Brevet FR2876740A1 — publié le 20060421

Procédé et dispositif de pilotage d'injecteurs piézo-électriques ultrasonores pour moteur thermique. La présente invention concerne un procédé de pilotage d'un système d'injection pour moteur à combustion interne comprenant des injecteurs piézo-électriques ultrasonores pilotés électroniquement par le calculateur d'injection, tout particulièrement dans un véhicule automobile. Elle concerne de plus un dispositif de mise en oeuvre du procédé. 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 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 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 des dispositifs de pilotage sans transformateur, tel que celui représenté sur la figure 1, qui est alimenté par une source de tension continue E, la batterie du véhicule par exemple, dont la borne B- est reliée à la masse et la borne B+ est reliée à un premier étage d'amplification de ladite tension continue. Les N injecteurs I; d'un moteur thermique, N étant un entier égal généralement à 4, 6 ou 12, sont montés en parallèle et commandés séquentiellement grâce à des interrupteurs Si de sélection montés chacun en série avec un injecteur I. Un calculateur électronique d'injection envoie un signal logique de commande à chaque interrupteur de sélection pour que la sortie haute tension du convertisseur-élévateur de tension soit bien appliquée aux bornes de l'injecteur sélectionné. Le dispositif de pilotage comporte une première branche B, constituée d'une première inductance L, et d'un interrupteur de découpage IDI aux bornes duquel est montée en anti-parallèle une diode d, de roue libre. Une première borne de l'inductance L, est reliée à la source de tension continue E et l'autre borne est reliée à une seconde branche B2 constituée d'une diode D de redressement en série avec une capacité C de filtrage, aux bornes de laquelle est délivrée une haute tension Vboost alimentant un second étage du convertisseur-élévateur. Le second étage comprend une deuxième inductance Lr reliée à un deuxième interrupteur de découpage ID2 et à une deuxième diode d2 de roue libre montée en antiparallèle. Le convertisseur-élévateur de tension génère une haute tension périodique Voi, supérieure à une centaine de volts, avec une haute fréquence foi, supérieure à une dizaine de kHz, destinée à exciter les injecteurs Ii ultrasonores. Une représentation temporelle de la tension d'excitation Vo des injecteurs fait l'objet de la figure 2. La valeur de l'inductance Lr étant fonction de la résonance d'excitation acoustique de l'actionneur piézo-électrique, elle est choisie pour que l'inductance se charge suffisamment pour provoquer une tension d'excitation Vo; élevée, de l'ordre de 1200 V. Quant à la capacité C de filtrage, ses dimensions sont telles qu'elle a une réactivité très forte à la montée en tension VboostÉ L'ouverture d'un injecteur ultrasonore, donc le déplacement de son aiguille et par conséquent son débit d'injection, sont liés d'une part à la fréquence ultrasonore de l'ensemble des éléments constituant l'injecteur, c'est-à-dire sa sonotrode, son aiguille, ses rondelles d'excitation, et d'autre part à la fréquence et à l'amplitude de l'excitation comme à la température ambiante ou au temps d'injection. La figure 3 est une représentation graphique du débit d'injection Qi, donc de l'ouverture de l'aiguille en fonction de la fréquence fex d'excitation des rondelles de l'injecteur, de type passe-bande, à tension d'excitation constante. Le débit d'injection Qi est maximal, soit Qimax, pour une amplitude d'excitation donnée, lorsque la fréquence fex d'excitation électrique de l'injecteur est voisine de la fréquence de résonance fo de l'injecteur. C'est pourquoi les moyens électroniques embarqués doivent reconnaître cette fréquence de résonance acoustique fo de l'injecteur piloté, ainsi que la fonction reliant le débit aux paramètres influant le fonctionnement, comme la température ou la tension d'excitation par exemple. En plus de la calibration des injecteurs, il est nécessaire de tester régulièrement le système d'injection afin de détecter d'éventuels défauts survenant sur l'un des injecteurs et de repérer cet injecteur défectueux. Pour cela, le but de l'invention est de proposer d'une part une phase d'apprentissage comprenant une calibration des injecteurs ainsi qu'une cartographie en fonction de paramètres variables de fonctionnement, et d'autre part en phase de fonctionnement, un test de chaque injecteur selon une périodicité déterminée, afin d'optimiser le pilotage des injecteurs en fonction de consignes souhaitées. Un premier objet de l'invention est un procédé de pilotage