JP2006522574A - ピエゾアクチュエータを有している燃料噴射装置の診断方法 - Google Patents

Abstract

本発明の方法は、燃料噴射装置（２２）の診断に用いられる。この装置にはバルブ要素を操作するピエゾアクチュエータ（２６）が含まれている。ここでは、燃料噴射装置（２２）が診断機器（３４）に接続されており、この診断機器（３４）によってピエゾアクチュエータ（２６）に所定の電圧が印加され、さらに診断機器（３４）によってピエゾアクチュエータ（２６）に導入される電荷が求められ、さらにそこからピエゾアクチュエータ（２６）のキャパシタンスが求められる。

Description

本発明は、バルブ要素の操作のためのピエゾアクチュエータを有している燃料噴射装置の診断方法に関している。

背景技術
特に燃料直噴方式の内燃機関のもとでは、そのバルブ要素が電磁的に操作されるのではなく、少なくともピエゾアクチュエータの長さ変化によって直接操作される燃料噴射装置が用いられている。このピエゾアクチュエータの利点は、その非常に短いスイッチング時間と非常に精度の高いストローク調整が可能な点にある。この種の燃料噴射装置の適用によって、燃料を非常に正確に内燃機関の燃焼室内にもたらすことができる。このことは良好な排ガス特性と低燃費にも寄与している。

そのため内燃機関の機能に対しては、ピエゾアクチュエータの正確な機能が中心的な役割を果たし、このことはピエゾアクチュエータの正確な機能の監視も必要とされる。例えば内燃機関の動作中に、関与しているピエゾアクチュエータのキャパシタンスを繰り返し確定することは公知である。所定の期間内でキャパシタンスの大きな変化が確定された場合には、このことは、例えばピエゾアクチュエータの損傷を示唆する。このような場合には、相応の燃料噴射装置から燃料をもはや所要の精度で内燃機関の燃焼室内へもたらすことができなくなる。

燃料噴射装置が開放された位置にブロックされている場合にも把握される。そのようなケースでは、場合によっては内燃機関の強制的な停止が求められる。誤機能が識別された場合には、エラーログがエラーメモリに記録される。この記録されたエラーデータは、修理工場において相応の診断機器から読み出すことが可能である。これによりメカニックは、発生したエラーの場所とその形態についての示唆を得ることができる。

本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の方法において、さらに次のような改善を行うことである。すなわち、燃料噴射装置の診断が“現場（Feld)”においても、つまり工場から離れた所や相応の装備を積んだ工場側からの派遣車両において可能となるように改善を行うことである。

この課題は冒頭に述べた形式の本発明による方法において、燃料噴射装置が診断機器と直接接続され、この診断機器によってピエゾアクチュエータに所定の電圧が印加され、当該診断機器によってピエゾアクチュエータ内に導入された電荷とそこからのピエゾアクチュエータのキャパシタンスを求めるようにして解決される。

発明の利点
本発明による方法のもとでは必ずしもエラーメモリにアクセスしなければならない必要はない。その代わり、内燃機関の停止状態において燃料噴射装置が相応の診断機器と直接接続され、この診断機器は所定の及び予め定められた電荷量をピエゾアクチュエータにもたらすことを試みる。実際にもたらされた電荷量からは、簡単な形式でピエゾアクチュエータの実際のキャパシタンスを求めることが可能である。これはピエゾアクチュエータの目下の機能状態に対する尺度となる。電荷は、例えば実際に流れる電流に基づいて求められ得る。

ピエゾアクチュエータの目下のキャパシタンスについての情報があれば、当該ピエゾアクチュエータが発生した障害に対する起因となり得るのかどうかについての判断が容易にできる。その場合にピエゾアクチュエータは、状態検査に対して必ずしも内燃機関から外さなければならないわけではない。このことは診断の実施に対する時間の短縮につながる。

