JP2006525455A - 圧電アクチュエータの充電エッジを決定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのインジェクタの圧電アクチュエータ（２）の充電エッジを決定する方法であって、該少なくとも１つのインジェクタによって、液体量を高圧で空洞に噴射し、該空洞はとりわけ、内燃機関の燃焼室である形式の方法において、遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）と放電プロセスの開始直前の該圧電アクチュエータ（２）の電圧（Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}）との差を設定可能な目標値に調整することを特徴とする方法。

Description

従来の技術
本発明は、液体量を高圧で空洞に噴射するために使用される少なくとも１つのインジェクタの圧電アクチュエータの充電エッジを決定するための方法および装置に関する。前記空洞は、とりわけ内燃機関の燃焼室である。

ＤＥ１００３２０２２Ａ１から、噴射バルブの圧電アクチュエータの駆動制御電圧を決定する方法が公知になっている。ここでは次の噴射プロセスの前に、まずハイドロリックカプラ内の圧力を間接的に測定する。この圧力は、圧電アクチュエータをハイドロリックカプラに機械的に結合し、該圧力によって該圧電アクチュエータに相応の電圧が誘導されることによって測定される。この誘導電圧は次の噴射プロセスの前に、圧電アクチュエータの駆動制御電圧を補正するために使用される。このようなインジェクタは、たとえばコモンレールシステムで使用される。このハイドロリックカプラ内の圧力は、とりわけレール圧にも依存するので、駆動制御電圧はレール圧に依存して変化する。圧電アクチュエータの所要電圧は第一に、バルブ空間内の圧力および該圧電アクチュエータの長さ方向の膨張に依存する。インジェクタを動作点で正常に作動させるために必要な電圧が、いわゆる所要電圧であり、すなわち、レール圧に比例する所定の力での電圧とストロークとの間の関係である。インジェクタのその時点の所要電圧を最大アクチュエータ電圧と静的な最終電圧との電圧差から導出することが、たとえばＤＥ１０３１５８１５．４から公知である。

また、充電エッジを決定するためにアクチュエータの電圧を放電プロセスの開始直前に測定して、目標値に調整することも公知になっている。そのための調整量として、いわゆる遮断電圧が使用される。この遮断電圧はすなわち、これに到達すると充電プロセスが中断される電圧である。ここでは付加的に、充電エッジの持続時間が所定の目標値に設定され、通常は１００マイクロ秒の目標値に調節される。

さらに、本願出願前に公開されていないＤＥ１０３４０１３７．６から、アクチュエータの電圧の目標値を放電プロセスの開始直前に、各インジェクタごとに個別に、各インジェクタの所要電圧に適合することが公知になっている。

ここで本発明の課題は、充電エッジを各インジェクタごとに調節し、バルブ運動に影響するパラメータ公差の作用を可能な限り低く抑えることができ、とりわけ従来の技術から公知の手法と比較して低減できるようにすることである。

本発明の利点
前記課題は、圧電アクチュエータの充填エッジを決定するための冒頭に記載された形式の方法および装置では、以下の構成によって解決される。すなわち、遮断電圧閾値と定常的な最終電圧との差が検出され、設定可能な目標値に調整される構成によって解決される。それによれば本発明の基本的思想は、遮断電圧閾値、すなわち到達すると充電プロセスが中断される電圧と、定常的な最終電圧、すなわち放電プロセスの開始直前のアクチュエータの電圧との間の差を、制御回路によって一定に維持することである。遮断電圧閾値と放電プロセスの開始直前のアクチュエータの電圧との差は、充電エッジの終了後のアクチュエータの長さ変化の尺度を表し、ひいては、切替バルブが充電エッジの終了後にストロークストッパに到達するまで移動しなければならない距離の尺度でもある。この差が一定に調整されると、すべてのインジェクタの切替バルブが充電エッジの終了点で、各ストロークストッパから均一の間隔を有するようになる。

