JP4740333B2 - 圧電アクチュエータを作動させる方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、例えば自動車の内燃機関の噴射弁における圧電アクチュエータを作動させる方法および相応の装置に関する。

圧電アクチュエータは電気的な量、例えば電圧、電流または電気的なエネルギまたは電荷の供給または除去によって駆動制御される。製造公差に起因して、同種の異なる圧電アクチュエータの所定の駆動制御により圧電アクチュエータにおいて異なる長さのストロークが生じる可能性がある。これによって例えば、その種の圧電アクチュエータによって操作される弁の開放時間と閉鎖時間または開放度が異なることになる。圧電アクチュエータのストロークは、圧電アクチュエータの伸張に対抗する機械的な負荷に依存する。

DE 199 21 456 A1には圧電アクチュエータを駆動制御するための方法および装置が開示されており、この方法および装置により圧電アクチュエータが設けられている噴射弁のオーバーシュートおよびチャタリングが回避される。圧電式のアクチュエータを駆動制御するための回路装置は、噴射弁を開放もしくは閉鎖する複数の期間において圧電アクチュエータを充電および放電するために構成されている。圧電アクチュエータは、部分的なストロークが最大勾配で実施され、休止後に別の部分的なストロークが前述の最大勾配よりも小さい値の勾配で実施されるように充電ないし放電されるので、圧電アクチュエータによって操作され且つこの圧電アクチュエータを包含する噴射弁の機械的なシステムに関して、最終的な値への非周期的な遷移が近似される。

本発明の課題は、簡単且つ正確である、圧電アクチュエータを作動させる方法と相応の装置を提供することである。

この課題は独立請求項に記載されている特徴により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は、圧電アクチュエータを作動させるための方法および相応の装置に関する。圧電アクチュエータは第１の作動モードにおいて、圧電アクチュエータの少なくとも１つの制御パラメータを考慮して圧電アクチュエータを充電または放電するための第１の電気的な量をクロック制御式に供給することによって駆動制御される。圧電アクチュエータは第２の作動モードにおいて、圧電アクチュエータを充電または放電するための第１の電気的な量、しかも圧電アクチュエータにおける負荷変化に実質的に依存しない第１の電気的な量の所定の経過を非クロック制御式に印加することによって駆動制御される。圧電アクチュエータの第２の電気的な量の経過が、第１の電気的な量の所定の経過が印加されている間の少なくとも１つの測定期間中に検出される。圧電アクチュエータの少なくとも１つの制御パラメータは検出された第２の電気的な量の経過に依存して求められる。

有利には、圧電アクチュエータが第２の作動モードにおける非クロック式の駆動制御によって、第１の作動モードにおけるクロック式の駆動制御による場合に比べて著しく弱く励振される。第２の電気的な量の経過を、第２の作動モードにおいて非常に精確且つ十分に障害無く検出することができる。この障害によって第２の電気的な量は第１の作動モードにおける圧電アクチュエータの振動により重畳される。少なくとも１つの制御パラメータを簡単且つ正確に求めることができ、これによって圧電アクチュエータの駆動制御を第１の作動モードにおいて殊に正確に行うことができる。

本発明の有利な実施形態においては、第１の電気的な量は第２の作動モードにおいて圧電アクチュエータの充電ないし放電中にその都度実質的に一定の値を有するか、第１の電気的な量の所定の経過は傾斜状の経過であるか、それぞれ正弦半波の形状を有する。これは殊に簡単に実現することができるので有利である。

本発明の別の有利な実施形態においては、少なくとも１つの測定時間が時間的に圧電アクチュエータにおける少なくとも１つの負荷変化を含む。少なくとも１つの制御パラメータは少なくとも１つの負荷変化に関して求められる。このことは、少なくとも１つの負荷変化が第２の作動モードにおける圧電アクチュエータの非クロック制御式の駆動制御によって殊に簡単に求めることができるという利点を有する。