既に前述したように、データの交換が実施されるのではなく、ピエゾアクチュエータの目下の特徴的な電気的特性値のみを検査すればよいので、診断機器は非常に簡単にかつ小型に構成できる。そのためあらゆるところで、もちろん工場の敷地外でも、あるいは工場側の特殊車両の牽引なしでも、適用することが可能である。場合によっては自動車においてそのような診断機器を既存の工具セットに統合させて装備させることも考えられる。その他にもそのような方法を用いることによって、燃料噴射装置を内燃機関に組み込む前の初期チェックが実施されてもよい。

本発明の別の有利な改善例は従属請求項に記載されている。

まず最初に診断機器はキャパシタンスの経過特性を求めることを試みる。キャパシタンスの経過特性は、印加された電圧と電流の既知の経過のもとで、キャパシタンスの唯一の絶対値よりもさらに内容の豊富な、ピエゾアクチュエータの機能状態に関する情報である。ピエゾアクチュエータの機能性は、このようにしてさらに良好に求められ得る。

さらに有利には、診断機器は、求められたキャパシタンスないしは求められたキャパシタンスの経過特性を、少なくとも１つの基準キャパシタンスないしは基準経過特性と比較し、その比較結果に依存して１つの信号が生成される。この改善例のもとではユーザーから結果の解釈も委ねられる。この比較によって診断機器は、同時に診断結果も入手できる。

別の有利な改善例によれば、複数の信号をベースにして、表示が少なくとも二色のカラーで駆動され、それによって、求められたキャパシタンスないしはその経過が基準キャパシタンスないし基準経過特性についての許容範囲内にあるのかどうかが示される。最も簡単なケースでは、２つのカラーが用いられ、診断機器は、検査したピエゾアクチュエータないしは検査した燃料噴射装置が正常であるのか若しくはエラーが存在しているのかを容易に識別し得る光学的示唆を与える。本発明による方法の使い勝手は、このようにして単純化され、診断が加速される。

特に有利には診断の間に印加される電圧が少なくとも燃料噴射装置の通常の動作中に起こるような経過に相応する。これに対する典型的な例では、診断機器がピエゾアクチュエータに、線形的に上昇し、一定に経過し再び線形的に下降する経過区分を有する電圧を印加する。このようにすれば、診断機器は、内燃機関が停止しているにもかかわらず、実際的な作動状況をシミュレートすることができる。

本発明は、前述したような診断方法を実施するための装置にも関している。この装置をできるだけ小さな構造にしかつ安価に製造できるようにするために、本発明によれば、この装置がコンデンサ充電回路を有しており、該充電回路は、ピエゾアクチュエータの駆動制御に必要なエネルギを提供する。

ピエゾアクチュエータの駆動制御のためには、高い電圧と比較的高い電流が必要になる。ピエゾアクチュエータの状態診断のために、必ずしも連続的に繰り返されるピエゾアクチュエータの駆動制御が必要になるわけではなく、所定の期間内の一度の駆動制御で十分であるので、コンデンサ充電回路は、ピエゾアクチュエータの駆動制御に必要なエネルギを提供するのに簡単で省スペース的でかつ安価な手段として提供され得る。コンデンサ充電回路のコンデンサの充電のためのエネルギは、例えば自動車のケースでは１２Ｖの自動車用バッテリから供給され、その他にも２３０Ｖ（１１０Ｖ）の商用電源、若しくは例えば光起電力装置から供給され得る。

その際特に有利には、コンデンサ充電回路は、フラッシュ機器等に使用されている市販の電気回路であってもよい。そのようなケースでは、当該装置は特に安価となる。

その場合にも特に有利には、当該装置が遮蔽された構成ユニットを形成する。このことは、エネルギ給電部、信号処理部、光学的若しくは音響的表示部、評価回路などが１つのコンパクトなケーシング内に配設されることを意味する。このことはさらに取り扱いの容易さに寄与するものとなる。

本発明による装置の利用は次のことによって達成される。すなわち燃料噴射装置又は内燃機関における接続装置に対して相補的な接続装置を含むことによって達成される。本発明による装置の使用に対しては、例えば車両側のプラグを燃料噴射装置から引き抜き、代わりに本発明による診断装置のプラグを燃料噴射装置に接続させるだけで十分である。

