EP1704316B1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ventils und verfahren und vorrichtung zum steuern einer pumpe-d se-vorrichtung mi t dem ventil - Google Patents

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EP1704316B1
EP1704316B1 EP04803891A EP04803891A EP1704316B1 EP 1704316 B1 EP1704316 B1 EP 1704316B1 EP 04803891 A EP04803891 A EP 04803891A EP 04803891 A EP04803891 A EP 04803891A EP 1704316 B1 EP1704316 B1 EP 1704316B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
value
piezoelectric actuator
valve seat
determined
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP04803891A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1704316A1 (de
Inventor
Jörg BEILHARZ
Maximilian Kronberger
Richard Pirkl
Christian Rissler
Harald Schmidt
Hans-Jörg Wiehoff
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Volkswagen AG En Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Volkswagen AG
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Publication date
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    • 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
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1409—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method using at least a proportional, integral or derivative controller
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/0606—Fuel temperature

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a valve. It further relates to a method and apparatus for controlling a pump-nozzle device with a valve.
  • the valve has a valve drive, which is designed as a piezoelectric actuator, a valve member, a valve body and a valve seat.
  • a pump-nozzle device is used in particular for supplying fuel into a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine.
  • a pump, a control unit with the valve and a nozzle unit form a structural unit.
  • the drive of a piston of the pump is preferably via a camshaft of an internal combustion engine by means of a rocker arm.
  • the pump can be hydraulically coupled via the valve to a low-pressure fuel supply device. It is hydraulically coupled on the output side with the nozzle unit. Start of injection and injection quantity are determined by the valve and its valve drive. Due to the compact design of the pump-nozzle device results in a very low volume of high pressure and high hydraulic stiffness. This enables very high injection pressures of around 2,000 bar. This high injection pressure in conjunction with the good controllability of the start of injection and the injection quantity allow a significant reduction in emissions while low fuel consumption when using the internal combustion engine.
  • a pump-nozzle device comprising a pump and a valve having a valve member which controls the hydraulic coupling of a spill space to a drain passage.
  • the drainage channel is hydraulically coupled to the pump and a nozzle unit.
  • An inlet channel is provided, which is hydraulically coupled to the Abberichtraum.
  • the valve member is associated with a piezoelectric valve drive, via which the valve member can be adjusted between two end positions. In a first end position of the valve member of the flow channel is hydraulically coupled to a Ab tenuraum and this in turn with the inlet channel. In a second end position of the valve member, the flow channel is hydraulically-decoupled from the Abberichtraum and the valve member is in a valve seat of the valve.
  • the end of injection is determined by controlling the valve member to its first end position by means of the actuator and thus allowing fluid to flow back into the discharge chamber and the inlet channel via the discharge channel, with the result that the pressure in the pump and thus also in the nozzle unit decreases, which in turn leads to a closing of the nozzle unit.
  • WO 03/081007 A1 a method and a device for detecting the impact time of a valve needle of a piezo control valve is known.
  • the piezo control valve is used in a pump-nozzle unit for injecting fuel into an internal combustion engine.
  • the point of impact of the valve needle of the piezo control valve of the pump-nozzle unit is determined by evaluating the piezo voltage and / or the piezoelectric current.
  • WO 03/104633 A1 a method and a device for measuring and controlling the closing and opening time of a piezo control valve, in which the time duration is measured, which requires a valve needle of a control valve of a piezo pump nozzle unit to move from a first end position to a second end position, wherein the response time of the control valve is taken into account.
  • the time duration is determined as a function of the voltage applied to the control valve and / or the applied current.
