JP2010512485A - 噴射弁の駆動方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は噴射弁(10)の駆動方法たとえば自動車における内燃機関の燃料噴射弁駆動方法に関する。この場合、噴射弁(10)は圧電アクチュエータ(12)を有しており、これによって有利には圧電アクチュエータ(12)と液圧式に結合された弁ニードル(13)が駆動される。本発明によればアクチュエータ(12)は、噴射弁(10)の第1の動作状態に対応する初期電圧(U0)から出発して、噴射弁(10)の第2の動作状態に対応する目標電圧(U1)まで、まえもって設定可能な電圧変位(ΔU)だけ充放電され、すなわち充電または放電される。

Description

本発明は噴射弁の駆動方法たとえば自動車における内燃機関の燃料噴射弁駆動方法に関する。この場合、噴射弁は圧電アクチュエータを有しており、これによって有利には圧電アクチュエータと液圧式に結合された弁ニードルが駆動される。
このような形式の噴射弁および駆動方法は公知であり、そこでは一般にアクチュエータ電圧の設定が行われている。その際、噴射弁の弁ニードルを望ましいポジションに動かしたり、噴射弁を望ましい動作状態におく目的で、アクチュエータ電圧に合わせて圧電アクチュエータが充電もしくは充放電され、ないしは電荷の積み替えが行われることになる。ただし、殊に圧電アクチュエータ自体や噴射弁内に含まれている機械コンポーネントおよび液圧コンポーネントのエージング作用に起因して、噴射弁における相応の電気的もしくは機械的なパラメータが変化してしまい、その結果としてたとえば、噴射すべき燃料を公知の方法を利用して長期にわたり精確に調量するのは不可能である。このようなエージング作用のほかに、たとえば噴射弁領域における温度変動によっても圧電アクチュエータの電気的な容量に変化が引き起こされ、このことから、噴射弁による燃料もしくは他の流体の調量にあたり、あるいは一般的にはアクチュエータのポジショニングにおいて、不精確な結果が生じてしまう。しかも、たとえばある特定の内燃機関における様々なすべてのシリンダに対応づけて設けられている種々の噴射弁どうしの固体のばらつきによって、燃料噴射にあたりシリンダ固有の偏差が生じてしまい、このこともやはり望ましくない。
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法において、かなり長い期間が経過しても噴射すべき流体の調量における精確さが高まるようにし、エージングに起因する噴射弁の変化が少なくとも部分的に補償されるようにすることである。
本発明によればこの課題は、冒頭で述べた形式の方法において、アクチュエータが噴射弁の第1の動作状態に対応する初期電圧から出発して噴射弁の第2の動作状態に対応する目標電圧まで、まえもって設定可能な電圧変位だけ電荷積み替えないしは充放電され、すなわち充電または放電されることによって解決される。
調節すべき絶対的な電圧値がまえもって固定的に設定される噴射弁の圧電アクチュエータにおける慣用の駆動制御に対し、本発明のように電圧変位を考慮することにより、つまりアクチュエータに対する初期電圧と目標電圧との電圧差を考慮することにより、たとえば噴射弁もしくはそのコンポーネントの特性が変化したとしても、噴射弁の望ましい動作状態をきわめて精密に調整できるようになる。本発明によって認識された点は、圧電アクチュエータにより作用の及ぼされるアクチュエータ行程はアクチュエータ電圧の対応する電圧変位にほぼ比例しており、これは圧電アクチュエータの経年作用ないしはエージング作用あるいはたとえば圧電アクチュエータの電気的な容量の温度に起因する変化とは無関係である、ということである。したがって望まし動作状態に対応する電圧変位を適切に制御することにより、圧電アクチュエータをきわめて精確に駆動制御することができ、ひいては噴射弁に対する望まし動作状態を精確に実現することができる。
殊に有利には、本発明による方法の1つの別の実施形態によれば、電圧変位に依存する充放電電流によってまえもって設定可能な充放電時間でアクチュエータを充放電させることができる。このことによって保証されるのは、各充放電過程ごとにまえもって設定可能な充放電時間が必要とされる一方、アクチュエータの充放電に必要とされる充放電電流を相応に選定できることである。さらに有利には、充放電過程中に充放電電流を変化させることにより、第1の動作状態から第2の動作状態への移行にあたり弁ニードルにおいて可能な多数の運動プロファイルを調整することができる。たとえばこれによって、弁ニードルの動作ポジション特性もしくは行程ポジション特性を制御することができ、あるいはさらに複数の噴射弁のもとでそれらの特性を同等に扱うこともできる。
弁ニードルが第1の動作状態において弁座上で静止し、それによって噴射弁が閉鎖されており、初期電圧においてアクチュエータが第1の長さをもつようにした、本発明による方法のさらに別の実施形態によれば、アクチュエータがまえもって設定可能な電圧変位で目標電圧まで放電され、その際、アクチュエータは第1の長さよりも短い第2の長さに向かって短くなり、これによって噴射弁が閉鎖状態から開放状態へ移行する。
