JP5795739B2 - 燃料噴射装置制御に関する改良 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射装置を動作させる方法に関する。より具体的には、本発明は、燃焼騒音および排出物を低減するために、圧電式に作動される燃料噴射装置を動作させる方法に関する。

現代の内燃機関技術では、各シリンダに関連する燃料噴射装置によってエンジンのシリンダ内に燃料を供給することが知られている。燃料の正確な調量を可能にする、そのような燃料噴射装置の１つのタイプが、いわゆる圧電式噴射装置である。

燃料噴射装置は、各燃焼サイクルで関連するシリンダ内に噴射される燃料の体積に対する高度の制御が可能となるので、気化器などの代替の燃料供給技法より好まれる。このような高度の制御は、エンジンおよび車両製造業者が順守しなければならないますます厳しくなる環境条例に鑑みて、今日の世界では極めて重要である。

通常、圧電式噴射装置は、噴射ノズルを制御するように動作可能な圧電アクチュエータを含む。１つのこのような圧電式燃料噴射装置は、欧州特許第ＥＰ０９９５９０１号に記載されている。噴射ノズルは、アクチュエータの制御下で弁ニードル座に対して相対的に移動可能な、噴射装置弁ニードルを内蔵する。アクチュエータの軸方向の動きが、ニードルの増幅された軸方向の動きを生ずるように、アクチュエータとニードルの間に油圧増幅器が配置される。圧電アクチュエータに印加される電圧に応じて、弁ニードルは、弁座から離座されて、ノズルの先端に設けられた１組の出口を通って関連するエンジンシリンダ内に燃料が供給されるか、または弁座に着座されて、燃料供給が妨げられる。

エンジンの要求に従って燃料供給の体積およびタイミングを制御する動作方式に応じて、１つまたは複数のパイロット噴射、メイン噴射、および１つまたは複数のポスト噴射を含む噴射イベントを制御するように、噴射装置駆動電圧がアクチュエータに印加される。噴射装置駆動電圧は、エンジン制御ユニットによって制御される。

欧州特許第ＥＰ０９９５９０１号 欧州特許第ＥＰ１１７４６１５号 欧州特許第ＥＰ１８６０３０７号

知られている噴射装置制御方法を用いた場合には、加圧燃料が燃焼空間に供給される速度に対しては、最小の制御しか得られないことが分かっている。たとえば、噴射ノズルが開く速度を遅くすることは、一部のエンジン状態では排気物質および燃焼騒音の点から有益であるので、望ましい場合があり得る。しかし、知られている制御技法を用いると、これは排気からの粒子排出の増加という犠牲を伴うことになる。

この背景に対して、本発明は、第１の態様において、噴射装置からの燃料の噴射率を制御するために燃料噴射装置内で用いるように適合された圧電アクチュエータの積層体の変位を制御する方法を提供し、この方法は、第１の開弁段階および第２の開弁段階を含む開
弁フェーズ中に、積層体を通して変化電流を駆動する（すなわち、積層体に電荷を追加する、または積層体から電荷を除去する）ステップを含む。この方法は、第１の開弁段階中に、第１の期間の間、第１の電流レベルで積層体を駆動するステップと、第２の開弁段階中に、第２の期間の間、第２の電流レベルで積層体を駆動するステップとをさらに含む。第２の電流レベルは、第１の電流レベルより小さく、各電流レベルは、開弁フェーズ内の噴射率が、第２の開弁段階に対応する第２の部分より急な勾配を有する、第１の開弁段階に対応する第１の部分を含むように選択される。

本発明は、２つの活動化電流レベルが使用されるので、アクチュエータには、動作の第１の段階中の高い電流レベルと、それに続く動作の第２の段階の間の比較的低い電流とを印加できるという利点を実現する。したがってアクチュエータに、第１の開弁段階中に、その関連する弁ニードルに対して大きな初期力を加えさせ、これにより弁ニードルをその弁座から急速に引き上げさせる。これに続いて、アクチュエータは、第２の開弁段階中には低減された力を弁ニードルに印加し、それによりニードルが開くのを遅くする。したがって、噴射率は、高い初期噴射率（開弁）と、それに続く遅い噴射率とを有する。大きな初期力は、弁ニードルが速やかに引き上げられ、それによって噴射開始遅延が最小になるので重要である。しかし、本発明により、弁ニードルの短い初期の動きに続いて、一部のエンジン動作状態の間に、弁ニードルの動きを大幅に遅くすることが有益となり得ることが認識される。したがって、第２の段階中に、アクチュエータを通して低い電流を駆動することによって、噴射装置の噴射率を、排気物質および騒音に対して燃焼プロセスを最適にするために、所望の形にすることができる。

本発明は、第１の閉弁段階および第２の閉弁段階を含む、噴射装置の閉弁フェーズにも同様に適用され、積層体は、第１の閉弁段階中に、第１の期間の間、第１の電流レベルで駆動され、第２の閉弁段階中に、第２の期間の間、第２の電流レベルで駆動される。閉弁フェーズでは、第２の電流レベルは、第１の電流レベルより大きく、各電流レベルは、閉弁フェーズ内の噴射率が、第２の閉弁段階に対応する第２の部分より急峻さの小さい勾配を有する、第１の閉弁段階に対応する第１の部分を含むように選択される。

