JP2005172002A - 噴射弁のピエゾアクチュエータのための駆動制御電圧を求める方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射弁のピエゾアクチュエータのための駆動制御電圧を求める方法を発展させ、内燃機関の各インジェクタに対して所要電圧を個別に、インジェクタのドリフトないしは経年変化状態に相応して求め、必要な場合にはこの所要電圧を適合して、インジェクタを常に安定的な状態で作動させることができるようにすることである。
【解決手段】前記課題は、該ピエゾアクチュエータの充電後に発生した最大の第１の電圧と、該ピエゾアクチュエータの放電直前に発生した一定の第２の電圧とを、そのつど同じ時間間隔で該ピエゾアクチュエータに印加された異なる充電電流で検出し、該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を評価して、該ピエゾアクチュエータの所要電圧を推定することによって解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は、噴射弁のピエゾアクチュエータのための駆動制御電圧を求めるための、独立請求項１の上位概念による方法と、噴射弁のピエゾアクチュエータのための駆動制御電圧を求めるための、独立請求項１０の上位概念による装置に関する。

たとえばＤＥ１００３２０２２Ａ１から、上位概念の形式の噴射弁のピエゾアクチュエータのための駆動制御電圧を求める方法が公知である。この方法では噴射プロセス後に、ハイドロリックカプラ内の圧力に相応するパラメータを測定し、このパラメータによって所定のアルゴリズムを使用して、ピエゾアクチュエータの駆動制御電圧の値を求める。

ピエゾアクチュエータを有する噴射弁、いわゆるインジェクタでは、製造時に非常に狭い公差を守らなければならない。というのも、高い生産量を達成し、インジェクタの安定した特性を寿命全体にわたって保証しなければならないからだ。狭い公差が必要である理由はとりわけ、インジェクタの特性を監視するためのセンサによってコストが上昇するのを防ぐためである。製造時に公差が非常に狭くなるのを回避し、ひいては製造コストが高くなるのを回避できるようにするため、インジェクタのドリフト特性を最小にすることが公知である。このドリフト特性はたとえば、温度が変化した場合、圧電セラミックスの摩耗、疲労または経年変化によって切替鎖（Schaltkette）における力の比が変化した場合に発生する。この前提となっているのは、インジェクタパラメータが変化することによって噴射量に及ぼされる影響が少ない、可能な限り安定的な動作点でインジェクタを作動させることである。このような安定的な動作点を見つけるために、インジェクタを最終検査の枠内で、増加する電圧によって作動させ、どのような電圧で噴射を開始するかを検出する。この電圧にはオフセットが加えられ、このようにして求められた値がインジェクタの所要電圧として定義される。別の手段は、量ドリフトを予め推定し、制御装置にて補正特性曲線を介して少なくとも部分的に補償する手段である。

しかし予め定義された特性曲線による補償は、多気筒内燃機関に設けられた個々のインジェクタが異なってドリフトし、センサの欠落によってこのことが検出されず、制御装置にて考慮されない場合に、限界に達してしまう。さらに所要電圧を求める公知の方法によって、弁閉鎖部材が第２の弁座に到達完了する電圧を検出することができない。しかし、この電圧を知ることは、安定的な動作点の前提条件である。
ＤＥ１００３２０２２Ａ１

したがって本発明の課題は、冒頭に記載された形式の噴射弁のピエゾアクチュエータのための駆動制御電圧を求める方法を発展させ、内燃機関の各インジェクタに対して所要電圧を個別に、インジェクタのドリフトないしは経年変化状態に相応して求め、必要な場合にはこの所要電圧を適合して、インジェクタを常に安定的な状態で作動させることができるようにすることである。こうすることによってとりわけ、インジェクタにおいてピエゾアクチュエータがハイドロリックカプラに対して作用させるストロークまたは力が、たとえば経年変化によって変化したか否かを作動中に識別し、たとえばストロークの縮小および力の低下を、ピエゾアクチュエータに印加される電圧の上昇によって補償できるようにしなければならない。

前記課題は、該ピエゾアクチュエータの充電後に発生した最大の第１の電圧と、該ピエゾアクチュエータの放電直前に発生した一定の第２の電圧とを、そのつど同じ時間間隔で該ピエゾアクチュエータに印加された異なる充電電流で検出し、該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を評価して、該ピエゾアクチュエータの所要電圧を推定することによって解決される。

