JP2007024044A - 噴射弁の作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾアクチュエータの経年劣化の出現をできるだけ低減させる方法を提供すること。
【解決手段】電圧が２つの噴射の間で保持電圧よりも低い電圧まで低減され、さらに電圧変化のグラジエントが減少され、それによって圧電アクチュエータの長さ変化が結合素子によって補償されるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、噴射弁、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁の作動のための方法であって、前記噴射弁は圧電アクチュエータを含み、該圧電アクチュエータは結合素子を介してバルブニードルに接続されており、前記圧電アクチュエータには当該圧電アクチュエータの長さの伸張状態ないし縮小状態を生じさせる電圧が印加され、噴射弁が遮断された状態では保持電圧が印加される、噴射弁の作動のための方法に関する。また本発明は、噴射弁、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁の作動のための制御装置であって、前記噴射弁は圧電アクチュエータを含み、該圧電アクチュエータは結合素子を介してバルブニードル（１３）に接続されており、前記圧電アクチュエータには当該圧電アクチュエータの長さの伸張状態ないし縮小状態を生じさせる電圧が印加され、噴射弁が遮断された状態では保持電圧が印加される、噴射弁の作動のための制御装置に関する。また本発明は、噴射弁、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁であって、前記噴射弁は圧電アクチュエータを含み、該圧電アクチュエータは結合素子を介してバルブニードルに接続されており、前記圧電アクチュエータには当該圧電アクチュエータの長さの伸張状態ないし縮小状態を生じさせる電圧が印加可能であり、噴射弁が遮断された状態では保持電圧が印加される、噴射弁に関している。

調整器としてピエゾアクチュエータを備えた近来の噴射装置（インジェクタ）のもとではいわゆる引込法（ziehende Verfahren）が頻繁に用いられている。このことはアクチュエータが噴射弁の静止状態においては継続的に通電されかつ燃料噴射にならないと放電されないことを意味する。この継続的通電期間において生じ得る問題は、アクチュエータのストローク量減少に結び付く経年劣化の影響である。ピエゾアクチュエータの生じ得る長さ変化の補正のために、バルブニードルとピエゾアクチュエータの間に大抵は油圧式の補償部材を設けることが公知である。

この種の噴射弁としては例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE 10 2004 046080 号明細書に記載のものが公知である。
ドイツ連邦共和国特許出願 DE 10 2004 046080 号明細書

引込法によるピエゾアクチュエータの継続的通電はピエゾアクチュエータの経年劣化、例えば継続的長さ変化に結び付く。それゆえに本発明の課題は、ピエゾアクチュエータの経年劣化の出現をできるだけ低減させる方法を提供することである。

前記課題は本発明により、噴射弁、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁の作動のための方法であって、噴射弁が圧電アクチュエータを含み、該圧電アクチュエータは結合素子を介してバルブニードルに接続され、前記圧電アクチュエータには当該圧電アクチュエータの長さの伸張状態ないし縮小状態を生じさせる電圧が印加され、噴射弁が遮断された状態では保持電圧が印加されている形式の方法において、
電圧が２つの噴射の間で保持電圧よりも低い電圧まで低減され、さらに電圧変化のグラジエントが減少され、それによって圧電アクチュエータの長さ変化が結合素子によって補償されるようにして解決される。

この場合電圧変化のグラジエントは、燃料噴射の中断のために用いられるグラジエントよりも小さい。

保持電圧は、燃料噴射の中断後に再び噴射弁を遮断状態にもたらす正または負の電圧である。この電圧が印加された場合には、噴射弁は確実に閉じられる。結合素子は例えばばねや速度依存性の減衰器（粘性減衰）の並列回路として、一次近似において理想化されると理解されたい。緩慢な動きのもとでこの結合素子はバルブニードルを遮断し続ける運動を補償する。迅速な動きのもとでは補償は何も行われず、そのためバルブニードルは開いたままである。有利には電圧は、２つの噴射の間で約０ボルトまで低減される。それによってピエゾアクチュエータは無電流状態となり、そのため経年劣化の影響は実質的に回避可能となる。有利には電圧は次の燃料噴射の中断前に再び保持電圧まで引き上げられる。

有利には結合素子は油圧式カプラーである。この液圧式カプラーに対しては代替的に他の手段、例えば速度依存性の減衰器の並列回路として、非依存性の応力印加と共に当該システムの延長のためにバルブニードル結合素子ピエゾアクチュエータが用いられる解決手段が設けられる。

