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

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ΔＵ_Rによって測定技術的に捕捉可能であり、この電圧ΔＵ_R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Ｕ_p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ΔＵ_sollに依存して放電電流Ｉ_E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ΔＵ_sollを目標量として受け取り、この目標量ΔＵ_soll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ΔＵ_ist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ΔＵ_soll−ΔＵ_ist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Ｉ_Eへ、制御偏差を変換する。放電電流Ｉ_Eは噴射弁を表す機能ブロック１０へ供給され、放電電流Ｉ_E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ΔＵ_ist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ΔＵ_Rist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ΔＵ_R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_１〜ｔ_２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ΔＵ_RSollが設定される。この目標値ΔＵ_RSollにより望ましい反作用電圧ΔＵ_R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ΔＵ_Ristによって、反作用電圧に関する調整偏差ΔＵ_Rsoll−ΔＵ_Rist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_１〜ｔ_２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ｔ_BE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

において通電終了時点ｔ_BE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

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ｔ_vzwにおいて発生する。本発明によれば時点t_vzw（図２ａによるｔ₂）において、ΔＵ_Rist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

（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ΔＵ_R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

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

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Δｔ_35ist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ｔ_35soll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Δｔ_35ist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Ｉ_Lに変換し、望ましい充放電時間Δｔ_35sollを守るために、充放電時間ｔ₅〜ｔ₃の間、この充電電流Ｉ_L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Ｉ_L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Δｔ_35soll−Δｔ_35ist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ΔＵ_soll−ΔＵ_ist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

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Δｔ_35sollに関して望ましい閉鎖時間Δｔ_34soll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Δｔ_34soll−Δｔ_34ist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Δｔ_35soll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

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

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

の局所的な最大値が閉鎖時点ｔ_schliess（図２ａによるｔ₄）を表す特徴として捉えられる。図３ｂには、ｔ＝ｔ_schliessにおける２次時間微分

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

を評価し、閉鎖時点ｔ_schliess（図３ｂ）を求め、そこから図４ｂに示されているように量Δｔ_34ist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ｔ_schliess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

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ｔ_BE（図３ａ）とアクチュエータ１２の通電終了時点ｔ_BE以降の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時点ｔ_vzw（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

が分析され、着目している時間範囲ｔ_vzw〜ｔ_BE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

が求められる（図６によるコントローラＲ５，Ｒ６の量Ｕ_istを参照）。アクチュエータ電圧Ｕの１次時間微分

を最小化するために、目標値

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ΔＵ_soll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

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Δt_35soll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Δｔ_35sollの一定保持を実現するために、本発明による充放電時間Δ_ｔ35sollの制御を用いることができる。

対応する電流Ｉ_E，Ｉ_L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（ΔＵ_R）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（ΔＵ_R）が生じる、
   請求項３記載の方法。
5. 前記反作用電圧（ΔＵ_R）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（ΔＵ_R）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
    

    

    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
    

    

    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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