DE102004027291A1

DE102004027291A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Ventils

Info

Publication number: DE102004027291A1
Application number: DE102004027291A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Wiehoff; Richard Pirkl; Reiner Lederle
Original assignee: Volkswagen Mechatronic GmbH and Co KG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-05
Also published as: DE502005004014D1; CN100394008C; EP1751414B1; CN1977101A; WO2005119039A1; EP1751414A1; US20080000439A1; US7690358B2; DE102004027291B4

Abstract

Ein Stellsignal (SG) zum Laden eines Piezoaktuators wird abhängig von einem Vorsteuerwert und von einem Ausgangswert eines Reglers ermittelt und erzeugt. Der Vorsteuerwert hängt ab von mindestens einer Betriebsgröße. Das erzeugte Stellsignal (SG) soll ein Laden des Piezoaktuators derart bewirken, dass ein Ventilglied von seiner Position entfernt von einem Ventilsitz in einen Ventilsitz gesteuert wird. Ein erster Wert wird ermittelt, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds auf den Ventilsitz. Ein zweiter Wert wird ermittelt, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators. Ein Istwert, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied auf dem Ventilsitz gepresst wird, wird abhängig von dem ersten und zweiten Wert ermittelt. Der Istwert und ein vorgebbarer Sollwert werden dem Regler zugeführt, der abhängig davon einen Ausgangswert erzeugt. Eine Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift wird abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst und, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wird die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils. Das Ventil hat einen Ventilantrieb, der als Piezoaktuator ausgebildet ist, ein Ventilglied, einen Ventilkörper und einen Ventilsitz. Ein derartiges Ventil findet beispielsweise Einsatz bei einer Pumpe-Düse-Vorrichtung zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel- Brennkraftmaschine. Bei einer Pumpe-Düse-Vorrichtung bilden eine Pumpe, eine Steuereinheit mit dem Ventil und eine Düseneinheit eine Baueinheit. Der Antrieb eines Kolbens der Pumpe erfolgt vorzugsweise über eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mittels eines Kipphebels.
Die Pumpe ist über das Ventil an eine Niederdruck-Kraftstoffzuführeinrichtung hydraulisch koppelbar. Sie ist ausgangsseitig mit der Düseneinheit hydraulisch gekoppelt. Einspritzbeginn und Einspritzmenge werden durch das Ventil und dessen Ventilantrieb bestimmt. Durch die kompakte Bauweise der Pumpe-Düse-Vorrichtung ergibt sich ein sehr geringes Hochdruckvolumen und eine große hydraulische Steifigkeit. Es werden so sehr hohe Einspritzdrücke von zirka 2.000 bar ermöglicht. Dieser hohe Einspritzdruck in Verbindung mit der guten Steuerbarkeit des Einspritzbeginns und der Einspritzmenge ermöglichen eine deutliche Reduktion der Emissionen bei gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch beim Einsatz der Brennkraftmaschinen.

Aus der DE 198 35 494 C2 ist eine Pumpe-Düse-Vorrichtung bekannt mit einer Pumpe und einem Ventil mit einem Ventilglied, das die hydraulische Kopplung eines Absteuerraums mit einem Ablaufkanal steuert. Der Ablaufkanal ist hydraulisch gekop pelt mit der Pumpe und einer Düseneinheit. Ein Zulaufkanal ist vorgesehen, der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Absteuerraum. Dem Ventilglied ist ein piezoelektrischer Ventilantrieb zugeordnet, über den das Ventilglied zwischen zwei Endstellungen verstellt werden kann. In einer ersten Endstellung des Ventilglieds ist der Ablaufkanal hydraulisch gekoppelt mit einem Absteuerraum und dieser wiederum mit dem Zulaufkanal. In einer zweiten Endstellung des Ventilglieds ist der Ablaufkanal hydraulisch entkoppelt von dem Absteuerraum und das Ventilglied ist in einem Ventilsitz des Ventils.

In der ersten Endstellung des Ventilglieds wird während eines Förderhubs der Pumpe Fluid von dem Zulaufkanal über den Absteuerraum und den Ablaufkanal von der Pumpe angesaugt. Während eines Arbeitshubs eines Pumpenkolbens der Pumpe wird in der ersten Endposition des Ventilglieds Fluid von der Pumpe über den Ablaufkanal, den Absteuerraum in den Zulaufkanal zurückgedrückt. In der zweiten Endstellung des Ventilglieds kann während des Förderhubs des Pumpenkolbens wegen der fehlenden hydraulischen Kopplung des Ablaufkanals mit dem Absteuerraum und dem Zulaufkanal kein Fluid zurückgedrückt werden und der Pumpenkolben erzeugt Hochdruck. Mit Überschreiten einer vorgegebenen Druckschwelle öffnet eine Düsennadel der Düseneinheit eine Düse der Düseneinheit und es erfolgt eine Einspritzung des Fluids. Das Einspritzende wird dadurch bestimmt, dass das Ventilglied mittels des Stellantriebs in seine erste Endposition gesteuert wird und so Fluid über den Ablaufkanal in den Absteuerraum und den Zulaufkanal zurückströmen kann, was zur Folge hat, dass der Druck in der Pumpe und somit auch in der Düseneinheit abnimmt, was wiederum zu einem Schließen der Düseneinheit führt.