有利な実施形態では、この差は充電電流を充電時間の所定のインターバルで変化させることにより、所定の目標値に調整されるように構成されている。充電プロセスの時間を一定に維持することにより、駆動制御開始後の所定の時点でその都度、切替バルブとストロークストッパとの間隔が均一になることが保証される。こうすることにより、実際に切替バルブのストローク運動が、アクチュエータの無負荷作動時のストローク、アクチュエータの剛性、アクチュエータ‐切替バルブの伝達鎖の剛性、切替バルブのバルブシート直径等のパラメータに依存せずに、各インジェクタごとに同じ経過特性に調節される。しかも、こうするために前記のパラメータを把握しなくてもよい。こうすることにより、インジェクタ電圧の整合および公称電圧の較正を暗黙で行うこともできる。

さらに別の実施形態では、遮断電圧閾値と放電プロセス開始直前のアクチュエータの電圧との差が、遮断電圧閾値を変化させることによって所定の目標値に調整されるように構成されている。この実施形態はとりわけ、充電電流の設定が十分な精度で量子化されないか、またはインジェクタ個別に設定されない場合に適している。ここでは、既知であるために付加的に検出する必要がない量を変化させることも有利である。

ここで有利には、付加的に充電時間も、充電電流を変化させることによって目標値に調整される。したがって充電プロセスの持続時間は、電流閾値を変化させることによって目標値に調整される。この場合、調節される充電時間の正確さのみが、どれだけ正確に電流閾値が設定されるかということと、このことがインジェクタ個別ひいてはシリンダ個別に行えるか否かということに依存する。

図面
別の利点および構成が、以下の説明に記載されており、本発明の実施例の図に示されている。

図１ 従来技術から公知である噴射バルブの概略的な構成を示している。

図２ 駆動制御中のアクチュエータ電圧およびアクチュエータ電流が時間上にプロットされた概略的な線図である。

図３ 本発明による方法を使用する閉ループ制御装置の概略的なブロック回路図である。

図４ 本発明による方法を使用する別の閉ループ制御装置の概略的なブロック回路図である。

説明
図１には、従来技術から公知の噴射バルブ１が概略的に示されている。この公知の噴射バルブ１には、中央の穿孔が設けられている。上方の部分には、圧電アクチュエータ２を有する調整ピストン３が中央の穿孔に挿入されており、この調整ピストン３は圧電アクチュエータ２に固定的に結合されている。調整ピストン３はハイドロリックカプラ４を上方に対して封入しており、下方に対しては、第１のシート６までの接続通路を有する開口が設けられている。この第１のシート６に、バルブ閉鎖部材１２を有するピストン５が配置されている。バルブ閉鎖部材１２はこの実施形態では、２重閉鎖式の制御バルブとして構成されているが、１重に閉鎖する制御バルブとして構成することもできる。圧電アクチュエータ２が静止フェーズにある場合、バルブ閉鎖部材１２は第１のシート６を封止する。アクチュエータ２の操作時、すなわち駆動制御電圧Ｕが端子＋，−に印加される場合、アクチュエータ２は調整ピストン３を操作し、ハイドロリックカプラ４を介して、調整ピストン５を封止部材１２とともに、第２のシート７の方向に圧す。第２のシートの下方には、相応の通路にノズルニードル１１が配置されている。このノズルニードル１１は、どのような駆動制御電圧Ｕが印加されたかに応じて、高圧流路（コモンレール圧）１３の流出口を閉鎖または開放する。高圧は被噴射媒体によって、たとえば内燃機関用の燃料によって供給部９を介して供給され、供給スロットル８および流出スロットル１０を介して被噴射媒体の供給量が、ノズルニードル１１およびハイドロリックカプラ４の方向で制御される。ハイドロリックカプラ４はここでは、調整ピストン５のストロークを増幅する機能と、制御バルブをアクチュエータ２の静的な温度膨張から切り離す機能とを有する。ハイドロリックカプラ４の再充填は、ここでは図示されていない。

