JP4723108B2 - 圧電素子を充電するための装置および圧電素子を充電するための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、請求項1の上位概念部分で定義される装置および請求項5の上位概念部分で定義される方法、すなわち、圧電素子を充電するための方法および装置に関する。
【0002】
本発明の圧電素子は、より詳細には、但し限定するという意味ではないが、とりわけアクチュエータとして使用される圧電素子である。圧電素子をこのような目的のために使用することができるのは、周知のように、圧電素子が、それらに印加された電圧またはそれらに生じた電圧の関数として圧縮または伸長する性質を有しているからである。
【0003】
圧電素子を用いたアクチュエータの実装は、特にアクチュエータが迅速な動き、および/または頻繁な動きを果たす必要性がとりざたされる場合には特に有利である。
【0004】
圧電素子のアクチュエータとしての使用は、とりわけ、内燃機関のための燃料噴射ノズルにおいて有利である。燃料噴射ノズルにおける圧電素子の利便性に関しては、例えば、EP 0 371 469 B1およびEP 0 379 182 B1明細書が参照せれる。
【0005】
圧電素子は容量性素子であり、既に上で部分的に示唆したように、所定の充電状態、または、圧電素子に生じた電圧もしくは圧電素子に印加された電圧にしたがって、圧縮および伸長する。燃料噴射ノズルの例では、圧電素子の伸長および圧縮は、噴射ニードルの直線的ストロークを操作する弁を制御するために利用されている。圧電素子を燃料噴射システム内の対応する噴射ニードルを制御する複動式両座弁とともに使用することは、ドイツ特許出願DE 197 42 073 A1およびDE 197 29 844 A1明細書で示されており、これらは参照のため全体として本明細書に取り込まれている。
【0006】
圧電アクチュエータを使用した燃料噴射システムは、第1近似として、圧電アクチュエータが、印加された電圧と直線的な伸長の間で比例関係を示すという事実によって特徴付けられる。燃料噴射ノズル、例えば、燃料を内燃機関のシリンダに噴射するためのニードルの直線的ストロークを制御する複動式両座弁として実装された燃料噴射ノズルでは、相応のシリンダに噴射される燃料量は、弁が開いている時間の関数であり、また圧電素子を使用している場合であれば、この圧電素子に印加された活動化電圧の関数である。
【0007】
図8は、圧電素子2010をアクチュエータとして使用する燃料噴射システムの概略的な表示である。図8を参照すると、圧電素子2010は、印加された活動化電圧に応じて伸長および圧縮するように電気的に励起される。圧電素子2010はピストン2015に結合されている。伸長した状態では、圧電素子2010は、油圧油、例えば燃料を含む油圧アダプタ2020にピストン2015を突出させる。圧電素子の伸長の結果として、複動式制御弁2025は水理的に油圧アダプタ2020から押し出され、弁体2035は第1の閉成位置2040から離れる。複動式制御弁2025と中空の内孔2050の組合せは、しばしば複動式両座弁と呼ばれる。それは、圧電素子2010が非励起状態にある時は、複動式制御弁2025が第1の閉成位置2040に留まるからである。その一方で、圧電素子が完全に伸長した時は、それは第2の閉成位置2030に留まる。弁体2035の後者の位置が、図8ではゴーストラインで概略的に示されている。
【0008】
燃料噴射システムは、噴射ニードル2070を有しており、これが加圧燃料供給ライン2060からシリンダ(図示せず)へ燃料を噴射する。圧電素子2010が非励起状態にある時、またはそれが完全に伸長した時は、複動式制御弁2025は、それぞれ第1の閉成位置2040または第2の閉成位置2030に留まる。いずれの場合でも、油圧レールの圧力が噴射ニードル2070を閉成位置に保つ。したがって、混合燃料はシリンダ(図示せず)に進入しない。逆に、圧電素子2010が励起され、複動式制御弁2025が、中空の内孔に関していわゆる中間位置にある時は、加圧燃料供給ライン2060に圧力降下が存在する。この加圧燃料供給ライン2060における圧力降下は、噴射ニードル2070のトップとボトムの間に圧力差分を生じさせ、これによって噴射ニードルが揚程し、燃料がシリンダ(図示せず)に噴射される。
【0009】
燃料噴射システムにおいては、所望の燃料噴射量を高い精度で達成すること、特に少ない噴射量を、例えば予備噴射の間に達成することが目標である。両座弁の例では、圧電素子は活動化電圧の影響で伸長および圧縮し、これによって、制御される弁体が両座弁の2つのシート位置の間の中間に位置決めされ、対応する噴射ニードルが所定の期間に最大の燃料流量を噴射するように位置決めされる。対応する弁体を最大燃料流量のために正確に位置決めするのに十分な精度で、活動化電圧を決定および印加することは困難であった。
【0010】
したがって、本発明の課題は、請求項1の上位概念部分で定義される装置および請求項5の上位概念部分で定義される方法を開発し、弁体を最大燃料流量のために正確に位置決めするのに十分な精度で、圧電素子のための活動化電圧レベルを決定および設定することである。圧電素子は、システム、例えば燃料噴射システムにおいてアクチュエータとして使用されている複数の圧電素子のうちの1つであってよい。
【0011】
この課題は、本発明によれば、請求項1(装置)の特徴部分および請求項5(方法)の特徴部分でクレームされている特徴によって解決される。
【0012】
これらは次のものを提供する。
【0013】
燃料噴射システム(請求項1の特徴部分)の測定された作動特性の関数として設定されるべき、圧電素子を充電するための活動化電圧値。
【0014】
燃料噴射システム(請求項5の特徴部分)の測定された作動特性量の関数として充電に先行して行われるべき、圧電素子を充電するための活動化電圧の値の設定。
【0015】
バルブニードルを動かすのに必要な力の量は、燃料噴射システムの作動特性、例えば燃料噴射ノズルにおいて制御弁に印加された燃料圧、温度等の関数である。したがって、対応する弁からの圧電素子への負荷、および所定の活動化電圧の印加に応じたアクチュエータの変位の量もまた、例えば弁に印加された燃料圧の関数である。
【0016】
コモンレール式燃料噴射システムの場合には、燃料圧はシリンダへのどの特定の燃料噴射においても、コモンレール内の燃料圧にほぼ等しい。内燃機関の弁に作用するコモンレール燃料圧は、燃料噴射システム内の動作点の関数として顕著に変化し、弁に作用する力の相当な変化を生じる。
【0017】
