JP4377381B2 - 圧電素子の個別制御電圧の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子の個別制御電圧の検出方法に関する。

そのような圧電素子は、例えば、自動車の噴射系内のピエゾインジェクタとして使われている。この圧電素子は、圧電素子の行程に比例する所定電圧に充電される。この行程によって、液圧式カップラを用いて変換されて、噴射弁が作動される。そのようなピエゾインジェクタの完全な機能を保証するために、各作動点用の制御電圧が、例えば、自動車用の噴射系の場合、コモンレールシステム内での各圧力、各温度の場合に、切換弁が開き、噴射周期の期間に亘って開位置のままであるように選択される。

各圧電素子に個別である制御電圧（個別制御電圧）は、例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第１００３２０２２号公報から公知の方法では、噴射過程の前に間接的に液圧式カップラ内の圧力が測定されるようにして特定される。液圧式カップラによってピエゾアクチュエータ内に誘起される圧力によって、アクチュエータ内の相応のピエゾ電圧が推定される。

更に、特定領域内の電圧が変化され、それと同時に噴射量が検出される方法も公知である。検出された噴射量から、圧電素子の機能性が推定される。

圧電素子に沿った電圧の時間依存測定用回路が、例えば、ヨーロッパ特許公開第１１３８９０２号公報から公知である。

コモンレールディーゼル噴射系内で使用されるピエゾ素子の製造時に、そのようなピエゾコモンレールインジェクタの製造の際に、量産での出来る限り大きな生産を達成するために、非常に狭い許容偏差を保持する必要がある。この際、大きな意義があるのは、ピエゾアクチュエータと、例えば、液圧式カップラの形式での液圧装置である。そのようなインジェクタでは、コスト上の理由から、センサを使用することはできないので、ピエゾインジェクタの動的な特性についての僅かな情報しか利用可能でない。

経年変化に基づいて生じるピエゾアクチュエータの変化、例えば、ピエゾセラミックのエージング又は弁座の当接による摩耗は、従来技術では、例えば、内燃機関の制御装置内に記憶された、予め決められた特性マップによってしか、少なくとも部分的に補正することができない。

本発明の課題は、圧電素子、殊に、ディーゼルコモンレール噴射系で使用されるピエゾインジェクタの個別制御電圧を、技術的に出来る限り簡単且つコスト上有利なやり方で求めることにある。その際、ピエゾインジェクタの寿命に亘って変化する個別制御電圧の動的特性も考慮する必要がある。

発明の利点
この課題は、請求項１記載の要件、つまり、個別圧電アクチュエータの電圧降下を充電過程後検出し、該検出の際、充電過程の直後に個別圧電アクチュエータに印加されている電圧を検出し、充電過程に続く放電過程の直前に個別圧電アクチュエータに印加されている電圧を検出し、充電過程の直後に検出した、個別圧電アクチュエータに印加されている電圧と、放電過程の直前に検出した、個別圧電アクチュエータに印加されている電圧とを相互に減算し、当該減算による差から、個別圧電アクチュエータの個別制御電圧を推定することによって解決される。

本発明の基本的な技術思想は、ピエゾアクチュエータと、ピエゾセラミック自体をセンサとして使用し、そうすることによって、付加的なセンサを用いないようにすることにある。寧ろ、充電過程後に圧電素子の電圧降下を検出し、この電圧降下自体から、圧電素子の個別制御電圧を推定することができる。

本発明の方法では、圧電素子に印加される電圧を充電過程の直後に検出し、圧電素子に印加される電圧を、充電過程の検出に後続する放電過程の直前に検出し、両電圧を相互に減算し、当該減算による差から、圧電素子の個別制御電圧を推定するのである。こうすることによって、高い費用及び極めて高いコストをかけて個別制御電圧を、例えば、制御電圧を変えることによって求めなくて済むようになる。

その際、個別制御電圧は、有利には、充電過程の直後に検出した圧電素子に印加される電圧と充電過程の検出に後続する放電過程の直前に検出した圧電素子に印加される電圧との差と、個別制御電圧との関連を示す特性曲線から取り出される。

