Piezo-Steuerventile werden in Piezo-Pumpe-Düse Einheiten (PPE) zur Kraftstoffmengenzumessung in Brennkraftmaschinen verwendet. Aus DE 100 38 995 A 1 ist eine solche PPE bereits bekannt. Bei dieser PPE bildet die Pumpe und die Düse eine Einheit. Die Pumpe wird entweder direkt über einen Stößel o- der indirekt über Kipphebel von einer Motor-Nockenwelle betä- tigt. Das Piezo-Steuerventil wird über eine Betätigungsein- heit so angesteuert, dass es in einer ersten Endposition vollständig geöffnet und in einer zweiten Endposition voll- ständig geschlossen ist. Bei geöffnetem Steuerventil wird der Kraftstoff während des Kolbenhubs, vom Pumpenkolben über das Piezo-Steuerventile, zurück in den Kraftstoff- Niederdruckbereich gedrückt. Schließt das Steuerventil so kann der Pumpenkolben den Kraftstoff nicht zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich drücken. Der Kraftstoff wird verdichtet, was zu einem Druckanstieg im Hochdruckbereich der Pumpeneinheit führt. Überschreitet der Druck in der Pumpen- einheit den Öffnungsdruck der Einspritzdüse, so wird Kraft- stoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

Der Schließzeitpunkt des Steuerventils bestimmt somit den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und die Schließzeitdauer die Einspritzmenge.

Die Betätigungseinheit der PPE besteht aus einem Piezo-Aktor.

Die Ausdehnung des Piezo-Aktor ist proportional zu der am

Piezo-Aktor anliegenden Spannung (u (t) ) und/oder des ange-<BR> legten Stroms (i (t) ). Damit die Einspritzmengenstreuung mög- lichst gering ist, muss der Piezo-Aktor, zur Einstellung von Beginn, Dauer und Ende des Einspritzvorgangs möglichst exakt, <BR> <BR> durch eine genau definierte Spannung (u (t) ) und/oder eines genau definierten Stromes (i (t)) angesteuert werden.

Verschleiß, Alterungsprozesse und Temperaturänderungen führen zu veränderten Schließ-und Öffnungszeiten des Piezosteuer- ventils, wodurch eine genaue Kraftstoffeinspritzmengensteue- rung nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der DE 199 10 388 C2 ist ein Verfahren zur Überprüfung eines kapazitiven Stellgliedes, auf ordnungsgemäße Funktion, bekannt. Die Überprüfung des Stellgliedes erfolgt in dem die Dauer der Stellgliedbetätigung, mit der Dauer des Steuersig- nals, welches für die Stellgliedbetätigung verantwortlich ist, verglichen wird. Von der ordnungsgemäßen Funktion des Stellgliedes wird ausgegangen, wenn die gemessene Dauer der Stellgliedbetätigung innerhalb eines durch die Dauer des Steuersignals bestimmten Bereiches liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu realisieren, welche die tatsächlichen Schließ-und Öffnungszeiten des Steuerventils genau bestim- men. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhän- gigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messung der tatsächlichen Schließ-und Öffnungszeit des Steuerventils, in Abhängigkeit von der am Steuerventil angelegten Spannung (u (t) ) und/oder des angelegten Stromes (i (t)), innerhalb des Zeitintervalls durchgeführt wird, in dem der Druck im Steuer-