  • an actuating signal is generated, which is used for moving the control valve from the first to the second end position, wherein the actuating signal is generated at a time at which it is ensured that the pressure in the control valve and in the injection nozzle during the measurement largely the pressure corresponds to the fuel low pressure range.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for controlling a valve, which ensures that the valve switches precisely over a long period of operation. It is another object of the invention to provide a method and apparatus for controlling a pump-nozzle device with the valve that ensures that the valve shifts precisely over a long period of operation.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for controlling a valve with a valve drive, which is designed as a piezoelectric actuator, with a valve member, a valve body and a valve seat, wherein at a first predetermined time, the valve member from a position away from the valve seat is controlled in the valve seat by means of a charging operation of the piezoelectric actuator, in which a first value is determined, which is characteristic of the piezoelectric actuator supplied electrical energy upon impact of the valve member on the valve seat, in which a second value is determined, which is characteristic of the piezoelectric actuator supplied electrical energy at the completion of the charging of the piezoelectric actuator.
  • a difference actual value is determined from the difference of the second and first value.
  • a difference of a differential setpoint which can be predetermined, and the difference actual value is fed to a controller and a control signal for charging the piezoelectric actuator is determined depending on the manipulated variable of the controller.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for controlling a pump-nozzle device with a pump having a piston and a working space, a control unit having a drainage channel which is hydraulically coupled to the working space, and the valve comprises and comprises a Abêtraum which is hydraulically decoupled from the drainage channel when the valve member abuts the valve seat, and which is otherwise hydraulically coupled to the drainage channel.
  • the valve is controlled by the method or apparatus for controlling the valve.
  • the invention is characterized in that the valve seat force, with which the valve member is pressed by the valve drive in the valve seat, when it is in contact with the valve seat, is very accurate and very reproducible adjustable.
  • the valve seat force is critical to the tightness of the valve when the valve member is in contact with the valve seat.
  • the mechanical stress of the valve member and the valve seat can be selectively reduced over a long period of operation of the valve and at the same time ensure that over this long period of operation, the valve seat force is constant. It can also be easily minimized tolerances during closing and opening of the valve. In connection with the pump-nozzle device can thus be adjusted very precisely over a long period of operation, the start of delivery and in particular the delivery end of the fuel.
  • the invention is based on the recognition that the first value depends significantly on a force which is caused by the pressure of the fluid acting on the valve member and a force of a regularly existing return means and that the second value significantly depends on a valve seat force and in addition to the force that is caused by the pressure of the fluid acting on the valve member, and the force of the return means. Furthermore, the invention is based on the recognition that the difference actual value significantly depends on the valve seat force, ie the force exerted by the valve member on the valve seat of the valve body. The method or devices according to the invention can thus be used to precisely determine a value which is characteristic of the valve seat force and which is the difference actual value.
  • the sealing force can be permanently adjusted very precisely.
  • the piezoelectric actuator is thus simply used simultaneously as a sensor.
  • the actuating signal for charging the piezoelectric actuator is determined depending on a pre-control value.
  • the valve can be controlled even more precisely and faster, since the controller only needs to compensate for deviations from the pilot control value.
  • the pilot control value is determined as a function of a fuel temperature and / or a rotational speed and / or the predefinable first time.
  • the controller has a proportional and an integral component. This has the advantage that the sealing force is stationary adjustable extremely precise.
  • the differential actual value is low-pass filtered before forming the difference with the difference setpoint.
  • the first value is an actual value of the supplied electrical energy when the valve member hits the valve seat
  • the second value is an actual value of the supplied electrical energy at the conclusion of the charging process
  • the difference actual value is an actual value electrical differential energy which is supplied to the piezoelectric actuator and the Differential setpoint a setpoint of the electrical differential energy.
  • the first value is an actual value of the piezoelectric voltage when the valve member hits the valve seat
  • the second value is an actual value of the piezoelectric voltage at the conclusion of the charging process
  • the differential actual value is an actual value of the differential voltage and the difference Setpoint a setpoint of the differential voltage.
  • the method for controlling the pump-nozzle device of the first predetermined time is selected so that the piston is in its top dead center and remains until the expected impact of the valve member on the valve seat, and that the determined manipulated variable for determining the control signal is used when in a second predetermined time, the valve member is controlled from a position away from the valve seat in the valve seat by means of a charging of the piezoelectric actuator, wherein the second predetermined time can also be selected so that the piston has left its top dead center until the expected impingement of the valve member on the valve seat.
