JP2015519513A - バルブの動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、バルブ（１８；３８）の動作方法であって、前記バルブ（１８；３８）のバルブ要素（５６）が、電気的に操作可能なアクチュエータ（２０）の駆動制御によって第１の位置から第２の位置へ移動可能である、バルブの動作方法に関する。本発明によれば、前記アクチュエータ（２０）は、第１の時間間隔においては少なくとも一回駆動制御され、その後の第２の時間間隔（６４）においては駆動制御されず、前記バルブ要素（５６）が前記第１の位置へ当接したことを特徴付ける信号（６２）が、前記アクチュエータ（２０）の電気的な端子（５５ａ，５５ｂ）において求められる。さらに前記アクチュエータ（２０）の駆動制御エネルギーが段階的に変更され、前記バルブ要素（５６）が前記第１の位置からまさに引き離される乃至まさに引き離されなくなるような、前記駆動制御エネルギーの閾値（３１）が求められる。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に係る動作方法、独立請求項に係る開ループ及び／又は閉ループ制御装置、並びに、コンピュータプログラムに関する。

市場からは、電磁操作装置又はピエゾアクチュエータを用いて操作される、内燃機関用の噴射バルブが知られている。特にピエゾアクチュエータの場合、材料特性や製造工程並びにコストの影響の結果として、その技術的特性にばらつきが生じる。これは、ピエゾアクチュエータの駆動制御に必要なエネルギー需要にも関わってくる。

例えば、ピエゾアクチュエータの所要のエネルギー需要は、バルブ乃至噴射バルブの製造時の検査工程において求めることが可能である。そのように求められた駆動制御エネルギーは、その後、特定のコードを用いて噴射バルブの各サンプルに割り当てられる。

発明の開示
本発明のベースとなっている課題は、請求項１に記載の方法、独立請求項に係る開ループ及び／又は閉ループ制御装置、並びに、コンピュータプログラムによって解決される。本発明の有利な改善例は、従属請求項に記載されている。本発明にとって重要な特徴は、さらに以下の明細書及び図面においても開示されるが、それらの特徴は、単独の構成であっても、種々異なる組み合わせにおいても、それに関する再度の詳細な示唆がなくても、本発明にとって重要であり得る。

本発明は、バルブの動作方法であって、前記バルブのバルブ要素が、電気的に操作可能なアクチュエータの駆動制御によって、第１の位置から第２の位置へ移動可能である、バルブの動作方法に関する。

本発明によれば、前記アクチュエータは、第１の時間間隔において少なくとも一回駆動制御され、その後、第２の時間間隔においては駆動制御されない。ここでは、前記バルブ要素が前記第１の位置へ当接したことを特徴付ける信号が、前記アクチュエータの電気的な端子において求められる。さらに、前記アクチュエータの駆動制御エネルギーが、漸進的に変更され、この場合、前記駆動制御エネルギー（エネルギー需要）の次のような閾値が求められる。即ち、前記バルブ要素が、前記第１の位置から、まさにまだ引き離される乃至まさにもはや引き離されなくなるような閾値である。この閾値は、アクチュエータの駆動制御に対する境界（乃至限界）をなしている。即ち、この境界を超えるとバルブ要素が動き出し、バルブが開閉移動し得る。本発明において、「駆動制御エネルギーの段階的な変更」には、駆動制御エネルギーの漸進的減少及び／又は漸進的増加も含み得る。これによって本発明に係る方法の第１の態様が特徴付けられる。アクチュエータにおける実際のエネルギー需要の本発明による算出は、バルブの動作持続時間に亘って変化するエネルギー需要を求めるためにも、有利には周期的に行ってもよい。その結果は、経年劣化や摩耗状況の推定に有利に利用することができる。

