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Stand der Technik
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Aufgrund
steigender Anforderungen seitens der Emissionsgesetzgebung zum Beispiel
in Europa und den USA wird es bei Common Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen
zunehmend wichtiger, eine hohe Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge
zu erreichen. Andererseits werden stetig wachsende Anforderungen
an den maximalen Raildruck künftiger CR-Systeme gestellt.
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Um
dem Wunsch nach hohen Raildrücken gerecht werden zu können,
müssen die Leckageverluste verringert werden. Dies kann
unter Anderem durch eine Verkürzung der Förderphase
erreicht werden. Die verkürzten Förderphasen führen
insbesondere bei hohen Drehzahlen zu hohen Förderströmen
und damit zu steilen Druckgradienten im Rail, was die exakte Zumessung
der gewünschten Einspritzmenge erschwert.
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Um
die gewünschte Einspritzmenge für jeden Injektor
möglichst genau zu realisieren, wird kurz vor der Ansteuerung
der Injektoren der Druck im Rail mittels eines Drucksensors gemessen
und mit diesem Druckwert die Ansteuerdauer aus einem Kennfeld – dem
sogenannten Durchfluss-Ansteuerdauer-Kennfeld – ermittelt.
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Durch
verschiedene zur Rauschreduzierung erforderliche Tiefpassfilter
im Drucksensor und im Steuergerät steht das reale Raildrucksignal
im Steuergerät mit einer zeitlichen Verzögerung
an. Zusätzlich muss die Auslesung des Druckes bereits im
dynamischen Interrupt vor der eigentlichen Bestromung des Injektors erfolgen,
um im Steuergerät noch ausreichend Zeit zur Berechnung
der erforderlichen Ansteuerdauer vorzuhalten. In Summe ergibt sich
damit eine zeitliche Verzögerung Δt zwischen der
Messung des Druckwerts und der Verfügbarkeit dieses Druckwerts
im Steuergerät, wo es zur Ermittlung der Ansteuerdauer
des Injektors genutzt werden kann.
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In
manchen Betriebspunkten mit hoher Drehzahl und somit steilen Raildruckgradienten
ergeben sich durch die oben genannte Verzögerung Δt
Druckunterschiede von bis zu 80 bar zwischen dem im Steuergerät verwendeten
gemessenen Raildruck und dem tatsächlich zum Zeitpunkt
der Einspritzung anliegenden Raildruck. Da die Einspritzmenge unter
anderem von dem am Rail anstehenden Druck abhängt, führt
diese Druckabweichung zu signifikanten Einspritzmengenfehlem.
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Aus
der
DE 198 57 971
A1 ist ein Verfahren bekannt bei dem durch eine lineare
Interpolation der Druckwert zum Zeitpunkt des Einspritzbeginns ermittelt
wird. Diese Verfahren ist jedoch nur bedingt einsetzbar, wenn die
Druckgradienten sehr steil sind und überdies noch starken
Schwankungen unterliegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen,
das eine genauere Dosierung der Einspritzmenge ermöglicht
und das möglichst kostengünstig realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren
zum Betreiben eines Kraftstoff-Einspritzsystems für Brennkraftmaschinen
mit einer Hochdruckpumpe, mit einem Common-Rail, mit einem Drucksensor,
mit mindestens einem Einspritzventil, und mit einem Steuergerät
zur Ansteuerung der Einspritzventile, wobei ein erster Raildruck
pRail-1 des Common-Rails für jede
Einspritzung zu einem ersten Zeitpunkt erfasst und ausgewertet wird,
wobei der erste Zeitpunkt um ein Zeitintervall ΔT vor der
Einspritzung des Injektors liegt, dadurch gelöst, dass
zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweiter Raildruck pRail-2 des
Common-Rails für jede Einspritzung erfasst wird, dass der
zweite Zeitpunkt später als der erste Zeitpunkt liegt und
dass der zum ersten Zeitpunkt für die Einspritzung j erfasste
erste Raildruck pRail-1(j) in Abhängigkeit
des zum zweiten Zeitpunkt t2(j-r) einer
zeitlich früheren Einspritzung (j-r) erfassten zweiten
Raildrucks pRail-2(j-r) korrigiert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Tatsache
zunutze, dass der Fehler, der sich aus der zeitlichen Verzögerung
zwischen der Erfassung des ersten Raildrucks pRail-1 zum
ersten Zeitpunkt t1 und des zweiten Raildrucks
pRail-2 zum ersten Zeitpunkt t2 eine
gewisse Regelmäßigkeit aufweist. Dadurch ist es
