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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 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 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
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
Ansteuerung 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 Einschlagzeitpunktes einer Ventilnadel eines Piezosteuerventils bekannt.
Das Piezosteuerventil wird bei einer Pumpe-Düse-Einheit zum Einspritzen
von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingesetzt. Der Einschlagzeitpunkt
der Ventilnadel des Piezosteuerventils der Pumpe-Düse-Einheit
wird durch die Auswertung der Piezospannung und/oder des Piezostroms
ermittelt.
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Weiterhin
ist aus WO 03/104633 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen
und Regeln der Schließ-
und Öffnungszeit
eines Piezosteuerventils bekannt, bei dem die Zeitdauer gemessen
wird, die eine Ventilnadel eines Steuerventils einer Piezopumpe-Düsen-Einheit
benötigt,
um von einer ersten Endposition in eine zweite Endposition zu gelangen, wobei
die Ansprechzeit des Steuerventils berücksichtigt wird. Die Zeitdauer
wird dabei in Abhängigkeit von
der dem Steuerventil angelegten Spannung und/oder des angelegten
Stroms ermittelt. Weiterhin wird ein Stellsignal erzeugt, das zum
Bewegen des Steuerventils von der ersten in die zweite Endposition verwendet
wird, wobei das Stellsignal zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, bei
dem gewährleistet
ist, dass der Druck im Steuerventil und in der Einspritzdüse während der
Messung weitgehend dem Druck des Kraftstoffniederdruckbereichs entspricht.
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Zudem
ist aus
DE 196 52
801 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern
wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes bekannt, wobei das kapazitive
Stellglied insbesondere in einem piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventil
einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Bei der Ansteuerung des
kapazitiven Stellgliedes wird die Aktorenergie und/oder die Ladungsmenge
des kapazitiven Stellgliedes, mit der der Aktor zur Betätigung beaufschlagt
wird, geregelt. Die jeweiligen Sollwertvorgaben werden abhängig von
verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gewählt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern eines Ventils zu schaffen, das oder die gewährleistet,
dass das Ventil über
eine lange Betriebszeitdauer präzise schaltet.
Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Steuern einer Pumpe-Düse-Vorrichtung mit dem Ventil
zu schaffen, das bzw. die gewährleistet,
dass das Ventil über
eine lange Betriebszeitdauer präzise
schaltet.
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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 und eine entsprechende
Vorrichtung zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb, der
als Piezoaktor ausgebildet ist, mit einem Ventilglied, einem Ventilkörper und
einem Ventilsitz, bei dem zu einem ersten vorgebbaren Zeitpunkt
das Ventilglied von einer Position entfernt von dem Ventilsitz in
den Ventilsitz mittels eines Ladevorgangs des Piezoaktors gesteuert
wird, bei dem ein erster Wert ermittelt wird, der charakteristisch
ist für
die dem Piezoaktor zugeführte
elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds auf den Ventilsitz,
bei dem ein zweiter Wert ermittelt wird, der charakteristisch ist
für die dem
Piezoaktor zugeführte
elektrische Energie beim Ab schluss des Ladevorgangs des Piezoaktors.
Ein Differenz-Istwert
wird aus der Differenz des zweiten und ersten Wertes ermittelt.
Eine Differenz eines Differenz-Sollwertes, der vorgebbar ist, und
des Differenz-Istwertes wird einem Regler zugeführt und ein Stellsignal zum
Laden des Piezoaktors wird abhängig
von der Stellgröße des Reglers
ermittelt.
