JP2009503357A - 内燃機関の噴射システムを制御するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

インジェクタのノズルニードル（１１５）に直接的に又は伝達手段を介して作用する少なくとも１つの圧電式のアクチュエータによって燃料噴射を行い、この際に、アクチュエータ操作を規定する制御電圧を燃料噴射の圧力波の影響に関連して修正することによって、内燃機関の噴射システムを制御するための方法であって、噴射によって生ぜしめられた、ノズルニードル（１１５）に作用する圧力波を、噴射休止中にアクチュエータ電圧を測定することによって算出し、続いて行われる噴射のアクチュエータ電圧をノズルニードルに作用する圧力波に応じて調整することを特徴としている。

Description

本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した、内燃機関の噴射システムを制御するための方法及び装置に関する。

特に自己点火式の内燃機関の最近の高圧燃料噴射システムにおいては、燃料噴射が、一般的にまずサーボ弁を制御する圧電式のアクチュエータによって制御される。この弁の切換状態は、制御室内の圧力に影響を与え、この圧力が噴射弁を開閉させるように作用する。しかしながら将来的には、インジェクタが使用される傾向にある。インジェクタにおいては、サーボ弁なしでアクチュエータが直接的に又は伝達手段を介して、燃料噴射のためのインジェクタのノズルニードルに作用するようになっている。

ドイツ連邦共和国特許第１０００２２７０号明細書に記載された、広範囲に使用されている前記形式の噴射システムは、いわゆる「コモンレール（ＣＲ）噴射システム」である。このコモンレールシステムにおいては、燃料が、各インジェクタに供給される前に、蓄圧器（レール）に中間貯蔵される。

この場合、燃料の噴射はしばしば、複数の部分噴射によって行われる。この部分噴射は、混合気形成の改善を可能にし、ひいては特に内燃機関の排ガス放出を減少させ、燃焼時の騒音発生を低減させ、内燃機関の出力を高めることができる。この場合、特に、それぞれ２つの部分噴射間の時間的な間隔を無制限に変えられるようにすることが望ましい。

燃料噴射、特に前記複数回の部分噴射においては、各噴射量の精度が特に重要である。このような形式のＣＲ噴射システムのインジェクタによって、噴射システム内に配置された、レールから当該のインジェクタに通じる管路内において、並びにこのようなインジェクタ内自体内の、レールに隣接する高圧接続部からインジェクタのノズルニードルまでにおいて、各噴射が燃料圧を短時間低下させることは公知である。しかも、ノズルニードルを閉鎖すると圧力上昇が生じる。圧力低下と圧力上昇とを組み合わせることによって、有利にはレールとインジェクタとの間で燃料圧力波を発生させることができる。この圧力波は、特にそれぞれ噴射された燃料量の不都合な変動を生ぜしめ、この場合、この圧力波の影響は、インジェクタのノズルニードルのニードル速度が高くなるのに伴って大きくなるので、ノズルニードル制御のための噴射アクチュエータとしての高速のピエゾ調節器がそれぞれのインジェクタに使用される、特に将来的な噴射システムにおいても、益々重要になることを考慮する必要がある。

前記圧力波の影響は、それぞれ連続する噴射間の時間的な間隔が大きくなるにつれて次第に小さくなる。従って、それぞれ続いて行われる噴射の噴射量への影響も、噴射間の時間的な間隔が大きくなるにつれて小さくなり、時間的に孤立した噴射によって得られる、妨害されない量のための十分に大きい時間的な間隔に近くなる。