本発明の別の有利な実施形態においては、弁が圧電アクチュエータの駆動制御に依存して第１の作動モードにおいて開閉され、弁が第２の作動モードにおいては閉じられており、且つ第１の電気的な量の印加時間または第１の電気的な量の最大値は弁が閉じられ続けるように設定されているように弁内に圧電アクチュエータが配置されている。有利には、弁の開放によるこの弁が配置されているシステム内の障害が回避される。 本発明の有利な実施形態においては、装置が第２の作動モードにおいて第１の電気的な量の所定の経過を印加するために測定源を包含し、この測定源は第１の作動モードにおける圧電アクチュエータの駆動制御のために設けられているエネルギ源に付加的に設けられている。エネルギ源は例えば、圧電アクチュエータに所定の電流、所定の電圧、所定量の電荷または所定量のエネルギを供給するよう構成されている。測定源は電圧源または電流源として構成されている。有利には、第１の電気的な量、例えば電圧ないし電流を圧電アクチュエータに殊に精確に供給することができるように測定源を構成することができる。

以下では本発明の実施例を概略的な図面に基づき説明する。ここで、
図１は、弁および制御ユニットを示す。

図２は、弁の原理図を示す。

図３は、制御ユニットのブロック回路図を示す。

図４は、測定源の実施形態を示す。

図５Ａは、測定源の電流経過を示す。

図５Ｂは、圧電アクチュエータの電圧経過を示す。

図６は、フローチャートを示す。

同一の構造または機能を有する要素には全図面を通して同一の参照番号が付されている。

弁、例えば自動車の内燃機関用の噴射弁、殊にコモンレールディーゼル噴射弁は圧電アクチュエータ１および閉鎖体２を有する（図１を参照されたい）。閉鎖体２は弁の閉鎖位置において弁座３に載置され、これにより弁の噴射開口４を閉じる。噴射開口４は閉鎖体２が弁座３から持ち上げられることによって開放される。燃料、例えばディーゼル燃料を噴射開口４に送出する燃料供給部５が設けられている。さらに弁はレバー装置６を包含し、このレバー装置６は圧電アクチュエータ１と閉鎖体２との間に配置されており、またこれらと接続されている。閉鎖体２は弁座３と協働する弁ニードルおよびレバー装置６と協働する弁ピストン１５を包含する。

レバー装置６は、閉鎖体２のストローク方向が圧電アクチュエータ１のストローク方向とは逆方向に延びるように構成されている。これによって、圧電アクチュエータ１の図示されている装置においては、圧電アクチュエータ１が伸張するように駆動制御されると、便座３から閉鎖体２が持ち上げられることによって弁が内部に向かって開かれる。圧電アクチュエータ１が収縮するように制御されることによって弁は閉じられる。

図２は弁また殊にレバー装置６の原理図を示す。圧電アクチュエータ１はピン１１を介してレバー装置６と接続可能である。レバー装置６は第１のレバー部材７および第２のレバー部材８を包含する。第１のレバー部材７は第１の受け体９上に固定的に支承されている。ピン１１は圧電アクチュエータ１が十分に伸長し、アイドルストロークＬを克服すると第１のレバー部材７に作用する。第２のレバー部材８は第２の受け体１２上に支承されている。さらに第１のレバー部材７は支承部１３を介して第２のレバー部材８に支承されている。これによって第１のレバー部材７と第２のレバー部材８は直接的機械的に相互に接続されている。

第２のレバー部材８は、この第２のレバー部材８および第２の受け体１２が圧電アクチュエータ１のストロークに依存して異なる箇所で接触するように構成されている。これによって第２のレバー部材８のレバーアームは変化する。レバー部材８を相応に構成することによって、レバー装置６は圧電アクチュエータ１のストロークに依存して、相互に異なる少なくとも２つの伝達比を有する。

弁は弁ばね１８を有し、この弁ばね１８は閉鎖体２をその閉鎖位置において押圧する。これによって、弁が動作時でないときには弁は閉じられていることが保証されている。弁ばね１８のばね力に加え、閉鎖体２には燃料供給部５を介して供給される燃料の燃料圧力が作用する。燃料圧力として例えば２０００ｂａｒ以上が考えられる。これによって、閉鎖体２を弁座３から持ち上げるためには非常に大きい力を加える必要がある。さらに閉鎖体２は燃料を噴射するために、所定量の燃料を所定の期間中に噴射できるように十分に弁座３から持ち上げられなければならない。

