JP2004504542A - 噴射弁を制御するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、噴射弁を制御するための方法であって、アクチュエータのための制御信号（Ｕａ）が振幅及び持続時間に関連して制御される形式のものに関する。この場合、アクチュエータが液圧式の連結部を介して切換弁を作動するようになっており、切換弁が低い電圧で弾道的な運転の状態にあり、流過通路（ＺＫ）への開放横断面を開放している。制御電圧（Ｕａ）の増大に伴って、開放横断面（８）が減少され、従って、噴射される燃料量が増大する。制御電圧（Ｕａ）の振幅及び時間の制御によって、切換弁（５）が弾道的な運転から非弾道的な運転に切り換えられる。吐出時間（ＦＤ）と制御電圧（Ｕａ）の振幅とが互いに調整されて、１つ若しくは複数のジャンプが行われ、これによって１つの電圧値（Ｕａ）から別の電圧値（Ｕａ）への切換及び１つの吐出時間から別の吐出時間（ＦＤ）への切換が行われる。本発明に基づく該方法は、直接噴射を行うポンプ・ノズルユニットに有利に用いられる。アクチュエータ（２）として有利には圧電素子が用いられる。

Description

【０００１】
本発明は、噴射弁（インジェクター）を制御するための方法に関し、該噴射弁は所定の燃料量を請求項１の上位概念に記載の形式で内燃機関のシリンダー内に噴射するものである。
【０００２】
内燃機関への燃料噴射の方法、特に直接噴射はすでに周知である。例えばポンプ・ノズルユニット（ＰＤＥ）においては、切換弁が磁気駆動式のアクチュエータを用いて、クロック制御の制御信号に基づき制御されて、所定の燃料量がノズルニードルを介してエンジンの燃焼室内に高圧噴射される。この場合に、可能な限り小さく制御された量の燃料を噴射するという問題がある。このような小さな量は、あらゆる運転状態にとって２ｍｍ^３までの大きさである。公知の磁気制御式のアクチュエータにおいては、前述の小さい量は特にエンジンの高い回転数で達成されておらず、それというのは切換弁が開かれた状態と閉じられた状態との間で著しく限定的な中間位置にしか調節され得ないからである。圧電・アクチュエータ（ピエゾ・アクチュエータ）は、流過通路内で切換弁及び該弁の弁座によって形成される一定な開放横断面を介してのみ噴射量を制御するものである。
【０００３】
発明の利点
前述の公知技術に対して、噴射弁を制御するための請求項１に記載の本発明に基づく方法では、燃料量の制御のためにアクチュエータの制御信号を該信号の強さ（Ｈｏｅｈｅ）並びに長さ（Ｄａｕｅｒ）に関して変化させるようになっている。これによって利点として、低い回転数及び小さい負荷の場合だけではなく、正確に調量された小さい燃料量が噴射できる。特に圧電式のアクチュエータにおいて、制御電圧の高さによっても、生じる制御信号の長さによっても、噴射すべき燃料量を達成して、エンジン付加及び回転数に関連して規定して噴射することができる。特に有利には、エンジン特性、エミッション特性及び走行特性の要素を含むパラメータが考慮される。
【０００４】
従属請求項に記載の手段によって、主請求項に記載の方法の有利な実施態様並びに改善が可能である。特に有利には制御信号がまず、切換弁を弾道的（バリステック［ｂａｌｌｉｓｔｉｃ］）な運転に保たれて、これによって流過通路のための開放横断面を開放するように選ばれる。噴射量を増大したい場合には、次の同じ吐出時間で単純に制御信号の振幅だけが増大され、その結果、流過通路のための開放横断面が狭められる。この段階では制御信号の時間が一定に保たれる。
