EP1511928A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen und regeln der schliess- und öffnungszeit eines piezo-steuerventils - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum messen und regeln der schliess- und öffnungszeit eines piezo-steuerventils

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Publication number
EP1511928A1
EP1511928A1 EP03756964A EP03756964A EP1511928A1 EP 1511928 A1 EP1511928 A1 EP 1511928A1 EP 03756964 A EP03756964 A EP 03756964A EP 03756964 A EP03756964 A EP 03756964A EP 1511928 A1 EP1511928 A1 EP 1511928A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control valve
end position
piezo
time
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03756964A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schmidt
Harald Gegenfurtner
Walter Schrod
Richard Pirkl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Mechatronic Germany GmbH and Co KG
Original Assignee
Volkswagen Mechatronic GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen Mechatronic GmbH and Co KG filed Critical Volkswagen Mechatronic GmbH and Co KG
Publication of EP1511928A1 publication Critical patent/EP1511928A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/02—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps
    • F02M57/022—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive
    • F02M57/023—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive mechanical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2055—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit with means for determining actual opening or closing time
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring the length of time that a valve needle of a piezo control valve needs to move from a first end position to a second end position.
  • Piezo control valves are used in piezo pump-nozzle units
  • PPE used for fuel quantity metering in internal combustion engines.
  • PPE fuel quantity metering in internal combustion engines.
  • the pump and nozzle form one unit.
  • the pump is operated either directly via a tappet or indirectly via a rocker arm from an engine camshaft.
  • the piezo control valve is controlled via an actuation unit in such a way that it is fully open in a first end position and completely closed in a second end position.
  • the control valve is open, the fuel is pressed back into the low-pressure fuel area by the pump piston via the piezo control valve during the piston stroke. If the control valve closes, the pump piston cannot push the fuel back into the low-pressure fuel range.
  • the fuel is compressed, which leads to an increase in pressure in the high-pressure area of the pump unit. If the pressure in the pump unit exceeds the opening pressure of the injection nozzle, fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the closing time of the control valve thus determines the time of the fuel injection and the closing time the injection quantity.
  • the actuation unit of the PPE consists of a piezo actuator.
  • the expansion of the piezo actuator is proportional to the am Piezo actuator applied voltage (u (t)) and / or the applied current (i (t)).
  • the piezo actuator In order that the injection quantity spread is as small as possible, the piezo actuator must be as precise as possible to set the start, duration and end of the injection process by means of a precisely defined voltage (u (t)) and / or a precisely defined current (i (t)) can be controlled. Wear, aging processes and temperature changes lead to changed closing and opening times of the piezo control valve, as a result of which precise fuel injection quantity control can no longer be guaranteed.
  • DE 199 10 388 C2 discloses a method for checking that a capacitive actuator is functioning properly.
  • the actuator is checked by comparing the duration of the actuator actuation with the duration of the control signal which is responsible for the actuator actuation.
  • the correct functioning of the actuator is assumed if the measured duration of the actuation of the actuator lies within a range determined by the duration of the control signal.
  • the invention is based on the object of realizing a method and a device which precisely determine the actual closing and opening times of the control valve.
  • the object is achieved by the features of the independent claims.
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention is characterized in that the measurement of the actual closing and opening times of the control valve, in
  • An advantageous embodiment of the invention provides for the measurement of the time for moving the valve needle, from one end position to the other end position, on the running engine, within the time span within which the camshaft relates to the pump piston of the injection nozzle or to the corresponding one Transmission links, located within their base circle. During this time, the pump piston of the pump unit remains in its upper end position, the pressure in the control valve thus approximately corresponds to the pressure in the low-pressure fuel range.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides for measuring the time period for moving the valve needle from one end position to the other end position with the camshaft stationary (engine off).
  • the pump piston does not perform a stroke and it is ensured that moving the valve needle does not lead to pressure surges within the control valve.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a PPE
  • FIG. 2 shows a piezo control unit for the PPE shown in FIG. 1
  • Figure 3 is a schematic representation of the camshaft and the rocker arm for actuating the pump piston of the PPE;
  • Figure 4 is a graph illustrating the course of the piezo voltage (u (t)), the piezo current (i (t)) and the valve needle stroke (h (t)) for a closing process of the control valve; 5 shows a further graph showing the course of the piezo voltage (u (t)), the piezo current (i (t)), the valve needle stroke (h (t)) and the piezo charge (g (t)), in particular for an opening process of the Control valve, illustrated;
  • Figure 6 is a schematic representation of a flow chart for controlling the closing time of a control valve.
  • FIG. 1 shows schematically a PPE.
  • the PPE shown is used to supply fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the PPE has a pump unit 1 which is used to build up the injection pressure.
  • the compressed fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine via an injection nozzle 10.
  • the PPE has a piezo control unit 20 with a control valve 21 and an externally controllable actuation unit 22.
  • the actuation unit 22 is designed as a piezoelectric actuator and is connected to the control unit 40, which contains an evaluation unit 41 and a control unit 42.
  • the pump unit 1, the injection nozzle 10 and the piezo control unit 20 preferably form a unit.
  • the pump unit 1 is driven directly or as shown via a rocker arm 3 by the camshaft 2.
  • the pump chamber 5 is connected to the control valve via a bypass bore 30. til 21, the piezo control unit 20 connected.