閉鎖体２を弁座３から持ち上げるために殊に大きい力が必要である。したがって、レバー装置６は圧電アクチュエータ１と閉鎖体２のストロークの伝達比が弁の開放工程の第１段階では例えば約１：１となるよう構成されている。閉鎖体２が弁座３から持ち上げられ、噴射開口４が開放されると圧力補償を行うことができるので、閉鎖体２は実質的にさらに弁ばね１８のばね力に対してさらに移動されなければならない。閉鎖体２の可能な限り大きいストロークを維持するために、伝達比は弁の開放工程のこの第２段階では比較的小さく、例えば約１：１０である。

弁は閉鎖体２に関してストローク限界を有する。ストローク限界は第１のレバー部材７によって生じており、この第１のレバー部材７は閉鎖体２の移動軸内に配置されている（図１を参照されたい）。すなわち、閉鎖体２ないし弁ピストン１５が第１のレバー部材７に当接すると、弁は最大開放状態を示す。

弁の開放工程の間、また同様に弁の閉鎖工程の間に圧電アクチュエータ１に作用する負荷は変化する。その種の負荷変化は例えば、アイドルストロークＬがまさに克服されているときに第１のレバー部材７にピン１１が当接することによって生じる。さらにその種の負荷変化は閉鎖体２が弁座３から持ち上げられることによって、または閉鎖体２が弁座３に載置されることによって生じる。別の例として、弁が最大開放状態に達した際の第１のレバー部材７の閉鎖体２への当接が挙げられる。第１のレバー部材７およびピン１１を介して圧電アクチュエータ１における負荷変化が惹起される。圧電アクチュエータ１における負荷変化によって圧電アクチュエータ１の電気的な量として、例えば圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐとして信号が形成される。この信号を例えば、圧電アクチュエータ１と電気的に接続されている制御ユニット２５によって検出および評価することができる。信号に依存して、例えば信号が発生した時点に依存して、圧電アクチュエータ１を駆動制御するための少なくとも１つの制御パラメータＰを適合させ、所望の量の燃料を可能な限り正確に調量することができる。少なくとも１つの制御パラメータＰは例えば電流または電圧の値、電荷またはエネルギ量の値または所定の負荷変化までの充電時間または放電時間である。

図３は制御ユニット２５のブロック回路図を示す。制御ユニット２５は圧電アクチュエータ１の作動装置とも称される。制御ユニット２５は電力出力段２６を包含し、この電力出力段２６は圧電アクチュエータ１をクロック制御式に充電および放電するためのエネルギ源として構成されている。エネルギ源ないし電力出力段２６は圧電アクチュエータ１に第１の電気的な量をクロック制御式に供給する。例えば、エネルギ源ないし電力出力段２６は圧電アクチュエータ１に所定の電流、所定の電圧、所定量の電荷または所定量のエネルギを供給する。その都度設定されない電気的な量は例えば圧電アクチュエータ１の充電状態、圧電アクチュエータ１のストロークおよび圧電アクチュエータ１に作用する負荷に依存する。

電力出力段２６は圧電アクチュエータ１と電気的に接続されており、この圧電アクチュエータ１は測定抵抗Ｒｍを介して基準電位ＧＮＤと電気的に接続されている。測定抵抗Ｒｍに電流が流れると、この測定抵抗Ｒｍを介して測定電圧Ｕｍが降下し、この測定電圧Ｒｍは圧電アクチュエータ１を流れる電流を表す。圧電アクチュエータ１を介してこの圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐは降下する。

