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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung
betrifft ferner ein entsprechendes Computerprogramm, ein elektrisches
Speichermedium sowie eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung.
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Verfahren
und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise
aus der
EP 1 268 999
B1 bekannt. In dieser Veröffentlichung wird ein Verfahren
zur Bestimmung eines Kraftstoffdrucks mit Hilfe eines spannungsgesteuerten
piezoelektrischen Aktors einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung beschrieben.
Bei dieser Kraftstoff-Einspritzvorrichtung betätigt der piezoelektrische Aktor
mittels eines hydraulischen Kopplers eine Düsennadel, um eine in einem Hochdruckkanal
mit dem Druck des Common-Rails beaufschlagte Kraftstoffmenge freizugeben.
Ein in dem hydraulischen Koppler herrschender hydraulischer Druck
wirkt auf den piezoelektrischen Aktor und beeinflusst dessen Piezospannung,
so dass durch eine Auswertung dieser Piezospannung auf den hydraulischen
Druck in dem Koppler geschlossen werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, welches einfach, zuverlässig und preiswert eine Ermittlung
des Kraftstoffdrucks gestattet.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Weitere Lösungen
sind in den nebengeordneten Patentansprüchen genannt. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung finden sich in Unteransprüchen. Außerdem sind wesentliche
Merkmale der Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung und der
Zeichnung offenbart, wobei die besagten Merkmale in ganz unterschiedlichen
Kombinationen für
die Erfindung wesentlich sein können,
ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass sich auf der Grundlage der Auswertung der Schallgeschwindigkeit
im Kraftstoffsystem der dort herrschende Kraftstoffdruck mit einer
für viele
Anwendungen ausreichenden Genauigkeit bestimmten lässt. Schall-
beziehungsweise Druckereignisse, die eine Druckwelle im Kraftstoff
auslösen,
deren Laufzeit zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ermittelt wird,
treten nämlich
im Normalbetrieb eines jeden Kraftstoffsystems laufend auf. Aus
der Laufzeit und der bekannten Geometrie beziehungsweise Entfernung
zwischen dem Ort des auslösenden
hydraulischen Ereignisses und dem Ort, an dem der Sensor die eintreffende
Druckwelle erfasst, kann die Schallgeschwindigkeit mit einfachen
Mitteln und unter geringem Rechenaufwand berechnet werden. Dies
ist dabei im laufenden Betrieb des Kraftstoffsystems in den unterschiedlichsten
Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine und des Kraftstoffsystems möglich. Damit
können
beispielsweise wichtige Forderungen hinsichtlich einer redundanten
Ermittlung des Kraftstoffdrucks, beispielsweise für den US-Markt,
erfüllt
werden. Gegebenenfalls ist sogar ein völliger Verzicht auf einen separten
Sensor, welcher den Kraftstoffdruck direkt erfasst, denkbar.
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Besonders
vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn das
hydraulische Ereignis ein Einspritzbeginn oder ein Einspritzende
eines Injektors ist, der an ein Common-Rail angeschlossen ist. Beim
Einspritzbeginn und beim Einspritzende kommt es nämlich zu
einer kurzzeitigen, stoßartigen Druckschwankung
im Common-Rail, die sich wellenartig mit Schallgeschwindigkeit vom
Injektor ausgehend im Common-Rail ausbreitet. Der tatsächliche Einspritzbeginn
oder das tatsächliche
Einspritzende eines solchen Injektors kann, beispielsweise bei der Verwendung
eines Piezoaktors zur Betätigung
des Injektors, einfach durch eine Auswertung des Spannungs- und/oder
Stromsignals ermittelt werden, welches von einem solchen Piezoaktor
bereitgestellt wird. Es wurde nämlich
herausgefunden, dass es dann, wenn ein Ventilelement des Injektors
am Ende seines Hubs in seiner Endstellung anschlägt, zu einer charakteristischen
Veränderung
des Strom- beziehungsweise Spannungsverlaufs kommt.
