(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子（１０）を充放電する方法であって、
電荷担体が直流電圧源（１３）から圧電素子（１０）に移動するか、または圧電素子（１０）から直流電圧源（１３）に移動して、圧電素子（１０）の弾性的な変位をノズルニードル（４４）に伝達する形式の方法において、
第１のオペレーションモードにおいて、前記ノズルニードル（４４）の作動運動を駆動制御時間を変えることによって変化させ、
第２のオペレーションモードにおいて、前記ノズルニードル（４４）の作動運動を圧電素子（１０）に印加される電圧のレベルに依存して変化させ、かつ電圧傾度（１８）を前記電圧レベルに対応して調整し、
電圧傾度（１８）の当該調整を少なくとも１つの充電過程（２２）および少なくとも１つの放電過程（２６）内で行い、前記充電過程（２２）の持続時間および前記放電過程（２６）の持続時間を前記第１のオペレーションモードと第２のオペレーションモードにおいて同じにし、
前記第１のオペレーションモード（１６）では前記圧電素子（１０）によって動かされるバルブエレメント（４３）がコモンレール（６０）から燃料を排出させるために設けられた還流部（５４）を閉鎖する第１の位置（６６）から、当該還流部（５４）を開放する第２の位置（７０）に移動し、
前記第２のオペレーションモード（３２）では前記バルブエレメント（４３）が、前記第１の位置（６６）から、当該第１の位置（６６）と前記第２の位置（７０）との間の中間位置（６８）に移動する、
ことを特徴とする、圧電素子を充放電する方法。
【請求項２】
１つの制御周期（２０）は、充電過程（２２）とそれに続く保持過程（２４）と放電過程（２６）とから成る、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記１つの制御周期（２０）から生じる圧電素子（１０）の弾性的な変位を直接的に前記ノズルニードル（４４）に伝達する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記１つの制御周期（２０）から生じる圧電素子（１０）の弾性的な変位を液圧式カップラー（２８）を介して間接的に前記ノズルニードル（４４）に伝達する、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
前記オペレーションモード（１６, ３２）をその順番において任意に組合せることができる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
圧電素子（１０）を充放電する装置であって、
制御装置によって制御される、直流電圧源（１３）の供給電圧部（１２）を有する形式の装置において、
電荷担体が直流電圧源（１３）から圧電素子（１０）に移動するか、または圧電素子（１０）から直流電圧源（１３）に移動して、圧電素子（１０）の弾性的な変位がノズルニードル（４４）に伝達される形式の装置において、
制御回路（３６）が設けられており、当該制御回路によって
第１のオペレーションモードにおいて前記ノズルニードル（１４）の作動運動が駆動制御時間を変えることによって変化され、
第２のオペレーションモードにおいて前記ノズルニードル（４４）の作動運動が圧電素子（１０）に印加される電圧のレベルに依存して変化され、かつ電圧傾度（１８）が前記電圧レベルに対応して調整され、
電圧傾度（１８）の当該調整が少なくとも１つの充電過程（２２）および少なくとも１つの放電過程（２６）内で行われ、前記充電過程（２２）の持続時間および前記放電過程（２６）の持続時間が前記第１のオペレーションモードと第２のオペレーションモードにおいて同じであり、
前記第１のオペレーションモード（１６）では前記圧電素子（１０）によって動かされるバルブエレメント（４３）がコモンレール（６０）から燃料を排出させるために設けられたレール圧を低減させる還流部（５４）を閉鎖する第１の位置（６６）から、当該還流部（５４）を開放する第２の位置（７０）に移動し、
前記第２のオペレーションモード（３２）では前記バルブエレメント（４３）が、前記第１の位置（６６）から、当該第１の位置（６６）と前記第２の位置（７０）との間の中間位置（６８）に移動する、
ことを特徴とする、圧電素子を充放電する装置。
【請求項７】
前記制御回路（３６）は制御装置内に配置されている、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記制御装置には制御モジュール（４６）が接続されている、請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
