(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のインジェクタバルブアセンブリ（１２）と、当該インジェクタバルブアセンブリ（１２）を操作するためのピエゾスタック（１４）との間のギャップのギャップサイズを検出するための検出方法であって、
相互に摩擦結合的に結合されたアクチュエータユニット（２２）とセンサユニット（２４）とを有するピエゾスタック（１４）を準備するステップであって、前記センサユニット（２４）は、前記アクチュエータユニット（２２）に作用する応力勾配を検出するように構成されている、ステップと、
動作中に前記アクチュエータユニット（２２）を介して操作されるインジェクタバルブアセンブリ（１２）を準備するステップであって、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）と前記ピエゾスタック（１４）とが未知のギャップサイズ（３４）を有するギャップ（３２）を介して相互に離間されて配置されている、ステップと、
前記センサユニット（２４）の電圧信号を検出するステップと、
前記アクチュエータユニット（２２）が、前記ギャップ（３２）を低減しながらアクチュエータユニット長手方向軸線（２６）に沿って変位するように、所定の電圧パルスを前記アクチュエータユニット（２２）に印加するステップと、
電圧パルス印加が開始される第１の時点（ｔ１）から、前記センサユニット（２４）の検出された電圧信号中に電圧勾配（ｄＵ）が発生する第２の時点（ｔ２）までの、前記アクチュエータユニットへの電圧パルス印加の持続時間（Δｔ）を検出するステップと、
検出された前記持続時間（Δｔ）と所定の電圧パルスとから前記ギャップ（３２）のギャップサイズ（３４）を求めるステップと、
第３の時点（ｔ３）を検出するステップであって、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）のインジェクタニードル（１６）がニードルシート（１８）から持ち上げられる前記第３の時点（ｔ３）において、第２の電圧勾配（ｄＵ）が前記センサユニット（２４）の電圧信号中に検出され、その際特に負の電圧勾配（ｄＵ）が前記センサユニット（２４）の電圧信号中に検出される、ステップと、
第４の時点（ｔ４）を検出するステップであって、前記インジェクタニードル（１６）が前記ニードルシート（１８）と摩擦結合する前記第４の時点（ｔ４）において、第３の電圧勾配（ｄＵ）が前記センサユニット（２４）の電圧信号中に検出され、前記第４の時点（ｔ４）と前記第２の時点（ｔ２）との間に、前記第３の時点（ｔ３）は存在し、前記第４の時点（ｔ４）では特に正の電圧勾配（ｄＵ）が、前記センサユニット（２４）の電圧信号中に検出される、ステップと、
を含んでいる、
検出方法。
【請求項２】
前記ピエゾスタック（１４）と前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）との間の前記ギャップ（３２）のギャップサイズ（３４）は、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）の各操作サイクルにおいて検出される、請求項１記載の検出方法。
【請求項３】
前記第２の時点（ｔ２）において、正の電圧勾配（ｄＵ）が前記センサユニット（２４）の電圧信号中に検出される、請求項１または２記載の検出方法。
【請求項４】
内燃機関のインジェクタバルブアセンブリ（１２）を操作するためのピエゾスタック（１４）内のアクチュエータユニット（２２）を駆動制御するための駆動制御方法であって、
前記アクチュエータユニット（２２）に、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）のインジェクタニードル（１６）をニードルシート（１８）から持ち上げるための予め定められた開放電圧パルスが印加され、
前記アクチュエータユニット（２２）に、前記開放電圧パルスが印加される前に以下のステップが実施される、すなわち、
前記ピエゾスタック（１４）と前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）との間のギャップ（３２）のギャップサイズ（３４）を検出するための請求項１から３までのいずれか１項記載の検出方法を実施するステップと、
