JP2010512486A - 燃料噴射弁の駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両の内燃機関の燃料噴射弁（１０）がピエゾアクチュエータ（１２）および該ピエゾアクチュエータに結合されて該ピエゾアクチュエータによって駆動される液圧式バルブニードル（１３）を有しており、前記ピエゾアクチュエータの駆動電圧（Ｕ）を評価して前記燃料噴射弁の駆動状態を推論する、燃料噴射弁の駆動方法に関する。本発明によれば、前記駆動電圧の２次の時間導関数および／または前記駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数（ｄｄｕ）が評価される。

Description

本発明は、特に車両の内燃機関の燃料噴射弁がピエゾアクチュエータを有しており、このピエゾアクチュエータがこれに結合されたバルブニードル、有利には液圧式のバルブニードルを駆動する際に、ピエゾアクチュエータの駆動電圧が評価され、燃料噴射弁の駆動状態が推論される、燃料噴射弁の駆動方法に関する。

従来技術
この種の燃料噴射弁の駆動方法は例えば独国出願第１０２００６００３８６１号明細書から公知である。この方法によれば、ピエゾアクチュエータの制御後このピエゾアクチュエータに印加される電圧における設定電圧値からの偏差が検査され、これに応じて燃料噴射弁のノズルニードルの閉鎖時点が推論される。

発明の開示
したがって、本発明の課題は、冒頭に言及した形式の燃料噴射弁の駆動方法を改善し、燃料噴射弁の駆動状態に関する正確な情報を取得できるようにすることである。

この課題は駆動電圧の２次の時間導関数（２次の時間微分）および／または駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数（２次の時間微分）を評価することにより解決される。

本発明の方法の適用される燃料噴射弁の概略的な断面図である。 ａは図１の燃料噴射弁のピエゾアクチュエータの駆動電圧の時間特性図であり、ｂは図１の燃料噴射弁のピエゾアクチュエータの駆動電流の時間特性図である。 ａは開放過程でのピエゾアクチュエータの駆動電圧の２次の時間導関数の時間特性図であり、ｂには閉鎖過程でのピエゾアクチュエータの駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数の時間特性図である。 バルブニードルのストローク運動の時間特性図である。 バルブニードルのストローク運動の時間特性図である。 バルブニードルのストローク運動の時間特性図である。 バルブニードルのストローク運動の時間特性図である。

発明の利点
ピエゾアクチュエータの駆動電圧の２次の時間導関数ないし駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数を評価することにより、ピエゾアクチュエータおよびこれに結合されたバルブニードルの特徴的な駆動状態すなわち燃料噴射弁の駆動状態が正確に推論される。

有利には、燃料噴射弁の開放過程において、２次の時間導関数のゼロ交差、特に正の値から負の値へのゼロ点通過が求められ、特徴的な駆動状態が推論される。本出願人の研究によれば、燃料噴射弁の開放過程において、所定の時間が経過した後にバルブニードルの戻り作用が発生するが、これはピエゾアクチュエータの駆動電圧の２次の時間導関数のゼロ交差によって検出される。バルブニードルの戻り作用は燃料噴射弁の特徴的な駆動状態に相応しており、本発明における評価によって相応の駆動状態が正確に監視される。

また有利には、燃料噴射弁の閉鎖過程において、２次の時間導関数の最大値が求められ、特徴的な駆動状態が推論される。本出願人の研究によれば、燃料噴射弁の閉鎖過程において、バルブニードルが閉鎖位置に到来してその戻り作用が停止することが前述した最大値に相当することが判明した。本発明においてこうした最大値を評価することにより、バルブニードルが閉鎖位置に達する時点が正確に監視される。

簡単かつ正確な評価は、駆動電圧を固定のサンプリング周波数でサンプリングし、得られたサンプリング値から駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数を形成することにより行われる。

