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EP1825124B1 - Method for controlling a piezoelectric actuator and control unit for controlling a piezoelectric actuator - Google Patents

Method for controlling a piezoelectric actuator and control unit for controlling a piezoelectric actuator Download PDF

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Publication number
EP1825124B1
EP1825124B1 EP05810154A EP05810154A EP1825124B1 EP 1825124 B1 EP1825124 B1 EP 1825124B1 EP 05810154 A EP05810154 A EP 05810154A EP 05810154 A EP05810154 A EP 05810154A EP 1825124 B1 EP1825124 B1 EP 1825124B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
actuator
control
partial lifting
injection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP05810154A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1825124A1 (en
Inventor
Hans-Jörg Wiehoff
Harald Schmidt
Richard Pirkl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
Publication of EP1825124A1 publication Critical patent/EP1825124A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1825124B1 publication Critical patent/EP1825124B1/en
Ceased legal-status Critical Current
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually

Definitions

  • 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 smaller than the third Voltage value U 3 is.
  • 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.
  • FIG. 5 shows the Diagramhubschreib U on the actuator 1 during the holding phase, wherein the Operahubschreib U has a vibration spectrum.
  • the frequency or the amplitude of the Operahubschreib 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.

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Abstract

The invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator which displaces a control element of an injection valve. Said method consists of charging the actuator until a start voltage is reached. Subsequently, the actuator is discharged until a partial lifting voltage, which is maintained during a holding time, is reached. In the final step, the actuator is discharged until an off-load voltage is reached and a parameter which is dependent on the partial lifting voltage is used as a control variable. A desired value for the control variable is determined and the actuator is controlled in such a manner that the desired value of the control variable is maintained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors gemäß Patentanspruch 1 und eine Steuereinheit zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors gemäß Patentanspruch 10.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.

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.Piezoelectric actuators are used in various technical fields to control an actuator. In particular, piezoelectric actuators are suitable for driving a switching valve of a pump-nozzle unit of a fuel injection system. Piezoelectric actuators are to be switched very quickly, so that the injection processes of the pump-nozzle unit can be controlled precisely.

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 Toleranzen bei den Pumpe-Düse-Einheiten ausgeglichen werden.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. In addition, 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. Furthermore, the precise injection operations during the entire life of the pump-nozzle unit are to be maintained even with appropriate aging phenomena. Furthermore, occurring tolerances in the pump-nozzle units should be compensated.

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.These goals require precise control of the unit injectors. For this purpose, in particular 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 smallest amount 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.

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.However, since injecting valves are generally not provided with a distance measurement at the injection valve, the opening behavior of the injection valve is determined from the voltage of the piezoelectric actuator. For this purpose, various control methods are known.

Die WO 2005/061876 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb, der als Piezoaktor ausgebildet ist, mit einem Ventilglied, einem Ventilkörper und einem Ventilsitz. Zu einem vorgebbaren Zeitpunkt wird das Ventilglied von einer Position in Anlage mit dem Ventilsitz in eine vorgegebene Position entfernt von dem Ventilsitz 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 darauf folgende Haltezeitdauer, während der der Piezoaktor nicht angesteuert wird, und eine darauf folgende 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 Haltezeitdauer und/oder die erste Entladezeitdauer adaptiert. Dadurch können Druckschwingungen und Geräuschemissionen verringert werden.The WO 2005/061876 A1 discloses a method of controlling a valve having a valve actuator configured as a piezoactuator with a valve member, a valve body, and a valve seat. At a predetermined time, the valve member is controlled from a position in contact with the valve seat in a predetermined position away from the valve seat by a discharge of the piezoelectric actuator. The discharging operation is divided into a first discharging period during which a predetermined first amount of electric power is dissipated from the piezoactuator, a subsequent holding period during which the piezoactuator is not driven, and a subsequent second discharging period during which a predetermined second amount of electric energy of is removed from the piezoelectric actuator. Depending on the course of a variable, which is characteristic of the vibration behavior of the piezoelectric actuator during the hold period, the hold time period and / or the first discharge time period is adapted. As a result, pressure oscillations and noise emissions can be reduced.

