JP2005501999A - 圧電駆動式燃料噴射バルブ - Google Patents

Abstract

本発明によれば、ピエゾアクチュエータに供給された電流とそこで形成された電圧を用いて非線形的アクチュエータモデルの支援下で、長手方向変化（ｓ）とアクチュエータによて実施される応力（Ｆ）が算出され、そこからの特性量ないしそれから導出された特性量（ｄＦ/ｄｔ）から、サーボバルブの開放時点（ｔA）と噴射期間（Ｄ）が求められる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１記載の圧電駆動式燃料噴射バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンにおける燃料噴射過程は、通常は複数のセクションにおいて実施される。この場合穏やかな燃焼経過の達成のために、各主噴射に対して１つまたは複数の予噴射ないし後噴射が割当てられ、それらの噴射のもとでは、主噴射量よりも少ない燃料量が噴射される。
【０００３】
燃料量、特に少量の燃料量の正確な調量と、噴射時期の最適化のためには、迅速に切換られる噴射バルブが必要とされる。このため圧電駆動式の噴射バルブが益々用いられる。
【０００４】
使用される圧電素子（スタック）の最大の縦方向変化が小さいために、圧電アクチュエータが、メインバルブを可動させる油圧式サーボバルブの操作を担っている。このピエゾアクチュエータの電気的な制御は、電子制御デバイスを用いて、所望の燃料量が噴射されるように行われている。
【０００５】
噴射バルブ内での燃料量若しくは機械的な移動量を把握することは不可能なので、少量の燃料量の噴射の際の電気的な制御信号は、確実な噴射が行われるように制御時間と振幅に関しての設計がなされる。
【０００６】
燃料管路内の圧力変動に対する安全確保のための、ワイドレンジな作動温度とシステムに対するパラメータ許容偏差が、結果的には、特に予噴射および後噴射のもとで燃料量の過調量に結びつく。それに対してこれまでは、ピエゾアクチュエータの通電電荷ないしエネルギーから圧電変位（ひずみ）が推定されていた。
【０００７】
ドイツ連邦共和国公開特許公報第196 44 521 A1 明細書からは、燃料噴射バルブの容量性調整部材の制御方法が公知である。ここでは一定のストロークを達成するために、このストロークに対応したエネルギ量が供給されている。
【０００８】
そこで本発明の課題は、燃料の予噴射、主噴射、後噴射が行われたか否かを監視することができ、かつ、それぞれの予噴射量、主噴射量、後噴射量をより正確に決定することが可能な方法を提供することである。
【０００９】
前記課題は、請求項１に記載された本発明によって解決される。
【００１０】
本発明による方法は、ピエゾアクチュエータにおいて生じた縦方向変化ないし応力を評価するための適応化方法と非線形のアクチュエータモデルの支援のもとで、ピエゾアクチュエータの制御過程の際に生じ、ピエゾアクチュエータへの通電電流とそこに形成された電圧の電気的信号から求められる、ピエゾアクチュエータの縦方向変化または応力の検出と評価に基づいている。
【００１１】
前記アクチュエータモデルは、電荷ないし電圧と機械的なひずみ並びに動作点に依存したパラメータの間の非線形の関係を含んでいる。さらにこのアクチュエータモデルは、ピエゾアクチュエータの誘電ヒステリシスも考慮する。それによりこのアクチュエータモデルは、電気量から機械量への推論を可能にし、パルス形態のひずみ領域における圧電アクチュエータのシミュレーションを可能にする。
【００１２】
これによって、噴射バルブの誤った噴射機能、噴射時間（量）もしくは正確な噴射機能、噴射時間（量）を確実に確定することができ、さらに、所望の少量の燃料噴射が過調量なしで行われるように適応的に制御信号を設計仕様することができる。
【００１３】
以下の明細書では本発明による実施例を図面に基づいて詳細に説明する。この場合図１は、制御過程のもとでのピエゾアクチュエータの縦方向変化を表わした図であり、図２には、ピエゾアクチュエータにおけるバルブの開放過程において、燃料噴射に影響を及ぼす応力Ｆのある場合とない場合およびそこから導出される特性量が表わされている。
【実施例】
【００１４】
図１には、燃料噴射バルブの制御過程のもとでのピエゾアクチュエータの基本的なピエゾストロークの経過、すなわち縦方向変化ｓの経過が時間ｔに亘って示されている。この縦方向変化ｓは、ピエゾアクチュエータに給電された電流とそこに形成される電圧の測定データ並びに当該ピエゾアクチュエータの特性をシミュレートしたアクチュエータモデルを用いて算出される。
