DE10310120B4

DE10310120B4 - Verfahren zur Bestimmung der auf einen Piezoaktor ausgeübten Last sowie Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit

Info

Publication number: DE10310120B4
Application number: DE2003110120
Authority: DE
Inventors: Dr. Reichinger Christian
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Mechanical Components GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: DE10310120A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der auf einen Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last Fext, insbesondere der auf einen Piezoaktor eines Steuerventils (22) einer Pumpe-Düse-Einheit ausgeübten externen Last Fext, wobei Werte eines Piezostroms (IP) und einer Piezospannung UP erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende weitere Schritte umfasst: – Ermitteln der differentiellen Piezokapazität &Dgr;CP in Abhängigkeit von Werten des Piezostroms IP und der Piezospannung UP, und – Bestimmen der externen Last Fext in Abhängigkeit vom Verlauf der differentiellen Piezokapazität &Dgr;CP.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der auf einen Piezoaktor ausgeübten externen Last, insbesondere der auf einen Piezoaktor eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit ausgeübten externen Last. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung von Änderungen der auf einen Piezoaktor ausgeübten externen Last, insbesondere von Änderungen der auf einen Piezoaktor eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit ausgeübten externen Last. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Ansteuerung eines Piezoaktors, insbesondere eines Piezoaktors eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit.
Pumpe-Düse-Einheiten dienen zum Zuführen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Pumpe-Düse-Einheit mit einer Steuer- und/oder regelbaren Kraftstoffpumpe, einer Kraftstoffeinspritzdüse, die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegliche Düsennadel aufweist, einem ersten Druckraum, der von der Kraftstoffpumpe mit unter einem ersten Druck stehenden Kraftstoff befüllbar ist, einem zweiten Druckraum, wobei in dem zweiten Druckraum unter einem zweiten Druck stehender Kraftstoff eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt, und einen dritten Druckraum, der mit dem ersten Druckraum kommuniziert, wobei in dem dritten Druckraum unter einem dritten Druck stehender Kraftstoff eine Öffnungskraft auf die Düsennadel ausübt, handeln.
Pumpe-Düse-Einheiten werden insbesondere im Zusammenhang mit druckgesteuerten Einspritzsystemen verwendet. Ein wesentliches Merkmal eines druckgesteuerten Einspritzsystems besteht darin, dass die Kraftstoffeinspritzdüse öffnet, sobald eine zumindest vom aktuell herrschenden Drücken beeinflusste Öffnungskraft auf die Düsennadel ausgeübt wird. Derartige druckgesteuerte Einspritzsysteme dienen der Kraftstoffdosierung, der Kraftstoffaufbereitung, der Formung des Einspritzverlaufs und einer Abdichtung der Kraftstoffzuführung gegen den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine. Mit druckgesteuerten Einspritzsystemen lässt sich der zeitliche Verlauf des Mengenstroms während der Einspritzung in vorteilhafter Weise steuern. Damit kann ein positiver Einfluss auf die Leistung, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission des Motors genommen werden.
Bei Pumpe-Düse-Einheiten sind die Kraftstoffpumpe und die Kraftstoffeinspritzdüse in der Regel als integriertes Bauteil ausgebildet. Für jeden Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine wird zumindest eine Pumpe-Düse-Einheit vorgesehen, die in der Regel in den Zylinderkopf eingebaut wird. Die Kraftstoffpumpe umfasst dabei typischerweise einen in einem Kraftstoffpumpenzylinder hin und her beweglichen Kraftstoffpumpenkolben, der entweder direkt über einen Stößel oder indirekt über Kipphebel von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der üblicherweise den ersten Druckraum bildende Abschnitt des Kraftstoffpumpenzylinders ist über ein Steuerventil mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich verbindbar, wobei bei geöffnetem Steuerventil Kraftstoff von dem Kraftstoff-Niederdruckbereich in den ersten Druckraum angesaugt und bei weiterhin geöffnetem Steuerventil von dem ersten Druckraum in den Kraftstoff-Niederdruckbereich zurückgedrückt wird. Sobald das Steuerventil geschlossen wird, erfolgt durch den Kraftstoffpumpenkolben eine Komprimierung des in dem ersten Druckraum befindlichen Kraftstoffs und somit ein Druckaufbau. Es ist bekannt, das Steuerventil in Form eines Magnetventils vorzusehen. Magnetventile weisen jedoch üblicherweise eine relativ lange Ansprechzeit auf, was insbesondere dadurch bedingt ist, dass der Magnetanker eines Magnetventils aufgrund der von seiner Masse abhängigen Massenträgheitskräfte nicht beliebig schnell beschleunigt werden kann. Weiterhin erfordert auch der Aufbau des Magnetfeldes zur Erzeugung der Anzugskraft Zeit. Eine mit einem Magnetventil ausgestattete Pumpe-Düse-Einheit ist beispielsweise aus der EP 0 277 939 B1 bekannt.
Um die durch die Verwendung von Magnetventilen hervorgerufenen Probleme zu vermeiden, ist es weiterhin bereits bekannt, Pumpe-Düse-Einheiten mit einem Steuerventil auszustatten, das piezoelektrisch betrieben wird. Eine derartige Pumpe-Düse-Einheit ist beispielsweise aus der DE 198 35 494 A1 bekannt.
Um bei einem Einspritzvorgang neben einer Haupteinspritzmenge eine zusätzliche Voreinspritzmenge und/oder eine zusätzliche Nacheinspritzmenge in den Verbrennungsraum einzubringen, ist es weiterhin bekannt, während eines Einspritzzyklus mehrere in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgende Einspritzimpulse auszulösen.
