Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung der Kraftstoffzu- messung in eine Brennkraftmaschine sind bekannt. Häufig wird zur Steuerung der Kraftstoffzumessung ein Ventil eingesetzt, da$ den Kraftstofffluß in die Brennkraftmaschine steuert. In einer ersten Position des Ventils unterbindet die dieses den Kraftstofffluß. In einer zweiten Position gibt das Ventil den Kraftstofffluß völlig frei.

Desweiteren sind Piezoaktoren bekannt, mit denen solche Ven- tile steuerbar sind.

Bei einer Pumpe-Düse-Einheit (PDE) bilden die Einspritzpumpe und die Einspritzdüse eine bauliche Einheit. Diese wird von der Motornockenwelle angetrieben. Zu jeder Pumpe-Düse- Einheit gehört ein schnell schaltendes Ventil, daß den Ein- spritzbeginn und das Einspritzende steuert. Bei geöffnetem Ventil fördert die PDE Kraftstoff zurück in den Zulauf.

Schließt das Ventil, so mißt die PDE dem entsprechenden Mo- torzylinder Kraftstoff zu. Der Schließzeitpunkt des Ventils bestimmt den Einspritzbeginn, die Schließdauer, d. h. die Dauer des geschlossenen Zustandes des Ventils, bestimmt die Einspritzmenge.

In ähnlicher Weise ist ein sogenanntes Pumpe-Leitungs-Düse- System (PLD) ausgebildet. Wie die PDE verfügt die Pumpe- Leitungs-Düse über eine Einspritzpumpe je Motorzylinder, die von einer Welle des Motors, beispielsweise der Nockenwelle, angetrieben wird. Mit einem Ventil wird der Einspritzzeit- punkt und die Einspritzmenge gesteuert. Dabei sind die Pumpe und die Düse über eine kurze Leitung miteinander verbunden.

Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfah- ren und einer Vorrichtung zur Steuerung der Kraftstoffzumes- sung in eine Brennkraftmaschine eine möglichst genaue Kraft- stoffzumessung zu erzielen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale ge- löst.

Vorteile der Erfindung Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann eine sehr ge- naue Kraftstoffeinspritzung erzielt werden. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen die Figuren 1 und 2 zwei Ausgestaltungen einer Pumpe-Düse- Einheit und die Figuren 3 und 4 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen In Figur 1 ist eine Pumpe-Düse-Einheit schematisch darge- stellt. Im folgenden werden die wesentlichen Elemente be- schrieben. Die Pumpe-Düse-Einheit 100 umfaßt im wesentlichen ein Stellelement 105, das über eine Verbindung 102, die ge- strichelt dargestellt ist, ein Ventil 110 derart beeinflußt, daß es wenigstens eine erste geschlossene und eine zweite geöffnete Position einnimmt. Das Ventil 110 ist zwischen ei- nem Kraftstoffzulauf 115, der auch als Niederdruckbereich bezeichnet werden kann und einer Leitung 120 angeordnet. Der Niederdruckbereich beinhaltet im wesentlichen einen Kraft- stoffvorratsbehälter, der auch als Tank bezeichnet wird, von dem der Kraftstoff über ein Filter und eine Kraftstoffför- derpumpe zu dem Ventil 110 gelangt.

Die Leitung 120 verbindet einen Elementraum 130, in dem ein Pumpenkolben 135 beweglich angeordnet ist, der von einer An- triebseinheit 140 bewegt wird, mit einer Einspritzdüse 150.

Die Antriebseinheit 140 wird vorzugsweise unmittelbar oder über einen Kipphebel von der Nockenwelle der Brennkraftma- schine angetrieben. Die Einspritzdüse 150 beinhaltet im we- sentlichen eine Düsenfeder 152 und eine Düsennadel 154. Das Stellelement 105 wird von einem Steuergerät 160 mit Ansteu- ersignalen beaufschlagt. Als Stellelemente werden üblicher- weise Magnetsteller und besonders vorteilhaft Piezo-Aktoren eingesetzt.

