JP5150733B2 - 自動車において切替弁を駆動するための圧電アクチュエータの較正方法および較正装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車で使用され、切替弁を駆動する圧電アクチュエータの較正方法および較正装置に関する。圧電アクチュエータは自動車分野では調量装置、例えば噴射弁のための調整駆動部として使用される。圧電アクチュエータにより、噴射弁に含まれる切替弁を非常に高速に切り換えることができ、例えば内燃機関のシリンダの作動サイクル中に複数の噴射過程を可能にする。圧電調整素子は自動車分野の他のセクション、例えばブレーキ装置にもますます使用されるようになっている。

内燃機関の現代の機関管理システムは、できるだけ有害物質放出と燃料消費の少ない運転、ならびに（将来の）法律的な一般的条件の充足に努めている。内燃機関の区間特性は、ガス交換と燃焼の動的特性のため非線形であることが特徴であり、顕著な温度依存性を有する。混合気形成プロセスは実質的に、ガス交換、噴射量および噴射経過により影響を受ける。ここで重要な役目が、噴射要素の正確な制御を引き継ぐ。噴射量精度と噴射時点は、燃焼経過を最適に構成するための基本的パラメータである。使用されている現代の噴射要素、例えばコモンレールまたはポンプノズルシステムは、すでに現在でも圧電制御される切替弁によって駆動される。

圧電制御される切替弁の利点は、これがアクチュエータとして作用するだけでなく、圧電効果を使用することでセンサとしても使用できることである。この圧電素子の内在的センサ特性から、傾斜、作用する力、磨耗またはアイドルストロークに関する情報を発生することができる。これらの情報を獲得することによって、調整素子の力収支を用いて内部システム圧とバルブニードルストロークを正確に制御することのできる制御コンセプトを構築することができる。

しかしこの調整素子は、圧電素子の特性が非線形であり、ヒステリシスがあるという欠点を有する。圧電素子の特性を規定する材料係数は、通例の想定とは異なり関数関係のない定数である。なぜならこの既知の材料係数は、小信号条件の下でだけ材料の特性を記述するからである。しかし実際にはその大きさは温度、圧力および他の周辺条件により変化する。そのため複雑なコンポーネントの特性、例えば正確な制御がとくに重要な圧電制御される噴射弁の、真の使用条件の下での特性を、線形アプローチを用いたのでは、とりわけ圧電率ｄｉｊが一定あると仮定したのでは十分に予測することができない。温度または負荷が変化する場合、圧電アクチュエータは種々異なる膨張係数（圧電率）を有する。これらの膨張係数は、現在適用される線形制御コンセプトによっては、圧電アクチュエータの製造公差が非常に大きいという技術的理由もあり、すべての動作点および寿命にわたって条件付きでしか制御することができない。

圧電素子の材料係数を決定するために、小信号測定に利用される方法がこれまで公知である。この小信号測定では、圧電素子に比較的小さな電気エネルギー（例えば数Ｖ／ｍｍ）が印加されるだけである。ここではインピーダンス分光学的測定法が公知であり、基本的にこの測定法によって弾性誘電性の圧電材料パラメータを完全なデータセットとして検出することができる。このために圧電セラミック試料が所定の周波数領域にある正弦波状交番電界に曝され、そのインピーダンスが周波数の関数として、市販のインピーダンス分析器によって記録される。ここでは形状の種々異なる圧電検査体の共振周波数が測定される。種々異なる振動モードを組み合わせることによって圧電誘電体の完全なデータセットを決定することができる。この方法は、所定の材料係数がすでに他の測定から設定されており、１つの試料だけが測定される場合であっても比較的面倒な実験方法である。使用する計算能力に対して必要なハードウエアコストは、実験室での検査以外では実際上、是認できる程度のものではない。

大信号モードでの測定では、相応の電界強度により制御される際に直接発生する、圧電素子の偏向と力が測定される。この測定では行程が非常に小さく、力が非常に大きいため、この種の面倒な測定を、圧電駆動される噴射弁の動作中に実行することには大きな困難が伴う。