本発明によるさらに別の実施形態によれば、噴射弁の開放中であってその完全な開放状態に対応するニードル行程ストッパに到達する前、弁ニードルがアクチュエータに対し反作用を及ぼし、この反作用によりアクチュエータ電圧が反作用電圧だけ高められる状況において有利であるのは、望ましい反作用電圧が生じるよう電圧変位を選定することである。アクチュエータに対し弁ニードルの反作用が及ぼされる原因は、弁ニードルがアクチュエータ通電終了後にも最初はアクチュエータに向かってさらに動いていき、通電終了後には実質的に静止しているアクチュエータに対し相応の力が及ぼされ、この力により圧電効果に従い反作用電圧ないしは反動電圧が引き起こされることによる。
噴射弁開放のために用いられる電圧変位を本発明に従って設定することにより、電圧変位に応じたアクチュエータ変位に対する推定を行えるようになり、つまりは噴射弁開放過程中もしくはアクチュエータ通電中に弁ニードルが辿る経路ないしは距離に対する推定を行えるようになる。アクチュエータ放電ないしは噴射弁開放に用いられる電圧変位が比較的大きい場合、弁ニードルはアクチュエータ駆動制御中にすでに、弁座から離れてニードル行程ストッパに向かうまでそれ相応に比較的大きい経路ないしは距離を辿っているので、その後、弁ニードルはニードル行程ストッパまで比較的僅かな経路を辿るだけでよく、この場合には相応に比較的僅かな反作用電圧が生じる。噴射弁開放過程に対する電圧変位が比較的小さく選定されている場合には通電終了後、弁ニードルに関してそのニードル行程ストッパまでそれ相応に大きい距離が生じるので、やはり比較的大きい反作用電圧が発生する。このため本発明に従って電圧変位を適切に選定することにより有利には、通電終了後に残されているニードル行程ストッパまでの弁ニードルの距離を、ひいてはニードル行程ストッパに弁ニードルが当接する時点も規定することができるので、たとえば噴射弁の複数の動作サイクルにわたっても、あるいはそれどころか動作期間全体にわたって、燃料の精確な噴射を実現することができる。さらに有利には本発明による方法を、複数の噴射弁における弁ニードルが個々のニードル行程ストッパに到達する時点を同等にするために用いることができ、これによってそれらの噴射特性もしくはそれらの噴射弁により噴射される流体量を互いに整合させることができるようになる。
有利には、反作用電圧および対応する電圧変位設定を適切に選定することによりたとえば、噴射弁の開放過程全体に対してまえもって設定可能な時間を与えることができる。
本発明による方法のさらに別の格別有利な実施形態によれば、アクチュエータの通電が終了したときに弁ニードルが弁座および/またはニードル行程ストッパに到達するよう、電圧変位が選定される。本発明によって認識された点は、このようなコンフィギュレーションにおいてはアクチュエータに及ぼされる弁ニードルの反作用は実質的に発生しないことであり、したがって有利なことにたとえば既述の反作用電圧作用を考慮する必要がなく、それによってアクチュエータ駆動制御における精度がさらに高められることになる。反作用電圧が発生しなければ殊に、アクチュエータの駆動制御に対しさらに大きい電圧範囲も適用できるようになり、つまり有効に利用可能な電圧変位がさらに大きくなる。
アクチュエータ電圧の1次時間微分の絶対値が、アクチュエータ通電終了と、アクチュエータ通電終了以降のアクチュエータ電圧の1次時間微分における最初の極性符号変化との間で最小となるよう、アクチュエータの駆動制御に対する電圧変位を選定すれば、弁座もしくはニードル行程ストッパへの到達がアクチュエータ通電終了と同時に発生する既述のコンフィギュレーションを、きわめて精確に実現することができる。
本発明による方法のさらに別の有利な実施形態によれば、噴射弁が開放状態から閉鎖状態へ移行するのに必要とされる電荷積み替え時間ないしは充放電時間が閉ループ制御され、これによって噴射弁ないしは圧電アクチュエータの特性が変化したときでも充放電時間の精確な遵守が確実に行われるようになる。
殊に有利には本発明のさらに別の実施形態によれば、弁ニードルが初期ポジションから弁座まで動いていく期間である望ましい閉鎖時間に依存して、充放電時間を選定することができる。
有利には、本発明による電圧変位制御は噴射弁の各動作サイクルごとに行われ、それによって著しく高い制御精度が実現される。有利には既述の充放電時間も、噴射弁の各サイクルごとに制御することができる。
反作用電圧の制御、および/またはアクチュエータ通電終了とアクチュエータ通電終了以降のアクチュエータ電圧の1次微分の最初の極性符号変化との間におけるアクチュエータ電圧の1次微分の制御、および/または閉鎖時間の制御は、本発明によれば有利には噴射弁のn番目の動作サイクルごとに行われ、ここでn>1である。このようにすることで、該当する制御方法における対応するステップを噴射弁の各動作サイクルごとには実行しなくてもよくなり、これによって殊に、たとえば噴射弁を制御する制御装置に組み込まれており制御方法を実行する計算ユニットのリソースに留意が払われ、ないしはリソースが節約される。
