JP2002535559A - 圧電素子インジェクションバルブを制御する装置 - Google Patents
圧電素子インジェクションバルブを制御する装置Info
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Abstract
Description
作動させる装置に関し,特に,内部混合物を用いる火花点火エンジンのためのも
のであって,圧電アクチュエータを所期の圧電電圧にそれぞれ充電および放電す
る充電および放電手段を有する装置に関する。
の方向,および特に微粒化の程度のような噴射ジェットの特徴がインジェクショ
ンバルブの開弁ストロークの間,規定通りに設定されるので,噴射工程の間,イ
ンジェクションバルブを規定通りに作動させることによって,燃料の消費および
汚染物質の放出を最適化することができる。特に,電気信号を実質的に遅延する
ことなく機械的な運動に変換できる圧電アクチュエータは,調節可能な開弁スト
ロークを備えたインジェクションバルブを駆動させるのに適している。この機械
的運動は,圧電アクチュエータに印加される高電圧を調節することによって偏向
および時間変化について正確に制御できる。このように,実質的に任意の望まし
い方法で構成された噴射,例えば,ドイツ特許第196 42 653号(C1)に開示され
ているように2種類の開弁設定の間で連続的に減少する開弁ストロークを備えた
噴射を実現できる。
チュエータを有するインジェクションバルブは,例えば,ドイツ特許出願公開公
報第195 48 526号(A1),および定期刊行物に掲載されたM. Rumphorpt著「Ein
neues elektronisches Hochdruck‐Einspritzsystero fur Dieselrootoren(デ
ィーゼルエンジンのための新しい電子高圧噴射装置)」MTZ Motortechnlsche Ze
itachrift(モータ技術定期刊行物)56(1995年)の3の142ページに
記述されている。ドイツ特許出願公開明細書第195 48 526号の装置では,圧電電
圧が印加されたときにバルブが開くが,前述の定期刊行物の装置では,電圧印加
によってバルブが閉じるようになっている。ここで,圧電アクチュエータの放電
工程は,このようにバルブの異なる開弁設定を得るために異なる電圧レベルで生
起させることができる。放電工程は,一定の放電電流により行われることが好ま
しい。
するインジェクションバルブを作動させる装置は,米国特許第5,130,598号に開
示されている。前記刊行物では,圧電アクチュエータを高圧電源に対して制御可
能に接続および切断するために,圧電アクチュエータに印加される電圧が,所期
の圧電電圧を表す基準電圧と比較される。比較器の出力信号は,エンジン作動パ
ラメータを考慮した電子制御装置の出力信号とともに使用され,圧電アクチュエ
ータ用の高圧電源の電力経路のゲート回路を作動させる。放電手段は,好ましく
は,最大所期圧電電圧に対応する高電圧を供給できる一方,放電手段の放電電位
はゼロ電位であることが好ましい。
よって閉じるインジェクションバルブの圧電ドライブを作動させる別の装置が開
示されている。基準電圧電位に対する圧電アクチュエータの放電タイミングを監
視することにより,圧電電圧,したがって開弁ストロークを特定範囲に連続して
設定することができる。
比較的低コストでかつ高信頼性を有して実現可能なインジェクションバルブを作
動させる装置を提供することにある。
項1に記載の装置では,電圧源は,異なる開弁設定を行うために直接切り換える
ことができる複数の異なる電圧レベルを供給する。その結果,制御に余分のコス
トを伴うことなく,複数の必要なバルブ設定を正確に行うことができる。
は放電電圧レベルを時間制御により印加する手段が設けられる。そのため,電圧
源は1つしか必要とされず,それにより,任意の所期の弁ストローク変化を実現
