JP4829379B2 - 電磁弁におけるアーマチュアの位置を求める方法およびアーマチュアを有する電磁弁を作動する装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁弁におけるアーマチュアの位置を求める方法に関する。さらに本発明は、アーマチュアを有する電磁弁を作動する装置に関する。

電磁弁によって作動する今日の燃料インジェクタは、電磁弁の開持続時間が、噴射する燃料量に大きく影響する。この開持続時間は、電磁弁のマグネットコイルの駆動制御持続時間を介して間接的に調整される。

図１には、電磁弁のマグネットコイルを通る電流と、電磁弁のアーマチュアのアーマチュアストロークＡＨとの間の関係を示す２つの線図が示されている。これらの線図の２つの横座標は、時間軸ｔを表している。２つの縦座標のうちの１つは、時間に依存する、マグネットコイルを通る電流の電流強度Ｉである。別の縦座標の値は、時間に依存する、電磁弁のアーマチュアのアーマチュアストロークＡＨを表している。

時点Ｔ１より前には、マグネットコイルを通って電流が流れておらず、電流強度Ｉもゼロである。このため、電磁弁のアーマチュアはその閉位置にあり、アーマチュアストロークＡＨはゼロに等しい。時点Ｔ１にマグネットコイルを通る電流がアクティブ化される。電流の電流強度Ｉは、フェーズＰ１内に値ゼロから最大電流強度Ｉmaxまで増大する。フェーズＰ１中に増大しかつマグネットコイルを通る電流強度Ｉの電流により、磁場が形成され、この磁場が電磁弁のアーマチュアに引力を及ぼす。

時点Ｔ２以降、マグネットコイルの磁場の十分に大きくなり、アーマチュアはその閉位置から動く。この際にアーマチュアは、その閉位置からその開位置に方向に移動して、アーマチュアストロークが増大する。したがって２つの時点Ｔ１およびＴ２の間の差分は、電磁弁を開くための入力に応答するために電磁弁が必要とする遅延時間ＴＶに相応する。

時点Ｔ３にアーマチュアストロークＡＨはその最大値に達し、電磁弁のアーマチュアはその開位置にある。後の時点Ｔ４にマグネットコイルを通る電流強度Ｉは、最大の電流強度Ｉmaxから出発して保持電流強度Ｉｂに低減される。この保持電流強度Ｉｂを十分大きく選択して、アーマチュアがその開位置に静止することを保証する。

開いた電磁弁は時点Ｔ５に再度に閉じる。このために消去電圧（Loeschspannung）を電磁弁に加える。これによって、マグネットコイルを通る電流がフェーズＰ２内で終了し、電流強度Ｉは再び値ゼロになるまで低下する。時点Ｔ６以降はマグネットコイルを通って電流が流れない。この過程により、マグネットコイルの磁場が減衰する。これによって上記の磁場がアーマチュアに及ぼす引力が低下する。したがってアーマチュアは、詳しく示していない時点以降、その開位置から閉位置に戻り、アーマチュアストロークＡＨは時点Ｔ７に値ゼロに達する。したがって消去電圧がマグネットコイルに加わる時点Ｔ５と、アーマチュアが改めてその閉位置をとる時点Ｔ７との間の時間差は、閉時間ＴＳに相当し、この時間は、電磁弁を閉じるための入力に追従するために電磁弁が必要とするものである。

図２には時点Ｔ５〜時点Ｔ７の時間区間に対し、図１の２つの線図の部分図が示されている。時点Ｔ５には消去電圧が電磁弁のマグネットコイルに加えられて、マグネットコイルを通る電流の電流強度Ｉが保持電流強度Ｉｂから値ゼロに減少する。時点Ｔ５は、消去電圧を加えることによって定められるため、この時点は、高い精度で既知である。電流強度ＩがゼロになるフェーズＰ２は、わずかなファクタだけに依存するため、比較的精確に計算することができる。このため、電流強度Ｉが値ゼロをとる時点Ｔ６も高い精度で求めることができる。時点Ｔ６の後、電流強度Ｉはゼロで一定になる。閉時点Ｔ７は、時点Ｔ６の後、始めて発生し、ひいては電流強度Ｉが一定でゼロに等しくなる時間区間において発生する。