möglich, diesen systematischen Fehler, der aus in der Vergangenheit
liegenden Einspritzungen j-r relativ genau bekannt ist, zur Korrektur
des ersten Raildrucks pRail-1 bei der nächsten
Einspritzung j zu verwenden. Dadurch kann der Fehler bezüglich
des Raildrucks deutlich reduziert werden und infolgedessen die Einspritzmenge
genauer dosiert werden. Zusätzliche Hardware ist nicht
erforderlich.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist, dass keine zusätzliche Hardware benötigt
wird, da lediglich eine zusätzliche Druckmessung durch
den ohnehin vorhandenen Drucksensor vorgenommen werden muss. Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
somit auch bei bereits in Serie befindlichen Kraftstoff-Einspritzsystemen
durch ein Software-Update realisieren.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Korrektur des ersten Raildrucks
zum ersten Zeitpunkt t1, der Einspritzung
j, auch der erste Raildruck pRail-1(j – r)
einer zeitlich früheren Einspritzung j – r herangezogen
wird. Dadurch kann die Korrektur des Raildrucks weiter verbessert
und die Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge weiter verbessert
werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass die Korrektur des ersten Raildrucks pRail-1 gemäß der in Anspruch
3 dargestellten Gleichung erfolgt.
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Zur
Erläuterung dieser Gleichung werden folgende Begriffe eingeführt:
Unter
einem Arbeitsspiel wird bei einer nach dem Viertaktverfahren arbeitenden
Brennkraftmaschine zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, entsprechend
720° Kurbelwellenwinkel verstanden. Innerhalb eines solchen
Arbeitsspiels durchläuft jeder der m Zylinder der Brennkraftmaschine
alle vier Takte (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausschieben)
eines 4-Takt-Motors. Danach wiederholt sich der Ablauf in dem nächsten
Arbeitsspiel, so dass die Vorgänge innerhalb einer Brennkraftmaschine
periodisch bezüglich eines Arbeitsspiels sind. Der Laufindex
j wird benutzt, um die m Zylinder der Brennkraftmaschine zu nummerieren.
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Im
Sinne der Erfindung bedeutet die Einspritzung j, dass in den Zylinder
mit der Nummer j Kraftstoff eingespritzt wird. Innerhalb eines Arbeitsspiels
wird in jeden der m Zylinder der Brennkraftmaschine einmal Kraftstoff
eingespritzt, wobei im Zusammenhang mit der Erfindung nicht zwischen
Haupteinspritzung, Voreinspritzung und einer Nacheinspritzung unterschieden
wird, da das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Haupteinspritzung
und/oder einer Voreinspritzung und/oder einer Nacheinspritzung angewandt
werden kann.
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Da
die Kraftstoff-Hochdruckpumpe starr mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
gekoppelt ist, folgen auch die Förderhübe der
Kraftstoff-Hochdruckpumpe einer gewissen Periodizität,
wobei die Periodizität der Förderhübe
bevorzugt in der Regel ganze Vielfache der Arbeitsspiele sind. Die
Zahl der Förderhübe innerhalb eines Arbeitsspiels
hängt von der Zahl der Pumpenelemente der Kraftstoff-Hochdruckpumpe
und dem Übersetzungsverhältnis zwischen Kraftstoff-Hochdruckpumpe
und Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ab. In aller Regel ist die
Zahl der Förderhübe innerhalb eines Arbeitsspiels
eine ganze Zahl ist. So kann beispielsweise bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine
vorgesehen sein, dass innerhalb eines Arbeitsspiels zwei Förderhübe
von der Kraftstoff-Hochdruckpumpe ausgeführt werden.
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Wenn
nun also beispielsweise bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine
innerhalb eines Arbeitsspiels vier Einspritzungen und zwei Förderhübe
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe stattfinden, entfällt auf
jede zweite Einspritzung ein Förderhub. Dies bedeutet auch,
dass zwei Einspritzungen j-2 vor der aktuellen Einspritzung j sehr ähnliche
Druckverhältnisse im Rail geherrscht haben. Diesen Effekt
macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze,
um den aktuellen Einspritzdruck pRail-1 der
nächsten Einspritzung j zu korrigieren. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren ist es möglich, die durch fehlerhafte Druckwerte
verursachte Einspritzmengenfehler deutlich zu verringern.
