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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
insbesondere in Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Außerdem
ist Gegenstand der Erfindung eine Brennkraftmaschine, ein Steuergerät und eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.
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Bei
dem bekannten Common Rail-Prinzip ist die für die Einspritzung erforderliche
Druckerzeugung vom eigentlichen Einspritzvorgang getrennt, was eine
besonders genaue Steuerung des Einspritzvorgangs bei gleichzeitig
hohem Einspritzdruck ermöglicht.
Das Common Rail ist eine gemeinsame Kraftstoff-Hochdruckleitung
für die
Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff. An das Common Rail sind Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
angeschlossen. Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer und Einspritzmenge
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
werden pro Zylinder durch eine Elektronik im Steuergerät gesteuert.
Durch die von der Elektronik erzeugten elektronischen Signale werden
Ventilelemente, die in den Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen eingebaut
sind, über
einen Aktor betätigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu
schaffen, welches besonders zuverlässig und präzise arbeitet.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass
das Steuergerät
lediglich die Betriebsinformationen an die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung überträgt. Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass das Steuergerät mit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
lediglich über eine
Datenleitung verbunden ist, dass der Ausgang des Steuergeräts zur Kraftstoff-Einspritzvorrichtung hin
lediglich als Ausgang von Betriebsinformationen ausgebildet ist
und dass eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung einen Anschluss
zum Empfang der Betriebsinformationen und einen hiervon separaten
Anschluss für
Betriebsenergie umfasst.
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Erfindungsgemäß wird also
vorgeschlagen, dass die Betriebsinformationen, die das Steuergerät bereit
stellt, die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung im Grunde lediglich "triggert". Das Steuern und
gegebenenfalls das Regeln der Betriebsfunktionen jeder einzelnen
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
wird autark von speziellen Einrichtungen auf bzw. an der Einspritzvorrichtung übernommen.
Dies entlastet die Funktion des Steuergeräts. Da das Steuergerät nicht
mehr die Leistungsversorgung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung übernehmen
muss, erzeugt es weniger Wärme und
baut kleiner. Die zur Leistungserzeugung notwendigen Bauelemente
wie DC/DC-Wandler können separat
oder in Verbindung mit anderen Steuergräten, in denen prinzipbedingt
sowieso eine Leistungserzeugung stattfindet, untergebracht werden.
Zu solchen Steuergeräten
gehört
beispielsweise ein Glühzeitsteuergerät, das die
Glühkerzen
bei einem Dieselmotor ansteuert. Die benötigte Leistungselektronik zum
Betreiben der Einspritzvorrichtung ist in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung
integriert. Da nur noch Betriebsinformationen vom Steuergerät zur Kraftstoff-Einspritzvorrichtung übertragen
werden, wird die EMV-Problematik (elektromagnetische Verträglichkeit),
die durch lange Leitungen, in denen hohe Ströme fließen, hervorgerufen wird, reduziert.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Betriebsinformationen von einer Steuer-
und/oder Regeleinrichtung verarbeitet werden, die der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
unmittelbar zugeordnet ist. Wenn mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
vorhanden sind, ist also jeder Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine
Steuer- und/oder Regeleinrichtung zugeordnet. Beispielsweise ist
die Steuer- und/oder Regeleinrichtung unmittelbar an der jeweiligen
Einspritzvorrichtung befestigt oder in diese integriert. Eine solche
Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann programmgesteuert und auf
die entsprechende Kraftstoff- Einspritzvorrichtung
angepasst sein. Sie bietet die vorteilhafte Möglichkeit, dass durch geschlossene
Regelkreise für
jeden Brennraum eine zugeschnittene, genaue Abstimmung des Einspritzvorgangs und
der Einspritzmenge durchgeführt