本発明の基本思想は、圧電セラミックス自体をセンサとして使用することである。こうすることによって付加的なセンサは必要なくなり、付加的なセンサのためのコストは発生しない。こうするため、ピエゾアクチュエータの充電後に発生した最大の第１の電圧と、該ピエゾアクチュエータの放電直前に発生した第２の電圧とを、その都度同じ時間間隔でピエゾアクチュエータに加えられた異なる充電電圧で検出し、第２の電圧と第１の電圧との関連性を評価し、この関連性からピエゾアクチュエータの所要電圧ひいては閉鎖部材の位置を推定する。その際にはとりわけ、弁閉鎖部材が第１の弁座から離れ第２の弁座に到達する時期に関する予測が行われる。

有利には、第２の電圧と第１の電圧との関連性を、第２の電圧と第１の電圧との間の関数関係に基づいて評価する。

この関数関係を求めるため、有利には所定の第１の電流から開始して、ピエゾアクチュエータに印加される電圧が段階的に減少され、第２の電圧と第１の電圧との関数関係が各電流ごとに求められて記憶される。第１の電圧後の第２の電圧の最初の微分および後続の微分から、すなわち、勾配、最大値、独立変数とされた第１の電圧と従属変数とされた第２の電圧との間の関数関係の最大値を求めることにより、ピエゾアクチュエータの所要電圧が推定される。

別の有利な実施形態では、ピエゾアクチュエータに印加される電圧を、第１の所定の値から出発して段階的に減少させ、第２の電圧と第１の電圧との間の関数関係を求める。この場合、関数関係の線形の領域が求められ、隣接する線形領域間の交点が求められる。この値が、ピエゾアクチュエータの所要電圧とされる。

別の有利な実施形態では、隣接する線形領域に対して平行に、所定の値だけシフトされた直線が形成され、この公差領域の交点が求められ、このようにして求められた第２の電圧の値がピエゾアクチュエータの所要電圧とされる。この場合、その都度求められた第２の電圧は駆動制御電圧として記憶され、ピエゾアクチュエータは、弁封鎖部材が第２の弁座に到達完了するこの駆動電圧によって、場合によってはこの駆動電圧にオフセットが加えられて作動する。所要電圧は前記のように個別に求められて監視されるので、上位の制御装置によって、個々のインジェクタの制御電圧が常に、その都度の経年変化状態に相応する所要電圧に適合されるように構成することができる。こうすることによって、インジェクタの噴射量ドリフトが寿命全体にわたって低減され、ピエゾアクチュエータとハイドロリックカプラと切替弁とから成る切替鎖における許容公差が大きくなる。こうすることによっても、製造時のコストが格段に削減される。

本発明の別の利点および構成が、本発明の実施例の以下の説明および図面に記載されている。

図１に概略的に示された噴射弁は、中央に孔を有し、上部にアジャスティングピストン３を有している。このアジャスティングピストン３はピエゾアクチュエータ２を有しており、該ピエゾアクチュエータ２に固定的に結合されている。アジャスティングピストン３は、上方に対してハイドロリックカプラ４を封止しており、下方に対しては、第１の弁座６への連通通路１２を有する開口が設けられており、閉鎖部材１２を有するピストン５が配置されている。この閉鎖部材１２は二重閉鎖式の制御弁として構成されており、アクチュエータ２が静止フェーズにある場合、第１の弁座６を封止する。アクチュエータ２の操作時、すなわち端子＋，−に駆動制御電圧Ｕを印加した場合、アクチュエータ２はアジャスティングピストン３を操作し、ハイドロリックカプラ５を介してピストン５を閉鎖部材１２とともに、第２の弁座７へ押進する。第２の弁座の下方には、相応の通路にニードル弁１１が配置されている。このニードル弁１１によって高圧通路（コモンレール圧）における吐出口１３が、どのような駆動電圧Ｕが印加されたかに応じて閉鎖または開放される。この高圧は被噴射媒体によって、吸入口９を介して供給される。前記被噴射媒体は、たとえば内燃機関では燃料である。吸入スロットル８および吐出スロットル１０を介して、ニードル弁１１およびハイドロリックカプラ４の方向に、供給される媒体の供給量が制御される。ハイドロリックカプラ４は、一方ではピストン５のストロークを増幅し、他方では制御弁をアクチュエータ２の静的な温度膨張から切り離すというタスクを有する。ピストンの再充填は、図１には示されていない。

