JP2010513782A - 噴射弁の駆動方法 - Google Patents

Abstract

噴射弁（１１）の駆動方法、とりわけ内燃機関の噴射装置の噴射弁（１１）の駆動方法において、該噴射弁（１１）はピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）を含み、該ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）はカプラエレメント（１５）によってバルブニードル（１３）と接続されており、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）に電圧（Ｕ）が印加され、該電圧（Ｕ）は、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の長さ伸長ないし長さ収縮（ｘ）へと導き、前記噴射弁（１１）が閉鎖される場合には、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）に保持電圧（±Ｕ１）が印加される形式の方法。
前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の電圧（Ｕ）は、再充電シーケンスによって前記保持電圧（Ｕ１）へと導かれる。

Description

先行技術
本発明は、噴射弁の駆動方法、とりわけ内燃機関の噴射装置の噴射弁の駆動方法であって、該噴射弁はピエゾ圧電式アクチュエータを含み、該ピエゾ圧電式アクチュエータは、カプラエレメントによってバルブニードルと接続されており、前記ピエゾ圧電式アクチュエータに電圧が印加され、該電圧は、前記ピエゾ圧電式アクチュエータの伸長ないし収縮を導き、前記噴射弁が閉鎖される場合には保持電圧が前記ピエゾ圧電式アクチュエータに印加される形式の方法に関する。さらに本発明は、噴射弁を駆動する手段を備える装置、とりわけ制御装置に関し、さらに前記方法を実施するプログラムコードを備えるコンピュータプログラムに関する。

直接制御されるノズルニードルを備えるコモンレール式ピエゾ噴射システムにおいては、インジェクタを閉鎖状態に保つために、ピエゾアクチュエータが充電されている必要がある。噴射の際にインジェクタを開放するために、アクチュエータが放電される。冒頭に述べた形式のコモンレール式ピアゾ噴射システムは、例えばＤＥ１０２００５０３２８４１から公知である。インジェクタを確実に閉鎖状態に保つためにアクチュエータに印加しなければならない電圧は、レール圧力に依存している。この電圧は、アクチュエータの放電プロセスの開始時に、インジェクタの開放時点に対して、ひいては噴射量に対して影響を与える。ピエゾアクチュエータは、製造に起因して自己放電を有しており、この自己放電により、充電されたアクチュエータの電圧は時間の経過とともに減少する。このことにより開放時点および開放持続時間がずれてしまい、したがって噴射量は、動作点に依存してばらつくこととなる。なぜならアクチュエータの電圧は、どのくらいの間充電ないし放電が行われていなかったか、および、どのくらいの間アクチュエータの通電が行われていなかったか、に依存しているからである。

発明の開示
本発明の課題は、ピエゾ圧電式アクチュエータの自己放電によって引き起こされる、噴射時点および噴射量のばらつきを補償することである。

この課題は、噴射弁の駆動方法、とりわけ内燃機関の噴射装置の噴射弁の駆動方法において、該噴射弁はピエゾ圧電式アクチュエータを含み、該ピエゾ圧電式アクチュエータはカプラエレメントによってバルブニードルと接続されており、前記ピエゾ圧電式アクチュエータに電圧が印加され、該電圧は、前記ピエゾ圧電式アクチュエータの伸長ないし収縮へと導き、前記噴射弁が閉鎖される場合には前記ピエゾ圧電式アクチュエータに保持電圧が印加される形式の方法において、前記ピエゾ圧電式アクチュエータの電圧は、再充電シーケンスによって前記保持電圧へと導かれる、ことを特徴とする方法によって解決される。有利には、前記再充電シーケンスは、少なくとも１回のピエゾ圧電式アクチュエータの通電を含む。通電は、ここではとりわけピエゾ圧電式アクチュエータに電圧を印加することを意味しており、この電圧は電流を流し、ピエゾ圧電式アクチュエータの電荷量および電圧を変化させる。ピエゾ圧電式アクチュエータの自己放電は、本発明の方法によって以下のように補償される。すなわちアクチュエータに、該アクチュエータが保持電圧まで導かれてから経過した時間とは関係なしに、噴射の前に再び保持電圧が印加されていることによって補償されるのである。この保持電圧自体は、電圧領域を示すと理解される。なぜならこの保持電圧も、不精確であることがあるからである。本発明の方法によれば、ピエゾ圧電式アクチュエータの自己放電が補償され、全てのアクチュエータにおける電圧は、そのつどの動作点に合うよう持続的に変化される。これにより以下のことが保証される。すなわち、各インジェクタは、各レール圧力における複数回の駆動制御の間では確実に閉鎖状態に保たれ、起こりうる電圧変動は、所定の動作点における所期の噴射量を形成するために充分であることが保証されるのである。制御装置の初期化後には再充電機能が設けられており、全てのアクチュエータは、スタータ操作の際のレール圧力形成時に、レール圧力に依存する電圧まで充電される。制御装置の後続機能において、全てのアクチュエータが接点保護を保証するために所定の時間内に再びゼロボルトの電圧まで放電されるよう保証する必要がある。この時間が充分に長い場合は、インジェクタは、電圧低下にもかかわらず構造に基づいて閉鎖状態に保たれ、したがって望まない噴射は排除されている。ピエゾアクチュエータにおける持続的な電圧補正の利点は、噴射シーケンスの開始時にはインジェクタは液圧的に定常状態にあるので、噴射量の不変性が保証されているということにある。もしアクチュエータがそれぞれ駆動制御の直前で初めて、動作点に依存した電圧まで充電されるのであれば、アクチュエータとノズルニードルとの間にある液圧式カプラの定常特性によって電圧変動は大きくなり、したがって噴射量許容誤差が大きくなってしまう可能性がある。さらに本発明の方法によれば、アクチュエータは２回の噴射の間において、インジェクタが確実に閉鎖状態に保たれる電圧まで持続的に充電される。

