EP1825124A1 - Verfahren zum steuern eines piezoelektrischen aktors und steuereinheit zum steuern eines piezoelektrischen aktors - Google Patents

Verfahren zum steuern eines piezoelektrischen aktors und steuereinheit zum steuern eines piezoelektrischen aktors

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EP1825124A1
EP1825124A1 EP05810154A EP05810154A EP1825124A1 EP 1825124 A1 EP1825124 A1 EP 1825124A1 EP 05810154 A EP05810154 A EP 05810154A EP 05810154 A EP05810154 A EP 05810154A EP 1825124 A1 EP1825124 A1 EP 1825124A1
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EP
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actuator
voltage
control
teilhubspannung
injection
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EP05810154A
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Hans-Jörg Wiehoff
Harald Schmidt
Richard Pirkl
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Continental Automotive GmbH
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Siemens AG
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator according to claim 1 and a control unit for controlling a piezoelectric actuator according to claim 10.
  • Piezoelectric actuators are used in a wide variety of technical fields to control an actuator.
  • piezoelectric actuators are suitable for driving a switching valve of a pump-nozzle unit of a fuel injection system.
  • Piezoelectric actuators are very fast to switch, so that the injection processes of the pump-nozzle unit can be precisely controlled.
  • Modern pump-injector units with which, for example, diesel is injected into an internal combustion engine of a motor vehicle, use high fuel pressures of up to 2000 bar.
  • the demands on the exhaust quality are increasing more and more, so that a very precise adjustment of the injected fuel quantity and equality in the injection quantity of different cylinders of an internal combustion engine is required.
  • the precise injection operations during the entire life of the pump-nozzle unit are to be maintained even with appropriate aging phenomena.
  • occurring Tolleranzen should be compensated in the pump-nozzle units.
  • the hydraulic delivery end of the pump-nozzle unit which can be derived from the opening behavior of the piezoelectric actuator, to determine as accurately as possible. Knowing the timing of the hydraulic delivery end of the pump-nozzle unit is to ensure the micro-dimensional stability due to higher injection sensitivity during charging of the piezoelectric actuator and its hysteresis required. Also for a cylinder-specific correction, knowing the time of the hydraulic delivery end of the pump-nozzle unit is required.
  • the opening behavior of the injection valve is determined from the voltage of the piezoelectric actuator.
  • various control methods are known.
  • the object of the invention is to provide an improved method for controlling a piezoelectric actuator and an improved control unit for controlling a piezoelectric actuator.
  • An advantage of the method according to the invention is that a parameter dependent on the partial stroke voltage is used as the control variable, and that a desired value for the controlled variable with which the method for controlling the piezoelectric actuator is carried out is determined.
  • the gradient of the voltage during the discharge time is used as the control variable. In this way, an individual adaptation of the tax procedure is made possible.
  • a range of values is used as the desired value for the partial lift voltage.
  • a value range for the Generalhubschreib is a precise control of the actuator, in particular a Control of a switching needle of an injection valve, in particular a pump-nozzle unit or a common-rail injection valve given.
  • a maximum voltage value for the partial lift voltage is used as desired value. Experiments have shown that the use of a maximum voltage value for the Generalhubschreib a relatively precise and efficient control of the control method is given.
  • the partial stroke voltage is used as the controlled variable and the gradient of the partial stroke voltage as the desired value. This provides a further improvement of the tax procedure.
  • the method described is particularly suitable when used in a common rail injection valve or a pump-nozzle unit of a fuel injection system.
  • the voltage values of the actuator are detected during a test activation of the actuator, in which no injection takes place, but only measured values are determined.
  • the injection operation is not affected by the detection of the measured values.
  • the partial lift voltage is used as the parameter, and a frequency of the partial lift voltage is specified as the setpoint.
  • a frequency of the partial lift voltage is specified as the setpoint.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram for illustrating an injection sequence with pre-injection and main injection
  • FIG. 3 shows a detailed illustration of a control valve opening phase of a pump-nozzle unit
  • FIG. 4 shows a detailed illustration of the voltage profile during a tripping-holding phase
  • Figure 5 shows the relaxation curve of the piezoelectric actuator during Generalhubschreib
  • Figure 6 is a simply constructed drive circuit for the piezoelectric actuator.
  • the invention is described using the example of a pump-nozzle unit, but can be used with any type of injection valve, in particular in the case of a common-rail injection valve.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement with a pump-nozzle unit 2, which is connected to a Messan- order 6 and a control unit 5.
  • the pump-nozzle unit 2 represents an injection valve, for example, for an internal combustion engine of a motor vehicle whose injection processes are controlled by means of a piezoelectric actuator 1.
  • the piezoelectric actuator 1 controls in the illustrated embodiment, a control valve 3, which controls a position of a nozzle needle of the pump-nozzle unit 2 via a hydraulic connection. Depending on the position of the control valve 3, the nozzle needle is lifted from a sealing seat and triggered an injection.
  • the basic structure of the pump-nozzle unit 2 is known and is not explained in detail in the present application.
  • the control valve 3 has a sealing surface 13 which is associated with a sealing seat 14.
  • the sealing surface 13 is formed on an end surface of a control valve needle 17 of the control valve 13.
  • the sealing seat 14 is arranged in a ring around an inlet opening of an inlet 15.
  • the inlet 15 is in communication with a fuel reservoir.
  • the pump-nozzle unit points an injection nozzle 10 with a pressure chamber 25, in which a nozzle needle 24 is arranged.
  • the injection nozzle 10 has injection holes 18, is discharged via the fuel from the pressure chamber 25 in the injection process.
  • the inlet 15 opens via the inlet opening into a connecting line 16, which is connected to a pump chamber of a pump and the pressure chamber 25 of the pump-nozzle unit.
  • the nozzle needle 24 is arranged with pressure surfaces. Depending on the pressure in the pressure chamber 25, the nozzle needle 24 is lifted by an associated needle sealing seat 26 and the injection takes place.
  • the piezoelectric actuator 1 is connected via electrical lines 4 to a charging unit 7.
  • the charging unit 7 is connected via a control line 8 with the control unit 5 in connection Rankg.
  • the control unit 5 is also connected to a data memory 11.
  • the measuring arrangement 6 is connected to the electrical lines 4 via first measuring lines 12.
  • the measuring arrangement 6 is also connected to the control unit 5 via a second measuring line 9.
  • the control unit 5 controls the charging unit 7 in such a way that the piezoelectric actuator 1 controls the control valve 3 in the desired manner, so that the nozzle needle 24 lifts off from the needle sealing seat 26 at predetermined times and delivers fuel from the pressure chamber 25 via the injection holes 18.
  • the control of the delivery end ie the closing of the injection holes is of particular importance for the quality of the injection.
  • fixed control methods are stored in the data memory 11, according to which the control unit 5 controls the loading unit 7 in order to achieve defined partial strokes of the actuator 1, in particular during the control of the delivery end.
  • the voltage applied to the piezoelectric actuator 1 is detected via the measuring arrangement 6 via the electrical lines 4 and reported to the control unit 5 via the second measuring line 9.
  • the control unit 5 the control of the charging unit 7, in order to achieve the desired voltage curve at the actuator 1.
