WO2012150298A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ventils - Google Patents

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WO2012150298A1
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PCT/EP2012/058122
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Michael Wirkowski
Christian MEY
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02M2200/09—Fuel-injection apparatus having means for reducing noise

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a valve.
  • valve is used in a high-pressure pump for delivering fluid for a storage-injection system for internal combustion engines of motor vehicles.
  • Such valves are subject to heavy loads, especially when exposed to continuous loads, such as in high pressure pumps. Since high-pressure pumps are exposed to pressures of, for example, 2000 bar or more, high demands are placed on the valves in such pumps. Both when closing and when opening these valves, noise may occur.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device which is suitable for carrying out the method.
  • the valve has a spring with a spring force.
  • the valve furthermore has an actuator with an actuator force which can be actuated counter to the spring force.
  • the valve has a pin which can be actuated by means of the actuator.
  • the valve also has a sealing element which can be coupled to the pin.
  • the valve has a sealing seat on, so that the valve is closed when the sealing element rests against the sealing seat.
  • An expected natural opening time is determined at which the sealing element lifts off from the sealing seat due to a pressure difference in front of and behind the valve.
  • An electric current is impressed on the actuator at a predetermined value at a timing within a predetermined interval before the natural opening time. At the time, the sealing element abuts against the sealing seat. The electric current is impressed such that the pin touches the sealing element and the actuator force corresponds to the spring force reduced by a predetermined value.
  • valve can be opened so slowly that the noise of the valve kept small and yet a reliable and sufficiently rapid opening of the valve can be achieved. Furthermore, wear of the valve can be kept small.
  • the interval in which the predetermined current value is impressed on the actuator is given very short, so that the
  • the actuator m is impressed with a current with a predetermined non-constant course in a first operating mode, starting from an initial value of the current at which the pin is in a position in which it allows the valve to close.
  • Measuring values of the current are determined at successive times, and a reference value of the current assumes the current measured value of the current when the variation of the measured values of the flow from the actuator to the set ⁇ shaped profile of the current deviates to a predetermined extent.
  • the reference value of the current is representative of the fact that the actuator force corresponds to the spring force reduced by the predetermined value.
  • the predetermined value of the current impressed on the actuator within the predetermined interval before the natural opening time corresponds to the reference value.
  • the value of the current which is impressed at the time before the natural opening time can be determined.
  • the reference value of the current and / or the natural opening time are dependent on a temperature of a fluid in the valve or in a predetermined region of the valve. This has the advantage that reference values of the current or the natural opening time can be determined under different, in particular temperature-dependent operating conditions of the valve.
  • the valve is arranged in an injection valve of an internal combustion engine and the Re ⁇ reference value of the current and / or the natural opening time are determined depending on characteristic values of the internal combustion engine.
  • the reference value of the current and / or the natural opening time are stored in an operating characteristic dependent map.
  • the actuator is impressed with an electric current after the natural opening time such that the pin moves to a position in which it does not allow the valve to close.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a pump with a valve in a longitudinal section
  • Figure 2 is a schematic view of the valve in one
  • FIG. 3 shows a schematic view of the valve in three operating states
  • Figure 4 is a schematic view of current curves in
  • FIG. 1 shows a pump 10 with a pump housing 12.
  • the pump 10 is in particular designed as a high pressure pump, preferably as Ra ⁇ dialkolbenpumpe.
  • a pump piston 14 is movably mounted in the pump housing 12 in order to fill the pressure chamber 16 with fluid, this has a supply line 18, in which preferably designed as an inlet valve ⁇ valve 20 is arranged.
  • the valve 20 designed as an inlet valve is preferably designed as a digitally switched valve.
  • the valve 20 facilitates the filling of the pressure chamber 16 and prevented during the filling of the backflow of fluid from the supply line 18.
  • the pressure chamber 16 further includes a drain line 22 in which is embodied as a discharge valve further valve 24 is attached ⁇ arranged. This fluid can be ejected from the pressure chamber 16.
  • the pump 10 further has a drive shaft 26, which is in operative connection with an eccentric ring 28 and is rotatable in a rotational direction D in the clockwise direction.
  • a drive shaft 26 is in operative connection with an eccentric ring 28 and is rotatable in a rotational direction D in the clockwise direction.
  • the eccentric ring 28 and a camshaft can be used.
  • the pump 10 may also be designed as a crank drive pump.
  • FIG. 2 shows the valve 20 with a valve housing 29, which has a recess 30.
  • a spring 32 biases the sealing element 36 over the pin 34 by being supported on a wall of the recess 30.
  • the pin 34 has a first cylindrical part 34a and a second cylindrical part 34b, wherein the first part 34a has a larger diameter than the second part 34b.
  • a sealing seat 38 which is fixedly arranged relative to the valve housing 29 and has passage openings 40. Fluid can flow via the passage recesses 40 when the sealing element 36 is not in contact with the sealing seat 38.
  • the valve 20 further comprises an actuator 42, which is designed in particular as a magnetic coil.
  • the first portion 34a of the pin 34 is disposed within the actuator 42 and may be actuated by the actuator 42.
  • the pump piston 14 By a rotational movement of the drive shaft 26 in a rotational direction D, the pump piston 14 is moved by means of the eccentric ring 28 to the drive shaft 26 until it reaches a bottom dead center.
  • the valve 20 opens due to a spring force F_L of the spring 32 and the pressure difference in front of and behind the valve 20.
