Brevet FR2998714A1 — publié le 20140530

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique. Etat de la technique Le document DE 10 2009 000 741 décrit un procédé et un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique. Selon ce document, on détecte l'instant de l'arrivée d'un signal déterminé et on l'utilise pour définir la fin de l'injection et finalement pour réguler la durée d'injection ou la dose injectée par l'injecteur. Pour cela on utilise le fait que pour certains types d'actionneur piézoélectrique, l'arrivée de l'aiguille de l'injecteur contre son siège produit l'excitation d'une oscillation mécanique de l'actionneur à la fois par la transmission du son de structure et aussi par les gradients de pression et de force dans la chaîne de commutation de la soupape asservie. Cela génère un faible signal de tension au niveau de l'actionneur avec des composantes prin- cipalement dans la région de la fréquence de résonance excitée. La difficulté de cette solution est que juste avant la fer- meture de l'aiguille de l'injecteur la décharge de l'actionneur déclenche également des oscillations considérables de la tension de l'actionneur auxquels seront combinées ultérieurement les oscillations générées par la fermeture de l'aiguille de l'injecteur. C'est pourquoi il n'est pas possible dans le cas de faibles intervalles entre la fin de la commande et de la fermeture de l'aiguille de l'injecteur de détecter en toute sécurité la fin de l'injection. De ce fait, la plage de travail de la fonction de détection de la fermeture de l'aiguille est fortement limitée et cela à la plage corres- pondant aux fortes doses d'injection. Les oscillations excitées de l'actionneur et de la chaîne de commutation génèrent une oscillation de pression dans l'intervalle de couplage et ainsi également de la force d'application entre les différents composants mécaniques. Il en résulte que dans certains intervalles de temps, la pression dans l'intervalle de couplage est trop faible ou même on arrive à la pression de vaporisation du carburant ou encore le piston de la soupape se soulève brièvement du goujon de soupape. Ces deux effets ont pour conséquence l'annulation de la pression d'application entre les composants. Les différents, effets hydrauliques et mécaniques, font que la chaîne de commutation entre l'actionneur et l'aiguille de l'injecteur est hors de prise au cours de tels intervalles et qu'il ne peut y avoir de transmission de signal de l'aiguille d'injecteur vers l'actionneur. Dans de tels intervalles de temps, on ne peut détecter la fermeture de l'aiguille de l'injecteur. Selon l'invention on a constaté que la chaîne de transmission entre l'actionneur et l'aiguille d'injecteur pouvait être fermée en sécurité si en premier lieu on maintient la pression dans l'intervalle de couplage au-dessus de la valeur nulle et en second lieu si le piston de la soupape reste en contact avec le goujon de soupape. Cela garantit éga- lement en permanence une réaction de la fermeture de l'aiguille d'injecteur par l'intermédiaire de la chambre de pression de commande agissant sur le goujon de soupape et sur la tension de l'actionneur. Exposé et avantages de l'invention Le procédé selon l'invention a l'avantage de permettre en permanence la mesure de différentes grandeurs à partir de la tension de l'actionneur car la chaîne de transmission entre l'actionneur et l'aiguille d'injecteur est fermée en permanence. Ainsi, l'invention a pour objet procédé de commande d'un actionneur piézoélectrique selon lequel après la décharge de l'actionneur, pendant une durée prédéfinie on applique une petite tension à l'actionneur, l'amplitude de cette petite tension étant prédéfinie pour avoir une réaction entre l'aiguille d'injecteur et l'actionneur. L'amplitude de cette petite tension est prédéfinie pour que la chaîne de commutation entre l'actionneur et le goujon de soupape reste toujours en prise pour avoir toujours une réaction du mouvement de l'aiguille de l'injecteur et en particulier la fermeture de l'aiguille de l'injecteur sur l'actionneur et sa tension. Cela est notamment réalisé en ce que la petite tension est prédéfinie pour que dans le coupleur reliant hydrauliquement l'actionneur et l'aiguille d'injecteur, il règne pendant la période prédéfinie une pression supérieure à une certaine valeur prédéfinie. Il est particulièrement avantageux que cette valeur prédé- finie corresponde à la pression du carburant entourant le coupleur. Il y règne une contrepression de retour de l'injecteur générée par l'étranglement de la dose de retour de l'injecteur sur une soupape de retenue de pression ou un organe d'étranglement hydraulique. Aussi longtemps que la pression dans l'intervalle de couplage est supérieure à la contre-pression de retour, la chaîne de transmission est fermée de manière garantie entre l'actionneur et