JP4532566B2 - 容量性負荷を駆動制御するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、容量性負荷、特に内燃機関の噴射弁のための圧電式アクチュエータを駆動制御するための方法及び装置に関する。

背景技術
ピエゾアクチュエータのような容量性負荷、すなわちその充電と放電が電気的な負荷電流を用いて行われる容量性負荷の駆動制御においては、駆動制御エレクトロニクスへの要求が著しく高まっている。容量性操作部材の１つの実施形態として挙げられるのは、噴射弁の操作に利用される圧電式アクチュエータ（単にピエゾアクチュエータとも称する）である。そのような噴射弁は内燃機関において、燃料（ガソリン、軽油など）を燃焼室へ噴射するために用いられる。この場合、精確かつ再現可能な弁の開閉、並びに駆動制御エレクトロニクスに対しても、相当に高度な要求が課される。そのためこの場合、数１００Ｖまでの範囲の電圧と短時間の１０Ａよりも大きい負荷電流を充電および放電のために供給しなければならない。駆動制御はたいてい、数ｍｓ以下で行われる。それと同時にこの充放電過程中は電流と電圧をできる限りコントロールして操作部材に供給しなければならない。

DE 199 44 733 A1 明細書からは、アクチュエータがトランスを介して充電コンデンサによって充電されるピエゾアクチュエータの駆動制御のための回路装置が公知である。この目的のためにトランスの１次側に配置された充電スイッチがパルス幅変調された制御信号を用いて駆動制御されている。ここでは充電スイッチも放電スイッチも、制御可能な半導体スイッチとして構成されている。圧電アクチュエータに対しては充電または放電の際に、予め設定されたエネルギーパケットの供給若しくは取り出しが行われる。所定のエネルギーパケットよりも小さいエネルギーパケットを必要とするときは、公知の回路装置では圧電アクチュエータに供給されそこから再び取り出されるエネルギーを時間的に平均化するために、著しく効率的な出力フィルターが必要とされる。そのため前記した公知の回路装置では所望の充電規模の正確でかつ再現可能な設定には問題が生じる。

本発明の課題は、容量性負荷を駆動制御する方法及び装置において、高い分解能と再現性を達成できるようにすることである。

この課題は、請求項１記載の方法、乃至、請求項６記載の装置により解決される。従属請求項は本発明の有利な実施例に相当する。

発明を実施するための最良の形態
本発明によれば、内燃機関の噴射弁のための容量性負荷、特にピエゾアクチュエータの駆動制御のための方法において、前記容量性負荷の負荷電流を用いた充電のための充電過程と放電のための放電過程が含まれており、前記充電過程の期間中は最大設定値が第１のステップにおいては単調に上昇し、第２のステップにおいては実質的に一定に維持され、さらに第３のステップにおいては単調に降下しており、前記放電過程の期間中は最小設定値が第１のステップにおいては単調に降下し、第２のステップにおいては実質的に一定に維持され、さらに第３ステップにおいては単調に上昇しており、所望の充電規模の設定のために充電過程の第３のステップと後続の放電過程の第１のステップとの時間的な可変の重畳部分が存在する。

本発明による駆動制御においては負荷電流が２つの設定の間で振動され得る。このことは多岐に亘ってそれ自体公知の駆動制御構成のもとで実際の負荷電流の簡単な測定とそれに基づく充/放電スイッチの駆動制御によってほぼ実現が可能である。所望の充電規模（例えば充電過程の終了時点にて蓄えられた電気的充電量など）は、本発明によってそれぞれ３つのステップに分けられた、高い分解能と良好な再現性を備えた充放電過程によって設定される。なぜならこれに対しては以下でも説明する一連の可変のパラメータが得られるからである。そのようなパラメータとして本発明によれば所望の充電規模の設定のために、充電過程の第３ステップと、後続する放電過程の第１ステップの時間的な重畳部分が用いられる。容量性負荷内へ給電される最大エネルギーないし最大充電量の設定は、この場合比較的簡単に設定できる駆動制御回路構成のもとにおいても、煩わしい量子化などはなしで、つまり実質的に無段階に可変である。