本発明の第２の任意の態様は、実質的にバルブの動作中に行われ、ここでは第１の部分で求められた、駆動制御エネルギー乃至エネルギー需要が基準値として用いられ、その際、各閾値を超える駆動制御エネルギーが、バルブを所定の量だけ開放乃至遮断し得る。特にこの方法は、バルブが比較的短時間だけ開閉される及び／又は所定の僅かな量だけ開閉されるべき動作状況において使用することができる。即ち、事前に本発明によって求められた実際のエネルギー需要に基づいて、アクチュエータの今後の駆動制御に対する駆動制御エネルギー及び／又はさらなる駆動制御パラメータ（電圧乃至電流及び／又は駆動制御持続時間）が求められてもよい。それにより、今後の駆動制御の際に、実際のエネルギー需要乃至摩耗を考慮することができるようになる。

この場合、前記バルブは、第１の実施形態において、前記アクチュエータによって直接的に操作可能であってもよいし、第２の実施形態において、間接的に操作可能であってもよい。その際には、バルブはサーボバルブとして構成される。電気的な駆動制御エネルギーは、例えば電圧への一時的な切り替えによって、又は、電流の送出によって供給されてもよい。その際、これらの電圧の高さ乃至電流の供給量が、その都度の駆動制御エネルギーを決定する。代替的又は補足的に、駆動制御持続時間が変更されてもよい。

本発明は、アクチュエータ乃至ピエゾアクチュエータの動作を特徴付ける、駆動制御エネルギーの閾値、即ち、動作中に遮断されたバルブの状態におけるエネルギー需要が個別に求められる利点を有する。噴射バルブの製造時の駆動制御エネルギーの算出は、一般に不要である。さらに、駆動制御エネルギーの閾値が、バルブの動作中に、随時又は周期的に求められ得る。それにより、バルブの全寿命に亘る閾値及び駆動制御エネルギーの簡単かつ正確な修正が可能となる。

本発明のさらなる実施形態によれば、前記第１の位置が、閉じられたバルブに対応し、前記第２の位置は、開かれたバルブに対応している。バルブのほんの僅かな開放は、一般にバルブのほんのわずかな遮断よりも深刻である。それ故、本発明によって得られる、短時間だけの開放及び／又はほんのわずかな開放の事象に対する精度が特に有利となる。

更に本発明によれば、前記電気的に操作可能なアクチュエータの駆動制御持続時間が一定に維持され、前記電気的に操作可能なアクチュエータの駆動制御電圧が段階的に、又は、可能であるならば、連続的乃至ほぼ連続的に変更される。これにより、一方では、エネルギー需要の特に簡単で正確な算出が可能となり、他方では、アクチュエータの駆動制御も可能になる。

この本発明に係る方法は、さらに、第１の位置信号にバルブ要素が当接したことを特徴付ける信号が実質的にステップ関数（Sprungfunktion）に対応するならば、特に簡単かつ正確にそのようなバルブで実施できるものとなる。このステップ関数は、比較的容易に、場合によっては重畳された他の信号から区別することができ、またその他にも、バルブ要素の当接時点を一義的に求めることが可能になる。前記ステップ関数の代わりに、信号の時間変化（例えば、一次導関数）が所定の閾値を超える時間的な信号経過を考慮してもよい。

この方法は、電気的に操作可能なアクチュエータがピエゾアクチュエータである場合に特に有利となる。このピエゾアクチュエータでは、幾何学的形状、特に全長の寸法が、駆動制御エネルギーに応じて変化する。材料特性、製造コスト、又は、寿命期間中の変化の結果として、ピエゾアクチュエータは、その特性に比較的大きなばらつきが生じる。また同様に、バルブのその他の残余の要素（これらの要素もピエゾアクチュエータに直接的又は間接的に作用している）も、ピエゾアクチュエータの所要の駆動制御エネルギーにとって個別に重要である。それに対して、本発明によれば、これらの影響や変化にも拘わらず、バルブ要素の第１の位置からの引き出しと、それに伴うバルブの機能が検査でき、場合によっては修正も可能である。

好ましい適用ケースとして、前記バルブは、内燃機関の噴射バルブであってもよい。特に、パイロット噴射や事後噴射の際には、当該噴射バルブは比較的短時間だけ比較的僅かに開く。本発明によって、このときの噴射される燃料量は、特に正確に調量することが可能となる。その理由は、バルブがその閉鎖位置から僅かに開くために十分な量のエネルギー需要が常に分かっているからである。