  • the voltage curve at the actuator 1 determines the partial strokes of the piezoelectric actuator, in particular at the delivery end, and thus the injection characteristics of the pump-nozzle unit 2.
  • FIG. 2 shows a diagram for a typical injection curve of an injection valve, in particular a pump-nozzle unit 2 with a pilot injection and a main injection.
  • the piezo voltage i. H. applied to the piezoelectric actuator 1 voltage applied over time or the crankshaft angle.
  • the piezoelectric voltage is detected by the measuring arrangement 6 via the electrical lines 4.
  • T 1 the pilot injection and in a subsequent second period T 2
  • the main injection is shown.
  • the piezoelectric voltage is first increased to a first voltage value U 1 and then after a short drop to a second voltage value U 2, which is greater than the first voltage value U 1.
  • the second voltage value U 2 represents a starting voltage.
  • the voltage is lowered from the second voltage value U 2 to a third voltage value U 3 and, after a brief increase in the voltage, finally lowered to a fourth voltage value U 4 which is less than the third voltage value is U 3.
  • the voltage between the third and fourth voltage value U 3, U 4 represents a partial lift voltage. Due to the different voltage values, partial strokes of the piezoelectric actuator 1 are set.
  • the position of the control valve needle 17 is plotted over the time or the crankshaft angle under the piezo voltage.
  • the position of the control valve needle 17 depends on the piezo voltage.
  • the Operahubschreiben partial strokes of the control valve needle 17 are specified.
  • the Operahubschreib is proportional to a needle stroke or a position of the control valve needle 17 of the control valve. 3
  • the Molhubschreib can be used as a control variable for the regulations of partial strokes of the control needle 17, in particular at the end of the injection.
  • the position of the nozzle needle 24 is plotted over the time or the crankshaft angle.
  • the position of the control valve needle 17 reaches the maximum deflection at a time TS, which corresponds to an application of the control valve needle 17 with the sealing surface 13 on the sealing seat 14. At this time, the inlet 15 is closed.
  • the control valve needle 17 begins to lift off the sealing seat 14 again at the time TE. Due to the inertia of the system, the nozzle needle 24 reaches its maximum opening stroke at a later point in time TN, and then settles again on the needle sealing seat 26 at a point in time TP. Due to the inertia of the system, accurate control of the injection requires that the control valve needle 17 be in
  • Partial strokes is controlled to precisely control the nozzle needle 24. This is especially necessary when finishing the scoring, i. when placing the nozzle needle 24 on the Nadeldichtsitz 26th
  • a drive of the piezoelectric actuator 1 is performed, which corresponds to a main injection.
  • the essential difference between the pilot injection and the main injection is that the time duration in which the second voltage U 2 is applied to the piezoelectric actuator 1, longer than in the pilot injection is.
  • the nozzle needle is lifted longer from the sealing seat and it is injected more fuel.
  • the piezoelectric actuator Due to the inertia of the system, precise actuation of the piezoelectric actuator is required to set a precise amount of fuel delivered by the pump-nozzle unit 2.
  • the hydraulic delivery end of the pump-nozzle unit which can be derived from the opening behavior of the control valve 3, lent possible to determine precisely.
  • the hydraulic delivery end is required due to the higher injection sensitivity during the discharging process of the piezoelectric actuator 1, which in the illustrated embodiment corresponds to an opening of the control valve 3 and thus an ending of the injection process, and due to the hysteresis behavior of the piezoelectric actuator Precise control of the unit injector unit.
  • the delivery end is determined by the discharging operation of the actuator, so that the discharging process can be controlled precisely over partial strokes of the voltage.
  • a cylinder-individual control of the delivery end of the pump-nozzle unit is provided when in an internal combustion engine a plurality of pump-nozzle units are provided for each cylinder.
  • the charging of the actuator can be controlled in partial strokes, if it is a control valve 3, which is closed in the de-energized state of the actuator 1 and the injection of the actuator 1, the injection is terminated.
  • the delivery end of the pump-nozzle unit 1 is characterized in that increases after the lifting of the control valve needle 17 of the associated sealing seat of the opening cross-section of the control valve 3, so that a pressure reduction phase in the fuel system of the pump-nozzle unit 3 can be set.
  • the opening phase of the control valve 3 largely determines the minimum quantity stability.
  • the opening phase of the control valve relates to the time range in which the voltage at the piezoelectric actuator 1 is lowered from the second voltage U 2 via the third voltage U 3 to the fourth voltage U 4.
  • the movement of the control valve needle 17 is essentially determined by the discharge gradient, i. H. the voltage change on the piezoelectric actuator 1, determined by the applied valve sealing force, by the 'effect of the return spring of the control valve needle 17, not shown, and by the resulting pressure pulse.
  • the course of motion of the control valve needle 17 can be described by a higher-order parabola function.
  • Figure 3 shows an enlarged view of the piezoelectric voltage U, the valve needle path V of the control valve needle 17 and the pressure curve P of the fuel in the pressure chamber 25 at the opening phase of the control valve 3, ie at the initiation of the injection end, ie the delivery end of the pump-nozzle unit. 2
  • the characteristic curves are over time or the crank applied wave angle. From a third time T 3, a discharge of the piezoelectric actuator 1 is carried out by the charging unit 7 in accordance with the control by the control unit 5, so that the voltage U drops from the second voltage value U 2 to the third voltage value U 3 via a discharge gradient.
  • the control valve needle 17 follows offset in time and lifts only at a fourth time T 4 from the sealing seat 14 ' : Due to the inertia of the system reaches the fuel pressure P in the pressure chamber 25 at a fifth time T 5, the maximum pressure value, after the fourth Time T 4 is.
  • the third voltage value U 3 is reached at a sixth time T 6.
  • a holding phase follows, which lasts up to a seventh time T 7, in which the charging unit 7 does not further influence the voltage at the piezoelectric actuator 1. Due to the piezoelectric effect increases in the holding phase between the sixth time and the seventh time T 6, T 7, the partial voltage slightly.
  • the voltage at the piezoelectric actuator 1 is referred to as Diagramhubschreib during the holding phase.
  • the Railhubschreib, in particular the gradient of Operahubschreib is proportional to the stroke of the control valve needle 17. Therefore, the Ambihubschreib can be used as a control parameter to control a partial stroke of the control valve needle 17. From the seventh point in time T 7, the charging unit 7 lowers the electrical voltage at the piezoelectric actuator 1 by a discharging process up to the fourth voltage value U 4, which in the illustrated embodiment corresponds to the value 0 volts.
  • FIG. 4 shows a section of the piezo voltage between the third time T 3 and the seventh time T 7.
  • the control method preferably uses the gradient course of the partial lift voltage between the sixth time point T 6 and the seventh time point T 7 during the holding phase individually as a controlled variable for each unit injector 2 of an internal combustion engine having a plurality of unit injectors.
  • the corresponding control programs with which the individual gradient curve of the partial stroke voltage of the piezoelectric actuator of the pump-nozzle unit 2 is achieved are stored in the data memory 11.
  • the control unit 5 accesses the corresponding control programs and controls in a corresponding manner the charging unit 7, which performs a corresponding discharge of the piezoelectric actuator 1.