前記アクチュエータユニット（２２）に、当該アクチュエータユニット（２２）と前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）との間の前記ギャップ（３２）を閉鎖するための予備電圧パルスを印加するステップとが実施される、駆動制御方法。
【請求項５】
前記予備電圧パルスは、前記請求項１から３までのいずれか１項記載の検出方法を用いて求められた前記ギャップサイズ（３４）から決定され、前記予備電圧パルスは、特に前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）の各操作サイクルにおいて新たに決定される、請求項４記載の駆動制御方法。
【請求項６】
前記請求項１から３までのいずれか１項記載の検出方法は、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）の第１の操作サイクル中に実施され、前記アクチュエータユニット（２２）への前記予備電圧パルスの印加が、前記第１の操作サイクルに時間的に追従する、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）の第２の操作サイクルにおいて実施される、請求項４または５記載の駆動制御方法。
【請求項７】
前記第１の操作サイクルと前記第２の操作サイクルとが時間的に直接順次連続している、請求項６記載の駆動制御方法。
【請求項８】
内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタユニット（１０）であって、
インジェクタニードル（１６）を有するインジェクタバルブアセンブリ（１２）を備えており、前記インジェクタニードル（１６）は、ニードルシート（１８）と共にインジェクタバルブ（２０）を形成し、
相互に摩擦結合的に結合されたアクチュエータユニット（２２）とセンサユニット（２４）とを有するピエゾスタック（１４）を備えており、前記センサユニット（２４）は、前記アクチュエータユニット（２２）に作用する応力勾配を検出するように構成され、前記アクチュエータユニット（２２）は、前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）を操作するように構成され、前記ピエゾスタック（１４）と前記インジェクタバルブアセンブリ（１２）との間に未知のギャップサイズ（３４）を有するギャップ（３２）が形成され、
前記センサユニット（２４）の電圧信号を検出し、前記アクチュエータユニット（２２）に電圧パルスを印加するように構成された制御ユニット（２８）を備えており、前記制御ユニット（２８）は、請求項１から３までのいずれか１項記載の検出方法を実施するように、かつ／または請求項４から７までのいずれか１項記載の駆動制御方法を実施するように構成されている、インジェクタユニット（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インジェクタバルブアセンブリと、当該インジェクタバルブアセンブリの操作のために設けられたピエゾスタックとの間のギャップのギャップサイズを検出するための検出方法に関する。さらに本発明は、インジェクタバルブアセンブリの操作のために使用されるピエゾスタック内のアクチュエータユニットを駆動制御するための駆動制御方法に関する。
【０００２】
内燃機関のインジェクタバルブアセンブリの操作のために使用されるピエゾスタック内のアクチュエータユニットは、典型的には、複数の電極層と、電界の印加に反応する複数の材料層とを有するスタックとして構成される構成要素を含んでいる。ここでの各材料層は、２つの電極層の間に配置されている。これらの電極層を介してアクチュエータユニットに電界が印加されると、材料層は自身が伸長することによって反応し、それによってアクチュエータユニットは全体としてアクチュエータユニット長手方向軸線に沿って伸長する。その後この変位は、さらに別の構成要素に、例えば内燃機関のインジェクタバルブアセンブリに伝達可能であり、これによって、インジェクタニードルがニードルシートから持ち上げられ、それによって燃料が内燃機関の燃焼室内に噴射される。
【０００３】
インジェクタバルブアセンブリにおけるインジェクタニードルの開閉は、アクチュエータユニットの長手方向伸長をインジェクタバルブアセンブリに直接的または間接的に伝達することによって行われ、その際には長手方向伸長の伝達のために、アクチュエータユニットを有するピエゾスタックと、インジェクタバルブアセンブリとの間の任意の点において摩擦結合が行われる。
【０００４】