Bei Pumpe-Düse-Einheiten mit einem Piezo-Steuerventil verändern sich während des Betriebs durch äußere Einflüsse wie Temperatur, Verschleiß der Bauteile und Reibung die vom Piezoaktor aufzubringenden Hübe und Kräfte. Diese Veränderungen können beispielsweise im Falle eines Kaltstarts oder einer verminderten Hochdruckdichtheit zu einem kompletten Systemausfall führen, wobei die Hochdruckdichtheit insbesondere von einer vom Piezoaktor aufzubringenden Schließkraft abhängt, mit der die Ventilnadel des Steuerventils gegen einen Ventilsitz gepresst wird. Es wurde bereits versucht, derartige Systemausfälle zu vermeiden, indem dem Piezoaktor durch einen Regelalgorithmus eine konstante Energie zugeführt wird, die eine Energiereserve einschließt. In der Praxis treten jedoch dennoch Betriebszustände auf, bei denen diese vorab festgelegte Energie nicht ausreicht, um die Hochdruckdichtheit zu gewährleisten, so dass es weiterhin zu Systemausfällen kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit denen die auf einen Piezoaktor ausgeübte externen Last beziehungsweise deren Änderung erfasst werden kann, insbesondere um einen Piezoaktor eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit geeignet ansteuern zu können, wobei in diesem Fall insbesondere die Hochdruckdichtheit auch bei extremen Betriebszuständen sichergestellt werden soll.
Aus DE 100 12 607 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezo-Aktors bekannt. Die Kapazität des piezoelektrischen Stellglieds hängt im Wesentlichen davon ab, ob sich das Stellglied frei bewegen kann oder eine Gegenkraft überwinden muss. Zur Ansteuerung des kapazitiven Stellglieds wird das Stellglied sukzessive mit einer Ladung aufgeladen, bis die Kapazität des Stellglieds plötzlich geringer wird. Der Energiebeitrag bis zur Reduzierung der Kapazität wird bestimmt. Anschließend wird eine Summe aus dem Energiebeitrag für den Leerhub und den Energiebeitrag für den Arbeitshub des Ventils gebildet.
Aus DE 101 43 502 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern piezobetriebener Kraftstoff-Einspritzventile bekannt. Mittels eines nicht linearen Aktormodels wird die vom Piezo-Aktors auf ein Einspritzventil bei einer Haupteinspritzung ausgeübte Kraft und daraus der Gradient des Kraftabfalls nach dem Kraftmaximum ermittelt, sowie ein Grenzwert bestimmt, mit dem der bei einer Vor- oder Nach-Einspritzung ermittelte Gradient verglichen wird und entsprechend dem Vergleichsergebnis die Signalparameter für den nächsten Vor- oder Nach-Einspritzungen korrigiert werden.
Aus DE 199 31 233 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds bekannt. Zur Erzielung eines konstanten Hubes muss einem Stellglied ein von dessen Temperatur abhängiger Energiebeitrag zugeführt werden. In Ansteuerpausen wird mittels Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellglieds bewirken, die Stellgliedkapazität oder die dazu proportionale Stellgliedtemperatur ermittelt; mit diesem Wert wird einem empirisch ermittelten Kennfeld der für den gewünschten Hub erforderliche Wert der Energie entnommen, mit welchem das Stellglied angesteuert wird.
Aus DE 100 24 662 A1 ist ein Einspritzventil mit einer Steuerschaltung und ein Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils bekannt. Es ist ein Sensor vorgesehen, mit dem der Druck im Steuerraum erfasst wird. Abhängig vom Druck im Steuerraum wird der Aktuator, der den Druck im Steuerraum beeinflusst, für einen präzisen Einspritzvorgang gesteuert.
Aus US 6,253,736 B1 ist ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor bekannt. Zudem ist ein Sensor vorgesehen, der eine Position einer Einspritznadel erfasst. Abhängig von der Position der Einspritznadel wird der piezoelektrische Aktor angesteuert, um ein gewünschten Einspritzverhalten zu erreichen.
Aus EP 1 139 447 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Kapazität eines piezoelektrischen Aktors bekannt. Bei dem beschriebenen Verfahren wird eine nicht lineare Abhängigkeit zwischen der angelegten Spannung und der Ladezeit berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Bestimmung der auf einem Piezoaktor ausgeübten Last F_ext baut die Erfindung auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es die folgenden Schritte umfasst: Erfassen von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, Bestimmen der differentiellen Piezokapazität ΔC_P in Abhängigkeit von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und Bestimmen der externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der differentiellen Piezokapazität ΔC_P. Wesentlich für diese Lösung ist, dass man aus dem Verlauf der differenziellen Piezokapazität ΔC_P eine Zustandsaussage hinsichtlich der externen Last F_ext des Piezoaktors ableiten kann. Da der Piezostrom I_P und die Piezospannung U_P in vielen Fällen ohnehin erfasst beziehungsweise gemessen werden, lässt sich die momentane externe Last F_ext in derartigen Fällen mit einem vergleichsweise geringen Mehraufwand bestimmen. Die externe Last F_ext kann in Abhängigkeit von der differentiellen Piezokapazität beispielsweise rechnerisch und/oder über Kennfeld bestimmt werden. Über die externe Last F_ext beziehungsweise den Verlauf der externen Last F_ext können beispielsweise Aussagen über den Betriebszustand eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit getroffen und entsprechende Ansteuerungsvarianten gewählt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der externen Last F_ext ist weiterhin vorgesehen, dass die Bestimmung der differentiellen Piezokapazität ΔC_P über den Zusammenhang ΔC_P = I_P/(dU_P/dt) erfolgt, wobei I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist. Dieser Zusammenhang lässt sich wie folgt herleiten:
Im vorstehend erläuterten Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die differentielle Piezokapazität ΔC_P mit Hilfe eines Differentiators und eines Dividierverstärkers bestimmt wird. Bei einer einfacheren und damit kostengünstigeren Variante kann der Dividierverstärker durch einen Subtrahierverstärker ersetzt werden. Dadurch geht allerdings der zahlenmäßige Bezug zum Kapazitätswert verloren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der externen Last F_ext ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Bestimmung der externen Last F_ext über den Zusammenhang C_P = C₀ + C_mech + C_ext erfolgt, wobei C_P die Piezokapazität, C₀ die Piezokleinsignalkapazität, C_mech die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität und C_ext die die vom Piezoaktor zu überwindende externe Last F_ext beschreibende Kapazität ist. Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem in Rede stehenden Ansatz um ein vereinfachtes Modell handelt, das sich jedoch als eine in der Praxis gut verwendbare Näherung erwiesen hat. Bei diesem Modell wird davon ausgegangen, dass man bei der Bestromung eines sich frei ausdehnenden Piezostacks im Kapazitätsverlauf den Übergang von der Kleinsignalkapazität (C_P = C₀) zur großen Signalkapazität (C_P = C₀ + C_mech) erkennt. Sind zusätzlich externe Lasten zu überwinden, dann drücken sich diese im Kapazitätsverlauf durch einen zusätzlichen Kapazitätsbeitrag C_ext aus (C_P = C₀ + C_mech + C_ext) Es wird noch drauf hingewiesen, dass die Anschlusskapazität C₀ und die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität C_mech zusammen häufig als Großsignalkapazität bezeichnet werden.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Erfassung von Änderungen der auf einen Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext, baut die Erfindung auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es die folgenden Schritte umfasst: Erfassen von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, Bestimmen einer Hilfsgröße H_P in Abhängigkeit von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und Erfassen von Änderungen der externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der Hilfsgröße H_P. Bei der Hilfsgröße H_P kann es sich um jede Größe handeln, deren Verlauf auf das Lastkollektiv am Piezoaktor schließen lässt.