制御ユニット２５はさらに測定源２７を包含し、この測定源２７は圧電アクチュエータ１に第１の電気的な量の経過、殊に圧電アクチュエータ１の電流Ｉまたは電圧Ｕｐを非クロック制御式に印加する。第１の電気的な量の非クロック制御式の印加によって、圧電アクチュエータ１は電力出力段２６によるクロック制御式の駆動制御による励振に比べて弱く機械的に励振される。第１の電気的な量の経過は、この電気的な量が実質的に圧電アクチュエータ１における負荷変化に依存しないように測定源２７によって設定される。

図４は、測定源２７の殊に簡単な実施形態を示す。測定源２７は第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２を包含する。測定源２７はさらに電流源２９および放電抵抗Ｒｅを包含する。測定源２７は入力側において電圧源２８と接続されている。電圧源２８の電圧は例えば約２００ボルトであり、また電圧源２８に電気的に並列に配置されているコンデンサＣを介して支援される。コンデンサＣは有利には、このコンデンサＣに蓄積される電荷が圧電アクチュエータ１の少なくとも１つの駆動制御周期にとって十分であるように設計されている。第１のスイッチＳＷ１および電流源２９は電圧源２８とアクチュエータ１との間に電気的に直列に配置されている。放電抵抗Ｒｅおよび第２のスイッチＳＷ２は直列回路を形成し、この直列回路は圧電アクチュエータ１に電気的に並行に配置されている。

圧電アクチュエータ１を充電するために第１のスイッチＳＷ１が閉じられる。第２のスイッチＳＷ２は開かれている。圧電アクチュエータ１には電流源２９によって設定された電流Ｉが印加される。圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐは圧電アクチュエータ１の充電状態、圧電アクチュエータ１の伸長および圧電アクチュエータ１に作用する負荷に依存する。放電のために第２のスイッチＳＷ２が閉じられる。第１のスイッチＳＷ１は開かれている。圧電アクチュエータ１は放電抵抗Ｒｅを介して放電される。

圧電アクチュエータ１が電流源２９または別の電流源によって印加された電流Ｉでもって放電されるように測定源２７を構成することもできる。さらに択一的に測定源２７を、圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐが圧電アクチュエータ１の充電および／または放電のためにこの圧電アクチュエータに印加され、圧電アクチュエータ１を流れる電流が圧電アクチュエータ１の充電状態、圧電アクチュエータ１の伸長および圧電アクチュエータ１に作用する負荷に依存するよう電圧源として構成することもできる。

有利には測定源２７は精密な直流電流源または直流電圧源として構成されている。しかしながら同様に、他の連続的な電流経過ないし電圧経過を設定することもできる。電流経過ないし電圧経過は例えば傾斜した形状からなるか、圧電アクチュエータ１を充電および放電するためにそれぞれが異なる極性の正弦波状の半波からなる。

図５Ａは、直流電流源として構成されている測定源２７の電流Ｉの経過を示す。圧電アクチュエータ１を充電するための所定の電流Ｉの印加は第１の時点ｔ１に始まり、第２の時点ｔ２に終了する。図５Ｂは、圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐの所属の経過を示す。圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐは第１の時点ｔ１から第２の時点ｔ２まで連続的に上昇する。圧電アクチュエータ１の放電は第２の時点ｔ２に始まり、第３の時点ｔ３に終了する。圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐは第２の時点ｔ２から第３の時点ｔ３まで連続的に降下する。したがって圧電アクチュエータ１のストロークは低減する。圧電アクチュエータ１を充電するために印加される所定の電流Ｉは正の符号を有し、圧電アクチュエータ１を放電するために印加される電流Ｉは負の符号を有する。

弁の構成に依存して、圧電アクチュエータ１を充電するために印加される第１の電気的な量は正または負の符号を有する。相応に、圧電アクチュエータ１を放電するために印加される第１の電気的な量は正または負の符号を有する。

図６は、圧電アクチュエータ１の作動方法のフローチャートを示す。本方法はステップＳ１から始まる。ステップＳ２においては、圧電アクチュエータ１がどの作動モードＢで作動されるべきかが求められる。圧電アクチュエータ１が第１の作動モードＢ１で作動される場合には、本方法はステップＳ３に分岐する。ステップＳ３においては圧電アクチュエータ１が少なくとも１つの制御パラメータＰを考慮して、例えば電力出力段２６によって圧電アクチュエータ１を充電または放電するためにクロック制御式に駆動制御される。本方法はステップＳ４において終了し、待機時間ＴＷ後にステップＳ１が開始される。待機時間ＴＷは例えば弁の２つの開放工程の間または２つの噴射工程の間の時間である。

