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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Raildruckes
in einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors, ein
Verfahren zur Steuerung der Einspritzmenge in einem Common-Rail-Einspritzsystem
basierend auf dem Raildruck, ein Verfahren zur Steuerung des Raildruckes
in einem Common-Rail-Einspritzsystem sowie ein Common-Rail-Einspritzsystem
für einen Verbrennungsmotor.
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In
Common-Rail-Einspritzsystemen werden mehrere Injektoren (Einspritzventile),
typischerweise alle Einspritzventile des entsprechenden Verbrennungsmotors, über eine
gemeinsame Zuführung
mit Kraftstoff versorgt. Der Kraftstoff wird hierbei durch eine
gemeinsame Hochdruckpumpe unter Druck gehalten. Der Kraftstoff kann
dazu der Hochdruckpumpe mittels einer Kraftstoffförderpumpe
aus einem Tank zugeführt
werden. Zur Einstellung eines hier als Raildruck bezeichneten Druckes
in der gemeinsamen Zuführung
des Common-Rail-Einspritzsystems, also zwischen der Hochdruckpumpe
und den Einspritzventilen, ist der Hochdruckpumpe typischerweise
ein Druckregelventil oder ein Mengenregelventil vorgeschaltet.
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Die
Menge des während
einer Einspritzung in einen Zylinder eingespritzten Kraftstoffes
(Einspritzmenge) wird über
ein diesem Zylinder zugeordnetes Einspritzventil (Injektor) gesteuert.
Vorrausetzung für
eine genaue Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge ist jedoch
die Kenntnis des Raildruckes im Common-Rail-Einspritzsystem, also
jenes Druckes, der im Kraftstoff zwischen der Hochdruckpumpe und
dem Einspritzventil herrscht. Das System weist daher typischerweise
einen Raildruck-Sensor im Bereich der als Common-Rail bezeichneten
gemeinsamen Zuführung
zwischen der Hochdruckpumpe und den Injektoren auf, mit welchem
der Raildruck bestimmbar ist.
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Ist
nun der Drucksensor defekt, steht der Motorsteuerung keine Information über den
Raildruck zur Verfügung,
so dass die Steuerung der Einspritzmenge unmöglich wird. Darüber hinaus
können
eine Reihe unterschiedlicher Defekte auftreten, die dazu führen, dass
der Raildruck im Common-Rail-System auf einen Wert steigt, welcher
oberhalb des Messbereiches des Drucksensors liegt. Dies kann z.
B. der Fall sein, wenn ein Mengenregelventil der Pumpe offen hängt. Auch
hier fehlt die zur Steuerung der Einspritzmenge notwendige Druckinformation.
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In
dem nachveröffentlichten
Dokument
DE 10
2007 024 823 A1 ist ein Verfahren offenbart, das es ermöglicht eine
Druckwertveränderung
des Kraftstoffdruckes in dem Zeitraum zwischen Kraftstoffdruckwerterfassung
und der Ausführung
der Einspritzung auf Grundlage der Kurbelwellenwinkelposition zu
berücksichtigen.
Dabei wird jedoch von der einwandfreien Funktion der Systemkomponenten,
insbesondere des Drucksensors, zum Zeitpunkt der Kraftstoffdruckwerterfassung
ausgegangen.
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Mit
diesem Verfahren ist es jedoch nicht möglich, bei Fehlfunktion des
Drucksensors, den Kraftstoffdruck im Common-Rail-System unabhängig vom Drucksensor zu ermitteln.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
10 2007 030 713 A1 offenbart ein Verfahren zur Plausibilisierung
des Raildrucksensor-Signals. Auch bei diesem Verfahren wird von
dem vorliegenden Raildrucksensor-Signal ausgegangen und Berechnungen
auf dessen Grundlage ausgeführt.
Damit kann zwar ein Defekt des Raildrucksonsors festgestellt werden,
es kann jedoch nicht unabhängig
vom Sensor ein Druckwert ermittelt werden.
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Weiterhin
offenbart Dokument
KR
10 2001 0059 145 A ein Verfahren zur Selbst-Diagnose eines Raildruck-Sensors.