また有利には、当該診断装置はパーソナルコンピュータの端子に対応するインターフェースを有する。これにより必要に応じてパーソナルコンピュータにプログラミングされているさらなる自動検査が本発明による装置を用いて実施可能となる。診断結果の評価もこのようにさらに細分化して行われてもよい。パーソナルコンピュータとしては有利にはモバイルタイプやノートブックタイプのＰＣが適用され得る。

図面
以下の明細書では本発明の特に有利な実施例を関連する図面に基づいて詳細に説明する。これらの図面のうち、
図１は、ピエゾアクチュエータを備えた燃料噴射雄値を有する内燃機関と診断機器を概略的に示した図であり、
図２は、図中のピエゾアクチュエータに印加される電圧と電流を時間軸に亘って表したダイヤグラムであり、
図３は、図１の診断機器の電気的なブロック回路図を概略的に表した図である。

実施例
図１では、内燃機関が全体的に符号１０で表されている。この内燃機関１０は、図１中に当該内燃機関と同じように一点鎖線のみで表された自動車１２の駆動に用いられている。内燃機関１０には燃料システム１４が所属している。この燃料システム１４は、燃料タンク１６を含んでおり、この燃料タンクから吐出装置１８が燃料を燃料蓄積管２０に供給している。この燃料蓄積管２０は“コモンレール”とも称され、その中では燃料が高圧のもとで蓄積されている。

燃料蓄積管２０には複数の燃料噴射装置２２が接続されている。これらの燃料噴射装置２２は、それぞれに割当てられている燃焼室２４内へ直接、燃料を噴射している。分りやすく表示するために図では唯１つの燃料噴射装置２２と燃料室２４が示されている。この燃料噴射装置２２は、図中には表されていないバルブ要素を含んでおり、該バルブ要素は、位置に応じて燃料吐出開口部（図示せず）を開放し、それによって燃料が燃料噴射装置２２から燃焼室２４内へ到達し得る。バルブ要素の位置は、ピエゾアクチュエータ２６の目下の長さに影響を受ける。これは、自身にもたらされる電荷に依存する。これについてはピエゾアクチュエータ２６は、燃料噴射装置２２に設けられたソケット２７とプラグ２９を介して開ループ／閉ループ制御装置２８に接続される。

内燃機関の作動に対しては、ピエゾアクチュエータ２６の正確な機能が重要である。ピエゾアクチュエータ２６が正確に機能した場合にだけ、燃料噴射装置２２から所望の量の燃料が燃焼室２４内へ噴射される。それ故に内燃機関１０の排ガス特性と燃費は、ピエゾアクチュエータ２６の機能にも依存している。

ピエゾアクチュエータ２６の機能は、内燃機関１０の作動中は開ループ／閉ループ制御装置２８によって繰り返し監視されている。エラーの場合には、ログが開ループ／調整装置２８のエラーメモリに書き込まれるか、及び／又は内燃機関１０が緊急時モードに切り替えられるか若しくは完全に停止される。エラーメモリへのログの記録は、例えば工場において若しくは移動サービス車両において開ループ／調整装置２８に接続された診断機器によって読み出される。しかしながらそのような診断機器は、大型で重くそのため移動性に欠ける。その上さらに複雑な電子回路に基づいて比較的高価でもある。

工場から若しくは移動車両から遠く離れた燃料噴射装置２２及び特にピエゾアクチュエータ２６の状態診断を実施できるようにするために、当該燃料噴射装置２２は、ピエゾアクチュエータ２６に直接接続されたソケット３０を有しており、このソケット３０には小型の携帯型診断機器３４のプラグ３２が差し込める。このプラグ３２は、ケーブル３６を介して接続される。図示されていない別の実施例においては、別個のソケット３０が省かれる。その代わりに開ループ／調整装置２８をソケット２７に接続させているプラグ２９がそこから引き出され、診断機器３４のプラグ３２がソケット２７に差し込まれる。