  • the sealing element 36 lifts off from the sealing seat 38 (FIG. 3). This time at which the sealing element 36 lifts off from the sealing seat 38 is referred to as the natural opening time NP (FIG. 4).
  • the pressure chamber 16 is now filled with fluid.
  • the valve 20 is closed by applying a current to the actuator 42, whereby an actuator force F_2 acting counter to the spring force F_1 can act on the pin 34.
  • the sealing element 36 can rest against the sealing seat 38, and a fluid flow through the through-holes 40 is prevented.
  • the compressed in the pressure chamber 16 fluid can now be completely discharged from the pump 10 via the formed as an outlet valve further valve 24.
  • the pump piston 14 has now reached a top dead center TP (camshaft signal NS, FIG. 4).
  • the highly pressurized fuel to an constructed as a high-pressure ⁇ fuel reservoir fluid reservoir, the called so-can Common Rail reach.
  • FIG. 3C the control of the valve 20 for a normally open valve will be shown in detail ( Figure 4). It is understood that this can be applied in a corresponding manner to a normally closed valve.
  • TP of the natural opening ⁇ time NP of the valve 20 is predetermined.
  • the natural Publ ⁇ opening time point NP is dependent in embodiments of other influencing variables, in particular the temperature and the pressure in the valve or in areas of the valve. Starting from the top dead center, the valve is TP until natural Publ ⁇ opening time point NP closed. That is, the sealing member 36 abuts on the sealing seat 38 and is in contact therewith.
  • the current imparted to the actuator is adjusted, for example, increased from the time of top dead center, that the force F_2 at a time within a predetermined interval before the natural opening time has been constructed so that the actuator force F_2 substantially Spring force F_l corresponds.
  • the actuator force F_2 is at the time within the predetermined interval minimally smaller than the spring force F_l.
  • the actuator force F_2 corresponds to a reduced by a predetermined value F_3 spring force F_l.
  • the predetermined value F_3 depends on the pressure ratios before and after
  • the actuator force F_2 at the time within the interval before the natural opening time NP is equal to the spring force F_l.
  • the predetermined interval before the natural opening time is chosen infini ⁇ tesimal small. Accordingly, the current is impressed on the actuator 42, that the Aktuatorkraft F_2 immediately before the natural opening time NP is minimally smaller than the spring force F_l.
  • the pin 34 is at the natural opening time NP and immediately before the natural opening time NP of the valve 20 in a middle position between a maximum position of the pin 34, in which the pin 34, in particular the part 34 b, furthest from the sealing seat 38, and a maximum position in which the pin 34, in particular the part 34b, bears against the sealing seat 38.
  • the end of the pin 34 facing away from the spring contacts the sealing element 36 in the middle position, but exerts no or almost no force on the sealing element 36.
  • Moves the sealing element 36 after the natural opening time due to the pressure conditions in the direction of the valve housing 29 away from the sealing seat 38 it follows the pin due to the spring force F_l.
  • By impressed on the actuator current of the pulse is attenuated, which experiences the pen due to the spring force 34.
  • an induction is caused in the actuator 42, which changes the measured values I_AV of the current.
  • the slope of the trend of the measured values I_AV can be determined.
  • a predetermined change of the slope is representative of the natural opening time NP.
  • the trend of the measured values I_AV at the natural opening time NP of the valve 20 has a kink.
  • a shift in the natural opening time NP may, for example, result from a temperature change within the valve or from a change in the pressure of the fluid in the valve.
  • the high-resolution representation of the course of the current in FIG. 4 also shows fluctuations in the current caused by a pulse width modulation.
  • the course of the current is to be understood as linear, and the linear course of the current is only superimposed on the comparatively very small fluctuations of the pulse width modulation.
  • the actuator 42 In a first operating mode, a current with a predetermined course on ⁇ coined.
  • the first mode of operation may also be referred to as a detection mode.
  • the value for the current imparted to the actuator at the time before the natural opening time NP is detected.
  • the impressed current decreases starting from an initial value.
  • the actuator force F_2 is greater than the spring force F_l.
  • the pin 34 is pressed against the spring force F_l in the direction of the spring 32 out.
  • the valve 20 may be closed in this state. If the valve 20 is arranged in the pump 10, then the impressed current takes the Initial value when the pump piston 14 reaches the top dead center TP.
  • measured values I_AV of the current are determined in chronological succession.
  • a current value of a temporal variation of the current is determined.
  • the current is reduced in a linear fashion until the current value of the time variation of the current deviates from a previous value of the time variation of the current by a predetermined amount, that is, the deviation between the current value of the time variation of the current the previous value of the temporal change of the current exceeds a predetermined threshold.
  • the current value of the time variation of the current for example, assumes a positive value, while the preceding value of the time variation of the current has a negative value.
  • the change in the value of the time variation of the current with respect to the previous values of the time variation of the current is caused by an induction of a countercurrent in the actuator 42 due to a movement of the pin 34 in the direction of the spring force F_l.
  • a reference value I_REF of the current now adopts the current measured value I_AV of the current.
  • the reference value I_REF of the current is representative of the fact that the actuator force F_2 is equal to the spring force F_l reduced by the predetermined value F_3.
  • the impressed current is adjusted depending on a pulse width modulation.
  • ⁇ geous when timings for determining the measured values of the current I_AV depend on times of the maxima of the
  • the frequency of the pulse width modulation can be adjusted to the desired time for determining the measured values I_AV of the current become. This makes it possible in particular to adapt the distance of the maxima of the pulse width modulated current to the desired measuring points for determining the measured values I_AV of the current. It is particularly advantageous if the measured values I_AV of the current are determined by a voltage measurement on a shunt resistor.
