Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel eines Piezo-Steuerventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel eines Piezo-Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steue- rung und/oder Regelung des Betriebs eines Piezo-Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit.
Pumpe-Düse-Einheiten dienen zum Zuführen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Pumpe-Düse-Einheit mit einer Steuer- und/oder regelbaren Kraftstoffpumpe, einer Kraftstoffeinspritzdüse, die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegliche Düsennadel aufweist, einem ersten Druckraum, der von der Kraftstoffpumpe mit unter einem ersten Druck stehenden Kraftstoff befüllbar ist, einem zweiten Druckraum, wobei in dem zweiten Druckraum unter einem zweiten Druck stehender Kraftstoff eine Schließkraft auf die Düsennadel ausübt, und einen dritten Druckraum, der mit dem ersten Druckraum kommuniziert, wobei in dem drit- ten Druckraum unter einem dritten Druck stehender Kraftstoff eine Öffnungskraft auf die Düsennadel ausübt, handeln.
Pumpe-Düse-Einheiten werden insbesondere im Zusammenhang mit druckgesteuerten Einspritzsystemen verwendet. Ein wesentli- ches Merkmal eines druckgesteuerten Einspritzsystems besteht darin, dass die Kraftstoffeinspritzdüse öffnet, sobald eine zumindest vom aktuell herrschenden Drücken beeinflusste Öffnungskraft auf die Düsennadel ausgeübt wird. Derartige druckgesteuerte Einspritzsysteme dienen der Kraftstoffdosierung, der Kraftstoffaufbereitung, der Formung des Einspritzverlaufs und einer Abdichtung der KraftstoffZuführung gegen den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine. Mit druckgesteuerten
Einspritzsystemen lässt sich der zeitliche Verlauf des Mengenstroms während der Einspritzung in vorteilhafter Weise steuern. Damit kann ein positiver Einfluss auf die Leistung, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission des Motors genommen werden.
Bei Pumpe-Düse-Einheiten sind die Kraftstoffpumpe und die Kraftstoffeinspritzdüse in der Regel als integriertes Bauteil ausgebildet. Für jeden Verbrennungsraum der Brennkraftmaschi- ne wird zumindest eine Pumpe-Düse-Einheit vorgesehen, die in der Regel in den Zylinderkopf eingebaut wird. Die Kraftstoffpumpe umfasst dabei typischerweise einen in einem Kraftstoffpumpenzylinder hin und her beweglichen Kraftstoffpumpenkolben, der entweder direkt über einen Stößel oder indirekt über Kipphebel von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der üblicherweise den ersten .Druckraum bildende Abschnitt des Kraftstoffpumpenzylinders ist über ein Steuerventil mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich verbindbar, wobei bei geöffnetem Steuerventil Kraftstoff von dem Kraft- stoff-Niederdruckbereich in den ersten Druckraum angesaugt und bei weiterhin geöffnetem Steuerventil von dem ersten Druckraum in den Kraftstoff-Niederdruckbereich zurückgedrückt wird. Sobald das Steuerventil geschlossen wird, erfolgt durch den Kraftstoffpumpenkolben eine Komprimierung des in dem ers- ten Druckraum befindlichen Kraftstoffs und somit ein Druckaufbau. Es ist bekannt, das Steuerventil in Form eines Magnetventils vorzusehen. Magnetventile weisen jedoch üblicherweise eine relativ lange Ansprechzeit auf, was insbesondere dadurch bedingt ist, dass der Magnetanker eines Magnetventils aufgrund der von seiner Masse abhängigen Massenträgheitskräfte nicht beliebig schnell beschleunigt werden kann. Weiterhin erfordert auch der Aufbau des Magnetfeldes zur Erzeugung der Anzugskraft Zeit. Eine mit einem Magnetventil ausgestattete Pumpe-Düse-Einheit ist beispielsweise aus der EP 0 277 939 Bl bekannt.
