore elle permet également une soupape de commande et ainsi elle améliore considérablement le dosage du carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. REVENDICATIONS 10) Procédé pour déterminer la durée de commande d'un actionneur piézoélectrique (2) d'un injecteur (1) pour injecter une quantité de liquide sous haute pression dans une cavité, notamment dans la chambre de combus5 tion d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu' on régule la durée de commande en fonction de la quantité de charge appliquée à l'actionneur (2). i0 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine la quantité de charge par intégration du courant traversant au moins un actionneur (2). 30) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on détermine la quantité de charge, dans le temps, après la charge et avant la décharge de l'actionneur (2). 40) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on compare la quantité de charge obtenue à une quantité de consigne de charge prédéterminée et on utilise la différence des deux grandeurs comme grandeur de sortie pour une installation de régulation permettant 25 de déterminer la durée de commande de l'actionneur (2). 50) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'installation de régulation est un régulateur PI (régulateur proportionnel30 intégral) dont la grandeur de sortie est ajoutée à la valeur de consigne de la charge et en fonction de cette somme on détermine une tension de commande (Ua) d'au moins un actionneur (2). 60) Procédé selon la revendication 5, 35 caractérisé en ce qu' on détermine la tension de commande à l'aide d'une courbe caractéristique. 70) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en plus on détermine la tension de commande appliquée à au moins un actionneur (2) et pour former une tension de commande de consigne on l'additionne à la tension de commande obtenue.