In diesem Zusammenhang wird insbesondere bevorzugt, dass die Hilfsgröße H_P die Form
hat, wobei k_I ein erster Verstärkungsfaktor, k_U ein zweiter Verstärkungsfaktor, I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist. Diese Hilfsgröße entspricht zwar nicht dem Verlauf der differentiellen Piezokapazität ΔC_P, der Verlauf von H_P ist jedoch ebenso wie der Verlauf von ΔC_P charakteristisch für das Lastkollektiv am Piezoaktor.
Eine in diesem Zusammenhang besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hilfsgröße H_P mit Hilfe eines Differentiators und eines Subtrahierverstärkers bestimmt wird. Dabei ist die zur Bestimmung der Hilfsgröße H_P ausreichende Verwendung eines Subtrahierverstärkers deutlich kostengünstiger als die Verwendung eines Dividierverstärkers.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit zeichnet sich dadurch aus, dass die Ansteuerung in Abhängigkeit von der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext beziehungsweise in Abhängigkeit von einer Änderung dieser externen Last F_ext erfolgt, die über das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der externen Last F_ext bestimmt beziehungsweise erfasst wird. Im Gegensatz zu der bekannten Ansteuerung, bei der die zugeführte Energie konstant gehalten wird, erlaubt es diese Lösung, die Ansteuerung an die jeweiligen Betriebszustände anzupassen, wodurch die eingangs erwähnten Systemausfälle zumindest weitestgehend vermieden werden können.
Dabei sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass über eine Veränderung der externen Last F_ext der Einschlagzeitpunkt t_c iner Ventilnadel des Steuerventils detektiert wird. Unter dem Einschlagzeitpunkt t_c ist hier insbesondere der Zeitpunkt zu verstehen, zu dem die Ventilnadel des Steuerventils auf einen ihr zugeordneten Ventilsitz auftrifft, um das Steuerventil zu schließen und dadurch den Hochdruckaufbau zu ermöglichen. Der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel kann dabei beispielsweise über das Ansteigen der differentiellen Piezokapazität ΔC_P ausgehend vom Wert der Großsignalkapazität detektiert werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des in Rede stehenden Verfahrens ist dabei weiterhin vorgesehen, dass dem Piezoaktor eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zugeführt wird, nachdem der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel detektiert wurde. Durch die Zufuhr der vorherbestimmten weiteren Energiemenge kann sichergestellt werden, dass die Ventilnadel nach dem Auftreffen auf den Ventilsitz mit einer ausreichenden Schließkraft gegen den Ventilsitz gepresst wird, um die Hochdruckdichtheit in jedem Fall sicherstellen zu können, so dass Systemausfälle vermieden werden können.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die von einer Ventilnadel des Steuerventils ausgeübte Schließkraft über die externe Last F_ext beziehungsweise über eine Veränderung dieser externen Last F_ext bestimmt wird. Zu diesem Zweck ist es beispielsweise möglich, den sich nach dem Einschlagen der Ventilnadel ergebenden Verlauf der differentiellen Piezokapazität ΔC_P auszuwerten.
Dabei sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, dass die Ansteuerung zumindest zeitweise derart erfolgt, dass die von der Ventilnadel des Steuerventils ausgeübte Schließkraft geregelt wird. Der Einsatz einer derartigen Regelung stellt eine besonders wirksame Möglichkeit dar, die zur Sicherstellung der Hochdruckdichtheit erforderliche Schließkraft in jedem Fall sicherzustellen.
Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, dass der Übergang von einem Leerhub des Piezoaktors zu einem Lasthub des Piezoaktors über eine Veränderung der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext detektiert wird. Als Lasthub kann beispielsweise der Hub betrachtet werden, bei dem der Piezoaktor eine Hebeleinrichtung betätigt, wie dies später anhand der Figuren noch näher erläutert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass sie aufweist: erste Mittel zum Erfassen von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, zweite Mittel zum Bestimmen der differentiellen Piezokapazität ΔC_P aus Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und dritte Mittel zum Bestimmen der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der differentiellen Piezokapazität ΔC_P. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel können durch Soft- und/oder Hardware (digital und/oder analog) realisiert werden, je nach Anwendungsfall. Im Übrigen ergeben sich die im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen, wobei auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
Auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bevorzugt, dass die zweiten Mittel über den Zusammenhang ΔC_P = I_P/(dU_P/dt) auf die differentielle Piezokapazität ΔC_P schließen, wobei I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist.