とりわけ重要であるのは、本発明による方法をコンピュータプログラムの形態で実現することであり、このコンピュータプログラムは制御装置のコンピュータないしは計算ユニットにおいて実行可能であり、本発明による方法の実施に適したものである。コンピュータプログラムをたとえば電子記録媒体に記憶させておくことができ、この場合、記録媒体自体をたとえば制御装置内に収容させておくことができる。
その他の利点、特徴ならびに詳細な点は以下の説明に示されており、以下では図面を参照しながら本発明の様々な実施例について説明する。特許請求の範囲および明細書で言及されている特徴はそれぞれ単独であっても、あるいは任意の組み合わせであっても、本発明の本質を成し得るものである。
本発明による方法を実施するための燃料噴射弁に関する1つの実施例を示す断面図 図1に示した燃料噴射弁における圧電アクチュエータのアクチュエータ電圧に関する時間経過特性を示す図 圧電アクチュエータのアクチュエータ電圧の時間経過特性を圧電アクチュエータおよび対応するアクチュエータ行程の時間経過特性とともに示す図 圧電アクチュエータにおけるアクチュエータ電圧の1次時間微分ないしは1次時間導関数の時間経過特性を示す図 圧電アクチュエータにおけるアクチュエータ電圧の2次時間微分ないしは2次時間導関数の時間経過特性を示す図 本発明による方法の第1の実施形態を実現するためのコントローラ構造を示す機能ブロック図 本発明による方法のさらに別の実施形態を実現するためのコントローラ構造を示す機能ブロック図 圧電アクチュエータのアクチュエータ電圧の時間経過特性に関するさらに別の実施例を示す図 圧電アクチュエータのアクチュエータ電圧の時間経過特性に関するさらに別の実施例を示す図 圧電アクチュエータのアクチュエータ電圧の時間経過特性に関するさらに別の実施例を示す図 本発明による方法の第3の実施形態におけるさらに別のコントローラ構造を示す機能ブロック図
図1には、燃料噴射弁10として形成された自動車内燃機関の噴射弁が示されており、これには圧電アクチュエータ12が設けられている。圧電アクチュエータ12は、図1に矢印で示されているように制御装置20により駆動制御される。さらに燃料噴射弁10は弁ニードル13を有しており、これは燃料噴射弁10のケーシング内部における弁座14aに載置可能である。
弁ニードル13が弁座14aから持ち上げられると、燃料噴射弁10が開放されて燃料が噴射される。図1にはこの状態が描かれている。燃料噴射弁10が完全に開放された状態は、領域14bに配置されている詳しくは描かれていないニードル行程ストッパに弁ニードル13が当接していることで表される。その際、このニードル行程ストッパは、弁ニードル13がその弁座14aからさらに離れつまりはアクチュエータ12に向かって移動するのを阻止する。弁ニードル13が弁座14a上に載置されているときには、噴射弁10は閉鎖されている。つまり図1に示されているように弁ニードル13が辿ることのできる垂直方向に延在する行程路全体は、一方の側では弁座14aにより制限されており(閉鎖ポジション)、他方の側では領域14bにおけるニードル行程ストッパによって制限されている(開放ポジション)。
閉鎖状態から開放状態への移行は、圧電アクチュエータ12によって引き起こされる。この目的で、以下ではアクチュエータ電圧Uとも称する電圧がアクチュエータ12に印加され、この電圧によってアクチュエータ12内に配置されている圧電積層体の長さに変化が引き起こされ、さらにこの長さの変化が燃料噴射弁10の開放もしくは閉鎖に利用される。
燃料噴射弁10はさらに液圧式結合器15を有している。液圧式結合器15は、燃料噴射弁10内部に配置されていて結合器ケーシング16を有しており、このケーシング16内に2つのピストン17,18が案内されている。ピストン17はアクチュエータ12と接続されており、ピストン18は弁ニードル13と接続されている。これら両方のピストン17,18の間に容積体19が含まれており、この容積体19はアクチュエータ12によって引き起こされる力を弁ニードル13に伝達する。
結合器15は、圧力の加えられている燃料11によって取り囲まれている。容積体19も同様に燃料で満たされている。両方のピストン17,18と結合器ケーシング16との間の案内スペースを介して、容積体19をかなり長い期間にわたってそのつど生じるアクチュエータ12の長さに整合させることができる。ただしアクチュエータ12の長さが短期間変化した場合には、容積体19はほぼ変わらないままであり、アクチュエータ12の長さの変化は弁ニードル13に伝達される。