Um die durch die Verwendung von Magnetventilen hervorgerufenen Probleme zu vermeiden, ist es weiterhin bereits bekannt, Pumpe-Düse-Einheiten mit einem Steuerventil auszustatten, das piezoelektrisch betrieben wird. Eine derartige Pumpe-Düse- Einheit ist beispielsweise aus der DE 198 35 494 AI bekannt.
Um bei einem Einspritzvorgang neben einer Haupteinspritzmenge eine zusätzliche Voreinspritzmenge und/oder eine zusätzliche Nacheinspritzmenge in den Verbrennungsraum einzubringen, ist es weiterhin bekannt, während eines Einspritzzyklus mehrere in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgende Einspritzimpulse auszulösen.
Bei Pumpe-Düse-Einheiten mit einem Piezo-Steuerventil können Probleme hinsichtlich der Einspritzmengengenauigkeit auftreten. Dies ist insbesondere dadurch mitbegründet, dass die tatsächlichen Schließ- und ÖffnungsZeitpunkte des Piezo- Steuerventils in Betrieb nicht bekannt sind. Um Einspritzmengenstreuungen möglichst gering zu halten, muss der Piezo- Aktuator im Piezo-Steuerventil möglichst genau geladen beziehungsweise entladen werden, beispielsweise zur Einstellung von Beginn, Dauer und Energie eines Ventilschließvorgangs. Weiterhin können auch mechanische Fertigungstoleranzen, Verschleiß, Temperatur und Alterungsprozesse zu einem undefi- nierten Schließ- und/oder Öffnungsvorgang führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem beziehungsweise mit der die tatsächlichen Schließ- und/oder Öffnungszeitpunkte des Piezo-Steuerventils detektiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel eine Piezo-Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel durch Auswer- tung der Piezospannung und/oder des Piezostroms erfolgt.
Durch die Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel erhält man insbesondere eine Rückmeldung für den tatsächlichen Schließzeitpunkt des Piezo-Steuerventils sowie für das Öffnungsverhalten. Diese Rückmeldungen können in besonders vorteilhafter Weise für übergeordnete Steuerungen und/oder
Regelungen eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird beispielsweise die Bestimmung des tatsächlichen Förderbeginns möglich. Weiterhin können die Laufzeiten des Piezo-Steuerventils beim Schließen und Öffnen zur genaueren Positionierung der Ventilnadel genutzt werden und die Einstellung einer ausreichenden Sitzkraftreserve ist für die gesamte Betriebszeit möglich.
Bei bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah- rens ist vorgesehen, dass die Auswertung der Piezospannung und/oder des Piezostroms das Erkennen von zumindest einer Un- stetigkeit im Verlauf der Piezospannung und/oder des Piezostroms umfasst. Beispielsweise beim Schließvorgang des Piezo- Steuerventils wird die Steuerventilmechanik, wie Druckplatte, Hebel und Ventilnadel, durch den Ladevorgang des Piezo-
Aktuators in Richtung Ventilsitz beschleunigt. Beim Einschlagen der Ventilnadel in den Ventilsitz wird durch die mechanische Kopplung sprungartig die Gegenkraft auf den Piezo- Aktuator erhöht, was sich direkt in der Piezospannung als Un- stetigkeitssteile wiederspiegelt. Durch eine geeignete Detek- tionsschaltung, die beispielsweise durch einen Differenzierer mit nachgeschalteter Schwellenwerterfassung gebildet sein kann, ist es möglich, diese Unstetigkeit in der elektrischen Messgröße zu erkennen.
