Brevet FR2907544A1 — publié le 20080425

Système d'estimation du débit d'un injecteur de moteur à combustion interne La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'injection de carburant pour moteurs à combustion interne destinés notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection de carburant permettant d'atomiser le carburant injecté sous forme de très fines gouttelettes. Le document EP 1 248 904 (Renault) décrit un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne. La demanderesse a mené de nombreux essais sur ce type de dispositifs et s'est rendue compte qu'il était souhaitable de l'améliorer afin d'assurer un débit de carburant à la fois suffisant, maîtrisable et répétable. Certains injecteurs présentent des dérives de performance en sortie d'usine. Pour y remédier, un système de test et de marquage des injecteurs peut être utilisé pour que l'électronique de commande s'adapte de façon individuelle à chaque injecteur monté sur le moteur. Cette solution est onéreuse et ne résout pas les problèmes de dérives thermique ou temporelle. Le brevet FR 04 11 006 (Renault) concerne un procédé d'asservissement de la fréquence de commande des injecteurs par mesure énergétique permettant d'optimiser le débit de l'injecteur. Ce type d'asservissement présente une certaine efficacité néanmoins limitée par le fait que les informations que procurent les mesures d'énergie transmises à l'injecteur ne sont pas toujours très représentatives de l'ouverture du nez de l'injecteur. La demanderesse s'est rendue compte que d'autres éléments que le nez de l'injecteur et d'autres phénomènes sont susceptibles de consommer de l'énergie sans pour autant améliorer le débit. La fréquence optimale de fonctionnement varie avec la température, l'usure ou encore les conditions de montage, la pression et la densité/viscosité du carburant. 2907544 2 La récupération d'informations énergétiques relatives au fonctionnement de l'injecteur est limitée et ne donne pas d'informations suffisamment représentatives du fonctionnement de l'injecteur et du moteur. 5 La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et à optimiser les performances et la régulation du débit de l'injecteur. Le système d'estimation de débit est prévu pour un injecteur à ouverture oscillante de moteur à combustion interne. L'injecteur est commandé par un actionneur. Le système comprend un moyen pour 10 mesurer un effort longitudinal de l'actionneur, ledit moyen comprenant un capteur de tension et/ou de courant. L'actionneur étant de type piézoélectrique, l'effort de l'actionneur se traduit en signaux électriques. Dans un mode de réalisation, le système comprend un élément 15 piézoélectrique formant l'actionneur et un transducteur ou un élément mécanique du capteur de tension/courant pour générer à partir d'un effort longitudinal de l'actionneur un signal électrique sous forme de tension et/ou de courant. Dans un mode de réalisation, le système comprend un filtre 20 disposé entre la sortie de l'élément piézoélectrique et l'entrée du capteur de tension et/ou de courant. Dans un mode de réalisation, l'élément piézoélectrique comprend n couches piézoélectriques avec n >1, l'actionneur comprenant n-1 couches piézoélectriques et au moins une couche 25 fonctionnant en capteur. Dans un mode de réalisation, ledit moyen comprenant un capteur de tension et/ou de courant est monté en aval d'une charge et d'un transformateur. Un capteur de tension peut comprendre un comparateur générant un signal de phase. 30 Dans un mode de réalisation, le moyen pour mesurer un effort longitudinal de l'actionneur comprend un capteur de tension monté aux bornes d'une résistance montée en série avec un transistor de puissance de l'actionneur. 2907544 3 Dans un mode de réalisation, le capteur de tension comprend un pont diviseur et un comparateur. Dans un mode de réalisation, le moyen pour mesurer un effort longitudinal de l'actionneur comprend un élément de mesure de phase 5 en courant, un élément de mesure de phase en tension, et un comparateur de phase. Dans un autre mode de réalisation, le moyen pour mesurer un effort longitudinal de l'actionneur comprend un transducteur distinct de l'actionneur pour générer à partir d'un effort longitudinal de 10 l'actionneur un signal électrique destiné au capteur de tension et/ou de courant. On pourrait également envisager de placer des capteurs de combustion séparés des injecteurs. Toutefois, de tels capteurs de combustion se traduisent par un encombrement supplémentaire de la 15 culasse et un coût élevé. Grâce à l'invention, le débit de l'injecteur est estimé à partir de la mesure de l'effort longitudinal dudit actionneur, ce qui permet un asservissement en boucle fermée de l'injecteur et un contrôle très nettement amélioré de son fonctionnement, et ce de façon relativement 20 indépendante des variations dues au montage et des dérives dues à la températures ou encore à l'usure. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, 25 sur lesquels : - les figures 1 à 3 sont des vues schématiques de plusieurs modes de réalisation d'un actionneur d'injecteur ; et - les figures 4 à 7 sont des vues schématiques de 30 plusieurs modes de réalisation de circuits électriques de traitement des signaux. Comme on peut le voir sur la figure 1, un actionneur piézoélectrique 1 d'injecteur comprend une pluralité de cellules piézoélectriques polarisées 2 voisines les unes des autres et disposées 2907544 4 entre des électrodes 3 et 4. Aux extrémités de la colonne de cellules 2 sont prévues des cellules inactives 5, par exemple réalisées en isolant ou encore en céramique passive non polarisée. L'actionneur 1 comprend deux fils d'alimentation 6 et 7 reliés aux électrodes 3 et 4 5 respectivement. I1 est prévu une cellule piézoélectrique supplémentaire 8 faisant fonction de capteur, disposée à une extrémité de l'empilement de cellules actives 2 entre une cellule active 2 et une cellule passive 5. L'empilement comprend également une électrode supplémentaire 9 10 disposée entre la cellule passive 5 et la cellule capteur 8 et un fil de sortie supplémentaire 10 relié à l'électrode 9. On bénéficie de la sorte d'un capteur intégré à l'empilement d'actionnement. En d'autres termes, l'empilement complet assure une double fonction d'actionneur et de capteur. 15 La cellule capteur 8 peut ainsi ne pas être raccordée à la haute tension d'alimentation existant entre les fils d'alimentation 6 et 7. I1 est ainsi possible de mesurer la propagation des contraintes dans l'injecteur dans le temps et de réaliser un asservissement directement à partir des informations relatives aux ondes de déplacement de la 20 matière, en traction et en compression. La cellule capteur 8 présente une épaisseur et des matériaux constitutifs choisis de manière à optimiser la mesure physique à réaliser. Ce mode de réalisation permet de conserver une compacité satisfaisante, de bénéficier d'informations spatiales sur les ondes et d'un bon rapport signal sur bruit. On 25 parvient à détecter l'accostage du nez de l'injecteur, à détecter l'accostage des soupapes ainsi que des phénomènes de combustion, notamment le cliquetis ou encore la détonation. Le mode de réalisation illustré sur la figure 2 se rapproche de celui illustré sur la figure 1 à ceci près que la cellule capteur 8 est 30 disposée entre plusieurs cellules actives 2. L'électrode supplémentaire 9 est disposée entre la cellule capteur 8 et une cellule passive supplémentaire 11. Dans le mode de réalisation représenté, il est prévu deux cellules actives 2 entre la cellule passive 11 et la cellule passive 5 supérieure et une pluralité de cellules actives 2 entre la cellule 2907544 5 capteur 8 et la cellule passive inférieure 5. La cellule capteur 8 peut ainsi être positionnée de manière optimisée au sein de l'actionneur, par exemple au niveau d'un maximum du signal à détecter, en d'autres termes du ventre de l'onde de contrainte de la matière. On peut 5 également envisager de positionner la cellule capteur 8 en partie basse pour optimiser le signal à détecter venant du nez de l'injecteur dans le cas où on veut utiliser les composantes hautes fréquences du signal. Au contraire, lorsque la cellule capteur 8 est dans la position illustrée sur la figure 1, on minimise l'encombrement du passage du fil 10 supplémentaire 10. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, l'actionneur et le capteur forment deux dispositifs distincts. En d'autres termes, la cellule capteur 8 est disposée en dehors de l'empilement des cellules actives 2 et inactives 5. La cellule capteur 8 peut être disposée entre 15 deux cellules passives si nécessaire, du même type que les cellules passives 5 ou 11. La cellule capteur 8 est munie de deux électrodes 12 et 13 et de deux fils 14 et 15. Bien entendu, la cellule capteur 8 fait partie de l'injecteur et peut être positionnée de manière optimisée au sein de l'injecteur. Le circuit électronique de mesure est indépendant 20 de l'électronique de commande de l'actionneur. On bénéficie d'une plus grande liberté de positionnement de la cellule capteur 8. I1 est donc possible de choisir la position du capteur afin d'optimiser sa sensibilité. On bénéficie pour la cellule capteur 8 d'un plus grand choix de matériaux et de formes. 25 Comme illustré sur la figure 4, un circuit de mesure 16 comprend un transformateur 17 et une charge RLC 18. Le primaire du transformateur 17 est relié aux fils de sortie 6 et 7 de l'empilement, de type illustré sur la figure 1 en dérivation de l'alimentation à haute tension non représentée. Le transformateur 17 est un transformateur 30 abaisseur de tension. Le secondaire du transformateur 17 est relié à l'entrée de la charge RLC 18 qui permet de mettre en forme la tension de mesure que l'on obtient en sortie de ladite charge 18. La tension de mesure est représentative de l'effort longitudinal de l'actionneur. De préférence, le transformateur 17 présente de faibles capacités entre les 2907544 6 bobinages et une isolation suffisante pour séparer les parties haute tension et basse tension. Le circuit 16 peut également être utilisé avec un empilement du type illustré sur la figure 1 ou encore sur la figure 2. 