(57)【要約】【課題】噴射バルブの可動遮断素子の位置を決定する方法を提供する。【解決手段】本発明は、自動車エンジンの噴射バルブの可動遮断素子、特にニードル弁の位置を決定する方法に関する。遮断素子は、噴射バルブを開閉するために、圧電素子によって駆動される。圧電素子で検出された電圧に割り当てられる電圧信号が定められ、遮断素子の位置決定に使用される。モデルによって、モデル化された電圧変化が定められ、同様に、遮断素子の位置決定に使用される。特に、遮断素子の位置決定は、モデル化された電圧変化と定められた電圧信号との差分を使用することによって行われる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車エンジンの噴射バルブの可動遮断素子の位置を決定する方法であり、
−前記噴射バルブを開閉するために、前記遮断素子が圧電素子によって駆動され、
−前記圧電素子で検出された電圧に割り当てられる電圧信号（４）が定められ、
−前記電圧信号（４）が前記遮断素子の位置決定に使用される方法であって、
モデルによって、モデル化された電圧変化（７）が定められ、前記遮断素子の位置決定に使用されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記定められた電圧信号（４）ｕｐ（ｔ）と前記モデル化された電圧変化（７）ｕｉ（ｔ）との差分を作成することによって、差分電圧（８）ｕＤｉｆｆ（ｔ）が定められ、前記遮断素子の位置決定に使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記差分電圧（８）ｕＤｉｆｆ（ｔ）の局所的極値が、前記遮断素子の予め定め得る位置に割り当てられることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記遮断素子の予め定め得る位置が、噴射動作の開始又は終了に相関付けられていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
測定雑音を低減するために、前記差分電圧（８）ｕＤｉｆｆ（ｔ）のフーリエ変換が行われ、電圧信号に割り当てられるエネルギー密度スペクトルの基本波が、前記差分電圧ｕＤｉｆｆ（ｔ）のフーリエ変換Ｆ（ｕＤｉｆｆ（ｔ））によって定められることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記モデル化された電圧（７）ｕｉ（ｔ）が、圧電電流ｉｉの経時積分を、圧電スタックをモデル化した静電容量Ｃで割ったものとして作成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記静電容量Ｃの水準が、予め定め得る条件下で定められた電圧信号（４）とモデル化された電圧変化（７）との比較によって定められることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記噴射バルブの前記遮断装置を制御する前記圧電素子が、電流制御装置によって駆動されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記遮断素子の位置決定が、噴射の変動を制御するのに使用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記遮断素子が、長手方向に移動可能なインジェクタ・ニードルであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に記載の自動車エンジンの噴射バルブの可動遮断素子の位置を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に燃料を供給するため、非常に高い噴射圧力下で動作するコモンレール・システムが使用される。このような噴射システムは、燃料が、エンジンの全てのシリンダに対し一緒に割り当てられた蓄圧室の中に、高圧ポンプによって注入され、この蓄圧室から、個々のシリンダにある噴射バルブに供給されるという事実によって特徴づけられる。噴射バルブは、しばしばインジェクタとしても知られている。噴射バルブの開閉は、通常電気的に、例えば、アクチュエータとして圧電素子を用いて、制御される。
【０００３】