前記直流電圧源（１３）には充放電ユニット（４０）が接続されている、請求項６から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記充放電ユニット（４０）には圧電素子（１０）が接続されている、請求項６から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記圧電素子（１０）は液圧式カップラー（２８）に接続されている、請求項６から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記液圧式カップラー（２８）には、当該液圧式カップラー（２８）の運動を前記ノズルニードル（４４）に伝達する制御弁（４２）が接続されている、請求項６から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記制御回路（３６）はモノリシック集積回路である、請求項６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷担体が直流電圧源から圧電素子に移動するかまたは電荷担体が圧電素子から直流電圧源に移動して、圧電素子の弾性的な変位を調整部材に伝達する形式の圧電素子を充放電する方法と、制御装置によって制御される、直流電圧源の供給電圧部を有する形式の圧電素子を充放電する装置に関する。すなわち電荷担体が直流電圧源から圧電素子に移動するかまたは電荷担体が圧電素子から直流電圧源に移動して、圧電素子の弾性的な変位を調整部材に伝達する、圧電素子を充放電する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は公知のように、印加されたかまたはそこに設定される直流電圧に依存して圧縮または伸張するという特性を有する。調整部材を圧電素子によって具体的に実現することは、該当する調整部材が迅速および／または頻繁に稼働させられるべき場合に適している。圧電素子は調整部材として、内燃機関の燃料噴射ノズル等で使用される。例えば圧電素子をアクチュエータとして燃料噴射システムにおいて使用する特定の用途では、圧電素子をできるだけ正確に種々異なって（場合によっては変化をつけて）伸張させる必要がある。ここで圧電素子の種々異なる伸張は、制御弁に直接的にまたは間接的に伝達されることによって、ノズルニードル等の調整部材の移動に相当する。ノズルニードルが移動することによって、燃料噴射孔は開けられる。燃料噴射孔の開放持続時間は、開放された燃料噴射孔の横断面と印加された圧力とに依存して、所望の噴射量を定める。ノズルニードルの運動を制御する制御弁が直接的にではなく、圧電素子から始まって、液圧式カップラーを介して制御される、主な用途を以下でより詳細に説明する。
【０００３】
圧電素子は、液圧式カップラーとそれに続く制御弁とノズルニードルと共に複合的なばね・質量システム（Feder-Masse-System)を構成する。このばね・質量システムに、制御によって過度の振動が励起されてはならない。なぜならそうでなければ所望の噴射量が影響を受けてしまうからである。従って圧電素子の振動励起は、任意に短くてはならない。
【０００４】
所定の電圧レベルに対する前提条件のもとでは、ばね・質量システムを振動させることなく、充電過程と保持過程からなる制御持続時間をそれ以上短くすることができない下方時間閾値に達する。
【０００５】
これは圧電システムで、非常に少ない量を実現するための所望の制御には欠点となる。とりわけ燃料噴射システムで使用する場合に欠点となる。自身の制御周期を有するそれ自体公知のオペレーションモードは、制御持続時間を変えることで圧電素子を振動なく変位させることができるが、限界として下方時間閾値が残る。レール圧力が非常に高い場合、燃料噴射システムにおいて任意の少ない噴射量が技術的に望まれているときにはとりわけ、このような第１のオペレーションモードの本質的な欠点を有する公知の方法によって振動のない制御を行うのはもはや不可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、下方時間閾値を維持して非常に少ない量を実現することができる、圧電素子を充放電する方法および装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、ノズルニードルの作動運動を圧電素子に印加される電圧のレベルに依存して変化させ、かつ電圧傾度を前記電圧レベルに対応して調整し、電圧傾度の当該調整を少なくとも１つの充電過程および少なくとも１つの放電過程内で行い、前記充電過程の持続時間および前記放電過程の