主な実施形態では、第１の開弁段階の終わりの後に、直ちに第２の開弁段階の開始が続くが、これはそうでなくてもよく、もう１つの実施形態では、第１と第２の段階の間に遅延が存在する。同様に、第１の閉弁段階の終わりと第２の閉弁段階の開始の間に導入された遅延があってもよい。

一実施形態では、等しい期間とするのではなく、第２の開弁期間は、第１の開弁期間より長くなるように構成される。第２の開弁期間をこのように構成することにより、大きな駆動電流は、比較的小さな駆動電流に切り換わる前の比較的短い時間に使用されるだけなので、積層体の電力消費の点から、追加の効率上の利益がもたらされる。

本発明は、噴射するために放電する燃料噴射装置内での使用を考えているが、本発明は、噴射するために充電する噴射装置内での使用にも適している。
さらなる態様では、燃料噴射率および体積を制御するために燃料噴射装置内で用いるように適合された、圧電アクチュエータの積層体の変位を制御する方法は、開弁フェーズおよび／または閉弁フェーズ中に、積層体を充電または放電するように積層体を通して、すなわちそれぞれ積層体内へまたは積層体から外へ変化電流を駆動するステップを含み、閉弁フェーズおよび／または開弁フェーズは、第１の段階および第２の段階を含む。この方法は、第１の段階中に、第１の期間の間、所定の噴射率閾値以下の第１の電流レベルで積層体を駆動するステップと、第２の段階中に、第２の期間の間、第２の電流レベルで積層体を駆動するステップとを、さらに含み、第２の電流レベルは、第１の電流レベルよりも小さい。

一実施形態では、所定の噴射率閾値は、第１の段階中に到達する噴射率が噴射装置のピーク噴射率値の６０％未満となるように選択される。好ましくは、噴射率閾値は３０と６０パーセントの間であり、より好ましくは、それぞれ４５と５５パーセントの間、および４８と５２パーセントの間である。最も好ましくは、所定の噴射率閾値は、噴射装置のピーク噴射率のほぼ５０パーセントであるように選択され、なぜならこの値は、実際には特に有利であるとされているからである。

別法として、所定の噴射率閾値は、たとえば、高圧力燃料アキュムレータの体積、または「レール」から噴射装置に供給される燃料の圧力の関数として選択してもよい。
オプションとしては、噴射イベントによって要求される燃料が、結果として噴射率閾値より低い最大燃料噴射率となる状況では、第２の期間は、ほぼゼロに等しくなる。

本発明の他の態様では、本発明は、実行環境において実行されるとき、上記により定義された方法のいずれかを実施するように動作可能な、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有する、コンピュータプログラム製品を提供する。

本発明はまた、先に定義された前記または各ソフトウェア部分を有するデータ記憶媒体、および先に定義された記憶されたデータ記憶媒体を有するコントローラにもある。
本発明をより容易に理解するための、例のみとして、以下の図面を参照する。

本発明の方法と共に用いることができる、圧電素子の積層体を含む圧電アクチュエータの概略図である。 図２（ａ）は、図１のような圧電アクチュエータを有する燃料噴射装置の開弁および閉弁フェーズに対する、電荷対時間の理想化されたグラフである。図２（ｂ）は、図１のような圧電アクチュエータを有する燃料噴射装置の開弁および閉弁フェーズに対する、電流対時間の理想化されたグラフである。図２（ｃ）は、図１のような圧電アクチュエータを有する燃料噴射装置の開弁および閉弁フェーズに対する、放電イネーブル信号の理想化されたグラフである。図２（ｄ）は、図１のような圧電アクチュエータを有する燃料噴射装置の開弁および閉弁フェーズに対する、充電イネーブル信号の理想化されたグラフである。図２（ｅ）は、図１のような圧電アクチュエータを有する燃料噴射装置の開弁および閉弁フェーズに対する、チョッピングされた電流制御信号の理想化されたグラフである。 本発明の方法を実施するための駆動回路の回路図である。 放電フェーズ中の駆動回路を巡る電流経路を示す図３の回路図である。 充電フェーズ中の駆動回路巡る電流経路を示す図３の回路図である。 図６ａは、単一の放電段階を示す、電流対時間のグラフである。図６ｂは、図６ａに従う積層体電圧対時間のグラフである。図６ｃは、図６ａおよび６ｂに従う噴射率対時間のグラフである。 図７ａは、（ｉ）第１および第２の開弁段階、および（ｉｉ）第１および第２の閉弁段階を示す、本発明の一実施形態に対する電流対時間のグラフである。図７ｂは、図７ａに従う積層体電圧対時間のグラフである。図７ｃは、図７ａおよび７ｂに従う噴射率対時間のグラフである。

図１は、実効的に並列に接続された、容量性圧電素子４の積層体２を含む、圧電アクチュエータ１の概略図を示す。このアクチュエータは、アクチュエータ１によって動作可能な弁ニードルを有する、欧州特許第ＥＰ１１７４６１５号に記載されているタイプの燃料噴射装置での使用に適したタイプである。

