JP4340306B2 - 燃料噴射器制御に関する改善 - Google Patents

Description

本発明は、一般に内燃エンジンで使用される圧電アクチュエータ型燃料噴射器に関する。より詳細には、本発明は、噴射器の故障を診断し、噴射器の動作パラメータを計算するために圧電アクチュエータをモニタする方法に関する。

内燃エンジンでは、燃料噴射器を使用して燃料をエンジンのシリンダに充填することが知られている。燃料を正確に計量しながら供給するのに特に適している燃料噴射器１つのタイプはいわゆる圧電噴射器である。そのような噴射器により、燃料噴射事象のタイミングおよび全送出量の正確な制御が可能になる。これにより、燃焼プロセスに関して改善された制御が可能になり、排ガスの点で有益である。

既知の圧電噴射器２および関連する電子制御システム３が図１に概略的に示される。バルブニードルシート８に対して噴射器バルブニードル６の位置を制御するために、圧電噴射器２は油圧増幅器５によって噴射器バルブニードル６に結合される圧電アクチュエータ４を含む。当技術分野で知られているように、圧電アクチュエータは圧電要素のスタック７を含み、それはスタック７の両端の電圧に依存して拡大し接触する。スタック７の両端の電圧を制御して、スタック７に与えられまたはそれから除かれる電荷の移動を制御するように可変電圧「Ｖ」を圧電アクチュエータ４に印加することによってバルブニードル６の軸方向の位置または「リフト」が制御される。図１には示されないが、実際上、電源プラグを噴射器２の端子に接続することによって可変電圧がアクチュエータ４に印加されることが理解されよう。

アクチュエータ４の両端に適切な電圧を印加することによって、バルブニードル６はバルブニードルシート８から切り離され、その場合には燃料が１組のノズル出口１０を通って関連する燃焼室（図示せず）に送出され、またはバルブニードル６はバルブニードルシート８にかみ合わされ、その場合には出口１０を通る燃料送出が阻止される。

圧電噴射器２は、エンジン制御ユニット２２（以下、「ＥＣＵ」）の構成部分を形成する噴射器制御ユニット２０（以下、「ＩＣＵ」）によって制御される。ＥＣＵ ２２は複数のエンジンパラメータ２４をモニタし、ＩＣＵ ２０に入力されるエンジン出力要求信号（図示せず）を計算する。次に、ＩＣＵ ２０はエンジンに要求される出力を供給するのに必要な噴射事象シーケンスを計算し、噴射器駆動回路２６を作動させる。

噴射を開始するために、噴射器駆動回路２６は、噴射器の高電圧端子Ｖ１と低電圧端子Ｖ２との間の差動電圧を燃料送出が行われない高い電圧（一般に約２００Ｖ）から燃料送出が開始される比較的低い電圧（一般に約５０Ｖ）に移行させる。この駆動波形に応答する噴射器は、「非活動〜噴射（ｄｅ−ｅｎｅｒｇｉｓｅ ｔｏ ｉｎｊｅｃｔ）」噴射器と呼ばれ、単一の噴射事象内で１つまたは複数の噴射の燃料を送出するように動作可能である。例えば、噴射事象は１つまたは複数のいわゆる「前」または「パイロット」噴射、主噴射、および１つまたは複数の「後」噴射を含むことができる。一般に、単一の噴射事象内のいくつかのそのような噴射はエンジンの燃焼効率を増加させるのに好ましい。

圧電アクチュエータに与えられるまたはそれから除かれる電荷の量は２つの方法によって制御することができる。「電荷制御」法では、要求された電荷をそれぞれスタックに与えるまたはそれからそれぞれ除くように、期間中に電流が圧電アクチュエータに流入されまたは流出される。あるいは、「電圧制御」法では、圧電アクチュエータの両端の電圧が要求されたレベルに達するまで、電流が圧電アクチュエータに流入されまたは流出される。いずれの場合も、圧電アクチュエータの電荷のレベルが変化するとともに圧電アクチュエータの両端の電圧が変化し、逆の場合も同様である。

本発明へのさらなる背景について、このタイプの噴射器が本出願人の欧州特許第ＥＰ ０９５５９０１Ｂ号に説明されている。そのような燃料噴射器は、圧縮点火（ディーゼル）エンジンまたは火花点火（ガソリン）エンジンで使用することができる。

