JP2004116520A - ピエゾアクチュエータを調整する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも２つのアクチュエータを調整する方法において、ピエゾアクチュエータを著しく高い精度で制御できるようにする。
【解決手段】各アクチュエータごとに特性量を求め、少なくとも２つのピエゾアクチュエータの特性量を目標値に合わせて調整する。
【選択図】図１

Description

　本発明は、少なくとも２つのピエゾアクチュエータを調整する方法に関する。EP 11 38 902から、少なくとも２つのピエゾアクチュエータを制御する方法および装置が知られている。そこでは複数のピエゾアクチュエータを制御するための終段について記載されている。これによればピエゾアクチュエータに加わる電圧が所定の時点で捕捉され、制御信号の形成に用いられる。

　この種のピエゾアクチュエータはたとえば、従来技術で示されているようにピエゾコモンレールインジェクタのために使用される。この種のピエゾコモンレールインジェクタの場合には、正確な燃料調量を達成するためにごく狭い許容範囲を遵守しなければならない。ここで重要となるのはピエゾアクチュエータとハイドロリック機構の共働である。一般にインジェクタ内部の個々の部品のダイナミック特性に関する情報は得られず、その理由はそれに相応しいセンサを使用できないか、そのためには非常に高いコストがかかることによる。たとえばピエゾセラミックスの老化などのような老化現象、温度の作用などのような周囲の影響は、たいていは事前に定義された特性マップにより補償される。このような補償によってもごく限られた範囲の精度しか得られない。
EP 11 38 902

　したがって本発明の課題は、ピエゾアクチュエータを著しく高い精度で制御できるようにすることにある。

　本発明によればこの課題は、各ピエゾアクチュエータごとに特性量を求め、少なくとも２つのピエゾアクチュエータの特性量を目標値に合わせて調整することにより解決される。

　ピエゾアクチュエータごとに特性量を求め、かつそれらのピエゾアクチュエータ特性量が目標値となるよう制御することによって、ピエゾアクチュエータを非常に高精度に制御することができる。したがってこの種のピエゾアクチュエータを燃料噴射に使用すれば、非常に精密な燃料調量が実現される。

　有利には、少なくとも２つのピエゾアクチュエータの特性量が１つの共通の目標値となるよう制御される。すべてのピエゾアクチュエータの特性量の平均値を目標値として利用すれば、非常に簡単に平均値が設定されることになる。

　有利にはピエゾアクチュエータの特性量は、ピエゾアクチュエータの制御に使用される電気的な量に基づき求められる。これらの電気的な量は簡単に捕捉可能であり、および／またはすでに存在している。したがって付加的なセンサは不要となる。

　特性量として有利には、電気的な量の経過特性中の側縁および／または極値および／または屈曲点が使われる。なぜならばこれらは噴射開始および／または噴射終了と非常に密な相関関係にあるからである。

　次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

　以下、本発明の動作を２つのピエゾアクチュエータの制御を例として説明する。なお、本発明による動作は２つのアクチュエータという個数に限定されるものではなく、いかなる個数のアクチュエータを使用してもよい。使用されるアクチュエータは有利には内燃機関の制御に用いられ、そこにおいて噴射燃料量の制御に適用される。

　制御ユニットには参照符号１００が付されている。この制御ユニットには種々のセンサ１０５の信号が供給される。これらの信号にはたとえば内燃機関の回転数Ｎ、要求トルクを表す信号および／または場合によってはその他の動作特性量や周囲条件を表す量が含まれる。

　制御ユニットは第１の終段１１０に信号を供給し、さらにこの第１の終段１１０は第１のアクチュエータ１１２に制御信号を供給する。さらに第１の電圧測定部１１４が設けられており、これによってアクチュエータのところに発生する電圧を表す信号Ｕが形成される。これらの構成要素１１０，１１４，１１２ならびにその機能は基本的に従来技術から公知である。

　信号Ｕは目標値形成部１１８ならびに第１の結合点１１５に到達する。結合点の出力信号は第１の調整部１１６に加えられ、これはさらに出力信号を制御ユニット１００へ供給する。

　同様に第２のアクチュエータ１２２のためにも第２の終段１２４ならびに第２の電圧測定部１２０が設けられている。第２の電圧測定部はやはり目標値形成部１１８と第２の結合点１２５に信号を供給する。結合点１２５の出力信号は第２の調整部１２６へ到達し、これはやはり制御信号１００へ出力信号を供給する。

　制御ユニット１００が捕捉する入力信号に基づきこのユニットはアクチュエータをオン制御およびオフ制御する時点を計算し、つまり制御ユニット１００はアクチュエータの充電が始まる時点とアクチュエータの放電が始まる時点を計算する。終段は上述の制御信号を、アクチュエータの放電または充電に用いられる種々のスイッチング手段へ供給される制御信号に変換する。精密な制御のため一般に、アクチュエータのところに生じる電圧Ｕが測定され、アクチュエータの制御信号形成に用いられる。