  • the control valve 21 When the control valve 21 is open, a free flow between the low-pressure fuel region 31 and the pump chamber 5 is ensured. In the suction stroke of the pump piston 4, fuel can be drawn into the pump chamber 5 from the low pressure region 31, through the control valve 21 and the bypass bore 30. If the control valve 21 remains open, the fuel is pressed back into the low-pressure fuel part 31 during the subsequent delivery stroke of the pump piston 4 without the fuel being compressed.
  • control valve 21, before or during the delivery stroke of the pump piston 4, is closed via the externally controllable actuating unit 22, the fuel in the pump chamber 5 is compressed. If the pressure in the pump chamber 5 exceeds the opening pressure of the injection nozzle 10, the injection nozzle opens and fuel becomes available injected into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section through a piezo control unit 20 which can be used with a PPE according to FIG. 1.
  • the piezo control unit 20 is shown a schematic representation of a section through a piezo control unit 20 which can be used with a PPE according to FIG. 1.
  • the piezo control unit 20 is shown a schematic representation of a section through a piezo control unit 20 which can be used with a PPE according to FIG. 1.
  • valve needle 50 which can be moved between a first and a second end position.
  • first end position 64 of the valve needle 50 indicated by the dashed lines, the control valve 21 is completely open and there is a connection between the low-pressure fuel area 31 and the high-pressure fuel area 52.
  • second end position 65 this is shown by the solid lines, is the control valve
  • valve needle 50 is located in the valve seat 51 on the housing side and separates the low-pressure fuel area 31 from the high-pressure fuel area 52. which is connected to the pump chamber 5 via the bypass bore 30.
  • the first end position can also be the position at which the control valve 21 is completely closed.
  • the second end position then corresponds to the position in which the control valve 21 is fully open.
  • the measurement of the closing or opening time of the control valve 21 then takes place analogously to the description in the exemplary embodiments.
  • the valve needle 50 is actuated via a piezo actuator 55. If the piezo actuator 55 is charged electrically, it expands and transmits a force to the pressure piece 57 via the end face 56.
  • the pressure piece 57 stands with a first lever 58 and a second lever 59 in contact.
  • the force that is transmitted from the piezo actuator 55 to the pressure piece 57 is amplified via the levers 58 and 59 and transmitted to a first axial end surface 70 of the valve needle 50.
  • the valve needle 50 is pressed into the valve seat 51.
  • the low-pressure fuel region 31 is connected to the control chamber 60, which is connected to the actuator chamber 62 via a compensating bore 61.
  • the actuator chamber 62 is in turn connected to the return 63, via which the fuel can flow from the actuator chamber 60 back into the low-pressure fuel region 31.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment for actuating the PPE according to FIG. 1.
  • the pump piston 4 is actuated via the camshaft 2 of an internal combustion engine. With each revolution of the camshaft 2, the cam 81 of the camshaft 2 actuates a rocker arm 82.
  • the rocker arm 82 transmits and amplifies due to its
  • the pump piston 4 Leverage the force from the camshaft 2 to a transmission member 83 which in turn is in contact with the pump piston 4.
  • the pump piston 4 Depending on the position of the cam 81 relative to the rocker arm 82, the pump piston 4 is in a suction stroke, a delivery stroke, or it remains in its upper starting position between the end of the suction stroke and the beginning of the delivery stroke.
  • the pump piston 4 carries out a delivery stroke as long as the contact point 84, between the rocker arm 82 and the camshaft 2, is in the area of the cam start AN. If the contact point 84 is in the area of the cam run AB, the pump piston 4 performs a suction stroke.
  • the pump piston 4 remains in its upper starting position. In this time interval, the pressure between the high-pressure fuel area and the low-pressure fuel area is equalized and the valve needle 50 can be moved back and forth between the two end positions without pressure surges being generated in the process.
  • the time interval is therefore particularly well suited for measuring the closing and opening times of the control valve 21.
  • FIG. 4 shows a graph which illustrates the course of the piezo voltage (u (t)), the piezo current (i (t)) and the valve needle stroke (h (t)) for a closing process of the control valve 21.
  • an actuating signal is set, for example in the form of a normalization pulse SON, which gives the command to close the control valve 21.
  • the valve needle 50 moves between the time t S0N and the time t c from the first end position 64 to the second end position 65.
  • the time interval between t S0N and t c thus corresponds exactly to the length of time that the control valve 21, from the control command to complete closing required.
  • the counterforce is passed on to the piezo actuator 55 by the mechanical coupling of the valve needle 50, via the levers 58 and 59 and the pressure piece 57, and has the effect that charge carriers are induced which appear as discontinuities in the course of the piezo voltage (u (t ) ) to make noticable.
  • the discontinuity in the voltage curve can be determined particularly easily via the time derivative of the piezo voltage (u '(t)).
  • An electrical circuit which includes a differentiator with a subsequent threshold value detection is suitable for detecting the discontinuity in the voltage curve.
  • Figure 5 shows a graph showing the course of the piezo voltage (u (t)), the piezo current (i (t)) and the valve needle stroke (h (t)) and the piezo charge (q (t)), in particular for an opening process of the Control valve 21 illustrates.
  • an actuating signal is set, for example in the form of a normalization pulse EON, which gives the command to open control valve 21.
  • the valve needle 50 moves between the times t E oN and the time t 0 from the second end position 65 to the first end position 64.
