Brevet FR2879255A1 — publié le 20060616

Procédé de pilotage électronique d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore. La présente invention concerne un procédé de pilotage d'un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement, et plus particulièrement d'un injecteur de carburant à étage piézo-électrique piloté 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 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 P; d'un moteur thermique, N étant un entier généralement égal 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 P. 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: - un premier étage E, d'amplification de la tension continue E d'alimentation pour générer une haute tension Vboost; - un deuxième étage E2 de génération d'une source de courant ir pour alimenter 5 les injecteurs P; et qui est alimenté par la haute tension Vboost générée par le premier étage; - un troisième étage E3 de sélection des injecteurs piézo-électriques à piloter; - un quatrième étage E4 de pilotage de la tension d'excitation Vpi des injecteurs, qui n'est pas représenté sur la figure 1. Le premier étage El de génération d'une haute tension par amplification de la tension continue d'alimentation E est constitué par une première branche B, comprenant une première inductance LI reliée à un interrupteur IDl de découpage, pilotable, avec une diode di de roue libre, montée en anti-parallèle dans le sens passant du courant de décharge de l'injecteur P; sélectionné pour être piloté. L'inductance LI est reliée d'un côté à la borne (B+) de la source de tension E et de l'autre côté à une borne de l'interrupteur IDl dont l'autre borne est reliée à la borne (B-) de la source de tension E. Une deuxième branche B2 est montée en parallèle sur l'interrupteur 'Dl de découpage et comprend une diode D de redressement reliée à une capacité C de filtrage. Ainsi, une des bornes de ladite diode D est reliée au point de jonction J, de l'inductance L, et de l'autre interrupteur IDl et son autre borne est reliée à une première borne de la capacité C dont la deuxième borne est reliée à la borne (B-) de la source de tension E. Le premier étage El d'amplification de la tension batterie E délivre une haute tension Vboost aux bornes de la capacité de filtrage C, qui alimente un deuxième étage E2 constitué d'une branche montée entre les bornes de ladite capacité de filtrage C et comprenant une deuxième inductance Lr reliée à un deuxième interrupteur de découpage 1D2, pilotable, avec une diode d2 de roue libre montée en anti-parallèle. Une des bornes de l'inductance Lr est reliée au point de jonction J2 de la diode D avec la capacité C et son autre borne est reliée au transistor 102. L'inductance Lr est déterminée de façon à réaliser un circuit oscillant avec chaque injecteur piloté, auquel elle délivre un courant ir d'alimentation. Le procédé de commande des injecteurs se décompose en au moins trois séquences, une séquence de sélection d'un actionneur piézo- électrique P; par l'interrupteur Si, une séquence d'alimentation en tension alternative de l'actionneur sélectionné, auxquelles s'ajoute une séquence de pilotage électronique de la tension d'excitation Vp; des injecteurs P; par régulation de la haute tension Vboost générée par le premier étage du dispositif de commande. Le calculateur envoie un signal de commande pour piloter la fermeture de l'interrupteur de sélection Si, afin que l'actionneur piézo- électrique puisse être alimenté par cette tension alternative, et lors d'une première phase de la séquence d'alimentation de l'injecteur, il envoie un autre signal de commande qui pilote la fermeture de l'interrupteur ID2 de découpage de telle sorte que l'énergie provenant de la haute tension Vboost s'accumule dans l'inductance Lr par circulation d'un courant ir dans la boucle constituée de la capacité C de filtrage, de l'inductance L2 et de l'interrupteur ID2. Lors d'une seconde phase d'oscillation entre la capacité de l'injecteur et l'inductance Lr, l'interrupteur ID2 de découpage est commandé à l'ouverture, le courant ir ne pouvant passer par la diode d2 en anti-parallèle non passante est obligé de