図2aには、図1に示した噴射弁10の圧電アクチュエータ12を駆動制御するためのアクチュエータ電圧Uの時間経過特性が示されている。図2aに示されているように本発明による方法によればアクチュエータ電圧Uは時点t0以降、初期電圧U0から出発して双方向矢印ΔUによりシンボリックに表されている電圧変位だけ、相応の目標電圧U1に向かって低減される。この目標電圧U1は図2aからもわかるように、時点t1において圧電アクチュエータ12(図1)に加わるものである。時点t1において、図2には示されていないアクチュエータ12への給電も行われ、つまり電圧変位ΔUに対応する放電電流がアクチュエータ12に加わる。ただしこの時点t1では、弁ニードル13は結合器ケーシング16の領域に設けられている自身のニードル行程ストッパ14bへ向けてさらに動いていき、その際にそれ相応の力が圧電アクチュエータ12に及ぼされる。この力は以下では反動電圧ないしは反作用電圧とも称する電圧ΔURによって測定技術的に捕捉可能であり、この電圧ΔURはアクチュエータ12の本来のアクチュエータ電圧Uに重畳され、したがって本来のアクチュエータ電圧を変化させる。図2aに示されている時点t2において、弁ニードル13はそのニードル行程ストッパ14bに到達し、これによって弁ニードル13は静止位置をとり、この静止位置は噴射弁10が完全に開放された状態に対応する。したがってこの場合、弁ニードル13はアクチュエータ12に対しそれ以上は圧力を及ぼさず、時点t2以降、時間が経過しても一定の電圧Upが発生し、この電圧を平坦電圧とも称する。
これに続く時点t3から、圧電アクチュエータ12が新たに駆動制御され、圧電アクチュエータ12はたとえば相応の充電電流により充電され、その結果、時点t5に至るまで、アクチュエータ電圧Uは再び初期電圧U0の値に向かって増大する。充電中、アクチュエータ12には既述のような長さの変化が生じ、この長さの変化によって弁ニードル13はニードル行程ストッパ14bにおける静止位置から再び弁座14aに向かって動いていき、これによって噴射弁10の閉鎖ポジションつまりその閉鎖動作状態が表される。充電後すなわち時点t5以降、噴射弁は新たな動作サイクルに備えた状態となる。
これに加えて図2bには、測定技術的に捕捉されたものであり図2aに描いた状況と同等のアクチュエータ12のアクチュエータ電圧Uに関する時間経過特性が、電荷積み替え電流すなわち充放電電流Iの時間経過特性とともに描かれており、この充放電電流Iはインターバル(t0:t1ないしはt3;t5、図1)の間、アクチュエータ12に供給される。図2bには、行程経過特性hすなわち弁ニードル13が実際に辿った変位も示されている。
本発明によれば、まえもって設定可能な電圧変位ΔU(図2a)もしくは相応の充放電電流Iによるアクチュエータ12の充放電すなわち充電または放電によって、弁ニードル13のきわめて精密な駆動制御が可能となり、ひいてはたとえば噴射弁10によるきわめて精密な燃料調量が実現される。本発明によれば、アクチュエータ12の放電過程中に生じさせるべき電圧変位ΔUを実現するために、調節すべき電圧変位ΔUsollに依存して放電電流IEを調整する制御方法が用いられる。図4aには、これに対応する制御方法が示されている。
図4aに示されているコントローラの第1部分R1は調節すべき電圧変位ΔUsollを目標量として受け取り、この目標量ΔUsollは詳しくは示されていない減算器において、実際に発生した電圧変位ΔUistといっしょに処理されて、対応する制御偏差が形成される。制御偏差は機能ブロック30へ供給される。この機能ブロック30を特性曲線もしくは特性マップとして構成しておくことができ、制御偏差ΔUsoll−ΔUistが最小化されるよう圧電アクチュエータ12を後続の制御サイクルにおいて駆動制御すべき放電電流IEへ、制御偏差を変換する。放電電流IEは噴射弁を表す機能ブロック10へ供給され、放電電流IEによる駆動制御によって生じた量すなわちアクチュエータ電圧Uおよびアクチュエータ電流Iがたとえば測定技術的に制御装置20(図1)により捕捉され、これらの量は有利にはやはり制御装置20内で実現されている評価ユニット25へ供給される。
評価ユニット25は一方では、測定技術的に捕捉されてこのユニットへ供給された量U,Iから実際の電圧変位ΔUistを求め、たとえばこれは初期電圧U0から目下のアクチュエータ電圧Uを減算することにより行われる。他方、評価ユニット25はそこへ供給された量U,Iから、あとで詳述する実際量ΔURistも求める。
既述の制御回路R1により、噴射弁10を開放するためにアクチュエータ12の放電過程中、望ましい電圧変位ΔUの効率的な制御が行われる。たとえばアクチュエータ12を充電するためにも、殊に噴射弁10を開放状態から閉鎖状態に移行させる目的で、同等の電圧変位ΔUを用いることができる。この場合も、既述のコントローラR1を使用することができる。電圧変位ΔUを本発明に従って制御することにより、圧電アクチュエータ12および/または噴射弁10における他のコンポーネントのエージング作用に左右されることなく、望ましいアクチュエータ行程hを確実に生じさせることができる。
噴射弁10の弁ニードル13が自身のニードル行程ストッパ14b(図1)に実際に到達する時点であり図2aにおいて参照符号t2で表されている時点は、噴射弁10の動作を精密に制御するために非常に重要であるので、本発明による駆動方法によれば、電圧変位ΔUの既述の調整のほか、反作用電圧ΔURの調整も行われる。
