JP2008051106A - 圧電燃料インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料供給の変動を防止するインジェクタ駆動方法を提供する。
【解決手段】シリンダーに噴射される燃料量を制御するためのインジェクタ圧電アクチュエータの制御方法は、電圧／電荷対時間プロフィールに従って電圧を制御する。噴射開始のために要求されるレベルまで高電流で駆動され、次に低電流で駆動され、完全な充電が達成されるまで、より低い電圧／電荷対時間の勾配を生じさせる。勾配が一定となる従来構成と比較し、最小分配パルスにおける変動を減少させ、ゲイン曲線の傾斜において減少をもたらす。代替例として、液圧リフト量の増幅切替えのため要求される電荷レベルまで高電流で駆動される。代替構成では、電圧／電荷が保持し、又は、ゼロ電流位相若しくは負電流位相さえも、２つの電流位相の間で導入され得る。アクチュエータにかかる電荷を、変動する電圧の降下で制御することができ、又は、電圧を直接制御してもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電燃料インジェクタに係り、特に、当該インジェクタにかかる電圧を制御するための制御回路、並びに、当該インジェクタを制御する対応する方法に関する。

圧電燃料インジェクタは、例えばディーゼルエンジン等の内燃エンジンのシリンダーに噴射された燃料の量を制御するため車両で使用されている。噴射される燃料の量はインジェクタ内のノズルのオリフィスのサイズに依存し、これは圧電アクチュエータにかかる電圧に依存する量だけバルブ座席部に対して移動するバルブニードルによって制御される。

電流は圧電アクチュエータに供給され、該圧電アクチュエータは、電荷を蓄え、蓄えられた電荷量に正比例して、そのターミナルにかかる対応電圧を上昇させる。
そのような圧電燃料インジェクタの例が、ＥＰ０９９５９０１Ａ及びＥＰ１１７４６１５Ａに記載されている。当該インジェクタでは、ノズルニードルが、圧電アクチュエータに供給されたエネルギーによって開放され、ニードルのリフト量が、供給された電気エネルギーの関数となる。高い燃料圧力では、比較的大きい力が、バルブニードルをその座席部から持ち上げるために要求されるが、一旦、ニードルが一定量だけ持ち上げられた場合、燃料の圧力はバルブニードルの下方で上昇し、ニードルを持ち上げるために必要とされる力は、更に急激に減少し、それにより、ニードルは、きわめて迅速に持ち上げられる。低量の煙排気のためには高速ニードル開放が望ましいが、過度の速度は、インジェクタにより分配された燃料供給の制御において困難さを引き起こす。ＥＰ１１７４６１５Ａのインジェクタは、２段階運動の増幅器を提供することによって、この問題に部分的に取り組んでいるが、高い圧力では、正確な制御が重要となるが必ずしもそれが可能とならない燃料供給状況がなおも存在している。

図１（ａ）は、ＥＰ１１７４６１５に記載された種類のインジェクタに関する、一連の典型的な電圧（又は電荷）対時間の波形を示している。電圧／電荷の時間波形１は、噴射を引き起こすために要求される最小の電圧を示し、電圧／充電時間の波形２は、インジェクタニードルを持ち上げ、該インジェクタニードルを所定時間に亘って完全なリフト量で保持するために要求される波形を示している。電圧／充電時間の波形１，２の傾斜３ａは、アクチュエータへの電流又はアクチュエータからの電流に比例している。なお、ＥＰ０９９５９０１Ａ及びＥＰ１１７４６１５Ａのインジェクタは、「噴射するために付勢しない」種類であり、即ち、噴射を開始するため電圧が減少されるが、電圧／充電時間の波形が、理解を援助するものとして逆転されたものである。