Geringe Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine, in der die Pumpe-Düse-Vorrichtung angeordnet ist, und eine präzise Steuerung der Brennkraftmaschine setzen ein präzises Zumessen von Kraftstoff durch die Pumpe-Düse-Vorrichtung voraus. Dies setzt wiederum eine langzeitstabile und reproduzierbare An steuerung des piezogesteuerten Ventils der Pumpe-Düse-Vorrichtung voraus.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils zu schaffen, durch das oder die ein präzises Steuern des Ventils gewährleistet werden kann, und zwar über eine lange Betriebszeitdauer.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb, der als Piezoaktuator ausgebildet ist, mit einem Ventilglied, einem Ventilkörper und einem Ventilsitz. Ein Stellsignal zum Laden des Piezoaktuators wird abhängig von einem Vorsteuerwert und von einem Ausgangswert eines Reglers ermittelt und erzeugt. Der Vorsteuerwert hängt ab von mindestens einer Betriebsgröße. Mittels des Stellsignals wird der Piezoaktuator derart geladen, dass das Ventilglied von einer Position entfernt von dem Ventilsitz in den Ventilsitz gesteuert wird. Ein erster Wert wird ermittelt, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds auf den Ventilsitz. Ein zweiter Wert wird ermittelt, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators. Ein Istwert, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied auf dem Ventilsitz gepresst wird, wird abhängig von dem ersten und zweiten Wert ermittelt. Der Istwert und ein vorgebbarer Sollwert werden dem Regler zugeführt, der abhängig davon einen Ausgangswert erzeugt. Eine Vorsteuerwert- Zuordnungsvorschrift wird abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst. Wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wird die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen. So ist auch bei einer hochdynamischen Ansteuerung des Ventils, wie dies insbesondere im Falle eines Einsatzes des Ventils für eine Pumpe-Düse-Vorrichtung der Fall ist, einfach eine präzise Ansteuerung möglich, da durch die entsprechend angepasste Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift der Regler entlastet ist und so nur noch geringe Abweichungen um den Arbeitspunkt ausgleichen muss, was zur Folge hat, dass diese Abweichungen sehr schnell ausgeregelt werden können. Auf diese Weise ist auch über eine lange Betriebsdauer des Ventils ein präzises Einstellen der Dichtkraft des Ventils einfach möglich. Unter der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift wird in diesem Rahmen die Rechenvorschrift verstanden mittels der der Vorsteuerwert abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt wird. Sie kann beispielsweise durch eine entsprechende analytische Funktion umgesetzt sein, ist jedoch besonders einfach durch ein geeignetes Kennfeld wiedergegeben.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilkraft, mit der das Ventil durch den Ventilantrieb in den Ventilsitz gedrückt wird, wenn es sich in Anlagen mit dem Ventilsitz befindet, sehr exakt und auch sehr gut reproduzierbar einstellbar ist. Die Ventilsitzkraft ist maßgeblich für die Dichtigkeit des Ventils, wenn das Ventilglied in Anlage des mit dem Ventilsitz ist. So kann die mechanische Beanspruchung des Ventilglieds und auch des Ventilsitzes gezielt über eine lange Betriebszeitdauer des Ventils verringert werden und gleichzeitig sichergestellt werden, dass über diese lange Betriebszeitdauer die Ventilsitzkraft, also die Dichtkraft, gleichbleibend ist. Es können so auch einfach Toleranzen beim Schließ- und Öffnungsvorgang des Ventils minimiert werden.