前記圧力波の影響は、体系的に当然のことであって、当該の噴射間の時間的な間隔、噴射された燃料量、液圧的な燃料圧力、並びに液圧的に重要な管路システム内の燃料温度に基づいているので、この圧力波の影響は、エンジン制御器内の適当な制御関数によって修正され得る。例えばドイツ連邦共和国特許公開第１０１２３０３５号明細書により公知である、前記圧力波の影響を最小にするための試みによれば、各インジェクタの噴射量への影響を測定し、この測定結果を例えば噴射システムの制御データを予備調整する際に考慮するようになっている。この場合、制御データを相応に修正することは、前もって経験的に又は実験的に得られた、それぞれ２つ又は場合によってはそれ以上の部分噴射間の時間的な間隔の関数としての燃料量変化に基づいている。この場合、前記圧力波の補整は、基準システムにおいて測定された、次いで行われる噴射に関する量的な影響を特性マップ内にファイルし、次いで内燃機関の運転中にそれぞれ次いで行われる噴射の給電時間、つまり次いで行われる噴射の制御時間を相応に変えることによって、前記影響を補整する。前記のような従来技術において一般的に行われている手段は、基本的に前記噴射量変化を算出する、という点にある。これによって算出された増量又は減量は、前記特性マップ内にファイルされ、ＣＲ制御プログラムの運転中に、エンジン制御の噴射量回路において相応の増量・減少開始によって補整される。

このようなアルゴリズムは、完全に線形の量換算特性マップ又は制御時間特性マップにおいてのみ必要な精度で機能する。これに対して、前記特性マップにおいて非線形（例えば勾配変化等）が生じると、用いられたアルゴリズムは圧力波補整における体系的な欠陥の原因となる。

このような欠点を避けるために、まだ公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１０２００４０１４３６７号明細書によれば、前記噴射量変化の代わりに前記圧力波補整を、制御時間の変化をベースにして実施することが提案されている。言い換えれば、それぞれの制御時間の変化を認識することによって、所望の噴射量が得られるように、制御時間が変えられる、ということである。

この方法は、特に、ノズルニードルに作用する閉鎖力がサーボ弁を介して伝達されるインジェクタにおいて使用される。このようなインジェクタにおいては、ノズルニードルは、サーボ弁の切り替え時間を介してのみ影響を受ける、つまりデジタル形式で単に開閉せしめられる。これに対して、ノズルニードルに作用する力の変動は不可能である。直接ニードル制御（ＣＲＩ−ＰＤＮ）によるインジェクタにおいては、圧電式のアクチュエータは直接的に、或いは機械式又は液圧式の連結器の補助を受けてノズルニードルに作用する。このようなアクチュエータにおいては、アクチュエータと連結器とは、レール圧下にある大きい燃料容積によって包囲されている。この領域におけるこのような重要な容積に基づいて、噴射に基づいてアクチュエータ室とレールとの間に形成される圧力変動が小さい振幅を有している。勿論、噴射はノズル座部における圧力振動を生ぜしめる。この振動の振幅は、従来のものよりも小さいので、サーボ弁によって操作されるインジェクタにおいては、このために振動周波数は比較的高い。これによって、噴射に続いて、例えばパイロット噴射に続いて、ノズルニードル開放力を規定するニードル座部における圧力と、ノズルニードル閉鎖力を規定する連結器例えば液圧式連結器内の圧力との間の圧力差も、高周波数の振動にさらされる。図２には、ノズル開放のために必要な連結器内の圧力低下のための、ニードル座部における圧力、並びに制御電圧と、このようなアクチュエータのパイロット噴射に続く、ノズル開放のために必要な電圧低下とが示されている。従来では、図２に示されているように、アクチュエータに、制御休止中に常に、所定の（場合によってはレール圧に基づく）電圧が給電されるのが一般的であった。これに対して、制御時間中、圧電式のアクチュエータの電圧は低下せしめられる。これによって、ノズルニードル閉鎖力は低下し、このノズルニードル閉鎖力がノズルニードル開放力を下回ると、直ちにノズルニードルは開放を開始する。前記圧力変動は、特に短い連続で行われる噴射において噴射量に大きい影響を与える。これによって、連続する２回の噴射の一定な制御時間において噴射された、２回目の噴射の量Ｑは、各噴射の時間的な間隔ｔ_diffに基づいて著しく変動する。この場合、圧力振動の高周波数に基づいて、噴射された量ｄＱ／ｄｔ_diffの大きい勾配が生じ、これによって、制御器における圧力補整の精度に関連して著しく不都合な影響が及ぼされる。