本発明に従って電圧変位ΔUをまえもって設定することにより、アクチュエータ12の規定された充放電のほか有利には、放電のために設けられている通電時間t0〜t1の間、弁ニードル13が弁座14aにおけるその閉鎖ポジションからどれだけの距離を辿ったかが求められる。これと同時に、弁ニードル13が時点t〜tにおいて辿ることになるニードル行程ストッパ14bに至るまでの弁ニードル13の残りの距離も求められる。
通電時間もしくは充放電時間t1〜t0は既知でありたとえば制御装置20によって設定されるので、このようにして電圧変位ΔUを選定することにより全開放時間t2〜t0も調整することができ、つまり時点t=t0における駆動制御開始時点と時点t=t2におけるニードル行程ストッパ14bへの弁ニードル13の当接時点との間の時間を調節することができる。
開放時間t2〜t0の調整は、やはり図4aに描かれている付加的な調整回路R2によって実現される。望まし開放時間t2〜t0に応じて、目標値ΔURSollが設定される。この目標値ΔURSollにより望ましい反作用電圧ΔURが決まり、したがってt2〜t1の時間差ひいてはt2自体にも影響が及ぼされる。既述の説明と関連して、評価ユニット25が受け取る実際値ΔURistによって、反作用電圧に関する調整偏差ΔURsoll−ΔURistが形成され、この調整偏差は機能ブロック31へ供給され、これによって本発明に従い調整すべき電圧変位ΔUに対する相応の目標値に変換される。
つまり図4aに示されている本発明による調整回路R1とR2の組み合わせによりそれらの共働を通して、開放時間t2〜t0に対応する反作用電圧の設定が可能となり、この反作用電圧は既述のようにアクチュエータ12を放電させるための相応の電圧変位ΔUと一致している。
図3aによる詳細図には、図2aのほぼt〜tの間の時間範囲におけるアクチュエータ12に対するアクチュエータ電圧Uの時間経過特性が示されている。図3aにおいて参照符号tBEの付されている時点はアクチュエータ12の通電終了を表し、したがって図2aにおいて参照符号t1の付された時点に対応する。本発明によれば、アクチュエータ電圧の1次時間微分
Figure 2010512485
において通電終了時点tBE後に発生する最初の極性変化が評価され、これは弁ニードル13によるニードル行程ストッパ14bへの到達を表す特徴として捉えられ、したがってこれによって図2aによる時点t2を求めることができる。1次時間微分
Figure 2010512485
におけるこの最初の極性変化は、図3aによるシナリオによれば時点tvzwにおいて発生する。本発明によれば時点tvzw(図2aによるt2)において、ΔURistに対する実際値が求められ(図4a参照)、これが既述の制御に用いられる。アクチュエータ電圧Uにおける1次時間微分
Figure 2010512485
(図3a)の評価は、コントローラR1によるアクチュエータ電圧Uの単純な監視よりも多くの計算が必要であるため、コントローラR2(図4a)において実現される方法を、噴射弁10のn番目の動作サイクルごとにのみ実行するのが有利であり、ここでn>1であり、つまりたとえばn=4であれば、4番目の放電過程ごとに実行される。
本出願人が調べた結果によれば、制御装置20内に設けられておりコントローラR1,R2の制御方法が実装される計算ユニットに対し不必要に高い計算パフォーマンスを要求することなく、望ましい反作用電圧ΔURの調整にあたりこれによって十分に高い精度が得られる。
アクチュエータ12におけるアクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
の評価のほかに、ニードル行程ストッパ14bへの到達の等価の識別は、たとえばアクチュエータ電圧Uの2次時間微分
Figure 2010512485
の分析あるいは当業者に知られている同等の手法によって行うことができる。
本発明による方法のさらに別の有利な実施形態によれば、噴射弁10がその開放状態から閉鎖状態へ移行するのに必要とされる充放電時間が制御される。
該当する充放電時間は、図2aによれば時点t3〜t5の時間差として示されている。
本発明による充放電時間の制御によって噴射弁10の著しく精密な閉鎖が可能となり、有利には図4bに示されている制御構造によってこれを実現することができる。噴射弁10をその開放状態(時点t3)から完全に閉鎖された状態(t5)へ移行させる調整すべき充放電時間は、図2aによれば双方向矢印Δt35istでシンボリックに示されている。