持続時間を圧電素子の前記電圧レベルに依存させずに、一定に保つ、本発明の方法と、制御回路が設けられており、当該制御回路によってノズルニードルの作動運動が圧電素子に印加される電圧のレベルに依存して変化され、かつ電圧傾度が前記電圧レベルに対応して調整され、電圧傾度の当該調整が少なくとも１つの充電過程および少なくとも１つの放電過程内で行われ、前記充電過程の持続時間および前記放電過程の持続時間が圧電素子の前記電圧レベルに依存されずに、一定に保たれる、本発明の装置とによって解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ノズルニードルの作動運動を圧電素子に印加される電圧のレベルに依存して変化させ、かつ電圧傾度を前記電圧レベルに対応して調整し、電圧傾度の当該調整を少なくとも１つの充電過程および少なくとも１つの放電過程内で行い、前記充電過程の持続時間および前記放電過程の持続時間を圧電素子の前記電圧レベルに依存させずに、一定に保つ本発明の方法は従来技術に対して、調整部材の作動運動のレベルを変えることができるという利点を有する。これはピエゾアクチュエータに変化する電圧を充電することによって行われる。ここで、アクチュエータの充電時間ないし放電時間は不変に保たれ、制御電圧が変化する場合も前述の振動が確実に回避される。このような新たな２番目のオペレーションモードは、とりわけ高いレール圧力を有する燃料噴射システムにおいて非常に少ない量を実現するために用いられる。なぜなら調整部材は非常に小さい作動運動を容易に行うことができるからである。しかもばね・質量システムを振動させることはない。
【０００９】
制御回路が設けられており、当該制御回路によってノズルニードルの作動運動が圧電素子に印加される電圧のレベルに依存して変化され、かつ電圧傾度が前記電圧レベルに対応して調整され、電圧傾度の当該調整が少なくとも１つの充電過程および少なくとも１つの放電過程内で行われ、前記充電過程の持続時間および前記放電過程の持続時間が圧電素子の前記電圧レベルに依存されずに、一定に保たれる本発明の装置によって次のような利点が得られる。すなわち圧電素子の制御周期の開始前に制御が第１のオペレーションモードで行われるか、または第２のオペレーションモードで行われるかを選択する制御装置が設けられるという利点である。本発明による制御装置では、オペレーションモードを適切に選択するのに必要な全てのデータが検出され、パラメータ化される。
【００１０】
本発明の別の有利な構成は従属請求項に記載されている。
【００１１】
【実施例】
本発明を以下の実施例で図面に基づきより詳細に説明する。
【００１２】
圧電素子１０の変位を調整部材１４に伝達するために、調整部材１４を動かす制御弁４２が用いられる。このような直接伝達方式は図１に示されている。図２には通常、実際に使用される伝達方式が示されている。この伝達方式について以下でより詳細に説明する。圧電素子１０の変位を制御弁４２に伝達するため、液圧式カップラー２８が圧電素子と制御弁との間に接続される。引き続き、液圧式カップラー２８の作動運動が制御弁４２を介して調整部材１４に伝達される。２つの伝達方式では調整部材１４が変位することによってノズルニードル４４が動く。このノズルニードルは所定の時間のあいだ燃料噴射孔６４を開ける。
【００１３】
図３には噴射システムが示されている。供給電圧部１２は直流電圧源１３に給電する。この直流電圧源１３は充放電ユニット４０に給電する。制御装置３４のマイクロコントローラ３４では、開ループ制御および閉ループ制御のために、制御モジュール４６を制御するのに用いられるデータがパラメータ化される。ここで制御モジュール４６を制御するために、第１のオペレーションモード（Betriebsmodus）１６と第２のオペレーションモード３２が設けられる。これらのモードについては後で詳細に説明する。２つのオペレーションモード１６または３２では制御モジュール４６を介して充放電ユニット４０が操作される。直流電圧源１３の電荷担体は圧電素子１０に移動され、さらに圧電素子１０からの電荷担体は直流電圧源１３に移動される。この移動は制御周期２０（図４および図５）で行われる。この制御周期２０は、充電過程２２と保持過程２４と放電過程２６とから成る。理想的には、２つのオペレーションモード１６および３２における充電過程２２と放電過程２６は同じ時間期間行われる。充電過程２２と本質的に保持過程２４で、圧電素子１０は機械的に変位する。この変位はピストン５０を介して液圧式カップラー２８に伝達される。液圧式カップラー２８からピストン５２へ伝達され、引き続き制御弁４２に伝達される。選択されたオペレーションモード１６または３２に依存して、本発明では制御弁４２と、そこから続く調整部材１４、とりわけノズルニードル４４とが異なって応答する。
