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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines Ventils. Sie betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern einer Pumpe-Düse-Vorrichtung
mit einem Ventil. Das Ventil hat einen Ventilantrieb, der als Piezoaktor
ausgebildet ist, ein Ventilglied, einen Ventilkörper und einen Ventilsitz.
Eine Pumpe-Düse-Vorrichtung
wird insbesondere zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum eines
Zylinders einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine,
eingesetzt. 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 niedrigen 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 gekoppelt 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
Zulaufkanal, den Absteuerraum in den Ablaufkanal 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 Ablaufkanal 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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Ein
präzises
Zumessen von Kraftstoff durch die Pumpe-Düse-Vorrichtung setzt eine sehr präzise Ansteuerbarkeit
des Ventils voraus.
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Aus
der
DE 100 24 662
A1 ist ein Ventil bekannt mit einem Stellglied, das von
einem piezoelektrischen Aktor angetrieben wird. Der piezoelektrische Aktor
wird gleichzeitig als Drucksensor verwendet. Die Spannung des piezoelektrischen
Aktors wird dahingehend ausgewertet, dass eine Spannungsänderung
auftritt und diese als Detektionssignal erfasst wird. Aus dem Detektionssignal
wird eine Information darüber
abgeleitet, zu welchem Zeitpunkt das Ventilglied tatsächlich von
seinem Ventilsitz abhebt und der Druck in einem Steuerraum zu sinken
beginnt.
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Die
DE 31 18 425 C2 beschreibt
eine Einrichtung zum Erfassen der den Brennräumen eines Dieselmotors zugeführten Kraftstoffmenge.
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Die
DE 28 05 175 C2 beschreibt
eine Einrichtung zum Erfassen des Einspritzbeginns eines eine Düsennadel
umfassenden Einspritzventils, bei der ein zum Nadelhub proportionales
Signal eines induktiven oder piezoresistiven Gebers erfasst wird.
Das mit einer Differenzierstufe differenzierte Signal wird mit einem
Schwellwertschalter abgetastet.
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Die
DE 199 30 309 A1 beschreibt
ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge
bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit Piezoelement-Aktor. Die
Bildung einer ersten Ableitung, die Verwendung eines Schwellwerts
und die Ermittlung einer Schließzeitdauer
werden nicht beschrieben.
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Die
DE 101 43 501 C1 beschreibt
ein Verfahren zum Ansteuern eines piezobetriebenen Kraftstoff-Einspritzventils,
bei dem der Beginn der Öffnung eines
Servoventils erfasst wird und die Öffnungszeit des Einspritzventils
bestimmt wird. Der Zeitpunkt des Auftreffens eines Ventilglieds
auf einem Ventilsitz wird nicht erfasst.
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Die
DE 101 46 747 A1 beschreibt
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit
einem durch einen piezoelektrischen Aktor betätigten Steuerventil. Zur Erkennung,
ob ein Steuerventil seine Schließposition erreicht hat, wird
nach erfolgtem Ladevorgang für
eine vorgebbare Zeitdauer eines Messfensters an die Anschlüsse des
Aktors eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen. In einem der
Spannungsmesseinrichtung zugeordneten Differenzierglied wird die
zeitliche Ableitung der Spannung zwischen den Anschlüssen gebildet.
Es wird das Auftreten eines Nulldurchgangs in der zeitlichen Ableitung
der Spannung überprüft, der
den Zeitpunkt identifiziert, zu dem das Steuerventilglied seine Schließposition
erreicht hat. Aus dem ermittelten Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition
des Steuerventilglieds wird ein Korrekturwert für den Ansteuerzeitpunkt des
Ladevorgangs abgeleitet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern eines Ventils oder einer Pumpe-Düse-Vorrichtung mit dem Ventil zu
schaffen, das bzw. die ein präzises
Ansteuern des Ventils gewährleistet.
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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 zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Steuern eines
Ventils mit einem Ventilantrieb, der als Piezoaktor ausgebildet
ist, einem Ventilglied, einem Ventilkörper und einem Ventilsitz. Zu
einem vorgebbaren Zeitpunkt wird das Ventilglied von einer Position
entfernt von dem Ventilsitz in den Ventilsitz gesteuert. Während das
Ventilglied von der Position entfernt von dem Ventilsitz in den
Ventilsitz gesteuert wird, wird ein die Piezospannung charakterisierendes
Signal erfasst. Mindestens die erste Ableitung des die Piezospannung
charakterisierenden Signals wird dann ermittelt. Der Zeitpunkt des
Auftreffens des Ventilglieds auf den Ventilsitz wird erkannt, wenn
die mindestens erste Ableitung des Signals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Eine
Schließzeitdauer
wird abhängig
von dem vorgebbaren Zeitpunkt und dem Zeitpunkt des Auftreffens
ermittelt. Die Ansteuerung des Ventilantriebs erfolgt dann abhängig von
der Schließzeitdauer.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das die Piezospannung
charakterisierende Signal quadriert und dann mindestens die erste
Ableitung des quadrierten Signals ermittelt wird. Dem liegt die
Erkenntnis zugrunde, dass das die Piezospannung charakterisierende
Signal einen im wesentlichen wurzelförmigen Verlauf hat und dass
so das Signal durch das Quadrieren linearisiert werden kann und
ein höherer Signal-Rauschabstand einfach
erreicht werden kann.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung wird das Ventil einer Pumpe-Düse-Vorrichtung entsprechend
gesteuert. Die Pumpe-Düse-Vorrichtung
hat eine Pumpe, die einen Kolben und einen Arbeitsraum hat, eine
Steuereinheit, die einen Ablaufkanal, der hydraulisch gekoppelt
ist mit dem Arbeitsraum, und ein Ventil umfasst, mit einem als Piezoaktor
ausgebildeten Ventilantrieb, einem Ventilglied, einem Ventilkörper, einem
Ventilsitz und einem Absteuerraum, der hydraulisch entkoppelt ist
von dem Ablaufkanal, wenn das Ventilglied an dem Ventilsitz anliegt,
und der ansonsten gekoppelt ist mit dem Ablaufkanal.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Auftreffen des
Ventilglieds auf den Ventilsitz der Verlauf des die Piezospannung
charakterisierenden Signals einen Knick aufweist und unmittelbar nach
dem Knick eine höhere
Steigung aufweist. Durch das Ermitteln der mindestens ersten Ableitung des
die Piezospannung charakterisierenden Signals und des Erkennens
des Zeitpunkts des Auftreffens des Ventilglieds auf den Ventilsitz,
wenn die mindestens erste Ableitung des Signals einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet,
ist einfach ein sehr präzises
Bestimmen des Auftreffzeitpunkts gewährleistet. Das die Piezospannung
charakterisierende Signal ist vorteilhaft die Piezospannung selbst.
Es kann jedoch auch eine weitere die Piezospannung charakterisierende
Größe sein,
wie beispielsweise die Kapazität
des Piezoaktors oder der Strom, mit dem der Piezoaktor beaufschlagt
wird, oder die Ladung des Piezoaktors oder die elektrische Energie des
Piezoaktors.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die mindestens
erste Ableitung des Signals nur innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters um
einen erwarteten Zeitpunkt des Auftreffens auf das Überschreiten
des vorgegebenen Schwellenwerts überwacht.
Dies hat den Vorteil eines geringeren Rechenaufwands und gleichzeitig
einer geringeren Wahrschein lichkeit einer Fehlbestimmung des Zeitpunkts
des Auftreffens aufgrund von Störsignalen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
zweite Ableitung des quadrierten Signals ermittelt. Dies hat den
Vorteil, dass der charakteristische Knick des ursprünglichen
Signals dann besonders gut und einfach erkannt werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei
einem ersten Überschreiten des
Schwellenwerts auf den Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds
auf den Ventilsitz erkannt. Dies hat den Vorteil, dass es einfach
und präzise
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Schließzeitdauer
mehrfach ermittelt und einer Filterung unterzogen. Dies hat den Vorteil,
dass so ein sehr zuverlässiger
Wert der Schließzeitdauer
ermittelt werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Fehler in dem Ventil erkannt, wenn die Schließzeitdauer kleiner als ein
zweiter Schwellenwert oder größer als
ein dritter Schwellenwert ist. Dies hat den Vorteil einer einfachen
Diagnose des Ventils.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Ansteuerzeitpunkt des Ventilantriebs abhängig von der Schließzeitdauer
und einem Sollwert der Schließzeitdauer
korrigiert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt diese Korrektur
zusätzlich
auch noch von einer abhängig
von einer Temperatur die charakteristisch ist für die Temperatur des Ventils
und abhängig der
dem Piezoantrieb zugeführten
elektrischen Energie. Dadurch ist dann ein äußerst präzises Ansteuern des Ventils
gewährleistet.