積層体２は、以下の式に従って、所与の時間ｔの間に積層体２内へまたは積層体２から外へ電流Ｉを駆動することによって、様々な付勢レベルに充電される。
電荷（Ｑ）＝電流（Ｉ）×時間（ｔ）
図２（ａ）は、アクチュエータ１の電荷対時間の典型的なグラフを示し、アクチュエータ１は、閉じた無噴射位置から、開いた噴射位置に駆動され（すなわち、開弁／放電フェーズ６）、再び無噴射位置に戻される（すなわち、閉弁／充電フェーズ８）。開弁フェーズ６の間に、電荷は、ｔ_ｏｐｅｎの時間にわたって、第１の電荷レベルＱ１から第２の電荷レベルＱ２に変化する。Ｑ１とＱ２の差は、電荷の変化ΔＱに等しく、これは、図１に示されるように、積層体２の長さが、相対的に長い長さＬ１から相対的に短い長さＬ２に変化することに対応する。積層体２の長さの変化は、噴射装置弁ニードルの動きを直接制御し、したがって燃料供給を制御する。

圧電アクチュエータ１を制御する上述の方法は、「電荷制御」方法と呼ばれる。この方法を用いて、どれだけの電荷を積層体に印加しまたは積層体から除去するかを決定し、上記の式に従って必要な時間の間、適当な電流を積層体２に印加しまたは積層体から除去することによって、アクチュエータを動作させることが可能である。実際には、積層体を充電および放電するために、変化電流、すなわち２つの電流レベルの間を遷移する電流が用いられる。電流の平均値は「電流設定点」または「電流レベル」として知られており、以下ではそのように呼ぶ。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示される電荷波形を実現するために、積層体２に印加される変化電流の典型的な電流対時間のグラフを示す（平均値／設定点は、破線で示される）。

図３を参照すると、駆動回路１０は、それぞれが図１に示されるようなアクチュエータを含む、それぞれ第１、第２、および第３の噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃを備える噴射装置バンク１６を駆動するように構成される。駆動回路は、第１の電圧源Ｖ_Ｓ１、第２の電圧源Ｖ_Ｓ２、第１および第２のエネルギー蓄積コンデンサＣ１およびＣ２、電流検出および制御手段１４、それぞれが噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃのそれぞれ１つに関連付けられた噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、インダクタ１８、充電スイッチＱ１、放電スイッチＱ２、およびマイクロプロセッサ２０を含む。噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれは、典型的には、バイアス供給源入力にて電力供給されるゲート駆動回路に結合されたゲートを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の形をとる。充電および放電スイッチＱ１、Ｑ２は、コレクタからエミッタへの電流の流れを制御するゲートを有する、ｎチャネルＩＧＢＴの形とることができる。

第１の電圧供給源Ｖ_Ｓ１は、上部電圧レベルＶ_ｔｏｐにある上部電圧レール２８と、積層体電圧レベルＶ_{ｓｔａｃｋ}にあり双方向性の中央電流経路３０として知られる中央電圧レールとに跨って接続される。第２の電圧供給源Ｖ_Ｓ２は、中央電圧レール３０と、下部電圧レベルＶ_{ｂｏｔｔｏｍ}にある下部電圧レール３２とに跨って接続される。

第１のエネルギー蓄積コンデンサＣ１は、上部電圧レール２８と中央電流経路３０の間に接続され、第２の蓄積コンデンサＣ２は、中央電流経路３０と下部電圧レール３２の間に接続される。電流検出および制御手段１４は、中央電流経路３０内で第１および第２の蓄積コンデンサＣ１、Ｃ２の間の接続点と噴射装置バンク１６の間に接続される。

噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、並列に接続され、各噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃは異なる並列枝路内に接続され、各枝路は、ダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５がその両端に接続された噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を含む。噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、駆動回路１０から離れて取り付けられ、適当な接続リードを通じた駆動回路１０への接続部ｘおよびｙが設けられる。

噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃのそれぞれの負電極は、それらのそれぞれの選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３に接続される。噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃの正電極は互いに接続され、インダクタ１８と直列に結合される。

ダイオードＤ６は、インダクタ１８の噴射装置側の中央電流経路３０と、上部電圧レール２８の間に設けられ、もう１つのダイオードＤ７は、下部電圧レール３２と、やはりインダクタ１８の噴射装置側の中央電流経路３０との間に設けられる。ダイオードＤ６は、選択された噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃに対して、その充電フェーズ８の終わりに「電圧クランプ効果」をもたらし、噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃがＶ_Ｃ１より高い電圧に駆動されるのを防ぐ。ダイオードＤ７は、以下にさらに詳しく説明するように、動作の放電フェーズ６の間に、電流の流れに対する再循環経路を生ずる。

充電スイッチＱ１は、インダクタ１８の噴射装置側ではない方の側と、上部電圧レール２８の間に接続され、ダイオードＤ８がその両端に並列に接続される。同様に、放電スイッチＱ２は、下部電圧レール３２と、インダクタ１８の噴射装置側ではない方の側との間に接続され、同じようにダイオードＤ９がその両端に並列に接続される。

電流検出および制御手段１４の出力Ｉ_Ｓは、マイクロプロセッサ２０の入力に送られ、マイクロプロセッサ２０は、電流検出および制御手段１４、噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、充電スイッチＱ１、および放電スイッチＱ２のための制御信号を供給する。放電および充電スイッチＱ１、Ｑ２のための制御信号は、それぞれ図２（ｃ）および２（ｄ）に示されるように、それぞれ放電イネーブル信号３４および充電イネーブル信号３６と呼ばれる。

噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、充電スイッチＱ１、および放電スイッチＱ２を制御することにより、積層体２が充電／放電されそれに従って燃料供給が制御されるように、必要な時間の間、積層体２を通して変化電流を駆動することができる。