5 Sur la figure 5 est illustré un circuit électronique 19 comprenant un transformateur 17 relié en sortie des fils 6 et 10, par exemple un empilement selon la figure 1 ou la figure 2. Le circuit électronique 19 comprend en outre un comparateur de phase 20 monté sur une sortie du transformateur 17 et générant en sortie un signal de 10 phase. L'autre sortie du secondaire du transformateur peut être reliée à une masse du circuit électronique 19. Une mesure de tension peut également être utilisée en aval d'un empilement selon les modes de réalisation des figures 1 ou 2. Le circuit électronique 21 illustré sur la figure 6 en donne un exemple. Le 15 circuit électronique 21 comprend un pont diviseur résistif capacitif 22 disposé en sortie de la cellule de mesure 8. Le pont diviseur 22 comprend une première branche pourvue de deux résistances R1 et R2 disposées en série et une seconde branche pourvue de deux capacités Cl et C2 disposées en série. Les points milieu des première et 20 deuxième branches sont connectés. Le circuit électronique 21 comprend en outre un amplificateur différentiel 23 dont l'une des bornes est reliée au point milieu entre les première et deuxième branches et l'autre borne est reliée à l'une des extrémités des première et deuxième branches. L'amplificateur 23 génère en sortie une tension 25 représentative de l'effort longitudinal de l'actionneur. Le mode de réalisation illustré sur la figure 7 est complémentaire des précédents en ce sens qu'il est prévu un circuit de mesure de phase en courant 25, un circuit de mesure de phase en tension 26 et un comparateur de phase 27 recevant sur ses bornes 30 d'entrée respectives la sortie du circuit de mesure de phase en courant 25 et la sortie du circuit de mesure de phase en tension 26. Les circuits 25 et 26 peuvent être reliés au secondaire d'un transformateur 16. La sortie du comparateur de phase est un signal de phase représentatif de l'effort longitudinal de l'actionneur. On peut ainsi détecter la mise en 2907544 7 phase des signaux de tension et de courant pour un élément de l'injecteur qui est révélateur de la mise en résonance de l'injecteur et de la répartition du mode acoustique dans l'injecteur. A partir des mesures effectuées, il est possible de mesurer des 5 grandeurs physiques représentatives du fonctionnement de l'injecteur, et donc de réaliser un asservissement de la commande permettant de réguler le débit de l'injecteur. Pour cela, on pourra modifier la fréquence de commande de l'actionneur et/ou le rapport cyclique des signaux de tension appliqués à l'actionneur. L'asservissement pourra 10 être réalisé entre deux injections, par exemple par analyse des signaux à chaque injection et modification des paramètres pour la prochaine injection ou encore pendant une injection. Dans ce dernier cas, les signaux de commande de l'injection seront modifiés continûment du début à la fin de l'injection pour adapter le fonctionnement de 15 l'injecteur, notamment à l'évolution de l'amplitude des grandeurs dans l'injecteur, par exemple les ondes de contrainte et/ou les déplacements, et la non linéarité des matériaux par rapport à ces grandeurs. On peut aussi mesurer l'amplitude du courant avec un circuit 20 tel que celui illustré sur la figure 6 conjointement avec un moyen de mesure de phase tel qu'illustré sur la figure 7. La mesure de phase permet de connaître l'adéquation entre la fréquence de commande et la fréquence de résonance de l'injecteur La mesure de l'amplitude du courant permet de connaître la consommation électrique de la charge 25 que l'on peut rapprocher, par calcul ou par cartographie notamment, de la quantité de carburant injectée à chaque ouverture de l'injecteur. On peut ainsi réguler le débit, par exemple par modulation de l'amplitude de tension, ainsi que maximiser l'efficacité de l'injecteur par une bonne exploitation de la résonance et le choix d'une fréquence de 30 commande optimale. Grâce à l'invention, on obtient une meilleure connaissance de la résonance de l'injecteur et du débit de carburant, un meilleur contrôle de la résonance de l'injecteur, par un système compact de 2907544 8 coût raisonnable et peu sensible à l'usure et aux dispersions de fabrication. REVENDICATIONS 1-Système d'estimation du débit d'un injecteur ultrasonore à ouverture oscillante (29) de moteur à combustion interne, ledit injecteur (29) étant commandé par un actionneur (1), caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour mesurer un effort longitudinal de l'actionneur, ledit moyen comprenant un capteur de tension et/ou de courant. 2-Système selon la revendication 1, comprenant au moins un élément piézoélectrique (2) formant l'actionneur et un transducteur (8) pour générer à partir d'un effort longitudinal de l'actionneur un signal électrique sous forme de tension et/ou de courant. 3-Système selon la revendication 2, comprenant un filtre disposé entre la sortie de l'élément piézoélectrique et l'entrée du capteur de tension et/ou de courant. 4-Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'élément piézoélectrique comprend n couches piézoélectriques avec n>1, l'actionneur comprenant n-1 couches piézoélectriques. 5-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit capteur de tension comprend une charge et un transformateur. 6-Système selon la revendication 5, dans lequel le capteur de tension comprend un comparateur générant un signal de phase. 7-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur de tension comprend un pont diviseur (22) et un comparateur (23). 8-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen pour mesurer un effort longitudinal de l'actionneur comprend un élément de mesure de phase en courant 2907544 10 (25), un élément de mesure de phase en tension (26), et un comparateur de phase (27). 9- Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen pour mesurer un effort longitudinal de l'actionneur comprend un 5 transducteur (8) distinct de l'actionneur (1) pour générer à partir d'un effort longitudinal de l'actionneur un signal électrique destiné au capteur de tension et/ou de courant.