本発明による駆動制御手段の実施形態によれば、放電過程から後続の充電過程への移行の際に、放電過程の第３ステップと後続する充電過程の第１ステップとの時間的重畳部分が設けられ、作動パラメータに依存して変更される。

前記容量性負荷が内燃機関の燃料インジェクタのピエゾアクチュエータであるならば、それに相応して正確でかつ再現可能な噴射弁の開閉が達成される。この関係においては、将来的な排ガス制限値の維持のために、燃焼工程毎の燃料噴射過程の数が増加されなければならない（例えばプレ噴射、パイロット噴射、メイン噴射、事後噴射など）。これにより個々の噴射時間と圧電アクチュエータに対する駆動制御時間はいっそう短くなっていき、これによって駆動制御系電子装置に対するさらなる付加的要求が課される。

本発明の有利な実施例によれば、充電規模の設定のためにさらに充電過程における第１のステップの終了時点で達成される最大設定値及び／又は第２のステップの持続時間が変更される。それにより充電規模の設定のために有利には１つ又は２つのさらなるパラメータが使用される。

このような可変の複数のパラメータが特性（曲線）マップから読み出されるのならば、充電規模の設定は特に回路技術的にも簡単な形式で非常に正確に達成できるようになる。燃料インジェクタのピエゾアクチュエータの駆動制御の場合にはそのようなパラメータが特性マップから例えば駆動性制御設定値（例えば所望の噴射量）とさらなる測定量若しくは測定量から導出された特性量に依存して予め定めることが可能である。この特性マップないし特性曲線マップには例えば内燃機関における種々のパラメータ間の対応関係、例えば所要燃料量と所要ピエゾ充電量に対する回転数及び／又は負荷との対応関係を含ませることができ、さらにこれらを例えば実験的に若しくは計算上で求めて記憶させてもよい。

別の有利な実施例によれば、充電過程の期間中に最小設定値が実質的に０であり、及び／又は放電過程の期間中に最大設定値が実質的に０である。それにより負荷電流の充電過程の第１のステップの期間中は平均して緩やかな上昇となり、第２のステップの間はほぼ一定に維持され、そして第３のステップの期間が再び低減するようになる。代替的に若しくは付加的に放電過程に対しても相応のことが当てはまる。内燃機関における燃料噴射への適用では、最初の期間に亘る充電量の緩やかな変更と充電ないし放電過程の終了経過によって調整部材のオーバーシュートが回避される。その他にもこれによって障害を及ぼすような機械的作用または音響的作用が低減される。

更に有利には、充電過程中の最大設定値の時間的経過及び／又は放電過程中の最小設定値の時間的経過がほぼ台形状の形態を有している。このような設定形態のもとでは所望の充電規模の設定が特に当該の台形状のパラメータの変更によって非常に簡単に行うことができる。このことは、充電過程の第３ステップと後続の放電過程の第１ステップとの可変の時間的な重畳に対して任意に行われ得る。なお本発明の枠内では、前述したような最大設定値及び／又は最小設定値の所望の台形状の経過特性の他にもその他の任意の特性経過形状、例えば単調な開始／終了のような経過も考えられる。それらは充電過程から放電過程への移行の際の時間的な重畳も可能である。

最大設定値のみならず最小設定値も例えばロックアップテーブルの読み出しなどに基づいたデジタル方式の制御ユニットによって生成されてもよい。

本発明による駆動制御装置の有利な実施形態によれば、出力段に入力される制御信号に基づいて負荷電流を送出するための出力段と、駆動制御設定値と少なくとも実際の負荷電流の測定値に基づいて制御信号を送出するための制御ユニットが含まれている。