【００１５】
特性曲線ｓ_１は、正確な噴射過程のもとでのピエゾアクチュエータの縦方向変化（ひずみ）ｓの開始からの基本的な経過（主なパターン）を表わしている。この曲線は、起動制御の開始時点０から上昇し、時点ｔ_Ａにおいて屈曲し、その後はそれが最大値に到達するまで急速に上昇し、そして再び下降している。この屈曲は、ピエゾアクチュエータがレール圧の応力に抗してサーボバルブ内で定着し、サーボバルブを開放する前のピエゾアクチュエータが遊びで戻ることに起因している。
【００１６】
波線で表わされている特性曲線ｓ_０は、特性曲線ｓ_１との違いを表わすべく、正確ではない噴射過程におけるピエゾアクチュエータの縦方向変化（ひずみ）の開始からの基本的な経過（主なパターン）を表わしている。この曲線は、屈曲部を有することなくフラットに上昇して最大値に到達し、その後で再び下降している。つまり遊びは、全く計測されない。ピエゾアクチュエータの縦方向ひずみの曲線上の最大値は、当該ピエゾアクチュエータに供給されるエネルギーに依存ししている。つまりこのエネルギーの絶対値が大きければ大きいほど縦方向ひずみｓも大きくなる。
【００１７】
サーボバルブの開放の開始は、特性曲線ｓ_１のほぼ時点ｔ_Ａに存する。このサーボバルブの開放は、それに続く噴射のための絶対的前提条件である。本来の噴射は、著しく遅れて生じる。なぜならサーボバルブの開放によってバルブチャンバ内の圧力が徐々に逃がされ、その後で始めて本来の噴射バルブが開かれるからである。遷移経過の中の屈曲部の存在は、サーボバルブを開放するのに十分なエネルギがピエゾアクチュエータに存在している徴候を表わすものである。
【００１８】
次にサーボバルブの開放時点ｔ_Ａを求めるための本発明による方法を以下に説明する。この時点ｔ_Ａは、例えばピエゾアクチュエータに供給されるエネルギＥとそれに反作用する燃料レール圧ｐ並びにアクチュエータ温度Ｔ等に伴って変化する。従ってこの時点は経験的に推定できる。
【００１９】
これらの関係を考慮した特性マップを介して、第１の時間窓Ｗ１（これは時点ｔ_１〜ｔ_２によって設定される）は、時点ｔ_Ａ[ｔ_Ａ＝ｆ(Ｅ，ｐ，Ｔ…)]の直前に定められ、第２の時間窓Ｗ２（これは時点ｔ_３〜ｔ_４によって設定される）は、時点ｔ_Ａの直後に定められる。
【００２０】
時点ｔ_１及びｔ_２の縦方向の変化によって第１の直線としてタンジェントＴ_１が定められ、時点ｔ_３及びｔ_４の縦方向の変化によって第２の直線としてタンジェントＴ_１′が定められる。これらの２つのタンジェントは、図１では太線で表わされており、簡単な三角関数計算を用いて求めることのできる時点ｔ_Ａにおいて交叉する。この時点ｔ_Ａは、サーボバルブの開放時点として評価される。しかしながら正確な噴射に対しては、タンジェントＴ_１′の方が横軸に対してタンジェントＴ_１よりも明らかに急峻な角度を有しているような縦方向変化ｓの経過のみが評価される。他の場合は噴射エラーが推任される。（Ｔ_０−Ｔ_０′）。
【００２１】
長期的には、摩耗現象等の発生に基づいて、前記時点ｔ_Ａの位置のずれが生じ得る。そのため、次のような手段が講じられている。すなわち特性マップに記憶されている、時間窓Ｗ１とＷ２を定める時点ｔ_１〜ｔ_４が、それぞれ先行する先の噴射過程において求められた時点ｔ_Ａにも依存させて記憶される、すなわち適応化される手段である。
【００２２】
噴射期間の算出は、所定の噴射開始を伴う補正された噴射が予め定めれらている場合にのみ行われる。
【００２３】
燃料噴射期間Ｄは、ピエゾアクチュエータにおいて作用する応力Ｆを用いて求められる。この応力Ｆは、縦方向変化ｓのように、電気的な信号（ピエゾアクチュエータに供給された電流とそこで形成された電圧からの信号）から、既に前述した非線形的アクチュエータモデルの支援のもとで求められる。
【００２４】
図２ａには、ピエゾアクチュエータに作用する応力Ｆ_１の基本的な経過が、通常の燃料噴射過程の場合と、誤った燃料噴射過程の場合（Ｆ_０、波線の曲線経過）とで表わされている。
【００２５】
応力Ｆは、制御過程の開始から上昇し、ほぼ時点ｔAにおいてその最大値に達している。その後はほぼ水平な経過で移行し（噴射エラーの生じているもとでは徐々に低下している）、遮断の際には、まず負への跳躍的変化があり、続いて正への跳躍的変化を得て再びゼロに近づく。
【００２６】
