JP4705689B2 - 圧電インジェクタの開放電圧を確定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータを備えたインジェクタ、特に内燃機関のインジェクタの開放電圧を確定するための方法であって、インジェクタの遮蔽状態において初期電圧が圧電アクチュエータに印加され、インジェクタを開くための電圧が圧電アクチュエータの通電によって低減される形式の方法、並びに該方法を実施するための制御機器に関している。

最近のディーゼル機関及びオット機関のための燃料インジェクタ（インジェクタ）の噴射ノズルは動的な高い要求のために圧電素子（圧電アクチュエータないしピエゾアクチュエータ）を介して直接的若しくは間接的に操作されている。

しかしながらそのような圧電素子の機械的及び電気的特性はその寿命に亘って一定に保たれるものではない。アクチュエータのストロークやキャパシタンス、剛性もその寿命に亘って変化する。このような変化は高価で複雑な測定技術なしでは運転中に直接検出することができず、そのため補償することもできない。その結果として噴射燃料量のくるいにつながる。

発明の開示
それ故に本発明の課題は、冒頭に述べたような方法及び制御機器において、前述したような経年劣化現象の補償ができるように検出の改善を行うことである。

前記課題は、圧電アクチュエータを備えたインジェクタ、特に内燃機関のインジェクタの開放電圧を確定するための方法であって、インジェクタの遮蔽状態において初期電圧が圧電アクチュエータに印加され、インジェクタを開くための電圧が圧電アクチュエータの通電によって低減される形式の方法において、保持電圧のもとでの通電を中断し、その後で圧電アクチュエータに印加されている電圧変化を時間に関して測定し、その際に電圧が上昇した場合に開放電圧の到達を判別するようにして解決される。

本発明のさらなる構成例によれば、燃料噴射のための噴射保持電圧を、通電中断後の電圧上昇値が最小値を下回るまで漸次高められる。

本発明のさらに別の構成例によれば、燃料噴射のための噴射保持電圧を、通電中断後の電圧上昇が最小の勾配を下回るまで漸次高められる。

この方法は有利には内燃機関の規則的な作動モード中に実施される。このことは当該方法が例えば修理工場の付加的な制御機器や検査機器を必要とすることなく車両内の既存の手段を用いて実施できることを意味する。この方法は有利には、運転期間中の所定の時間間隔の経過後に、又は所定の期間の経過後に、制御機器によってプログラム制御されて自動実行される。

別の有利な構成によれば、インジェクタの保持電圧が変更され、噴射量補償制御部の積分器が監視される。さらに別の改善構成によれば、インジェクタの駆動制御時間及び／又は駆動制御電圧が噴射量補償制御部によってより多くの噴射量が生じるように変更された場合に開放電圧の達成が識別される。

また前記課題は、インジェクタの遮蔽状態において初期電圧が圧電アクチュエータに印加され、インジェクタを開くための電圧が圧電アクチュエータの通電によって低減される、圧電アクチュエータを備えたインジェクタ、特に内燃機関のインジェクタの開放電圧を確定するための手段を備えた制御機器において、保持電圧のもとでの通電を中断し、その後で圧電アクチュエータに印加されている電圧変化を測定し、電圧が上昇した場合に開放電圧の達成を識別するように構成されて解決される。

図面の簡単な説明
以下では図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。これらの図面中、
図１は本発明の技術的な環境を示し、
図２は、印加された最大電圧に関する圧電インジェクタの噴射量の例を示した図であり
図３は、通電遮断時の圧電インジェクタの圧電素子における電圧経過の例を示した図であり、
図４は、図３における領域Ｘの拡大詳細図であり、
図５は、この方法の実施例のフローチャートを示す図である。

本発明の実施形態
図１には蓄圧式噴射システム１０が示されており、このシステム１０はインジェクタ（噴射弁）１２と、制御機器１４と、燃料蓄圧器１６と、燃料タンク１８と、高圧ポンプ２０と、圧力センサ２２と圧力制御弁２４とを有している。インジェクタ１２は高圧管路２６を介して蓄圧器１６に接続されている。そのためその内部は定常的に蓄圧器１６内部の圧力と同じ圧力で占められている。インジェクタ１２の内部には圧電アクチュエータ２８が設けられており、この圧電アクチュエータ２８はｎ個の圧電材料層からなる積層部として実現されており、これらの層はそれぞれ第１の端子３０と第２の端子３２の間で電気的な環境に置かれている。

圧電アクチュエータ２８は、油圧結合器３４を介して噴射ノズル３６に接続されており、さらに制御機器１４によって制御されている。それに対して制御機器１４は線路と測定電子系３８と制御ユニット４０を有している。結合器３４はチョーク４２を有している。このチョーク４２は結合器３４の内外で緩慢に行われる圧力補償を可能にしている。それにより噴射ノズル３６に対する圧電アクチュエータ２８の迅速な長さ変化のみが伝達され、熱的に誘発される緩慢な体積変化が補償される。

電力及び測定電子系３８に対する介入制御は図１中に矢印４４で表されている。矢印４６は電力及び測定電子系３８によって検出された電圧Ｕの制御ユニット４０への引渡しを表している。圧電アクチュエータ２８の充放電は端子３０、３２を介して行われる。燃料高圧蓄積器１６内の燃圧ｐまたは蓄圧式燃料噴射システム１０におけるその他の高圧下の燃料案内部分における燃圧ｐは、圧力センサ２２によって検出され、制御機器１４に伝送される。

図１中に基本的に示されているように、長さ変化を伴う圧電アクチュエータ２８は、油圧式結合器３４を介して噴射ノズル３６に直接作用する。この噴射ノズル３６は、圧電アクチュエータ２８が充電されてそれと共に伸張した場合にはその座部に固定される。この場合の遮蔽力は結合器空間内の圧力によって生成される。圧電アクチュエータ２８が放電されると、圧電アクチュエータ２８自身は収縮し、燃料の充填される油圧式結合器３４を介して噴射ノズル３６の負荷が軽減される。噴射ノズル３６の圧力肩部４９に現われる噴射圧力は、噴射ノズル３６に作用する開放圧力を絶え間なく形成している。圧電アクチュエータ２８の放電のもとで結合器３４内部の圧力が開放圧力の絶対値よりも下方に低減した場合には、このことは噴射ノズル３６の座部からの引き上げにつながり、さらにそれに伴って燃料の噴射が引き起こされる。

図２には、圧電インジェクタ１２の噴射量Ｑの１例が圧電アクチュエータ２８に印加された初期電圧Ｕ_Aに亘って示されている。この場合横座標には、圧電アクチュエータ２８に印加された初期電圧Ｕ_Aがプロットされており、縦座標には噴射量Ｑがｍｍ³で表されている。図２中の特性曲線には前述したような噴射量が２００ｂａｒ〜２０００ｂａｒの間の種々のレール圧毎に表されている。ここから明らかなことは、所定の初期電圧Ｕ_Aからは、レール圧に依存して大幅な噴射量Ｑの上昇が現われることである。この場合図２では、アクチュエータにおいて初期電圧Ｕ_Aから約０Ｖの開放電圧Ｕ_OEまでの電圧降下が生じており、これは圧電素子が完全に放電されていることを意味する。図２にはアクチュエータにおける所要最小初期電圧Ｕ_Aが、それぞれＵ_{AMin(レール圧)}と共にプロットされている。この場合例えば２０００ｂａｒの噴射圧ないしレール圧の際の確実な噴射のための圧電素子における所要最小初期電圧はＵ_AMin(2000)で表す。例えば２０００ｂａｒのレール圧において圧電アクチュエータ２８が１２０Ｖの初期電圧Ｕ_Aで駆動されるならば、インジェクタ１２は０Ｖまでの電圧低下のもとで開放されない。それに対して２０００ｂａｒのレール圧のもとで約１２５Ｖの初期電圧Ｕ_Aの場合には、０Ｖまでの電圧低下の際に例えば３０ｍｍ³の噴射量が得られる。遮蔽電圧をさらに高めた場合には噴射量が僅かに上昇する。例えば２０００ｂａｒのレール圧で２００Ｖの遮蔽電圧にした場合には、０Ｖまでの電圧低下の際に約４４ｍｍ³の噴射量が達成される。圧電インジェクタ１２の作動は、そのつどのレール圧に対する電圧Ｕ_AMinの上方で行われる。圧電アクチュエータ２８は、実質的にはコンデンサに類似している。この場合インジェクタの遮蔽状態において初期電圧Ｕ_A（例えば当該実施例では１８０Ｖ）が印加される。インジェクタの開放に対しては、圧電素子が放電され、その場合にはシフト電流が流れる。補助回路図として最も簡単なケースでは、圧電素子の端子間に配設され切換え可能なオーム抵抗が回路図毎に示され、それを介して圧電素子が放電される。スイッチが閉じられると圧電素子が放電され、スイッチが開かれるとこの放電は中断される。

