EP1751414B1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ventils - Google Patents

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EP1751414B1
EP1751414B1 EP05746333A EP05746333A EP1751414B1 EP 1751414 B1 EP1751414 B1 EP 1751414B1 EP 05746333 A EP05746333 A EP 05746333A EP 05746333 A EP05746333 A EP 05746333A EP 1751414 B1 EP1751414 B1 EP 1751414B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
value
valve
function
piezoactuator
valve member
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
EP05746333A
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English (en)
French (fr)
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EP1751414A1 (de
Inventor
Hans-Jörg Wiehoff
Reiner Lederle
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 Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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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

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a valve.
  • the valve has a valve drive, which is designed as a piezo actuator, a valve member, a valve body and a valve seat.
  • a valve is used for example in a pump-nozzle device for supplying fuel into a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine, in particular a diesel 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 with 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 of the drainage 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.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for controlling a valve, by which or a precise control of the valve can be ensured, 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.
  • An actuating signal for charging the piezoactuator is determined and generated as a function of a precontrol value and of an output value of a controller.
  • the pre-tax value depends on at least one farm size.
  • the piezoactuator is charged such that the valve member is controlled from a position away from the valve seat into the valve seat.
  • a first value is determined which is characteristic of the electrical energy supplied to the piezoactuator when the valve member strikes the valve seat.
  • a second value is determined which is characteristic of the electrical energy supplied to the piezoactuator at the end of the charging process of the piezoactuator.
  • An actual value which is characteristic of a sealing force with which the valve member is pressed onto the valve seat, is determined as a function of the first and second values.
  • the actual value and a predefinable setpoint value are fed to the controller, which generates an output value as a function of this.
  • a pre-tax value assignment rule is adjusted depending on the initial value and at least one farm size. If a predetermined condition is met, the pre-tax value assignment rule is adopted to determine the pre-tax value.
  • the precontrol value assignment rule is understood to be the calculation rule by means of which the precontrol value is determined as a function of the at least one operating variable. It may for example be implemented by a corresponding analytical function, but is particularly easily represented by a suitable map.
  • the invention is characterized in that the valve force with which the valve is pressed by the valve drive into the valve seat, when it is in systems with the valve seat, is very accurate and very reproducible adjustable.
  • the valve seat force is decisive for 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, so the sealing force, is consistent. It can also be easily minimized tolerances in the closing and opening of the valve.
  • the invention thus also utilizes the knowledge that the first value depends decisively on a force which is caused by the pressure of the fluid which acts on the valve member and a force of a regularly existing return means. It also makes use of the knowledge that the second value is critically dependent on the sealing force and, in addition, on the force caused by the pressure of the fluid acting on the valve member and the force of the return means. Thus, an actual value of the sealing force can be determined simply depending on the two values. In this way, therefore, the piezoelectric actuator is also used simultaneously as a sensor.
  • a basic pre-control value is determined as a function of the at least one operating variable.
  • An adaptation value is determined as a function of the at least one operating variable and an adaptation value assignment rule is adapted as a function of the output value and at least one operating variable and, if the predetermined condition is met, the adaptation value assignment rule is adopted for determining the adaptation value.
  • the precontrol value is determined as a function of the basic precontrol value and the adaptation value.
  • the respective base pilot value can be determined by means of the same basic pilot value assignment rule, which then may not be adjusted, and it is simply possible to adapt the adaptation value assignment rule individually for each valve. In this way, then simply a very precise control of the individual Valve allows and at the same time the basis pre-tax value assignment rule can be shared.
  • the predetermined condition is then configured such that it is fulfilled when an operation is initiated after a pause in operation of the valve.
  • a break in operation is characterized in that the valve member is not moved much longer than is the case during a typical operation of the valve.
  • such a pause in operation may be, for example, the period of time between a switching off of the internal combustion engine and a subsequent engine start.
  • the precontrol value assignment instruction can be particularly simple, depending on the initial value and a rotational speed of a crankshaft of an internal combustion engine, when the valve is used in an internal combustion engine, for example in a pump-nozzle device. It has surprisingly been found in this context that by a simple consideration of the speed already a sufficiently precise adjustment of the pilot value assignment rule is possible. In particular, dynamic effects can easily be taken into account as a result.