したがって、この実施例では、圧電素子のための活動化電圧レベルは、燃料圧のレベルとこのレベルの変化に影響されている。この活動化電圧レベルとは、複動弁の例では、噴射ニードルを最大燃料流量に対する最適な中間位置へ動かすのに十分な素子の変位に適するものである。
【0018】
活動化電圧のレベルを燃料噴射システムの作動特性の関数として、例えば燃料圧の関数として設定したとすると、制御弁は、レールの圧力には依存せずに、したがってシステムの動作状態には依存せずに十分な精度で制御される。圧電素子に印加される活動化電圧は、どの所定の時点においても、活動化の時点のレール圧力に比べて適切であり、それゆえ噴射ニードルは、制御弁によって、最大噴射量のために適切に位置決めされる。このようにして、噴射量が少ない場合または噴射量特性の経過が複雑である場合でさえ、所望の噴射量を十分な精度で達成することができる。
【0019】
本発明の有利な実施例は、従属請求項、以下の説明および図面から明らかである。
【0020】
本発明を以下の明細書においてより詳細に、実施例を参照し、図面を参照しながら説明する。
【0021】
図1は、両座制御弁に作用する圧電素子を使用した1つの例示的な燃料噴射システムについて、所定の一定期間中の活動化電圧Uと噴射される燃料の体積Qの間の関係を描いたグラフを示している。y軸は、所定の一定期間中にシリンダ室へ噴射される燃料の体積を表している。x軸は、相応の圧電素子に印加または蓄えられる活動化電圧を表している。この圧電素子は、複動式制御弁の弁体を変位させるために使用されるものである。
【0022】
x=0、y=0において、活動化電圧Uはゼロであり、弁体は、所定の一定期間の間、燃料の流れを阻止するために、第1の閉成位置に位置する。ゼロ以上かつUoptと表示されたx軸上の点までの活動化電圧の値に対しては、活動化電圧Uの表示された値は、弁体を第1のシート位置から第2のシート位置へ変位させる。これによって、活動化電圧がUoptに近づく一定期間の間に、より大きな体積の燃料が、y軸上でQe,maxと表示された値の体積まで噴射される。この一定期間に噴射される燃料の最大体積に対応する点Qe,maxは、圧電素子に印加するため、または圧電素子を充電するための活動化電圧値を表しており、これが弁体を第1のバルブシート位置と第2のバルブシート位置の間の中間位置へ変位させる。
【0023】
図1のグラフで示されているように、Uoptより大きい活動化電圧の値に対しては、一定期間に噴射される燃料の体積は、ゼロに到達するまで減少する。これは、第2の閉成位置に位置するまで、弁体が中間点から両座弁の第2のシート位置に向かって変位する様子を表している。したがって、図1のグラフは、燃料噴射の最大体積は、活動化電圧Uが圧電素子によって弁体を中間点へ変位させた時に生じるということを示している。
【0024】
本発明は、Uoptに対する値はどの時点でも、その時点の燃料噴射システムの作動特性、例えば燃料圧に影響されていることを教えてくれる。つまり、ある活動化電圧に応じて圧電素子によって引き起こされる変位の量は、燃料圧の関数として変化する。したがって、燃料噴射の最大体積を所定の一定期間中に達成するためには、圧電素子に印加される活動化電圧U、または圧電素子に生じる活動化電圧Uは、Uoptを達成するために現在燃料圧に関係する値に設定されるべきである。
【0025】
図2は、例示のための制御弁ストロークの概略的経過を表す二重グラフを示しており、上で論じた複動式制御弁の動作を表している。図2の上側グラフでは、x軸は時間を表し、y軸は弁体の変位(弁の揚程)を表している。図2の下側グラフでは、x軸はまた時間を表しており、一方y軸は、燃料流量を提供するための噴射ニードルの揚程を表しており、この燃料流量は、上側グラフの弁の揚程から生じている。上側グラフと下側グラフは、それぞれのx軸によって表される時間が一致するように調整されている。
【0026】
噴射サイクルの間、圧電素子は充電され、これにより圧電素子は、後でより詳細に説明するように、伸長し、図2の上側グラフで示されているように、対応する弁体を予備噴射ストロークのために第1のシート位置から第2のシート位置へ移動させる。図2の下側グラフは、弁体が両座弁の2つのシート位置の間を動く時に生じる燃料の小さな噴射、および弁体が2つのシート位置の間を動く時の弁の開閉を示している。一般に、弁を第1のシート位置から中間の位置に動かすための第1の充電プロセスがあり、つづいて休止があり、さらにつづいて弁を中間の位置から第2のシート位置に動かすための第2の充電プロセスがあり得る。
【0027】
所定の期間の後、以下でより詳細に説明されるように、放電動作が実行され、圧電素子内の電荷が低減される。これにより、同様により詳細に説明されるように、圧電素子は圧縮し、弁体を第2のシート位置から動かし、2つのシート位置の間の中間点に維持する。図1で示されているように、圧電素子内の活動化電圧は、主噴射に割当てられた期間内に、中間点に相応するUoptに等しい値にまで達すべきものであり、この値において最大の燃料流量Qe,maxが得られる。図2の上側グラフと下側グラフでは、弁の揚程が中間点に維持され、燃料主噴射が行われる様子が示されている。
【0028】
主噴射の期間の終了時に、圧電素子はゼロの活動化電圧にまで放電され、これにより圧電素子がさらに圧縮し、図2の上側グラフと下側グラフで示されているように、弁体を中間位置から第1のシート位置に向かって、および第1のシート位置まで移動させ、弁を閉じ、燃料流量をストップさせる。この時点で、弁体は再び、すぐ上で説明したような別の予備噴射‐主噴射サイクルを繰り返すための位置にある。
【0029】
図3Aおよび図3Bは、噴射の間の、活動化電圧とレール圧との間の関係を表すグラフの例を示しており、それによると弁は、圧電素子の充電および放電によって、第1のシート位置から中間位置へ移動し、所定の時間の後、第1のシート位置に戻る。図3Aおよび図3Bのグラフは、圧電素子に印加される活動化電圧の時間的経過、この活動化電圧による圧電素子の伸長または圧縮から生じる噴射ニードルの変位、およびコモンレール内の燃料圧を示している。図から明らかなように、最適な活動化電圧は、レール圧がそれぞれ500barと1000barに変化するため、異なっている。
【0030】
図4は、本発明を実現する構成の実施例のブロック線図を提供している。
【0031】