次に、この噴射弁の動作を詳細に説明する。アクチュエータ２の各駆動制御時には、アジャスティングピストン３がハイドロリックカプラ４の方向に移動される。ここでは、ピストン５も閉鎖部材１２とともに、第２の弁座７へ移動される。リークギャップを介して、ハイドロリックカプラ４内に存在する媒体たとえば燃料の一部が押出される。したがって、２つの噴射の間にハイドロリックカプラ４を再充填して、該ハイドロリックカプラ４の機能の確実性を維持しなければならない。

供給通路９には高圧Ｐ_１が存在する。コモンレールシステムの場合、この高圧Ｐ_１はたとえば２００〜１８００バールの間である。この高圧はニードル弁１１に対して作用し、燃料が流出しないように該ニードル弁１１を閉鎖状態に維持する。ここで駆動制御電圧Ｕにしたがってアクチュエータ２が操作され、閉鎖部材１２が第２の弁座の方向に移動されると、高圧領域内の圧力は縮小し、ニードル弁１１は噴射通路を開放する。

ここで本発明の基本思想は、ピエゾアクチュエータ２自体をセンサとして使用し、噴射弁またはインジェクタ１の所要電圧を個別に求めることである。こうするため噴射弁１またはインジェクタに、その都度等しい充電時間で、異なる電流を印加し、ピエゾアクチュエータ２の充電後に発生した最大の第１の電圧Ｕ_ｍａｘと、該ピエゾアクチュエータ２の放電直前に発生した一定の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}とが、その都度等しい時間間隔で該ピエゾアクチュエータ２に印加される異なる充電電流Ｉで検出され、第１の電圧と第２の電圧との間の関係が連続的に記録される。ここで、ピエゾアクチュエータ２によって操作された弁閉鎖部材１２が完全に閉鎖されるかまたは完全に開放されている場合、すなわち、第１の弁座６または第２の弁座７に到達した場合、図３および図４に示された線形経過が得られる。この特性曲線は制御装置（図示されていない）に格納され、噴射弁１またはインジェクタの新品時の状態を表す。噴射弁１の作動時に検出された電圧Ｕ_ｍａｘ、Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}を評価し、格納された特性曲線と比較することによって、特性が新品時の状態に対して変化したか否かが検出される。すなわち、たとえばドリフトが存在するか否かが検出される。そうである場合、特性曲線は作動時に、内燃機関の負荷状態が一定であるとき、たとえばアイドリング時に電流を上記のように変化させることによって、改めて検出される。このようにして噴射弁１の所要電圧を、以下に記載されているように検出し、ピエゾアクチュエータ２を該ピエゾアクチュエータ２に対して最適な電圧によって作動させることができる。とりわけこうすることによって、経年変化および温度ドリフト等の作用を識別および補償することができ、このような悪影響を特性曲線によって、従来技術から公知であるように補償する必要はない。