  • 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 assigned pistons, which 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 thirteenth
  • the pump return means 14 is designed and arranged such that the volume of the working space 13 bounded by the piston 11 has a maximum value when no forces act on the piston 11, ie. 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 led to the needle heel 57 and is hydraulically coupled to the nozzle 56 depending on the state which is 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 the valve member 231 in an open position, d. H. spaced apart from the valve seat 234 when the forces acting on the valve member by an actuator 24 are less than the forces caused by the pressure of the fluid, here the fuel, acting on the valve member 231 through the valve return means.
  • 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, ie upwards in the direction away is directed from the nozzle 56, sucked fuel through the inlet passage 21 toward the working space 13. As long as the valve member 231 continues to be in its open position during a subsequent downward movement of the piston 11, ie in a direction directed towards the nozzle 56, the fuel located in the working space 13 and the discharge channel 22 is returned to the discharge space 232 via the valve and possibly pushed back 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, thus giving the nozzle 56 for the fuel supply to the cylinder of the internal combustion 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 predefinable first time is preferably chosen so that the piston 11 is in its top dead center and remains until the expected impact of the valve member 231 on the valve seat 234.
  • the impact time can be detected very precisely.
  • the predefinable first time 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.
  • a basic precontrol value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied is dependent on a fuel temperature T_FU and / or a rotational speed N and determined at the predetermined first time.
  • the predefinable first time is in a function of the time SOI of moving away the nozzle needle 53 from its abutment against the nozzle body 51, ie the beginning of the injection, in the event that the piston 11 is partially outside its top dead center during the valve member 231 is in abutment with the valve seat 234.
  • 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 sealing 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 predeterminable first time. This can also be done for example by means of a corresponding map. Alternatively or additionally, this can also be done depending on a coolant temperature.
  • the electrical energy supplied to the piezoactuator during the charging process is determined until the energy applied to the valve seat 234 when the valve member 231 strikes. This can be done, for example, by evaluating actual values V_AV of the piezoelectric voltage or corresponding variables characterizing them, such as, for example, the actual current through the piezoelectric actuator or the charge or electrical charge supplied to the piezoactuator Energy. Upon impact of the valve member 231 results in a characteristic course of these variables, by which the time of impact 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 instant of impact 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 strikes 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 between 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 impinges on 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 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, which can also be referred to as the output value, is then fed to a block B8.
  • an adaptation value EGY_D_PRE of the electrical differential energy to be supplied is determined as a function of one or more of the following variables.
  • the variables are, for example, the fuel temperature T_FU or the coolant temperature or the rotational speed or the time SOI of the start of injection.
  • an adaptation value assignment rule is stored for this purpose, which is executed during the operation of the valve for determining the adaptation value EGY_D_AD.
  • a map is preferably stored for each individual pump-nozzle device in block B9 in which values of the adaptation value EGY_D_AD are stored as a function of one or more input variables of block B9.
  • a predeterminable number of map points are stored in this map.
  • the determination of the respective adaptation value EGY_D_AD is carried out, as is generally customary in the case of characteristic maps, by means of appropriate interpolation between the stored characteristic map points.
  • the map of the block B9 is updated in the presence of a predetermined condition. The predetermined condition is then preferably fulfilled, if after an engine stop, the internal combustion engine, which is associated with the pump-nozzle device, is restarted. The updating of the map will be explained in more detail below.
  • the adaptation value EGY_D_PRE of the electrical differential energy to be supplied and the basic precontrol value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied are added in the block B8 and thus form a precontrol value of the electrical energy to be supplied. Furthermore, the control value EGY_FBC of the electrical energy to be supplied is also added in the block B8 and, in total, this results in a desired electrical energy EGY_THRUST to be supplied to the piezoactuator.
  • the value EGY_THRUST of the desired electrical energy to be supplied is supplied to a block B10, 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 respectively supplied to the piezoactuator in one period of the pulse width modulated or pulse amplitude modulated signal.
  • the block B10 further preferably comprises a further lower-level controller in which the actual supply of electrical energy to the piezoactuator is regulated, wherein the manipulated variable is the respective pulse width or pulse height of the actuating signal SG.
  • the current charge or the actual values V_AV of the piezoelectric voltage or the actual values EGY_AV of the supplied electrical energy can serve as a controlled variable.