特性曲線は、種々異なる圧電素子での極めて多数の測定に基づいて実験的に求めて、例えば、自動車の制御装置内に記憶される。

方法の極めて有利な別の実施例では、圧電素子に充電過程直後に印加される電圧を、充電過程直後の電圧印加に続く放電過程直前に圧電素子に印加される電圧から偏移しないようになる迄、圧電素子に充電過程中印加される電圧を繰り返し高め、前述のようにして求めた電圧を、個別所要電圧として評価する。

方法の有利な別の実施例では、圧電素子に電圧が印加され、その際、圧電素子に充電過程直後に印加される電圧を、放電過程直前に圧電素子に印加される電圧から偏移しないようになる迄、圧電素子に充電過程中印加される電圧を繰り返し高め、そのようにして求めた電圧が、個別制御電圧として評価される。有利には、圧電素子に印加される電圧を繰り返し高めること、及び、放電過程の直前に圧電素子に印加される電圧を検出することが、噴射すべき流体の低い圧力で行われる。その際、電圧経過特性は、連続的に圧電素子で検出される。

図面
本発明の別の利点及び特徴について、以下、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際：
図１は、従来技術から公知の噴射弁の構成略図、
図２は、本発明の圧電素子の充放電時の制御時間に亘る電圧の略図、
図３は、圧電素子の電圧変化と個別制御電圧との関連を示す図、
図４は、本発明の別の実施例の圧電素子の個別制御電圧の検出の説明のための時間電圧経過特性の略図
である。

有利な実施例の説明
図１には、従来技術から公知の、中央開口部付の燃料噴射弁１が略示されている。上側部分で、圧電アクチュエータ２付の調整ピストン３が、中央開口部内に挿入されており、その際、調整ピストン３は、アクチュエータ２と固定して結合されている。調整ピストン３は、液圧式カップラ４を上の方に向かって密閉しており、下の方には、開口部に結合チャネルが設けられて第１の弁座６を形成しており、この第１の弁座６には、ピストン５が、弁閉成部材１２と共に設けられている。弁閉成部材１２は、２重閉成制御弁として構成されている。アクチュエータ２が休止期間中、弁閉成部材１２は、第１の弁座６を閉じる。アクチュエータ２の作動時に、即ち、制御電圧Ｕ_ａが端子＋，−に印加された場合、アクチュエータ２は、調整ピストン３を作動し、液圧式カップラ４を介して、ピストン５を閉成部材１２に、第２の弁座７の方向に押圧する。第２の弁座の下側には、相応のチャネル内にノズルピン１１が設けられており、このノズルピンは、制御電圧Ｕ_ａがどの程度印加されているかに応じて、高圧チャネル（コモンレール圧）１３内の出口を閉じたり、開いたりする。高圧は、噴射すべき媒体、例えば、内燃機関用の燃料を、供給部９を介して供給され、供給ノズル８及び排出ノズル１０を介して、ノズルピン１１及び液圧式カップラ４への媒体の流入量が制御される。その際、液圧式カップラ４の役割は、一方では、ピストン５の行程を大きくし、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減結合する。カップラ４が再充填された状態はここには示されていない。

以下、この燃料噴射弁の機能について詳細に説明する。アクチュエータ２の各制御時に、調整ピストン３は、液圧式カップラ４の方向に動かされる。その際、ピストン５も、閉成部材１２と共に第２の弁座７の方向に動く。その際、漏れ間隙を介して、液圧式カップラ４内にある媒体、例えば、燃料の一部分が圧力低下される。従って、液圧式カップラ４の機能を確実に保持するために、２つの噴射間で、液圧式カップラ４が再充填される必要がある。

供給チャネル９を介して、コモンレールシステムの場合には例えば２００〜２０００バールの大きさでありうる高い圧力が形成される。この圧力は、ノズルピン１１に対して逆に作用し、ノズルピン１１を閉じ、その結果、燃料は出ていくことができない。制御電圧Ｕ_ａの結果アクチュエータ２が作動され、従って、閉成部材１２が第２の弁座の方向に動くと、高圧領域内の圧力が低下し、ノズルピン１１は、噴射チャネルを開ける。Ｐ_１で、所謂カップラ圧力（例えば、液圧式カップラ４内で測定される）が示される。カップラ４内で、制御電圧Ｕ_ａなしで、静止圧力Ｐ_１が調整され、この静止圧力は、高圧部分内の圧力の、例えば、１／１０である。アクチュエータ２の放電後、カップラの圧力Ｐ_１は、ほぼ０であり、再充填によって再度圧力が高まる。