Dabei wird ein betriebsmäßig aufgrund
der Vorgabegrößen erwarteter
Druck mit dem gemessenen Druck verglichen und bei Abweichungen über festgelegte
Grenzwerte hinaus ein Defekt des Sensors angenommen. Auch dieses
Verfahren ermöglicht
keine vom Drucksensor unabhängige Bestimmung
des Raildrucks.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben,
mit welchem der Raildruck unabhängig
vom Drucksensor und insbesondere außerhalb des Messbereiches des
Drucksensors bestimmbar ist. Darüber
hinaus sollte die Bestimmung ohne zusätzliche Komponenten möglich sein.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, damit auch ein
Verfahren zur Steuerung einer Einspritzmenge und ein Verfahren zur
Steuerung des Raildrucks sowie ein zur Durchführung eines dieser Verfahren
geeignetes Common-Rail-Einspritzsystem vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Verfahren zur Bestimmung des Raildrucks in einem Common-Rail-System
eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, das Verfahren zur Steuerung
der Einspritzmenge in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 10,
das Verfahren zur Steuerung des Raildruckes in einem Common-Rail-Einspritzsystem
nach Anspruch 11 und durch das Common-Rail-Einspritzsystem nach Anspruch 13.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren und des erfindungsgemäßen Common-Rail-Einspritzsystems
ergeben sich mit den Merkmalen der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Normalerweise
wird in Verbrennungsmotoren die Hochdruckpumpe des Common-Rail-Einspritzsystems
durch die Bewegung der Kurbelwelle des Motors angetrieben. Der Erfindung
liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine Veränderung des Raildruckes eine
zeitabhängige
Veränderung
der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zur Folge hat. Erfindungsgemäß wird daher
zu nächst
zumindest eine Messgröße ermittelt,
die ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwellenbewegung des Verbrennungsmotors ist. Aus dieser
Messgröße oder
aus einer aus dieser Messgröße abgeleiteten Größe wird
dann der Raildruck im Common-Rail-System bestimmt. Unter Winkelgeschwindigkeit
wird hier der Winkel pro Zeiteinheit verstanden, um welchen sich
die Kurbelwelle um ihre Längsachse
dreht. Diese ist proportional zur momentanen Drehzahl, welche die
Anzahl der Umdrehungen der Kurbelwelle pro Zeiteinheit angibt, wobei
die Messgröße hier
eine zeitlich hoch aufgelöste
Größe sein
soll. Unter Raildruck wird hier jener Druck verstanden, der im Treibstoff
zwischen der Hochdruckpumpe und den Einspritzventilen herrscht,
wenn alle Einspritzventile geschlossen sind.
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Die
vorgeschlagene Bestimmung des Raildruckes erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise
in einem Betriebszustand, in dem gekeine Einspritzungen erfolgen,
also dann, wenn alle Einspritzventile, die durch Common-Rail-System
versorgt werden, geschlossen sind, abgesehen von einer eventuellen Schaltleckage
an den Einspritzventilen. Ein solcher Betriebstzustand wird auch
als Schubphase bezeichnet. Bei einem Kraftfahrzeug liegt eine Schubphase z.
B. dann vor, wenn der entsprechende Verbrennungsmotor in einem eingekuppelten
Zustand von dem rollenden Fahrzeug bewegt wird, ohne dass Gas gegeben
wird.
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Normalerweise
wird in einem Verbrennungsmotor die Winkelgeschwindigkeit sehr genau über eine
sogenannte Zahnzeit gemessen. Hierzu weist die Kurbelwelle dann
ein Geberrad mit einer Vielzahl von entlang des Umfangs des Geberrades
angeordneten Zähnen
oder ähnlichen
periodischen Signalgebern auf. Dreht sich die Kurbelwelle, so bewegen
sich diese Zähne
oder Signalgeber an einem Sensor vorbei, durch welchen das Passieren
eines Zahnes bzw. Signalgebers registriert wird. Als Zahnzeit sei
hier jene Zeit bezeichnet, die zwischen einem Passieren zweier aufeinander
folgender Zähne
bzw. Signalgeber des Geberrades an dem Sensor oder entsprechend
zwischen zwei aufeinander folgenden vergleichbaren Flanken eines
am Sensor ab gegriffenen zahnförmigen
Signals verstreicht. Üblicherweise
werden die Zähne
magnetisch ausgestaltet. Der Sensor kann dann eine Spule aufweisen
und die dort durch die passierenden Zähne induzierte Spannung messen.