  • the first mode of operation may in particular be performed depending on ambient conditions, such as the temperature of the valve 20 or a temperature of a fluid in the valve 20 or on characteristics of the internal combustion engine, such as the engine speed or running time.
  • the detection mode takes place in exemplary embodiments in each case at the start of the internal combustion engine.
  • the storage of the reference values I_REF of the current determined for the various operating states of the valve 20 or of the internal combustion engine and of the natural opening time NP takes place in embodiments by storing in an operating-point-dependent map.
  • the reference values I_REF the current and the natural opening ⁇ time NP for different operating conditions of the valve 20 and the internal combustion engine can be stored under the first mode of operation.
  • a second operating mode which is also referred to as work mode
  • the actuator 42 of the current with the predetermined value at the time is imposed, which is located in the front ⁇ given interval before the natural opening timing NP.
  • the time is dependent on the No ⁇ ckenwellensignal NS and in particular depending on the time of top dead center TP.
  • the predetermined value corresponds to the reference value I_REF determined in the first operating mode.
  • the measured values I_AV of the current increase linearly (FIG. 4) from the initial value at the time of top dead center TP.
  • the impressed current takes the final value of the current when the pump piston 14 is near bottom dead center.
  • the final value of the current is representative of the fact that the pin 34 is in a position where it does not allow the valve 20 to close.
  • the pin 34 can be in gentle contact with the sealing element 36 in contact, and thus determine the position of the sealing element 36 relative to the sealing seat 38, whereby the valve 20 can be effectively kept open. Due to the slow movement of the pin 34, the noise of the valve 20 can be kept very small and the valve 20 can still be opened reliably and quickly enough. In addition, the slow movement of the pin 34, the wear of the valve 20 can be kept small.

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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Ventils (20), das eine Feder (32) mit einer Federkraft (F_1), einen Aktuator (42) mit einer entgegen der Federkraft (F_1) wirkbaren Aktuatorkraft (F_2), einen Stift (34), der mittels des Aktuators (42) betätigbar ist, ein Dichtelement (36), das mit dem Stift (34) koppelbar ist, und einem Dichtsitz (38) aufweist, wobei das Ventil geschlossen ist, wenn das Dichtelement (36) an dem Dichtsitz (38) anliegt, umfassend: - Ermitteln eines erwarteten natürlichen Öffnungszeitpunktes (NP), bei dem das Dichtelement (36) auf Grund einer Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil (20) von dem Dichtsitz (38) abhebt, - Aufprägen eines elektrischen Stroms mit einem vorgegebenen Wert auf den Aktuator (42) zu einem Zeitpunkt innerhalb eines vorgegebenen Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt, zu dem das Dichtelement (36) an dem Dichtsitz (38) anliegt, so dass der Stift das Dichtelement (36) berührt und die Aktuatorkraft (F_2) der um einen vorgegebenen Wert verringerten Federkraft (F_1) entspricht. Eine Vorrichtung ist zum Durchführen des Verfahrens geeignet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Ventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils.
Insbesondere wird ein derartiges Ventil in einer Hochdruckpumpe zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
Derartige Ventile unterliegen starken Beanspruchungen, insbesondere, wenn sie Dauerbelastungen, wie zum Beispiel in Hochdruckpumpen, ausgesetzt sind. Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise 2000 bar oder mehr ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen an die Ventile in derartigen Pumpen gestellt. Sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen dieser Ventile können Geräusche auftreten.
Es ist wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils anzugeben, mit dem beziehungsweise mit der ein präziser und geräuscharmer Betrieb des Ventils ermöglich ist.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung, die zum Durchführen des Verfahrens geeignet ist.
In einer Ausführungsform weist das Ventil eine Feder mit einer Federkraft auf. Das Ventil weist weiterhin einen Aktuator mit einer entgegen der Federkraft wirkbaren Aktuatorkraft auf. Das Ventil weist einen Stift auf, der mittels des Aktuators betätigbar ist. Das Ventil weist weiterhin ein Dichtelement auf, das mit dem Stift koppelbar ist. Das Ventil weist einen Dichtsitz auf, so dass das Ventil geschlossen ist, wenn das Dichtelement an dem Dichtsitz anliegt .
Ein erwarteter natürlicher Öffnungszeitpunkt wird ermittelt, bei dem das Dichtelement aufgrund einer Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil von dem Dichtsitz abhebt. Ein elektrischer Strom wird mit einem vorgegebenen Wert auf den Aktuator aufgeprägt zu einem Zeitpunkt innerhalb eines vorgegebenen Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt. Zu dem Zeitpunkt liegt das Dichtelement an dem Dichtsitz an. Der elektrische Strom wird so aufgeprägt, dass der Stift das Dichtelement berührt und die Aktuatorkraft der um einen vorgegebenen Wert verringerten Federkraft entspricht.
Dies hat den Vorteil, dass das Ventil derart langsam geöffnet werden kann, dass die Geräuschentwicklung des Ventils klein gehalten und dennoch ein zuverlässiges und ausreichend rasches Öffnen des Ventils erreichbar ist. Des Weiteren kann ein Verschleiß des Ventils klein gehalten werden.
Der Wert, um den die Federkraft verringert ist, in insbesondere Abhängig von Druck beziehungsweise der aus dem Druck resultierenden Kraft an dem Dichtelement zum natürlichen Öffnungszeitpunkt .
