УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
DEVICE AND METHOD TO CONTROL ULTRASONIC PIEZOELECTRIC DRIVE

Настоящее изобретение касается устройства управления ультразвуковым управляемым электронными средствами пьезоэлектрическим приводом и, в частности, топливным инжектором с пьезоэлектрической ступенью, управляемым контрольно-вычислительным устройством впрыска автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, оно касается способа управления таким приводом при помощи такого устройства.
В частности, настоящее изобретение направлено на решение задачи адаптации полного сопротивления для оптимизации управления пьезоэлектрическими элементами, предназначенными для обеспечения вибрации конструкции ультразвуковых инжекторов, что описано во французской патентной заявке, поданной под номером 9914548 на имя заявителя.
Такой ультразвуковой инжектор содержит питаемую топливом цилиндрическую насадку, на конце которой выполнено отверстие впрыска, и средства обеспечения цикличной вибрации насадки, такие как преобразователь, содержащий пьезоэлектрическую керамическую ступень, на контактах которой изменяют электрическое напряжение, чтобы менять ее толщину между двумя крайними положениями, соответствующими открыванию и закрыванию инжектора, с учетом понижающего передаточного отношения. Пьезоэлектрическая керамика инжектора эквивалентна по первому порядку конденсатору с повышенным зарядным напряжением, превышающим сто вольт.
Этот тип инжектора обеспечивает очень тонкое распыление топлива в виде капелек, калиброванных с возможностью обеспечения точной дозировки и достаточно мелких, чтобы обеспечивать полное и однородное распыление впрыскиваемого топлива. Для более тонкого распыления топлива на наконечнике насадки выполнено отверстие, вибрирующее с ультразвуковой частотой. Для возбуждения пьезоэлектрических элементов необходимо генерировать высокочастотный знакопеременный сигнал.
pi
pi
Электроника управления инжекторами генерирует периодическое высокое напряжение V, превышающее сто вольт, с высокой частотой F, превышающей десяток кГц, на пьезоэлектрическом элементе от источника постоянного напряжения, в данном случае батареи автомобиля или выхода силового преобразователя постоянного напряжения. На автомобиле напряжение питания равно 12 или 42 вольт, следовательно, для обеспечения заряда или разряда керамики необходимо повысить это напряжение.
1
В настоящее время существуют бестрансформаторные устройства управления, такие как устройство, показанное на фиг.1, которое питается от источника постоянного напряжения Е, например от батареи автомобиля, контакт В- которой соединен на массу, а контакт В+ соединен с первой ступенью E повышения этого постоянного напряжения.
i
N инжекторов теплового двигателя, где N является целым числом, как правило, равным 4, 6 или 12, установлены параллельно и управляются последовательно при помощи селективных выключателей S, каждый из которых последовательно соединен с инжектором I. Электронное контрольно-вычислительное устройство управления впрыском передает логический командный сигнал на каждый селективный выключатель таким образом, чтобы подавать выходное высокое напряжение от повышающего преобразователя напряжения на контакты выбранного инжектора.
1
1
1
1
1
2
boost
2
Устройство управления содержит первую ветвь B, содержащую первую катушку индуктивности L и ограничительный выключатель T, к контактам которого противопараллельно подключен обратный диод d колеса. Первый контакт катушки индуктивности L соединен с источником Е постоянного напряжения, а другой контакт соединен со второй ветвью В, содержащей выпрямительный диод D, последовательно соединенный с фильтрующим конденсатором С, на контакты которого подается высокое напряжение V, питающее вторую ступень Е повышающего преобразователя.
r
2
2
Вторая ступень содержит вторую катушку индуктивности L, соединенную со вторым ограничительным выключателем Т и со вторым обратным диодом d, установленным противопараллельно.
pi
pi
i
pi
Повышающий преобразователь напряжения генерирует периодическое высокое напряжение V, превышающее сто вольт с высокой частотой F, превышающей десять кГц, предназначенное для возбуждения ультразвуковых инжекторов I. Временной график напряжения возбуждения V показан на фиг.2.