  • the time interval between t E0 N and t 0 thus corresponds exactly to the time that the control valve 21 receives from the control command needed until fully opened.
  • the piezo actuator 55 is discharged and moves very quickly back to its starting position defined for the opening state.
  • the valve needle '50 and with it coupled mechanical components can DEM piezo actuator 55 is not follow-positively and meet as a result of the already present in its initial position piezo actuator 55.
  • the impact induces a charge in the piezo actuator 55 as a pulse in the voltage and / or current curve.
  • the discontinuity can be determined in a simple manner, for example by a simple threshold value detection.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a flow chart for regulating the closing time of the control valve 21.
  • the regulating device includes the sensor 90, the control unit 40, which has an evaluation unit 41 and a control unit 42, and the actuation unit 22.
  • Setpoints are stored in control unit 40.
  • the evaluation of the variables recorded during the program run takes place in the evaluation unit 41.
  • the control unit 42 generates the necessary control signals for moving the valve needle 50.
  • the intervals in which the closing time measurements are to be carried out can, for example, at once, at the beginning of a new operating cycle will set.
  • a measurement is first carried out in a first step SO, which determines whether the camshaft 2 is stationary or whether it is rotating.
  • a measurement is first carried out in a first step SO, which determines whether the camshaft 2 is stationary or whether it is rotating.
  • the pressure in the control valve 21 and in the injector 10, regardless of the camshaft position and the position of the pump piston 4 largely corresponds to the pressure of the low-pressure fuel region 31 and the closing process of the control valve 21 can, as described later from step S3a, be performed.
  • the sensor 90 first determines in a step S1 in which position P IST the camshaft 2 is currently.
  • a camshaft speed sensor can be used as sensor 90 for this purpose.
  • a position sensor can also be used.
  • the current position P IST with a stored position P START compared.
  • the camshaft 2 is located within its base circle G with respect to the pump piston 4, preferably in the vicinity of the cam outlet AB.
  • the pump piston 4 is in its upper starting position and the pressure in the control valve 21 and in the injection nozzle 10 largely corresponds to the pressure of the low-pressure fuel region 31.
  • step S3a the closing process of the control valve 21 is initiated in step S3a, in which a normalization pulse SON is set, by which the actuating unit 22 is controlled.
  • the time tso_./ of the control is stored in step S3b, and the piezo actuator 55 is activated in step S3c and / or S3X, with the piezo voltage UPIE ZO and / or the piezo current i P ⁇ E - zo or the control energy E PIEZ0 applied.
  • a charge is thereby generated in the piezo actuator 55, as a result of which the piezo actuator 55 expands.
  • the expansion of the piezo actuator 55 causes the valve needle 50 to begin moving from its first end position 64 to its second end position 65.
  • valve needle 50 hits the valve seat 51, a force is transmitted to the piezo actuator 55 by the mechanical coupling of the valve needle 50 to the piezo actuator 55.
  • the sudden action of force on the piezo actuator 55 when the valve needle 50 strikes the valve seat 51 has the effect that a charge is suddenly induced in the piezo actuator 55 that is proportional to the force acting.
  • a step S4 the derivation of the piezo voltage u ' P ⁇ EZ0 is formed and in a step S5 or S5' the curve of the derived piezo voltage u ' P ⁇ EZ o or the curve of the piezo current i P ⁇ EZ0 with a threshold value u Compare SC HWEL or iscHWEL. If the derived voltage U ' P ⁇ EZO or the current i P ⁇ EZ o exceeds the corresponding threshold values u' SCHWELL / or isc HEL , the program recognizes that the control valve 21 is closed.
  • the time t c at which the threshold value is exceeded and which corresponds to the closing time of the control valve 21 is recorded and stored in a further step S6.
  • the ACTUAL closing time t v _ ⁇ s ⁇ is calculated from the subtraction of the control time t S0N from the closing time t c .
  • the closing time difference ⁇ t is calculated in a further step S8 by subtracting the actual closing time tv_ ⁇ s ⁇ from the target closing time t v _soLL.