Die Erfindung nutzt so auch die Erkenntnis, dass der erste Wert maßgeblich abhängt von einer Kraft, die hervorgerufen wird durch den Druck des Fluids, das auf das Ventilglied einwirkt, und einer Kraft eines regelmäßig vorhandenen Rückstellmittels. Es nutzt ferner die Erkenntnis, dass der zweite Wert maßgeblich abhängt von der Dichtkraft und daneben noch von der Kraft, die hervorgerufen wird durch den Druck des Fluids, das auf das Ventilglied einwirkt, und der Kraft des Rückstellmittels. So kann einfach abhängig von den beiden Werten ein Istwert der Dichtkraft ermittelt werden. Auf diese Weise wird somit der Piezoaktuator auch gleichzeitig als Sensor genutzt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Basis-Vorsteuerwert abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt. Ein Adaptionswert wird abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt und eine Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift wird abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst und, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wird die Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Adaptionswertes übernommen. Der Vorsteuerwert wird abhängig von dem Basis-Vorsteuerwert und dem Adaptionswert ermittelt. Auf diese Weise kann beispielsweise im Falle von mehreren Ventilen der jeweilige Basis-Vorsteuerwert mittels derselben Basis-Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift ermittelt werden, die dann auch gegebenenfalls nicht angepasst wird und es besteht einfach die Möglichkeit die Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift individuell für jedes Ventil anzupassen. Auf diese Weise wird dann einfach ein sehr präzises Ansteuern des individuellen Ventils ermöglicht und gleichzeitig kann die Basis-Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift gemeinsam genutzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die vorgegebene Bedingung dann so ausgestaltet ist, dass sie dann erfüllt ist, wenn eine Betriebsaufnahme nach einer Betriebspause des Ventils erfolgt. Eine Betriebspause ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied deutlich länger nicht bewegt wird, als dies während eines typischen Betriebs des Ventils der Fall ist. Im Falle eines Einsatzes des Ventils in einer Brennkraftmaschine kann eine derartige Betriebspause beispielsweise die Zeitdauer zwischen einem Abschalten der Brennkraftmaschine und einem darauf folgenden Motorstart sein. Auf diese Weise kann einfach erreicht werden, dass eine möglichst große Anzahl an Ausgangswerten zum Anpassen der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift erfasst werden, bevor diese dann tatsächlich zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen wird. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Kopplungseffekte, insbesondere Mitkopplungseffekte, vermeiden. Ferner wird so einfach die Güte der Vorsteuerung erhöht.

Besonders einfach kann die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und einer Drehzahl einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine erfolgen, wenn das Ventil in einer Brennkraftmaschine, beispielsweise in einer Pumpe-Düse-Vorrichtung eingesetzt ist. Es hat sich in diesem Zusammenhang überraschend gezeigt, dass durch ein einfaches Berücksichtigen der Drehzahl bereits eine ausreichend präzise Anpassung der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift möglich ist. Insbesondere lassen sich hierdurch einfach auch Dynamik-Einflüsse gut berücksichtigen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Pumpe-Düse-Vorrichtung mit einem Ventil und einer Vorrichtung zum Steuern der Pumpe-Düse-Vorrichtung und des Ventils und
2 ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines Stellsignals in der Vorrichtung zum Steuern des Ventils.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Pumpe-Düse-Vorrichtung (1) umfasst eine Pumpeneinheit, eine Steuereinheit und eine Düseneinheit. Die Pumpe-Düse-Vorrichtung wird bevorzugt eingesetzt zum Zuführen von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Diesel-Brennkraftmaschine ausgebildet. Die Brennkraftmaschine hat einen Ansaugtrakt zum Ansaugen von Luft, der mittels Gaseinlassventilen mit Zylindern koppelbar ist. Die Brennkraftmaschine weist ferner einen Abgastrakt auf, der über das Auslassventil gesteuert die aus den Zylindern auszustoßenden Gase abführt. Den Zylindern sind jeweils Kolben zugeordnet, die jeweils über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle gekoppelt sind. Die Kurbelwelle ist mit einer Nockenwelle gekoppelt.
Die Pumpeneinheit umfasst einen Kolben 11, einen Pumpenkörper 12, einen Arbeitsraum 13 und ein Pumpen-Rückstellmittel 14, das vorzugsweise als Feder ausgebildet ist. Der Kolben 11 ist im eingebauten Zustand in einer Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle 16 gekoppelt, vorzugsweise mittels eines Kipphebels, und wird von dieser angetrieben. Der Kolben 11 ist in einer Ausnehmung des Pumpenkörpers 12 geführt und bestimmt abhängig von seiner Position das Volumen des Arbeitsraums 13.
Das Pumpen-Rückstellmittel 14 ist so ausgebildet und angeordnet, dass das durch den Kolben 11 begrenzte Volumen des Arbeitsraums 13 einen Maximalwert aufweist, wenn auf den Kolben 11 keine äußeren Kräfte einwirken, d. h. Kräfte, die über die Kopplung mit der Nockenwelle 16 übertragen werden.
Die Düseneinheit umfasst einen Düsenkörper 51, in dem ein Düsenrückstellmittel 52, das als Feder und ggf. zusätzlich als Dämpfungseinheit ausgebildet ist, und eine Düsennadel 53 angeordnet sind. Die Düsennadel 53 ist in einer Ausnehmung des Düsenkörpers 51 angeordnet und wird im Bereich einer Nadelführung 55 geführt.
In einem ersten Zustand liegt die Düsennadel 53 an einem Nadelsitz 54 an und verschließt so eine Düse 56, die zum Zuführen des Kraftstoffs in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Düseneinheit ist vorzugsweise, wie dargestellt, als nach innen öffnende Düseneinheit ausgebildet.