　さて、本発明によればこの電圧値が調整部へ供給されるように構成されている。これにより各アクチュエータごとに少なくとも１つの特性量が求められる。各アクチュエータごとの特性量は個々の調整部１１６，１２６によって目標値となるよう制御される。有利にはこの閉ループ制御は、すべてのアクチュエータの特性量が１つの共通の目標値となるよう行われ、つまりすべてのアクチュエータの特性量が等しくなるよう調節される。

　図１に示されている簡単な実施形態の場合、すべてのアクチュエータの特性量は目標値形成部１１８へ供給され、そこにおいてすべての特性量の共通の平均値が形成され、この平均値が目標値として個々の調整部へ供給されるように構成されている。この代案となる実施形態によれば、共通の目標値が制御ユニット１００によって設定されるように構成することもできる。

　調整部１１６および１２６の調整量に基づき制御ユニット１００は、実際値が目標値に近づくよう終段を制御する。択一的な実施形態によれば、調整部の出力信号が個々の終段へじかに供給され調整量の処理が終段で行われるよう調整部を構成することができる。

　本発明によれば、有利にはピエゾアクチュエータの制御に用いられそこで降下する電圧などのような信号に基づき、制御弁が開放される時点もしくは再び閉鎖される時点が識別されるように構成されている。このように構成することにより、噴射量を決定する弁の特性を監視し発生した偏差を補償する可能性が得られるようになる。これによればアクチュエータつまりは内燃機関が継続的に稼働させられていくなかで、老化の影響を補償できるようになる。このような老化作用によってたとえば、制御信号が同じでもアクチュエータの行程および／または力が時間の経過していくなかで小さくなってしまう。その結果としてアクチュエータや弁の特性が変わってしまうことで、インジェクタの耐用期間が経過していくにつれて噴射量が変化することになる。本発明によればこのような作用を、余分なセンサを設けることなく簡単に補償することができる。この場合、特性量を閉ループ制御することによってアクチュエータ、カプラおよび／または切換弁から成る接続体における許容範囲を格段に拡げることができ、その結果、コストが節約されることになる。

　この場合、ピエゾセラミックス自体がセンサとして利用され、これによって余計なコストが生じない。アクチュエータのところで動作継続中に発生する電圧信号を所定の特性量について評価することによって、切換弁がいつ特定の優先ポジションをとったのかをただちに検出することができ、つまりたとえばこの場合、切換弁がいつ開きいつ再び閉じたのかが求められる。殊に有利であるのは、弁特性の監視ひいてはその調整を可能にする直接的な測定量が得られることである。したがって老化や温度ドリフトのような作用を補償調整できるようになり、特性曲線を介して補償する必要がなくなる。

　通常、電気的にキャパシタンスとしてはたらくアクチュエータの充電フェーズにおいて給電が行われ、その結果として再び電圧が上昇することになる。ピエゾセラミックスの伸長は加わる電界にほぼ比例し、つまりは電圧にも比例する。このような制御によってアクチュエータが伸長する。この伸長を行程Ｈとも称する。通常の動作中、エネルギー的な理由から切換弁が最終位置に到達する前に電流が遮断される。弁つまりはアクチュエータは固有振動ならびにカプラに蓄積されている圧力エネルギーに起因してまださらに動くので、圧電効果に基づき電圧が減少する。これを電圧と時間のダイアグラムにおいて屈曲として識別することができる。電圧は弁が新たな最終位置に達するまで減少する。アクチュエータは弾性的に復帰しその振動が収まる前に、まだ短い区間にわたり進む。この短い区間に対し図３ｂにおいて参照符号デルタｈ_１が付されている。ここで弾性的な復帰とは運動方向の転換を意味し、このことは電圧特性曲線において最小値の形成として表される。この最小値は短い時間遅延を無視すれば、新たな最終位置への到達と直接的な関係にある。

　そこで本発明によれば、この最初の最小値が特性量として用いられる。弁が閉鎖されるときも同様のことが起こる可能性がある。第２のポジションでの保持フェーズ中、ピエゾアクチュエータに対する充電は一定のまま維持される。最後にアクチュエータは適切な放電電流によって放電させられる。その結果、電圧が低下する。これによりアクチュエータはどんどん収縮する。弁が再びはじめの最終位置まで移動すると、これにより電圧特性曲線において時間的なずれが生じる。このずれを特性量として用いることができる。これによって制御弁の閉鎖特性も設定された目標値に合わせて閉ループ制御することができる。本発明によれば、たとえばピエゾセラミックスなどが噴射量および／または噴射開始時点に及ぼす老化現象の作用を最低限に抑えることができる。