werden kann. Signale, die von anderen Einrichtungen des Kraftfahrzeugs
erzeugt werden und einen Einfluss auf den Betrieb der Einspritzvorrichtung
haben (andere Steuergeräte,
Regler, Sensoren, etc.), können
individuell verarbeitet werden und somit die Regelung des Einspritzvorgangs
verfeinern. Durch diese Feinabstimmung des Einspritzvorgangs wird
den gesetzlichen Forderungen nach Verbesserung von Kraftfahrzeug-Emissionswerten
nachgekommen, und es kann die allgemeine Forderung der Endverbraucher
nach Verringerung des Kraftstoffverbrauchs erfüllt werden.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass die Betriebsinformationen als Steuerimpulse
ausgestaltet sind. Das Steuergerät
kann sich somit auf das Übertragen
von reinen Triggerinformationen beschränken. In der Folge muss man
bei der Auslegung des Steuergeräts
und seiner Schnittstelle zu den Steuer- und/oder Regeleinrichtungen
keine Anpassung an unterschiedliche Einspritzvorrichtungen verschiedener
Kraftfahrzeugtypen beachten. Das Steuergerät baut insoweit einfach und
ist vielseitig einsetzbar. Dazuhin bietet dies die Möglichkeit,
dass das Steuergerät
die Betriebsinformationen über
eine reine Datenleitung an die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung überträgt. Die
Datenleitung kann beispielsweise als Glasfaserleitung oder als Metallfaserleitung
(z. B. Kupfer) ausgestaltet sein. Eine solche reine Datenleitung
ist klein, preiswert und flexibel. Es ist alternativ sogar eine
drahtlose Verbindung möglich.
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Eine
andere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Betriebsinformationen
Soll-Betriebsinformationen,
insbesondere eine Soll-Ansteuerdauer und/oder einen Soll-Ansteuerbeginn und/oder
ein Soll-Ansteuerende und/oder eine Soll-Kraftstoffmenge, umfassen.
Dies sind Betriebsgrößen, die
die Realisierung einer optimalen Verbrennung des Kraftstoffs im
Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglichen.
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Möglich ist
auch, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung mindestens eine
Ist-Betriebsinformation,
insbesondere einen Ist-Beginn und ein Ist-Ende der Einspritzung,
ermittelt. Die beiden Größen können sich
von den entsprechenden Soll-Größen unterscheiden,
denn der tatsächliche
Einspritzbeginn und das tatsächliche
Einspritzende können durch
mechanische und hydraulische Eigenschaften der Einspritzvorrichtung
sowie durch eine gewisse Trägheit
der Elektronik vom Soll-Zeitpunkt verzögert sein. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann beispielsweise
eine Funktionsüberwachung
realisiert werden. Die Ermittlung ist auf Grund der unmittelbaren
Nähe der
Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
vergleichsweise einfach und zuverlässig.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Ist-Betriebsinformation
mit Hilfe mindestens eines Sensors ermittelt wird. Dies ist zuverlässig und erfordert
wenig Rechenaufwand. Als Sensor kommt beispielsweise ein Beschleunigungsaufnehmer
oder ein Druckaufnehmer in Frage.
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Die
Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann das Ansteuersignal für einen
Aktor der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
unter Berücksichtung
der Ist-Betriebsinformationen und der vom Steuergerät bereit gestellten
Soll-Betriebsinformationen regeln. Dadurch wird eine besonders präzise Kraftstoffzumessung
realisiert, die sich darüber
hinaus noch selbstständig
an beispielsweise verschleißbedingte Änderungen
des Betriebsverhaltens der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung anpasst. Abweichungen
aufgrund von Langzeitdrift, Exemplar-Exemplar-Streuungen oder sogar Hub-zu-Hub-Streuungen
können
so kompensiert werden, aber auch die Abhängigkeit des Öffnungsverhaltens
durch den Gegendruck der Verbrennung.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine
Kraftstoffzumessung für
den Brennraum ermittelt. Dies kann in die Regelung eingebunden werden,
was das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine nochmals verbessert.
Durch dieses Verfahren wird der Einspritzvorgang jeweils den aktuellen
Verhältnissen
angepasst, auch betriebsdauerabhängige
Alterungseffekte, wie z. B. eine Korrektur der Aktordrift über die
Lebensdauer, können
so berücksichtigt
werden. Dies senkt auch den Kraftstoffverbrauch.