さらなる別の実施形態によれば、前記バルブ乃至噴射バルブは、サーボバルブを含む。この場合、サーボバルブのバルブ要素は、アクチュエータ乃至ピエゾアクチュエータを用いて移動される。本発明に係る方法によって、サーボバルブ及びバルブ全般若しくは噴射バルブを、特に正確に検査し、設定調整することが可能になる。

有利には、求められた閾値がデータメモリに記憶され、この記憶された閾値を、その後の駆動制御エネルギーの計算のために考慮することができる。求められた閾値に基づいて、駆動制御エネルギーが増加させられ、その場合の駆動制御エネルギーの各増加量と噴射された燃料量との間の関係が特に正確となる。さらなる実施態様によれば、求められたエネルギー需要が、診断目的のためにも使用可能である。例えば、本発明によって求められたエネルギー需要が予め定められた閾値を超えた場合に、エラー応答が開始されるようにしてもよい。

本発明のさらに有利な別の実施態様では、本発明に係る方法が、内燃機関のための開ループ制御装置及び／又は閉ループ制御装置を用いて実施される。この開ループ制御装置及び／又は閉ループ制御装置内には、燃料噴射にとって重要な特性量乃至特性値が存在しており、それ故にこれらのパラメータが本発明によって有効利用される。有利には、本発明に係る方法は、少なくとも一部では、本発明に係る方法を実施するようにプログラミングされているコンピュータプログラムを用いて実行される。

以下では、本発明の例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

内燃機関並びに駆動制御及び評価装置の概略図。 バルブの概略図。 電気的に操作可能なアクチュエータの信号のタイミングチャート。 本発明に係るバルブ動作方法を示すフローチャート。

尚、これらの図面では、機能的に同等の構成要素については、同一の符号が用いられている。

発明を実施するための形態
図１には、駆動制御及び評価装置１２と共に自動車の内燃機関１０の概略図が示されている。本願では、この駆動制御及び評価装置１２は、内燃機関１０の開ループ及び／又は閉ループ制御装置１４の一部である。図１の内燃機関１０は、四つのシリンダ１６ａ乃至１６ｄと、それに対応する四つの噴射バルブ１８と、電気的に動作可能な四つのアクチュエータ２０とを有しており、前記四つのアクチュエータは前記駆動制御及び評価装置１２に接続されている。前記アクチュエータ２０は、前記噴射バルブ１８の電気的に駆動制御可能な操作装置であり、ここでは例えばピエゾ（圧電）アクチュエータ４２として構成されている（図２参照）。これらの噴射バルブ１８乃至アクチュエータ２０は、本願では参照符号１８ａ乃至１８ｄ及び２０ａ乃至２０ｄによって区別されている。

前記駆動制御及び評価装置１２は、駆動制御モジュール２２を含み、これは駆動制御線路２４ａ乃至２４ｄを用いて、四つの噴射バルブ１８を駆動制御可能である。一例として、アクチュエータ２０ｄは図１中では評価装置２６に接続されており、この評価装置２６には、駆動制御線路２４ｄから信号電圧２８が供給されている。さらにこの評価装置２６は、電気線路２９を介してデータメモリ３０に接続されている。このデータメモリ３０内には、噴射バルブ１８の動作を特徴付ける駆動制御エネルギーの複数の閾値３１が記憶されている。この閾値については、以下で詳細に説明する。さらに前記駆動制御及び評価装置１２乃至開ループ及び／又は閉ループ制御装置１４は、プロセッサ３２及びコンピュータプログラム３４を含んでいる。

残余の駆動制御線路２４ａ乃至２４ｃの配線については、図１中では、それぞれ短い垂直の破線（符号なし）によって単に象徴的に示されているだけであるが、これらの駆動制御線路２４ａ乃至２４ｃの配線についても前述したような前記駆動制御線路２４ｄの配線に相当している。