In einem zweiten Zustand ist die Düsennadel 53 leicht beabstandet zu dem Nadelsitz 54 und zwar hin in Richtung zu dem Düsenrückstellmittel 52 angeordnet und gibt so die Düse 56 frei. In diesem zweiten Zustand wird Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine zugemessen. Der erste oder zweite Zustand wird eingenommen abhängig von einer Kräftebilanz aus der Kraft, die durch das Düsenrückstellmittel 52 auf die Düsennadel 53 wirkt und aus der dieser entgegenwirkenden Kraft, die durch den hydraulischen Druck im Bereich des Nadelabsatzes 57 hervorgerufen wird.
Die Steuereinheit umfasst einen Zulaufkanal 21 und einen Ablaufkanal 22. Der Zulaufkanal 21 und der Ablaufkanal 22 sind mittels eines Ventils hydraulisch koppelbar. Der Zulaufkanal 21 ist von einem niederdruckseitigen Anschluss der Pumpe-Düse-Vorrichtung hin zu dem Ventil geführt. Der Ablaufkanal 22 ist hydraulisch mit dem Arbeitsraum 13 gekoppelt und ist hin zu dem Nadelabsatz 57 geführt und ist hydraulisch mit der Düse 56 koppelbar abhängig von dem Zustand, der von der Düsennadel 53 eingenommen wird.
Das Ventil umfasst ein Ventilglied 231, das vorzugsweise als sog. A-Ventil ausgebildet ist, d. h. es öffnet nach außen entgegen der Strömungsrichtung des Fluids. Das Ventil umfasst ferner einen Absteuerraum 232, der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Zulaufkanal 21 und mittels des Ventilglieds 231 mit einem Hochdruckraum hydraulisch koppelbar ist. Der Hochdruckraum ist hydraulisch gekoppelt mit dem Ablaufkanal 22.
In der geschlossenen Stellung des Ventilglieds 231 liegt das Ventilglied 231 an einem Ventilsitz 234 eines Ventilkörpers 237 an. Ferner ist ein Ventilrückstellmittel vorgesehen, welches so angeordnet und ausgebildet ist, dass es das Ventilglied 231 in eine Offenstellung, d. h. beabstandet zu dem Ventilsitz 234 drückt, wenn die durch einen Stellantrieb 24 auf das Ventilglied wirkenden Kräfte geringer sind als die Kräfte, die durch den Druck des Fluids, hier des Kraftstoffs, hervorgerufen werden und die durch das Ventilrückstellmittel auf das Ventilglied 231 wirken. Der Stellantrieb 24 ist als Piezostapel ausgebildet.
Der Stellantrieb 24 ist vorzugsweise mittels eines Übertragers, der vorzugsweise den Hub des Stellantriebs 24 verstärkt, mit dem Ventilglied 231 gekoppelt. An dem Stellantrieb 24 ist vorzugsweise auch ein Stecker zur Aufnahme von elektrischen Kontakten zur Ansteuerung des Stellantriebs 24 vorgesehen.
Eine Vorrichtung 60 zum Steuern der Pumpe-Düse-Vorrichtung ist vorgesehen, die ein Stellsignal SG für das Ventil erzeugt.
In der Offenstellung des Ventilglieds 231 wird bei einer Bewegung des Kolbens 11, die nach oben d. h. in Richtung weg von der Düse 56 gerichtet ist, Kraftstoff über den Zulaufkanal 21 hin zum Arbeitsraum 13 angesaugt. Solange das Ventilglied 231 während einer anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens 11, d. h. bei einer hin zu der Düse 56 gerichteten Bewegung, weiterhin in seiner Offenstellung befindet, wird der in dem Arbeitsraum 13 und dem Ablaufkanal 22 befindliche Kraftstoff über das Ventil wieder zurück in den Absteuerraum 232 und ggf. in den Zulaufkanal 21 zurückgedrückt.