des injecteurs piézo-électriques ultrasonores d'un système d'injection pour moteur à combustion interne dans un véhicule automobile, par un calculateur de contrôle, lesdits injecteurs étant sélectionnables successivement par ledit calculateur, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'apprentissage avec les étapes suivantes: mesures du courant et de la tension traversant chaque injecteur; détermination de l'énergie absorbée par chaque injecteur pour plusieurs paramètres de fonctionnement donnés, à partir des mesures précédentes; calibration de chaque injecteur par détermination de sa fréquence de résonance correspondant à I 'énergie maximale absorbée, les autres paramètres de fonctionnement étant fixés; cartographie de l'énergie absorbée par chaque injecteur en fonction des variations des différents paramètres de fonctionnement; et une phase de fonctionnement avec pilotage des injecteurs successivement à partir de la mesure du courant et de la tension aux bornes de chaque injecteur et des consignes de commande du moteur souhaitées par le conducteur du véhicule. Selon une autre caractéristique du procédé de pilotage des injecteurs piézo-électriques, il comporte de plus, en phase de pilotage proprement dit, une étape de test du fonctionnement de chaque injecteur du moteur, répétée avec une périodicité déterminée, consistant à comparer l'énergie absorbée, calculée à partir des mesures du courant et de la tension aux bornes des injecteurs pour des paramètres de fonctionnement donnés, à l'énergie cartographiée en mémoire du calculateur. Selon une autre caractéristique du procédé de pilotage des injecteurs piézo- électriques ultrasonores, les paramètres de fonctionnement sont le choix de l'injecteur à piloter, la température de fonctionnement du moteur thermique, la tension d'excitation aux bornes de l'injecteur, le temps d'injection et la fréquence d'excitation de l'injecteur. Selon une autre caractéristique du procédé de pilotage, il comporte en phase de fonctionnement une étape de test du fonctionnement de chaque injecteur du moteur, répétée avec une périodicité déterminée, consistant à comparer l'énergie absorbée mesurée, pour des paramètres de fonctionnement donnés, à l'énergie cartographiée. Un second objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre du procédé de pilotage précédent, comprenant une source de tension continue, un premier étage d'amplification de ladite tension continue, un second étage de génération d'un courant d'alimentation des injecteurs montés avec des moyens de sélection en parallèle les uns des autres et pilotés par le calculateur électronique d'injection, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de mesure du courant et de la tension aux bornes des injecteurs; - des moyens de mesure de l'énergie absorbée par chaque injecteur à partir du courant et de la tension précédemment mesurés, pour plusieurs paramètres de fonctionnement donnés; - des moyens de calibration de chaque injecteur par détermination de sa fréquence de résonance correspondant à la valeur maximale de l'énergie, les autres paramètres de fonctionnement étant fixés; - des moyens de cartographie de cette énergie absorbée par chaque injecteur en fonction des différents paramètres de fonctionnement du système d'injection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description illustrée par les figures suivantes qui sont, outre les figures 1 à 3 déjà décrites: la figure 4: une représentation graphique du débit d'injection et de l'énergie absorbée par un injecteur en fonction de la fréquence d'excitation; la figure 5: un organigramme du procédé de pilotage selon l'invention; les figures 6a, 6b et 6c: les variations temporelles respectivement de la tension d'excitation, du courant et de l'énergie absorbée dans un injecteur piézo-électrique ultrasonore; la figure 7; le schéma électronique du dispositif de mise en oeuvre du procédé de pilotage selon l'invention. L'énergie e absorbée par un injecteur piézo-électrique est représentative de son débit d'injection Q; et sa courbe caractéristique en fonction de la fréquence d'excitation fox des rondelles de l'injecteur a la même forme en passe-bande que celle du débit d'injection, avec un maximum emax également à la fréquence de résonance fo, comme le montre la figure 4. L'invention utilise cette réponse énergétique spécifique de l'injecteur pour réaliser sa calibration et sa cartographie de fonctionnement. Pour cela, comme le montre l'organigramme de la figure 5, dans une phase d'apprentissage, le procédé consiste à mesurer, à l'étape a), le courant i et la tension u aux bornes de l'injecteur pour déterminer l'énergie absorbée