特に有利には、駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数は、式
ｄｄｕ［ｋ］＝（ｕ［ｋ＋ｊ］−ｕ［ｋ＋１］）−（ｕ［ｋ］−ｕ［ｋ−ｊ＋１］）
から取得される。ここでｕ［ｋ］は離散的な時点ｋでの駆動電圧のサンプリング値であり、ｊは設定可能な定数であり、例えばｊ＝５である。駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数は前掲した式によって簡単かつ効率的に求めることができる。これにより、例えば燃料噴射弁の駆動制御装置内の計算ユニットを用いて、関連する情報が取得される。本出願人の研究によれば、信号がサンプリングされる場合、数学的に厳密に２次導関数が評価される場合よりも信号特性の折れ曲がり点が正確に識別される。

特に有利には、駆動電圧の２次の時間導関数および／または駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数の評価に基づいて、燃料噴射弁の駆動が閉ループ制御される。このとき、本発明によって得られた燃料噴射弁の駆動状態に関する情報を用いて、時間的に一定の駆動特性が実現され、製造に起因するトレランスや経年劣化などの効果が補償される。

燃料噴射弁の所望の駆動特性を実現するために、有利には、ピエゾアクチュエータの充電電流および／または放電電流、特にこれらの電流の閾値が設定される。

また有利には、ピエゾアクチュエータを充電する充電時間が設定されることにより、ピエゾアクチュエータの駆動電流が後の駆動のために相応の定格出力電圧まで充電されることが保証される。相応に放電時間を設定することもできる。さらに、充放電時間の設定に代えてまたはこれに加えて、所定の駆動電圧を充放電過程の遮断の基準として設定することもできる。

本発明の方法の確実性を高めるには、設定可能な１つまたは複数の時間窓においてのみ評価を行う。

本発明の燃料噴射弁の駆動方法がコンピュータプログラムの形態で実現され、コンピュータまたは制御装置内の計算ユニットにおいて動作することも重要である。当該のコンピュータプログラムは電子記憶媒体に格納され、当該の電子記憶媒体は例えば制御装置に含まれる。

本発明のその他の特徴、実施態様および利点を、図示の実施例に則して以下に説明する。特許請求の範囲および明細書に挙げた特徴はそれぞれ個別にも、また任意に組み合わせても本発明の対象となりうる。

実施例の説明
図１には車両の燃料噴射弁１０が示されている。この燃料噴射弁１０にはピエゾアクチュエータ１２が設けられている。ピエゾアクチュエータ１２は図１に矢印で示されているように制御装置２０によって駆動制御される。さらに燃料噴射弁１０はバルブニードル１３を有しており、このバルブニードル１３はケーシング内のバルブ座１４において停止する。

バルブニードル１３がバルブ座１４から浮揚すると、噴射弁１０が開放され、燃料が噴射される。図１にはこの状態が示されている。バルブニードルがバルブ座１４に達すると、噴射弁１０が閉鎖される。バルブニードルの閉鎖状態から開放状態への移行は、ピエゾアクチュエータ１２によって生じる。このために電圧Ｕがピエゾアクチュエータ１２に印加される。この電圧はピエゾアクチュエータの圧電積層体の長さを変化させる。この長さの変化によって噴射弁１０が開放ないし閉鎖される。

燃料噴射弁１０はさらに液圧式カプラ１５を有する。これに関して、燃料噴射弁１０にはカプラケーシング１６が設けられており、その内部に２つのピストン１７，１８が案内されている。第１のピストン１７はピエゾアクチュエータ１２に接続され、第２のピストン１８はバルブニードル１３に接続されている。２つのピストン１７，１８のあいだの容積部分１９によってアクチュエータ１２からバルブニードル１３へ作用する力が形成される。

液圧式カプラ１５は圧力のかかった燃料１１によって包囲されている。その容積部分１９にも同様に燃料が充填されている。容積部分１９は、２つのピストン１７，１８とカプラケーシング１６とのあいだのガイドスリットにより、比較的長い時間をかけて、ピエゾアクチュエータ１２のそのつどの長さに合わせて変化する。ピエゾアクチュエータ１２の長さの変化が短時間である場合には、容積部分１９はほとんど変化せずにとどまるので、ピエゾアクチュエータ１２の長さの変化はバルブニードル１３には伝達されない。