図１（ｂ）は、経年変化したインジェクタ（曲線９）及び新しい条件下のインジェクタ（曲線４）に関する、対応する分配燃料量対時間のグラフ（燃料分配曲線）である。アクチュエータが経年変化したとき、その圧電活性度が減少し、ノズルの座席部が摩耗したとき、その有効面積が変化する（当該設計に応じて増減する）。これらの効果の両方は、初期レベル５から「経年変化」レベル６までの噴射を開始することが要求される電圧／充電レベルにおいてシフトを引き起こす。これらの効果は、燃料分配曲線４及び９を比較することによって示される。経年変化／摩耗効果は、初期値７から経年変化値８への最小分配パルス時間の変化をもたらし、初期の燃料分配曲線４から経年変化した燃料分配曲線９までのゲイン曲線のシフトをもたらす。燃料分配曲線の傾斜が低い場合、燃料供給の変動１０は、比較的小さいが、傾斜が高い場合、燃料供給の変動１０は、遙かに大きくなる。インジェクタがエンジン内で動作するとき、追加の効果は、ノズルのコッキング及びラッカーが流れを減少させ、燃料分配曲線の急峻な部分がより急峻になるようにニードルをより迅速に持ち上げるが、完全に持ち上げられたときの傾斜はより低くなり、新たな燃料分配曲線１２をもたらす、ということである。前記した効果を組み合わせることは、元々の燃料分配曲線４よりも、例えば領域１４において、時折、高くなり、例えば領域１５において時折、低くなる燃料分配曲線１３を生じさせるということである。各々の寄与する効果が如何なる量で発生したかを知る容易な方法が存在しないため、この結合効果をエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）が修正することはきわめて困難である。

図１における新しいインジェクタのための燃料分配曲線４は、異なる傾斜の３つの個々の区分を示している。噴射を開始するため要求される充電レベル５から液圧リフト量の増幅に切り替えるために要求される充電レベル１６にかけて、燃料分配曲線の傾斜は低い。液圧増幅を開始するため要求される電圧／充電レベルから、完全なニードルリフトにおける電圧／充電レベル１７にかけて、急峻な傾斜区分が存在している。これは、液圧増幅と、ニードルを開放することを援助するノズルシートの下方で形成した圧力との組み合わせにより引き起こされた、この期間中の迅速なニードルのリフトの故である。一旦、完全なニードルのリフト量が到達されたならば、燃料分配曲線の傾斜が再び減少する。

図２は、電圧／充電駆動波形と、これに対応して分配された燃料量対時間のグラフ（燃料分配曲線）を示し、当該グラフは圧電アクチュエータに供給された電流を増加させる効果を示している。電流を増加させることによって、電圧／充電時間の波形の傾斜３ｂが増大する。このことは、レベル５からレベル６まで電圧／電荷における変化により引き起こされた、噴射を開始するため必要とされる最小の分配パルスにおける変化１８が減少されたことを意味している。これは、先導噴射量における変動１９を減少させる。しかし、より高い電流レベルがニードルをより迅速に開放させるので、燃料分配曲線の第２の領域の傾斜が増大され、この領域で分配された燃料量において、大きな変動２０がなおも存在する結果をもたらす。図１（ａ）に関して、負勾配の傾斜が示されており（破線）、これは、最大電圧／電荷レベルとなる前における燃料噴射の終了を示している。

本発明は、燃料供給の変動を燃料分配の全範囲に亘って減少することができるインジェクタを駆動するための構成を提供することを求めている。

かくして、本発明の第１の態様によれば、電圧又は電荷対時間の波形に従って圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御するための方法が提供され、前記波形は、（ａ）前記インジェクタのノズルが完全に閉じられる時点から該ノズルが部分的に開放される時点まで延在する燃料噴射サイクルの第１の部分の間に存在する第１の勾配と、（ｂ）前記ノズルが部分的に開放される時点から該ノズルが完全に開放される時点まで延在する噴射サイクルの第２の部分の間に存在する第２の勾配と、を形成し、前記第１の勾配の大きさは、前記第２の勾配の大きさよりも大きく、前記噴射サイクルの前記第１の部分は所定の電圧ポイントで終了する。