Die EP 1,489,291 B1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes, das mechanisch mit einem Kraftstoffventil für ein kraftstoffgetriebenes Aggregat gekoppelt ist, wobei zur Betätigung des Stellgliedes elektrischer Betätigungsstrom über eine unmittelbar mit dem kapazitiven Stellglied verbundene elektrische Leitung dem kapazitiven Stellglied zugeleitet und/oder von dem kapazitiven Stellglied abgeleitet wird, wobei während der Betätigung ein analoges Messsignal erzeugt und bei einer Steuerung und/oder Regelung des Betriebs des kapazitiven Stellgliedes verwendet wird und wobei das Messsignal aus einer elektrischen Messgröße erzeugt wird, die einen elektrischen Betriebszustand und/oder elektrischen Betriebsvorgang der elektrischen Leitung und/oder des kapazitiven Stellgliedes wiedergibt, wobei das zunächst als analoges elektrisches Messsignal erfasste Messsignal in ein digitales Messsignal umgewandelt wird und dass der zeitliche Verlauf des digitalen Messsignals bei der Steuerung und/oder Regelung des Betriebes des kapazitiven Stellgliedes verwendet wird.The EP 1,489,291 B1 discloses a method of operating a capacitive actuator that is mechanically coupled to a fuel valve for a fuel-driven engine, wherein actuating actuation current for actuating the actuator supplied via an immediately connected to the capacitive actuator electrical line to the capacitive actuator and / or is derived from the capacitive actuator, wherein an analog measurement signal generated during operation and is used in a control and / or regulation of the operation of the capacitive actuator and wherein the Measuring signal is generated from an electrical measurement, which represents an electrical operating condition and / or electrical operation of the electrical line and / or the capacitive actuator, wherein the first detected as an analog electrical measurement signal measurement signal is converted into a digital measurement signal and that the time course of the digital Measuring signal is used in the control and / or regulation of the operation of the capacitive actuator.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors und eine verbesserte Steuereinheit zum Steuern eines piezoelektrischen Aktors bereitzustellen.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.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Steuereinheit gemäß Patentanspruch 10 gelöst.The object of the invention is achieved by the method according to claim 1 and by the control unit according to claim 10.

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.An advantage of the method according to the invention is that a parameter dependent on the partial lift voltage is used as the controlled variable, and that a desired value for the controlled variable with which the method for controlling the piezoelectric actuator is carried out is determined.

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 a further preferred embodiment, the controlled variable used is the gradient of the voltage during the discharge time. In this way, an individual adaptation of the tax procedure is made possible.

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 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 a further preferred embodiment, a range of values is used as the setpoint value for the partial lift voltage. By specifying a value range for the Teilhubspannung 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. In a further preferred embodiment, 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 Teilhubspannung a relatively precise and efficient control of the control method is given.

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.In a further preferred embodiment, 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.

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 erfolgt, sondern nur Messwerte ermittelt werden. Somit wird der Einspritzbetrieb durch die Erfassung der Messwerte nicht beeinträchtigt.The method described is particularly suitable for use in a common rail injection valve or a pump-nozzle unit of a fuel injection system. Preferably, the voltage values of the actuator are detected during a test drive of the actuator, in which no injection takes place, but only measured values are determined. Thus, the injection operation is not affected by the detection of the measured values.

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.In a further preferred embodiment, the partial lift voltage is used as the parameter and a setpoint value is a frequency of the partial lift voltage. Experiments have shown that the frequency of Teilhubspannung is suitable for precise control of the piezoelectric actuator.

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.
The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it
  • FIG. 1 a schematic arrangement for carrying out the method according to the invention,
  • FIG. 2 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a pre-injection and main injection injection sequence. FIG.
  • FIG. 3 a detailed representation of a control valve opening phase of a pump-nozzle unit,
  • FIG. 4 a detailed representation of the voltage curve during a Absteuer- holding phase,
  • FIG. 5 the relaxation process of the piezoelectric actuator during Teilhubspannung and
  • FIG. 6 a simply constructed drive circuit for the piezoelectric actuator.

Die Erfindung wird am Beispiel einer Pumpe-Düse-Einheit beschrieben, ist jedoch bei jeder Art von Einspritzventil, insbesondere bei einem Common-Rail-Einspritzventil einsetzbar.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 a common-rail injection valve.

Figur 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. FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement with a pump-nozzle unit 2, which is connected to a measuring arrangement 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. In the pressure chamber 25, 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.