燃料噴射弁１０の駆動状態に関する情報を取得するために、本発明の方法が例えば図示されていない電子記憶媒体に格納されたコンピュータプログラムの形態で制御装置の計算ユニットによって行われることもある。

図２のａには、ピエゾアクチュエータ１２を駆動する際の駆動電圧Ｕの時間特性図が示されている。当該の駆動電圧Ｕにより図１の燃料噴射弁１０の開放過程および閉鎖過程ひいては燃料噴射が行われる。

駆動過程の開始時ｔ＝ｔ_０において、ピエゾアクチュエータ１２は駆動電圧Ｕ０まで充電されており、ピエゾアクチュエータ１２に結合されたバルブニードル１３はバルブ座１４すなわち閉鎖位置にあって、燃料噴射弁１０は閉鎖されている。

続いて時間ｔ_０〜ｔ_２でのピエゾアクチュエータ１２の放電により、駆動電圧Ｕが低下する。当該の時間でピエゾアクチュエータ１２は相応に収縮し、バルブニードル１３はバルブ座１４から離れる方向へ運動する。本出願人の研究によれば、時点ｔ_２の後、バルブニードル１３から液圧式カプラ１５およびピエゾアクチュエータ１２に対して戻り作用が生じ、時間ｔ_２〜ｔ_４において駆動電圧Ｕが幾らか上昇する。その後、放電過程の終了に相当する時点ｔ_５にいたるまで駆動電圧Ｕはさらに低下する。

続いて、ピエゾアクチュエータ１２は時間ｔ_６〜ｔ_９にわたって充電される。ここで、バルブニードル１３は時点ｔ_７でふたたびバルブ座１４に達し、相応の強さで停止される。これにより、バルブニードル１３からこれに結合されたピエゾアクチュエータ１２への戻り作用が生じ、ピエゾアクチュエータの電気容量が低減される。続いて、駆動電圧Ｕが時点ｔ_７より後の時点ｔ_８で急激に上昇するが、図２のｂからわかるように駆動電流Ｉはそれほど変化しない。充電過程は時点ｔ_９で終了し、駆動電圧Ｕはふたたび次の噴射過程に必要な初期値Ｕ０に達する。

本発明によれば、有利には、駆動電圧Ｕの２次の時間導関数および／または駆動電圧Ｕに基づくパラメータの２次の時間導関数を評価することにより、時点ｔ_４でのバルブニードル１３の戻り作用が識別される。

有利には、駆動電圧Ｕが固定のサンプリング周波数でサンプリングされ、得られたサンプリング値ｕ［ｋ］から駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数ｄｄｕが形成される。サンプリング周波数は例えば２００ｋＨｚである。

個々のサンプリング値ｕ［ｋ］から、駆動電圧Ｕに基づくパラメータの２次の時間導関数が式
ｄｄｕ［ｋ］＝（ｕ［ｋ＋ｊ］−ｕ［ｋ＋１］）−（ｕ［ｋ］−ｕ［ｋ−ｊ＋１］）
によって取得される。ここでｕ［ｋ］は離散的な時点ｋでの駆動電圧のサンプリング値であり、ｊは設定可能な定数であり、例えばｊ＝５である。パラメータｄｄｕの形成は、加算または減算しか必要なく、制御装置２０の計算ユニットによって効率的に実行できるので、特に有利である。

図３のａには、図２のａの時間ｔ_０〜ｔ_５での燃料噴射弁１０の開放過程のパラメータｄｄｕの時間特性が示されており、図３のｂには、図２のａの時間ｔ_６〜ｔ_９での燃料噴射弁１０の閉鎖過程のパラメータｄｄｕの時間特性が示されている。ここで、離散的な時点ｋは図の横軸の時間ｔの所定の値に相応する。