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Da
in allen Ländern
laufend strengere Anforderungen an die Abgasemission der Kraftfahrzeuge gestellt
werden, können
durch dieses Verfahren grundsätzlich
die jeweiligen Grenzwerte der Abgasemission besser eingehalten werden,
da die optimale Kraftstoffmenge für den Brennraum ermittelt wird. Außerdem können die
ermittelten Informationen den elektronischen Diagnoseeinrichtungen
(z. B. Onboard-Diagnose OBD) des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt
werden, um im Bedarfsfall Fehler an der Einspritzeinrichtung oder
den Sensoren und bspw. einer daraus resultierenden Verschlechterung
der Abgasemission zu erkennen und den Fahrer bspw. über eine
Kontrollleuchte am Armaturenbrett zum Aufsuchen einer Werkstatt
veranlassen. Darüber
hinaus kann durch die Onboard-Diagnose das vorgeschlagene Verfahren
im Rahmnen der Überwachung der
Sensoren auf Funktionstüchtigkeit
abgesichert werden.
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Auch
können
die Anforderungen an eine generell verbesserte Onboard-Diagnosefähigkeit
(insbesondere aus den USA) in Bezug auf emissionsrelevante Komponenten
berücksichtigt
werden. Beliebig viele Auswertungs- und Anzeige-Möglichkeiten
in Verbindung mit Informationen anderer Steuer- und/oder Regeleinrichtungen
des Kraftfahrzeugs sind hier gegeben. Sie sollten auf die gesetzlichen Anforderungen
in den unterschiedlichen Ländern, bzw.
auf Anregungen von Kraftfahrzeugsorganisationen oder Verbraucherverbänden angepasst
werden. So sind zukünftig
in verschiedenen Ländern
bspw. das Einspritztiming und die Einspritzmenge sogar überwachungspflichtig.
Darüber
hinaus kann dem Fahrer ein persönliches
Feedback zu seiner Fahrweise auf einem Display im Bereich eines
Armaturenbrettes gegeben werden.
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Vorgeschlagen
wird auch, dass eine Ansteuerdauer unter Berücksichtigung einer Kraftstofftemperatur
korrigiert wird. Dies erhöht
die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung nochmals.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird anhand der Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 ein
Blockdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine
von 1;
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3 ein
Ablaufdiagramm einer Einspritzung gemäß dem Verfahren von 2;
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4 eine
Darstellung eines Soll-Zustandes eines möglichen zeitlichen Ablaufs
einer Einspritzung bei Anwendung des Verfahrens der 2 und 3;
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5 eine
Darstellung eines nicht ausgeregelten Ist-Zustandes des zeitlichen
Ablaufs einer Einspritzung aus 4; und
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6 eine
Darstellung eines ausgeregelten Ist-Zustandes des zeitlichen Ablaufs
einer Einspritzung aus 4 bei Anwendung des Verfahrens
der 2 und 3.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine 10, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfasst
in 1 einen Motorblock 11 mit mehreren Brennräumen 12.
Kraftstoff wird in die Brennräume 12 direkt
jeweils mittels einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13,
auch Injektor genannt, eingespritzt. Hierzu verfügt jede der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 13 über ein
nadelartiges Ventilelement 14, welches mit einem gehäuseseitigen
Ventilsitz (nicht dargestellt) der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 zusammenarbeitet.
Durch einen Aktor 15 kann das Ventilelement 14 in
Längsrichtung bewegt
werden, wodurch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 geöffnet und
geschlossen werden kann.
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Ein
oberer und unterer Anschlag des Ventilelements 14 wird
durch Sensoren 16, 17 festgestellt. Diese Sensoren 16, 17 können bspw.
als Drucksensoren ausgestaltet sein. Das Erkennen eines oberen und
unteren Anschlags kann auch mit einem einzigen Sensor, bspw. einem
Beschleunigungssensor festgestellt werden. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 13 sind
an einen Kraftstoffverteiler 18 angeschlossen, der auch
als "Common Rail" oder kurz „Rail" bezeichnet wird.