Die Zahnzeit ist besonders vorteilhaft als Messgröße zur Bestimmung
der Winkelgeschwindigkeit geeignet, einerseits wegen ihrer hohen
Präzision
und andererseits, weil diese Messung ohnehin standardmäßig durchgeführt wird,
so dass sich ein Vorsehen zusätzlicher
Komponenten zur Durchführung
des vorgeschlagenen Verfahrens erübrigt.
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Die
Messgröße sollte
hinreichend genau aufgelöst
sein, um während
jedes Taktes des Motors und während
jeder Phase der Bewegung der Hochdruckpumpe mehrere Stützstellen
zu liefern. Ist die Messgröße die Zahnzeit,
so wird dies durch eine hinreichend große Zahl von Zähnen am
Geberrad erreicht. Vorzugsweise ist die Zahl der Zähne größer oder
gleich 60.
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Als
aus der Messgröße abgeleitete
Größe, die
zum Bestimmen des Raildrucks verwendet wird, kann insbesondere eine
Amplitude der Zahnzeit oder jeder anderen als Maß für die Winkelgeschwindigkeit der
Kurbelwelle dienenden Messgröße dienen.
Die Messgröße hat nämlich typischerweise
einen im Wesentlichen periodischen Verlauf, wobei die Amplitude dieses
Verlaufs ein Maß ist
für ein
an der Kurbelwelle wirkendes Wechselmoment – verursacht in erster Linie
durch Kompression und Dekompression in den Zylindern. Neben der
Zahnzeit selbst kann also insbesondere das Wechselmoment der Kurbelwelle oder
eine dieses Wechselmoment widerspiegelnde Größe während zumindest eines Segments,
vorzugsweise im Laufe zumindest eines vollständigen Arbeitszyklusses, zur
Bestimmung des Raildrucks dienen. Als Segment sei dabei ein typischerweise
einem Arbeitstakt eines Zylinders zuordenbare Kurbelwellendrehung
um einen Winkel von 2π geteilt
durch Anzahl der Zylinder bezeichnet.
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Durch
verschiedene Einflüsse
schwankt die Winkelgeschwindigkeit im Verlauf der Kurbelwellenumdrehung
und der Takte des Verbrennungsmotors. Um aus dieser Vielzahl an
Einflüssen
den Einfluss des Raildruckes herauszufiltern, ist es bevorzugt,
wenn zur Bestimmung des Raildruckes die Differenz der Messgröße in zumindest
einer Phase der Kurbelwellenumdrehung oder des Motorlaufes zu einem
Wert dieser Messgröße bei einer
entsprechenden Phase der Kurbelwellenumdrehung oder des Motorlaufes
beim Vorliegen eines Referenz-Raildruckes bestimmt wird. Die mittlere
Drehzahl des Motors sollte bei der Messung beim Referenzdruck die
gleiche sein wie bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die mittlere Drehzahl ist hier die über eine Vielzahl von Umdrehungen
der Kurbelwelle gemittelte Drehzahl des Motors und ist proportional der über die
entsprechende Zahl der Umdrehungen gemittelten Winkelgeschwindigkeit.
Einflüsse
auf die Messgröße, die
von anderen Ursachen als dem Raildruck herrühren und damit auch beim Referenz-Raildruck
vorliegen, werden hierdurch vom Signal subtrahiert. Ist also die
Messgröße, wie
oben als bevorzugt beschrieben, die Zahnzeit, so wird hier die Zahnzeit
gemessen und von dieser gemessenen Zahnzeit jene Zahnzeit abgezogen,
welche bei einem Raildruck, der einen Referenzwert hat, für die gleiche Phase
der Kurbelwellenumdrehung oder des Motorlaufs bei einer gleichen
mittleren Drehzahl bestimmt wurde. Auf diese Weise ist der Einfluss
des Raildrucks besonders klar erfassbar und der Raildruck besonders
genau bestimmbar.
