JP2004518884A - ピエゾアクチュエータを制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃焼室への燃料噴射を弁を介して制御するピエゾアクチュエータの制御方法であって、内燃機関の動作状況を検出し、ピエゾアクチュエータで検出される電圧の時間的な導関数をこの動作状況に依存して選択する。さらに燃料噴射システムを制御する制御装置を提案する。この制御装置でピエゾ素子は、ピエゾアクチュエータで検出される電圧の導関数が内燃機関の動作状況に合うように制御される。さらに、相応に制御される少なくとも１つのピエゾアクチュエータを有する燃料噴射システムを提案する。

Description

【０００１】
従来技術
本発明は、電流が印加されることによって自身の長さを変えるピエゾアクチュエータを電気的に充放電する方法ないし制御装置ないし燃料噴射システムに基づく。ＤＥ１９９２１４５６から、充電過程ないしは放電過程のあいだで、ピエゾアクチュエータに印加されている電圧の時間的な導関数を変えるこの種の方法が既に公知である。
【０００２】
発明の利点
独立請求項の特徴部分の構成を有する本発明の方法ないし本発明の装置は従来技術に対して、ちょうど次のような動作状況において噴射システムのノイズの発生を低減させることができるという利点を有する。すなわち使用されているピエゾアクチュエータを制御することによってノイズの発生が顕著に影響される動作状況である。さらに、重要な利点はとりわけコモンレール噴射システムの場合（詳細にはレール圧力が高い場合）、システム性能、すなわち時間的な制御の精度並びに噴射量の調量が影響されずに保たれるということである。これは内燃機関の回転数が高いかまたは負荷が高いときにちょうど、時間的な制御並びに調量精度に関する満たされるべき許容差を問題なく維持することができることを意味する。
【０００３】
従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載された方法ないし装置を有利に発展して構成すること、および改善することができる。
【０００４】
図面
本発明の実施例を図示し、以下の明細書でより詳細に説明する。
【０００５】
図１は２つの電圧時間ダイヤグラムであり、
図２はフローチャートであり、
図３はブロック回路図であり、
図４は別のブロック回路図である。
【０００６】
実施例の説明
図１ａには電圧と時間のダイヤグラムが示されている。これはピエゾアクチュエータでの時間的な電圧特性を示す。このピエゾアクチュエータは弁を介して、内燃機関の燃焼室への燃料噴射を制御する。基本的な２つの制御特性が示されている。第１の制御では、充電時間１のあいだに電圧Ｕが直線的に０から値ΔＵ１まで上昇する。この値は暫くのあいだ維持される（例えばΔＵ１は近似的に２００Ｖに等しい）。これに続く放電時間２ではピエゾアクチュエータに印加されている電圧は再び直線的に０まで下降する。第２の制御は中間レベルΔＵ２を有する（例えばΔＵ２は近似的に１００Ｖに等しい）。電圧はまずはじめに充電時間３のあいだにこの中間レベルまで上昇する。この電圧レベルに達した後、さらなる充電時間４のあいだに電圧は差分値ΔＵ３（例えばΔＵ３は近似的に１００Ｖに等しい）だけ上昇し、これに続いてはじめて２つの段階で放電時間５および６内で再び値０まで下降する。図１ｂには同じ電圧レベルΔＵ１ないしΔＵ２を有する、類似した電圧特性が示されている。しかし充電時間ないし放電時間７、８、９、１１、１２および１３は、図１ａの充電時間ないし放電時間１〜６よりも長い。従って充電時間ないし放電時間における電圧特性の時間的な導関数の値は、図１ａより小さい。基本的には多角形状の特性から表される任意の制御特性が可能であり、前述の説明は相応に転用可能である。
【０００７】
ピエゾアクチュエータを有する噴射システムでは通常、ノズルニードルの動きを制御する制御弁は直接的に制御されるのではなく、液圧式カップラーを介して制御される。これは例えばドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１９７３２８０２に記載されている。このようなカップラーは主に２つの機能を有する。すなわちピエゾアクチュエータのストロークを増幅することと、制御弁をアクチュエータの静的な熱膨張から分離させることである。制御弁を正確に位置付けるのに、ひいては所望の噴射を実現するのに必要な制御電圧は通常、燃料圧力（コモンレールシステムの場合は燃料のレール圧力）に強く依存する。