  • the piezo voltage u P ⁇ EZ0 and / or the piezo current i P ⁇ EZ0 or the control energy E PIEZ0 with which the piezo actuator 55 has been applied is too high or is selected too low. If ⁇ t v > 0, the actual closing time t v _ ⁇ s ⁇ is shorter than the desired closing time t v _soLL, ie the piezo voltage u P ⁇ EZ0 and / or the piezo current i P iEzo or the control energy E PIEZ0 are too high and become too high one last
  • Step SlO decreased. If ⁇ t v ⁇ 0, the actual closing time t v _ ⁇ s ⁇ is greater than the desired closing time t v _so LL, ie the piezo voltage u P ⁇ E zo and / or the piezo current ip ⁇ EZ o or the control energy E P ⁇ EZ0 are too low and SlO are increased in a last step. With the readjustment of the piezo voltage u PIEZ0 and / or the piezo current i P ⁇ EZ0 or the control energy E PIEZ0 , the program run ended and the valve closing time can be measured again.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer, die die Ventilnadel (50) eines Steuerventils (21) einer Piezo-Pumpe-Düse-Einheit benötigt, um von einer ersten Endposition (64) in eine zweite Endposition (65) zu gelangen. Wobei die Zeitdauer in Abhängigkeit von der am Steuerventil (21) angelegten Spannung (u (t)) und/oder des angelegten Stromes (i (t)) ermittelt wird, und das Stellsignal zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, in dem gewährleistet ist, dass der Druck im Steuerventil (21) während der Messung weitgehend dem Druck des Kraftstoff-Niederdruckbereiches (31) entspricht.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Messen und Regeln der Schließ- und Öffnungszeit eines Piezo-Steuerventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer, die eine Ventilnadel eines Piezo- Steuerventils benötigt, um von einer ersten Endposition in eine zweite Endposition zu gelangen. Piezo-Steuerventile werden in Piezo-Pumpe-Düse Einheiten
(PPE) zur Kraftstoffmengenzumessung in Brennkraftmaschinen verwendet. Aus DE 100 38 995 A 1 ist eine solche PPE bereits bekannt. Bei dieser PPE bildet die Pumpe und die Düse eine Einheit. Die Pumpe wird entweder direkt über einen Stößel o- der indirekt über Kipphebel von einer Motor-Nockenwelle betätigt. Das Piezo-Steuerventil wird über eine Betätigungseinheit so angesteuert, dass es in einer ersten Endposition vollständig geöffnet und in einer zweiten Endposition vollständig geschlossen ist. Bei geöffnetem Steuerventil wird der Kraftstoff während des Kolbenhubs, vom Pumpenkolben über das Piezo-Steuerventile, zurück in den Kraftstoff- Niederdruckbereich gedrückt. Schließt das Steuerventil so kann der Pumpenkolben den Kraftstoff nicht zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich drücken. Der Kraftstoff wird verdichtet, was zu einem Druckanstieg im Hochdruckbereich der Pumpeneinheit führt. Überschreitet der Druck in der Pumpeneinheit den Öffnungsdruck der Einspritzdüse, so wird Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Schließzeitpunkt des Steuerventils bestimmt somit den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und die Schließzeitdauer die Einspritzmenge.
Die Betätigungseinheit der PPE besteht aus einem Piezo-Aktor. Die Ausdehnung des Piezo-Aktor ist proportional zu der am Piezo-Aktor anliegenden Spannung (u (t) ) und/oder des angelegten Stroms (i (t) ) . Damit die Einspritzmengenstreuung möglichst gering ist, muss der Piezo-Aktor, zur Einstellung von Beginn, Dauer und Ende des Einspritzvorgangs möglichst exakt, durch eine genau definierte Spannung (u (t) ) und/oder eines genau definierten Stromes (i (t) ) angesteuert werden. Verschleiß, Alterungsprozesse und Temperaturänderungen führen zu veränderten Schließ- und Öffnungszeiten des Piezosteuer- ventils, wodurch eine genaue Kraftstoffeinspritzmengensteue- rung nicht mehr gewährleistet ist.
Aus der DE 199 10 388 C2 ist ein Verfahren zur Überprüfung eines kapazitiven Stellgliedes, auf ordnungsgemäße Funktion, bekannt. Die Überprüfung des Stellgliedes erfolgt in dem die Dauer der Stellgliedbetätigung, mit der Dauer des Steuersignals, welches für die Stellgliedbetätigung verantwortlich ist, verglichen wird. Von der ordnungsgemäßen Funktion des Stellgliedes wird ausgegangen, wenn die gemessene Dauer der Stellgliedbetätigung innerhalb eines durch die Dauer des Steuersignals bestimmten Bereiches liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu realisieren, welche die tatsächlichen Schließ- und Öffnungszeiten des Steuerventils genau bestim- men. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messung der tatsächlichen Schließ- und Öffnungszeit des Steuerventils, in
Abhängigkeit von der am Steuerventil angelegten Spannung (u (t)) und/oder des angelegten Stromes (i (t) ) , innerhalb des Zeitintervalls durchgeführt wird, in dem der Druck im Steuer- ventil weitgehend dem Druck des Niederdruckbereiches entspricht. Hierdurch können die durch die Hydraulik hervorgerufenen, sehr starken Druckstöße, die beim schnellen Schließen beziehungsweise Öffnen der Ventilnadel entstehen, vermieden werden. Dies wirkt sich positiv auf das Schließ- und Öffnungsverhalten der Ventilnadel aus . Insbesondere wird ein durch die Druckstöße verursachter, stotternder Ventilnadelhub vermieden, wodurch die Schließ- beziehungsweise Öffnungszeiten des Steuerventils genauer bestimmt werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Messen der Zeitdauer zum Bewegen der Ventilnadel, von der einen Endposition in die andere Endposition, am laufenden Motor, innerhalb der Zeitspanne durchzuführen, innerhalb der sich die Nockenwelle bezogen auf den Pumpenkolben der Einspritzdüse beziehungsweise auf die entsprechenden Übertragungsglieder, innerhalb ihres Grundkreises befindet. In dieser Zeit verharrt der Pumpenkolben der Pumpeneinheit in seiner oberen Endstellung, der Druck im Steuerventil entspricht somit annähernd dem Druck im Kraftstoff-Niederdruckbereich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Messen der Zeitdauer zum Bewegen der Ventilnadel, von der einen Endposition in die andere Endposition, bei ste- hender Nockenwelle (Motor Aus) durchzuführen. Der Pumpenkolben führt in diesem Fall keinen Hub durch und es ist gewährleistet, dass ein Bewegen der Ventilnadel zu keinen Druckstößen innerhalb des Steuerventils führt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung einer PPE; Figur 2 eine Piezo-Steuereinheit für die nach Figur 1 dargestellten PPE; Figur 3 eine schematische Darstellung der Nockenwelle und des Kipphebels zur Betätigung des Pumpenkolbens der PPE;
Figur 4 einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung (u (t) ) , des Piezostromes (i (t) ) und des Ventilnadelhubes (h (t) ) für einen Schließvorgang des Steuerventils veranschaulicht; Figur 5 einen weiteren Graph, der den Verlauf der Piezospannung (u (t) ) , des Piezostromes (i (t)), des Ventilnadelhubes (h (t) ) und der Piezoladung (g (t) ) , insbesondere für einen Öffnungsvorgang des Steuerventils, veranschaulicht; Figur 6 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zur Regelung der Schließzeit eines Steuerventils.