独国特許出願公開第１０２０１３２０６９３３号明細書（ＤＥ１０２０１３２０６９３３Ａ１）からは、ピエゾスタックをモジュール式に構築することが公知であり、そのためこのピエゾスタックは、前述したアクチュエータユニットの他に、当該アクチュエータユニットと摩擦結合的に結合されたセンサユニットも有している。この場合センサユニットは、それぞれ２つの電極層を有する少なくとも１つのセラミック材料層を有している。これにより、インジェクタニードルの開閉によってピエゾスタックに伝達される応力変化を検出することができ、それによってインジェクタニードルの開閉時点を検出することができる。
【０００５】
取り付けられた状態では、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間にはギャップが存在し、このギャップは、２つの要素の寿命期間にわたって、例えば２つの要素における消耗もしくは摩耗またはアクチュエータユニットの脱分極に基づいて変化する。
【０００６】
排気および燃費における要求の増加に伴い、燃焼室内への燃料の噴射における要求も高まる。この場合、より高められた圧力、より高められた温度、ならびに多段噴射は、噴射される燃料の調量の際のより高い精度を必要とする。この要求される精度を達成するためには、インジェクタを設定モードにおいて駆動制御するだけでは不十分であり、閉ループ制御は不可避である。とりわけこの閉ループ制御では、インジェクタバルブアセンブリとピエゾスタックとの間のギャップを補償できるようにすることも重要であり、この目的のためには、ギャップサイズ、とりわけ寿命期間にわたって変化するギャップサイズの情報が必要である。
【０００７】
それゆえ本発明の課題は、このギャップサイズを検出するための検出方法を提案することである。
【０００８】
前記課題は、請求項１の特徴を有する検出方法によって解決される。
【０００９】
さらに別の課題は、ギャップサイズを補償することができる、アクチュエータユニットを駆動制御するための駆動制御方法を提案することである。
【００１０】
ピエゾスタック内のアクチュエータユニットを駆動制御するための駆動制御方法は、対等な独立請求項の態様である。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の態様である。
【００１２】
内燃機関のインジェクタバルブアセンブリと、当該インジェクタバルブアセンブリを操作するためのピエゾスタックとの間のギャップのギャップサイズを検出するための検出方法は、以下のステップを含んでいる。すなわち、
−相互に摩擦結合的に結合されたアクチュエータユニットとセンサユニットとを有するピエゾスタックを準備するステップであって、この場合センサユニットは、アクチュエータユニットに作用する応力勾配を検出するように構成されているステップと、
−動作中にアクチュエータユニットを介して操作されるインジェクタバルブアセンブリを準備するステップであって、この場合インジェクタバルブアセンブリとピエゾスタックとが未知のギャップサイズを有するギャップを介して相互に離間されて配置されているステップと、
−センサユニットの電圧信号を検出するステップと、
−アクチュエータユニットが、ギャップを低減しながらアクチュエータユニット長手方向軸線に沿って変位するように、所定の電圧パルスをアクチュエータユニットに印加するステップと、
−電圧パルス印加が開始される第１の時点から、センサユニットの検出された電圧信号中に電圧勾配が発生する第２の時点までの、アクチュエータユニットへの電圧パルス印加の持続時間を検出するステップと、
−検出された持続時間と所定の電圧パルスとからギャップのギャップサイズを求めるステップと、を含んでいる。
【００１３】
この検出方法では、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間の摩擦結合が、ピエゾスタック内の応力インパクトに結び付くという知識が使用される。この応力インパクトは、内部に電荷を生成する応力勾配に対応し、そのため例えば外部から電圧を取り出すことができる。摩擦結合、ひいては応力勾配は、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間のギャップが克服された瞬間に生じる。伸長のためにアクチュエータユニットに印加される電圧は既知であるので、センサユニットがインジェクタバルブアセンブリとの摩擦結合を検出するまでに測定された持続時間にわたってギャップのギャップサイズを推定することができる。