Wenn jedoch bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 11 das Ventilglied 231 in seine geschlossene Stellung gesteuert ist, wird der im Arbeitsraum 13 und somit auch der im Ablaufkanal 22 und der in dem Hochdruckraum befindliche Kraftstoff verdichtet, wodurch der Druck mit zunehmender Abwärtsbewegung des Kolbens 11 im Arbeitsraum 13, im Hochdruckraum und im Ablaufkanal 22 zunimmt. Entsprechend dem steigenden Druck im Ablaufkanal 22 erhöht sich auch die durch den Hydraulikdruck hervorgerufene Kraft, die auf den Nadelabsatz 57 in Richtung einer Öffnungsbewegung der Düsennadel 53 zum Freigeben der Düse 56 wirkt. Wenn der Druck in dem Ablaufkanal 22 einen Wert überschreitet, bei dem die durch den Hydraulikdruck hervorgerufene Kraft auf den Nadelabsatz 57 größer ist als die dieser entgegenwirkende Kraft des Düsenrückstellmittels 52, bewegt sich die Düsennadel 53 weg vom Nadelsitz 54 und gibt so die Düse 56 für die Kraftstoffzufuhr zum Zylinder der Brennkraftmaschine frei. Die Düsennadel 53 bewegt sich dann wieder hinein in den Nadelsitz 54 und verschließt somit die Düse 56, wenn der Hydraulikdruck in dem Ablaufkanal 22 den Wert unterschreitet, bei dem die durch den Hydraulikdruck am Nadelabsatz 57 hervorgerufene Kraft kleiner ist als die durch das Düsenrückstellmittel 52 hervorgerufene Kraft. Der Zeitpunkt, an dem dieser Wert unterschritten wird und an dem somit die Kraftstoffzumessung beendet wird, kann durch das Steuern des Ventilglieds 231 von seiner geschlossenen Stellung in eine Offenstellung beeinflusst werden.
Durch das Steuern des Ventilglieds von seiner Schließstellung in seine Offenstellung wird die hydraulische Kopplung zwischen dem Hochdruckraum und dem Absteuerraum 232 und dem Zulaufkanal 21 hergestellt. Aufgrund des beim Öffnen herrschenden hohen Druckunterschiedes zwischen dem Fluid in dem Hochdruckraum und dem Ablaufkanal 22 und dem Fluid in dem Absteuerraum 232 und dem Zulaufkanal 21 strömt dann der Kraftstoff von dem Hochdruckraum mit sehr hoher Geschwindigkeit, in der Regel mit Schallgeschwindigkeit, in den Absteuerraum 232 und weiter in den Zulaufkanal 21. Dadurch wird dann der Druck in dem Hochdruckraum und dem Ablaufkanal 22 schnell so stark verringert, dass die von dem Düsenrückstellmittel 52 auf die Düsennadel 53 wirkenden Kräfte dazu führen, dass sich die Düsennadel 53 in den Nadelsitz 54 bewegt und somit dann die Düse 56 verschließt.
Der Ablauf des Bestimmens eines Stellsignals SG zum Laden des Piezoaktors des Ventilantriebs 24 ist im folgenden anhand des Blockdiagramms der 2 beschrieben.
Zu einem vorgebbaren ersten Zeitpunkt wird das Ventilglied 231 von seiner Position entfernt von dem Ventilsitz 234 in den Ventilsitz gesteuert. Der vorgebbare erste Zeitpunkt wird vorzugsweise so gewählt, dass der Kolben 11 in seinem oberen Totpunkt ist und bleibt bis zum erwarteten Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234. Dadurch kann der Auftreffzeitpunkt besonders präzise detektiert werden. Der vorgebbare erste Zeitpunkt kann jedoch auch so gewählt sein, dass der Kolben 11 seinen oberen Totpunkt verlassen hat bis zum erwarteten Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234.
In einem Block B1 wird zum einen ein Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie abhängig von einer Kraftstofftemperatur T_FU und/oder einer Drehzahl N und dem vorgebbaren ersten Zeitpunkt ermittelt. Der vorgebbare erste Zeitpunkt steht in einer Abhängigkeit zu dem Zeitpunkt SOI des Wegbewegens der Düsennadel 53 von ihrer Anlage an dem Düsenkörper 51, also dem Beginn der Einspritzung, und zwar für den Fall, dass der Kolben 11 sich teilweise außerhalb seines oberen Totpunktes befindet, während das Ventilglied 231 sich in Anlage mit dem Ventilsitz 234 befindet. Der Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie wird beispielsweise mittels eines Kennfelds ermittelt, dessen Kennfeldwerte vorab durch Versuche ermittelt wurden.
Ferner wird in dem Block B1 ein Sollwert EGY_D_SP einer elektrischen Differenzenergie ermittelt. Der Sollwert EGY_D_SP der elektrischen Differenzenergie ist charakteristisch für die Dichtkraft, die von dem Ventilglied 231 auf den Ventilsitz 234 des Ventilkörpers 237 ausgeübt wird, wenn das Ventilglied 231 sich in Anlage mit dem Ventilsitz 234 befindet. Der Sollwert EGY_D_SP der elektrischen Differenzenergie wird in dem Block B1 abhängig von der Kraftstofftemperatur T_FU, der Drehzahl N und/oder dem vorgebbaren ersten Zeitpunkt ermittelt. Dies kann beispielsweise auch mittels eines entsprechenden Kennfelds erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch abhängig von einer Kühlmitteltemperatur erfolgen.