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Die
Bestimmung des Raildrucks wird also mit anderen Worten vorzugsweise
vorgenommen, indem die Messgröße und/oder
die daraus abgeleitete Größe sowohl
für einen
aktuellen Betriebszustand als auch für einen Vergleichsbetriebszustand
bestimmt wird, wobei der Vergleichsbetriebszustand sich durch einen
Referenz-Raildruck und eine dem aktuellen Betriegszustand entsprechende
Drehzahl auszeichnet. Der Raildruck ergibt sich dann als Funktion
einer Abweichung zwischen der aktuellen Messgröße oder daraus abgeleiteten
Größe mit der
entsprechenden Mess- oder abgeleiteten Größe für den Vergleichsbetriebszustand.
Dabei kann die Messgröße oder
die daraus abgeleitete Größe für den Vergleichsbetriebszustand
unter Umständen
auch nicht durch Messung im Vergleichszustand selbst, sondern durch
entsprechende Messungen in anderen Betriebszuständen und Interpolation bestimmt
werden.
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Eine
Bewegung der direkt oder indirekt durch die Kurbelwelle angetriebenen,
nachfolgend bisweilen auch nur als Pumpe bezeichneten Hochdruckpumpe
kann auf in weiten Grenzen beliebige Weise mit der Kurbelwellenbewegung
synchronisiert sein. Die Pumpe bzw. ein Antrieb der Pumpe kann beispielsweise
so ausgelegt sein, dass die Pumpe gerade am oberen Totpunkt eines
Zylinders ausschiebt. In diesem Falle verändert der Einfluss der Hochdruckpumpe
signifikant das Maximum, das Minimum und die Amplitude der Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwellenbewegung selbst, so dass diese direkt zur Bestimmung
des Raildruckes herangezogen werden können. Ist beispielsweise die
Hochdruckpumpe eine Zweikolbenpumpe, welche mit einer 1:1-Übersetzung
mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, so schiebt die Pumpe bei einer
Umdrehung der Kurbelwelle zweimal aus. Während dieses Ausschiebens verlangsamt sich
die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, so dass die Zahnzeit
größer wird.
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Um
die oben genannten Differenzen der Messgröße oder der daraus abgeleiteten
Größe zu deren
Wert bei einem Referenz-Raildruck
bestimmen zu können,
ist die Kenntnis des Verlaufs der Messgröße bzw. der daraus abgeleiteten
Größe beim
Referenz-Raildruck wichtig. Dieser Verlauf der Messgröße mit der
Zeit oder der Phase beim Referenz-Raildruck kann bei der Herstellung
des Verbrennungsmotors, vorzugsweise für verschiedene mittlere Drehzahlen,
vorgegeben und eingespeichert werden, es ist aber auch möglich, den
Referenzverlauf der Messgröße zu bestimmten
Zeitpunkten im Betrieb des Motors neu zu bestimmen. Eine derartige Bestimmung
der Messgröße kann
z. B. bei Inbetriebnahme des Motors, beim Einschalten des Motors oder
auch in bestimmten Zeitintervallen erfolgen. So kann beispielsweise
stündlich
oder minütlich
die Messgröße zeitabhängig oder
für bestimmte
Phasen der Kurbelwellenbewegung für verschiedene typischerweise
durch eine mittlere Drehzahl und einen Ladedruck charakterisierte
Betriebszustände
des Motors, vorzugsweise Schubphasen-Betriebszustände, aufgenommen
werden. Je häufiger
die Messgröße aufgenommen
wird, desto geringer können
Einflüsse,
die nicht auf den Raildruck zurückzuführen sind,
gehalten werden. Mit länger
auseinander liegenden Messungen der Referenzwerte sind andererseits
längerfristige Änderungen
des Raildruckes nachweisbar.