以下でこの噴射バルブの機能を、詳細に説明する。アクチュエータ２の駆動制御が行われるたびに、調整ピストン３はハイドロリックカプラ４の方向に運動する。その際には調整ピストン５は、封止部材１２とともに第２のシート７の方向に移動され、ギャップを介して、ハイドロリックカプラ４内に存在する媒体の一部、たとえば燃料が圧出される。したがってハイドロリックカプラ４の動作の確実性を維持するためには、２つの噴射の間に該ハイドロリックカプラ４に再充填しなければならない。

供給流路９にわたって高い圧力が存在し、この高い圧力はコモンレールシステムの場合、たとえば２００〜２０００バールの間になる。この圧力はノズルニードル１１に対して作用し、該ノズルニードル１１を閉鎖状態に維持することにより、燃料が流出することはない。ここで、駆動制御電圧Ｕにしたがってアクチュエータ２が操作され、封止部材１２が第２のシートの方向に運動すると、高圧領域内の圧力は消滅し、ノズルニードル１１は噴射流路を開放する。Ｐ_１によって示されているのは、いわゆるカプラ圧であり、ハイドロリックカプラ４内に存在するのと同じである。ハイドロリックカプラ４には、駆動制御Ｕがない場合は静的な圧力Ｐ_１が発生する。アクチュエータ２の放電後には、カプラ圧Ｐ_１は近似的に０になり、再充填によって再び上昇される。

ここではアクチュエータ２のストロークおよび力は、該アクチュエータ２を充電する際の電圧と相関づけられる。この力はレール圧に比例するので、シート７に確実に到達するために必要なアクチュエータのストロークに対して、前記電圧をレール圧に依存して適合しなければならない。動作点における噴射バルブまたはインジェクタ１の正常な作動に必要な電圧が、いわゆる所要電圧である。すなわち、レール圧に対して比例関係にある所定の力における、電圧とストロークとの間の関係である。ＤＥ１０３１５８１５．４に、最大アクチュエータ電圧と静的な最終電圧との間の電圧差からどのようにして、インジェクタのその時点の個別の所要電圧を導出するかが開示されている。

図２に、アクチュエータ電圧およびアクチュエータ電流が時間上にプロットされた図が概略的にされている。

従来技術から公知の充電エッジの決定法では、アクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}を放電プロセスの開始直前に測定して、目標値に調整する。そのための調整量として、いわゆる遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}、すなわち到達すると充電プロセスが中断される電圧が使用される。付加的に充電エッジの持続時間を、通常は１００マイクロ秒の目標値Δｔ_Ｌに調節する。この調節を行うためには、充電電流のスイッチング閾値Ｉ_ｓの開ループ制御または閉ループ制御を行う。したがって、このスイッチング閾値が調整量として使用される。それゆえ、充電時間Δｔ_Ｌを変化させるためには充電電流Ｉを変化させる。

本発明の基本的思想は、放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧の代わりに、遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との間の差を制御回路によって一定に維持し、充填エッジの持続時間の開ループ制御または閉ループ制御によって一定に維持することである。遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との間の差は、充電エッジの終了後にアクチュエータ２の長さ変化がどのように行われるかということの尺度であり、ひいては、制御バルブ１２が遮断エッジの終了後にストロークストッパに到達するまでどの程度の距離を移動するかということの尺度でもある。この差が一定の値に調整されると、すべてのインジェクタの切替バルブが充電エッジの終了時に、ストロークストッパから均一な間隔を有するようになる。さらに充電プロセスの時間も一定に維持すると、この均一な間隔がそれぞれ、駆動制御開始後に定義された時点で達成されることが保証される。このようにして、切替バルブ１２のストローク運動は実際に、アクチュエータの無負荷ストローク、アクチュエータの剛性、アクチュエータ‐バルブの伝達鎖の剛性、バルブのシート直径等のパラメータに依存しなくなる。または、切替バルブを異なって押出して、異なるインジェクタの切替バルブの運動を、それぞれ等しい経過に調節することができ、しかもこれらのパラメータは既知である必要がない。

