JP2002520882A - 少なくとも１つの容量性アクチュエータを制御するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アクチュエータ（Ｐｎ）、特に内燃機関の圧電的に動作される燃料噴射弁が、内燃機関のランダムな反作用の補償のために、充電キャパシタ（Ｃ１）と充放電キャパシタ（Ｃ２）とから成る直列回路に印加される一定の目標電圧（Ｕｓ，Ｕｓｎ）まで充電され、充放電キャパシタ（Ｃ２）に所定の電圧値（Ｕ２，Ｕ２ｎ）まで放電される。これによりアクチュエータ（Ｐｎ）に残っている残留電荷はリミッタパス（ＢＰ）を介して充電キャパシタ（Ｃ１＞＞Ｃ２）に充電される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念に基づく、少なくとも１つの容量性アクチュエ
ータ、とりわけ内燃機関の燃料噴射弁のための圧電アクチュエータを制御するた
めの方法に関する。本発明はまたこの方法を実施するための装置に関する。

【０００２】 米国特許第５，６９１，５９２号から、少なくとも１つの圧電アクチュエータ
を制御するための装置が公知であり、電圧源を使用して目標電圧で充電される充
電キャパシタと充放電キャパシタとの直列回路から成るアクチュエータが、充電
されたのち充放電キャパシタに放電される。充放電キャパシタが所定の電圧に達
するとすぐに、アクチュエータの残留電荷がシャントレギュレータを使用して消
滅される。

【０００３】 ドイツ連邦共和国特許第１９６ ３２ ８３７ Ａ１号から、内燃機関の燃料
噴射弁のための少なくとも１つの圧電アクチュエータを制御するための方法及び
装置が公知であり、調節可能な電圧源を使用して目標電圧で充電される充電キャ
パシタと充放電キャパシタとの直列回路から成るアクチュエータが、充電された
のち充放電キャパシタに放電される。充電キャパシタは、続いて、充電キャパシ
タと充放電キャパシタとの直列回路での電圧が目標電圧と相応するように再充電
される。

【０００４】 ドイツ連邦共和国特許第１９６ ３２ ８７１ Ｃ２号から、内燃機関の燃料
噴射弁のための少なくとも１つの圧電アクチュエータを制御するための方法及び
装置が公知であり、調節可能な電圧源を使用して目標電圧で充電される充電キャ
パシタと充放電キャパシタとの直列回路から成るアクチュエータが、充電された
のち充電キャパシタと充放電キャパシタとから成る並列回路に放電される。充電
キャパシタは、続いて、充電キャパシタと充放電キャパシタから成る直列回路に
おける電圧が目標電圧と相応するように再充電される。

【０００５】 上述のうち最後の２つの方法は、内燃機関において、回路の所定の動作点に対
する定常的状態のときにのみ、アクチュエータの制御回路へのランダムな反作用
なしに機能する。このランダムな反作用は、内燃機関ないしは内燃機関によって
駆動される自動車のダイナミックな移行によって惹起される。ダイナミックな移
行とは例えば、 スタート時及びスイッチオフ時の回転数の変動、内燃機関のアイドリングから
の移行時及びアイドリングへの移行時の回転数の変動、 エンジンブレーキ動作から正常動作への移行、及びその逆の移行、 事前噴射から主噴射までの間隔の変動時、 ランダムな事後噴射の時、 充放電キャパシタに逆給電されるアクチュエータの電荷の変動時である。

【０００６】 このようなダイナミック移行の結果である反作用は、アクチュエータ容量、エ
ンジン回転数、燃料圧力等にも依存する充放電キャパシタにおける電圧に対して
再充電時に影響を与え、さらに充放電キャパシタにおける変化、特に充電エネル
ギーの増大及び充放電キャパシタに印加される電圧の付随的な増大をもたらす。