しかしながら圧電アクチュエータ１が第２の作動モードＢ２で作動される場合には、本方法はステップＳ５に分岐する。有利には圧電アクチュエータ１は２つの噴射工程の間に第２の作動モードＢ２で作動される。ステップＳ５においては圧電アクチュエータ１に第１の電気的な量、この実施例においては所定の電流Ｉが圧電アクチュエータ１を充電または放電するために非クロック制御式に印加される。ステップＳ６においては、第１の電気的な量を印加している間の測定時間中に、第２の電気的な量の経過、この実施例においては圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐが検出される。ステップＳ７においては、圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐの検出された経過に依存して、圧電アクチュエータ１の少なくとも１つの制御パラメータＰが求められる。本方法はステップＳ４において終了し、待機時間ＴＷ後にステップＳ１が開始される。

第２の作動モードＢ２において第１の電気的な量として圧電アクチュエータ１の電圧Ｕｐが設定されている場合には、第２の電気的な量の経過として、相応に圧電アクチュエータ１を流れる電流の経過が例えば測定電圧Ｕｍを用いて検出される。したがって、少なくとも１つの制御パラメータＰは圧電アクチュエータ１を流れる電流の経過に依存して求められる。

圧電アクチュエータの第１の作動モードＢ１および第２の作動モードＢ２は例えば交互に実行される。有利には、第２の作動モードＢ２が実行される回数は第１の作動モードＢ１が実行される回数よりも少ない。例えば１０回に１回実行される。これによって測定源２７の高いエネルギ的効率に対する要求は少ない。有利には弁が第２の作動モードＢ２中は閉じられている。測定源２７は有利には、第１の電気的な量の印加の持続時間または第１の電気的な量の最大値は、第２の作動モードＢ２中に弁が閉じられたままであるように設定されている。これによって弁が配置されているシステム、例えば内燃機関は、圧電アクチュエータ１が第２の作動モードＢ２において少なくとも１つの制御パラメータＰを求めるために作動される場合には損傷されない。少なくとも１つの制御パラメータＰは有利にはアイドルストロークＬの克服に関する。しかしながら少なくとも１つの制御パラメータＰを求めるために、例えば内燃機関の始動過程の間または内燃機関のエンジンブレーキモードの間にも弁を開くことができ、この際に内燃機関の作動が妨害されることはない。この場合には、弁の開放または閉鎖もしくは別の負荷変化に関連する制御パラメータＰを求めることができる。

有利には、測定期間は時間的に圧電アクチュエータ１における少なくとも１つの負荷変化、例えばアイドルストロークＬの克服、弁座３からの閉鎖体２の持ち上げ、弁座３への閉鎖体２の載置、閉鎖体２ないし弁ピストン１５のストローク限界部ないし第１の第１のレバー部材７への当接、または伝達比の変更を含む。少なくとも１つの制御パラメータＰは有利には少なくとも１つの負荷変化に関して求められる。

択一的または付加的に、少なくとも１つの制御パラメータＰを第２の電気的な量の経過と基準アクチュエータの基準経過との比較によっても求めることができ、この基準アクチュエータに関して相応の制御パラメータは基準パラメータとして既知である。つまり例えば、少なくとも１つの制御パラメータＰは、第２の電気的な量の経過の基準経過からの偏差に依存して、相応の基準パラメータに対して修正される。

圧電アクチュエータ１を機械的なレバー装置６を介して閉鎖体２と直接的に接続することによって、圧電アクチュエータ１における負荷変化は殊に明確に圧電アクチュエータ１の電気的な量に表されており、また殊に確実に第２の電気的な量の経過から求めることができる。しかしながら圧電アクチュエータ１の作動方法および相応の作動装置を、圧電アクチュエータ駆動部を備えた他の構成の弁に対しても同様に使用することができる。例えば、圧電アクチュエータ１が水力学的な制御弁、例えばポンプノズル噴射弁を操作する噴射弁に対しても使用することができる。