【００１４】
この目的のために、好ましくは、予め定められた電圧パルスに対して、電圧パルス印加の持続時間に依存してギャップのギャップサイズを設定する事前に求められた特性マップが格納される。
【００１５】
後からギャップのギャップサイズを、例えば閉ループ制御を介して補償できるようにするためには、その結果から相応の制御変数を算出するためにシステムから定められた制御変数を求める必要がある。本明細書では、好ましくは、アクチュエータユニットとセンサユニットとからなるピエゾスタックのモジュラ構造が、ギャップサイズを求めるために使用される。それゆえギャップサイズを求めるためのさらに別のセンサを設ける必要はない。なぜなら既存のセンサユニットが使用されるからである。このセンサユニットは、ピエゾスタックがインジェクタバルブアセンブリに対する摩擦結合を達成する第２の時点における応力上昇を検出する。
【００１６】
好ましくは、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間のギャップのギャップサイズは、インジェクタバルブアセンブリの各操作サイクルにおいて検出される。そのため、要素の経年劣化現象に関するさらなるデータ、例えば寿命期間にわたって変化するギャップサイズに反映されるアクチュエータユニットの脱分極または要素の消耗もしくは摩耗現象などに関するさらなるデータを検出することが可能である。
【００１７】
好ましい実施形態では、第２の時点において、正の電圧勾配がセンサユニットの電圧信号中に検出される。それにより、電圧勾配を示すセンサユニットの信号が正であるならば、即座に第２の時点が存在することを認識することができる。
【００１８】
好ましくは、インジェクタバルブアセンブリのインジェクタニードルがニードルシートから持ち上げられる第３の時点において、第２の電圧勾配がセンサユニットの電圧信号中に検出される。これにより、好ましくは、燃料を噴射するためにインジェクタが開かれる時点を正確に検出することができる。
【００１９】
特にその際には、負の電圧勾配がセンサユニットの電圧信号中に検出される。したがって、極性に関連して、ピエゾスタックにおける応力勾配が、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間で摩擦結合が行われたことによって引き起こされたかまたはインジェクタニードルがニードルシートから持ち上げられたことによって引き起こされたかどうかを検出することができる。
【００２０】
特に、アクチュエータユニットからインジェクタバルブアセンブリまでの長手方向伸長が直接的に伝達されるインジェクタユニットの場合、インジェクタニードルがニードルシートと摩擦結合する第４の時点において、第３の電圧勾配がセンサユニットの電圧信号中に検出され、この場合第４の時点と第２の時点との間に、第３の時点は存在している。ここでの第４の時点では、好ましくは負の電圧勾配が検出される。またインジェクタの閉鎖とそれに伴う燃料噴射の終了によっても、ピエゾスタック中に応力勾配が発生し、この応力勾配はセンサユニットを介して電圧勾配により検出することができる。それゆえここでは、いつインジェクタバルブアセンブリとの摩擦結合が存在し、いつインジェクタニードルが開いたか、およびいつインジェクタニードルが再び閉じたかも、センサユニットを介して正確に検出することが可能になる。したがって、各燃焼室内に噴射される燃料を正確に調量することができる。測定されたデータからは、経年劣化現象を補償できる閉ループ制御を想定することも可能であり、それによってさらに各燃焼室への正確な燃料噴射を維持できる。
【００２１】
内燃機関のインジェクタバルブアセンブリを操作するためのピエゾスタック内のアクチュエータユニットを駆動制御するための駆動制御方法では、アクチュエータユニットに、インジェクタバルブアセンブリのインジェクタニードルをニードルシートから持ち上げるための予め定められた開放電圧パルスが印加される。ここではアクチュエータユニットに、開放電圧パルスが印加される前に以下のステップが実施される。すなわち、
−ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間のギャップのギャップサイズを検出するために上述の検出方法を実施するステップと、
−アクチュエータユニットに、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間のギャップを閉鎖するための予備電圧パルスを印加するステップとが実施される。