時点Ｔ１に始まりかつ時点Ｔ５に終わる駆動制御時間ＴＩ中、マグネットコイルを通る電流はアクティブにサポートされる。この駆動制御時間ＴＩは、制御装置によって高い精度で設定される。したがって上記の電磁弁の合計開時間ＴＯは、駆動制御時間ＴＩと、遅延時間ＴＶと、閉時間ＴＳとから得られる。ここで、
ＴＯ＝ＴＩ−ＴＶ＋ＴＳ
が成り立つ。

電磁弁が所望の開時間ＴＯだけ開いていることを保証するため、これを保証する駆動制御時間ＴＩを求めなればならない。このためには電磁弁の閉時間ＴＳと遅延時間ＴＶとが実際の動作条件の下で既知でなければならない。ふつう遅延時間ＴＶは、わずかなファクタ、例えばレール圧だけに依存するため、良好な精度で設定することができる。しかしながら閉時間ＴＳは、比較的多くのファクタに依存する。例えば、レール圧、リターンフロー背圧、アーマチュアストロークまたは燃料温度ならびに電磁弁の個別部分の細かな幾何学形状のうちの１つにより、閉時間ＴＳにおける大きな変動が発生し得る。これらの変動は、不十分にしか予想できず、ひいては電磁弁の開時間ＴＯにおける比較的に大きな不正確さに結び付く。ここから生じる噴射時間の偏差は、内燃機関への燃料噴射量と、実際に所望する目標値と間の偏差の原因になる。

このためにDE 38 43 138 A1で提案されているのは、電磁弁を閉じるためにまずこの電磁弁のマグネットコイルに高い消去電圧を加えて、コイル電流が、後続の比較的短い電流減衰フェーズにおいて大きな負の傾斜を有し、マグネットコイルの磁場が迅速に減衰されるようにすることである。付加的に誘導される電流または付加的に誘導される電圧によって電磁弁内のアーマチュアの運動を検出するためにさらに提案されるのは、待ち時間が経過した後、比較的小さい電流強度であらたに電流をアクティブ化することである。

さらにDE 36 09 599 A1には方法が記載されており、ここではマグネットコイルを閉じるため、電磁弁のアーマチュアをその開位置に保持する比較的大きな電流強度から出発して比較的小さい電流強度に電磁弁のマグネットコイルを通る電流が低減される。ここで上記の比較的小さな電流強度を選択して、付加的に誘導される電流または付加的に誘導される電圧によってアーマチュアの移動がかろうじて検出できるようにする。上記の電流強度を上記の比較的小さい電流強度に低減するため、一時的に比較的大きな消去電圧をマグネットコイルに加え、続いて一定の電圧を加える。

しかしながらDE 38 43 138 A1およびDE 36 09 599 A1に記載された方法の実施には、比較的大きな回路コストおよび制御コストがかかってしまう。しかしながら、アーマチュア運動を求められるようにし、しかもこれが低減された回路コストで実施できることは望ましいことである。

本発明により、請求項１の特徴を有する方法および請求項８の特徴を有する装置が得られる。

本発明は、電磁弁を閉じるために、全閉過程中に一定に保たれかつ比較的小さい消去電圧をマグネットコイルに加えることにより、アーマチュアの運動を求める従来公知の方法において必要な回路コストが低減できるという知識に基づいている。ここで上記の一定に維持される消去電圧を設定して、アーマチュアが出発位置から出発してあらかじめ定めた位置に移動する時点に、マグネットコイルを通る電流が引き続き最小電流強度を有するようにする。ここでこの最小電流強度により、電流経過に基づいてアーマチュアの運動を求めることができる。これは、つぎのような持続時間をあらかじめ設定することによって実現可能である。すなわちこの持続時間中にマグネットコイルを通る電流を低減および／または中断した際に高い確率でアーマチュアが出発位置から上記の位置に移動する持続時間を設定することによって実現可能である。ここでアーマチュアが上記のあらかじめ定めた位置をとるとは、アーマチュアが少なくともこの位置を通過することである。引き続いてアーマチュアは上記の位置に静止するか、その運動を継続することができる。上記の時間的に一定の消去電圧の絶対値を決定して、上記の電流の電流強度が、全持続時間中、マグネットコイルに消去電圧を加えた後、最小電流強度を下回らないようにする。