Zusätzlich oder alternativ kann bei dem Verfahren zur Detektion des Einschlagzeitpunktes vorgesehen sein, dass die Aus-
Wertung der Piezospannung und/oder des Piezostroms das Erkennen von zumindest einem Impuls im Verlauf der Piezospannung und/oder des Piezostroms umfasst. Beispielsweise beim zum Öffnen des Piezo-Steuerventils durchgeführten Entladevorgang des Piezo-Aktuators kann die Steuerventilmechanik, wie Druckplatte, Hebel und Ventilnadel, dem zurückweichenden Piezo- Aktuator nicht kraftschlüssig folgen. Dennoch wird die Ventilnadel beim Öffnungsvorgang durch den Absteuerpuls so stark beschleunigt, dass bei ihrem Auftreffen auf den bereits in der Ausgangsstellung befindlichen Piezo-Aktuator ein mechanischer Kraftimpuls auftritt. Durch den dynamischen Krafteintrag werden Ladungsträger induziert, was zu einem Stromimpuls und/oder einem Spannungsimpuls beispielsweise zwischen einer Endstufe und dem Piezo-Aktuator führt. Dieser Impuls der e- lektrischen Messgröße kann mit einer Detektionsschaltung de- tektiert werden, die beispielsweise durch eine einfache Schwellenwerterfassung gebildet sein kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs eines Piezo-Steuerventils einer Pumpe- Düse-Einheit ist vorgesehen, dass der durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion des Einschlagzeitpunktes und/oder durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes detektierte Einschlagzeitpunkt der Ventilnadel des Piezo-Steuerventils auf eine bekannte zeitliche Hilfsgröße bezogen wird. Bei der bekannten zeitlichen Hilfsgröße kann es sich beispielsweise um ein geeignetes Steuersignal handeln. Mit der zeitlichen Information ist beispielsweise eine übergeordnete Regelung zur genaueren Positi- onierung der Ventilnadel sowohl für Voll- als auch für Teilhübe möglich. Weiterhin ist eine Bestimmung der Sitzkraftreserve während des Betriebs möglich, wobei die Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel für beliebige Ansteuerprofile durchgeführt werden kann.
In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die bekannte zeitliche Hilfsgröße ein Steuersignal um-
fasst, das den Beginn oder das Ende einer Kraftstoffeinspritzung festlegt. Im Falle des Schließvorgangs des Piezo- Steuerventils kann das Steuersignal insbesondere durch ein SOI-Signal (SOI = start of injection / Einspritzbeginn) han- dein. In diesem Fall entspricht der zeitliche Versatz zwischen dem Einschlagzeitpunkt der Ventilnadel und dem SOI- Signal der Laufzeit zwischen dem Bestromungsbeginn und dem tatsächlichen Förderbeginn der Pumpe-Düse-Einheit. Da eine Korrelation der Laufzeit zur eingebrachten Energie möglich ist, kann beispielsweise eine Sitzkraftreserve bestimmt werden. Im Zusammenhang mit dem Öffnungsvorgang des Piezo- Steuerventils kann das Steuersignal insbesondere durch ein EOI-Steuersignal (EOI = end of injection / Einspritzsende) gebildet sein. Der zeitliche Versatz zwischen dem Einschlag- Zeitpunkt der Ventilnadel und dem EOI-Signal entspricht dann der Laufzeit zwischen dem Entstromungs- beziehungsweise Entladungsbeginn und dem tatsächlichen vollständigen Öffnungszeitpunkt des Piezo-Steuerventils.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel eines Piezo-Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel die Piezospannung und/oder den Piezostrom auswertet. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel erläuterten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel, wobei auch bezüglich der durch diese Ausführungsformen erzielbaren Vorteile auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel verwiesen wird.
Auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Auswertung der Piezospannung und/oder des Piezostroms das Erkennen von zumindest einer Unstetigkeit im Verlauf der Piezospannung und/oder des Piezostroms umfasst.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Auswertung der Piezospannung und/oder des Piezostroms das Er- kennen von zumindest einem Impuls im Verlauf der Piezospannung und/oder des Piezostroms umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs eines Piezo-Steuerventils einer Pumpe-Düse- Einheit zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel und/oder durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel detektierten Einschlagzeitpunkt der Ventilnadel des Piezo-Steuerventils auf eine bekannte zeitliche Hilfsgröße bezieht. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs eines Piezo-Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit erläuterten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, wes- halb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgende bevorzugte Ausführungsform, wobei auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung des Betriebs eines Piezo-Steuerventils verwiesen wird.