これは、弁の切り換え方向（Ｓｃｈａｌｔｒｉｃｈｔｕｎｇ）に応じて制御弁がレール圧力と反対方向にないしはレール圧力と同じ方向に動作するということから明らかである。制御電圧Ｕの時間的な導関数は通常、充電時間ないし放電時間が機械的なシステムの時定数とちょうど相応するように選択される。このような場合、システムの振動励起は最小化される。しかし様々な理由から、充電時間ないしは放電時間をできるだけ短く維持するのが望ましい。とりわけレール圧力が高い場合に重要である非常に少ない噴射量を供給するため、できるだけ短い制御持続時間を実現するために望ましい。他方でノイズの発生は、電圧特性の勾配ないしは時間的な導関数とともに顕著に増大する。なぜならアクチュエータの高速運動に基づいて制御弁も相応の速度で運動するからである。このような作用は内燃機関の特定の動作モードで妨害になる。この脈絡で「動作状況」という名称はピエゾアクチュエータの制御のあいだの特定の期間ではなく、一般的に複数の噴射サイクルを越えて存在する動作状態（例えば低い負荷と低い回転数によって特徴付けられるアイドリング）を示す。図１ａでの制御は、負荷がかかった通常の走行駆動等で使用されるべきであり、動作状況「アイドリング」ではより滑らかな制御勾配を有する図１ｂの制御が選択されるべきであり、噴射システムの制御が原因であるノイズが他の車両ノイズに比べて顕著に目立つときにちょうどノイズ発生が減少する。
【０００８】
図２にはコモンレールインジェクタ等において、ディーゼルエンジンの燃焼室へのディーゼル燃料の噴射を制御するピエゾアクチュエータを制御する方法の経過が示される。エンジンないしは噴射システムのスイッチオン１０の後、まずはじめに問い合わせ部２０で充電／放電過程が要求されているか否かが問い合わされる。そうである場合、エンジンの動作状態が検出される（ステップ３０）。エンジンの動作状態は、内燃機関の回転数および／または負荷によって、および／または噴射システムの燃料圧力によって特徴付けられる。他の特徴付ける量は、ピエゾアクチュエータの温度、燃料の温度または他の特性データであってもよい。これに続くステップ４０では、充電／放電時間にピエゾアクチュエータに印加される電圧の時間勾配の目標値が、内燃機関の動作状態に依存して検出される。ここでこの勾配目標値は、次のように設定される。すなわち噴射システムの機能性を保持して、噴射システムの機械的な構成要素の運動に基づくノイズ発生が最小化されるように設定される。ここで負荷モーメントの回転数に対する所定の閾値および／またはレール圧力に対する所定の閾値（例えば回転数は毎分２０００回転を下回り、負荷は最大負荷の１０％より低く、レール圧力は５００ｂａｒを下回る）に達すると、「通常の動作」から勾配目標値が滑らかに移行する。これによって前述の閾値の下方では印加される電圧の時間勾配は連続的により低い値に移行する。ここで充電時間ないし放電時間は典型的に（例えば最大負荷の５０％の場合）８０μｓ〜１００μｓの範囲で動く。また閾値の下方では１００μｓ〜１５０μｓの値をとる。これに続く問い合わせ部５０で、スイッチオン後の噴射システムの第１の要求のことであるか否かが検査される。そうである場合、駆動部に対する駆動信号が計算される。ここでこの駆動部は、ピエゾアクチュエータに印加することができる充電／放電手段を制御する。駆動信号はここで次のように計算される。すなわち時間勾配の検出された目標値ないしは印加されるべき電圧の充電／放電時間の検出された目標値を達成するために、充分な電流がピエゾアクチュエータに供給されるように計算される。さらなるステップ８０では、充電／放電手段を制御する駆動部の制御が、ピエゾアクチュエータでの電圧に対する得られるべき最終値に達するまで行われる。さらなるステップ９０では、ピエゾアクチュエータを目標とされる電圧まで充電ないし放電するのに必要であった時間の実際値が検出される。引き続き問い合わせ部２０に戻る。
【０００９】
問い合わせ部５０で結果が「いいえ」であった場合、ステップ６０で制御偏差、すなわち充放電に必要な時間の最終的な実際値と、計算された目標値との差が検出され、続くステップ７０で、ピエゾアクチュエータの次の充放電に対する駆動信号を計算する時に考慮される。
【００１０】