この場合に利用される出力段は多種多様な方式で実現され得る。これに適する回路構想は当業者には一般に公知である。有利な実施形態によれば出力段が例えばバック・ブーストコンバータとして実施される。この場合は充電スイッチと放電スイッチが給電電圧源の端子間のハーブブリッジとして配設されてもよい。これはスイッチ間のタップにおいて、電流制限可能な構成部材（例えばチョークコイル）を介して容量性負荷に印加される負荷駆動制御電圧を設定するためである。充放電スイッチに対する半導体スイッチの適用のもとではこれらのスイッチが例えばパワーＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴとして構成され得る。その場合これらの半導体スイッチの制御端子には制御ユニットから制御信号が印加される。

次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。この場合
図１は駆動制御回路のブロック回路図であり、
図２は駆動制御回路の具体例を示した図であり、
図３は図２による回路の作動中のいくつかの信号の時間経過を表した図であり、
図４は、図２による回路の作動中に認められる充電過程の終りと後続の放電過程の始まりの時間的な重なり部分を概略的に表した図である。

実施例
図１にはピエゾアクチュエータＰの駆動制御のための回路のブロック回路図が示されている。このピエゾアクチュエータはインダクタンスＬを介して出力段Ｅに接続されている。出力段Ｅは、インダクタンスＬを介してピエゾアクチュエータを充電ないしは放電する電流Ｉ_Lを供給する。出力段Ｅは慣用のスイッチングコンバータとして実装することができ、例えばバック・ブーストコンバータ、フライバックコンバータあるいはＳＥＰＩＣコンバータとして実装することができる。さらに出力段Ｅは、制御ユニットＳＴから駆動制御設定値に基づいて、あるいは出力段Ｅ及び／又はピエゾアクチュエータＰの領域で求められる測定量（例えば圧電電圧及び／又は圧電電流）を考慮して求められる制御信号Ｓ（例えば１つ又はそれ以上の制御電圧）に依存して電流を供給する。

図２には図１による駆動制御回路の実施例が示されている。

出力段Ｅは、回路ノード（電圧Ｕ_S）から出発して再びインダクタンスＬを介してピエゾアクチュエータＰに負荷電流Ｉ_Lを供給する。ピエゾアクチュエータは電流測定抵抗ＲＳと直列に接続されている。

抵抗ＲＳにおいて降下する電圧Ｕ_RSは、ピエゾアクチュエータＰの充放電の際に流れる負荷電流Ｉ_Lを代表する。ここではピエゾアクチュエータＰにおいて降下する圧電電圧Ｕ_Pと共に出力電圧Ｖ_outが生じている。出力段Ｅは入力電圧Ｖ_inを供給されているので、当該の回路装置は電圧Ｖ_inを電圧Ｖ_outに変換する制御された電圧変換器とみなすこともできる。

但し前記抵抗ＲＳはいわゆるシャントとして非常に小さな抵抗値しか有さないので、実際にはそこで降下する電圧は圧電電圧に比べて無視することができる。

測定電圧Ｕ_RSは、当該の負荷電流Ｉ_Lを代表する電圧を正の閾値ｔｈ_pos及び負の閾値ｔｈ_negと比較するために２つのコンパレータＫ１，Ｋ２に供給される。これらのコンパレータの出力側からの当該比較結果に相応する信号は符号Ｃ_posとＣ_negで表されている。

圧電駆動制御電圧ＵSを提供する回路ノードは、充電スイッチＴ１と放電スイッチＴ２からなる直列回路の中央タップである。これらのスイッチＴ１，Ｔ２は有利にはそれぞれトランジスタとして、特にＮチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成される。これらのスイッチに対してはそれぞれ１つのフリーホイリングダイオードＤ１，Ｄ２が並列に接続されている。前記スイッチとしてＭＯＳＦＥＴが用いられる場合には、これらのダイオードも省くことができる。なぜならそのようなトランジスタは構造上そのような集積されたダイオードを有しているからである。このケースでは外部のフリーホイリングダイオードが任意付加されてもよい。Ｔ１とＴ２からなる直列回路は入力電圧Ｖ_inを印加される。充電スイッチＴ１に対して並列に充電エネルギー蓄積器ないしはコンデンサＣ_Lが接続されている。代替的に若しくは付加的にリングアラウンドエネルギー蓄積器"Umschwingenergiespeicher"ないしリングアラウンドコンデンサ"Umschwingkondensator"が放電スイッチＴ２に並列に接続されてもよい。そのようなコンデンサＣ_Uは図中波線で示されている。