In einem Block B2 wird abhängig von Istwerten EGY_AV der dem Piezoaktor während des Ladevorgangs zugeführten elektrischen Energie die bis zum Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234 zugeführte Energie ermittelt. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Auswerten von Istwerten V_AV der Piezospannung oder entsprechender sie charakterisierender Größen, wie z.B. der tatsächliche Strom durch den Piezoaktor oder die dem Piezoaktor zugeführte Ladung oder elektrische Energie. Beim Auftreffen des Ventilglieds 231 ergibt sich ein charakteristischer Verlauf dieser Größen, anhand dessen der Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds 231 erkannt werden kann. Ferner wird in dem Block B2 dann anhand des ermittelten Zeitpunkts des Auftreffens des Ventilglieds 231 in den Ventilsitz 234 und des diesem Zeitpunkt zugeordneten Istwertes EGY_AV der zugeführten Energie ein Istwert EGY_DET der zugeführten elektrischen Energie beim Auftreffen des Ventilglieds 231 in den Ventilsitz 234 ermittelt.
In einem Block B3 werden ebenfalls die Istwerte EGY_AV der zugeführten elektrischen Energie eingelesen und der Istwert EGY_AV beim Ende des Ladevorgangs des Piezoaktors einem Istwert EGY_CHA der zugeführten elektrischen Energie beim Abschluss des Ladevorgangs zugeordnet. Der Abschluss des Ladevorgangs kann beispielsweise daran erkannt werden, dass die Istwerte EGY_AV der zugeführten elektrischen Energie ein Maximum erreichen oder auch durch eine entsprechende Information einer weiteren Steuerungsfunktion für die Pumpe-Düse-Vorrichtung.
In einem Block B4 wird dann die Differenz des Istwertes EGY_CHA der zugeführten elektrischen Energie beim Abschluss des Ladevorgangs und des Istwertes EGY_DET der zugeführten elektrischen Energie beim Auftreffen des Ventilglieds 231 in den Ventilsitz 234 ermittelt und einem Block B5 zugeleitet, der einen Tiefpass-Filter umfasst und an seinem Ausgang einen Istwert EGY_D_AV der elektrischen Differenzenergie zur Verfügung stellt.
In einem Block B6 wird die Differenz des Sollwertes EGY_D_SP und des Istwertes EGY_AV der elektrischen Differenzenergie gebildet. In einer einfacheren Ausführungsform kann der Istwert EGY_D_AV der elektrischen Differenzenergie auch direkt ohne das Tiefpass-Filter des Blocks B5 ermittelt werden.
Der Ausgang des Blocks B6 ist mit einem Block B7 eingangsseitig verbunden, der einen Regler umfasst, der bevorzugt als PI-Regler ausgebildet ist. Die Stellgröße des Reglers, die in diesem Ausführungsbeispiel ein Regelwert EGY_FBC der zuzuführenden elektrischen Energie ist, der auch als Ausgangswert bezeichnet werden kann, wird anschließend einem Block B8 zugeführt.
In einem Block B9 wird ein Adaptionswert EGY_D_PRE der zuzuführenden elektrischen Differenzenergie abhängig von einer oder mehrerer der folgenden Größen ermittelt. Die Größen sind beispielsweise die Kraftstofftemperatur T_FU oder die Kühlmitteltemperatur oder die Drehzahl oder der Zeitpunkt SOI des Einspritzbeginns.
In dem Block B9 ist zu diesem Zweck eine Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift abgespeichert, die während des Betriebs des Ventils zum Ermitteln des Adaptionswertes EGY_D_AD abgearbeitet wird. Bevorzugt ist zu diesem Zweck für jede einzelne Pumpe-Düse-Vorrichtung in dem Block B9 ein Kennfeld abgelegt, in dem Werte des Adaptionswertes EGY_D_AD abhängig von einer oder mehrerer Eingangsgrößen des Blocks B9 abgespeichert sind. Bevorzugt sind in diesem Kennfeld eine vorgebbare Anzahl an Kennfeldpunkten abgelegt. Das Ermitteln des jeweiligen Adaptionswertes EGY_D_AD erfolgt, wie allgemein bei Kennfeldern üblich, mittels entsprechender Interpolation zwischen den abgespeicherten Kennfeldpunkten. Das Kennfeld des Blocks B9 wird bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung aktualisiert. Die vorgegebene Bedingung ist bevorzugt dann er füllt, wenn nach einem Motorstop die Brennkraftmaschine, der die Pumpe-Düse-Vorrichtung zugeordnet ist, neu gestartet wird. Das Aktualisieren des Kennfeldes wird dann weiter unten noch näher erläutert.
Der Adaptionswert EGY_D_PRE der zuzuführenden elektrischen Differenzenergie und der Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie werden in dem Block B8 addiert und bilden so einen Vorsteuerwert der zuzuführenden elektrischen Energie. Ferner wird in dem Block B8 auch noch der Regelwert EGY_FBC der zuzuführenden elektrischen Energie hinzuaddiert und in Summe ergibt sich so eine gewünschte dem Piezoaktuator zuzuführende elektrische Energie EGY_THRUST.