【００２２】
ここにおいてギャップサイズは既知であるので、予備電圧パルスをアクチュエータユニットに印加することで当該アクチュエータユニットを変位させてギャップを克服する、アクチュエータユニットの追従制御によってギャップを補償することが可能になる。
【００２３】
この目的のために、好ましくは、ギャップの閉鎖のために必要とされる予備電圧パルスの大きさが読み出し可能なさらに別の特性マップが格納される。
【００２４】
それゆえ、アクチュエータユニットは、当該検出方法における高精度な測定に基づいて前述の予備電圧パルスで動作させることができ、それによって、噴射が開始されるべき各時点において、ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間の再現可能なギャップフリー状態が達成される。したがってこの噴射駆動制御は、ピエゾスタックの絶対長、摩耗現象などに完全に依存しないことが達成し得る。これにより、ピエゾスタックの絶対長変化や特にニードルシートにおける摩耗現象のような負の外乱変数が消去でき、インジェクタニードルの再現可能な開閉特性が生じる。
【００２５】
同時に、所要の予備電圧パルスによって、いつギャップが予備電圧パルスの印加によってもはや補償できなくなり、そのためメンテナンスを必要とすることについても検出することができる。このケースでは、摩耗インジケータとしての信号を外部へ出力することができる。
【００２６】
好ましくは、予備電圧パルスは、当該検出方法を用いて求められたギャップサイズから決定され、その際予備電圧パルスは、特にインジェクタバルブアセンブリの各操作サイクルにおいて新たに決定される。それにより、寿命期間にわたって変化するギャップサイズも、装置の寿命期間にわたって連続的に補償することができる。
【００２７】
好ましくは、当該検出方法は、インジェクタバルブアセンブリの第１の操作サイクル中に実施され、この場合アクチュエータユニットへの予備電圧パルスの印加が、第１の操作サイクルに時間的に追従する、インジェクタバルブアセンブリの第２の操作サイクルにおいて実施される。それゆえ好ましくは、まず、当該検出方法を用いて、現在のギャップサイズがどのくらいの大きさであるのかを検出し、それによって所要の予備電圧パルスを求めることができる。次の操作サイクルにおいて初めて、この予備電圧パルスがギャップの補償のために使用される。
【００２８】
その際に好ましくは、この予備電圧パルスが次のような早期時点でアクチュエータユニットに与えられる。すなわち、インジェクタニードルを開放するための電圧パルスが、想定通りに遅滞なくアクチュエータユニットに出力できるような早期時点で与えられる。例えばこの予備電圧パルスは、当該検出方法の実施直後に既に与えることもでき、また本来後続すべき噴射が時間的に明らかに遅れた時点で初めて行われるべき場合にも与えることができる。
【００２９】
好ましくは、第１の操作サイクルと第２の操作サイクルとが時間的に直接順次連続している。
【００３０】
総じてインジェクタ全体には、アクチュエータと、バルブシートおよびバルブピストンを有するバルブアセンブリと、ノズルシートおよびニードルを有するノズルとが含まれている。
【００３１】
内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタユニットは、インジェクタニードルを有するインジェクタバルブアセンブリを備えており、このインジェクタニードルは、ニードルシートと共にインジェクタバルブを形成している。さらにこのインジェクタユニットは、相互に摩擦結合的に結合されたアクチュエータユニットとセンサユニットとを有するピエゾスタックを備えている。センサユニットは、ここではアクチュエータユニットに作用する応力勾配を検出するように構成されており、さらにアクチュエータユニットは、インジェクタバルブアセンブリを操作するように構成されている。ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間には未知のギャップサイズを有するギャップが形成されている。さらに制御ユニットが設けられており、この制御ユニットは、センサユニットの電圧信号を検出し、アクチュエータユニットに電圧パルスを印加するように構成されている。この場合この制御ユニットは、上述した検出方法を実行するように、もしくは上述した駆動制御方法を実行するように構成されている。
【００３２】