  • the voltage applied to the piezoelectric actuator 1 and the gradient of the partial lift voltage are detected by the measuring arrangement 6 and forwarded to the control unit 5.
  • the control unit 5 compares the measured gradient of the partial lift voltage during the holding phase with a reference value stored for the pump-nozzle unit 2. In an internal combustion engine having a plurality of pump-nozzle units 2, an individual reference value is stored for each pump-nozzle unit. If the detected voltage gradient does not correspond to the stored voltage gradient, then a change in the control of the piezoelectric actuator is carried out in such a way that the actual voltage gradient of the partial stroke voltage at the actuator 1 is applied to the data memory 11 Approximates voltage gradients. In a simple embodiment, a maximum voltage value at the end of the holding phase is used as the control value for controlling the partial lift voltage.
  • the discharge time i. the time between the third and the sixth time T 3
  • T 6 held constant and the Entladegradient to reach the desired voltage at the sixth time T 6 changed.
  • FIG. 5 shows the partial stroke voltage U at the actuator 1 during the holding phase, the partial stroke voltage U having a vibration spectrum.
  • the frequency or the amplitude of the Molhubschreib is determined by the spring-mass characteristic of the control valve path in the pump-nozzle unit 2.
  • both the gradient of the Operahubschreib and the amplitude characteristic of Operahubschreib can be used as a controlled variable for the control of the pump-nozzle unit 2.
  • corresponding comparison amplitude profiles for the partial lift voltage are stored in the data memory 11 during the hold phase.
  • the measuring arrangement 6 detects the amplitude curve of the piezoelectric voltage during the holding phase and forwards it to the control unit 5.
  • the control unit 5 compares the detected amplitude curve of the
  • the charging unit 7 is driven accordingly in order to obtain an alignment of the actual amplitude curve of the piezoelectric voltage during the holding phase to the comparison amplitude curve.
  • the measured frequency is compared with a comparison frequency and the control of the charging unit unit 7 adapted in the manner in the next holding phase, that an approximation of the measured frequency takes place at the comparison frequency.
  • the correction of the opening time of the control valve or the delivery end of the pump-nozzle unit is preferably achieved by a corresponding adjustment of the discharge energy cylinder-specific and the resulting behavior of the track.
  • the resulting track behavior is characterized in that the movement of the control valve needle 17 is influenced by a fixed, electrical holding phase in such a way that it is reflected significantly in the voltage or also in the piezoelectric charge.
  • the discharge energy is now adjusted until a desired reference curve of the amplitude of the voltage or a reference gradient of
  • Adjusting voltage during the holding phase and thus reproducible and cylinder-specific opening behavior or the delivery end of the pump-nozzle unit can be controlled.
  • the measuring arrangement 6 detects the voltage applied to the piezoelectric actuator 1 during a standardization pulse in which the piezoelectric actuator 1 is driven in accordance with a conventional injection, but the camshaft does not actuate the pump of the pump-nozzle unit.- The detection of the voltage
  • the piezoelectric actuator 1 can also be performed during a normal delivery pulse.
  • the charging process of the piezoelectric actuator 1 can be controlled and / or regulated in an analogous manner in order to control partial strokes of the control valve needle 17 for an injection end.
  • Figure 6 shows a simple structure of the control of the piezoelectric actuator 1.
  • a reference gradient is provided as the setpoint value, which is connected to a first adding unit 20 is forwarded.
  • the first adding unit 20 is supplied with a gradient of the measured voltage of the piezoelectric actuator 1 via a second input.
  • the first adding unit 20 forms the difference between the nominal gradient of the data memory 11 and the measured gradient of the partial lifting voltage and forwards the difference to a first control block 21.
  • the first control block 21 determines from the difference value a control signal for the charging unit 7.
  • the control signal is forwarded from the first control block 21 to a second adding unit 22.
  • a desired control signal is supplied to a second control block 23.
  • the second control block 23 carries out a compensation with respect to the hysteresis behavior of the piezoelectric actuator 1 and outputs a corrected desired control signal to a second input of the second adder unit 22.
  • the second adder unit 22 adds the corrected target control signal to the control signal and forwards an end control signal to the charging unit 7 ,
  • the charging unit 7 determines from the Endêtsignal a piezoelectric voltage with which the piezoelectric actuator 1 is driven to starting from the second voltage U 2, a discharge of the actuator to the third voltage U 3 in the specified time from the third time T 3 to sixth time T 6 is discharged in order to obtain a Supplementhubschreib on the actuator 1 during the holding phase, which has a gradient according to the target gradient.
  • the voltage delivered by the charging unit 7 is detected and a voltage gradient is determined, which is forwarded to the first adding unit 20.
  • control valve needle of the pump-nozzle unit is analogously applicable to the control of a servo valve of a common-rail injection valve and analogously to the direct control of the nozzle needle of an injection valve the piezoelectric actuator controls the servo valve or the nozzle needle directly.
  • a servo valve is actuated with the piezoelectric actuator, which produces a
  • Control room connects to a drainage room.
  • the control chamber is connected to an inlet to the pressure accumulator of the common rail.
  • the nozzle needle is biased by the pressure in the control chamber to the associated sealing seat.
  • the nozzle needle adjoins the control chamber directly or via a pressure piston.
  • the pressure and area ratios are chosen so that when the servo valve is closed, the nozzle needle is pressed sealingly against the sealing seat by the pressure in the control chamber.
  • the pressure in the control chamber decreases because less fuel flows into the control chamber via the inlet than it drains into the drainage chamber via the outlet.
  • the pressure chamber is connected to the pressure accumulator of the common rail. Since the pressure in the pressure chamber does not drop, the nozzle needle is lifted from the fuel pressure in the pressure chamber by acting on the pressure surfaces of the sealing seat. This releases a connection between the pressure chamber and injection holes. Thus, fuel is discharged from the pressure space via the injection holes.
  • the injection begins. To end the injection, the servovalve is closed again by activating the piezoelectric actuator. This stops the outflow via the drain and the pressure in the control room increases again. From a specified pressure in the control chamber, the nozzle needle is pressed against the pressure in the pressure chamber back to the sealing seat and the injection is stopped.
  • a nozzle needle may also be actuated directly by a piezoelectric actuator become. This principle is particularly applicable to gasoline injectors.
  • the servo valve in a common-rail injection system is activated as the control valve, thereby improving the injection behavior of the injection valve.

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors, der ein Stellglied eines Einspritzventils bewegt. Der Aktor wird zuerst auf eine Startspannung aufgeladen. Anschließend wird der Aktor auf eine Teilhubspannung entladen, wobei die Teilhubspannung eine Haltezeit gehalten wird. In einem letzten Schritt wird der Aktor auf eine Ruhespannung entladen, wobie ein von der Teilhubspannung abhängiger Parameter als Steuergröße verwendet wird. Es wird ein Sollwert für die Steuergröße festgelegt und die Steuerung des Aktors in der Weise durchgeführt wird, dass der Sollwert der Steuergröße eingehalten wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors und Steuereinheit zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors gemäß Patentanspruch 1 und eine Steuereinheit zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors gemäß Patentanspruch 10.