le goujon de soupape. Selon un développement de l'invention, l'actionneur sert à détecter une grandeur de mesure pendant la durée prédéfinie. Cela signifie que l'actionneur n'est sollicité avec une petite tension qu'aussi longtemps que l'on saisit la grandeur de mesure. Cela permet de réduire la consommation en énergie et la sollicitation du coupleur. Pour des modes de réalisation différents, il est prévu d'appliquer d'une part la petite tension directement après la décharge et d'autre part, on peut également prévoir que la petite tension ne soit appliquée qu'après une durée déterminée suivant la décharge. Suivant une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la prétention ciblée de la chaîne de commutation directement après la décharge de l'actionneur qui résulte automatiquement de l'application de la petite tension fait que les oscillations suivantes et les rebondissements dans la chaîne de commutation, effets déclenchés par la décharge de l'actionneur, s'amortissent beaucoup plus rapidement que dans la commande selon l'état de la technique. Cela raccourcit d'une manière considérable l'intervalle de temps après la décharge de l'actionneur, les effets d'oscillations et de rebondissements peuvent influencer une injection faite ensuite. La précision du dosage grâce à des injections multiples séparées par de courts intervalles d'injection est ainsi améliorée encore plus. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un procédé et d'un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique représenté schématiquement dans les des- sins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe schématique de quelques éléments essentiels d'un exemple de réalisation d'un injecteur, la figure 2 montre différents signaux en fonction du temps.35 Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre un injecteur du moteur thermique d'un véhicule automobile muni d'un actionneur piézoélectrique 12. L'actionneur piézoélectrique 12 est commandé par un appareil de commande 20 comme cela est indiqué par une flèche à la figure 1. En outre, l'injecteur comporte un goujon de soupape 13. Ce goujon de soupape permet d'influencer la pression dans la chambre 21 de la soupape de commutation. En fonction de la pression de la chambre 21 de la soupape de commutation, l'aiguille d'injecteur 22 s'ouvre ou se ferme. Cette aiguille d'injecteur 22 à l'état ouvert, libère le passage du carburant dans la chambre de combustion et le bloque lorsqu'elle est à l'état fermé. Lorsque le goujon de soupape 13 est soulevé du siège de soupape, la pression diminue dans la chambre de soupape de commu- as tation 21 et l'aiguille d'injecteur 22 s'ouvre pour injecter du carburant. Lorsque le goujon de soupape 13 est appliqué contre le siège de soupape, il règne une certaine pression de chambre de commande dans la chambre de soupape de commutation et l'aiguille d'injecteur 22 revient en position fermée. Lorsque l'aiguille d'injecteur 22 atteint sa position 20 fermée, la pression dans cette chambre de commande augmente avec des gradients rapides pour arriver à la pression de la rampe. Cette opération convient pour exciter l'oscillation de référence de l'actionneur servant à détecter la fin souhaitée de l'oscillation de référence de l'actionneur. Le passage du goujon de soupape 13 de son état fermé à 25 son état ouvert est produit à l'aide de l'actionneur piézoélectrique 12. Pour cela, on applique une tension électrique à l'actionneur 12 qui appelle une variation de longueur de l'actionneur 12 réalisée essentiellement comme empilage piézoélectrique ; cette tension est utilisée pour ouvrir ou fermer le goujon 13 de la soupape de commande. Pour cela, 30 on transmet la variation de longueur de l'actionneur suivant la chaîne de commutation et le goujon de commutation 13. La chaîne de commutation comporte également un cou- pleur hydraulique 15. Ce coupleur se compose principalement d'un boîtier 16 logeant deux pistons 17, 18. Le piston 17 est relié à l'actionneur 35 12 et le piston 18 est relié au goujon de soupape 13. Cette liaison peut être produite par la matière entre les deux composants ou encore par la force de précontrainte de deux ressorts de compression non détaillés dans la figure 1 et qui sollicite le piston 17 en direction de l'actionneur 12 et le piston 18 en direction du goujon d'actionnement 13. Un volume 19 constituant un intervalle de couplage est enfermé entre les deux pis- tons 17, 18 pour transmettre au goujon de piston 13 la force exercée par l'actionneur 12. Le piston 18 sera appelé ci-après piston de soupape. Le coupleur 15 est entouré par le carburant à la pression de retour. Cette pression de retour est générée par l'étranglement du débit de retour d'injecteur sur une soupape de retenue de pression en forme de soupape de surpression ou d'un organe d'étranglement hydraulique. Le volume de