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Zur
Erfassung der Druckwelle kann ein Piezoaktor eines Injektors, der
an ein Common-Rail angeschlossen ist, verwendet werden. Das Spannungssignal
von Piezoaktoren ist nämlich
druckabhängig. Wenn
nun, wie dies bei zahlreichen heutigen Injektoren der Fall ist,
der Piezoaktor, mit dem ein Ventilelement des Injektors betätigt wird,
im hohen Druck des Common-Rails "schwimmt", stellt ein solcher
Piezoaktor einen guten Sensor dar, mit dem das Eintreffen der von
dem hydraulischen Ereignis ausgelösten Druckwelle erfasst werden
kann. Damit ist ein zusätzlicher
Sensor gar nicht erforderlich, wodurch Kosten gespart werden.
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Die
Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird erhöht,
wenn bei der Ermittlung des aktuellen Kraftstoffdrucks eine Kraftstofftemperatur berücksichtigt
wird.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Kraftstofftemperatur
unter Berücksichtigung einer
Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder einer Kraftstoffzulauftemperatur
ermittelt wird. Dies kann beispielsweise anhand eines entsprechenden numerischen
Modells geschehen. Damit kann auf einen separaten Sensor zur Ermittlung
der aktuellen Kraftstofftemperatur verzichtet werden, wodurch ebenfalls
Kosten eingespart werden.
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Der
Kraftstoffdruck kann aus der Schallgeschwindigkeit und gegebenenfalls
der Kraftstofftemperatur mittels eines Kennfelds ermittelt werden.
Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Zusammenhänge zwischen
Schallgeschwindigkeit, Druck und Temperatur in Flüssigkeiten
durch eine einfache Gleichung nur schwer dargestellt werden können. Durch
die Verwendung eines solchen Kennfelds wird daher die Genauigkeit
bei der Ermittlung des Kraftstoffdrucks bei gleichzeitig geringem
Ressourcenbedarf verbessert.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der aus der Schallgeschwindigkeit ermittelte
Kraftstoffdruck mit einem von einem Drucksensor erfassten Kraftstoffdruck
verglichen wird, und wenn eine Maßnahme erfolgt, wenn die Abweichung
einen Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird also der aus der Schallgeschwindigkeit
hervorgehende Kraftstoffdruck zur Plausibilisierung eines Sensorsignals
verwendet. Damit kann beispielsweise eine Drift eines solchen Sensors überwacht
und durch die Grenzwertüberprüfung eine Fehlfunktion
des Sensors erkannt werden. Bei einer erkannten oder drohenden Fehlfunktion
kann dann eine Maßnahme,
beispielsweise ein Eintrag in einen Fehlerspeicher, durchgeführt werden.
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Denkbar
ist sogar, dass auf einen separaten herkömmlichen Sensor zur Erfassung
des Kraftstoffdrucks vollkommen verzichtet wird und der aus der Schallgeschwindigkeit
ermittelte Kraftstoffdruck für eine
Regelung des Kraftstoffdrucks verwendet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Diagramm, in dem ein Stromverlauf zur Ansteuerung eines ersten Injektors
des Kraftstoffsystems von 1 über der
Zeit aufgetragen ist;
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3 ein
Diagramm, in dem ein dem Stromverlauf von 2 entsprechender
Hub des ersten Injektors über
der Zeit aufgetragen ist;
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4 ein
Diagramm, in dem eine an einem Piezoaktor des ersten Injektors anliegende
Spannung über
der Zeit aufgetragen ist;
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5 ein
Spannungssignal eines Piezoaktors eines zweiten Injektors des Kraftstoffsystems von 1;
und
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6 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Kraftstoffsystems
von 1.
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Ausführungsform der Erfindung
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Ein
Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoff-Druckspeicher 12,
der üblicherweise
als "Common-Rail" bezeichnet wird. Kraftstoff
wird in das Common-Rail 12 von einer Kraftstofffördereinrichtung 14 unter
hohem Druck gefördert.
Die Kraftstofffördereinrichtung 14 umfasst üblicherweise
eine Vorförderpumpe
und eine Hochdruckpumpe.
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An
das Common-Rail 12 sind über Leitungen 16a bis
c mehrere Injektoren 18a bis c angeschlossen. Dabei gilt
hier wie nachfolgend, dass dann, wenn eine Komponente ohne die Indizes
a bis c bezeichnet wird, die entsprechenden Ausführungen für alle Komponenten a bis c
gelten. Die Injektoren 18 umfassen jeweils ein Ventilelement
(nicht dargestellt), mit dem Kraftstoff-Austrittsöffnungen
von der Leitung 16 getrennt oder mit dieser verbunden werden
können.