en fonction de paramètres déterminés tels que le choix de l'injecteur I; du système, sélectionné par le calculateur d'injection, la température 6 du moteur thermique, la tension d'excitation V; et la fréquence d'excitation fex, ainsi que le temps d'injection Ti. Pour calculer cette énergie e, le procédé réalise une étape b) de multiplication du courant i par la tension u pour calculer la puissance avant d'en réaliser son intégration. Cette énergie d'excitation, mesurée à partir des informations en tension et en courant dans l'injecteur au moment d'injection souhaitée pour la mesure, peut être soit une mesure instantanée, soit une moyenne sur l'ensemble de la durée d'injection. La figure 6a montre les variations temporelles de la tension d'excitation V;, d'un injecteur, l'instant to correspondant au début de la commande. Cette tension V; est périodique, de fréquence fex. Le temps d'injection Ti est choisi égal à cinq périodes d'excitation par exemple. La figure 6b montre les variations temporelles du courant d'excitation i dans un injecteur: c'est également une fonction périodique de même fréquence fex. La figure 6c montre l'énergie e absorbée par l'injecteur, De étant l'énergie active par impulsion fournie à l'injecteur. A partir de cette énergie calculée, le procédé réalise une étape c) de calibration de chaque injecteur par détermination de sa fréquence de résonance qui correspond à l'énergie maximale absorbée alors que tous les autres paramètres de fonctionnement sont fixés. Un injecteur I; sélectionné est excité sur une plage de fréquences relativement restreinte, pendant que la température 8 du moteur, la tension V; d'excitation et le temps d'injection Ti notamment sont prédéterminés: le calculateur d'injection reçoit les valeurs de la tension et du courant mesurés aux bornes de l'injecteur et détermine la fréquence de résonance à partir du calcul de la valeur maximale de l'énergie absorbée par ledit injecteur. Ainsi, chaque injecteur est piloté suivant ses caractéristiques de pilotage propres, en particulier sa fréquence de résonance. Le calculateur d'injection établit également une étape d) de cartographie de l'énergie absorbée par chaque injecteur en déterminant la fonction F reliant l'énergie absorbée aux différentes caractéristiques électriques de l'injecteur et aux paramètres de fonctionnement tels que la température 0, la tension V; et la fréquence d'excitation fex, le temps d'injecteur Ti pour un injecteur sélectionné I. Ainsi, lors des phases de fonctionnement du système d'injection, le calculateur d'injection qui possède en mémoire les différentes cartographies, va piloter à l'étape e) de façon optimale chaque injecteur du système en fonction des consignes de commande du moteur souhaitées par le conducteur du véhicule, à partir de la mesure de la tension et du courant dans les injecteurs délivrée par des capteurs. II n'est pas nécessaire d'équiper le système d'injection de capteurs de déplacement ou de débit. Un avantage supplémentaire de l'invention réside dans la possibilité de surveiller le bon fonctionnement des injecteurs au cours du temps et de détecter d'éventuels défauts ou dérives significatives pour chaque injecteur individuellement. Pour cela, le calculateur électronique d'injection teste périodiquement à l'étape f) l'ensemble des injecteurs du système en comparant l'énergie absorbée, calculée à partir des mesures de tension et de courant à température 8, tension V; et fréquence fex d'excitation et temps d'injection Ti donnés, aux valeurs mémorisées dans les cartographies. Des seuils de disparité entre ces valeurs peuvent être préétablis pour mettre en défaut un injecteur qui dépasserait ces seuils (étape g)). Un second objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre du procédé de pilotage précédemment décrit, (figure 7) qui comprend une source de tension continue E, la batterie du véhicule par exemple, un premier étage d'amplification A de ladite tension continue et un second étage de génération G d'un courant d'alimentation des injecteurs I. Ces derniers sont montés en série chacun avec un moyen de sélection Si, chaque branche ainsi constituée et montée en parallèle avec les autres étant pilotée par le calculateur électronique d'injection C. Le dispositif de mise en oeuvre comprend: des moyens de mesure Mit qui sont un capteur de courant d'excitation i et un capteur de tension d'excitation u aux bornes de l'ensemble des injecteurs; des moyens de mesure M. de l'énergie e absorbée par chaque injecteur à partir du courant et de la tension précédemment mesurées; des moyens de calibration Mc de chaque injecteur par détermination de sa fréquence de