Die bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die bekannte zeitliche Hilfsgröße ein Steuersignal umfasst, das den Beginn oder das Ende einer Kraftstoffeinspritzung festlegt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Piezospannung und/oder dem Piezostrom Signale überlagert sind, die zur Rückmeldung herangezogen werden können, insbesondere im Zusammenhang mit Regelungen für die Einspritzmengenkorrektur.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ausführungsform einer Pumpe-Düse- Einheit bei beziehungsweise mit der die erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäßen Vorrichtungen angewendet werden können;
Figur 2 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Piezo- Steuerventils, das mit der Pumpe-Düse-Einheit nach Figur 1 verwendet werden kann;
Figur 3 einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung, der Ableitung der Piezospannung und des Ventilnadelhubs für eine Einspritzung veranschaulicht;
Figur 4 einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung, des Piezostroms und des Ventilnadelhubs bezogen auf ein bekanntes SOI-Signal für einen Schließvorgang des Piezo-Steuerventils veranschaulicht;
Figur 5 den Verlauf der Piezospannung für einen Einspritzvorgang mit unterschiedlichen Piezo-Energien;
Figur 6 einen zeitlichen Ausschnitt der Kurvenverläufe von Figur 5 mit auf ein bekanntes SOI-Signal bezogenen Einschlagzeiten der Ventilnadel beim Schließvorgang des Piezo-Steuerventils; und
Figur 7 einen Graph, der den Verlauf der Piezospannung, des Piezostroms, der Piezoladung und des Ventilnadelhubs bezogen auf ein bekanntes EOI-Signal veranschaulicht .
Figur 1 zeigt schematisch eine Pumpe-Düse-Einheit. Die dargestellte Pumpe-Düse-Einheit zum Zuführen von Kraftstoff 10 in einen Verbrennungsraum 12 einer Brennkraftmaschine weist eine Kraftstoffpumpe 14-22 auf. Dabei ist ein Kraftstoffpumpenkol- ben 14 in einem Kraftstoffpumpenzylinder 16 hin und her bewegbar. Der Kraftstoffpumpenkolben 14 wird direkt oder indirekt über eine nicht dargestellte Nockenwelle der Brennkraft- rαaschine angetrieben. Der Korαpressionsrau des Kraftstoffpum- penzylinders 16 bildet einen ersten Druckraum 28. Der erste Druckraum 28 ist über eine Kraftstoffleitung 20 mit einem Piezo-Steuerventil 22 verbunden. Das Piezo-Steuerventil 22 dient dazu, die Kraftstoffleitung 20 entweder zu verschließen oder mit einem Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 zu verbinden, aus dem Kraftstoff 10 angesaugt werden kann. In der geöffne- ten Ruhestellung des Piezo-Steuerventils 22 wird bei einer bezogen auf Figur 1 nach oben gerichteten Bewegung des Kraftstoffpumpenkolbens 14 Kraftstoff 10 aus dem Kraftstoff- Niederdruckbereich 18 in den ersten Druckraum 28 angesaugt. Sofern das Piezo-Steuerventil 22 sich bei einer bezogen auf Figur 1 nach unten gerichteten Bewegung des Kraftstoffpumpenkolbens 14 noch in seiner geöffneten Ruhestellung befindet, kann vorher in den ersten Druckraum 28 angesaugter Kraftstoff 10 wieder zurück in den Kraftstoff-Niederdruckbereich 