特許文献１から、動作中の噴射システムの圧電機械的システムを診断する方法が公知である。この方法では、（圧電素子の機械的環境も所属する）機械的部分システムが圧電素子の電気的特性値に、特徴的に影響を与えるという事実が利用される。したがってこの電気的特性値を検出し、評価することによって、圧電機械的システムの機械的機能の機能障害を識別することができる。ここでは、圧電素子を周波数が時間的に変化する電圧信号によって駆動制御し、電気インピーダンス経過の極値から共振周波数を求めることも公知である。電流検知器および／または電圧検知器の他に、正弦波状の電圧信号を形成するための周波数発生器が設けられている。

ドイツ共和国特許出願公開第１９８０４１９６号 ドイツ共和国特許出願公開第１０２００４０４７９６１号

本発明の課題は、自動車領域で使用される圧電アクチュエータの較正方法および較正装置を提供することであり、この較正方法および較正装置により、動作点に依存する非線形のダイナミック特性を個別に検出することができ、場合により動作時に考慮することができるようにする。

この課題は、請求項１による方法および請求項９による装置によって解決される。本発明の有利な構成および発展形態は以下の説明、図面、および従属請求項から明らかとなる。

本発明は、制御回路および出力段によって駆動され、調整駆動部として切替弁に作用する、自動車の圧電アクチュエータの較正方法である。圧電アクチュエータには制御回路および出力段の動作中に（すなわちオンボードまたはオンラインで）、圧電アクチュエータの大信号領域にある電気較正パルスが印加される。この電気較正パルスの周波数は時間に関して変化される。較正パルスの印加中に、周波数に依存する所属の電気インピーダンス経過が検出され、評価される。出力段はこの時間の間、圧電アクチュエータを操作するための正規の制御パルスが形成されるのではなく、特別の較正パルスが形成されるように制御回路によって制御される。このようにして簡単に測定可能なパラメータにより、または間接的パラメータにより、大信号領域におけるそれぞれの圧電アクチュエータ特性を個別に求め、記録することができる。このようにして較正が非常に正確に実行される。圧電アクチュエータのインピーダンス経過を評価することによって、圧電素子自体の非線形特性量を推定することができ、および／または圧電アクチュエータの周囲における外部イベントを推定することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、求められたインピーダンス経過の極値から共振周波数（ｆｐ、ｆｓ）が決定され、そこから圧電結合係数ｋｅｆｆが導出される。次にこの結合係数は、圧電アクチュエータが大信号領域に有する非線形の材料係数を求めるために利用される。

この実施形態のとくに有利と見なされる改善形態によれば、圧電アクチュエータの誘電材料係数が大信号領域で設定され、求められた圧電結合係数とともに、非線形圧電材料係数および／または電気的材料係数の検出に利用される。この方法は、大信号キャパシタンスまたは大信号誘電率が他の方法で求められるか、または設定され、しかし他方で相応の小信号キャパシタンスまたは小信号誘電率への介入が状況により許容されない場合にとりわけ有利に使用することができる。

別の実施形態によれば、求められた非線形圧電材料係数に依存して、少なくとも１つの制御パラメータが圧電アクチュエータの制御のために適合される。その利点は、圧電アクチュエータを非常に正確に制御できることであり、とりわけ圧電アクチュエータが流体の調量に使用される場合には、少量であってもこの流体を非常に正確に調量することができる。

圧電素子自体の非線形特性を検出することとは択一的に、またはそれに加えて、制御装置に存在するデータおよび／または制御装置により検出されたデータを付加的に評価することによって、圧電アクチュエータと接続された機械的可動装置のイベントまたは状態を推定することができる。このことは、求められたイベントまたは状態に依存して、少なくとも１つの制御パラメータが圧電アクチュエータの制御のために適合されるようにして拡張することができる。これにより圧電素子自体に加えて、インジェクタとしても全体としてその目下の状態に相応して追従制御することができる。すなわち動作中のインジェクタの個別値に相応して使用することができる。