circuler dans l'actionneur P; dans un sens puis dans l'autre car l'inductance Lr et l'injecteur P; sont en résonance électrique. La valeur de l'inductance Lr étant fonction de la résonance d'excitation acoustique de l'actionneur piézo-électrique, elle est déterminée pour que l'inductance L,. ait le temps de se charger suffisamment dans la première phase de telle sorte que la tension d'excitation Vp1 aux bornes de l'injecteur P;, voisine de 1200 volts, soit atteinte. De plus, la capacité C de filtrage est dimensionnée pour avoir une réactivité très forte à la montée en tension Vboost. Puis, la tension Vp; aux bornes de l'injecteur étant toujours nulle, l'inductance Lr se décharge par transfert d'énergie de l'inductance Lr vers la capacité de filtrage C, créant un courant ir négatif dans la boucle comprenant l'inductance Lr, la capacité de filtrage C et la diode en anti-parallèle d2. Comme le montrent les figures 2a et 2b, qui sont les représentations temporelles de la tension Vp; aux bornes de l'injecteur P; et du courant i,. dans l'inductance Lr, pour une haute tension d'alimentation Vboost constante, la première phase de la séquence d'alimentation de l'injecteur, correspondant à l'accumulation d'énergie dans l'inductance Lr, a lieu entre les instants to et t, quand le courant ir dans l'inductance Lr croît de 0 à une valeur maximale imax. La deuxième phase de la séquence a lieu entre les instants t1 et t3: tout d'abord entre les instants t, et t2 quand le courant ir décroît de imax à 0 pendant que la tension Vpi croît de 0 à une valeur maximale Vp,m, voisine de 1200 Volts, ce qui correspond à la charge de l'injecteur, et ensuite entre les instants t2 et t3 de 0 à une valeur minimale négative imir, pendant que la tension Vpi décroît de la valeur maximale Vp,m à 0, et qui correspond à sa décharge. Au cours de la phase de décharge de l'inductance Lr entre les instants t3 et t4, la tension Vpi reste nulle et le courant ir croît à nouveau de la valeur minimale imip jusqu'à 0. Entre ces instants t, et t4, l'actionneur piézo-électrique est en résonance électrique avec l'inductance Lr. La période de résonance électrique entre l'actionneur piézo- électrique et l'inductance L2 correspondant à la deuxième phase de la séquence d'alimentation de l'actionneur, entre les instants t, et t3, est plus courte que la période de résonance acoustique correspondant aux trois phases réunies entre les instants tt à t4. Cette résonance acoustique dépend des caractéristiques de l'injecteur piézo-électrique. La phase proprement dite d'alimentation en haute tension alternative de l'injecteur P; entre les instants t, et t3, dépend de la valeur de l'inductance Lr, de la haute tension Vboost à atteindre et du temps de fermeture de l'interrupteur Pi pour obtenir la tension Vpi nécessaire. La tension Vpi aux bornes d'un injecteur sélectionné P, a la forme d'une impulsion sinusoïdale lorsque l'interrupteur ID2 de découpage du deuxième étage du dispositif de commande est commandé à l'ouverture, entre t, et t3. Cette tension d'excitation Vpi d'un injecteur piézo- électrique dépend des paramètres suivants: - la tension continue E d'entrée du dispositif de commande, - les rapports cycliques d'ouverture des deux interrupteurs 'Dl et ID2 de découpage respectivement du premier étage de génération d'une haute tension Vboost et du deuxième étage de génération d'un courant d'alimentation des injecteurs, contrôlés par le calculateur électronique, - les caractéristiques des inductances L, et L, de ces deux étages ainsi que la 30 capacité de charge des injecteurs, -la consigne de la tension d'excitation. Pour piloter cette tension d'excitation Vpi d'un injecteur, il faut contrôler les rapports cycliques des deux interrupteurs de découpage 'Dl et ID2. Comme cela a été mentionné précédemment, le dispositif de commande comporte un quatrième étage de pilotage de cette tension d'excitation Vp; qui va agir de la façon suivante: l'interrupteur ID2 du deuxième étage est commandé pour qu'à sa fermeture, l'inductance L. se charge durant un certain temps, et qu'à son ouverture, la tension aux bornes de l'injecteur sélectionné décrive une impulsion