　図２には、本発明によるやり方がフローチャートとして例示されている。１番目のステップ２００において各ピエゾアクチュエータごとに電気的な量Ｕが測定される。有利にはピエゾ素子に加わる電圧が測定される。この電圧は一般にピエゾアクチュエータの制御に使用され、通常は制御ユニットおよび／または終段において得られるものである。２番目のステップ２１０においてこの電気的な量Ｕに基づき特性量Ａが求められる。特性量としてたとえば、電圧Ｕの最初の最小値の時間的な位置および／または立ち下がり縁における屈曲点が求められる。つまり信号の特徴的時点が求められる。

　次のステップ２２０において、個々の特性量について１つの共通の目標値Ｓからの偏差Ｄたとえば偏差の絶対値が求められる。この値Ｄによって、個々のアクチュエータの個々の特性量が共通の目標値からどの程度隔たっているかが表される。図１に示した本発明による構成の場合、共通の目標値としてすべての特性量の平均値が用いられる。択一的にそれとは異なる目標値を使用してもよい。

　続く問い合わせステップ２３０において、上述の偏差Ｄが閾値ＳＷよりも大きいか否かが調べられる。閾値ＳＷよりも大きくなければ、つまり個々の特性量が互いにまたは１つの共通の目標値からほとんど隔たっていなければ、プログラムはステップ２５０において終了する。閾値ＳＷよりも大きいのであれば、ステップ２４０において制御を補正するための補正値が求められる。制御を適切に補正する目的で、これが制御ユニット１００または終段によって使われる。

　図３には種々の信号が時間軸ｔにわたって書き込まれている。図３ａには２つのアクチュエータのところに加わる電圧Ｕが示されている。また、図３ｂには対応するインジェクタの行程Ｈが、図３ｃには切換弁の行程Ｖが、さらに図３ｄにはピエゾアクチュエータの充電もしくは放電に用いられる電流Ｉが、それぞれ時間ｔにわたり示されている。時点ｔ０においてインジェクタの充電過程が開始される。その結果、インジェクタにおける電圧が上昇する。他方、電圧がこのように上昇すると伸長が引き起こされ、つまりピエゾアクチュエータの行程Ｈに作用が及ぼされる。さらにこれによって切換弁の行程Ｖの上昇が引き起こされる。時点ｔ１においてピエゾアクチュエータの給電が終了する。時点ｔ２において切換弁が最終位置に到達する。時点ｔ１以降、電圧信号およびピエゾ行程量Ｈにおける行程の振動が現れ、これは様々な原因に起因するピエゾアクチュエータの振動によるものである。

　本発明によれば、第１の最小値は実質的に時点ｔ２と相関していると認識された。つまりすべてのアクチュエータにおいて第１の最小値が同じ時点で現れ、それらのアクチュエータにおいて、弁がその新たな最終位置に到達する時点ｔ２も同時に発生する。本発明によれば第１の最小値のこのような位置が特性量として用いられる。この特性量がたとえば燃料調量開始の調整に用いられる。

　時点ｔ３において、ピエゾアクチュエータを放電するための給電が開始される。時点ｔ４において、切換弁はもとの最終位置に戻り始める。時点ｔ５において切換弁はその出発位置に再び達する。この時点において電圧Ｕに対するハイドロリックな反作用に起因して、特徴的な信号経過特性が現れる。このような信号経過特性も識別され、特性量として用いられる。この特性量を用いることで、有利には噴射終了が決定され、ひいては噴射開始もしくは第１の特性量と関連させて噴射期間が決定される。

本発明による装置を示す図である。

本発明による方法を示す図である。

時間軸上に種々の信号を描いたダイアグラムである。

符号の説明

　１００　制御ユニット
　１０５　センサ
　１１０　第１の終段
　１１２　第１のアクチュエータ
　１１４，１２０　電圧測定部
　１１５，１２５　結合点
　１１６　第１の調整部
　１１８　目標値形成部
　１２２　第２のアクチュエータ
　１２４　第２の終段
　１２６　第２の調整部

Claims (7)

1. 　少なくとも２つのピエゾアクチュエータを調整する方法において、各ピエゾアクチュエータごとに特性量を求め、少なくとも２つのピエゾアクチュエータの特性量を目標値に合わせて調整することを特徴とする方法。
2. 　前記特性量を電気的な量に基づき求める、請求項１記載の方法。
3. 　前記電気的な量をピエゾアクチュエータの駆動制御に用いる、請求項２記載の方法。
4. 　前記電気的な量としてピエゾアクチュエータに加わる電圧を用いる、請求項２または３記載の方法。
5. 　前記特性量として、前記電気的な量の経過特性における側縁および／または極値および／または屈曲点を用いる、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 　前記目標値として複数の特性量の平均値を用いる、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 　少なくとも２つのピエゾアクチュエータを調整する装置において、各ピエゾアクチュエータごとに特性量が求められ、少なくとも２つのピエゾアクチュエータの特性量が目標値に合わせて調整されることを特徴とする装置。

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