インピーダンス経過を求めるために前記のすべての実施形態で、圧電アクチュエータで降下する電圧と、圧電アクチュエータにより消費される電流を検出すると有利である。ここで出力段により制御される圧電アクチュエータは、アースされた電流測定抵抗と直列に接続される。検出された電圧信号は、最後に述べた実施形態の有利な改善形態では、好ましくは制御回路に含まれるプロセッサのアナログ入力端に供給される。このプロセッサは電圧信号をサンプリングによってデジタル化し、その後評価する。

自動車で駆動される圧電アクチュエータをオンボード較正するための本発明の装置は、上記形式の方法を実施するための手段を有する。

本発明の有利な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

圧電アクチュエータを備えるインジェクタと、所属の制御装置を示す図である。 直列共振回路および並列共振回路を備える、従来技術から公知の圧電アクチュエータの等価回路である。 ２の共振回路によりシミュレートされた圧電素子のインピーダンス経過を示す線図である。 出力段により制御される圧電アクチュエータのブロック回路図である。 出力段により制御される圧電アクチュエータの回路図である。

図１に示された噴射弁（インジェクタ）は、圧電アクチュエータ１として構成された調整駆動部を有する。圧電アクチュエータ１は、ｎＬ個の圧電素子を有する。この数ｎＬは例えば約２００とすることができる。圧電アクチュエータ１は、第１の自由端部５と第２の自由端部７を有する。圧電アクチュエータ１の第１の自由端部５はインジェクタのハウジング３に、好ましくは溶接によって固定されている。第２の自由端部７の領域で圧電アクチュエータ１は、圧電アクチュエータ１の長手方向でインジェクタの切替弁に作用する。切替弁はピン９とレバー装置１１を有しており、レバー装置は好ましくは圧電アクチュエータ１のストロークを反転する。切替弁はさらに、ノズルバネ１５と連結したノズルニードル１３とノズルボデー１７を有する。ノズルボデー内にはノズルニードル１３用のシート１９が形成されている。ノズルバネ１５は、調整駆動部により惹起される力が作用しなくてもノズルニードルをその閉鎖位置にプリロードするように配置されている。この閉鎖位置ではノズルニードルが噴射開口部２１を通る流体の流れを阻止する。閉鎖位置以外では、ノズルニードル１２３が噴射開口部２１通る流体の流れを解放する。

さらに噴射弁は高圧流体供給部２３を有する。この高圧流体供給部を介して噴射弁は、取付け状態で好ましくは流体高圧リザーバと流体力学的に結合され、この高圧流体供給部を通って流体が噴射開口部２１に通流することができる。ノズルニードル１３がその閉鎖位置にあるか、または閉鎖位置外にあるかは、ノズルバネ１５の力によりノズルニードル１３に作用する力と、流体の圧力を介してノズルニードル１３に入力結合される力と、圧電アクチュエータ１によりノズルニードル１３に作用する力の力バランスに依存する。圧電アクチュエータ１がノズルニードル１３と実質的に直接結合していることによって、第２の自由端部７で変化する圧電アクチュエータ１の伸びが、軸方向のハウジング領域を基準にした圧電アクチュエータの位置に作用し、ノズルニードル１３の位置を変化させる。

噴射弁に配属された制御装置２５のメモリには、好ましくはデータと、インジェクタの正規動作中に処理されるプログラムが記憶されている。制御回路、マイクロプロセッサおよびメモリを含む制御装置２５は、圧電アクチュエータ１の較正のためにも使用され、圧電アクチュエータ１の較正装置であると称することもできる。

圧電アクチュエータ１を較正するためのプログラムは制御装置２５のメモリに記憶されており、制御回路によって調量装置の動作中に所定の時点でスタートされる。所定の時点は例えば所定の持続時間のそれぞれの経過後、または所定の動作パラメータが所定の値を取る時点とすることができる。