  • the pump-nozzle device ( FIG. 1 ) comprises a pump unit, a control unit and a nozzle unit.
  • the pump-nozzle device is preferably used for supplying fuel into the combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine.
  • the internal combustion engine has an intake tract for intake of air, which can be coupled by means of gas inlet valves with cylinders.
  • the internal combustion engine also has an exhaust tract, which discharges the gases to be discharged from the cylinders via the outlet valve.
  • the cylinders are each associated with pistons, the are each coupled via a connecting rod with a crankshaft.
  • the crankshaft is coupled to a camshaft.
  • the pump unit comprises a piston 11, a pump body 12, a working space 13 and a pump return means 14, which is preferably designed as a spring.
  • the piston 11 is coupled in the installed state in an internal combustion engine with a camshaft 16, preferably by means of a rocker arm, and is driven by this.
  • the piston 11 is guided in a recess of the pump body 12 and determined depending on its position, the volume of the working space 13.
  • the pump return means 14 is formed and arranged so that the volume of the working chamber 13 limited by the piston 11 has a maximum value acting on the piston 11 no external forces, d. H. Forces transmitted via the coupling with the camshaft 16.
  • the nozzle unit comprises a nozzle body 51, in which a nozzle return means 52, which is designed as a spring and possibly additionally as a damping unit, and a nozzle needle 53 are arranged.
  • the nozzle needle 53 is arranged in a recess of the nozzle body 51 and is guided in the region of a needle guide 55.
  • the nozzle needle 53 abuts a needle seat 54 and thus closes a nozzle 56, which is provided for supplying the fuel into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine.
  • the nozzle unit is preferably, as shown, formed as an inwardly opening nozzle unit.
  • the nozzle needle 53 is slightly spaced from the needle seat 54 toward the nozzle return means 52, thus releasing the nozzle 56.
  • fuel is metered into the combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine.
  • the first or second state is assumed depending on a balance of forces from the force acting on the nozzle needle 53 by the nozzle return means 52 and the counteracting force caused by the hydraulic pressure in the region of the needle heel 57.
  • the control unit comprises an inlet channel 21 and an outlet channel 22.
  • the inlet channel 21 and the outlet channel 22 can be hydraulically coupled by means of a valve.
  • the inlet channel 21 is guided from a low-pressure side connection of the pump-nozzle device to the valve.
  • the drainage channel 22 is hydraulically coupled to the working space 13 and is guided to the needle hub 57 and is hydraulically coupled to the nozzle 56 depending on the condition occupied by the nozzle needle 53.
  • the valve comprises a valve member 231, which is preferably designed as a so-called.
  • a valve d. H. it opens outward against the flow direction of the fluid.
  • the valve further comprises a Abêtraum 232 which is hydraulically coupled to the inlet channel 21 and by means of the valve member 231 with a high-pressure chamber is hydraulically coupled.
  • the high-pressure chamber is hydraulically coupled to the drainage channel 22.
  • valve return means is provided, which is arranged and formed so that it pushes the valve member 231 in an open position, ie spaced from the valve seat 234, when acting by an actuator 24 to the valve member forces are lower than the forces by the Pressure of the fluid, here the fuel, are caused and act through the valve return means on the valve member 231.
  • the actuator 24 is formed as a piezo stack.
  • the actuator 24 is preferably coupled to the valve member 231 by means of a transformer which preferably amplifies the stroke of the actuator 24.
  • a transformer which preferably amplifies the stroke of the actuator 24.
  • On the actuator 24 is preferably also a plug for receiving electrical contacts for driving the actuator 24 is provided.
  • a device 60 for controlling the pump-nozzle device is provided, which generates a control signal SG for the valve.