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Bezüglich des
weiteren Aspekts der Erfindung zeichnet sich die Erfindung aus durch
ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern einer
Pumpe-Düse-Vorrichtung
mit einer Pumpe, die einen Kolben und einen Arbeitsraum hat, einer
Steuereinheit, die einen Ablaufkanal, der hydraulisch gekoppelt
ist mit dem Arbeitsraum, und das Ventil umfasst und einen Absteuerraum
umfasst, der hydraulisch entkoppelt ist von dem Ablaufkanal, wenn
das Ventilglied an dem Ventilsitz anliegt, und der ansonsten hydraulisch
gekoppelt ist mit dem Ablaufkanal. Das Ventil wird mit dem Verfahren
oder der Vorrichtung zum Steuern des Ventils gesteuert.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilsitzkraft, mit
der das Ventilglied durch den Ventilantrieb in den Ventilsitz gedrückt wird, wenn
es sich in Anlage 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 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 gleichbleibend
ist. Es können
so auch einfach Toleranzen beim Schließ- und Öffnungsvorgang des Ventils
minimiert werden. Im Zusammenhang mit der Pumpe-Düse-Vorrichtung
kann so über eine
lange Betriebszeit dauer der Förderbeginn
und insbesondere das Förderende
des Kraftstoffs sehr präzise
eingestellt werden.
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Die
Erfindung beruht auf der 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 und
dass der zweite Wert maßgeblich
abhängt
von einer Ventilsitzkraft und daneben noch von der Kraft, die hervorgerufen
wird durch den Druck des Fluids, das auf das Ventilglied einwirkt,
und der Kraft des Rückstellmittels.
Ferner beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass der Differenz-Istwert
maßgeblich abhängt von
der Ventilsitzkraft, also der Kraft, die von dem Ventilglied auf
den Ventilsitz des Ventilkörpers ausgeübt wird.
Durch die erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. Vorrichtungen kann somit präzise
ein für die
Ventilsitzkraft charakteristischer Wert ermittelt werden, der der
Differenz-Istwert
ist. Durch das Bilden der Differenz zwischen dem Differenz-Sollwert und
dem Differenz-Istwert und Zuführen
dieser Differenz zu dem Regler und Ermitteln des Stellsignals zum
Laden des Piezoaktors abhängig
von der Stellgröße des Reglers
kann die Dichtkraft dauerhaft sehr präzise eingestellt werden. Gemäß der Erfindung wird
so der Piezoaktor einfach gleichzeitig auch als Sensor genutzt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Stellsignal
zum Laden des Piezoaktors abhängig
von einem Vorsteuerwert ermittelt. Dadurch kann das Ventil noch
präziser
und schneller angesteuert werden, da der Regler nur Abweichungen von
dem Vorsteuerwert ausgleichen muß.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern
des Ventils wird der Differenz-Sollwert abhängig von einer Kraftstofftemperatur
und/oder einer Drehzahl und/oder des vorgebbaren ersten Zeitpunktes
ermittelt. Dadurch ist die Dichtkraft einfach auch bei verschiedenen
Betriebsbedingungen des Ventils präzise einstellbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern
des Ventils wird der Vorsteuerwert abhängig von einer Kraftstofftemperatur und/oder
einer Drehzahl und/oder des vorgebbaren ersten Zeitpunktes ermittelt.
Dadurch ist die Dichtkraft einfach auch bei verschiedenen Betriebsbedingungen
des Ventils präzise
einstellbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern
des Ventils hat der Regler einen Proportional- und einen Integralanteil. Dies hat
den Vorteil, dass die Dichtkraft stationär äußerst präzise einstellbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern
des Ventils wird der Differenz-Istwert vor dem Bilden der Differenz
mit dem Differenz-Sollwert Tiefpass-gefiltert. Dadurch werden einzelne
Messfehler unterdrückt
und somit wird die Steuerung präziser.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern
des Ventils ist der erste Wert ein Istwert der zugeführten elektrischen
Energie beim Auftreffen des Ventilglieds in den Ventilsitz, der zweite
Wert ein Istwert der zugeführten
elektrischen Energie beim Abschluss des Ladevorgangs, der Differenz-Istwert
ein Istwert der elektrischen Differenzenergie, die dem Piezoaktor
zugeführt
wird und der Differenz-Sollwert ein Sollwert der elektrischen Differenzenergie.