図３には本発明による方法の実施例における圧電アクチュエータ２８の電圧経過が示されている。この実施例では初期電圧Ｕ_Aは１８０Ｖである。燃料噴射を中止するためには圧電アクチュエータ２８が放電され、その場合にはシフト電流が流れる。図３には３つの充電フェーズに対する放電特性曲線が示されており、まず最初は第１の放電フェーズＡにおいて圧電アクチュエータ２８が放電され、この放電は保持電圧Ｕ_Hのもとで中断する。この中断は通電休止フェーズΔｔとも称され、時点ｔ_1n〜時点ｔ_2nまで続く。ここで前記インデックスｎは特性曲線１，２，３である。時点ｔ_2nからは第２の放電フェーズＢにおける放電が再び続けられる。図３には圧電アクチュエータ２８の様々な保持電圧Ｕ_H1,Ｕ_H2,Ｕ_H3までの放電に対する特性曲線が示されている。図４には図３中に円Ｘで区切られた領域の拡大図が示されている。なおインデックスは読取り安くする理由から以下の説明では省く。圧電アクチュエータ２８の放電は、時点ｔ1〜時点ｔ2ｎまでに対する保持電圧Ｕ_Hのもとで中断される。時点ｔ₁とｔ₂の間の期間はここでは通電休止フェーズΔｔとも称される。図３には異なる保持電圧Ｕ_Hnに対する複数の電圧経過が特性曲線１，２，３として示されており、詳細には保持電圧Ｕ_H1に対する特性曲線１，保持電圧Ｕ_H2に対する特性曲線２、並びに保持電圧Ｕ_H3に対する特性曲線３が示されている。時点ｔ₁、ｔ₂の直ぐ後にはそれぞれｔ_1n,ｔ_2n,ｔ_3n,ｔ_4nのようにインデックスが付され、この場合前記ｎは保持電圧Ｕ_Hのインデックスに相応し、例えば保持電圧Ｕ_H1に対する特性曲線１に対してはｔ₁₁,ｔ₂₁及びΔｔ₁となる_。この場合保持期間Δｔ_nはそれぞれ同じように選択される。保持期間Δｔの終了した後では圧電素子はさらに通電され、それによって圧電アクチュエータ２８における電圧が引き続き低下する。

図４からはそれぞれ時点ｔ_1nとｔ_2nの間の電圧経過が読み取れる。この電圧経過は以下の明細書で特性曲線１に基づいて説明する。圧電アクチュエータ２８に関する電圧Ｕは、まず時点ｔ₁₁での通電フェーズの終了後にはさらに時点ｔ₃₁まで低下し、この場合これは極小値に達し、その後は時点ｔ₄₁まで再び上昇する。時点ｔ₄₁と、圧電素子の通電が再開される時点ｔ₂₁との間では圧電素子に関する電圧Ｕが再び低下する。通電フェーズ内の時点ｔ₃₁の極小値と時点ｔ₄₁の極大値の間の電圧Ｕはここでは約３Ｖである。

放電が約６５Ｖの保持電圧Ｕ_H3のもとで中断すると（これは時点ｔ₁₃におけるケースに相応する）、まず電圧が引き続き時点ｔ₃₃まで低下し続け、その後で再び上昇する。この上昇は具体的には時点ｔ₂₃の通電再開まで行われ、約５Ｖの電圧変化ΔＵ₃を含んでいる。この電圧変化はここでは約８５Ｖの保持電圧Ｕ_H1の場合よりも大きく、８５Ｖの保持電圧Ｕ_H1における時点ｔ₃₁でのケースのように顕著な極大値は有さない。６５Ｖの保持電圧Ｕ_H1における通電休止フェーズ中の圧電素子に関する電圧Ｕの明らかな上昇は、インジェクタ１２の開放を引き起こす。

圧電アクチュエータ２８の電圧の上下変化が大きければ大きいほど、油圧結合器３４の圧力低減によるノズル負荷の軽減も増える。所期の電圧上下変化の時点からノズルは座部から引き上げられるが、その限りではアクチュエータ応力とノズル応力の間で油圧結合器３４における上昇圧力を介した応力均衡が形成されるまで、ノズル自身が圧力の徐々の侵入によって突発的に上方に動く。この場合は事前に伸張する結合部分はアクチュエータ、ノズル、結合器の結合部からなり、この場合ノズルが再び強く押される。この押圧により圧電アクチュエータ内の圧電効果を介して当該圧電アクチュエータ２８内部で電圧が誘起され、この電圧は放電フェーズΔｔにおいてはっきりとわかる。