  • valve member 231 In the open position of the valve member 231 is at a movement of the piston 11, the upward d. H. is directed away from the nozzle 56, sucked fuel through the inlet channel 21 toward the working space 13. As long as the valve member 231 during a subsequent downward movement of the piston 11, d. H. in a directed towards the nozzle 56 movement, is still in its open position, located in the working chamber 13 and the drain passage 22 fuel is pushed back through the valve back into the Abêtraum 232 and possibly into the inlet channel 21.
  • valve member 231 when the valve member 231 is controlled in its closed position during the downward movement of the piston 11, the fuel in the working chamber 13 and thus also in the discharge passage 22 and in the high-pressure chamber is compressed, whereby the pressure with increasing downward movement of the piston 11 in the working space 13, in the high pressure chamber and in the drain passage 22 increases.
  • the force caused by the hydraulic pressure increases, which acts on the needle shoulder 57 in the direction of an opening movement of the nozzle needle 53 to release the nozzle 56.
  • the nozzle needle 53 moves away from the needle seat 54 and gives so the nozzle 56 for the fuel supply to the cylinder of the engine free.
  • the nozzle needle 53 then moves back into the needle seat 54 and thus closes the nozzle 56 when the hydraulic pressure in the drain passage 22 falls below the value at which the force caused by the hydraulic pressure at the needle heel 57 is smaller than that caused by the nozzle return means 52 Force.
  • the time at which this value is exceeded and at which thus the fuel metering is terminated, can be influenced by the control of the valve member 231 from its closed position to an open position.
  • the hydraulic coupling between the high pressure chamber and the Abêtraum 232 and the inlet channel 21 is made. Due to the high pressure difference prevailing during opening between the fluid in the high-pressure space and the outlet channel 22 and the fluid in the discharge space 232 and the inlet channel 21, the fuel then flows from the high-pressure space into the discharge space 232 at very high speed, generally at the speed of sound and further into the inlet channel 21. As a result, the pressure in the high-pressure chamber and the outlet channel 22 is then rapidly reduced so much that the forces acting on the nozzle needle 53 by the nozzle return means 52 cause the nozzle needle 53 to move into the needle seat 54 and Thus then the nozzle 56 closes.
  • the valve member 231 is controlled from its position away from the valve seat 234 into the valve seat.
  • the predetermined first time t1 is preferably chosen so that the piston 11 in his Top dead center is and remains until the expected impingement of the valve member 231 on the valve seat 234.
  • the impact time can be detected very precisely.
  • the predefinable first time t1 can also be selected such that the piston 11 has left its top dead center until the expected impact of the valve member 231 on the valve seat 234.
  • a pre-control value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied is determined as a function of a fuel temperature T_FU and / or a rotational speed N and the specifiable time t1.
  • the precontrol value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied is determined, for example, by means of a characteristic map whose characteristic map values were determined in advance by tests.
  • a desired value EGY_D_SP of an electrical differential energy is determined in block B1.
  • the differential electric energy reference EGY_D_SP is characteristic of the valve seat force exerted by the valve member 231 on the valve seat 234 of the valve body 237 when the valve member 231 is in contact with the valve seat 234.
  • the desired value EGY_D_SP of the electrical differential energy is determined in the block B1 depending on the fuel temperature T_FU, the rotational speed N and / or the predefinable first time t1. This can also be done for example by means of a corresponding map.
  • a block B2 depending on actual values EGY_AV, the electrical energy supplied to the piezoactuator during the charging process is supplied. Further, in the block B2, the timing t2 of the impact of the valve member 231 is detected. This can be done, for example, by evaluating actual values V_AV the piezoelectric voltage or the corresponding characterizing variables, such as the actual current through the piezoelectric actuator or the piezoelectric actuator supplied charge or electrical energy done. Upon impact of the valve member 231 results in a characteristic course of these variables, based on which the time t2 of the impingement of the valve member 231 can be detected.