Betätigt
wird das Ventilelement eines Injektors 18a bis 18c durch
einen Piezoaktor 20a bis 20c, der auf nicht näher dargestellte
Art und Weise in einem Raum aufgenommen ist, in dem über die
entsprechende Leitung 16a-c der im Common-Rail 12 vorliegende
Kraftstoffdruck herrscht. Jedem Injektor 18a bis c ist
ein eigener Brennraum 22a bis c einer Brennkraftmaschine
(ohne Bezugszeichen) zugeordnet, in den der jeweilige Injektor 18a bis
c den Kraftstoff direkt einspritzt. Als Kraftstoff kommt sowohl Benzin
als auch Diesel oder ein anderer Kraftstoff in Frage.
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Der
Betrieb des Kraftstoffsystems 10 wird von einer Steuer-
und Regeleinrichtung 24 gesteuert und geregelt. Hierzu
erhält
die Steuer- und Regeleinrichtung 24 unter anderem Signale
von einem Drucksensor 26, der am Common-Rail 12 angeordnet
ist und den im Common-Rail 12 herrschenden Kraftstoffdruck
erfasst. Das entsprechende Signal ist in 1 mit psens bezeichnet. Angesteuert werden von der
Steuer- und Regeleinrichtung 24 unter anderem die Piezoaktoren 20,
indem diese mit einem bestimmten Lade- oder Entladestrom I beaufschlagt werden.
Eine am Piezoaktor 20 anliegende Spannung U wird vom entsprechenden
Piezoaktor 20 an die Steuer- und Regeleinrichtung 24 übermittelt.
Ferner verfügt
das Kraftstoffsystem 10 über einen Temperatursensor 28,
welcher die Zulauftemperatur Tsens des Kraftstoffs
im Bereich der Kraftstofffördereinrichtung 14 erfasst
und ein entsprechendes Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung 24 übermittelt.
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Eine
typische Ansteuerung beispielsweise des in 1 auf der äußersten
linken Seite angeordneten Injektors 18a ist in den 2 bis 4 gezeigt:
In 2 ist der Ladestrom I dargestellt, mit dem der
Piezoaktor 20a für
einen Öffnungshub
geladen wird. Der Ladestrom I steigt dabei linear von 0 bis zu einem
Wert IL an und bleibt dann konstant. Aufgrund
dieses Ladevorganges verkürzt
sich der Piezoaktor 20a, wodurch das Ventilelement des
Injektors 18a einen Öffnungshub
H ausführt
(3). Bei einem Hub Hmax stößt das Ventilelement
an einem Anschlag (nicht dargestellt) an und schwingt sich anschließend auf
seine normale Öffnungsstellung
Hnorm ein. In dieser wird von dem Injektor 18a Kraftstoff
in den Brennraum 22a eingespritzt.
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Wie
bereits oben dargestellt wurde, wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 24 auch
die am Piezoaktor 20a anliegende Spannung Ua erfasst.
Deren Verlauf ist in 4 über der Zeit aufgetragen. Man
erkennt, dass die Spannung bis auf einen Minimalwert Umin abfällt und
dann, wenn das Ventilelement an seinem Öffnungsanschlag anschlägt (Hub Hmax in 3), eine
kurze positive Schwingung ausführt
und sich dann eine normale Spannung Unorm einstellt.
Anhand des "Schwingers", der in 4 mit 30 bezeichnet
ist, kann anhand des Spannungssignals Ua exakt
der Zeitpunkt erfasst werden, zu dem das Ventilelement des Injektors 18a an
seinem Öffnungsanschlag
anschlägt.
Der entsprechende Zeitpunkt ist in 1 mit t1 bezeichnet.