Dabei sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass die zweiten Mittel einen Differentiator und einen Dividierverstärker umfassen.
Weiterhin wird es als vorteilhaft erachtet, dass die dritten Mittel über den Zusammenhang C_P = C₀ + C_mech + C_ext auf die externe Last F_ext schließen, wobei C_P die Piezokapazität, C₀ die Piezokleinsignalkapazität, C_mech die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität und C_ext die die vom Piezoaktor zu überwindende externe Last F_ext beschreibende Kapazität ist.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann weiterhin vorgesehen sein, dass sie vierte Mittel aufweist, die über eine Veränderung der externen Last F_ext den Einschlagzeitpunkt t_c einer Ventilnadel des Steuerventils detektieren.
In diesem Fall wird für die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, dass sie dem Piezoaktor eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zuführt, nachdem der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel von den vierten Mitteln detektiert wurde.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass sie fünfte Mittel aufweist, welche die von einer Ventilnadel des Steuerventils ausgeübte Schließkraft über die von den dritten Mitteln bestimmte externe Last F_ext bestimmen.
Dabei wird bevorzugt, dass die Vorrichtung die von der Ventilnadel des Steuerventils ausgeübte und von den fünften Mitteln bestimmte Schließkraft zumindest zeitweise regelt.
Weiterhin kann zumindest bei bestimmten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass sie sechste Mittel aufweist, die den Übergang von einem Leerhub des Piezoaktors zu einem Lasthub des Piezoaktors über eine Veränderung der von den dritten Mitteln bestimmten auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext detektieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung baut die gattungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass sie aufweist: eine erste Einrichtung zum Erfassen von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, eine zweite Einrichtung zum Bestimmen einer Hilfsgröße H_P aus Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und eine dritte Einrichtung zum Erfassen von Änderungen der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der Hilfsgröße H_P. Auch die erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtungen können durch Soft- und/oder Hardware (digital und/oder analog) realisiert werden, je nach Anwendungsfall. Im Übrigen ergeben sich auch hinsichtlich dieser Ausführungsform die im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen, wobei auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen wird.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die zweite Einrichtung die Hilfsgröße H_P über den Zusammenhang
bestimmt, wobei k_I ein erster Verstärkungsfaktor, k_U ein zweiter Verstärkungsfaktor, I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist.
In diesem Zusammenhang wird weiter bevorzugt, dass die zweite Einrichtung einen Differentiator und einen Subtrahierverstärker umfasst.
Eine bevorzugte Weiterbildung der in Rede stehenden Vorrichtung sieht vor, dass sie eine vierte Einrichtung aufweist, die über den Verlauf der Hilfsgröße H_P den Einschlagzeitpunkt t_c einer Ventilnadel des Steuerventils detektieren.
Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass sie dem Piezoaktor eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zuführt, nachdem der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel von der vierten Einrichtung detektiert wurde.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine fünfte Einrichtung aufweist, welche die von einer Ventilnadel des Steuerventils ausgeübte Schließkraft über die von der dritten Einrichtung erfasste Veränderung der externen Last F_ext bestimmt.
Dabei kann eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vorsehen, dass die Vorrichtung die von der Ventilnadel des Steuerventils ausgeübte und von der fünften Einrichtung bestimmte Schließkraft zumindest zeitweise regelt.
Weiterhin kommen Ausführungsformen der in Rede stehenden Vorrichtung in Betracht, bei denen sie eine sechste Einrichtung aufweist, die den Übergang von einem Leerhub des Piezoaktors zu einem Lasthub des Piezoaktors über eine von der dritten Einrichtung erfasste Veränderung der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext detektieren.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Ausführungsform einer Pumpe-Düse-Einheit bei beziehungsweise mit der die erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet werden können;
2 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Piezo-Steuerventils, das mit der Pumpe-Düse-Einheit nach 1 verwendet werden kann;
3 ein Flussdiagramm, das eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der externen Last und zur Ansteuerung eines Piezoaktors veranschaulicht;
4 ein Flussdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der externen Last und zur Ansteuerung eines Piezoaktors veranschaulicht;
5 einen Graph, der den Verlauf der differentiellen Kapazität in Abhängigkeit von der Zeit für eine betriebsfähige Pumpe einer Pumpe-Düse-Einheit veranschaulicht;
6 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht;
7 ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung von Änderungen der auf einen Piezoaktor ausgeübten externen Last und zur Ansteuerung eines Piezoaktors veranschaulicht;
8 einen Graph, der den Verlauf einer Hilfsgröße in Abhängigkeit von der Zeit für eine betriebsfähige Pumpe einer Pumpe-Düse-Einheit veranschaulicht; und
9 ein Blockschaltbild, das eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht.
