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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer
die Einspritzmenge charakterisierenden Größe von Injektoren zur Einspritzung
von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine unter
hohem Druck nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gegenstand
der Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt
mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert
ist, zur Durchführung
des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Ein
solches Verfahren kommt bevorzugt bei Common-Rail-Systemen zum Einsatz.
Bei diesen Common-Rail-Systemen wird Kraftstoff mittels Injektoren
in die Verbrennungsräume
(Zylinder) der Brennkraftmaschine unter hohem Druck eingespritzt. Die
Kraftstoffdruckerzeugung und die Kraftstoffzumessung sind mittels
eines Hochdruckspeichers, eines sogenannten „Rails”, voneinander entkoppelt. Dies
hat den Vorteil, dass der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl
und der Einspritzmenge erzeugt werden kann und im Hochdruckspeicher fortlaufend
für die
Einspritzung zur Verfügung
steht. Der jeweilige Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden
in einem elektronischen Motorsteuergerät berechnet und von den jedem
Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren umgesetzt.
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Bei
derartigen Common-Rail-Systemen müssen auch sehr kleine Mengen
eingespritzt werden können.
Insbesondere bei sogenannten Voreinspritzungen müssen möglichst kleine Einspritzmengen
zuverlässig
eingespritzt werden können,
um sowohl im Sinne von Geräusch-
als auch Abgasemissionen optimale Brennvorgänge zu ermöglichen.
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Um über die
Lebensdauer derartiger Common-Rail-Einspritzsysteme und insbesondere über die
Lebensdauer der Injektoren definierte, möglichst kleine Einspritzmengen
realisieren zu können
und in Anbetracht dessen, dass sich die Eigenschaften der Injektoren über ihre
Lebensdauer, beispielsweise durch Drifterscheinungen oder durch
Verschleiß verändern, muss
eine Korrekturmöglichkeit
geschaffen werden, welche eine entsprechende Veränderung der Einspritzmenge über die
Lebensdauer der Injektoren ermöglicht.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu vermitteln,
welches Änderungen
der Injektoreigenschaften aufgrund von Drifterscheinung oder aufgrund
von Verschleiß über die
Lebensdauer, insbesondere im Bereich kleinster Einspritzmengen,
die beispielsweise während
der Voreinspritzung eingespritzt werden, zu erkennen und zu korrigieren
ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer
die Einspritzmenge charakterisierende Größe von Injektoren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Grundidee
der Erfindung ist es, eine gezielte Störung des Raildrucks durch eine
Variation der Einspritzvorgänge
hervorzurufen, den Raildruck zu erfassen und aus dem zeitlichen
Verhalten des Raildrucks auf die aufgrund der Variation der Einspritzvorgänge eingespritzte
Menge bzw. auf die hervorgerufene Mengendifferenz zu schließen. Dem
erfindungsgemäßen Verfahren
liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass im Hochdruckteil eines
Common-Rail-Systems durch die Förderhübe der Einspritzpumpe
und durch die intermittierende Mengenentnahme während der Einspritzvorgänge erhebliche Druckschwingungen
mit unterschiedlichen Frequenzanteilen entstehen. Die sich dabei
ausbil denden Frequenzen der Druckschwingungen lassen sich zum einen
auf die Anregungsfrequenzen, d. h. die Frequenzen der Einspritzpumpe
und die Frequenzen der Einspritzung, zurückführen, zum anderen bildet sich
eine Eigenfrequenz aus, die vom geometrisch/hydraulischen Aufbau
des Systems ebenso abhängig
ist wie von der Kraftstoffsorte, dem Druck und der Kraftstofftemperatur.
Die gezielte Störung,
die im Wege einer Einspritzung, beispielsweise einer Vor-, Haupt-
oder Nacheinspritzung vorgenommen wird, führt zu einem dieser Einspritzung
eindeutig zuzuordnenden zeitlichen Verhalten des Raildrucks, d.
h. insbesondere der Druckschwingungen, deren Auswertung auf das
Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Einspritzung schließen lassen.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem
unabhängigen
Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
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So
sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens beispielsweise
vor, die gezielte Störung dadurch
zu realisieren, dass wenigstens ein Injektor bei einem Bruchteil
der Nockenwellenfrequenz mit zwischen wenigstens zwei Einspritzmustern
wechselnden Einspritzvorgängen
betrieben wird. Bevorzugt wird die dabei hervorgerufene Druckschwingung erfasst
und aus einer Änderung
der Raildruckschwingung, die jeweils durch die beiden Einspritzmuster hervorgerufen
wird, wird auf die Differenz der Einspritzmengen der beiden den
unterschiedlichen Einspritzmustern zugeordneten Einspritzvorgängen geschlossen.
