DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE GOBIERNO DE VARIOS ACTUADORES PIEZOELÉCTRICOS ULTRASÓNICOS.

Dispositivo de gobierno de varios actuadores piezoeléctricos ultrasónicos (Ii),

comprendiendo este dispositivo un calculador de control concebido para gobernar electrónicamente los actuadores, una alimentación eléctrica que comprende una fuente de tensión continua y apropiada para alimentar los actuadores, medios de selección (Si) respectivamente asociados a los actuadores y selectivamente mandados por el calculador, y un ramal de adaptación de impedancia de los actuadores montado en paralelo y que comprende una capacidad reactiva (CR) y un interruptor de adaptación (TR), estando montado este interruptor de adaptación (TR) en serie con la capacidad reactiva (CR), y estando concebido el calculador de control para gobernar de modo sincronizado, en el cierre y en la apertura, el interruptor de adaptación (TR) y los medios de selección (Si) de cada actuador que hay que excitar, caracterizado porque la alimentación eléctrica comprende una primera etapa (E1) de amplificación de tensión de corte, alimentada por la citada tensión continua y que facilita una alta tensión (Vboost) y una segunda etapa (E2) alimentada por la alta tensión (Vboost), que facilita una tensión de excitación alterna (Vpi) y que comprende una inductancia (Lr) y un interruptor de alta tensión (T2), y porque el conjunto constituido por cada actuador y la capacidad reactiva (CR) está dimensionado para entrar en resonancia con la inductancia (Lr) de la alimentación eléctrica y 20 facilitar la citada tensión de excitación alterna (Vpi) con una relación cíclica al menos igual a 1/

La presente invención se refiere a un dispositivo de gobierno de varios actuadores piezoeléctricos ultrasónicos gobernados electrónicamente tal como el definido en la reivindicación 1, por ejemplo un inyector de carburante de etapa piezoeléctrica gobernado por el calculador de inyección electrónica de un motor de combustión interna en un vehículo automóvil. Ésta se refiere, además, a un 5 procedimiento de gobierno de tales actuadores mandados por el citado dispositivo.

De modo más preciso, el problema que pretende resolver la invención es la adaptación de impedancia para optimizar el mando de las células piezoeléctricas destinadas a hacer vibrar la estructura de los inyectores ultrasónicos, tal como se 10 describe en la solicitud de patente francesa, depositada con el número 99 14548 a nombre de la Solicitante, número de publicación FR 2 801 346.

Un inyector ultrasónico de este tipo comprende, entre otros, una boquilla cilíndrica alimentada de carburante y en cuya extremidad está dispuesto un orificio de inyección, y medios de puesta en vibración cíclica de la boquilla, tal 15 como un transductor, que comprende una etapa de cerámica piezoeléctrica en cuyos bornes se hace variar la tensión eléctrica para modificar su espesor entre dos posiciones terminales que corresponden a la apertura y al cierre del inyector, salvo una relación de desmultiplicación. Una cerámica piezoeléctrica de inyector es equivalente en primer orden a una capacidad cuya tensión de carga es elevada, 20 superior a un centenar de voltios.

Este tipo de inyector pulveriza muy finamente el carburante en gotas, calibradas para asegurar una dosificación precisa y suficientemente pequeñas para asegurar la vaporización completa y homogénea del carburante inyectado. Para pulverizar más finamente el carburante, se realiza una apertura oscilante a 25 frecuencia ultrasónica en la nariz de la boquilla. Para excitar las células piezoeléctricas debe generarse una señal alterna de frecuencia elevada.

La electrónica de gobierno de tales inyectores genera en una célula piezoeléctrica una alta tensión periódica Vpi, superior a un centenar de voltios, y de alta frecuencia Fpi, superior a un decena de kHz, a partir de una fuente de 30 tensión continua, en este caso la batería del vehículo o la salida de un convertidor de CC de potencia. En un vehículo automóvil, la tensión de alimentación tiene el valor 12 o 42 voltios, lo que implica aumentar esta tensión para asegurar la carga y la descarga de la cerámica.

Existen actualmente dispositivos de gobierno sin transformador, tal como el 35 representado en la figura 1, que es alimentado por una fuente de tensión continua

E, por ejemplo la batería del vehículo, cuyo borne B- está unido a masa y cuyo borne B+ está unido a una primera etapa E1 de amplificación de la citada tensión continua.

Los N inyectores Ii de un motor térmico, siendo N un entero, generalmente 4, 6 o 12, están montados en paralelo y son mandados secuencialmente gracias a 5 interruptores Si de selección, montados cada uno en serie con un inyector Ii. Un calculador electrónico de inyección envía una señal lógica de mando a cada interruptor de selección para aplicar adecuadamente la salida de alta tensión del convertidor-elevador de tensión en los bornes del inyector seleccionado.

