JP4773034B2 - 内燃機関の作動のための方法、コンピュータプログラムおよび開ループ制御および／または閉ループ制御機器、並びに内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料が、圧電アクチュエータを備えた燃料噴射装置を介して内燃機関の燃焼室内へ供給される内燃機関の作動のための方法に関している。
【０００２】
【従来の技術】
そのような方法は、ドイツ連邦共和国特許出願 DE 198 44 837 A1 明細書から公知である。ここでは噴射弁の構成要素が圧電アクチュエータに接続されている燃料噴射バルブが開示されている。この圧電アクチュエータに電圧が印加されると、この圧電アクチュエータはその長さに変化を生じ、この変位はバルブ要素に伝達されて、それが弁座を持ち上げる。これにより高圧下の燃料が噴射弁から内燃機関の燃焼室内へ噴射される。
【０００３】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 198 44 837 A1 明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の方法において、燃料がさらに正確に噴射できるように改善を行うことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明により、操作のために圧電アクチュエータを駆動する駆動制御エネルギーの目標グラジエントが、圧電アクチュエータの作動特性に作用する複数の影響量に依存させるようにし、ここで前記影響量は、以下のグループ；すなわちピエゾアクチュエータの温度、経年変化、製造許容偏差、目標ストロークのうちの少なくとも２つを含んでいるようにして解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明による方法を用いれば、噴射装置によって噴射される燃料量が非常に高精度で設定できる。このことは一方では内燃機関の燃費に好影響し、他方ではそのように作動される内燃機関の有害物質放出の改善に役立つ。本発明によれば実際には、２つの同一の圧電アクチュエータの開放ストロークに対して必ずしも同じ駆動エネルギーが必要とはならないことがわかっている。その代わりに、圧電アクチュエータの作動特性は、次のような影響量のもとにおかれる。すなわち所定の開放ストローク毎に個別の駆動エネルギーを必要とし所定の開放移動経過毎に個別の駆動エネルギー経過を必要とすることに結び付く影響量のもとにおかれる。それが本発明による方法のもとでは考慮される。
【０００７】
内燃機関は、複数の圧電アクチュエータを備えた複数の燃料噴射装置を含み、個々の影響量の影響を補償すべく、駆動制御エネルギーおよび/または駆動制御エネルギーの経過を各圧電アクチュエータ毎に個別に設定することが可能である。しかしながら前記影響量が圧電アクチュエータの全グループに作用するものならば、駆動制御エネルギーの整合および/または駆動制御エネルギーの経過の整合が圧電アクチュエータのグループ毎に実施可能である。
【０００８】
本発明の別の有利な改善例は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明の有利な改善例によれば、影響量の目下の値が、補正された目標駆動制御エネルギーの生成のために利用される。この“目下”という概念は、ここでは、意図する噴射時点に即した値が燃料噴射装置によって確定ないし把握されるという意味である。このようにして影響量が変化した時の考慮がなされる。燃料噴射の精度は、この改善例によって再度改善される。
【００１０】
その際本発明による方法の特に有利な実施例によれば、基準条件のもとで所定の操作を達成するために圧電アクチュエータに供給されなければならない標準−駆動制御エネルギーが定められ、影響量の目下の値が確定ないし検出され、各影響量毎に、影響量の目下の値に相応する補正係数が定められ、標準−駆動制御エネルギーに補正係数が印加され、それによって、補正された目標駆動制御エネルギーが定められる。この方法は簡単に実現でき、良好な結果をもたらす。