制御ユニットＳＴは初期化され、出力段Ｅによって負荷電流Ｉ_Lを用いて実施されるアクチュエータＰの充/放電のための充/放電過程を制御する。この目的のために制御ユニットＳＴの出力側からは制御信号Ｓ1とＳ2が送出され、これらの信号はトランジスタＴ１とＴ２の制御端子（ゲート）に供給される。

制御ユニットＳＴの入力側には信号Ｖ_in、Ｖ_out、Ｃ_pos、Ｃ_negが供給される。

図示の実施例では、実際の負荷電流Ｉ_Lと最大設定値及び最小設定値との比較に必要な閾値ｔｈ_pos及びｔｈ_negも制御ユニットＳＴから供給される。

図３には、時間経過ダイヤグラム（時間軸ｔ）に基づいて充電過程から後続の放電過程までの移行が概略的に示されている。

図示の時間経過のスタートにおいては充電スイッチＴ１が閉じられ、放電スイッチＴ２は開かれる（図中の制御浸透Ｓ1及びＳ2参照）。それに応じて、入力電圧Ｖ_inによって設定されるノード電圧Ｕ_Sの最大値が生じる。このノード電圧はインダクタンスＬを介してアクチュエータＰに印加される。このフェーズにおいてはアクチュエータを流れる負荷電流Ｉ_Lが上昇する。

負荷電流が最大設定値Ｉｔｈ_posに達すると（このことは比較器出力信号C_posを介して把握される）、制御ユニットは充電スイッチＴ１の開放を引き起こし、所定の時間遅延Δｔ２の後で放電スイッチＴ２の閉成を引き起こす。スイッチＴ１の開放直後では、負荷電流がまずフリーホイリングダイオードＤ２を介して供給される。時間遅延Δｔ２は、これに対して並列に配設されたスイッチＴ２の"ソフト"な接続を可能にさせる。出力段Ｅの構成要素の具体的なディメンション、特に任意の振動コンデンサＣ_Uないしそのキャパシタンスの存在に依存して、負荷電流Ｉ_Lの経過は多かれ少なかれ図３に示されている経過からは大きくずれる。しかしながら実質的にはスイッチＴ１の所定の開放後ないしはスイッチＴ２の閉成後の所定の時間、電流が再び低減する。

負荷電流Ｉ_Lが、閾値ｔｈ_negによって定められる最小設定値Ｉｔｈ_negに達すると同時に（このことは比較器出力信号C_negによって識別される）、制御ユニットＳＴはスイッチＴ２の開放を引き起こし、所定の時間遅延Δｔ1の後でスイッチＴ１の閉成を引き起こす。それに続いて電流Ｉ_Lが再び上昇する。

図３からわかるように、前述した過程は繰り返され、それによって負荷電流は最大設定値と最小設定値の間で変動（振動）する。有利には、前記最大設定値と最小設定値の各立ち上がり縁もしくは立ち下がり縁内にほぼ５〜１０個の"負荷電流パルス"が存在するようにすべきである。

図４には充電過程とそれに続く放電過程に対するこれらの電流設定値Ｉｔｈ_pos及びＩｔｈ_negの時間経過が概略的に示されている。

充電過程の間は最小設定値Ｉｔｈ_negが実質的に０であり、それに対して放電過程の間は最大設定値Ｉｔｈ_posが実質的に０である。充電過程の間は、最大設定値がまず線形に上昇し（ステップａ部分）、その後で所定の時間の間一定に維持され（ステップｂ部分）、引き続き再び線形に降下している（ステップ部分ｃ）。この設定値は時間経過において台形状の経過を有している。同じような形式で最小設定値Ｉｔｈ_negも放電過程において台形状に経過する。すなわちここでも３つのステップ部分ａ，ｂ，ｃに分けられる。