sinusoïdale. La valeur crête de cette tension Vo dépend de l'énergie emmagasinée dans l'inductance Lr et de la haute tension Vboost générée. Le convertisseur-élévateur de tension génère une haute tension périodique Vpi, supérieure à une centaine de volts, avec une haute fréquence Fr1, supérieure à une dizaine de kHz, destinée à exciter les injecteurs P; ultrasonores. La figure 2a est une représentation de cette résonance électrique dans le cas où elle est théorique. Mais en réalité, au démarrage de la commande des actionneurs piézo-électriques, la tension Vpi d'excitation passe par une phase initiale transitoire au cours de laquelle sa valeur crête Vpic peut dépasser la valeur maximale Vpjm, de 30 à 50 %, (figure 3) de sorte que pour ne pas être endommagés, les interrupteurs doivent être dimensionnés pour résister à cette valeur maximale Vp;m. Ainsi ils sont surdimensionnés pour une tenue en tension transitoire supérieure à la tension nécessaire à l'excitation des injecteurs piézo-électriques, ce qui induit un facteur coût non négligeable sur les interrupteurs. Le but de l'invention est de pallier cet inconvénient, en proposant plusieurs procédés de pilotage des injecteurs pour réduire cette surtension transitoire au démarrage. Pour cela, l'objet de l'invention est un procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle et d'une source de tension continue, comprenant un premier étage d'amplification de ladite tension pour générer une haute tension et un deuxième étage, alimenté par ladite haute tension, de génération d'une source de courant pour alimenter les injecteurs associés à des moyens de sélection commandables par ledit calculateur, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler le rapport cyclique du signal de commande du deuxième étage d'alimentation des injecteurs, en phase initiale, afin de diminuer l'énergie emmagasinée dans l'inductance de résonance de ce second étage et par conséquent la tension d'excitation des injecteurs. Selon une première variante, le procédé de pilotage consiste à diminuer le rapport cyclique du signal de commande du deuxième étage d'alimentation des injecteurs, en phase initiale, afin de diminuer l'énergie emmagasinée dans l'inductance de résonance de ce second étage et par conséquent la tension d'excitation des injecteurs. Selon une deuxième variante, le procédé de pilotage consiste à imposer, dès la première impulsion de la phase initiale, un rapport cyclique du signal de commande de la charge de l'inductance, qui soit égal au rapport cyclique en régime établi pour obtenir la tension d'excitation crête voulue aux bornes des injecteurs, donc une durée de fermeture de l'interrupteur de découpage du second étage du dispositif de commande des injecteurs, égale à la durée en régime établi. Selon une troisième variante, le procédé de pilotage consiste à faire croître le rapport cyclique du signal de commande du premier étage de génération d'une haute tension, pendant la phase initiale, d'une valeur minimale déterminée jusqu'à une valeur maximale nécessaire pour obtenir, en régime établi, une haute tension d'alimentation nécessaire à l'excitation des injecteurs, donc à faire varier la haute tension d'alimentation, pendant la phase initiale, d'une valeur inférieure à celle nécessaire au régime établi jusqu'à cette dernière, permettant de contrôler le courant de charge de l'inductance de résonance ainsi que'la valeur crête de la tension d'excitation, en phase initiale, qui ne dépasse pas la valeur nécessaire en régime établi. Selon une quatrième variante, le procédé de pilotage consiste à appliquer une tension initiale aux bornes de chaque injecteur sélectionné, en phase initiale de pilotage, obtenue par précharge de la capacité desdits injecteurs, soit par commande de l'interrupteur de découpage soit par commande des interrupteurs desdits injecteurs. 