Figur 1 zeigt schematisch eine PPE. Die dargestellte PPE dient zum Zuführen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die PPE verfügt über eine Pumpeneinheit 1 die zum Aufbau des Einspritzdrucks dient. Über eine Einspritzdüse 10, wird der verdichtete Kraftstoff, in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Weiter weist die PPE eine Piezo-Ansteuereinheit 20, mit einem Steuerventil 21 und einer extern ansteuerbaren Betätigungseinheit 22 auf. Die Betätigungseinheit 22 ist als piezoelektrischer Aktor ausgeführt und ist mit dem Steuergerät 40 verbunden, welches eine Auswerteeinheit 41 und eine Steuereinheit 42 beinhaltet. Die Pumpeneinheit 1, die Einspritzdüse 10 und die Piezo- Ansteuereinheit 20 bilden vorzugsweise eine Einheit.
Die Pumpeneinheit 1 wird direkt oder wie dargestellt über einen Kipphebel 3 von der Nockenwelle 2 angetrieben. Der Pumpenraum 5 ist über eine Bypassbohrung 30, mit dem Steuerven- til 21, der Piezo-Ansteuereinheit 20 verbunden. Bei geöffneten Steuerventil 21 ist ein freier Durchfluss zwischen dem Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 und dem Pumpenraum 5 gewährleistet. Im Saughub des Pumpenkolbens 4 kann Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 31, durch das Steuerventil 21 und die Bypassbohrung 30, in den Pumpenraum 5 angesaugt werden. Bleibt das Steuerventil 21 weiter geöffnet, so wird der Kraftstoff während des nachfolgenden Förderhubs des Pumpenkolbens 4, zurück in den Kraftstoff-Niederdruckteil 31 ge- drückt, ohne das es zu einer Verdichtung des Kraftstoffs kommt .
Wird das Steuerventil 21, vor oder während des Förderhubes des Pumpenkolbens 4, über die extern ansteuerbare Betätigungseinheit 22 geschlossen, so erfolgt eine Verdichtung des Kraftstoffs im Pumpenraum 5. Überschreitet der Druck im Pumpenraum 5 den Öffnungsdruck der Einspritzdüse 10, öffnet die Einspritzdüse und Kraftstoff wird in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Piezo-Ansteuereinheit 20, welches mit einer PPE nach Figur 1 verwendet werden kann. Die Piezo-Ansteuereinheit
20 weist eine Ventilnadel 50 auf, die zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition bewegt werden kann. In der ers- ten Endposition 64 der Ventilnadel 50, angedeutet durch die gestrichelten Linien, ist das Steuerventil 21 vollständig geöffnet und es besteht eine Verbindung zwischen dem Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 und dem Kraftstoff- Hochdruckbereich 52. In der zweiten Endposition 65, darge- stellt durch die durchgezogenen Linien, ist das Steuerventil
21 vollständig geschlossen. Die Ventilnadel 50 befindet sich im gehäuseseitigen Ventilsitz 51 und trennt den Kraftstoff- Niederdruckbereich 31, vom Kraftstoff-Hochdruckbereich 52, der über die Bypassbohrung 30 mit dem Pumpenraum 5 verbunden ist.