Der Kraftstoff ist im Rail 18 unter hohem Druck gespeichert.
Hierzu wird der Kraftstoff über
eine Hochdruck-Fördereinrichtung 19 in
das Rail 18 gefördert.
Am Rail 18 sind ein Temperatursensor 20a zum Messen
der Kraftstofftemperatur und ein Drucksensor 20b zum Messen
des Kraftstoffdruckes angebracht.
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Jeder
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 ist eine Steuer- und
Regeleinrichtung 21 direkt zugeordnet. Das bedeutet vorliegend,
dass die Steuer- und Regeleinrichtung 21 an die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 angebaut
ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann sie jedoch
auch getrennt von der Einspritzvorrichtung angeordnet oder vollständig in
diese integriert sein. Bei einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform
bedient eine einzige Steuer- und
Regeleinrichtung die Einspritzvorrichtungen für alle Brennräume von
einer beliebigen Stelle aus.
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Die
Steuer- und Regeleinrichtung 21 umfasst einen Mikroprozessor,
ein elektronisches Speichermedium und Bauelemente zur Leistungselektronik und
kann einen weiteren Temperatursensor umfassen. Die Sensoren 16, 17 können in
einer nicht gezeigten Ausführungsform
ebenfalls in der Steuer- und Regeleinrichtung 21 integriert
sein. Die Steuer- und
Regeleinrichtung 21 ist über eine reine Datenleitung 22, über die
lediglich Steuerimpulse übertragen werden,
mit einem Steuergerät 23 verbunden.
Die Datenleitung 22 kann als Metallfaserleitung (z. B. Kupfer)
oder als Glasfaserleitung ausgestaltet sein. Es ist auch eine drahtlose
Verbindung möglich;
dann müssten
die Steuer- und Regeleinrichtung 21 und das Steuergerät 23 zusätzlich Mittel
zum Senden und Empfangen der drahtlosen Signale aufweisen.
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Die
Steuer- und Regeleinrichtung 21 liefert eine elektrische
Leistung an den Aktor 15, damit die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 geöffnet und
geschlossen werden kann. Die hierfür erforderliche elektrischen
Energie wird der Steuer- und Regeleinrichtung 21 über ein
Stromkabel 24 von einer elektrischen Energiequelle 25 bereit
gestellt. Die Energiequelle 25 kann bspw. ein Glühzeitsteuergerät eines Dieselmotors,
ein Steuergerät
für eine
Beleuchtungsregelung des Kraftfahrzeugs oder irgendeine andere Einrichtung
des Kraftfahrzeugs sein, die elektrischen Strom bzw. elektrische
Spannung liefert. Die Energiequelle kann auch – wie bekannt – das Steuergerät 23 sein,
oder sie kann direkt in die Steuer- und Regeleinrichtung 21 integriert
sein.
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In
der Steuer- und Regeleinrichtung 21 arbeiten im Wesentlichen
vier Funktionsblöcke
miteinander, die in 2 dargestellt sind. Zentraler
Funktionsblock ist ein Prozessorfunktionsblock 26, der
die programmgesteuerten Funktionen des Steuerns und Regelns der
Einspritzvorrichtung 13 beinhaltet. Eine detaillierte Beschreibung
hierzu findet sich weiter unten. Darüber hinaus beinhaltet der Prozessorfunktionsblock 26 eine Speicherfunktion,
um ein Computerprogramm zum Regeln und Steuern und notwendige Daten
zum Programmablauf auf einem elektrischen Speichermedium zu speichern.
Weiterhin beinhaltet der Prozessorfunktionsblock 26 Mittel
zum Aufbereiten aller ankommenden Sensor-Signale sowie der Trigger-Signale vom
Steuergerät 23 und
Mittel zur anschließenden
Auswertung dieser Signale.