【０００７】 その結果、充電キャパシタにおける電圧も、これらダイナミック変化に追従す
ることができ且つ充電キャパシタ及び充放電キャパシタにおける総電圧をアクチ
ュエータの次の制御のために一定に保持するために変化しなければならない、と
りわけ低減されなければならない。しかし、これは必要とされるように迅速には
できない。電圧源の調節による充電キャパシタの電圧の低減は過度に時間が掛か
る。充電キャパシタの迅速な放電は、複数のスイッチの付加的使用及び高価な制
御ソフトウェアによってのみ達成される。複数のスイッチの付加的使用も同様に
付加的損失電力を結果的にもたらす。

【０００８】 したがって本発明の課題は、ダイナミック移行の際にアクチュエータが制御回
路へ及ぼす上記反作用を補償するように、公知の装置及び方法を改善することで
ある。

【０００９】 この課題は請求項１に記載の構成にしたがって、充放電キャパシタＣ２が充電
キャパシタＣ１より格段に小さく選定され（Ｃ２＜＜Ｃ１）、さらにアクチュエ
ータの放電の際に所定の電圧値までしか充電されず、それを越えるアクチュエー
タの残留電荷は充電キャパシタＣ１に導かれ、この充電キャパシタＣ１において
、前記残留電荷は、充電キャパシタと充放電キャパシタの容量関係Ｃ１＞＞Ｃ２
の結果として、些末な無視し得る程度の電圧変位しか発生させないことによって
解決される。このようにしてダイナミック移行の際の制御回路に対するアクチュ
エータの反作用が補償される。

【００１０】 この方法は、請求項５に記載された構成の装置によって実施される。本発明の
有利な実施形態は、従属請求項から知ることができる。

【００１１】 特に有利には、上記課題を解決するために、公知の回路を少数の構成素子で拡
張しさえすればよく、電圧源は定電圧源であればよい。

【００１２】 以下に概略的な図面を参照しつつ、本発明による装置の２つの実施例を記述し
、それに続いて本発明による方法を記述する。

【００１３】 図１は第１の実施例の回路を示し、 図２は第２の実施例の回路を示す。

【００１４】 図１は、本発明の第１の実施例を示す。この実施例では、圧電アクチュエータ
Ｐｎ（ｎ＝１…ｘ）を用いる内燃機関の詳しくはここには図示されていない燃料
噴射弁を制御回路ＳＴによって制御するための装置を示す。この制御回路ＳＴは
、詳しくはここには図示されていないマイクロプロセッサによって制御されたエ
ンジン制御装置の一部である。

【００１５】 定電圧源ＳＮＴ、有利にはスイッチング電源のプラス極＋ＳＮＴとマイナス極
ＧＮＤとの間に、このプラス極からの電流を導通させる第１のダイオードＤ１及
び充電キャパシタＣ１から成る直列回路が配置される。

【００１６】 充電キャパシタＣ１に並列に、充電スイッチＴａとこの充電スイッチＴａから
の電流を導通させる２つのダイオードＤ２及びＤ３とマイナス極に接続された放
電スイッチＴｂとから成る直列回路が配置されている。ダイオードＤ１…Ｄ３は
阻止ダイオードである。

【００１７】 ２つのダイオードＤ２とＤ３の結合点から、充放電キャパシタＣ２と充放電コ
イルＬと第１のアクチュエータＰ１と第１の選択スイッチＴ１とから成る直列回
路がマイナス極ＧＮＤへとつながる。

【００１８】 既に上で述べたように、Ｃ１＞＞Ｃ２となるよう選択されなければならない（
例えば、Ｃ１＝６８０μＦかつＣ２＝６．８μＦで、Ｃ１≒１００＊Ｃ２）。

【００１９】 他の燃料噴射弁のそれぞれについては、それぞれのアクチュエータＰｎ（ｎ＝
２…ｘ）とこのアクチュエータに割当てられる選択スイッチＴｎ（ｎ＝２…ｘ）
とから成る直列回路が、第１のアクチュエータＰ１と第１のパワーＭＯＳＦＥＴ
スイッチＴ１とから成る直列回路に並列に接続される。