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Wie
beschrieben überlagert
die Bewegung der Hochdruckpumpe gegen den Raildruck der Drehbewegung
der Kurbelwelle eine periodische Bewegung, die mit der Periode der
Pumpbewegung schwankt. Besonders einfach kann aus der zeitabhängig aufgenommenen
Messgröße oder
aus einer aus dieser abgeleiteten Größe Amplitude, Maximalwert und/oder
Minimalwert der Messgröße und/oder der
abgeleiteten Größe bestimmt
werden. Amplitude, Maximalwert und/oder Minimalwert der Messgröße können auch
die abgeleitete Größe selbst
sein.
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Wenn
die Ausschubphasen der Pumpe beispielsweise mit am Beginn eines
Arbeitstakt des jeweiligen Zylinders liegenden oberen Totpunkten
von Zylindern des Verbrennungsmotors zusammenfallen, kann die Amplitude,
der Maximalwert und/oder der Minimalwert der absoluten Messgröße bestimmt
und theoretisch direkt als Maß für den Raildruck
verwendet werden. Wegen der höheren
Genauigkeit ist es jedoch bevorzugt, wenn die wie oben beschrieben
erhaltenen Differenzen zur Messgröße bei einem Referenzbetriebszustand
mit einem definierten Referenzdruck herangezogen werden. Dann kann
die Amplitude und/oder der Maximalwert und/oder der Minimalwert
des Verlaufs der genannten Differenz der Messgröße während einer Periode der Kurbelwellenbewegung
oder der Motorbewegung oder des Pumpenzykluses zum entsprechenden
Verlauf beim Referenz-Raildruck und gleicher mittlerer Drehzahl
sowie vorzugsweise gleichem Ladedruck zur Ermittlung des Raildruckes
verwendet werden, und zwar unabhängig
davon, wie die Hochdruckpumpe aufgebaut und mit der Kurbelwelle
synchronisiert ist. Zu beachten ist allerdings, dass die Bildung
der Differenzen jeweils in Phasen von Arbeitszyklussen bei den miteinander
verglichenen Betriebszuständen
erfolgt, die einander sowohl bezüglich
des Kurbelwellenwinkels und der Takte der Zylinder als auch bezüglich einer beispielsweise
durch eine Stößelstellung
definierten Phase der Hochdruckpumpe entsprechen. Dazu sollte die
Differenz jeweils über
einen Zeitraum beobachtet werden, der einem gemeinsamen Zyklus von
Verbrennungsmotor und Hochdruckpumpe entsprechen – also zumindest
einem kleinsten gemeinsamen vielfachen von zwei Kurbelwellenumdrehungen
und einem Kurbelwellenwinkel, der einem Pumpenzyklus entspricht.
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Die
tatsächliche
Zuordnung eines gemessenen Wertes der Messgröße oder eines Wertes einer aus
der Messgröße abgeleiteten
Größe zu einem Raildruck
ist auf verschiedene Weise möglich.
Im einfachsten Fall kann eine Tabelle gespeichert werden, die bestimmten
Werten der Messgröße oder
der hieraus abgeleiteten Größe für die gegebene
mittlere Drehzahl bestimmte Raildrücke zuordnet. Zur Steigerung
der Genauigkeit kann auch zwischen den Werten der Tabelle interpoliert
werden. Die Interpolation kann zwischen verschiedenen Werten der
Messgröße als auch
zwischen verschiedenen mittleren Drehzahlen erfolgen. Darüber hinaus
ist es aber auch möglich,
die Zuordnung als analytische oder nummerische Funktion anzugeben,
mit deren Hilfe aus einer gemessenen Messgröße oder der daraus abgeleiteten
Größe der Raildruck
berechnet wird.
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Die
Zuordnung von Messgrößen bzw.
abgeleiteten Größen zu Raildrücken kann
bei Herstellung des Motors einmalig gespeichert werden, es ist aber möglich, die
Zuordnung regelmäßig zu erneuern,
indem beispielsweise die Messgröße und vorzugsweise
auch die mittlere Drehzahl gemessen wird und gleichzeitig mit dem
intakten Drucksensor zur Bestimmung des Raildruckes der zur Messgröße oder zur
daraus abgeleiteten Größe gehörige Druck
gemessen wird. Im Falle einer Tabelle wird diese also regelmäßig neu
gespeichert. Im Falle einer analytischen Funktion kann diese Parameter
aufweisen, die mit Hilfe der so bestimmten Messwerte angepasst werden.