することができる。
よりも高くなるように選択され,および/または,放電電圧レベルは最小所期圧
電電圧よりも低くなるように選択される。これにより,最大または最小圧電電圧
レベルに素早く充電または放電することが可能となる。
チュエータに印加される電圧差を反転させることができる。これにより,2つの
異なる電圧だけを供給する電圧源を使用することができる。
および放電電流をそれぞれ設定するための電流制御手段を有し,制御される一定
の充電電流の値は,最大圧電電圧レベルにおける制御されていない最大充電電流
の値と等しくなるように選択される。これにより,損傷を与えないように圧電素
子を充電することができる。
クチュエータに印加される電圧,および/または,圧電アクチュエータのゼロ位
置を監視する監視手段と,時間制御される切換手段の制御時間を,監視手段の監
視情報に応じて定める時間設定手段と,を有する。これにより,電圧レベルを,
例えば,種々のインジェクションバルブの特性変動に応じて,また,バルブの経
年変化現象に応じて,適応させて調節することができる。
ョンバルブを作動させる装置である。この装置1は,端子3〜6で4種類の異な
る電圧レベルを提供できる高圧電源2を含んでいる。4種類の異なる電圧レベル
は,具体的には,端子3で0V,すなわち接地,端子4で50V,端子5で10
0V,および端子6で200Vの電圧レベルである。切換制御装置7により,端
子3〜6は,インジェクションバルブ(図示略)に割り当てられている圧電アク
チュエータ8に接続される。切換制御装置7は,信号線を介してエンジンコント
ローラ9に接続されている。エンジンコントローラ9は,圧電アクチュエータ8
によってインジェクションバルブで目標とされるべき特定の開弁設定の時間帯を
示す情報を切換制御装置7に供給する。そして,切換制御装置7は,このエンジ
ンコントローラの制御信号に基づいて,高圧電源2の端子3〜6の1つを圧電ア
クチュエータ8に接続する。多気筒内燃エンジンの複数のインジェクションバル
ブは,それぞれに対する1つの切換制御装置を介して高圧電源2の端子3〜6に
接続することができる。
トロークで実行されるインジェクションバルブの噴射工程の一例の時間変化を示
している。図2において,圧電アクチュエータ8の電圧の望ましい理想的なグラ
フが破線で示され,圧電アクチュエータ8において技術的に実現された実際の電
圧のグラフが,実線により時間の経過に応じて表わされている。0Vの電圧が圧
電アクチュエータ8に印加されている場合に,インジェクションバルブは,その
閉じた位置にある。まず,エンジンのシリンダ室に燃料を予備噴射するために,
切換制御装置7は,エンジンコントローラ9からの信号に基づいて,インジェク
ションバルブの中間開弁設定aに対応する+100Vの電圧レベルを,時間t1
の間,圧電アクチュエータ8に印加する。これにより,圧電アクチュエータ8は
,指数関数的な形状を有する充電曲線に沿って充電される。時間t1の経過後,
圧電アクチュエータ8は,エンジンコントローラ9による信号に基づいて,高圧
電源2の+200Vの端子6に接続される。その後,圧電アクチュエータ8は充
電し続け,インジェクションバルブは,時間t2の間,燃料最大流量の噴射が行
われる主噴射設定bまで主噴射ストロークで開く。その後,時間t3の間,最終
噴射設定cに向かうために,エンジンコントローラ9は,切換制御装置7によっ
て50Vの電圧レベルを圧電アクチュエータ8に印加させる。これにより,圧電
アクチュエータ8の電圧が指数関数的に降下する。続いて,端子3の印加電圧レ
ベルが“0V”であるので,インジェクションバルブは閉じ,したがって噴射工
程は終了し,その後,内燃エンジンの該当する気筒室内の燃料混合気が点火され
る。その後,インジェクションバルブは,エンジンコントローラ9が切換制御装
置7を作動することによって新しい動作サイクルの新しい噴射工程を始めるまで