内燃機関１０の運転中は、前記駆動制御モジュール２２が、前記アクチュエータ２０ａ乃至２０ｄを相互に駆動制御する。例えばアクチュエータ２０ｄは、所定の駆動制御持続時間の間、駆動制御線路２４ｄを介して電気的駆動制御信号３６を供給され、その間、所定の駆動制御エネルギーで駆動される。続いて対応する噴射バルブ１８ｄが開放され、所定の燃料量がシリンダ１６ｄの燃焼室内に噴射される。所定の駆動制御持続時間が経過すると、前記駆動制御モジュール２２は、電気的駆動制御信号３６を遮断する。

尚、図１中に示されている駆動制御及び評価装置１２は、ほぼ任意に構成可能であることも理解されたい。例えば、図示の種々の構成要素は、内燃機関１０あるいは自動車の様々な装置に分散して配置されていてもよいし、及び／又は、任意の部分において電気回路として若しくはコンピュータプログラム３４によって実現されていてもよい。前記噴射バルブ１８は、第１の実施形態として、例えばアクチュエータ２０が各バルブ要素５６（図２参照）を、各噴射バルブ１８に統合されているサーボバルブ３８（図２参照）を介して操作できるように構成してもよい。また、代替的な第２の実施形態として、前記アクチュエータ２０が、図２について詳細に説明するように、各バルブ要素５６をサーボバルブ３８を用いることなく操作できるようにしてもよい。さらに、本発明に係る方法は、ピエゾアクチュエータ４２の使用に限定されるものでもない。

図２には、サーボバルブ３８の簡略図が示されている。このサーボバルブ３８は、噴射バルブ１８内に組み込まれていてもよい。このサーボバルブ３８は、本願では、ハウジング４０を含んでいる。このハウジング４０内には、図中において上から下に向かって、当該ハウジング４０の一部領域に配置されているピエゾアクチュエータ４２と、第１のプランジャ４４と、第１のプレート４６と、油圧カプラ４８と、第２のプランジャ５０と、第２のプレート５２と、第３のプランジャ５４と、前述したバルブ要素５６とが配置されている。前記ピエゾアクチュエータ４２は、二つの電気的端子５５ａ及び５５ｂを有しており、これらの端子を介してピエゾアクチュエータ４２に電気的な駆動制御エネルギーを供給することが可能である。

第１のプランジャ４４の図中における下方の端部領域と、第２のプランジャ５０の図中における上方の端部領域との間には、油圧チャンバ５７が配置されている。同図の右上では、ハウジング４０に取り囲まれた流体空間（符号なし）が、流体管路５９を介して、ここには図示されていない低圧の油圧領域に接続している。

前記第１、第２及び第３のプランジャ４４、５０及び５４は、それぞれほぼ円筒状の幾何学形態を有している。また、前記バルブ要素５６は、ほぼ半球状の幾何学形態を有している。第１のプレート４６と油圧カプラ４８との間には、第１のコイルばね５８が配置されており、第２のプレート５２と油圧カプラ４８との間には、第２のコイルばね６０が配置されている。

図２は、第１の位置（図中の上方）にあるバルブ要素５６を示している。この第１の位置は、本願ではサーボバルブ３８の遮断位置に相当している。この場合、バルブ要素５６の図中における上方の密封部分が、ハウジング４０の密封弁座（符号なし）に当接している。前記第１、第２、第３のプランジャ４４，５０，５４と、前記油圧チャンバ５７によって、ピエゾアクチュエータ４２とバルブ要素５６との間の応力伝達が可能になる。これにより、前記バルブ要素５６は、図中における下方の第２の位置（図示せず）に移動可能である。この第２の位置は、例えばサーボバルブ３８の開放位置に相当する。

サーボバルブ３８の動作中、ピエゾアクチュエータ４２には、駆動制御エネルギーが電流によって供給される。これにより、（図中の垂直方向において）ピエゾアクチュエータ４２の伸張が引き起こされる。これにより、ピエゾアクチュエータ４２に結合している第１のプランジャ４４は、それに応じて図中における下方に移動する。その結果として生じる油圧チャンバ５７内の圧力上昇によって、引き続き、第２及び第３のプランジャ５０，５４並びにバルブ要素５６の押圧が引き起こされる。ピエゾアクチュエータ４２の駆動制御エネルギーが、サーボバルブ３８の構成並びに油圧とサンプルに依存する許容誤差とに依存する閾値３１よりも大きい限り、バルブ要素５６は、密封弁座から引き離され、それによって、サーボバルブ３８が少なくとも短時間だけ開放される。