Befindet sich das Ventil 110 in seinem geschlossenen Zu- stand, und bewegt sich der Pumpenkolben 135 derart, daß der Elementraum 130 verkleinert wird, so steigt der Druck in der Leitung 120 und damit in der Einspritzdüse an. Ab einem be- stimmten Wert des Drucks wird die Düsennadel 154 entgegen der Federkraft der Düsenfeder 152 bewegt und gibt die Ein- spritzöffnung 156 frei, so daß Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Befindet sich das Ventil 110 in seiner geöffneten Position, so ist kein Druckaufbau mög- lich und es findet keine Kraftstoffeinspritzung statt.

Durch Öffnen und Schließen des Ventils 110 kann der Hoch- druckbereich, der durch den Elementraum, die Leitung 120 und den mit Kraftstoff gefüllten Bereich der Einspritzdüse ge- bildet wird, mit dem Niederdruckbereich verbunden werden. Ab dem Zeitpunkt des Schließens des Ventils 110 beginnt der Druckaufbau im Hochdruckbereich und die Kraftstoffeinsprit- zung setzt ein. Beim Öffnen des Ventils 110 baut sich der Druck in der Leitung 120 ab und die Einspritzung endet. Dies bedeutet, der Öffnungs-und Schließzeitpunkt des Ventils 110 den Einspritzbeginn, das Einspritzende und damit die Ein- spritzdauer bestimmt.

Das Stellelement 105 wird von einem Steuergerät 160 abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der mit ver- schiedenen Sensoren erfaßt wird, derart gesteuert, daß das Ventil zum gewünschten Zeitpunkt öffnet oder schließt und damit die Einspritzung zum gewünschten Zeitpunkt beginnt und zum gewünschten Zeitpunkt endet.

In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Pumpe-Düse- Einheit dargestellt. Diese unterscheidet sich im wesentli- chen von der Ausführungsform der Figur 1, daß das Ventil 110 den Elementraum 130 unmittelbar mit dem Kraftstoffzulauf 115 verbindet. Beiden Ausführungsformen gemeinsam ist es, daß das Ventil 110 den Hochdruckbereich mit dem Niederdruckbe- reich verbindet.

Üblicherweise wird das Ventil 110 derart angesteuert, daß es entweder seine geöffnete oder seine geschlossene Position einnimmt. Diese Art der Ansteuerung ist problematisch, da beim Öffnen des Ventils der Druck im Hochdruckbereich sehr schnell auf den Druck im Niederdruckbereich abgebaut wird.

Dies führt beispielsweise dazu, daß die Düsennadel sehr schnell in ihre geschlossene Position übergeht. Bei einer erneuten Ansteuerung muß der Druck im Hochdruckbereich er- neut aufgebaut werden. Dies ist insbesondere dann problema- tisch, wenn die Einspritzung in wenigstens zwei Teilein- spritzungen aufgeteilt wird. Beispielsweise kann es vorgese- hen sein, daß vor der Haupteinspritzung eine Voreinspritzung erfolgt. Um einen positiven Effekt auf das Verhalten der Brennkraftmaschine zu haben, müssen die beiden Teileinsprit- zungen, beispielsweise die Voreinspritzung und die Hauptein- spritzung, in einem bestimmten Abstand aufeinanderfolgen.

Aufgrund des völligen Druckabbaus beim Öffnen des Ventils können nicht alle Zeitabstände realisiert werden, da eine Mindestzeit für den Druckaufbau erforderlich ist.

Desweiteren ist es bei solchen Systemen nicht oder nur sehr schwer möglich, den Druck im Hochdruckraum zu beeinflussen.

Eine solche Beeinflussung ist insbesondere in den Pausen zwischen zwei Einspritzungen schwierig.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß die Ansteuerung des Stellelements derart erfolgt, daß das Ventil neben sei- nen zwei Endpositionen geöffnet und geschlossen zusätzlich wenigstens eine Zwischenpositionen einnimmt. Besonders ein- fach zu realisieren ist dies, wenn als Stellelement ein Pie- zo-Aktor verwendet wird. Bei solchen Piezo-Aktor ist die Po- sition bzw. die Ausdehnung des Piezo-Aktor unmittelbar pro- portional zu der am Piezo-Aktor anliegenden Spannung. Da- durch ist es möglich, daß das Stellelement verschiedene Po- sitionen einnehmen kann. Dadurch wird es ermöglicht, daß auch das Ventil 110 in definierte Positionen gebracht wird.

