Brevet FR2861919A1 — publié le 20050506

La présente invention concerne un dispositif de commande électronique de plusieurs actionneurs piézo-électriques ultrasonores, et plus particulièrement d'injecteurs de carburant à étage piézo-électrique, pilotés par le calculateur d'injection électronique d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile. Plus précisément, le problème que vise à résoudre l'invention est le pilotage d'un dispositif de commande électronique provoquant l'excitation des cellules piézo-électriques pour faire vibrer la structure d'un injecteur, un tel dispositif étant décrit dans la demande de brevet français, déposée sous le numéro 01 14023 au nom de la Demanderesse. Un injecteur de carburant à étage piézo-électrique ultrasonore est destiné à pulvériser très finement le carburant, avec des gouttelettes calibrées pour assurer un dosage précis et suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté. Un tel injecteur comporte entre autres une buse cylindrique alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection, et des moyens de mise en vibration cyclique de la buse, tel qu'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 piézoélectrique d'injecteur est équivalente, au premier ordre, à une capacité dont la tension de chargement est élevée, supérieure à une centaine de volts. Ce transducteur est piloté en durée et en intensité par un dispositif de commande électronique, lui-même piloté par le système électronique de contrôle moteur pour réaliser une ouverture oscillante à fréquence ultrasonore du nez de la buse. Le dispositif de commande électronique est destiné à générer un signal alternatif haute tension, supérieure à une centaine de volts, de fréquence élevée, supérieure à une dizaine de kiloHertz, pour exciter les cellules piézo-électriques à partir d'une source de tension continue. Dans un véhicule automobile, la batterie fournit une tension d'alimentation de valeur 12 ou 42 volts, ce qui implique d'augmenter cette tension par un convertisseur-élévateur de tension continue DC-DC alimenté par la basse tension de la batterie. Il existe différents types de topologie de dispositif de commande avec ou sans transformateur, tels que décrit dans la demande de brevet français No. 02 14665. Dans ce type de topologie, les injecteurs sont sélectionnés par le calculateur électronique de commande, par l'intermédiaire d'interrupteurs commandables électroniquement d'une part, et d'autre part le dispositif comprend un étage de génération d'une source de courant pour alimenter les injecteurs, qui est alimenté par la haute tension générée par un premier étage d'amplification de la tension continue d'alimentation. Cet étage de génération de courant comprend notamment un interrupteur de découpage qui doit être dimensionné pour supporter les 1200 volts environ de la haute tension, et qui donc coûte cher. De plus, chaque injecteur est relié à un interrupteur de sélection, qui est commandé à l'ouverture quand l'injecteur n'est pas sélectionné pour mettre une tension nulle à ses bornes. L'invention repose sur la particularité des injecteurs piézo-électriques ultrasonores qui sont actionnés à condition de recevoir à leurs bornes un signal de commande alternatif, de sorte que toute composante continue n'intervient pas dans le fonctionnement de l'injecteur. C'est pourquoi l'invention propose des cellules de sélection simplifiées, constituées d'un transistor de type MOSFET ou IGBT ou d'un thyristor, avec une diode en anti-parallèle, autorisant ainsi la circulation du courant alternatif dans les deux sens pour l'injecteur sélectionné pendant qu'elle n'est autorisée que dans un seul sens pour les autres. Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif de commande de plusieurs actionneurs piézo-électriques ultrasonores, pilotés électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle et d'une source de tension continue, comportant un convertisseur-élévateur de tension continue DC-DC, caractérisé en ce qu'il comporte de plus, entre les bornes de sortie dudit convertisseur, une branche constituée de deux interrupteurs de découpage en série, au point de jonction desquels est connectée une première borne d'une inductance de résonance, dont l'autre borne est reliée à au moins deux branches en parallèle comprenant chacune un actionneur piézo-électrique en série avec une cellule de sélection autorisant la circulation du courant alternatif dans les deux sens pour l'actionneur sélectionné pendant qu'elle n'est autorisée que dans un seul sens pour les autres. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, les cellules de sélection des actionneurs sont constituées chacune d'un transistor de type MOSFET ou IGBT, commandable par le calculateur de contrôle, et associé à une diode montée en anti-parallèle ne laissant passer le courant d'excitation des actionneurs que dans un seul sens. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, les cellules de sélection des actionneurs sont constituées chacune d'un thyristor, commandable par le calculateur de contrôle, et associé à une diode montée en anti-parallèle ne laissant passer le courant d'excitation des actionneurs que dans un seul sens. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description du dispositif de commande, illustrée par les figures suivantes qui sont: la figure 1: une représentation schématique d'un dispositif de commande de quatre actionneurs piézo-électriques; la figure 2: les variations temporelles du courant et de la tension d'excitation des actionneurs, induits par le dispositif; la figure 3: la tension aux bornes d'un actionneur piézo-électrique sélectionné, respectivement non sélectionné, dans le cas d'une cellule de sélection avec un transistor MOSFET ou IGBT; la figure 4: la tension aux bornes d'un actionneur piézo-électrique sélectionné, respectivement non sélectionné, dans le cas d'une cellule de sélection avec un thyristor. La topologie du dispositif de commande de plusieurs actionneurs piézoélectriques selon l'invention, représentée par le schéma de la figure 1, comporte un convertisseur-élévateur de tension continue DC-DC, alimenté par une source 1 de tension continue E, de valeur 12 ou 42 volts notamment dans une application à un véhicule automobile. Ce convertisseur 2 génère une haute tension Vb, de l'ordre de la centaine de volts. A ses bornes est montée en parallèle une branche constituée de deux interrupteurs de découpage PI et P2, en série, commandables par le calculateur de contrôle qui pilote l'ensemble du dispositif. Chacun des interrupteurs est dimensionné en courant pour supporter une tension moyenne voisine de 200 V, ce qui est inférieur à la très haute tension de pilotage des injecteurs. Cela permet de choisir des interrupteurs moins chers car devant supporter des contraintes plus faibles. Au point de jonction J de ces interrupteurs PI et P2 est reliée une première borne d'une inductance résonnante Lr, de valeur déterminée pour réaliser un circuit oscillant avec chaque actionneur I; auquel sa seconde borne est reliée successivement. 15 Les actionneurs piézo-électriques sont pilotés alternativement par le calculateur, par l'intermédiaire de cellules de sélection Si destinées à autoriser la circulation du courant alternatif d'excitation, passant dans l'inductance de résonance Lr, dans les deux sens pour l'actionneur sélectionné mais dans un seul sens dans les actionneurs non sélectionnés. Ce montage utilise la particularité de fonctionnement des actionneurs piézo-électriques qui sont actionnés par la composante alternative du signal d'excitation présent à leurs bornes, toute composante continue n'intervenant pas. Pour cela, chaque cellule de sélection est par exemple réalisée à partir d'un transistor de type MOSFET ou IGBT commandable Ti, aux bornes duquel est montée une diode D; en anti-parallèle. La figure 2 montre les variations temporelles de la tension Vpi sinusoïdale aux bornes de l'actionneur sélectionné, oscillant entre 500 V et + 1000 V environ, donc d'amplitude voisine de 1500 V. Elle montre de plus les variations simultanées du courant sinusoïdal le dans la charge, constituée de la capacité intrinsèque de l'actionneur et de l'inductance Lr. La fréquence électrique du circuit constitué de l'inductance Lr et de la capacité intrinsèque Cp; de l'actionneur peut différer légèrement de la fréquence de résonance du transducteur, afin de pouvoir utiliser les interrupteurs de découpage en commutation douce. La tension d'excitation des actionneurs piézo-électriques Vpi est obtenue par le niveau de la tension Vb en sortie du convertisseur et/ou par les angles de conduction des interrupteurs de découpage et/ou par le contrôle de la fréquence de récurrence du convertisseur. La figure 3 représente les variations temporelles de la tension Vpi aux bornes d'un actionneur piézo-électrique sélectionné par l'intermédiaire d'une cellule de sélection avec transistor commandable du type MOSFET ou IGBT et diode en antiparallèle. Cette tension est sinusoïdale, alors que la tension Vns aux bornes d'un autre actionneur, non sélectionné celui-là, est continue, de valeur négative non nulle. Cette tension Vns n'étant pas alternative, elle ne met pas en conduction l'actionneur non sélectionné. La tension Vpi croît en phase transitoire avant d'avoir une amplitude constante en régime permanent, à partir de l'instant tp. Dans le cas de la figure 4, concernant la sélection d'un actionneur par une cellule à partir d'un thyristor, commandable par le calculateur électronique, et d'une diode en anti-parallèle, la tension Vpi aux bornes de cet actionneur est alternative et la tension Vns aux bornes d'un actionneur non sélectionné est continue, de valeur positive non nulle. Comme précédemment, la tension V,1 croît entre to et tp en phase transitoire, avant d'atteindre une valeur constante en régime permanent. Ainsi, le dispositif de commande selon l'invention permet d'utiliser des transistors de découpage devant supporter une tension environ quatre fois moins importante que celle de l'art antérieur, donc moins chers. De plus, les cellules de sélection des actionneurs piézo-électriques permettent de simplifier le pilotage des actionneurs et autorisent la circulation du courant dans les actionneurs non sélectionnés sans provoquer d'injection de carburant. 6 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'actionneurs piézo-électriques ultrasonores, pilotés par un calculateur, comportant un convertisseur-élévateur de tension continue DC-DC, tel qu'il comporte de plus, entre les bornes de sortie dudit convertisseur (2), une branche constituée de deux interrupteurs (P,, P2) de découpage en série, au point de jonction (J) desquels est connectée une inductance de résonance (Lr), qui est reliée à au moins deux branches en parallèle comprenant chacune un actionneur (li) piézo-électrique en série avec une cellule de sélection (Si) autorisant la circulation du courant alternatif dans les deux sens pour l'actionneur sélectionné pendant qu'elle n'est autorisée que dans un seul sens pour les autres. 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules de sélection (Si) des actionneurs (I;) sont constituées chacune d'un transistor (Ti) de type MOSFET ou IGBT commandable par le calculateur de contrôle, associé à une diode (Di) montée en anti-parallèle ne laissant passer le courant d'excitation des actionneurs que dans un seul sens. 3. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules de sélection (Si) des actionneurs (I;) sont constituées chacune d'un thyristor (7;), commandable par le calculateur de contrôle, associé à une diode (e) montée en anti-parallèle ne laissant passer le courant d'excitation des actionneurs que dans un seul sens. 4. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tension d'excitation d'excitation des actionneurs piézo-électriques (Vpi) est obtenue par le niveau de la tension (Vb) en sortie du convertisseur et/ou par les angles de conduction des interrupteurs de découpage et/ou par le contrôle de la fréquence de récurrence du convertisseur.