図３に示された第１の実施形態では、遮断電圧と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧との間の差は、調整量Ｉ_ｓを変化させることによって調整される。充電エッジの持続時間は、設定可能な時間Δｔ_Ｌの経過後に充電プロセスを終了させることによって固定的に調節される。こうするために、調整量Ｉ_ｓのための前制御のための回路ユニット３１０が設けられており、ここにレール圧Ｐ_Ｒａｉｌが入力量として供給される。さらに、遮断電圧Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との間の差のための制御回路を形成する回路モジュール３２０が設けられており、該回路モジュール３２０には、設定可能な目標値が入力量として供給される。回路ユニット３１０および３２０の出力は加算され、駆動制御モジュール３３０へ供給される。駆動制御モジュール３３０は圧電出力段３３５を駆動制御し、該圧電出力段３３５はアクチュエータ２のアクチュエータ電圧Ｕおよびアクチュエータ電流Ｉを供給する。圧電出力段３３５はさらに、遮断電圧Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}とを供給し、これらの差が切替点３４０で形成される。この差は回路ユニット３２０へ供給され、閉ループ制御が調整量Ｉ_ｓを変化させることによって行われる。この電流の調整量が上昇すると、アクチュエータ２が充電される際の電圧が上昇し、充電プロセスの終了後に残るバルブの距離が低減し、ひいては調整すべき電圧差も低減する。この場合、遮断電圧Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}は外部から設定されずに、充電電流Ｉ_ｓおよび充電時間Δｔ_Ｌに基づいて調節されるので、充電プロセスの終了時点で電圧を測定し、この測定値を遮断電圧閾値として使用しなければならない。さらに、調整量Ｉ_ｓの閉ループ制御を十分な精度で量子化し、インジェクタ個別ひいてはシリンダ個別に設定できると仮定される。

図４に示された別の実施形態では、遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との間の調整すべき電圧差が、既知の遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}自体を変化させることによって行われる。遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}を変化させるためには、充電プロセスを変化させなければならない。そのため、図４に示された回路ユニットは充電時間のための制御回路４１０を有しており、設定可能な目標値が供給される。この装置にも、電流閾値Ｉ_ｓを前制御するための回路ユニット４２０が設けられており、この電流閾値Ｉ_ｓは入力量としてレール圧Ｐ_Ｒａｉｌに供給される。さらに該装置には、遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との差のための制御回路を含む回路ユニット４３０と、遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}を前制御するための回路ユニット４４０とが設けられている。回路点４５０で、制御回路４３０から出力された値と遮断電圧のための前制御部４４０から出力された値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}とが加算され、遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}の値が駆動制御モジュール４６０へ供給され、この駆動制御モジュール４６０は圧電出力段４６５を介してアクチュエータ２を駆動制御する。すなわち、駆動制御モジュール４６０はアクチュエータ電圧Ｕおよびアクチュエータ電流Ｉを供給する。圧電出力段４６５はさらに、充電プロセスの持続時間に関する信号を出力し、この信号は、充電時間のための制御回路を形成する回路ユニット４１０へ供給される。さらに、すでに図３と関連して記載されたように、遮断電圧閾値Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}と放電プロセスの開始直前のアクチュエータ２の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}とが回路点４７０で相互に減算され、この差は、遮断電圧閾値と放電プロセスの開始直前の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との差のための制御回路を含む回路ユニット４３０へ供給される。このようにして充電プロセスの持続時間Δｔ_Ｌは、回路ユニット４１０によって電流閾値Ｉ_ｓを変化させることにより、設定可能な目標値に調整される。この場合、調節される充電時間の精度だけが、どの程度正確に電流閾値Ｉ_ｓを設定できるかということと、このことがインジェクタ個別ひいてはシリンダ個別に可能であるか否かに依存する。しかしこのことによって、電圧差のための制御回路の精度が悪影響を受けることはない。