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Zu
beachten ist, dass ein Defekt im Common-Rail-Einspritzsystem zur
einer starken Erhöhung
des Raildruckes führen kann,
so dass dieser den Messbereich des Drucksensors deutlich übersteigt.
Für diesen
Fall ist es vorteilhaft, die Zuordnung der Messgrößen zu Raildrücken von
außen,
beispielsweise bei der Herstellung des Motors oder einer Inspektion,
vorzugeben. Alternativ kann aber auch aus einer mit dem Drucksensor
gemessenen Zuordnung extrapoliert werden. Auch eine Kombination
verschiedener dieser Zuordnungen ist möglich. So können die Werte im Messbereich
des Drucksensors regelmäßig aktualisiert
werden, während
die Werte jenseits des Messbereichs des Drucksensors von außen vorgegeben
werden und unverändert
bleiben.
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Alternativ
oder in Kombination hierzu ist es möglich, dass zur Bestimmung
des Raildruckes eine Differenz der Messgröße zu einer Referenzgröße in zumindest
einer Phase der Kurbelwellenbewegung bestimmt wird, oder dass eine
Differenz einer aus der Messgröße abgeleiteten
Größe zu einer
Referenzgröße in zumindest
einer Phase der Kurbelwellenbewegung bestimmt wird. Die Differenzen
werden wiederum vorzugsweise bei der gleichen Drehzahl und gleichem
Ladedruck bestimmt. Hierbei kann die Referenzgröße die Messgröße oder
die aus der Messgröße abgeleitete
Größe in der
entsprechenden Phase zu einem früheren
Zeitpunkt sein. Alternativ kann die Referenzgröße ein für die entsprechende Phase vorgegebener
Wert sein.
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Um
möglichst
präzise
Ergebnisse für
den Raildruck zu erhalten, ist es bevorzugt, wenn die Messgröße über eine
Vielzahl von Perioden der Kurbelwellenbewegung, der Pumpenbewegung
oder der Motorbewegung bestimmt wird und der Messwert über diese
Vielzahl von Perioden gemittelt wird. So kann beispielsweise das
Maximum, das Minimum und/oder die Amplitude einer Vielzahl von Perioden gemittelt.
Die Zahl der Perioden, über
welche gemittelt wird, kann hierbei variieren und davon abhängen, wie
schnell sich die Kurbelwelle dreht. Eine Begrenzung der Zahl der
Perioden kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass die Einspritzventile
im Betrieb des Motors geöffnet
werden, also eine für
die Messung genutzte Schubphase beendet wird.
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Vorgeschlagen
wird mit der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zur Steuerung
des Raildrucks in einem Common-Rail-Einspritzsystem, wobei wie oben beschrieben
der Raildruck bestimmt wird und dann, basierend auf dem so bestimmten Raildruck,
der Raildruck verändert
wird. Die Veränderung
erfolgt hierbei vorzugsweise so, dass der Raildruck einem sollwert
angeglichen oder jedenfalls in einen Bereich gebracht wird, in welchem
eine Einspritzung möglich
ist. Vorzugsweise kann der Raildruck auf diese Weise auch in einen
Bereich herabgesetzt werden, in welchem er durch den Drucksensor
messbar ist.
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Zur Änderung
des Raildrucks bieten sich eine Reihe von Möglichkeiten an. Beispielhaft
kann an zumindest einem Einspritzventil eine definierte Schaltleckage
erzeugt werden, über
welche sich der Druck abbauen kann, bevor das Einspritzventil geöffnet wird.
Insbesondere kann auch der Druck über Schaltleckagen an jenen
Einspritzventilen abgebaut werden, welche im aktuellen Takt des
Motors nicht einspritzen, so dass über die anderen Einspritzventile
normal eingespritzt werden kann. Ein Angleichen des Raildruckes
an einen Sollwert kann durch einen Regelkreis erfolgen, indem die
Messgröße oder
die daraus abgeleitete Größe auf einen
dafür geltenden Sollwert
gebracht wird.