この目的のために、制御ユニットは、例えば前述した２つの特性マップ、ならびにセンサユニットの電圧信号の電圧勾配を検出するための手段を有している。さらにこの制御ユニットは、好ましくは、ギャップのギャップサイズおよびギャップを閉鎖するために必要な予備電圧パルスの大きさを様々なパラメータから求めることができる要素を有している。付加的にこの制御ユニットは、好ましくは電圧パルスをアクチュエータユニットに出力するための出力装置を備え、それによってこのアクチュエータユニットはその長さを、アクチュエータユニット長手方向軸線に沿って変化させることができる。
【００３３】
以下では本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとを備え、直接的に動作する機能原理に従って機能するインジェクタユニットの第１の実施形態の概略図
【図２】ピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとを備え、サーボ動作の機能原理に従って機能するインジェクタユニットの第２の実施形態の概略図
【図３】図１および図２からのピエゾスタックの概略的縦断面図をより詳細に拡大した図
【図４】図１および図２に示されたピエゾスタックとインジェクタバルブアセンブリとの間のギャップのギャップサイズを検出するための一検出方法のフローチャート
【図５】図４に従って検出されたギャップを克服するための、図１〜図３のピエゾスタックにおけるアクチュエータユニットの駆動制御方法を示すフローチャート
【図６】図４による検出方法もしくは図５による駆動制御方法を実行するように構成された制御ユニットの概略図
【００３５】
図１および図２はそれぞれ、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するために使用されるインジェクタユニット１０の概略図を示す。このインジェクタユニット１０は、インジェクタバルブアセンブリ１２と、該インジェクタバルブアセンブリ１２を操作可能なピエゾスタック１４とを備えている。インジェクタバルブアセンブリ１２には、インジェクタニードル１６が配置されており、このインジェクタニードル１６は、ニードルシート１８と共にインジェクタバルブ２０を形成するように協働している。インジェクタニードル１６がニードルシート１８から持ち上がると、インジェクタバルブ２０が開かれ、当該インジェクタユニット１０と接続している各燃焼室内に燃料を噴射することができる。しかしながら、インジェクタニードル１６が再びニードルシート１８と摩擦結合すると、インジェクタバルブ２０は閉じられ、燃料の噴射が終了する。
【００３６】
ピエゾスタック１４は、後で図３に基づいてより詳細に説明するように、アクチュエータユニット２２とセンサユニット２４とを有している。これらは、アクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿ってピエゾスタック１４内で上下に配置されており、この場合はセンサユニット２４が、アクチュエータユニット２２（図３参照）の上方またはアクチュエータユニット２２の下方に配置されていてもよい。
【００３７】
ピエゾスタック１４は、制御ユニット２８に接続されており、この制御ユニット２８は、一方ではセンサユニット２４からの電圧信号を検出することができるが、他方では電圧パルスをアクチュエータユニット２２に出力することもでき、それによってこのアクチュエータユニット２２は、アクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って伸長する。
【００３８】
そのようなアクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿った伸長は、ピエゾスタック１４を、例えばそれに固定されたピン３０を介して、インジェクタバルブアセンブリ１２の方へ移動させることにつながる。その際にはギャップ３２が克服される。このギャップ３２は、インジェクタバルブアセンブリ１２もしくはピエゾスタック１４の取り付けられた状態において常に存在し、個々の要素の寿命期間にわたってそのギャップサイズ３４も変化する。このギャップ３２が克服され、アクチュエータユニット２２がさらにアクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って変位すると、操作ユニット３６を介してピエゾスタック１４から操作ユニット３６に作用する力によって、インジェクタニードル１６がニードルシート１８から持ち上げられる。アクチュエータユニット２２の電圧印加が終了すると、このアクチュエータユニット２２は再び、アクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って収縮し、それによってインジェクタバルブアセンブリ１２とピエゾスタック１４との間の接触接続が終了し、インジェクタニードル１６は再びニードルシート１８に戻ることができる。
