JP4264246B2 - 圧電素子の充／放電方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の充／放電方法であって、電荷のキャリアを直流電圧源から圧電素子に移動し、又は、圧電素子から直流電圧源に移動して、圧電素子の弾性変位量が液圧式のカップラを介して調整部材に伝達され、調整部材の調整移動量を、圧電素子に印加される電圧の高さに依存して変化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電（ピエゾ電気）素子は、公知のように、圧電素子に印加されるか、又は、圧電素子に調整される直流電圧に依存して縮むか又は伸びる。調整部材を圧電素子によって実際に構成するのは、当該調整部材が迅速及び／又は頻繁に移動する場合に、特に適している。圧電素子は、特に、内燃機関用の燃料噴射ノズルに使用される。所定の用途の場合には、例えば、圧電素子をアクチュエータとして燃料噴射系内に使用する場合、圧電素子を出来る限り精確に種々異なる、場合によっては様々に変化して伸びるようにできる必要がある。その際、圧電素子の種々異なる伸び量は、例えば、制御弁に直接又は間接的に伝達することによって、ノズルニードルのような調整部材の位置移動量に相応するようになる。ノズルニードルの位置移動により、燃料噴射孔が開くことになる。燃料噴射孔の開期間は、孔の開き横断部と印加圧力とに依存して所望の燃料噴射量に相応する。その際、圧電素子の伸びの、制御弁への伝達は、基本的な２つの伝達方式に区別される。第１の直接伝達方式では、ノズルニードルは、圧電素子から直接、液圧式カップラを介して動かされる。第２の伝達方式では、ノズルニードルの動きは制御弁によって制御され、この制御弁は、液圧式カップラを介して、圧電素子に基づいて制御される。第２の、間接的な伝達方式は、実用的な主要な応用例に相応し、後続の説明の際に前提となるものである。液圧式カップラは、主として２つの特性を有しており、つまり、第１に、圧電素子の行程の増幅特性と、第２に、圧電素子の静的な温度伸びが、制御弁に影響されない、つまり、圧電素子の静的な温度伸びと制御弁との減結合とである。液圧式カップラにより、圧電素子の弾性変位量が制御周期内で制御弁に伝達される。カップラの正確な機能のためには、カップラは流体で十分に充填されている必要がある。充電過程、電荷保持過程、並びに、放電過程からなる各制御周期毎に、カップラ内の流体の一部分が漏れ間隙を介してカップラから圧出される。
【０００３】
特に、圧電素子が所定の電圧に充電されている充電及び電荷保持過程中、液圧式カップラは、所定のように変位して、制御弁の弁要素を第１の弁座から第２の弁座に動かす。その際、ノズルニードルを正確に開くために、一般的に制御弁の弁要素は第２の弁座に当接し、レールチェインバ内の高圧を密閉する。レールチェインバ内の高圧が密閉されない場合には、調整部材の上側の制御室内の圧力変化のために、一般的に、調整部材が不所望に変位し、従って、不正確な燃料噴射量となる。電荷保持過程の間、液圧式カップラの漏れ間隙での既存の漏れ損失によって、カップラの圧力が低減する。カップラの圧力低減の結果、充電過程中印加される、圧電素子の目標直流電圧の高さが、反作用により戻される。カップラ圧力が所定の程度に低下した場合、制御弁の弁要素は、第２の弁座に保持することができなくなり、制御弁の第２の弁座の密閉性が損なわれることになる。従って、特に、レールチェインバ内の圧力が高い場合には、第２の弁座の密閉領域内に短時間漏れが生じる。従って、制御室内の圧力が変化する。この圧力変化により、調整部材の調整位置が不所望に移動してしまい、その結果、燃料噴射量が不正確になってしまう。従って、圧電素子に印加される電圧が、電荷保持期間中低減するかどうかは、第２の弁座での制御弁の密閉性保持と、従って、インジェクタの正確な機能のインジケータである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、燃料噴射量が確実に制御されて、正確に調整することができるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
課題を解決するため、本発明は、圧電素子の電荷保持期間中、液圧式のカップラ内の圧力の低減を、少なくとも電荷のキャリアの付加的な移動により補償し、電荷のキャリアを直流電圧源から圧電素子に、充電過程、後続の電荷保持過程及び放電過程から形成された制御周期内で移動することを提案するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の有利な実施例では、圧電素子の目標直流電圧を制御周期の電荷保持過程中低減した後、所定時点で、電荷のキャリアが直流電圧源から圧電素子に新規に移動されるように構成されている。この方法により、カップラ内の圧力低下が、電荷のキャリアを新規に移動することによって補償され、間違った時点での調整部材の移動が回避され、従って、燃料噴射量が確実に制御されて、正確に調整することができるようになる。
【０００７】
従属請求項記載の手段によって、本発明の方法の有利な実施例及び改善が可能である。