ピエゾアクチュエータ２６の診断のために、診断機器３４からピエゾアクチュエータ２６に電流Ｉが印加され、コンデンサに生じた電圧Ｕが求められる。これは図２の特性曲線Ｕに相応に表されている。この図からは、ピエゾアクチュエータ２６に印加された電圧Ｕが通常のケースではまず線形に上昇する区分を有しその後で一定の電圧を有する区分を有し、続いて線形に下降する区分を有していることがわかる。このことは、内燃機関１０の通常動作モードにおけるピエゾアクチュエータ２６のランプ状の駆動制御に相応している。到達され得る最大の電圧レベル並びに信号エッジの急峻度は、少なくとも噴射過程中のピエゾアクチュエータ２６のほぼ通常の駆動制御に相応する。

電圧Ｕが上昇している間、一定の電流Ｉが流れる（図２中の波線部分）。電圧Ｕの上昇によってピエゾアクチュエータ２６の長さ変化が生じる。これは内燃機関１０の作動中の燃料の噴射に結びつく。内燃機関１０の診断によって損傷を遠ざけるために、この診断は停止した内燃機関１０のもとでのみ実施される。診断機器３４においては通流した電流Ｉの時間ｔに関する積分が算出される。この積分は、ピエゾアクチュエータ２６にもたらされた電荷Ｑに相応する。この電荷Ｑを電圧Ｕによって除算すると、ピエゾアクチュエータ２６のキャパシタンスＣが得られる。

このピエゾアクチュエータ２６のキャパシタンスＣは、ピエゾアクチュエータ２６の機能状態に対する重要な特性量である。例えばピエゾアクチュエータ２６のひび割れは、キャパシタンスＣの著しい変化につながる。このことは診断機器３４の利用によって識別できる。最も簡単なケースでは、求められたキャパシタンスＣが数値として診断機器３４から送出される。そしてユーザーはこの数値自体に基づいてピエゾアクチュエータ２６が正常であるか否かを評価できる。この診断機器は相応する評価回路内において算出されたキャパシタンスを上方及び下方の限界値と比較してもよい。

求められたキャパシタンスＣが前記２つの限界値の間にあると、診断機器３４において緑色のランプ３８が点灯する。このことによって、ピエゾアクチュエータ２６が正常であることがシグナリングされる。求められたキャパシタンスＣが前記限界値のうちの一方に隣接していると、診断機器３４では黄色のランプ４０が点灯する。これによってピエゾアクチュエータ２６が完全に損なわれているのではないが、しかしながら明らかにその特性はもはや充足できない。それに対してキャパシタンスＣが前記２つの限界値によって定められる領域外にあるのならば、診断機器３４において赤色ランプ４２が点灯される。このことはユーザーにピエゾアクチュエータ２６が故障していることを示す。

図３からは診断機器３４が非常に簡単に構成できることが示されている。というのもピエゾアクチュエータ２６の診断のために印加されるないしは流される給電電圧と給電電流の供給に対して市販のコンデンサ充電回路４４が利用できるからである。例えばタイプＬＴ３４２０のコンデンサ充電回路“Linear Technology Magazine,May 2002”の投入が可能である。これは写真機のキセノンフラッシュ用のトリガエネルギ供給に利用されるものであり、２２０μＦのキャパシタンスを有するコンデンサを有し、５Ｖの入力電圧でもって３.５秒以内に５０Ｖ〜３２０Ｖの充電が可能である。

本発明による診断機器３４の場合、写真機のフラッシュの場合とは異なり、ピエゾアクチュエータ２６は、充電されるだけではなく、再び放電もされなければならないので、図３に示されている診断機器３４の電気回路は、トリガされる充電信号４６だけではなく、定電流のための放電回路４８も有する。充電ないし放電過程の制御は、オペアンプ５０並びに２つのシュミットトリガ５２，５４を介して行われる。診断機器３４における診断の経過を制御し得るために、当該診断機器内にＡ／Ｄ変換器を備えたマイクロプロセッサが集積されている。ＰＣ、特にノートブック型への接続に対しては、診断機器３４は、相応のインターフェース５６も有している（図１参照）。