図２は、噴射器駆動回路２６によって駆動されたときの主噴射中のアクチュエータ電圧（または「駆動パルス」）を示すグラフである。アクチュエータ電圧は放電フェーズ（時間Ｔ１とＴ２との間）、一時停止期間（Ｔ２とＴ３との間で）、および充電フェーズ（Ｔ３とＴ４との間で）を含む。しかし、そのような噴射は１つまたは複数の「前」または「パイロット」噴射の事象、および／または１つまたは複数の「後」噴射の事象も含むことができることが理解されよう。

圧電噴射器は、噴射事象中に送出される燃料の量に対して正確な制御を与え、ある噴射事象と別の噴射事象との間で正確な反復が行われるようにする。しかし、現在、圧電噴射器はバルブニードルの軸方向位置に関するどのような情報もなしに開閉するように作動されている。したがって、ＥＣＵが噴射事象の開始および終了の時点を規定するために、ＥＣＵは燃料の所与の量を送出するのに必要な噴射器駆動パルスの継続期間を算出するための計算を行うことが必要とされる。計算された噴射器駆動パルス継続期間は、バルブニードルの既知の動的挙動、および噴射燃料圧力、燃料温度、エンジン速度などの一般的なエンジン動作状況に基づく。しかし、ＥＣＵが噴射器放電フェーズの後でバルブニードル移動の開始を計算することができる精度は、アクチュエータの経年変化の影響を非常に受けやすく、これは圧電噴射器の長期存続性の問題を提起する。
欧州特許第ＥＰ ０９５５９０１Ｂ号

したがって、噴射器のアクチュエータの圧電気の経年変化の影響を緩和することができるように、燃料噴射器の動作状態に関して情報を車両のＥＣＵにフィードバックする手段を提供する必要がある。

この背景に対して、本発明の第１の態様は、前記噴射器を活動化および非活動化するために電気駆動パルスを印加することによって動作可能な圧電アクチュエータを有する燃料噴射器を作動させる方法を提供する。この方法は、所定の期間中アクチュエータの電気特性をモニタするステップと、所定の期間中にモニタされた電気特性に対応する時間領域データサンプルを決定するステップと、時間領域データサンプルに対応する周波数スペクトルシグニチャを決定するステップと、モニタされた電気特性の周波数スペクトルシグニチャを、噴射器事象を示す所定の周波数スペクトルシグニチャと比較するステップとを含む。

噴射事象中の噴射器の動作は噴射器の燃料通路を通る圧力波および噴射器構成要素の機械的振動を生成し、それらはアクチュエータ電圧に影響する。本出願人は、電圧変動が特定の周波数スペクトル特性または「スペクトル密度シグニチャ」を有し、計算されたスペクトル密度シグニチャを、ある噴射器挙動を示す既知のスペクトル密度シグニチャと比較することによって、噴射器の動作パラメータに関する情報を決定することができることを確認した。言い換えれば、本発明では、アクチュエータはセンサとして動作して噴射器燃料通路中の圧力波活動および噴射器構成要素の機械的振動／共振を検出する。

以下、スペクトル密度という用語は周波数スペクトルという用語と同義に使用される。
好ましい実施形態では、所定の期間中電気特性をモニタするステップは、噴射器が非活動化された後（例えば、アクチュエータ充電フェーズの後）所定の期間中アクチュエータ電圧をモニタするステップを含む。しかし、噴射器が活動化された後（例えば、放電フェーズの後）モニタするステップが行われてもよい。

ある動作挙動は、好ましい実施形態では、単一の駆動パルスの印加の後にアクチュエータ電圧または電流をモニタすることから決定することができるが、本発明は、複数の電気駆動パルスをアクチュエータに印加するステップであって、各連続の駆動パルスが前の駆動パルスに対して増大した継続期間を有するステップと、複数の時間領域データサンプルを与えるように各電気駆動パルスの印加の後にアクチュエータの電気特性をモニタするステップと、複数の時間領域データサンプルの各々の周波数スペクトルシグニチャを決定するステップと、噴射事象を開始するのに必要な最短継続期間を有する電気駆動パルスが決定されるように対象とする所定の周波数で複数の周波数スペクトルシグニチャの各々を比較するステップとを含む。

好ましい実施形態では、比較するステップは、周波数スペクトルシグニチャの各々の信号振幅が所定の閾値を超えているかどうかを決定するステップを含むことができ、最短送出パルスは所定の閾値を超える最短継続期間を有する電気駆動パルスを決定することによって識別することができる。