  • an actual value EGY_DET of the supplied electrical energy is determined in the block B2 on the basis of the determined time t2 of the impingement of the valve member 231 in the valve seat 234 and the actual value EGY_AV of the energy supplied thereto when the valve member 231 impinges on the valve seat 234.
  • the actual values EGY_AV of the supplied electrical energy are also read in and the actual value EGY_AV is assigned to an actual value EGY_CHA of the supplied electrical energy at the end of the charging process at the end of the charging process of the piezoactuator.
  • the conclusion of the charging process can be recognized, for example, by the fact that the actual values EGY_AV of the supplied electrical energy reach a maximum or also by a corresponding information of a further control function for the pump-nozzle device.
  • a block B4 the difference of the actual value EGY_CHA of the supplied electrical energy at the conclusion of the charging process and the actual value EGY_DET of the supplied electrical energy is determined when the valve member 231 hits the valve seat 234 and fed to a block B5 which comprises a low-pass filter and provides an actual value EGY_D_AV of the electrical differential energy at its output.
  • the difference between the setpoint value EGY_D_SP and the actual value EGY_D_AV of the electrical differential energy is formed.
  • the actual value EGY_D_AV of the electrical differential energy can also be determined directly without the low-pass filter of the block B5.
  • the output of the block B6 is connected on the input side to a block B7, which comprises a regulator, which is preferably designed as a PI controller.
  • the manipulated variable of the regulator which in this exemplary embodiment is a control value EGY_FBC of the electrical energy to be supplied, is then fed to a block B7 in which a desired electrical energy EGY_THRUST to be supplied to the piezoactuator is determined by summation from the control value EGY_FBC and the precontrol value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied becomes.
  • the value EGY_THRUST of the desired electrical energy to be supplied is supplied to a block B8, in which a corresponding actuating signal SG for driving the valve drive 24 designed as a piezoactuator is generated.
  • the control signal SG is preferably a pulse width modulated signal and the desired electrical energy EGY THRUST to be supplied is preferably divided into a predetermined number of partial energy quantities, which are supplied to the piezoelectric actuator in each case in one period of the pulse width modulated signal.
  • the block B8 further preferably comprises a further subordinate controller, in which the actual supply of electrical energy to the piezoelectric actuator is controlled, wherein the manipulated variable is the respective pulse width of the actuating signal SG.
  • the respective current charge or the actual values V_AV of the piezoelectric voltage or the actual values EGY_AV of the supplied electrical energy serve.
  • control signal SG is to be determined for a charging operation following a second predefinable time, which may also be selected such that the piston 11 has left its top dead center until the expected impact of the valve member 231 on the valve seat 234, the control value is preferred EGY_FBC of the supplied electrical energy taken over by a charging operation, which took place in advance after the first predeterminable time t1. Only the pre-control value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied is then recalculated.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the block diagram according to FIG. 1 , Only the differences are explained below.
  • a piezoelectric voltage V_DET is determined when the valve member 231 impinges on the valve seat 234 by correspondingly assigning an actual value V_D_AV of the piezoelectric voltage.
  • a piezo voltage V_CHA is determined at the conclusion of the charging process, specifically depending on actual values V_AV of the piezo voltage.
  • a block B4 ' the difference between the piezo voltage V_CHA at the conclusion of the charging process and the piezo voltage V_DET when the valve member 231 hits the valve seat 234 is then formed and fed to the block B5' which, like the block B5, comprises a low-pass filter and the provides an actual value V_DAV of the differential voltage at its output.
  • the difference of the setpoint value V_D_SP and the actual value V_D_AV of the differential voltage is formed and fed to a controller which is formed in the block B7' and corresponds to that of the block B7.
  • the regulator may be supplied with other quantities which are characteristic of the electrical energy to be supplied to the piezoactuator, such as e.g. the electric charge to be supplied to the piezoactuator.
  • FIGS. 4a to 4d show gradients plotted over time t.
  • FIG. 4a shows the time course of the squared piezo voltage V_INJ.