El dispositivo de gobierno comprende un primer ramal B1 constituido por 10 una primera inductancia L1, y un interruptor de corte T1 en cuyos bornes está montado en paralelo un diodo d1 de rueda libre. Un primer borne de la inductancia L1 está unido a la fuente de tensión continua E y el otro borne está unido a un segundo ramal B2 constituido por un diodo D de rectificación, en serie con una capacidad C de filtrado, en cuyos bornes se encuentra una alta tensión 15 Vboost que alimenta una segunda etapa E2 del convertidor-elevador.

La segunda etapa comprende una segunda inductancia Lr unida a un segundo interruptor de corte T2 y a un segundo diodo d2 de rueda libre montado en antiparalelo.

El convertidor-elevador de tensión genera una alta tensión periódica Vpi, 20 superior a un centenar de voltios, con una alta frecuencia Fpi superior a una decena de kHz, destinada a excitar los inyectores Ii ultrasónicos. La figura 2 ilustra una representación temporal de la tensión de excitación Vpi de los inyectores.

El valor de la inductancia Lr, que es función de la resonancia de excitación 25 acústica del actuador piezoeléctrico, se elige para que la inductancia se cargue suficientemente para provocar una tensión de excitación Vpi elevada, del orden de 1200 V. En cuanto a la capacidad C de filtrado, sus dimensiones son tales que ésta tenga una reactividad muy alta a la subida de tensión Vboost.

La figura 2 es una representación de esta resonancia libre entre la 30 inductancia Lr y la capacidad de entrada de los inyectores seleccionados en el caso en que ésta es teórica. Pero en realidad, ésta queda amortiguada por la naturaleza real del inyector piezoeléctrico, lo que conduce a un amortiguamiento de la tensión Vpi observable como muestra la figura 3b, que es una representación temporal. Se constata, en efecto, un nivel de tensión no nulo en el momento del 35 cierre del interruptor T2, lo que se traduce en oscilaciones importantes de la

corriente en sus bornes, en este instante. Este nivel de tensión no nulo está ligado al carácter amortiguado de la resonancia entre la carga y la inductancia Lr. Se observará igualmente que la corriente Ir que circula por el inyector resulta muy perturbada durante el amortiguamiento, como muestra la figura 3a.

Para encontrar un nivel de tensión nulo en el momento de la conmutación 5 del interruptor T2, lo que es preferible para facilitar las conmutaciones y por tanto disminuir las pérdidas en el transistor, se disminuye el valor de la inductancia Lr de resonancia, por ejemplo de 1 mH a 200 H, y se reduce el tiempo de apertura del interruptor T2. Así, es posible paliar este amortiguamiento de tensión y esta perturbación de corriente, como muestran las representaciones temporales de las 10 figuras 4b y 4a.

Sin embargo, este dimensionamiento de la inductancia Lr que tiene en cuenta el amortiguamiento crítico del conjunto inductancia/inyector provoca una forma de onda de gobierno de los inyectores con una relación cíclica Ton/Toff, que es la relación entre el tiempo de apertura y el tiempo de cierre, inferior a . Este 15 es un inconveniente importante porque el desplazamiento del sonotrodo del inyector, por tanto las prestaciones de caudal del inyector, es tanto más importante cuanto que la relación cíclica sea igual o superior a .

El problema consiste, por tanto, en disminuir las pérdidas y las sobreoscilaciones en el transistor T2 de corte en la segunda etapa durante su 20 conmutación, al tiempo que se preserve la relación cíclica garante de las prestaciones del inyector.

Actualmente, los inyectores piezoeléctricos no funcionan de acuerdo con un principio de resonancia, sino que presentan fenómenos de resonancia ligados a los elementos capacitativos, tales como el stack, o inductivos, como los hilos de 25 unión u otros, que no son funcionales. Además, estos presentan frecuencias características mucho menos elevadas. En la solicitud de patente DE 199 31 235, a nombre de SIEMENS, la invención descrita propone conmutar cargas capacitativas para mejorar el funcionamiento de una carga en transitorio. Se trata de cambiar el aspecto de los frentes de subida o de bajada de ciertas señales. Sin 30 embargo, el objetivo de esta invención no es realizar la adaptación de impedancia para mandar un actuador a su frecuencia de resonancia.

Un dispositivo de gobierno que comprende capacidades paralelas a los actuadores está divulgado por el documento US 5 969 464. Dispositivos de gobierno para inyectores están divulgados por los documentos US 4 784 102 y 35 EP 1 276 159 A1.