  • control value is preferred EGY_FBC of the supplied electrical energy taken over by a charging process, which took place in advance after the first predetermined time. Only the basic precontrol value EGY_PRE of the electrical energy to be supplied and the adaptation value EGY_D_AD of the electrical energy to be supplied are then recalculated.
  • a block B12 is provided to which the control value EGY_FBC of the controller of the block B7 is supplied.
  • the control value EGY_FBC of the electrical energy to be supplied is representative of an error of the precontrol value of the electrical energy to be supplied at the current operating point, which is determined by one or more of the variables fuel temperature T_FU, coolant temperature, rotational speed N, injection start SOI.
  • the block B12 comprises an intermediate map, which is reinitialized each time the map of the block B9 is updated.
  • the control values EGY_FBC occurring during operation of the pump-nozzle device are stored. this happens Depending on the respectively assigned current sizes, ie one or more of the input variables of the block B12.
  • the intermediate map comprises a predetermined number of discrete points for storing the control value EGY_FBC.
  • This "learning" of the corresponding map values may preferably be performed via a basis weighting, a filter, or similar methods.
  • the surface weighting method it is taken into account how far away the respective current operating point is from a corresponding interpolation point of the intermediate characteristic field and the or more interpolation points of the intermediate characteristic field are then updated correspondingly weighted.
  • the map of the block B9 is updated by means of the intermediate map of the block B12. It is particularly advantageous in this context if the intermediate map is previously smoothed by means of a suitable filter. In the simplest case, the nodes of the intermediate map are added to the corresponding nodes of the map B9. Alternatively, however, this can also be done by means of a predeterminable weighting or the like.
  • control values EGY_FBC which have occurred since the last update of the characteristic diagram B9 and which are representative of an error of the pilot control value at the current operating point are used so efficiently to improve the quality of the respective Pre-tax value.
  • the controller of the block B7 can be limited to the compensation of only very small differences of the setpoint EGY_D_SP and the actual value EGY_D_AV the electrical differential energy and so even during an extremely high dynamic operation of the pump-nozzle device, a very precise driving the actuator 24, which is the Piezoaktuator guaranteed.
  • the predetermined condition may also be configured such that it is fulfilled after a predefinable number of engine runs, for example two, three, four or five engine runs, or that it is fulfilled after a predefinable operating time, for example five or ten operating hours ,
  • the adaptation value EGY_DAD instead of the adaptation value EGY_DAD, updating of the local assignment rule depending on the intermediate characteristic field of the block B12 can also take place directly in the block B1.
  • the basic precontrol value EGY_PRE can then also be equal to the precontrol value.
  • the output quantities of the blocks B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9, B10 can also be corresponding electrical voltages or currents or charges.
  • the block B1 can be realized identically for all the pump-nozzle devices, while the block B9 then preferably for each individual pump-nozzle device individually is provided.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils. Das Ventil hat einen Ventilantrieb, der als Piezoaktuator ausgebildet ist, ein Ventilglied, einen Ventilkörper und einen Ventilsitz. Ein derartiges Ventil findet beispielsweise Einsatz bei einer Pumpe-Düse-Vorrichtung zur Kraftstoffzufuhr in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer DieselBrennkraftmaschine. 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.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils zu schaffen, durch das oder die ein präzises Steuern des Ventils gewährleistet werden kann, und zwar über eine lange Betriebszeitdauer.