本発明の方法を説明するために、図２にはそれ自体公知の等価回路が示されており、この等価回路により圧電素子の共振特性を電気的にシミュレートすることができる。圧電振動子は公知のように２つの異なる固有共振周波数を特徴とし、この固有共振周波数で複素インピーダンスの虚数部が振動する。（絶縁性の）圧電セラミック（およびその接点）はプレートコンデンサであり、キャパシタンスＣｐである。これに平行して圧電セラミックは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。このことは、キャパシタンスＣｐに並列の、回路の機械的分岐路によりシミュレートすることができる。共振個所の近傍では、機械的分岐路の特性がちょうど３つの要素、すなわちインダクタンス、キャパシタンスおよびオーム抵抗によってシミュレートされる。図２参照。ＬＭ、ＣＭおよびＲＭに対する値は、電気システムおよび機械システムの強制振動に対する微分式の比較から得られる。直列インダクタンスは慣性質量に、直列コンデンサは弾性に、直列抵抗は振動回路の機械的減衰に相当する。機械的な（比較的低い）共振周波数はＬＭ、ＣＭおよびＲＭの直列回路によって規定される。いわゆる直列共振周波数ｆｓは、直列分岐路における最小インピーダンスの周波数に相当する。弱く減衰されたシステムに対してだけ次式が成り立つ。

ｆｓ＝（１／２π）・√（１／ＬＭ・ＣＭ）

第２の（比較的高い）特徴的周波数は回路全体、すなわち機械的分岐路と、これに並列に接続された圧電キャパシタンスＣｐの共振周波数である。この周波数は並列共振周波数と称される。

ｆｐ＝（１／２π）・√｛（ＣＰ＋ＣＭ）／ＬＭ・ＣＭ・ＣＰ｝

電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電アクチュエータの能力に対する尺度として、有効結合係数ｋｅｆｆがしばしば使用される。この有効結合係数は、機械エネルギーに変換された電気エネルギーと電気エネルギーとの比の平方根として定義される。

ｋ^２ｅｆｆ＝変換されたエネルギー／電気入力エネルギー

過渡振動状態でエネルギーがキャパシタンスに蓄積されるから、これは次式のように計算される。

ｋ^２ｅｆｆ＝ＣＭ／（ＣＭ＋ＣＰ）

直列共振周波数と並列共振周波数に対する公式により、共振周波数から結合係数を計算するための既知の関係が得られる。

Ｋ^２ｅｆｆ＝（ｆｐ^２−ｆｓ^２）／ｆｐ^２

図３の上部の線図には、インピーダンスの大きさが周波数に対してプロットされている。最小値と最大値を備える既知のインピーダンス経過が得られ、２つの所属の周波数は測定されたスペクトルから求めることができる。大きな結合係数と高いＱを有する圧電セラミックに対して、ｆｍｉｎ、ｆｍａｘは良好な近似で所属の直列共振周波数ないしは並列共振周波数の近傍にある。

図３の下部の線図には、インピーダンスの位相が周波数に対してプロットされている。共振周波数においてそれぞれ位相跳躍が発生することが顕著である。

結合係数に対しては次の２つの既知の公式が導出される。

ｋ^２ｅｆｆ＝ｄ^２ _３３／ｓ^Ｅ _３３＊ε^Ｔ _３３
ｋ^２ｅｆｆ＝ （ε^Ｔ _３３−ε^Ｓ _３３）／ε^Ｔ _３３

ここでε^Ｓ _３３は小信号誘電率を、ε^Ｔ _３３は大信号誘電率を、ｓ^Ｅ _３３は圧電アクチュエータ１の弾性コンプライアンスを、ｄ_３３は圧電アクチュエータ１の圧電率を表す。