Das Intervall, in dem der vorgegebene Stromwert auf den Aktuator aufgeprägt wird, wird sehr kurz vorgegeben, so dass der
Zeitpunkt, zu dem der vorgegebene Stromwert auf den Aktuator aufgeprägt wird, unmittelbar vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt liegt. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der vorgegebene Stromwert auf den Aktuator aufgeprägt wird, liegt das Dicht¬ element gerade noch an dem Dichtsitz an und im nächsten nachfolgenden Schritt, zum Zeitpunkt des natürlichen Öffnungszeitpunktes, hebt das Dichtelement von dem Dichtsitz ab. Gemäß weiteren Ausführungsformen wird dem Aktuator m einem ersten Betriebsmodus ein Strom mit einem vorgegebenen nicht konstanten Verlauf aufgeprägt ausgehend von einem Anfangswert des Stroms, bei dem der Stift in einer Position ist, in der er das Schließen des Ventils erlaubt. Messwerte des Stroms werden zeitlich aufeinander folgend ermittelt, und ein Referenzwert des Stroms nimmt den aktuellen Messwert des Stroms an, sobald der Verlauf der Messwerte des Stroms von dem dem Aktuator aufge¬ prägten Verlauf des Stroms in einem vorgegebenen Maße abweicht. Der Referenzwert des Stroms ist repräsentativ dafür, dass die Aktuatorkraft der um den vorgegebenen Wert verringerten Federkraft entspricht. In einem zweiten Betriebsmodus entspricht der vorgegebene Wert des Stroms, der zu dem Zeitpunkt innerhalb des vorgegebenen Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt dem Aktuator aufgeprägt wird, dem Referenzwert. So ist im ersten Betriebsmodus der Wert des Stroms ermittelbar, der zu dem Zeitpunkt vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt aufgeprägt wird .
In weiteren Ausführungsformen sind der Referenzwert des Stroms und/oder der natürliche Öffnungszeitpunkt abhängig von einer Temperatur eines Fluids in dem Ventil oder in einem vorgegebenen Bereich des Ventils. Dies hat den Vorteil, dass Referenzwerte des Stroms beziehungsweise der natürliche Öffnungszeitpunkt unter verschiedenen, insbesondere temperaturabhängigen Betriebsbedingungen des Ventils, ermittelt werden können.
In weiteren Ausführungsformen ist das Ventil in einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine angeordnet und der Re¬ ferenzwert des Stroms und/oder der natürliche Öffnungszeitpunkt werden abhängig von Kennwerten der Brennkraftmaschine ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass Referenzwerte des Stroms bezie¬ hungsweise der natürliche Öffnungszeitpunkt unter verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ermittelt werden können .
In weiteren Ausführungsformen werden der Referenzwert des Stroms und/oder der natürliche Öffnungszeitpunkt in einem Betriebspunkt abhängigem Kennfeld abgelegt. Dies hat den Vorteil, dass die Referenzwerte des Stroms beziehungsweise der natürliche Öff¬ nungszeitpunkt für verschiedene Betriebsbedingungen des Ventils beziehungsweise der Brennkraftmaschine insbesondere im Rahmen des ersten Betriebsmodus abgespeichert werden können und für den jeweiligen aktuellen Betriebszustand des Ventils beziehungs¬ weise der Brennkraftmaschine während des zweiten Betriebsmodus zur Anwendung kommen können. Insbesondere wird in dem zweiten Betriebsmodus dem Aktuator nach dem natürlichen Öffnungszeitpunkt so ein elektrischer Strom aufgeprägt, dass sich der Stift in eine Position bewegt, in der er das Schließen des Ventils nicht erlaubt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 erläuterten Beispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnis zueinander sind grundsätzlich nicht als maßstabs¬ gerecht anzusehen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Pumpe mit einem Ventil in einem Längsschnitt, Figur 2 eine schematische Ansicht des Ventils in einem
Längsschnitt,
Figur 3 eine schematische Ansicht des Ventils in drei Be- triebs zuständen,
Figur 4 eine schematische Ansicht von Stromverläufen beim
Steuern des Ventils. Figur 1 zeigt eine Pumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12. Die Pumpe 10 ist insbesondere als Hochdruckpumpe, vorzugsweise als Ra¬ dialkolbenpumpe ausgebildet. In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenkolben 14 bewegbar gelagert. In dem Pumpengehäuse 12 befindet sich an einem Ende des Pumpenkolbens 14 ein Druckraum 16. Um den Druckraum 16 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufleitung 18 auf, in der vorzugsweise ein als Ein¬ lassventil ausgebildetes Ventil 20 angeordnet ist. Das als Einlassventil ausgebildete Ventil 20 ist vorzugsweise als digital geschaltetes Ventil ausgebildet. Das Ventil 20 er- leichtert die Befüllung des Druckraums 16 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des Fluids aus der Zulaufleitung 18. Der Druckraum 16 weist weiter eine Ablaufleitung 22 auf, in der ein als Auslassventil ausgebildetes weiteres Ventil 24 ange¬ ordnet ist. Damit kann Fluid aus dem Druckraum 16 ausgestoßen werden.
Die Pumpe 10 weist weiter eine Antriebswelle 26 auf, die mit einem Exzenterring 28 in Wirkverbindung steht und in einer Drehrichtung D im Uhrzeigersinn drehbar ist. Anstelle des Exzenterrings 28 kann auch eine Nockenwelle eingesetzt werden. Alternativ kann die Pumpe 10 auch als Kurbeltriebpumpe ausgeführt sein.