噴射期間Ｄの算出のためには、本発明によれば、応力Ｆの時間に関する一次導関数ｄＦ_１/ｄｔが用いられる。この応力Ｆの一次導関数ｄＦ_１/ｄｔの経過（図２ａ）は、図２ｂにも概略的に示されている。
【００２７】
正確な噴射過程のもとでは、この導関数ｄＦ_１/ｄｔは、応力Ｆ1は最も急峻に上昇するところでその最大値に達し、その後は負となる。応力が一旦低減して値ゼロ近傍で平坦な経過に達すると、応力Ｆ_１は水平に経過する。そしてその経過は、遮断される前に、まず負となりその後で正となって、続いてゼロになる。
【００２８】
誤った噴射過程のもとでは、導関数ｄＦ_０/ｄｔ（図２ｂ中波線で表わされている）は、より小さな最大値に達した後で引き続き負になり、それが遮断前に再びゼロとなる。
【００２９】
本発明によれば、前述した平坦な経過領域において、一次導関数の値に対する許容偏差帯域が、上方の値ｇ１（ｄＦ/ｄｔに対して正）と下方の値ｇ２（ｄＦ/ｄｔに対して負）で設定される。これらの両方の値は、図２ｂ中では波線で表わされている。またこれらの値は、図１中の時間窓Ｗ１およびＷ２のように、特性マップを介して、供給されたエネルギー、レール圧などに依存して変更され得る。
【００３０】
一次導関数ｄＦ_１/ｄｔ（時点ｔA後の）が、（図２ｂ中の時点ｔ_５〜ｔ_６間で定められている）当該の許容偏差帯域内に存在している限りは、燃料噴射は（これに対してはいずれにせよ時間のずれが生じる）、持続時間Ｄ（＝ｔ_５−ｔ_６）を有する。
【００３１】
予噴射、主噴射、後噴射に対して前述したような形式でピエゾアクチュエータの各制御毎に、正確な噴射または誤った噴射が行われているかどうか、噴射がいつ開始されそれがどのくらい続くか、が検出される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】制御過程のもとでのピエゾアクチュエータの縦方向変化を表わした図
【図２】ピエゾアクチュエータにおけるバルブの開放過程において、燃料噴射に影響を及ぼす応力Ｆのある場合とない場合およびそこから導出される特性量を表わした図

Claims (6)

1. 圧電駆動式燃料噴射バルブの制御のための方法であって、
   ピエゾアクチュエータと該アクチュエータに操作されるサーボバルブを用いて、サーボバルブの開放状態の識別と噴射期間（Ｄ）の決定がなされる形式の方法において、
   制御過程の際に、アクチュエータに供給される電流とそこに形成される電圧から、非線形のアクチュエータモデルの支援のもとで、縦方向変化（ｓ）の経過と、アクチュエータによって実施される応力（Ｆ）が算出され、これらの特性量若しくはこれらの特性量から導出される特性量（ｄＦ/ｄｔ）から、制御バルブの開放過程（ｔ_Ａ）が求められ、噴射期間（Ｄ）が定められるようにしたことを特徴とする方法。
2. 第１の時間窓（Ｗ１）と第２の時間窓（Ｗ２）が設けられ、
   第１の時間窓（Ｗ１）の開始時点（ｔ_１）と終了時点（ｔ2）における縦方向変化によって第１のタンジェント（Ｔ_１）を定め、
   第２の時間窓（Ｗ２）の開始時点（ｔ_３）と終了時点（ｔ_４）における縦方向変化から第２のタンジェント（Ｔ_１′）を定め、
   前記２つのタンジェント（Ｔ_１，Ｔ_１′）は、１つの時点（ｔ_Ａ）で交差する、請求項１記載の方法。
3. 前記時点（ｔ_Ａ）は、前記タンジェント（Ｔ_１′）が横軸に対して、タンジェント（Ｔ_１）よりも所定の急峻な角度を有している場合には、サーボバルブの開放時点として評価され、それ以外の場合（Ｔ_０，Ｔ_０′）には噴射エラーが検出される、請求項２記載の方法。
4. サーボバルブの開放時点として評価される時点（ｔ_Ａ）において、応力（Ｆ）の時間的な一次導関数（ｄＦ_１/ｄｔ）に対して、上方の限界値（ｇ１）と下方の限界値（ｇ２）の間で許容偏差帯域が定められ、前記時点（ｔ_Ａ）後に一次導関数（ｄＦ_１/ｄｔ）の値が当該許容偏差帯域内で変動している期間（ｔ_５〜ｔ_６）を、噴射期間（Ｄ）として評価する、請求項１記載の方法。
5. ２つの時間窓（Ｗ１，Ｗ２）を定める時点（ｔ1〜ｔ4）若しくは許容偏差帯域の限界値（ｇ１，ｇ２）は、少なくとも、ピエゾアクチュエータに供給されるエネルギー、燃料レール圧、又はアクチュエータ温度に対応付けられる時点として特性マップに記憶されている、請求項２または４記載の方法。
6. 特性マップ内に記憶されている、時間窓（Ｗ１，Ｗ２）を定める時点（ｔ_１〜ｔ_４）は、それぞれ先行する先の噴射過程において求められた時点（ｔ_Ａ）にも依存して適応化される、請求項５記載の方法。