專利名稱：用于驅(qū)動(dòng)超聲波壓電致動(dòng)器的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動(dòng)電驅(qū)動(dòng)超聲波壓電致動(dòng)器的設(shè)備，具體地涉及具 有壓電級(jí)的燃料噴射器，其是由機(jī)動(dòng)車輛內(nèi)燃機(jī)的電噴射計(jì)算機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。 本發(fā)明還涉及用于驅(qū)動(dòng)由所述設(shè)備控制的致動(dòng)器的方法。具體地說，本發(fā)明要解決的問題是為了優(yōu)化對(duì)壓電單元的控制所進(jìn)行 的阻抗匹配，所述壓電單元用于使得超聲波噴油器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，如本申請(qǐng)
人提交的法國專利申請(qǐng)?zhí)?914548中所描述的那樣。
背景技術(shù)：
這種超聲波噴射器還包括圓柱形噴嘴，向該噴嘴供給燃料，并且在該 噴嘴的端部具有噴射口，以及使得該噴嘴周期性振動(dòng)的裝置，例如傳感器， 其包括陶瓷壓電級(jí)，對(duì)其端子的電壓進(jìn)行變化從而以大約減速比、在對(duì)應(yīng) 于噴射器的打開和關(guān)閉的兩個(gè)極端位置之間更改其厚度。噴射器陶瓷壓電 單元理想地等價(jià)于具有高充電電壓的電容，所述電壓大于100多伏特。
這種噴射器非常精細(xì)地以小滴噴射燃料，以確l呆準(zhǔn)確的用量，并且小 到足以確保被噴射燃料的完全的、均勻的汽化。為了更精細(xì)地噴射燃料， 在噴嘴的前部進(jìn)行超聲波頻率的振蕩打開。必須生成高頻交流信號(hào)以激勵(lì) 壓電單元。
噴射器的驅(qū)動(dòng)電路從DC電壓源以大于十幾kHz的高頻FV在壓電單 元上生成大于一百多伏的周期性高電壓Vpi，所述DC電壓源在這種情況下 是車輛的電池或電源DC轉(zhuǎn)換器的輸出。在機(jī)動(dòng)車輛中，電源電壓的值是 12或42伏，其意p未著增加該電壓以對(duì)陶瓷單元充電和放電。
當(dāng)前存在無變壓器驅(qū)動(dòng)設(shè)備，例如圖1中所顯示的，其由例如是車輛
4電池的DC電壓源E供電，其端子B-接地并且其端子B+接所述DC電 壓的第一放大級(jí)E!。
內(nèi)燃機(jī)的N個(gè)噴射器并行安裝并且由每個(gè)都與噴射器Ii串行裝配的選 擇開關(guān)Si順次控制，其中N是整數(shù)，通常是4、 6或12。電噴射計(jì)算機(jī)發(fā) 送邏輯控制信號(hào)給每個(gè)選擇開關(guān)以使得升壓轉(zhuǎn)換器的高壓輸出被正確地施 加于所選噴射器的端子。
驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括由第一電感k和斬波開關(guān)T,組成的第一支路B,,在其 端子上逆并行地裝配有續(xù)流二極管(freewheeling diode ) d，。電感L，的第 一端子連至DC電壓源E而另一端子連至第二支路B2，該第二支路由與濾 波電容C串聯(lián)的整流二極管D組成，其端子上遞送高電壓Vb。。st，用以供
給升壓轉(zhuǎn)換器的第二級(jí)E2。
所述第二級(jí)包括連至第二斬波開關(guān)T2的第二電感Lr和逆并行安裝的 第二續(xù)流二極管d2。
升壓轉(zhuǎn)換器以大于十幾kHz的高頻Fpi生成大于一百多伏的周期性高 電壓Vpi，從而激勵(lì)超聲波噴射器Ii。圖2示出了噴射器的激勵(lì)電壓Vpi的 時(shí)間表示。
電感Lr的值隨著壓電致動(dòng)器的聲激勵(lì)共振的變化而變化，它凈皮選擇成 使得電感被充電至足以產(chǎn)生約為1200V的高激勵(lì)電壓Vpi。至于濾波電容 C，其大小使得其對(duì)于電壓Vb。。st的升高具有很強(qiáng)的反應(yīng)。
圖2示出了在理論上電感Lr和所選噴射器的輸入電容之間的這種自由 共振。然而，在實(shí)際中，其由于壓電噴射器的實(shí)際特性而衰減，這導(dǎo)致了 如圖3b所示的電壓Vpi的可觀測到的衰減，圖3b是時(shí)間表示。非零電壓 實(shí)際上在開關(guān)T2閉合時(shí)被觀測到，其反映為在該時(shí)刻在其端子處的電流高 振蕩。這個(gè)非零電壓關(guān)聯(lián)于電荷與電感Lr之間的共振的衰減特性。還應(yīng)當(dāng) 指出，在噴射器中流通的電流Ir在衰減時(shí)受到嚴(yán)重干擾，如圖3a所示。