ventil weitgehend dem Druck des Niederdruckbereiches ent- spricht. Hierdurch können die durch die Hydraulik hervorgeru- fenen, sehr starken Druckstöße, die beim schnellen Schließen beziehungsweise Öffnen der Ventilnadel entstehen, vermieden werden. Dies wirkt sich positiv auf das Schließ-und Öff- nungsverhalten der Ventilnadel aus. Insbesondere wird ein durch die Druckstöße verursachter, stotternder Ventilnadelhub vermieden, wodurch die Schließ-beziehungsweise Öffnungszei- ten des Steuerventils genauer bestimmt werden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Messen der Zeitdauer zum Bewegen der Ventilnadel, von der ei- nen Endposition in die andere Endposition, am laufenden Mo- tor, innerhalb der Zeitspanne durchzuführen, innerhalb der sich die Nockenwelle bezogen auf den Pumpenkolben der Ein- spritzdüse beziehungsweise auf die entsprechenden Übertra- gungsglieder, innerhalb ihres Grundkreises befindet. In die- ser Zeit verharrt der Pumpenkolben der Pumpeneinheit in sei- ner oberen Endstellung, der Druck im Steuerventil entspricht somit annähernd dem Druck im Kraftstoff-Niederdruckbereich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Messen der Zeitdauer zum Bewegen der Ventilnadel, von der einen Endposition in die andere Endposition, bei ste- hender Nockenwelle (Motor Aus) durchzuführen. Der Pumpenkol- ben führt in diesem Fall keinen Hub durch und es ist gewähr- leistet, dass ein Bewegen der Ventilnadel zu keinen Druckstö- ßen innerhalb des Steuerventils führt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt : Figur 1 eine schematische Darstellung einer PPE ;

Figur 2 eine Piezo-Steuereinheit für die nach Figur 1 dar- gestellten PPE ; Figur 3 eine schematische Darstellung der Nockenwelle und des Kipphebels zur Betätigung des Pumpenkolbens der PPE ; Figur 4 einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung (u (t) ), des Piezostromes (i (t)) und des Ventilnadelhu-<BR> bes (h (t) ) für einen Schließvorgang des Steuerventils veranschaulicht ; Figur 5 einen weiteren Graph, der den Verlauf der Piezo- spannung (u (t)), des Piezostromes (i (t) ), des Ven-<BR> tilnadelhubes (h (t) ) und der Piezoladung (q (t)), insbesondere für einen Öffnungsvorgang des Steuerven- tils, veranschaulicht ; Figur 6 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zur Regelung der Schließzeit eines Steuerventils.

Figur 1 zeigt schematisch eine PPE. Die dargestellte PPE dient zum Zuführen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die PPE verfügt über eine Pumpeneinheit 1 die zum Aufbau des Einspritzdrucks dient. Über eine Ein- spritzdüse 10, wird der verdichtete Kraftstoff, in den Brenn- raum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Weiter weist die PPE eine Piezo-Ansteuereinheit 20, mit einem Steuerventil 21 und einer extern ansteuerbaren Betätigungseinheit 22 auf. Die Betätigungseinheit 22 ist als piezoelektrischer Aktor ausge- führt und ist mit dem Steuergerät 40 verbunden, welches eine Auswerteeinheit 41 und eine Steuereinheit 42 beinhaltet. Die Pumpeneinheit 1, die Einspritzdüse 10 und die Piezo- Ansteuereinheit 20 bilden vorzugsweise eine Einheit.

Die Pumpeneinheit 1 wird direkt oder wie dargestellt über ei- nen Kipphebel 3 von der Nockenwelle 2 angetrieben. Der Pum- penraum 5 ist über eine Bypassbohrung 30, mit dem Steuerven-

til 21, der Piezo-Ansteuereinheit 20 verbunden. Bei geöffne- ten Steuerventil 21 ist ein freier Durchfluss zwischen dem Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 und dem Pumpenraum 5 gewähr- leistet. Im Saughub des Pumpenkolbens 4 kann Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 31, durch das Steuerventil 21 und die Bypassbohrung 30, in den Pumpenraum 5 angesaugt werden.

Bleibt das Steuerventil 21 weiter geöffnet, so wird der Kraftstoff während des nachfolgenden Förderhubs des Pumpen- kolbens 4, zurück in den Kraftstoff-Niederdruckteil 31 ge- drückt, ohne das es zu einer Verdichtung des Kraftstoffs kommt.

