JP3711148B2 - 少なくとも1つの圧電性操作素子の制御方法 - Google Patents
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Description
DE3621541A1から、容量性操作素子、とりわけ内燃機関の圧電駆動される燃料噴射弁の制御方法が公知である。この方法では、操作素子に一定電圧が印加される。
圧電操作素子は多数の圧電層から成り、いわゆる“スタック”を形成する。このスタックは、電圧が印加されるとその寸法、とりわけその長さを変化させるか、または機械的圧力または張力が及ぼされると電圧を形成する。
この種の圧電スタックの電気特性は、これが曝される温度によって変化する。温度が上昇すると、その容量は拡大し、ストロークも増大する。自動車適用に対して考慮すべき−40℃から+150℃の温度では、係数2までの容量変化が観察される。
圧電操作素子にすべての動作点で例えば一定の電圧が印加される場合、温度が低いときに所要のストロークが得られるようにすれば、温度が高いときには必要であるよりも格段に大きなストロークが生じてしまう。このことは燃料圧が一定である燃料噴射弁では過度に多くの燃料量が噴射されることを意味する。温度が高いときには圧電スタックの容量も大きいから、過度に大きな電荷およびエネルギーが必要になる。
従ってDE3621541A1から公知の方法は、縁部条件が完全に不変であるとき(使用される構成部材に公差がなく、電気特性が変化せず、温度が一定である)しか十分に正確に動作しない。
US5387834から、容量性操作素子に対する制御回路が公知である。この制御回路では、容量性操作素子が一定の充電電圧と、センサにより測定された操作素子温度に依存して定められる充電持続時間とによって制御される。
本発明の課題は、少なくとも1つの圧電性操作素子の制御方法において、この圧電性操作素子が縁部条件が変化しても温度センサを使用しないで十分に正確に動作するように構成することである。
この課題は請求項1に記載された構成によって解決される。本発明の有利な改善形態は従属請求項に記載されている。
研究によって、容量性操作素子に供給されるエネルギーは、印加される電圧よりもストロークdsに対する非常に正確な尺度であることが示された。さらに一定のエネルギーによって所要の温度領域にわたって充電することにより非常に一定のストロークが得られる。ストロークは、温度が一定であるとき印加される電圧によりほぼ線形に変化する。温度が変化すれば、ストロークも電圧が一定であっても変化する。これに対してストロークはもたらされるエネルギーの2乗に比例して変化し、温度には依存しない。
このために操作素子に供給される電荷ΔQと、操作素子(例えばP1)の充電過程終了後に測定される電圧Upとから、操作素子の容量Cp=ΔQ/Upが求められ、次ΔQとCpとから、操作素子に供給されるエネルギーEist=0.5*Cp*Up2=0.5*ΔQ*Upが検出される。この値Eistが所定の値Esollと比較され、比較結果に相応して次の制御過程に対する充電電圧ULが後制御される(Eist<EsollであればULを大きくし、Eist>EsollであればULを小さくする)。
任意の制御回路に対して使用可能な方法では、もたらされる電荷量ΔQは、充電過程中に操作素子を流れる電流Ipの積分によって検出される。従って
◎
【数1】
ΔQ=∫Ipdt→Cp=∫Ipdt/Up→Eist=0,5★∫Ipdt★Up.
第1のコンデンサおよび第2のコンデンサが直列に接続された回路に対しては、図示のように本発明では、操作素子に供給される電荷量ΔQの検出に対して、積分の必要ない簡単な方法が適用される。この方法では、第2のコンデンサC2に印加される電圧が充電過程の前に1回、充電過程の後に1回測定され、差ΔU=Uvor−Unachが形成され、これから電荷量ΔQ=C2*ΔU=C2*(Uvor−Unach)が計算される。操作素子に充電過程の終了後に印加される電圧Upにより、上記の方法と同じように操作素子容量Cpおよび操作素子に供給されるエネルギーEistが求められる:
◎
【数2】
ΔQ=C2★(Uvor−Unach)→Cp=C2★(Uvor−Unach)/Up→
Eist=0,5★C2(Uvor−Unach)★Up.