有利には電圧が次の噴射の中断前に、液圧式結合素子からの十分な媒体排出を保証するグラジエントによって保持電圧まで引き上げられる。この保持電圧までの電圧の引き上げは、ピエゾアクチュエータに長さの伸張状態ないし応力印加を生じさせる。これは結合素子とバルブニードルを介して噴射ノズルのケーシングまで伝達される。原則的にはバルブニードルはケーシングに対して押圧され、その際液圧式カプラーは圧縮される。この場合は液圧式カプラーからの媒体の流入速度に依存して多かれ少なかれ大きな応力が発生する。

また冒頭に述べた前記課題は本発明により、噴射弁、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁の作動のための制御装置であって、前記噴射弁は圧電アクチュエータを含み、該圧電アクチュエータは結合素子を介してバルブニードルに接続されており、前記圧電アクチュエータには当該圧電アクチュエータの長さの伸張状態ないし縮小状態を生じさせる電圧が印加され、噴射弁が遮断された状態では保持電圧が印加される形式の制御装置において、
前記電圧が２つの噴射の間で保持電圧よりも低い電圧まで低減され、さらに電圧変化のグラジエントが減少され、それによって圧電アクチュエータの長さ変化が実質的に結合素子によって補償されるようにして解決される。

さらに前記課題は本発明により、噴射弁、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁であって、前記噴射弁は圧電アクチュエータを含み、該圧電アクチュエータは結合素子を介してバルブニードルに接続されており、前記圧電アクチュエータには当該圧電アクチュエータの長さの伸張状態ないし縮小状態を生じさせる電圧が印加可能であり、噴射弁が遮断された状態では保持電圧が印加される形式の噴射弁において
前記電圧が２つの噴射の間で保持電圧よりも低い電圧まで低減可能であり、さらに電圧変化のグラジエントが減少され、それによって圧電アクチュエータの長さ変化が結合素子によって補償されるようにして解決される。ここで方向性に依存するデッド状態とは、結合素子が適正に高いグラジエントによって縮小可能であり、開放の際には比較的僅かなグラジエントによって緩慢に延長されることを意味する。それにより、次の燃料噴射の直前に比較的高いグラジエントでもってピエゾアクチュエータに印加される電圧を高めることが可能となる。

有利には前記結合素子は液圧式カプラーである。この場合さらに、前記液圧式カプラーは液圧式バルブを含み、該バルブを介して媒体が方向及び／又は圧力に依存してチャンバ内へ流入ないしはそこから流出可能である。このチャンバは、液圧式カプラー内部の容積であり、それに対してはピエゾアクチュエータ並びにバルブニードルが応力印加のもとで２つの対向的な圧力を及ぼし、媒体はそれによって当該チャンバから排出される。更に有利には、前記液圧式カプラーはスロットルを含み、該スロットルを介して媒体が方向及び／又は圧力に依存してチャンバ内へ流入ないしはそこから流出可能である。この媒体は有利には、噴射すべき燃料であり、例えばガソリン又は軽油などである。ここでの方向に依存するとは、一方ではバルブニードルの運動方向、そして他方では媒体の通流方向も含むものと理解されたい。また圧力に依存するとは、圧電素子によってバルブニードル若しくは周囲のケーシングに及ぼされる機械的な圧力も、噴射ノズルの媒体の雰囲気圧力も含まれるものと理解されたい。

以下では本発明による実施例を図面に基づき詳細に説明する。
図１には自動車の燃料噴射装置が示されており、この装置は制御機器１０と噴射弁１１を有している。この噴射弁１１は、ピエゾアクチュエータ１２を備えており、このピエゾアクチュエータ１２は制御機器１０によって制御されている。さらに噴射弁１１は、バルブニードル１３を有しており、このバルブニードル１３は当該噴射弁１１ケーシング内の弁座１４に載置可能である。

バルブニードル１３が弁座から引き上げられると、当該噴射弁１１は開放され、燃料が噴射される。図１ではこの状態が表されている。バルブニードル１３が弁座１４に載置されると、噴射弁１１は閉じられる。この閉成状態から開放状態への移行は、ピエゾアクチュエータ１２を用いて生じる。これに対しては圧電素子の長さ変化を引き起こし噴射弁１１の開閉に利用される電圧がアクチュエータ１２に印加される。噴射弁１１は液圧式カプラー１５を有している。この目的のために噴射弁１１の内部には結合素子ケーシング１６が存在しており、該ケーシング１６内では２つのピストン１７，１８が案内されている。ピストン１７は、アクチュエータ１２に接続され、ピストン１８はバルブニードル１３に接続されている。これらの２つのピストン１７，１８の間にはチャンバ１９が設けられており、該チャンバ１９は、アクチュエータ１２から生じた応力をバルブニードル１３へ伝達するためのピストン／シリンダシステムを形成している。