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Dabei
wird bevorzugt eine Transformation des Raildrucks in den Frequenzraum
und eine Auswertung der Frequenz des Raildrucks vorgenommen. Durch
die gezielte Auswertung einzelner Frequenzen kann auf das Vorhandensein
bzw. das Fehlen einer dieser Frequenz zugeordneten Anregung geschlossen
werden und damit auf das Vorhandensein oder Fehlen einer gezielt
abgesetzten Einspritzung.
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Rein
prinzipiell sind beliebige Bruchteile der Nockenwellenfrequenz denkbar.
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Im
Sinne einer optimalen Laufruhe der Brennkraftmaschine ist gemäß einer
sehr vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, die zwischen den beiden
Einspritzmustern wechselnden Einspritzvorgänge bei einer halben Nockenwellenfrequenz
vorzunehmen.
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Unterschiedliche
Einspritzmuster können zwischen
den unterschiedlichsten Variationen gewählt werden. So kann beispielsweise
vorgesehen sein, bei einer halben Nockenwellenfrequenz in einem
ersten Arbeitsspiel keine Haupteinspritzung und in einem zweiten
Arbeitsspiel eine Haupteinspritzung vorzusehen. Bei einer alternativen
Ausführungsform kann
vorgesehen sein, in einem ersten Arbeitsspiel eine Haupteinspritzung
und in einem zweiten Arbeitsspiel eine Voreinspritzung und eine
Haupteinspritzung vorzusehen. In jedem Falle wird nach Transformation
der Raildruckschwingung in den Frequenzraum die Amplitude über der
Frequenz bei einer halben Nockenwellenfrequenz ausgewertet und abhängig vom
Amplitudenwert, also ob der Amplitudenwert eine vorgebbare Größe überschreitet
oder nicht, auf das Vorhandensein einer Einspritzung geschlossen. Zudem
kann anhand des Amplitudenwerts die Größe der Einspritzmenge quantifiziert
werden.
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Eine
weitere Alternative zu Variationen der Einspritzmuster ist dadurch
möglich,
dass in einem ersten Arbeitsspiel eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung
vorgesehen sind und in einem zweiten Arbeitsspiel zwei Voreinspritzungen
und eine Haupteinspritzung, wobei auch hier wiederum dieses zweite
Einspritzmuster bei einer halben Nockenwellenfrequenz vorgenommen
wird.
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Common-Rail-Injektoren
weisen nun die Gemeinsamkeit auf, dass sie innerhalb gewisser Einspritzzeiten
zwar eine gewisse Menge Kraftstoff aus dem Rail entnehmen, jedoch
noch kein Einspritzvorgang erfolgt, da die Druckverhältnisse
in dem Injektor eine Einspritzung noch nicht zulassen. Dieser Zustand
wird als „Blankshot” bezeichnet.
Um eine genaue Bestimmung der eingespritzten Menge, insbesondere
eine genaue Bestimmung der Kleinstmengen einer Einspritzung erfassen
zu können,
ist es erforderlich, auch solche „Blankshots” zu erfassen. Dies
geschieht gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, dass
die Ansteuerdauer variiert wird und festgestellt wird, ab wann eine
Einspritzung erfolgt.
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Dies
kann wiederum dadurch geschehen, dass die maximale Ansteuerdauer
eines Blankshots erkannt wird bzw. die Mindest-Ansteuerdauer, ab dem
eine Einspritzung in den Brennraum erfolgt, die mit einer charakteristischen
Veränderung
des Raildrucks verbunden ist, mit Hilfe der Auswertung des Frequenzspektrums
des Raildrucks bestimmt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein Blockdiagramm eines Kraftstoffeinspritzsystems, bei dem das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Einsatz kommt;
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2 schematisch
jeweils zwei Einspritzmuster bei unterschiedlichen Betriebszuständen eines
Fahrzeugs zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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3 die
Kraftstoffmenge über
der Einspritzdauer zur Erläuterung
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein
Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine, dargestellt
in 1, wird üblicherweise
als Common-Rail-System bezeichnet. Mit 100 ist in 1 ein
Kraftstoffvorratsbehälter
bezeichnet. Dieser steht über
einen ersten Filter 105 und eine Vorförderpumpe 110 mit
einem zweiten Filter 115 in Verbindung. Vom zweiten Filter 115 gelangt der
Kraftstoff über
eine Leitung zu einer Hochdruckpumpe 125. Die Hochdruckpumpe 125 steht
mit einem Rail 130 in Verbindung.