圧電アクチュエータ２の長さの変化は、圧電アクチュエータ２が第１の時間期間Δｔ_１内で電流を給電されるようにして達成される。第１の時間期間Δｔ_１は、圧電アクチュエータ２の充電過程である。この期間内に、圧電アクチュエータ２は、最大電圧Ｕ_ｍａｘに充電される。別の時間期間Δｔ_２（図２参照）内では、圧電アクチュエータの放電過程が生じる。この両期間間にある第３の時間期間Δｔ_３内では、圧電アクチュエータ２は、各長さ／力の変化時に電圧の変化を生じるセンサのように作用する。期間Δｔ_３内での電圧の時間経過は、充電過程直後、即ち、期間Δｔ_１の終わりに、圧電アクチュエータにどの程度の電圧が印加されるかに依存している。包括的な測定列内で、電圧が連続的に低減して、図２にＵ_{Ｒｅｇｅｌ}として示されている放電過程の直ぐ前の電圧に漸次近づく。

有利な実施例では、最大電圧Ｕ_ｍａｘと放電過程直前の電圧Ｕ_{Ｒｅｇｅｌ}との電圧差ΔＵが検出される。この電圧差は、圧電アクチュエータ２が更に膨張するので、充電電流のスイッチオフ後の調整ピストン３が未だ所定の行程が残っていることから生じる。この電圧差ΔＵが例えば大きい場合には、切換弁は、充電電流の遮断後更に別の行程を残している必要があり、それにより、圧電アクチュエータ２のセンサ領域内の電圧が強く低下する。と言うのは、アクチュエータ２は、閉成部材１２が調整ピストン３によって既に第２の弁座７の極めて近くに位置しているインジェクタの場合よりも更に膨張するからである。この場合には、ΔＵは小さい。

測定列内に、電圧差ΔＵがインジェクタの個別の所要電圧で補正されることが示される。そのために、そのような圧電アクチュエータ２は、個別の制御電圧Ｕ_ａを必要とする。と言うのは、弁座の直径、アクチュエータの変位量、摩擦等により、所要電圧に作用するばらつきが生じる。電圧差ΔＵが大きい場合、圧電アクチュエータの所要電圧は、小さな電圧差の場合よりも大きい。それに応じて、そのような噴射弁は、温度変化時に特性を形成する。温度が上昇すると、所要電圧が高くなり、それに応じて、電圧差が高まる。個別制御電圧Ｕ_ａは、電圧差が測定され、それから、例えば、図３に示されているような特性曲線に基づいて、個別制御電圧Ｕ_ａが特定されるようにして求められる。こうすることによって、唯一の測定を用いて、例えば、噴射弁１の量産中のコイル巻き過程の間、インジェクタの個別所要電圧を特定することができる。

本発明の別の実施例について、以下図４を用いて詳細に説明する。

図２に示されている例では、前述のように、充電過程の終わりに弁球体１２が更に第２の弁座７に達していない。弁球体１２は、更に動き、圧電アクチュエータ２は、一定充電の場合に更に膨張し、それにより、電圧は、図２に略示されているように低下する。

方法の別の実施例では、電圧Ｕ_ｍａｘは、連続的に更に高くなり、放電過程の終わりで、もはや変化しなくなる迄高くなる。その際、電圧は、理想的には低い圧力では小さなステップ幅で高くされる。これにより、噴射量は、極めて僅かしか影響されず、その結果、噴射弁１の作動は妨げられない。圧電素子に印加される電圧Ｕ_ｍａｘが、個別所要電圧に相応する値になると即座に、期間Δｔ_３内での電圧はもはや変化せず、その結果、電圧特性は、図４に略示された台形の形状となる。この場合、充電過程後圧電アクチュエータ２に印加される電圧Ｕ_ｍａｘは、例えば、制御装置内に記憶することができる個別所要電圧に相応する。圧電アクチュエータ２に放電過程後印加される電圧Ｕ_ｍａｘが更に高くなると、電圧特性はもはや変化しない。所要電圧から、例えば、特性曲線を介して、個別制御電圧を求めることができ、この制御電圧は、例えば、エネルギ上の理由から所定のように小さくされる。