In Figur 3 sind verschiedene Signale über der Zeit t aufge- tragen. In der ersten Teilfigur 3a ist die Spannung U, die am Piezo-Aktor 105 anliegt, aufgetragen. Die Teilfigur 3b zeigt den Zustand des Ventils 110 über der Zeit t. Die Teil- figur 3c zeigt den Zustand der Düsennadel 154 abhängig von der Zeit t. Die Teilfigur 3d zeigt den Verlauf des Druckes P in der Düsennadel bzw. im Hochdruckbereich.

Zum Zeitpunkt tl beginnt die Ansteuerung der Pumpe-Düse- Einheit. Dies bedeutet, vom Zeitpunkt tl bis zum Zeitpunkt 2 wird vom Steuergerät 160 ein solches Signal vorgegeben, daß das Ventil 110 schließt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Spannung am Piezo-Aktor 105 von einem Minimalwert, der vor- zugsweise Null ist auf einen zweiten Wert ansteigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dieser Anstieg li- near. Der Anstieg der Spannung am Piezo-Aktor 105 hat zur Folge, daß das Ventil 110 sich langsam von seiner offenen in seine geschlossene Position bewegt. Die Düsennadel zeigt noch keine Reaktion, sie bleibt in ihrer geschlossenen Posi- tion. Der Druck im Hochdruckbereich steigt langsam an.

Im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 erfolgt die Ansteuerung des Piezo-Aktors 105 derart, daß das Ventil 110 in seiner geschlossenen Position bleibt, d. h. die Spannung U am Piezo-Aktor bleibt auf ihrem hohen Wert. Dies hat zur Folge, daß das Ventil 110 in seiner geschlossenen Position bleibt. Der Druck P im Hochdruckbereich steigt weiter an.

Zum Zeitpunkt t3 bzw. kurz vor dem Zeitpunkt t3 erreicht der Druck P einen solchen Wert, daß die Düsennadel langsam von ihrem Ventilsitz abhebt und die Kraftstoffeinspritzung frei- gibt. Dies führt zu einem kurzzeitigen Abfall des Drucks.

Ab dem Zeitpunkt t3 wird die Spannung bis zum Zeitpunkt t4 auf einen Zwischenwert zurückgenommen, dies hat zur Folge, daß das Ventil 110 sich in Richtung einer ersten Zwischenpo- sition bewegt. Demzufolge fällt der Druck P im Elementraum ab und die Düsennadel bewegt sich in ihre Schließrichtung.

Im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 wird das Ven- til 110 in der ersten Zwischenposition gehalten. Dies wird dadurch erreicht, daß die Spannung U am Piezo-Aktor auf sei- nem Zwischenwert gehalten wird. Dies bewirkt, daß das Ventil 110 sich ebenfalls in seiner ersten Zwischenposition befin- det. Der Druck P im Elementraum baut sich langsam ab und die Düsennadel erreicht ihre geschlossene Position und bleibt in ihrer geschlossenen Position.

Ist der Öffnungsquerschnitt des Ventils in dieser Phase zu groß, dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Ventil in diesem Zeitabschnitt völlig öffnet, so kommt es zu einer sogenannten Überentlastung und der Druck im Hochdruckbereich sinkt unter den Dampfdruck ab.

Die Spannung und damit die Position des Ventils und/oder die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 wird so ge- wählt, daß keine Überentlastung eintritt. Dadurch wird er- reicht, daß beim Beginn der nächsten Einspritzung definierte Verhältnisse vorliegen. Dadurch können Streuungen der Kraft- stoffmenge bei gleicher Ansteuerdauer deutlich reduziert werden.

Zwischen dem Zeitpunkt t5 und t6 wird das Steuerventil 110 wieder geschlossen, d. h. die Spannung am Piezo-Aktor 105 steigt wieder auf seinen Maximalwert an. Dies hat zur Folge, daß das Ventil 110 in seinen geschlossenen Zustand übergeht.

Der Druck P im Druckbereich beginnt wieder anzusteigen.

Im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t6 bis t7 wird das Ven- til 110 in seiner geschlossenen Position gehalten. D. h. die Spannung am Piezo-Aktor bleibt auf ihrem maximalen Wert. Das Ventil 110 verbleibt in seiner geschlossenen Position. In- folgedessen steigt der Druck P im Hochdruckbereich stark an.

Eine gewisse Zeit nach dem Zeitpunkt t6 hat der Wert des Drucks einen solchen Wert erreicht, daß die Düsennadel 154 sich beginnt zu bewegen und kurz danach den völlig geöffne- ten Zustand erreicht.

