JP3283529B2 - 少なくとも１つの容量性アクチュエータを制御する方法および装置 - Google Patents
少なくとも１つの容量性アクチュエータを制御する方法および装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、少なくとも１つの容量性アクチュエータた
とえば内燃機関の圧電駆動型燃料噴射弁を制御する方法
および装置に関する。
とえば内燃機関の圧電駆動型燃料噴射弁を制御する方法
および装置に関する。
圧電アクチュエータは複数の圧電セラミックス層から
成り、いわゆる“スタック”を形成していて、これは電
圧が印加されるとその寸法たとえば長さｓを行程dsだけ
変化させ、あるいは機械的な圧力または張力を加えると
電圧を発生する。
成り、いわゆる“スタック”を形成していて、これは電
圧が印加されるとその寸法たとえば長さｓを行程dsだけ
変化させ、あるいは機械的な圧力または張力を加えると
電圧を発生する。
ドイツ連邦共和国特許出願DE 41 22 984 A1により圧
電素子のための制御装置が公知であり、これによれば圧
電素子の制御は対応する電子スイッチを介して所定の充
電時間と放電時間によって行われる。
電素子のための制御装置が公知であり、これによれば圧
電素子の制御は対応する電子スイッチを介して所定の充
電時間と放電時間によって行われる。
先願のドイツ連邦共和国特許出願19632872.1において
容量性アクチュエータの制御方法がすでに提案されてい
て、これによればアクチュエータは所定の電圧により、
制御過程中にアクチュエータのところで測定された電圧
が所定の値に達するまで充電される。
容量性アクチュエータの制御方法がすでに提案されてい
て、これによればアクチュエータは所定の電圧により、
制御過程中にアクチュエータのところで測定された電圧
が所定の値に達するまで充電される。
本発明の課題は、制御にあたりたとえ充電過程の中止
が不可能になったとしても、少なくとも１つの容量性ア
クチュエータの制御において電圧調整するための方法を
提供することにある。さらに本発明の課題は、この方法
を実施する装置を提供することにある。
が不可能になったとしても、少なくとも１つの容量性ア
クチュエータの制御において電圧調整するための方法を
提供することにある。さらに本発明の課題は、この方法
を実施する装置を提供することにある。
本発明によればこの課題は、請求項１の特徴部分に記
載の構成により解決される。
載の構成により解決される。
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳
しく説明する。
しく説明する。
図１は、充電電圧Ucに対するアクチュエータ電圧Upを
示すダイアグラムである。
示すダイアグラムである。
図２は、複数のアクチュエータを制御する装置を示す
回路図である。
回路図である。
図３は、図２による回路の動作に関するフローチャー
トである。
トである。
本発明の基礎を成す考察は、一般に温度に起因する変
化についてみると、これは内燃機関において相前後して
行われるアクチュエータ操作のタイムインターバルに対
し、著しく大きい時定数をもつことであり、もしくは一
定のばらつきの許容偏差が扱われる、ということであ
る。したがって調整サイクル（制御過程）自体における
充電の開ループ制御または閉ループ制御は不要であり、
制御過程において偏差を検出し、これを後続の制御過程
で補正すれば、それで十分である。
化についてみると、これは内燃機関において相前後して
行われるアクチュエータ操作のタイムインターバルに対
し、著しく大きい時定数をもつことであり、もしくは一
定のばらつきの許容偏差が扱われる、ということであ
る。したがって調整サイクル（制御過程）自体における
充電の開ループ制御または閉ループ制御は不要であり、
制御過程において偏差を検出し、これを後続の制御過程
で補正すれば、それで十分である。
図１には、充電電圧Ucとアクチュエータ電圧Upの関係
に関するダイアグラムが示されており、この場合、所定
のアクチュエータ目標値Up sollが破線で書き込まれて
いる。以下ではこのダイアグラムと、図２に示した複数
の容量性アクチュエータのための制御装置の回路に基づ
き、本発明による方法について説明する。
に関するダイアグラムが示されており、この場合、所定
のアクチュエータ目標値Up sollが破線で書き込まれて
いる。以下ではこのダイアグラムと、図２に示した複数
の容量性アクチュエータのための制御装置の回路に基づ
き、本発明による方法について説明する。
圧電アクチュエータP1〜Pnを介して、図示されていな
