JP5362039B2 - ピエゾインジェクタにおけるニードル弁閉鎖の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ニードル弁閉鎖の検出方法、ニードル弁閉鎖の検出装置、関連するコンピュータプログラム及びコンピュータプログラム製品に関している。

ピエゾインジェクタは、圧電アクチュエータと弁要素を含み、エンジンにおける燃料噴射量を変更するように構成されている。燃料噴射過程の間は、異なる部分機能が、例えば弁要素の開放と閉鎖が実施されている。これらの部分機能の状態は、センサによって検出可能である。

そのため燃料インジェクタの燃料噴射の終了時点を求めるための方法が公知である。この燃料インジェクタは、圧電アクチュエータによって駆動される弁要素と、圧電アクチュエータに機械的に接続された圧電センサとを有している。この方法のあるステップにおいては、圧電センサのセンサ信号が検出されている。このセンサ信号からは、弁要素の閉鎖によって引き起こされる切換信号が求められ、この切換信号からは弁要素の閉鎖時点が求められる。ノズルニードル弁の閉鎖時点は、これまでは、先行する検査において、圧電センサにより検出されていた。しかしながらこのようなことは付加的なコスト増を引き起こす。なぜならこのことのためには、燃料インジェクタから制御機器まで２つの電気的な線路を延伸させなければならないからである。その他にも燃料インジェクタ毎に２つの制御機器端子を必要とする。

発明の開示
本発明は、その調整部材が圧電アクチュエータとして構成されている、燃料噴射弁のバルブニードルのニードル弁閉鎖を検出するための方法に関するものである。この場合バルブニードルは圧電アクチュエータによって駆動制御される。ここでは、圧電アクチュエータに印加される電圧信号が測定され、この信号の経過からニードル弁閉鎖が検出される。

この方法の実施では、信号経過が、ニードル弁閉鎖を示唆するような特徴的な特性を、典型的には極大値、折れ曲がり、振幅を有している。それにより、圧電アクチュエータの測定電圧に基づいてニードル弁閉鎖の検出が可能となる。

ニードル弁が閉鎖する際に引き起こされる固体伝播音乃至相応する音波信号は電圧の経過を介して検出することが可能である。本発明によれば、バルブニードル乃至ノズルニードル弁の閉鎖によって生じる固体伝播音が、圧電アクチュエータにおける電圧信号を介して識別され、そこではこの電圧信号が評価される。それにより、当該方法の実施の際には、前記電圧信号によって引き起こされる物理的な作用が検出される。

本発明の実施形態によれば、ニードル弁がノズル内に設けられ、圧電アクチュエータによる当該ニードル弁の動きが、少なくとも１つの弁要素を介して制御される。このケースでは、ニードル弁が圧電アクチュエータによって間接的に制御される。しかしながら圧電アクチュエータによる、ニードル弁の直接的な駆動制御も可能である。生じ得る経過の中では、圧電アクチュエータがいわゆるサーボバルブとして構成された燃料噴射弁の中で膨張し、それによってニードル弁の上側と下側において圧力に差分が生じ、さらにそのような圧力の差分によってニードル弁の往復運動が引き起こされる。

圧電アクチュエータはその作動中に電流によって制御される。この電流により、圧電アクチュエータは充電され、さらにニードル弁の移動によって噴射弁が開放される。またニードル弁は、圧電アクチュエータの放電によって再び閉じられる。電圧信号の経過は当該方法の実施の際に、電流によって行われる圧電アクチュエータの駆動制御による領域において、電圧がほぼ０Ｖの値まで低下した後で検査される。このような信号の経過は、通常は、通流した電流に起因している。本発明による方法の枠内では検出すべき特徴は、ニードル弁閉鎖を示唆するものであるが、しかしながら前述した電流によって励起されるものではない。この圧電アクチュエータの電圧信号の経過における特徴は、ニードル弁閉鎖の際のニードル弁の固体伝播音によって生じている。