  • 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 Piezoaktuator ausgebildet ist, mit einem Ventilglied, einem Ventilkörper und einem Ventilsitz. Ein Stellsignal zum Laden des Piezoaktuators wird abhängig von einem Vorsteuerwert und von einem Ausgangswert eines Reglers ermittelt und erzeugt. Der Vorsteuerwert hängt ab von mindestens einer Betriebsgröße. Mittels des Stellsignals wird der Piezoaktuator derart geladen, dass das Ventilglied von einer Position entfernt von dem Ventilsitz in den Ventilsitz gesteuert wird. Ein erster Wert wird ermittelt, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds auf den Ventilsitz. Ein zweiter Wert wird ermittelt, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators. Ein Istwert, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied auf dem Ventilsitz gepresst wird, wird abhängig von dem ersten und zweiten Wert ermittelt. Der Istwert und ein vorgebbarer Sollwert werden dem Regler zugeführt, der abhängig davon einen Ausgangswert erzeugt. Eine Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift wird abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst. Wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wird die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen. So ist auch bei einer hochdynamischen Ansteuerung des Ventils, wie dies insbesondere im Falle eines Einsatzes des Ventils für eine Pumpe-Düse-Vorrichtung der Fall ist, einfach eine präzise Ansteuerung möglich, da durch die entsprechend angepasste Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift der Regler entlastet ist und so nur noch geringe Abweichungen um den Arbeitspunkt ausgleichen muss, was zur Folge hat, dass diese Abweichungen sehr schnell ausgeregelt werden können. Auf diese Weise ist auch über eine lange Betriebsdauer des Ventils ein präzises Einstellen der Dichtkraft des Ventils einfach möglich. Unter der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift wird in diesem Rahmen die Rechenvorschrift verstanden mittels der der Vorsteuerwert abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt wird. Sie kann beispielsweise durch eine entsprechende analytische Funktion umgesetzt sein, ist jedoch besonders einfach durch ein geeignetes Kennfeld wiedergegeben.
  • Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilkraft, mit der das Ventil durch den Ventilantrieb in den Ventilsitz gedrückt wird, wenn es sich in Anlagen 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 des 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, also die Dichtkraft, gleichbleibend ist. Es können so auch einfach Toleranzen beim Schließ- und Öffnungsvorgang des Ventils minimiert werden.
  • Die Erfindung nutzt so auch die 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. Es nutzt ferner die Erkenntnis, dass der zweite Wert maßgeblich abhängt von der Dichtkraft und daneben noch von der Kraft, die hervorgerufen wird durch den Druck des Fluids, das auf das Ventilglied einwirkt, und der Kraft des Rückstellmittels. So kann einfach abhängig von den beiden Werten ein Istwert der Dichtkraft ermittelt werden. Auf diese Weise wird somit der Piezoaktuator auch gleichzeitig als Sensor genutzt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Basis-Vorsteuerwert abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt. Ein Adaptionswert wird abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt und eine Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift wird abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst und, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wird die Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Adaptionswertes übernommen. Der Vorsteuerwert wird abhängig von dem Basis-Vorsteuerwert und dem Adaptionswert ermittelt. Auf diese Weise kann beispielsweise im Falle von mehreren Ventilen der jeweilige Basis-Vorsteuerwert mittels derselben Basis-Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift ermittelt werden, die dann auch gegebenenfalls nicht angepasst wird und es besteht einfach die Möglichkeit die Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift individuell für jedes Ventil anzupassen. Auf diese Weise wird dann einfach ein sehr präzises Ansteuern des individuellen Ventils ermöglicht und gleichzeitig kann die Basis-Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift gemeinsam genutzt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die vorgegebene Bedingung dann so ausgestaltet ist, dass sie dann erfüllt ist, wenn eine Betriebsaufnahme nach einer Betriebspause des Ventils erfolgt. Eine Betriebspause ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied deutlich länger nicht bewegt wird, als dies während eines typischen Betriebs des Ventils der Fall ist. Im Falle eines Einsatzes des Ventils in einer Brennkraftmaschine kann eine derartige Betriebspause beispielsweise die Zeitdauer zwischen einem Abschalten der Brennkraftmaschine und einem darauf folgenden Motorstart sein. Auf diese Weise kann einfach erreicht werden, dass eine möglichst große Anzahl an Ausgangswerten zum Anpassen der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift erfasst werden, bevor diese dann tatsächlich zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen wird. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Kopplungseffekte, insbesondere Mitkopplungseffekte, vermeiden. Ferner wird so einfach die Güte der Vorsteuerung erhöht.
  • Besonders einfach kann die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und einer Drehzahl einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine erfolgen, wenn das Ventil in einer Brennkraftmaschine, beispielsweise in einer Pumpe-Düse-Vorrichtung eingesetzt ist. Es hat sich in diesem Zusammenhang überraschend gezeigt, dass durch ein einfaches Berücksichtigen der Drehzahl bereits eine ausreichend präzise Anpassung der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift möglich ist. Insbesondere lassen sich hierdurch einfach auch Dynamik-Einflüsse gut berücksichtigen.