18 gedrückt werden. Bei einer geeigneten Ansteuerung des Piezo- Steuerventils 22 verschließt dieses die Kraftstoffleitung 20. Dadurch wird der in den ersten Druckraum 28 angesaugte Kraftstoff 10 bei einer nach unten gerichteten Bewegung des Kraftstoffpumpenkolbens 14 komprimiert, wodurch ein erster Druck p28 in dem ersten Druckraum 28 erzeugt wird. Die dargestellte Pumpe-Düse-Einheit umfasst weiterhin eine insgesamt mit 24 bezeichnete Kraftstoffeinspritzdüse, die eine zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her beweg-
liehe Düsennadel 46 aufweist. Ein Druckstift 26 kann, bezogen auf die Darstellung von Figur 1, insbesondere eine nach unten gerichtete Kraft auf die Düsennadel 46 ausüben. Am oberen Ende des Druckstifts 26 ist eine Einstellscheibe 40 vorgesehen, die in einem zweiten Druckraum 30 geführt ist, wobei in dem zweiten Druckraum 30 unter einem zweiten Druck p30 stehender Kraftstoff 10 über den Druckstift 26 eine bezogen auf die Darstellung von Figur 1 nach unten gerichtete Schließkraft auf die Düsennadel 46 ausübt. Die Einstellscheibe 40 ist da- bei vorzugsweise gegenüber dem zweiten Druckraum 30 nur so stark abgedichtet, dass der zweite Druck p3o vor Beginn eines neuen Einspritzzyklus bereits wieder abgebaut ist. Eine ebenfalls nach unten gerichtete weitere Schließkraft wird durch eine erste Feder 36 auf den Druckstift 26 und somit die Dü- sennadel 46 ausgeübt, wobei die erste Feder 36 in dem zweiten Druckraum 30 angeordnet ist und sich mit ihrem hinteren Ende an der Einstellscheibe 40 abstützt. Ein eine Schulter 44 aufweisender Abschnitt der Düsennadel 46 ist von einem dritten Druckraum 32 umgeben, der mit dem ersten Druckraum 28 über eine Verbindungsleitung 42 kommuniziert. In Abhängigkeit von der Drosselwirkung der Verbindungsleitung 42 und gegebenenfalls weiterer nicht dargestellter Drosseleinrichtungen wird in Abhängigkeit von dem in dem ersten Druckraum 28 herrschenden ersten Druck p28 in dem dritten Druckraum 32 ein dritter Druck p32 aufgebaut. Der in dem dritten Druckraum 32 unter dem dritten Druck p32 stehende Kraftstoff 10 übt eine bezogen auf die Darstellung von Figur 1 nach oben gerichtete Öffnungskraft auf die Düsennadel 46 aus. Die Düsennadel 46 nimmt ihre Öffnungsstellung ein, solange eine Differenz zwischen der durch den dritten Druck p32 verursachten Öffnungskraft und der Summe aus der durch den zweiten Druck p3o erzeugten Schließkraft und der durch die erste Feder 36 erzeugten Schließkraft einen vorgegebenen Wert überschreitet. Über den zweiten Druck p30 in dem zweiten Druckraum 30 kann somit der Düsenöffnungsdruck beeinflusst werden. Um den zweiten Druck p30 im zweiten Druckraum 30 auf jeweils geeignet Werte zu begrenzen und zu halten kann beispielsweise ein Druckbegren-
zungs- und -halteventil 34 zwischen dem ersten Druckraum 28 und dem zweiten Druckraum 30 vorgesehen sein. Die Ankopplung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 80 an das anhand von Figur 2 näher erläuterte Piezo-Steuerventil 22 ist in Figur 1 ebenfalls dargestellt.
Figur 2 zeigt eine schematische Teil-Schnittansicht eines Piezo-Steuerventils 22, das mit der Pumpe-Düse-Einheit nach Figur 1 verwendet werden kann. Das dargestellte Piezo- Steuerventil 22 weist eine Ventilnadel 48 auf, die zum
Schließen des Piezo-Steuerventils 22 in die dargestellte erste Endstellung und zum vollständigen Öffnen des Piezo- Steuerventils 22 in eine zweite Endstellung bewegt werden kann, die bezogen auf die Darstellung nach rechts verschoben ist. Wenn sich die Ventilnadel 48 in ihrer dargestellten ersten Endstellung befindet, wirkt ein an der Ventilnadel 48 vorgesehener Ventilteller 64 mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz 62 zusammen. Dadurch wird der Kraftstoff- Niederdruckbereich 18 gegenüber einer Hochdruckkammer 38 ver- schlössen, die mit der in Figur 1 dargestellten Kraftstoffleitung 20 in Verbindung steht. Das Piezo-Steuerventil 22 weist einen Piezo-Aktuator beziehungsweise ein Piezoelement 76 auf. Bei geeigneter Ansteuerung des Piezoelementes 76 übt dieses über eine Stirnfläche 78 eine Kraft auf ein Druckstück 54 aus. Das Druckstück 54 überträgt die von dem Piezoelement 76 erzeugte Kraft seinerseits auf einen ersten Hebel 56 und einen zweiten Hebel 58, wobei der erste Hebel 56 und der zweite Hebel 58 dazu vorgesehen sind, eine Kraftübersetzung zu bewirken. Der erste Hebel 56 und der zweite Hebel 58 lie- gen an einer zweiten axialen Endfläche 72 der Ventilnadel 48 an, um die von dem Piezoelement 76 erzeugte, übersetzte Kraft auf die Ventilnadel 48 zu übertragen. Die von dem geeignet angesteuerten Piezoelement 76 erzeugte, übersetzte Kraft, die auf die Ventilnadel 48 wirkt, ist größer als eine entgegenge- setzte Kraft, die von einer zweiten Feder 66 erzeugt und über ein Federdruckstück 68 auf eine erste axiale Endfläche 70 der Ventilnadel 48 ausgeübt wird. Der Kraftstoff-
Niederdruckbereich 18 steht mit einem Absteuerraum 50 in Verbindung, der über eine Ausgleichsbohrung 52 weiterhin mit einem vor dem Piezoelement 76 befindlichen Aktorraum 74 in Verbindung steht. Dieser Aktorraum 74 steht mit einem Rücklauf 60 in Verbindung, über den Kraftstoff aus dem Aktorraum 74 zurückströmen kann.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für den Verlauf der Piezospannung u(t), der zeitlichen Ableitung der Piezospannung u'(t) sowie des Ventilnadelhubs h(t) für eine Einspritzung. Über die zeitliche Ableitung der Piezospannung u' (t) können beispielsweise in einfacher Weise Unstetigkeiten des Verlaufs der Piezospannung u(t) erkannt werden.
Figur 4 zeigt den Verlauf der Piezospannung u(t), des Piezostroms i(t) und des Ventilnadelhubs h(t) für einen Schließvorgang des Piezo-Steuerventils. Zum Zeitpunkt tc ist das Piezo-Steuerventil tatsächlich geschlossen. Dabei entspricht der Zeitpunkt tc dem Einschlagzeitpunkt der Ventilnadel 48. Beim Einschlagen der Ventilnadel 48 in den Ventilsitz 62 wird die Gegenkraft auf den Piezo-Aktuator 76 durch die mechanische Kopplung sprungartig erhöht, was sich direkt in einer Unstetigkeit der Piezospannung u(t) zum Zeitpunkt tc wiederspiegelt. Diese Unstetigkeit der Piezospannung u(t) kann bei- spielsweise über die zeitliche Ableitung der Piezospannung u' (t) erkannt werden. Als Detektionsschaltung kommt daher beispielsweise ein Differenzierer mit nachgeschalteter Schwellenwerterfassung in Frage. Die erkannte Unstetigkeit der Piezospannung u(t) zum Zeitpunkt tc, das heißt der Ein- Schlagzeitpunkt der Ventilnadel 48, kann nun zeitlich einer bekannten Hilfsgröße zugeordnet werden, beispielsweise einem SOI-Signal, das zum Zeitpunkt tSoι seinen Wert ändert, um den Einspritzbeginn auszulösen. Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt tsoi und dem Zeitpunkt tc entspricht in diesem Fall der Laufzeit zwischen dem Bestromungsbeginn und dem tatsächlichen Förderbeginn der Pumpe-Düse-Einheit.