この信号は、信号経過の評価の枠内において処理可能である。このような評価の際には、信号に対して、カットオフ周波数を用いたバンドパスフィルタリングが適用される。そのためそれによって定められる信号の周波数が例えばローパスフィルタリング処理によって、又はハイパスフィルタリング処理によって、除去される。その他にも信号ないしは信号の経過が、評価の際に自乗され、補足的に加算される。また代替的に若しくは補足的に、評価に対する計算規則を適用することも可能である。そのような計算規則では、２つずつの経過測定点によってあてがわれる複数の直線対、ないしセカント対に対して勾配が求められ、それぞれ直線対毎に求められた勾配の差分が形成される。

そのような計算規則の伴う評価のもとでは、信号の経過ないしは特性曲線における複数の測定点対に対し、測定点毎にそれぞれ１つの直線ないしはセカントがあてがわれる。これらの測定点は、時系列的にみて必ずしもダイレクトに順次連続するものである必要はない。従って次のような構成も可能である。すなわちｍ番目の測定点とｍ−ｋ番目の測定点によって第１の直線対が経過し、ｎ番目の測定点とｎ＋ｋ番目の測定点によって第２の直線対が経過していてもよい。この場合は、ｎ＞ｍ、ないしはｎ＝ｍ＋１である。それによりこれらの直線はｋ番目の測定点に沿って延在する。この場合の前記ｋは少なくとも２である。ｋに対する値は、所要の測定精度に応じて任意に選択が可能である。ここでは、前記ｋが一桁の数値で、例えば５で十分であることがわかっている。さらにｍ番目の測定点とｎ番目の測定点を通る２つの直線の勾配からは、２つの直線の勾配の差も算出され得る。それぞれ１つの直線対の勾配に対して複数の順次連続する差分が形成されてもよい。例えばｍ番目とｎ番目の測定点に対する第１の直線対、ｍ＋１番目の測定点とｎ＋１番目の測定点に対する第２の直線対、ｍ＋ｐ−１番目とｎ＋ｐ−１番目の測定点に対するｐ番目の直線対などが形成されてもよい。そのようなケースでは、それぞれ１つの直線対の勾配差分毎にｐ値が形成されてもよい。このｐ値のもとでは、最大値としての特徴を表す１つの最大値が求められる。

評価の際には、信号に対して連続的に適用され得る前述したような複数の数学的ステップによって信号ないしは信号経過が処理される。

本発明の有利な実施例によれば、まず、所定の周波数に対するバンドパスフィルタリング処理、あるいは既に数度フィルタリング処理された信号の自乗値に対するバンドパスフィルタリング処理が行われ、その後で、自乗された信号の加算が行われ、引き続きそのような加算信号に対して、前述したような計算規則の適用が行われる。その他にもこれらの順番はその変更が可能であり、また前述した処理ステップは必ずしもその全てが実施されなければならないものでもない。

前記した方法を用いることにより、例えばニードル弁の閉鎖時点も検出が可能になる。

また本発明は、圧電アクチュエータによって駆動制御されるニードル弁のニードル弁閉鎖を検出するための装置にも関している。この装置は、圧電アクチュエータに印加される電圧の信号を測定し、この測定された信号の経過（勾配）からニードル弁閉鎖を検出するように構成されている。

本発明の有利な構成によれば、ニードル弁がノズル内に設けられ、圧電アクチュエータによって、少なくとも１つの弁要素を介して制御される。この少なくとも１つの弁要素は、通常はニードル弁及び／又はノズルと協働する。ニードル弁がノズルに対して閉鎖位置へ移動するニードル弁閉鎖においては、ニードル弁及び／又はノズルによって、固体伝播音ないし音響信号が生成され、この固体伝播音乃至音響信号が少なくとも１つの弁要素を介して圧電アクチュエータに伝達される。ここでは代替的に、ニードル弁が圧電アクチュエータによって直接駆動制御されていてもよい。その場合には、圧電アクチュエータによって噴射弁が操作される。それにより、ノズルニードル弁の載置部分とニードル弁の上方部分との間で圧力差が生じる。この圧力差は、ニードル弁の開放に結びつく。

前述した装置は、予め定められた方法の全てを実施するために設けられている。その際には、これらの方法の個々のステップが当該装置の個々の構成要素によって実施されてもよい。さらに前記装置の機能又は前記装置の個々の構成要素の機能は、前記方法のステップに置き換えることも可能である。その他にも前記方法のステップを当該装置の個々の構成要素の機能として、あるいは装置全体の機能として実現することも可能である。