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Durch
die beginnende Einspritzung von Kraftstoff durch den Injektor 18a,
also den "Einspritzbeginn" zum Zeitpunkt t1, kommt es zu einer schlagartigen kurzzeitigen
Druckabsenkung im Injektor 18a, die sich über die
Leitung 16a bis in das Common-Rail 12 in Form
einer Druckwelle fortpflanzt. Diese Druckwelle, die in 1 mit 32 bezeichnet
ist, breitet sich nun im Common-Rail 12 aus, entsprechend
den Pfeilen 34. Über
die Leitung 16c pflanzt sie sich bis zum Piezoaktor 20c des
Injektors 18c fort. Die an diesem anliegende Spannung Uc wird ebenfalls laufend von der Steuer-
und Regeleinrichtung 24 erfasst. Wenn die Druckwelle 32 in
jenem Raum eintrifft, in dem der Piezoaktor 20c aufgenommen
ist, führt
dies zu einer charakteristischen Schwingung des Signals Uc zu einem Zeitpunkt t2,
der nach dem Zeitpunkt t1 liegt. Der Piezoaktor 20c bildet
also insoweit einen Sensor zur Erfassung des Eintreffens der Druckwelle 32.
Die Zeit, die zwischen dem auch als "hydraulisches Ereignis" bezeichneten Einspritzbeginn
zum Zeitpunkt t1 und dem Eintreffen der
hierdurch ausgelösten Druckwelle 32 zum
Zeitpunkt t2 am Piezoaktor 20c verstrichen
ist, wird als "Laufzeit" der Druckwelle 32 bezeichnet.
Diese ist in 4 durch einen Pfeil dargestellt,
der mit dt bezeichnet ist.
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Unter
Berücksichtigung
der bekannten Geometrie des Kraftstoffsystems 10, insbesondere
der Entfernung zwischen dem Injektor 18a und dem Piezoaktor 20c des
Injektors 18c, kann aus der Laufzeit dt die Schallgeschwindigkeit
berechnet werden, mit der sich die Druckwelle 32 im Kraftstoff
ausgebreitet hat. Bekanntermaßen
ist die Schallgeschwindigkeit in einem flüssigen Medium unter anderem
von dessen Dichte abhängig.
Diese wiederum hängt
vom Druck und von der Temperatur des Mediums ab. Bei bekannter Temperatur
des Kraftstoffs im Common-Rail 12,
beispielsweise auf der Basis des Signals Tsens des
Temperatursensors 28, kann daher anhand der ermittelten
Schallgeschwindigkeit der im Common-Rail 12 herrschende
Druck ermittelt werden. Dies wird nun anhand des Blockdiagramms
von 6 erläutert:
Nach
dem Start in 36 wird in 38 durch eine Auswertung
des Spannungssignals Ua ein Einspritzbeginn 30 durch
den Injektor 18a erfasst. Sobald ein solcher Einspritzbeginn 30 in 38 erfasst
wurde, wird in 40 eine Uhr gestartet. In 42 wird
dann auf der Basis der Spannung Uc am Piezoaktor 20c das
Eintreffen der Druckwelle 32 am Piezoaktor 20c erfasst.
Sobald die Druckwelle 32 eintrifft, wird in 44 die
Uhr angehalten. Der Stand der Uhr entspricht der Laufzeit dt. In 46 wird
aus der Laufzeit dt unter Berücksichtigung
der bekannten Geometrie des Kraftstoffsystems 10 die Schallgeschwindigkeit
c des Kraftstoffs im Common-Rail 12 berechnet.
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Nach
dem Start in 36 wurde in 48 auch die Temperatur
Tsens im Zulauf des Kraftstoffs in der Kraftstofffördereinrichtung 14 erfast
und hieraus, beispielsweise anhand eines numerischen Modells, eine im
Common-Rail 12 herrschende Kraftstofftemperatur Tfuel ermittelt. Unter Berücksichtigung dieser Kraftstofftemperatur
Tfuel und der Schallgeschwindigkeit c wird
in 50 unter Verwendung eines Kennfelds ein Kraftstoffdruck
pc ermittelt, der im Common-Rail 12 herrscht.
Dieser wird in 52 mit dem vom Drucksensor 26 erfassten
Kraftstoffdruck psens verglichen. Übersteigt
die Abweichung zwischen den beiden Drücken psens und
pc einen Grenzwert, wird in 54 eine
Maßnahme
durchgeführt,
beispielsweise erfolgt dort ein Eintrag in einen Fehlerspeicher.
Das Verfahren endet in 56.