図4には、詳細エリアAと非詳細エリアBがあり、それらの分離は破線cによって示されている。この詳細エリアAには、圧電素子10,20,30,40,50および60を充電および放電する回路が含まれている。考察中の実施例では、これら圧電素子10,20,30,40,50および60は、内燃機関の(とりわけ、いわゆるコモンレール式インジェクタにある)燃料噴射ノズル内のアクチュエータである。圧電素子がこのような目的のために使用できるのは、周知のように、また上で説明したように、圧電素子が、それらに印加された、もしくはそれらに生じた電圧の関数として圧縮または伸長する性質を有しているからである。この説明されている実施例で6つの圧電素子10,20,30,40,50および60を使用する理由は、内燃機関内で独立に制御されるシリンダが6つであることによる。したがって、その他の数の圧電素子も、他の目的にかなうものである。
【0032】
非詳細エリアBには、制御ユニットDと活動化集積回路(activation IC)Eが含まれており、これら両方によって、作動特性、例えばレール圧を測定するためのシステムである測定システムFだけでなく、詳細エリアA内の素子も制御される。本発明によれば、制御ユニットDと活動化集積回路Eは、圧電素子に対する活動化電圧を、測定またはセンシングされた燃料噴射システムの作動特性の関数として、例えば測定システムFによってセンシングされたコモンレールシステムの燃料圧の関数として制御するようにプログラムされている。
【0033】
以下の説明では、最初に詳細エリアA内の個々の素子について説明する。ここではまず、圧電素子10,20,30,40,50および60を充電するプロシージャおよび放電するプロシージャを一般的に説明する。最後に、これら両方のプロシージャを制御ユニットDと活動化集積回路Eによって制御する方法を詳細に説明する。
【0034】
詳細エリアA内の回路は、6つの圧電素子10,20,30,40,50および60を有している。
【0035】
これら圧電素子10,20,30,40,50および60は、第1のグループG1と第2のグループG2に分配され、各グループは3つの圧電素子を有する(すなわち、第1のグループG1に圧電素子10,20および30、または第2のグループG2に圧電素子40,50および60)。グループG1およびG2は、互いに並列に接続された回路部分の構成要素である。グループセレクタスイッチ310,320は、圧電素子10,20および30、または40,50および60のグループG1、G2のいずれが、各ケースにおいて共通の充/放電装置によって放電されるのかを決めるために使用することができる(しかしながら、グループセレクタスイッチ310,320は、以下においてさらに詳細に説明されるように、充電プロシージャに対しては意味がない)。
【0036】
グループセレクタスイッチ310,320は、コイル240とグループG1およびG2のそれぞれ(G1およびG2のコイル側端子のそれぞれ)との間に配置されており、トランジスタとして実現されている。サイドドライバ311,321は、活動化集積回路Eから受け取った制御信号を、要求通りのスイッチの開閉に適した電圧に変換するように実現されている。
【0037】
ダイオード315および325(グループセレクタダイオードと呼ばれる)は、それぞれグループセレクタスイッチ310,320と並列して設けられている。グループセレクタスイッチ310,320が、例えばMOSFETまたはIGBTによって実現されている場合には、これらグループセレクタダイオード315および325は、寄生ダイオードそのものによって構成することができる。ダイオード315,325は、充電プロシージャの間、グループセレクタスイッチ310,320をバイパスする。したがって、グループセレクタスイッチ310,320の機能は、放電プロシージャのために、圧電素子10,20および30、または40,50および60のグループG1、G2を選択することだけに縮減されている。
【0038】
各グループG1またはG2の内部では、圧電素子10,20および30、または40,50および60が、並列に接続されている圧電分岐110,120および130(グループG1)、ならびに140,150および160(グループG2)の構成素子として配置されている。各圧電分岐は、次の2つの並列回路から成る直列回路を有する。第1の並列回路は、圧電素子10,20,30,40,50または60と抵抗13,23,33,43,53または63(分岐抵抗と呼ばれる)とを有し、第2の並列回路は、トランジスタ11,21,31,41,51または61によって実現されているセレクタスイッチ(分岐セレクタスイッチと呼ばれる)とダイオード12,22,32,42,52または62(分岐ダイオードと呼ばれる)とから成る。
【0039】
分岐抵抗13,23,33,43,53または63は、対応するそれぞれの圧電素子10,20,30,40,50または60を充電プロシージャ中および充電プロシージャ後に連続的に放電させる。というのも、これらの分岐抵抗は、それぞれの容量性圧電素子10,20,30,40,50または60の端子を互いに接続しているからである。しかしながら、分岐抵抗13,23,33,43,53または63は、以下で説明するように、制御された充/放電プロシージャに比べて、このプロシージャを遅くするのに十分な大きさである。したがって、圧電素子10,20,30,40,50または60のいずれかの電荷は、充電プロシージャの後の所定の適切な期間内においては不変のままであると仮定することは、十分に妥当なものである(それでも分岐抵抗13,23,33,43,53および63を実装する理由は、システムのブレークダウンまたは他の異常な状況の際に、圧電素子10,20,30,40,50および60に電荷が残るのを避けるためである)。したがって、分岐抵抗は以下の説明では無視してもよい。
【0040】
個々の圧電分岐110,120,130,140,150または160における分岐セレクタスイッチ/分岐ダイオード対、つまり、圧電分岐110のセレクタスイッチ11およびダイオード12、圧電分岐120のセレクタスイッチ12およびダイオード22等々は、寄生ダイオードを有する電子的スイッチ(つまりトランジスタ)、例えば(グループセレクタスイッチ/ダイオード対310および315、または320および325のそれぞれに関して上で述べたように)MOSFETまたはIGBTを有する電子的スイッチを使用して実現することができる。
【0041】
分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51または61は、圧電素子10,20,30,40,50または60のうちのいずれが、各ケースにおいて、共通の充/放電装置によって充電されるのかを決めるのに用いることができる。各ケースにおいて、充電される圧電素子10,20,30,40,50または60は、すべてその分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51または61が、以下で説明する充電プロシージャの間閉じている圧電素子である。通常は、どの時点においても、分岐セレクタスイッチのうちのただ一つだけが閉じている。