い内燃機関のｎ個の燃料噴射弁が制御回路STにより制御
され、この制御回路は図示されていないマイクロプロセ
ッサコントロール形エンジン制御装置の一部分である。
い内燃機関のｎ個の燃料噴射弁が制御回路STにより制御
され、この制御回路は図示されていないマイクロプロセ
ッサコントロール形エンジン制御装置の一部分である。
図２によれば、制御可能な電圧源有利にはスイッチン
グ電源SNTのプラス極Uclとマイナス極GNDとの間に充電
コンデンサC1が接続されており、これはスイッチング電
源SNTの出力コンデンサとみなすことができ、スイッチ
ング電源SNTの出力電圧Uc1まで充電されている。充電コ
ンデンサC1に対し並列に、プラス極Uc1と接続されそこ
から電流を流す充電スイッチX1と、マイナス極GNDと接
続されそこへ向かって電流を流す放電スイッチX2とから
成る直列回路が配置されている。
グ電源SNTのプラス極Uclとマイナス極GNDとの間に充電
コンデンサC1が接続されており、これはスイッチング電
源SNTの出力コンデンサとみなすことができ、スイッチ
ング電源SNTの出力電圧Uc1まで充電されている。充電コ
ンデンサC1に対し並列に、プラス極Uc1と接続されそこ
から電流を流す充電スイッチX1と、マイナス極GNDと接
続されそこへ向かって電流を流す放電スイッチX2とから
成る直列回路が配置されている。
スイッチX1とX2についていえば、これらには一方向に
のみ電流を流す少なくとも１つの電子半導体素子から成
るスイッチ有利にはサイリスタスイッチが用いられ、こ
れらは制御回路によって導通制御される。
のみ電流を流す少なくとも１つの電子半導体素子から成
るスイッチ有利にはサイリスタスイッチが用いられ、こ
れらは制御回路によって導通制御される。
充電スイッチX1と放電スイッチX2の接続点とアース端
子GNDとの間には、反転ないしは転流コンデンサC2、反
転ないしは転流コイルＬ、第１のアクチュエータP1およ
び第１の制御形パワーMOSFETスイッチT1から成る直列回
路が設けられている。
子GNDとの間には、反転ないしは転流コンデンサC2、反
転ないしは転流コイルＬ、第１のアクチュエータP1およ
び第１の制御形パワーMOSFETスイッチT1から成る直列回
路が設けられている。
その他の個々のアクチュエータのために、アクチュエ
ータP2〜Pnおよび別のMOSFETスイッチT2〜Tnから成る直
列回路が、第１のアクチュエータP1および第１のパワー
MOSFETスイッチT1から成る直列回路に並列に接続されて
いる。
ータP2〜Pnおよび別のMOSFETスイッチT2〜Tnから成る直
列回路が、第１のアクチュエータP1および第１のパワー
MOSFETスイッチT1から成る直列回路に並列に接続されて
いる。
アクチュエータとパワーMOSFETスイッチから成るこれ
らの直列回路に対し並列に、アース端子GNDから転流コ
イルＬへ向かって電流を流すダイオードＤが配置されて
いる。パワーMOSFETスイッチには通常、反転ダイオード
が含まれており、その機能は後で詳しく説明するように
本発明による装置の動作にあたり利用される。
らの直列回路に対し並列に、アース端子GNDから転流コ
イルＬへ向かって電流を流すダイオードＤが配置されて
いる。パワーMOSFETスイッチには通常、反転ダイオード
が含まれており、その機能は後で詳しく説明するように
本発明による装置の動作にあたり利用される。
スイッチX1,X2およびT1〜Tnは制御回路STにより、本
発明による方法に割り当てられたプログラムに従ってエ
ンジン制御装置の制御信号st、アクチュエータ電圧Up、
およびアクチュエータ放電後に転流コンデンサC2に加わ
る電圧Uc2に依存して制御される。
発明による方法に割り当てられたプログラムに従ってエ
ンジン制御装置の制御信号st、アクチュエータ電圧Up、
およびアクチュエータ放電後に転流コンデンサC2に加わ
る電圧Uc2に依存して制御される。
次に、複数の容量性素子を相前後して制御するための
本発明による方法を、図３に示したフローチャートに基
づき図２に示したアクチュエータP1のための回路を基礎
として詳しく説明する。個々の経過状態に対応づけられ
ている個々のボックスには、ローマ数字が付されてい
る。
本発明による方法を、図３に示したフローチャートに基
づき図２に示したアクチュエータP1のための回路を基礎
として詳しく説明する。個々の経過状態に対応づけられ
ている個々のボックスには、ローマ数字が付されてい
る。
充電電圧UC（＝Uc1＋Uc2）は、自動車始動時の第１の
制御過程において初期値Ａにプリセットされる（状態
０）。充電電圧Ucのこの値はエンジン温度の関数とする