Die erste Endposition kann auch die Position sein, bei der das Steuerventil 21 vollständig geschlossen ist. Die zweite Endposition entspricht dann der Position in der das Steuerventil 21 vollständig geöffnet ist. Die Messung der Schließ- beziehungsweise Öffnungszeit des Steuerventils 21 erfolg dann analog zu der Beschreibung in den Ausführungsbeispielen. Die Ansteuerung der Ventilnadel 50 erfolgt über einen Piezo- Aktor 55. Wird der Piezo-Aktor 55 elektrisch geladen, dehnt er sich aus und überträgt über die Stirnfläche 56 eine Kraft auf das Druckstück 57. Das Druckstück 57, steht mit einem ersten Hebel 58 und einem zweiten Hebel 59 in Kontakt. Über die Hebel 58 und 59 wird die Kraft, die vom Piezo-Aktor 55 auf das Druckstück 57 übertragen wird, verstärkt und auf eine erste axiale Endfläche 70 der Ventilnadel 50 übertragen. Ist die vom Piezo-Aktor 55 erzeugte, über das Druckstück 57 übertragene und von den Hebeln 58 und 59 verstärkte Kraft größer als eine Gegenkraft, welche von einer Feder 71, über ein Fe- derendstück 72, auf eine zweite axiale Endfläche 73 der Ventilnadel 50 übertragen wird, so wird die Ventilnadel 50 in den Ventilsitz 51 gedrückt. Der Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 steht mit dem Absteuerraum 60 in Verbindung, der über eine Ausgleichsbohrung 61 mit dem Aktorraum 62 verbunden ist. Der Aktorraum 62 steht seinerseits mit dem Rücklauf 63 in Verbindung worüber der Kraftstoff aus dem Aktorraum 60 zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 fließen kann.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführung für eine Betätigung der PPE nach Figur 1. Die Betätigung des Pumpenkolbens 4 erfolgt über die Nockenwelle 2 einer Brennkraftmaschine. Bei jeder Umdrehung der Nockenwelle 2, betätigt der Nocken 81 der Nockenwelle 2, einen Kipphebel 82. Der Kipphebel 82 überträgt und verstärkt auf Grund seiner
Hebelwirkung die Kraft von der Nockenwelle 2 auf ein Übertragungsglied 83 welches ihrerseits mit dem Pumpenkolben 4 in Kontakt steht. Je nach Stellung der Nocke 81 zum Kipphebel 82 befindet sich der Pumpenkolben 4 in einem Saughub, einem Förderhub oder er verharrt, zwischen dem Ende des Saughubs und dem Beginn des Förderhubs, in seiner oberen Ausgangsposition. Der Pumpenkolben 4 führt einen Förderhub aus, solange sich der Kontaktpunkt 84, zwischen Kipphebel 82 und Nockenwelle 2, im Bereich des Nockenanlaufs AN befindet. Liegt der Kontaktpunkt 84 im Bereich des Nockenablaufs AB führt der Pumpenkolben 4 einen Saughub durch. Während des Zeitintervalls in der der Kontaktpunkt 84 im Bereich des Grundkreises G liegt verharrt der Pumpenkolben 4 in seiner oberen Ausgangsposition. In diesem Zeitintervall ist der Druck zwischen dem Kraftstoff-Hochdruckbereich und dem Kraftstoff-Niederdruckbereich ausgeglichen und die Ventilnadel 50 kann zwischen den beiden Endpositionen hin und her bewegt werden ohne dass dabei Druckstöße erzeugt werden. Das Zeitintervall eignet sich da- her besonders gut zur Messung der Schließ- und Öffnungszeit des Steuerventils 21.
Figur 4 zeigt einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung (u (t) ) , des Piezostromes (i (t) ) und des Ventilnadelhubes (h (t) ) , für einen Schließvorgang des Steuerventils 21 veranschaulicht. Zum Zeitpunkt tSoN wird ein Stellsignal, beispielsweise in Form eines Normierpuls SON gesetzt, der den Befehl zum Schließen des Steuerventils 21 gibt. Die Ventilnadel 50 bewegt sich zwischen dem Zeitpunkt tS0N und dem Zeit- punkt tc von der ersten Endposition 64 in die zweite Endposition 65. Das Zeitintervall zwischen tS0N und tc entspricht somit genau der Zeitdauer die das Steuerventil 21,vom Steuerbefehl bis zum vollständigen Schließen benötigt. Beim Erreichen der zweiten Endposition 65, zum Zeitpunkt tc, wird durch den
Einschlag der Ventilnadel 50, in den Ventilsitz 51, sprunghaft eine Gegenkraft erzeugt. Die Gegenkraft wird, durch die mechanische Koppelung der Ventilnadel 50, über die Hebel 58 und 59 und das Druckstück 57, an den Piezo-Aktor 55 weitergeleitet und bewirkt, dass Ladungsträger induziert werden, die sich als Unstetigkeit im Verlauf der Piezospannung (u (t) ) bemerkbar machen. Die Unstetigkeit im Spannungsverlauf kann besonders einfach über die zeitliche Ableitung der Piezospan- nung (u' (t) ) bestimmt werden. Zum Erfassen der Unstetigkeit im Spannungsverlauf eignet sich beispielsweise eine elektrische Schaltung die einen Differenzierer mit nachgeschalteter Schwellwerterfassung beinhaltet.