【０００５】
噴射量のさらなる増大にとって有利には、切換弁が非弾道的な運転状態に制御される。これによって、非弾道的な運転への移行の後にも、噴射すべき燃料量のさらなる増大が可能である。
【０００６】
有利には吐出時間は、噴射すべき燃料量が、短い制御信号で閉じられた制御弁によって達成可能な量よりも大きくなるまで長く増大される。この場合には、良好なエンジン特性の達成のために吐出時間及び制御信号の振幅の少なくとも１つのジャンプが行われて、量規定の変更が行われる。
【０００７】
有利には、制御信号の最大の振幅がもっぱら１つのジャンプで選ばれる。噴射量のさらなる増大が、吐出時間の延長によって行われる。
【０００８】
別の実施例では複数のジャンプが行われ、この場合には制御電圧が段階的、即ち急激に増大され、各ジャンプ時に吐出時間が所定の噴射量に適合される。
【０００９】
制御信号が有利には、切換弁を弁座に接触させてかつ開放横断面を閉鎖する最大値まで増大される。従って制御信号のさらなる増大が、吐出量の増大をもたらすことはない。即ち、吐出量の増大は吐出時間の延長によって達成される。
【００１０】
前述の方法が、特に直接噴射式の機構において圧電式のアクチュエータを用いて有利に実施される。
【００１１】
次に本発明の実施例を図面に示して詳細に説明する。図１は、ポンプ・ノズルユニットを備えた噴射弁を示しており、図２は吐出時間及び電圧の関数としての噴射量の特性線の第１のダイヤグラムを示しており、図３ａ及び図３ｂは制御信号の特性線を示しており、図４ａ、図４ｂ及び図４ｃは制御信号の別の特性線を示しており、図５は噴射量・特性マップの制御信号の経過のジャンプ（急激な変化）のある特性線の第２のダイヤグラムを示しており、図６及び図７は制御信号のための別の特性線を示している。
【００１２】
実施例の説明
図１には噴射弁１の断面が示してあり、該噴射弁がポンプ・ノズルユニットを備えている。ポンプ・ノズルユニットにおいて、ポンプユニット６がポンプロッドＡによって操作されて、高圧通路内に高い噴射圧力Ｐ１を形成する。高圧通路内には、噴射すべき燃料が含まれていて、所定の圧力に際してノズルニードル３を介して内燃機関（図示せず）のシリンダー内に噴射される。このような噴射弁の機能はそれ自体公知であり、従って基本原理のみを説明する。中心的な部材として切換弁５を設けてあり、切換弁が高圧領域に配置してあり、弁座７に対する相対的な位置に関連して開放横断面８を規定しており、該開放横断面を介して多い若しくは少ない燃料が流過通路ＺＫ内へ流入するようになっており、流過通路が接続部Ｚと開放横断面８との間に形成されている。流過通路ＺＫ内に、相応の低圧（供給圧力ＰＯ）が作用している。切換弁５が液圧的な連結部４を介してアクチュエータ２によって操作されるようになっており、アクチュエータが端子＋及び−を介して制御電圧Ｕａを受け取る。アクチュエータ２は実質的に圧電素子から成っており、圧電素子が制御電圧Ｕａの経過に関連して長手方向膨張（長さ変化）を生ぜしめる。アクチュエータの長さ変化に応じて、液圧的な連結部４を介して切換弁５が運動させられて、いわゆる弾道的な運転時の任意の中間位置に達する。これに対して切換弁５が弁座７に当接すると、いわゆる非弾道的な運転が開放横断面＝０で生ぜしめられる。
【００１３】