Der Wert EGY_THRUST der gewünschten zuzuführenden elektrischen Energie wird einem Block B10 zugeführt, in dem ein entsprechendes Stellsignal SG zum Ansteuern des als Piezoaktuator ausgebildeten Ventiltriebs 24 erzeugt wird. Das Stellsignal SG ist bevorzugt ein pulsweitenmoduliertes Signal und die gewünschte zuzuführende elektrische Energie EGY_HRUST wird vorzugsweise in eine vorgegebene Anzahl an Teilenergiemengen aufgeteilt, die jeweils in einer Periode des pulsweitenmodulierten oder pulsamplitudenmodulierten Signals dem Piezoaktuator zugeführt werden.
Der Block B10 umfasst ferner bevorzugt noch einen weiteren unterlagerten Regler, in dem das tatsächliche Zuführen der elektrischen Energie zu dem Piezoaktuator geregelt wird, wobei die Stellgröße die jeweilige Pulsweite bzw. Pulshöhe des Stellsignals SG ist. Als Regelgröße kann dazu beispielsweise die jeweils aktuelle Ladung oder die Istwerte V_AV der Piezospannung oder die Istwerte EGY_AV der zugeführten elektrischen Energie dienen.
Wenn das Stellsignal SG für einen Ladevorgang im Anschluss an einem zweiten vorgebbaren Zeitpunkt ermittelt werden soll, der auch so gewählt sein kann, dass der Kolben 11 seinen oberen Totpunkt verlassen hat bis zum erwarteten Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234, wird bevorzugt der Regelwert EGY_FBC der zuzuführenden elektrischen Energie übernommen von einem Ladevorgang, der im Anschluss an den ersten vorgebbaren Zeitpunkt vorab erfolgte. Es wird dann lediglich der Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie und der Adaptionswert EGY_D_AD der zuzuführenden elektrischen Energie neu berechnet. Dies hat den Vorteil einer Rechenentlastung und dass, wenn der vorgebbare erste Zeitpunkt so gewählt ist, dass der Kolben 11 in seinem oberen Totpunkt ist und bleibt bis zum erwarteten Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234, die Ventildichtkraft dann auch für den vorgebbaren zweiten Zeitpunkt präzise eingestellt wird.
Ferner ist ein Block B12 vorgesehen, dem der Regelwert EGY_FBC des Reglers des Blocks B7 zugeführt wird. Der Regelwert EGY_FBC der zuzuführenden elektrischen Energie ist repräsentativ für einen Fehler des Vorsteuerwertes der zuzuführenden elektrischen Energie in dem aktuellen Arbeitspunkt, der durch eine oder mehrere der Größen Kraftstofftemperatur T_FU, Kühlmitteltemperatur, Drehzahl N, Einspritzbeginn SOI bestimmt wird.
Bevorzugt umfasst der Block B12 ein Zwischen-Kennfeld, das jeweils nach dem Aktualisieren des Kennfeldes des Blocks B9 neu initialisiert wird. In das Zwischen-Kennfeld des Blocks B12 werden die während des Betriebs der Pumpe-Düse-Vorrichtung auftretenden Regelwerte EGY_FBC gespeichert. Dies erfolgt abhängig von den jeweils zugeordneten aktuellen Größen, also einer oder mehrerer der Eingangsgrößen des Blocks B12.
Bevorzugt umfasst das Zwischen-Kennfeld eine vorgegebene Anzahl diskreter Punkte zum Abspeichern des Regelwertes EGY_FBC. Dieses "Lernen" der entsprechenden Kennfeldwerte kann bevorzugt über eine Flächengewichtung, einen Filter oder mittels ähnlicher Verfahren durchgeführt werden. So wird mittels des Flächengewichtungsverfahrens berücksichtigt, wie weit der jeweils aktuelle Betriebspunkt entfernt ist von einer entsprechenden Stützstelle des Zwischen-Kennfeldes und die oder mehrere Stützstellen des Zwischen-Kennfeldes werden dann entsprechend gewichtet aktualisiert.
Im Hinblick auf das Ermitteln der Ausgangsgrößen der Blöcke B9, B1, B12 kann es auch vorteilhaft sein die aktuelle Kapazität des Piezoaktuators als Eingangsgröße zu berücksichtigen.
Wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, also so zum Beispiel, wenn die Brennkraftmaschine neu gestartet wird nach einem Motorstopp, so wird das Kennfeld des Blocks B9 mittels des Zwischen-Kennfeldes des Blocks B12 aktualisiert. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn dazu vorab das Zwischen-Kennfeld mittels eines geeigneten Filters geglättet wird. Im einfachsten Fall werden die Stützstellen des Zwischen-Kennfeldes addiert zu den entsprechenden Stützstellen des Kennfeldes B9. Alternativ kann dies jedoch auch mittels einer vorgebbaren Gewichtung oder dergleichen erfolgen.