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.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 to the control unit 5 in connection. The control unit 5 is also connected to a data memory 11. Furthermore, 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.

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.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. In particular, the control of the delivery end, ie the closing of the injection holes is of particular importance for the quality of the injection. For this purpose, 11 fixed control processes are stored in the data memory, according to which the control unit 5, the charging unit 7 controls to achieve defined partial strokes of the actuator 1, in particular in the control of the delivery end. To regulate the control method, 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. Depending on the voltage detected and a comparison with voltage values stored in the data memory 11, the control unit fits 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.

Figur 2 zeigt ein Diagramm für einen typischen Einspritzverlauf eines Einspritzventils, insbesondere einer 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 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 Spannungswert 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. 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. In the uppermost diagram line, the piezo voltage, ie the voltage applied to the piezoelectric actuator 1, is plotted over the time or the crankshaft angle. The piezoelectric voltage is detected by the measuring arrangement 6 via the electrical lines 4. In a first period T 1, the pilot injection and in a subsequent second period T 2, the main injection is shown. In the pre-injection, 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. After a fixed period of time, 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 smaller than the third Voltage value U 3 is. 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.

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.In FIG. 2 is under the piezo voltage, the position of the control valve needle 17 applied over time or the crankshaft angle. The position of the control valve needle 17 depends on the piezo voltage. By specifying the Teilhubspannungen partial strokes of the control valve needle 17 are specified. In addition, the Teilhubspannung is proportional to a needle stroke or a position of the control valve needle 17 of the control valve. 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.Thus, the Teilhubspannung 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. In the bottom diagram line the position of the nozzle needle 24 is plotted over the time or the crankshaft angle.

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 U 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 Einspritzung erforderlich, dass die Steuerventilnadel 17 in Teilhüben angesteuert wird, um die Düsennadel 24 präzise zu steuern. Dies ist insbesondere beim Beenden der Einspritzung erforderlich, d.h. beim Aufsetzen der Düsennadel 24 auf den Nadeldichtsitz 26.The position of the control valve needle 17 reaches at a time TS, the maximum deflection, 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. At this time, since the pump of the pump-nozzle unit 2 compresses the fuel in the pump room, the pressure in the pressure space 25 and pressure surfaces of the nozzle needle 24 increases, so that the nozzle needle 24 lifts off from the needle sealing seat 26 at time TS, as shown in FIG The lower diagram shows. At the time TS thus starts the injection process. Temporarily offset to lower the piezoelectric voltage from the second voltage value U 2 to the third voltage value U 3, 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, precise control of the injection requires that the control valve needle 17 be driven in partial strokes to precisely control the nozzle needle 24. This is especially necessary when stopping the injection, i. when placing the nozzle needle 24 on the Nadeldichtsitz 26th

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.In the second period T2, 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. Thus, the nozzle needle is lifted longer from the sealing seat and it is injected more fuel.

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.Due to the inertia of the system, precise control of the piezoelectric actuator to adjust a precise amount of fuel discharged from the unit injector 2 is required. For this purpose, in particular the hydraulic delivery end of the pump-nozzle unit, which can be derived from the opening behavior of the control valve 3, to determine as accurately as possible. To ensure the smallest quantity stability, it is due to the higher injection sensitivity during the discharge of the piezoelectric actuator 1, which corresponds to an opening of the control valve 3 and thus an end of the injection process in the illustrated embodiment, and due to the hysteresis of the piezoelectric actuator, the hydraulic delivery end of the pump nozzle Unit precisely to regulate. 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. Preferably, 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. Depending on the embodiment, 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.

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.Since no position measurement of the position of the control valve 3 is available, approximately the opening time and / or opening behavior of the control valve is determined from the voltage curve of the voltage applied to the piezoelectric actuator 1, thus a control variable for the control of the delivery end of the pump-nozzle unit to obtain.

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.The delivery end of the pump-nozzle unit 1 is characterized in that increases after lifting 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.