本発明は、切換弁５を制御信号Ｕａの振幅及び制御時間の制御によって操作して、その結果、内燃機関の各運転状態で噴射すべき所望の燃料量を切換弁５の位置及び切換弁の１つの点での滞在時間によって達成するという技術思想に基づいている。この場合、制御信号Ｕａの最大値で、即ち最大の制御電圧Ｕ_ｍａｘで切換弁５が弁座７に堅く接触して、従って開放横断面＝０になるという認識から出発している。これによって燃料量が、クランク軸若しくはカム軸の回転角度によって規定され得る吐出時間（Ｆｏｅｒｄｅｒｄａｕｅｒ）ＦＤに関連して噴射される。別の実施例として、吐出時間が時間尺度で規定されてよい。弾道的な運転時には噴射量が、一定の噴射時間で測定して、減少しており、それというのは切換弁５の位置に応じて開放横断面８を介して多い若しくは少ない燃料が流過通路ＺＫ内へＺ方向で流過するからである。切換弁５の位置の最適な制御、並びに制御信号Ｕａの長さに関連した吐出時間ＦＤの最適な制御によって、噴射すべき燃料量が制御される。この場合に有利には、あらゆる運転状態若しくは排気ガス又は走行特性に対する要求が考慮され得る。
【００１４】
図２に、第１の実施例の制御経過の吐出／噴射量・特性線の第１のダイヤフラムが示してある。ｘ・軸に吐出時間ＦＤがプロットしてあり、ｙ・軸に噴射された燃料量Ｑがプロットしてある。この場合、吐出時間（吐出期間又は供給期間）がカム軸ＫＷの角度で示してある。
【００１５】
種々のカーブ（Ｋｕｒｖｅ）で吐出量Ｑへの影響が示してある。例えばカーブ（曲線）１が吐出量Ｑ＝０ｍｍ^３で始まっており、吐出時間がまず一定に値ｘ°ＫＷに保たれている。この場合、切換弁５が弾道的な運転の状態にあり、即ち開放横断面８がまず最大の値を有しており、即ち吐出量Ｑ＝０である。制御電圧Ｕａの増大に伴って、開放横断面８が小さくなり、その結果、吐出量Ｑがカーブ１に沿って増大して、まず屈曲点で最大値Ｑ２が達成される。この時点で切換弁５が弁座７に接触して、流過通路ＺＫを閉じている。噴射すべき燃料量Ｑのさらなる増大が、次いでカーブ１の直線的な区分に沿って吐出時間ＦＤの延長によってのみ可能である。カーブ４が吐出量Ｑ１で始まっていて、吐出時間ＦＤの増大に伴ってカーブ１若しくはカーブ２の右側の枝線（特性線区分）内へ移行する。この場合、Ｑ１がＵ_ｍａｘの際の吐出量であり、即ち切換弁５が弁座７に接触しており、開放横断面８が閉じられている（＝０）。この場合、Ｑ１が要求される最小の量よりも明らかに大きくなっている。同様のことが図５のＱ１にとっても当てはまる。
【００１６】
弾道的な運転において、切換弁５が例えば直線（Ｇｅｒａｄｅ）２及び３に沿って電圧Ｕ１若しくはＵ２に基づき所定の中間位置に保たれ、その結果、程度の差こそあれ多くの燃料が高圧通路から流過通路ＺＫ内へ流過できる。これに相応して、燃料量Ｑが生ぜしめられる。例えば制御電圧Ｕ１の直線２から明らかなように、吐出量が吐出時間ＦＤと共に直線的に増大している。直線３は、高い制御電圧Ｕ２では吐出量Ｑも増大されることを示しており、それというのは高い制御電圧によって開放横断面８が小さくなるからである。例えば弾道的な運転でカーブ２の左側の枝線にとって電圧Ｕ１が選ばれると、吐出量は吐出時間ｘ°ＫＷで値Ｑ３まで増大する。増大する制御電圧Ｕａ及び一定の吐出時間ＦＤに基づき、吐出量Ｑが垂直な部分特性線に沿って増大し、値Ｑ２が達成される。次いで再び吐出時間ＦＤが延長され、カーブ２が再びカーブ１と同様に延びる。該枝線内で再び非弾道的な運転が生じる。非弾道的な運転への移行が吐出量Ｑ２で行われ、該吐出量の値は特にアクチュエータタイプに関連している。
【００１７】