l'intervalle de couplage 19 est également rempli de carburant qui arrive à travers l'intervalle de guidage entre les deux pistons 17, 18 et le boîtier de coupleur 16 dans l'intervalle de couplage 19. Cela permet d'adapter le volume de l'intervalle de couplage 19 sur une période prolongée en fonction de la longueur existante de l'actionneur 12. Dans le cas de variations à court terme de la longueur de l'actionneur 12, le volume de l'intervalle de couplage 19 reste prati- quement inchangé et la variation de la longueur de l'actionneur 12 ou de la force exercée par l'actionneur 12 sur le piston 17 est transmise au goujon de piston 13. Pour injecter le carburant, on commute de façon inter- mittente l'actionneur par un commutateur de chargement. De ce fait, le goujon de soupape 13 s'ouvre. Après la phase de chargement, l'étape finale est commutée côté haute pression si bien que la charge électrique de l'actionneur reste constante. A la fin de la commande, l'actionneur est de nouveau chargé à la tension nulle par la commutation intermit- tente d'un interrupteur de décharge. Le goujon de soupape 13 se ferme ainsi. Lorsqu'on atteint la tension nulle, on commute l'étage de puissance à un niveau fortement ohmique, si bien que la charge électrique de l'actionneur reste de nouveau constante. A l'état fortement ohmique de l'étage de puissance le mouvement de l'actionneur 12 agit sur sa tension. Les post-oscillations de l'actionneur et de la chaîne de commutation superposent une oscillation à la fois à la force d'application entre le goujon de piston 13 et la soupape de piston 18 et aussi à la pression dans l'intervalle de couplage 19. Cette oscillation fait que dans certains intervalles de temps, la pres- s sion dans l'intervalle de couplage 19 atteint la pression de vapeur du carburant ou que la pression d'application entre le goujon de soupape 13 et le piston de soupape 18 s'annule ou même qu'il se forme un intervalle entre ces deux pièces. Les deux effets font que la chaîne de transmission entre 10 l'aiguille d'injecteur 22, le goujon de soupape 13 et l'actionneur sont hors de prise dans de tels intervalles et qu'il n'y a pas de transmission de signal entre l'aiguille d'injecteur 22 et/ou le goujon de soupape 13 vers le coupleur et l'actionneur 12. En particulier la montée de la pression dans la chambre 15 de soupape de commutation 21 à l'instant de la fermeture de l'aiguille d'injecteur n'a pas d'effets sur l'évolution de la tension de l'actionneur dans de tels intervalles de temps. Si l'aiguille d'injecteur se ferme dans de tels intervalles de temps alors l'effet de l'opération de fermeture sur la tension de 20 l'actionneur est considérablement réduit parce que la chaîne de com- mutation est momentanément interrompue. L'objectif est d'éviter un dépassement vers le bas de la contrepression de retour dans l'intervalle de couplage pendant cette opération de fermeture de l'aiguille et de maintenir en permanence en 25 prise la chaîne de transmission entre l'actionneur et la soupape dans cet intervalle de temps important pour la mesure, pour avoir ainsi une bonne réaction de la fermeture de l'aiguille d'injecteur sur la tension de l'actionneur. L'élément essentiel de l'invention est que la tension de 30 l'actionneur à la fermeture de la soupape de commutation ne soit pas complètement annulée ou directement après la décharge de l'actionneur et de la fermeture qu'elle provoque de la soupape de commutation la tension est de nouveau relevée à une petite valeur pour que pendant la phase de fermeture de l'injecteur l'actionneur soit chargé à un niveau 35 légèrement plus haut qu'en position de repos entre les injections. L'avantage de l'invention est que dans la plage de temps intéressante, l'actionneur est légèrement plus long qu'à son état de repos et qu'il règne ainsi toujours une pression dans l'intervalle du coupleur hydraulique ; cette pression est suffisante pour maintenir en prise la chaîne de commutation sans relâchement. En particulier, le piston de soupape reste toujours en contact mécanique avec le goujon de soupape et il ne se forme pas de vapeur dans l'intervalle de couplage. Ainsi, la chaîne de commutation reste toujours en prise après la phase de décharge de l'actionneur indépendamment de la post-oscillation de l'actionneur. La transmission du signal vers l'actionneur est toujours assurée au moment de la fermeture de l'injecteur, ce qui permet d'étendre la plage de travail de la détection de l'instant de fermeture sur des durées de commande et des doses significativement plus petites pour la détection de l'instant de fermeture. Le procédé selon l'invention n'est pas limité à cette réali- sation des actionneurs piézoélectrique. Le procédé peut s'appliquer à tous les actionneurs piézoélectriques ayant un coupleur hydraulique. En particulier, l'invention s'applique également à des