Piezoelektrische Aktoren werden- in den verschiedensten technischen Bereichen eingesetzt, um ein Stellglied anzusteuern. Insbesondere eignen sich piezoelektrische Aktoren zum Ansteuern eines Schaltventils einer Pumpe-Düse-Einheit eines Kraft- stoffeinspritzsystems. Piezoelektrische Aktoren sind sehr schnell zu schalten, so dass die Einspritzvorgänge der Pumpe- Düse-Einheit präzise gesteuert werden können.
Moderne Pumpe-Düse-Einheiten, mit denen beispielsweise Diesel in eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges eingespritzt wird, verwenden hohe Kraftstoffdrücke von bis zu 2000 bar. Zudem nehmen die Anforderungen an die Abgasqualität immer mehr zu, so dass eine sehr präzise Einstellung der eingespritzten Kraftstoffmenge und eine Gleichstellung bei der Einspritzmenge verschiedener Zylinder einer Brennkraftmaschine erforderlich ist. Weiterhin sollen die präzisen Einspritzvorgänge während der gesamten Lebensdauer der Pumpe-Düse- Einheit auch bei entsprechenden Alterungserscheinungen eingehalten werden. Des weiteren sollen auftretende Tolleranzen bei den Pumpe-Düse-Einheiten ausgeglichen werden.
Für diese Ziele ist eine präzise Regelung der Pumpe-Düse- Einheiten erforderlich. Hierfür ist insbesondere das hydraulische Förderende der Pumpe-Düse-Einheit, das sich aus dem Öffnungsverhalten des piezoelektrischen Aktors ableiten lässt, möglichst genau zu bestimmen. Das Kennen des Zeitpunktes des hydraulischen Förderendes der Pumpe-Düse-Einheit ist zur Sicherstellung der Kleinstnαengenstabilität aufgrund höherer Einspritzempfindlichkeit beim Ladevorgang des piezoelektrischen Aktors und dessen Hystereseverhalten notwendig. Auch für eine zylinderindividuelle Korrektur ist das Kennen des Zeitpunktes des hydraulischen Förderendes der Pumpe-Düse- Einheit erforderlich.
Da jedoch im Allgemeinen bei Einspritzventilen keine Wegmessung am Einspritzventil vorgesehen ist, wird das Öffnungsver- halten des Einspritzventils aus der Spannung des piezoelektrischen Aktors ermittelt. Dazu sind verschiedene Steuerverfahren bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors und eine verbesserte Steuereinheit zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Pa- tentanspruch 1 und durch die Steuereinheit gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein von der Teilhubspannung abhängiger Parameter als Re- gelgröße verwendet wird, und dass ein Sollwert für die Regelgröße festgelegt wird, mit der das Verfahren zum Steuern des piezoelektrischen Aktors durchgeführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Regel- große der Gradient der Spannung während der Entladezeit verwendet. Auf diese Weise wird eine individuelle Anpassung des Steuerverfahrens ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Werte- bereich als Sollwert für die Teilhubspannung verwendet. Durch die Vorgabe eines Wertebereiches für die Teilhubspannung ist eine präzise Steuerung des Stellgliedes, insbesondere eine Steuerung einer Schaltnadel eines Einspritzventils, insbesondere einer Pumpe-Düse-Einheit oder eines Common-Rail- Einspritzventils gegeben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Sollgröße ein maximaler Spannungswert für die Teilhubspannung verwendet. Versuche haben gezeigt, dass durch die Verwendung eines maximalen Spannungswertes für die Teilhubspannung eine relativ präzise und effiziente Regelung des Steuerverfahrens gegeben ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Regelgröße die Teilhubspannung und als Sollwert der Gradient der Teilhubspannung verwendet. Dadurch ist eine weitere Verbesserung des Steuerverfahrens gegeben.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere beim Einsatz bei einem Common-Rail-Einspritzventil oder einer Pumpe- Düse-Einheit eines Kraftstoffeinspritzsystems. Vorzugsweise werden die Spannungswerte des Aktors während einer Testansteuerung des Aktors erfasst, bei dem keine Einspritzung er- folgt, sondern nur Messwerte ermittelt werden. Somit wird der Einspritzbetrieb durch die Erfassung der Messwerte nicht beeinträchtigt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Para- meter die Teilhubspannung verwendet und als Sollgröße eine Frequenz der Teilhubspannung vorgegeben. Versuche haben gezeigt, dass sich die Frequenz der Teilhubspannung für eine präzise Steuerung des piezoelektrischen Aktors eignet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Einspritzsequenz mit Voreinspritzung und Haupteinspritzung, Figur 3 eine detaillierte Darstellung einer Steuerventilöffnungsphase einer Pumpe-Düse-Einheit,
Figur 4 eine detaillierter Darstellung des Spannungsverlaufes während einer Absteuer- Haltephase,
Figur 5 der Entspannungsverlauf des piezoelektrischen Aktors während der Teilhubspannung und
Figur 6 eine einfach aufgebaute Ansteuerschaltung für den piezoelektrischen Aktor.
Die Erfindung wird am Beispiel einer Pumpe-Düse-Einheit be- schrieben, ist jedoch bei jeder Art von Einspritzventil, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzventil einsetzbar.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung mit einer Pumpe-Düse-Einheit 2, die mit einer Messan- Ordnung 6 und einer Steuereinheit 5 verbunden ist. Die Pumpe- Düse-Einheit 2 stellt ein Einspritzventil beispielsweise für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges dar, deren Einspritzvorgänge mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktors 1 gesteuert werden. Der piezoelektrische Aktor 1 steuert in der dargestellten Ausführungsform ein Steuerventil 3, das über eine hydraulische Verbindung eine Position einer Düsennadel der Pumpe-Düse-Einheit 2 steuert. Abhängig von der Stellung des Steuerventils 3 wird die Düsennadel von einem Dichtsitz abgehoben und eine Einspritzung ausgelöst. Der grundsätzliche Aufbau der Pumpe-Düse-Einheit 2 ist bekannt und wird in der vorliegenden Anmeldung nicht näher erläutert. Das Steuerventil 3 weist eine Dichtfläche 13 auf, die einem Dichtsitz 14 zugeordnet ist. Die Dichtfläche 13 ist an einer Endfläche einer Steuerventilnadel 17 des Steuerventils 13 ausgebildet. Der Dichtsitz 14 ist ringförmig um eine Einlassöffnung eines Zulaufes 15 angeordnet. Der Zulauf 15 steht mit einem Kraft- stoffreservoir in Verbindung. Die Pumpe-Düse-Einheit weist eine Einspritzdüse 10 mit einem Druckraum 25 auf, in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Einspritzdüse 10 weist Einspritzlöcher 18 auf, über die Kraftstoff vom Druckraum 25 im Einspritzvorgang abgegeben wird. Der Zulauf 15 mündet über die Einlassöffnung in eine Verbindungsleitung 16, die mit einem Pumpraum einer Pumpe und dem Druckraum 25 der Pumpe-Düse- Einheit verbunden ist. Im Druckraum 25 ist die Düsennadel 24 mit Druckflächen angeordnet. Abhängig vom Druck im Druckraum 25 wird die Düsennadel 24 von einem zugeordneten Nadeldicht- sitz 26 abgehoben und die Einspritzung erfolgt.