【００３９】
図１にはこの場合直接動作する機能システムが示されており、ここでは操作ユニット３６が、インジェクタニードル１６を、ピエゾスタック１４からの応力印加のもとで、レバー３８を介してニードルシート１８から持ち上げる。
【００４０】
図２は代替的な実施形態を示しており、ここではインジェクタユニット１０がサーボ動作を介して機能しており、その場合操作ユニット３６は、液体が充填された制御チャンバ４０を有している。この制御チャンバ４０内に存在する流体圧力による閉鎖力は、インジェクタニードル１６に作用し、それによって当該インジェクタニードル１６はニードルシート１８に保持される。ピエゾスタック１４がピン３０を介して操作ユニット３６のバルブ要素４２と接触接続すると、制御チャンバ４０内の流体圧力が低下し、それによってインジェクタニードル１６はニードルシート１８から持ち上げられ得る。
【００４１】
図３は、図１および図２からのピエゾスタック１４の概略的縦断面図をより詳細に拡大して示す。
【００４２】
ピエゾスタック１４は、アクチュエータユニット２２とセンサユニット２４とを有しており、これらは、図３に示す実施例ではアクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って上下に配置されており、詳細にはセンサユニット２４が、アクチュエータユニット２２の、インジェクタバルブアセンブリ１２とは反対側に配置されている。しかしながらこれとは逆のアクチュエータユニット２２およびセンサユニット２４の配置構成も可能である。
【００４３】
アクチュエータユニット２２は、複数の電極層と、電界の印加に反応する複数の材料層とを含んでおり、これらの層は、アクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って交互に上下に積層されて配置されている。これらの電極層および材料層は、明確化の理由から図３には示されていない。電極層の電気的接触接続は、電気的導体路４６を介して電極層に電気的に接続されている外部電極４４を介して行われる。しかしながら外部電極４４の接触接続は、別のやり方で行うことも可能である。外部電極４４は、制御ユニット２８に接続されており、この制御ユニット２８は、当該外部電極４４を介して電圧パルスをアクチュエータユニット２２に出力することができる。それによりこのアクチュエータユニット２２は、アクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って伸長する。アクチュエータユニット２２は、センサユニット２４と摩擦結合的に接続される。センサユニット２４も好ましくはセンサ本体４８を有しており、このセンサ本体４８は、例えばアクチュエータユニット２２の材料層も形成する同じ材料から形成されている。センサ本体４８には複数の電極層５０が配置されており、詳細には特に２つの相対向する側面５２に配置されており、これらの側面５２は、アクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って配置されている。電極層５０は電圧測定装置５４に接続されており、この電圧測定装置５４は、センサユニット２４の電圧信号を制御ユニット２８に転送する。
【００４４】
制御ユニット２８は、電圧測定装置５４を介して伝送されたセンサユニット２４の電圧信号を検出することができることによって、ピエゾスタック１４内で発生するすべての電力勾配は、制御ユニット２８によって検出することができる。
【００４５】
それにより、制御ユニット２８を用いることで、インジェクタバルブアセンブリ１２とピエゾスタック１４との間のギャップ３２のギャップサイズ３４の信頼できる検出が可能である検出方法も実施することができる。
【００４６】
それに対するこのギャップサイズ３４を検出するためのフローチャートは図４に示す。
【００４７】