r
pi
boost
Поскольку значение индуктивности L зависит от акустического резонанса возбуждения пьезоэлектрического привода, его выбирают таким образом, чтобы катушка индуктивности заряжалась в достаточной степени для создания повышенного напряжения возбуждения V, порядка 1200 В. Что касается фильтрующего конденсатора С, то его параметры определяют таким образом, чтобы он обладал высокой реактивностью к повышению напряжения V.
r
pi
2
r
r
На фиг.2 показан этот свободный резонанс между катушкой индуктивности L и входным конденсатором выбранных инжекторов для случая, когда этот резонанс является теоретическим. Однако в действительности он «амортизируется» реальной природой пьезоэлектрического инжектора, что приводит к «амортизации» наблюдаемого напряжения V, как показано на временном графике на фиг.3. Действительно, отмечается не равный нулю уровень напряжения в момент замыкания выключателя Т, что выражается сильными колебаниями тока на его контактах в этот момент. Этот не равный нулю уровень напряжения связан с затухающим характером резонанса между конденсатором и катушкой индуктивности L. Следует также отметить, что ток I, протекающий в инжекторе, подвергается сильным возмущениям во время «амортизации», как показано на фиг.3.
2
r
2
Чтобы добиться нулевого уровня напряжения в момент переключения выключателя T, что желательно для облегчения переключений и, следовательно, для снижения потерь в транзисторе, снижают значение резонансной индуктивности L, например с 1 мГн до 200 мкГн, и сокращают время размыкания выключателя Т. Таким образом, можно устранить эту «амортизацию» напряжения и это возмущение тока, как показано на временных графиках на фиг.4b и 4а.
r
on
off
Вместе с тем, этот параметр катушки индуктивности L, учитывающий критическую «амортизацию» системы катушка индуктивности/инжектор, предполагает форму волны управления инжекторами с циклическим соотношением T/T, которое является соотношением между временем размыкания и временем замыкания и которое меньше ½. Это является существенным недостатком, так как перемещение сонотрода инжектора и, следовательно, пропускные характеристики инжектора повышаются при циклическом соотношении равном или превышающем ½.
2
Таким образом, встает проблема снижения потерь и переходных колебаний в ограничительном транзисторе T во второй ступени во время его переключения и одновременного сохранения циклического соотношения, обеспечивающего характеристики инжектора.
В настоящее время пьезоэлектрические инжекторы не работают на принципе резонанса, но в них проявляются резонансные явления, которые связаны с емкостными элементами, такими как набор пластин сердечника или катушки индуктивности, а также соединительные провода, и которые не являются функциональными. Кроме того, они отличаются гораздо более низкими характеристическими частотами. В патентной заявке DE 19931235, поданной на имя заявителя, предложено переключать конденсаторы для улучшения работы одного конденсатора в переходном режиме. Речь идет об изменении формы передних и задних фронтов некоторых сигналов. Но это изобретение не ставит перед собой задачу адаптации полного сопротивления для управления приводом на его резонансной частоте.
Настоящее изобретение направлено на решение этой проблемы путем подключения конденсатора на контактах каждого инжектора во время его управления, чтобы улучшить изменение резонансных сигналов для ограничительного транзистора второй ступени устройства, снижая его тепловые потери и его механическое напряжение, и для резонатора, повышая его характеристики. Кроме того, оно позволяет приблизиться к идеальному циклическому соотношению, равному ½, без критической «амортизации».
Первым объектом изобретения является устройство управления, по меньшей мере, одним ультразвуковым пьезоэлектрическим приводом, управляемое электронными средствами при помощи контрольно-вычислительного устройства и источника постоянного питания, содержащее первую ступень повышения указанного напряжения для генерирования высокого напряжения и вторую ступень, питаемую указанным высоким напряжением, для генерирования источника тока питания инжекторов, связанные со средствами селекции, управляемыми указанным контрольно-вычислительным устройством. Устройство управления дополнительно содержит ветвь адаптации полного сопротивления, содержащую конденсатор обратной связи, последовательно соединенный с селективным выключателем, и установленную параллельно с приводами, при этом указанный селективный выключатель конденсатора обратной связи управляется по замыканию и размыканию контрольно-вычислительным устройством одновременно с селективным выключателем возбуждаемого привода.