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Im
vorgestellten Beispiel ist der Versatz zwischen der aktuellen Einspritzung
j und der vergleichbaren früheren Einspritzung gleich 2.
Dieser Versatz wird im Folgenden mit dem Buchstaben r bezeichnet.
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Im
Zusammenhang mit der Gleichung gemäß Anspruch
3 gilt also für das oben beschriebene Beispiel einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine
r = 2.
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Zu
beachten ist hierbei, dass lediglich im Fall eines Reihenzylindersystems
mit einspritzsynchroner Förderung und ausreichenden Gleichfördereigenschaften
der Pumpe auf den in der Zündfolge vorausliegenden Zylinder
zurückgegriffen werden kann. Im Fall von nicht einspritzsynchronen Übersetzungsverhältnissen und/oder
beim Einsatz von V-Systemen weicht der Raildruckverlauf im Umfeld
der Einspritzung zwischen den einzelnen Zylindern ab. Es muss daher
systemabhängig. in der Zündfolge um einem oder
mehrere Zylinder, entsprechend dem Versatz r, in die Vergangenheit
zurückgegangen werden, um den aus den bei der Einspritzung
j-r in den Zylinder j-r bekannten ersten Raildruck p
Rail-1(j-r)
und zweiten Raildruck p
Rail-2(j-r) zur Korrektur des
aktuell verfügbaren ersten Raildrucks p
Rail-1(j)
einsetzen zu können. In der nachfolgenden Tabelle ist für
die gängigen Motorkonzepte und Übersetzungsverhältnisse
zwischen Brennkraftmaschine und Krafttstoffhochdruckpumpe der Versatz
r angegeben.
| Motor | Förderhübe
pro Arbeitsspiel | Versatz
r | Bemerkung |
| Reihe,
m = 4 | 4 | 1 | |
| Reihe,
m = 5 | 5 | 1 | |
| Reihe,
m = 6 | 6 | 1 | |
| V,
m = 6 | 6 | 2 | Regelmäßige
Zündwechsel zwischen den Zylinderbänken führt
zu gleichen Druckbildern bei Einspritzungen auf einer Bank. |
| V,
m = 8 | 8 | 8 | Unregelmäßige
Zündwechsel führen erst nach einem komplettem
Arbeitsspiel zur Wiederholung des Druckbildes |
| Reihe,
M = 4 | 2 | 2 | |
Tabelle
1: Verzug r in Abhängigkeit der Förderhübe
pro Arbeitsspiel bei verschiedenen Motorenbauarten.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur Korrektur des ersten Raildrucks pRail-1(j)
der Einspritzung j der zweite Raildruck pRail-2 und/oder
der gemessene erste Raildruck pRail-1 des
Zylinders j – r herangezogen wird, wobei bei den Zylindern
j und j – r ähnliche Druckverhältnisse
unmittelbar vor und/oder während der Einspritzung herrschen.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch ein Steuergerät, welches nach einem der erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitet.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und in den
Patentansprüchen genannten Merkmale können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Common-Rail-Kraftstoff-Einspritzsystems
und
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2 den
Druckverlauf innerhalb eines Arbeitsspiels bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine
mit zwei Förderhüben je Arbeitsspiel.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 wird
ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen schematisch
dargestellt, anhand dessen das erfindungsgemäße
Verfahren nachfolgend erläutert wird.
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Mit 100 sind
Injektoren bezeichnet, über die der Kraftstoff den einzelnen
Brennräumen der nicht dargestellten Brennkraftmaschine
zugemessen wird. Jeder Injektor 100 ist einem Zylinder
der nicht dargestellten Brennkraftmaschine zugeordnet. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind drei Injektoren 100-1 bis 100-4 einer
4-Zylinder-Brennkraftmaschine dargestellt. Bei einer anderen Zylinderzahl
m der Brennkraftmaschine ändert sich die Zahl der Injektoren 100-1 bis 100-m entsprechend.
