專利名稱：用于驅(qū)動超聲波壓電致動器的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動電驅(qū)動超聲波壓電致動器的設(shè)備，具體地涉及具 有壓電級的燃料噴射器，其是由機(jī)動車輛內(nèi)燃機(jī)的電噴射計算機(jī)來驅(qū)動的。 本發(fā)明還涉及用于驅(qū)動由所述設(shè)備控制的致動器的方法。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，如本申請
人提交的法國專利申請?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的裝置，例如傳感器， 其包括陶瓷壓電級，對其端子的電壓進(jìn)行變化從而以大約減速比、在對應(yīng) 于噴射器的打開和關(guān)閉的兩個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以激勵 壓電單元。
噴射器的驅(qū)動電路從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陶瓷單元充電和放電。
當(dāng)前存在無變壓器驅(qū)動設(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E!。
內(nèi)燃機(jī)的N個噴射器并行安裝并且由每個都與噴射器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。電噴射計算機(jī)發(fā) 送邏輯控制信號給每個選擇開關(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E2。
所述第二級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，從而激勵超聲波噴射器Ii。圖2示出了噴射器的激勵電壓Vpi的 時間表示。
電感Lr的值隨著壓電致動器的聲激勵共振的變化而變化，它凈皮選擇成 使得電感被充電至足以產(chǎn)生約為1200V的高激勵電壓Vpi。至于濾波電容 C，其大小使得其對于電壓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，在實際中，其由于壓電噴射器的實際特性而衰減，這導(dǎo)致了 如圖3b所示的電壓Vpi的可觀測到的衰減，圖3b是時間表示。非零電壓 實際上在開關(guān)T2閉合時被觀測到，其反映為在該時刻在其端子處的電流高 振蕩。這個非零電壓關(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在衰減時受到嚴(yán)重干擾，如圖3a所示。
為了獲得開關(guān)T2切換時的零電壓，共振電感的值被減小，例如從lMHz 減小到200inH，并且開關(guān)T2的打開時間被減小，零電壓對于促進(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)計導(dǎo)致了
具有工作循環(huán)T。/r。ff的噴射器驅(qū)動波形，所述工作循環(huán)是打開時間和閉合
時間之比，其小于1/2。這是一個非常明顯的缺陷，因為噴射器的超聲波發(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時也變 得較大。
問題因而是如何減小第二級中的斬波晶體管在其切換時的損耗和過度 震蕩，同時保持工作循環(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)動時向 每個噴射器的端子添加電容電荷以改進(jìn)共振信號的趨向，從而降低設(shè)備第 二級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)動至少一個超聲波壓電致動器 的設(shè)備，所述致動器從控制計算機(jī)和DC電壓源被電驅(qū)動，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，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算機(jī)控制的選擇裝置相關(guān)聯(lián)的噴射器的第 二級，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 致動器的選擇開關(guān)被激勵時被控制計算機(jī)閉合和打開。
根據(jù)所述驅(qū)動設(shè)備的另一特征，所述無功電容被設(shè)計成增加噴射器/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激勵電壓。
本發(fā)明的第二目的是一種用于驅(qū)動幾個超聲波壓電致動器的方法，所 述致動器由根據(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)束控制時刻之后以及新噴射控制時刻之前的時刻被控制，同時所 述驅(qū)動設(shè)備的第二級的開關(guān)在一時間段之后不再是激活的，所述時間段是 基于這樣的時刻而定義的在該時刻，匹配電容端子上的電壓和所選致動 器端子上的電壓為零或遠(yuǎn)小于該致動器的激勵電壓的時刻而限定的，所述 無功電容保持在兩個噴射串持續(xù)時間(injection train of duration)之間的 幾乎為零的電荷。
根據(jù)所述驅(qū)動方法的另一特征，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)動設(shè)備的第二級的開關(guān)閉合時刻之后發(fā)生，另一方面在其 打開時刻之前發(fā)生，以使得所述時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器的端子上的電壓為零 或遠(yuǎn)小于所述致動器的激勵電壓，所述無功電容保持兩個噴射串持續(xù)時間 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)動超聲波壓電致動器的設(shè)備的示例性實 施例的電路-圖6a至6d是噴射控制信號和致動器激勵電壓的時間表示。
具體實施例方式
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E！供電以生成用于電流源ir的第二級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的第一級包括兩個支路，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 計算機(jī)選擇了噴射器的選擇開關(guān)Si時被打開和閉合。這個包括電容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。 控制設(shè)備的兩個第一級的其他拓樸也適用于本發(fā)明。