さらにまた、ノズルニードルを座部に押し付ける機械的な閉鎖力は、噴射に続いて振動にさらされる。この振動は、インジェクタの運転時にノズル座部の摩耗を生ぜしめる。

レールからそれぞれのインジェクタに通じる管路内の圧力波の影響は、原則的に、レールからインジェクタに通じる管路内に絞りが設けられていることによって、減少される。これによって同時に、インジェクタまで続く、高圧回路にとって不都合な圧力ピークは避けられる。この場合、圧力波修正は、管路内に発生するレール圧をベースにして行われる。このために、それぞれの管路内において各シリンダのために圧力センサが必要となる。つまり、シリンダの数と同数の圧力センサが必要となる。このような数の圧力センサを設けるためには、高いコスト及び高い構造費用がかかる。

発明の利点
そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法及び装置改良して、できるだけ安価な構造費用で、しかも安価なコストで、改善された圧力波補整ができるようにすることである。特に、レール圧を検出するための圧力センサは省かれなくてはならない。

この課題は、独立請求項に記載した特によって解決された。有利な変化例及び実施態様は、従属請求項に記載されている。

本発明の基本的な考え方は、直接式のニードル制御を有するインジェクタを、インジェクタのニードルに作用する圧力波を検出するためのセンサエレメントとして使用する、という点にある。このために、ピエゾアクチュエータのセンサ的な効果が用いられる。このような形式の、インジェクタが、噴射休止中に若しくは、各制御時間の間の時間的間隔内においてニードル制御（ＣＲＩ−ＰＤＮ）されるので、インジェクタ内で変化する燃料圧、つまり噴射圧の変化する力作用に基づいて、アクチュエータ電圧の変化を測定することによって、各長さ変化を規定することができる。

有利には、アクチュエータ電圧の測定は噴射終了後に開始され、続いて行われる噴射開始と共に終了される。アクチュエータ電圧の他に、レール圧及び燃料温度が測定され、２つの噴射間の時間的な間隔及び制御時間が検出される。圧力波自体は、圧力波の振幅、特にピーク・ピーク値の振幅、及び／又はアクチュエータ電圧のゼロ交差を測定することによって規定される。

有利には、このような形式で、測定によって規定された制御電圧が、動的なインタラプト（中断）において算出されたレール圧の関数として、燃料温度の関数として、２つの噴射間の時間的な間隔の関数として、並びに制御時間の関数として特性マップスペース内に、又はマトリックスの関数として内燃機関の制御装置内にメモリーされ、続いて行われる噴射の制御電圧が、このようにして算出された圧力波に応じて調整され、次の噴射の制御時間のための値が相応に修正される。

このような方法の利点は、圧力波の修正を非常に精確に行うことができる、という点にある。この圧力の修正は、インジェクタに通じる各高圧管路内に付加的な圧力センサを必要とすることなしに、サンプルのばらつき、劣化作用、噴射にとって重要な燃料圧までの高圧回路のドリフト作用及び燃料の影響を考慮している。

本発明はさらに、前記形式の噴射システムを制御するための装置に関する。この装置は、有利な形式で、噴射休止中にノズルニードルに作用するアクチュエータ電圧を算出するための、及び次いで行われる噴射の制御電圧を、検出されたアクチュエータ電圧に応じて調整するための回路ユニットを有している。

図面
本発明を以下に、図面に示した有利な実施例を用いて詳しく説明する。この実施例に、本発明の特殊性、特徴及び利点が記載されている。

図１は、従来技術により公知の直接式のニードル制御による、本発明に適したインジェクタの概略図、
図２は、直接式のノズル制御によるインジェクタの圧電式アクチュエータを制御するための、従来技術により公知の方法による、ニードル座部における圧力、連結器内でのノズル開放のために必要な圧力低下、制御電圧、噴射に続くノズル開放のために必要な電圧降下を示す線図、
図３は、修正された制御電圧による圧電式のアクチュエータを制御するための装置の概略的なブロック回路図である。

実施例の説明
例えば、まだ公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１０２００４０１４３６７号明細書に記載されている、直接ノズルニードル制御式のインジェクタの、本発明を理解するために必要な構成部分は、ノズル体１００を有しており、このノズル体１００内においてノズルニードル１１０がばね１１５の戻し力に抗してノズル体１００の軸方向で可動にガイドされている。