Figur 5 zeigt einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung (u (t)), des Piezostromes (i (t)) und des Ventilnadelhubes (h (t) ) sowie der Piezoladung (q (t) ) , insbesondere für einen Öffnungsvorgang des Steuerventils 21 veranschaulicht. Zum Zeitpunkt tE0N wird ein Stellsignal, beispielsweise in Form eines Normierpulses EON gesetzt, der den Befehl zum Öffnen des Steuerventils 21 gibt. Die Ventilnadel 50 bewegt sich, zwischen dem Zeitpunkten tEoN und dem Zeitpunkt t0, von der zweiten Endposition 65 in die erste Endposition 64. Das Zeitintervall zwischen tE0N und t0 entspricht somit genau der Zeit, die das Steuerventil 21 vom Steuerbefehl bis zum vollständigen Öffnen benötigt. Beim ÖffnungsVorgang wird der Piezo-Aktor 55 entladen und fährt dabei sehr schnell in seine, für den Öffnungszustand definierte, Ausgangsstellung zurück. Die Ventilnadel '50 sowie die mit ihr gekoppelten mechanischen Bauteile können dem- Piezo-Aktor 55 nicht kraftschlüssig folgen und treffen infolgedessen auf den bereits in seiner Ausgangsstellung befindlichen Piezo-Aktor 55 auf. Durch den Aufprall wird im Piezo-Aktor 55 eine Ladung induziert die sich als Impuls im Spannungs- und/oder Stromverlauf bemerkbar macht. Die Unstetigkeit kann in einfacher Weise beispielsweise durch eine einfache Schwellwerterfassung bestimmt werden.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zur Regelung der Schließzeit des Steuerventils 21. Die Regeleinrichtung beinhaltet, den Sensor 90, das Steuergerät 40, das eine Auswerteeinheit 41 und eine Steuereinheit 42 besitzt, sowie die Betätigungseinheit 22. Der gesamte Pro- grammablauf zur Regelung der Ventilschließzeit sowie die
Soll-Werte sind im Steuergerät 40 abgelegt. Die Auswertung der während des Programmablaufs erfassten Größen erfolgt in der Auswerteeinheit 41. Die Steuereinheit 42 erzeugt die notwendigen Stellsignale zum Bewegen der Ventilnadel 50. Die In- tervalle in denen die Schließzeitmessungen durchgeführt werden soll, kann beispielsweise auf je einmal, zum Beginn eines neuen Betriebszyklus festlegen werden.
Sobald das Programm zur Regelung der Ventilschließzeit startet, erfolgt zunächst in einem ersten Schritt SO eine Mes- sung, welche ermittelt, ob die Nockenwelle 2 steht oder ob sie sich dreht. Bei stehender Nockenwelle 2 entspricht der Druck im Steuerventil 21 und in der Einspritzdüse 10, unabhängig von der Nockenwellenstellung und der Lage des Pumpenkolbens 4, weitgehend dem Druck des Kraftstoff- Niederdruckbereiches 31 und der Schließvorgang des Steuerventil 21 kann, wie später ab Schritt S3a beschrieben, durchgeführt werden.
Dreht sich die Nockenwelle 2, so ermittelt der Sensor 90 zunächst in einem Schritt Sl, in welcher Position PIST sich die Nockenwelle 2 momentan befindet. Als Sensor 90 kann hierzu beispielsweise ein Nockenwellen-Drehzahlsensor verwendet werden. Alternative ist auch ein Positionssensor einsetzbar. In einem Schritt S2 wird die momentane Position PIST mit einer gespeicherten Position PSTART verglichen. In der Position PSTART befindet sich die Nockenwelle 2 bezogen auf den Pumpenkolben 4 innerhalb ihres Grundkreis G, vorzugsweise in der Nähe des Nockenablaufs AB. Der Pumpenkolben 4 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in seiner oberen Ausgangsposition und der Druck im Steuerventil 21 und in der Einspritzdüse 10 entspricht weitgehend dem Druck des Kraftstoff-Niederdruckbereichs 31. Ist PIST gleich PSTART beginnt die Messung der Ventilschließzeit. Der Schließvorgang des Steuerventils 21 wird im Schritt S3a eingeleitet, in dem ein Normierpuls SON gesetzt wird, durch den die Betätigungseinheit 22 angesteuert wird. Der Zeitpunkt tso_./ der Ansteuerung wird im Schritt S3b gespeichert, und der Piezo-Aktor 55 wird innerhalb des Schrittes S3c und/oder S3X, mit der Piezospannung UPIEZO und/oder dem Piezostrom iPιE- zo beziehungsweise der Ansteuerenergie EPIEZ0 beaufschlagt. Im Piezo-Aktor 55 wird dadurch eine Ladung erzeugt, wodurch sich der Piezo-Aktor 55 ausdehnt. Die Ausdehnung des Piezo-Aktors 55 bewirkt, dass die Ventilnadel 50 beginnt, sich von ihrer ersten Endposition 64 in ihre zweite Endposition 65 zu bewe- gen.