また、図２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、および２（ｅ）を参照すると、電流は、マイクロプロセッサ２０に関連して電流検出および制御手段１４の制御の下で、上側電流閾値レベルＩ_１と下側電流閾値レベルＩ_２の間で変化させられる。電流検出および制御手段１４は、電流の流れを監視し、「検出された」電流Ｉ_Ｓに基づいてチョッピングされた信号３８（図２（ｅ））を発生する。これは、以下にさらに詳しく説明する。チョッピングされた信号３８は、論理ＡＮＤゲートを通じて放電イネーブル信号３４（図２（ｃ））と組み合わされ、その結果の信号は放電スイッチＱ２に印加される。チョッピングされた信号３８はまた、論理ＡＮＤゲートを通じて充電イネーブル信号３６（図２（ｄ））と組み合わされ、その結果の信号は充電スイッチＱ１に印加される。放電スイッチＱ２は、開路および閉路して放電フェーズ６における変化電流信号を発生する。充電フェーズ８では、充電スイッチＱ１が変化電流の発生を制御する。

第１の開弁電流設定点ＰＯ、第１の開弁時間ＰＯＴ、および第１の閉弁電流設定点ＰＣの値は、マイクロプロセッサのメモリ内のルックアップテーブルに記憶される。マイクロプロセッサ２０は、第１の開弁電流設定点ＰＯ、第１の開弁時間ＰＯＴ、および第１の閉弁時間設定点ＰＣの値を、積層体圧力、積層体温度、および要求される噴射装置オン時間ＴＯＮ（これは燃料要求量から決定され、また燃料レール圧力の関数である）に応じて選択する。駆動回路１０、したがって燃料供給は、エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）によって制御される。ＥＣＭは、トルク、エンジン速度、および動作温度を含む、現在のエンジン動作状態に基づいて、必要な燃料供給、および噴射パルスのタイミングを決定するための方針を統合する。噴射装置がいつ開弁し閉弁するかのタイミングは、ＥＣＭによって
決定され、本発明を理解するのに本質的ではない。ここで、マイクロプロセッサは、ＥＣＭとは別の構成要素でもよく、またはＥＣＭと一体でもよいことを理解されたい。

放電フェーズ６の間に、第１の開弁電流設定点ＰＯの値は、マイクロプロセッサ２０によって対応する上側電流閾値レベルＩ_１に変換される。マイクロプロセッサ２０が、上側および下側電流閾値レベルＩ_１、Ｉ_２の両方を発生することは可能であるが、実際には、上側電流閾値レベルＩ_１だけを発生し、上側電流閾値レベルＩ_１に対する固定の比率として下側電流閾値レベルＩ_２を発生するように分圧器を用いる方が簡単である。同じように、充電フェーズ８の間に、マイクロプロセッサ２０は、第１の閉弁電流設定点ＰＣに対応する上側電流閾値レベルＩ_３を発生する。同様に、充電フェーズ用に、下側電流閾値Ｉ_４を発生するように分圧器が構成される。マイクロプロセッサ２０は、一時には１つの上側電流閾値レベルＩ_１、Ｉ_３を出力する。

必要な上側電流閾値レベルＩ_１は、ＥＣＭによる噴射タイミング、および選択された第１の開弁時間ＰＯＴに応じて適当な時点で、マイクロプロセッサ２０から電流検出および制御手段１４に出力される。言い換えれば、第１の開弁時間ＰＯＴの持続時間の間に、第１の開弁電流設定点ＰＯに対応する上側電流閾値レベルＩ_１がマイクロプロセッサ２０から出力される。同様にして、充電フェーズ中には、第１の閉弁電流設定点ＰＣに対応する上側電流閾値レベルＩ_３は、決定された第１の閉弁時間ＰＣＴの持続時間の間、マイクロプロセッサ２０から出力される。第１の閉弁時間ＰＣＴは、ルックアップテーブルから導かれる第１の閉弁電流設定点ＰＣに応じて、開弁／放電フェーズ６の間に除去される電荷量が、閉弁／充電フェーズ８の間に再印加されるように決定される。

上側および下側電流閾値レベルＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４は、生成される平均電流が、第１の開弁電流設定点ＰＯ、および第１の閉弁電流設定点ＰＣを満足するようなものである。平均電流に注目する方がより好都合であり、なぜなら、この電流とそれが印加される時間とが、アクチュエータに印加されるまたはアクチュエータから除去される電荷量を決定するからであることを理解されたい。分圧器によって生成される上側電流閾値レベルＩ_１、Ｉ_３および下側電流閾値レベルＩ_２、Ｉ_４は、電流変化の限界が決まる。

特定の噴射装置１６ａ、１６ｂ、または１６ｃを用いて噴射するためには、その噴射装置用の選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がマイクロプロセッサ２０によって活動化（閉路）される。たとえば、図４を参照すると、第１の噴射装置１６ａを用いて噴射する必要がある場合は、選択スイッチＳ１が閉じられる。この時点ではバンクの他の２つの噴射装置選択スイッチＳ２、Ｓ３は、それらが関連する第２および第３の噴射装置１６ｂ、１６ｃは噴射する必要がないので非活動化されたままとなる。