本発明の第２の態様によれば、実行環境で実行されたとき本発明の第１の態様の方法を実行するのに動作可能である少なくとも１つのコンピュータプログラムソフトウェア部分を含むコンピュータプログラム製品が提供される。

第３の態様によれば、本発明は、本発明の第２の態様による各コンピュータソフトウェア部分を記憶したデータ記憶媒体を提供する。
第４の態様によれば、本発明の第３の態様によるデータ記憶媒体を有するマイクロコンピュータが提供される。

本発明の第５の態様によれば、噴射器バルブニードルに結合され、アクチュエータ電圧／電流に応じてバルブニードルを移動させるように配置された圧電アクチュエータを有する燃料噴射器、および圧電アクチュエータに電気駆動パルスを印加するように配置された噴射器制御手段を含み、噴射器の圧力波活動および／または機械的振動を感知するためにアクチュエータ電圧および／またはアクチュエータ電流をモニタするように制御手段が動作可能である装置が提供される。

既知の圧電噴射器２および関連する制御システムの概略図である図１、および「放電〜注入（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ−ｔｏ−ｉｎｊｅｃｔ）」圧電噴射器用の一般的な駆動パルス波形を示す図２が既に説明された。より容易に理解されるように、次に本発明は以下の図も参照しながら説明される。

図３のアルゴリズムは、図１に示されるように、ＥＣＵ ２２に統合されているＭＤＰ計算モジュール２８で具体化される。ＭＤＰ計算モジュール２８は、関連する燃焼室に燃料を噴射するためにバルブニードルの移動を開始するのに必要とされる最短噴射器駆動パルスを決定する方法を提供する。最短駆動パルスは、噴射燃料の量に対する制御を可能にするように正確に決定するための重要なパラメータである。例えば、固有の最短送出パルスがエンジン内の各噴射器に対して計算された後、発明の事象を得るために所定の長さのさらなるパルスが各計算された最短送出パルスに加えられ、要求された量の燃料を送出することができる。したがって、各噴射器の送出量は実質的に等しい。

ＭＤＰ計算モジュール２８は図１にＥＣＵ ２２の一部として示されているが、それは本発明にとって本質的ではなく、その代りにＭＤＰ計算モジュール２８をＥＣＵ ２２から物理的に引き離されている計算ユニットで具体化することができることをこの時点で述べるべきであろう。

図３では、ステップ３００で、ＭＤＰ計算モジュール２８は待ち状態であり、プロセスを開始して最短送出パルスを計算するためにＥＣＵ ２２からのコマンド信号（図示せず）を待つ。

ＥＣＵ ２２からのコマンド信号を受け取るのに続いて、ＭＤＰ計算モジュール２８はデータ収集プロセスを始め、最短送出パルスを計算することができるデータを集める。ＭＤＰ計算モジュール２８は、噴射器に連続して印加される一連の５つの短い噴射器駆動パルスＰ１からＰ５を計算する。各駆動パルスの継続期間は１マイクロ秒ずつ長さが増加する。最短継続期間駆動パルスＰ１を選択すると、非常に短いのでバルブニードル６がバルブニードルシート８から持ち上がらず、その結果、燃料が噴射されない。対照的に、最大継続期間駆動パルスＰ５を選択すると、バルブニードル６をシート８から持ち上げるのに十分な継続時間であり、したがって、燃料噴射が行われる。連続の駆動パルスに対して１マイクロ秒ずつ継続期間を増加するのは単なる例示であることをこの時点で述べるべきであろう。

本実施形態では、ＭＤＰ計算モジュール２８はステップ３０２で第１の駆動パルス（全駆動パルスの中で最短継続期間を有する）を噴射器に印加する。第１の駆動パルスＰ１の印加に続いて、ＭＤＰ計算モジュール２８はアクチュエータ電圧をモニタし、後にプロセスで使用のためにステップ３０４で時間領域データサンプルを取得する。

決定ステップ３０６で、ＭＤＰ計算モジュール２８は、前の駆動パルスが最大継続期間駆動パルスであったかどうかを調査する。調査ステップ３０６への返答が否定である場合、プロセスは駆動パルス継続期間を所定の量（例えば１マイクロ秒）だけ増加させるステップ３０８を通ってループを実行し、ステップ３０２で次の駆動パルスを印加する。すべての所定の駆動パルスＰ１からＰ５が噴射器に印加され、その結果得られる時間領域データサンプルが取得され終わるまでプロセスはステップ３０２、３０４、３０６、３０８を通ってループを実行する。