本方法を以下で、図２〜４と関連して詳細に説明する。ここで利用されるのは、圧電セラミックスは長さ膨張に相応して電圧を誘導するという物理的作用である。この電圧が検出される。充電フェーズでは、電気的に容量として作用するピエゾアクチュエータ２に、異なる電流Ｉによって給電される（図２の最上部の図を参照されたい）。こうすることによって、電流が上昇すると電圧は上昇する（図２の中央の図を参照されたい）。圧電セラミックスの膨張は、印加される電界ひいては電圧に対しても近似的に比例しているので、ピエゾアクチュエータ２は膨張し、ピストン５および弁閉鎖部材１２から成る切替弁がハイドロリックカプラ４を介して移動される。噴射弁１の通常の作動時には、エネルギー上の理由から電流が遮断された後、ピストン５および弁閉鎖部材１２から成る切替弁は第２の弁座７に到達する。噴射弁１ひいてはピエゾアクチュエータ２が、固有速度とハイドロリックカプラ４内に蓄積された圧力エネルギーとによってさらに運動すると、圧電効果に基づいて、充電が一定の場合には電圧は低減する。このことは、電圧‐時間ダイアグラム（図２の中央の図）において、顕著な最大値を有する明確な折れ目として顕れている。この最大値が遮断電圧Ｕ_ｍａｘである。この電圧は、弁閉鎖部材１２が第２の弁座７にあるストッパに到達するまで低減される。ここでピエゾアクチュエータ２は、ピエゾアクチュエータ２とハイドロリックカプラ４と、ピストン５および弁閉鎖部材１２から構成された制御弁とから成る切替鎖の剛性に依存して、短い区間をさらに移動した後、ばね的に戻されて徐々に振動停止する。ばね的に戻されるということは、移動方向が逆になることを意味し、電圧特性曲線において顕著な最小値で示されている（図２の中央の図）。その後、電圧は一定のレベルに、プラトー電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}に安定する。Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}の高さはここでは、ピエゾアクチュエータ２の容量および充電に依存し、膨張ひいては実現された切替弁ストロークにも依存する。噴射弁またはインジェクタ１の所要電圧を求めるため、ピエゾアクチュエータ２は一定の充電時間で、まず低い電流によって作動される。ここでは、アクチュエータ２は小さいストロークだけを行い、切替弁１３は閉鎖されたままである。すなわち、切替弁１３は第１の弁座６に留まる。電圧Ｕ_ｍａｘおよびＵ_{Ｒｅｇｅｌ}が検出された後、電流Ｉが噴射サイクルごとに段階的に上昇され、連続的に第１の電圧または遮断電圧Ｕ_ｍａｘと、第２の電圧またはプラトー電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}とが記録される。図３に示されているように、特性曲線Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}‐Ｕ_ｍａｘは線形に上昇する。電流Ｉの所定の値に達すると、切替弁は開放され、弁閉鎖部材１２はここでは第１の弁座６から移動する。弁閉鎖部材１２が充電フェーズ時に移動し、同時にピエゾアクチュエータ２がストロークを行うと（図２、最下部の図）、第２の電圧またはプラトー電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}は圧電効果により低下し、特性曲線は落ち込み、最小値が形成される。電流が上昇すると、ピエゾアクチュエータ２の膨張は大きくなる。ピエゾアクチュエータ２に対する充電も上昇すると、Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}‐Ｕ_ｍａｘ特性曲線は再び上昇する。電流が上昇して弁閉鎖部材１２が第２の弁座７に到達すると、Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}‐Ｕ_ｍａｘ特性曲線は、弁が閉鎖されている場合と同様に再び線形となり、しかも勾配が大きくなる。ここでピエゾアクチュエータ２の所要電圧は、種々の手段で検出することができる。

第１の手段は、図４に示されているように、切替弁の閉鎖時（弁閉鎖部材１２は第１の弁座６に存在する）に線形の部分を延伸し、隣接する第２の線形の部分（切替弁は開放されている−弁閉鎖部材１２は第２の弁座７に存在する）の交点を求める手段である。Ｕ_ｍａｘにおけるダイアグラムＵ_{Ｒｅｇｅｌ}中の交点Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}がこの場合、ピエゾアクチュエータ２の所要電圧として記憶される。

別の手段は、いわゆる「公差帯域」を、特性曲線の第２の線形部分を中心として設け、前記の延伸された第１の線形部分と公差帯域との交点を求める手段である。前記公差帯域はすなわち、それぞれ比較的大きな値および比較的小さな値に対して平行に延在する直線である。前記交点が、所要電圧とされる。

別の手段は、Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}‐Ｕ_ｍａｘ特性曲線の最初の微分および後続の微分を形成し、隣接する線形領域の勾配の変化を検出し、異なる勾配の隣接する線形領域の交点に基づいて、所要電圧を推定する手段である。

特性曲線を検出するためには、電流のレベルを段階的に変化させる必要がある。このような変化を車両において作動中に行わなければならない場合、高い電流から開始してこの電流を減少させることが提案される。ピエゾアクチュエータ２の所要電圧が上記のように検出されれば、電流Ｉをさらに低減させる必要はない。というのも、第１の線形領域へ移行することによって弁閉鎖部材１２はもはや開放されず、噴射を行わなくなるからだ。すなわち、第１の弁座６にとどまるからだ。このことによって、機関の回転数は不所望に、格段に変化してしまうことがある。それに対して特性曲線を大きな電流から開始すると、車両の運転者が特性曲線の検出に関して何も気づくことはない。というのも、噴射量の変化は最小だからだ。

Ｕ_ｍａｘとＵ_{Ｒｅｇｅｌ}との間の関連性は、弁閉鎖部材１２が所定の最終状態に達した場合に線形である。すなわち、弁閉鎖部材１２が閉鎖状態にとどまっている場合つまり弁座６にとどまっている場合、または、弁閉鎖部材１２が完全に開放されている場合つまり第２の弁座７にて停止した場合に線形である。それに対して弁閉鎖部材１２が部分的にのみ開放されている場合、最終位置は決まっていない。このことは、Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}‐Ｕ_ｍａｘ特性曲線にて落ち込みとして示されている。したがってＵ_{Ｒｅｇｅｌ}‐Ｕ_ｍａｘ特性曲線からは結果として、安定的な作動に必要なピエゾアクチュエータ２の所要電圧が求められる。噴射弁１の終了テスト時に特性曲線を求めて制御装置に格納することによってさらに、新品時の状態とのずれを作動中に識別することができる。特性曲線を作動中に新たに形成することにより、各個別の噴射弁１のその時点の所要電圧を求め、経年変化現象によって変化した噴射弁１の開口および閉鎖の特性を識別できるだけでなく、これによって引き起こされた噴射不足も除去することができる。