為了獲得開關(guān)T2切換時(shí)的零電壓，共振電感的值被減小，例如從lMHz 減小到200inH，并且開關(guān)T2的打開時(shí)間被減小，零電壓對(duì)于促進(jìn)切換以及 減小晶體管損耗而言是優(yōu)選的。因此，如圖4a和4b所示，可以克服這種
5電壓衰;咸和這種電5克干擾。
然而，考慮電感/噴射器組件的臨界衰減的電感Lr的這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致了
具有工作循環(huán)T。/r。ff的噴射器驅(qū)動(dòng)波形，所述工作循環(huán)是打開時(shí)間和閉合
時(shí)間之比，其小于1/2。這是一個(gè)非常明顯的缺陷，因?yàn)閲娚淦鞯某暡òl(fā) 生器的放置以及因此的噴射器流量性能在工作循環(huán)等于或大于1/2時(shí)也變 得較大。
問題因而是如何減小第二級(jí)中的斬波晶體管在其切換時(shí)的損耗和過度 震蕩，同時(shí)保持工作循環(huán)以保證噴射器的性能。
當(dāng)前，壓電噴射器不能以共振原理工作，但是它們呈現(xiàn)出與例如堆疊 式電容的電容單元或例如不起作用的互連線的電感單元有關(guān)的共振現(xiàn)象。 此外，它們呈現(xiàn)出較低的特征頻率。在西門子的專利申請(qǐng)DE 19931235中， 所描述的發(fā)明提出切換電容電荷以增強(qiáng)瞬態(tài)電荷的操作。目的是改變特定 信號(hào)的上升或下降沿的外觀。然而，該發(fā)明的目的不是執(zhí)行阻抗匹配以在 其共振頻率控制致動(dòng)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過以下操作來克服上述缺陷當(dāng)噴射器被驅(qū)動(dòng)時(shí)向 每個(gè)噴射器的端子添加電容電荷以改進(jìn)共振信號(hào)的趨向，從而降低設(shè)備第 二級(jí)的斬波晶體管的熱損耗和老化并且提高共振器的性能。其還可以向等 于1/2的理想工作循環(huán)收斂而不會(huì)出現(xiàn)臨界衰減。
為此，本發(fā)明的第一目的是一種用于驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器 的設(shè)備，所述致動(dòng)器從控制計(jì)算機(jī)和DC電壓源被電驅(qū)動(dòng)，所述設(shè)備包括 用于放大所述電壓以生成高電壓的第一級(jí)，和由所述高電壓供電的、用于 生成電流源以供給與可由所述計(jì)算機(jī)控制的選擇裝置相關(guān)聯(lián)的噴射器的第 二級(jí)，其特征在于，它還包括阻抗匹配支路，該支路包括與選擇開關(guān)串聯(lián) 的、與所述致動(dòng)器并行安裝的無功電容，所述無功電容的選擇開關(guān)在所迷 致動(dòng)器的選擇開關(guān)被激勵(lì)時(shí)被控制計(jì)算機(jī)閉合和打開。
根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)設(shè)備的另一特征，所述無功電容被設(shè)計(jì)成增加噴射器/無功電容組件的容量，所述組件應(yīng)當(dāng)與;^文大級(jí)的電感共振并且以至少等于 1/2的工作循環(huán)提供AC激勵(lì)電壓。
本發(fā)明的第二目的是一種用于驅(qū)動(dòng)幾個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器的方法，所 述致動(dòng)器由根據(jù)上述特征的設(shè)備控制，以使得阻抗匹配支路的開關(guān)的打開 在噴射結(jié)束控制時(shí)刻之后以及新噴射控制時(shí)刻之前的時(shí)刻被控制，同時(shí)所 述驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的開關(guān)在一時(shí)間段之后不再是激活的，所述時(shí)間段是 基于這樣的時(shí)刻而定義的在該時(shí)刻，匹配電容端子上的電壓和所選致動(dòng) 器端子上的電壓為零或遠(yuǎn)小于該致動(dòng)器的激勵(lì)電壓的時(shí)刻而限定的，所述 無功電容保持在兩個(gè)噴射串持續(xù)時(shí)間(injection train of duration)之間的 幾乎為零的電荷。
