Brevet FR2854005A1 — publié le 20041022

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; - un troisième étage de sélection des injecteurs piézo-électriques à piloter; - un quatrième étage de pilotage de la tension d'excitation Vp; 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 d1 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 LI et de l'interrupteur SI 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 B+ et B, il comporte, connectée en parallèle auxdites bornes, une inductance de résonance Lp en série avec un ensemble de deux branches en parallèle, 30 comprenant chacune un premier interrupteur Pl, et P12 en série avec une diode dl et d2 respectivement, les deux diodes étant montées tête-bêche, relié par un point de jonction J à un second interrupteur P2 monté en anti-parallèle avec une diode D et délivrant à ses bornes une haute tension alternative à composante continue servant de tension d'excitation à l'actionneur Ai qui est monté en parallèle à ses bornes. 35 Selon une autre caractéristique du dispositif de commande alimenté par la source de tension continue, l'inductance de résonance Lp est montée en série entre la borne B+ de la source de tension et l'ensemble des deux branches, lui-même relié par le point de jonction J à une première borne du second interrupteur P2 monté en antiparallèle avec une diode D dont l'autre borne est reliée à la borne B- de la source de tension, l'actionneur étant monté en parallèle entre le point de jonction J et la borne B5 de la source. Selon une autre caractéristique du dispositif de commande alimenté par la source de tension continue, l'inductance de résonance Lp est montée en série entre la borne B+ de la source de tension et une première borne du second interrupteur P2 10 monté en anti-parallèle avec la diode D, dont la seconde borne est reliée par le point de jonction J à une première borne de l'ensemble des deux branches dont l'autre borne est reliée à la borne B- de la source de tension, l'actionneur étant monté en parallèle entre le point de jonction entre l'inductance Lp et l'interrupteur d'une part et le point de jonction J d'autre part. 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: - A) fermeture simultanée d'un premier interrupteur P1, d'une branche de l'ensemble 20 relié à l'inductance de résonance Lp d'une part et du second interrupteur P2 destiné à délivrer la tension d'excitation à l'injecteur d'autre part pour que le courant ILP circule dans l'inductance et que l'énergie s'accumule dans celle-ci, alors que l'autre premier interrupteur P12 de l'autre branche est ouvert; - B) ouverture du second interrupteur P2, alors que le premier interrupteur Pl, d'une 25 branche est toujours fermé et celui P12 de l'autre branche est toujours ouvert, afin que le courant lLp dans l'inductance passe dans l'actionneur Ai sélectionné et que l'inductance Lp entre en résonance avec la capacité d'entrée de l'actionneur qui va ainsi se charger à la tension d'excitation Vp; existant aux bornes de l'interrupteur P2; - C) ouverture du premier interrupteur Pl1 de la branche qui était fermé et fermeture 30 simultanée de l'interrupteur P12 de l'autre branche, alors que le second interrupteur P2 reste ouvert, pour décharger l'actionneur piézo-électrique dans l'inductance Lp, dont le courant lp croît dans le sens opposé au courant de charge; - D) fermeture du second interrupteur P2, alors que l'un des premiers interrupteurs des branches Pl, est ouvert et l'autre interrupteur P12 est fermé; - E) ouverture de l'interrupteur P12 fermé et fermeture de l'autre interrupteur P11 ouvert des deux branches pour accumuler de l'énergie dans l'inductance Lp. 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, illustré par les figures suivantes qui sont: - les figures 1 et 2: un schéma électronique d'un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique selon deux variantes; - les figures 3a à 3d: les schémas équivalents au circuit de charge et décharge de l'injecteur sélectionné - les figures 4a à 4c: les signaux de commande des trois interrupteurs du dispositif; - les figures 5 et 6: les variations temporelles respectives du courant dans l'inductance 10 de charge et de la tension aux bornes de l'injecteur. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. 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 différentes d'une topologie de dispositif de commande d'un actionneur assurant 20 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. Comme le montre le schéma de la figure 1, concernant une première variante de réalisation, le dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique Ai selon l'invention est alimenté par une source de tension continue, telle qu'une batterie électrique 12 Volts ou 42 Volts du véhicule, ou un convertisseur DC-DC, qui délivre une tension continue E entre ses deux bornes extrêmes B- et B+. En parallèle à cette 30 source de tension continue est connectée une inductance de résonance Lp en série avec un ensemble de deux branches en parallèle qui comprennent chacune un premier interrupteur P1, et P12 en série avec une diode d1 et d2 respectivement, ces diodes étant montées tête-bêche l'une par rapport à l'autre. Le point de jonction J de ces deux branches, qui n'est pas relié à l'inductance Lp, est relié à une première borne d'un 35 second interrupteur P2, monté en anti-parallèle avec une diode D, et dont la seconde borne est reliée à la borne B- de la source de tension E. Au moins un actionneur Ai est monté entre les bornes dudit second interrupteur P2 qui délivre une haute tension alternative d'excitation Vpi avec une composante continue. Dans le cas de quatre actionneurs piézo-électriques ultrasonores AI à A4, ils sont montés en parallèle aux bornes de cet interrupteur P2 en antiparallèle avec la diode D, chacun étant relié à un interrupteur de sélection S1 à S4 piloté par le calculateur électronique de contrôle moteur qui choisit l'injecteur à exciter pour qu'il injecte le carburant dans le cylindre déterminé. 