Der piezoelektrische Aktor 1 ist über elektrische Leitungen 4 mit einer Ladeeinheit 7 verbunden. Die Ladeeinheit 7 steht über eine Steuerleitung 8 mit der Steuereinheit 5 in Verbin- düng. Die Steuereinheit 5 ist zudem an einen Datenspeicher 11 angeschlossen. Weiterhin ist die Messanordnung 6 über erste Messleitungen 12 an die elektrischen Leitungen 4 angeschlossen. Die Messanordnung 6 steht zudem über eine zweite Messleitung 9 mit der Steuereinheit 5 in Verbindung.
Die Steuereinheit 5 steuert die Ladeeinheit 7 in der Weise an, dass der piezoelektrische Aktor 1 in der gewünschten Weise das Steuerventil 3 steuert, damit die Düsennadel 24 zu festgelegten Zeiten vom Nadeldichtsitz 26 abhebt und Kraft- stoff vom Druckraum 25 über die Einspritzlöcher 18 abgibt. Insbesondere ist die Regelung des Förderendes, d.h. das Schließen der Einspritzlöcher von besonderer Bedeutung für die Qualität der Einspritzung. Dazu sind im Datenspeicher 11 festgelegte Steuerverfahren abgelegt, nach denen die Steuer- einheit 5 die Ladeeinheit 7 ansteuert, um definierte Teilhübe des Aktors 1 insbesondere bei der Regelung des Förderendes zu erreichen. Zur Regelung des Steuerverfahrens wird über die Messanordnung 6 die am piezoelektrischen Aktor 1 anliegende Spannung über die elektrischen Leitungen 4 erfasst und an die Steuereinheit 5 über die zweite Messleitung 9 gemeldet. Abhängig von der erfassten Spannung und einem Vergleich mit im Datenspeicher 11 abgelegten Spannungswerten passt die Steuer- einheit 5 die Ansteuerung der Ladeeinheit 7 an, um den gewünschten Spannungsverlauf am Aktor 1 zu erreichen. Der Spannungsverlauf am Aktor 1 legt die Teilhübe des piezoelektrischen Aktors, insbesondere beim Förderende, und damit die Einspritzcharakteristik der Pumpe-Düse-Einheit 2 fest.
Figur 2 zeigt ein Diagramm für einen typischen Einspritzverlauf eines Einspritzventils, insbesondere einer Pumpe-Düse- Einheit 2 mit einer Voreinspritzung und einer Haupteinsprit- zung. In der obersten Diagrammlinie ist die Piezospannung, d. h. die am piezoelektrischen Aktor 1 anliegende Spannung, über die Zeit bzw. den Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Die Piezospannung wird von der Messanordnung 6 über die elektrischen Leitungen 4 erfasst. In einem ersten Zeitabschnitt T 1 ist die Voreinspritzung und in einem folgenden zweiten Zeitabschnitt T 2 die Haupteinspritzung dargestellt. Bei der Voreinspritzung wird die Piezospannung erst auf einen ersten Spannungswert U 1 und anschließend nach einem kurzen Abfall auf einen zweiten Spannungswert U 2 erhöht, der größer als der erste Spannungswert U 1 ist. Der zweite Spannungswert U 2 stellt eine Startspannung dar. Nach einer festgelegten Zeitspanne wird die Spannung vom zweiten Spannungswert U 2 auf einen dritten Spannungswert U 3 abgesenkt und nach einem kurzen Erhöhen der Spannung entgültig auf einen vierten Span- nungswert U 4 abgesenkt, der kleiner als der dritte Spannungswert U 3 ist. Die Spannung zwischen dem dritten und vierten Spannungswert U 3, U 4 stellt eine Teilhubspannung dar. Durch die verschiedenen Spannungswerte werden Teilhübe des piezoelektrischen Aktors 1 eingestellt.
In Figur 2 ist unter der Piezospannung die Position der Steuerventilnadel 17 über die Zeit bzw. den Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Die Position der Steuerventilnadel 17 hängt von der Piezospannung ab. Durch die Vorgabe der Teilhubspannungen werden Teilhübe der Steuerventilnadel 17 vorgegeben. Zudem ist die Teilhubspannung proportional zu einem Nadelhub bzw. einer Position der Steuerventilnadel 17 des Steuerventils 3. Damit kann die Teilhubspannung als Regelgröße für die Regelungen von Teilhüben der Steuernadel 17 eingesetzt werden, insbesondere beim Förderende der Einspritzung. In der untersten Diagrammlinie ist die Position der Düsennadel 24 über die Zeit bzw. den Kurbelwellenwinkel aufgetragen.
Die Position der Steuerventilnadel 17 erreicht zu einem Zeitpunkt TS die maximale Auslenkung, die einem Anlegen der Steuerventilnadel 17 mit der Dichtfläche 13 am Dichtsitz 14 ent- spricht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Zulauf 15 geschlossen.
Da zu diesem Zeitpunkt die Pumpe der Pumpe-Düse-Einheit 2 den in dem Pumpraum befindlichen Kraftstoff verdichtet, steigt der Druck im Druckraum 25 und an Druckflächen der Düsennadel 24 an, so dass die Düsennadel 24 zum Zeitpunkt TS vom Nadel- dichtsitz 26 abhebt, wie aus dem unteren Diagramm ersichtlich ist. Zum Zeitpunkt TS startet somit der Einspritzvorgang. Zeitlich versetzt zum Absenken der Piezospannung vom zweiten Spannungswert ü 2 zum dritten Spannungswert U 3 beginnt die Steuerventilnadel 17 zum Zeitpunkt TE wieder vom Dichtsitz 14 abzuheben. Aufgrund der Trägheit des Systems erreicht die Düsennadel 24 zu einem späteren Zeitpunkt TN ihren maximalen Öffnungshub, um sich anschließend zu einem Zeitpunkt TP wieder auf den Nadeldichtsitz 26 abzusetzen. Aufgrund der Trägheit des Systems ist es für eine genaue Steuerung der Ein- spritzung erforderlich, dass die Steuerventilnadel 17 in
Teilhüben angesteuert wird, um die Düsennadel 24 präzise zu steuern. Dies ist insbesondere beim Beenden der Einsritzung erforderlich, d.h. beim Aufsetzen der Düsennadel 24 auf den Nadeldichtsitz 26.
Im zweiten Zeitabschnitt T2 wird eine Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 1 durchgeführt, die einer Haupteinspritzung entspricht. Der wesentliche Unterschied zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung besteht darin, dass die Zeitdauer, in der die zweite Spannung U 2 am piezoelektrischen Aktor 1 anliegt, länger als bei der Voreinspritzung ist. Damit ist die Düsennadel länger vom Dichtsitz abgehoben und es wird mehr Kraftstoff eingespritzt.