  • FIG. 4b shows the stroke CTRL_VL of the valve member 231.
  • Figure 4c shows the course of the pressure P_H in the working space 13 of the pump.
  • FIG. 4d shows the time course of the metered with the pump-nozzle device amount of fuel MFF.
  • t1 is the predefinable first time, However, it can also be the second predefinable time.
  • t2 is the timing of the impact of the valve member 231 on the valve seat 234 and t3 is the time of the end of the charging process.
  • the determination of the control value EGY_FBC of the electrical energy to be supplied takes place during a period of time during which the piston 11 is in its top dead center. In this case, then remains the course of the pressure P_H in the working space of the pump over the entire period shown at the level of time t1, also in this case no amount of fuel is promoted.

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • 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 Abschluss 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.
  • 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.
  • 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 Betriebszeitdauer der Förderbeginn und insbesondere das Förderende des Kraftstoffs sehr präzise eingestellt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Pumpe-Düse-Vorrichtung mit einem Ventil und einer Vorrichtung zum Steuern der Pumpe-Düse-Vorrichtung und des Ventils,
    Figur 2
    ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines Stellsignals SG in der Vorrichtung zum Steuern des Ventils,
    Figur 3
    ein weiteres Blockdiagramm zum Ermitteln des Stellsignals SG und
    Figuren 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.
  • Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Die Pumpe-Düse-Vorrichtung (Figur 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 DieselBrennkraftmaschine 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Vorrichtung 60 zum Steuern der Pumpe-Düse-Vorrichtung ist vorgesehen, die ein Stellsignal SG für das Ventil erzeugt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Ablauf des Bestimmens eines Stellsignals SG zum Laden des Piezoaktors des Ventilantriebs 24 ist im folgenden anhand des Blockdiagramms der Figur 2 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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 B1 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Blockschaltbildes gemäß Figur 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Figuren 4a bis 4d zeigen Verläufe aufgetragen über die Zeit t. Figur 4a zeigt den zeitlichen Verlauf der quadrierten Piezospannung V_INJ. Figur 4b zeigt den Hub CTRL_VL des Ventilglieds 231. Figur 4c zeigt den Verlauf des Drucks P_H in dem Arbeitsraum 13 der Pumpe. Figur 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.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb (24), der als Piezoaktor ausgebildet ist, mit einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237) und einem Ventilsitz (234), bei dem
    - zu einem ersten vorgebbaren Zeitpunkt (t1) das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in den Ventilsitz (234) mittels eines Ladevorgangs des Piezoaktors gesteuert wird,
    - ein erster Wert ermittelt wird, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktor zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) auf den Ventilsitz (234),
    - ein zweiter Wert ermittelt wird, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktor zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktors,
    - ein Differenz-Istwert aus der Differenz des zweiten und ersten Wertes ermittelt wird,
    - eine Differenz eines Differenz-Sollwertes, der vorgebbar ist, und des Differenz-Istwertes einem Regler zugeführt wird, und
    - ein Stellsignal (SG) zum Laden des Piezoaktors abhängig von der Stellgröße des Reglers ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem das Stellsignal (SG) zum Laden des Piezoaktors abhängig von einem Vorsteuerwert ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Differenz-Sollwert abhängig von einer Kraftstofftemperatur (T_FU) und/oder einer Drehzahl (N) und/oder des vorgebbaren ersten Zeitpunktes (t1) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
    bei dem der Vorsteuerwert abhängig von einer Kraftstofftemperatur und/oder einer Drehzahl und/oder des vorgebbaren ersten Zeitpunktes (t1) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Regler ein Regler mit einem proportionalen und einem integralem Anteil ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei dem der Differenz-Istwert vor dem Bilden der Differenz mit dem Differenz-Sollwert Tiefpass-gefiltert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei dem der erste Wert ein Istwert (EGY_AV) der zugeführten elektrischen Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) in den Ventilsitz (234) ist, der zweite Wert ein Istwert (EGY_CHA) der zugeführten elektrischen Energie beim Abschluss des Ladevorgangs ist, der Differenz-Istwert ein Istwert (EGY_D_AV) der elektrischen Differenzenergie ist, die dem Piezoaktor zugeführt wird, und der Differenz-Sollwert ein Sollwert (EGY_D_SP) der elektrischen Differenzenergie ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    bei dem der erste Wert ein Istwert (V_DET) der Piezospannung beim Auftreffen des Ventilglieds (231) in den Ventilsitz (234) ist, der zweite Wert ein Istwert (V_CHA) der Piezospannung beim Abschluss des Ladevorgangs ist, der Differenz-Istwert ein Istwert (V_D_AV) der Differenzspannung ist und der Differenz-Sollwert ein Sollwert (V_D_SP) der Differenzspannung ist.