カプラー１５は所定の圧力下にある燃料によって取り囲まれている。またチャンバ１９容積も燃料で充たされている。２つのピストン１７，１８と結合素子ケーシング１６の間の案内スリットを介してチャンバ１９容積が長期に亘りそのつど存在するアクチュエータ１２の長さにマッチし得る。アクチュエータ１２の長さの短時間の変化のもとでは、チャンバ１９容積は変わらず、その長さもほとんど不変でアクチュエータ１２の長さの変化がバルブニードル１３に伝達される。２つのピストン１７，１８と結合素子ケーシング１６の間の案内スリットは１つのバルブを形成しており、このバルブは異なる通流方向で、あるいは結合素子ケーシング１６に対するピストン１７，１８の位置に応じて、異なる通流抵抗ないし通流係数を有している。例えば２つのピストン１７，１８と結合素子ケーシング１６の間の有効通流面積を変更するために、１つまたは２つのピストンが可変の溝底部深さを有する切欠きを有していてもよい。ピストン１７，１８相互の移動速度の設定は、例えば２つのピストン１７，１８と結合素子ケーシング１６の間の案内遊びによって行われてもよいし、方向に依存する通流係数を有する小さなスロットルによって行ってもよい。

噴射弁１１は、アクチュエータ１２が長期間に亘って不変のままヒステリシス特性曲線４０の任意の点に留まっている場合には、アクチュエータ１２の動作点に依存することなく常時閉成状態にある。噴射弁１１の開放は、比較的迅速なアクチュエータ１２の縮小によってヒステリシス特性曲線４０の当該ポイントから抜け出るようにして行われる。噴射弁１１の閉成は噴射開始前に存在していた動作点へのアクチュエータ１２の戻りによって達成する。

図２にはピエゾアクチュエータ１２に印加される電圧Ｕとその結果として生じるアクチュエータの長さ変化ないし縮小状態ｘとの間の関係が示されている。この関係はアクチュエータのヒステリシス特性曲線２０を表している。以下ではアクチュエータがヒステリシス特性曲線２０のゼロ点にあり、アクチュエータには何も電圧が印加されず、さらに当該アクチュエータは長さの伸張状態も、縮小状態も生じていないことを前提とする。さらにアクチュエータは目下の所正電圧の方向に極性付けられているものとする。

ここにおいてアクチュエータの電圧を負の方向に変化させると、その結果としてアクチュエータの縮小が引き起こされる。このことはヒステリシス特性曲線２０のブランチ２１からもたらされる。負の電圧−ＵＫに達すると（これはいわゆる保磁力に相応する）アクチュエータは極性変換を開始する。この負の電圧−ＵＫのもとでは、アクチュエータは自身の最大縮小状態−ｘ２となる。ここにおいてさらに電圧が前記保磁力に相当する負の電圧−ＵＫを下回ると、アクチュエータの長さは再び増加する。このことはヒステリシス特性曲線２０のブランチ２２から明らかにみてとれる。負の電圧−Ｕ１のもとでは、アクチュエータ自身の長さはその最大伸張状態ｘ１となる。さらにヒステリシス特性曲線２０のブランチ２２の経過はアクチュエータの極性の変換に結び付く。

ここにおいてアクチュエータに印加される電圧が再び正の方向に高められると、ヒステリシス特性曲線２０のブランチ２３が経過する。アクチュエータの長さはその伸張状態ｘ１から再び縮小状態−ｘ２に変化する。この最大縮小状態−ｘ２は、アクチュエータが正の電圧ＵＫの場合に有する。

電圧が正の電圧ＵＫを上回った後では、アクチュエータの新たな極性変換が行われ、それによって電圧のさらなる上昇のもとでブランチ２４が経過する。このブランチ２４は、正の電圧Ｕ１のもとで終了する。ここではアクチュエータはその最大伸張状態ｘ１となる。

ここにおいて再びアクチュエータに印加される電圧が低減されると、アクチュエータの長さの伸張状態も低減する。このことはヒステリシス特性曲線２０のブランチ２５からもたらされる。このブランチ２５は、ゼロ点領域において再びヒステリシス特性曲線２０のブランチ２１へ移行する。