放電フェーズΔｔにおいて時点ｔ_3nの極小値に達した時点から常に正の勾配を有する電圧上昇が観察されると、インジェクタ１２が開かれる。極小値ΔＵ_minよりも上方の電圧上昇（図３及び図４の実施例においては約３Ｖの値を超える上昇）が観察されても同じようにインジェクタ１２の開放が推定される。

電圧勾配ΔＵ／Δｔが極小値に達した場合にもインジェクタ１２の開放が推定される。ここでは例えば時点ｔ_2ｎにおける通電再開直前に勾配が観察され得る。この勾配が顕著な正の勾配ならば、これは実施された燃料噴射に由来し得る。時点ｔ_3nにおける極小値の到達直後の領域における勾配は常に正の勾配であり、これは当該観察には適さない。

前述した本発明による方法を用いれば、内燃機関の運転中の電圧変動に際して、若しくは一定の遮蔽電圧に基づいてどの開放電圧のもとで、開放電圧インジェクタ１２が開かれたが確定可能となる。この方法によれば、順次連続する燃料噴射のもとで電圧変動が漸進的に低減され、内燃機関の規則的な定常運転中の実施が実現され得る。放電フェーズΔｔ（通電休止フェーズ）において負の電圧勾配、例えば図４中の特性曲線１中に認められるような負の電圧勾配が発生すると直ちにインジェクタ１２の開放が中止される。同じことは通電休止フェーズ中の電圧差分ΔＵが閾値ΔＵ_S以下に低減した場合にも当てはまる。図４の実施例の場合ではこの閾値は約３Ｖである。本発明による方法が内燃機関の平均的な回転数領域において実施されるならば、インジェクタ１２の開放が中断されるような電圧変動が生じた場合に損なわれる燃料噴射が内燃機関の安定動作や走行快適性に与える影響を僅かに抑えることができる。さらにこの方法は長いスタンスの時間制御又は作動時間制御によって実施することも可能であり、例えば月ごと又は半年毎にあるいは内燃機関が所定の期間使用された後で行うことも可能である。

前記方法の実施に対する１つの実施例においては車両運転中に個々のインジェクタ１２の駆動電圧が前述したように変化し得るので噴射量補償制御部（ＭＡＲ）の積分器が監視される。この噴射量補償制御部は個々のシリンダの均等な調整を行っており、つまり個々のシリンダによって内燃機関におけるできるだけ均等な総トルク成分が得られるように調整している。このことは通常は均等な燃料噴射に結び付く。噴射量補償制御部は、インジェクタ１２の電圧変化の変動の際とそれに伴う噴射量減少の際に、駆動制御時間ないしは駆動電圧を変更させて、より多くの噴射量が生じるように制御している。検査すべきインジェクタ１２の積分回路ないし積分器において前述したように電圧変化の変動のもとで上方に向けて急峻な勾配の経過が生じると直ちに臨界的な駆動電圧ないしは臨界的な電圧上下変動に到達し、その場合には噴射される燃料量が突発的に低下する。

図５は、この方法の実施例のフローチャートを示す図である。ステップ１０１では圧電アクチュエータ２８が初期電圧Ｕ_Aの印加によって通電し、それによって圧電アクチュエータ２８における電圧Ｕが低下する。ステップ１０２では、保持電圧Ｕ_Hのもとで圧電アクチュエータ２８の通電が中断される。この中断はステップ１０３において期間Δｔの間継続される。期間Δｔの間は圧電アクチュエータ２８に印加される電圧Ｕが測定される。その際には電圧変化ΔＵが時間に関して測定される。ステップ１０４では前述したような電圧変化ΔＵが評価される。ステップ１０５では、そのように求められた電圧がインジェクタの開放電圧であるか否かが検査される。このことが当てはまる場合にはこの方法はステップ１０７において終了し（ケースＮの場合）、このことが当てはまらない場合（ケースＪの場合）にはステップ１０６に分岐する。ステップ１０６では保持電圧Ｕ_Hが高められ（このことは図５では＋＋Ｕ_Hで表されている）その後でステップ１０１にフィードバックされる。