,閉じた状態を維持する。
作動させる他の装置を示す。この装置は時間制御式切換制御装置11を有する。
この時間制御式切換制御装置11は,図1の例と異なり,2つの端子13,14
だけで−120Vまたは+320Vの電圧を供給できる高圧電源12に接続され
ている。図1の例のように,エンジン制御装置9が設けられ,このエンジン制御
装置9は,インジェクションバルブ用の特定の開弁設定を目標とする時間帯を示
す情報を切換制御装置11に信号線を介して供給する。圧電アクチュエータ8の
電圧の設定は,高圧電源12の端子14の充電電圧レベルまたは放電電圧レベル
13を,インジェクションバルブの目標開弁設定に必要となる正確な時間の間,
切換制御装置11によって圧電アクチュエータ8に,制御されたタイミングで印
加することによって行われる。これを行うために,切換制御装置11は,その内
部に記憶されている充電および放電曲線を使用して,圧電アクチュエータ8と高
圧電源12の端子13または14の一方との接続を確立する時間帯を,目標とさ
れるべき圧電アクチュエータ8の入力電圧に割り当てる。適切な充電および放電
曲線を切換制御装置11に記憶する代わりに,個々の開始条件によって,圧電ア
クチュエータ8の所期の電圧に必要な充電および放電時間を更新式で計算するこ
ともできる。
てほぼ直線的に圧電アクチュエータ8を充電するために,高圧電源の端子14の
陽極端子電圧+320Vは,圧電アクチュエータ8の最大必要電圧+200Vよ
り極めて高くなっている。負の放電電圧−120Vが圧電アクチュエータ8の最
小電圧0Vを極めて低くなっていることにより,圧電アクチュエータ8は,これ
に対応する直線形式で一定時間をかけて放電する。当該例では,最大圧電電圧の
1.57倍の充電電圧によって,個々の充電は,遅くとも,指数関数的な充電曲
線の時定数に対応する充電時間後に終了することとなる。同じことが放電にも該
当する。
8の電圧の時間変化の説明図である。図2に説明された工程の場合と同様に,一
例として,圧電アクチュエータ8が割り当てられたインジェクションバルブによ
って,3通りの開弁設定a,b,およびcが設定される。実線は,時間の経過に
伴う圧電アクチュエータ8の電圧である。圧電アクチュエータ8の理想的な電圧
変化が破線で示されている。図2と同様に,一点鎖線は,圧電アクチュエータ8
の最大電圧レベルを示し,さらに別の2種類の曲線L1,L2およびE1,E2
は,圧電アクチュエータ8が充電または放電端子13,14に接続され続けてい
る各場合において,圧電アクチュエータ8が受ける指数関数的な形状の充電およ
び放電曲線の時間変化を示している。
レベル+320Vが,切換制御装置11によって,図4に示す時間t* 1の間,印
加される。圧電アクチュエータ8は,充電曲線L1にしたがって充電され,イン
ジェクションバルブのバルブストロークを再び開始する。時間t* 1経過後,圧電
アクチュエータ8の電圧は100Vに上昇し,そして,所期の時間帯t1−t* 1
の間,圧電電圧をこの値に引き続き維持するために,充電工程は,制御されたタ
イミングで終了する。インジェクションバルブを主噴射位置bに変位させるため
に,再び,電圧レベル320Vが,時間帯t* 2の間,印加される。この時間帯t * 2 の電圧の印加は,充電曲線L2に従って圧電アクチュエータ8の電圧を200
Vに昇圧させるのに必要なものである。その後,所期の時間帯t2−t* 2の間,
圧電アクチュエータの電圧は,その電圧レベルに維持される。次に,時間帯t* 3 の間,高圧電源12の端子13に負の電圧レベル−120Vを印加することによ
り,放電曲線E1に従って狭められた開弁状態が設定される。この狭められた開
弁状態は,圧電アクチュエータ8によりインジェクションバルブを閉位置に変位
させる信号をエンジンコントローラ9が切換制御装置11に出力するまで,時間