【0042】
分岐ダイオード12,22,32,42,52および62は、分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51または61を放電プロシージャの間にバイパスするために使用される。したがって、考察中の充電プロシージャの例では、個々の圧電素子のいずれも選択可能であるが、それに対して放電プロシージャに関しては、圧電素子10,20および30、または40,50および60の、第1のグループG1か、または第2のグループG2か、またはこれら両方が選択されなければならない。
【0043】
圧電素子10,20,30,40,50および60それ自体に戻ると、分岐セレクタピエゾ端子15,25,35,45,55または65は、分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51または61を介してか、または相応のダイオード12,22,32,42,52または62を介してアースに接続してもよいし、両方のケースにおいて、付加的に抵抗300を介して接続してもよい。
【0044】
この抵抗300の目的は、圧電素子10,20,30,40,50および60の充電および放電の間に、分岐セレクタピエゾ端子15,25,35,45,55または65とアースとの間を流れる電流を測定することである。これらの電流を知ることにより、圧電素子10,20,30,40,50および60の制御された充電および放電が可能となる。とりわけ充電スイッチ220と放電スイッチ230をこれら電流の大きさに依存した形で開閉することにより、充電電流と放電電流を所定の平均値に設定し、および/またはこれら電流が所定の最大値および/または最小値を超過することがないようにすることができる。これについては、以下の明細書でより詳細に説明する。
【0045】
考察中の例では、測定自体にはさらに、例えばDC5Vの電圧を供給する電圧源621と、2つの抵抗622および623によって実現された分圧器を必要とする。これは、活動化集積回路E(これによって測定が行われる)を負の電圧から護るためである。このようにしないと、測定点620にこの負の電圧が生じることがあり、これは活動化集積回路Eを用いては処理することができない。このような負電圧は、前記電圧源621と分圧器抵抗622および623とによって供給される正電圧セットアップの付加により正電圧に変換される。
【0046】
各圧電素子10,20,30,40,50および60の他の端子、すなわちグループセレクタピエゾ端子14,24,34,44,54または64は、コイル240と充電スイッチ220および充電ダイオード221から成る並列回路とを介して電圧源のプラス極へ接続されるだけでなく、グループセレクタスイッチ310または320を介して、またはグループセレクタダイオード315または325を介して電圧源のプラス極へ接続されてもよい。代替的または付加的には、コイル240と放電スイッチ230または放電ダイオード231から成る並列回路とを介してアースに接続されるだけでなく、グループセレクタスイッチ310または320を介して、またはダイオード315または325を介してアースに接続されてもよい。充電スイッチ220および放電スイッチ230は、サイドドライバ222または232を介して制御されるトランジスタによって実現される。
【0047】
電圧源は容量性の性質を備えた素子を有しており、この素子は、考察中の実施例では、(バッファ)キャパシタ210である。キャパシタ210は、バッテリ200(例えば自動車バッテリ)とこれに後置接続された直流変圧器201により充電される。直流変圧器201は、バッテリ電圧(例えば12V)を実質的に他のいずれかの直流電圧(例えば250V)へ変換し、キャパシタ210をその電圧まで充電する。直流変圧器201は、トランジスタスイッチ202と抵抗203を用いて制御される。抵抗203は、測定ポイント630から電流を測定するために使用される。
【0048】
クロスチェックのために、測定ポイント630での別の電流測定が、抵抗651,652および653ならびに5Vの直流電圧源654によってだけでなく、活動化集積回路Eによっても可能である。さらに、測定ポイント640での電流測定は、分圧抵抗641および642によってだけでなく、活動化集積回路Eによっても可能である。
【0049】
最後に、抵抗330(全放電抵抗と呼ばれる)、トランジスタ331によって実現されたストップスイッチ(ストップスイッチと呼ばれる)およびダイオード332(全放電ダイオードと呼ばれる)は、圧電素子10,20,30,40,50および60を放電するために使用される(これら素子が、以下で説明する「通常の」放電動作により放電されなかった場合)。ストップスイッチ331は、有利には「通常の」放電プロシージャ(放電スイッチ230を介したサイクル放電)の後、閉じられる。これによりストップスイッチ331は、圧電素子10,20,30,40,50および60を抵抗330および300を通してアースに接続し、圧電素子10,20,30,40,50および60に残留している可能性のある残留電荷をすべて除去する。全放電ダイオード332は、圧電素子10,20,30,40,50および60に負の電圧が生じるのを妨げる。この負の電圧は、ある状況においては、前記圧電素子に損傷を与えることもある。
【0050】
すべての圧電素子10,20,30,40,50および60、またはいずれかの特定の圧電素子の充電および放電は、(すべてのグループおよびこれらグループの圧電素子に共通の)1つの充/放電装置を用いて行われる。考察中の実施例では、この共通の充/放電装置は、バッテリ200、直流変圧器201、キャパシタ210、充電スイッチ220と放電スイッチ230、充電ダイオード221と放電ダイオード231、およびコイル240を有している。
【0051】
各圧電素子の充電および放電は同じ仕方で行われる。以下の明細書では、第1の圧電素子10のみを参照して説明する。
【0052】
充/放電プロシージャの間に生じる状態は、図5Aから図5Dを参照して説明される。これら図のうち、図5Aと図5Bは、圧電素子10の充電を表しており、図5Cと図5Dは、圧電素子10の放電を表している。
【0053】