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.In the opening phase of the control valve 3, the movement of the control valve needle 17 is substantially by the Entladegradient, d. H. the voltage change on the piezoelectric actuator 1, determined by the applied valve sealing force, by the action of the return spring of the control valve needle 17, not shown, and by the resulting pressure pulse. In this case, the course of motion of the control valve needle 17 can be described by a higher-order parabola function. When the control valve needle 17 reaches an opening stop (not shown) during lifting or if the control valve needle 17 is braked by an electrical holding time during the discharge process, the inherent parameters of the piezoelectric actuator due to the piezoelectric actuator 3 and the mechanical path of the control valve 3 change due to the piezoelectric actuator effect. In the course of the piezoelectric voltage and in the piezoelectric charge, an increase or a change in the shape of the curve can then be ascertained.

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 Kurbelwellenwinkel 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 Spannungswert 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. FIG. 3 shows in an enlarged view 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 crankshaft angle applied. From a third time T 3, a discharge of the piezoelectric actuator 1 is performed according to the control by the control unit 5 of the charging unit 7, so that the voltage U from the second voltage value U 2 via a discharge gradient to the third voltage value U 3 decreases. Due to the inertia, the control valve needle 17 follows with a time offset and only lifts off from the sealing seat 14 at a fourth time T 4. 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, which is after the fourth time T 4.

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.The third voltage value U 3 is reached at a sixth time T 6. After the 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 Teilhubspannung during the holding phase. The Teilhubspannung, in particular the gradient of Teilhubspannung is proportional to the stroke of the control valve needle 17. Therefore, the Teilhubspannung 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.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Piezospannung zwischen dem dritten Zeitpunkt T 3 und dem siebten Zeitpunkt T 7. FIG. 4 shows a section of the piezoelectric voltage between the third time T 3 and the seventh time 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 Spannung 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.Experiments have shown that a precise control of the pump-nozzle unit 2 is achieved in that the Entladegradient between the second voltage U 2 and the third voltage U 3 is specified as a cylinder-individual manipulated variable for controlling and / or regulating partial strokes of the control valve needle 17. Instead of the discharge gradient, it is also possible to use the energy or the energy gradient to be taken from the piezoelectric actuator 1 through the charging unit 7 between the third and the sixth time points T 3, T 6. These manipulated variables are thus stored in the data memory 11 for each pump-nozzle unit via corresponding control programs.

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 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.Furthermore, an improvement in the control of the pump-nozzle unit 2 is achieved by controlling the Teilhubsteuerung the control valve needle 17. 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 profile 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. Thus, to control the pump-nozzle unit 2, 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, a change in the activation 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.

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.Preferably, 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. Experiments have shown that by controlling the partial lift voltage during the hold phase, i. between the sixth and the seventh time T 6, T 7 a precise injection characteristic of the pump-nozzle unit 2 is achieved.

Figur 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 AmplitudenVerlaufes 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. FIG. 5 shows the Teilhubspannung U on the actuator 1 during the holding phase, wherein the Teilhubspannung U has a vibration spectrum. Experiments have shown that as a control variable and the vibration curve of Teilhubspannung can be used during the hold time. The frequency or the amplitude of the Teilhubspannung is determined by the spring-mass characteristic of the control valve path in the pump-nozzle unit 2. Thus, both the gradient of the Teilhubspannung and the amplitude characteristic of Teilhubspannung can be used as a controlled variable for the control of the pump-nozzle unit 2. When using the AmplitudenVerlaufes corresponding Vergleichamplitudenverläufe for the Teilhubspannung are stored in the data storage 11 during the holding phase. For a control, 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 characteristic of the partial lift voltage with the stored amplitude characteristic. Depending on the deviation, 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. In a corresponding manner, the measured frequency is compared with a comparison frequency and the control of the charging unit 7 adapted in the manner at the next holding phase, that an approximation of the measured frequency takes place at the comparison frequency.

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.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 this is reflected significantly in the voltage or 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 the 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.

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.Preferably, the measuring arrangement 6 detects the voltage applied to the piezoelectric actuator 1 during a normalization pulse in which the piezoelectric actuator 1 is driven according to a conventional injection, but the camshaft does not actuate the pump of the pump-nozzle unit. However, the detection of the voltage of the piezoelectric actuator 1 can also be carried out during a normal delivery pulse.

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.In a normally closed control valve 1, the charging process of the piezoelectric actuator 1 can be controlled and / or regulated in an analogous manner to control Teilhübe the control valve needle 17 for an injection end or to regulate.