従来技術から公知のインピーダンス分光分析測定法では通例、小信号キャパシタンスと大信号キャパシタンスが測定により検出される。したがって結合係数が、前記２つの等式から除去され、弾性コンプライアンスｓ^Ｅ _３３および／または圧電率ｄ_３３についての予測を行うことができる。とりわけ、Δｌ（圧電長）とｓ^Ｅ _３３およびｄ_３３の関係を記述する別の等式を含む方程式を解くことによって予測を行うことができる。しかし最小信号キャパシタンスの測定は障害の影響、とりわけΔＴに強く依存するから、本発明は結合係数の明白な検出と、所定の大信号誘電率ε^Ｔ _３３（これは例えば大信号キャパシタンスの測定から決定することができる）を介して、大信号領域における別の材料係数ｓ^Ｅ _３３とｄ_３３の予測を行うという別のやり方を取る。

圧電制御される駆動区間の大信号領域におけるインピーダンス経過をオンライン検出し、インピーダンス限界を上記のように評価することによって、圧電結合係数を算出し、そこから圧電素子の非線形特性量を推定することができる。

オンライン検出は、噴射システムの作動中に、適切はハードウエア回路によって行われる。このハードウエア回路はインピーダンスの連続的経過を電圧信号として出力する。噴射システムは出力段を有する（図４に示したブロック回路図参照）。この出力段は、圧電アクチュエータ１を駆動するための制御パルスを形成するために設けられている。これはエンジンコントロール部によって制御される。この出力段は、例えば制御装置２５の一部分とすることのできる制御回路による制御にしたがって電気較正パルスも形成する。この電気較正パルスはインジェクタ３１の圧電アクチュエータ１に印加される。

較正パルスの信号は、インピーダンスを時系列で測定するために形成される。したがって所定の周波数領域を通過する（ＡＣスイープ）。このことは、噴射開口部を通る液体の調量が行われない時間内に、すなわち２つの正規制御パルスの間で行われる。較正パルスの持続時間および／または高さは、好ましくは少なくとも１つの動作パラメータに依存して求められる。この場合、圧電アクチュエータ１に電気較正パルスを印加することによって、ノズルニードル１３がその閉鎖位置よりも前には絶対に移動せず、したがって不所望の正規制御がトリガされないことを保証できるようにする。他方において、較正パルスは約１００Ｖ／ｍからの大信号領域内にすべきである。なぜなら燃料噴射弁用の圧電アクチュエータの操作には、典型的には１００Ｖから２００Ｖの電圧が必要だからである。

さらに図４には、関連の負荷インピーダンス、ソースインピーダンス、および出力段を圧電インジェクタ３１と接続するケーブル束３０が示されている。

測定された電圧信号は高速なアナログのプロセッサ入力端に印加され、適切なサンプリングによって信号がデジタル化され、インピーダンス限界の評価によって非線形特性量が求められる。この特性量は例えば機関制御部にある圧電モジュールに適合量（材料係数の適合）として供給することができる。一方、さらなる評価により、外部の負荷入力（例えばノズルニードルの運動開始）により引き起こされるイベントを推定することができる。出力インピーダンス、制御装置２５にファイルされた圧電インジェクタの制御特性、および機械−液圧的反作用による負荷インピーダンスを考慮することにより、インジェクタ内の力変化または工程変化を推定することができる。そのためには、制御特性を知り、とりわけアドミッタンスの実数部分と虚数部分とを分離する計算の際に考慮することが必要である。

以下、図４と５に示された変形出力段について詳細に説明する。ここで重要なことは、出力段の例として詳細に示した回路技術的構造（従来術でも多種の変形例がある）だけでなく、切替弁の圧電素子を規則的に駆動制御するために設けられた出力段が、本発明の方法を実現するためにはそれぞれ小さな変更しか必要としないことである。このことはとりわけ、圧電アクチュエータ１における電圧測定（量的な電圧測定Ｖ（＋）または電圧差測定Ｖ（＋）−Ｖ（−））と、（非常に小さい）電流測定抵抗３２を用いた電流測定の実現に当てはまる。この電流測定抵抗３２は圧電アクチュエータ１（およびそれぞれの調整素子に所属する選択スイッチ３３）との直列回路に配置されている。