Figur 2 zeigt das Ventil 20 mit einem Ventilgehäuse 29, das eine Ausnehmung 30 aufweist. In der Ausnehmung 30 sind eine Feder 32, ein Stift 34 und ein Dichtelement 36 angeordnet. Die Feder 32 spannt das Dichtelement 36 über den Stift 34 vor, indem sie sich an einer Wand der Ausnehmung 30 abstützt. Der Stift 34 hat einen ersten zylinderförmigen Teil 34a und einen zweiten zylinder- förmigen Teil 34b, wobei der erste Teil 34a einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Teil 34b.
In der Ausnehmung 30 befindet sich weiter ein gegenüber dem Ventilgehäuse 29 fest angeordneter Dichtsitz 38, der Durch- gangsausnehmungen 40 aufweist. Über die Durchgangsausnehmungen 40 kann Fluid strömen, wenn das Dichtelement 36 nicht an dem Dichtsitz 38 anliegt.
Das Ventil 20 weist weiter einen Aktuator 42 auf, der insbesondere als Magnetspule ausgebildet ist. Der erste Teil 34a des Stifts 34 ist innerhalb des Aktuators 42 angeordnet und kann von dem Aktuator 42 betätigt werden.
Im Folgenden soll die Funktionsweise der Pumpe 10 und des Ventils 20 beschrieben werden:
Durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 26 in einer Drehrichtung D wird der Pumpenkolben 14 mittels des Exzenterrings 28 zu der Antriebswelle 26 hin bewegt, bis er einen unteren Totpunkt erreicht. Dabei öffnet das Ventil 20 aufgrund einer Federkraft F_l der Feder 32 und der Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil 20. Das Dichtelement 36 hebt von dem Dichtsitz 38 ab (Figur 3) . Dieser Zeitpunkt, an dem das Dichtelement 36 von dem Dichtsitz 38 abhebt, wird als natürlicher Öffnungszeitpunkt NP (Figur 4) bezeichnet.
Der Druckraum 16 wird nun mit Fluid befüllt. Durch eine weitere Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D wird der Pumpenkolben 14 durch den Exzenterring 28 von der Antriebswelle 26 weg bewegt und verdichtet dabei das in dem Druckraum 16 befindliche Fluid. Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wird das Ventil 20 durch Anlegen eines Stroms an den Aktuator 42 geschlossen, wodurch eine entgegen der Federkraft F_l wirkende Aktuatorkraft F_2 auf den Stift 34 wirken kann. Durch die Bewegung des Stifts 34 in Richtung der Aktuatorkraft F_2 und der herrschenden Druckverhältnisse vor und hinter dem Ventil 20 kann sich das Dichtelement 36 an den Dichtsitz 38 anlegen, und eine Fluidströmung durch die Durchgangsausnehmungen 40 ist unter- bunden. Das in den Druckraum 16 verdichtete Fluid kann nun vollständig über das als Auslassventil ausgebildete weitere Ventil 24 aus der Pumpe 10 ausgestoßen werden. Der Pumpenkolben 14 hat nun einen oberen Totpunkt TP erreicht (Nockenwellensignal NS, Figur 4) .
Handelt es sich bei der Pumpe 10 um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann der mit hohem Druck beaufschlagte Kraftstoff zu einem als Hochdruck¬ kraftstoffSpeicher ausgebildeten Fluidspeicher, dem so ge- nannten Common Rail, gelangen.
Sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des Ventils 20 können aufgrund mechanischer und hydraulischer Ursachen Geräusche an dem Ventil 20 auftreten. Die beim Öffnen des Ventils 20 auf- tretenden Geräusche werden im Folgenden anhand von Figur 3 beschrieben. Beim Öffnen des Ventils gelangt in einem ersten Schritt das Dichtelement 36 in Anschlag mit dem Ventilgehäuse 29 (Figur 3A) , wodurch ein erstes Geräusch auftreten kann. Das Dichtelement 36 kann sich nach dem Kontakt mit dem Ventilgehäuse 29 wieder in Richtung auf den Stift 34 zu bewegen, während der Stift 34 seinerseits durch die Federkraft F_l der Feder 32 auf das Dichtelement 36 zu bewegt wird. Treffen das Dichtelement 36 und der Teil 34a des Stifts 34 aufeinander, so kann ein weiteres Geräusch auftreten (Figur 3B) . Im Folgenden wird der Stift 34 0
o durch die Federkraft F_l der Feder 32 gegen den Dichtsitz 38 bewegt. Trifft das Teil 34b des Stifts 34 auf den Dichtsitz 38 auf, so kann ein weiteres Geräusch entstehen (Figur 3C) . Im Folgenden soll das Steuern des Ventils 20 für ein stromlos offenes Ventil im Detail dargestellt werden (Figur 4) . Es versteht sich, dass dies in entsprechender Weise auf ein stromlos geschlossenes Ventil angewendet werden kann. Abhängig vom oberen Totpunkt TP ist der natürliche Öffnungs¬ zeitpunkt NP des Ventils 20 vorgegeben. Der natürliche Öff¬ nungszeitpunkt NP ist in Ausführungsformen von weiteren Einflussgrößen abhängig, insbesondere der Temperatur und dem Druck in dem Ventil oder in Bereichen an dem Ventil. Ausgehend vom oberen Totpunkt TP ist das Ventil bis zum natürlichen Öff¬ nungszeitpunkt NP geschlossen. Das heißt, das Dichtelement 36 liegt auf dem Dichtsitz 38 an und ist mit diesem in Kontakt.