Согласно другому признаку устройства управления, параметры конденсатора обратной связи определяют таким образом, чтобы повысить емкость узла инжектор/конденсатор обратной связи, который должен резонировать с катушкой индуктивности ступени повышения, и выдавать переменное напряжение возбуждения с циклическим соотношением, по меньшей мере, равным ½.
Вторым объектом изобретения является способ управления несколькими ультразвуковыми пьезоэлектрическими приводами, управляемыми вышеуказанным устройством, согласно которому команда на размыкание выключателя ветви адаптации полного сопротивления подается в момент, следующий за моментом конца впрыска и предшествующий моменту нового впрыска, в то время как выключатель второй ступени устройства управления не активирован, после определенного интервала времени в момент, когда напряжение на контактах конденсатора адаптации и напряжение на контактах выбранного привода равны нулю или намного ниже напряжения возбуждения приводов, при этом конденсатор обратной связи сохраняет практически нулевой заряд между двумя непрерывными сериями впрыска определенной продолжительности.
Согласно другому признаку способа управления, замыкание выключателя ветви адаптации полного сопротивления должно происходить после момента замыкания выключателя второй ступени устройства управления, причем перед моментом его размыкания таким образом, чтобы временной интервал между моментами зависел от технологии выключателя и был определен таким образом, чтобы напряжение на контактах конденсатора адаптации и напряжение на контактах выбранного привода было нулевым или намного ниже напряжения возбуждения приводов, при этом конденсатор обратной связи сохраняет практически нулевой заряд между двумя непрерывными сериями впрыска определенной продолжительности.
Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые фигуры, среди которых фиг.1, 2, 3a и 3b, 4a и 4b уже были описаны:
Фиг.5 - электронная схема примера выполнения устройства управления ультразвуковым пьезоэлектрическим приводом в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6a-6d - временные графики сигналов управления впрыском и напряжением возбуждения приводов.
1
boost
2
r
i
i
На схеме на фиг.5 показан монтаж устройства, показанного на фиг.1, то есть источник Е напряжения питает первую ступень E повышения этого напряжения для генерирования высокого напряжения V на контактах второй ступени Е генерирования источника тока i, предназначенного для питания пьезоэлектрических инжекторов I. Выбор этих установленных параллельно инжекторов производится выключателями S, управляемыми контрольно-вычислительным устройством управления впрыском автомобиля.
boost
1
1
1
1
Первая ступень генерирования высокого напряжения V содержит две ветви: первую ветвь B, содержащую катушку индуктивности L и ограничительный выключатель T, параллельно соединенный с диодом d, установленным противопараллельно.
1
1
2
boost
2
r
2
2
2
Между массой и точкой соединения J катушки индуктивности L с выключателем T установлена вторая ветвь В, содержащая выпрямительный диод D, последовательно соединенный с конденсатором С фильтрования, на контакты которого подается высокое напряжение V, питающее вторую ступень Е. Последняя содержит вторую катушку индуктивности L и второй ограничительный выключатель Т. Второй обратный диод d установлен противопараллельно на контактах этого выключателя Т.
2
AI
R
R
i
R
R
Основным отличительным признаком изобретения является добавление параллельно к ограничительному выключателю Т ветви B, содержащей конденсатор C обратной связи, связанный с селективным выключателем T, который управляется по размыканию и замыканию одновременно с селективным выключателем S выбранного инжектора при помощи контрольно-вычислительного устройства впрыска. Эта дополнительная ветвь, содержащая конденсатор C и выключатель T, установлена на контактах ветвей выбора инжекторов и предназначена для их дополнительного управления по напряжению. В рамках изобретения можно применять и другие топологии двух первых ступеней устройства управления.
R
r
pi
Конденсатор C обратной связи выполняют с возможностью повышения емкости узла инжектор/конденсатор обратной связи, который должен резонировать с катушкой индуктивности L ступени повышения, и с возможностью подачи переменного напряжения V возбуждения инжекторов с циклическим соотношением, которое может достигать значения ½.