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Der
Prozessorfunktionsblock 26 hat im Wesentlichen drei Schnittstellen
zu weiteren Funktionsblöcken,
unter anderem zu einem Kommunikationsfunktionsblock 27.
Dieser beinhaltet die Funktion zum Realisieren der Kommunikation
mit dem Steuergerät 23 über die
Datenleitung 22. Je nach Ausgestaltung der Datenleitung 22 (Metall,
Glas oder drahtlos) sind unterschiedliche Mittel zur Kommunikation mit
dem Steuergerät 23 nötig. Eventuell
geforderte Funktionen zu Rückmeldungen
oder Bestätigungsmeldungen
zum Steuergerät 23 sind
denkbar.
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Der
Prozessorfunktionsblock 26 hat außerdem eine Schnittstelle zu
einem Sensorfunktionsblock 28. Dieser beinhaltet die Funktionen
zum Empfang verschiedener Sensorsignale der Sensoren 16, 17 und
ggf. 20a und 20b, wobei die Signale des Temperatursensors 20a und
des Drucksensors 20b in der Regel vom Steuergerät 23 ausgelesen
und anschließend über die
Datenleitung 22 zur Steuer- und Regeleinrichtung 21 übertragen
werden.
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Eine
Schnittstelle verbindet den Prozessorfunktionsblock ferner mit einem
Leistungsstufenfunktionsblock 29. Dieser beinhaltet alle
wesentlichen Funktionen zur Anlieferung der elektrischen Betriebsleistung
für die
Steuer- und Regeleinrichtung 21 und der elektrischen Leistung
zum Öffnen
und Schließen der
Ventilelemente 14 durch den Aktor 15. Außerdem sind
Funktionen zur Schutzbeschaltung zum Schutz der Steuer- und Regeleinrichtung 21 bspw.
vor elektrostatischer Aufladung vorgesehen. Als Schutzbeschaltung
bietet sich bspw. eine ESD-Schutzschaltung (electrostatic discharge)
an, die Sicherheitsmaßnahmen
gegen elektrostatische Entladung bietet. Beim Kraftfahrzeug können diese
elektrostatischen Aufladungen bspw. durch die Reifenbewegung (Reibung)
auf der Fahrbahn oder durch einen hohen elektrischen Stromimpuls
auf einem Kabel (z. B. Zündkabel,
Versorgungskabel einer Gasentladungslampe, etc.) entstehen.
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Im
Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 können manche
Ist-Betriebsgrößen bzw.
Ist-Betriebsinformationen,
beispielsweise der Ist-Einspritzbeginn und das Ist-Einspritzende,
durch mechanische und hydraulische Eigenschaften der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13,
sowie eine gewisse Trägheit
der Elektronik gegenüber
den entsprechenden Soll-Betriebsgrößen bzw. Soll-Betriebsinformationen
verzögert
sein. Um dies auszuregeln, werden die ermittelten Ist-Betriebsgrößen einer
direkt vorhergegangenen Einspritzung im gleichen Zylinder als Basis
für die
Festlegung der Ansteuerwerte der aktuellen Einspritzung genommen.
Letztlich wird die Differenzen zwischen Soll-Einspritzbeginn und
Ist-Einspritzbeginn und zwischen Soll-Einspritzende und Ist-Einspitzende ermittelt
und berücksichtigt.
Dies geschieht unter der Annahme, dass zwei hintereinander folgende
Einspritzungen unter den nahezu gleichen mechanischen und hydraulischen
Bedingungen durchgeführt
werden.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm einer Einspritzung, wobei in 3 auf
der rechten Seite des Ablaufdiagramms die Aktionen der aktuellen
Einspritzung dargestellt sind und auf der linken Seite des Ablaufdiagramms
die Korrekturwerte für
die kommende Einspritzung ermittelt werden.