図４では、データサンプルウィンドウ４０２はデータ取得ステップ３０６の対象の区域を示し、図５では、データサンプルウィンドウ４０２の領域の駆動パルスＰ１からＰ５のデータサンプルがより詳細に示される。図から分かるように、アクチュエータ充電期間の端部で、アクチュエータ電圧は約３．０ｍｓの間充電された電圧レベル（公称２００Ｖ）のまわりで振動する。

図３を再び参照して、ステップ３１０で、ＭＤＰ計算モジュール２８は収集された時間領域データサンプルＰ１からＰ５を処理して、各データサンプルの振幅（以下、「スペクトル密度シグニチャ」）に対する周波数成分を、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析によって計算する。

図６はデータサンプルＰ１からＰ５の各々に対するスペクトル密度シグニチャを示す。図から分かるように、各データプロットＰ１からＰ５のスペクトル密度シグニチャは、ある範囲の周波数成分で（この場合、約４ｋＨｚから約６．５ｋＨｚの間）電圧振幅を規定するプロットに時間領域データサンプルを分解する。

ステップ３１２で、ＭＤＰ計算モジュール２８は、所定の周波数範囲、例えば５ｋＨｚと５．２ｋＨｚとの間でスペクトル密度シグニチャＰ１からＰ５の各々の振幅を調べる。対象とする周波数領域で、ＭＤＰ計算モジュール２８は、各スペクトル密度シグニチャの信号振幅が所定の閾値、例えば６ボルトよりも上であるかまたは下であるかを調べる。

説明として、スペクトル密度シグニチャＰ１およびＰ２はそれぞれ約５．３ｋＨｚおよび５．４ｋＨｚで約６ボルトから７ボルトの振幅ピークを有することが分かる。しかし、スペクトル密度シグニチャＰ３、Ｐ４、Ｐ５の振幅ピークはそれぞれより低い周波数の５ｋＨｚおよび５．１ｋＨｚで生じている。

振幅ピークの移動は、バルブニードルがバルブシートから持ち上げられて燃料噴射が可能になるとき、噴射器内の圧力波およびスタックの機械的共振によって生成された振動の結果である。したがって、ＭＤＰ計算モジュール２８は、さらに対象とする範囲で高い振幅周波数信号を引き起こす最短継続期間の駆動パルスに対してスペクトル密度シグニチャＰ１からＰ５を分析する。この場合、駆動パルスＰ３は駆動パルスＰ４およびＰ５よりも短い継続期間を有し、約５．１ｋＨｚの周波数で約６．５ボルトのより大きい振幅を有する。

ステップ３１４で、ＭＤＰ計算モジュール２８は、計算された最短駆動パルス（Ｐ３）をＥＣＵ ２２にフィードバックし、ＥＣＵ ２２からの適切なコマンド信号の後で再度最短駆動パルスを計算する状況にある待機ステップ３００に戻る。

特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく前述の実施形態に様々な変更を加えることができることが理解されよう。例えば、噴射を開始するために最短送出パルスを計算する前述の例は、本発明の有用性の例示であり、限定することは意図されていない。したがって、本発明は、噴射器燃料通路中の燃料圧力波活動および／または噴射器構成要素の機械的共振から生成される噴射器の振動ノードから他の噴射器現象の正確なタイミングを識別するのにも使用できることが理解されよう。そのような現象の例はバルブニードルの持上げおよびバルブニードルの閉鎖の始動である。本発明の概念は、例えばＥＰ ０９５５９０１Ｂに説明されているように、アクチュエータとバルブニードルとの間に機械継手および流体継手を有するタイプの噴射器において機械／流体増幅遷移点を決定する際にも有用である。

前述の実施形態に関して、前述の実施形態で使用された一連の５つの駆動パルスＰ１からＰ５は単なる例示であり、所望であればより多い数またはより少ない数も使用することができることに留意されたい。例えば、精度の増大が必要な場合、より多い数の駆動パルスを使用し、各々が少ない増加量の継続期間を有し、したがって、解像度を増大させることができる。