Wird das Steuerventil 21, vor oder während des Förderhubes des Pumpenkolbens 4, über die extern ansteuerbare Betäti- gungseinheit 22 geschlossen, so erfolgt eine Verdichtung des Kraftstoffs im Pumpenraum 5. Überschreitet der Druck im Pum- penraum 5 den Öffnungsdruck der Einspritzdüse 10, öffnet die Einspritzdüse und Kraftstoff wird in den Brennraum der Brenn- kraftmaschine eingespritzt.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Piezo-Ansteuereinheit 20, welches mit einer PPE nach Figur 1 verwendet werden kann. Die Piezo-Ansteuereinheit 20 weist eine Ventilnadel 50 auf, die zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition bewegt werden kann. In der ers- ten Endposition 64 der Ventilnadel 50, angedeutet durch die gestrichelten Linien, ist das Steuerventil 21 vollständig ge- öffnet und es besteht eine Verbindung zwischen dem Kraft- stoff-Niederdruckbereich 31 und dem Kraftstoff- Hochdruckbereich 52. In der zweiten Endposition 65, darge- stellt durch die durchgezogenen Linien, ist das Steuerventil 21 vollständig geschlossen. Die Ventilnadel 50 befindet sich im gehäuseseitigen Ventilsitz 51 und trennt den Kraftstoff- Niederdruckbereich 31, vom Kraftstoff-Hochdruckbereich 52,

der über die Bypassbohrung 30 mit dem Pumpenraum 5 verbunden ist.

Die erste Endposition kann auch die Position sein, bei der das Steuerventil 21 vollständig geschlossen ist. Die zweite Endposition entspricht dann der Position in der das Steuer- ventil 21 vollständig geöffnet ist. Die Messung der Schließ- beziehungsweise Öffnungszeit des Steuerventils 21 erfolg dann analog zu der Beschreibung in den Ausführungsbeispielen.

Die Ansteuerung der Ventilnadel 50 erfolgt über einen Piezo- Aktor 55. Wird der Piezo-Aktor 55 elektrisch geladen, dehnt er sich aus und überträgt über die Stirnfläche 56 eine Kraft auf das Druckstück 57. Das Druckstück 57, steht mit einem ersten Hebel 58 und einem zweiten Hebel 59 in Kontakt. Über die Hebel 58 und 59 wird die Kraft, die vom Piezo-Aktor 55 auf das Druckstück 57 übertragen wird, verstärkt und auf eine erste axiale Endfläche 70 der Ventilnadel 50 übertragen. Ist die vom Piezo-Aktor 55 erzeugte, über das Druckstück 57 über- tragene und von den Hebeln 58 und 59 verstärkte Kraft größer als eine Gegenkraft, welche von einer Feder 71, über ein Fe- derendstück 72, auf eine zweite axiale Endfläche 73 der Ven- tilnadel 50 übertragen wird, so wird die Ventilnadel 50 in den Ventilsitz 51 gedrückt. Der Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 steht mit dem Absteuerraum 60 in Verbindung, der über eine Ausgleichsbohrung 61 mit dem Aktorraum 62 verbunden ist. Der Aktorraum 62 steht seinerseits mit dem Rücklauf 63 in Verbin- dung worüber der Kraftstoff aus dem Aktorraum 60 zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich 31 fließen kann.

Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführung für eine Betätigung der PPE nach Figur 1. Die Be- tätigung des Pumpenkolbens 4 erfolgt über die Nockenwelle 2 einer Brennkraftmaschine. Bei jeder Umdrehung der Nockenwelle 2, betätigt der Nocken 81 der Nockenwelle 2, einen Kipphebel

82. Der Kipphebel 82 überträgt und verstärkt auf Grund seiner Hebelwirkung die Kraft von der Nockenwelle 2 auf ein Übertra- gungsglied 83 welches ihrerseits mit dem Pumpenkolben 4 in Kontakt steht. Je nach Stellung der Nocke 81 zum Kipphebel 82 befindet sich der Pumpenkolben 4 in einem Saughub, einem För- derhub oder er verharrt, zwischen dem Ende des Saughubs und dem Beginn des Förderhubs, in seiner oberen Ausgangsposition.