図３には、ピエゾアクチュエータ１２の長さ状態ｘと、ピエゾアクチュエータ１２、液圧式カプラー１５並びにその先端まで含めたバルブニードル１３を含む構成モジュールの全長ｙが時間軸ｔに亘って示されている。この図３の上側のダイヤグラムでは、ピエゾアクチュエータ１２における電圧Ｕが時間軸ｔに亘って示されており、また下側のダイヤグラムでは、長さｘとｙが時間軸ｔに亘って相応に示されている。なおここでは本発明の実施例の説明をわかりやすく単純にするために１回の噴射サイクルのみに着目しており、ここでは正の電圧の場合の噴射サイクルが選択されている。しかしながら当該方法では、負の電圧（図２のヒステリシス特性曲線２０参照）のもとでも実行が可能である。この図３の下側のダイヤグラムでは、意図的に具体的な長さデータが省いてある。というのもここでは本発明にとってｘとｙの値の相対的な長さ変化が重要だからである。

例示的にここでは、予噴射（ＶＥ）、主噴射（ＨＥ）、後噴射（ＮＥ）からなる１つの噴射サイクルから出発するものとする。図３上側のダイヤグラムからも明らかなように、電圧＋Ｕ１（若しくは−Ｕ１）はそれぞれ予噴射、主噴射、後噴射毎に０ボルトまで低減する。それにより、ピエゾアクチュエータ１２の相応の縮小が生じる。図３の下側のダイヤグラムでは図２の表示と同じように、特性曲線ｘに対して例示的に値ｘ１と値０が与えられている。液圧式カプラー１５はそのように迅速な長さ変化を補償できないので、この領域における特性曲線ｙは特性曲線ｘに相応している。後噴射が中断した後では、時点ｔＡとｔＥの間で電圧Ｕが僅かなグラジエントを伴って０ボルトまで低減される。ここではこの０ボルトに代えて０ボルトから＋/−Ｕボルトの間の値が選択されてもよい。図３の下側のダイヤグラムからも明らかなように、ピエゾアクチュエータ１２の長さｘは当該の電圧低下に追従している。なお遅延時間等はこの図３のダイヤグラムにおいては考慮していない。ここでは当該の僅かなグラジエントｄｘ/ｄｔによって液圧式カプラー１５が長さ変化を補償できる状態におかれている。このことは特に、時点ｔＡとｔＥの間で長さｙが全く変化しないかほんの僅かだけしか変化していないことで表されている。つまりこの場合噴射弁１１は、閉じられたままである。次の噴射サイクルの前に電圧Ｕは再び＋Ｕ１（若しくは−Ｕ１）まで引き上げられ、その場合は媒体が液圧式カプラー１５から排出される。それにより図３に示されている時点ｔ＝０の初期状態が再び達成される。この場合に電圧Ｕを高めることのできるグラジエントは、噴射弁１１の機械的な負荷耐性と液圧式カプラー１５の剛性に依存する。液圧式カプラー１５からの媒体の排出は、ケーシングに当接されるバルブニードル１３の応力負荷によって行われる。

図４には、本発明による方法がフローチャートで表されている。この本発明による方法は、１つの噴射サイクルが終了した時点のステップ１０１で開始され、それに伴って比較的長い時間（詳細には次の噴射サイクルまでの約７２０°のクランク軸角度）が経過する。さらにステップ１０２では電圧Ｕが緩いグラジエントを伴って前述したように０ボルトまで低減する。次の噴射サイクルの直前（このことは例えばステップ１０３においてクランク軸角度に基づいて確定されるか、あるいは２つの噴射サイクルの間の既知の回転数のもとで経過した時間に基づいて確定され得る）では、ステップ１０４において電圧が再び値Ｕ１まで引き上げられ、噴射サイクル１０５に続けられる。その後では当該方法がステップ１０１において再び新たに開始される。

特に有意義な点は、これまでに述べてきた当該方法の実現が、当該方法の実施に適したコンピュータプログラムの形態で実施できることである。このコンピュータプログラムは記憶媒体上に記憶させてもよい。その場合にはこの記憶媒体自身を制御機器内に含ませることが可能である。

ピエゾアクチュエータを有する噴射弁を備えた自動車の燃料噴射装置を概略的に表した図 二重の極性変換のもとでのピエゾアクチュエータのヒステリシス特性曲線を概略的に表した図 ピエゾアクチュエータにおける電圧／長さ変化の時間に関するダイヤグラム 本発明のフローチャートを表した図