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Gemäß des Aspekts
des Steuerns des Ventils der Pumpe-Düse-Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn
der vorgebbare Zeitpunkt, zu dem das Ventilglied von einer Position
entfernt von dem Ventilsitz in den Ventilsitz gesteuert wird, so
gewählt
wird, dass der Kolben der Pumpe in seinem oberen Totpunkt ist und
bleibt bis zum erwarteten Auftreffen des Ventilglieds auf den Ventilsitz.
Dies hat den Vorteil, dass das Steuern des Ventilglieds von einer
Position entfernt von dem Ventilsitz in den Ventilsitz lediglich
zu dem Zweck des Bestimmens der Schließzeitdauer erfolgen kann, da
während
sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, der Druck in
dem Arbeitsraum der Pumpe im wesentlichen dem Niederdruckniveau
entspricht und somit im wesentlichen konstant ist und ohnehin kein
Druckaufbau zum Einleiten einer Kraftstoffzumessung erfolgen kann.
Es hat sich überraschend
gezeigt, dass so einfach eine sehr präzise Erfassung der Schließzeitdauer
möglich
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Pumpe-Düse-Vorrichtung
mit einem Ventil und einer Vorrichtung zum Steuern des Ventils,
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2 ein
Blockdiagramm, das den Ablauf des Ermittelns einer Schließzeitdauer
T_CL darstellt,
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3 ein
weiteres Blockdiagramm, das den Ablauf des Ermittelns eines Korrekturwert T_SOI_OFS
des Ansteuerzeitpunkts T_SOI darstellt und
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4a bis 4d zeitliche
Verläufe
der Piezospannung V_INJ, des Hubs CTRL_VL des Ventilglieds 231,
des Drucks P_H in dem Arbeitsraum 13 der Pumpe und der
Einspritzmenge MFF.
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Elemente
gleicher Konstruktion und 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. Das Pumpen-Rückstellmittel 14 ist
so ausgebildet und angeordnet, dass das durch den Kolben 11 begrenzte Volumen
des Ar beitsraums 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 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 entsprechende Stellsignale 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 Ventil glied 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 233 befindliche
Kraftstoff verdichtet, wodurch der Druck mit zunehmender Abwärtsbewegung
des Kolbens 11 im Arbeitsraum 13, im Hochdruckraum 233 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 Zu laufkanal 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 Mittelwerts T_CL_MV der Schließzeitdauer
des Ventilglieds 231, d.h. der Zeitdauer von dem Beginn
der Ansteuerung des Ventilglieds 231 bis zum tatsächlichen
Auftreffen des Ventilglieds 231 auf seinen Ventilsitz 234 wird
im folgenden anhand von dem Blockdiagramm der 2 beschrieben.
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Zu
einem vorgebbaren Zeitpunkt wird das Ventilglied von einer Position
entfernt von dem Ventilsitz 234 in den Ventilsitz 234 gesteuert.
Der vorgebbare Zeitpunkt wird vorzugsweise so gewählt, dass der
Kolben in seinem oberen Totpunkt ist und bleibt bis zu dem erwarteten
Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234.
Er kann jedoch auch innerhalb eines Zeitbereichs gewählt sein,
in dem sich der Kolben nicht in seinem oberen Totpunkt befindet.
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Während das
Ventilglied 231 von der Position entfernt von dem Ventilsitz 234,
die vorzugsweise eine definierte Position, wie beispielsweise ein
Anschlag ist, an dem das Ventil anliegt, in den Ventilsitz 234 gesteuert
wird, wird ein die Piezospannung charakterisierendes Signal in dem
Block B1 erfasst. Bevorzugt ist dies die Piezospannung V_INJ selbst.
Es kann jedoch auch eine weitere die Piezospannung charakterisierende
Größe sein,
wie beispielsweise die Kapazität
des Piezoaktors oder der Strom, mit dem der Piezoaktor beaufschlagt
wird, oder die Ladung des Piezoaktors oder die elektrische Energie des
Piezoaktors.