当該インジェクタは、典型的にはＥＰ１１７４５１５号で説明された種類のインジェクタである。当該インジェクタは、インジェクタのバルブを駆動するように構成された圧電アクチュエータを有する。増幅器は、アクチュエータと、アクチュエータのストロークを通して可変の移動運動の増幅を提供するバルブとの間、即ち、バルブが着座して噴射が終了する位置と、バルブが完全に持ち上げられて噴射が発生している位置との間に配置されている。最初に、アクチュエータは、アクチュエータとバルブとの間の移動運動の最初の増幅を与えるためバルブに機械的に連結されている。ストロークを通して途中までは、バルブの更なる移動が液圧増幅によって支配されるようにアクチュエータは、バルブから機械的に切り離されるようになっている。

噴射サイクルの第２の部分は、第１の部分が終了すると同時に開始されるのが好ましい。
しかし、電圧又は電荷対時間の波形は、第１の部分の後で第２の部分の前に存在する噴射サイクルの中間部分の間に第３の部分を更に画定している。この場合には、第３の勾配は、実質的にゼロとなり、又は、代替例として、第１及び第２の勾配の符号とは反対の符号であってもよい。

当該サイクルの第２の部分は、インジェクタにかかる電圧が最大値となるポイントで終了するのが好ましい。
本方法は、圧電燃料インジェクタに供給される電流のレベルを制御し、これによって圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御する工程を備えるのが好ましい。代替例として、インジェクタにかかる電圧を直接的に制御することができる。

本発明の一実施例では、所定の電圧ポイントは、インジェクタにかかる電圧が燃料噴射を開始するのに十分であるポイントとなるのが利便性が高い。
本発明の別の実施例では、所定の電圧ポイントは、インジェクタにかかる電圧が経年変化したインジェクタにおいて噴射を開始するために要求される最大レベルとなるポイントであるのが利便性が高い。

本発明の更に別の実施例では、所定の電圧ポイントは、インジェクタにかかる電圧が、インジェクタの経年変化と共に変化する値となるポイントであるのが利便性が高い。
本発明の更に別の実施例では、本方法は、噴射サイクルの第１の部分が終了するポイントを既知の経年変化特徴を使用して決定する工程を備えることができる。

代替例として、本方法は、噴射サイクルの第１の部分が終了するポイントを、インジェクタが連係するエンジン内のセンサからのフィードバックを使用して決定する工程を備えていてもよい。

本発明の第２の態様によれば、インジェクタバルブを制御するための圧電アクチュエータを有する圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御するための方法が提供され、本方法は、前記アクチュエータと前記バルブとの間の機械的リフト量増幅の下で噴射を開始するため最初に座席部から前記バルブを持ち上げ、次に前記アクチュエータと前記バルブとの間の液圧によるリフト量増幅の下で前記バルブを前記座席部から更に引き離す、各工程を備え、 前記電圧は、電圧又は電荷対時間の波形に従って制御され、前記波形は、（ａ） 前記インジェクタのノズルが完全に閉じられる時点から該ノズルが部分的に開放される時点まで延在する燃料噴射サイクルの第１の部分の間に存在する第１の勾配と、（ｂ）前記ノズルが部分的に開放される時点から該ノズルが完全に開放される時点まで延在する噴射サイクルの第２の部分の間に存在する第２の勾配と、を形成し、前記第１の勾配の大きさは、前記第２の勾配の大きさよりも大きく、前記噴射サイクルの前記第１の部分は所定の電圧ポイントで終了する。

本発明の第２の態様の更なる実施形態によれば、利便性のため、前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が前記インジェクタを液圧によるリフト量増幅へと切り替えさせるのに十分となるポイントである。

本発明の第２の態様の更なる実施形態によれば、利便性のため、前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が燃料電池噴射を開始するのに十分な電圧より高いが、前記インジェクタを液圧によるリフト量増幅へと切り替えさせるため要求される電圧よりも低くなるポイントである。