図３および図４に示された実施形態の発展形態では、差Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}−Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}のための制御回路は、制御条件が満たされた場合のみアクティブに切り替えられる。この制御条件はたとえば、駆動制御持続時間が閾値を超えたか否か、または噴射量の目標値が噴射量閾値を超えたか否かの検査である。制御回路がイナクティブである場合、調整量はその時点で存在するレール圧の関数として「固定」される。こうすることにより、充電プロセスの終了後に数百マイクロ秒継続するアクチュエータ２の立ち下がり振動に制御部が応答し、この立ち下がり振動がアクチュエータの電圧経過に反映されることが回避される。

さらに、差Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}−Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}を調節するためのその時点の調整量のために、レール圧に依存する診断閾値を使用するように構成することができる。この診断閾値は、該診断閾値に達すると、所属のインジェクタが欠陥を有すると識別されるようになっている。この情報は診断インタフェースを介して、たとえば内燃機関のメンテナンス時に読み出され、これによってエラー探索が非常に簡便化される。

従来技術から公知である噴射バルブの概略的な構成を示している。 駆動制御中のアクチュエータ電圧およびアクチュエータ電流が時間上にプロットされた概略的な線図である。 本発明による方法を使用する閉ループ制御装置の概略的なブロック回路図である。 本発明による方法を使用する別の閉ループ制御装置の概略的なブロック回路図である。

Claims (11)

1. 圧電アクチュエータ（２）の充電エッジを決定する方法であって、
   該圧電アクチュエータ（２）は、液体量を高圧で空洞に噴射するための少なくとも１つのインジェクタの圧電アクチュエータであり、
   該空洞は、たとえば内燃機関の燃焼室である形式のものにおいて、
   遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）と放電プロセスの開始直前の該圧電アクチュエータ（２）の電圧（Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}）との間の差を、設定可能な目標値に調整することを特徴とする方法。
2. 該遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）と放電プロセスの開始直前の該圧電アクチュエータ（２）の電圧（Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}）との間の差を設定可能な目標値に調整するため、充電時間（Δｔ_Ｌ）の設定可能なインターバルで充電電流閾値（Ｉ_ｓ）を変化させる、請求項１記載の方法。
3. 該遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）と放電プロセスの開始直前の該圧電アクチュエータ（２）の電圧（Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}）との間の差を設定可能な目標値に調整するため、該遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）を変化させる、請求項１記載の方法。
4. 該充電時間（Δｔ_Ｌ）を、充電電流閾値（Ｉ_ｓ）の変化によって変化させるか、または目標値に調整する、請求項３記載の方法。
5. 充電電流閾値（Ｉ_ｓ）および／または充電時間（Δｔ_Ｌ）および／または遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）を、設定可能な診断閾値と比較し、
   前記診断閾値は、該診断閾値に到達すると、インジェクタに欠陥が存在すると識別される閾値である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 該遮断電圧閾値と放電プロセスの開始直前の電圧との差の調整を、制御条件が満たされたときにのみ行い、
   前記制御条件が満たされない場合、制御回路の調整量としてそれぞれ、該内燃機関が最後にその時点のレール圧領域で、制御条件が満たされた上で作動していた際に有効であった該調整量の値を使用する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記制御条件として、駆動制御時間と駆動制御時間閾値との比較結果の超過である、請求項６記載の方法。
8. 駆動制御時間が駆動制御時間閾値より大きい場合、前記制御条件が満たされる、請求項７記載の方法。
9. 制御条件として、噴射量目標値と噴射量閾値との比較の結果を使用する、請求項６記載の方法。
10. 噴射量目標値が噴射量閾値より大きい場合、前記制御条件が満たされる、請求項９記載の方法。
11. 圧電アクチュエータ（２）の充電エッジを決定するための装置であって、
    該圧電アクチュエータ（２）は、液体量を高圧で空洞に噴射するための少なくとも１つのインジェクタの圧電アクチュエータであり、
    前記空洞は、たとえば内燃機関の燃焼室である形式のものにおいて、
    遮断電圧閾値（Ｕ_{ａｂｓｃｈａｌｔ}）と放電プロセスの開始直前の圧電アクチュエータ（２）の電圧との差を、設定可能な目標値に調整するための回路ユニットが設けられていることを特徴とする装置。

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