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CN101911454A - 电压脉冲序列生成器、对于超声压电喷射器的控制的应用 - Google Patents

电压脉冲序列生成器、对于超声压电喷射器的控制的应用 Download PDF

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CN101911454A
CN101911454A CN2008801237553A CN200880123755A CN101911454A CN 101911454 A CN101911454 A CN 101911454A CN 2008801237553 A CN2008801237553 A CN 2008801237553A CN 200880123755 A CN200880123755 A CN 200880123755A CN 101911454 A CN101911454 A CN 101911454A
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Abstract

一种电压脉冲序列生成器用于控制超声压电喷射器。电压脉冲序列生成器包括提供DC初始电压(2)的电压源(1)，由初始电压(2)供电且能够按照比初始电压(2)大的中间DC电压(5)对电容器(4)充电的DC/DC转换器(3)，以使激活相位和非激活相位互相交替的切换模式工作且能将来自电容器(4)的中间电压(5)转变成最终电压脉冲序列(9)的DC/AC转换器(6)，和用于驱动所述转换器(3、6)的控制单元(10)，其特征在于，所述DC/DC转换器(3)能够为了对电容器(4)充电而最多在所述DC/AC转换器(6)的切换的非激活相位期间与所述DC/AC转换器(6)同时工作。一种控制设备用于控制超声压电喷射器。