さらに、放電イネーブル信号３４は、論理ローから論理ハイになる。電流検出および制御手段１４は、初めに論理ハイ信号を出力し、これとハイの放電イネーブル信号３４とにより、放電スイッチＱ２を閉路させる。電流は、第２のコンデンサＣ２の両端の電圧供給源Ｖ_Ｓ２から、電流検出および制御手段１４を通り、選択されたスイッチ（この例ではＳ１）を通り、選択された噴射装置（この例では１６ａ）の対応する負側に流れることができる。放電電流Ｉ_{ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ}（図４では実線として示される）は、噴射装置１６ａから、インダクタ１８を通って流れ、閉じられたスイッチＱ２を通り、第２のコンデンサＣ２の負電極へ戻る。選択スイッチＳ２およびＳ３は開いたままであり、それらのそれぞれ関連するダイオードＤ４およびＤ５の方向により、実質上第２および第３の噴射装置１６ｂ、１６ｃを通って電流が流れることはできない。

電流検出および制御手段１４は、中央電流経路３０の電流の流れが増加するに従ってその電流の流れを監視し、上側電流閾値レベルＩ_１に達するとすぐに電流検出および制御手
段１４の出力は、論理ハイから論理ローに切り換わり、それによって放電スイッチＱ２を非活動化（開路）させる。この時点で、インダクタ１８内に増加したエネルギーは、（開路された）充電スイッチＱ１に関連するダイオードＤ８を通って再循環する。その結果として、インダクタ１８、および噴射装置のうちの選択された１つの１６ａを通る電流の流れの方向は変化しない。これは、駆動回路１０の動作の放電フェーズ６の「再循環フェーズ」である。再循環放電電流は、図４で破線４２として示される。

再循環フェーズ中は、電流は、第１のコンデンサＣ１の両端の第１の電圧源Ｖ_Ｓ１の負側から、電流検出および制御手段１４を通り、選択された噴射装置選択スイッチＳ１を通り、選択された噴射装置１６ａを通り、インダクタ１８を通り、最後にダイオードＤ８を通って、第１のコンデンサＣ１の正側に流れる。したがってインダクタ１８、および噴射装置のうちの選択された１つの１６ａのエネルギーは、エネルギー蓄積の目的のために、再循環フェーズ中に第１のコンデンサＣ１に移動される。電流検出および制御手段１４は、再循環電流を監視し、それにより再循環電流が下側電流閾値レベル（すなわち再循環電流閾値）Ｉ_２よりも低下すると、電流検出および制御手段１４は、放電スイッチＱ２を再活動化する信号を発生して放電動作を継続する。

変化電流は、第１の開弁時間ＰＯＴが終了するまで、積層体２を通って駆動される。この放電フェーズ６では、第２のコンデンサＣ２はエネルギーを供給し、一方、第１のコンデンサＣ１は蓄積のためにエネルギーを受け取る。第１の開弁時間ＰＯＴの終わりには、放電スイッチＱ２、および噴射装置１６ａの選択スイッチＳ１は非活動化される。

電流が減衰する速度はインダクタ１８にのみ依存するので、放電スイッチＱ２よりも前に、噴射装置選択スイッチＳ１が非活動化されることが望ましく、すなわち最初に噴射装置選択スイッチＳ１を選択解除しないと、電流はゆっくりと減衰し（その速度は積層体の電気的時定数に依存する）、その結果、意図するよりも多い電荷が積層体２から除去されることになる。最初に噴射装置選択スイッチＳ１を選択解除することにより、電流はより速やかにゼロにされ、追加的な電荷の除去は最小となる。放電スイッチＱ２が、噴射装置選択スイッチＳ１とほぼ同時、またはそのすぐ後に非活動化される場合は、ダイオードＤ７は、放電フェーズ６の終わりに、充電スイッチＱ１に関連するダイオードＤ８を通じて第１のコンデンサＣ１に再循環するために、インダクタ１８内の残留エネルギーのための再循環経路を形成する。

適当な時点で、選択された噴射装置１６ａの積層体２は、第１の閉弁電流設定点に応じて上側および下側閾値レベルＩ_３、Ｉ_４の間で充電電流を変化させることにより、噴射装置を閉じて燃料供給を停止させるために充電される。積層体の充電については、ここでは詳述せず、本出願人の同時係属の欧州特許第ＥＰ１８６０３０７号に見ることができる。

変化電流は、第１の閉弁時間ＰＣＴが終了するまで、積層体２を通って駆動される。この充電フェーズ８では、第１のコンデンサＣ１はエネルギーを供給し、第２のコンデンサＣ２は蓄積のためにエネルギーを受け取る。第１の閉弁時間ＰＣＴ（充電時間）の終わりには、充電スイッチＱ１、および噴射装置１６ａの選択スイッチＳ１は非活動化される。

一般に、充電フェーズ８の終わりでは、放電フェーズ６の終わりでもそうであるように、最初に噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３が選択解除されるか、充電スイッチＱ１が選択解除されるかは決定的に重要ではない。これは、第１の閉弁時間ＰＣＴの終わりでは、積層体２は実効的にその初期電圧レベルまで充電されているからであり、したがってその結果、わずかな電流だけが流れ得る（積層体２は、その容量的な性質により、無期限に充電することはできない）。これは、意図するよりも多くの電荷を印加することはできず、積層体２が、後に続く放電の前に、分かっている状態まで再充電されることが確実に
なることを意味する。