【００２０】 アクチュエータと選択スイッチとから成る直列回路の並列回路に別のスイッチ
Ｔｃが並列接続されている。

【００２１】 この別のスイッチＴｃは、制御回路ＳＴによって制御される。この制御は、ア
クチュエータ電圧が所定の限界値を超えるか、内燃機関内で噴射弁の電力出力段
までに生じるエラーが識別され、容量性アクチュエータＰｎが短絡のように選択
スイッチＴ１からＴｘまでの阻止ダイオードを介して放電する場合に行われる。
この別のスイッチＴｃはまた、最初のアクチュエータ動作以前の放電キャパシタ
Ｃ２の充電のために、または２つの互いに時間的に離れたアクチュエータ動作の
間のこの放電キャパシタの再充電のために必要となる。

【００２２】 充放電キャパシタＣ２と充放電コイルＬの間の結合点Ｋから充電キャパシタＣ
１と充電スイッチＴａの間の結合点まで、リミッタパスＢＰが通じている。この
リミッタパスＢＰは、充電キャパシタＣ１の方向に電流を導通させる第４のダイ
オードＤ４とこの方向において阻止するツェナーダイオードＤＺとリミッタスイ
ッチＴｄとから成る直列回路から構成されている。このリミッタスイッチＴｄは
、この実施例では、放電スイッチＴｂと同期して導通制御及び非導通制御される
。リミッタパスＢＰのダイオードＤ４は、放電スイッチＴｂとリミッタスイッチ
Ｔｄが閉じられたとき、すなわち導通したとき、定電圧源ＳＮＴの短絡を防ぐ。
リミッタスイッチＴｄは、充電されたアクチュエータＰ１からＰｘがリミッタパ
スを介して充電キャパシタＣ１に放電されるのを防ぐ。ツェナーダイオードＤＺ
のツェナー電圧Ｕｚは、最小のエネルギー回復の際にも、電圧Ｕ２がこのツェナ
ーダイオードＤＺによって決定されるように選択されなければならない。

【００２３】 すべてのスイッチは制御回路ＳＴによって、ここには図示されていないエンジ
ン制御装置の制御信号ｓｔに依存して制御される。

【００２４】 選択スイッチＴｎ（ｎ＝１…ｘ）、放電スイッチＴｂ及び別のスイッチＴｃは
、この実施例では、Ｎ型パワーＭＯＳＦＥＴスイッチであり、通常はインバース
ダイオードを含む。充電スイッチＴａ及びリミッタスイッチＴｄは、この実施例
では、Ｐ型パワーＭＯＳＦＥＴスイッチとして構成される。

【００２５】 以下に、図１に示された装置を動作するための方法を説明する。この方法では
、充放電キャパシタＣ２は、アクチュエータの放電の際に所定の一定の値Ｕ２ま
でしか充電されてはならない。

【００２６】 スイッチ及びダイオードにおける電圧降下は、充電キャパシタ、充放電キャパ
シタ及びツェナーダイオードにおける電圧に較べて無視できる程小さいので、こ
れらの電圧降下は既に（充電キャパシタＣ１における）電圧Ｕ１、（充放電キャ
パシタＣ２における）電圧Ｕ２及び電圧Ｕｚ（ツェナーダイオードＤＺの降伏電
圧）に含まれている。