本発明の第１の態様の好ましいか又はオプションとなる特徴のうち任意のものを、本発明の第２の態様の範囲内で、単独か又は適切な組み合わせで組み込むことができる。本発明の様々な実施形態は、本発明の第１の態様の好ましいか又はオプションとなる特徴のうち任意のものを組み込むこともできる。

本発明の第３の態様によれば、本発明の第１、第２、第３、第４又は第５の態様のうち任意の方法を実行するための制御回路が提供される。
本発明は、本発明の第１及び第２の態様の方法を実行するため、プロセッサ、コンピュータ、又は、制御回路を制御するためのコンピュータ読み取り可能なコードを格納するためのキャリア媒体まで拡張される。

本発明の背景は、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２を参照して既に説明された。
本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照して説明する。
図３は、本発明の第１の実施例に係る圧電燃料インジェクタに関する、対応する電圧／電荷対時間の波形並びに燃料分配量対時間のグラフを示している。電圧／電荷対時間の波形は、前述したように、ＥＰ１１７４６１５Ａで説明された種類の燃料インジェクタに適用された波形を表しており、これは２段階の運動増幅器を介してインジェクタのバルブに連結された圧電アクチュエータを有する。図３の波形に関しては、圧電燃料インジェクタは、噴射を開始するため要求される電荷レベル６まで高い電流で駆動され、当該電流は、次に、より低いレベルまで減少され、完全な充電が達成されるポイント１７まで、より低い電圧／電荷勾配を生じさせる。図３における分配された燃料の量対時間のグラフから理解することができるように、これは、最小の燃料分配パルスで減少した変動１８を生じさせ、燃料分配曲線の第１及び第２の領域の両方の傾斜を減少させる。これは、燃料分配曲線の先導区分２１及び急峻部分２２においてより小さい燃料供給量の変動を生じさせる。電流内の変化が発生する充電レベル６は、経年変化したインジェクタにおいて噴射を開始するため要求される最大レベルにあるように選択することができる。代替例として、インジェクタの寿命の間に初期のレベル５から経年変化レベル６まで電流変化を適合させることができる。これは、既知の経年変化特徴を使用するか、又は、加速計、シリンダー圧力センサ又は排気物センサ等、エンジンと連係したセンサからのフィードバックを使用して達成することができる。

図４は、本発明の第２の実施例に係る、電圧／電荷対時間の波形とこれに対応する燃料分配量対時間のグラフと、を示している。この場合には、インジェクタは、液圧リフト量の増幅へと切り替えるため要求される電荷レベル１６まで高い電流で、完全充電電荷レベル１７まで、より低い電流で駆動される。これは、最小燃料分配パルス変量１８の減少をもたらし、機械的リフトモードにおいて費やされる時間を短くし、急区分２４における燃料分配曲線の傾斜を減少させる。この計画は、先導区分２３及び燃料分配曲線の急区分２４において低い変量も与えるが、機械的リフトモードにおいて、より小さい範囲の分配量を与える。前記したように、電流の変化が発生する電荷レベルは、インジェクタの使用期間を通して適合させることができる。

図３及び図４により示された端点の間の電流変化の任意のポイントは、良好な効果を持つものとして使用することができる。電流変化のポイントは、示された範囲の外側にも属しているが、利点が少なくなる。当該記載は、主要にはＥＰ１１７４６１５Ａのインジェクタに関連しているが、当該戦略は、燃料分配曲線の第１の低い傾斜区分が存在しないか又は明白さが少ないように、機械的リフトモードが存在しないという差異がある状態で、ＥＰ０９９５９０１Ａのインジェクタ又は他の任意の直接作用インジェクタに適用することができることが理解されよう。２つの別個の電流レベルが示されたが、電流レベルは、噴射の開始近傍で高いレベルが存在し、ニードルリフト内のポイントでより低いレベルが続く限り、連続的な態様、又は、幾つかの別々の工程で切り替えることもできる。当該説明は、主要には最小分配パルスのドリフトによって形成された変量を減少させることを目的としているが、燃料分配曲線の傾斜の減少は、図１（ｂ）に示されるようなノズル流量における差異によって形成されたばらつきへの感度を減少させるということも理解されよう。