R
R
o
r
R
pi
R
F
2
R
pi
R
t
Изобретение предлагает способ управления выключателем T этой дополнительной ветви, позволяющий использовать конденсатор во время серии импульсов, обеспечивающих впрыск, избегая резких разрядов в начале серии. Для этого размыкание выключателя T осуществляют после конца впрыска, при этом ограничительный выключатель второй ступени устройства управления инжекторами остается разомкнутым, после определенного интервала времени d, начиная от отключения напряжения V на контактах адаптационного конденсатора C и напряжения V на контактах выбранного инжектора, чтобы эти два напряжения не могли существенно повыситься, а замыкание выключателя T осуществляют с задержкой на интервал времени d по отношению к замыканию выключателя Т, чтобы эти напряжения V и V были практически нулевыми в начале впрыска. Таким образом, адаптационный конденсатор C обратной связи сохраняет почти нулевой заряд между двумя серями впрысков продолжительностью D, и таким образом проблема резкого разряда снимается.
CI
t
T2
com
pi
На фиг.6а показан сигнал S управления впрыском продолжительностью D, начинающийся в момент t0 и заканчивающийся в момент t3, а на фиг.6b показан сигнал S управления второй ступенью устройства управления, начинающийся в момент t0 и состоящий из нескольких строб-импульсов продолжительностью D и с периодом T, при этом конец впрыска должен происходить во время импульса размыкания выключателя, то есть когда напряжение V на контактах выбранного инжектора является положительным.
TR
i
R
R
pi
R
pi
boost
На фиг.6с показан сигнал S управления селективным выключателем S инжектора и выключателем T, связанным с адаптационным конденсатором C, а напряжение V на контактах выбранного инжектора и напряжение V на контактах адаптационного конденсатора показаны на фиг.6d. Напряжение V на контактах выбранного инжектора является нулевым или намного меньшим напряжения V, порядка 1/10 этого напряжения, начиная с момента t4 после конца впрыска.
TR
i
R
F
pi
o
com
2
Сигнал S управления селективным выключателем S инжектора и выключателем T адаптационной ветви начинается в момент t1, отличающийся от момента t0 начала впрыска, от которого он отделен интервалом времени d, и команда на их размыкание подается в момент t5, последующий за моментом t4 отключения напряжения V на контактах выбранного инжектора, который мог бы привести к новой команде на впрыск. Эти два момента t4 и t5 разделены интервалом времени d, который должен быть меньше 1/10 периода команды T, подаваемой на ограничительный выключатель Т второй ступени устройства управления инжекторами.
2
i
R
R
2
Команда на завершение впрыска может быть подана в момент t3 только во время фазы размыкания выключателя Т второй ступени устройства управления, поэтому селективный выключатель S инжектора и выключатель T, связанный с адаптационным конденсатором C, активируются на размыкание в момент t5, наступающий после моментов t3 и t4 и предшествующий новой команде на впрыск, в то время как выключатель Т не активирован.
R
2
F
2
Что касается момента t1 замыкания адаптационного выключателя T, то он должен наступить после момента t0 замыкания выключателя Т второй ступени устройства управления, так как по своей технологии он на самом деле в момент t0 не замыкается, то есть начало впрыска наступает с задержкой, причем перед моментом t2 его размыкания, так что интервал времени d между моментами t0 и t1 зависит от технологии выключателя T.
pi
R
boost
R
i
R
Согласно изобретению напряжение V на контактах выбранного инжектора и напряжение V на контактах адаптационного конденсатора, показанные на фиг.6d, являются нулевыми или намного меньшими напряжения возбуждения V, порядка 1/10 этого напряжения, начиная от момента t4 после команды на завершение впрыска, и до момента t2 замыкания выключателя T. Энергия, накопленная в конденсаторе выбранного пьезоэлектрического инжектора и в адаптационном конденсаторе, высвобождается во время замыкания селективного выключателя S и выключателя T в начале впрыска, а также во время их размыкания в момент t5 в конце впрыска.
Срок службы компонентов сохраняется и рассеяние тепла, соответствующее переключениям выключателей, сводится к минимуму, тогда как циклическое соотношение управления остается максимально близким к ½, что обеспечивает высокие характеристики впрыска.