Die seit der letzten Aktualisierung des Kennfeldes B9 aufgetretenen Regelwerte EGY_FBC, die repräsentativ sind für einen Fehler des Vorsteuerwertes im aktuellen Betriebspunkt werden so effizient eingesetzt zum Verbessern der Güte des jeweiligen Vorsteuerwertes. Auf diese Weise kann dann der Regler des Blockes B7 sich auf das Ausgleichen nur äußerst geringer Differenzen des Sollwertes EGY_D_SP und des Istwertes EGY_D_AV der elektrische Differenzenergie beschränken und so kann auch während eines äußerst hochdynamischen Betriebs der Pumpe-Düse-Vorrichtung ein sehr präzises Ansteuern des Stellantriebs 24, der der Piezoaktuator ist, gewährleistet werden.
Durch das nur bei Vorliegen der vorgegebenen Bedingung erfolgende Aktualisieren des Kennfeldes des Blocks B9 können unerwünschte Mitkopplungseffekte verhindert werden. Alternativ kann die vorgegebene Bedingung auch so ausgestaltet sein, dass sie erfüllt ist nach einer vorgebbaren Anzahl an Motorläufen, so zum Beispiel zwei, drei, vier oder fünf Motorläufe, oder dass sie erfüllt ist nach einer vorgebbaren Betriebsdauer, so zum Beispiel fünf oder zehn Betriebsstunden.
Alternativ kann statt des Adaptionswertes EGY_DAD auch direkt in dem Block B1 ein Aktualisieren der dortigen Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Zwischen-Kennfeld des Blocks B12 erfolgen. In diesem Fall kann dann der Basis-Vorsteuerwert EGY_RE auch gleich dem Vorsteuerwert sein.
Ferner können alternativ die Ausgangsgrößen der Blöcke B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9, B10 auch entsprechende elektrische Spannungen oder Ströme oder Ladungen sein. Im Falle einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, denen dann mehrere Pumpe-Düse-Vorrichtungen zugeordnet sind kann besonders bevorzugt der Block B1 für alle Pumpe-Düse-Vorrichtungen identisch realisiert sein, während bevorzugt der Block B9 dann für jede einzelne Pumpe-Düse-Vorrichtung individuell vorgesehen ist.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb (24), der als Piezoaktuator ausgebildet ist, mit einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237) und einem Ventilsitz (234), bei dem – ein Stellsignal (SG) zum Laden des Piezoaktuators derart, dass das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in dem Ventilsitz (234) gesteuert wird, abhängig von einem Vorsteuerwert, der abhängt von mindestens einer Betriebsgröße, und von einem Ausgangswert eines Reglers ermittelt und erzeugt wird, – ein erster Wert ermittelt wird der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) auf dem Ventilsitz (234), – ein zweiter Wert ermittelt wird, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators, – ein Istwert, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied (231) auf den Ventilsitz (234) gepresst wird, abhängig von dem ersten und zweiten Wert ermittelt wird, – der Istwert und ein vorgegebener Sollwert dem Regler zugeführt wird, der abhängig davon den Ausgangswert erzeugt, – eine Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst wird und, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Basis-Vorsteuerwert abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt wird, ein Adaptionswert (EGY_D_AD) abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt wird, der Vorsteuerwert abhängig von dem Basis-Vorsteuerwert und dem Adaptionswert ermittelt wird und eine Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst wird, und wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Adaptionswertes übernommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die vorgegebene Bedingung derart ausgestaltet ist, dass sie dann erfüllt ist, wenn eine Betriebsaufnahme nach einer Betriebspause des Ventils erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Anpassen der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und einer Drehzahl (N) einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine erfolgt.
Vorrichtung zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb (24), der als Piezoaktuator ausgebildet ist, mit einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237) und einem Ventilsitz (234), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum – Ermitteln und Erzeugen eines Stellsignals (SG) zum Laden des Piezoaktuators derart, dass das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in dem Ventilsitz (234) gesteuert wird, abhängig von einem Vorsteuerwert, der abhängt von mindestens einer Betriebsgröße, und von einem Ausgangswert eines Reglers, – Ermitteln eines ersten Wertes, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) auf dem Ventilsitz (234), – Ermitteln ein zweiten Wertes, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators, – Ermitteln eines Istwertes, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied (231) auf den Ventilsitz (234) gepresst wird, abhängig von dem ersten und zweiten Wert, – Zuführen des Istwertes und des vorgegebenen Sollwertes zu dem Regler, der abhängig davon den Ausgangswert erzeugt, – Anpassen einer Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße und, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, Übernehmen der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes.