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Dokumentenidentifikation DE102004058971B4 28.12.2006
Titel Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors und Steuereinheit zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors
Anmelder Volkswagen Mechatronic GmbH & Co. KG, 09366 Stollberg, DE
Erfinder Wiehoff, Hans-Jörg, 93049 Regensburg, DE;
Schmidt, Harald, Wien, AT;
Pirkl, Richard, 93047 Regensburg, DE
Vertreter Wilhelm & Beck, 80636 München
DE-Anmeldedatum 08.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058971
Offenlegungstag 14.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.12.2006
IPC-Hauptklasse H02N 2/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02D 41/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

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 Kraftstoffeinspritzsystems. 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 Kleinstmengenstabilität 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 Öffnungsverhalten des Einspritzventils aus der Spannung des piezoelektrischen Aktors ermittelt. Dazu sind verschiedene Steuerverfahren bekannt.

Aus DE 199 21 456 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors und eine gattungsgemäße Steuereinheit zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der piezoelektrische Aktor zum Öffnen und Schließen eines Ventils eines Kraftstoff-Einspritzsystems eingesetzt, wobei das Öffnen und Schließen des Ventils in mehreren Zeitintervallen durch Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Aktors durchgeführt wird. Beim Öffnen und Schließen des Ventils wird der piezoelektrische Aktor anfänglich mit einer ersten Teilladung mit einer maximalen Steigung geladen. Der piezoelektrische Aktor wird nach einer darauffolgenden Pause in derselben Richtung mit einer zweiten Teilladung auf den endgültigen Hub geladen. Die Steigung für die zweite Teilladung kann kleiner sein als die maximale Steigung des ersten Teilhubs, sodass beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils kein Überschwinger auftritt. Eine Restladephase ist so gewählt, dass für das mechanische System ein aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird. Es werden mechanische Schwingeigenschaften des Aktor-Ventilglied-Hydrauliksystems ermittelt und entsprechend dieser ermittelten Systemparameter werden die Hübe und Steigungen für die Aktorhübe angepasst.

Aus DE 103 60 019 A1, die nachveröffentlicht ist, wird ein Verfahren zum Steuern eines Ventils und ein Verfahren zum Steuern einer Pumpe-Düse-Vorrichtung mit einem Ventil beschrieben. Das Ventil hat einen Ventilantrieb, der als Piezoaktor ausgebildet ist, ein Ventilglied, einen Ventilkörper und einen Ventilsitz. Zu einem vorgebbaren Zeitpunkt wird das Ventilglied von einer Position in Anlage mit einem Ventilsitz in eine vorgegeben Position entfernt von dem Ventilglied gesteuert durch einen Entladevorgang des Piezoaktors. Der Entladevorgang wird aufgeteilt in eine erste Entladezeitdauer, während der eine vorgegebene erste elektrische Energiemenge von dem Piezoaktor abgeführt wird, eine darauffolgende Haltezeitdauer, während der der Piezoaktor nicht angesteuert wird, und eine darauffolgende zweite Entladezeitdauer, während der eine vorgegebene zweite elektrische Energiemenge von dem Piezoaktor abgeführt wird. Abhängig von dem Verlauf einer Größe, die charakteristisch ist für das Schwingungsverhalten des Piezoaktors während der Haltezeitdauer, wird die Haltzeitdauer und/oder die erste Entladezeit adaptiert.

Aus DE 197 14 607 und aus DE 198 54 789 A1 sind jeweils Verfahren und Vorrichtungen zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elementes bekannt, bei denen das piezoelektrische Element mittels Teilhüben angesteuert wird.

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 Patentanspruch 1 und durch die Steuereinheit gemäß Patentanspruch 10 gelöst.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein von der Teilhubspannung abhängiger Parameter als Regelgröße 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 Regelgröße 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 Wertebereich 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 einer Pumpe-Düse-Einheit 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 einer Pumpe-Düse-Einheit eines Kraftstoffeinspritzsystems. Vorzugsweise werden die Spannungswerte des Aktors während einer Testansteuerung des Aktors erfasst, bei dem keine Einspritzung erfolgt, sondern nur Messwerte ermittelt werden. Somit wird der Einspritzbetrieb durch die Erfassung der Messwerte nicht beeinträchtigt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird als Parameter 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

1 eine schematische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

2 ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Einspritzsequenz mit Voreinspritzung und Haupteinspritzung,

3 eine detaillierte Darstellung einer Steuerventilöffnungsphase einer Pumpe-Düse-Einheit,

4 eine detaillierter Darstellung des Spannungsverlaufes während einer Absteuer- Haltephase,

5 der Entspannungsverlauf des piezoelektrischen Aktors während der Teilhubspannung und

6 eine einfach aufgebaute Ansteuerschaltung für den piezoelektrischen Aktor.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung mit einer Pumpe-Düse-Einheit 2, die mit einer Messanordnung 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 Kraftstoffreservoir 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 Nadeldichtsitz 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 Verbindung. 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 Kraftstoff 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 Steuereinheit 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 Steuereinheit 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.