帯t3−t* 3の間,維持される。閉位置への変位は,−120Vの電圧レベルを
放電曲線E2に従って,時間帯t* 4の間,印加することによって実行される。こ
のようにして噴射サイクルが終了する。その後,噴射サイクルは,エンジンコン
トローラ9による対応した制御の下,再び開始される。
5を示している。図3の例と同様に,圧電アクチュエータ8を充電するために,
高圧電源12が設けられ,この高圧電源12は,端子13,14により−120
Vまたは+320Vの電圧を供給できる。また同様にして,圧電アクチュエータ
8は,切換制御装置11によって高圧電源12に接続される。一方,図3の示す
実施形態とは異なり,切換制御装置11と圧電アクチュエータ8との間の信号線
には,定電流レギュレータ16が配置されている。この定電流レギュレータ16
は,常に一定の充電電流I0を圧電アクチュエータ8に送り出し,また,圧電ア
クチュエータ8から受け取り,時間上,充電または放電を同じ直線状に行う。ま
た,装置15には,圧電アクチュエータ8用のA/Dコンバータを備えた電圧監
視装置17が設けられている。この電圧監視装置17は,図3の例のように切換
制御装置11によって時間制御下で圧電アクチュエータ8に設定される電圧を監
視し,切換制御装置11に補正信号を供給する。電圧監視装置17により,例え
ば,経年変化または異なるバルブ間のパラメータの変動により圧電アクチュエー
タ8のキャパシタンスなどのインジェクションバルブの動作パラメータに変動が
ある場合に不正確となりうる充電および放電時間の計算を補正することができる
。
,主噴射ストロークでインジェクションバルブが開かれている主噴射設定bと,
噴射終了設定cとの間で,インジェクションバルブのストロークを制御するため
の,圧電アクチュエータ8の電圧の時間変化を示している。
は理想的な電圧変化を,それぞれ示している。図2および図4と同様に,一点鎖
線は圧電アクチュエータ8の最大電圧レベルを表す。また,2つの充電および放
電曲線L3,L4およびE3,E4は,定電圧調整を行わない各場合における充
電および放電電圧の時間変化を表す。インジェクションバルブを中間開位置aに
変位させるために,圧電アクチュエータ8は,時限t+ 1の間,時間制御の下,一
定の充電電流により充電される。この充電は,正の高電圧を供給できる高圧電源
12の端子14を介して行われる。時間帯t1経過後,エンジンコントローラ9
は,切換制御装置11に対して,インジェクションバルブを主噴射設定bにする
ように命じる。その後,圧電アクチュエータ8は,時間帯t2 +の間,必要な電圧
になるまで,一定の充電電流により,再び充電される。必要な電圧に達するとす
ぐに,区間aに示すように,充電工程が中止される。最終噴射設定cを行うため
に,圧電アクチュエータ8は,対応する方法で放電される。この放電電流は,負
電圧−120Vが印加されている高圧電源12の端子13へ流れる。時間間隔t 3 が経過した後,エンジンコントローラ9は,インジェクションバルブを閉位置
に変位させる信号を切換制御装置11に出力し,続いて,切換制御装置11は,
圧電アクチュエータ8を一定の放電電流で放電させる。このため,圧電アクチュ
エータ8は,再び時間間隔t+ 4の間,高圧電源12の負電位の端子13に接続さ
れる。このようにして噴射サイクルが終了し,噴射サイクルは,その後,エンジ
ンコントローラ9による対応する制御を受けて再び開始される。反応時間を短く
するために,一定の充電電流強度I0はできるだけ大きくなるように選択される
。この一定の充電電流強度は,制御されていない充電工程の場合の最大圧電電圧
における最大充電電流強度,すなわち,最大圧電電圧+220Vにおける充電曲
線L3に対して得られる充電電流強度に一致していることが好ましい。また,放
電電流強度は,同じ大きさとなるように選択されることが好ましい。
インジェクションバルブを作動させる装置18を示している。ここでは,圧電ア