別の実施例では、圧電アクチュエータに印加される電圧Ｕ_ｍａｘは、一定に保持され、充電時間が求められ、つまり、期間Δｔ_１の大きさは変化し、即ち、殊に、電圧の特徴点、つまり、充電過程後圧電アクチュエータ２に印加される電圧が、期間Δ内で実際上もはや変化しない電圧を求めるために、ステップ状に高くなる充電時間が求められる。

本発明の方法の前述の全実施例で有利に、個別制御電圧Ｕ_ａを付加的なセンサなしに求めることができ、更に、例えば、噴射弁が特徴的な点で作動される場合、つまり、圧電アクチュエータ２に放電過程後印加される電圧Ｕ_ｍａｘがもはや変化しない場合、噴射弁１の作動中、噴射弁１の動的特性についての情報も得ることができ、弁球体１２が第２の弁座１７に達しないようにすることができる。

従来技術から公知の噴射弁の構成略図 本発明の圧電素子の充放電時の制御時間に亘る電圧の略図 圧電素子の電圧変化と個別制御電圧との関連を示す図 本発明の別の実施例の圧電素子の個別制御電圧の検出の説明のための時間電圧経過特性の略図

Claims (7)

1. 個別圧電アクチュエータの制御電圧の検出方法において、
   前記個別圧電アクチュエータの電圧降下を充電過程後検出し、
   該検出の際、前記充電過程の直後に前記個別圧電アクチュエータに印加されている電圧を検出し、
   前記充電過程に続く放電過程の直前に前記個別圧電アクチュエータに印加されている電圧を検出し、
   前記充電過程の直後に検出した、前記個別圧電アクチュエータに印加されている電圧と、
   前記放電過程の直前に検出した、前記個別圧電アクチュエータに印加されている前記電圧とを相互に減算し、当該減算による差から、前記個別圧電アクチュエータの個別制御電圧を推定することを特徴とする方法。
2. 個別制御電圧を、充電過程の直後に検出した個別圧電アクチュエータに印加される電圧と充電過程の検出に後続する放電過程の直前に検出した、前記個別圧電アクチュエータに印加される電圧との差と、個別制御電圧との関連を示す特性曲線から取り出す請求項１記載の方法。
3. 特性曲線を、種々異なるアクチュエータでの極めて多数の測定に基づいて求める請求項２記載の方法。
4. 前記充電過程直後に前記個別圧電アクチュエータに印加される電圧と、当該の充電過程直後の電圧印加に続く放電過程直前に前記個別圧電アクチュエータに印加される電圧とが偏差しなくなる迄、充電過程中に前記個別圧電アクチュエータに印加される電圧を繰り返し高めて電圧を求め、
   当該の求めた電圧を個別所要電圧として決定し、
   当該の決定から、前記個別圧電アクチュエータの個別制御電圧を推定する、
   請求項１記載の方法。
5. 前記の個別圧電アクチュエータを自動車の燃料噴射弁に使用する際、前記の個別圧電アクチュエータに印加される電圧を繰り返し高めることと、前記の個別圧電アクチュエータから取り出し可能な電圧を検出することとを、噴射量が変化せずに噴射弁の作動が妨げられない、噴射すべき燃料の低い圧力にて行う、
   請求項４記載の方法。
6. 個別圧電アクチュエータの電圧経過特性を連続的に検出する請求項４又は５記載の方法。
7. 前記の個別圧電アクチュエータに印加される電圧を繰り返し高める代わりに単に前記個別圧電アクチュエータに一定の電圧を印加し、
   該印加時に充電時間を繰り返し延長し、
   充電過程直後に前記個別圧電アクチュエータに印加される電圧と、当該の充電過程直後の電圧印加に続く放電過程の直前に印加される電圧とが偏差しなくなるまで前記の充電時間を繰り返し延長する、
   請求項４から６迄の何れか１記載の方法。

Images