【００１４】
実施例のさらなる説明では、コモンレール６０のレール圧力が一定であることから出発する。説明は、さらに圧電素子１０、ピストン５０、液圧式カップラー２８およびピストン５２が設けられていることに基づく。これらは制御弁４２の内からノズルニードル４４まで、変動する不連続な質量と共に、複合的なばね・質量システムを構成する。
【００１５】
２つのオペレーションモード１６および３２は上述したように、制御周期２０に応じる。これに基づいてオペレーションモード１６および３２を以下で説明する。
【００１６】
第２のオペレーションモード３２では図３の圧電素子１０を制御する前に、バルブエレメント４３は第１の位置６６にあり、還流部５４を閉鎖する。ノズルニードル４４はコモンレール６０からの印加圧力によって閉鎖状態に維持される。
【００１７】
図４では圧電素子１０の充電過程２２は、変更可能な電圧傾度１８を用いて電圧レベルＵ１まで行われる。保持過程２４は同じ電圧レベルＵ１で行われる。
【００１８】
充電過程２２および保持過程２４は下方時間閾値３０を維持して実現される。下方時間閾値３０は、充電過程２２の時間と保持過程２４の時間との和である。この下方時間閾値のもとでばね・質量システムはまだ振動しない。
【００１９】
図３では液圧式カップラー２８は、圧電素子１０の変位から出発して、ピストン５０および５２を介して機械的に変位する。
【００２０】
バルブエレメント４３は、ピストン５２によって、第１の位置６６から変位した後に、制御弁４２内の第１の位置６６と位置７０との間の中間位置６８に移動する。しかもレールバイパス６２を閉鎖することはない。還流部５４は同時に開放される。流入スロットル５８と流出スロットル５６とレールバイパス６２とを介して、還流部５４を介した圧力減少が行われる。流入スロットル５８は、流出スロットル５６より小さい横断面を有する。コモンレール６０のレール圧力は、開放されたレールバイパス６２を介して流出スロットル５６の背面に作用し、流入スロットル５８を介して流出スロットル５６の前面に作用する。ノズルニードル４４の領域における圧力は次の限りにおいてのみ下降する。すなわちノズルニードル４４が部分ストロークで開くか、または圧力がより激しく低下する場合より少なくとも緩慢に開いて、存在する燃料噴射孔６４が開放される限りである。
【００２１】
ばね・質量システムは振動しない。なぜなら部分ストロークを実現するため、制御周期２０の充電過程２２内の電圧傾度１８は、下方時間閾値３０を下回らないように変化されたからである。
【００２２】
図４では電圧レベルＵ１は放電過程２６で再び下降し、圧電素子の変位量は０に戻る。
【００２３】
図３では液圧式カップラー２８、ピストン５２および５０は、バルブエレメント４３に続いて、コモンレール６０のレール圧力の影響を受ける。弁要素４３は還流部５４を閉鎖して、第１の位置６６に戻る。制御弁４２内部でコモンレール６０のレール圧力が回復することによって、同時にノズルニードル４４が燃料噴射孔を再び閉鎖する。
【００２４】
図３で第１のオペレーションモード１６では、圧電素子１０を制御する前にバルブエレメント４３は第１の位置にあり、還流部５４を閉鎖している。ノズルニードル４４は、加えられたコモンレール６０の圧力によって、閉鎖された状態に維持される。
【００２５】
図５では圧電素子１０の充電過程２２は、所定の電圧レベルＵ２まで行われる。保持過程２４は同じ電圧レベルＵ２で行われる。
【００２６】
充電過程２２および保持過程２４は、下方時間閾値３０を守って実現される。
【００２７】
図３では液圧式カップラー２８は、圧電素子１０の変位から出発してピストン５０および５２を介して機械的に変位する。
【００２８】
バルブエレメント４３はピストン５２によって、第１の位置６６から変位した後に制御弁４２内で第２の位置７０に移動し、レールバイパス６２は閉鎖される。還流部５４は同時に開放される。流入スロットル５８および流出スロットル５６を介して還流部５４を介した減圧が行われる。流入スロットル５８の横断面は流出スロットル５６の横断面より小さく、スロットルの横断面を介して時間的に設定可能な、ノズルニードル４４での減圧を行うことができる。コモンレールのレール圧力はこの第１のオペレーションモード１６では開放されたレールバイパスを介して流出スロットル５６の背面に影響を与えないので、ノズルニードル４４での圧力は、ノズルニードル４４は完全なストロークで開き、燃料噴射孔６４は完全に開放される限り下降する。
【００２９】