さらに、各送出パルスのすべてに関連する時間領域データが取得され、その後にそれぞれのスペクトル密度シグニチャを計算することが説明されたが、そうである必要はない。代替として、各駆動パルスのスペクトル密度シグニチャを順に計算し、その後、次の駆動パルスを印加することができる。

さらに、前述の例ではアクチュエータ電圧がモニタされているが、これは本質的ではなく、本発明は他の電気特性をモニタすることも含む。例えば、アクチュエータが一定電圧に基づいて制御された場合、噴射器内の圧力波活動および共振に関する同じ情報が噴射器の電流をモニタすることから得ることができる。

既知の圧電噴射器および関連する電子制御システムを概略的に示す図である。 噴射器駆動回路によって駆動されたときの主噴射中のアクチュエータ電圧（または「駆動パルス」）を示すグラフである。 本発明の実施形態による流れ図である。 複数の駆動パルスに対応する、時間に対するアクチュエータ電圧のグラフである。 図４のグラフの拡大図である。 図５の時間に対する電圧のグラフの各々についてのスペクトル密度のグラフである。

符号の説明

２ 圧電噴射器
３ 電子制御システム
４ 圧電アクチュエータ
５ 油圧増幅器
６ 噴射器バルブニードル
７ スタック
８ バルブニードルシート
１０ ノズル出口
２０ 噴射器制御ユニット
２２ エンジン制御ユニット
２４ エンジンパラメータ
２６ 噴射器駆動回路
２８ ＭＤＰ計算モジュール
３００ 「計算ＭＤＰ」コマンドを受け取るまで待機状態
３０２ 最短継続期間Ｐ_Ｎの駆動パルスを印加
３０４ 時間領域データサンプルを取得
３０６ Ｐ_{Ｎ＝ＭＡＸ} 所定のＭＤＰ継続期間
３０８ 駆動パルス継続期間を増大
３１０ 各データサンプルについてスペクトル密度シグニチャを計算
３１２ 各スペクトル密度シグニチャについて所定の周波数で振幅を調査
３１４ 最短送出パルス（ＭＤＰ）値をフィードバック

Claims (10)

1. 噴射器を活動化および非活動化するために電気駆動パルスを印加することによって動作可能な圧電アクチュエータ（７）を有する燃料噴射器を作動させる方法であって、
   複数の電気駆動パルス（P１、P２、P３、P４、P５）を前記圧電アクチュエータ（７）に印加するステップであって、各々次の電気駆動パルスが前の電気駆動パルスに対して増大した継続期間を有する、ステップと、
   所定の期間中にモニタされた電気特性に対応する各電気駆動パルスに対する時間領域データサンプルを決定するために、各電気駆動パルスの印加後に、所定の期間中前記アクチュエータ（７）の電気特性をモニタするステップと、
   前記各時間領域データサンプルに対応する周波数スペクトルシグニチャを決定するステップと、
   噴射事象を開始するのに必要な最短送出パルスを決定するために、前記モニタされた各電気特性の前記周波数スペクトルシグニチャを、噴射事象を示す所定の周波数スペクトルシグニチャと比較するステップと
   を含む方法。
2. 前記所定の期間中前記電気特性をモニタする前記ステップが、前記噴射器が非活動化された後、所定の期間中前記アクチュエータ電圧および／または前記アクチュエータ電流をモニタするステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記比較するステップが、前記周波数スペクトルシグニチャの各々の信号振幅が所定の閾値を超えているかどうかを決定するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記最短送出パルスが、前記所定の閾値を超える最短継続期間を有する前記電気駆動パルスを決定することによって識別される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記電気駆動パルスのすべてが前記時間領域データサンプルを供給するためにモニタされた後で前記周波数スペクトルシグニチャを決定する前記ステップが実行される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記時間領域データサンプルの各々の前記周波数スペクトルシグニチャを決定する前記ステップが、次の電気駆動パルスがモニタされる前に前記電気駆動パルスの各々に対して順に実行される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記電気特性が前記アクチュエータの両端の電圧である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 実行環境で実行されたとき請求項１から７のいずれか一項に記載の方法を実行するのに動作可能である少なくとも１つのコンピュータプログラムソフトウェア部分を含むコンピュータプログラム製品。
9. 請求項８に記載の各コンピュータソフトウェア部分を記憶したデータ記憶媒体。
10. 請求項９に記載のデータ記憶媒体を備えたマイクロコンピュータ。

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