この場合はまず、制御ユニット２４からアクチュエータユニット２２へ電圧パルスの印加が行われる第１の時点ｔ１が検出される。これに続いて、センサユニット２４から制御ユニット２８に通知される電圧信号中の第２の時点ｔ２では、電圧勾配ｄＵがいつ発生したかが検出される。これらの２つの時点ｔ１，ｔ２からは、電圧勾配ｄＵの発生までに経過した持続時間Δｔを検出することができる。その後、ギャップサイズ３４を持続時間Δｔに依存して設定する第１の特性マップＫ１を考慮して、現時点で存在しているギャップサイズ３４を求めることができる。同時に、センサユニット２４の電圧信号は、引き続き制御ユニット２８によって検出され、それによって、さらに別の電圧勾配ｄＵの発生する第３の時点ｔ３が求められ得る。すなわちこれはインジェクタニードル１６がニードルシート１８から持ち上げられたときである。第２の時点ｔ２を第３の時点ｔ３から区別できるようにするために、電圧勾配の極性が用いられる。この電圧勾配は時点ｔ２では正であり、時点ｔ３では負である。さらに別の経過では、とりわけ直接駆動されるインジェクタユニットの場合では、第４の時点ｔ４においても正の極性を有するさらに別の電圧勾配ｄＵを検出することができる。このことはインジェクタニードル１６の閉鎖に起因する。
【００４８】
図５は、制御ユニット２８を介してアクチュエータユニット２２を制御することができる駆動制御方法を概略的に示したフローチャートを示す。ここではまず、図４を参照して説明したように、インジェクタバルブアセンブリ１２とピエゾスタック１４との間のギャップ３２のギャップサイズ３４が求められる。その後で、ギャップ３２の閉鎖のために必要な予備電圧パルスの大きさを、求められたギャップサイズ３４に依存して設定する第２の特性マップＫ２から、ギャップ３２を閉鎖するために必要となる予備電圧パルスの大きさが求められる。
【００４９】
その後の後続するステップでは、アクチュエータユニット２２にこの予備電圧パルスが印加される。さらにそれに続いて、アクチュエータユニット２２には、インジェクタニードル１６をニードルシート１８から持ち上げるための開放パルスが印加される。
【００５０】
制御ユニット２８は、図４に示す検出方法も、図５に示す駆動制御方法も実施するように構成されている。この目的のために制御ユニット２８は、図６に概略的に示すように、特性マップＫ１およびＫ２を有している。さらに、センサユニット２４からの電圧信号中の電圧勾配ｄＵを検出するための検出装置５６が設けられている。付加的にこの制御ユニット２８は、時間測定装置５８と、開放パルス出力装置６２を備えた出力装置６０とを含んでおり、この開放パルス出力装置からは、インジェクタニードル１６を開放するために開放パルスがアクチュエータユニット２２に出力される。開放パルス出力装置６２は、開放パルスをアクチュエータユニット２２に出力したときに信号を時間測定装置５８に与える。検出装置５６は、センサユニット２４を介して電圧勾配ｄＵが求められたときに信号を時間測定装置５８に与える。これらのことから時間測定装置５８は、持続時間Δｔを決定することができる。
【００５１】
制御ユニット２８内にはさらに、ギャップサイズ３４を求めることができる算出ユニット６４が設けられている。この目的のために、当該算出ユニット６４には、時間測定装置５８から、検出された持続時間Δｔ、ならびに特性マップＫ１および開放パルスの大きさのデータが供給される。これらのデータからは、ギャップサイズ３４を求めることが可能である。なぜなら、特性マップＫ１がギャップサイズ３４を、持続時間Δｔおよび開放パルスの大きさに依存して設定するからである。
【００５２】
さらに制御ユニット２８内には、予備電圧パルスの大きさを、詳細には、求められたギャップサイズ３４と第２の特性マップＫ２とに基づいて決定するための決定ユニット６６が設けられている。この第２の特性マップＫ２は、求められたギャップサイズ３４に依存して、ギャップ３２の閉鎖のために必要な予備電圧パルスを設定する。出力装置６０は、開放パルス出力装置６２の他に、所定の予備電圧パルスが決定ユニット６６から供給される予備電圧パルス出力装置６８も含んでいる。したがってこの予備電圧パルス出力装置６８は、所定の予備電圧パルスに相応する信号をアクチュエータユニット２２に出力し、それによってアクチュエータユニット２２は、ギャップ３２が消滅するようにアクチュエータユニット長手方向軸線２６に沿って伸長し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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