【００１１】
これに類似して、影響量の目下の値は、駆動制御エネルギーの上昇のために補正される目標グラジエントの生成に利用される。この実施例の場合も影響量の時間に即した検出によって影響量の圧電アクチュエータ作動特性への影響が最適に補償される。
【００１２】
特に簡単な実現のために別の方法によれば、圧電アクチュエータをオーバーシュート（行き過ぎ制御）させることなく、所定の操作を達成するために基準条件のもとで駆動制御エネルギーをそれに合わせて変更させるための標準グラジエントが定められ、影響量の目下の値が検出ないし定められ、各影響量毎に影響量の目下の値に相応する補正係数が確定され、標準グラジエントに補正係数を印加し、それによって補正された目標グラジエントが定められる。
【００１３】
これに対して代替的に次のことが可能である。すなわち補正された目標−駆動制御エネルギーが次のような期間（持続時間）、すなわちこの期間内で、補正された駆動制御エネルギーが圧電アクチュエータのオーバーシュートを引き起こすことなく達成されるような期間、によって除算され、そこから補正された目標グラジエントが確定される。この手法も簡単に実現でき、場合によっては“インテリジェンス”出力段において実施が可能である。
【００１４】
少なくとも１つの補正係数を、特性マップを用いて相応の影響量から算出することも可能である。そのような特性マップは、影響量と補正係数の間の非線形的な関係も考慮できる。このことは影響量の作用の補償精度とひいては燃料噴射のもとでの精度品質の向上につながる。
【００１５】
さらに補正される目標−駆動制御エネルギーおよび/または補正される目標グラジエントを、少なくとも１つの補正関数を用いて定める。そのような補正関数は、加算的および/または乗算的補正係数を簡単な形式で考慮可能である。
【００１６】
非常に高い精度は、より速い計算速度のもとで同時に達成される。補正される目標−駆動制御エネルギーおよび/または補正される目標グラジエントが特性マップおよび/または多次元の特性マップを用いて決定される。
【００１７】
本発明による方法のさらなる構成例によれば、影響量が以下のグループすなわち、温度、経年変化、製造許容誤差／偏差、目標ストロークからの少なくとも２つを含む。この影響量は、圧電アクチュエータの作動特性に対して最大の影響を有する。その際圧電アクチュエータの温度は、種々異なる方式で、例えばアクチュエータに設けられた温度センサなどによって、あるいはシリンダヘッドの温度の検出によって求められる。圧電アクチュエータの経年変化には、純粋に時間的な要素（“寿命”）および/または操作の数に依存した要素（“摩耗”）が含まれる。
【００１８】
製造許容偏差は、相互に短時間だけ相前後して同じ駆動制御エネルギーと駆動制御エネルギーの同じ経過特性で駆動される２つの異なる燃料噴射装置のもとでクランク軸に発生したトルク差分から算出できる。目標ストロークの考慮によっては、次のような事実が考慮される。すなわち圧電アクチュエータが駆動制御エネルギーのレベルに応じて種々異なるストロークを実施する。しかしながら比較的僅かな目標ストロークの場合には、影響量が量的および品質的に圧電アクチュエータの作動特性に対してフルストロークの場合とは異なる影響を有していてもよい。
【００１９】
本発明は、それがコンピュータ上で実施される場合に前述の方法の実施に適しているコンピュータプログラムにも関している。この場合特に有利には、コンピュータプログラムがメモリ、特にフラッシュメモリに記憶される。
【００２０】
本発明の対象は、内燃機関の作動のための開ループおよび/または閉ループ制御機器である。内燃機関を出力的に最適に作動させ有害物質排出を最適化する作動のために、開ループ制御および/または閉ループ制御機器がメモリを含み、該メモリにコンピュータプログラムが前述ような形式で記憶される。
【００２１】
さらに本発明は、燃焼室と燃料噴射装置を備えた内燃機関に関しており、該燃料噴射装置は圧電アクチュエータ（５０）を含み、これを介して燃料が燃焼室（２０）内へ供給される。