ノズルニードル１１０は、圧電式のアクチュエータ１２０によって、液圧式の連結器を介して直接的に（つまり従来技術において公知のインジェクタにおけるように制御弁を介在させることなし）操作される。液圧式の連結器はアクチュエータ側で伝動ピストン１３０を有しており、この伝動ピストン１３０はギャップ１３５を介してノズルニードル１１０に作用する。

ノズルニードル１１０は、ノズル側の高圧室１４０によって包囲されている。アクチュエータ１２０と液圧式の連結器１３０とは、アクチュエータ側で高圧室１５０によって包囲されており、この高圧室１５０はレール圧が作用している燃料で満たされている。この領域における十分な容積に従って、アクチュエータ側の高圧室１５０と蓄圧器（レール）との間の噴射に基づいて形成される圧力振動の振幅は小さい。各噴射毎に、ノズルニードル１１０の座部１６０において圧力振動が生ぜしめられる。この振動に基づいて、噴射された燃料量に間違いが生じるだけではなく、ノズルニードル１１０及びノズル座部１６０の摩耗を招くことにもなる。このような摩耗は、噴射休止中にノズルニードル１１０が、ノズル座部１６０に作用する脈動力で負荷され、それによって、ノズルニードル１１０がノズル座部１６０上でいわば「振動する」ことによって生じる。

この場合、このような圧力振動は、アクチュエータ１２０に作用する噴射休止Ｕ_pause中の制御電圧が測定されることによって、アクチュエータ１２０の噴射休止中に高周波で連続的に測定される。この測定は、噴射終了と共に行われ、それに続く噴射の開始と共に終了する。噴射休止Ｕ_pause中の制御電圧の測定によって同時に、測定値レール圧及び燃料温度も一度だけ測定される。このようなコモンレールシステムにおける噴射時間の規定は、典型的な形式で、いわゆる静的又は動的なインタラプト（中断）で行われる。それぞれのシリンダの静的なインタラプトにおいて、次の噴射の制御開始が計算される。動的なインタラプトにおいて、制御器のコントローラのコンピュータ及びハードウェアの運転時間を考慮しながら、制御開始のできるだけ直前にそれぞれの噴射の制御時間が計算される。制御時間の計算の基礎となる値は、レール圧、所望の目標量、圧力波関数修正の初期値である。圧力振動は最小数のデータによって表される。圧力振動は、ピーク・ピーク値（Spitze-Spitze-Werte)を検索することによって、及び／又はゼロ交差(Nulldurchgaenge)を検索することによって算出される。動的なインタラプトにおいて、レール圧、燃料温度、先行する噴射に対する噴射間隔、並びに先行する噴射の制御時間が測定／規定され、例えば特性マップスペース（Kennfeldraum）又はマトリックス（その寸法が入力値の数に相当する）の入力値としてファイルされる。特性マップスペース若しくはマトリックスの値は、動的なインタラプトで測定されたレール内の燃料圧（例えばレール圧センサによって測定される）に対する、又はアクチュエータ内の測定された燃料圧（噴射休止中の制御電圧Ｕ_pauseを測定することによって算出される）に対する乗算された修正値を成している。それに続いて行われる噴射中の予測された燃料圧の算出された値は、先行する噴射のメモリーされた値のいわば補外法（Extrapolation）によって規定される。このために、レール圧、燃料温度、先行する噴射に対する噴射間隔、先行する噴射の制御時間等の測定値を用いて、学習した圧力振動からその実際の適切な特性値、例えば圧力波の波長、位相長さ及びピーク・ピーク値が算出される。動的なインタラプトの時点に対して測定された、レール内の燃料圧、又はアクチュエータ内の測定された燃料圧力は、圧力波の長さを表す。次の噴射開始は固定されているので、噴射開始に対する動的なインタラプトの間隔、圧力波の正確な知識、つまり圧力波の位相長さ、ピーク・ピーク値を介して、次に行われる噴射時点に対する燃料圧が規定され、このような形式で、所望の噴射量を得るために必要な制御時間が計算される。これは図３に示した回路ユニット３１０によって行われる。入力値として、ニードル座部Ｐ_Nadelsitzにおける圧力に相当する電圧Ｕ_pauseが用いられる。この値から、制御電圧の目標値Ｕ_soll,aに対するずれが計算され、このずれが目標値に加えられるので、新たな制御電圧Ｕ_soll,nが得られ、この新たな制御電圧Ｕ_soll,nによって圧電式のアクチュエータ１２０が負荷される。