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Schließlich wird
mit der vorliegenden Erfindung außerdem ein Verfahren zur Steuerung
der Einspritzmenge in einem Verbrennungsmotor mit Common-Rail-Einspritzsystem
vorgeschlagen, wobei der Raildruck wie oben beschrieben bestimmt
wird und dann basierend auf dem so bestimmten Raildruck die Öffnung – also eine
von einer jeweiligen Soll-Einspritzmenge abhängige Ansteuerdauer oder Öffnungsdauer – der Einspritzventile
gesteuert wird. Das Verfahren zur Steuerung der Einspritzmenge ist auch
in Kombination mit dem Verfahren zur Steuerung des Raildruckes verwendbar.
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Im
Folgenden soll das Verfahren zur Bestimmung des Raildruckes anhand
zweier Figuren beispielhaft erläutert
werden. Es zeigen
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1 absolute
Zahnzeitsignale im Verlauf einer Periode des Motors bei verschiedenen
Drücken und
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2 die
Differenz der Zahnzeit zu der Zahnzeit bei einem Referenzdruck im
Verlauf einer Motorperiode bei verschiedenen Drücken.
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1 zeigt
die Zahnzeit in Sekunden mal 10–4 während des
Verlaufs einer Motorperiode eines Verbrennungsmotors in einer Schubphase
bei drei verschiedenen Raildrücken
innerhalb eines Common-Rail-Einspritzsystems des Verbrennungsmotors,
wobei ein Ladedruck und eine mittlere Drehzahl bei allen drei veranschaulichten
Betriebszuständen gleiche
Werte haben. Beim hier verwendeten Viertaktmotor umfasst der Verlauf
entlang der x-Achse also vier Takte. 1 zeigt
die absolute Zahnzeit, also jene Zeit, die zwischen dem Passieren
zweier benachbarter Zähne
eines mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbundenen Geberrades
an einem Sensor verstreicht. Das Geberrad hat in diesem Beispiel
60 Zähne.
Während
der vier Takte eines Arbeitszyklusses passieren den Sensor daher
120 Zähne.
Es zeigt nun die mit 1 gekennzeichnete Kurve den Verlauf
der Zahnzeit bei einem Raildruck von 160 MPa, Kurve 2 den
Verlauf der Zahnzeit bei einem Raildruck von 100 MPa und Kurve 3 den
Verlauf der Zahnzeit bei einem Raildruck von 20 MPa. Im gezeigten
Beispiel ist eine Zweikolben-Hochdruckpumpe mit einem Übersetzungsverhältnis von
1:1 an die Kurbelwelle gekoppelt, so dass die Pumpe während einer
Umdrehung der Kurbelwelle zweimal ausschiebt und während eines
Motorzyklusses also viermal ausschiebt. Dabei fallen Ausschubphasen
der Hochdruckpumpe beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils mit
einem oberen Totpunkt am Beginn eines Arbeitstaktes eines der Zylinder
zusammen.
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Der
Einfluss des Raildrucks ist in der 1 klar zu
erkennen. Für
hohe Drücke
wird die Zahnzeit in einer Hälfte
des Taktes eines Zylinders größer und in
der anderen Hälfte
kleiner als bei kleineren Drücken.
Die Verlängerung
bzw. Verkür zung
der Zahnzeit ist umso größer, je
höher der
Raildruck ist. Durch Messung der Verlängerung oder Verkürzung der Zahnzeit
kann also auf den Raildruck geschlossen werden. Da im gezeigten
Beispiel jedoch der Absolutwert der Zahnzeit dargestellt ist, sind
hier auch Einflüsse
anderer Ursachen als des höheren
Raildrucks überlagert.
Soweit diese nicht bei der Festlegung des Zusammenhangs zwischen
Messgröße und Raildruck
bekannt sind, würden
diese die Messung verfälschen.
Die Veränderung
des Maximums der Zahnzeit ist hier für den ersten Takt des Motors
mit 4 gekennzeichnet.