ばね・質量システムは振動しない。なぜなら完全なストロークを実現するため、図５では制御周期２０内の充電過程２２と保持過程２４が、所定の電圧レベルＵ２の下で、下方時間閾値３０を下回らないように注意されて行われているからである。引き続き電圧レベルＵ２は放電過程２６で再び下降し、圧電素子１０の変位量は０に戻る。
【００３０】
図３では液圧式カップラー２８、ピストン５２および５０はレールバイパス６２を介して、バルブエレメント４３に続いてコモンレール６０のレール圧力を受ける。バルブエレメント４３は第２の位置７０を離れて還流部５４を閉鎖し、第１の位置６６に戻る。制御弁４２内においてコモンレール６０の回復されたレール圧力によって、同時にノズルニードル４４によって燃料噴射孔が再び閉鎖される。
【００３１】
第２のオペレーションモードにおいて、第１のオペレーションモード内の最小作動運動より小さい作動運動を調整部材に伝達する。
【００３２】
図６には充放電ユニット４０を有する、圧電素子１０を充放電する装置が示されており、これを以下でより詳細に説明する。充放電ユニット４０には直流電圧源１３が配属される。この直流電圧源１３は供給電圧部１２と充放電ユニット４０とのあいだに配置される。直流電圧源１３は例えば充放電ユニット４０とマイクロコントローラ３４とともに、制御装置の構成部分である。
【００３３】
それ自体公知の方法で充放電ユニット４０に圧電素子１０が配属され、この圧電素子は液圧式カップラー２８と接続される。液圧式カップラー２８と圧電素子１０との間では、液圧式カップラー２８の入力側にピストン５０が配置され、出力側にピストン５２が設けられる（図３参照）。液圧式カップラー２８の出力側のピストン５２には制御弁４２が配属される。制御弁４２は調整部材１４を有し、この調整部材はとりわけノズルニードル４４である。上述の装置にはマイクロコントローラ３４と制御モジュール４６が補足され、直接的に充放電ユニット４０に配属される。マイクロコントローラ３４は制御部３６を有する。この制御部によって第２のオペレーションモードでは調整部材１４の作動運動は、加えられた制御電圧が変わることで変えられる。このとき同時に電圧傾度を変えることもできる。マイクロコントローラ３４はこれに加えて制御部３６内に第１のオペレーションモードを有する。この第１のオペレーションモードによって、調整部材１４の作動運動は時間的な保持過程２４に依存して決められる。マイクロコントローラ３４内に配置されたオペレーションモード１６および３２は、マイクロコントローラ３４の検出およびパラメータ化されたデータに依存して選択される。これによってオペレーションモード１６および３２のどちらが制御モジュール４６に次に配属されるのかが決められる。マイクロコントローラ３４および制御部３６は次のような特徴を有する。すなわち、オペレーションモード１６および３２はその順番において自由に組合せ可能であり、制御モジュール４６を介して充放電ユニット４０に伝達することができるという特徴である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  調整部材を直接的に制御する噴射システムを表す図である。
【図２】  調整部材を間接的に制御する噴射システムを表す図である。
【図３】  噴射システムを表す概略図である。
【図４】  下方時間閾値の限界領域で電圧レベルＵ１と不変の充電時間ないし放電時間を形成する制御周期のダイヤグラムである（第２のオペレーションモード）。
【図５】  所定の一定の直流電圧レベルＵ２の下で下方時間閾のより大きい／同じ領域にある制御周期のダイヤグラムである（第１のオペレーションモード）。
【図６】  装置のブロック回路図である。
【符号の説明】
１０  圧電素子
１２  供給電圧
１３  直流電圧供給部
１４  調整部材
１６  第１のオペレーションモード
１８  電圧傾度
２０  制御周期
２２  充電過程
２４  保持過程
２６  放電過程
２８  液圧式カップラー
３０  下方時間閾値
３２  第２のオペレーションモード
３４  マイクロコントローラ
４４  ノズルニードル
５０  ピストン
５２  ピストン
５４  還流部
５６  流出スロットル
５８  流入スロットル
６０  コモンレール
６２  レールバイパス
６４  燃料噴射孔
６６  第１の位置
６８  中間位置
７０  位置
【図１】
0004250405.tif 000002
【図２】
0004250405.tif 000003
【図３】
0004250405.tif 000004
【図４】
0004250405.tif 000005
【図５】
0004250405.tif 000006
【図６】
0004250405.tif 000007