injecteurs sans soupape de commutation. Dans de tels injecteurs, le piston de soupape 18 agit directement sur l'aiguille d'injecteur 22. La figure 2 montre dans sa partie 2a le chronogramme usuel de la tension de l'actionneur et dans ses parties 2b, 2c les deux variantes du chronogramme de tension selon l'invention. A l'instant t1, l'actionneur se charge et l'injection com- mence. L'actionneur se décharge à l'instant t2 et l'injection se termine. Partant de la tension UO l'actionneur est chargé à la tension U 1 puis il est déchargé. La tension UO prend de préférence la valeur O. Selon le développement de la figure 2b, l'actionneur n'est pas déchargé complètement au niveau de la tension UO. Après la dé- charge, après l'instant t2 il subsiste une charge résiduelle dans l'actionneur qui fait que l'actionneur et ainsi le piston 17 exercent une force réduite sur l'intervalle de couplage 19. La charge ou la tension U2 sont choisies suffisamment petites pour que le goujon de soupape 13 ne s'ouvre pas et que le mouvement de l'aiguille d'injecteur et ainsi l'injection ne seront pas influencés. La charge ou la tension U2 sont choisies suffisamment grandes pour exercer une force suffisante sur l'intervalle de couplage 19 pour maintenir la chaîne de commutation en permanence en prise. De façon préférentielle, la tension U2 est petite par comparaison avec la tension de commande Ul qui agit sur l'actionneur pour réaliser une injection. Dans ce développement, on peut également prévoir de décharger l'actionneur mais que directement après la décharge, on le charge de nouveau à une faible tension positive par une ou plusieurs fermetures brèves du commutateur de charge. Dans le développement selon la figure 2c l'actionneur est de nouveau chargé à une faible tension positive pendant un certain temps après sa décharge complète. La tension à laquelle l'actionneur est rechargé après la décharge est choisie pour que pendant la phase de fermeture de l'aiguille d'injecteur, la pression dans l'intervalle de couplage soit relevée par rapport à la contrepression de retour de l'injecteur (habituellement 10 bars) tout en étant à un niveau pour lequel il n'y a pas d'ouverture même partielle de la soupape de commutation. Cela est combiné au fait que le piston de soupape et le goujon de soupape sont pressés avec une force significativement supérieure à celle régnant à l'état de repos. Ain- si, la chaîne de commutation est intacte pendant toute la phase de fer- meture de l'aiguille d'injecteur et reste en prise ce qui permet de transmettre les signaux de la chambre de soupape de commutation ou de l'aiguille d'injecteur vers l'actionneur. Ce n'est qu'à la fin de l'injection complète que l'actionneur sera de nouveau déchargé complè- tement. En principe, l'invention s'applique également à des chaînes de commutation sans coupleur hydraulique 15. Dans ce cas, l'invention assure que les composants de la chaîne de commutation restent toujours en contact mécanique pour que la chaîne de commutation soit en prise. NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 12 Actionneur piézoélectrique 13 Goujon de soupape 15 Coupleur hydraulique 16 Boîtier de coupleur 17 Piston 18 Piston 19 Volume 20 Appareil de commande 21 Chambre de soupape de commutation 22 Aiguille d'injecteur15 REVENDICATIONS1°) Procédé de commande d'un actionneur piézoélectrique selon lequel après la décharge de l'actionneur, pendant une durée prédéfinie on applique une petite tension à l'actionneur (12), l'amplitude de cette petite tension étant prédéfinie pour avoir une réaction entre l'aiguille d'injecteur (22) et l'actionneur (12). 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la petite tension est prédéfinie pour qu'il règne dans le coupleur (15) reliant hydrauliquement l'actionneur (12) et l'aiguille d'injecteur (22), une pression supérieure à une certaine valeur prédéfinie pendant la durée prédéfinie. 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur (12) sert à détecter une grandeur de mesure pendant la durée prédéfinie. 4°) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la valeur prédéfinie correspond à la contrepression de retour du carburant. 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la petite tension est appliquée directement après la décharge. 6°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la petite tension est appliquée seulement après une durée à la suite de la décharge. 7°) Dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique selon lequel après la décharge de l'actionneur (12), pendant une durée prédéfinie onapplique une petite tension à l'actionneur (12), pendant une durée pré-définie on applique une petite tension à l'actionneur, dispositif comprenant des moyens prédéfinissant le niveau de cette petite tension pour créer une réaction entre l'aiguille d'injecteur (22) et l'actionneur (12).5