1 zeigt schematisch eine Pumpe-Düse-Einheit. Die dargestellte Pumpe-Düse-Einheit zum Zuführen von Kraftstoff 10 in einen Verbrennungsraum 12 einer Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffpumpe 14–22 auf. Dabei ist ein Kraftstoffpumpenkolben 14 in einem Kraftstoffpumpenzylinder 16 hin und her bewegbar. Der Kraftstoffpumpenkolben 14 wird direkt oder indirekt über eine nicht dargestellte Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Der Kompressionsraum des Kraftstoffpumpenzylinders 16 bildet einen ersten Druckraum 28. Der erste Druckraum 28 ist über eine Kraftstoffleitung 20 mit einem Piezo-Steuerventil 22 verbunden. Das Piezo-Steuerventil 22 dient dazu, die Kraftstoffleitung 20 entweder zu verschließen oder mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 zu verbinden, aus dem Kraftstoff 10 angesaugt werden kann. In der geöffneten Ruhestellung des Piezo-Steuerventils 22 wird bei einer bezogen auf 1 nach oben gerichteten Bewegung des Kraftstoffpumpenkolbens 14 Kraftstoff 10 aus dem Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 in den ersten Druckraum 28 angesaugt. Sofern das Piezo-Steuerventil 22 sich bei einer bezogen auf 1 nach unten gerichteten Bewegung des Kraftstoffpumpenkolbens 14 noch in seiner geöffneten Ruhestellung befindet, kann vorher in den ersten Druckraum 28 angesaugter Kraftstoff 10 wieder zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 gedrückt werden. Bei einer geeigneten Ansteuerung des Piezo-Steuerventils 22 verschließt dieses die Kraftstoffleitung 20. Dadurch wird der in den ersten Druckraum 28 angesaugte Kraftstoff 10 bei einer nach unten gerichteten Bewegung des Kraftstoffpumpenkolbens 14 komprimiert, wodurch ein erster Druck p₂₈ in dem ersten Druckraum 28 erzeugt wird. Die dargestellte Pumpe-Düse-Einheit umfasst weiterhin eine insgesamt mit 24 bezeichnete Kraftstoffeinspritzdüse, die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegliche Düsennadel 46 aufweist. Ein Druckstift 26 kann, bezogen auf die Darstellung von 1, insbesondere eine nach unten gerichtete Kraft auf die Düsennadel 46 ausüben. Am oberen Ende des Druckstifts 26 ist eine Einstellscheibe 40 vorgesehen, die in einem zweiten Druckraum 30 geführt ist, wobei in dem zweiten Druckraum 30 unter einem zweiten Druck p₃₀ stehender Kraftstoff 10 über den Druckstift 26 eine bezogen auf die Darstellung von 1 nach unten gerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 46 ausübt. Die Einstellscheibe 40 ist dabei vorzugsweise gegenüber dem zweiten Druckraum 30 nur so stark abgedichtet, dass der zweite Druck p₃₀ vor Beginn eines neuen Einspritzzyklus bereits wieder abgebaut ist. Eine ebenfalls nach unten gerichtete weitere Schließkraft wird durch eine erste Feder 36 auf den Druckstift 26 und somit die Düsennadel 46 ausgeübt, wobei die erste Feder 36 in dem zweiten Druckraum 30 angeordnet ist und sich mit ihrem hinteren Ende an der Einstellscheibe 40 abstützt. Ein eine Schulter 44 aufweisender Abschnitt der Düsennadel 46 ist von einem dritten Druckraum 32 umgeben, der mit dem ersten Druckraum 28 über eine Verbindungsleitung 42 kommuniziert. In Abhängigkeit von der Drosselwirkung der Verbindungsleitung 42 und gegebenenfalls weiterer nicht dargestellter Drosseleinrichtungen wird in Abhängigkeit von dem in dem ersten Druckraum 28 herrschenden ersten Druck p₂₈ in dem dritten Druckraum 32 ein dritter Druck p₃₂ aufgebaut. Der in dem dritten Druckraum 32 unter dem dritten Druck p₃₂ stehende Kraftstoff 10 übt eine bezogen auf die Darstellung von 1 nach oben gerichtete Öffnungskraft auf die Düsennadel 46 aus. Die Düsennadel 46 nimmt ihre Öffnungsstellung ein, solange eine Differenz zwischen der durch den dritten Druck p₃₂ verursachten Öffnungskraft und der Summe aus der durch den zweiten Druck P₃₀ erzeugten Schließkraft und der durch die erste Feder 36 erzeugten Schließkraft einen vorgegebenen Wert überschreitet. Über den zweiten Druck p₃₀ in dem zweiten Druckraum 30 kann somit der Düsenöffnungsdruck beeinflusst werden. Um den zweiten Druck p₃₀ im zweiten Druckraum 30 auf jeweils geeignet Werte zu begrenzen und zu halten kann beispielsweise ein Druckbegrenzungs- und -halteventil 34 zwischen dem ersten Druckraum 28 und dem zweiten Druckraum 30 vorgesehen sein. Die Ankopplung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 80 an das anhand von 2 näher erläuterte Piezo-Steuerventil 22 ist in 1 ebenfalls dargestellt.
2 zeigt eine schematische Teil-Schnittansicht eines Piezo-Steuerventils 22, das mit der Pumpe-Düse-Einheit nach 1 verwendet werden kann. Das dargestellte Piezo-Steuerventil 22 weist eine Ventilnadel 48 auf, die zum Schließen des Piezo-Steuerventils 22 in die dargestellte erste Endstellung und zum vollständigen Öffnen des Piezo-Steuerventils 22 in eine zweite Endstellung bewegt werden kann, die bezogen auf die Darstellung nach rechts verschoben ist. Wenn sich die Ventilnadel 48 in ihrer dargestellten ersten Endstellung befindet, wirkt ein an der Ventilnadel 48 vorgesehener Ventilteller 64 mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz 62 zusammen. Dadurch wird der Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 gegenüber einer Hochdruckkammer 38 verschlossen, die mit der in 1 dargestellten Kraftstoffleitung 20 in Verbindung steht. Das Piezo-Steuerventil 22 weist einen Piezo-Aktuator beziehungsweise ein Piezoelement 76 auf. Bei geeigneter Ansteuerung des Piezoaktors 76 übt dieser über eine Stirnfläche 78 eine Kraft auf ein Druckstück 54 aus. Das Druckstück 54 überträgt die von dem Piezoaktor 76 erzeugte Kraft seinerseits auf einen ersten Hebel 56 und einen zweiten Hebel 58, wobei der erste Hebel 56 und der zweite Hebel 58 dazu vorgesehen sind, eine Kraftübersetzung zu bewirken. Der