図５及び図６は、本発明の第３及び第４の実施例に係る、電圧／電荷対時間の波形並びにこれに対応する燃料分配量対時間のグラフであって、図３及び図４の両方に示された実施例を変更したグラフを示している。図５では、電圧／電荷の保持即ちゼロの電流段階２５が他の２つの電流段階の間に導入される。図６では、負の電流段階２６が、他の２つの電流段階の間に導入される。いずれの場合でも、これらの段階を、燃料分配曲線の傾斜、かくして燃料供給変量を更に減少させるために使用することができる。

図３乃至図６の各々において、負の勾配の傾斜が示されており（破線）、該負勾配の傾斜は、最大電圧／電荷レベルの前に燃料噴射が終了することを示している。
この技術は、ニードルリフト量に依存して異なるバルブを作動させることによって、異なるノズル噴霧孔領域を開放する可変オリフィスノズルを駆動する際に使用することもできる。高い電流の段階の後に低い電流の段階が続く制御を、第１の段階のみの開放のために又は両方の段階の開放のために使用することもできる。

本方法は、アクチュエータにかかる電圧が閉ループ計画において直接制御されるところの電圧制御計画、或いは、アクチュエータにかかる電荷（電流）が、開ループ計画で制御されるところの電荷制御方法のいずれにとっても適切であり、アクチュエータにかかる電圧を変動させる効果を奏することが理解されよう。

図１（ａ）は、既知の圧電燃料インジェクタに関する、電圧／電荷対時間の波形を示す。

図１（ｂ）は、図１（ａ）における、電圧／電荷対時間の波形に対応する、燃料分配量対時間のグラフを示す。
図２は、アクチュエータを通した電流が図１（ａ）及び図１（ｂ）と比べて増大する圧電燃料インジェクタのための、対応する波形及びグラフを示す。 図３は、本発明の第１の実施例に係る圧電燃料インジェクタに関する、対応する電圧／電荷対時間の波形並びに燃料分配量対時間のグラフを示す。 図４は、本発明の第２の実施例に係る圧電燃料インジェクタに関する、対応する電圧／電荷対時間の波形並びに燃料分配量対時間のグラフを示す。 図５は、本発明の第３の実施例に係る圧電燃料インジェクタに関する、対応する電圧／電荷対時間の波形並びに燃料分配量対時間のグラフを示す。 図６は、本発明の第４の実施例に係る圧電燃料インジェクタに関する、対応する電圧／電荷対時間の波形並びに燃料分配量対時間のグラフを示す。

Claims (23)