充電または放電すべき1つまたは複数の特定の圧電素子10,20,30,40,50または60の選択、以下において説明される充電プロシージャおよび放電プロシージャは、活動化集積回路Eと制御ユニットDによって、上述の1つまたは複数のスイッチ11,21,31,41,51,61;310,320;220,230および331を開閉することにより駆動される。詳細エリアA内の素子と、活動化集積回路Eおよび制御ユニットD内の素子との間の相互作用は、以下の明細書において詳細に説明される。
【0054】
充電プロシージャに関しては、まず充電すべきいずれかの特定の圧電素子10,20,30,40,50または60を選択しなければならない。第1の圧電素子10を排他的に充電するためには、第1の分岐110の分岐セレクタスイッチ11が閉じられる。それに対して、他のすべての分岐セレクタスイッチ21,31,41,51および61は開いたままである。他のいずれかの圧電素子10,20,30,40,50または60を排他的に充電するためには、または同時に複数の圧電素子を充電するためには、相応の分岐セレクタスイッチ21,31,41,51および/または61を閉じることによって圧電素子を選択する。
【0055】
すると充電プロシージャそれ自体が始まる。
【0056】
一般に、考察中の実施例においては、充電プロシージャは、キャパシタ210と第1の圧電素子10のグループセレクタピエゾ端子14との間に正の電位差を必要とする。しかしながら、充電スイッチ220と放電スイッチ230が開いている限り、圧電素子10の充電または放電は起こらない。この状態では、図4に示されている回路は定常状態にある。つまり、圧電素子10は、その充電状態を実質的に不変に保っており、電流は流れない。
【0057】
第1の圧電素子10を充電するためには、充電スイッチ220が閉じられる。理論的には、こうするだけで第1の圧電素子10は充電される。しかしながら、これでは、含まれている素子に損傷を与えるおそれのある大電流が生じてしまう。それゆえ、生じる電流は測定ポイント620で測定され、スイッチ220は、検出された電流が所定の限界値を超すとすぐに再び開かれる。したがって、第1の圧電素子10上にどのような所望の電荷を達成するためにも、充電スイッチ220は繰り返し開閉される。それに対して、放電スイッチ230は開いたままである。
【0058】
より詳細には、充電スイッチ220が閉じている場合には、図5Aに示されている状態が生じる、すなわち、圧電素子10、キャパシタ210およびコイル240から成る直列回路を含む閉回路が形成され、この回路を電流iLE(t)が図5Aの矢印により示されるように流れる。この電流の流れの結果として、両方の正の電荷が第1の圧電素子10のグループセレクタピエゾ端子14へ移送され、エネルギーがコイル240に蓄積される。
【0059】
充電スイッチ220が、閉じた後すぐに(例えば、数μsして)開く場合には、図5Bに示された状態が生じる。すなわち、圧電素子10、充電ダイオード221およびコイル240から成る直列回路を含む閉回路が形成され、この回路を電流iLA(t)が図5Bの矢印により示されるように流れる。この電流の流れの結果として、コイル240に蓄積されているエネルギーが圧電素子10へ流れる。圧電素子10へのエネルギー供給に応じて、圧電素子10に生じる電圧およびその外的な大きさが増す。一旦コイル240から圧電素子10へのエネルギー移送が生じると、図4において示され、既に説明されたように、回路の定常状態に再び達する。
【0060】
その時点で、またはそれ以前、またはそれ以後(充電動作の所望の時間的経過に依存する)、充電スイッチ220はもう一度閉じ、再び開き、上記プロセスが繰り返される。充電スイッチ220の再閉成と再開放の結果として、圧電素子10に蓄積されるエネルギーは増大し(圧電素子10に既に蓄積されているエネルギーと新しく供給されたエネルギーが足し合わされる)、これに応じて、圧電素子10に生じる電圧およびその外的な大きさが増す。
【0061】
前述した充電スイッチ220の閉成と開放が何度も繰り返されると、圧電素子10に生じる電圧、および圧電素子10の伸長は段階的に大きくなる。
【0062】
一旦充電スイッチ220が所定の回数だけ開閉すると、および/または一旦圧電素子10が所望の充電状態に達すると、圧電素子の充電は、充電スイッチ220を開いたままにすることによって終了する。
【0063】
放電プロシージャに関しては、考察中の実施例では、圧電素子10,20,30,40,50および60は以下のようにグループ(G1および/またはG2)で放電される。
【0064】
まず、放電すべき圧電素子を含むグループの、またはグループG1および/またはG2の、グループセレクタスイッチ310および/または320が、閉じられる(分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51,61は、放電プロシージャのための圧電素子10,20,30,40,50,60の選択に影響しない。というのも、この場合には、分岐セレクタスイッチは分岐ダイオード12,22,32,42,52および62によりバイパスされるからである)。したがって、第1のグループG1の一部である圧電素子10を放電するためには、第1のグループセレクタスイッチ310が閉じられる。
【0065】
放電スイッチ230が閉じている場合には、図5Cに示されている状態が生じる。すなわち、圧電素子10とコイル240から成る直列回路を含む閉回路が形成され、この回路を電流iEE(t)が図5Cの矢印により示されるように流れる。この電流の流れの結果として、圧電素子に蓄積されているエネルギー(の一部)がコイル240へ移送される。この圧電素子10からコイル240へのエネルギー移送に応じて、圧電素子10に生じる電圧およびその外的な大きさが低減する。
【0066】
放電スイッチ230が、閉じた後すぐに(例えば、数μsして)開く場合には、図5Dに示されている状態が生じる。すなわち、圧電素子10、キャパシタ210、放電ダイオード231およびコイル240から成る直列回路を含む閉回路が形成され、この回路を電流iEA(t)が図5Dの矢印により示されるように流れる。この電流の流れの結果として、コイル240に蓄積されているエネルギーがキャパシタ210に戻される。一旦コイル240からキャパシタ210へのエネルギー移送が生じると、図4において示され、既に説明されたように、回路の定常状態に再び達する。
【0067】
その時点で、またはそれ以前、またはそれ以後(放電動作の所望の時間経過に依存する)、放電スイッチ230はもう一度閉じ、再び開き、上記プロセスが繰り返される。放電スイッチ230の再閉成と再開放の結果として、圧電素子10に蓄積されるエネルギーはさらに減少し、これに応じて、圧電素子10に生じる電圧およびその外的な大きさも低減する。
【0068】