Description

电压脉冲序列生成器、对于超声压电喷射器的控制的应用
技术领域
本发明涉及电压脉冲序列生成器及其对于超声压电喷射器的应用。
背景技术
超声压电喷射器是可用在内燃机中的燃料喷射器。它按照例如专利FR99/14548中描述的原理工作。关于它的控制，它采取电偶极的形式并且需要跨越它的两个端子而施加的大幅度AC电压从而产生机械谐振并且因而在所述AC电压的整个实施时间内获得燃料喷射。
这种超声压电生成器需要控制电子设备，例如FR 04/13277中所描述的那些，其能够通过生成电压脉冲序列来控制它，脉冲序列开始于所述喷射器的内燃机的喷射阶段的起始并且结束于所述喷射阶段的终止。
参考图1，其示出了这种控制设备12的一个实施例。这个控制设备12包括电压脉冲序列生成器11和用于将所生成的脉冲序列切换至通过选择而确定的喷射器13的喷射器选择器14。电压脉冲序列生成器11包括电压源1、表示成DC/DC转换器3的直流/直流转换器、表示成DC/AC转换器6的直流/交流转换器、以及控制单元10。电压源1为DC/DC转换器3提供初始DC电压2。所述DC/DC转换器3能够为位于其输出端的电容器4充电至大于初始电压2的中间DC电压5。作为指示，如果从车辆电池/电网获得的初始电压2等于12V，则电容器4的中间电压5大约是250V。DC/AC转换器6从中间电压5被供电。按照使激活相位7和非激活相位8互相交替的切换原理来工作的DC/AC转换器6能够将中间电压5转变成最终的幅度进一步增大的AC电压9。如果中间电压5大约为250V，则最终电压或最终电压脉冲序列9的幅度可以到达1.2至1.8kv。喷射器13当收到所述最终AC电压9时进行喷射。该最终AC电压9是在喷射器13处于喷射阶段时被产生的。它然后例如通过停止对DC/AC转换器6在两个喷射阶段之间切换的引导而被中断。最终的电压因而采取用零电压相位分隔开的一连串电压脉冲序列的形式。控制单元10驱动转换器3、6以及特别是控制所述切换。
这种具有两个级联转换器3、6的电压脉冲序列生成器11的设计原理使得DC/DC转换器3和DC/AC转换器6的同时工作由于稳定性的原因而变得复杂。或者是DC/DC转换器3工作并对电容器4充电，或者是DC/AC转换器6工作并因而使得该电容器4放电。这对于喷射器控制应用而言是不利的，因为最终的AC信号或最终的电压脉冲序列9不需要被连续地产生，并且其中DC/AC转换器6不工作的非喷射阶段可以被开发成操作DC/DC转换器3以对电容器4重新充电。
然而，这种使得两个步骤互相交替的使用原理具有若干缺点，其中所述两个步骤分别是在喷射阶段之外对电容器4充电和在喷射阶段期间使电容器4放电。第一个缺点是与喷射阶段的持续时间有关的，该持续时间相对于整个周期的持续时间而言可以是500μs至5ms。DC/DC转换器3在整个该阶段期间被停用，而DC/AC转换器6消耗了电容器4的大量电能。这使得变大的中间电压5逐渐降低。已经变得很低的这个中间电压5可能需要大量时间来被重新充电，该时间在下一喷射阶段开始之前不一定够用。
第二个缺点与DC/AC转换器6的工作原理有关。如果对DC/AC转换器6供电的中间电压5变化太大，则该DC/AC转换器丧失其准确性并且不再保证最终的信号9的特性。
因此期望通过维持尽可能稳定的中间电压5从而能够在DC/AC转换器6的输出端尽可能准确地调制最终的电压脉冲序列9的幅度，来减轻这些缺点。
发明内容
本发明克服了上述各种缺陷，并且其目的是一种电压脉冲序列生成器，其包括提供初始DC电压的电压源，由初始电压供电并且能够将电容器充电至比该初始电压要大的中间DC电压的DC/DC转换器，以使激活相位和非激活相位互相交替的切换模式工作并能够将从所述电容器获得的中间电压转变成最终电压脉冲序列的DC/AC转换器，以及用于驱动所述转换器的控制单元。根据本发明的一个特征，所述DC/DC转换器能够为了对电容器充电而最多在所述DC/AC转换器的切换的非激活相位期间与该DC/AC转换器同时工作。
本发明的另一个目的是一种超声压电喷射器控制设备，其包括根据前述实施例之一的至少一个电压脉冲序列生成器。
本发明的另一个目的是一种用于使用这种超声压电喷射器控制设备的方法，包括在喷射阶段中的保持步骤，在该保持步骤期间，这两个转换器以相反相位工作，所述转换器之一最多在另一转换器的非激活相位期间处于激活相位，反之亦然，从而控制超声压电喷射器。
根据本发明的设备的一个优点是它使得DC/AC转换器的非激活相位能够被用来操作该DC/AC转换器并且因而更有规律地、以更长的时间对所述电容器再充电。
由于上述双相操作，可以观测到中间电压的某个余纹波(residual ripple)。然而，这个余纹波的幅度与所述电容器的值直接相关并且可以有利地通过增加该电容器的值而被减小。
根据本发明的设备的另一个优点是它使得DC/AC转换器由于稳定且有规律的中间电压而能够即刻调制跨越所述喷射器的各端子的电压，并且因而产生增强的驱动质量和精细度。
根据本发明的设备的另一个优点是大大减轻了所述电容器的压力。跨越电容器端子的电压波动越小，将该电容器再充电至期望的电压设定点所需要的能量就越少。电流浪涌(inrush)也因而变小。控制所述中间电压因而使之能够改进动态性并且减少电容器再充电时间。车载网络上所吸收的功率因而减小。DC/DC转换器级可以以提高的效率和更低的成本而被更好地设计其大小。上文已经指出，为了减少中间电压的余纹波需要较大的电容器值。然而，有利地，所述电容器不需要在rms电流方面被设计的过大。
附图说明
参考附图，通过阅读下面的详细描述，本发明的其他特征、细节和优点将变得更明显，其中：
-图1示出了处于其使用背景下的超声压电喷射器控制设备；
-图2示出了这种控制设备的一个特定实施例；
-图3示出了超声压电喷射器控制设备的使用时序图；
-图4示出了特定实施例的相同的时序图。
具体实施方式