2 zeigt ein Diagramm für einen typischen Einspritzverlauf der Pumpe-Düse-Einheit 2 mit einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung. 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 T1 ist die Voreinspritzung und in einem folgenden zweiten Zeitabschnitt T2 die Haupteinspritzung dargestellt. Bei der Voreinspritzung wird die Piezospannung erst auf einen ersten Spannungswert U1 und anschließend nach einem kurzen Abfall auf einen zweiten Spannungswert U2 erhöht, der größer als der erste Spannungswert U1 ist. Der zweite Spannungswert U2 stellt eine Startspannung dar. Nach einer festgelegten Zeitspanne wird die Spannung vom zweiten Spannungswert U2 auf einen dritten Spannungswert U3 abgesenkt und nach einem kurzen Erhöhen der Spannung entgültig auf einen vierten Spannungswert U4 abgesenkt, der kleiner als der dritte Spannungswert U3 ist. Die Spannung zwischen dem dritten und vierten Spannungswert U3, U4 stellt eine Teilhubspannung dar. Durch die verschiedenen Spannungswerte werden Teilhübe des piezoelektrischen Aktors 1 eingestellt.

In 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 entspricht. 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 Nadeldichtsitz 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 U2 zum dritten Spannungswert U3 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 Einspritzung erforderlich, dass die Steuerventilnadel 17 in Teilhüben angesteuert wird, um die Düsennadel 24 präzise zu steuern. Dies ist insbesondere beim Beenden der Einspitzung 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 U2 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 Ansteuerung 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, möglichst genau zu bestimmen. Zur Sicherstellung der Kleinstmengenstabilität 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 Einspritzvorganges 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 Förderendes 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 U2 über die dritte Spannung U3 auf die vierte Spannung U4 abgesenkt wird.

In der Öffnungsphase des Steuerventils 3 wird die Bewegung der Steuerventilnadel 17 im wesentlichen durch den Entladegradient, 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 festzustellen.

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 Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Ab einem dritten Zeitpunkt T3 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 Spannungswert U2 über einen Entladegradienten auf den dritten Spannungswert U3 absinkt. Aufgrund der Trägheit folgt die Steuerventilnadel 17 zeitlich versetzt und hebt erst zu einem vierten Zeitpunkt T4 vom Dichtsitz 14 ab. Aufgrund der Trägheit des Systems erreicht der Kraftstoffdruck P im Druckraum 25 zu einem fünften Zeitpunkt T5 den maximalen Druckwert, der nach dem vierten Zeitpunkt T4 liegt.

Der dritte Spannungswert U3 wird zu einem sechsten Zeitpunkt T6 erreicht. Nach dem sechsten Zeitpunkt T6 schließt sich eine Haltephase an, die bis zu einem siebten Zeitpunkt T7 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 T6, T7 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 T7 senkt die Ladeeinheit 7 die elektrische Spannung am piezoelektrischen Aktor 1 durch einen Entladevorgang bis zu dem vierten Spannungswert U4, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem Wert 0 Volt entspricht.

4 zeigt einen Ausschnitt der Piezospannung zwischen dem dritten Zeitpunkt T3 und dem siebten Zeitpunkt T7.

Versuche haben gezeigt, dass eine präzise Steuerung der Pumpe-Düse-Einheit 2 dadurch erreicht wird, dass der Entladegradient zwischen der zweiten Spannung U2 und der dritten Spannung U3 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 T3, T6 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 T6 und dem siebten Zeitpunkt T7 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 Pumpe-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 Ansteuerung 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 T3, T6 konstant gehalten und der Entladegradient zum Erreichen der gewünschten Spannung zum sechsten Zeitpunkt T6 verändert. Versuche haben gezeigt, dass durch eine Regelung der Teilhubspannung während der Haltephase, d.h. zwischen dem sechsten und dem siebten Zeitpunkt T6, T7 eine präzise Einspritzcharakteristik der Pumpe-Düse-Einheit 2 erreicht wird.

5 zeigt die Teilhubspannung U am Aktor 1 während der Haltephase, wobei die Teilhubspannung U 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 Steuereinheit 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 Ladeeinheit 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 gekennzeichnet, dass durch eine festeingestellte, elektrische Haltephase die Bewegung der Steuerventilnadel 17 in der Weise beeinflusst 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 Erfassung der Spannung des piezoelektrischen Aktors 1 kann jedoch auch während eines normalen Förderimpulses durchgeführt werden.

Bei einem stromlos geschlossenen Steuerventil 1 kann in analoger 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.

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 zwischen 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 piezoelektrische Aktor 1 angesteuert wird, um ausgehend von der zweiten Spannung U2 eine Entladung des Aktors auf die dritte Spannung U3 in der festgelegten Zeit vom dritten Zeitpunkt T3 zum sechsten Zeitpunkt T6 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 Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben.


Anspruch[de]
Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors (1), der ein Steuerventil (3) eines Einspritzsystems, insbesondere einer Pumpe-Düse-Einheit (2) bewegt, wobei der Aktor (1) zuerst auf eine Startspannung (U2) 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 (U3) entladen wird, um eine Teilhubsteuerung des Steuerventils (3) insbesondere für ein Förderende des Einspritzsystems auszuführen,

wobei die Entladung während einer Haltezeit nach Erreichung der Teilspannung unterbrochen wird, und wobei in einem weiteren Schritt der Aktor auf eine Ruhespannung (U4) entladen wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein von der Teilhubspannung (U3) 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.
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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhubspannung (U3) 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. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollgröße ein maximaler Spannungswert für die Teilhubspannung am Ende der Haltephase verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert der Gradient der Teilhubspannung während der Haltephase verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor zur Ansteuerung einer Pumpe-Düse -Einheit (2) verwendet wird. 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 die Pumpe-Düse-Einheit (2) keine Einspritzung durchführt. 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. 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. Steuereinheit zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors mit einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet 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) beeinflusst, und dass die Steuereinheit (5) den Aktor (1) gemäß Anspruch 1 ansteuert.






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