【０００８】
【実施例】
以下、図示の実施例を用いて、本発明について詳細に説明する。
【０００９】
図１には、本発明の方法が示されている。給電電圧１４により、直流電圧源１６が給電され、直流電圧源１６により、充／放電ユニット６２が給電される。直流電圧源１６の電荷のキャリアは、圧電素子１０に移動されたり、圧電素子１０から戻されたりする。この移動は、充電過程２２、電荷保持過程２４及び放電過程２６からなる制御周期内で行われる（図２）。充電過程２２及び主として保持過程２４では、圧電素子１０が機械的に変位（歪／変形）される。この機械的な変位は、所定の直流電圧１２の印加によって行われ、目標直流電圧６８での充電過程２２の終わりで、所定の変位が生じる。
【００１０】
図２には、所属の充電過程２２が電圧／時間図で示されている。
【００１１】
圧電素子１０の最大変位量は、図１に示されているように、ピストン３６を介して液圧式カップラ２８に伝達され、液圧式カップラ２８からピストン３８に、その後、制御弁３２に伝達される。ピストン３６と液圧式カップラ２８とピストン３８との間で、各制御周期２０内で、液圧式カップラ２８内の流体の一部分が、漏れ間隙を介して液圧式カップラから圧出される。
【００１２】
先ず、制御弁３２の弁要素６０は第１の弁座５６に位置している。圧電素子１０の制御後、及び、圧電素子１０の機械的な変位量が、ピストン３６、液圧式カップラ２８及びピストン３８を介して伝達された後、弁要素６０は、第１の弁座５６から第２の弁座５８に移動する。そうすることによって、レールチェインバ５０のレールバイパス５２が、高いレール圧力下で閉じられる。別の実施例では、レールチェインバ５０内のレール圧力が一定に維持されていることが前提となる。制御弁３２内で、弁要素６０が第２の弁座５８に達した後、制御周期２０内で電荷保持過程２４が開始する。
【００１３】
図１によると、電荷保持過程２４中、既に制御弁３２の内部及び制御スペース６４内にある流体燃料が、流入スロットル４４を介して制御スペース６４に流入する。制御スペース６４から、燃料の一部分が流出スロットル４２を介して還流部４０に達する。そうすることによって、レールチェインバに依存して、制御スペース６４内の圧力が低下して、調整部材１８が開状態となる。調整部材１８は、ノズルニードル３４の圧力依存の変位によって開状態となり、それにより、燃料噴射孔５４が開かれる。そのような圧力依存の燃料噴射弁の機能については、十分に公知であり、これ以上説明しない。
【００１４】
図３には、燃料噴射量７０を時間に依存して示した図を用いて、充電過程２２及び続く電荷保持過程２４が示されている。充電過程中、液圧式カップラ２８の慣性、並びに、液圧により動くノズルニードル３４によって生じる液圧による遅延後、充電過程２２の経過後、殊に電荷保持過程２４中燃料噴射量２４が形成されることが分かる。
【００１５】
図２によると、電荷保持過程２４中、ピストン３６と３８との間での漏れ効果によって生じるカップラ圧力が低下した場合、圧電素子１０の目標直流電圧６８が低下する。カップラ内の低下した圧力によって、弁要素６０は、第２の弁座５８に最早確実に保持されることはなくなる。先ず、弁要素６０とレールバイパス５２との間の密閉領域内に付加的に漏れが生じる。
【００１６】
図２には、特性曲線を用いて、電荷保持過程２４内で下側限界電圧３０に至る迄の目標直流電圧６８の直流電圧降下が示されている。
【００１７】
図３には、燃料噴射量７０が、電荷保持過程２４内で目標直流電圧６８の低下によって影響されないままであり、場合によっては、更に上昇される。つまり、目標直流電圧６８が、下側限界電圧３０に至る迄低下して、弁要素６０が第２の弁座５８から変位するようなことはない。
【００１８】
電荷保持過程２４中、下側限界値３０の下側迄カップラ圧力が更に低下すると、弁要素６０は、第２の弁座から第１の弁座の方向に変位し、レールバイパス５２が開く。レールバイパス５２が開くことによって、レールチェインバ５０内のレール圧力が、開かれたレールバイパス５２を介して、流出スロットル４２の後ろ側に作用し、流入スロットル４４を介して、レール圧力が流出スロットル４２の前側に作用する。この過程によって、制御空間６４内の圧力は、レールバイパス５２が閉じられた状態に比較して高く上昇する。制御空間６４内の圧力上昇により、調整部材１８、殊にノズルニードル３４が不所望にも閉位置に移動してしまう。それにより、燃料噴射孔５４の横断面が比較的小さくなってしまい、所望の燃料噴射量７０が達成されなくなる。
【００１９】
この過程は、図１〜４には示されていない。その理由は、本発明によると、図２に示されているように、下側限界値３０に達すると、補償過程６６が行われるからである。電荷保持過程２４中、電圧給電部から切り離される圧電素子１０は、目標直流電圧６８が下側限界電圧３０に低下後、新たに制御され、直流電圧源１６の電荷のキャリアが圧電素子１０に新たに移動されるようになる。従って、補償過程６６により、弁要素６０が更に制御弁３２の第２の弁座５８に保持されるようになる。
【００２０】