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, 2, 3 déjà décrites: les figures 4a, 5a, 6a et 7a: les variations temporelles de la tension d'excitation résultant respectivement des quatre procédés selon l'invention; - les figures 4b, 5b, 6b et 7b: les variations temporelles du signal de commande du second étage du dispositif de commande des injecteurs, suivant respectivement les quatre procédés selon l'invention; les figures 4c, 5c, 6c et 7c: les variations temporelles de la haute tension délivrée par le dispositif de commande des injecteurs, suivant respectivement les quatre procédés selon l'invention; 35 les figures 4d, 5d, 6d et 7d: les variations temporelles du courant d'excitation délivré par le dispositif de commande des injecteurs, suivant respectivement les quatre procédés selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Selon une première variante, le procédé de pilotage des actionneurs piézo-électriques consiste, pour commander cette tension d'excitation Vp; d'un injecteur, à contrôler le rapport cyclique du signal de commande VC2 de l'étage d'alimentation des injecteurs, soit de l'interrupteur de découpage ID2, le rapport cyclique étant égal au temps de conduction divisé par la période T du signal. Le procédé consiste en particulier à diminuer son temps de conduction, ou durée de fermeture, en phase initiale pour que, pendant cette fermeture, l'inductance Lr se charge durant un temps plus court, donc emmagasine moins d'énergie et qu'à son ouverture, la tension d'excitation Vp; aux bornes de l'injecteur sélectionné décrive une impulsion sinusoïdale de valeur crête Vp;c inférieure ou égale à celle de la valeur maximale Vp;m de la tension d'excitation en régime établi. Comme le montre la figure 4b, ce premier procédé consiste à réduire la durée de fermeture Df de l'interrupteur de découpage ID2 de ce second étage, alimenté par une haute tension continue Vboost (figure 4c), provoquant moins de courant ir circulant dans l'inductance Lr (figure 4d), qui est ainsi moins chargée, de sorte qu'à l'ouverture dudit interrupteur ID2, la tension d'excitation V,1 sera plus faible qu'en régime établi. Comme le montre la figure 4a, les premières impulsions de cette tension d'excitation Vo présentent une valeur crête Vp;c déterminée, inférieure à la valeur crête maximale Vpom supportée par les interrupteurs. En régime initial, la durée de fermeture Df dudit interrupteur ID2 est donc déterminée pour être inférieure à la durée de fermeture Dfe nécessaire, en régime établi, pour exciter les injecteurs piézo-électriques ultrasonores. Pendant cette phase initiale transitoire, la durée de fermeture est progressivement augmentée jusqu'au régime établi, la fréquence Fk; du signal de tension d'excitation restant constante sauf pour les premières impulsions. Selon une deuxième variante, le procédé de pilotage des actionneurs piézoélectriques consiste à imposer, dès la première impulsion de la phase initiale (figure 5b), un rapport cyclique du signal de commande de la charge de l'inductance Lr, qui soit égal au rapport cyclique en régime établi pour obtenir la tension d'excitation crête voulue aux bornes des injecteurs, autrement dit une durée de fermeture Df, de l'interrupteur de découpage ID2 du deuxième étage d'alimentation des injecteurs qui soit égale à la durée Dfe en régime établi. Cette durée de charge de l'inductance par le courant ir est obtenue en connaissant l'instant du passage par zéro de ce courant ir dans l'inductance Lr (figure 5d), cette durée étant déterminée par calibration ou établie par connaissance du système. Comme le montre la figure 5a, les premières impulsions de cette tension d'excitation VP; présentent une valeur crête VP;c déterminée, inférieure à la valeur crête maximale Vp;m supportée par les interrupteurs en régime établi, pour une haute tension d'alimentation Vboost constante (figure 5c). Selon une troisième variante, le procédé de pilotage des actionneurs piézoélectriques consiste à faire croître le rapport cyclique du signal de commande du premier étage de génération d'une haute tension, pendant la phase initiale, d'une valeur minimale déterminée jusqu'à une valeur maximale nécessaire pour obtenir, en régime établi, une haute tension d'alimentation Vboost nécessaire à l'excitation des injecteurs. Ainsi le procédé fait varier la haute tension d'alimentation Vboost, pendant la phase initiale, d'une valeur inférieure à celle nécessaire au