各噴射の間に積層体の両端の電圧を高い電圧レベルに保つように動作する、本発明の一部とはならない、閉ループシステムがある。したがって、どの放電フェーズの開始時においても、積層体は常に分かっている基準電圧にある。

噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃを充電することができる、他の方法もあることを理解されたい。たとえば、噴射装置１６ａ、１６ｂ、１６ｃは、それらの噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を活動化せずに充電することが可能であり、なぜなら、噴射装置選択スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の両端のダイオードＤ３、Ｄ４、およびＤ５は、充電スイッチＱ１だけが活動化（閉路）されている場合に、積層体２を完全に充電する方向に電流が流れ得ることを確実にするからである。

図６ａは、上述の知られている圧電アクチュエータ活動化技法による、放電フェーズの間の典型的な電流対時間のグラフを示す。放電フェーズは、単一のほぼ一定な放電率を含み、放電電流は、上側および下側電流閾値レベルＩ_１、Ｉ_２の間で振動し、これらは第１の開弁時間ＰＯＴの間、一定の電流設定点ＰＯによって指示される。

図６ｂは、放電フェーズ中に積層体から外に出された電荷により、完全に充電されたレベルＶ０から放電されたレベルＶ１まで減少するのに従った、圧電積層体上に蓄積された電圧を示す。

図６ｃは、噴射イベントの第１の開弁部分の間に、圧電式噴射装置から噴射される燃料の噴射率を示す。放電フェーズの開始の後に、噴射率は、短い遅延の後に初めて増加し始め、これは図６ｃで「Ｄ」として示され、以降「噴射開始遅延」と呼ぶ。噴射開始遅延Ｄは、アクチュエータの動きが噴射装置の弁ニードルに伝達される有限の期間によって生ずる。噴射開始遅延Ｄの後に噴射率は、ほぼ一定の勾配でピーク値Ｑ_ＰＫまで上昇する。

また図６ａ、６ｂおよび６ｃに示されるように、所定の期間の後に、上述のように充電フェーズが開始され、これは圧電積層体に電荷を加え、したがって噴射率をゼロに減少させ、それによって噴射イベントを終了させることに留意されたい。充電フェーズ中には積層体は、第１の閉弁時間ＰＣＴの間、平均充電電流設定点ＰＣを超えて振動する電流によって充電される。

ニードル引き上げの間に燃料が噴射される率を減少させる１つの方法は、電流設定点ＰＯを減少させ、それによって積層体が放電される速度を減少させることであることが分かっている。噴射率の勾配の低減は、たとえば騒音または排気煙の排出を低減するためなど、燃焼プロセスのいくつかの側面を制御するために望ましい場合がある。しかし、本出願人は、圧電アクチュエータを放電するのに用いられる電流設定点を単に減少させることは、１つの噴射イベントと他の噴射イベントとで、噴射装置によって供給される燃料体積の変化が増加するので望ましくないことを見出した。またこれは、噴射装置の寿命にわたって噴射装置性能の変化が増加するという欠点を有する。

上記の問題に対処する一実施形態は、図７ａ、７ｂ、および７ｃに示され、図２から５に関連して上述した制御回路１０を用いて実施される。図７ａは、２つの互いに異なる段階、段階１および段階２を含む放電フェーズの間の、電流対時間のグラフを示す。各段階は異なる放電速度を有し、すなわち異なる電流設定点を有する。段階３および段階４を含む充電フェーズも示され、やはり各段階は異なる充電速度を有する。

段階１中には、圧電アクチュエータは、上述のように第１の開弁時間ＰＯＴの間、第１
の開弁電流設定点ＰＯで駆動される。段階１に直ちに後続する段階２中には、アクチュエータは第２の開弁時間ＳＯＴの間、第２の開弁電流設定点ＳＯで駆動される。第２の開弁電流設定点ＳＯおよび第２の開弁時間ＳＯＴは、詳しく上述した第１の開弁電流設定点ＰＯおよび第１の開弁時間ＰＯＴと同様にして導かれる。ＥＣＭは、トルク、エンジン速度、および動作温度を含む、現在のエンジン動作状態に基づいて必要な燃料供給、および噴射パルスのタイミングを決定し、マイクロプロセッサ２０に必要な値を入力する。次いでマイクロプロセッサ２０は、ＥＣＭによって指示される要求される燃料供給を発生するために、適当な各期間の間に第１の開弁電流設定点ＰＯおよび第２の開弁電流設定点ＳＯの適当な値を適用するために、そのメモリ内に記憶されたルックアップテーブルを参照する。

段階１は、弁ニードルに比較的大きな初期引き上げ力を付与するために、アクチュエータが大きな電流で放電される初期駆動段階である。これは、噴射開始遅延Ｄを許容し得るレベルに保ち、１つの噴射イベントと他の噴射イベントとで、および噴射装置の寿命にわたって、ほぼ一貫したものに保つ効果を有する。段階１中には、放電電流（第１の開弁電流設定点ＰＯと、上側および下側閾値Ｉ_１およびＩ_２に対応する）は、第１の開弁時間ＰＯＴの間、積層体２を通して駆動される。これは積層体電圧をＶ０からＶ１に減少させ、それに従って弁ニードルを引き上げさせる。