本発明によると、更に、補償過程６６を電荷保持過程２４内で複数回繰り返してもよい。
【００２１】
この方法は、補償過程６６内で電圧を下側限界電圧３０から目標直流電圧６８に戻すことに限定されない。ここで説明している方法ステップ（充電過程２２及び電荷保持過程２４）を維持しつつ、目標直流電圧６８の上側に位置している電圧レベル７２に、戻すべき目標直流電圧６８を上昇させるようにしてもよい。この可能な方法ステップは、補償過程６６内の特性曲線を用いて図４に示されている。
【００２２】
補償過程６６には、図１及び図４に示されているように、別の電荷保持過程２４が続き、この別の電荷保持過程２４では、図２によると、目標直流電圧６８に依存して、又は、図４によると、電圧レベル７２に依存して、電圧降下が形成される。
【００２３】
図３から分かるように、燃料噴射量７０は、補償過程６６に続く電荷保持過程２４の間、同様に一定である。
【００２４】
実際には、上述の電荷保持過程２４内で下側限界電圧３０に達する前に放電過程２６が続く。電荷のキャリアを圧電素子から充電及び放電ユニット６２に戻すことによって、圧電素子１０の弾性変位量を相殺することができる。レールチェインバ５０のレール圧力は、弁要素６０に作用する。圧電素子１０から出てピストン３６及び３８を介して伝達される、弁要素６０の変位(Auslenkung)を生じる液圧式カップラ２８の圧力は相殺される。弁要素６０は、第２の弁座５８を離れ、還流部４０を閉じ、相応に第１の弁座５６に戻される。制御弁３２及び制御空間６４の内部のレールチェインバ５０の再形成されたレール圧力によって、調整部材１８、殊に、ノズルニードル３４が、再度完全に閉状態となる。燃料噴射量７０は、図３に特性曲線を用いて示されているように、値０に戻される。
【００２５】
上述の説明では、補償（再充電）は、限界電圧３０に達した場合に行われることが前提とされている。しかし、補償を所定の時点で圧電素子１０の実際電圧に依存せずに開始することも、本発明の範囲内である。例えば、補償を、電荷保持過程２４の開始後の所定時間経過後に開始してもよい。補償を、所定時間間隔で自動的に電荷保持過程内で繰り返してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の方法によると、圧電素子に印加される電圧の高さに依存して調整部材の調整移動量が変えられるという、従来技術の方法に比して顕著な効果を奏することができる。その際、電荷保持期間中、印加電圧の高さが下がるのが、電荷のキャリアの、直流電圧源から圧電素子への付加的な移動によって補償される。従って、カップラ内の圧力が再度、第２の弁座での密閉性保持を保証するレベルに上げられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射弁を用いた本発明の方法の略図
【図２】制御周期の電圧特性を時間に依存して示した図
【図３】制御周期内での燃料噴射量を時間に依存して示した図
【図４】制御周期内での電圧特性を時間に依存して示した図
【符号の説明】
１０ 圧電素子
１２ 直流電圧
１４ 給電電圧
１６ 直流電圧源
２０ 制御周期
２２ 充電過程
２４ 電荷保持過程
２６ 放電過程
２８ 液圧式カップラ
３２ 制御弁
３６，３８ ピストン
５０ レールチェインバ
５２ レールバイパス
５６ 第１の弁座
５８ 第２の弁座
６０ 弁要素
６８ 目標直流電圧
６２ 充／放電ユニット

Claims (7)

1. 圧電素子（１０）の充／放電方法であって、
   電荷のキャリアを直流電圧源（１６）から前記圧電素子（１０）に移動し、又は、前記圧電素子（１０）から前記直流電圧源（１６）に移動して、前記圧電素子（１０）の弾性変位量が液圧式のカップラ（２８）を介して調整部材（１８）に伝達され、調整部材（１８）の調整移動量を、圧電素子（１０）に印加される電圧の高さに依存して変化する方法において、
   圧電素子（１０）の電荷保持期間中、液圧式のカップラ（２８）内の圧力の低減を、少なくとも電荷のキャリアの付加的な移動により補償し、前記電荷のキャリアを直流電圧源（１６）から圧電素子（１０）に、充電過程（２２）、後続の電荷保持過程（２４）及び放電過程（２６）から形成された制御周期（２０）内で移動する
   ことを特徴とする方法。
2. 圧電素子（１０）に印加される電圧の下側限界電圧（３０）に達した後に補償する請求項１記載の方法。
3. 電荷保持過程（２４）中、圧電素子（１０）の目標直流電圧（６８）の高さの低減に依存して、電圧の低下を複数回補償する請求項１又は２記載の方法。
4. 圧電素子（１０）の電圧の高さを、補償後、初めの目標直流電圧（６８）よりも高く選定する請求項１から３迄の何れか１記載の方法。
5. 時間に依存して補償を開始する請求項１から３迄の何れか１記載の方法。
6. 電荷保持過程（２４）の開始後、所定の時間期間の経過後、補償を開始する請求項５記載の方法。
7. 所定の時間間隔で、自動的に電荷保持過程（２４）内で補償を開始する請求項５記載の方法。

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