【００２２】
内燃機関を出力的に最適に、及び有害物質排出面で最適に作動させるために、内燃機関が開ループおよび/または閉ループ制御機器を含んでおり、該機器は、駆動制御エネルギーの目標レベルの確定の際および/または駆動制御エネルギーの目標グラジエントの確定の際に多数の影響量が処理され、圧電アクチュエータを次のように駆動制御している。すなわち多数の影響量の影響が少なくとも十分に補償されるように制御される。
【００２３】
この場合特に有利には、内燃機関が前述した形式の開ループ制御機器および/または閉ループ制御機器を含んでいる。
【００２４】
【実施例】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。図１には、全体的に符号１０で内燃機関が示されている。この内燃機関は、自動車に組込まれており、多数のシリンダを含んでいる。それらのうちから図１には１つのシリンダのみが示してある。これには符号１２が付されている。このシリンダ内部には、ピストン１４が収容されており、これがクランク軸１６を駆動している。クランク軸１６の回転数は、回転数センサ１８によってピックアップされる。
【００２５】
シリンダ１２の燃焼室２０には、燃焼用の空気が吸気管路２２と図１には示されていない吸気バルブを介して供給される。燃焼排気ガスは、燃焼室２０から排気管２４を介して排出される。この排気管は、図１には示されていない排気バルブを介して燃焼室２０に接続されている。燃料は、インジェクタ２６として構成されている燃料噴射装置を介して燃焼室２０に直接噴射されている。このインジェクタ２６は、燃料システム２８に接続されており、これは図１では象徴的にしか示されていない。さらに燃料容器と、サブ・サプライ・ポンプと、メイン・サプライ・ポンプと、燃料蓄積パイプ（“レール”）が含まれており、該蓄積パイプ内では燃料が高圧のもとで蓄積される。インジェクタ２６は、燃料蓄積パイプに接続されている。
【００２６】
燃焼室２０内に存在する燃料は、点火プラグ３０によって点火される。このプラグは、点火に必要なエネルギを点火システム３２から受取る。この点火システム３２は、開ループ/閉ループ制御機器３４によって制御される。この制御機器の出力側は、出力段３５を介してインジェクタ２６に接続されており、これを駆動制御している。開ループ/閉ループ制御機器３４の入力側は、インジェクタ２６の温度を検出する温度センサ３６からの信号を受取る。さらにこの開ループ/閉ループ制御機器３４には回転数センサ１８も接続されている。アクセルペダル４０の位置をピックアップするペダル・ポジショニング・センサ３８も開ループ/閉ループ制御機器３４に信号を供給している。
【００２７】
インジェクタ２６（図２参照）は、弁体４２を含んでおり、該弁体の燃焼室側端部にはその周囲に亘って分散している複数の燃料排出孔４４が設けられている。これはノズルニードル４６を介して環状室４８に接続しており、この空間は燃料システム２８に繋がっている。ノズルニードル４６の排出孔部４４とは反対側端部は、圧電アクチュエータ５０と固定的に結合されている（図には示されていない実施例においては油圧結合も可能である）。この場合は、多数の個別圧電素子からなる層状に構成された柱状体である。圧電アクチュエータ５０の、ノズルニードル４６とは反対側の端部は、インジェクタのケーシング５２に挟み込まれている。この圧電アクチュエータ５０は、制御線路５４を介して出力段３５に接続されている。この出力段を介して圧電アクチュエータ５０には、以下でさらに説明する方式で、圧電アクチュエータ５０の移動に必要な駆動制御エネルギーが供給される。
【００２８】