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 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 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 Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben. FIG. 6 shows a simple structure of the control of the piezoelectric actuator 1. From the data memory 11, 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. Furthermore, 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 Endsteuersignal a piezoelectric voltage with which the piezoelectric actuator 1 is driven to start 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 the sixth time T 6 is discharged in order to obtain a Teilhubspannung on the actuator 1 during the holding phase, which has a gradient according to the target gradient. In addition, 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. With the described arrangement, a simple structure of a control unit for carrying out the method according to the invention is given.

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.The control method which has been described using the example of the 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.

Bei einem Common-Rail-Einspritzventil wird mit dem piezoelektrischen Aktor ein Servoventil angesteuert, das einen Steuerraum mit einem Ablaufraum 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 Ablaufraum 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.In a common rail injection valve, a servo valve is actuated with the piezoelectric actuator, which connects a control chamber with a drainage space. The control chamber is connected to an inlet to the pressure accumulator of the common rail. In addition, 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. In addition, the nozzle needle pressure surfaces in the pressure chamber, where the pressure of the pressure chamber attacks and wants to lift the nozzle needle from the sealing seat. However, 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. Now, if the control valve is opened via the piezoelectric actuator, the pressure in the control chamber decreases because less fuel flows into the control chamber via the inlet than flows off 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.

Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann eine Düsennadel auch direkt von einem piezoelektrischen Aktor betätigt werden. Dieses Prinzip ist insbesondere bei Benzin-Einspritzventilen einsetzbar.Depending on the chosen embodiment, a nozzle needle may also be actuated directly by a piezoelectric actuator become. This principle can be used in particular in gasoline injection valves.

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 angetrieben wird.As a result of the control method described, the servo valve in a common-rail injection system is activated as the control valve, thereby improving the injection behavior of the injection valve. In an analogous manner, an improvement of the injection behavior in an injection valve, in which the nozzle needle is driven directly by the piezoelectric actuator.

Claims (10)

  1. Method for controlling a piezoelectric actuator (1) which moves a control valve (3) of an injection system, the actuator (1) firstly being charged to a starting voltage (U 2) in order to start an injection via the control valve (3),
    the actuator (1) subsequently being discharged in order to end the injection via the control valve, the actuator (1) being discharged to a partial lifting voltage (U 3) during discharging in order to execute a partial lifting control of the control valve (3), in particular for a cut-off of the injection system,
    discharging being interrupted during a holding time once the partial voltage (U 3) is reached, the actuator being discharged to an off-load voltage (U 4) in a further step, and with a parameter that is dependent on the partial lifting voltage (U 3) of the actuator (1) during the holding time being used as the desired value for controlling the actuator (1), characterised in that a discharging gradient for achieving the partial lifting voltage (U 3) is adapted according to the desired value in order to regulate a partial lift of the control valve (3).
  2. Method according to claim 1, characterised in that a discharge time that elapses between leaving the starting voltage and attaining the partial lifting voltage is kept constant in successive activation processes of the actuator, and in that during the transition from the starting voltage to the partial lifting voltage the gradient of the voltage is adjusted accordingly for different starting and/or partial lifting voltages.
  3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the partial lifting voltage (U 3) increases from an initial value during the holding time to an end value, in that for controlling the actuator (1) the characteristic of the partial lifting voltage during the holding phase is used as a parameter.
  4. Method according to claim 3, characterized in that a maximum voltage value for the partial lifting voltage at the end of the holding phase is used as the desired variable.
  5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the gradient of the partial lifting voltage during the holding phase is used as the desired value.
  6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the actuator is used for activating a pump-nozzle unit (2).
  7. Method according to claim 6, characterized in that as the actual values the voltage values of the actuator (1) during a control phase are detected, during which the actuator (1) is activated but no injection is carried out.
  8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the partial lifting voltage is used as the parameter, and in that a frequency of the partial lifting voltage is used as the desired variable.
  9. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the partial lifting voltage is used as the parameter, and in that the amplitude and/or the amplitude characteristic of the partial lifting voltage is used as the desired variable.
  10. Control unit for controlling a piezoelectric actuator using a method according to claim 1, characterized in that the control unit (5) is connected to a measurement set-up (6), in that the measurement set-up (6) detects the voltage at the actuator (1), in that the control unit (5) is connected to a charging unit (8) which influences the charge and/or voltage of the actuator (1), and in that the control unit (5) controls the actuator (1) according to claim 1.
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