この充放電時間のための相応の目標値t35sollは図4bに示されているコントローラR3へ供給され、評価ユニット25により求められた実際値Δt35istといっしょにそれ自体周知のやり方で処理されて相応の制御偏差が形成され、これが後続の機能ブロック32へ供給される。機能ブロック32はこの制御偏差を充電電流ILに変換し、望ましい充放電時間Δt35sollを守るために、充放電時間t5〜t3の間、この充電電流ILによってアクチュエータ12が充電される。図4aに示したコントローラR1を参照しながらすでに説明したように、図4bに示されている充電電流ILも噴射弁をシンボリックに表す機能ブロック10に作用を及ぼし、この場合、実際に生じる値Uを既述のように測定技術的に評価ユニット25により捕捉して処理することができる。制御回路R3の制御品質を向上させるため、制御偏差Δt35soll−Δt35istの形成にあたり補正値Kも考慮することができ、これは制御偏差ΔUsoll−ΔUistに依存しており、したがってたとえばコントローラR1(図4a)から得られる。有利には補正値Kによって、たとえば電圧変位ΔUが大きくなったときにそれに応じてアクチュエータ12を充放電するための充放電時間も変化することが考慮される。
充放電時間の終了時点t5(図2a)において、アクチュエータ12は再びその出発電圧U0まで充電され、新たな動作サイクルに備えた状態となり、すなわち後続の放電のためにスタンバイ状態となる。
ただし一般的に弁ニードル13は充放電期間t5〜t3においてすでに早めの時点t4でその弁座14a(図1)に到達する。つまり完全に閉鎖された噴射弁10の動作状態は、以下では閉鎖時間t4〜t3と称する時間後に達成されている。弁座14aに到達したときにも弁ニードル13によって、開放過程もしくは行程ストッパ14bへの到達に関連してすでに説明した反作用がアクチュエータ12に及ぼされ、この反作用はアクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
の変化すなわち変曲点として捕捉することができる。
本発明によれば実際の閉鎖時間t4〜t3の精確な制御は、充放電時間Δt35sollに関して望ましい閉鎖時間Δt34sollに対応する値を設定することによって行われる。これはやはり図4bに示されているコントローラR4によって行われ、それに対応する制御偏差Δt34soll−Δt34istが機能ブロック33において充放電時間に対する適切な目標値Δt35sollに変換される。
コントローラR1,R2(図4a)と同様、有利には噴射弁10の動作サイクルごとに、すなわちアクチュエータ12の充電過程ごとに、やはりコントローラR3をアクティブにしておく一方、コントローラR4を有利にはアクチュエータ12のn番目の充電過程ごとにアクティブにしておくことができる。このことが殊に有利である理由は、弁ニードル13がその弁座14aに当接する時点である時点t4の本発明による識別は、アクチュエータ12のアクチュエータ電圧Uにおける2次時間微分
Figure 2010512485
の評価に基づくものであり、したがってこの識別のためにはコントローラR3において用いられる量U,Iの処理よりも多くの計算が必要とされるからである。
アクチュエータ電圧Uの時間微分がコントローラR1,R3内に示されている評価ユニット25によって求められるかぎり、相応にこの種の計算は、コントローラR1,R3の動作に必要とされるその他の量の計算が既述のように有利には各動作サイクルごとに行われるにもかかわらず、n回おきの動作サイクルにおいてのみ行われる。
図3bには、アクチュエータ12におけるアクチュエータ電圧Uの2次時間微分ないしは2次時間導関数
Figure 2010512485
の時間経過特性が詳しく示されている。本発明によれば、2次時間微分
Figure 2010512485
の局所的な最大値が閉鎖時点tschliess(図2aによるt4)を表す特徴として捉えられる。図3bには、t=tschliessにおける2次時間微分
Figure 2010512485
の相応の局所的最大値が示されている。
したがって図4bに示されているコントローラ構造における評価ユニット25は、2次時間微分
Figure 2010512485
を評価し、閉鎖時点tschliess(図3b)を求め、そこから図4bに示されているように量Δt34istを形成する。
噴射弁10の閉鎖過程中、充放電時間t5〜t3に対する本発明による制御方法を用いることによって、実際の閉鎖時点t4〜t3のきわめて精確な調整が可能となる。
代案として、図3bに示されている実際の閉鎖時点tschliessの評価を、アクチュエータ電圧Uの1次時間微分の分析または当業者に知られている周知の手法によって行うこともできる。
図5aおよび図5bには、噴射弁10の動作時に発生する可能性のあるアクチュエータ電圧Uのさらに別の時間経過特性が示されている。
図5aおよび図5bの双方に示されているのは、アクチュエータ12の放電中、噴射弁10の開放過程において時点t7のところで、殊に時点t7直後に、アクチュエータ電圧Uの変動が発生することであり、この変動は既述の反作用電圧と同様、液圧コンポーネントもしくは弁ニードル13がアクチュエータ12に及ぼす反作用に起因して発生する。アクチュエータ電圧Uのこのような変動は望ましくないものであり、本発明による動作方法に関するさらに別のきわめて有利な実施形態によれば、効果的に回避される。