résonance fo correspondant à la valeur maximale Emax de l'énergie, pendant que tous les autres paramètres de fonctionnement sont fixés; des moyens de cartographie Mg de cette énergie absorbée par chaque injecteur en fonction des différents paramètres de fonctionnement du système d'injection. Les moyens de détermination Me de l'énergie dans un injecteur sont constitués par exemple d'un multiplicateur M du courant i par la tension u, suivi d'un intégrateur J de la puissance ainsi obtenue. Pour tester le bon fonctionnement de chaque injecteur, le dispositif comprend de plus un comparateur Co de l'énergie mesurée avec l'énergie cartographiée, relié au calculateur d'injection qui considérera l'état des injecteurs et délivrera un message de défaut si besoin est au bout d'un nombre déterminé de tests. 8 REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage des injecteurs piézo-électriques ultrasonores d'un système d'injection pour moteur à combustion interne dans un véhicule automobile, par un calculateur de contrôle, lesdits injecteurs étant sélectionnables successivement par ledit calculateur, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'apprentissage avec les étapes suivantes: mesures du courant (i) et de la tension (u) aux bornes de chaque injecteur (I;) détermination de l'énergie (e) absorbée par chaque injecteur (li) pour plusieurs paramètres de fonctionnement donnés, à partir des mesures précédentes; - calibration de chaque injecteur (I;) par détermination de sa fréquence de résonance (fo) correspondant à l'énergie maximale (Emax) absorbée, les autres paramètres de fonctionnement étant fixés; cartographie de l'énergie (e) absorbée par chaque injecteur en fonction des variations des différents paramètres de fonctionnement; et une phase de pilotage des différents injecteurs successivement à partir de la mesure du courant (i) et de la tension (u) aux bornes de chaque injecteur et des consignes de commande du moteur souhaitées par le conducteur. 2. Procédé de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte de plus, en phase de pilotage proprement dit, une étape de test du fonctionnement de chaque injecteur (I;) du moteur, répétée avec une périodicité déterminée, consistant à comparer l'énergie (e) absorbée, calculée à partir des mesures du courant (i) et de la tension (u) aux bornes des injecteurs pour des paramètres de fonctionnement donnés, à l'énergie cartographiée en mémoire du calculateur. 3. Procédé de pilotage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les paramètres de fonctionnement sont le choix de l'injecteur (I;) à piloter, la température (0) de fonctionnement du moteur thermique, la tension d'excitation (V;) et la fréquence d'excitation (fex) de l'injecteur et le temps d'injection (T;). 4. Procédé de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination de l'énergie (e) absorbée par un injecteur (I;) est obtenue par multiplication de la valeur du courant (i) mesuré avec celle de la tension (u) mesurée aux bornes dudit injecteur, suivie d'une intégration du produit obtenu. 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé de pilotage selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant une source de tension continue (E), un premier étage d'amplification (A) de ladite tension continue, un second étage de génération (G) d'un courant d'alimentation des injecteurs (I;) montés avec des moyens de sélection (Si) en parallèle les uns des autres et pilotés par le calculateur électronique d'injection (Ci), caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (Mit) de mesure du courant (i) et de la tension (u) aux bornes de chaque injecteur; - des moyens de mesure (Me) de l'énergie absorbée par chaque injecteur à partir du courant (i) et de la tension (u) précédemment mesurés, pour plusieurs paramètres de fonctionnement donnés; des moyens (Mc) de calibration de chaque injecteur par détermination de sa fréquence de résonance (fo) correspondant à la valeur maximale (Emax) de l'énergie, les autres paramètres de fonctionnement étant fixés; - des moyens (Mg) de cartographie de cette énergie (e) absorbée par chaque injecteur en fonction des différents paramètres de fonctionnement du système d'injection. 6. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un comparateur (Co) de l'énergie mesurée avec les valeurs cartographiées de l'énergie, relié au calculateur d'injection (C;). 7. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens (Me) de détermination de l'énergie dans un injecteur sont constitués par un multiplicateur (M) du courant (i) par la tension (u) mesurés, suivi d'un intégrateur (J) de la puissance obtenue à partir de ce produit.