所望の充電規模（これは図示の実施例では例えば充電過程の終りに達成されるアクチュエータの最大偏倚ないし最大充電量を表す）を設定するために、制御ユニットＳＴは多かれ少なかれ充電過程の第３ステップｃと放電過程の第１ステップａの所定の時間的重畳部分Δｔｔｈをもくろむ。このような作動中の可変の重畳部分によってピエゾアクチュエータＰの駆動制御は、高い分解能で良好な再現性を伴って行われ得る。

ここでは所定の形式で充放電の連続的な入換えが行われる。時間的な移行領域においては利用される電流設定値（上方及び下方の閾値ｔｈ_pos及びｔｈ_neg）が同時に同じ目的で変更される。前記重畳部分Δｔｔｈの他には、当該駆動制御回路は実質的に２つの電流設定値（正または負）のうちの一方のみが考慮されて動作している。これらの電流設定値は電流制御の基準値として利用される（バック・ブーストコンバータの原理）

駆動制御回路のブロック回路図 駆動制御回路の具体例を示した図 図２による回路の作動中のいくつかの信号の時間経過を表した図 図２による回路の作動中に認められる充電過程の終端と後続の放電過程の始端の時間的な重なりを概略的に表した図

Claims (7)

1. 内燃機関の噴射弁のための容量性負荷（Ｐ）、特にピエゾアクチュエータの駆動制御のための方法において、
   前記容量性負荷（Ｐ）の負荷電流（Ｉ_L）を用いた充電のための充電過程と放電のための放電過程が含まれており、前記負荷電流（Ｉ _L ）は、充電過程における負荷電流の最大値を規定する最大設定値（Ｉｔｈ _pos ）と放電過程における負荷電流の最小値を規定する最小設定値（Ｉｔｈ _neg ）の間で変動し、
   前記充電過程の期間中は前期最大設定値（Ｉｔｈ_pos）が第１のステップ（ａ）においては単調に上昇し、第２のステップ（ｂ）においては実質的に一定に維持され、さらに第３のステップ（ｃ）においては単調に降下しており、前記放電過程の期間中は前期最小設定値（Ｉｔｈ_neg）が第１のステップ（ａ）においては単調に降下し、第２のステップ（ｂ）においては実質的に一定に維持され、さらに第３ステップ（ｃ）においては単調に上昇しており、所望の充電規模の設定のために充電過程の第３のステップ（ｃ）と後続の放電過程の第１のステップ（ａ）との時間的に可変の重畳部分（Δｔｔｈ）が存在するようにしたことを特徴とする方法。
2. 充電規模の設定のために、充電過程における第１のステップ（ａ）の終了時点で達成される最大設定値（Ｉｔｈ_pos）及び／又は第２のステップ（ｂ）の持続時間が変更される、請求項１記載の方法。
3. 充電規模の設定のために、内燃機関の駆動制御に関するパラメータが特性曲線マップから読み出される、請求項１または２記載の方法。
4. 充電過程の期間中に最小設定値（Ｉｔｈ_neg）が前記重畳部分（Δｔｔｈ）を除き０であり、及び／又は放電過程の期間中に最大設定値（Ｉｔｈ_pos）が前記重畳部分（Δｔｔｈ）を除き０である、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 充電過程中の最大設定値（Ｉｔｈ_pos）の時間的経過及び／又は放電過程中の最小設定値（Ｉｔｈ_neg）の時間的経過がほぼ台形状の形態を有している、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 請求項１から５いずれか１項記載の方法を実施するための手段を含んでいることを特徴とする装置。
7. 出力段に入力される制御信号（Ｓ；Ｓ１，Ｓ２）に基づいて負荷電流（Ｉ_L）を送出するための出力段（Ｅ）と、
   駆動制御設定値と少なくとも実際の負荷電流（Ｉ_L）の測定値に基づいて制御信号（Ｓ；Ｓ１，Ｓ２）を送出するための制御ユニットが含まれている、請求項６記載の装置。

Images