  • 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 und
    Figur 2
    ein Blockdiagramm zum Ermitteln eines Stellsignals in der Vorrichtung zum Steuern des Ventils.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder 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 wird das Ventilglied 231 von seiner Position entfernt von dem Ventilsitz 234 in den Ventilsitz gesteuert. Der vorgebbare erste Zeitpunkt 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 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 Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie abhängig von einer Kraftstofftemperatur T_FU und/oder einer Drehzahl N und dem vorgebbaren ersten Zeitpunkt ermittelt. Der vorgebbare erste Zeitpunkt steht in einer Abhängigkeit zu dem Zeitpunkt SOI des Wegbewegens der Düsennadel 53 von ihrer Anlage an dem Düsenkörper 51, also dem Beginn der Einspritzung, und zwar für den Fall, dass der Kolben 11 sich teilweise außerhalb seines oberen Totpunktes befindet, während das Ventilglied 231 sich in Anlage mit dem Ventilsitz 234 befindet. 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 Dichtkraft, 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 ermittelt. Dies kann beispielsweise auch mittels eines entsprechenden Kennfelds erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch abhängig von einer Kühlmitteltemperatur erfolgen.
  • In einem Block B2 wird abhängig von Istwerten EGY_AV der dem Piezoaktor während des Ladevorgangs zugeführten elektrischen Energie die bis zum Auftreffen des Ventilglieds 231 auf den Ventilsitz 234 zugeführte Energie 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. Beim Auftreffen des Ventilglieds 231 ergibt sich ein charakteristischer Verlauf dieser Größen, anhand dessen der Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds 231 erkannt werden kann. Ferner wird in dem Block B2 dann anhand des ermittelten Zeitpunkts 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, der auch als Ausgangswert bezeichnet werden kann, wird anschließend einem Block B8 zugeführt.
  • In einem Block B9 wird ein Adaptionswert EGY_D_PRE der zuzuführenden elektrischen Differenzenergie abhängig von einer oder mehrerer der folgenden Größen ermittelt. Die Größen sind beispielsweise die Kraftstofftemperatur T_FU oder die Kühlmitteltemperatur oder die Drehzahl oder der Zeitpunkt SOI des Einspritzbeginns.
  • In dem Block B9 ist zu diesem Zweck eine Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift abgespeichert, die während des Betriebs des Ventils zum Ermitteln des Adaptionswertes EGY_D_AD abgearbeitet wird. Bevorzugt ist zu diesem Zweck für jede einzelne Pumpe-Düse-Vorrichtung in dem Block B9 ein Kennfeld abgelegt, in dem Werte des Adaptionswertes EGY_D_AD abhängig von einer oder mehrerer Eingangsgrößen des Blocks B9 abgespeichert sind. Bevorzugt sind in diesem Kennfeld eine vorgebbare Anzahl an Kennfeldpunkten abgelegt. Das Ermitteln des jeweiligen Adaptionswertes EGY_D_AD erfolgt, wie allgemein bei Kennfeldern üblich, mittels entsprechender Interpolation zwischen den abgespeicherten Kennfeldpunkten. Das Kennfeld des Blocks B9 wird bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung aktualisiert. Die vorgegebene Bedingung ist bevorzugt dann erfüllt, wenn nach einem Motorstop die Brennkraftmaschine, der die Pumpe-Düse-Vorrichtung zugeordnet ist, neu gestartet wird. Das Aktualisieren des Kennfeldes wird dann weiter unten noch näher erläutert.
  • Der Adaptionswert EGY_D_PRE der zuzuführenden elektrischen Differenzenergie und der Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie werden in dem Block B8 addiert und bilden so einen Vorsteuerwert der zuzuführenden elektrischen Energie. Ferner wird in dem Block B8 auch noch der Regelwert EGY_FBC der zuzuführenden elektrischen Energie hinzuaddiert und in Summe ergibt sich so eine gewünschte dem Piezoaktuator zuzuführende elektrische Energie EGY_THRUST.
  • Der Wert EGY_THRUST der gewünschten zuzuführenden elektrischen Energie wird einem Block B10 zugeführt, in dem ein entsprechendes Stellsignal SG zum Ansteuern des als Piezoaktuator 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 oder pulsamplitudenmodulierten Signals dem Piezoaktuator zugeführt werden.