有利には、ピエゾ圧電式アクチュエータの電圧は、噴射弁が噴射開始時に定常状態となるように噴射の前に保持電圧まで導かれる。さらに本発明によれば、前記再充電シーケンスは、少なくとも１つの充電エッジおよび／または少なくとも１つの放電エッジを含む。ここでは、測定されたアクチュエータ電圧に基づいて、該電圧が保持電圧を上回るか下回るか、ひいては充電エッジが使用されるか放電エッジが使用されるかが決定される。再充電シーケンスは有利には、前噴射をトリガするための、制御装置の静的な割り込みによって作動される。択一的に動作点に応じて、再充電シーケンスを、１つの動作サイクルにおけるシリンダでの最後の噴射直後に作動させることもできる。この際、回転数が高い場合に、再充電シーケンスを、１つの動作サイクルにおけるシリンダでの最後の噴射直後に作動させることもできる。制御装置プロセスにおいて、再充電シーケンスは有利には、ピエゾ圧電式アクチュエータの通電のための一定の時間パターンによって実行される。制御装置の後続機能において、ピエゾ圧電式アクチュエータは有利には段階的に放電される。段階的にというのは、ピエゾ圧電式アクチュエータが連続的にではなく、時間的に不連続の通電によって放電されることを意味している。

冒頭に述べた課題は、噴射弁を駆動する手段、とりわけ内燃機関の噴射装置の噴射弁を駆動する手段を備える装置、とりわけ制御装置において、該噴射弁はピエゾ圧電式アクチュエータを含み、該ピエゾ圧電式アクチュエータはカプラエレメントによってバルブニードルと接続されており、前記ピエゾ圧電式アクチュエータに電圧が印加され、該電圧は、前記ピエゾ圧電式アクチュエータの伸長ないし収縮へと導き、前記噴射弁が閉鎖される場合には前記ピエゾ圧電式アクチュエータに保持電圧が印加され、前記ピエゾ圧電式アクチュエータの電圧は、再充電シーケンスによって前記保持電圧へと導かれる、ことを特徴とする装置によって解決される。冒頭に記載された問題は、プログラムがコンピュータ内で実行される場合に、本発明による方法の全てのステップを実施するためのプログラムコードを備えるコンピュータプログラムによっても解決される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

圧電式アクチュエータを有する噴射弁を備える自動車の燃料噴射装置の概略図である。 二重に分極が反転する、圧電式アクチュエータのヒステリシス曲線の概略線図である。 圧電式アクチュエータに印加される電圧を時間に関して示す線図である。 図３の部分Ｄの拡大図である。 本発明の方法の実施例のフローチャートを示す図である。