弁および制御ユニットを示す。 弁の原理図を示す。 制御ユニットのブロック回路図を示す。 測定源の実施形態を示す。 測定源の電流経過を示す。 圧電アクチュエータの電圧経過を示す。 フローチャートを示す。

Claims (6)

1. 圧電アクチュエータ（１）の作動方法において、
   前記圧電アクチュエータ（１）の少なくとも１つの制御パラメータ（Ｐ）を考慮して、前記圧電アクチュエータ（１）を充電または放電するための第１の電気的な量をクロック制御式に供給することによって、第１の作動モード（Ｂ１）において前記圧電アクチュエータ（１）を駆動制御し、
   前記圧電アクチュエータ（１）を充電または放電するための前記第１の電気的な量、しかも前記圧電アクチュエータ（１）における負荷変化に依存しない第１の電気的な量の所定の経過を非クロック制御式に印加することによって、第２の作動モード（Ｂ２）において前記圧電アクチュエータ（１）を駆動制御し、
   前記第１の電気的な量の所定の経過が印加されている間の少なくとも１つの測定時間中に、前記圧電アクチュエータ（１）の第２の電気的な量の経過を検出し、
   前記第２の電気的な量の検出された経過に依存して、前記圧電アクチュエータ（１）の少なくとも１つの制御パラメータ（Ｐ）を求めることを特徴とする、圧電アクチュエータ（１）の作動方法。
2. 前記第１の電気的な量は前記第２の作動モード（Ｂ２）において前記圧電アクチュエータ（１）の充電ないし放電中にその都度実質的に一定の値を有するか、前記第１の電気的な量の所定の経過は傾斜状の経過であるか、それぞれ正弦半波の形状を有する、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１つの測定時間は時間的に前記圧電アクチュエータ（１）における少なくとも１つの負荷変化を含み、且つ少なくとも１つの制御パラメータ（Ｐ）が少なくとも１つの負荷変化に関して求められる、請求項１または２記載の方法。
4. 弁が前記圧電アクチュエータ（１）の駆動制御に依存して前記第１の作動モード（Ｂ１）において開閉され、弁が前記第２の作動モード（Ｂ２）においては閉じられており、前記第１の電気的な量の印加時間または第１の電気的な量の最大値は弁が閉じられ続けるように設定されているように弁内に前記圧電アクチュエータ（１）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 圧電アクチュエータ（１）の作動装置において、
   前記圧電アクチュエータ（１）の少なくとも１つの制御パラメータ（Ｐ）を考慮して、前記圧電アクチュエータ（１）を充電または放電するための第１の電気的な量をクロック制御式に供給することによって、第１の作動モード（Ｂ１）において前記圧電アクチュエータ（１）を駆動制御し、
   前記圧電アクチュエータ（１）を充電または放電するための前記第１の電気的な量、しかも前記圧電アクチュエータ（１）における負荷変化に依存しない第１の電気的な量の所定の経過を非クロック制御式に印加することによって、第２の作動モード（Ｂ２）において前記圧電アクチュエータ（１）を駆動制御し、
   前記第１の電気的な量の所定の経過が印加されている間の少なくとも１つの測定時間中に、前記圧電アクチュエータ（１）の第２の電気的な量の経過を検出し、
   前記第２の電気的な量の検出された経過に依存して、前記圧電アクチュエータ（１）の少なくとも１つの制御パラメータ（Ｐ）を求めることを特徴とする、圧電アクチュエータ（１）の作動装置。
6. 前記第２の作動モード（Ｂ２）において前記第１の電気的な量の所定の経過を印加するために測定源（２７）を包含し、該測定源（２７）は前記第１の作動モード（Ｂ１）における前記圧電アクチュエータ（１）の駆動制御のために設けられているエネルギ源に付加的に設けられている、請求項５記載の装置。

Images