符号の説明

１０ 制御機器
１１ 噴射弁
１２ ピエゾアクチュエータ
１３ バルブニードル
１４ 弁座
１５ 結合素子（カプラー）
１６ 結合素子ケーシング
１７ ピストン
１８ ピストン
１９ チャンバ

Claims (10)

1. 噴射弁（１１）、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁の作動のための方法であって、
   前記噴射弁（１１）は圧電アクチュエータ（１２）を含み、該圧電アクチュエータ（１２）は結合素子（１５）を介してバルブニードル（１３）に接続されており、
   前記圧電アクチュエータ（１２）には当該圧電アクチュエータ（１２）の長さの伸張状態ないし縮小状態（ｘ）を生じさせる電圧（Ｕ）が印加され、噴射弁（１１）が遮断された状態では保持電圧（＋−Ｕ１）が印加される形式の方法において、
   前記電圧（Ｕ）が２つの噴射の間で保持電圧（＋−Ｕ１）よりも低い電圧（Ｕ）まで低減され、
   さらに電圧変化のグラジエント（ｄＵ／ｄｔ）が減少され、それによって圧電アクチュエータ（１２）の長さ変化が結合素子（１５）によって補償されるようにしたことを特徴とする方法。
2. 電圧（Ｕ）が２つの噴射の間でほぼ０ボルトまで低減される、請求項１記載の方法。
3. 電圧（Ｕ）が次の噴射の中断前に保持電圧（＋−Ｕ１）まで引き上げられる、請求項１または２記載の方法。
4. 速度に依存した剛性を備えた前記結合素子は液圧式カプラー（１５）である、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 電圧（Ｕ)が次の噴射の中断前に、液圧式カプラー（１５）からの十分な媒体排出を保証するグラジエント（ｄＵ／ｄｔ）によって保持電圧（＋−Ｕ１）まで引き上げられる、請求項４記載の方法。
6. 噴射弁（１１）、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁の作動のための制御装置であって、
   前記噴射弁（１１）は圧電アクチュエータ（１２）を含み、該圧電アクチュエータ（１２）は結合素子（１５）を介してバルブニードル（１３）に接続されており、
   前記圧電アクチュエータ（１２）には当該圧電アクチュエータ（１２）の長さの伸張状態ないし縮小状態（ｘ）を生じさせる電圧（Ｕ）が印加され、噴射弁（１１）が遮断された状態では保持電圧（＋−Ｕ１）が印加される形式の制御装置において、
   前記電圧（Ｕ）が２つの噴射の間で保持電圧（＋−Ｕ１）よりも低い電圧（Ｕ）まで低減され、
   さらに電圧変化のグラジエント（ｄＵ／ｄｔ）が減少され、それによって圧電アクチュエータ（１２）の長さ変化が実質的に結合素子（１５）によって補償されるようにしたことを特徴とする制御装置。
7. 噴射弁（１１）、特に内燃機関の燃料噴射装置の噴射弁であって、
   前記噴射弁（１１）は圧電アクチュエータ（１２）を含み、該圧電アクチュエータ（１２）は結合素子（１５）を介してバルブニードル（１３）に接続されており、
   前記圧電アクチュエータ（１２）には当該圧電アクチュエータ（１２）の長さの伸張状態ないし縮小状態（ｘ）を生じさせる電圧（Ｕ）が印加可能であり、噴射弁（１１）が遮断された状態では保持電圧（＋−Ｕ１）が印加される形式の噴射弁において、
   前記電圧（Ｕ）が２つの噴射の間で保持電圧（＋−Ｕ１）よりも低い電圧（Ｕ）まで低減可能であり、
   さらに電圧変化のグラジエント（ｄＵ／ｄｔ）が減少され、それによって圧電アクチュエータ（１２）の長さ変化が結合素子（１５）によって補償されるようにしたことを特徴とする噴射弁。
8. 前記結合素子は液圧式カプラー（１５）である、請求項７記載の噴射弁。
9. 前記液圧式カプラー（１５）は液圧式バルブを含み、該バルブを介して媒体が方向及び／又は圧力に依存してチャンバ（１９）内へ流入ないしはそこから流出可能である、請求項７または８記載の噴射弁。
10. 前記液圧式カプラー（１５）はスロットルを含み、該スロットルを介して媒体が方向及び／又は圧力に依存してチャンバ（１９）内へ流入ないしはそこから流出可能である、請求項８または９記載の噴射弁。

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