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Konnektor
A stellt den Beginn einer neuen Einspritzphase für einen bestimmten Zylinder
dar, d. h. eine vorhergehende Einspritzung ist abgeschlossen. In
Schritt 31 sendet das Steuergerät 23 einen Triggerimpuls
an die Steuer- und Regeleinrichtung 21, der den Soll-Einspitzbeginn
charakterisiert, oder aus dem die Steuer- und Regeleinrichtung den Soll-Einspritzbeginn
ermittelt. In Schritt 32 ermittelt die Steuer- und Regeleinrichtung 21 einen
Zeitpunkt zum Absetzen eines Ansteuersignals zum Öffnen des
Ventilelements 14 durch den Aktor 15, wobei der Zeitpunkt
zum Absetzens des Ansteuersignals um einen Korrekturwert verschoben
wird, der sich aus der Abweichung des Ist-Zeitpunktes zum Soll-Zeitpunkt bei
der vorhergehenden Einspritzung ergibt (siehe hierzu die Beschreibung
zu 4).
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Während die
aktuelle Einspritzphase fortgesetzt wird, beginnt nun parallel die
Ermittlung des Korrekturwertes für
die nächstfolgende
Einspritzung (Schritt 41 bis 53). In Schritt 41 wird
zum ermittelten Zeitpunkt der Aktor 15 angesteuert. In
Schritt 42 wird ein zeitlich eingeschränktes Messfenster, bspw. aus Erfahrungswerten
vorhergegangener Einspritzungen und/oder mit Hilfe einer Kennlinie,
die beispielsweise eine Motordrehzahl berücksichtigt, für die Erkennung der oberen
vollständig
geöffneten
Endstellung des Ventilelements 14 durch den Sensor 16 aufgesetzt. Dieses
zeitlich eingeschränkte
Messfenster wird im Bereich um einen vorgegebenen Sollwert für die Öffnung des
Ventilelements 14 bzw. den Beginn der Einspritzung (Soll-Einspritzbeginn)
platziert und kennzeichnet den Zeitbereich, in dem das Öffnen des Ventilelements 14 erwartet
wird. Das Ventilelement 14 öffnet (Schritt 43)
und die Einspritzung beginnt (Schritt 44).
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Vorteilhaft
ist ein kurzzeitiges Anlegen einer höheren Spannung zum schnelleren Öffnen des
Ventilelements 14. Das Ventilelement 14 erreicht
am Ende der Öffnungsbewegung
seine obere vollständig geöffnete Endstellung
(Schritt 45, Ventilelement vollständig geöffnet). Der Sensor 16 erkennt
dies und sendet ein entsprechendes Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung,
woraus diese den Ist-Einspritzbeginn ermittelt (Schritt 46).
Die Differenz zum Soll-Einspritzbeginn
(Schritt 31) wird zur Bildung des Korrekturwerts für das Ansteuersignal
abgespeichert.
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In
Schritt 33 sendet das Steuergerät 23 einen Triggerimpuls
für die
aktuelle Einspritzphase an die Steuer- und Regeleinrichtung 21,
der das Soll-Ende einer Einspritzung anzeigt. In Schritt 34 ermittelt
die Steuer- und Regeleinrichtung 21 einen Zeitpunkt zum
Beenden des Ansteuersignals und damit zum Schließen des Ventilelements 14 durch
den Aktor 15, wobei der Zeitpunkt zum Beenden des Ansteuersignals
um einen Korrekturwert verschoben wird, der sich aus der bei der
letzten Einspritzung ermittelten Abweichung des Ist-Einspritzendes
vom Soll-Einspritzende ergibt (siehe hierzu die Beschreibung zu 4).