ことができ、Uc＝ｆ（Ｔ）とすることができる。その理
由は、アクチュエータの容量はエンジン温度領域におい
てファクタ２だけ変化し得るからである。
制御過程において初期値Ａにプリセットされる（状態
０）。充電電圧Ucのこの値はエンジン温度の関数とする
ことができ、Uc＝ｆ（Ｔ）とすることができる。その理
由は、アクチュエータの容量はエンジン温度領域におい
てファクタ２だけ変化し得るからである。
第１の制御過程において、転流コンデンサC2が放電し
てUc2＝0Vとなる（状態Ｉ）。これに応じて、制御可能
な電圧源SNTの出力電圧が電圧Uc1＝Uc（初期値Ａ）にな
る（状態II）。
てUc2＝0Vとなる（状態Ｉ）。これに応じて、制御可能
な電圧源SNTの出力電圧が電圧Uc1＝Uc（初期値Ａ）にな
る（状態II）。
転流コイルＬが無電流状態であり、スイッチX1,X2お
よびT1〜Tnは非導通状態（高抵抗）であって、アクチュ
エータP1〜Pnはすべて放電している状態IIIにおいて、
対応づけられた噴射弁を介して燃料をシリンダ１へ噴射
させるために、アクチュエータP1が操作されることにな
る。まずはじめに制御回路は適切なアクチュエータここ
ではP1を選択し（状態IV）、これはそのアクチュエータ
に対応づけられたパワーMOSFETスイッチT1を導通制御す
ることによって行われる。T1はクランク角KW＝720゜KW/
Z（Ｚ＝シリンダ数）にわたり導通状態（低抵抗）に保
持することができ、これはたとえば４気筒エンジンであ
れば180゜KWであるし、６気筒エンジンであれば120゜KW
である。
よびT1〜Tnは非導通状態（高抵抗）であって、アクチュ
エータP1〜Pnはすべて放電している状態IIIにおいて、
対応づけられた噴射弁を介して燃料をシリンダ１へ噴射
させるために、アクチュエータP1が操作されることにな
る。まずはじめに制御回路は適切なアクチュエータここ
ではP1を選択し（状態IV）、これはそのアクチュエータ
に対応づけられたパワーMOSFETスイッチT1を導通制御す
ることによって行われる。T1はクランク角KW＝720゜KW/
Z（Ｚ＝シリンダ数）にわたり導通状態（低抵抗）に保
持することができ、これはたとえば４気筒エンジンであ
れば180゜KWであるし、６気筒エンジンであれば120゜KW
である。
制御信号st＝１（状態Ｖ）の開始により設定される噴
射開始において、制御回路STにより充電スイッチX1が点
弧される（状態VI）。これによりC1＋C2から成る直列回
路に加わる充電電圧Ucが、転流コイルＬを介してアクチ
ュエータP1に向かって放電し、これによって図示されて
いない噴射弁が開かれる。電圧源すなわちスイッチング
電源SNTは充電コンデンサC1と接続されたままであり、
その結果、振動回路へもエネルギーが供給される。
射開始において、制御回路STにより充電スイッチX1が点
弧される（状態VI）。これによりC1＋C2から成る直列回
路に加わる充電電圧Ucが、転流コイルＬを介してアクチ
ュエータP1に向かって放電し、これによって図示されて
いない噴射弁が開かれる。電圧源すなわちスイッチング
電源SNTは充電コンデンサC1と接続されたままであり、
その結果、振動回路へもエネルギーが供給される。
振動回路により充電スイッチX1は自動的に消弧し（状
態VII）、アクチュエータP1はアクチュエータ電圧Up is
tまで充電される。図１には、充電電圧Ucとアクチュエ
ータ電圧Up istの交点Ｓが示されている。
態VII）、アクチュエータP1はアクチュエータ電圧Up is
tまで充電される。図１には、充電電圧Ucとアクチュエ
ータ電圧Up istの交点Ｓが示されている。
充電過程終了後にアクチュエータP1に生じるアクチュ
エータ電圧Upの実際値Up istは制御回路STへ通報され、
制御回路はその値を図１に破線で示された目標値Up sol
lと比較する（状態VIIIIおよびIX）。
エータ電圧Upの実際値Up istは制御回路STへ通報され、
制御回路はその値を図１に破線で示された目標値Up sol
lと比較する（状態VIIIIおよびIX）。
実際値Up istが目標値Up sollよりも大きければ（状
態VIII）、アクチュエータP1の次の制御過程において充
電電圧Ucに対し新たな値が定められ、UCneu＝UCalt−DU
（状態XI）となる。この場合、これに基づき次の制御過
程において低減されたアクチュエータ電圧Up istが生じ
る。しかし実際値Up istが目標値Up sollよりも小さけ
れば（状態IX）、次の制御過程において充電電圧Ucに対
し高められた新たな値が定められ、UCneu＝UCalt＋DU
（状態XII）となる。また、値Up istが目標値Up sollと