規則的な駆動制御のために設けられた出力段は、図３と図４に示したのと類似するものが特許文献２からそれ自体公知である。まず、搭載電源から給電されるＤＣＤＣコンバータ２７が設けられており、このＤＣＤＣコンバータ２７は出力側に高い供給電圧（例えば２００Ｖ）を、規則的な制御パルスおよび較正パルスのために送出する。ＤＣＤＣコンバータ２７と（ダイナミックなバッファリングのため）基準電位との間には中間回路コンデンサ３４と、これに並列に電力出力段２８が接続されている。この電力出力段は、充放電スイッチングトランジスタＴ１とＴ２の直列回路からなり、トランジスタＴ１とＴ２はそれぞれドライブ回路（例えばブックブーストコンバータ）を介して制御回路の制御信号によって制御される。この制御回路は制御装置２５の一部分とすることができる。このスイッチングトランジスタの接続点Ａを介して、圧電アクチュエータ１と直列に接続されたコイル３５を、ＤＣＤＣコンバータ２７の出力電圧により充電するために、または基準電位０Ｖ（アース）に放電するために接続することができる。コイル３５は、別のコイルおよび別のコンデンサとともに出力フィルタ２９を形成する（図４のブロック回路図参照）。噴射弁の規則的な制御パルスと較正パルスを形成するために、制御回路から相応の制御信号が出力され、この制御信号がスイッチングトランジスタＴ１とＴ２（および選択スイッチ３３）により変換される。

Claims (9)

1. 制御回路および出力段によって駆動され、調整駆動部として切替弁に作用する、自動車の圧電アクチュエータ（１）の較正方法であって、
   前記圧電アクチュエータ（１）には、制御回路および出力段の動作中に、該圧電アクチュエータの大信号領域にある電気較正パルスが印加され、該電気較正パルスの周波数は時間に関して変化され、
   所属の電気インピーダンス経過が周波数について検出され、評価され、
   前記出力段が制御回路により、較正パルスが形成されるように制御される、ことを特徴とする較正方法。
2. 求められたインピーダンス経過の極値から共振周波数（ｆｐ、ｆｓ）が決定され、そこから圧電結合係数（ｋｅｆｆ）が導出され、
   該結合係数（ｋｅｆｆ）は、前記圧電アクチュエータ（１）が大信号領域に有する非線形の材料係数を求めるために利用される請求項１記載の方法。
3. 前記圧電アクチュエータ（１）の誘電材料係数が大信号領域で設定され、求められた圧電結合係数（ｋｅｆｆ）とともに、非線形圧電材料係数および／または電気的材料係数の検出に利用される請求項２記載の方法。
4. 求められた非線形圧電材料係数に依存して、少なくとも１つの制御パラメータが圧電アクチュエータ（１）の制御のために適合される請求項２または３記載の方法。
5. 制御装置に存在するデータおよび／または制御装置により検出されたデータを付加的に評価することによって、圧電アクチュエータ（１）と接続された機械的可動装置（３１）のイベントまたは状態が推定される請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 求められたイベントまたは状態に依存して、少なくとも１つの制御パラメータが圧電アクチュエータ（１）の制御のために適合される請求項５記載の方法。
7. インピーダンス経過を求め得るために、圧電アクチュエータ（１）において降下する電圧と、該圧電アクチュエータにより消費される電流が検出され、
   出力段により制御される圧電アクチュエータ（１）は、アースに接続された電流測定抵抗（３２）と直列に接続されている請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 検出された電圧信号が集積マイクロプロセッサのアナログ入力端に供給され、該マイクロプロセッサは該電圧信号をサンプリングによりデジタル化し、評価する請求項７記載の方法。
9. 自動車で駆動される圧電アクチュエータ（１）をオンボード較正するための制御装置であって、該圧電アクチュエータは切替弁を駆動し、請求項１から８までのいずれか１項記載の形式の方法を実施するための手段を有する制御装置。

Images