本発明の実施形態
図１は、自動車の燃料噴射装置を示し、この燃料噴射装置は、制御装置１０と噴射弁１１とを有する。噴射弁１１には圧電式アクチュエータ１２が設けられており、この圧電式アクチュエータ１２は制御装置１０によって制御される。さらに噴射弁１１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、噴射弁１１のケーシング内のバルブ弁座１４において停止する。バルブニードル１３がバルブ弁座１４から浮揚すると、噴射弁１１が開放され、燃料が噴射される。この状態は図１に示されている。バルブニードルがバルブ弁座１４に達すると、噴射弁１１が閉鎖される。閉鎖状態から開放状態への移行は、ピエゾ圧電式アクチュエータ１２によって引き起こされる。このために、アクチュエータ１２に電圧が印加される。この電圧は、ピエゾ積層体の長さ変化を生じさせ、このピエゾ積層体の長さ変化は、噴射弁の開放ないし閉鎖のために使用される。燃料噴射弁１１は液圧式カプラ１５を有する。これに関して、燃料噴射弁１１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はアクチュエータ１２に接続されており、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。これら２つのピストン１７，１８の間にはチャンバ１９が配置されており、このチャンバ１９は、アクチュエータ１２によって生じる力をバルブニードル１３へと伝達するピストン・シリンダシステムを形成する。液圧式カプラ１５は、圧力のかかった燃料によって包囲されている。チャンバ１９の容積部分にも、同様に燃料が充填されている。このチャンバ１９の容積部分は、２つのピストン１７，１８とカプラケーシング１６との間のガイドスリットにより、比較的長い時間をかけて、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。アクチュエータ１２の長さ変化が短時間である場合には、チャンバ１９の容積部分は殆ど変化せずに留まるので、アクチュエータ１２の長さ変化はバルブニードル１３には伝達されない。２つのピストン１７，１８とカプラケーシング１６との間のガイドスリットは弁を形成し、この弁は、種々異なる流れ方向に、またはカプラケーシング１６に対するピストン１７，１８の位置に応じて、種々異なる流れ抵抗ないし流量係数を有する。例えば１つまたは２つのピストンは、種々異なる深さの溝底部を備える溝などを有することができ、ピストン１７，１８とカプラケーシング１６との間の面を効果的に貫流可能に変化させることができる。ピストン１７，１８の動作速度は、例えば、ピストン１７，１８とカプラケーシング１６との間のガイド遊び部によって、または方向に依存した流量係数を備える小さな絞り弁によって相互に調整される。

噴射弁１１は、アクチュエータ１２が比較的長い時間に亘ってヒステリシス曲線４０の任意の点に変化せずに留まる場合には、アクチュエータ１２の動作点に関係なく、常に閉鎖された状態にある。噴射弁１１の開放は、アクチュエータ１２がヒステリシス曲線４０の前記の点から比較的迅速に収縮することによって行われる。噴射弁１１の閉鎖は、アクチュエータ１２が、噴射開始前に位置していた動作点に帰還することによって達成される。

図２は、ピエゾ圧電式アクチュエータに印加される電圧Ｕと、この電圧から結果的に生じるアクチュエータの長さ変化ないし収縮ｘとの関係を示す。この関係は、アクチュエータのヒステリシス曲線２０に示される。アクチュエータがヒステリシス曲線２０の原点に位置すること、すなわちアクチュエータに電圧が印加されておらず、アクチュエータが長さ伸長も収縮も有しないことから出発する。さらに、アクチュエータは目下、正の電圧方向に分極されていることから出発する。ここで、アクチュエータにかかる電圧が負の方向に変化すると、アクチュエータは結果的に収縮する。このことはヒステリシス曲線２０のカーブ２１から明らかとなる。負の電圧−ＵＫに達すると（この−ＵＫはいわゆる保磁力に相当する）、アクチュエータは分極を反転し始める。この負の電圧−ＵＫにおいて、アクチュエータは自身の最大収縮−ｘ２を有する。ここで保磁力に相応する電圧−ＵＫを下回ると、アクチュエータの長さは再び増加する。このことは、ヒステリシス曲線２０のカーブ２２から見て取れる。負の電圧が−Ｕ１であるとき、アクチュエータは自身の最大伸長ｘｌを有する。さらにヒステリシス曲線２０のカーブ２２が進行すると、アクチュエータの分極が反転する。ここで、アクチュエータに印加される電圧が再び正の方向へ増大すると、ヒステリシス曲線２０のカーブ２３が描かれる。アクチュエータの長さは、長さ伸長ｘｌから再び伸縮−ｘ２へと変化する。アクチュエータはこの最大収縮−ｘ２を、正の電圧ＵＫにおいて有する。正の電圧ＵＫを上回るとアクチュエータは再び分極反転し、電圧がさらに高まると、カーブ２４が描かれる。このカーブ２４は正の電圧Ｕ１において終了し、このときアクチュエータは最大伸長ｘｌを有する。ここで、アクチュエータに印加される電圧が減少すると、アクチュエータの長さ伸長は減少する。このことは、ヒステリシス曲線２０のカーブ２５から明らかとなる。このカーブ２５は、原点領域において、再びヒステリシス曲線２０のカーブ２１に移行する。