根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)方法的另一特征，所述阻抗匹配支路的開關(guān)的閉合必須 一方面在所述驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的開關(guān)閉合時(shí)刻之后發(fā)生，另一方面在其 打開時(shí)刻之前發(fā)生，以使得所述時(shí)刻之間的間隔取決于開關(guān)技術(shù)并且被確 定成使得所述匹配電容的端子上的電壓和所選致動(dòng)器的端子上的電壓為零 或遠(yuǎn)小于所述致動(dòng)器的激勵(lì)電壓，所述無功電容保持兩個(gè)噴射串持續(xù)時(shí)間 之間的幾乎為零的電荷。


參考附圖，通過閱讀下面的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明 顯，其中，除了已描述的附圖l、 2、 3a和3b以及4a和4b之外
-圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于驅(qū)動(dòng)超聲波壓電致動(dòng)器的設(shè)備的示例性實(shí) 施例的電路-圖6a至6d是噴射控制信號(hào)和致動(dòng)器激勵(lì)電壓的時(shí)間表示。
具體實(shí)施例方式
圖5重復(fù)示出了圖1的"i殳備的配置，即電壓源E向所述電壓的第一方文 大級(jí)E！供電以生成用于電流源ir的第二級(jí)E2的端子上的高電壓Vb。。st，所 述電流源用于饋送壓電噴射器Ij。這些并行安裝的噴射器是由可以用車輛噴射計(jì)算機(jī)控制的開關(guān)Si來選擇的。
用于生成高電壓Vb。。st的第一級(jí)包括兩個(gè)支路，第一支路Bi包括電感 L,和與二極管d,并聯(lián)的斬波開關(guān)Tn所述二極管是逆并行地被裝配的。
在地面與電感和開關(guān)T,的接合點(diǎn)J之間安裝有第二支路B2，該第 二支路包括與濾波電容C串聯(lián)的整流二極管D，其端子上遞送高電壓VbQ。st 以供給第二級(jí)E2。后者包括第二電感Lr和第二斬波開關(guān)T2。第二續(xù)流二 極管與該開關(guān)T;j的端子逆并行地安裝。
本發(fā)明的主要特征在于添加與斬波開關(guān)T2并行安裝的阻抗匹配支路 BAI，該支路包括與選擇開關(guān)TR關(guān)聯(lián)的無功電容CR，所述選擇開關(guān)在噴射 計(jì)算機(jī)選擇了噴射器的選擇開關(guān)Si時(shí)被打開和閉合。這個(gè)包括電容CR和 開關(guān)TR的附加支路被裝配在噴射器選擇支路的端子上以輔助其電壓驅(qū)動(dòng)。 控制設(shè)備的兩個(gè)第一級(jí)的其他拓樸也適用于本發(fā)明。
無功電容CR被設(shè)計(jì)成提高噴射器/無功電容組件的容量，該組件應(yīng)當(dāng) 與放大級(jí)的電感共振并且提供AC激勵(lì)電壓給具有可達(dá)到值1/2的工作循 環(huán)的噴射器。
本發(fā)明提出了一種控制這個(gè)附加支路的開關(guān)TR的方法，其能夠受益于 觸發(fā)噴射的脈沖串期間的電容電荷，同時(shí)防止在脈沖串開始時(shí)的突發(fā)放電。 為此，在基于為使其沒有時(shí)間再次上升很高而對(duì)所選噴射器端子上的電壓 Vpi以及匹配電容CR端子上的電壓VR的取消所確定的時(shí)間段d。之后，在 噴射結(jié)束命令之后命令打開開關(guān)TR，噴射器驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的斬波開關(guān) T2保持打開，而開關(guān)TR的閉合相對(duì)于開關(guān)T2的閉合延遲了時(shí)間段dF以使 得這些相同的電壓VR和Vpi在噴射開始時(shí)幾乎為零。匹配無功電容CR因 而保持兩個(gè)噴射串持續(xù)時(shí)間Dt之間幾乎為零的電荷，其急劇放電的問題因
圖6a示出了控制噴射持續(xù)時(shí)間的信號(hào)SCI，其開始于時(shí)刻to而結(jié)束于 時(shí)刻t3，圖6b示出了控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備第二級(jí)的信號(hào)ST2，其開始于時(shí)刻10并 且包括幾個(gè)持續(xù)時(shí)間為D且周期為Te，的脈沖，應(yīng)當(dāng)在開關(guān)T2的打開脈 沖期間命令結(jié)束噴射，也就是說當(dāng)所選噴射器的端子上的電壓Vpi為正時(shí)。
8圖6c示出了控制噴射器的選擇開關(guān)Si和與匹配電容關(guān)聯(lián)的開關(guān)TR的 信號(hào)STR，并且所選噴射器的端子上的電壓Vpi和匹配電容的端子上的VR 在圖6d中4皮示出。從噴射結(jié)束命令后的時(shí)刻t4開始，所選噴射器的端子 上的電壓Vpi為零或遠(yuǎn)小于激勵(lì)電壓Vb。。st，大約為后者的1/10。