【００２７】 動作開始前の装置のスイッチオンにおいて、充電キャパシタＣ１はＵ１まで充
電され、放電キャパシタＣ２は放電され、環状コイルＬには電流が流れない。

【００２８】 アクチュエータの最初の動作前に既に、Ｃ１＋Ｃ２の直列回路に対して完全な
目標電圧Ｕｓが印加されなければならない。Ｕ１＝６０Ｖ、Ｕｚ＝２０Ｖと値を
仮定して、Ｕ２＝Ｕ１＋Ｕｚ＝８０Ｖとすると、この実施例では、 Ｕｓ＝Ｕ１＋Ｕ２＝２＊Ｕ１＋Ｕｚ＝１４０Ｖ となる。キャパシタＣ２もアクチュエータの最初の動作前に充電されるように、
先ず別のスイッチＴｃが導通制御される。これによりＣ１は、Ｃ２、Ｌ及びＴｃ
を介して放電される。そしてＴｃは再び非導通制御され、今度は放電スイッチＴ
ｂが導通制御される。これにより電流がＬ、Ｃ２、Ｔｂ及びこの別のスイッチＴ
ｃのインバースダイオードを通って逆方向に流れる。その結果、充放電キャパシ
タＣ２は充電され、さらに１つまたは複数の充電サイクル及び放電サイクルのの
ちに電圧Ｕ２がこの放電キャパシタＣ２に印加され、この電圧Ｕ２が電圧Ｕ１を
上昇させるようにこの放電キャパシタＣ２は極性付けられる。

【００２９】 制御信号ｓｔによってアクチュエータを動作させるため、充電スイッチＴａと
それに対応するアクチュエータ、例えばＰ１に割当てられた選択スイッチＴ１と
が導通制御される。電圧源ＳＮＴによって再充電されるキャパシタＣ１から、Ｔ
ａ、Ｄ２、Ｃ２、Ｌ、Ｐ１及びＴ１を介してＧＮＤへ電流が流れ、これによって
このアクチュエータが充電される。

【００３０】 続いてＴａ及びＴ１は非導通制御される。アクチュエータＰ１の充電状態は、
制御信号ｓｔが消滅した後で、放電スイッチＴｂとこの放電スイッチＴｂと同期
してリミッタスイッチＴｄが導通制御されるまで保持され続ける。放電スイッチ
Ｔｂの導通の際、すべてのアクチュエータＰｎはコイルＬを介して放電される。
この放電電流は先ず充放電キャパシタＣ２に流れ、そこで電圧Ｕ２が上昇する。
結合点Ｋで測定可能な電圧Ｕ２が値Ｕ１＋Ｕｚ＝８０Ｖを越えると、余分な電荷
はリミッタパスＢＰを介して充電キャパシタＣ１に蓄えられる。

【００３１】 アクチュエータの放電の際、充放電キャパシタＣ２が十分に充電されない場合
には、電圧源ＳＮＴは、Ｕ１＋Ｕ２＝Ｕｓとなるように充電キャパシタＣ１を再
充電することができるよう調節可能でなければならない。

【００３２】 充放電キャパシタＣ２の最初の充電の際にも、上述のように、余分な電荷はリ
ミッタパスを介して充電キャパシタＣ１に導かれる。このようにしてキャパシタ
Ｃ２はアクチュエータの最初の動作以前に電圧Ｕ２（この実施例では８０Ｖ）に
まで充電される。

【００３３】 １つのアクチュエータの制御過程の終了後、次のアクチュエータの制御過程が
同様に上述したように行われる。

【００３４】 Ｕｚ＝０Ｖとなるように選択すれば、ツェナーダイオードＤＺはリミッタパス
から除去することができ、損失出力を生じない。そしてＵ２＝Ｕ１となる。

【００３５】 アクチュエータＰ１からＰｘは互いに変化する、すなわち異なる容量を有する
が、内燃機関のダイナミック移行も同様に個々のシリンダに対し異なるランダム
な反作用を有し、それに応じてアクチュエータも異なるランダムな反作用を制御
回路に及ぼす。それ故、本発明の第２の実施例にしたがって、目標電圧Ｕｓｎが
、個々のアクチュエータＰｎに対してシリンダ選択的に予め設定される。