噴射バルブ又はインジェクタの場合、噴射バルブの注入口を開閉するニードル弁を備えたノズル本体と圧電アクチュエータとの間の遮断素子として、制御弁を切替えることが可能である。この制御弁は、実際の燃料噴射バルブの開閉を油圧で行う目的を果たし、即ち、特に噴射動作の開始及び終了の厳密なタイミングを決定する。噴射バルブは、例えば、制御された方法で開けること、及び、噴射動作の終了時に速やかに閉じることを目的とする。実際の噴射前の予備噴射のために、燃料の極く小量の噴射もまた可能であることを目的とし、燃焼プロセスが最適化されるのを可能にする。しかし、遮断素子はまた、噴射バルブの異なる形及び異なる位置で、例えば、弁出口での弁フラップ又はニードル弁として、取付けてもよい。特に、インジェクタ・ニードルを遮断素子として使用してもよい。噴射バルブは、ニードル弁として形成してもよい。
【０００４】
アクチュエータとして使用する圧電素子を圧電スタックの形で配置することが、特許文献１に記載されており、この圧電素子は、電気的に制御された機械的な持上げ動作を行うために、第２の圧電素子と直列に設けられており、これは、第１の作動中の圧電素子の持上げ動作のセンサ素子として、第２の圧電素子を使用するためである。かかる構成は、圧電素子の作動によって駆動される構成部材の位置を決定するのに使用してもよい。かかる構成の１つの可能な用途として、自動車の燃焼空間に燃料を注入するインジェクタが、前記引用した特許文献１に記載されている。
【０００５】
特許文献２は、自動車の内燃機関用の燃料噴射バルブによって燃料噴射動作を制御する方法を開示している。噴射バルブを開けるために、遮断素子としての制御弁が、アクチュエータとしての圧電素子によって作動される。遮断素子の状態を変えるため、圧電素子が電気的に活性化される。この活性化の後、圧電素子の電圧が測定され、測定された電圧を使用して、噴射バルブの噴射の開始又はニードルの開き時間を定める。
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９  ６０  ９７１  Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１９９  ３０  ３０９  Ｃ２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、自動車エンジンの噴射バルブの遮断素子の位置の簡単、厳密、かつ迅速な決定を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。
【０００９】
本発明による方法の場合、噴射バルブを開閉するために、噴射バルブの遮断素子が、アクチュエータとして設けられた圧電素子によって駆動される。本発明では、個々の圧電素子、又は個々の圧電素子の配列、例えば圧電スタックを、圧電素子として使用することができる。電圧は、圧電素子で検出される。検出された電圧に割り当てられる電圧信号が定められる。この電圧信号は、遮断素子の位置決定に使用される。モデルによって、モデル化された電圧変化が定められ、遮断素子の位置決定に使用される。例えば圧電素子及びその導線を含む、圧電素子の等価回路図又は圧電素子を含む電気回路を、モデルのベースとして使用することができる。このモデルは、モデル化された圧電素子の予め定め得る理想化動作を記述したアルゴリズムであることが好ましい。しかし、等価な物理的装置もまた、モデルとして使用することができる。このモデルによってモデル化された電圧変化と、測定によって定められた電圧変化との比較により、遮断素子の位置の良好な決定を得ることが可能になる。
【００１０】
上記した方法は、噴射バルブの遮断素子の位置が追加のセンサなしで確実に決定され得るという利点がある。特に、噴射バルブの特定の位置検出モードを設けずに、及び、遮断手段又は遮断手段を作動させるアクチュエータをこの位置検出モードに置かずに、遮断素子の位置を決定し得る。
【００１１】
噴射バルブの可動遮断素子の位置を決定する方法の改良された形態において、定められた電圧信号ｕｐ（ｔ）とモデル化された電圧変化ｕｉ（ｔ）との差分を定めることによって、差分電圧ｕＤｉｆｆ（ｔ）が定められ、それを使用して、遮断素子の位置が決定される。差分の代数的な符号は、ここでの重要性は二次的であり、その結果、どの値が他から差し引かれるかは重要でない。
【００１２】
さらなる改良の形態では、差分電圧ｕＤｉｆｆ（ｔ）の極値が、遮断素子の予め定め得る位置に割り当てられる。特に、遮断素子の予め定め得る位置を、噴射動作の開始又は終了に相関付ける。ここで、より幅広い意味で、差分電圧ｕＤｉｆｆ（ｔ）の局所的極値としてみなされるのは、量、代数的な符号、曲率、曲線の平滑度などに関して、予め定め得る評価基準を対応して満足させる全ての極値である。差分電圧の局所的極値を定めることは、定められた曲線の信頼のおけるかつ容易に実行可能な評価に相当し、遮断素子の定義された位置を推測するのが可能になる。遮断素子の定義された時点での定義された位置の知識に基づき、経時的な事象のその後の過程において、遮断素子の時間に依存する位置を特に正確にかつ信頼できるように決定することが可能である。