控制噴射器的選擇開關(guān)Si和匹配支路的開關(guān)Tr的信號(hào)Str幵始于與 控制噴射開始的時(shí)刻to不同的時(shí)刻t,，其中它由時(shí)間間隔dF隔開，并且所 述開關(guān)的打開是在時(shí)刻ts被命令的，這遲于取消所選噴射器端子上的電壓 Vpj的時(shí)刻t4，該電壓已經(jīng)導(dǎo)致新的噴射命令。這兩個(gè)時(shí)刻t4和ts被時(shí)間間 隔d。隔開，該時(shí)間間隔小于施加于噴射器驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的斬波開關(guān) T2的控制周期T，的1/10。
噴射結(jié)束命令可以在時(shí)刻t3、僅在驅(qū)動(dòng)設(shè)備第二級(jí)的開關(guān)T2的打開階 段期間發(fā)生，噴射器的選擇開關(guān)Si和與匹配電容CR關(guān)聯(lián)的開關(guān)TR在時(shí)刻
ts被打開，這遲于時(shí)刻t3和tt而早于新的噴射命令，同時(shí)開關(guān)T2不再被激活。
關(guān)于匹配開關(guān)TR的閉合的時(shí)刻t!，它一方面必須在驅(qū)動(dòng)i殳備第二級(jí)的 開關(guān)T2閉合的時(shí)刻to之后發(fā)生，因?yàn)槠浼夹g(shù)由于噴射開始稍,遲而并沒
有真正在時(shí)刻to閉合，另一方面必須在其打開的時(shí)刻t2之前發(fā)生以j吏得時(shí)
刻to與h之間的時(shí)間間隔dp取決于開關(guān)T2的技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明， 一方面從噴射結(jié)束命令之后的時(shí)刻t4開始，另一方面在
開關(guān)TR閉合的時(shí)刻t2之前，圖6d所示的所選噴射器端子上的電壓Vpi和 匹配電容端子上的電壓VR為零或遠(yuǎn)小于激勵(lì)電壓Vb。。st,大約為其1/10。 存儲(chǔ)于所選壓電噴射器的電容中以及匹配電容中的能量于噴射開始時(shí)在選 擇開關(guān)Si和開關(guān)TR閉合時(shí)、以及于噴射結(jié)束時(shí)當(dāng)它們?cè)跁r(shí)刻ts打開時(shí)釋 放。
元件壽命^^長并且對(duì)應(yīng)于開關(guān)的切換動(dòng)作的熱耗散^L最小化，同時(shí) 控制工作循環(huán)盡可能接近于1/2從而保持良好的噴射性能特征。
9
權(quán)利要求
1. 一種用于驅(qū)動(dòng)幾個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器的設(shè)備，所述致動(dòng)器是從控制計(jì)算機(jī)和DC電壓源被電驅(qū)動(dòng)的，所述設(shè)備包括用于放大所述電壓以生成高電壓的第一放大級(jí)，以及由所述高電壓饋送的、用于生成電流源以饋給與可由所述計(jì)算機(jī)控制的選擇裝置關(guān)聯(lián)的噴射器的第二級(jí)，其特征在于，它還包括阻抗匹配支路，所述阻抗匹配支路包括與選擇開關(guān)(TR)串聯(lián)的、與所述致動(dòng)器并行裝配的無功電容(CR)，所述無功電容的所述選擇開關(guān)(TR)在與待激勵(lì)的所述致動(dòng)器的選擇開關(guān)(Si)相同的時(shí)間由所述控制計(jì)算機(jī)閉合和打開。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其特征在于，所述無功電容(CR) 被設(shè)計(jì)成提高噴射器/無功電容組件的容量，所述組件應(yīng)當(dāng)與所皿大級(jí)的 電感(Lr)共振并且以至少等于1/2的工作循環(huán)供給AC激勵(lì)電壓(Vpi)。
3. —種用于驅(qū)動(dòng)幾個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器的方法，所述致動(dòng)器由如權(quán) 利要求1和2所述的設(shè)備控制，其特征在于，所述阻抗匹配支路的開關(guān)(TR) 的打開是在比取消所述致動(dòng)器的激勵(lì)電壓(Vpi)的時(shí)刻(t4)遲的時(shí)刻(t5) ^f皮控制的，取消所述致動(dòng)器的激勵(lì)電壓的所述時(shí)刻本身又遲于噴射結(jié)束控 制時(shí)刻(t3)，同時(shí)所述驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的開關(guān)(T2)不再是激活的， 所述時(shí)刻(t4和t5)之間的時(shí)間間隔(d。)被定義為使得所述匹配電容(CR) 的端子上的電壓(VR)以及所選致動(dòng)器的端子上的電壓(Vpi)為零或遠(yuǎn)小 于所述致動(dòng)器的激勵(lì)電壓(Vb。。st)，所述無功電容(CR)保持在兩個(gè)噴射 串持續(xù)時(shí)間(Dt)之間的幾乎為零的電荷。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于驅(qū)動(dòng)幾個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器的方法， 其特征在于，所述阻抗匹配支路的開關(guān)(TR)的閉合必須在這樣的時(shí)刻(h ) 進(jìn)行 一方面遲于所述驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的開關(guān)(T2)閉合的時(shí)刻(t0)， 另一方面早于其打開的時(shí)刻(t2)，以使得所述時(shí)刻(to和t,)之間的時(shí)間 間隔(dF)取決于所述開關(guān)(T2)的技術(shù)并且被確定為使得所述匹配電容(CR)的端子上的電壓(VR)以及所選致動(dòng)器的端子上的電壓(Vpi)為零或遠(yuǎn)小于所迷致動(dòng)器的激勵(lì)電壓(vb。。st)，所述無功電容(CR)保持在兩個(gè)噴射串持續(xù)時(shí)間(Dt)之間的幾乎為零的電荷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的用于驅(qū)動(dòng)幾個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器的方 法，其特征在于，所述時(shí)間間隔(d。)是基于取消所述激勵(lì)電壓(Vpi)的 所述時(shí)刻(t4)而被定義的，并且所述時(shí)間間隔(dF)是基于所述驅(qū)動(dòng)設(shè) 備的第二級(jí)的開關(guān)(T2)的閉合時(shí)刻(tG)而被定義的，以使得所述匹配 電容(CR)的端子上的電壓(VR)和所選致動(dòng)器的端子上的電壓(Vpi) 為零或遠(yuǎn)小于所迷致動(dòng)器的激勵(lì)電壓(Vb。。st)，其分別在噴射結(jié)束和開始 時(shí)大約為該激:^勵(lì)電壓的1/10。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于驅(qū)動(dòng)幾個(gè)超聲波壓電致動(dòng)器的方法， 其特征在于，在取消所述致動(dòng)器的激勵(lì)電壓(Vpi)的所述時(shí)刻(t4)與打 開所述阻抗匹配支路的開關(guān)(TR)的所述時(shí)刻(t5)之間的時(shí)間間隔(d。) 小于施加于所述噴射器驅(qū)動(dòng)設(shè)備的第二級(jí)的斬波開關(guān)(T2)的控制周期(Tcom )的1/10。
7. 如權(quán)利要求3至6之一所述的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，該方法適 于驅(qū)動(dòng)具有壓電級(jí)的燃料噴射器，該噴射器是由機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)的電 噴射計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從DC電壓驅(qū)動(dòng)超聲波壓電致動(dòng)器的設(shè)備，該設(shè)備還包括與致動(dòng)器并行裝配的、包括與選擇開關(guān)(T_R)串聯(lián)的電容(C_R)的阻抗匹配支路，所述選擇開關(guān)在與待激勵(lì)的致動(dòng)器的選擇開關(guān)(S_i)相同的時(shí)間被閉合和打開，以使得匹配電容(C_R)的端子上的電壓(V_R)和所選致動(dòng)器的端子上的電壓(V_pi)在噴射開始之前和結(jié)束之后幾乎為零。它也涉及一種用于控制匹配開關(guān)(T_R)的方法，該方法能夠受益于觸發(fā)噴射的脈沖串期間的電容電荷，同時(shí)防止串開始時(shí)的急劇放電。應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車輛的引擎。
文檔編號(hào)H01L41/04GK101443927SQ200780016857
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者C·努瓦爾, C·里波爾 申請(qǐng)人:雷諾股份公司