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2 zeigt
in Sekunden mal 10–6 die Differenz der
während
eines Arbeitszyklusses gemessenen Zahnzeit zu einer Zahnzeit in
entsprechender Phase des Motorzyklusses bei einem Referenz-Raildruck
und gleicher mittlerer Drehzahl der Kurbelwelle in vergleichbaren
Betriebszuständen.
Für jeden
der Durchgänge
eines Zahnes durch den Sensor wird also die Differenz zwischen dem
bei der Messung gemessenen Zahnzeitwert und einem in einer Referenzmessung
bei einem Referenz-Raildruck und entsprechender Phase gemessenen
Zahnzeitwert bestimmt. Die Referenzmessung wird dabei bei einem Referenz-Betriebszustand
durchgeführt,
der neben dem bekannten Referenz-Raildruck durch dem untersuchten
Betriebszustand entsprechende Werte für Drehzahl und Ladedruck charakterisiert
ist. Sowohl bei dem untersuchten (aktuelle) Betriebszustand, für den der
Raildruck bestimmt werden soll, als auch bei dem Referenz-Betriebszustand handelt
es sich dabei um Schubphasen des Verbrennungsmotors. Auf diese Weise
können
im Wesentlichen alle Einflüsse
auf die Schwankung der Zahnzeit eliminiert werden, die nicht auf
einen veränderten
Raildruck zurückzuführen sind.
Insbesondere sind auch Einflüsse
durch die Phase des Motors in diesem Signal nicht mehr vorhanden.
In der gezeigten Darstellung schiebt die Pumpe viermal aus. Je höher der
Raildruck ist, gegen den die Pumpe ausschiebt desto größer ist
die Verlängerung
der Zahnzeit während
dieses Ausschiebens. In 2 wurde die Kurve 5 bei
einem Raildruck von 160 MPa aufgenommen, die Kurve 6 bei
einem Druck von 100 MPa und die Kurve 7 bei einem Druck von
40 MPa. Als Referenz diente die bei einem Druck von 20 MPa aufgenommene
Zahnzeitkurve bei gleicher Drehzahl. Für eine Bestimmung des Raildrucks kann
also der Maximalwert, der Minimalwert und/oder die Amplitude dieser
Zahnzeitdifferenz bestimmt werden. Die Bestimmung ist hierbei weitgehend
unabhängig
von anderen Einflüssen
als dem Raildruck.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
nun die Amplitude der in 2 erkennbaren Schwankung der
dort aufgetragenen Zahnzeitdifferenzen zum Bestimmen des Raildrucks
verwendet, was aufgrund des erkennbaren eindeutigen Zusammenhangs
zwischen beiden Größen möglich ist.
Dieser Zusammenhang, der einmalig für einen Motortyp oder wiederholt
durch Messungen während
eines Motorbetriebs bestimmt werden kann, ist dazu – in Abhängigkeit
von Drehzahl und Ladedruck – in
einer Tabelle abgelegt oder als numerische oder analytische Funktion
gespeichert. Anstelle der Amplitude kann auch der Maximal- oder
Minimalwert des in 2 gezeigten Verlaufs entsprechend
zum Bestimmen des Raildrucks verwendet werden.
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Das
Common-Rail-Einspritzsystems des Verbrennungsmotors weist zur beschriebenen
Bestimmung des Raildrucks eine entsprechend programmtechnisch eingerichtete
Vorrichtung auf. Zusätzlich
kann diese eingerichtet sein zum Regeln des so bestimmten Raildrucks
sowie zum Anpassen einer Ansteuerdauer für die den Zylindern des Verbrennungsmotors
zugeordneten Injektoren in Abhängigkeit
von einer aktuellen Soll-Einspritzmenge, die wiederum von einem – auf die
zur Messung des Raildrucks genutzte Schubphase folgenden – aktuellen Betriebszustand
abhängt.
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Die
Erfindung ist in allen Motorsystemen anwendbar, in welchen Kraftstoff über ein
Common-Rail-System eingespritzt wird. Dies sind vor allem Motoren
von Kraftfahrzeugen, insbesondere PKW oder LKW mit Otto- oder Dieselmotor.