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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
WO 03/081007 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunkts
der Ventilnadel eines Piezosteuerventils bekannt. Der Einschlagzeitpunkt
der Ventilnadel wird durch die Auswertung der Piezospannung und/oder des
Piezostroms ermittelt. Der Einschlagzeitpunkt wird zur Steuerung
und/oder Regelung des Betriebs des Piezosteuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit verwendet.
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Aus
WO 03/104633 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und Regeln der Schließ- und Öffnungszeit
eines Piezosteuerventils bekannt. Dabei wird durch eine Veränderung
der Ansteuerenergie beispielsweise die Einspritzzeitdauer angepasst.
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Aus
DE 196 52 801 C1 ist
ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens
eines kapazitiven Stellglieds bekannt. Bei dem beschriebenen Verfahren
zur Regelung des piezoelektrischen Aktors wird die zugeführte Ladeenergie mit
einer Soll-Ladeenergie verglichen und bei einer Abweichung eine
entsprechende Änderung
der Ladeenergie vorgenommen.
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Aus
DE 103 59 675 B3 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils gemäß dem Oberbegriff
der unabhängigen
Ansprüche
bekannt.
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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.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines Ventils mit einem Ventilantrieb, der als Piezoaktuator ausgebildet
ist, mit einem Ventilglied, einem Ventilkörper und einem Ventilsitz,
bei dem ein erster Wert ermittelt wird, der charakteristisch ist
für die
dem Piezoaktuator zugeführte
elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds auf dem Ventilsitz,
bei dem 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 auf den Ventilsitz gepresst wird, abhängig von
dem ersten und zweiten Wert ermittelt wird und zur Steuerung des
Ventils verwendet wird.
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Die
Erfindung zeichnet sich zudem 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Pumpe-Düse-Vorrichtung
mit einem Ventil und einer Vorrichtung zum Steuern der Pumpe-Düse-Vorrichtung und des
Ventils und
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2 ein
Blockdiagramm zum Ermitteln eines Stellsignals in der Vorrichtung
zum Steuern des Ventils.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Vorrichtung 60 zum Steuern der Pumpe-Düse-Vorrichtung ist vorgesehen,
die ein Stellsignal SG für
das Ventil erzeugt.
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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.
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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.
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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.
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Der
Ablauf des Bestimmens eines Stellsignals SG zum Laden des Piezoaktors
des Ventilantriebs 24 ist im folgenden anhand des Blockdiagramms
der 2 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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In
einem Block 82 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.
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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.
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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.
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In
einem Block B6 wird die Differenz des Sollwertes EGY_D_SP und des
Istwertes EGY_D_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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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_THRUST wird vorzugsweise in eine vorgegebene
Anzahl an Teilenergiemengen aufgeteilt, die jeweils in einer Periode
des pulsweitenmodulierten oder pulsamplitudenmodulierten Signals
dem Piezoaktuator zugeführt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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_PRE auch gleich dem Vorsteuerwert
sein.
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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.