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Die
Injektoren werden von einem Druckspeicher, nachfolgend als "Common-Rail"
bezeichnet, 200 mit Kraftstoff beaufschlagt. Das Common-Rail 200 steht über
eine Hochdruckleitung 210 mit einer Hochdruckpumpe 220 in
Verbindung. Die Hochdruckpumpe 220 wiederum steht über
eine Niederdruckleitung 240 mit einer Niederdruckpumpe 250,
die meist als elektrische Kraftstoffpumpe ausgeführt wird,
in Verbindung. Die Niederdruckpumpe 250 ist vorzugsweise
in einem Kraftstofftank 255 angeordnet.
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An
dem Druckspeicher 200 ist ein Drucksensor 205 angeordnet.
Zwischen der Niederdruckpumpe 250 und der Hochdruckpumpe 220 ist
ein Mengensteuerventil 230 angeordnet. Alternativ kann
das Mengensteuerventil 230 auch zwischen der Hochdruckpumpe 220 und
dem Common-Rail 200 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Das Mengensteuerventil 230 und die Injektoren 100 werden
von einer Endstufe 160 mit Spannung beaufschlagt. Die Endstufe 160 ist
vorzugsweise in ein Steuergerät 260 integriert,
welches die Ausgangssignale des Drucksensors 205 und verschiedener
anderer Sensoren 270 verarbeitet.
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Das
Kraftstoffeinspritzsystem arbeitet nun wie folgt: Die Niederdruckpumpe 250 fördert
den Kraftstoff, der sich im Tank 255 befindet, über
die Niederdruckleitung 240 zur Hochdruckpumpe 220.
Diese verdichtet den Kraftstoff und fördert ihn über
die Hochdruckleitung 210 in den Druckspeicher. Durch Ansteuern
des Injektors 100-j kann der Beginn und das Ende der Einspritzung
j von Kraftstoff in den j-ten Zylinder gesteuert werden. Diese Steuerung
erfolgt abhängig von den mit den Sensoren 270 erfassten
Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine.
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Mittels
des Drucksensors 205 wird der im Druckspeicher 200 herrschende
Kraftstoffdruck prail (t) erfasst und vorzugsweise
in dem Steuergerät 260 ausgewertet.
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Das
Mengensteuerventil 230 wird in Abhängigkeit des
gemessenen Druckwertes prail so angesteuert, dass
sich der Drucksollwert pSoll im Common-Rail 200 einstellt.
Mittels des Mengensteuerventils 230 kann die von der Hochdruckpumpe 220 geförderte
Kraftstoffmenge gesteuert und damit der Druckaufbau im Druckspeicher 200 gesteuert
werden. Hierzu ist es erforderlich, dass das Mengensteuerventil 230 zu
einem bestimmten ersten Zeitpunkt angesteuert und die Ansteuerung
zu einem zweiten Zeitpunkt zurückgenommen wird. Um eine
genaue Drucksteuerung zu erzielen, ist es erforderlich, dass das
Mengensteuerventil 230 zum exakt vorberechneten Zeitpunkt öffnet
und/oder schließt. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verzögerungszeit
zwischen der Ansteuerung des Mengensteuerventils 230 und
der tatsächlichen Reaktion, d. h. dem Öffnen und/oder Schließen
des Mengensteuerventils 230, möglichst klein ist.
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Bei
einer bedarfsgerechten Drucksteuerung fördert die Hochdruckpumpe 220 die
Kraftstoffmasse, die für die Aufrechterhaltung oder eine
gewünschte Änderung des Druckes pRail im
Druckspeicher 200 notwendig ist.
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In 2 ist
der Verlauf des Raildrucks pRail über
mehr als ein Arbeitsspiel, entsprechend einem Kurbelwellenwinkel
von 720°, in Diagrammform dargestellt. Der durch eine Linie 280 dargestellte
Raildruck pRail(t) folgt einem periodische
Muster. Innerhalb eines Arbeitsspiels, entsprechend einem Kurbelwellenwinkel
von 0° bis 720°, finden zwei Förderhübe
statt. Diese Förderhübe sind an den Maxima des
Raildrucks pRail(t) bei 180° und
540° Kurbelwellenwinkel zu erkennen.
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Die
beiden Förderhübe liegen unmittelbar vor den Einspritzungen
in den Zylindern 2 und 4 der Brennkraftmaschine. Die Einspritzungen
j der insgesamt vier Zylinder der Brennkraftmaschine sind durch
nummerierte Marker j = 1, j = 2, j = 3 und j = 4 gekennzeichnet.