（前述の閾値によって特徴付けられるような）アイドリング等の所定の動作点においてのみ制御を変えることは完全に十分である。なぜならこのような動作点においてのみ、インジェクタによって見せかけられる、制御に基づくノイズが、駆動関連装置のノイズ全体に対して顕著な影響を及ぼすからである。これに対して部分負荷動作または全負荷動作でノイズ全体は、内燃機関のノイズによってはるかに制圧されている。ここで本発明は、制御勾配ないし充電／放電時間を従来のように電圧に依存してのみ変化させて、充電時間ないしは放電時間をシステム時間の領域で一定に実現するのではなく、特定の動作状況（すなわちとりわけアイドリング）においてより滑らかな勾配に切り換えるという着想に基づく。ここでノイズ発生を顕著に減少させることができる。とりわけアイドリング時にはレール圧力も比較的低いので、より長い充電時間ないし放電時間でも非常に少ない噴射量を実現することができ、噴射量に関する保持されるべき狭い許容差が保証される。勾配ないし時間目標値が通常の動作とアイドリング動作とのあいだで滑らかに移行すること択一的に、１つまたは複数の前述の閾値が所定の値を下回るとすぐに、より小さい勾配へ急峻に切りかわってもよい。
【００１１】
図３には、駆動部１２０および充電／放電手段１１０と接続された制御装置２００が示されている。この制御装置はコントロールユニット１５０を有する。このコントロールユニットに内燃機関の動作状態量２１０が供給される。このような動作状態量とは、回転数、負荷モーメント、レール圧力および／またはピエゾアクチュエータの温度および／または燃料の温度および／または他のパラメータのことである。コントロールユニット１５０は充電／放電時間に対する目標値ないしは充電／放電勾配に対する目標値を決め、これらを論理回路１３０に伝達する。論理回路１３０は実際値検出ユニット１４０と接続されている。この実際値検出ユニットは図３に示されているように、制御装置内に一体化されているかまたは別個に、例えば充電／放電手段１１０のすぐ傍に配置される。実際値検出ユニット１４０は充電／放電手段１１０と接続される。線路２２０を介して、論理回路１３０は詳細には図示されていない上位のエンジン制御装置から要求信号を受け取る。論理回路１３０は駆動部１２０と接続され、この駆動部は同じように充電／放電手段１１０と接続される。この充電／放電手段は時間に依存して、ピエゾアクチュエータ１００に電圧を印加するのに用いられる。
【００１２】
充電／放電時間に対する目標値は、量である回転数、負荷およびレール圧力の大きさを考慮してコントロールユニット１５０において決められる。このコントロールユニットは検出された値を論理回路１３０に転送する。この論路回路１３０は必要な場合に、信号線路２２０を介して、実際値検出ユニット１４０によって測定された充電／放電時間ないしは充電／放電勾配の実際値を考慮して、駆動信号を計算する。論理回路１３０はこの駆動信号を駆動部１２０に転送する。駆動部は充電／放電時間１１０を相応に制御し、ピエゾアクチュエータ１００で得られるべき電圧勾配が実現される。
【００１３】
充放電フェーズにおける制御勾配を制御するために、択一的に他の量を回転数負荷および／またはレール圧力として内燃機関および／または噴射システムの動作状態を検出するのに用いることができる。
【００１４】
図４には、論理回路１３０の構成要素１３１がブロック回路図で示されている。線路２５０ないしは２６０を介して加算点２５５に実際値検出ユニット１４０によって検出された実際値ないしはコントロールユニット１５０によって計算された目標値が供給される。この加算点は制御偏差、すなわち目標値と実際置との差を計算し、この差をＰＩ制御部２７０、すなわちインテグレータと並列に接続された比例増幅器に供給する。ＰＩ制御部２７０の出力側は第２の加算点２７５と接続される。この加算点はＰＩ制御部の出力値とコントロールユニット１５０からの目標値を加算する。線路２８０ないし２９０を介して、計算されるべき充放電過程の前の電圧レベルないし計算されるべき充放電過程の後の電圧レベルが第３の加算点２８５に供給される。この加算点はそれらの差を計算し、これを乗算器２９５に供給する。この乗算器は同じようにこの差と、線路３００を介して供給されたピエゾアクチュエータの容量の値とから、充放電過程に必要な充電量を計算する。除算器３０５は乗算器２９５から得られた電気的な充電の値を、加算点２７５から得られた充電時間ないし放電時間の値で除算する。これによって除算器３０５の出力側３１０でピエゾアクチュエータでの充放電過程に必要な電流値に関する情報が検出される。除算器３０５の出力側３１０はここで駆動部１２０と接続され、これは充電／放電手段１１０（図３を参照）を制御するのに使用される。線路２８０、２９０および３００は１つまたは複数の記憶素子と接続される。この記憶素子には、呼び出し可能な電圧値ないしは容量値がファイルされるかまたは別の、詳細には図示されていない回路ユニットと接続される。この回路ユニットは制御要求ないしは回路状態に応じて電圧値ないしは容量値を新たに検出、ないし定める。