Aufgrund der Trägheit des Systems ist eine präzise Ansteue- rung des piezoelektrischen Aktors zur Einstellung einer präzisen Kraftstoffmenge, die von der Pumpe-Düse-Einheit 2 abgegeben wird, erforderlich. Hierfür ist insbesondere das hydraulische Förderende der Pumpe-Düse-Einheit, das sich aus dem Öffnungsverhaltens des Steuerventils 3 ableiten lässt, mög- liehst genau zu bestimmen. Zur Sicherstellung der Kleinstmen- genstabilität ist es aufgrund der höheren Einspritzempfindlichkeit beim Entladevorgang des piezoelektrischen Aktors 1, der in der dargestellten Ausführungsform einem Öffnen des Steuerventils 3 und damit einem Beenden des Einspritzvorgan- ges entspricht, und aufgrund des Hysterseverhaltens des piezoelektrischen Aktors erforderlich das hydraulische Förderende der Pumpe-Düse-Einheit präzise zu regeln. Das Förderende wird durch den Entladevorgang des Aktors festgelegt, so dass der Entladevorgang präzise über Teilhübe der Spannung zu steuern ist. Vorzugsweise wird eine Zylinder-individuelle Regelung des Förderendes der Pumpe-Düse-Einheit vorgesehen, wenn bei einer Brennkraftmaschine mehrere Pumpe-Düse- Einheiten für jeweils einen Zylinder vorgesehen sind. In Abhängigkeit von der Ausführungsform kann auch der Ladevorgang des Aktors in Teilhüben geregelt werden, wenn es sich um ein Steuerventil 3 handelt, das im unbestromten Zustand des Aktors 1 geschlossen ist und durch den Ladevorgang des Aktors 1 die Einspritzung beendet wird.
Da keine Wegmessung der Position des Steuerventils 3 zur Verfügung steht, wird näherungsweise die Öffnungszeit und/oder das Öffnungsverhalten des Steuerventils aus der Spannungskurve der am piezoelektrischen Aktor 1 anliegenden Spannungs ermittelt, um somit eine Regelgröße für die Regelung des Förde- rendes der Pumpe-Düse-Einheit zu erhalten. Das Förderende der Pumpe-Düse-Einheit 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass sich nach dem Abheben der Steuerventilnadel 17 von dem zugeordneten Dichtsitz der Öffnungsquerschnitt des Steuerventils 3 vergrößert, sodass sich eine Druckabbauphase im KraftstoffSystem der Pumpe-Düse-Einheit 3 einstellen kann. Die Öffnungsphase des Steuerventils 3 bestimmt in hohem Maße die Kleinstmengenstabilität. Die Öffnungsphase des Steuerventils betrifft den zeitlichen Bereich, in dem die Spannung am piezoelektrischen Aktor 1 von der zweiten Spannung U 2 über die dritte Spannung U 3 auf die vierte Spannung U 4 abgesenkt wird.
In der Öffnungsphase des Steuerventils 3 wird die Bewegung der Steuerventilnadel 17 im wesentlichen durch den Entlade- gradient, d. h. die Spannungsänderung am piezoelektrischen Aktor 1, durch die aufgebrachte Ventildichtkraft, durch die 'Wirkung der nicht dargestellten Rückstellfeder der Steuerventilnadel 17 und durch den entstehenden Druckimpuls bestimmt. Hierbei lässt sich der Bewegungsverlauf der Steuerventilnadel 17 durch eine Parabelfunktion höherer Ordnung beschreiben. Erreicht die Steuerventilnadel 17 beim Abheben einen nicht dargestellten Öffnungsanschlag oder wird die Steuerventilnadel 17 durch eine elektrische Haltezeit während des Entladevorgangs gebremst, ändern sich aufgrund des Kraftschlusses zwischen dem piezoelektrischen Aktor 1 und der mechanischen
Strecke des Steuerventils 3 die inherenten Parameter des piezoelektrischen Aktors aufgrund des piezoelektrischen Effektes. Im Verlauf der Piezospannung und in der Piezoladung ist dann ein Anstieg bzw. eine Änderung der Verlaufsform festzu- stellen.
Figur 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Piezospannung U, den Ventilnadelweg V der Steuerventilnadel 17 und den Druckverlauf P des Kraftstoffs im Druckraum 25 bei der Öffnungsphase des Steuerventils 3, d.h. bei der Einleitung des Einspritzendes, d.h. des Förderendes der Pumpe-Düse- Einheit 2. Die Kennlinien sind über der Zeit bzw. dem Kurbel- wellenwinkel aufgetragen. Ab einem dritten Zeitpunkt T 3 wird gemäß der Ansteuerung durch die Steuereinheit 5 von der Ladeeinheit 7 eine Entladung des piezoelektrischen Aktors 1 durchgeführt, so dass die Spannung U vom zweiten Spannungs- wert U 2 über einen Entladegradienten auf den dritten Spannungswert U 3 absinkt. Aufgrund der Trägheit folgt die Steuerventilnadel 17 zeitlich versetzt und hebt erst zu einem vierten Zeitpunkt T 4 vom Dichtsitz 14 ab': Aufgrund der Trägheit des Systems erreicht der Kraftstoffdruck P im Druckraum 25 zu einem fünften Zeitpunkt T 5 den maximalen Druckwert, der nach dem vierten Zeitpunkt T 4 liegt.
Der dritte Spannungswert U 3 wird zu einem sechsten Zeitpunkt T 6 erreicht. Nach dem sechsten Zeitpunkt T 6 schließt sich eine Haltephase an, die bis zu einem siebten Zeitpunkt T 7 dauert, in der die Ladeeinheit 7 die Spannung am piezoelektrischen Aktor 1 nicht weiter beeinflusst. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes steigt in der Haltephase zwischen dem sechsten Zeitpunkt und dem siebten Zeitpunkt T 6, T 7 die Teilspannung leicht an. Die Spannung am piezoelektrischen Aktor 1 wird während der Haltephase als Teilhubspannung bezeichnet. Die Teilhubspannung, insbesondere der Gradient der Teilhubspannung ist proportional zum Hub der Steuerventilnadel 17. Deshalb kann die Teilhubspannung als Regelparameter verwendet werden, um einen Teilhub der Steuerventilnadel 17 zu steuern. Ab dem siebten Zeitpunkt T 7 senkt die Ladeeinheit 7 die elektrische Spannung am piezoelektrischen Aktor 1 durch einen Entladevorgang bis zu dem vierten Spannungswert U 4, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem Wert 0 Volt entspricht.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Piezospannung zwischen dem dritten Zeitpunkt T 3 und dem siebten Zeitpunkt T 7.
Versuche haben gezeigt, dass eine präzise Steuerung der Pumpe-Düse-Einheit 2 dadurch erreicht wird, dass der Entladegradient zwischen der zweiten Spannung U 2 und der dritten Span- nung U 3 als Zylinder-individuelle Stellgröße zur Steuerung und/oder Regelung von Teilhüben der Steuerventilnadel 17 vorgegeben wird. Anstelle des Entladegradienten kann auch die zwischen dem dritten und dem sechsten Zeitpunkt T 3, T 6 dem piezoelektrischen Aktor 1 durch die Ladeeinheit 7 zu entnehmende Energie oder der Energiegradient verwendet werden. Diese Stellgrößen werden somit für jede Pumpe-Düse-Einheit über entsprechende Steuerprogramme im Datenspeicher 11 abgelegt.