已经结合现有技术描述的图1示出了根据本发明的包括电压脉冲序列生成器11的控制设备12，该电压脉冲序列生成器包括：提供初始DC电压2的电压源1，由初始电压2供电且能够将电容器4充电至比初始电压2大的中间DC电压5的DC/DC转换器3，以使激活相位7和非激活相位8交替进行的切换模式工作且能够将从电容器4获得的中间电压2转变成最终电压脉冲序列9的DC/AC转换器6，以及用于驱动转换器3、6的控制单元10。根据本发明，DC/DC转换器3能够为了对电容器4充电而最多在DC/AC转换器6的切换的非激活相位8期间与DC/AC转换器6同时工作。在实践中，按照切换原理工作的DC/AC转换器6将呈现出一连串激活相位7和非激活相位8。通过这一原理，DC/AC转换器6在激活相位7期间借助于晶体管而通过电感器使电容器4短路。然而，在非激活相位8期间，这个晶体管被阻塞。这个阻塞使之能够通过在整个或部分非激活相位8或最多在其完整持续时间内操作DC/DC转换器3，来对电容器4再充电。可以不使用某些非激活相位8。
当转换器从其源消耗能量时可以说该转换器是激活的。另一方面，当所存储的能量向下游传送时可以说转换器是无源的或非激活的。
来自FR 04/13277的图2示出了控制设备12的一个特定实施例。从左到右示出了脉冲生成器11/超声压电喷射器控制设备12的各个不同的级。电池E是电压源1。包括电感器L1、二极管D和耦合到二极管d1的开关ID1的部件集合与输出端的电容器C 4一起构成DC/DC转换器3，其也标识成ε1。包括电感器Lr和耦合到二极管d2的开关ID2的部件集合构成DC/AC转换器6，其也标识成ε2。这三个集合与未显示的控制单元10一起构成电压脉冲序列生成器11。功能开关ID1和ID2有利地是晶体管从而能够被控制。控制单元10的功能是控制这些晶体管，这提供了切换并且因而通过分别驱动开关ID1和ID2而实现了DC/DC和DC/AC功能。
生成器11还具有包括喷射器选择器14Si的第三级ε3。生成器11和选择器组件14构成控制设备12。每个选择器Si分别关联于一个喷射器13。因此，除给定喷射器13之外的所有选择器Si的打开致使由生成器11产生的电压脉冲序列9被发送至喷射器13并且控制喷射。
选择器14在具有生成器11和多个喷射器13的组件中也用作复用器。也可以通过使用关联于每个喷射器13的生成器11而取消选择器14。然而，这种安排不节约成本，并且被复用的组件是优选的。然而，这种被复用的组件具有这样的缺点，即减少了两次喷射之间的可用时间，喷射器13数目越多该时间就越少。为了对电容器4再充电，DC/DC转换器13在现有技术限制下只拥有喷射器13的喷射结束与下一喷射器的喷射开始之间的时间。在这里，本发明由于能够在DC/AC转换器6工作时对电容器4再充电而变得十分有利。
像DC/AC转换器6那样，DC/DC转换器3也可以以切换模式工作。这种转换器的一个例子在上文结合图2描述的组件中给出。由控制单元10控制的DC/DC转换器3的切换有利地以等于DC/AC转换器6的切换频率来执行，这两个转换器以相反相位工作，转换器之一(DC/DC或DC/AC)最多在另一转换器(DC/AC或DC/DC)的非激活相位8期间处于激活相位7。因此，DC/AC转换器的电路从不与DC/DC转换器的电路同时激活。根据图2的实施例，开关ID1和ID2从不同时关闭。每个转换器3、6的激活相位是交错的。
参考图3，其示出了生成器11/控制设备12的工作时序图。时序图底部示出了DC/AC转换器3随时间变化的行为，而顶部示出了DC/AC转换器6的行为。该图是周期性的，周期限于两次喷射开始时刻19之间。喷射阶段的持续时间通常是在0.5至5ms。在喷射开始时刻19，喷射阶段18开始，其结束于喷射结束时刻20，并且之后是再充电阶段17。
在喷射阶段18期间，实施保持阶段16。在这个保持阶段16期间，两个转换器3、6以相反相位操作，转换器之一3、6最多在另一转换器6、3的非激活相位8期间处于激活相位7，反之亦然。DC/AC转换器6以使得激活相位7和非激活相位8按照预定切换频率(例如等于45kHz)相互交替的切换模式来工作。占空比(duty cycle)例如是0.5。DC/DC转换器3利用DC/AC转换器6的非激活相位8来工作。在切换模式DC/DC转换器3的情况下，其自己的激活相位包含于DC/AC转换器6的非激活相位8中。因此，中间电压5在保持阶段16期间呈现出波纹：其在使电容器4放电的DC/AC转换器6激活相位7期间减小并且在DC/AC转换器6的非激活相位8期间增加，DC/DC转换器3对电容器4充电。中间电压5因而在该保持阶段期间基本上保持不变。
保持阶段16可以与喷射阶段18完全同时进行。可选地，对于FR04/13277中具体讨论的问题，为了调节瞬变现象，可以在喷射阶段18开始时有利地使激活相位15处于保持阶段16之前。在这个激活相位15期间，DC/DC转换器3保持为非激活，而DC/AC转换器6工作。在这个相位，中间电压5降低。这个激活相位15关于保持阶段16而维持较短并且通常持续20到200μs。
在喷射阶段18之后，有一个再充电阶段17，在该再充电阶段期间DC/DC转换器3工作以对电容器4再充电，而DC/AC转换器6不工作。这个阶段开始于喷射器13的喷射开始20并且结束于喷射序列中的下一喷射器13的喷射开始19。
在再充电阶段17，中间电压5按照配置文件(profile)21而增加，该配置文件取决于DC/DC转换器3的特性及其驱动。因此，在切换模式DC/DC转换器的情况下，控制单元可以改变若干DC/DC转换器3的特性。这与处于非激活的DC/AC转换器6无关，并且因而与喷射器13的谐振频率无关。控制单元10因而确定切换频率。典型的值是100kHz。为了获得DC/AC转换器在下一喷射周期开始时工作所必需的中间电压值5，控制单元10可以改变切换占空比，其通常是0至0.9。也可以改变工作时间。因此，如果电容器4在下一个喷射19开始之前被充分地再充电，则DC/DC转换器的驱动可以被停止。
参考图4，其示出了一个有利的实施例。图4的时序图指示了DC/AC转换器6和DC/DC转换器3的相对激活相位随时间的变化。因此，转换器之一3、6在相位22为激活而在相位23为非激活。另一转换器6、3是激活的24，该激活24有利地定位于第一转换器3、6的非激活相位23的末尾。