10 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 la fréquence de récurrence des interrupteurs, soit la fréquence de pilotage ultrasonique des injecteurs piézo-électriques. Ainsi, le principe de fonctionnement du dispositif 15 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 rapides du piézoélectrique par une inductance dimensionnée pour que sa résonance avec la 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, comporte les étapes suivantes, une fois l'injecteur choisi par l'interrupteur de sélection Si, étapes représentées par les schémas du circuit de charge et de décharge de 25 l'injecteur: - A) fermeture simultanée d'un premier interrupteur P1, d'une branche de l'ensemble relié à l'inductance de résonance Lp d'une part et du second interrupteur P2 destiné à délivrer la tension d'excitation à l'injecteur d'autre part pour que le courant ILP circule dans l'inductance et que l'énergie s'accumule dans celle-ci, alors que l'autre premier 30 interrupteur P12 de l'autre branche est ouvert (figure 3a); - B) ouverture du second interrupteur P2, alors que le premier interrupteur P1 d'une branche est toujours fermé et celui P12 de l'autre branche est toujours ouvert, afin que le courant ILP dans l'inductance passe dans l'actionneur Ai sélectionné et que l'inductance Lp entre en résonance avec la capacité d'entrée de l'actionneur qui va 35 ainsi se charger à la tension d'excitation Vp; existant aux bornes de l'interrupteur P2 (figure 3b); - C) ouverture du premier interrupteur Pli de la branche qui était fermé jusque là et fermeture simultanée de l'interrupteur P12 de l'autre branche, alors que le second interrupteur P2 reste ouvert, pour décharger l'actionneur piézo-électrique dans l'inductance LP, dont le courant lLp croît dans le sens opposé au courant de charge (figure 3J); - D) fermeture du second interrupteur P2, alors que l'un des premiers interrupteurs des branches P1, est ouvert et l'autre interrupteur P12 est fermé (figure 3d); - E) ouverture de l'interrupteur P12 fermé et fermeture de l'autre interrupteur Pl, ouvert des deux branches pour accumuler de l'énergie dans l'inductance Lp (comme dans 10 l'étape A). Le cycle se répète jusqu'à la sélection d'un autre actionneur, pour lequel le cycle sera le même. La figure 4a représente les signaux de commande du second interrupteur P2 en anti-parallèle avec la diode D et les figures 4b et 4c représentent les signaux de commande d'ouverture et de fermeture respectivement des premiers interrupteurs Pli et P12 des deux branches en parallèle. Le pilotage de ces trois interrupteurs aboutit au courant ILP circulant dans l'inductance Lp de résonance, représenté sur la figure 5, ainsi qu'à la tension Vpi d'excitation de l'actionneur piézo-électrique représentée sur la figure 6. Entre les instants to et t,, lors de l'étape A), le courant ILP croît en valeur absolue 25 dans l'inductance Lp jusqu'à une valeur maximale -1max de charge de l'inductance puis chute brutalement à la valeur nulle à l'instant t, de début de décharge de l'inductance dans l'actionneur Ai. Simultanément, l'interrupteur P2 étant ouvert, la tension Vp; est nulle aux bornes de l'actionneur mais à l'instant t, elle passe à la valeur Vmax destinée à l'exciter. A l'instant t2, l'interrupteur P12 est fermé, la tension d'excitation Vp; devient 30 nulle et l'actionneur Ai se décharge dans l'inductance Lp, créant un courant 'Lp dans l'inductance, de sens contraire au courant de charge et de valeur maximale +ImaX pendant l'étape D). Entre t3 et t4 la tension Vp; est nulle car l'interrupteur P2 est fermé. Selon une seconde variante de réalisation, comme le montre le schéma de la 35 figure 2, l'inductance Lp est montée en série entre la borne B+ de la source de tension E et une première borne du second interrupteur P2 monté en anti-parallèle avec la diode D, aux bornes duquel est obtenue la tension d'excitation de l'actionneur sélectionné. La seconde borne est reliée par le point de jonction J à une première borne de l'ensemble des deux branches dont l'autre borne est reliée à la borne B- de la source de tension. L'actionneur Ai est monté en parallèle entre le point de jonction J et le point reliant l'inductance Lp et l'interrupteur P2. Plus précisément, le schéma de la figure 2 représente un dispositif de commande de quatre actionneurs en céramique piézo-électrique A1 à A4 montés en parallèle aux bornes de l'interrupteur P2, chaque actionneur piézo-électrique A", à A4 étant relié en série avec un interrupteur de sélection S1 à S4, piloté par le calculateur 10 de contrôle moteur qui sélectionne l'injecteur piézo-électrique à exciter. Les interrupteurs des deux branches peuvent être du type MOSFET avec diode intrinsèque ou du type IGBT. Le fonctionnement de ce dispositif de commande selon la seconde variante, 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. L'un des avantages de l'invention est de proposer une topologie de commande d'injecteurs piézo-électriques qui utilise un nombre réduit de composants selfiques, en l'occurrence une seule inductance qui permet la charge et la décharge rapides des rondelles piézo-électriques par rapport à la fréquence de répétition de la commande. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique 5 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 (B-, B+), il comporte, connectée en parallèle auxdites bornes, une inductance de résonance (Lp) en série avec un ensemble de deux branches en parallèle, comprenant 10 chacune un premier interrupteur (P11 et P12) en série avec une diode (d1 et d2) respectivement, les deux diodes étant montées tête-bêche, relié par un point de jonction (J) à un second interrupteur (P2) monté en antiparallèle avec une diode (D) et délivrant à ses bornes une haute tension alternative à composante continue servant de tension d'excitation à l'actionneur (Ai) qui est monté en parallèle à ses bornes. 15 2. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inductance de résonance (Lp) est montée en série entre la borne (B+) de la source de tension (E) et l'ensemble des deux branches, lui-même relié par le point de jonction (J) à une première borne du 20 second interrupteur (P2) monté en anti-parallèle avec une diode (D) dont l'autre borne est reliée à la borne (B-) de la source de tension, l'actionneur étant monté en parallèle entre le point de jonction (J) et la borne (B-) de la source. 3. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique 25 ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inductance de résonance (Lp) est montée en série entre la borne (B+) de la source de tension et une première borne du second interrupteur (P2) monté en anti-parallèle avec la diode (D), dont la seconde borne est reliée par le point de jonction (J) à une première borne de l'ensemble des deux branches dont l'autre borne est reliée à la borne (B-) de la source 30 de tension, l'actionneur étant monté en parallèle entre le point de jonction entre l'inductance (Lp) et l'interrupteur d'une part et le point de jonction (J) d'autre part. 4. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que 35 l'inductance de résonance (Lp) est dimensionnée pour que sa fréquence de résonance avec la capacité d'entrée de l'actionneur piézoélectrique (Ai) soit supérieure à la fréquence de récurrence des interrupteurs, soit la fréquence de pilotage ultrasonique des injecteurs piézo-électriques. 5. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique 5 ultrasonore, selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour la commande de quatre actionneurs en céramique piézo-électrique (A1 à A4), ceux-ci sont montés en parallèle aux bornes du second interrupteur (P2) en anti-parallèle avec la diode (D), chacun étant relié à un interrupteur de sélection (S1 à S4) piloté par le calculateur électronique de contrôle moteur qui choisit l'injecteur à exciter pour qu'il 10 injecte le carburant dans le cylindre déterminé. 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 continue est une batterie basse tension 12 ou 42 Volts. 15 7. Dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interrupteur (P2) délivrant une tension d'excitation (Vp;) à l'actionneur connecté à ses bornes est du type MOSFET avec diode intrinsèque ou du type IGBT. 20 8. Procédé de mise en ceuvre d'un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, selon les revendications 1 à 6, 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: - A) fermeture simultanée d'un premier interrupteur (P11) d'une branche de l'ensemble relié à l'inductance de résonance (Lp) d'une part et du second interrupteur (P2) destiné à délivrer la tension d'excitation à l'injecteur d'autre part pour que le courant (ILP) circule dans l'inductance et que l'énergie s'accumule dans celle-ci, alors que l'autre premier interrupteur (P12) de l'autre branche est ouvert; - B) ouverture du second interrupteur (P2), alors que le premier interrupteur (P1i) d'une branche est toujours fermé et celui (P12) de l'autre branche est toujours ouvert, afin que le courant (ILP) dans l'inductance passe dans l'actionneur (Ai) sélectionné et que l'inductance (Lp) entre en résonance avec la capacité d'entrée de l'actionneur qui va ainsi se charger à la tension d'excitation (Vp;) existant aux bornes de l'interrupteur (P2); 35 - C) ouverture du premier interrupteur (Pl,) de la branche qui était fermé et fermeture simultanée de l'interrupteur (P12) de l'autre branche, alors que le second interrupteur (P2) reste ouvert, pour décharger l'actionneur piézo-électrique dans 'inductance (Lp), dont le courant (ILp) croît dans le sens opposé au courant de charge; - D) fermeture du second interrupteur (P2), alors que l'un des premiers interrupteurs des branches (P11) est ouvert et l'autre interrupteur (P12) est fermé; - E) ouverture de l'interrupteur (P12) fermé et fermeture de l'autre interrupteur (P11) ouvert des deux branches pour accumuler de l'énergie dans l'inductance (Lp).