図３ａ及び図３ｂの制御信号Ｕａのための特性線が、電圧増大による弾道的な運転から非弾道的な運転への移行のための制御サイクルを示している。この場合図３ａに、図２のカーブ１のための制御経過が弾道的な領域で示してある。図３ａから明らかなように、制御電圧Ｕａが段階的に時点ｔ１まで増大されて、噴射のための燃料吐出が開始される。制御電圧Ｕａが図３ａに示すように破線のカーブに沿って変化されてよい。この場合、吐出時間ＦＤは一定に保たれる。遮断の後に制御電圧Ｕａが図示の線に沿って値０まで降下する。
【００１８】
図３ｂでは前述の実施例と異なり、最大電圧Ｕ_ｍａｘの達成と共に選択的に吐出時間ＦＤが増大され、その結果、破線で示す特性線（ｇｅｓｔｒｉｃｈｅｌｔｅ Ｋｅｎｎｌｉｎｉｅ）が形成される。このことは、図２のカーブ４の非弾道的な運転に当てはまる。
【００１９】
図４ａ乃至図４ｃが制御信号のための別の特性線を示している。例えば図４ａでは制御電圧Ｕａ＝Ｕ１の場合に切換弁５が弾道的な運転に保たれている。吐出時間が０°からｘ°ＫＷまで破線の特性線若しくは相応の時間に対応して延長される（図２のカーブ２の左側の枝線、特性線区分）。例えば吐出時間ＦＤが値ｘ°ＫＷに達すると、吐出量Ｑが図２のカーブ２の垂直な枝線（特性線区分）に沿って増大し、それというのは制御信号Ｕａが図４ｂに基づき増大されているからである。切換弁５がいまや最大値Ｕ_ｍａｘで堅く弁座７に接触している。図４ｃに基づきいまや吐出時間ＦＤが、破線のカーブから明らかなように延長される。これに相応して、吐出量Ｑが図２の右側の部分カーブ２に沿って変化する。図２の制御電圧Ｕａ＝Ｕ２にとって相応の特性が当てはまる。
【００２０】
図５乃至図７に別の実施例が示してあり、吐出時間ＦＤと電圧上昇との間の調整によって交差が避けられ、このために１回若しくは複数回のジャンプ（急激な上昇）が行われる。図５が、制御の際のジャンプを有する吐出量ダイヤグラムを示しており、この場合、ｘ・軸に吐出時間ＦＤがプロットしてあり、かつｙ・軸に吐出量Ｑがプロットしてある。カーブａが、１つのジャンプを有する非直線的なカーブ（ｎｉｃｈｔｌｉｎｅａｒｅ Ｋｕｒｖｅ）を示している。この場合、吐出時間ＦＤが例えば吐出時間ＦＤ＝０°から出発してまず（制御電圧Ｕ１で）カーブａに沿って増大し、吐出時間ＦＤ＝ｘ°が得られる。該位置で制御電圧Ｕａの振幅も吐出時間ＦＤも変化される。この場合、吐出される燃料量が一定に保たれる。例えば、電圧が最大値に移され、かつ吐出時間が値ｙ°に制限される。吐出量Ｑの増大は、吐出時間ＦＤを再び延長することによって別のカーブ（Ｋｕｒｖｅ）ａ１に沿ってしか可能でない。
【００２１】
本発明の別の実施例では１つのジャンプの代わりに複数のジャンプを設けることも可能である。このことは特性線ｂによって示してある。この場合、吐出時間ＦＤが値ｘ°とｚ°との間で切換られる。例えば吐出時間が電圧Ｕ１に基づき値ｘ°に達すると、制御電圧Ｕ２に上方切換され、かつ同時に吐出時間（Ｆｏｅｒｄｅｒｄａｕｅｒ）が値ｚ°に減少される。これによって再び吐出時間ＦＤが延長されて、新たに値ｘ°が達せられる。該時点で特性線ｂに沿って再び吐出時間ｚ°を有する次の高いジャンプＵ３への戻し切換が行われる。これによって再び吐出時間ＦＤが延長されて、値ｘ°が達成される。図示の実施例では、さらに特性線（Ｋｅｎｎｌｉｎｉｅ）ａ１に沿って戻し切換が行われる。該特性線ａ１は、選ばれたアクチュエータタイプにとって許容される最大の制御電圧Ｕ_ｍａｘに対応している。付言すると、ＦＤ及びＵａの切換若しくはジャンプはそれぞれ、吐出量Ｑの同じ点で行われる。ジャンプの回数は任意に選択可能である。小さな多くのジャンプが大きな少ないジャンプよりも誤差及びエンジン特性の改善をもたらす。