前述した放電スイッチ230の閉成と開放が何度も繰り返されると、圧電素子10に生じる電圧、および圧電素子10の伸長は段階的に小さくなる。
【0069】
一旦放電スイッチ230が所定の回数だけ開閉すると、および/または一旦圧電素子10が所望の放電状態に達すると、圧電素子の充電は、放電スイッチ230を開いたままにすることによって終了する。
【0070】
活動化集積回路Eおよび制御ユニットDと、詳細エリアA内の素子との間の相互作用は、活動化集積回路Eから詳細エリアA内の素子まで、分岐セレクタ制御線410,420,430,440,450,460と、グループセレクタ制御線510,520と、ストップスイッチ制御線530と、充電スイッチ制御線540および放電スイッチ制御線550と、制御線560とを介して伝送される制御信号により行われる。その一方で、詳細エリアA内の測定ポイント600,610,620,630,640,650で得られたセンサ信号が存在し、
これらセンサ信号は、センサ線700,710,720,730,740,750を介して活動化集積回路Eへ伝送される。
【0071】
制御線は、トランジスタのベースに電圧を印加すること、または印加しないことによって、圧電素子10,20,30,40,50または60を選択するために使用される。これは、1つまたは複数の圧電素子10,20,30,40,50,60の充電プロシージャまたは放電プロシージャを上記相応のスイッチの開閉により行うためである。センサ信号は、とりわけ、圧電素子10,20および30、または40,50および60に生じる電圧を測定ポイント600または610から検出するため、および充/放電電流を測定ポイント620から検出するために使用される。制御ユニットDと活動化集積回路Eは、両方の種類の信号を組合せて、両方を相互作用させるために使用される。これについては、図4および図6を参照して詳細に説明する。
【0072】
図4に示されているように、制御ユニットDと活動化集積回路Eは、パラレルバス840および付加的にシリアルバス850により互いに接続されている。パラレルバス840は、とりわけ制御ユニットDから活動化集積回路Eへの制御信号の高速伝送のために使用されており、それに対してシリアルバス850は、比較的緩慢なデータ転送のために使用されている。
【0073】
図6には、活動化集積回路Eに含まれるいくつかのコンポーネントが示されている。すなわち、論理回路800、RAMメモリ810、デジタルアナログ変換システム820およびコンパレータシステム830が示されている。さらに、高速パラレルバス840(制御信号のために使用される)は、活動化集積回路Eの論理回路800に接続されており、それに対して比較的低速のシリアルバス850は、RMAメモリ810に接続されている。論理回路800は、RAMメモリ810、コンパレータシステム830および信号線410,420,430,440,450および460;510および520;530;540,550および560に接続されている。RAMメモリ810は、デジタルアナログ変換システム820にだけでなく、論理回路800にも接続されている。デジタルアナログ変換システム820はさらにコンパレータシステム830に接続されている。
コンパレータシステム830はさらにセンサ線700および710;720;730,740および750に、および既に述べたように論理回路800にも接続されている。
【0074】
上に挙げたコンポーネントは、充電プロシージャにおいて例えば以下のように使用することができる。
【0075】
制御ユニットDを用いて、所定の目標電圧まで充電すべき特定の圧電素子10,20,30,40,50または60が決定される。したがって、まず目標電圧の値(デジタル数値により表される)がRAMメモリ810へ比較的低速のシリアルバス850を介して伝送される。この目標電圧は、例えば図1に関連して上で説明した、主噴射で使用されるUoptに対する値とすることもできる。前記伝送以後またはそれと同時に、選択すべき特定の圧電素子10,20,30,40,50または60に対応するコード、および所望の電圧のRAMメモリ810内におけるアドレスが、論理回路800へパラレルバス840を介して伝送される。その後、ストローブ信号が論理回路800へパラレルバス840を介して送られ、充電プロシージャのための開始信号が出される。
【0076】
第一に論理回路800は、開始信号を受けて、RAMメモリ810から目標電圧のデジタル数値をピックアップし、それをデジタルアナログ変換システム820に送る。これによって、変換システム820の1つのアナログ出力側に所望の電圧が生じる。さらに、前記アナログ出力側(図示せず)はコンパレータシステム830に接続されている。これに加えて、論理回路800は、コンパレータシステム830への(第1のグループのいずれかの圧電素子10,20または30のための)測定ポイント600を選択するか、またはコンパレータシステム830への(第2のグループのいずれかの圧電素子40,50または60のための)測定ポイント610を選択する。この結果として、目標電圧と選択された圧電素子10,20,30,40,50または60における実際の電圧がコンパレータシステム830により比較される。この比較の結果である目標電圧と実際の電圧との間の差分が論理回路800へ伝送される。それによって、論理回路800は、目標電圧と実際の電圧が互いに等しくなるとすぐにプロシージャを停止することができる。
【0077】
第二に、論理回路800は、いずれかの選択された圧電素子10,20,30,40,50または60に対応する分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51または61に制御信号を印加し、これによって、スイッチは閉じられる(すべての分岐セレクタスイッチ11,21,31,41,51および61は、説明中の実施例では、充電プロシージャの開始前には開放状態にあったとする)。そして、論理回路800は制御信号を充電スイッチ220に印加し、これによって、このスイッチは閉じられる。さらに、論理回路800は、測定ポイント620上に生じているいずれかの電流の測定を開始(または続行)する。これに関して、測定された電流は、コンパレータシステム830によって、いずれかの所定の最大値と比較される。検出された電流が所定の最大値に達するとすぐに、論理回路800は充電スイッチ220を再び開く。
【0078】
その一方で、測定ポイント620における残留電流が検出され、いずれかの所定の最小値と比較される。この所定の最小値が達成されるとすぐに、論理回路800は充電スイッチを再び閉じ、プロシージャが再開する。
【0079】