本発明の方法の有利な１実施形態では、上記の電流の測定した電流強度の時間微分を計算する。ここでこの方法は、電流において電流変化速度がアーマチュアの速度によって影響を受けるという利点を利用している。

有利には、上記のアーマチュアのあらかじめ定めた位置は、一方向におけるアーマチュア運動の端位置である。例えばこの端位置は、アーマチュアの当接位置とすることができ、アーマチュアはこの当接位置を越えてこの方向にもはや運動することができない。例えば端位置としてアーマチュアの閉位置が求められる。これによって対応する電磁弁の閉時間を高い精度で求めることができる。この場合に上記の持続時間は、この持続時間が、閉過程に対して不利なファクタにおけるアーマチュアの最大閉時間に相当するように選択することができる。

本発明の有利な１発展形態において、上記のアーマチュアが端位置に移動する時点として、上記の電流の測定した電流強度の計算した時間微分が滑らかでない時点を識別する。これによってアーマチュアがあらかじめ定めた端位置に移動する時点を簡単かつ高い信頼性で求めることができる。

本発明の１発展形態では、アーマチュアがその閉位置に移動する識別した時点に基づいて駆動制御持続時間を求め、この駆動制御持続時間中、上記のコイルを流れる電流をアクティブにサポートして、所望の開時間だけ電磁弁を開くようにする。上記の電磁弁のマグネットコイルを通る電流は、少なくとも上記のあらかじめ定めた出発電流強度を有し得る。このことにより、所望の噴射量を維持する際に格段に高い精度が保証される。さらに時間的に一定の消去電圧として、ゼロに等しい電圧を求めて加えることができる。

また本発明により、アーマチュアを有する電磁弁を作動する装置が提供され、ここでこの装置は、
− 制御装置を有しており、
この制御装置を設計して、電磁弁のマグネットコイルを通りかつあらかじめ定めた出発電流強度を有する電流があらかじめ定めた駆動制御持続時間だけ維持されて、電磁弁のアーマチュアがあらかじめ定めた出発位置に静止され、
あらかじめ定めた時間的に一定の消去電圧が、あらかじめ定めた持続時間だけマグネットコイルに加えられて、前記のあらかじめ定めた出発位置からあらかじめ定めた位置に移動するようにし、
上記装置は、さらに
− 時間的に一定の消去電圧を記憶する記憶装置を有しており、
ここでこの時間的に一定の消去電圧を設定して、この時間的に一定の消去電圧がマグネットコイルに加えられる際、前記の電磁弁のマグネットコイルを通る電流が、出発電流強度から出発して、上記の持続時間が経過した後、あらかじめ定めた最小電流強度よりも大きな最終電流強度に低減され、電磁弁のアーマチュアが上記の持続時間内に前記の出発位置から前記の位置まで移動するようにし、
− 上記の装置はさらに、上記の持続時間に上記のマグネットコイルを通る電流の電流強度を測定するセンサ装置と、
− 上記のあらかじめ定めた持続時間中にマグネットコイルを通る電流の測定した電流強度の時間的経過に基づいて上記のアーマチュアが前記のあらかじめ定めた位置に移動する時点を求める評価装置とを有することを特徴とする。

本発明の別の適用事例および利点は、実施例の以下の説明から得られる。

電磁弁の従来の駆動制御において、電磁弁のマグネットコイルを通る電流と、電磁弁のアーマチュアのアーマチュアストロークとの間の関係を示す２つの線図である。 図１の２つの線図の部分図である。 電磁弁のアーマチュアの位置を求める方法の１実施形態において、電磁弁のマグネットコイルを通る電流と、電流強度の時間微分と、電磁弁のアーマチュアのアーマチュアストロークとの関係を説明する３つの線図である。

図３には電磁弁のアーマチュアの位置を求める方法の１実施形態において、電磁弁のマグネットコイルを通る電流と、電流強度の時間微分と、電磁弁のアーマチュアのアーマチュアストロークとの関係を説明する３つの線図が示されている。ここで３つの線図の横軸はいずれを時間軸ｔである。第１の線図の縦軸は、本発明の方法によって得られるマグネットコイルを通る電流の電流強度Ｉを表す。第２の線図の縦軸には電磁弁のアーマチュアのアーマチュアストロークＡＨがプロットされている。電流強度Ｉの時間微分は、第３の線図の縦軸にプロットされている。