【００２２】
図６及び図７が、弾道的な運転に対する制御電圧Ｕ１のための相応の電圧経過を示している。図６に基づき制御電圧Ｕａが増大され、時点ｔ１で噴射開始が生じる。いま吐出時間ＦＤが、破線のカーブに示すように延長される。図７に示してあるように制御電圧Ｕａが最大値Ｕ_ｍａｘに達すると、非弾道的な運転が生ぜしめられ、この場合、破線に沿って吐出時間が延長される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ポンプ・ノズルユニットを備えた噴射弁の断面図。
【図２】
噴射量の特性線の第１のダイヤグラム。
【図３ａ】
制御信号の特性線を示す図。
【図３ｂ】
制御信号の特性線を示す図。
【図４ａ】
制御信号の別の特性線を示す図。
【図４ｂ】
制御信号の別の特性線を示す図。
【図４ｃ】
制御信号の別の特性線を示す図。
【図５】
噴射量のジャンプのある特性線の第２のダイヤグラム。
【図６】
制御信号のさらに別の特性線を示す図。
【図７】
制御信号のさらに別の特性線を示す図。
【符号の説明】
１　噴射弁、　３　ノズルニードル、　４　連結部、　５　切換弁、　６　ポンプユニット、　７　弁座、　８　開放横断面

Claims (11)

1. 噴射弁／インジェクター（１）を制御するための方法であって、所定の燃料量を内燃機関のシリンダー内に噴射するようになっており、この場合、噴射弁（１）が切換弁（５）を有しており、切換弁がアクチュエータ（２）によって制御されて、燃料余剰量のための流過通路（ＺＫ）を開閉するようになっている形式のものにおいて、燃料量の制御のためにアクチュエータ（２）の制御信号（Ｕａ）を該信号の強さ及び／長さに関して変化させることを特徴とする、噴射弁を制御するための方法。
2. 制御信号（Ｕａ）が小さい噴射量のために次のように低くなっており、即ち切換弁（５）が流過通路（ＺＫ）のための開放横断面（８）と協働して弾道的な運転に保たれかつ、増大する噴射量のために制御信号（Ｕａ）が高められて、流過通路（ＺＫ）のための開放横断面（８）が狭められる請求項１記載の方法。
3. 制御信号（Ｕａ）が、切換弁（５）を非弾道的な運転に移行させて流過通路（ＺＫ）を閉じるまで高める請求項２記載の方法。
4. 噴射すべき燃料量の増大のために、制御信号（Ｕａ）の長さ若しくは吐出時間（ＦＤ）が延長される請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 吐出時間（ＦＤ）が次のような長さに増大され、即ち、噴射された燃料量が、高い振幅の短い制御信号（Ｕａ）によって閉じられる制御弁（５）で達成可能な量よりも大きくなるようにする請求項４記載の方法。
6. 少なくとも１つのジャンプを行い、該ジャンプで吐出時間と制御信号（Ｕａ）の振幅を同時に変化させる請求項４又は５記載の方法。
7. １つのジャンプで制御信号（Ｕａ）の最大の振幅を選びかつ、噴射量の規定のために吐出時間（ＦＤ）を変化させる請求項６記載の方法。
8. 噴射すべき燃料量の電圧制御が複数のジャンプを伴って行われ、この場合、各ジャンプに際して吐出時間及び制御信号（Ｕａ）の振幅を変化させる前記請求項のいずれか１項記載の方法。
9. 制御信号（Ｕａ）の振幅及び吐出時間（ＦＤ）を、制御信号（Ｕａ）が最大値（Ｕ_ｍａｘ）に達するまで変化させる前記請求項のいずれか１項記載の方法。
10. さらなる燃料増大を吐出時間（ＦＤ）の増大によって行う請求項９記載の方法。
11. アクチュエータとして圧電素子（２）を用いる前記請求項のいずれか１項記載の方法。