図３のａおよび図２のａに示されているように、本発明のパラメータｄｄｕは時点ｔ_３で正の値から負の値へ変化してゼロ点を通過しており、本発明ではこのゼロ交差が評価される。ゼロ交差の時間位置ｔ_３を求めることにより、摩耗現象または駆動条件の変化に関係なく、燃料噴射弁１０の特徴的な駆動状態を求めることができる。当該の特徴的な駆動状態とは、本出願人の研究によれば、バルブニードル１３のストローク最大幅の１／２の位置に相応する。

つまり、パラメータｄｄｕのゼロ交差の時点ｔ_３は、摩耗現象または駆動条件の変化に関係なく、バルブニードル１３がストローク最大幅の１／２の位置に来る時点を表している。バルブニードルのストローク最大幅の１／２の位置が時間的に駆動電圧Ｕの転換点またはパラメータｄｄｕのゼロ交差に当たることは、前述した燃料噴射弁１０の構成に対して当てはまる。ただし、基本的には、駆動電圧Ｕにおける転換点の発生時にアクチュエータのストロークは最大幅に対する別のパーセンテージ位置を取ることもある。

また、本出願人の研究によれば、図３のｂに示されているように、パラメータｄｄｕに対して、燃料噴射弁１０が閉鎖されているあいだ、図２のａの時点ｔ_７，ｔ_８付近での駆動電圧Ｕの折れ曲がり点に相応する最大値が得られる。つまり、パラメータｄｄｕの最大値が発生する時点ｔ_８を求めることにより、摩耗現象または駆動条件の変化に関係なく、燃料噴射弁１０の実際の閉鎖時点すなわちバルブニードル１３がバルブ座１４に達した時点を求めることができる。

したがって、パラメータｄｄｕの評価に基づいて、摩耗現象または駆動条件の変化、特にアクチュエータ１２の電気容量またはストローク能（バルブ座１４）の変化に関係なく、燃料噴射弁１０の駆動状態が求められる。

特に有利には、燃料噴射弁１０の動作はパラメータｄｄｕまたはその評価結果に応じて制御される。これにより、図３のａのゼロ交差の発生または図３のｂの最大値の発生は固定の時点ｔ_３，ｔ_８へ向かって制御され、相応の駆動状態がつねに時点ｔ_３，ｔ_８で実際に発生するようになる。

これは、開放過程での駆動電圧Ｕの転換点である時点ｔ_３とこれに続く閉鎖過程での特性曲線の折れ曲がり点である時点ｔ_８とが、駆動開始時点ｔ_０からの連続する噴射過程にわたって、時間的に同一視されることを意味する。これにより、燃料噴射弁１０の耐用期間のほぼ全体にわたって一定に維持される噴射量に相応するバルブニードル１３のストロークの時間特性が達成される。アクチュエータ１２の経年劣化や疲労、機械的摩耗などに起因する噴射量の変動が効率的に回避される。

特徴的な駆動状態の時間的調整を達成するために、例えば図２のｂに示されている充放電電流Ｉが相応に調整される。特に、充放電電流Ｉに対して設けられる閾値がパラメータｄｄｕまたはその時間特性に応じて調整される。

アクチュエータ１２を放電後に再び充電するのに必要な充電時間の制御は、アクチュエータ１２が図２のａに示されているように燃料噴射弁１０を時点ｔ_８で実際に閉鎖してから次の燃料噴射過程に必要な駆動電圧Ｕ０まで充電されることにより保証される。

一般に、本発明の方法を用いて求められた駆動状態またはこれに相応する駆動電圧Ｕの時間特性における折れ曲がり点ないし転換点が制御指標として用いられ、駆動開始時点などの種々の調整量に関連づけられる。有利には、燃料噴射弁１０が開放されているあいだの駆動電圧Ｕの転換点は駆動開始時点に結びつけられ、燃料噴射弁１０が閉鎖されているあいだの駆動電圧Ｕの折れ曲がり点は駆動持続時間に結びつけられる。