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In
Schritt 47 wird zum ermittelten Zeitpunkt das Ansteuersignal
an den Aktor 15 abgeschaltet. In Schritt 48 wird
ein zeitlich eingeschränktes
Messfenster bspw. aus Erfahrungswerten vorhergegangener Einspritzungen
und/oder mit Hilfe einer Kennlinie, die auch die Motordrehzahl berücksichtigt,
für die
Erkennung des unteren Anschlags 17 (Ventilelement 14 vollständig geschlossenen)
aufgesetzt. Dieses zeitlich eingeschränkte Messfenster wird im Bereich um
einen vorgegebenen Soll-Zeitpunkt für die Schließung des
Ventilelements 14 (Soll-Einspritzende)
platziert und kennzeichnet den Zeitbereich, in dem das Schließen des
Ventilelements 14 erwartet wird. In Schritt 49 beginnt
das Ventilelement 14 zu schließen; in Schritt 50 schlägt das Ventilelement 14 am
Ventilsitz an. Die Einspritzung ist beendet (Schritt 51),
d. h. es fließt
kein Kraftstoff mehr in den Brennraum 12. Der Sensor 17 erkennt
den Anschlag des Ventilelements 14 und signalisiert diesen
Zeitpunkt als Ist-Einspritzende der Steuer- und Regeleinrichtung 21 (Schritt 52).
Aus der Differenz des Ist-Einspritzendes zum Soll-Einspritzende
(Schritt 33) wird ein Korrekturwert für die Beendigung der Ansteuerung
des Aktors 15 ermittelt und abgespeichert.
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Am
Ende der Einspritzphase in Schritt 53 wird die Ansteuerdauer
unter Verwendung der Differenz zwischen Ist-Einspritzdauer und Soll-Einspritzdauer
angepasst. Letztere werden wiederum aus Ist-Einspritzbeginn und
Ist-Einspritzende bzw. Soll-Einspritzbeginn und Soll-Einspritzende ermittelt. Konnektor
B kennzeichnet das Ende der Einspritzphase.
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Die 4 bis 6 zeigen
Darstellungen eines zeitlichen Ablaufs der Einspritzung zu unterschiedlichen
Zeitpunkten. Es werden jeweils in vier Diagrammen vier zeitliche
Abläufe
gegenübergestellt.
Die horizontale Zeitachse stellt für alle Diagramme einen identischen
Zeitraum dar.
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4 zeigt
einen möglichen
zeitlichen Ablauf der Einspritzung zu einem ersten Zeitpunkt, bei dem
die Soll- und Ist-Werte identisch sind. Diagramm 60 zeigt
die Triggerimpulse des Steuergeräts 23,
wobei Impuls 64 ein Startimpuls und Impuls 65 ein
Beendigungsimpuls für
eine Einspritzung (jeweils als Rechteck-Impuls) ist. Diagramm 61 zeigt
den Verlauf des Ansteuersignals 66 für den Aktor 15. Das
Ansteuersignal 66 weist einen Startpunkt 74 und
einen Beendigungspunkt 75 auf. In Diagramm 62 wird
der zeitliche Verlauf der Einspritzrate 67 des Kraftstoffs für eine Einspritzvorrichtung 13 dargestellt.
Diagramm 63 zeigt die vorgegebenen zeitlich eingeschränkten Messfenster 68, 69,
in denen die Ist-Zeitpunkte des Öffnens
und des Schließens
des Ventilelements 14 ermittelt werden.
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Die
zeitlich eingeschränkten
Messfenster 68, 69 sind jeweils um einen zeitlichen
Sollwert 70 für das Öffnen des
Ventilelements 14 (Soll-Einspritzbeginn) und um einen zeitlichen
Sollwert 71 für
das Schließen
des Ventilelements 14 (Soll-Einspritzende) herum platziert
und geben den zeitlichen Bereich an, in dem das Öffnen bzw. Schließen der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 durch das Ventilelement 14 erwartet
wird. Das Messfenster beginnt also jeweils zeitlich etwas vor dem
jeweiligen Sollwert und endet etwas hinter dem Sollwert. Der Soll-Einspritzbeginn 70 ist
um einen konstanten zeitlichen Offset 72 von einer Abwärtsflanke
des Triggerimpulses 64 des Steuergeräts 23 versetzt; das
Soll-Einspritzende 71 ist um einen konstanten Offset 73 von
einer Abwärtsflanke
des Triggerimpulses 65 des Steuergeräts 23 versetzt. Der
Ist-Einspritzbeginn
ist mit 76, das Ist-Einspritzende mit 77 bezeichnet.