充電スイッチ220の開閉は、測定ポイント600または610で検出される電圧が目標電圧以下である限り、繰り返される。目標電圧が達成されるとすぐに、論理回路はプロシージャの継続を停止する。
【0080】
放電プロシージャも相応の方法で行われる。すなわち、圧電素子10,20,30,40,50または60の選択は、グループセレクタスイッチ310または320を用いて行われ、充電スイッチ220の代わりに放電スイッチ230が開閉され、所定の最小目標電圧が達成される。
【0081】
充/放電動作のタイミングと、圧電素子10,20,30,40,50または60内の電圧レベルの保持は、例えば図2に示されている噴射を実現する相応の弁のストロークに依存している。
【0082】
充電プロシージャまたは放電プロシージャを実行する方法の上記説明は、単なる例に過ぎないと理解されるべきである。したがって、上で説明した回路または他の回路を使用する他のいずれかのプロシージャが、いずれかの所望の目的に適していることもあり、いずれかの相応のプロシージャが上で説明した例において使用されることもある。
【0083】
上で説明したように、目下の実施例では、レール圧は測定システムFによって測定され、測定値は制御ユニットDへ通信される。制御ユニット内では、測定値は、個々の圧電素子10,20,30,40,50または60に印加すべき目標活動化電圧値に対応する制御パラメータの計算に使用される。
【0084】
考慮すべきレール圧は非常に急速に変化するので(例えば2000bar/secまで)、いずれかの圧電素子10,20,30,40,50または60に対応する制御パラメータの測定とその使用との間の時間的ギャップは、比較的に小さくなければならない。その一方で、制御パラメータを制御ユニットDから活動化集積回路Eへ転送するシリアルバスシステム850は、比較的低速である(例えば、16ビットの転送は、相応のパラレルバスを使用した場合の16倍の時間がかかる)。したがって、できるだけリアルタイムに近い制御を実行する必要がある。
【0085】
こうした理由から、レール圧は、測定システムFにより、燃料噴射以前の観察期間の間繰り返し測定される。例えば、観察期間が10msecの間続き、測定が1msec毎に行われる、つまり10個の値が得られるようにしてもよい。これから、図7に示されているように、最大レール圧(max)、最小レール圧(min)および平均レール圧(av)が得られる。さらに、最大レール圧と最小レール圧との間の範囲は、いずれかの適当な線形または非線形のスケールに応じて下位区分されている(++,+,T+,0,T−,−,−−と表示されている)。
【0086】
そして、圧電素子10,20,30,40,50および60のための複数の目標電圧が、制御ユニットD内で計算される。この計算の間、レール圧に加えて、別のパラメータが算入される。例えば、個々の圧電素子10,20,30,40,50または60それぞれの温度が算入される。一方では、コモンレールシステム内のレール圧が、すべての圧電素子10,20,30,40,50および60に対して基本的に同じである(すなわち、発生する相対的な差は構成的な手段によって調節される)のに対して、とりわけ、個々の圧電素子10,20,30,40,50または60の温度は変化するため、avにより表示される平均レール圧を考慮しつつ、個々の圧電素子10,20,30,40,50または60それぞれのために計算される個々のベース目標電圧が存在する。他方では、計算された共通のオフセットV++、V+、V0、V−、V−−が存在し、これらオフセットは個々のベース目標電圧のいずれかに加算され、ベース目標電圧を平均レール圧av以上または以下の測定されたレール圧に対応させる。
【0087】
より詳細には、各オフセット値は、図7に示されているように、圧力値スケール上の1つの圧力値に対応している。平均圧力値からの小さな偏差は無視できるので、許容値T+、T−に等しいか、それらの間の圧力値に対しては、オフセットは計算されない。その代わり、これらのケースでは、ゼロオフセットV0が使用される。偏差が比較的大きい場合には、考察中の実施例では、正の中位偏差または最大偏差(+、++)に対応する2つのオフセットV+、V++、負の中位偏差または最小偏差(−、−−)に対応する2つのオフセットV−、V−−がそれぞれ計算される。しかしながら、比較的高いまたは比較的低い精度を達成するために、より多くのまたはより少ないオフセットを計算することもできる。
【0088】
この後またはこれに平行して、オフセットだけでなくベース目標電圧にも対応するすべての制御パラメータは、活動化集積回路Eの中のRAMメモリ810へシリアルバス850を用いて転送される。その結果として、活動化集積回路E内でこれらの制御パラメータを使用することができ、これら制御パラメータから加算によって、所定の範囲内のいずれかのレール圧におおよそ整合する制御パラメータが得られる。
【0089】
ところで、燃料噴射を制御するためには、噴射の直前に、現在レール圧が測定システムFにより測定される。そして、適切なオフセットを選択するために、現在レール圧は、個々のオフセットのそれぞれV++、V+、V0、V−およびV−−に対応するレール圧力値と比較され、特定のオフセットV++、V+、V0、V−またはV−−が選択される。この特定のオフセットに対応するレール圧力値は、現在レール圧力値に最も近い圧力値である。したがって、図7の矢印AR1(圧力値+と++の間の中間を示す)より上のいずれかの現在レール圧に対しては、最大圧力++に対応するオフセットV++が選択される。矢印AR1と矢印AR2の間のいずれかの圧力に対しては、正の中位圧力+に対応するオフセットV+が選択される。矢印AR2と矢印AR3の間のいずれかの圧力に対しては、ゼロオフセットV0が選択される。
【0090】
そして、制御ユニットD内では、使用されている特定の圧電素子10,20,30,40,50または60に対応する選択パラメータ、前記特定の圧電素子の個々のベース目標電圧に対応する選択パラメータ、および現在レール圧に最も整合するオフセットV++、V+、V0、V−またはV−−に対応する選択パラメータが決定され、活動化集積回路E内の論理回路800へパラレルバスシステム840を介して転送される。
【0091】
最後に、活動化集積回路E内では、選択パラメータは、圧電素子10,20,30,40,50または60を選択するため、および選択された圧電素子10,20,30,40,50または60に対する適切な制御パラメータを選択するために使用される。選択されたオフセットV++、V+、V0、V−またはV−−は、ベース制御パラメータ(すなわち、平均レール圧に対応する電圧)に加算手段(図示せず)によって加算される。そして、この結果生じた電圧は、上述のように、選択された圧電素子10,20,30,40,50または60に印加され、選択された圧電素子10,20,30,40,50または60の正確な伸長または圧縮を達成する。