パラメータｄｄｕのゼロ交差または最大値は設定された時間窓のみで評価されればよく、これにより燃料噴射弁の特徴的な駆動状態が確実に識別されることが保証される。時間窓は有利にはアクチュエータ１２の実際の駆動状態に応じて選択されるので、求めるべき特徴であるゼロ交差または最大値は当該の時間窓において一義的に発生する。例えば図３のａ，ｂには２つの時間窓Ｔ１，Ｔ２が示されている。

図４ａには、種々の駆動条件ないし摩耗状態のもとで、燃料噴射弁の開放時に本発明の方法が適用されない場合のバルブニードル１３のストローク幅ｈの時間特性が全部で４つの曲線として示されている。図４ａに示されているように、駆動条件ないし摩耗状態に応じて、バルブニードルのストローク幅ｈに対してそれぞれ異なる時間特性が発生し、これに相応に種々の噴射量が形成されてしまう。

本発明にしたがって駆動電圧Ｕの転換点を時点ｔ_３へ対応させることにより、図４ｂに示されているように、駆動条件ないし摩耗状態がそれぞれ異なっていても、バルブニードルのストローク幅ｈの時間特性がほぼ一定となる。

図４ｃには、種々の駆動条件ないし摩耗状態のもとで、燃料噴射弁の閉鎖時に本発明の方法が適用されていない場合のバルブニードル１３のストローク幅ｈの時間特性が全部で４つの曲線として示されている。図４ｃに示されているように、駆動条件ないし摩耗状態に応じて、バルブニードルのストローク幅ｈに対してそれぞれ異なる時間特性が発生し、これに相応に種々の噴射量が形成されてしまう。

本発明にしたがって駆動電圧Ｕの折れ曲がり点を時点ｔ_８へ対応させることにより、図４ｄに示されているように、駆動条件ないし摩耗状態がそれぞれ異なっていても、バルブニードルのストローク幅ｈの時間特性がほぼ一定となる。

前述した燃料噴射弁の駆動状態の時間的調整により、燃料噴射弁の耐用期間の全体にわたって、噴射弁の開放状態での噴射速度がほぼ一定となり、燃料噴射量が正確に維持される。

パラメータｄｄｕに基づいて燃料噴射弁１０の特徴的な駆動状態が時間的に調整され、これに応じた閉ループ制御が行われるほか、本発明の方法によれば充放電電流Ｉの調整により所望のバルブニードル動特性が設定される。

図２のａの実施例で時間ｔ_７〜ｔ_９の内部に位置する駆動電圧Ｕの特性曲線の折れ曲がり点は、駆動電流Ｉが高いときに燃料噴射弁の液圧式部品の構成に応じて通電の終了後すなわちｔ＞ｔ_９においても発生している。この場合に、駆動電圧Ｕの折れ曲がり点は前述した本発明の方法により識別され、制御指標として用いられる。

本発明の方法は、有利には、バルブニードル１３が開放過程において停止位置に達する駆動状態の識別に用いられる。図示されていない停止位置はバルブニードル１３の運動の最大幅の位置であり、燃料噴射弁１０が完全に開放された状態に相応する。バルブニードルが停止位置に達すると、バルブニードル１３からピエゾアクチュエータ１２への戻り作用が変化し、本出願人の研究によれば、駆動電圧Ｕの時間変化分が比較的大きくなる。当該の時間変化分は有利には駆動電圧Ｕの２次の時間導関数の局所的最小値として識別される。これにより、本発明の方法を用いて、バルブニードルが停止位置に実際に達したことが検出される。

燃料噴射弁１０の駆動状態に関連して、相応の調整量が設定されると有利にはバルブニードル１３が停止位置に達した時点も制御され、これにより、燃料噴射の際の精度が向上する。特に、バルブニードル１３の停止位置に相応する駆動電圧Ｕの２次の時間導関数の局所的最小値を前述したように評価することにより、複数の燃料噴射弁のバルブニードルの停止位置の時間的調整も相応の制御を介さずに行われる。