Der Strom, der auf den Aktuator aufgeprägt wird, wird so eingestellt, beispielsweise vom Zeitpunkt des oberen Totpunkts ausgehend gesteigert, dass sich die Kraft F_2 zu einem Zeitpunkt innerhalb eines vorgegebenen Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt so aufgebaut hat, dass die Aktuatorkraft F_2 im Wesentlichen der Federkraft F_l entspricht. Die Aktuatorkraft F_2 ist zu dem Zeitpunkt innerhalb des vorgegebenen Intervalls minimal kleiner als die Federkraft F_l . Die Aktuatorkraft F_2 entspricht einer um einen vorgegebenen Wert F_3 verringerten Federkraft F_l . Der vorgegebene Wert F_3 ist beispielsweise abhängig von den Druckverhältnissen vor und hinter dem
Dichtelement 36. In Ausführungsformen ist die Aktuatorkraft F_2 zu dem Zeitpunkt innerhalb des Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt NP gleich der Federkraft F_l . Das vorgegebene Intervall vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt wird infini¬ tesimal klein gewählt. Entsprechend wird der Strom so auf den Aktuator 42 aufgeprägt, dass die Aktuatorkraft F_2 unmittelbar vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt NP minimal kleiner ist als die Federkraft F_l . Dadurch ist der Stift 34 zum natürlichen Öffnungszeitpunkt NP und unmittelbar vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt NP des Ventils 20 in einer Mittelstellung zwischen einer maximalen Position des Stifts 34, in der der Stift 34, insbesondere der Teil 34b, am weitesten von dem Dichtsitz 38 beabstandet ist, und einer maximalen Position, in der der Stift 34, insbesondere der Teil 34b, an dem Dichtsitz 38 anliegt.
Das der Feder abgewandte Ende des Stifts 34 berührt in der Mittelposition das Dichtelement 36, wirkt aber keine oder nahezu keine Kraft auf das Dichtelement 36 aus. Bewegt sich das Dichtelement 36 nach dem natürlichen Öffnungszeitpunkt aufgrund der Druckverhältnisse in Richtung des Ventilgehäuses 29 weg vom Dichtsitz 38, folgt ihm der Stift aufgrund der Federkraft F_l . Durch den auf dem Aktuator aufgeprägten Strom wird der Impuls abgeschwächt, den der Stift auf Grund der Federkraft 34 erfährt. Zudem wird aufgrund der Bewegung des Stifts 34 eine Induktion im Aktuator 42 hervorgerufen, die die Messwerte I_AV des Stroms verändert .
Dadurch, dass sich der Stift nur von der Mittelposition bis zu der Endposition bewegt, ist die Strecke, die der Stift zu¬ rücklegt, verringert. Dies verkürzt die benötigte Zeit, bis der Stift in der rechten Position angelangt ist. Dadurch kann eine geringe Geschwindigkeit für die Bewegung des Stifts verwendet werden. Dies reduziert die Auftreffenergie (vergleiche Figuren 3A bis 3C) . Insbesondere der reduzierte Aufprallimpuls des Stifts auf den Endanschlag 38 führt zu einem leisen und verschleißarmen Öffnen des Ventils. 1
Während des Betriebs kann die Steigung des Trends der Messwerte I_AV ermittelt werden. Eine vorgegebene Änderung der Steigung ist repräsentativ für den natürlichen Öffnungszeitpunkt NP. Wie in Figur 4 gezeigt, weist der Trend der Messwerte I_AV zum na- türlichen Öffnungszeitpunkt NP des Ventils 20 einen Knick auf. Durch eine Ermittlung der vorgegebenen Änderung der Steigung des Trends der Messwerte I_AV kann der natürliche Öffnungszeitpunkt während des Betriebs, insbesondere während des zweiten Be¬ triebsmodus nachgeregelt werden. Eine Verschiebung des na- türlichen Öffnungszeitpunkts NP kann sich beispielsweise durch eine Temperaturveränderung innerhalb des Ventils ergeben oder durch eine Änderung des Drucks des Fluids in dem Ventil.
Die in Figur 4 hoch aufgelöste Darstellung des Verlaufs des Stroms zeigt auch durch eine Pulsweitenmodulation bedingte Schwankungen des Stroms. Grundsätzlich ist der Verlauf des Stroms jedoch als linear zu verstehen, und der lineare Verlauf des Stroms wird lediglich von den vergleichsweise sehr kleinen Schwankungen der Pulsweitenmodulation überlagert.
Für ein Öffnen des Ventils 20 wird dem Aktuator 42 in einem ersten Betriebsmodus ein Strom mit einem vorgegebenen Verlauf auf¬ geprägt. Der erste Betriebsmodus, kann auch als Detektionsmodus bezeichnet werden. Im ersten Betriebsmodus wird der Wert für den Strom detektiert, der dem Aktuator zu dem Zeitpunkt vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt NP aufgeprägt wird.
Der aufgeprägte Strom nimmt ausgehend von einem Anfangswert ab. Für den Anfangswert des Stroms ist die Aktuatorkraft F_2 größer als die Federkraft F_l . Damit wird der Stift 34 entgegen der Federkraft F_l in Richtung auf die Feder 32 hin gedrückt. Das Ventil 20 kann in diesem Zustand geschlossen sein. Ist das Ventil 20 in der Pumpe 10 angeordnet, so nimmt der aufgeprägte Strom den Anfangswert an, wenn der Pumpenkolben 14 den oberen Totpunkt TP erreicht .