  • Der Block B10 umfasst ferner bevorzugt noch einen weiteren unterlagerten Regler, in dem das tatsächliche Zuführen der elektrischen Energie zu dem Piezoaktuator geregelt wird, wobei die Stellgröße die jeweilige Pulsweite bzw. Pulshöhe 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 einem 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 vorab erfolgte. Es wird dann lediglich der Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE der zuzuführenden elektrischen Energie und der Adaptionswert EGY_D_AD der zuzuführenden elektrischen Energie neu berechnet. Dies hat den Vorteil einer Rechenentlastung und dass, wenn der vorgebbare erste Zeitpunkt 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 Ventildichtkraft dann auch für den vorgebbaren zweiten Zeitpunkt präzise eingestellt wird.
  • Ferner ist ein Block B12 vorgesehen, dem der Regelwert EGY_FBC des Reglers des Blocks B7 zugeführt wird. Der Regelwert EGY_FBC der zuzuführenden elektrischen Energie ist repräsentativ für einen Fehler des Vorsteuerwertes der zuzuführenden elektrischen Energie in dem aktuellen Arbeitspunkt, der durch eine oder mehrere der Größen Kraftstofftemperatur T_FU, Kühlmitteltemperatur, Drehzahl N, Einspritzbeginn SOI bestimmt wird.
  • Bevorzugt umfasst der Block B12 ein Zwischen-Kennfeld, das jeweils nach dem Aktualisieren des Kennfeldes des Blocks B9 neu initialisiert wird. In das Zwischen-Kennfeld des Blocks B12 werden die während des Betriebs der Pumpe-Düse-Vorrichtung auftretenden Regelwerte EGY_FBC gespeichert. Dies erfolgt abhängig von den jeweils zugeordneten aktuellen Größen, also einer oder mehrerer der Eingangsgrößen des Blocks B12.
  • Bevorzugt umfasst das Zwischen-Kennfeld eine vorgegebene Anzahl diskreter Punkte zum Abspeichern des Regelwertes EGY_FBC. Dieses "Lernen" der entsprechenden Kennfeldwerte kann bevorzugt über eine Flächengewichtung, einen Filter oder mittels ähnlicher Verfahren durchgeführt werden. So wird mittels des Flächengewichtungsverfahrens berücksichtigt, wie weit der jeweils aktuelle Betriebspunkt entfernt ist von einer entsprechenden Stützstelle des Zwischen-Kennfeldes und die oder mehrere Stützstellen des Zwischen-Kennfeldes werden dann entsprechend gewichtet aktualisiert.
  • Im Hinblick auf das Ermitteln der Ausgangsgrößen der Blöcke B9, B1, B12 kann es auch vorteilhaft sein die aktuelle Kapazität des Piezoaktuators als Eingangsgröße zu berücksichtigen.
  • Wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, also so zum Beispiel, wenn die Brennkraftmaschine neu gestartet wird nach einem Motorstopp, so wird das Kennfeld des Blocks B9 mittels des Zwischen-Kennfeldes des Blocks B12 aktualisiert. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn dazu vorab das Zwischen-Kennfeld mittels eines geeigneten Filters geglättet wird. Im einfachsten Fall werden die Stützstellen des Zwischen-Kennfeldes addiert zu den entsprechenden Stützstellen des Kennfeldes B9. Alternativ kann dies jedoch auch mittels einer vorgebbaren Gewichtung oder dergleichen erfolgen.
  • Die seit der letzten Aktualisierung des Kennfeldes B9 aufgetretenen Regelwerte EGY_FBC, die repräsentativ sind für einen Fehler des Vorsteuerwertes im aktuellen Betriebspunkt werden so effizient eingesetzt zum Verbessern der Güte des jeweiligen Vorsteuerwertes. Auf diese Weise kann dann der Regler des Blockes B7 sich auf das Ausgleichen nur äußerst geringer Differenzen des Sollwertes EGY_D_SP und des Istwertes EGY_D_AV der elektrische Differenzenergie beschränken und so kann auch während eines äußerst hochdynamischen Betriebs der Pumpe-Düse-Vorrichtung ein sehr präzises Ansteuern des Stellantriebs 24, der der Piezoaktuator ist, gewährleistet werden.