この値はすでに上に述べたように、所定の目標値Esollと比較され、結果に相応して次の制御過程に対する充電電圧ULが後制御される。
操作素子容量Cpは操作素子温度Tpにほぼ比例するから、算出された操作素子容量Cpを、式Cp=ΔQ/Up≒Tpに従って操作素子温度Tpの検出に使用することができ、場合によっては温度センサを省略することができる。
本発明の方法を図面に示された回路に基づいて説明する。この回路は、図示しない少なくとも1つの燃料噴射弁を操作するための少なくとも1つの圧電性操作素子P1〜Pnを、制御回路STによって制御する。この制御回路STは図示しない別の機関制御装置の一部である。
被制御電圧源SNT、有利には回路電源網部分のプラス極+USNTとマイナス極GNDとの間にはダイオードD1を介して第1のコンデンサC1が接続されている。第1のコンデンサC1に並列に、充電スイッチTa、2つの別のダイオードD2とD3,およびマイナス極GNDと接続された放電スイッチTbからなる直列回路が配置されている。
2つのダイオードD2、D3の接続点とアース端子GNDとの間には、励振コンデンサC2、励振コイルL、第1の操作素子P1、および第1の被制御選択スイッチT1からなる直列回路が配置されている。
各別の操作素子P2〜Pnに対して、この操作素子および別の選択スイッチT2〜Tnからなる直列回路が、第1の操作素子P1および第1の選択スイッチT1からなる直列回路に並列に接続されている。選択スイッチ、放電スイッチTb、および後で説明するバイパススイッチTcはこの実施例では電力NMOSFETスイッチである。このスイッチは通常、反転ダイオードを含む。充電スイッチTaはこの実施例では電力PMOSFETスイッチとして構成されている。
さらにすでに述べたバイパススイッチTcが設けられており、そのドレイン端子は、励振コイルLと操作素子P1〜Pnとの接続点に接続されている。またソース端子は少なくとも1つの選択スイッチT1のソース端子と接続されている。スイッチ全部はそのゲート端子を介して制御回路STの出力信号により制御される。
操作素子P1〜Pnに対して並列に配置されたバイパススイッチTcは、操作素子電圧が所定の限界値を上回るとき、または内燃機関で噴射弁の電力出力段までに発生するエラーが識別されるときに制御され、圧電性操作素子P1〜Pnを、選択スイッチT1〜Tnの反転ダイオードを介して短絡させて放電させる。バイパススイッチTcはまた、第1の操作素子の操作の前に第2のコンデンサC2を充電するために、または時間的に順次連続する操作素子操作の間でこれを後充電するために必要である。バイパススイッチTcの代わりに、ダイオードまたはツェナーダイオードを、バイパススイッチの反転ダイオードと同じ極性で設けることもできる。しかしこの場合、第2のコンデンサC2の充電は操作素子操作を介して、燃料噴射弁に有利には燃料圧がないときに行わなければならない。
スイッチTa,Tb,TcおよびT1〜Tnは制御回路STにより、図示しない機関制御装置の制御信号stに依存して制御される。第1のコンデンサC1はスイッチング電源部SNTの出力コンデンサと見なすことができる。
次のこの回路に対する制御方法を説明する。回路の動作中、第1のコンデンサC1は制御回路STにより定められるスイッチング電源部SNTの出力電圧+USNTに充電される。この電圧+USNTの検出については後で説明する。
動作開始時に第1のコンデンサは+USNTに充電され、このとき第2のコンデンサC2は放電しており、励振コイルLは無電流状態である。コンデンサC2も第1の操作素子操作の前に充電するために、まずバイパススイッチTcが導通制御される。このことによりC1はC2,LおよびTcを介して放電する。次にTcは再び非導通状態へ制御され、次に放電スイッチTbが導通制御される。このことにより電流は反対方向にL,C2,TbおよびバイパススイッチTcの反転ダイオードを介して流れ、これによりC2は充電され、1回または複数回の充放電サイクルの後に、C1とC2の直列回路には充電電圧UL=UC1+UC2が印加されるように極性付けられる。
コンデンサC2の電圧UC2は、この実施例ではサンプル&ホールド回路S&Hとして構成された、制御回路STの測定回路に通知される。この回路は、スイッチング電源部SNTの出力電圧+USNT≒UC1をC1とC2の直列回路に所定の開始電圧が印加されるように調整する。
コンデンサC2の電圧UC2は操作されないとき緩慢に降下するから、動作中、例えば回転数が低いときの充電過程中、または滑走走行時にも、第2のコンデンサC2のこのような後充電が行われる。
操作素子操作が行われるべき場合、第1の方法によれば充電回路を流れる電流Ipが測定回路M(最も簡単な場合にはシャント抵抗からなる)により測定され、制御回路に存在する積分器で積分される。測定回路Mはこの方法に対してだけ必要であるから、図中には破線で囲って示してある。この方法のさらなる実施は次に説明する第2の方法で行われる。