さらに本発明は、コンピュータ上で実行される、又は本発明による装置の相応の計算ユニット上で実行されるコンピュータプログラムとして、前述した方法の全てのステップを実施するコーディングされたコンピュータプログラムにも関している。

本発明によるコンピュータプログラム製品は、コンピュータで読み取り可能なデータ担体上に記憶されており、前述した方法の全てのステップを実施するように構成されている。それにより、このコンピュータプログラムはコンピュータ上で若しくは本発明による装置の相応の計算ユニット上で実施される。

通常は、内燃機関の弁要素を制御するように構成されているピエゾインジェクタのニードル弁閉鎖によって、固体伝播音が生成され、この固体伝播音は、ピエゾインジェクタの圧電アクチュエータに集積化されているセンサとそれに適した信号処理によって、時系列的に検出が可能である。しかしながらそのような圧電アクチュエータに集積化されるセンサによれば、アクチュエータの製造と、インジェクタの製造の際に付加的なコストがかかり、さらに制御機器においても付加的なコストがかかる。このようなコストは、センサを集積化する際の手間と、センサの電気的なコンタクトを形成するための手間からなっている。但しそのようなコストは本発明によれば回避することが可能である。

本発明によれば、ニードル弁閉鎖の時点が、圧電アクチュエータに印加される電圧から検出可能となり、それと共に従来技術で用いられていたセンサ効果も圧電アクチュエータにおいて直接検知できるようになる。本発明は、特に複数の圧電アクチュエータと弁要素を含み、燃料を蓄積して噴射するインジェクタ、いわゆるコモンレールインジェクターに適したものである。

本発明のさらなる利点及びさらなる構成例は、以下の明細書と任意の図面からも明らかとなる。

ここでは、前述してきた複数の特徴、並びに以下の明細書で説明する複数の特徴がそれぞれの記載された組み合わせだけに絞られるのではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない限りは、それ以外の組み合わせや構成にも適用可能であることを理解されたい。

弁要素の異なる作動条件を比較するために２つの例示的作動パラメータを表した図 さらなる２つの例示的線図として、圧電アクチュエータに印加された電圧の信号経過を表した第１の線図と、センサのための信号経過を表した第２の線図 センサを用いた従来技術で公知の手法の実施において検出される作動パラメータと、本発明による方法の実施形態の枠内で提供される作動パラメータを比較するための複数の例示的線図 本発明による方法の実施のために構成された本発明による装置を示した図

実施例の説明
本発明は、実施形態に基づいて図面に概略的に示されており、以下の明細書ではこれらの図面に基づいて詳細に説明していく。

なお、これらの図面中、同じ構成要素には同じ参照符号が付されている。

図１に示されている線図２，４では、それぞれ縦方向の軸線６に記載されている電圧が、横方向の時間軸８に亘ってプロットされている。

第１の線図２には、圧電アクチュエータに対応付けられているセンサモジュールによって測定された電圧の第１の特性経過１２が示されている。ここでの圧電アクチュエータは、内燃機関におけるニードル弁を備えたノズルの弁要素を介した操作のために構成されている。このニードル弁は、弁要素を介して間接的に圧電アクチュエータによって制御され、それによって往復移動して当該バルブの開閉操作がなされている。電圧の第１の特性経過１２は、非活動中のノズルニードル弁のもとで検出されたものであり、それに対してセンサモジュールの第２の線図４における第２の特性経過１４は、活動中のニードル弁のもとで検出されたものである。この２つの特性経過１２，１４の楕円１６で囲われた内部領域における比較によって明らかなことは、当該領域内で描写されている活動中のニードル弁による特性経過１４が、急峻な振幅経過を有していることであり、それに対して、非活動中のニードル弁によって当該領域内で描写されている特性経過１２は、そのような急峻な振幅経過は有していないことである。

従来技術から公知のニードル弁閉鎖の検出手法のもとでは、付加的なセンサモジュールが圧電アクチュエータ内に集積化されている。ニードル弁がその当接部ないし載置部に達すると同時に固体伝播音ないし音響信号が生成され、この固体伝播音ないし音響信号が当該センサモジュールによって測定される。