内燃機関１０は、ガソリン直接噴射方式で動作する。すなわち層状燃焼モードでも均質燃焼モードでも動作する。層状燃焼モードでは、点火プラグ３０の近傍領域だけに着火性の燃料混合気が存在する。それに対して燃焼室２０の残りの部分は、少なくとも最初は燃料から十分に離されている。このことは、インジェクタ２６がピストン１４の圧縮行程中に燃料を噴射することによって達成される。しかしながら燃料はピストン１４の吸入行程中にインジェクタ２６から噴射させることも可能である。このことは燃料が十分均質に内燃機関１０の燃焼室２０内に分布されて存在することにつながる。また任意の組合せも可能である。
【００２９】
燃料噴射を実現するために、インジェクタ２６は、出力段３５を介して開ループ/閉ループ制御機器３４から電気的な駆動制御エネルギーを印加される。このことは、圧電アクチュエータ５０が長手方向で縮むことにつながる。これによって、ノズルニードル４６は、排出孔部４４領域に存在する弁体４２の弁座から引上げられ、それによって排出孔部４４は環状室４８と最終的には燃料システム２８につながる。燃料噴射を終了されるべき場合には、圧電アクチュエータ５０への駆動制御エネルギーの印加が終了され、それによってこの圧電アクチュエータ５０が再びその初期の長さを取り戻し、ノズルニードル４６がその弁座に当接する。
【００３０】
圧電アクチュエータ５０の長さ変化（これは電圧が印加された場合に生じる）は、しかしながら電圧の高さのみに依存しているわけではなく、様々なその他の特性量に依存している。これらの特性量は、内燃機関のユーザーによって制御できないかできても非常に難しいものである。これらの特性量は、圧電アクチュエータ５０の作動特性に作用を及ぼし、それ故に本願では“影響量”と称される。そのような影響量とは例えば、圧電アクチュエータ５０の温度Ｔである（図３参照）。この温度は、温度センサ３６によって検出され、開ループ/閉ループ制御機器３４に転送される（この温度の代わりに１つのモデルが求められてもよい）。
【００３１】
さらなる影響量は、圧電アクチュエータ５０の経年変化である。この経年変化には、例えば月日もしくは年数が計時される寿命ｔのみを意味するのではなく、圧電アクチュエータ５０がその稼働期間に亘って行ったストロークの数ｎも含まれる。このストロークの数ｎは、開ループ/閉ループ制御機器３４内にファイルされ、例えば回転数センサ１８からピックアップされたクランク軸１６の回転数が求められる。ここで、この圧電アクチュエータの経年変化作用は、いわゆるシリンダ等化関数や混合気適合化によっても識別できる。
【００３２】
さらなる影響量は、圧電アクチュエータ５０の製造に伴う許容偏差である。圧電アクチュエータ５０の製造の際の様々な条件に基づいて、同じ駆動制御エネルギー下で、それ自体同一の圧電アクチュエータ５０のもとであっても、異なるストロークが生じる可能性がある。このことは多気筒内燃機関の場合には、シリンダ毎に異なる噴射量を引き起こす。
【００３３】
それに対してこれまではいわゆるシリンダの等化制御によって対処してきていたが、この制御のもとでは、相応するシリンダ１２内の混合気の点火の後にクランク軸１６の加速が測定される。偏差の結果からは、それ自体同じ駆動制御エネルギーのもとでも種々異なって噴射される燃料量と個々の圧電アクチュエータ５０の異なったストロークが推定される。
【００３４】
このことはこれまでは次のようにして補償されていた。すなわちクランク軸１６の動作プロセス内でできるだけ均質なトルク経過が得られるように、個々の圧電アクチュエータ５０の駆動制御パルスの１つの持続時間を適応化させることによって補償されていた。しかしながら本発明では、回転数センサ１８によって検出されたクランク軸１６の回転不均一性が影響量ｄｘとして開ループ/閉ループ制御機器３４内のメモリにファイルされ、これが圧電アクチュエータの製造許容偏差に相応させられている。
【００３５】
圧電アクチュエータ５０の所望のストロークの高さも前述した主旨においては１つの影響量である。例えば非常に僅かな燃料量しか噴射させるべきではないことも可能性としては生じ得る。そのようなケースでは、駆動制御エネルギーの調達を既に駆動制御エネルギーの増加中に中断させなければならない必要性が生じる。そのような過程も、圧電アクチュエータ５０のインジェクタの作動特性に影響を及ぼし、これも影響量ｄｈとして開ループ/閉ループ制御機器３４内にファイルされる。