段階１の直後に段階２が開始し、段階２中にはマイクロプロセッサ２０は、低減された第２の電流設定点ＳＯにて（上側および下側閾値Ｉ_５およびＩ_６に対応する）、積層体２から外へ電流を駆動し、それにより積層体２の電荷をさらにＶ１からＶ２に減少させるが、段階１中よりも低減された速度で減少させる。積層体２の電圧は、Ｖ１からＶ２に減少するので、それに従って弁ニードルはその弁座からさらに引き上げられる。したがって段階２中には、積層体２は、段階１中より低い速度で放電されるが、段階１よりもゆっくりと噴射率を増加させるように弁ニードルの動きを生ずるのには依然として十分な速度で放電される。

図７ａ、７ｂ、および７ｃの実施形態では、ＥＣＭが第１の開弁電流設定点ＰＯと第２の開弁電流設定点ＳＯの間で切り換える時点は、噴射率がそのピーク値の約５０％に達した時点で発生し、これは図７ｃではＱ_{ｓｗｉｔｃｈ}として示される。この噴射率閾値は、Ｔ_{ｓｗｉｔｃｈ}としてラベルが付された第１の開弁時間値に対応する。具体的なタイミングは、システム試験時に実験的に決定され、上述のマイクロプロセッサ２０内のルックアップテーブルに記憶される。したがって、第１の開弁電流設定点ＰＯ、第１の開弁時間ＰＯＴ、および第１の閉弁電流設定点ＰＣを記憶するのに加えて、マイクロプロセッサ２０のメモリはまた、第２の開弁電流設定点ＳＯおよび第２の開弁時間ＳＯＴに対応する値を有するルックアップテーブルを記憶する。

マイクロプロセッサ２０が、第１の開弁電流設定点ＰＯだけ、または第１の開弁電流設定点ＰＯと第２の開弁電流設定点ＳＯの両方を用いて積層体を放電する必要があるかどうかは、噴射イベントに対して要求される燃料供給体積に依存することを理解されたい。第１の開弁時間ＰＯＴの最大持続時間は、燃料噴射率がピーク噴射率の５０パーセントに達する期間に制限される。したがって、噴射率がピーク噴射率の５０パーセントＱ_{ｓｗｉｔｃｈ}を超えない、比較的小さな噴射イベントの場合は、マイクロプロセッサ２０は、第１の開弁電流設定点ＰＯの値および第１の開弁時間ＰＯＴの値のみを決定し、駆動回路１０を制御するために適当な上側および下側電流閾値を電流検出および制御手段１４に出力することになる。段階１の放電フェーズだけは必要であるが段階２は無くてもよいこのような噴射イベントは、パイロット噴射イベント、およびエンジンのアイドル動作状態時のメイン噴射イベントなどの小体積の噴射である。

しかし、噴射率がピーク噴射率の５０パーセントＱ_{ｓｗｉｔｃｈ}を超えるような、燃料要求量が比較的大きい場合は、マイクロプロセッサ２０はまた、駆動回路１０を駆動するために電流検出および制御手段１４に、第２の電流設定点ＳＯおよび第２の開弁時間ＳＯＴを出力する。

図７ａはまた閉弁フェーズを示し、閉弁フェーズ中には噴射装置は、第１の閉弁時間ＰＣＴ（段階３）の間、第１の閉弁電流ＰＣで駆動され、それに続いて第２の閉弁時間ＳＣＴ（段階４）の間、より大きな第２の閉弁電流ＳＣで駆動される。閉弁フェーズの間は、積層体２の電荷は、段階３の間にＶ２からＶ１に増加し、段階４の間に再びＶ１からＶ０に増加するが、電荷の増加の速度は、段階４の間の方が段階３の間より大きい。その結果として、図７ｃに示されるように、噴射率の勾配の大きさは、初期の閉弁段階中の方が後半の閉弁段階中よりも低い。

添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の概念から逸脱せずに、上記に対する変形形態が可能である。たとえば、上述の燃料供給システムは、特に「噴射するために放電する」タイプの噴射装置に関して説明してきたが、同じ原理が「噴射するために充電する」噴射装置にも当てはまることを理解されたい。

さらに、本出願人は、第１の開弁時間ＰＯＴおよび第１の開弁電流設定点ＰＯの値を、噴射率をピーク噴射率の５０パーセントだけにまで増加させるように制限することを見出したが、他の値も適用できることを理解されたい。たとえば、噴射率閾値が、６０パーセント未満、好ましくは３０と６０パーセントの間である場合も利点が得られる。噴射率閾値は、より好ましくは４５と５５パーセントの間に、さらにより好ましくは４８と５２パーセントの間となるように選択される。

他の実施形態では、噴射率閾値は、たとえばコモンレールの燃料容積から、噴射装置に供給される燃料の圧力に応答し、かつその関数として選択される。このような場合は、燃料圧力の範囲に対応する噴射率閾値は実験的に決定することができ、マイクロプロセッサ２０のメモリ内のデータマップに記憶することができることを理解されたい。別法として、噴射率閾値は、所定のモデルに基づいてリアルタイムに計算することもできる。

図７ａ、７ｂ、および７ｃに関連して説明した実施形態においては、第２の開弁時間ＳＯＴは、第１の開弁時間ＰＯＴよりも大きいことに留意されたい。この特徴の利点は、第１の開弁段階中に弁ニードルに加えられる初期の大きな開弁力の後に弁ニードルは、第２の開弁フェーズ中には、より長い持続時間の間、比較的小さな引き上げ力を受けることである。これは、ニードルの引き上げ速度を低減し、燃焼を最適化するように供給率特性の形を整えるのに有益な効果がある。