erste Hebel 56 und der zweite Hebel 58 liegen an einer zweiten axialen Endfläche 72 der Ventilnadel 48 an, um die von dem Piezoaktor 76 erzeugte, übersetzte Kraft auf die Ventilnadel 48 zu übertragen. Die von dem geeignet angesteuerten Piezoaktor 76 erzeugte, übersetzte Kraft, die auf die Ventilnadel 48 wirkt, ist größer als eine entgegengesetzte Kraft, die von einer zweiten Feder 66 erzeugt und über ein Federdruckstück 68 auf eine erste axiale Endfläche 70 der Ventilnadel 48 ausgeübt wird. Der Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 steht mit einem Absteuerraum 50 in Verbindung, der über eine Ausgleichsbohrung 52 weiterhin mit einem vor dem Piezoaktor 76 befindlichen Aktorraum 74 in Verbindung steht. Dieser Aktorraum 74 steht mit einem Rücklauf 60 in Verbindung, über den Kraftstoff aus dem Aktorraum 74 zurückströmen kann. Die bereits mehrfach erwähnte Schließkraft ist dabei die Kraft, mit der der Ventilteller 64 der Ventilnadel 48 gegen den gehäuseseitigen Ventilsitz 62 gepresst wird. Es ist nachvollziehbar, dass bei einer unzureichenden Schließkraft die Hochdruckkammer 38 nicht sicher beziehungsweise vollständig gegenüber dem Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 verschlossen werden kann. Eine derartige verminderte Hochdruckdichtheit kann zu den eingangs erwähnten Systemausfällen führen und soll daher mit Hilfe der Erfindung sicher vermieden werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der externen Last F_ext und zur Ansteuerung eines Piezoaktors veranschaulicht. Das dargestellte Verfahren beginnt beim Schritt S1. Im Schritt S2 wird der Piezostrom I_P und die Piezospannung U_P erfasst. Anschließend wird im Schritt S3 die differentielle Piezokapazität ΔC_P über den Zusammenhang ΔC_P = I_P/(dU_P/dt) bestimmt. Im Schritt 54 wird die externe Last F_ext über C_P = C₀ = C_mech + C_ext bestimmt, wobei die Anschlusskapazität C₀ und die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität C_mech in vielen Fällen als bekannt oder sogar konstant vorausgesetzt werden können. Im letzteren Fall hängt die differentielle Piezokapazität ΔC_P bei dem hier verwendeten Modell ausschließlich von der differentiellen Kapazität ΔC_ext ab. Ein Beispiel für die Interpretation des Verlaufs der differentiellen Piezokapazität ΔC_P wird später anhand von 5 gegeben. Die in 3 dargestellten Schritte S1 bis S4 veranschaulichen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der externen Last F_ext. Im optionalen Schritt S5 wird der Übergang t_L vom Leerhub des Piezoaktors zum Lasthub erfasst. Bezogen auf die Darstellung von 2 kann dieser Übergang der Zeitpunkt sein, zu dem die Bewegung der Hebel 56, 58 beginnt. Im Schritt S6 wird der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel in Abhängigkeit vom Verlauf der externen Last ΔF_ext detektiert. Bezogen auf die Darstellung von 2 ist der Einschlagzeitpunkt t_c der Zeitpunkt, zu dem der Ventilteller 64 der Ventilnadel 48 auf den Ventilsitz 62 auftrifft. Anschließend wird dem Piezoaktor im Schritt S7 eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zugeführt. Diese weitere Energiemenge stellt sicher, dass der Ventilteller 64 mit einer ausreichenden Schließkraft am Ventilsitz 62 (siehe 2) anliegt, um die Hochdruckdichtheit sicherzustellen. Das in 3 dargestellte Verfahren endet beim Schritt S8.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der externen Last F_ext und zur Ansteuerung eines Piezoaktors veranschaulicht. Das dargestellte Verfahren beginnt beim Schritt S1. Im Schritt S2 wird wieder der Piezostrom I_P und die Piezospannung U_P erfasst. Anschließend wird, wie bei der Ausführungsform von 3, in den Schritten S3 und S4 die differentielle Piezokapazität ΔC_P und die externe Last F_ext bestimmt. Die in 4 dargestellten Schritte S1 bis S4 veranschaulichen somit wieder eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der externen Last F_ext. Anschließend wird im Schritt S5 die Schließkraft F_c der Ventilnadel in Abhängigkeit vom Verlauf der externen Last F_ext bestimmt. Zu diesem Zweck kann es erforderlich sein, im Steuerventil auftretende mechanische Verluste rechnerisch zu berücksichtigen, um auf die Schließkraft F_c schließen zu können. Im Schritt S6 wird die Schließkraft F_c der Ventilnadel als Regelgröße bei der Ansteuerung des Piezoaktors verwendet. Durch eine derartige Regelung kann die gewünschte Schließkraft und damit die Hochdrucksicherheit in jedem Fall sichergestellt werden. Das in 4 dargestellte Verfahren endet beim Schritt S7.
5 zeigt einen Graph, der den Verlauf der differentiellen Kapazität in Abhängigkeit von der Zeit für eine betriebsfähige Pumpe einer Pumpe-Düse-Einheit veranschaulicht. Am Anfang des Kurvenverlaufs ist ein Startwert von etwas weniger als 3 μF zu erkennen, was in etwa der Kleinsignalkapazität C₀ entspricht. Bei etwa 200 μs trifft die Ventilnadel 48 auf den Ventilsitz 62 (siehe 2). Zu diesem Zeitpunkt wird ein Wert von etwa 6 μF erreicht, was in etwa der Großsignalkapazität C₀ + C_mech entspricht. Nach ungefähr 210 μs steigt die differentielle Kapazität ΔC_P an. Dieser Anstieg ist ein Maß für die externe Last F_ext, also die Dichtkraft F_c, die aufgebracht wird. Nach ca. 270 μs endet die Bestromung. Eine Interpretation des dargestellten Kurvenverlaufs im Bereich von 60 μs bis etwa 200 μs führt zu dem Schluss, dass der Piezoaktor während dieser Zeitspanne eine große externe Last F_ext überwinden muss. Gleichzeitig muss bei der Interpretation aber zumindest in einigen Fällen berücksichtigt werden, dass während der Bestromung auch Eigenfrequenzen den verbauten Piezoaktors angeregt werden können. Das Anschwingen von Resonanzen kann sich bei der Auswertung unter Umständen wie eine externe Last äußern.