【００１３】
特に信頼できる結果を生み出す方法の改良された形態では、測定雑音を低減するために、差分電圧ｕＤｉｆｆ（ｔ）のフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）変換が行われる。差分電圧のフーリエ変換Ｆ（ｕＤｉｆｆ（ｔ））を使用して、電圧信号に割り当てられるエネルギー密度スペクトルの基本波が定められる。この基本波は、少なくとも大部分は重畳された外乱、特に測定雑音を含まず、したがって、この基本波は、信頼できてかつ評価するのが容易である。
【００１４】
評価に関するさらに好適な可能性は、圧電電流ｉｉの経時積分を、圧電スタックをモデル化した静電容量Ｃで割ったものとして、モデル化された電圧ｕｉ（ｔ）を定めることによって得られる。静電容量Ｃの水準は、ここでは、予め定め得る条件下で定められた電圧信号と、モデル化された電圧変化との比較によって定め得る。
【００１５】
噴射バルブの可動遮断素子の位置を決定する方法のさらなる改良の形態では、噴射バルブの遮断装置を制御する圧電素子は、電流制御装置によって駆動される。噴射バルブの遮断装置は、圧電素子を流れる電流を予め定めることによって制御される。遮断素子の位置を決定するために、圧電素子の電圧が検出され、かつ評価される。電流供給動作の間の圧電電圧を検出する代わりに、電流が供給されない期間に圧電電圧の検出を行ってもよい。このようにするために、圧電素子が電気的に自由な間、圧電電圧の検出が圧電素子に関して可能になるように、電流が供給されない期間、圧電素子を電流供給装置から電気的に切断してもよい。
【００１６】
遮断素子の位置決定は、噴射バルブの噴射の変動を制御するのに使用するのが好ましい。噴射の変動の制御は、燃費を低減し、有害な放出物を削減し、又は例えばエンジン騒音を最適化するために行ってもよい。
【００１７】
噴射バルブの遮断素子は、任意の所望の遮断素子、例えばフラップでもよいが、しかし、長手方向に移動可能なインジェクタ・ニードルを使用するのが好ましい。
【００１８】
本方法の特に有利な用途は、圧電素子によって駆動される噴射インジェクタ内のインジェクタ・ニードルのニードル位置を測定する際に得られる。それらの動的動作に関して、圧電アクチュエータは、燃焼シーケンスの間、雑音及び有害物質を低減するための予備噴射及び後噴射などの狭い噴射外形において、高い作動力及び短い応答時間を可能にする。本発明では、インジェクタ・ニードルの位置についての厳密な知識は、１００μｓ未満の噴射時間のためのカム軸調節に対して特に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明による方法の有利な改良の形態は、図面に基づいて、以下にさらに詳細に説明される。
【００２０】
図１は、アクチュエータの最初のスタック長さＬが、長さの変化ΔＬだけ変化したときの、噴射インジェクタの種々の特性変数の変化を示す。アクチュエータは、順に積み重ねた電気的に接触した圧電シート又は素子を含んでいる。アクチュエータの長さの変化は、圧力下の燃料を、長さの変化の大きさ及び長さの変化の所要時間に対応するやり方で、制御された方法で目標空間に噴射するために、インジェクタ・ニードルに伝達される。目標とされた圧電アクチュエータの活性化は、インジェクタによって、開始ｔＡから終了ｔＥまで定義される時間領域に対して噴射される燃料量の測定可能な体積Ｖ（ｔ）として、噴射量の変動３の特定の輪郭を発生させる効果を有する。
【００２１】
電流供給に基づいて、電流信号５及びインジェクタ・ニードルの機械的反応は、測定された圧電電圧ｕｐ（ｔ）の電圧信号４の経時変化に反映され、その結果、噴射の開始ｔＡ及び噴射の終了ｔＥを、電圧信号ｕｐ（ｔ）から検出することができる。ｔＥ及びｔＡ時点の検出、したがって特にインジェクタ・ニードル位置の検出は、噴射動作の間、インジェクタ・ニードルの反力Ｆ（ｔ）から分離される電気入力変数ｉＰ（ｔ）によって、可能になる。かかる分離は、モデル化された電圧変化と圧電素子で測定された電圧変化との間の差分を作成することによって、行ってもよい。
【００２２】