【００３６】 これは、充放電キャパシタＣ２が、アクチュエータＰｎ−１、例えばＰ１の放
電の際に電圧Ｕ２ｎまで充電され、この電圧Ｕ２ｎが電圧Ｕ１とともに次のアク
チュエータ、例えばＰ２のための充電電圧（目標電圧Ｕｓｎ）を形成することに
よって達成される。アクチュエータＰｎ−１の放電過程において、この場合には
、先ずスイッチＴｂが導通制御され、アクチュエータＰｎ−１が充放電キャパシ
タＣ２に放電され、ならびに、結合点Ｋとマイナス極ＧＮＤの間で降下する電圧
Ｕ２が測定される。これが、制御回路ＳＴで形成された、または図示されていな
いエンジン制御装置から制御回路ＳＴに供給された値Ｕ２ｎを越えると、リミッ
タスイッチＴｄが導通制御され、アクチュエータＰｎ−１の残留電荷は充電キャ
パシタＣ１に導かれ、これにより電圧Ｕ２＝Ｕ２ｎはそれ以上上昇しない。これ
によって充電キャパシタＣ１及び充放電キャパシタＣ２は、制御すべき次のアク
チュエータＰｎの総電圧Ｕｓｎ＝Ｕ１＋Ｕ２ｎまで充電される。

【００３７】 図２には、この方法を実施するための回路が示されている。この回路は実質的
に図１の回路と相応する。違いは以下の点にある。（第１の実施例においてＵｚ
＝０Ｖである場合と同様に）リミッタパスにはツェナーダイオードＤＺが含まれ
ず、電圧Ｕ２は放電スイッチＴｂが導通制御されるときには常に制御回路ＳＴに
供給され、そこで次のアクチュエータＰｎに割当てられた所定の値Ｕ２ｎと比較
され、Ｕ２が所定の値Ｕ２ｎに達するかまたはそれを越えると、スイッチＴｄが
上述したように導通制御される。

【００３８】 上述の方法及びこの方法を実施するための２つの装置は、すべてのシリンダに
共通して、またはシリンダ選択的に、ダイナミック移行の際の制御回路に対する
上述のアクチュエータの反作用を単純な方法で補償または除去することができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施例の回路を示す。

【図２】 第２の実施例の回路を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハルトムート ゲルケン ドイツ連邦共和国 ニッテンドルフ ヨー ゼフ−ゲラー−シュトラーセ １ (72)発明者 マルティン ヘッカー ドイツ連邦共和国 ライマーシュタット レーマーシュトラーセ ３ (72)発明者 リヒャルト ピルクル ドイツ連邦共和国 レーゲンスブルク ブ ルンフーバーシュトラーセ 27 (72)発明者 ギュンター リーデル ドイツ連邦共和国 ニュルンベルク シュ ヴァルツェンローアー シュトラーセ 16 Ｆターム(参考） 3G066 AA01 AB02 BA06 BA19 BA51 CC05U CD26 CE22 CE29 DA01 3G301 HA01 JA03 LC01 LC10 MA11 NB20