Figur 5 zeigt den Verlauf der Piezospannung für einen Ein- spritzvorgang mit unterschiedlichen Piezoenergien. Dabei entsprechen die einzelnen Kurven von oben nach unten den Spannungswerten 150 V, 140 V, 130 V, 120 V, 110 V und 100 V.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt der Kurvenverläufe von Figur 5 mit auf ein bekanntes SOI-Signal bezogenen Einschlagzeiten der Ventilnadel 48 beim Schließvorgang des Piezo- Steuerventils 22. Der Darstellung von Figur 6 ist zu entneh- men, dass sich der Einschlagzeitpunkt tc für geringere Piezo- spannungen u(t) nach hinten verschiebt. Beispielsweise entspricht der Einschlagzeitpunkt tcι der Spannung von 150 V, während der Einschlagzeitpunkt tc2 der Spannung von 100 V entspricht. Auch in diesem Fall können die Einschlagzeitpunk- te tCι und tc2 wieder zeitlich in Bezug zum SOI-Signal gesetzt werden.
Figur 7 zeigt den Verlauf der Piezospannung u(t), des Piezostroms i(t) und des Ventilnadelhubs h(t), insbesondere auch für den Öffnungsvorgang des Piezo-Steuerventils 22. Weiterhin ist der hier nicht näher interessierende Ladungsverlauf q(t) dargestellt. Beim Entladevorgang kann die Ventilmechanik dem zurückweichenden Piezo-Aktuator 76 nicht kraftschlüssig folgen. Dennoch wird die Ventilnadel 48 beim Öffnungsvorgang durch den Absteuerpuls so stark beschleunigt, dass beim Auftreffen auf den bereits in seiner Ausgangsstellung befindlichen Piezo-Aktuator 76 zum Zeitpunkt t0 ein mechanischer Kraftimpuls auftritt. Durch diesen dynamischen Krafteintrag werden Ladungsträger induziert, was zu einem Stromimpuls oder Spannungsimpuls zwischen der Endstufe und dem Piezo-Aktuator führt. In Figur 7 ist der Impuls des Piezostroms i(t) zum Zeitpunkt t0 deutlich zu erkennen. Der Zeitpunkt t0 kann daher in einfacher Weise beispielsweise durch eine Schwellenwerterfassung bestimmt werden. Der Einschlagzeitpunkt t0, zu dem das Piezo-Steuerventil 22 vollständig geöffnet ist, kann zeitlich in Bezug zu einem EOI-Signal gesetzt werden, dass zum Zeitpunkt tEoι seinen Wert ändert, um den Öffnungsvorgang
des Piezo-Steuerventils 22 auszulösen. Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt tEoι und t0 entspricht dann der Laufzeit zwischen dem Entladebeginn und dem Zeitpunkt der vollständigen Öffnung des Piezo-Steuerventils 22.
Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Detektion des Einschlagzeitpunktes der Ventilnadel 48 eines Piezo- Steuerventils 22 einer Pumpe-Düse-Einheit beim Schließen und/oder Öffnen des Piezo-Steuerventils 22 wird erfindungsge- maß durchgeführt, indem die Piezospannung u(t) und/oder Piezostrom i(t) ausgewertet werden. Diese Auswertung kann insbesondere das Erkennen von Unstetigkeiten und/oder Impulsen im Verlauf der Piezospannung u(t) und/oder des Piezostroms i(t) umfassen. Der detektierte Einschlagzeitpunkt kann in vorteil- hafter Weise in zeitlichen Bezug zu einer bekannten Hilfsgröße gebracht werden, insbesondere zu Regelungszwecken.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung kön- nen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.