Weiterhin wird eine Verbesserung der Ansteuerung der Pumpe- Düse-Einheit 2 durch eine Regelung der Teilhubsteuerung der Steuerventilnadel 17 erreicht. Das Regelungsverfahrens verwendet den Gradientenverlauf der Teilhubspannung zwischen dem sechsten Zeitpunkt T 6 und dem siebten Zeitpunkt T 7 während der Haltephase vorzugsweise individuell als Regelgröße für jede Pumpe-Düse-Einheit 2 einer Brennkraftmaschine mit mehreren Pumpe-Düse-Einheiten. Die entsprechenden Steuerprogramme, mit denen der individuelle Gradientenverlauf der Teilhubspannung des piezoelektrischen Aktors der Pumpe-Düse-Einheit 2 erreicht wird, sind im Datenspeicher 11 abgelegt. Die Steuereinheit 5 greift auf die entsprechenden Steuerprogramme zu und steuert in der entsprechenden Weise die Ladeeinheit 7, die eine entsprechende Entladung des piezoelektrischen Aktors 1 durchführt. Somit werden zur Regelung der Pumpe-Düse- Einheit 2 die am piezoelektrischen Aktor 1 anliegende Spannung und der Gradient der Teilhubspannung durch die Messanordnung 6 erfasst und an die Steuereinheit 5 weitergeleitet. Die Steuereinheit 5 vergleicht den gemessenen Gradienten der Teilhubspannung während der Haltephase mit einem für die Pum- pe-Düse-Einheit 2 abgelegten Referenzwert. Bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Pumpe-Düse-Einheiten 2 ist für jede Pumpe-Düse-Einheit ein individueller Referenzwert abgelegt. Entspricht der erfasste Spannungsgradient nicht dem abgelegten Spannungsgradienten, so wird eine Änderung der An- Steuerung des piezoelektrischen Aktors in der Weise durchgeführt, dass sich der tatsächliche Spannungsgradient der Teilhubspannung am Aktor 1 an den im Datenspeicher 11 abgelegten Spannungsgradienten annähert. In einer einfachen Ausführungsform wird zur Regelung der Teilhubspannung ein maximaler Spannungswert am Ende der Haltephase als Regelwert verwendet.
Vorzugsweise wird die Entladezeit, d.h. die Zeit zwischen dem dritten und dem sechsten Zeitpunkt T 3, T 6 konstant gehalten und der Entladegradient zum Erreichen der gewünschten Spannung zum sechsten Zeitpunkt T 6 verändert. Versuche haben gezeigt, dass durch eine Regelung der Teilhubspannung während der Haltephase, d.h. zwischen dem sechsten und dem siebten Zeitpunkt T 6, T 7 eine präzise Einspritzcharakteristik der Pumpe-Düse-Einheit 2 erreicht wird.
Figur 5 zeigt die Teilhubspannung U am Aktor 1 während der Haltephase, wobei die Teilhubspannung ü ein Schwingungsspektrum aufweist. Versuche haben gezeigt, dass als Regelgröße auch der Schwingungsverlauf der Teilhubspannung während der Haltezeit verwendet werden kann. Die Frequenz bzw. die Amplitude der Teilhubspannung wird durch die Feder-Masse- Charakteristik der Steuerventilstrecke in der Pumpe-Düse- Einheit 2 bestimmt. Somit kann sowohl der Gradient der Teilhubspannung als auch der Amplitudenverlauf der Teilhubspannung als Regelgröße für die Steuerung der Pumpe-Düse-Einheit 2 verwendet werden. Bei der Verwendung des Amplituden- Verlaufes sind entsprechende Vergleichsamplitudenverläufe für die Teilhubspannung während der Haltephase im Datenspeicher 11 abgelegt. Für eine Regelung erfasst die Messanordnung 6 den Amplitudenverlauf der Piezospannung während der Haltephase und gibt diesen an die Steuereinheit 5 weiter. Die Steuer- einheit 5 vergleicht den erfassten Amplitudenverlauf der
Teilhubspannung mit dem abgespeicherten Amplitudenverlauf. In Abhängigkeit von der Abweichung wird die Ladeeinheit 7 entsprechend angesteuert, um eine Angleichung des tatsächlichen Amplitudenverlaufes der Piezospannung während der Haltephase an den Vergleichsamplitudenverlauf zu erhalten. In entsprechender Weise wird auch die gemessene Frequenz mit einer Vergleichsfrequenz verglichen und die Ansteuerung der Ladeein- heit 7 in der Weise bei der nächsten Haltephase angepasst, dass eine Annäherung der gemessenen Frequenz an die Vergleichsfrequenz erfolgt.
Die Korrektur der Öffnungszeit des Steuerventils bzw. des Förderendes der Pumpe-Düse-Einheit wird über eine entsprechende Verstellung der Entladeenergie vorzugsweise zylinderindividuell und das resultierende Streckenverhalten erreicht. Das resultierende Streckenverhalten ist dadurch gekennzeich- net, dass durch eine festeingestellte, elektrische Haltephase die Bewegung der Steuerventilnadel 17 in der Weise beein- flusst wird, dass sich diese signifikant in der Spannung bzw. auch in der Piezoladung abbildet. Die Entladeenergie wird nun so lange verstellt, bis sich ein gewünschter Referenzverlauf der Amplitude der Spannung bzw. ein Referenzgradient der
Spannung während der Haltephase einstellt und somit reproduzierbar und zylinderindividuell das Öffnungsverhalten bzw. das Förderende der Pumpe-Düse-Einheit gesteuert werden kann.
Vorzugsweise erfasst die Messanordnung 6 die am piezoelektrischen Aktor 1 anliegende Spannung während eines Normierimpulses, in dem der piezoelektrische Aktor 1 entsprechend einer üblichen Einspritzung angesteuert wird, jedoch die Nockenwelle die Pumpe der Pumpe-Düse-Einheit nicht betätigt.- Die Er- fassung der Spannung des piezoelektrischen Aktors 1 kann jedoch auch während eines normalen Förderimpulses durchgeführt werden.
Bei einem stromlos geschlossenen Steuerventil 1 kann in ana- loger Weise der Ladevorgang des piezoelektrischen Aktors 1 gesteuert und/oder geregelt werden, um Teilhübe der Steuerventilnadel 17 für ein Einspritzende zu steuern bzw. zu regeln.