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In
dem Block B1 wird die Piezospannung V_INJ, die Werte bis zirka 150
V annehmen kann, mittels eines Spannungsteilers in einen vorgegebenen
Spannungsbereich transformiert und gegebenenfalls anschließend noch
gefiltert. Anschließend erfolgt
dann eine Analog-Digital-Wandlung des Signals mittels eines sogenannten
Sample and Hold-Analog-Digital-Wandlers mit einer sehr geringen
Abtastzeit von wenigen μsek.
Die so erhaltenen digitalen Spannungswerte werden vorzugsweise zwischengespeichert
und erst nach einem erwarteten Auftreffen des Ventilglieds 231 auf
seinen Ventilsitz 234 weiter verarbeitet. Aufgrund der
bekannten Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers ist dann auch eine
zeitliche Zuordnung der einzelnen abgetasteten Werte möglich.
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In
einem Block B3 wird die abgetastete Piezospannung V_INJ noch vorzugsweise
interpoliert, wodurch sich eine höhere zeitliche Auflösung des
Signalverlaufs der Piezospannung V_INJ erreichen lässt. Dies
erfolgt vorzugsweise mittels eines Finite-Impuls-Response (FIR)-Filters.
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In
einem Block B5 wird die Piezospannung V_INJ quadriert. Dies entspricht
einem Linearisieren des Verlaufs der Piezospannung V_INJ, da diese
einen im wesentlichen wurzelförmigen
Verlauf hat. Alternativ kann jedoch auch auf das Quadrieren verzichtet
werden, was durch den strichlierten Pfeil angedeutet ist.
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In
einem Block B7 wird dann die erste Ableitung des Signalverlaufs
der Piezospannung V_INJ ermittelt. Es erfolgt somit eine Differenzierung
nach der Zeit. Alternativ kann in einem Block B9 auch eine zweite
Ableitung des Signalverlaufs der Piezospannung V_INJ ermittelt werden.
Alternativ kann aber auch eine dritte, vierte, fünfte oder höhere Ableitung des Signalverlaufs
der Piezospannung V_INJ ermittelt werden.
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In
einem Block B11 werden dann lediglich die Werte der abgeleiteten
Piezospannung V_INJ ausgewählt,
die innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters um den erwarteten
Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds 231 auf den
Ventilsitz 234 erfasst wurden. Das Zeitfenster ist dabei
vorzugsweise so vorgegeben, dass alle bekannten Streuungen der Schließzeitdauer
berücksichtigt
sind.
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In
einem Block B13 wird geprüft,
welcher der abgeleiteten Werte der Piezospannung V_INJ erstmalig
einen vorgegebenen ersten Schwellenwert SW1 überschreitet. Abhängig von
dem diesem Wert zugeordneten Zeitpunkt und dem bekannten Beginn der
Ansteuerung des Ventilantriebs 24 wird in dem Block B13
dann die Schließzeitdauer
T_CL ermittelt.
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In
einem Block B15 wird dann plausibilisiert, ob die Schließzeitdauer
T_CL kleiner ist als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert oder
größer ist
als ein vorgegebener dritter Schwellenwert SW3. Der zweite und dritte
Schwellenwert SW2, SW3 sind so gewählt, dass ein Unterschreiten
bzw. Überschreiten nur
im Falle eines Fehlers des Ventils möglich ist. Entsprechend wird
dann einem Unterschreiten bzw. Überschreiten
ein Fehler des Ventils in dem Block B15 diagnostiziert.
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In
einem Block B17 wird anschließend
die ermittelte Schließzeitdauer
T_CL einer statistischen Auswertung unterzogen. Bevorzugt wird die
Schließzeitdauer
T_CL mehrfach, so z.B. dreißig
mal ermittelt und dann der Mittelwert und gegebenenfalls die Standardabweichung
der erhaltenen Schließzeitdauer
T_CL ermittelt. Der Block B17 gibt vorzugsweise den Mittelwert T_CL_MV
der Schließzeitdauer
aus. Alternativ können
jedoch auch die ermittelten Schließzeitdauern T_CL auf andere
Art und Weise gefiltert werden, wie z.B. mittels einer gleitenden
Mittelwertbildung oder eines nicht-rekursiven Filters.