Der Pumpenkolben 4 führt einen Förderhub aus, solange sich der Kontaktpunkt 84, zwischen Kipphebel 82 und Nockenwelle 2, im Bereich des Nockenanlaufs AN befindet. Liegt der Kontakt- punkt 84 im Bereich des Nockenablaufs AB führt der Pumpenkol- ben 4 einen Saughub durch. Während des Zeitintervalls in der der Kontaktpunkt 84 im Bereich des Grundkreises G liegt ver- harrt der Pumpenkolben 4 in seiner oberen Ausgangsposition.

In diesem Zeitintervall ist der Druck zwischen dem Kraft- stoff-Hochdruckbereich und dem Kraftstoff-Niederdruckbereich ausgeglichen und die Ventilnadel 50 kann zwischen den beiden Endpositionen hin und her bewegt werden ohne dass dabei Druckstöße erzeugt werden. Das Zeitintervall eignet sich da- her besonders gut zur Messung der Schließ-und Öffnungszeit des Steuerventils 21.

Figur 4 zeigt einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung <BR> <BR> (u (t) ), des Piezostromes (i (t) ) und des Ventilnadelhubes (h<BR> (t) ), für einen Schließvorgang des Steuerventils 21 veran- schaulicht. Zum Zeitpunkt SON wird ein Stellsignal, bei- spielsweise in Form eines Normierpuls SON gesetzt, der den Befehl zum Schließen des Steuerventils 21 gibt. Die Ventilna- del 50 bewegt sich zwischen dem Zeitpunkt SON und dem Zeit- punkt tc von der ersten Endposition 64 in die zweite Endposi- tion 65. Das Zeitintervall zwischen SON und tc entspricht so- mit genau der Zeitdauer die das Steuerventil 21, vom Steuerbe- fehl bis zum vollständigen Schließen benötigt. Beim Erreichen

der zweiten Endposition 65, zum Zeitpunkt tc, wird durch den Einschlag der Ventilnadel 50, in den Ventilsitz 51, sprung- haft eine Gegenkraft erzeugt. Die Gegenkraft wird, durch die mechanische Koppelung der Ventilnadel 50, über die Hebel 58 und 59 und das Druckstück 57, an den Piezo-Aktor 55 weiterge- leitet und bewirkt, dass Ladungsträger induziert werden, die sich als Unstetigkeit im Verlauf der Piezospannung (u (t)) bemerkbar machen. Die Unstetigkeit im Spannungsverlauf kann besonders einfach über die zeitliche Ableitung der Piezospan- <BR> <BR> nung (u' (t) ) bestimmt werden. Zum Erfassen der Unstetigkeit im Spannungsverlauf eignet sich beispielsweise eine elektri- sche Schaltung die einen Differenzierer mit nachgeschalteter Schwellwerterfassung beinhaltet.

Figur 5 zeigt einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung <BR> <BR> (u (t) ), des Piezostromes (i (t)) und des Ventilnadelhubes (h<BR> (t) ) sowie der Piezoladung (q (t) ), insbesondere für einen Öffnungsvorgang des Steuerventils 21 veranschaulicht. Zum Zeitpunkt tEON wird ein Stellsignal, beispielsweise in Form eines Normierpulses EON gesetzt, der den Befehl zum Öffnen des Steuerventils 21 gibt. Die Ventilnadel 50 bewegt sich, zwischen dem Zeitpunkten tEoN und dem Zeitpunkt to, von der zweiten Endposition 65 in die erste Endposition 64. Das Zeit- intervall zwischen tEON und to entspricht somit genau der Zeit, die das Steuerventil 21 vom Steuerbefehl bis zum voll- ständigen Öffnen benötigt. Beim Öffnungsvorgang wird der Pie- zo-Aktor 55 entladen und fährt dabei sehr schnell in seine, für den Öffnungszustand definierte, Ausgangsstellung zurück.