尚、ここでは、前記サーボバルブ３８のバルブ要素５６が、図２には示されていない弁体（例えばバルブニードル）を油圧駆動し、該弁体を用いて燃料が、シリンダ１６の燃焼室に噴射されることに留意されたい。前記噴射バルブ１８が、直接動作式の噴射バルブ１８である場合には、バルブ要素５６が前述の弁体乃至バルブニードルに相当する。

図３には、ピエゾアクチュエータ４２の端子５５ａ及び５５ｂの間で求めることのできる信号６２のタイミングチャートが示されている。同図に示す座標系において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は信号電圧２８を表す。座標原点は、制御モジュール２２によって実施される駆動制御（通電）が終了する時点ｔ０を特徴付ける。従って、この時点ｔ０は、アクチュエータ２０が駆動制御されない時間間隔６４の開始を表す。本発明に係る方法によれば、アクチュエータ２０は、時点ｔ０の前の第１の時間間隔において少なくとも一回駆動制御され、その後の第２の時間間隔６４では駆動制御されない。時点ｔ０では、ピエゾアクチュエータ４２はその最大伸張を有し、バルブ要素５６は、その密封弁座から少なくともわずかに引き離されている。

サーボバルブ３８内で生じる油圧の結果として、バルブ要素５６は、駆動制御の終了後に、図２の図面中における上方に押し上げられ、時点ｔ１においてその密封弁座に当接する。この当接は、図２において説明した応力伝達のために、少なくとも減衰してピエゾアクチュエータ４２まで伝達される。これにより、信号６２は、時点ｔ１においてほぼステップ状の変化を有している（ステップ関数）。

図３に示す信号６２の特性曲線には、場合によっては、偶発的な電気的なノイズ信号及び／又は補償事象又はそれらの重畳が存在し得る。但し、そのような信号電圧２８中の障害的な重畳は、図中には示されていない。

バルブ要素５６を一時的にその弁座から引き離すのに十分な大きさであり、かつ、それによって図３の経過に相応する信号６２を生成する、ピエゾアクチュエータ４２の電気的な駆動制御エネルギーを起点として、当該駆動制御エネルギーは、段階的に減少させることが可能である。このことは、例えばピエゾアクチュエータ４２の駆動制御持続時間が一定に保持され、かつ、端子５５ａ及び５５ｂの間のパルス状の駆動制御電圧の関連する振幅が段階的に低減されることによって行われる。それに応じて、ピエゾアクチュエータ４２のその都度の最大伸張も段階的に減少する。

その結果として、図３に示されている時点ｔ１の発生も段階的に次第に早まる。同時に、バルブ要素５６のその弁座への当接も相応に次第に弱まり、それに応じて信号６２の振幅も漸進的に縮小する。時点ｔ１の段階的な算出によって、バルブ要素５６が密封弁座からまだぎりぎりのところで引き離される、乃至、もはや密封弁座から引き離すことができないことを表す、駆動制御エネルギーの閾値３１（エネルギー需要）が求められる。

代替的に又は付加的に、前記閾値３１は、次のようにして求めることも可能である。即ち、非常に僅かな又はほとんど消失している駆動制御エネルギーを起点として、信号６２が最初に算出できるようになるまで駆動制御エネルギーを段階的に高めるようにして前記閾値３１を求めることも可能である。

図４には、噴射バルブ１８乃至サーボバルブ３８を動作させるための方法を実行するためのフローチャートが示されている。図中に示されている手順（プロシージャ）は、例えば、コンピュータプログラム３４を用いてプロセッサ３２により処理することが可能である。