図２の第１の線図２０には、縦方向に延びた電圧のための軸線２２が含まれており、この電圧は時間軸２４に亘ってプロットされている。この図２の第１の線図２０には、ニードル弁を備えたノズルを弁要素を介して制御するように構成されている圧電アクチュエータの作動のもとで検出される当該圧電アクチュエータの電圧の特性経過２６が示されている。この電圧の特性経過２６に沿った特徴を介して固体伝播音信号が識別される。

この特性経過２６の下方に描写されている図２の第２の線図２８においては、垂直方向に延在する縦方向軸線３０に沿って所属のセンサ信号の特性経過が時間軸２４に亘ってプロットされている。弁要素のニードル弁の閉鎖によって生じるｍｓ領域の急峻な振幅は、電圧の特性経過２６に沿っての識別が困難である。それに対して本来測定される電圧信号特性経過２６の処理ないし評価された特性経過３２では、ｍｓ領域の特性経過３２の急峻な振幅ないし折れ曲がりによってニードル弁の閉鎖が明らかとなる。

図３の左方側で上下に描写されている線図３４，３６，３８は、従来技法のもとで圧電アクチュエータと協働するセンサによって提供される、処理されたセンサ信号のそれぞれ時間的なズームないし拡大された特性経過区分４０，４２，４４，４６を描写している。図３の第１の線図３４では、時間軸４８に沿って、センサ信号として未処理の電圧値の特性経過４０と、該特性経過４０のフィルタリング処理された乃至バンドパスフィルタリング処理された特性経過４２が示されている。第２の線図３６には、時間軸４８に沿って、バンドパスフィルタリング処理された信号４２の所定の自乗と加算による特性経過４４が示されている。図３の第３の線図３８では、計算規則の適用によって自乗及び加算された特性経過４４の特性経過４６が、時間軸４８に沿って示されている。ここでの計算規則には、それぞれ１対の直線ないしセカントの勾配における差分の検出が含まれている。この場合前記特性経過４４の２つの測定点を通るそれぞれ１つの直線が延在する。その場合複数の直線対に対して形成された勾配の差分が比較され、最大差分から極大値４９が求められる。

特性経過４６の最大値４９は、特性経過４４の折れ曲がりと同じ時間帯に現れる。それにより、ニードル弁閉鎖が時間的に確定される。ｍｓ範囲の特性経過４６の最大値４９は、センサによって検出されるニードル弁の閉鎖に起因する。

図３の右方側に示されている線図５０，５２，５４は、本発明による方法の実施によって検出される信号ないし処理された信号のズームないし拡大された区分５６，５８，６０，６２が例示的に示されている。

本発明による方法の実施のもとでは、圧電アクチュエータ、ノズル内に設けられているニードル弁が内燃機関のための弁要素を介して作動されるように構成されている。内燃機関の作動の際には、圧電アクチュエータに電流が供給される。この電流の供給によって、弁要素が圧電アクチュエータによって作動され、これにより、ノズル内のニードル弁が往復移動し、その際にノズルが開閉される。

本発明による方法の実施のもとでは、圧電アクチュエータに印加される電圧が測定される。この電圧の信号の経過５６は、図３の第４の線図５０に時間軸６４に沿ってプロットされている。前記線図５０の下方には、信号経過５６のフィルタリング処理された経過ないしは周波数毎にバンドパスフィルタリング処理された経過５８が示されている。図３の第５の線図５２には、ここにおいて処理された信号の経過６０が示されており、この信号は、第４の線図５０からの経過５８の自乗と加算によって生じている。

第６の線図５４には、それぞれ１つの直線対ないしセカント対の勾配から形成された差分値の経過６２が示されている。この場合第５の線図５２からｋの経過６０においては、第１の直線が第１の測定点対を通って延在し、第２の直線は第２の測定点を通って延在している。この場合複数の直線対の算出された差分ないし違い毎に１つの極大値６６が求められる。

前記経過特性６２に対しては、当該特性経過６２が、ｍｓ領域において、急峻な振幅として形成された極大値６６を当該特性経過６２の特徴として有している。ここでは第６の線図における当該特性経過６６と第３の線図における特性経過４６との比較が示されており、この比較によれば、センサ信号の特性経過４６における極大値４９と同じ時点において折れ曲がり部６６が生じていることがわかる。