6 zeigt ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 80 veranschaulicht. Bei der dargestellten Ausführungsform sind erste Mittel 82 dazu vorgesehen, den Piezostrom I_P und die Piezospannung U_P zu erfassen. Zweite Mittel 84 bestimmen aus dem Piezostrom I_P und der Piezospannung U_P die differentielle Piezokapazität ΔC_P. Zu diesem Zweck umfassen die zweiten Mittel 84 einen Differentiator 94 und einen Dividierverstärker 96. Dritte Mittel 86, denen bekannte Werte für die Piezokleinsignalkapazität C₀ und die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität C_mech zugeführt werden, schließen auf die externe Last F_ext _. Vierte Mittel 88 bestimmen über die externe Last F_ext den Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel. Fünfte Mittel 90 bestimmen über die externe Last F_ext die Schließkraft F_c, mit der die Ventilnadel gegen den Ventilsitz gepresst wird. Sechste Mittel 92 bestimmen über die externe Last F_ext den Zeitpunkt t_L des Übergangs vom Leerhub zum Lasthub. Ein Regler 98 bestimmt aus den ihm zugeführten Größen die dem Piezoaktor zuzuführende beziehungsweise abzuführende Ladungsmenge ΔQ_P. Alle erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel können durch geeignete Soft- und/oder Hardware (analog und/oder digital) verwirklicht werden.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, sind auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar, bei denen direkt über den Verlauf der differentiellen Piezokapazität auf den Einschlagzeitpunkt t_c, die Schließkraft F_c und/oder den Zeitpunkt t_L des Übergangs vom Leerhub zum Lasthub geschlossen wird.
7 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung von Änderungen der auf einen Piezoaktor ausgeübten externen Last und zur Ansteuerung eines Piezoaktors veranschaulicht. Das dargestellte Verfahren beginnt beim Schritt S1. Im Schritt S2 werden der Piezostrom I_P und die Piezospannung U_P erfasst. Anschließend wird im Schritt S3 die Hilfsgröße H_P über den Zusammenhang
ermittelt. Im Schritt S4 wird der Einschlagzeitpunkt t_c anhand eines charakteristischen Einbruchs (siehe auch 8 mit zugehöriger Beschreibung) des Verlaufs von H_P detektiert. Anschließend wird dem Piezoaktor im Schritt S5 eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zugeführt. Diese weitere Energiemenge stellt sicher, dass der Ventilteller 64 (siehe 2) mit ausreichender Schließkraft am Ventilsitz 62 anliegt.
8 zeigt einen Graph, der den Verlauf der oben angegebenen Hilfsgröße H_P in Abhängigkeit von der Zeit für eine betriebsfähige Pumpe einer Pumpe-Düse-Einheit veranschaulicht, für k_I = k_U = 1. Für das Einschlagen der Ventilnadel bei t_c = 200 μs ist der Einbruch im Verlauf der Hilfsgröße H_P charakteristisch. Da der Wert der Hilfsgröße H_P kurz vor dem Einbruch typischerweise eine Designkonstante ist, kann der Einbruch über eine einfache Komparatorschaltung detektiert werden.
9 zeigt ein Blockschaltbild, das eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 80 veranschaulicht. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine erste Einrichtung 100 dazu vorgesehen, den Piezostrom I_P und die Piezospannung U_P zu erfassen. Eine zweite Einrichtung 102 bestimmt aus dem Piezostrom I_P und der Piezospannung U_P die Hilfsgröße H_P. Zu diesem Zweck umfasst die zweite Einrichtung 102 einen Differentiator 112 und einen Subtrahierverstärker 114. Eine dritte Einrichtung 104 schließt auf Veränderungen der externen Last F_ext, gegebenenfalls mit Hilfe von weiteren (nicht dargestellten) Größen oder Kennfeldern. Eine vierte Einrichtung 106 bestimmt über die Hilfsgröße H_P den Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel. Zu diesem Zweck kann die vierte Einrichtung 106 beispielsweise einen Komparator umfassen, über den der bereits erwähnte charakteristische Einbruch im Verlauf von H_P detektiert werden kann. Eine fünfte Einrichtung 108 bestimmt über den verlauf der Hilfsgröße H_P die Schließkraft F_c, mit der die Ventilnadel gegen den Ventilsitz gepresst wird. Eine sechste Einrichtung 110 bestimmt über den Verlauf der Hilfsgröße H_P den Zeitpunkt t_L des Übergangs vom Leerhub zum Lasthub. Ein Regler 116 bestimmt aus den ihm zugeführten Größen die dem Piezoaktor zuzuführende beziehungsweise abzuführende Ladungsmenge ΔQ_P. Dabei kann dem Piezoaktor insbesondere eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zugeführt werden, um für die Ventilnadel eine ausreichende Schließkraft sicherzustellen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann eine derartige weitere Energiemenge auch ohne Regler zugeführt werden, nachdem die vierte Einrichtung 106 den Einschlagzeitpunkt t_c über den Verlauf von H_P detektiert hat.
Alle erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtungen können durch geeignete Soft- und/oder Hardware (analog und/oder digital) verwirklicht werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der auf einen Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last F_ext, insbesondere der auf einen Piezoaktor eines Steuerventils (22) einer Pumpe-Düse-Einheit ausgeübten externen Last F_ext, wobei Werte eines Piezostroms (I_P) und einer Piezospannung U_P erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende weitere Schritte umfasst: – Ermitteln der differentiellen Piezokapazität ΔC_P in Abhängigkeit von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und – Bestimmen der externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der differentiellen Piezokapazität ΔC_P.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der differentiellen Piezokapazität ΔC_P über den Zusammenhang ΔC_P = I_P/(dU_P/dt) erfolgt, wobei I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die differentielle Piezokapazität ΔC_P mit Hilfe eines Differentiators (94) und eines Dividierverstärkers (96) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der externen Last F_ext über den Zusammenhang C_P = C₀ + C_mech + C_ext erfolgt, wobei C_P die Piezokapazität, C₀ die Piezokleinsignalkapazität, C_mech die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität und C_ext die die vom Piezoaktor (76) zu überwindende externe Last F_ext beschreibende Kapazität ist.