El objeto de la invención es paliar este inconveniente, añadiendo una carga capacitativa a los bornes de cada inyector durante su gobierno para mejorar la evolución de las señales de resonancia en beneficio del transistor de corte de la segunda etapa del dispositivo, disminuyendo sus pérdidas térmicas y su estrés, y en beneficio del resonador, aumentando sus prestaciones. Ésta permite, además, 5 aproximarse a la relación cíclica ideal, igual a , sin amortiguamiento crítico.

Para esto, un primer objeto de la invención es un dispositivo de gobierno tal como el definido...

1. Dispositivo de gobierno de varios actuadores piezoeléctricos ultrasónicos (Ii), comprendiendo este dispositivo un calculador de control concebido para gobernar electrónicamente los actuadores, una alimentación eléctrica que comprende una fuente de tensión continua y apropiada para alimentar los 5 actuadores, medios de selección (Si) respectivamente asociados a los actuadores y selectivamente mandados por el calculador, y un ramal de adaptación de impedancia de los actuadores montado en paralelo y que comprende una capacidad reactiva (CR) y un interruptor de adaptación (TR), estando montado este interruptor de adaptación (TR) en serie con la capacidad reactiva (CR), y 10 estando concebido el calculador de control para gobernar de modo sincronizado, en el cierre y en la apertura, el interruptor de adaptación (TR) y los medios de selección (Si) de cada actuador que hay que excitar, caracterizado porque la alimentación eléctrica comprende una primera etapa (E1) de amplificación de tensión de corte, alimentada por la citada tensión continua y que facilita una alta 15 tensión (Vboost) y una segunda etapa (E2) alimentada por la alta tensión (Vboost), que facilita una tensión de excitación alterna (Vpi) y que comprende una inductancia (Lr) y un interruptor de alta tensión (T2), y porque el conjunto constituido por cada actuador y la capacidad reactiva (CR) está dimensionado para entrar en resonancia con la inductancia (Lr) de la alimentación eléctrica y 20 facilitar la citada tensión de excitación alterna (Vpi) con una relación cíclica al menos igual a 1/2.

2. Procedimiento de gobierno de varios actuadores por un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, para la activación de cada actuador, comprende las operaciones consistentes en: 25

- activar un mando de activación de duración (Dt) suficiente para permitir la aparición de al menos una primera y al menos una parte de una segunda alternancia positiva de la tensión de excitación alterna (Vpi);

- mandar la apertura del interruptor de alta tensión (T2) durante cada alternancia positiva de la tensión de excitación alterna (Vpi) y el cierre fuera de 30 estas alternancias;

- mandar el cierre del interruptor de adaptación (TR) durante una duración dependiente de la duración del mando de activación;

- interrumpir el mando de activación en un instante (t3) anterior a un instante (t4) de desaparición de la ultima alternancia positiva de la tensión de 35 excitación alterna (Vpi); y

- mandar la apertura del interruptor de adaptación (TR) en un instante (t5) posterior al instante (t4) de desaparición de la última alternancia positiva de la tensión de excitación alterna (Vpi), estando separado el citado instante posterior (t5) del citado instante (t4) de desaparición por un intervalo de tiempo (do) definido para que la tensión (VR) en los bornes de la capacidad reactiva (CR) y 5 la tensión de excitación (Vpi) sean nulas o como mucho igual a 1/10 de la citada alta tensión (Vboost).

3. Procedimiento de gobierno de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque, para la excitación de cada actuador, comprende las operaciones consistentes en: 10

- activar el mando de activación en un instante inicial (t0) de cierre del interruptor de alta tensión (T2); y

- activar el cierre del interruptor de adaptación (TR) en un instante (t1) intermedio entre el instante inicial (t0) y el instante (t2) de aparición de la primera alternancia positiva de la tensión de excitación alterna (Vpi), estando 15 separado el citado instante intermedio (t1) del citado instante inicial (t0) por un intervalo de tiempo (dF) definido para que la tensión (VR) en los bornes de la capacidad reactiva (CR) y la tensión de excitación (Vpi) sean nulas o como mucho iguales a 1/10 de la citada alta tensión (Vboost).

4. Procedimiento de gobierno de acuerdo con una cualquiera de las 20 reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque el intervalo de tiempo (do) entre el instante (t4) de desaparición y el citado instante posterior (t5) es inferior a 1/10 del período de mando (Tcom) aplicado al interruptor de alta tensión (T2).

5. Procedimiento de gobierno de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque éste se aplica al gobierno de los 25 inyectores de carburante de etapa piezoeléctrica gobernados por el calculador de inyección electrónica de un motor de combustión interna en un vehículo automóvil.