図４には、本発明による方法の１つの実施形態の実施のために構成されている装置８０の実施形態が概略的に示されている。この装置８０は、圧電アクチュエータ８２を含んでおり、この圧電アクチュエータ８２は、内燃機関の内部で駆動制御のために構成されている。

圧電アクチュエータ８２と、ニードル弁ないしノズルニードル弁８８を備えたノズル８６との間には、本発明による有利な実施形態による弁要素９２が配設されている。圧電アクチュエータ８２と、ニードル弁８８を備えたノズル８６との間の相互作用は、弁要素９２を介して間接的に行われる。そこでは、作動期間中に圧電アクチュエータ８２を通って流れる電流９０が所定のプロファイルで導かれる。この電流９０によって圧電アクチュエータ８２の寸法が変化する。弁要素９２の駆動制御によって、移動する圧電アクチュエータ８２を通って、ノズル８６のニードル弁８８も移動し、その際にはとりわけ開放される。前述の構成においては、圧電アクチュエータ８２がニードル弁を駆動制御するように設けられており、それによって、ニードル弁８８の載置部とニードル弁８８の上方部分との間で圧力差が生じる。この圧力差分はニードル弁８８の開放を導き出す。

開放の後に続くニードル弁８８の閉鎖のもとでは、固体伝播音が発生され、圧電アクチュエータ８２に作用し、圧電アクチュエータ８２における電圧が生成され、ボルトメータ９４による当該方法の実施の際に測定がなされる。このボルトメータ９４によって測定された電圧は、固体伝播音によって引き起こされる信号乃至処理された信号の特性経過５６．５８，６０，６２に沿って、線図５０，５２，５４に基づいて示されている折れ曲がり部６６を有している。

Claims (10)

1. 圧電アクチュエータ（８２）によって駆動されるニードル弁（８８）のニードル弁閉鎖を検出するための方法であって、
   圧電アクチュエータ（８２）に印加される電圧の信号を測定し、前記信号に自乗処理及び加算処理を施し、ニードル弁閉鎖が信号の特性経過（２６，３２，５６，５８，６０，６２）から検出されるようにしたことを特徴とする方法。
2. 信号の特性経過（２６，３２，５６，５８，６０，６２）が、ニードル弁閉鎖を示唆する特徴部分を有しているか否かが検査される、請求項１記載の方法。
3. 圧電アクチュエータが作動中に駆動制御され、この場合信号の特性経過（２６，３２，５６，５８，６０，６２）が、当該方法の実施の際に、圧電アクチュエータ（５８）で実施された駆動制御による領域において、電圧が０Ｖの値まで低下した後で検査される、請求項１または２記載の方法。
4. 信号の経過特性（２６，３２，５６，５８，６０，６２）において、閉鎖されるニードル弁（８８）によって引き起こされる、固体伝播音が検出される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. ニードル弁（８８）がノズル（８６）内に配設され、圧電アクチュエータ（８２）から少なくとも１つの弁要素（９２）を介して駆動制御される、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 前記信号に対して、カットオフ周波数を備えたバンドパスフィルタリングが使用され、信号の所定の周波数がフィルタリング処理される、請求項１から５いずれか１項記載の方法。
7. ニードル弁閉鎖の時点が定められる、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 圧電アクチュエータ（８２）によって駆動制御されるニードル弁（８８）のニードル弁閉鎖の検出のための装置であって、
   前記装置（８０）が、圧電アクチュエータ（８２）に印加された電圧の信号を測定し、前記信号に自乗処理及び加算処理を施し、ニードル弁閉鎖を信号の経過（２６，３２，５６，５８，６０，６２）から検出するように構成されていることを特徴とする装置。
9. コンピュータ上で若しくは相応の計算ユニット上でコンピュータプログラムが請求項８による装置中で実施される、請求項１から７いずれか１項記載の方法の全てのステップを実施するための、プログラムコードを備えたコンピュータプログラム。
10. コンピュータ上で若しくは相応の計算ユニット上でコンピュータプログラムが請求項８による装置中で実施される、請求項１から７いずれか１項記載の方法の全てのステップを実施するための、コンピュータで読み出し可能なデータ担体に記憶される、プログラムコードを備えたコンピュータプログラム。

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