Claims (10)

1.一种电压脉冲序列生成器，包括：提供初始DC电压(2)的电压源(1)，由所述初始电压(2)供电且能够将电容器(4)充电至比该初始电压(2)更大的中间DC电压(5)的DC/DC转换器(3)，以使激活相位(7)和非激活相位(8)互相交替的切换模式工作且能够将从所述电容器(4)获得的所述中间电压(5)转变成最终电压脉冲序列(9)的DC/AC转换器(6)，以及用于驱动所述转换器(3、6)的控制单元(10)，其特征在于，所述DC/DC转换器(3)能够为了对所述电容器(4)充电而最多在所述DC/AC转换器(6)的切换的非激活相位(8)期间与所述DC/AC转换器(6)同时工作。
2.根据权利要求1所述的生成器，其中，所述DC/D C转换器(3)以切换模式工作，其切换频率等于所述DC/AC转换器(6)的切换频率，这两个转换器(3、6)以相反相位工作，所述转换器之一(3、6)最多在另一个转换器(6、3)的非激活相位(8)期间处于所述激活相位(7)，反之亦然。
3.一种超声压电喷射器控制设备，包括至少一个根据权利要求1和2之一所述的电压脉冲序列生成器(11)，所述最终电压脉冲序列(9)在喷射阶段控制至少一个超声压电喷射器(13)。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括喷射器选择器(14)，其用于将从所述电压脉冲序列生成器(11)获得的所述最终电压脉冲序列(9)发送至多个喷射器中的预定喷射器(13)。
5.根据权利要求3所述的设备，还包括关联于每个喷射器(13)的电压脉冲序列生成器(11)。
6.一种使用根据权利要求3至5中任一项所述的超声压电喷射器控制设备(12)的方法，包括在所述喷射阶段(18)中的保持步骤(16)，在该保持步骤期间两个转换器(3、6)以相反相位工作，所述转换器之一(3、6)最多在另一个转换器(6、3)的非激活相位(8)期间处于所述激活相位(7)，反之亦然，从而控制超声压电喷射器(13)。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述保持步骤(16)之前的、在所述喷射阶段(18)开始(19)时的激活步骤(15)，在该激活步骤期间，所述DC/DC转换器(3)不工作，而所述DC/AC转换器(6)工作以激活超声压电喷射器(13)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，还包括在所述保持步骤(16)之后的、在所述喷射阶段(18)之外的电容器(4)再充电步骤(17)，在该电容器再充电步骤期间，所述DC/DC转换器(3)工作以对所述电容器(4)再充电，而所述DC/AC转换器(6)不工作。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述DC/DC转换器(3)的切换呈现出占空比和/或工作时间，所述工作时间是可变的从而根据期望的中间电压(5)和在下一喷射阶段(18)之前可用的时间来改变再充电。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述转换器之一(3、6)在另一转换器(6、3)的非激活相位(23)结束时处于激活相位(24)，反之亦然。
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