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの容量性アクチュエータ（Ｐｎ）を制御回路
   （ＳＴ）、とりわけ少なくとも１つの圧電的に動作される内燃機関の燃料噴射弁
   を使用して制御するための方法であって、前記アクチュエータ（Ｐｎ）は、充電
   キャパシタ（Ｃ１）及び充放電キャパシタ（Ｃ２）から成る直列回路に印加され
   る目標電圧（Ｕｓ＝Ｕ１＋Ｕ２；Ｕｓｎ＝Ｕ１＋Ｕ２ｎ）で充電され、続いて充
   放電キャパシタＣ２に放電され、該充放電キャパシタ（Ｃ２）はそれにより所定
   の電圧値（Ｕ２，Ｕ２ｎ）まで充電される形式の方法において、 前記充電キャパシタ（Ｃ１）の容量は、前記充放電キャパシタ（Ｃ２）の容量
   よりも格段に大きく、 前記充放電キャパシタ（Ｃ２）が所定の電圧値（Ｕ２，Ｕ２ｎ）に達すると、
   アクチュエータ（Ｐｎ−１）に残っている残留電荷は前記充電キャパシタ（Ｃ１
   ）に充電される、ただしここでｎ＝２…ｘであることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記所定の電圧値（Ｕ２，Ｕ２ｎ）は、この値まで充放電キ
   ャパシタ（Ｃ２）がアクチュエータ（Ｐｎ）の放電の際に充電される値であり、
   充電キャパシタ（Ｃ１）における電圧（Ｕ１）と充電キャパシタ（Ｃ１）に直列
   接続されるツェナーダイオード（ＤＺ）の降伏電圧（Ｕｚ）との合計Ｕ２＝Ｕ１
   ＋Ｕｚに相応する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記制御回路（ＳＴ）において、該制御回路（ＳＴ）で形成
   されるかまたは該制御回路（ＳＴ）に供給される、各アクチュエータ（Ｐｎ）の
   目標電圧（Ｕｓｎ）に対する値が設定され、 充放電キャパシタ（Ｃ２）は、既に制御されたアクチュエータ（Ｐｎ−１）の
   放電の際に、アクチュエータ（Ｐｎ）に割当てられた電圧まで、式Ｕ２ｎ＝Ｕｓ
   ｎ−Ｕ１にしたがって充電される、ただしここでｎ＝１…ｘである、請求項１ま
   たは２記載の方法。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項による方法を実施するための
   装置であって、 電圧源（ＳＮＴ）のプラス極（＋ＳＮＴ）とマイナス極（ＧＮＤ）の間に接続
   される充電キャパシタ（Ｃ１）と、 該充電キャパシタ（Ｃ１）に並列接続され、充電スイッチ（Ｔａ）とマイナス
   極に接続される放電スイッチ（Ｔｂ）とから成る直列回路と、 該放電スイッチ（Ｔｂ）に並列接続され、充放電キャパシタ（Ｃ２）、充放電
   コイル（Ｌ）、第１のアクチュエータ（Ｐ１）及び第１の選択スイッチ（Ｔ１）
   から成る直列回路と、 その他のアクチュエータ（Ｐｎ）のそれぞれに対して、第１のアクチュエータ
   （Ｐ１）及び第１の選択スイッチ（Ｔ１）に並列接続され、各アクチュエータ（
   Ｐｎ）とこのアクチュエータに割当てられる選択スイッチ（Ｔｎ）から成る直列
   回路と、 すべてのスイッチ（Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｄ，Ｔ１〜Ｔｘ）を制御する制御回路（Ｓ
   Ｔ）とを有し、ｎ＝２…ｘである装置において、 前記充電キャパシタ（Ｃ１）は前記充放電キャパシタ（Ｃ２）よりも格段に大
   きく選定され（Ｃ１＞＞Ｃ２）、 前記充放電キャパシタ（Ｃ２）と前記充放電コイル（Ｌ）の間の結合点（Ｋ）
   から前記充電キャパシタ（Ｃ１）と前記充電スイッチ（Ｔａ）の間の結合点まで
   リミッタパス（ＢＰ）が接続され、 該リミッタパス（ＢＰ）は、前記充電キャパシタ（Ｃ１）の方向に電流を導通
   させるダイオード（Ｄ４）とリミッタスイッチ（Ｔｄ）とから成る直列回路から
   成ることを特徴とする装置。
5. 【請求項５】 充放電キャパシタ（Ｃ２）が、アクチュエータ（Ｐｎ−１）
   の放電の際に、充電すべき次のアクチュエータ（Ｐｎ）に割当てられた電圧（Ｕ
   ２ｎ）まで充電されるとすぐに、リミッタスイッチ（Ｔｄ）が導通制御される、
   請求項４記載の装置。
6. 【請求項６】 ダイオード（Ｄ４）とリミッタスイッチ（Ｔｄ）の間のリミ
   ッタパス（ＢＰ）において、ツェナーダイオード（ＤＺ）が、結合点（Ｋ）から
   充電キャパシタ（Ｃ１）への阻止方向に配置される、請求項４記載の装置。
7. 【請求項７】 リミッタスイッチ（Ｔｄ）は放電スイッチ（Ｔｂ）と同期し
   て導通制御及び非導通制御される、請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】 電圧源（ＳＮＴ）の出力電圧が調節可能である、請求項４記
   載の装置。