Die Ventilnadel'50 sowie die mit ihr gekoppelten mechanischen Bauteile können dem Piezo-Aktor 55 nicht kraftschlüssig fol- gen und treffen infolgedessen auf den bereits in seiner Aus- gangsstellung befindlichen Piezo-Aktor 55 auf. Durch den Auf- prall wird im Piezo-Aktor 55 eine Ladung induziert die sich

als Impuls im Spannungs-und/oder Stromverlauf bemerkbar macht. Die Unstetigkeit kann in einfacher Weise beispielswei- se durch eine einfache Schwellwerterfassung bestimmt werden.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdia- gramms zur Regelung der Schließzeit des Steuerventils 21.

Die Regeleinrichtung beinhaltet, den Sensor 90, das Steuerge- rät 40, das eine Auswerteeinheit 41 und eine Steuereinheit 42 besitzt, sowie die Betätigungseinheit 22. Der gesamte Pro- grammablauf zur Regelung der Ventilschließzeit sowie die Soll-Werte sind im Steuergerät 40 abgelegt. Die Auswertung der während des Programmablaufs erfassten Größen erfolgt in der Auswerteeinheit 41. Die Steuereinheit 42 erzeugt die not- wendigen Stellsignale zum Bewegen der Ventilnadel 50. Die In- tervalle in denen die Schließzeitmessungen durchgeführt wer- den soll, kann beispielsweise auf je einmal, zum Beginn eines neuen Betriebszyklus festlegen werden.

Sobald das Programm zur Regelung der Ventilschließzeit star- tet, erfolgt zunächst in einem ersten Schritt SO eine Mes- sung, welche ermittelt, ob die Nockenwelle 2 steht oder ob sie sich dreht. Bei stehender Nockenwelle 2 entspricht der Druck im Steuerventil 21 und in der Einspritzdüse 10, unab- hängig von der Nockenwellenstellung und der Lage des Pumpen- kolbens 4, weitgehend dem Druck des Kraftstoff- Niederdruckbereiches 31 und der Schließvorgang des Steuerven- til 21 kann, wie später ab Schritt S3a beschrieben, durchge- führt werden.

Dreht sich die Nockenwelle 2, so ermittelt der Sensor 90 zu- nächst in einem Schritt S1, in welcher Position PIST sich die Nockenwelle 2 momentan befindet. Als Sensor 90 kann hierzu beispielsweise ein Nockenwellen-Drehzahlsensor verwendet wer- den. Alternative ist auch ein Positionssensor einsetzbar. In einem Schritt S2 wird die momentane Position PIST mit einer

gespeicherten Position PSTART verglichen. In der Position PSTART befindet sich die Nockenwelle 2 bezogen auf den Pumpenkolben 4 innerhalb ihres Grundkreis G, vorzugsweise in der Nähe des Nockenablaufs AB. Der Pumpenkolben 4 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in seiner oberen Ausgangsposition und der Druck im Steuerventil 21 und in der Einspritzdüse 10 entspricht weit- gehend dem Druck des Kraftstoff-Niederdruckbereichs 31. Ist PIST gleich PSTART beginnt die Messung der Ventilschließzeit.

Der Schließvorgang des Steuerventils 21 wird im Schritt S3a eingeleitet, in dem ein Normierpuls SON gesetzt wird, durch den die Betätigungseinheit 22 angesteuert wird. Der Zeitpunkt tgoN, der Ansteuerung wird im Schritt S3b gespeichert, und der Piezo-Aktor 55 wird innerhalb des Schrittes S3c und/oder S3c', mit der Piezospannung UPIEZO und/oder dem Piezostrom ipIE zo beziehungsweise der Ansteuerenergie EPIEZO beaufschlagt. Im Piezo-Aktor 55 wird dadurch eine Ladung erzeugt, wodurch sich der Piezo-Aktor 55 ausdehnt. Die Ausdehnung des Piezo-Aktors 55 bewirkt, dass die Ventilnadel 50 beginnt, sich von ihrer ersten Endposition 64 in ihre zweite Endposition 65 zu bewe- gen.