Figur 6 zeigt einen einfachen Aufbau der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 1. Vom Datenspeicher 11 wird als Sollwert ein Referenzgradient zur Verfügung gestellt, der an eine erste Addiereinheit 20 weitergeleitet wird. Der ersten Addiereinheit 20 wird ein Gradient der gemessenen Spannung des piezoelektrischen Aktors 1 über einen zweiten Eingang zugeführt. Die erste Addiereinheit 20 bildet die Differenz zwi- sehen dem Sollgradienten des Datenspeichers 11 und dem gemessenen Gradienten der Teilhubspannung und gibt die Differenz an einen ersten Steuerblock 21 weiter. Der erste Steuerblock 21 ermittelt aus dem Differenzwert ein Steuersignal für die Ladeeinheit 7. Das Steuersignal wird vom ersten Steuerblock 21 an eine zweite Addiereinheit 22 weitergeleitet. Weiterhin wird ein Sollsteuersignal einem zweiten Steuerblock 23 zugeführt. Der zweite Steuerblock 23 führt eine Kompensation bzgl. des Hystereseverhaltens des piezoelektrischen Aktors 1 durch und gibt ein korrigiertes Sollsteuersignal an einen zweiten Eingang der zweiten Addiereinheit 22. Die zweite Addiereinheit 22 addiert das korrigierte Sollsteuersignal mit dem Steuersignal und gibt ein Endsteuersignal an die Ladeeinheit 7 weiter. Die Ladeeinheit 7 ermittelt aus dem Endsteuersignal eine piezoelektrische Spannung, mit der der piezo- elektrische Aktor 1 angesteuert wird, um ausgehend von der zweiten Spannung U 2 eine Entladung des Aktors auf die dritte Spannung U 3 in der festgelegten Zeit vom dritten Zeitpunkt T 3 zum sechsten Zeitpunkt T 6 entladen wird, um während der Haltephase eine Teilhubspannung am Aktor 1 zu erhalten, die einen Gradienten gemäß dem Sollgradienten aufweist. Zudem wird die von der Ladeeinheit 7 abgegebene Spannung erfasst und ein Spannungsgradient ermittelt, der an die erste Addiereinheit 20 weitergegeben wird. Mit der beschriebenen Anordnung ist ein einfacher Aufbau einer Steuereinheit zur Durch- führung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.
Das Steuerverfahren, das am Beispiel der Steuerventilnadel der Pumpe-Düse-Einheit beschrieben wurde, ist in analoger Weise auf die Steuerung eines Servoventils eines Common-Rail- Einspritzventils und in analoger Weise auf die direkte Steuerung der Düsennadel eines Einspritzventils anwendbar, wobei der piezoelektrische Aktor das Servoventil bzw. die Düsennadel direkt ansteuert.
Bei einem Common-Rail-Einspritzventil wird mit dem piezo- elektrischen Aktor ein Servoventil angesteuert, das einen
Steuerraum mit einem Ablaufräum verbindet. Der Steuerraum ist mit einem Zulauf mit dem Druckspeicher des Common-Rail verbunden. Zudem wird die Düsennadel von dem Druck im Steuerraum auf den zugeordneten Dichtsitz vorgespannt. Die Düsennadel grenzt dabei direkt oder über einen Druckkolben an den Steuerraum. Zudem weist die Düsennadel Druckflächen im Druckraum auf, an denen der Druck des Druckraums angreift und die Düsennadel vom Dichtsitz abheben will. Die Druck- und Flächenverhältnisse sind jedoch so gewählt, dass bei geschlossenem Servoventil die Düsennadel durch den Druck im Steuerraum dichtend gegen den Dichtsitz gedrückt wird. Wird nun das Steuerventil über den piezoelektrischen Aktor geöffnet, so sinkt der Druck im Steuerraum, da über den Zulauf weniger Kraftstoff in den Steuerraum fließt als über den Ablauf in den Ablaufräum abfließt. Der Druckraum ist an den Druckspeicher des Common-Rail angeschlossen. Da der Druck im Druckraum nicht sinkt, wird die Düsennadel von dem Kraftstoffdruck im Druckraum über die Einwirkung auf die Druckflächen vom Dichtsitz abgehoben. Damit wird eine Verbindung zwischen dem Druckraum und Einspritzlöchern freigegeben. Somit wird Kraftstoff vom Druckraum über die Einspritzlöcher abgegeben. Die Einspritzung beginnt. Zum Beenden der Einspritzung wird durch eine Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors das Servoventil wieder geschlossen. Damit wird der Abfluss über den Ablauf gestoppt und der Druck im Steuerraum erhöht sich wieder. Ab einem festgelegten Druck im Steuerraum wird die Düsennadel gegen den Druck im Druckraum wieder auf den Dichtsitz gedrückt und die Einspritzung wird beendet.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann eine Düsennadel auch direkt von einem piezoelektrischen Aktor betätigt werden. Dieses Prinzip ist insbesondere bei Benzin- Einspritzventilen einsetzbar.
Durch das beschriebene Steuerverfahren wird als Steuerventil das Servoventil bei einem Common-Rail-Einspritzsystem angesteuert und dadurch das Einspritzverhalten des Einspritzventils verbessert. In analoger Weise erfolgt auch eine Verbesserung des Einspritzverhaltens bei einem Einspritzventil, bei dem die Düsennadel direkt vom piezoelektrischen Aktor ange- trieben wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors (1) , der ein Steuerventil (3) eines Einspritzsystems, bewegt, wobei der Aktor (1) zuerst auf eine Startspannung (U 2) aufgeladen wird, um über das Steuerventil (3) eine Einspritzung zu starten, wobei anschließend der Aktor (1) entladen wird, um über das Steuerventil die Einspritzung zu beenden, wobei der Aktor (1) beim Entladen auf eine Teilhubspannung (U 3) entladen wird, um eine Teilhubsteuerung des Steuerventils (3) insbesondere für ein Förderende des Einspritz- Systems auszuführen, wobei die Entladung während einer Haltezeit nach Erreichung der Teilspannung unterbrochen wird, und wobei in einem weiteren Schritt der Aktor auf eine Ruhespannung (U 4) entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Teilhubspannung (U 3) des Aktors (1) während der Haltezeit abhängiger Parameter als Sollwert für die Regelung des Aktors (1) verwendet wird, und dass der Aktor (1) entsprechend dem Sollwert angesteuert wird, um einen Teilhub des Steuerventils (3) zu regeln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entladezeit, die zwischen dem Verlassen der Startspannung und dem Erreichen der Teilhubspannung vergeht, bei aufeinander folgenden Ansteuerverfahren des Aktors konstant gehalten wird, und dass für unterschiedliche Start - und/oder Teilhubspannungen der Gradient der Spannung beim Übergang von der Start- zur Teilhubspannung entsprechend eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhubspannung (U 3) von einem Anfangswert während der Haltezeit auf einen Endwert ansteigt, dass zur Steuerung des Aktors (1) als Parameter der Verlauf der Teilhubspannung während der Haltephase verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollgröße ein maximaler Spannungswert für die Teilhubspannung am Ende der Haltephase verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert der Gradient der Teilhubspannung während der Haltephase verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor zur Ansteuerung einer Pumpe-Düse -Einheit (2) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Istwerte die Spannungswerte des Aktors (1) während einer Steuerphase erfasst werden, bei der der Aktor (1) angesteuert wird, aber keine Einspritzung durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter die Teilhubspannung verwendet wird, und dass als Sollgröße eine Frequenz der Teilhubspannung verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter die Teilhubspannung verwendet wird, und dass als Sollgröße die Amplitude und/oder der Amplitudenverlauf der Teilhubspannung verwendet wird.
10. Steuereinheit zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors mit einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet ist, dass die Steuereinheit (5) mit einer Messanordnung (6) verbunden ist, dass die Messanordnung (6) die Spannung am Aktor (1) erfasst, dass die Steuereinheit (5) mit einer Ladeeinheit (7) verbunden ist, die die Ladung und/oder die Spannung des Aktors (1) beein- flusst, und dass die Steuereinheit (5) den Aktor (1) gemäß Anspruch 1 ansteuert.
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