Im Folgenden werden Messwerte I_AV des Stroms zeitlich auf- einanderfolgend ermittelt. Abhängig von zwei aufeinanderfol¬ genden Messwerten I_AV des Stroms wird ein aktueller Wert einer zeitlichen Veränderung des Stroms bestimmt. Der Strom wird so lange in linearer Weise reduziert, bis der aktuelle Wert der zeitlichen Veränderung des Stroms von einem vorhergehenden Wert der zeitlichen Veränderung des Stroms in einem vorgegebenen Maße abweicht, das heißt, dass die Abweichung zwischen dem aktuellen Wert der zeitlichen Veränderung des Stroms zu dem vorhergehenden Wert der zeitlichen Veränderung des Stroms einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Der aktuelle Wert der zeitlichen Veränderung des Stroms nimmt beispielsweise einen positiven Wert an, während der vorhergehende Wert der zeitlichen Veränderung des Stroms einen negativen Wert aufweist. Die Änderung des Werts der zeitlichen Veränderung des Stroms gegenüber den vorhergehenden Werten der zeitlichen Veränderung des Stroms wird verursacht durch eine Induktion eines Gegenstroms in dem Aktuator 42 aufgrund einer Bewegung des Stifts 34 in Richtung der Federkraft F_l . Ein Referenzwert I_REF des Stroms nimmt nun den aktuellen Messwert I_AV des Stroms an. Der Referenzwert I_REF des Stroms ist repräsentativ dafür, dass die Aktuatorkraft F_2 gleich der um den vorgegebenen Wert F_3 verringerten Federkraft F_l ist.
Vorzugsweise wird der aufgeprägte Strom abhängig von einer Pulsweitenmodulation eingestellt. Insbesondere ist es vor¬ teilhaft, wenn Zeitpunkte zum Ermitteln der Messwerte I_AV des Stroms abhängig sind von Zeitpunkten der Maxima des
pulsweitenmodulierten Stroms.
Die Frequenz der Pulsweitenmodulation kann den gewünschten Zeitpunkt zum Ermitteln der Messwerte I_AV des Stroms angepasst werden. Damit ist es insbesondere möglich, den Abstand der Maxima des pulsweitenmodulierten Stroms an die gewünschten Messpunkte zum Ermitteln der Messwerte I_AV des Stroms anzupassen. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Messwerte I_AV des Stroms durch eine Spannungsmessung an einen Nebenschlusswiderstand ermittelt werden.
Der erste als Detektionsmodus bezeichnete Betriebsmodus kann insbesondere abhängig von Umgebungsbedingungen, wie der Temperatur des Ventils 20 oder einer Temperatur eines Fluids in dem Ventil 20 oder abhängig von Kennwerten der Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel der Drehzahl oder der Laufzeit der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Die Detektionsmodus erfolgt in Ausführungsbeispielen jeweils beim Start der Brennkraftmaschine. Die Speicherung der für die verschiedenen Be- triebszustände des Ventils 20 oder der Brennkraftmaschine ermittelten Referenzwerte I_REF des Stroms und der natürlichen Öffnungszeitpunkt NP erfolgt in Ausführungsformen durch Ablegen in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld. Damit können die Referenzwerte I_REF des Stroms und der natürliche Öffnungs¬ zeitpunkt NP für verschiedene Betriebsbedingungen des Ventils 20 beziehungsweise der Brennkraftmaschine im Rahmen des ersten Betriebsmodus abgespeichert werden.
In einem zweiten Betriebsmodus, der auch als Arbeitsmodus bezeichnet wird, wird dem Aktuator 42 der Strom mit dem vorgegebenen Wert zu dem Zeitpunkt aufgeprägt, der im den vor¬ gegebenen Intervall vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt NP liegt. Insbesondere Ist der Zeitpunkt abhängig von dem No¬ ckenwellensignal NS und insbesondere abhängig von dem Zeitpunkt des oberen Totpunktes TP. Der vorgegebene Wert entspricht dem im ersten Betriebsmodus ermittelten Referenzwert I_REF. Die Messwerte I_AV des Stroms nehmen linear zu (Figur 4) ausgehend von dem Ausgangswert zum Zeitpunkt des oberen Totpunktes TP. Ist das Ventil 20 in der Pumpe 10 angeordnet, so nimmt der aufgeprägte Strom den Endwert des Stroms an, wenn der Pumpenkolben 14 nahe dem unteren Totpunkt ist.