  • Durch das nur bei Vorliegen der vorgegebenen Bedingung erfolgende Aktualisieren des Kennfeldes des Blocks B9 können unerwünschte Mitkopplungseffekte verhindert werden. Alternativ kann die vorgegebene Bedingung auch so ausgestaltet sein, dass sie erfüllt ist nach einer vorgebbaren Anzahl an Motorläufen, so zum Beispiel zwei, drei, vier oder fünf Motorläufe, oder dass sie erfüllt ist nach einer vorgebbaren Betriebsdauer, so zum Beispiel fünf oder zehn Betriebsstunden.
  • Alternativ kann statt des Adaptionswertes EGY_DAD auch direkt in dem Block B1 ein Aktualisieren der dortigen Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Zwischen-Kennfeld des Blocks B12 erfolgen. In diesem Fall kann dann der Basis-Vorsteuerwert EGY_PRE auch gleich dem Vorsteuerwert sein.
  • Ferner können alternativ die Ausgangsgrößen der Blöcke B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9, B10 auch entsprechende elektrische Spannungen oder Ströme oder Ladungen sein. Im Falle einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, denen dann mehrere Pumpe-Düse-Vorrichtungen zugeordnet sind kann besonders bevorzugt der Block B1 für alle Pumpe-Düse-Vorrichtungen identisch realisiert sein, während bevorzugt der Block B9 dann für jede einzelne Pumpe-Düse-Vorrichtung individuell vorgesehen ist.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb (24), der als Piezoaktuator ausgebildet ist, mit einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237) und einem Ventilsitz (234), bei dem
    - ein Stellsignal (SG) zum Laden des Piezoaktuators derart, dass das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in dem Ventilsitz (234) gesteuert wird, abhängig von einem Vorsteuerwert, der abhängt von mindestens einer Betriebsgröße, und von einem Ausgangswert eines Reglers ermittelt und erzeugt wird,
    - ein erster Wert ermittelt wird der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) auf dem Ventilsitz (234),
    - ein zweiter Wert ermittelt wird, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators,
    - ein Istwert, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied (231) auf den Ventilsitz (234) gepresst wird, abhängig von dem ersten und zweiten Wert ermittelt wird,
    - der Istwert und ein vorgegebener Sollwert dem Regler zugeführt wird, der abhängig davon den Ausgangswert erzeugt,
    - eine Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst wird und, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes übernommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    bei dem ein Basis-Vorsteuerwert abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt wird, ein Adaptionswert (EGY_D_AD) abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße ermittelt wird, der Vorsteuerwert abhängig von dem Basis-Vorsteuerwert und dem Adaptionswert ermittelt wird und eine Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße angepasst wird, und wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, die Adaptionswert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Adaptionswertes übernommen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei dem die vorgegebene Bedingung derart ausgestaltet ist, dass sie dann erfüllt ist, wenn eine Betriebsaufnahme nach einer Betriebspause des Ventils erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei dem das Anpassen der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und einer Drehzahl (N) einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine erfolgt.
  5. Vorrichtung zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb (24), der als Piezoaktuator ausgebildet ist, mit einem Ventilglied (231), einem Ventilkörper (237) und einem Ventilsitz (234), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum
    - Ermitteln und Erzeugen eines Stellsignals (SG) zum Laden des Piezoaktuators derart, dass das Ventilglied (231) von einer Position entfernt von dem Ventilsitz (234) in dem Ventilsitz (234) gesteuert wird, abhängig von einem Vorsteuerwert, der abhängt von mindestens einer Betriebsgröße, und von einem Ausgangswert eines Reglers,
    - Ermitteln eines ersten Wertes, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Auftreffen des Ventilglieds (231) auf dem Ventilsitz (234),
    - Ermitteln ein zweiten Wertes, der charakteristisch ist für die dem Piezoaktuator zugeführte elektrische Energie beim Abschluss des Ladevorgangs des Piezoaktuators,
    - Ermitteln eines Istwertes, der charakteristisch ist für eine Dichtkraft, mit der das Ventilglied (231) auf den Ventilsitz (234) gepresst wird, abhängig von dem ersten und zweiten Wert,
    - Zuführen des Istwertes und des vorgegebenen Sollwertes zu dem Regler, der abhängig davon den Ausgangswert erzeugt,
    - Anpassen einer Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift abhängig von dem Ausgangswert und mindestens einer Betriebsgröße und, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, Übernehmen der Vorsteuerwert-Zuordnungsvorschrift zum Ermitteln des Vorsteuerwertes.
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