図４に示された手順は、スタートブロック６６において開始される。次のブロック６８では、ピエゾアクチュエータ４２のための最初の駆動制御エネルギーが設定される。それによりバルブ要素５６の密封座部からの引き離しが可能になる。次に続くブロック７０では、駆動制御電圧のレベルが一段階だけ低減される。次のブロック７２では、信号６２がピエゾアクチュエータ４２の端子５５ａ、５５ｂにおいて求められ、時点ｔ１とｔ０との間の差分が形成される。この差分は、当該方法の妥当性チェックと、信号６２の確実な検出のためにも有利である。

後続の問合せブロック７４では、信号６２及び／又は時点ｔ１がまだ算出可能であるか否か、乃至、信号６２の振幅が所定の閾値以上であるか否か、が検査される。該当する場合には、ブロック７０の先頭に分岐する。該当しない場合には、最後に設定された駆動制御エネルギーが次のような閾値３１、即ち、バルブ要素５６が第１の位置からぎりぎり引き離される乃至ぎりぎり引き離されないような閾値に到達したことが推論され、そのときには引き続き、次のブロック７６に分岐する。

ブロック７６においては、駆動制御エネルギーの算出された閾値３１が、該当する噴射バルブ毎にデータメモリ３０に不揮発的に記憶される。この手順は、引き続き内燃機関１０の残余の噴射バルブ１８に対しても同様に実行され得る。これは、図中の破線によって示されている。

次のブロック７８では、求められた閾値３１が、内燃機関１０のさらなる動作中にデータメモリ３０から読み出され、関係値（ベース値、基準値）として噴射バルブ１８やピエゾアクチュエータ４２の駆動制御のために使用される。噴射バルブ１８のこのような駆動制御は、特にパイロット噴射及び／又は後噴射のためにごく少量だけの燃料がシリンダ１６の燃焼室内へ噴射されるべき動作モードについて、非常に正確に行うことができる。

次のブロック８０で、図４に示されている手順が終了する。有利には、前記閾値３１の算出は、内燃機関１０の動作中、乃至、自動車の走行中に行うことができ、例えばアイドル運転中や内燃機関１０のエンジンブレーキ動作中にも行うことができる。それにより、閾値３１の起こり得る変化を、噴射バルブ１８の寿命期間全体に亘って求めて補償することが可能になる。

Claims (10)

1. バルブ（１８；３８）の動作方法であって、
   前記バルブ（１８；３８）のバルブ要素（５６）が、電気的に操作可能なアクチュエータ（２０）の駆動制御によって第１の位置から第２の位置へ移動可能である、方法において、
   前記アクチュエータ（２０）が、第１の時間間隔においては少なくとも一回駆動制御され、その後の第２の時間間隔（６４）においては駆動制御されず、
   前記バルブ要素（５６）が前記第１の位置へ当接したことを特徴付ける信号（６２）が、前記アクチュエータ（２０）の電気的な端子（５５ａ，５５ｂ）において求められ、
   さらに前記アクチュエータ（２０）の駆動制御エネルギーが段階的に変更され、
   前記バルブ要素（５６）が前記第１の位置からまさに引き離される乃至もはや引き離されなくなるような、前記駆動制御エネルギーの閾値（３１）が求められる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１の位置は、遮断状態の前記バルブ（１８；３８）に対応付けられ、前記第２の位置は、開放状態の前記バルブ（１８；３８）に対応付けられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気的に操作可能なアクチュエータ（２０）の駆動制御持続時間は、一定に維持され、前記電気的に操作可能なアクチュエータ（２０）の駆動制御電圧が段階的に変更される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記信号（６２）は、実質的にステップ関数に相当する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記電気的に操作可能なアクチュエータ（２０）は、ピエゾアクチュエータ（４２）である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記バルブ（１８；３８）は、内燃機関（１０）のための噴射バルブ（１８）である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記バルブ（１８；３８）は、サーボバルブ（３８）を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記求められた閾値（３１）は、データメモリ（３０）内に記憶され、前記記憶された閾値（３１）を引き続き駆動制御エネルギーの算出のために考慮する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成されていることを特徴とする、内燃機関（１０）用の開ループ／閉ループ制御装置（１４）。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法を実施するようにプログラミングされている、開ループ／閉ループ制御装置（１４）用のコンピュータプログラム（３４）。

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