【００３６】
前述した影響量は、ここでは計画された燃料噴射時点に即して検出ないし算出された目下の値である。図３に示されている手法によれば、前述した影響量Ｔ，ｄｘ，ｄｈから特性マップ５６，５８，６０を介して補正係数ＣＦ＿Ｔ，ＣＦ＿ｄｘ，ＣＦ＿ｄｈが形成される。影響量ｔとｎは、特性マップ６２において補正係数ＣＦ＿ｎｔに処理される。特性マップ５６，５８，６０，６２の適用は、非線形的な関係を考慮することも可能である。前述した補正係数は、多次元の特性マップに入力され、このマップは、駆動制御電圧に対する目標値Ｕ＿ＳＯＬＬを生成する。しかしながら本願では、補正関数６４が用いられ、この関数において補正係数ＣＦ＿Ｔ，ＣＦ＿ｎｔ，ＣＦ＿ｄｘ，ＣＦ＿ｄｈが乗算および/または加算的に処理され、これによって目標駆動制御電圧Ｕ＿ＳＯＬＬが算出される。
【００３７】
この目標駆動電圧Ｕ＿ＳＯＬＬからは、特性マップ６６を用いて目標グラジエントｄＵ＿ＳＯＬＬが確定される。これは駆動制御電圧Ｕ＿ＳＯＬＬが開始される際の速度である。この場合この特性マップ６６は、圧電アクチュエータ５０が不所望な行き過ぎ制御になることなく、所望の目標ストロークができるだけ早く達成されるように選択される。またこのグラジエントｄＵ＿ＳＯＬＬは、次のようにして算出されてもよい。すなわち特性マップ６４において確定された駆動制御電圧Ｕ＿ＳＯＬＬを、圧電アクチュエータ５０の不所望な行き過ぎ制御（オーバーシュート）になることなく補正された目標駆動制御電圧Ｕ＿ＳＯＬＬの達成が許容される期間で除算することによって算出してもよい。補正関数６４と特性マップ６６は、“中央駆動制御関数”とも称され、そこでは中央の複数の影響量が圧電アクチュエータ５０の目標駆動制御エネルギーの確定の際に考慮される。
【００３８】
目標電圧Ｕ＿ＳＯＬＬと目標グラジエントｄＵ＿ＳＯＬＬは、ここにおいてインターフェース６８を介して駆動制御信号７０の形態で出力段３５に転送される。クロックモジュール７２は、ポジショニングセンサ３８によってピックアップされたアクセルペダル４０の位置に応じて駆動制御信号７０を出力段３５においてトリガする。それにより、所望の目標トルクに相応するインジェクタ２６における噴射持続時間が生成される。このトリガ信号は、矩形状で図３では符号７４で示されている。駆動制御信号７０とトリガ信号７４からは、出力段３５において本来の制御電圧Ｕが生成される。この制御電圧はグラジエントｄＵ／ｄｔでもって上昇/下降している。この信号は図３では符号７６で示されている。
【００３９】
ここにおいて特に次のことを強調しておく。すなわち、中央駆動制御関数が内部に統合されている“インテリジェンス”出力段を代替的に適用することも可能であることを述べておく。
【００４０】
次に図３に示されている手法の作用を、図４及び図５に基づいて説明する。この場合はまず図４においては、影響量Ｔ，ｄｘ，ｄｈ，ｔないしｎが考慮されていない場合の、圧電アクチュエータ５０のストロークｈの経過と駆動制御電圧Ｕの経過が示されている。このケースでは、出力段３５から基準駆動制御電圧Ｕ＿ＮＯＲＭが送出される。これは基準条件のもとでストロークｈ＿ＮＯＲＭを引き起こす。しかしながら前述した影響量Ｔ，ｔ，ｎ，ｄｘ，ｄｈに基づいた、実際の稼働においては基準条件は何も存在しない。それ故に実際に圧電アクチュエータ５０において生じたストロークｈ＿ＩＳＴは、基準ストロークｈ＿ＮＯＲＭよりも小さい。この場合ストロークグラジエントｄｈ/ｄｔも、圧電アクチュエータ５０のオーバーシュートを引き起こすことなくそれ自体の許容量よりも小さいはずである。
【００４１】