Während der Einspritzung der Zylinder 1 und 3, entsprechend
den Markern j = 1 und j = 3 findet keine Förderung der
Kraftstoff-Hochdruckpumpe statt.
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Da
durch die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum die im Common-Rail 200 befindliche
Kraftstoffmenge verringert wird, sinkt der Druck pRail im
Common-Rail 200 während der Einspritzungen 1 und
3 ab. Auch dies ist anhand der ersten Linie 280 deutlich
zu erkennen.
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Da,
wie bereits erwähnt, von der Erfassung des Raildrucks pRail bis zur Einspritzung eine gewisse Zeitverzögerung
unvermeidbar ist, muss das Steuergerät, welches beispielsweise
die Einspritzdauer für die Einspritzung j = 1 von Kraftstoff
in den ersten Zylinder bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° berechnet,
auf einen zum Zeitpunkt t1 (j = 1) gemessenen
ersten Raildruck pRail-1(j = 1) zurückgreifen.
Da zwischen dem Zeitpunkt t1 (j = 1) und
der ersten Einspritzung j = 1 bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° keine
Förderung von Kraftstoff durch die Kraftstoff-Hochdruckpumpe
erfolgt, bleibt der Raildruck pRail innerhalb
dieses Zeitintervalls ΔT nahezu konstant.
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Anders
verhält es sich bei der Einspritzung j = 2 in den zweiten
Zylinder, dargestellt durch den Marker j = 2. Auch hier ist wieder
das Zeitintervall ΔT eingetragen. Bei dieser Einspritzung ändert
sich aufgrund der Förderung durch die Kraftstoff-Hochdruckpumpe
der Druck pRail in dem Zeitintervall ΔT,
welches zum Zeitpunkt t1 (j = 2) beginnt
und mit der Einspritzung bei einem Kurbelwellenwinkel von 180° endet,
erheblich. Wenn nun, wie bei herkömmlichen Verfahren zum
Steuern der Einspritzmenge einer Brennkraftmaschine üblich,
nur der erste Raildruck pRail-1 (j = 2)
zum Zeitpunkt t1 (j = 2) für die
zweite Einspritzung j = 2 heranzogen wird, um die Einspritzdauer
zu bestimmen, wird die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge
größer als gewünscht sein, da zum Beginn
der zweiten Einspritzung j = 2 der tatsächlich herrschende
Druck pRail im Common-Rail 200 deutlich
höher als der der Ermittlung der Ansteuerdauer zugrunde
gelegte Druck pRail-1 ist. In dem in 2 dargestellt
Diagramm beträgt der Druckunterschied bei der zweiten Einspritzung
j = 2 zwischen dem zweiten Raildruck pRail-2 und
dem ersten Raildruck pRail-1 etwa 80 bar!
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Erfindungsgemäß ist
nun vorgesehen, vor jeder Einspritzung j noch zu einem zweiten Zeitpunkt
t2(j) den Raildruck zu erfassen. Dieser
zweite Zeitpunkt t2(j) liegt unmittelbar
vor Beginn oder gleichzeitig mit der Einspritzung. Die Druckdifferenz
zwischen zweitem Raildruck pRail-2 und dem
ersten Raildruck pRail-1 beträgt
im vorliegenden Fall etwa 80 bar. Dieser systematische "Fehler"
wiederholt sich, wie aus 2 ersichtlich ist, bei der vierten
Einspritzung j = 4, die durch den Marker j =. 4 gekennzeichnet ist
und bei einem Kurbelwellenwinkel von 540° stattfindet,
in nahezu identischer Weise.
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Diese
Periodizität macht sich das erfindungsgemäße
Verfahren zunutze, indem der vor der vierten Einspritzung j = 4
zum Zeitpunkt t1 (j = 4) gemessene erste
Raildruck pRail-1 (j = 4) durch den für
die zweite Einspritzung j = 2 ermittelte Druckdifferenz(pRail-2 (j = 2) – pRail-1 (j
= 2)) korrigiert wird. Dadurch ist es möglich, die auf einen
fehlerhaften Druckwert zurückzuführenden Fehler
bei der Einspritzmenge deutlich zu verringern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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