次いで、制御電圧のモジュレーション（変調）が、前もって算出され、制御器にファイルされた圧力振動をベースにして行われる。この圧力振動は、場合によってはコンピュータによって実時間で、最初の計算に対して変えられたパラメータに合わせられる。

本発明を負荷制御システムに置き換えることも考えられる。この場合、すべての電圧値、目標値、実際値は、負荷値、目標値及び実際値に置き換えられる。

従来技術により公知の直接式のニードル制御による、本発明に適したインジェクタの概略図である。 直接式のノズル制御によるインジェクタの圧電式アクチュエータを制御するための、従来技術により公知の方法による、ニードル座部における圧力、連結器内でのノズル開放のために必要な圧力低下、制御電圧、噴射に続くノズル開放のために必要な電圧降下を示す線図である。 修正された制御電圧による圧電式のアクチュエータを制御するための装置の概略的なブロック回路図である。

符号の説明

１００ ノズル体、 １１０ ノズルニードル、 １１５ ばね、 １２０ アクチュエータ、 １３０ 液圧式の連結器、伝動ピストン、 １３５ ギャップ、 １４０ ノズル側の高圧室、 １５０ アクチュエータ側の高圧室、 １６０ 座部、 ３１０ 回路ユニット、 Ｕ_pause 噴射休止、 Ｐ_Nadelsitz ニードル座部

Claims (10)

1. インジェクタのノズルニードル（１１５）に直接的に又は伝達手段を介して作用する少なくとも１つの圧電式のアクチュエータによって燃料噴射を行い、この際に、アクチュエータ操作を規定する制御電圧を燃料噴射の圧力波の影響に関連して修正することによって、内燃機関の噴射システムを制御するための方法において、
   噴射によって生ぜしめられた、ノズルニードル（１１５）に作用する圧力波を、噴射休止中にアクチュエータ電圧を測定することによって算出し、続いて行われる噴射のアクチュエータ電圧をノズルニードルに作用する圧力波に応じて調整することを特徴とする、内燃機関の噴射システムを制御するための方法。
2. アクチュエータ電圧の測定を噴射終了後に開始し、次いで行われる噴射開始と共に終了する、請求項１記載の方法。
3. アクチュエータ電圧の他に、レール圧及び／又は燃料温度を測定し、２つの噴射間の時間的な間隔及び／又は制御時間を考慮する、請求項１又は２記載の方法。
4. 圧力波を、アクチュエータ電圧の振幅及び／又はゼロ交差を測定することによって規定する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 制御電圧を測定することによって算出された圧力波を、動的なインタラプトで算出したレール圧力の関数として、燃料温度の関数として、２つの噴射間の時間的な間隔の関数として、並びに制御時間の関数として特性マップスペース内に、又はマトリックスの関数として内燃機関の制御装置（３１０）内にメモリーする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 制御電圧を、コンピュータによって実時間で、先行する計算に対して変化したパラメータに適合させる、請求項５記載の方法。
7. 内燃機関の噴射システムを制御するための装置であって、インジェクタのノズルニードル（１１５）に直接的に又は伝達手段を介して作用する少なくとも１つの圧電式のアクチュエータによって燃料噴射が行われ、この際に、噴射しようとする燃料量を規定する制御が、燃料噴射の圧力波の影響に関連して修正されるようになっている形式のものにおいて、
   検出されたアクチュエータ電圧に応じて、噴射休止中に発生するアクチュエータ電圧の特性曲線を算出するための、及び次いで行われる噴射の制御電圧を修正するための回路ユニット（３１０）が設けられていることを特徴とする、内燃機関の噴射システムを制御するための装置。
8. 前記回路ユニット（３１０）が、内燃機関の制御器である、請求項７記載の装置。
9. 修正された制御電圧が、回路ユニット（３１０）によって、実時間で、先行する計算に対して変化したパラメータに適合可能である、請求項７又は８記載の装置。
10. 少なくとも１つの電気式のアクチュエータ（１２０）が機械式又は液圧式の伝達手段を介してノズルニードルに作用するようになっている、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。

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