本発明によれば、アクチュエータ12の通電が終了したときに弁ニードル13が弁座14aおよび/またはニードル行程ストッパ14bに到達するよう、アクチュエータ12の駆動制御を行えば、アクチュエータ電圧Uの既述の変動が生じない、ということが判明した。アクチュエータ12のこのような駆動制御を達成する目的で、本発明による動作方法の格別有利な実施形態によれば、アクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
もしくはその絶対値が、アクチュエータ12の通電終了時点tBE(図3a)とアクチュエータ12の通電終了時点tBE以降のアクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
の最初の極性符号変化時点tvzw(図3a)との間で最小となるよう、電圧変位ΔUが選定される。
つまり本発明による方法によれば、アクチュエータ12におけるアクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
が分析され、着目している時間範囲tvzw〜tBEにおいてこれが最小化され、この時点において弁ニードル13が弁座14aもしくはニードル行程ストッパ14bに当接する。まえもって固定的に定められている充電時間もしくは放電時間に基づき、たとえばそれぞれ充電時間もしくは放電時間の終了時に、アクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
が求められる(図6によるコントローラR5,R6の量Uistを参照)。アクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
を最小化するために、目標値
Figure 2010512485
として値ゼロがセットされ、対応する制御偏差がコントローラR6の機能ブロック26へ供給される。本発明によれば機能ブロック26によって、先行するたとえば過去3回の噴射弁10の動作サイクルにおける制御偏差の平均値が形成される。この平均値は後段に接続された機能ブロック35により、本発明に従い調整すべき電圧変位ΔUsollの目標値に変換され、この目標値によって、個々の充放電過程の終了時におけるアクチュエータ電圧Uの1次時間微分
Figure 2010512485
が本発明に従い最小化される。
有利にはこのことによって保証されるのは、まえもって固定的に設定された充放電時間内でそのつどそれらの終了時(図5a,図5b,図5cの時点t7)に、アクチュエータ12の通電が終了する一方、弁ニードル13がその行程経路を制限する個々の部材14a,14bに接触することである。
図6に示されている本発明による制御方法を使用した場合、場合によっては生じる可能性のある反作用電圧(図2a参照)をもはや考慮する必要がない。したがって、図4aに示されているコントローラR2をそのまま図6に示されているコントローラR6によって置き換えることができる。コントローラR5における機能ブロック34はその機能の点で、コントローラR1(図4a)の機能ブロック30に対応する。有利には本発明による方法において、アクチュエータ電圧Uの代わりに対応するフィルタリングされた量を用いることもできる。
コントローラR6(図6)の機能ブロック26によって制御偏差の平均値を形成するのと同様、コントローラR2(図4a)、R4(図4b)においても、個々のコントローラの安定性を高める目的で、該当する制御偏差の平均値形成を行うことができる。
コントローラR2(図4a)もしくはR4(図4b)は、それぞれ対応して後段に接続されたコントローラR1もしくはR3に対する目標値を変化させ、あるいは目標値を形成するので、後段に接続されたコントローラR1,R3を上位のコントローラR2,R4よりも高速に動作するよう設計するのが有利である。既述のようにこのことをたとえば、有利にはそのつどn番目の動作サイクルにおいてのみアクティブ状態となる上位のコントローラR2,R4のサイクルタイムの適切な設定によって行うことができる。その際、後段に接続されているコントローラR1,R3による著しく高速な制御という点で、有利には個々の制御偏差の平均値形成も行われない。
一般に、コントローラR1〜R4に対し既述の動作目的に適したあらゆる任意の特性をもたせることができ、殊にP(比例)特性および/またはI(積分)特性が考慮の対象となる。
本発明による方法によれば、電圧変位ΔUの制御により有利にはたとえば電圧変位ΔUの精確な一定保持が可能となり、したがってたとえば動作中に発生するアクチュエータ12の特性の温度に起因する変化が、実際に噴射される燃料量に合わせて低減され、あるいは完全に補償される。つまり、まえもって設定可能であり有利には一定の値に向けて電圧変位ΔUを本発明に従って制御することにより、所定の対応する放電時間と関連して、有利には燃料噴射弁10の噴射特性ひいては噴射される燃料量の温度補償を行うことができる。