図３は、本発明の再充電シーケンスの実施例を時間に関して示す線図である。ピエゾ圧電式アクチュエータ１２の電圧Ｕの電圧経過が、時間ｔに関連して示されている。行われた噴射は、電圧Ｕが、より低い電圧レベルＵ６へ低下することによって認識することができる。例えば図３においては、主噴射Ｈならびに２回の前噴射Ｖ１およびＶ２が示されている。各噴射の前に、すなわち主噴射とこれらの前噴射の前に、動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱが形成され、制御装置は、これらそれぞれの割り込みにおいて噴射形成するように指示される。これらの動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱはそれぞれ、所定のクランクシャフト角度に対する制御装置の静的な割り込み（ここではこれは、静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＰＩＬおよび静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＭＩである）から形成される。静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＭＩは、主噴射のための動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱ＿Ｈを決定するために使用される。静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＰＩＬは、第１前噴射Ｖ１を形成するための動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱ＿Ｖ１と、第２前噴射Ｖ２を形成するための動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱ＿Ｖ２とを決定するために使用される。付加的に、再充電シーケンスＮＬの開始を決定するために、静的な割り込みＩＲＱ．ＰＩＬが使用される。再充電シーケンスＮＬは、図３の部分Ｄとして図４に拡大して図示されており、上昇エッジＦＬ１ならびに下降エッジＦＬ２を含んでいる。アクチュエータ１２に印加される電圧Ｕは、電圧Ｕ１よりも低い電圧Ｕ２から出発して、上昇エッジによって保持電圧Ｕ１まで上昇する。下降エッジＦＬ２は、この場合には働きを有しない。ピアゾ圧電式アクチュエータに印加される電圧Ｕが保持電圧Ｕ１よりも高い場合には、上昇エッジＦＬ１は働きを有さず、その代わりに下降エッジＦＬ１によって、電圧は保持電圧Ｕ１まで低減される。再充電シーケンスＮＬの終了と、第１の前噴射を形成するための動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱ＿Ｖ１との間の時間は、以下のようにして選択される。すなわち噴射弁１１が定常状態にあるように、つまり噴射弁、とりわけカプラエレメントがこれ以上調整運動を行わないように、選択されるのである。

再充電シーケンスは、直接連続して実施される充電エッジＦＬ１および放電エッジＦＬ２からなり、これら２つのエッジは、同じ目標電圧、すなわち保持電圧Ｕ１を有する。出力電圧に応じて、２つのエッジのうちの一方のエッジは、目標電圧（ここでは保持電圧Ｕ１）への適合を行い、他方のエッジは働きを有しない。択一的に、ピエゾ圧電式アクチュエータ１２の電圧Ｕを測定し、この電圧が保持電圧Ｕ１を上回るか下回るかを検出することができる。したがって充電エッジＦＬ１または放電エッジＦＬ２は、電圧Ｕが保持電圧Ｕ１まで至るように選択される。電圧Ｕが保持電圧Ｕ１を下回る場合には充電エッジＦＬが使用され、電圧Ｕが保持電圧Ｕ１を上回る場合には充電エッジＦＬ２が使用される。

制御装置の初期化後、回転数閾値ｎ_{ＲＥＣＨＧ}より小さい場合（この回転数閾値においては噴射がトリガされず、したがって回転数割り込みは形成されない）には、アクチュエータ１２の再充電は、時間同期されて所定のパターンにて、例えば１０ミリセカンドパターンにて実行される。

回転数閾値ｎ_{ＲＥＣＨＧ}を上回ると、前噴射の静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＰＩＬが使用され、再充電シーケンスがプログラミングないしトリガされる。再充電シーケンスのプログラミングは、前噴射に応じて行われる。すなわちここでも、動的な割り込みＤＹＮ．ＩＲＱ＿ＮＬが形成されるのである。再充電シーケンスの駆動制御開始は、動作点に依存して適用され、このシリンダにおける噴射シーケンスの第1の駆動制御の前である必要がある。再充電シーケンスと後続する駆動制御との間隔は、使用可能な角度領域を充分に利用して可能な限り大きくあるべきである。これにより、再充電シーケンスと噴射の第１の駆動制御（これは図３においては第１前噴射Ｖ１にあたる）との間の時間が、液圧式カプラエレメント１５を定常状態にするために充分な長さとなることが保証される。