クチュエータ8を充電するために,高圧電源12’が設けられている。この高圧
電源12’は,関連端子13’,14’において,アースを含む2種類の供給電
圧,具体的には0Vおよび+320Vの電圧のみを供給する。圧電アクチュエー
タ8は,2つの切換装置11a,11bにより構成される完全ブリッジを介して
高圧電源12’に接続されている。一方の切換装置11aと圧電アクチュエータ
8との間の信号線上には,定電流レギュレータ16が配置されている。この定電
流レギュレータ16は,圧電アクチュエータ8に一定の充電電流I0を流し,ま
たは,圧電アクチュエータ8から一定の放電電流I0を受け取り,これにより,
時間上,同じ直線状に充電または放電が行われる。また,圧電アクチュエータ8
用のA/Dコンバータを備えた電圧監視装置17’が設けられ,圧電アクチュエ
ータ8の前記電圧を監視する。上述したのと同様に,電圧監視装置17’によっ
て,例えば,経年変化または異なるバルブ間のパラメータの変動により圧電アク
チュエータ8のキャパシタンスなどのインジェクションバルブの動作パラメータ
に変動がある場合に不正確となりうる充電および放電時間の計算を補正すること
ができる。
れる中間の開弁設定aと,主噴射ストロークでインジェクションバルブが開かれ
ている主噴射設定bと,噴射終了設定cとの間で,インジェクションバルブのス
トロークを制御するための,圧電アクチュエータ8の電圧の時間変化を参照しな
がら,図7の装置の動作を説明している。
は理想的な電圧変化を,それぞれ示している。図2,図4,および図6と同様に
,一点鎖線は圧電アクチュエータ8の最大電圧レベルを表す。また,2つの充電
および放電曲線L3’,L4’およびE5,E6は,定電圧調整を行わない各場
合における充電および放電電圧の時間変化を表す。インジェクションバルブを中
間開位置aに変位させるために,圧電アクチュエータ8は,時間制御の下,時間
間隔t5の間,一定の充電電流により充電される。圧電アクチュエータ8の端子
は,切換装置11aによって高圧電源12’の端子14’に接続されている。こ
の端子14’には,正の高電圧+320Vが供給されている。圧電アクチュエー
タ8の他の端子は,切換制御装置11bによって0Vに接続されている。時間帯
t6経過後,エンジンコントローラ9’は,切換制御装置11a,11bに対し
て,インジェクションバルブを主噴射設定bにするように命じる。その後,圧電
アクチュエータ8は,時限t7の間,再び一定の充電電流により必要電圧まで充
電される。必要電圧に達するとすぐに,区間aに示すように,充電工程が中止さ
れる。
と逆の方法で,圧電アクチュエータ8の一方の端子は,特定の時間帯t8の間,
切換制御装置11bを介して+320Vに接続され,他方の端子は,切換制御装
置11bによってアースに接続される。その結果,充電工程とは逆の電位差が圧
電アクチュエータ8に印加される。時間間隔t9経過後,エンジンコントローラ
9’は,インジェクションバルブを閉設定に変位させる信号を切換制御装置11
a,11bに出力する。このために,圧電アクチュエータ8の一方の端子は,再
び切換制御装置11bによって320Vに接続され,他方の端子は,時間間隔t 9 の間,アースに接続される。その結果,圧電アクチュエータ8は,一定の放電
電流により完全に放電される。圧電アクチュエータ8が完全に放電した状態は,
電圧監視装置17’による電圧ゼロ交差検出によって検出される。このようにし
て噴射サイクルが終了する。その後,噴射サイクルは,エンジンコントローラ9
’による対応する制御を受けて再び開始される。反応時間を短くするために,一
定の充電電流強度I0はできるだけ大きくなるように選択される。この一定の充
電電流強度は,制御されていない充電工程の場合の最大圧電電圧における最大充
電電流強度,すなわち,最大圧電電圧+320Vにおける充電曲線L3’に対し