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren sehr präzise ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern
des Ventils ist der erste Wert ein Istwert der Piezospannung beim
Auftreffen des Ventilglieds in den Ventilsitz, der zweite Wert ein Istwert
der Piezospannung beim Abschluss des Ladevorgangs, der Differenz-Istwert
ein Istwert der Differenzspannung und der Differenz-Sollwert ein
Sollwert der Differenzspannung. Dies hat den Vorteil, dass die Steuerung
besonders einfach ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Steuern der
Pumpe-Düse-Vorrichtung wird
der erste vorgebbare Zeitpunkt so gewählt, dass der Kolben in seinem
oberen Totpunkt ist und bleibt bis zum erwarteten Auftreffen des
Ventilglieds auf den Ventilsitz, und dass die so ermittelte Stellgröße zum Ermitteln
des Stellsignals eingesetzt wird, wenn in einem zweiten vorgebbaren
Zeitpunkt das Ventilglied von einer Position entfernt von den Ventilsitz
in den Ventilsitz mittels eines Ladevorgangs des Piezoaktors gesteuert
wird, wobei der zweite vorgebbare Zeitpunkt auch so gewählt sein
kann, dass der Kolben seinen oberen Totpunkt verlassen hat bis zum
erwarteten Auftreffen des Ventilglieds auf den Ventilsitz. Dies
hat den Vorteil, dass im Zuge des Ladevorgangs des Piezoaktors,
auf den derart gewählten
ersten Zeitpunkt der Zeitpunkt des tatsächlichen Auftreffens des Ventilglieds
auf den Ventilsitz sehr präzise ermittelt
werden kann und somit mittels der Stellgröße des Reglers die Dichtkraft
sehr präzise
eingestellt werden kann und zwar auch mittels des Ladevorgangs des
Piezoaktors der beginnend mit dem zweiten vorgegebenen Zeitpunkt
gesteuert wird. So kann zum einen in Verbindung mit der Pumpe-Düse-Vorrichtung
eine äußerst präzise Kraftstoffzumessung erreicht
werden und andererseits auch eine Rechenentlastung der Vorrichtung
zum Steuern im Anschluss an den zweiten vorgebbaren Zeitpunkt erreicht
werden.
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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,
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2 ein
Blockdiagramm zum Ermitteln eines Stellsignals SG in der Vorrichtung
zum Steuern des Ventils,
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3 ein
weiteres Blockdiagramm zum Ermitteln des Stellsignals SG und
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4a bis 4d zeitliche
Verläufe
der Piezospannung V_AV, 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 gekop pelt 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 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 ver stärkt, 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 Blockdiagranms
der 2 beschrieben.
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Zu
einem vorgebbaren ersten Zeitpunkt t1 wird das Ventilglied 231 von
seiner Position entfernt von dem Ventilsitz 234 in den
Ventilsitz gesteuert. Der vorgebbare erste Zeitpunkt t1 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 t1 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 Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden
elektrischen Energie abhängig
von einer Kraftstofftemperatur T_FU und/oder einer Drehzahl N und
dem vorgebbaren Zeitpunkt t1 ermittelt. 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 Ventilsitzkraft, 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 H1 abhängig
von der Kraftstofftemperatur T_FU, der Drehzahl N und/oder dem vorgebbaren
ersten Zeitpunkt t1 ermittelt. Dies kann beispielsweise auch mittels
eines entsprechenden Kennfelds erfolgen.
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In
einem Block B2 wird abhängig
von Istwerten EGY_AV der dem Piezoaktor während des Ladevorgangs zugeführten elektrischen
Energie zugeführt.
Ferner wird in dem Block B2 der Zeitpunkt t2 des Auftreffens des
Ventilglieds 231 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 erfolgen. Beim Auftreffen des Ventilglieds 231 ergibt
sich ein charakteristischer Verlauf dieser Größen, anhand dessen der Zeitpunkt
t2 des Auftreffens des Ventilglieds 231 erkannt werden
kann. Ferner wird in dem Block B2 dann anhand des ermittelten Zeitpunkts
t2 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, wird anschließend einem Block B7 zugeführt, in
dem eine gewünschte dem
Piezoaktor zuzuführende
elektrische Energie EGY_THRUST durch Summenbildung aus dem Regelwert
EGY_FBC und dem Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie ermittelt
wird.