Verfahren zur Erfassung von Änderungen der auf einen Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last F_ext, insbesondere von Änderungen der auf einen Piezoaktor eines Steuerventils (22) einer Pumpe-Düse-Einheit ausgeübten externen Last F_ext, wobei Werte des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Bestimmen einer Hilfsgröße H_P in Abhängigkeit von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und – Erfassen von Änderungen der externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der Hilfsgröße H_P, wobei die Hilfsgröße H_P die Form
hat, wobei k_I ein erster Verstärkungsfaktor, k_U ein zweiter Verstärkungsfaktor, I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsgröße H_P mit Hilfe eines Differentiators (112) und eines Subtrahierverstärkers (114) bestimmt wird.
Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors (76) eines Steuerventils (22) einer Pumpe-Düse-Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung in Abhängigkeit von der auf den Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last F_ext beziehungsweise in Abhängigkeit von einer Änderung dieser externen Last F_ext erfolgt, die über das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bestimmt beziehungsweise erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Veränderung der externen Last F_ext der Einschlagzeitpunkt t_c einer Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Piezoaktor (76) eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zugeführt wird, nachdem der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel (48) detektiert wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von einer Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) ausgeübte Schließkraft über die externe Last F_ext beziehungsweise über eine Veränderung dieser externen Last F_ext bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung zumindest zeitweise derart erfolgt, dass die von der Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) ausgeübte Schließkraft geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von einem Leerhub des Piezoaktors (76) zu einem Lasthub des Piezoaktors (76) über eine Veränderung der auf den Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last F_ext detektiert wird.
Vorrichtung (80) zur Ansteuerung eines Piezoaktors (76), insbesondere eines Piezoaktors (76) eines Steuerventils (22) einer Pumpe-Düse-Einheit, – mit ersten Mitteln (82) zum Erfassen von Werten eines Piezostroms I_P und einer Piezospannung U_P, dadurch gekennzeichnet, dass – zweite Mittel (84) zum Bestimmen der differentiellen Piezokapazität ΔC_P aus Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P vorgesehen sind, und – dass dritte Mittel (86) zum Bestimmen der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der differentiellen Piezokapazität ΔC_P vorgesehen sind.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel (84) über den Zusammenhang ΔC_P = I_P/(dU_P/dt) auf die differentielle Piezokapazität ΔC_P schließen, wobei I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel (84) einen Differentiator (94) und einen Dividierverstärker (96) umfassen.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Mittel (86) über den Zusammenhang C_P = C₀ + C_mech + C_ext auf die externe Last F_ext schließen, wobei C_P die Piezokapazität, C₀ die Piezokleinsignalkapazität, C_mech die die mechanische Verformung des Piezostacks beschreibende Kapazität und C_ext die die vom Piezoaktor (76) zu überwindende externe Last F_ext beschreibende Kapazität ist.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie vierte Mittel (88) aufweist, die über eine Veränderung der externen Last F_ext den Einschlagzeitpunkt t_c einer Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) detektieren.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie dem Piezoaktor (76) eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zuführt, nachdem der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel (48) von den vierten Mitteln (88) detektiert wurde.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie fünfte Mittel (90) aufweist, welche die von einer Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) ausgeübte Schließkraft über die von den dritten Mitteln (86) bestimmte externe Last F_ext bestimmen.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie die von der Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) ausgeübte und von den fünften Mitteln (90) bestimmte Schließkraft zumindest zeitweise regelt.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie sechste Mittel (92) aufweist, die den Übergang von einem Leerhub des Piezoaktors (76) zu einem Lasthub des Piezoaktors (76) über eine Veränderung der von den dritten Mitteln (86) bestimmten auf den Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last F_ext detektieren.
Vorrichtung (80) zur Ansteuerung eines Piezoaktors (76), insbesondere eines Piezoaktors (76) eines Steuerventils (22) einer Pumpe-Düse-Einheit mit einer ersten Einrichtung (100) zum Erfassen von Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, dadurch gekennzeichnet, dass: – eine zweite Einrichtung (102) zum Bestimmen einer Hilfsgröße H_P aus Werten des Piezostroms I_P und der Piezospannung U_P, und – eine dritte Einrichtung (104) zum Erfassen von Änderungen der auf den Piezoaktor ausgeübten externen Last F_ext in Abhängigkeit vom Verlauf der Hilfsgröße H_P vorgesehen sind, und wobei die zweite Einrichtung (102) die Hilfsgröße H_P über den Zusammenhang
bestimmt, wobei k_I ein erster Verstärkungsfaktor, k_U ein zweiter Verstärkungsfaktor, I_P der Piezostrom, U_P die Piezospannung und t die Zeit ist.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung (102) einen Differentiator (112) und einen Subtrahierverstärker (114) umfasst.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine vierte Einrichtung (106) aufweist, die über den Verlauf der Hilfsgröße H_P den Einschlagzeitpunkt t_c einer Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) detektiert.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie dem Piezoaktor (76) eine vorherbestimmte weitere Energiemenge zuführt, nachdem der Einschlagzeitpunkt t_c der Ventilnadel (48) von der vierten Einrichtung (106) detektiert wurde.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine fünfte Einrichtung (108) aufweist, welche die von einer Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) ausgeübte Schließkraft über die von der dritten Einrichtung (104) erfasste Veränderung der externen Last F_ext bestimmt.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie die von der Ventilnadel (48) des Steuerventils (22) ausgeübte und von der fünften Einrichtung (108) bestimmte Schließkraft zumindest zeitweise regelt.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine sechste Einrichtung (110) aufweist, die den Übergang von einem Leerhub des Piezoaktors (76) zu einem Lasthub des Piezoaktors (76) über eine von der dritten Einrichtung (104) erfasste Veränderung der auf den Piezoaktor (76) ausgeübten externen Last F_ext detektiert.