前述した実施例では、燃料噴射弁の開放に必要なピエゾアクチュエータ１２への通電は、図２のｂに示されているように、時点ｔ_５で終了する。時点ｔ_５から、バルブニードル１３はさらに開放方向で停止位置へ向かって運動し、ピエゾアクチュエータ１２に対して圧力をかける。これは図２のａに示されているように駆動電圧Ｕが時点ｔ_５の直後に上昇することに相応する。バルブニードル１３が停止位置に達するとただちに駆動電圧Ｕはほぼ一定となり、その後、時点ｔ_６でピエゾアクチュエータ１２への新たな通電が開始されて駆動電圧Ｕが上昇する。

燃料噴射弁および液圧式部品の構造に応じて場合により発生する別の駆動状態も、駆動電圧の変化をともなっているかぎり、本発明の方法により識別することができる。当該の別の駆動状態が発生すると、有利には本発明の制御プロセスによって、複数の燃料噴射弁にわたって噴射量が一定となるように制御が行われる。

Claims (12)

1. 例えば車両の内燃機関の燃料噴射弁（１０）がピエゾアクチュエータ（１２）を有しており、該ピエゾアクチュエータが該ピエゾアクチュエータに結合されたバルブニードル（１３）、有利には液圧式のバルブニードルを駆動する際に、前記ピエゾアクチュエータの駆動電圧（Ｕ）を評価して前記燃料噴射弁の駆動状態を推論する、
   燃料噴射弁の駆動方法において、
   前記駆動電圧の２次の時間導関数および／または前記駆動電圧に基づくパラメータの２次の時間導関数（ｄｄｕ）を評価する
   ことを特徴とする燃料噴射弁の駆動方法。
2. 例えば前記燃料噴射弁が開放されているあいだに、前記２次の時間導関数のゼロ交差、例えば正の値から負の値へのゼロ点通過を求め、特徴的な駆動状態を推論する、請求項１記載の燃料噴射弁の駆動方法。
3. 例えば前記燃料噴射弁が閉鎖されているあいだに、前記２次の時間導関数の最大値を求め、特徴的な駆動状態を推論する、請求項１または２記載の燃料噴射弁の駆動方法。
4. 前記駆動電圧を有利には固定のサンプリング周波数でサンプリングし、得られたサンプリング値（ｕ［ｋ］）から前記駆動電圧に基づくパラメータの前記２次の時間導関数を形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁の駆動方法。
5. 前記駆動電圧に基づくパラメータの前記２次の時間導関数を、式
   ｄｄｕ［ｋ］＝（ｕ［ｋ＋ｊ］−ｕ［ｋ＋１］）−（ｕ［ｋ］−ｕ［ｋ−ｊ＋１］）
   から取得し、ここでｕ［ｋ］は離散的な時点ｋでの前記駆動電圧のサンプリング値であり、ｊは設定可能な定数であり、例えばｊ＝５である、請求項４記載の燃料噴射弁の駆動方法。
6. 前記駆動電圧の前記２次の時間導関数および／または前記駆動電圧に基づくパラメータの前記２次の時間導関数の評価に基づいて、前記燃料噴射弁の駆動を閉ループ制御する、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁の駆動方法。
7. 前記駆動電圧の前記２次の時間導関数および／または前記駆動電圧に基づくパラメータの前記２次の時間導関数の転換点および／または極値、例えば最大値を、一定の時点へ向かって、例えば駆動開始時に向かって、閉ループ制御する、請求項６記載の燃料噴射弁の駆動方法。
8. 前記ピエゾアクチュエータの充電および／または放電に関する充電電流および／または放電電流、例えば該充電電流の閾値および／または該放電電流の閾値を設定する、請求項６または７記載の燃料噴射弁の駆動方法。
9. 前記ピエゾアクチュエータを充電する充電時間を設定する、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料噴射弁の駆動方法。
10. 設定可能な１つまたは複数の時間窓（Ｔ１，Ｔ２）においてのみ前記評価を行う、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射弁の駆動方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料噴射弁の駆動方法を実行するよう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。
12. 例えば車両の内燃機関の燃料噴射弁制御装置において、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料噴射弁の駆動方法を実行することを特徴とする燃料噴射弁制御装置。

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