本発明の技術的な環境を示した図 印加された最大電圧に関する圧電インジェクタの噴射量の例を示した図 通電遮断時の圧電インジェクタの圧電素子における電圧経過の例を示した図 図３における領域Ｘの拡大詳細図 この方法の実施例のフローチャートを示した図

Claims (6)

1. 圧電アクチュエータ（２８）を備えた内燃機関のインジェクタ（１２）の開放電圧を確定するための方法であって、前記インジェクタ（１２）の遮蔽状態において制御機器（１４）の初期電圧（Ｕ_A）を圧電アクチュエータ（２８）に印加し、さらに前記制御機器（１４）からの圧電アクチュエータ（２８）への電流通流による圧電アクチュエータ（２８）で生じる放電に基づいてインジェクタ（１２）を開くための開放電圧（Ｕ_oe）を低減させる方法において、
   制御機器（１４）から圧電アクチュエータ（２８）入力側へ保持電圧（Ｕ_H1,Ｕ_H2,Ｕ_H3,…Ｕ_Hn）が印加されている場合に、当該制御機器（１４）から圧電アクチュエータ（２８）への電流通流を中断し、その後で、圧電アクチュエータ（２８）の入力側に印加された電圧の変化（ΔＵ）を制御機器（１４）によって時間に関して測定し、測定された電圧変化（ΔＵ）において電圧上昇があった場合に、圧電アクチュエータを開放するための開放電圧（Ｕ_oe）の達成を制御機器（１４）によって確定し、さらに、
   前記ピエゾアクチュエータ（２８）に対する可変の保持電圧（Ｕ _H1 ,Ｕ _H2 ,Ｕ _H3 ,…Ｕ _Hn ）を、噴射毎に、前記ピエゾアクチュエータ（２８）での電圧変化（ΔＵ）における電圧上昇値が極小値（ΔＵ _min ）を下回るまで漸次高めるようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記ピエゾアクチュエータ（２８）に対する可変の保持電圧（Ｕ_H1,Ｕ_H2,Ｕ_H3,…Ｕ_Hn）を、噴射毎に、前記ピエゾアクチュエータ（２８）への電流通流中断後の電圧変化（ΔＵ）における電圧上昇値が最小勾配値（ΔＵ_min/Δt）を下回るまで漸次高める、請求項１記載の方法。
3. 前記方法を、作動期間中の所定の時間間隔の経過後に、または所定の期間の経過後に行う、請求項１または２記載の方法。
4. インジェクタ（１２）の保持電圧（Ｕ_H1,Ｕ_H2,Ｕ_H3,…Ｕ_Hn）の変更の際に、噴射量補償制御部の積分器が監視される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. インジェクタ（１２）の駆動制御時間又は駆動制御電圧が噴射量補償制御部によって、より多くの噴射量が生じるように変更された場合に、開放電圧（Ｕ_OE）の達成が判別される、請求項４記載の方法。
6. 圧電アクチュエータ（２８）を備えた内燃機関のインジェクタ（１２）の開放電圧を確定するための手段を備えた制御機器であって、前記インジェクタ（１２）の遮蔽状態において制御機器（１４）の初期電圧（Ｕ_A）が圧電アクチュエータ（２８）に印加され、さらに圧電アクチュエータ（２８）への電流通流に基づき圧電アクチュエータ（２８）で生じる放電に基づいてインジェクタ（１２）を開くための開放電圧（Ｕ_oe）が低減される形式の制御機器において、
   制御機器（１４）から圧電アクチュエータ（２８）入力側へ保持電圧（Ｕ_H1,Ｕ_H2,Ｕ_H3,…Ｕ_Hn）が印加されている場合に、当該制御機器（１４）から圧電アクチュエータ（２８）への電流通流を中断し、その後で、圧電アクチュエータ（２８）の入力側に印加された電圧の変化（ΔＵ）を制御機器（１４）によって時間に関して測定し、測定された電圧変化（ΔＵ）において電圧上昇があった場合に、圧電アクチュエータを開放するための開放電圧（Ｕ_oe）の達成を制御機器（１４）によって確定し、さらに、
   前記ピエゾアクチュエータ（２８）に対する可変の保持電圧（Ｕ _H1 ,Ｕ _H2 ,Ｕ _H3 ,…Ｕ _Hn ）を、噴射毎に、前記ピエゾアクチュエータ（２８）での電圧変化（ΔＵ）における電圧上昇値が極小値（ΔＵ _min ）を下回るまで漸次高めるように構成されていることを特徴とする制御機器。

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