噴射弁の構成の概略図である。 ピエゾアクチュエータに印加される充電電圧と、該ピエゾアクチュエータに印加される電圧と、これらによって引き起こされる切替弁ストロークとを、時間上にプロットして示した概略図である。 第１の電圧に対する第２の電圧の関数関係が、異なる充電電流で示されたダイアグラムに基づく所要電圧の検出の概略図である。 第１の電圧に対する第２の電圧の関数関係が、異なる充電電流で示されたダイアグラムに基づく所要電圧の検出の別の実施例の概略図である。

Claims (11)

1. 噴射弁（１）のピエゾアクチュエータ（２）のための駆動制御電圧を求める方法において、
   該ピエゾアクチュエータ（２）の充電後に発生した最大の第１の電圧（Ｕ_ｍａｘ）と、該ピエゾアクチュエータ（２）の放電直前に発生した一定の第２の電圧（Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}）とを、そのつど同じ時間間隔で該ピエゾアクチュエータ（２）に印加された異なる充電電流（Ｉ）で検出し、
   該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を評価して、該ピエゾアクチュエータ（２）の所要電圧を推定することを特徴とする方法。
2. 該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を、該第２の電圧と該第１の電圧との間の関数関係に基づいて評価する、請求項１記載の方法。
3. 所定の第１の電流から開始して、該ピエゾアクチュエータ（２）に印加される電流（Ｉ）を段階的に減少／上昇させ、
   該第２の電圧と該第１の電圧との間の関数関係を各電流ごとに検出および記憶し、
   該第１の電圧後の該第２の電圧の最初の微分および後続の微分から、該ピエゾアクチュエータ（２）の所要電圧を推定する、請求項２記載の方法。
4. 該ピエゾアクチュエータ（２）に印加される電流を、所定の第１の値から開始して段階的に減少／上昇させて、該第２の電圧と該第１の電圧との間の関数関係を求め、
   前記関数関係の線形領域を求め、
   隣接する２つの線形領域の交点を求め、この値を該ピエゾアクチュエータ（２）の所要電圧とする、請求項１または２記載の方法。
5. 隣接する線形領域に対して平行に、それぞれ所定の値だけシフトされた直線を形成し、この公差領域の交点を求め、
   第２の電圧‐第１の電圧ダイアグラムにて求められた第２の電圧の値を、該ピエゾアクチュエータ（２）の所要電圧とする、請求項４記載の方法。
6. 該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を、特性曲線の形態で制御装置に記憶する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記制御装置に記憶された特性を、所定の作動時間の経過後に、新たに検出された特性曲線と比較し、
   ずれがある場合には、噴射弁において変化があったことを推定する、請求項６記載の方法。
8. 噴射弁において変化が検出された場合、該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を、噴射弁の作動時に新たに求め、特性曲線を制御装置に記憶する、請求項７記載の方法。
9. 該第２の電圧と該第１の電圧との間の関係を、内燃機関の負荷状態が一定である場合、たとえば内燃機関のアイドリング時に検出する、請求項８記載の方法。
10. 噴射弁のピエゾアクチュエータ（２）のための駆動制御電圧を求める装置において、
    該ピエゾアクチュエータの充電後に発生した最大の第１の電圧（Ｕ_ｍａｘ）と、該ピエゾアクチュエータの放電直前に発生した一定の第２の電圧（Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}）とを、そのつど同じ時間間隔で該ピエゾアクチュエータ（２）に印加される異なる充電電流（Ｉ）で検出するためのセンサが設けられており、
    該第２の電圧と該第１の電圧との間の関連性を検出するための回路手段が設けられており、
    該ピエゾアクチュエータ（２）の所要電圧を前記関連性に基づいて求めるための評価手段が設けられていることを特徴とする装置。
11. 前記回路手段および前記評価手段は、制御装置（２０）の一部である、請求項１０記載の装置。

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