時点Ｔ５’の前、電磁弁のマグネットコイルを通って、一定の保持電流強度Ｉｂを有する電流が流れている。保持電流強度Ｉｂは、この電流によって形成される磁場により、アーマチュアがその開位置において静止しかつアーマチュアストロークＡＨがその最大値を有するように選択される。したがって電磁弁は時点Ｔ５’の前に開いており、この電磁弁によって作動される燃料インジェクタにより、燃料を内燃機関に噴射することができる。

時点Ｔ５’に電磁弁の閉過程を開始する。このため、時点Ｔ５’から時間的に一定な消去電圧をマグネットコイルに加える。この消去電圧を選択して、時点Ｔ５’＋Ｔｍにおける電流強度Ｉが、あらかじめ定めた最小電流強度Ｉminよりもなお大きいようにする。ここでは時間Ｔｍも選択して、アーマチュアが、時間的に一定の消去電圧を加えはじめた後、時点Ｔ５’＋Ｔｍの前に高い確率でその閉位置に到達するようにする。すなわち有利には時間Ｔｍは、アーマチュアの閉運動に不利なファクタの下での電磁弁の閉時間ＴＳよりも長いのである。

上記のあらかじめ定めた最小電流強度Ｉminは境界値に相応し、この境界値を上回っていれば電流強度Ｉはまだ十分に大きく、電流強度Ｉの時間微分により、アーマチュアの運動を決定することができる。時間Ｔｍの間、上記の負の消去電圧は一定の値を有する。これにより、電磁弁を閉じる間の電磁弁を駆動制御するための回路コストが低減される。

マグネットコイルに加えられる消去電圧により、電流強度Ｉは、時点Ｔ５’からはじまって連続して減少する。時点Ｔ５’の前、電流強度Ｉの時間微分がゼロに等しかったのに対して、この電流強度は、時点Ｔ５’以降、負の値をとる。マグネットコイルを通る電流が減少するのに起因して、マグネットコイルの磁場が減衰する。所定の最小磁場以下になると、上記の磁場によってアーマチュアに作用する力は、アーマチュアをその開位置に維持するのにもはや十分ではなくなる。これによってアーマチュアは、その閉位置に方向に移動してアーマチュアストロークＡＨが連続して減少する。ここでマグネットコイルから離れるアーマチュアの運動は、電流減少の速度の低下に結び付く。このことは電流強度Ｉの時間微分を介して検出することができる。

時点Ｔ７’にアーマチュアはその閉位置に到達し、アーマチュアストロークＡＨは値ゼロを有する。アーマチュアは、コンタクトコンポーネントに当接し、その運動は極めて高速に制動されて停止する。アーマチュアは時点Ｔ７’以降運動しないため、時点Ｔ７’の後、電流減少の速度はもはや低下しない。

マグネットコイルを通る電流は、時点Ｔ７’に、最小電流強度Ｉminよりも大きな電流強度Ｉを有するため、電流強度Ｉの時間微分の滑らかでない経過を確実に検出することができる。これによってアーマチュアの制動を、時点Ｔ７’における電流強度Ｉの時間微分の滑らかでない点Ｍに基づいて求めることができる。負の消去電圧をマグネットコイルに加えた時点Ｔ５’は既知であるため、時点Ｔ７’とＴ５’との差分から、電磁弁の閉時間ＴＳを計算することができる。引き続いて、計算した電磁弁の閉時間ＴＳを使用して、駆動制御持続時間ＴＩを求めることができ、ここでこの駆動制御持続時間により、あらかじめ定めた噴射量を精確に維持するための所望の開持続時間ＴＯが保証される。

Claims (8)