第２の開弁時間を第１の開弁時間よりも大幅に大きくすると、燃焼効率の利点が得られることに留意されたい。比較的短い第１の開弁時間を利用するために、年数を経た噴射装置性能を維持するように、第２の開弁フェーズを比較的長くして弁ニードルを完全に引き上げられた状態にし、したがって安定なやり方で最大限の噴射率にすることができる。図中には明示されていないが、第２の開弁フェーズと第１の開弁フェーズの比は、レール圧力に応じて、約４：１と６：１の間の範囲である場合に、最も大きな効率向上が得られることが予測される。

上記の説明では、段階２は段階１の直後に続くが、他の実施形態（図中には示されない）では、段階１と段階２の放電ステップの間に一時的な遅延が導入される。このような遅延を導入することは、燃焼騒音の低減の点から利点をもたらし得る。同じことは、噴射の閉弁フェーズにも当てはまり、したがって段階４は必ずしも段階３の直後に続く必要はな
い。

１ 圧電アクチュエータ
２ 積層体
４ 容量性圧電素子
６ 開弁／放電フェーズ
８ 閉弁／充電フェーズ
１０ 駆動回路
１４ 電流検出および制御手段
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 噴射装置
１８ インダクタ
２０ マイクロプロセッサ
２８ 上部電圧レール
３０ 中央電流経路
３２ 下部電圧レール
３４ 放電イネーブル信号
３６ 充電イネーブル信号
３８ チョッピングされた信号
４２ 再循環放電電流

Claims (11)

1. 燃料噴射率および燃料噴射体積を制御するために燃料噴射装置内の圧電アクチュエータ（１）の積層体（２）の変位を制御する方法であって、
   前記積層体（２）の長さの変化が噴射装置弁ニードルの移動を直接的に制御するものであり、
   第１の開弁段階（段階１）および第２の開弁段階（段階２）を含む開弁フェーズ中に、前記積層体（２）を通して変化電流を駆動するステップと、
   第１の開弁期間（ＰＯＴ）の間で、より高い第１の開弁電流レベル（ＰＯ）を選択して前記第１の開弁段階（段階１）の間に前記積層体（２）を駆動することにより、第１の勾配を有する第１の部分で燃料噴射率を与えるステップと、
   前記第１の開弁期間に直ちに後続する第２の開弁期間（ＳＯＴ）の間、より低い第２の開弁電流レベル（ＳＯ）を選択して前記第２の開弁段階（段階２）の間に前記積層体（２）を駆動することにより、前記第１の勾配よりも緩やかな第２の勾配を有する第２の部分で燃料噴射率を与えるステップと、
   第１の閉弁段階（段階３）および第２の閉弁段階（段階４）を含む閉弁フェーズ中に、前記積層体（２）を通して変化電流を駆動するステップと、
   を備え、
   前記積層体（２）は、前記第１の閉弁段階（段階３）中に、第１の閉弁期間（ＰＣＴ）の間、第１の閉弁電流レベル（ＰＣ）で駆動され、前記第２の閉弁段階（段階４）中に、第２の閉弁期間（ＳＣＴ）の間、第２の閉弁電流レベル（ＳＣ）で駆動され、前記第２の閉弁電流レベル（ＳＣ）は、前記第１の閉弁電流レベル（ＰＣ）より大きく、各電流レベル（ＰＣ、ＳＣ）は、前記閉弁フェーズ内の噴射率が、前記第２の閉弁段階（段階４）に対応する第２の部分より緩やかな勾配を有する、前記第１の閉弁段階（段階３）に対応する第１の部分を含むように選択される、方法。
2. 前記第２の開弁期間（ＳＯＴ）が、前記第１の開弁期間（ＰＯＴ）より長い、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の開弁段階（段階１）中に、所定の噴射率閾値（Ｑ_{ｓｗｉｔｃｈ}）が達成されるまで、前記積層体（２）が駆動される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記所定の噴射率閾値（Ｑ_{ｓｗｉｔｃｈ}）は、前記第１の開弁段階（段階１）中に到達する噴射率が、前記噴射装置のピーク噴射率の約６０％未満となるように選択される、請求項３に記載の方法。
5. 前記所定の噴射率閾値（Ｑ_{ｓｗｉｔｃｈ}）は、前記第１の開弁段階（段階１）中に到達する噴射率が、前記噴射装置のピーク噴射率の３０％と６０％の間となるように選択される、請求項３に記載の方法。
6. 前記所定の噴射率閾値（Ｑ_{ｓｗｉｔｃｈ}）は、前記第１の開弁段階（段階１）中に到達する噴射率が、前記噴射装置のピーク噴射率の約５０％となるように選択される、請求項５に記載の方法。
7. 前記噴射率閾値が、前記燃料噴射装置に供給される燃料の圧力の関数として選択される、請求項３から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記圧電アクチュエータが、噴射するために放電する燃料噴射装置内で用いるように適合される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 実行環境において実行されるとき、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実施するように動作可能なコンピュータプログラムソフトウェアを有する、コンピュータプログラム製品。
10. 請求項９に記載の前記コンピュータプログラムソフトウェアを記憶したデータ記憶媒体。
11. 請求項１０に記載のデータ記憶媒体を格納したコントローラ。

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