回転数が高い場合に、前噴射の静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＰＩＬと、第１の前噴射Ｖ１との間の時間が、再充電シーケンスをプログラミングするために充分でない場合には、この再充電シーケンスは、先行するシリンダの最後の噴射の後に既にプログラミングされる。この際、そのつどのシリンダにおける最後の駆動制御の時点を決定するために、主噴射の静的な割り込みＳｔａｔ．ＩＲＱ．ＭＩが使用される。

制御装置の後続機能において、アクチュエータ１２は、調整可能な時間内で時間同期されたパターンにて段階的に放電される。このとき電圧段階のレベルは、アクチュエータにおいて低減すべき電圧と、使用される時間パターンにおいてこのために使用可能な時間とから形成される。

図５は、この方法の実施例のフローチャートを示す図である。この方法はステップ１０１において、制御装置プロセスＳＧＶの開始によってスタートする。これにしたがってステップ１０２において、アクチュエータ１２の再充電が、時間同期されて例えば１０ｍｓのパターンでトリガされる。ステップ１０３において、回転数ｎが回転数閾値ｎ_{ＲＥＣＨＧ}よりも大きいか否かがチェックされる。ノーである場合には、選択肢ノーにおいてステップ１０２に戻され、一定の前記時間パターンはそのままで維持される。ステップ１０３でのチェックが選択肢イエスである場合、回転数ｎは回転数閾値ｎ_{ＲＥＣＨＧ}よりも大きいので、ステップ１０４において静的な割り込みから動的な割り込みが上述したように形成される。内燃機関が停止されて制御装置の後続機能ＳＧＮＬに移行するまでステップ１０４はアクティブであり、この移行は、ループによって持続的にステップ１０５におけるチェックによってチェックされる。制御装置の後続機能へと移行すると、アクチュエータの放電がステップ１０６において上述のように実施される。

Claims (10)

1. 噴射弁（１１）の駆動方法、とりわけ内燃機関の噴射装置の噴射弁（１１）の駆動方法において、
   該噴射弁（１１）はピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）を含み、
   該ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）はカプラエレメント（１５）によってバルブニードル（１３）と接続されており、
   前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）に電圧（Ｕ）が印加され、
   該電圧（Ｕ）は、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の長さ伸長ないし長さ収縮（ｘ）へと導き、
   前記噴射弁（１１）が閉鎖される場合には、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）に保持電圧（±Ｕ１）が印加される
   形式の方法において、
   前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の電圧（Ｕ）は、再充電シーケンスによって前記保持電圧（Ｕ１）へと導かれる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記再充電シーケンスは、少なくとも１回の前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の通電を含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の電圧（Ｕ）は、前記噴射弁（１１）が噴射開始時に定常状態となるように噴射の前に保持電圧（Ｕ１）まで導かれる、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記再充電シーケンスは、少なくとも１つの充電エッジ（ＦＬ１）および／または少なくとも１つの放電エッジ（ＦＬ１）を含む、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記再充電シーケンスは、前噴射（Ｖ１，Ｖ２）のトリガのための、制御装置（１０）の静的な割り込み（ＩＲＱ．ＰＩＬ）によって作動される、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記再充電シーケンスは、１つの動作サイクルにおけるシリンダでの最後の噴射直後に作動される、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の方法。
7. 前記再充電シーケンスは、回転数が高い場合に、１つの動作サイクルにおけるシリンダでの最後の噴射（Ｈ）直後に作動される、
   ことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記再充電シーケンスは、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の通電のための一定の時間パターンによって実行される、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の方法。
9. 噴射弁（１１）、とりわけ内燃機関の噴射装置の噴射弁（１１）の駆動手段を備える装置、とりわけ制御装置において、
   該噴射弁はピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）を含み、
   該ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）はカプラエレメント（１５）によってバルブニードル（１３）と接続されており、
   前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）に電圧（Ｕ）が印加され、
   該電圧（Ｕ）は、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の長さ伸長ないし長さ収縮（ｘ）へと導き、
   前記噴射弁（１１）が閉鎖される場合には、前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）に保持電圧（±Ｕ１）が印加される
   形式の方法において、
   前記ピエゾ圧電式アクチュエータ（１２）の電圧（Ｕ）は、再充電シーケンスによって前記保持電圧（Ｕ１）へと導かれる、
   ことを特徴とする装置。
10. コンピュータを、請求項１から８までのいずれか一項記載の方法を実施するための手段として機能させるコンピュータプログラム。

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