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Mit 80 bis 83 sind
die zeitlichen Verzögerungen
im Ablauf der Einspritzung von den Trigger-Impulsen 64, 65 zum
Ansteuersignal 66 und zur Einspritzrate 67 bezeichnet.
Die Verzögerungen 80 und 82 sind
zum Teil bedingt durch die elektronische "Trägheit" und den Berechnungsalgorithmus
zur Korrektur der Anfangs- und Endpunkte des Ansteuersignals 66,
zum Teil aber auch bewusste bzw. einstellbare Verzögerungen.
Die Verzögerungen 81 und 83 sind
im Wesentlichen durch die Trägheit
der Ventilelemente 14 verursacht, bedingt durch deren hydraulische
und mechanische Eigenschaften.
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5 zeigt
einen möglichen
zeitlichen Ablauf einer Einspritzung zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem sich
die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften des Ventilelements 14 verschleiß- bzw. alterungsbedingt
verändert
haben. 5 zeigt den Ablauf für einen Fall, in dem keine
geregelten Korrekturmaßnahmen
durchgeführt
werden.
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Bedingt
durch die besagten Veränderungen der
mechanischen und hydraulischen Eigenschaften der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 liegt
der Ist-Einspritzbeginn 76 der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 bspw.
hinter dem Soll-Einspritzbeginn 70, und das Ist-Einspritzende 77 der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 13 liegt bspw. vor dem
Soll-Einspritzende 71. Die Verzögerungszeiten 80 und 82 sind
identisch zu 4. Die Verzögerungszeit 81 ist
jedoch verschleißbedingt
länger,
die Verzögerungszeit 83 ist verschleißbedingt
kürzer.
Ohne Korrekturmaßnahmen
ist die Einspritzdauer also verkürzt,
es würde
zu wenig Kraftstoff in den Brennraum 12 strömen. Die ermittelten
zeitlichen Differenzen zwischen den Soll- und den Istwerten werden
festgehalten und in der direkt nachfolgenden Einspritzphase korrektiv
eingesetzt. Dies geschieht unter der Annahme, dass zwei hintereinander
folgende Einspritzungen unter den nahezu gleichen mechanischen und
hydraulischen Bedingungen durchgeführt werden.
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6 zeigt
einen möglichen
zeitlichen Ablauf einer Einspritzung mit geregelten Korrekturmaßnahmen.
Ziel der Korrekturmaßnahmen
ist, die in 5, Diagramm 62 dargestellte
zu kurze bzw. zu geringe Einspritzrate 67 wieder in den
Sollzustand von 4 zurückzuführen. Dazu werden der Startpunkt 74 und
der Beendigungspunkt 75 des Ansteuersignals durch geänderte Verzögerungen 80 und 82 zeitlich
verschoben. Ansteuerbeginn, Ansteuerende und Ansteuerdauer werden
also so angepasst, dass der Ist-Einspritzbeginn 76 wieder
weitgehend beim Soll-Einspritzbeginn 70 und das Ist-Einspritzende 77 wieder
weitgehend beim Soll-Einspritzende 71 liegen.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
können
die Korrekturwerte zur Verschiebung des tatsächlichen Beginns und des tatsächlichen
Endes des Ansteuersignals dem Steuergerät zurückgemeldet werden. Das bedeutet,
dass die Korrektur bereits beim Absetzen des Trigger-Impulses vom Steuergerät berücksichtigt
werden kann.
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Die
Steuer- und Regeleinrichtung 21 erhält über das Steuergerät 23 auch
Betriebsinformationen von dem Temperatursensor 20a, also
Informationen über
die aktuelle Kraftstofftemperatur, der im Übrigen auch in die Steuer-
und Regeleinrichtung 21 integriert sein kann. Diese werden
für eine
weitere Korrektur der Ansteuerdauer verwendet.