モデリングとしては、圧電素子の特に静電容量Ｃが、ｎ個の圧電素子を含むスタックの等価回路図から、図２のブロック回路図に従って、及び分離して見て、選び出される。この静電容量Ｃによって、ブロック７のモデル化された圧電電圧は、ブロック５からの測定された圧電電流ｉＰ（ｔ）を使用して、ブロック６で定められる。このようにしてモデル化された対応する電圧変化ｕｉ（ｔ）は、積分式ｕｉ＝１／Ｃ・∫ｉｉｄｔから算出することができる。このモデル化された電圧変化は、ブロック４からの測定された電圧変化ｕｐ（ｔ）と比較され、特にブロック８で定められる差分電圧が得られる。
【００２３】
圧電スタックの静電容量Ｃを定めることは、電圧ｕｉ（ｔ）のモデル化された変化の振幅を、測定された実際の電圧変化ｕｐ（ｔ）に適応させることによって行うことが好ましい。調査したインジェクタの圧電素子の場合、約１０μＦの静電容量値が見出された。
【００２４】
図３によると、測定された電圧ｕｐ（ｔ）の変化４とモデル化された電圧ｕｉ（ｔ）の変化７とを比較すると、差分電圧の経時変化８  ｕＤｉｆｆ（ｔ）＝ｕｐ（ｔ）−ｕｉ（ｔ）になる。これから、差分電圧の変化において、噴射の開始ｔＡは、第１の極小値と一致し、噴射の終了ｔＥは、第２の極小値と一致することが明らかである。加えて、基準曲線として示されるのが噴射量の変動９である。
【００２５】
差分電圧の特性位置及び噴射量の変動の特性位置の割当を改善するために、本方法の有利な発展の形態では、差分電圧ｕＤｉｆｆ（ｔ）の最初の経時変化のフーリエ変換が、ＵＤｉｆｆ（ｆ）＝Φ｛ｕＤｉｆｆ（ｔ）｝によって行われる。エネルギー密度スペクトルの基本波Ｈ（ｆ）＝｜ＵＤｉｆｆ（ｆ）｜２を計算することによって、Ｈ（ｆ）の最初の２つの極小値からインジェクタ・ニードルの位置を決定する際、本発明による方法はさらに改善される。これは、基本波の最初の極小値は、噴射の開始及び噴射の終了の時点に、したがって、噴射バルブの遮断素子、特にインジェクタ・ニードルの位置に特に強く相関し、基本波で構成されるエネルギー密度スペクトルの一部は、特に平滑な変化の後に続き、したがって、容易にかつ信頼性のある評価ができるからである。
【００２６】
噴射バルブの可動遮断素子の位置決定にとって有利な一つの可能性は、カルマンフィルタ（Ｋａｌｍａｎ  ｆｉｌｔｅｒ）によって差分電圧（８）ｕＤｉｆｆ（ｔ）を定めることである。これは、残分ｒｅｓ（ｔ）を定めるために、カルマンフィルタによってモデル化された電圧値、いわゆる予想値から、圧電電圧の測定された値を差し引くことを必要とする。この残分ｒｅｓ（ｔ）は、噴射バルブの位置決定に使用され、残分の評価を、差分電圧の評価と同様に行うことが可能である。圧電電流は、決定論的な制御変数として本方法に組み込まれる。
【００２７】
カルマンフィルタによる噴射ニードルの位置決定は、同時にまた、さらなる変数、例えば、開閉操作の間の圧電素子の静電容量を定めることによって拡張することができる。選択された変数、又はこの手段によって定められる全ての変数は、ここでは状態ベクトルを形成することになる。本方法に組み込まれる観測される変数は、測定された圧電電圧であり、観測値の数Ｎは、この数が定めるべき状態の数未満であるように選択されることが好ましく、これは、そうでない場合は、一方では情報の増加が少量にすぎず、他方では本方法を実行するのに要する時間が増加するからである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】燃料噴射インジェクタの特性変数、すなわち噴射量の変動３、圧電電圧の変化４、燃料圧の変化２、及び圧電電流の変化５の測定された経時変化の質的表示を示す図。
【図２】圧電素子の測定された電圧変化４とモデル化された電圧変化７から差分電圧を定める装置のブロック図。
【図３】定められた噴射の開始ｔＡ及び噴射の終了ｔＥを有する、圧電電圧の測定された経時変化４及びモデル化された経時変化７を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
２  燃料圧の変化
３  噴射量の変動
４  圧電電圧の変化、定められた電圧信号（ブロック）
５  圧電電流の変化、電流信号（ブロック）
６  ブロック
７  モデル化された電圧変化（ブロック）
８  差分電圧（ブロック）
９  噴射量の変動
Ｃ  静電容量
ｔＡ  噴射の開始
ｔＢ  噴射の終了
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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