  9. Verfahren zum Steuern einer Pumpe-Düse-Vorrichtung mit
    - einer Pumpe, die einen Kolben (11) und einen Arbeitsraum (13) hat,
    - einer Steuereinheit, die einen Ablaufkanal (22), der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Arbeitsraum (13), und ein Ventil umfasst, mit einem als Piezoaktor ausgebildeten Ventilantrieb (24), einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237), einem Ventilsitz (234) und einem Absteuerraum (232), der hydraulisch entkoppelt ist von dem Ablaufkanal (22), wenn das Ventilglied (231) an dem Ventilsitz (234) anliegt, und der ansonsten hydraulisch gekoppelt ist mit dem Ablaufkanal (22),
    - bei dem das Ventil mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche gesteuert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der erste vorgebbare Zeitpunkt (t1) so gewählt wird, dass der Kolben (11) in seinem oberen Totpunkt ist und bleibt bis zum erwarteten Auftreffen des Ventilglieds (231) auf den Ventilsitz (234), und dass die so ermittelte Stellgröße zum Ermitteln des Stellsignals eingesetzt wird, wenn in einem zweiten vorgebbaren Zeitpunkt das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in den Ventilsitz (234) mittels eines Ladevorgangs des Piezoaktors gesteuert wird, wobei der zweite vorgebbare Zeitpunkt 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).
  11. Vorrichtung zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb (24), der als Piezoaktor ausgebildet ist, mit einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237) und einem Ventilsitz (234), die Mittel aufweist,
    - die zu einem ersten vorgebbaren Zeitpunkt (t1) das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in den Ventilsitz (234) mittels eines Ladevorgangs des Piezoaktors steuern,
    - die einen ersten Wert ermitteln, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktor zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) auf den Ventilsitz (234),
    - die einen zweiten Wert ermitteln, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktor zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktors,
    - die einen Differenz-Istwert aus der Differenz des zweiten und ersten Wertes ermitteln,
    - die eine Differenz eines Differenz-Sollwertes, der vorgebbar ist, und des Differenz-Istwertes einem Regler zuführen, und
    - die ein Stellsignal (SG) zum Laden des Piezoaktors abhängig von der Stellgröße des Reglers ermitteln.
  12. Vorrichtung zum Steuern einer Pumpe-Düse-Vorrichtung mit
    - einer Pumpe, die einen Kolben (11) und einen Arbeitsraum (13) hat,
    - einer Steuereinheit, die einen Ablaufkanal (22), der hydraulisch gekoppelt ist mit dem Arbeitsraum (13), und ein Ventil umfasst, mit einem als Piezoaktor ausgebildeten Ventilantrieb (24), einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237), einem Ventilsitz (234) und einem Absteuerraum (232), der hydraulisch entkoppelt ist von dem Ablaufkanal (22), wenn das Ventilglied (231) an dem Ventilsitz (234) anliegt, und der ansonsten hydraulisch gekoppelt ist mit dem Ablaufkanal (22),
    - mit der Vorrichtung zum Steuern eines Ventils gemäß Anspruch 11.
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