この第2の簡単な方法では、操作素子充電の前に第2のコンデンサC2の電圧UC2=Uvorが測定され、制御回路STに通知される。続いて充電スイッチTaと、相応の操作素子、例えばP1に配属された選択スイッチT1が導通制御される。電流は操作素子が充電されるまで、SNTおよびC1からTa,C2,L,P1およびT1を介してGNDへ流れる。続いて、TaとT1が非導通制御され、操作素子はさらに充電される。次に第2のコンデンサC2の電圧UC2=Unachと、操作素子P1に印加される電圧Upが測定され、制御回路STに通知される。この制御回路は上に説明した式に従って、操作素子に供給されるエネルギーEistを計算し、この値を所定の目標値Esollと比較する。同じようにして次の制御過程に対して所要の充電電圧ULが求められる。Eist<Esollであれば、充電電圧ULは前に有効であった値に対して例えばステップ毎に1ステップだけ高められ、Eist>Esollであれば、充電電圧は1ステップだけ低減される。充電電圧ULはEist=Esollになるよう制御される。
操作素子P1の充電状態は、制御信号stの消滅後、放電スイッチTbが導通制御されるまで維持される。放電スイッチTbが導通している場合には、すべての操作素子P1〜PnがコイルLを介して第2のコンデンサC2へ放電される。
第2のコンデンサC2に、操作素子の放電後に印加される電圧CU2は、制御回路STのサンプル&ホールド回路S&Hに通知される。この回路はスイッチング電源部SNTの出力電圧+USNTを、前に求められた充電電圧UL=UC1+UC2に次の制御過程で到達するよう後制御する。この充電電圧によって、操作素子P1の次の充電過程、ないしは次の操作素子P2の充電過程を行うことができる。
Claims (3)
- 充電電圧(UL)と、第1のコンデンサ(C1)および第2のコンデンサ(C2)を有する回路とによって少なくとも1つの圧電操作素子(P1〜Pn)を制御する方法であって、
前記第1のコンデンサ(C1)は前記回路において電圧源(SNT)に並列に接続され、なおかつ、前記第2のコンデンサ(C2)と前記圧電操作素子(P1〜Pn)とが直列に接続されたものに対して並列に接続されており、
前記第1のコンデンサ(C1)に前記電圧源(SNT)の制御可能な電圧が印加される形式の、少なくとも1つの圧電操作素子(P1〜Pn)を制御する方法において、
前記第1のコンデンサ(C1)を前記電圧源(SNT)によって該電圧源(SNT)の出力電圧(+USNT)に充電し、
スイッチ手段(Tc、Tb)を用いて前記第1のコンデンサ(C1)を放電しながら前記第2のコンデンサ(C2)を充電して、2つのコンデンサ(C1、C2)において充電電圧UL=UC1+UC2が発生し、ただしUC1は前記第1のコンデンサ(C1)のコンデンサ電圧であり、UC2は前記第2のコンデンサ(C2)のコンデンサ電圧であり、
前記圧電操作素子(P1〜Pn)には前記充電電圧(UL)下に電荷量(ΔQ)を充電し、
前記電荷量(ΔQ)を、前記圧電操作素子(P1〜Pn)への充電過程の前に前記第2のコンデンサ(C2)に印加される電圧(Uvor)と前記充電過程の後に前記第2のコンデンサ(C2)に印加される電圧(Unach)との差ΔU=Uvor−Unachと、前記第2のコンデンサ(C2)の容量とを介して式:
ΔQ=C2*ΔU=C2*(Uvor−Unach)
に従って検出し、
前記圧電操作素子(P1〜Pn)に供給される前記電荷量(ΔQ)と、前記圧電操作素子(P1〜Pn)の充電過程の終了後に該圧電操作素子に印加される操作素子電圧(UP)とから、操作素子容量を式:
Cp=ΔQ/Up
に従って計算し、
前記操作素子容量(Cp)と前記操作素子電圧(Up)の値から、前記圧電操作素子(P1〜Pn)に充電過程中に供給されるエネルギーEistを式:
Eist=0.5*Cp*Up 2=0.5*ΔQ*Up
に従って計算し、
前記圧電操作素子(P1〜Pn)の放電後に前記第2のコンデンサ(C2)に印加される電圧(UC2)を前記電圧源(SNT)の制御回路(ST)に供給し、
供給されたエネルギー量(Eist)を所定の目標値(Esoll)と比較し、
該供給されたエネルギー量(Eist)が該目標値(Esoll)よりも小さい場合には、次の制御過程に対して充電電圧UL=UC1+UC2を所定の値だけ増大し、または、
該供給されたエネルギー量(Eist)が該目標値(Esoll)よりも大きい場合には、次の制御過程に対して充電電圧UL=UC1+UC2を所定の値だけ低減することを特徴とする、少なくとも1つの圧電操作素子(P1〜Pn)を制御する方法。 - 前記圧電操作素子(P1〜Pn)に供給される前記電荷量(ΔQ)を、前記充電過程中に前記圧電操作素子に流れる電流(Ip)を積分することにより式:
ΔQ=∫Ipdt
に従って検出する、請求項1記載の方法。 - 算出された前記操作素子容量(Cp)を操作素子温度(Tp)の検出に利用する、請求項1記載の方法。
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