【００１５】
構成部分１３１は、図２に示されたステップ６０および７０を実現する。充電時間ないし放電時間はＰＩ制御部を介して制御される。ここで橋渡しされるべき電圧レベルの差とアクチュエータの容量とを介して付属する充電電流ないし放電電流が決められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
２つの電圧時間ダイヤグラムである。
【図２】
フローチャートである。
【図３】
ブロック回路図である。
【図４】
別のブロック回路図である。

Claims (15)

1. 内燃機関の燃焼室への燃料噴射を弁を介して制御するピエゾアクチュエータを制御する方法であって、
   電流が印加されることで自身の長さを変化させる前記ピエゾアクチュエータが少なくとも部分的に充電ないし放電される形式の方法において、
   内燃機関の動作状況を検出し（３０）、
   ピエゾアクチュエータ（１００）で検出される、充電時間／放電時間のあいだの電圧の時間的な導関数を前記動作状況に依存して選択する、
   ことを特徴とする、ピエゾアクチュエータを制御する方法。
2. 前記動作状況を内燃機関の回転数および／または負荷によって、および／または内燃機関の噴射システムにおける燃料圧力によって定める、請求項１記載の方法。
3. 前記噴射システムはコモンレールシステムであり、前記燃料圧力はコモンレールシステムのレール内での燃料の圧力である、請求項２記載の方法。
4. 低い回転数および／または低い負荷および／または低い燃料圧力を有する動作状況における時間的な導関数を、より高い回転数ないしはより高い負荷ないしはより高い燃料圧力を有する動作状況における時間的な導関数に比べて小さくする、請求項２または３記載の方法。
5. 内燃機関のアイドリングのあいだ、前記時間的な導関数を小さくする、請求項４記載の方法。
6. 充電ないし放電のあいだに前記ピエゾアクチュエータに印加される電流の値を、得られるべき時間的な導関数に応じて調整する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記内燃機関はディーゼル内燃機関である、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 内燃機関の燃焼室への燃料噴射を弁を介して制御する少なくとも１つのピエゾアクチュエータを有する燃料噴射システムを制御する制御装置であって、
   電流が印加されることによって自身の長さを変化させる前記ピエゾアクチュエータは少なくとも部分的に充電ないしは放電可能である形式の装置において、
   内燃機関の動作状況を検出するコントロールユニット（１５０）が設けられており、
   前記ピエゾアクチュエータ（１００）で検出可能な、充電時間／放電時間のあいだの電圧の時間的な導関数を前記動作状況に依存して選択する、
   ことを特徴とする、制御装置。
9. 前記動作状況は内燃機関の回転数および／または負荷によって、および／または内燃機関の噴射システムにおける燃料圧力によって定められる、請求項８記載の制御装置。
10. 前記燃料圧力は内燃機関のコモンレールシステムのレール内の燃料の圧力によって形成される、請求項９記載の制御装置。
11. 前記コントロールユニットは、回転数が低い場合および／または負荷が低い場合および／または燃料圧力が低い場合に、より高い回転数ないしより高い負荷ないしより高い燃料圧力を有する動作状況と比べて時間的な導関数を小さくする、請求項９または１０記載の制御装置。
12. 内燃機関のアイドリングのあいだ前記時間的な導関数が小さくされる、請求項１１記載の制御装置。
13. 充電ないし放電のあいだに前記ピエゾアクチュエータに印加される電流の値が、得られるべき時間的な導関数に応じて調整される、請求項８から１２までのいずれか１項記載の制御装置。
14. 前記内燃機関はディーゼル内燃機関である、請求項８から１３までのいずれか１項記載の制御装置。
15. 内燃機関の燃焼室への燃料噴射を弁を介して制御する少なくとも１つのピエゾアクチュエータを有する燃料噴射システムであって、
    電流が印加されることによって自身の長さを変化させる当該ピエゾアクチュエータは少なくとも部分的に充電ないし放電可能である形式のシステムにおいて、
    内燃機関の動作状況を検出するコントロールユニットが設けられていて、
    ピエゾアクチュエータ（１００）で検出される、充電時間／放電時間のあいだの電圧の時間的な導関数を前記動作状況に依存して選択する、
    ことを特徴とする、燃料噴射システム。

Images