図３に示されている手法が適用されたならば、実際の駆動制御電圧Ｕ２は基準駆動制御電圧Ｕ＿ＮＯＲＭよりも上方になる。相応に電圧グラジエントｄＵ２／ｄｔは基準グラジエントｄＵ＿ＮＯＲＭ／ｄｔよりも大きい。最適に稼働する出力段３５のもとでは前記グラジエントｄＵ２/ｄｔは、ｄＵ＿ＳＯＬＬに等しい。方法ステップブロック６４と６６における補正によって、実際に圧電アクチュエータ５０において生じたｈ＿ＩＳＴは、所望の基準ストロークｈ＿ＮＯＲＭに等しくなる。この場合最大限可能なストローク速度ｄｈ＿ＮＯＲＭ/ｄｔが有効に使用され、圧電アクチュエータ５０はまだ不所望なオーバーシュートには至らない。図３に示されている手法の適用によって、圧電アクチュエータ５０の寿命全体に亘って変らない圧電アクチュエータ５０の最適な駆動制御が可能となる。
【００４２】
最後に、前述した手法は吸気管内への燃料噴射手段においても、ディーゼル内燃機関のいても適用可能であることを述べておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の概略的な基本原理図である。
【図２】図１による内燃機関の燃料噴射装置の部分破断図である。
【図３】図１による内燃機関ないしは図２による燃料噴射装置を作動させるためのフローチャートである。
【図４】図２による燃料噴射装置の相応のストロークを図３に示されている方法の適用なしで示した特性図である。
【図５】図４に類似して、駆動制御エネルギーと図２による燃料噴射装置の相応のストロークが、図３に示された方法の適用下で示された図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ ピストン
１６ クランクシャフト
２０ 燃焼室
２２ 吸気管路
２４ 排気管
２６ インジェクタ
２８ 燃料システム
３０ 点火プラグ
３２ 点火システム
３４ 開ループ/閉ループ制御機器
３５ 出力段
３６ 温度センサ
３８ ペダルポジショニングセンサ
４０ アクセルペダル

Claims (7)

1. 内燃機関（１０）の作動のための方法であって、
   燃料が、圧電アクチュエータ（５０）を備えた燃料噴射装置（２６）を介して内燃機関（１０）の燃焼室（２０）内へ供給される形式の方法において、
   操作のために圧電アクチュエータ（５０）を駆動する駆動制御エネルギー（Ｕ）の目標グラジエント（ｄＵ＿ＳＯＬＬ）が、圧電アクチュエータ（５０）の作動特性に作用する複数の影響量（Ｔ，ｔ，ｎ，ｄｘ，ｄｈ）に依存させるようにし、
   ここで前記影響量（Ｔ，ｔ，ｎ，ｄｘ，ｄｈ）は、以下のグループ；
   温度（Ｔ）、
   経年変化（ｔ，ｎ）、
   製造許容偏差（ｄｘ）、
   目標ストローク（ｄｈ）、
   のうちの少なくとも２つを含み、
   前記影響量の目下の値が検出ないし算出され、
   前記影響量の検出ないし算出された目下の値を用いて算出される補正係数に基づいて、
   目標グラジエント（ｄＵ＿ＳＯＬＬ）が定められ、
   前記目標グラジエント（ｄＵ＿ＳＯＬＬ）に従って駆動制御エネルギ（Ｕ）が変更されるようにしたことを特徴とする方法。
2. 目標グラジエントを求めるのに用いられる少なくとも１つの補正係数（ＣＦ＿Ｔ，ＣＦ＿ｄｘ，ＣＦ＿ｄｈ）は、特性マップ（５６，５８，６０）を用いて相応の影響量（Ｔ，ｄｘ，ｄｈ）から定められる、請求項１記載の方法。
3. 前記目標グラジエントは、少なくとも１つの補正関数（６４）を用いて定められる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記目標グラジエント（ｄＵ＿ＳＯＬＬ）は、特性マップ（５６）および/または多次元特性マップを用いて定められる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記請求項１から４いずれか１項記載の方法の実施用にプログラミングされていることを特徴とするコンピュータプログラム。
6. 内燃機関の作動のための開ループ/閉ループ制御機器（３４）において、
   メモリが含まれており、該メモリ上に、請求項５によるコンピュータプログラムが記憶されていることを特徴とする、開ループ/閉ループ制御機器。
7. 前記請求項６による開ループ/閉ループ制御機器（３４）が含まれていることを特徴とする内燃機関。

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