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Der
Wert EGY_THRUST der gewünschten zuzuführenden
elektrischen Energie wird einem Block B8 zugeführt, in dem ein entsprechendes
Stellsignal SG zum Ansteuern des als Piezoaktor 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 Signals dem Piezoaktor zugeführt werden.
Der Block B8 umfasst ferner bevorzugt noch einen weiteren unterlagerten
Regler, in dem das tatsächliche
Zuführen der
elektrischen Energie zu dem Piezoaktor geregelt wird, wobei die
Stellgröße die jeweilige
Pulsweite 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 einen 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 t1 vorab erfolgte. Es wird dann lediglich der Vorsteuerwert
EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen
Energie neu berechnet. Dies hat den Vorteil einer Rechenentlastung
und dass, wenn der vorgebbare erste Zeitpunkt t1 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 Ventilsitzkraft dann auch für den vorgebbaren
zweiten Zeitpunkt äußerst präzise eingestellt
wird. In diesem Fall wird dann der Vorsteuerwert EGY_PRE für den zweiten
vorgebbaren Zeitpunkt auch abhängig
von dem zweiten Zeitpunkt ermittelt.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform
des Blockschaltbildes gemäß 1.
Es werden nur die Unterschiede im Folgenden erläutert. Ein Block B1' unterscheidet sich
von dem Block B1 dadurch, dass statt des Sollwertes EGY_D_SP der elektrischen
Differenzenergie ein Sollwert V_D_SP einer Differenzspannung ermittelt
wird, der in entsprechender Abhängigkeit
von der Kraftstofftemperatur T_FU und/oder der Drehzahl N der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine und/oder dem vorgebbaren ersten Zeitpunkt t1
ermittelt wird.
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In
einem Block B2' wird
eine Piezospannung V_DET beim Auftreffen des Ventilglieds 231 in
den Ventilsitz 234 ermittelt durch entsprechendes Zuordnen
eines Istwertes V_D_AV der Piezospannung. In einem Block B3' wird im Unterschied
zu dem Block B3 eine Piezospannung V_CHA beim Abschluss des Ladevorgangs
ermittelt und zwar abhängig
von Istwerten V_AV der Piezospannung.
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In
einem Block B4' wird
dann die Differenz der Piezospannung V_CHA beim Abschluss des Ladevorgangs
und der Piezospannung V_DET beim Auftreffen des Ventilglieds 231 in
den Ventilsitz 234 gebildet und dem Block B5' zugeführt, der
ebenso wie der Block B5 einen Tiefpass-Filter umfasst und der an
seinem Ausgang einen Istwert V_DAV der Differenzspannung zur Verfügung stellt.
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In
einem Block B6' wird
die Differenz des Sollwertes V_D_SP und des Istwertes V_D_AV der Differenzspannung
gebildet und einem Regler, der in dem Block B7' ausgebildet ist und dem des Blocks
B7 entspricht zugeleitet. In weiteren alternativen Ausgestaltungsformen
können
dem Regler auch andere Größen zugeführt werden,
die charakteristisch sind für
die dem Piezoaktor zuzuführende
elektrische Energie, wie z.B. die dem Piezoaktor zuzuführende elektrische
Ladung.
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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. t1 ist der vorgebbare erste Zeitpunkt, er kann
jedoch auch der zweite vorgebbare Zeitpunkt sein. t2 ist der Zeitpunkt
des Auftreffens des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234 und
t3 ist der Zeitpunkt des Endes des Ladevorgangs. Bevorzugt erfolgt
das Ermitteln des Regelwertes EGY FBC der zuzuführenden elektrischen Energie
jedoch während
einer Zeitdauer, während der
Kolben 11 in seinem oberen Totpunkt ist. In diesem Fall
bleibt dann der Verlauf des Drucks P_H in dem Arbeitsraum der Pumpe über den
gesamten dargestellten Zeitraum auf dem Niveau des Zeitpunktes t1,
ebenso wird in diesem Fall dann keine Kraftstoffmenge gefördert.