1. 電圧又は電荷対時間の波形に従って圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御するための方法であって、
   前記波形は、
   （ａ） 前記インジェクタのノズルが完全に閉じられる時点から該ノズルが部分的に開放される時点まで延在する燃料噴射サイクルの第１の部分の間に存在する第１の勾配と、
   （ｂ）前記ノズルが部分的に開放される時点から該ノズルが完全に開放される時点まで延在する噴射サイクルの第２の部分の間に存在する第２の勾配と、
   を形成し、
   前記第１の勾配の大きさは、前記第２の勾配の大きさよりも大きく、前記噴射サイクルの前記第１の部分は所定の電圧ポイントで終了する、方法。
2. 前記噴射サイクルの第２の部分は、前記第１の部分が終了するのと同じ時刻で開始される、請求項１に記載の方法。
3. 前記電圧又は電荷対時間の波形は、前記第１の部分の後で前記第２の部分の前に存在する前記噴射サイクルの中間部分の間に第３の勾配を更に形成する、請求項１に記載の方法。
4. 前記第３の勾配は実質的にゼロである、請求項３に記載の方法。
5. 前記第３の勾配の符号は、前記第１及び第２の勾配の符号とは反対である、請求項３に記載の方法。
6. 前記噴射サイクルの第２の部分は、前記インジェクタにかかる電圧が最大値となるポイントで終了する、上記請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 前記圧電燃料インジェクタに供給される電流又は電荷のレベルを制御し、これによって前記圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御する工程を備える、上記請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
8. 前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が燃料噴射を開始するのに十分となるポイントである、上記請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
9. 前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が経年変化したインジェクタにおいて噴射を開始するために要求される最大レベルとなるポイントである、請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の方法。
10. 前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が前記インジェクタの経年変化で変化する値となるポイントである、請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の方法。
11. 前記噴射サイクルの第１の部分が終了するポイントを既知の経年変化特徴を使用して決定する工程を備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記噴射サイクルの第１の部分が終了するポイントを、前記インジェクタが連係するエンジン内のセンサからのフィードバックを使用して決定する工程を備える、請求項１０に記載の方法。
13. インジェクタバルブを制御するための圧電アクチュエータを有する圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御するための方法であって、
    前記方法は、前記アクチュエータと前記バルブとの間の機械的リフト量増幅の下で噴射を開始するため最初に座席部から前記バルブを持ち上げ、次に前記アクチュエータと前記バルブとの間の液圧によるリフト量増幅の下で前記バルブを前記座席部から更に引き離す、各工程を備え、
    前記電圧は、電圧又は電荷対時間の波形に従って制御され、前記波形は、
    （ａ） 前記インジェクタのノズルが完全に閉じられる時点から該ノズルが部分的に開放される時点まで延在する燃料噴射サイクルの第１の部分の間に存在する第１の勾配と、
    （ｂ）前記ノズルが部分的に開放される時点から該ノズルが完全に開放される時点まで延在する噴射サイクルの第２の部分の間に存在する第２の勾配と、
    を形成し、
    前記第１の勾配の大きさは、前記第２の勾配の大きさよりも大きく、前記噴射サイクルの前記第１の部分は所定の電圧ポイントで終了する、方法。
14. 前記噴射サイクルの前記第２の部分は、前記第１の部分が終了するのと同じ時刻で開始される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電圧又は電荷対時間の波形は、前記第１の部分の後で前記第２の部分の前に存在する前記噴射サイクルの中間部分の間に第３の勾配を更に形成する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第３の勾配は実質的にゼロである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第３の勾配の符号は、前記第１及び第２の勾配の符号とは反対である、請求項１５に記載の方法。
18. 前記噴射サイクルの第２の部分は、前記インジェクタにかかる電圧が最大値となるポイントで終了する、請求項１３乃至１７のうちいずれか１項に記載の方法。
19. 前記圧電燃料インジェクタに供給される電流又は電荷のレベルを制御し、これによって前記圧電燃料インジェクタにかかる電圧を制御する工程を備える、請求項１３乃至１８のうちいずれか１項に記載の方法。
20. 前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が前記インジェクタを液圧によるリフト量増幅へと切り替えさせるのに十分となるポイントである、請求項１３乃至１９のうちいずれか１項に記載の方法。
21. 前記所定の電圧ポイントは、前記インジェクタにかかる電圧が燃料電池噴射を開始するのに十分な電圧より高いが、前記インジェクタを液圧によるリフト量増幅へと切り替えさせるため要求される電圧よりも低くなるポイントである、請求項１３乃至１９のうちいずれか１項に記載の方法。
22. 請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の方法を実施するための制御回路。
23. 請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の方法を実行するため、プロセッサ、コンピュータ、又は、制御回路を制御するためのコンピュータ読み取り可能なコードを格納するためのキャリア媒体。

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