【0092】
各シリンダおよび活動化電圧レベルに対して個別に電圧のセットを記憶するのに比べて、この方法は、データ量、したがって活動化集積回路E内の記憶容量を減らすことができ、それゆえコストも低減することができる利点を有している。例えば、レール圧の急速な変化を考慮するためには、6つのシリンダと燃料インジェクタ毎に異なる2つの弁の変位(すなわち複動弁)を有するエンジンは、各シリンダおよび弁の変位に対して異なる5つの電圧値(V−−、V−、V0、V+、V++)を記憶できなければならない。したがって、60の記憶セルが必要とされる(6*2*5=60)。その一方で、例えば、ベース値のみをトラッキングし、4つの電圧オフセット(V−−、V−、V+およびV++)のうちの1つを加算することにより調整する方法を使用すれば、同じエンジンでも16(6*2*1+4)の記録セルしか必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図1】活動化電圧と所定時間内に噴射される燃料量との間の関係を表すグラフを、複動式制御弁を例として示す。
【図2】例示的な弁のストロークおよび対応する噴射ニードルの揚程の概略的経過を示す。
【図3A】活動化電圧とレール圧との間の関係を表すグラフを示す。
【図3B】活動化電圧とレール圧との間の関係を表すグラフを示す。
【図4】本発明を実現する構成の例示的な実施例のブロック線図を示す。
【図5A】図4の回路における(充電スイッチ220が閉じている)第1の充電フェーズの間の状態を説明する描写を示す。
【図5B】図4の回路における(充電スイッチ220が再び開く)第2の充電フェーズの間の状態を説明する描写を示す。
【図5C】図4の回路における(放電スイッチ230が閉じている)第1の放電フェーズの間の状態を説明する描写を示す。
【図5D】図4の回路における(放電スイッチ230が再び開く)第2の放電フェーズの間の状態を説明する描写を示す。
【図6】図4にも示されている活動化集積回路Eのコンポーネントのブロック線図を示す。
【図7】本発明により、圧電素子に対する活動化電圧をレール圧の変化に整合させるために必要な、ベース目標電圧に対応する制御パラメータのためのオフセットの描写を示す。
【図8】アクチュエータとして圧電素子を使用する燃料噴射システムの概略的な表示を示す。
【符号の説明】
222,232,311,321 サイドドライバ
621,654 電圧源
410,420,430,440,450,460、510,520,530,540,550,560 制御線
700,710,720,730,740,750 センサ線
800 論理回路
810 RAMメモリ
820 デジタルアナログ変換システム
830 コンパレータシステム
840 パラレルバス
850 シリアルバス
Claims (10)
- 燃料噴射システムの圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための装置であって、
前記圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための活動化電圧値が、前記燃料噴射システムの測定された作動特性の関数として設定され、オフセット電圧をベース電圧値に加算することにより計算される形式の装置において、
燃料噴射に先立つ観察期間の間に前記燃料噴射システムのレール圧を繰り返し測定するように構成された測定システム(F)が設けられており、これによりレール圧値の範囲が得られ、前記装置はさらに前記レール圧値の範囲に対応するオフセット電圧値の範囲(V++,V+,V0,V−,V−−)を計算するよう構成されており、前記ベース電圧値に加算される前記オフセット電圧値は前記オフセット電圧値の範囲(V++,V+,V0,V−,V−−)から選ばれることを特徴とする装置。 - 前記測定された作動特性は、測定された燃料圧および/または前記燃料噴射システム内のシステム温度である、請求項1記載の装置。
- メモリが前記圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための活動化電圧値のセットを記憶し、前記活動化電圧値のそれぞれは燃料圧の範囲に対応している、請求項2記載の装置。
- 制御手段が、前記圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための活動化電圧レベルのうちの1つを、測定された現在燃料圧の関数として選択する、請求項3記載の装置。
- 燃料噴射システムの圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための方法であって、
前記圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための活動化電圧に対する値を、前記燃料噴射システムの測定された作動特性の関数として充電に先行して定め、オフセット電圧をベース電圧値に加算することにより前記活動化電圧を計算するようにした方法において、
燃料噴射に先立つ観察期間の間に、前記燃料噴射システムのレール圧を繰り返し測定し、これによりレール圧値の範囲を得、前記レール圧値の範囲に対応するオフセット電圧値の範囲(V++,V+,V0,V−,V−−)を計算し、前記ベース電圧値に加算される前記オフセット電圧値を前記オフセット電圧値の範囲(V++,V+,V0,V−,V−−)から選ぶことを特徴とする方法。 - 前記測定された作動特性は、測定された燃料圧および/または燃料噴射システム内のシステム温度である、請求項5記載の方法。
- 前記圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するための活動化電圧値のセットを記憶し、前記活動化電圧値のそれぞれは燃料圧の範囲に対応している、請求項5または6記載の方法。
- 前記圧電素子(10,20,30,40,50または60)を充電するために、前記活動化電圧値のセットのうちの1つの活動化電圧値を測定された現在燃料圧の関数として選択する、請求項5から7のいずれか1項記載の方法。
- 前記オフセット電圧値をシステムパラメータに基づいて計算する、請求項5から8のいずれか1項記載の方法。
- 前記システムパラメータは温度および/またはレール圧を含む、請求項9記載の方法。
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