Trifft die Ventilnadel 50 in den Ventilsitz 51, so wird durch die mechanische Koppelung der Ventilnadel 50 mit dem Piezo- Aktor 55 eine Kraft auf den Piezo-Aktor 55 übertragen. Die plötzliche Krafteinwirkung auf den Piezo-Aktor 55, beim Ein- schlag der Ventilnadel 50 in den Ventilsitz 51 bewirkt, dass im Piezo-Aktor 55 sprunghaft eine Ladung induziert wird, die Proportional zur einwirkenden Kraft ist. Da die Kraft propor- tional zur Piezospannung UPIEZO und proportional zum Integral des Piezostroms fipIEZoISt, kann eine sprunghafte Änderung der Ladung, die gleichbedeutend ist mit dem Erreichen der Ventil- nadel im Ventilsitz, direkt anhand der Ableitung der Piezo- spannung U'PIEZO und/oder des Piezostroms iPIEzo erkannt werden.

Hierzu wird während des Schließvorgang des Steuerventils 21,

in einem Schritt S4, die Ableitung der Piezospannung u PIEZO gebildet und in einem Schritt S5 bzw. S5'der Verlauf der ab- geleiteten Piezospannung U'PIEZO bzw. der Verlauf des Piezo- strom ipIEzo mit einem Schwellwert U'scHwEL bzw. ISCHWELL vergli- chen. Überschreitet die abgeleitete Spannung U'PIEZO bzw. der Strom ipIEzo den entsprechenden Schwellwerte U'SCHWELL, bzw. iscxwELL erkennt das Programm, dass das Steuerventil 21 ge- schlossen ist. Der Zeitpunkt tc zu dem der Schwellenwert ü- berschritten wird und der den Schließzeitpunkt des Steuerven- tils 21 entspricht, wird in einem weiteren Schritt S6 erfasst und gespeichert. Aus der Subtraktion der Ansteuerzeit tSoN von der Schließzeit tc wird in einem Schritt S7 die IST- Schließzeit tv_IST berechnet. Und aus der IST-Schließzeit tvisT sowie einer vorgegebenen Soll-Schließzeit tvsoi, L wird in einem weiteren Schritt S8 durch Subtraktion der Ist-Schließzeit tv-IsT von der Soll-Schließzeit tu-su die Schließzeitdifferenz Atv berechnet. Aus der Schließzeitdifferenz Atv lässt sich dann, in einem weiteren Schritt S9 bestimmen, ob die Piezo- spannung UPIEZO und/oder der Piezostrom iPIEzo beziehungsweise die Ansteuerenergie Ep, Ezo, mit der der Piezo-Aktor 55 beauf- schlagt wurde, zu hoch oder zu niedrig gewählt ist. Ist Atv > 0 so ist die tatsächliche Schließzeit tvisr kürzer als die gewünschte Schließzeit tison, d. h., die Piezospannung PIEZO und/oder der Piezostrom ipIEzo beziehungsweise die Ansteuer- energie EPIEZO sind zu hoch und werden in einem letzten Schritt S10 verringert. Ist Atv < 0 so ist die tatsächliche Schließzeit tvisT größer als die gewünschte Schließzeit tV-soLL d. h., die Piezospannung UPIEZO und/oder der Piezostrom ipIEzo beziehungsweise die Ansteuerenergie EPIEZO sind zu niedrig und werden in einem letzten Schritt S10 erhöht. Mit der Nachrege- lung der Piezospannung UPIEZO und/oder der Piezostrom ipIEzo be- ziehungsweise die Ansteuerenergie EPIEZO ist der Programm- durchlauf beendet und es kann eine erneute Messung der Ven- tilschließzeit erfolgen.