無功電容CR被設(shè)計成提高噴射器/無功電容組件的容量，該組件應(yīng)當(dāng) 與放大級的電感共振并且提供AC激勵電壓給具有可達(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，同時防止在脈沖串開始時的突發(fā)放電。 為此，在基于為使其沒有時間再次上升很高而對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)動設(shè)備的第二級的斬波開關(guān) T2保持打開，而開關(guān)TR的閉合相對于開關(guān)T2的閉合延遲了時間段dF以使 得這些相同的電壓VR和Vpi在噴射開始時幾乎為零。匹配無功電容CR因 而保持兩個噴射串持續(xù)時間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)時間的信號SCI，其開始于時刻to而結(jié)束于 時刻t3，圖6b示出了控制驅(qū)動設(shè)備第二級的信號ST2，其開始于時刻10并 且包括幾個持續(xù)時間為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。
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Str幵始于與 控制噴射開始的時刻to不同的時刻t,，其中它由時間間隔dF隔開，并且所 述開關(guān)的打開是在時刻ts被命令的，這遲于取消所選噴射器端子上的電壓 Vpj的時刻t4，該電壓已經(jīng)導(dǎo)致新的噴射命令。這兩個時刻t4和ts被時間間 隔d。隔開，該時間間隔小于施加于噴射器驅(qū)動設(shè)備的第二級的斬波開關(guān) T2的控制周期T，的1/10。
噴射結(jié)束命令可以在時刻t3、僅在驅(qū)動設(shè)備第二級的開關(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在時刻
ts被打開，這遲于時刻t3和tt而早于新的噴射命令，同時開關(guān)T2不再被激活。
關(guān)于匹配開關(guān)TR的閉合的時刻t!，它一方面必須在驅(qū)動i殳備第二級的 開關(guān)T2閉合的時刻to之后發(fā)生，因為其技術(shù)由于噴射開始稍,遲而并沒
有真正在時刻to閉合，另一方面必須在其打開的時刻t2之前發(fā)生以j吏得時
刻to與h之間的時間間隔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)束命令之后的時刻t4開始，另一方面在
開關(guān)TR閉合的時刻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)小于激勵電壓Vb。。st,大約為其1/10。 存儲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在選 擇開關(guān)Si和開關(guān)TR閉合時、以及于噴射結(jié)束時當(dāng)它們在時刻ts打開時釋 放。
元件壽命^^長并且對應(yīng)于開關(guān)的切換動作的熱耗散^L最小化，同時 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)動幾個超聲波壓電致動器的設(shè)備，所述致動器是從控制計算機(jī)和DC電壓源被電驅(qū)動的，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，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算機(jī)控制的選擇裝置關(guān)聯(lián)的噴射器的第二級，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)在與待激勵的所述致動器的選擇開關(guān)(Si)相同的時間由所述控制計算機(jī)閉合和打開。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動設(shè)備，其特征在于，所述無功電容(CR) 被設(shè)計成提高噴射器/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激勵電壓(Vpi)。
3. —種用于驅(qū)動幾個超聲波壓電致動器的方法，所述致動器由如權(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器的激勵電壓(Vpi)的時刻(t4)遲的時刻(t5) ^f皮控制的，取消所述致動器的激勵電壓的所述時刻本身又遲于噴射結(jié)束控 制時刻(t3)，同時所述驅(qū)動設(shè)備的第二級的開關(guān)(T2)不再是激活的， 所述時刻(t4和t5)之間的時間間隔(d。)被定義為使得所述匹配電容(CR) 的端子上的電壓(VR)以及所選致動器的端子上的電壓(Vpi)為零或遠(yuǎn)小 于所述致動器的激勵電壓(Vb。。st)，所述無功電容(CR)保持在兩個噴射 串持續(xù)時間(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)動幾個超聲波壓電致動器的方法， 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刻(h ) 進(jìn)行 一方面遲于所述驅(qū)動設(shè)備的第二級的開關(guān)(T2)閉合的時刻(t0)， 另一方面早于其打開的時刻(t2)，以使得所述時刻(to和t,)之間的時間 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)以及所選致動器的端子上的電壓(Vpi)為零或遠(yuǎn)小于所迷致動器的激勵電壓(vb。。st)，所述無功電容(CR)保持在兩個噴射串持續(xù)時間(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)動幾個超聲波壓電致動器的方 法，其特征在于，所述時間間隔(d。)是基于取消所述激勵電壓(Vpi)的 所述時刻(t4)而被定義的，并且所述時間間隔(dF)是基于所述驅(qū)動設(shè) 備的第二級的開關(guān)(T2)的閉合時刻(tG)而被定義的，以使得所述匹配 電容(CR)的端子上的電壓(VR)和所選致動器的端子上的電壓(Vpi) 為零或遠(yuǎn)小于所迷致動器的激勵電壓(Vb。。st)，其分別在噴射結(jié)束和開始 時大約為該激:^勵電壓的1/10。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于驅(qū)動幾個超聲波壓電致動器的方法， 其特征在于，在取消所述致動器的激勵電壓(Vpi)的所述時刻(t4)與打 開所述阻抗匹配支路的開關(guān)(TR)的所述時刻(t5)之間的時間間隔(d。) 小于施加于所述噴射器驅(qū)動設(shè)備的第二級的斬波開關(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)動方法，其特征在于，該方法適 于驅(qū)動具有壓電級的燃料噴射器，該噴射器是由機(jī)動車輛中的內(nèi)燃機(jī)的電 噴射計算機(jī)驅(qū)動的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從DC電壓驅(qū)動超聲波壓電致動器的設(shè)備，該設(shè)備還包括與致動器并行裝配的、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)在與待激勵的致動器的選擇開關(guān)(S_i)相同的時間被閉合和打開，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，同時防止串開始時的急劇放電。應(yīng)用于機(jī)動車輛的引擎。
文檔編號H01L41/04GK101443927SQ200780016857
公開日2009年5月27日 申請日期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 申請人:雷諾股份公司