Bei der besonders vorteilhaften Ausführungsform, die in Fi- gur 3 dargestellt ist, wird zwischen dem Zeitpunkt t7 und t8 die Spannung U am Piezo-Aktor nach Erreichen der geöffneten Position der Düsennadel um einen kleinen Wert zurückgefah- ren. Dies hat zur Folge, daß das Ventil 110 nicht völlig ge- öffnet ist. Dies bedeutet, daß Ventil 110 wird in einer zweiten Zwischenposition gehalten, die sich nur unwesentlich von der geschlossenen Position unterscheidet. Dies bedeutet, es kann eine geringe Menge an Flüssigkeit entweichen. Beson- ders vorteilhaft ist der Querschnitt derart gewählt, daß kein weiterer Anstieg des Druckes erfolgt. Dies bedeutet, daß der Druck während des Zeitraumes t7 bis t8 nahezu kon- stant bleibt, d. h. daß es sich ein Druckplateau ergibt.

Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann in dem Zeitraum t7 bis t8 entsprechend wie im Zeitraum zwischen t6 und t7 der Maximalwert der Spannung vorgegeben werden, wobei das Ventil 110 in diesem Zeitraum in seiner geschlossenen Posi- tion verbleibt. Dadurch können höhere Druckwerte erreicht werden.

Im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t8 und t9 wird die Spannung auf einen dritten Zwischenwert abgesenkt. Dies be- deutet, daß das Ventil 110 in eine dritte Zwischenposition übergeht. Dies hat zur Folge, daß der Druck P abfällt und daß bei einem bestimmten Druck die Düsennadel in ihren ge- schlossenen Zustand übergeht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wert dieser Spannung abhängig vom Betriebszustand vorgebbar ist. Dadurch kann erreicht werden, daß der Druck- abbaurate, das heißt die Druckänderung innerhalb einer be- stimmten Zeit, abhängig vom Betriebszustand der Brennkraft- maschine vorgebbar ist.

Im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t9 und t10 wird das Ventil 110 in der dritten Zwischenposition gehalten.

Ab dem Zeitpunkt t10 wird der Piezo-Aktor derart angesteu- ert, daß das Ventil 110 öffnet, d. h. die Spannung wird auf ihren Ausgangswert zurückgenommen. Dies hat zur Folge, daß das Ventil in seine völlig geöffnete Position übergeht. Der Druck P fällt auf den Druckwert im Niederdruckbereich ab, und die Düsennadel verbleibt in ihrer geschlossenen Positi- on.

Die beschriebene Ansteuerung beinhaltet eine Haupteinsprit- zung als zweite Teileinspritzung und eine Voreinspritzung als erste Teileinspritzung. Dabei handelt es sich um eine abgesetzte Voreinspritzung ohne eine sogenannte Überentla- stung während der Einspritzpause. Dies wird dadurch er- reicht, daß das Ventil zwischen den zwei Teileinspritzungen derart angesteuert wird, daß es in einer ersten Zwischenpo- sition verbleibt.

Als Alternative kann auch vorgesehen sein, daß eine angela- gerte Voreinspritzung erfolgt, bei der die Voreinspritzung unmittelbar in die Haupteinspritzung übergeht.

Desweiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß vorzugsweise während der Haupteinspritzung eine Begrenzung des Drucks im Hochdruckbereich erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Teillastbereich, d. h. bei kleinen Drehzahlen und/oder bei kleinen eingespritzten Kraftstoffmengen ein großer Ein- spritzdruck gewählt wird, d. h. daß während einer Einsprit- zung im Teillastbereich in dem Zeitraum t7 bis t8 das Ventil in seiner völlig geschlossenen Position verbleibt. Bei Gro- ßen Drehzahlen und/oder großen Einspritzmengen wird eine Be- grenzung des Einspritzdrucks gewählt, d. h. daß in dem Zeit- raum t7 bis t8 befindet sich das Ventil in der zweiten Zwi- schenposition. Hierdurch können mechanische Belastungen der Pumpe und des Antriebs vermindert werden.