régime établi jusqu'à cette dernière, comme le montre la figure 6c, ce qui permet de contrôler le courant ir de charge de l'inductance Lr de résonance (figure 6d). L'instant de fermeture de l'interrupteur ID2 doit intervenir quand le courant ir croît de la valeur minimale imi., à zéro, c'est-à-dire quand la diode d2 conduit. Ainsi la valeur crête Vo, de la tension d'excitation Vpi, en phase initiale, ne dépasse pas la valeur VP; m nécessaire en régime établi (figure 6a). Selon une quatrième variante, le procédé de pilotage consiste à appliquer une tension initiale V, aux bornes de chaque injecteur sélectionné, en phase initiale de pilotage, comme le montre la figure 7a, sans faire varier le rapport cyclique des signaux de commande des deux premiers étages donc de l'interrupteur de découpage ID2, comme le montre la figure 6b. Cette tension initiale Vo aux bornes des injecteurs est obtenue par précharge de la capacité de chacun d'eux, soit par commande de l'interrupteur de découpage ID2, soit par commande des interrupteurs S; des injecteurs. Enfin, le procédé de pilotage peut combiner ces différentes variantes simultanément. 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle et d'une source de tension continue, réalisé à partir d'un dispositif comprenant un premier étage d'amplification de ladite tension pour générer une haute tension et un deuxième étage, alimenté par ladite haute tension, de génération d'une source de courant pour alimenter les injecteurs associés à des moyens de sélection commandables par ledit calculateur, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler le rapport cyclique du signal de commande du deuxième étage d'alimentation des injecteurs, en phase initiale, afin de diminuer l'énergie emmagasinée dans l'inductance (Lr) de résonance de ce second étage et par conséquent la tension d'excitation (Vp1) des injecteurs (Pi). 2. Procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer le rapport cyclique du signal de commande du deuxième étage d'alimentation des injecteurs, en phase initiale, afin de diminuer l'énergie emmagasinée dans l'inductance (L-) de résonance de ce second étage et par conséquent la tension d'excitation (Vp;) des injecteurs (Pi). 3. Procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à imposer, dès la première impulsion de la phase initiale, un rapport cyclique du signal de commande de la charge de l'inductance (Lr), qui soit égal au rapport cyclique en régime établi pour obtenir la tension d'excitation crête voulue aux bornes des injecteurs, donc une durée de fermeture (Df;) de l'interrupteur de découpage (ID2) du second étage du dispositif de commande des injecteurs, égale à la durée (Dfe) en régime établi. 4. Procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite durée de charge de l'inductance (Lr) par le courant (ir) est obtenue en connaissant l'instant du passage par zéro de ce courant (ir) dans l'inductance (Lr), cette durée étant déterminée par calibration ou établie par connaissance du système. 5. Procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire croître le rapport cyclique du signal de commande du premier étage de génération d'une haute tension, pendant la phase initiale, d'une valeur minimale déterminée jusqu'à une valeur maximale nécessaire pour obtenir, en régime établi, une haute tension d'alimentation (Vboost) nécessaire à l'excitation des injecteurs donc à faire varier la haute tension d'alimentation (Vboost) , pendant la phase initiale, d'une valeur inférieure à celle nécessaire au régime établi jusqu'à cette dernière, permettant de contrôler le courant (ir) de charge de l'inductance (Li.) de résonance ainsi que la valeur crête de la tension d'excitation (Vp;) , en phase initiale, qui ne dépasse pas la valeur nécessaire en régime établi. 6. Procédé de pilotage d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer une tension initiale (Vpii) aux bornes de chaque injecteur sélectionné (Pi), en phase initiale de pilotage, obtenue par précharge de la capacité desdits injecteurs, soit par commande de l'interrupteur de découpage (ID2) soit par commande des interrupteurs (Si) desdits injecteurs (Pi).