1. 電磁弁におけるアーマチュアのあらかじめ定めた位置を求める方法であって、
   前記のアーマチュアは、電磁弁のマグネットコイルを通りかつ出発電流強度（Ｉｂ）を有する電流（Ｉ）を低減することにより、あらかじめ定めた出発位置から前記の位置に移動する形式の方法において、
   該方法は、
   − 持続時間（Ｔｍ）をあらかじめ設定するステップを有しており、ここで該持続時間内に電磁弁のマグネットコイルを通りかつ出発電流強度（Ｉｂ）を有する電流（Ｉ）を低減して、前記のアーマチュアを前記の出発位置から前記の位置に移動させ、
   前記方法はさらに、
   − 時間的に一定の消去電圧を求めるステップを有しており、ここで当該の消去電圧を設定して、前記の持続時間（Ｔｍ）中に時間的に一定の消去電圧をマグネットコイルに加えることによって、前記の電磁弁のマグネットコイルを通る電流（Ｉ）を、出発電流強度（Ｉｂ）から出発して、あらかじめ定めた最小電流強度（Ｉmin）よりも大きい最終電流強度まで低減し、また前記の持続時間（Ｔｍ）内に時間的に一定の消去電圧をマグネットコイルに加えた際に前記のアーマチュアが前記の出発位置から前記の位置に移動するようにし、
   前記の方法はさらに、
   − 少なくともあらかじめ定めた前記の持続時間（Ｔｍ）だけ前記の電磁弁のマグネットコイルに時間的に一定の消去電圧を加えて、マグネットコイルを通る電流（Ｉ）の電流強度を測定するステップと、
   − 前記のあらかじめ定めた持続時間（Ｔｍ）中にマグネットコイルを通る電流の測定した電流強度（Ｉ）の時間的経過に基づいて、前記のアーマチュアが前記位置に移動する時点（Ｔ７’）を識別するステップとを有することを特徴とする、
   電磁弁におけるアーマチュアのあらかじめ定めた位置を求める方法。
2. 前記の電流（Ｉ）の測定した電流強度の時間微分を計算して前記の時点（Ｔ７’）を求める、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記のアーマチュアのあらかじめ定めた位置は、一方向におけるアーマチュアの運動の端位置である、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記のアーマチュアが端位置に移動する時点（Ｔ７’）として、前記の電流の測定した電流強度（Ｉ）の計算した時間微分における滑らかでない点（Ｍ）の時点を識別する、
   請求項３に記載の方法。
5. 端位置としてアーマチュアの閉位置を求める、
   請求項３または４に記載の方法。
6. アーマチュアがその閉位置に移動する識別した時点（Ｔ７’）に基づいて駆動制御持続時間（ＴＩ）を求め、当該駆動制御持続時間中、前記のコイルを通る電流をアクティブにサポートして所望の開時間（ＴＯ）だけ電磁弁を開く、
   請求項５に記載の方法。
7. 時間的に一定の消去電圧として、ゼロに等しい電圧を求めて加える、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. アーマチュアを有する電磁弁を作動する装置において、
   該装置は、
   − 制御装置を有しており、
   該制御装置を設計して、電磁弁のマグネットコイルを通りかつあらかじめ定めた出発電流強度（Ｉｂ）を有する電流（Ｉ）があらかじめ定めた駆動制御持続時間（ＴＩ）だけ維持されて、電磁弁のアーマチュアがあらかじめ定めた出発位置に静止され、
   あらかじめ定めた時間的に一定の消去電圧が、あらかじめ定めた持続時間（Ｔｍ）だけマグネットコイルに加えられて、前記のあらかじめ定めた出発位置からあらかじめ定めた位置に移動するようにし、
   前記装置は、さらに
   − 時間的に一定の消去電圧を記憶する記憶装置を有しており、
   ここで当該の時間的に一定の消去電圧を設定して、当該の時間的に一定の消去電圧がマグネットコイルに加えられる際、前記の電磁弁のマグネットコイルを通る電流（Ｉ）が、出発電流強度（Ｉｂ）から出発して、前記の持続時間（Ｔｍ）が経過した後、あらかじめ定めた最小電流強度（Ｉmin）よりも大きな最終電流強度に低減され、電磁弁のアーマチュアが前記の持続時間（Ｔｍ）内に前記の出発位置から前記の位置まで移動するようにし、
   − 前記の装置はさらに、前記の持続時間（Ｔｍ）中に前記のマグネットコイルを通る電流の電流強度（Ｉ）を測定するセンサ装置と、
   − 前記のあらかじめ定めた持続時間（Ｔｍ）中にマグネットコイルを通る電流（Ｉ）の測定した電流強度の時間的経過に基づいて前記のアーマチュアが前記のあらかじめ定めた位置に移動する時点（Ｔ７’）を求める評価装置とを有することを特徴とする、
   アーマチュアを有する電磁弁を作動する装置。

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