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Ein
Korrekturwert T_SOI_OFS für
den Ansteuerzeitpunkt T_SOI des Ventilantriebs 24 wird
gemäß dem Blockdiagramm
von 3 ermittelt. In einem Block B13 wird abhängig von
einer Temperatur TEMP, die charakteristisch ist für die Temperatur
des Ventilantriebs 24 und mithin des Piezoaktors und einer
dem Ventilantrieb 24 zugeführten Energie E und abhängig von
einem Sollwert T_CL_SP der Schließzeitdauer ein erster Korrekturwert
T_CL_COR1 ermittelt. Der erste Korrekturwert T_CL_COR1 ist ein Schätzwert,
der Änderung
der Schließzeitdauer
abhängig
von der Temperatur TEMP und der zugeführten elektrischen Energie
E. Der Sollwert T_CL_SP der Schließzeitdauer ist vorzugsweise
gegeben für vorgegebene
Betriebsbedingungen, d.h. für
eine vorgegebene Temperatur TEMP und zugeführte elektrische Energie E.
Er ist vorzugsweise für
die während des
Betriebs des Ventilantriebs 24 im Mittel herrschende Temperatur
TEMP und der ihm im Mittel zugeführten
elektrischen Energie ermittelt. Der Block B19 beinhaltet dementsprechend
ein entsprechendes Modell, mittels dessen dann der erste Korrekturwert
T_CL_COR1 ermittelt wird.
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In
einem Block B21 wird ein zweiter Korrekturwert T_CL_COR2 abhängig von
dem Sollwert T_CL_SP und dem Mittelwert T_CL_MV der Schließzeitdauer
ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise durch Bilden der Differenz
des Sollwertes T_CL_SP und des Mittelwertes T_CL_MV der Schließzeitdauer
und multiplizieren dieser Differenz mit einem vorgebbaren Faktor.
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In
einem Block B23 wird dann abhängig
von dem ersten Korrekturwert T_CL_COR1 und dem zweiten Korrekturwert
T_CL_COR2 ein Korrekturwert T_SOI_OFS für den Ansteuerzeitpunkt T_SOI ermittelt,
vorzugsweise durch Bilden der Summe des ersten und zweiten Korrekturwertes
T_CL_COR1, T_CL_COR2.
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In
einem Block B25 wird dann abhängig
von dem Korrekturwert T_SOI_OFS für den Ansteuerzeitpunkt T_SOI
und eines angeforderten Zeitpunkts, zu dem das Ventilglied 231 auf
seinen Ven tilsitz 234 treffen soll, der Ansteuerzeitpunkt
T_SOI ermittelt.
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4a bis 4d zeigen
Verläufe
aufgetragen über
die Zeit t. 4a zeigt den zeitlichen Verlauf
der quadrierten Piezospannung V_INJ. 4b zeigt
den Hub CTRL_VL des Ventilglieds 231. 4c zeigt
den Verlauf des Drucks P_H in dem Arbeitsraum 13 der Pumpe. 4d zeigt
den zeitlichen Verlauf der mit der Pumpe-Düse-Vorrichtung zugemessenen
Kraftstoffmenge MFF. Zu dem Ansteuerzeitpunkt T_SOI wird der Ventilantrieb 24 mit
Spannung, der Piezospannung V_INJ beaufschlagt. Zu einem Zeitpunkt
t1 trifft das Ventilglied 231 auf den Ventilsitz 234.
Die Steigung, des im wesentlichen linearen Verlaufs der quadrierten
Piezospannung V_INJ nimmt in dem Zeitpunkt t1 dann sprungartig zu.
Der Druck P_H in dem Arbeitsraum 13 der Pumpe beginnt ab dem
Zeitpunkt t1 zu steigen. Zum Zeitpunkt t2 wird der zum Öffnen der
Düsennadel 53 erforderliche Druck
erreicht und der Einspritzvorgang beginnt. Bevorzugt erfolgt das
Ermitteln der Schließzeitdauer
jedoch während
einer Zeitdauer, während
der der Kolben 11 in seinem oberen Totpunkt ist. Dies hat
dann zur Folge, dass der Verlauf des Drucks P_H in dem Arbeitsraum 13 im
wesentlichen konstant ist und zwar auf Niederdruckniveau mit der
Folge, dass die zugemessene Kraftstoffmenge MFF gemäß 4c null
ist.