図３に示されている回路は、クリップ５８を介して電流を給電される。この場合は、組込まれた蓄電池、バッテリ、自動車１２の搭載電源網との接続、２３０Ｖの商用電源網との接続、若しくは光変換器を介して供給などが考えられる。クリップ５８を介して接続されるＤＣ／ＡＣ変換器６０は、増幅回路若しくは例えば指示器３８〜４２のためのエネルギを供給する。

図１から図３に示された実施例のもとでは、自動車１２に組込まれている燃料噴射装置２２の診断のために用いられる診断機器３４が開示されている。基本的に本発明による方法並びに診断機器３４は、自動車製造メーカにおいて大量生産される燃料噴射装置２２のまだそれが内燃機関１０ないし自動車１２に組込まれる前の冒頭の検査にも用いられ得る。これにより欠陥のある燃料噴射装置２２が内燃機関１０ないし自動車１２に組込まれることが回避される。

前記診断機器３４は、非常にコンパクトに構成され、それ故に自動車１２の搭載工具の構成要素であってもよい。これは共通の１つのケーシング内に、電流給電部、全ての変換器、評価回路、開ループ制御器及び指示プロセッサ、並びに表示部３８〜４２若しくは代替的ないし付加的ＬＣＤ表示部並びに接続ケーブル３６及びプラグ３２を含み得る。

ピエゾアクチュエータを備えた燃料噴射雄値を有する内燃機関と診断機器を概略的に示した図 図中のピエゾアクチュエータに印加される電圧と電流が時間軸に亘ってプロットされたダイヤグラム 図１の診断機器の概略的なブロック回路図

Claims (10)

1. バルブ要素の操作のためにピエゾアクチュエータ（２６）を有している燃料噴射装置（２２）の診断方法において、
   燃料噴射装置（２２）が診断機器（３４）と直接接続され、
   前記診断機器（３４）からピエゾアクチュエータ（２６９に所定の電圧（Ｕ）が印加され、
   前記診断機器（３４）によってピエゾアクチュエータ（２６）内に取り入れられる電荷（Ｑ）とピエゾアクチュエータ（２６）のキャパシタンス（Ｃ）が求められるようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記診断機器（３４）は、キャパシタンス（Ｃ）の経過特性を求める請求項１記載の方法。
3. 前記診断機器（３４）は、求められたキャパシタンス（Ｃ）ないしは求められたキャパシタンスの経過特性を、基準キャパシタンスないし基準経過特性と比較し、この比較結果に依存して１つの信号を生成する、請求項１または２記載の方法。
4. 複数の信号に基づいて光学的表示部（３８，４０，４２）が少なくとも２つのカラーで駆動制御され、当該光学的表示部によって、求められたキャパシタンス（Ｃ）ないしは経過特性が基準キャパシタンスないし基準経過特性を中心とした許容範囲内にあるのかどうかが表示される、請求項３記載の方法。
5. 診断の間に印加される電圧（Ｕ）は、少なくとも燃料噴射装置（２２）の正常な作動中に生じるような電圧（Ｕ）に相応する、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 請求項１から５いずれか１項記載の診断方法を実施するための装置（３４）において、
   前記装置（３４）が、ピエゾアクチュエータ（２６）の駆動制御に必要なエネルギを供給する、コンデンサ充電回路（４４）を有するように構成されていることを特徴とする装置。
7. 前記コンデンサ充電回路（４４）は、フラッシュ機器用に用いられる市販の回路（４４）である、請求項６記載の装置。
8. 前記装置は、遮蔽された構成ユニットを形成している、請求項６または７記載の装置。
9. 前記装置は、燃料噴射装置（２２）における接続装置（３０）に対して相補的な接続装置（３２）を含んでいる、請求項６から８いずれか１項記載の装置。
10. 前記装置は、ＰＣの端子に対するインターフェース（５６）を有している、請求項６から９いずれか１項記載の装置。

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