Der Endwert des Stroms ist repräsentativ dafür, dass der Stift 34 in einer Position ist, in der er das Schließen des Ventils 20 nicht erlaubt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Federkraft F_l nur wenig größer als die Aktuatorkraft F_2 ist. Der Stift 34 kann in sanfter Weise mit dem Dichtelement 36 in Kontakt gelangen, und so die Position des Dichtelements 36 gegenüber dem Dichtsitz 38 festlegen, wodurch das Ventil 20 wirksam offen gehalten werden kann. Durch die langsame Bewegung des Stifts 34 kann die Geräuschentwicklung des Ventils 20 sehr klein gehalten werden und das Ventil 20 dennoch zuverlässig und ausreichend rasch geöffnet werden. Durch die langsame Bewegung des Stifts 34 kann darüber hinaus der Verschleiß des Ventils 20 klein gehalten werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Ventils (20), das aufweist eine Feder (32) mit einer Federkraft (F_l), einen Aktuator (42) mit einer entgegen der Federkraft (F_l) wirkbaren Aktuatorkraft (F_2), einen Stift (34), der mittels des Aktuators (42) betätigbar ist, ein Dichtelement (36), das mit dem Stift (34) koppelbar ist, und einem Dichtsitz 38, so dass das Ventil geschlossen ist, wenn das Dichtelement 36 an dem Dichtsitz 38 anliegt, umfassend:
- Ermitteln eines erwarteten natürlichen Öffnungszeitpunktes (NP) , bei dem das Dichtelement (36) auf Grund einer Druck¬ differenz vor und hinter dem Ventil (20) von dem Dichtsitz (38) abhebt,
- Aufprägen eines elektrischen Stroms mit einem vorgegebenen Wert auf den Aktuator (42) zu einem Zeitpunkt innerhalb eines vorgegebenen Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt, zu dem das Dichtelement (36) an dem Dichtsitz (38) anliegt, so dass der Stift das Dichtelement (36) berührt und die
Aktuatorkraft (F_2) der um einen vorgegebenen Wert verringerten Federkraft (F_l) entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem ersten Betriebsmodus :
- dem Aktuator (42) der Strom mit einem vorgegebenen nicht konstanten Verlauf aufgeprägt wird ausgehend von einem An¬ fangswert des Stroms, bei dem der Stift (34) in einer Position ist, in der er das Schließen des Ventils (20) erlaubt,
- Messwerte (I_AV) des Stroms zeitlich aufeinander folgend ermittelt werden,
- ein Referenzwert (I_REF) des Stroms den aktuellen Messwert (I_AV) des Stroms annimmt, sobald der Verlauf der Messwerte (I_AV) des Stroms von dem dem Aktuator (42) aufgeprägten Verlauf des Stroms in einem vorgegebenen Maße abweicht, wobei der Referenzwert (I_REF) des Stroms repräsentativ ist dafür, dass die Aktuatorkraft (F_2) der um einen vorgegebenen Wert verringerten Federkraft (F_l) entspricht,
und bei dem in einem zweiten Betriebsmodus:
- der vorgegebene Wert des Stroms, der zu dem Zeitpunkt innerhalb des Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt dem Ak- tuator aufgeprägt wird, dem Referenzwert (I_REF) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Feder (32) ausgebildet ist zum Öffnen des Ventils (20),
bei dem in dem ersten Betriebsmodus
- der aufgeprägte Strom linear abnimmt ausgehend von dem An¬ fangswert des Stroms, und für den Anfangswert des Stroms die Aktuatorkraft (F_2) größer ist als die Federkraft (F_l) .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem der aufgeprägte Strom abhängig von einer Pulsweitenmodulation eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die
Messwerte (I_AV) des Stroms abhängig von einer Spannung an einem Nebenschlusswiderstand ermittelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Referenzwert (I_REF) des Stroms bestimmt wird abhängig von einer Temperatur eines Fluids in dem Ventil (20) oder in einem vorgegebenen Bereich des Ventils (20) .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem das Ventil (20) in einem Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine ange¬ ordnet ist, und der Referenzwert (I_REF) des Stroms bestimmt wird abhängig von Kennwerten der Brennkraftmaschine.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem der Referenzwert (I_REF) des Stroms in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld abgelegt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem im zweiten Betriebsmodus Messwerte (I_AV) des Stroms abhängig von einer Spannung an einem Nebenschlusswiderstand ermittelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der natürliche Öffnungszeitpunkt (NP) abhängig von einer Temperatur eines Fluids in dem Ventil (20) oder in einem vorgegebenen Bereich des Ventils (20) und/oder dem Druck innerhalb des Ventils (20) ermittelt wird.
11. Verfahrennach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Ventil (20) in einem Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine ange¬ ordnet ist, und der natürliche Öffnungszeitpunkt (NP) ermittelt wird abhängig von Kennwerten der Brennkraftmaschine.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der natürliche Öffnungszeitpunkt (NP) in einem betriebspunktab¬ hängigen Kennfeld abgelegt wird.
13. Verfahrennach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem im zweiten Betriebsmodus dem Aktuator nach dem natürlichen Öffnungszeitpunkt (NP) so ein elektrischer Strom aufgeprägt wird, dass sich der Stift (34) in eine Position bewegt, in der er das Schließen des Ventils (20) nicht erlaubt.
14. Vorrichtung zum Steuern eines Ventils (20) , das aufweist eine Feder (32) mit einer Federkraft (F_l), einen Aktuator (42) mit einer entgegen der Federkraft (F_l) wirkbaren Aktuatorkraft (F_2), einen Stift (34), der mittels des Aktuators (42) betätigbar ist, ein Dichtelement (36), das mit dem Stift (34) koppelbar ist, und einem Dichtsitz 38, so dass das Ventil geschlossen ist, wenn das Dichtelement 36 an dem Dichtsitz 38 anliegt, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- Ermitteln eines erwarteten natürlichen Öffnungszeitpunktes (NP) , bei dem das Dichtelement (36) auf Grund einer Druck¬ differenz vor und hinter dem Ventil (20) von dem Dichtsitz (38) abhebt,
- Aufprägen eines elektrischen Stroms mit einem vorgegebenen Wert auf den Aktuator (42) zu einem Zeitpunkt innerhalb eines vorgegebenen Intervalls vor dem natürlichen Öffnungszeitpunkt, zu dem das Dichtelement (36) an dem Dichtsitz (38) anliegt, so dass der Stift das Dichtelement (36) berührt und die
Aktuatorkraft (F_2) der um einen vorgegebenen Wert verringerten Federkraft (F l) entspricht.
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