て得られる充電電流強度に一致していることが好ましい。また,放電電流強度は
,同じ大きさとなるように選択されることが好ましい。
,電位差は,圧電アクチュエータに対して一方または他方のいずれかの方向に印
加される。定電流調整により,非対称の充電および放電電圧にもかかわらず,対
称的な充電および放電工程が得られる。
ンジェクションバルブの信頼性の高いメンテナンスフリーの動作が可能となる。
当然のことながら,図3に示し装置に,対応する電圧監視装置を設けることも可
能であり,その結果,バルブ動作の長時間にわたる安定性が向上する。
態は,1つの開弁電源電圧レベルのみを必要とし,それにより急峻な立ち上がり
および立下りエッジを有する充電および放電工程を可能とし,任意の望ましいバ
ルブニードルストローク特性が実質的に実現される。また,定電流調整を行うこ
とにより,特に損傷を与えない圧電アクチュエータの充電および放電方法が提供
される。
装置のブロック図である。
別の装置のブロック図である。
更に別の装置のブロック図である。
更に別の装置のブロック図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 圧電アクチュエータ(8)によって起動可能であり,特に内
部混合物を用いる火花点火エンジンのためのインジェクションバルブを作動させ
る装置において, 前記圧電アクチュエータ(8)を所期の圧電電圧にそれぞれ充電および放電す
る充電および放電手段を有し, 前記充電および放電手段が,異なる開弁設定に対応する複数の電圧レベルを供
給する電圧源(2)と,前記複数の電圧レベル間の切り換えを行う切換手段(7
)と,を有することを特徴とする装置。 - 【請求項2】 圧電アクチュエータ(8)によって起動可能であり,特に内
部混合物を用いる火花点火エンジンのインジェクションバルブを作動させる装置
において, 前記圧電アクチュエータ(8)を所期の圧電電圧にそれぞれ充電および放電す
る充電および放電手段を有し, 前記充電および放電手段が,充電電圧レベルおよび放電電圧レベルを備えた電
圧源(12)と,前記圧電アクチュエータ(8)に対して前記充電電圧レベルま
たは前記放電電圧レベルを選択的に時間制御下で印加して,前記所期の圧電電圧
をそれぞれ設定する時間制御式切換手段(11,11a,11b)と,を有する
ことを特徴とする装置。 - 【請求項3】 請求項2において, 前記充電電圧レベルが最大所期圧電電圧よりも高いこと,および,前記放電電
圧レベルが最小所期圧電電圧よりも低いこと,の双方またはいずれか一方を特徴
とする装置。 - 【請求項4】 請求項2または3において, 前記時間制御式切換手段が,前記圧電アクチュエータ(8)の第1端子を前記
電圧源(12’)の2つの異なる電圧出力(13’,14’)の第1または第2
のいずれかに接続し,前記圧電アクチュエータの他方の端子を前記電圧源の他方
の電圧出力に接続する完全ブリッジ型切換機構(11a,11b)を有する,こ
とを特徴とする装置。 - 【請求項5】 請求項3または4において, 前記充電および放電手段が,一定の充電電流強度および一定の放電電流強度の
双方またはいずれか一方を設定する電流制御手段(16)を有し,該一定の電流
強度が,最大所期圧電電圧値における制御されていない最大充電電流強度に等し
くなるように選択されることを特徴とする装置。 - 【請求項6】 請求項2から5のいずれか1項において, 前記充電および放電手段は,前記圧電アクチュエータ(8)に印加される電圧
および前記圧電アクチュエータ(8)のゼロ位置の双方またはいずれか一方を監
視する監視手段(17)と,前記時間制御式切換手段の制御時間を前記監視手段
の監視情報に応じて定める時間設定手段と,を有することを特徴とする装置。
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