Das Ventil wird während der Einspritzung derart angesteuert, daß es in einer zweiten Zwischenposition verbleibt. Vorzugs- weise wird die Zwischenposition bzw. die erforderliche Span- nung am Piezo-Aktor abhängig vom Lastzustand, insbesondere abhängig von der Drehzahl und/oder einer die einzuspritzende Kraftstoffmenge charakterisierenden Größe, vorgegeben. Dies hat eine verbesserte Gemischaufbereitung und damit verrin- gerte Emissionen zur Folge.

Die Druckabbaurate ist durch Vorgabe der ersten bzw. der dritten Zwischenposition des Ventils einstellbar. Diese Ein- stellung erfolgt vorzugsweise abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Dies kann sowohl beim Ende der Vor- einspritzung als auch am Ende der Haupteinspritzung erfol- gen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei Vollast, d. h. bei großer Drehzahl und/oder großer eingespritzter Kraftstoff- menge ein schneller Druckabbau erfolgt, d. h. daß die Span- nung auf einen kleinen Wert oder auf den Minimalwert abge- senkt wird, dadurch geht das Ventil schnell in seine geöff- nete Position über. Bei Teillast wird dagegen eine kleinere Druckabbaurate vorgegeben, d. h. bei Teillast wird im Zeit- raum t8 bis tlO eine höhere Spannung eingestellt, d. h. das Ventil verbleibt eher in seiner geschlossenen Position.

Dies bedeutet, daß das Ventil 110 am Ende der Einspritzung derart angesteuert wird, daß es in einer dritten Zwischenpo- sition verbleibt. Vorzugsweise wird die Zwischenposition, bzw. die Spannung mit der der Piezo-Aktor beaufschlagt wird, abhängig von einer gewünschten Druckabbaurate eingestellt.

Dadurch, daß während des Öffnens des Ventils der Druckabbau steuerbar ist, können die Geräusche, die vorzugsweise durch die Pumpe erzeugt werden, deutlich reduziert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn noch weitere Teilein- spritzungen erfolgen, d. h. daß mehrere Voreinspritzungen vorgesehen sind, bzw. daß die Haupteinspritzung in mehrere Teileinspritzungen aufgeteilt wird. Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn noch wenigstens eine Nacheinspritzung er- folgt, die im Anschluß an die Haupteinspritzung erfolgt.

Die Zeitabstände t4 bis t5 bzw. t7 bis t8 und t9 bis t10 werden vorzugsweise abhängig von der Drehzahl, dem Beginn der Einspritzung und/oder anderen Betriebskenngrößen vorge- geben.

Weitere Varianten des Ansteuerprofils für den Piezo-Aktor sind in Figur 4 dargestellt.

In Figur 4a ist eine herkömmliche Ansteuerung ohne Zwischen- position dargestellt, d. h. die Spannung wird für die Vorein- spritzung auf ihren Maximalwert hochgefahren und dann auf den Minimalwert abgesenkt. Für die Haupteinspritzung wird die Spannung wieder auf den Maximalwert erhöht und am Ende der Haupteinspritzung auf den Minimalwert abgesenkt.

In Teilfigur 4b ist der Verlauf eine angelagerten Vorein- spritzung dargestellt. D. h. zu Beginn der Voreinspritzung wird die Spannung auf einen Zwischenwert angehoben und an- schließend mit Beginn der Haupteinspritzung mit dem Maximal- wert geführt. Der Zwischenwert liegt nur knapp unter dem Ma- ximalwert. Am Ende der Einspritzung wird die Spannung auf den Minimalwert zurückgesetzt.

In Teilfigur 4c ist eine entsprechende Ansteuerung mit einer Nacheinspritzung dargestellt. Diese unterscheidet sich im wesentlichen von der Ansteuerung gemäß der Figur 3 darin, daß bei der Haupteinspritzung keine Absenkung im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten 7 und t8 erfolgt, sondern daß le- diglich eine flexible Druckabbaurate eingestellt wird. In kurzem Abstand nach der Haupteinspritzung erfolgt dann eine weitere Ansteuerung zur Erzielung der Nacheinspritzung.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist nicht auf die Ver- wendung bei Pumpe-Düse-Einheiten beschränkt. Sie kann auch bei anderen Einspritzsystemen, bei denen ein Ventil zur Steuerung des Drucks im Hochdruckbereich verwendet wird, eingesetzt werden. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Steuerung eines Pumpe-Leitungs-Düse- systems bzw. eines Common-Rail-Systems geeignet.