等しければ（状態Ｘ）、アクチュエータP1の次の制御過
程においても充電電圧Ucはそのまま保持される。目標値
へ近づける過程は、上述のようにそして図１に矢印で示
されているように、まえもって設定されたステップDUに
よって増分的ないしは減分的に行ってもよいし、あるい
は任意の接近手法に従って行うことができる。
態VIII）、アクチュエータP1の次の制御過程において充
電電圧Ucに対し新たな値が定められ、UCneu＝UCalt−DU
（状態XI）となる。この場合、これに基づき次の制御過
程において低減されたアクチュエータ電圧Up istが生じ
る。しかし実際値Up istが目標値Up sollよりも小さけ
れば（状態IX）、次の制御過程において充電電圧Ucに対
し高められた新たな値が定められ、UCneu＝UCalt＋DU
（状態XII）となる。また、値Up istが目標値Up sollと
等しければ（状態Ｘ）、アクチュエータP1の次の制御過
程においても充電電圧Ucはそのまま保持される。目標値
へ近づける過程は、上述のようにそして図１に矢印で示
されているように、まえもって設定されたステップDUに
よって増分的ないしは減分的に行ってもよいし、あるい
は任意の接近手法に従って行うことができる。
制御信号st終了時にアクチュエータP1を放電させるた
めに（状態XIII）、放電スイッチX2が点弧される（状態
XIV）。放電電流回路は、パワーMOSFETスイッチT1の反
転ダイオードを介してつながっている。アクチュエータ
に蓄積されたエネルギーは、転流コイルＬを介して転流
コンデンサC2に戻るように振動する。その際、このコン
デンサに蓄積されたエネルギーを後続の制御過程に利用
できる。
めに（状態XIII）、放電スイッチX2が点弧される（状態
XIV）。放電電流回路は、パワーMOSFETスイッチT1の反
転ダイオードを介してつながっている。アクチュエータ
に蓄積されたエネルギーは、転流コイルＬを介して転流
コンデンサC2に戻るように振動する。その際、このコン
デンサに蓄積されたエネルギーを後続の制御過程に利用
できる。
アクチュエータが“目下の”チャネルに並列に配置さ
れたダイオードＤの閾値電圧まで放電するとただちに、
まだ流れている電流はこのダイオードを介して流れ続
け、これにより負の電圧にアクチュエータが充電されて
しまうのが防止される。ついで放電スイッチX2が自動的
に消弧する（状態XV）。
れたダイオードＤの閾値電圧まで放電するとただちに、
まだ流れている電流はこのダイオードを介して流れ続
け、これにより負の電圧にアクチュエータが充電されて
しまうのが防止される。ついで放電スイッチX2が自動的
に消弧する（状態XV）。
アクチュエータP1の次の制御過程のために、充電コン
デンサC1を電圧Uc1＝Uc−Uc2まで充電する必要があり、
この目的でUc2が測定される（状態Ｉ）。これによりUc1
＝Uc−Uc2を求めることができる（状態II）。スイッチ
ング電源SNTはアクチュエータP1の次の制御過程のため
にこの値に調整され、これにより充電コンデンサC1がUc
1まで充電される。この制御過程において求められた値
を用いて、次の制御過程が状態IIIから実行される。そ
の他のアクチュエータP2〜Pnのための制御過程も、アク
チュエータP1についてこれまで述べてきた方法と同じで
ある。
デンサC1を電圧Uc1＝Uc−Uc2まで充電する必要があり、
この目的でUc2が測定される（状態Ｉ）。これによりUc1
＝Uc−Uc2を求めることができる（状態II）。スイッチ
ング電源SNTはアクチュエータP1の次の制御過程のため
にこの値に調整され、これにより充電コンデンサC1がUc
1まで充電される。この制御過程において求められた値
を用いて、次の制御過程が状態IIIから実行される。そ
の他のアクチュエータP2〜Pnのための制御過程も、アク
チュエータP1についてこれまで述べてきた方法と同じで
ある。
フロントページの続き (72)発明者 ハルトムート ゲルケン ドイツ連邦共和国 Ｄ―93152 ニッテ ンドルフ ヨーゼフ―ゲラー―シュトラ ーセ １ (72)発明者 マーティン ヘッカー ドイツ連邦共和国 Ｄ―93336 ライマ ーシュタット レーマーシュトラーセ ３ (72)発明者 リヒャルト ピルクル ドイツ連邦共和国 Ｄ―93053 レーゲ ンスブルク ブルンフーバーシュトラー セ 27 (56)参考文献 特開 昭61−271881（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−153538（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−138432（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−7873（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−50447（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−114595（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/00 F02M 51/06 H01L 41/08