Trifft die Ventilnadel 50 in den Ventilsitz 51, so wird durch die mechanische Koppelung der Ventilnadel 50 mit dem Piezo- Aktor 55 eine Kraft auf den Piezo-Aktor 55 übertragen. Die plötzliche Krafteinwirkung auf den Piezo-Aktor 55, beim Ein- schlag der Ventilnadel 50 in den Ventilsitz 51 bewirkt, dass im Piezo-Aktor 55 sprunghaft eine Ladung induziert wird, die Proportional zur einwirkenden Kraft ist. Da die Kraft proportional zur Piezospannung uPιEZo und proportional zum Integral des Piezostroms |ipIEZOist, kann eine sprunghafte Änderung der Ladung, die gleichbedeutend ist mit dem Erreichen der Ventilnadel im Ventilsitz, direkt anhand der Ableitung der Piezospannung u 'PIEZO und/oder des Piezostroms iPι__Zo erkannt werden. Hierzu wird während des Schließvorgang des Steuerventils 21, in einem Schritt S4, die Ableitung der Piezospannung u'PιEZ0 gebildet und in einem Schritt S5 bzw. S5 ' der Verlauf der abgeleiteten Piezospannung u'PιEZo bzw. der Verlauf des Piezo- strom iPιEZ0 mit einem Schwellwert u 'SCHWEL bzw. iscHWEL vergli- chen. Überschreitet die abgeleitete Spannung U'PΪEZO bzw. der Strom iPιEZo den entsprechenden Schwellwerte u 'SCHWELL/ bzw. iscH E L erkennt das Programm, dass das Steuerventil 21 geschlossen ist. Der Zeitpunkt tc zu dem der Schwellenwert ü- berschritten wird und der den Schließzeitpunkt des Steuerven- tils 21 entspricht, wird in einem weiteren Schritt S6 erfasst und gespeichert. Aus der Subtraktion der Ansteuerzeit tS0N von der Schließzeit tc wird in einem Schritt S7 die IST- Schließzeit tv_ιsτ berechnet. Und aus der IST-Schließzeit tv_ιsτ sowie einer vorgegebenen Soll-Schließzeit tv_soLL wird in einem weiteren Schritt S8 durch Subtraktion der Ist-Schließzeit tv_ιsτ von der Soll-Schließzeit tv_soLL die Schließzeitdifferenz Δt berechnet. Aus der Schließzeitdifferenz Δtv lässt sich dann, in einem weiteren Schritt S9 bestimmen, ob die Piezospannung uPιEZ0 und/oder der Piezostrom iPιEZ0 beziehungsweise die Ansteuerenergie EPIEZ0, mit der der Piezo-Aktor 55 beaufschlagt wurde, zu hoch oder zu niedrig gewählt ist. Ist Δtv > 0 so ist die tatsächliche Schließzeit tv_ιsτ kürzer als die gewünschte Schließzeit tv_soLL d.h., die Piezospannung uPιEZ0 und/oder der Piezostrom iPiEzo beziehungsweise die Ansteuer- energie EPIEZ0 sind zu hoch und werden in einem letzten
Schritt SlO verringert. Ist Δtv < 0 so ist die tatsächliche Schließzeit tv_ιsτ größer als die gewünschte Schließzeit tv_soLL d.h., die Piezospannung uPιEzo und/oder der Piezostrom ipιEZo beziehungsweise die Ansteuerenergie EPιEZ0 sind zu niedrig und werden in einem letzten Schritt SlO erhöht. Mit der Nachregelung der Piezospannung uPIEZ0 und/oder der Piezostrom iPιEZ0 beziehungsweise die Ansteuerenergie EPIEZ0 ist der Programm- durchlauf beendet und es kann eine erneute Messung der Ventilschließzeit erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen einer Zeitdauer, die die Ventilnadel (50) eines Steuerventils (21) einer Piezo-Pumpe-Düse- Einheit benötigt, unter Berücksichtigung der Ansprechzeit des Steuerventils (21) , um von einer ersten Endposition (64) in eine zweite Endposition (65) zu gelangen, bei dem
- die Zeitdauer in Abhängigkeit von der am Steuerventil (21) angelegten Spannung (u (t) ) und/oder des angelegten Stroms (i (t) ) ermittelt wird,
- ein Stellsignal erzeugt wird zum Bewegen des Steuerventils (21) von der ersten (64) in die zweite Endposition (65) und
- das Stellsignal zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, in dem gewährleistet ist, dass der Druck im Steuerventil (21) und in der Einspritzdüse (10) während der Messung weitgehend dem Druck des Kraftstoff-Niederdruckbereichs (31) entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Messen der Zeitdauer am laufendem Motor innerhalb der Zeitspanne erfolgt, in der sich die Nockenwelle (2) bezogen auf den Pumpenkolben (4) der Einspritzdüse (10) oder die entsprechenden Übertragungsglieder innerhalb ihres Grundkreises (G) befindet.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Messen der Zeitdauer bei stehender Nockenwelle (2) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass das Erreichen der ersten (64) oder zweiten Endposition
(65) anhand von zumindest einer Unstetigkeit im Verlauf der
Spannung (u (t) ) und/oder des Stromes (i (t) ) erkannt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Erkennen der ersten oder zweiten Endposition (64), (65) anhand von zumindest einem Impulse im Verlauf der Span- nung (u (t) ) und/oder des Stromes (i (t) ) erfolgt.
6. Vorrichtung zum Messen einer Zeitdauer, die die Ventilnadel (50) eines Steuerventils (21) einer Piezo-Pumpe-Düse- Einheit benötigt, unter Berücksichtigung der Ansprechzeit des Steuerventils (21) , um von einer ersten Endposition (64) in eine zweite Endposition (65) zu gelangen, wobei die Vorrichtung ein Steuergerät (40) mit folgende Bestandteile umfasst:
- eine Auswerteeinheit (41) , die die Zeitdauer in Abhängigkeit von der am Steuerventil (21) angelegten Spannung (u (t) ) und/oder des angelegten Stromes (i (t) ) ermittelt,
- und eine Steuereinheit (42) , die das Stellsignal erzeugt, zum Bewegen des Steuerventils (21) von der ersten Endposition (64) in die zweite Endposition (65) und das Stellsignal zu einem Zeitpunkt erzeugt, in dem gewährleistet ist, dass der Druck im Steuerventil (21) und in der Einspritzdüse (10) während der Messung weitgehend dem Druck des Kraftstoff-Niederdruckbereichs (31) entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auswerteeinheit (41) eine Schaltung u fasst, die durch das Auswerten der Spannung (u (t) ) und/oder des Stromes
(i (t) ) das Erkennen von zumindest einer Unstetigkeit oder eines Impulses im Verlauf der Spannung (u (t) ) und/oder des
Stromes (i (t) ) beinhaltet.
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