たとえば電気的な容量の変化などアクチュエータ12の温度に依存する変化は、充放電時間Δt35sollにも作用を及ぼす。この場合も、温度補償を実現するために、つまりたとえばまえもって設定された充放電時間Δt35sollの一定保持を実現するために、本発明による充放電時間Δt35sollの制御を用いることができる。
対応する電流IE,ILをダイレクトに制御するのは、電流の測定技術的捕捉の精度が一般的に比較的低い精度であることに起因して不利であるが、本発明に従って電圧変位と充放電時間を制御量として使用することにより、さらに有利にはそのような電流のダイレクトな制御が回避される。これに対し本発明による制御に必要とされる量すなわちアクチュエータ電圧Uと時間tを著しく精確に捕捉することができ、これによって相応に精密な制御を行うことができる。

Claims (13)

  1. 噴射弁(10)たとえば自動車内燃機関の燃料噴射弁の作動方法において、
    前記噴射弁(10)は圧電アクチュエータ(12)を有しており、該圧電アクチュエータ(12)は、該アクチュエータ(12)とたとえば液圧式に結合された弁ニードル(13)を駆動し、
    該アクチュエータ(12)は、前記噴射弁(10)の第1の動作状態に対応する初期電圧(U0)から出発して前記噴射弁(10)の第2の動作状態に対応する目標電圧(U1)に向かって、まえもって設定可能な電圧変位(ΔU)だけ充放電され、すなわち充電または放電されることを特徴とする、
    噴射弁(10)の作動方法。
  2. 前記アクチュエータ(12)は、まえもって設定可能な充放電時間内で前記電圧変位(ΔU)に依存する充放電電流によって充放電される、請求項1記載の方法。
  3. 前記弁ニードル(13)は前記第1の動作状態において弁座(14a)上に静止していて、前記噴射弁(10)は閉鎖されており、前記アクチュエータ(12)は前記初期電圧(U0)において第1の長さを有しており、
    該アクチュエータ(12)は前記目標電圧(U1)に向かって、まえもって設定可能な電圧変位(ΔU)だけ放電されて、該アクチュエータ(12)は前記第1の長さよりも短い第2の長さに向かって短くなり、前記噴射弁(10)は閉鎖状態から開放状態へ移行する、
    請求項1または2記載の方法。
  4. 前記弁ニードル(13)は前記噴射弁(10)の開放中、該噴射弁(10)の完全な開放状態に対応するニードル行程ストッパ(14b)に到達する前、前記アクチュエータ(12)に対し反作用を及ぼし、該反作用によりアクチュエータ電圧(U)が反作用電圧(ΔUR)だけ高められ、
    前記電圧変位(ΔU)の選定によって、望ましい反作用電圧(ΔUR)が生じる、
    請求項3記載の方法。
  5. 前記反作用電圧(ΔUR)は、前記噴射弁(10)の開放過程に対しまえもって設定可能な時間に依存して選定される、請求項4記載の方法。
  6. 前記電圧変位(ΔU)は、前記アクチュエータ(12)の通電が終了したときに前記弁ニードル(13)が弁座(14a)および/またはニードル行程ストッパ(14b)に到達するよう選定される、請求項1から5のいずれか1項記載の方法。
  7. 前記電圧変位(ΔU)は、前記アクチュエータ電圧(U)の1次時間微分の絶対値が、前記アクチュエータ(12)の通電終了と、前記アクチュエータ(12)の通電終了以降における前記アクチュエータ電圧(U)の1次時間微分の最初の極性符号変化との間で最小となるよう選定される、請求項6記載の方法。
  8. 前記噴射弁(10)が開放状態から閉鎖状態へ移行するのに必要とされる充放電時間が制御される、請求項1から7のいずれか1項記載の方法。
  9. 前記充放電時間は望ましい閉鎖時間に依存して選定され、該閉鎖時間内で前記弁ニードル(13)は初期位置から前記弁座(14a)まで移動する、請求項8記載の方法。
  10. 前記電圧変位(ΔU)の制御は有利には前記噴射弁(10)の動作サイクルごとに行われる、請求項1から9のいずれか1項記載の方法。
  11. a)前記反作用電圧(ΔUR)の制御、および/またはb)前記アクチュエータ(12)の通電終了と該アクチュエータ(12)の通電終了以降の前記アクチュエータ電圧(U)の1次時間微分
    Figure 2010512485
    の最初の極性符号変化との間における該アクチュエータ電圧(U)の1次時間微分
    Figure 2010512485
    の制御、および/またはc)前記閉鎖時間の制御は、前記噴射弁(10)のn番目の動作サイクルごとに行われ、ここでn>1である、請求項4から10のいずれか1項記載の方法。
  12. 請求項1から11のいずれか1項記載の方法を実施するためにプログラミングされていることを特徴とする、コンピュータプログラム。
  13. 請求項1から11のいずれか1項記載の方法を実施するために構成されていることを特徴とする、噴射弁(10)たとえば自動車内燃機関の燃料噴射弁のための制御装置。
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