Claims (7)
- 【請求項１】少なくとも１つの容量性アクチュエータ
（Ｐ）たとえば内燃機関の圧電駆動型燃料噴射弁の制御
方法において、 制御過程の開始にあたりアクチュエータ（P1〜Pn）を、
充電コンデンサ（C1）と転流コンデンサ（C2）から成る
直列回路から転流コイル（Ｌ）を介して所定の充電電圧
（Uc＝Uc1＋Uc2）により充電し、制御過程終了時に転流
コンデンサ（C2）に向けて再び放電させ、 充電電圧（Uc）によりアクチュエータ（Ｐ）において達
したアクチュエータ電圧（Up ist）を所定の目標値電圧
（Up soll）と比較し、 次の制御過程のための充電電圧（Uc neu）を、目標値
（Up soll）と実際値（Up ist）の差（Up soll−Up is
t）に依存して定め、 次の制御過程のために充電コンデンサ（C1）を、定めら
れた前記の充電電圧（Uc neu）と転流コンデンサ（C2）
に目下加わっている電圧（Uc2）との差（UCneu−Uc2）
に対応する電圧（Uc1＝UCneu−Uc2）まで充電すること
を特徴とする、 容量性アクチュエータの制御方法。 - 【請求項２】各アクチュエータ（P1〜Pn）のための作動
開始にあたり、充電電圧（UCneu）のための値をまえも
って与える、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】充電電圧（Uc）のためにまえもって定めら
れた値（UCneu）はエンジン温度（Ｔ）に依存する、請
求項２記載の方法。 - 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項記載の方法を
実施するための装置において、 制御回路（ST）により制御可能な電圧源（SNT）のプラ
ス極（Uc1）とマイナス極（GND）との間に、充電コンデ
ンサ（C1）が配置されており、 該充電コンデンサ（C1）に対し並列に、前記プラス極
（Uc1）と接続されそこから電流を流す充電スイッチ（X
1）と、マイナス極（GND）と接続されそこへ向かって電
流を流す放電スイッチ（X2）から成る直列回路が配置さ
れており、 充電スイッチ（X1）と放電スイッチ（X2）の接続点とア
ース端子（GND）との間に、充電スイッチ（X1）と接続
された転流コンデンサ（C2）と、転流コイル（Ｌ）と、
第１のアクチュエータ（P1）と、第１の制御形パワーMO
SFETスイッチ（T1）が配置されており、 各々別のアクチュエータのために、該アクチュエータ
（P2〜Pn）と別のパワーMOSFETスイッチ（T2〜Tn）から
成る直列回路が、前記の第１のアクチュエータ（P1）と
第１のパワーMOSFETスイッチ（T1）から成る直列回路に
並列に接続されており、 前記の第１のアクチュエータ（P1）とパワーMOSFET（T
1）から成る直列回路に並列に、アース端子（GND）から
転流コイル（Ｌ）へ向かって電流を流すダイオード
（Ｄ）が配置されていることを特徴とする装置。 - 【請求項５】制御回路（ST）により制御可能な電圧源
（SNT）はスイッチング電源である、請求項４記載の装
置。 - 【請求項６】前記制御回路（ST）は、マイクロプロセッ
サコントロール形エンジン制御装置の一部分であり、該
制御回路（ST）へ入力量として、アクチュエータを制御
する制御信号（st）と、それぞれ制御されるアクチュエ
ータ（P1〜Pn）に加わるアクチュエータ電圧（Up ist）
と、充電コンデンサ（C2）に加わる電圧（Uc2）が供給
され、前記制御回路により、充電スイッチ（X1）と、放
電スイッチ（X2）と、パワーMOSFETスイッチ（T1〜Tn）
が図３による方法シーケンスに従って制御される、請求
項４記載の装置。 - 【請求項７】前記の充電スイッチ（X1）と放電スイッチ
（X2）は、一方向のみに電流を流す制御形電子半導体ス
イッチである、請求項４記載の装置。
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