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Das
Rail 130, das auch als Speicher bezeichnet werden kann,
ist mittels Kraftstoffleitungen mit verschiedenen Injektoren 131 verbunden. Über ein
Druckregelventil 135 ist das Rail 130 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 100 verbunden.
Das Druckregelventil 135 ist mittels beispielsweise einer
Spule 136 ansteuerbar.
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Der
Bereich zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 125 und
dem Eingang des Druckregelventils 135 wird als Hochdruckbereich
bezeichnet. In diesem Hochdruckbereich steht der Kraftstoff unter
sehr hohem Druck. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckbereich wird mittels
eines Sensors 145 erfasst.
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Das
Ausgangssignal des Sensors 145 gelangt zu einer Steuereinheit 150.
Die Steuereinheit 150, beispielsweise ein Motorsteuergerät, beaufschlagt
die Spule 136 des Druckregelventils 135 mit einem
Ansteuersignal. Des Weiteren werden Steuereinheiten 160 mit
Ansteuersignalen beaufschlagt. Hierbei handelt es sich beispielsweise
um Steller zur Beeinflussung der Abgasrückführrate, des Ladedrucks der
eingespritzten Kraftstoffmenge und/oder des Einspritzbeginns. Die
Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff erfolgt durch die Ansteuerung
der Injektoren 131.
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Die
Steuereinheit 150 verarbeitet die Signale verschiedener
Sensoren 170 und 175. So liefert beispielsweise
der Sensor 170 ein Signal PWG, das der Fahrpedalstellung
entspricht. Der Sensor 175 liefert ein Drehzahlsignal N.
Ferner können
noch weitere Sensoren 178 vorgesehen sein, die weitere
Signale, beispielsweise die Stellung der Kupplung oder des Getriebes
charakterisierende Signale usw., liefern.
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Die
Einrichtung arbeitet wie folgt. Der Kraftstoff, der sich im Vorratsbehälter 100 befindet,
wird von der Vorförderpumpe 110 durch
die Filter 105 und 115 gefördert. Ausgangsseitig der Vorförderpumpe 110 weist
der Kraftstoff einen Druck zwischen ca. 1 und ca. 15 bar auf.
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Die
Hochdruckpumpe 125 fördert
den Kraftstoff vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich. Die
Hochdruckpumpe 125 baut im Rail 130 einen sehr
hohen Druck auf. Üblicherweise
werden bei Systemen für
fremdgezündete
Brennkraftmaschinen Druckwerte von ca. 30 bis 200 bar und bei selbstzündenden
Brennkraftmaschinen, also Dieselbrennkraftmaschinen, Druckwerte
von ca. 1000 bis 2500 bar erzielt. Über die Injektoren 131 kann
der Kraftstoff unter hohem Druck den einzelnen Zylindern der (nicht
dargestellten) Brennkraftmaschine zugemessen werden.
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Mittels
des Sensors 145 wird der gemessene Kraftstoffdruck P_Rail
im gesamten Hochdruckbereich erfasst. Mittels des Druckregelventils 135,
das durch die Spule 136 ansteuerbar ist, kann der Druck im
Hochdruckbereich geregelt werden. Abhängig von der an der Spule 136 anliegenden
Spannung bzw. dem durch die Spule 136 fließenden Strom öffnet das Druckregelventil 135 bei
unterschiedlichen Druckwerten. Alternativ kann auch vorgesehen sein,
die Druckregelung mittels einer durch ein oder mehrere Magnetventile
steuerbaren Hochdruckpumpe oder durch eine Kombination aus Druckregelventil
und steuerbarer Hochdruckpumpe vorzunehmen
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Bei
derartigen Kraftstoffeinspritzsystemen beeinflussen der Einspritzbeginn
wie auch die eingespritzte Menge das Raildrucksignal. Bei konstanten Betriebspunkten
ergibt sich auf diese Weise ein charakteristisches Raildrucksignal.
Der Einspritzbeginn und die eingespritzte Menge, d. h. die Einspritzdauer, müssen präzise festgelegt
sein, um einen ordnungsgemäßen Betrieb
der Brennkraftmaschine gewährleisten
zu können.
Dabei kommt es gerade auch auf die so genannte Kleinstmengenfähigkeit
an. Insbesondere bei der Voreinspritzung ist es im Sinne eines optimal
ablaufenden Brennverfahrens erforderlich, möglichst kleine Einspritzmengen
zuverlässiger
einspritzen zu können.
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Zu
große
Voreinspritzmengen führen
nämlich
zu einem Anstieg der Emissionen, insbesondere zu einem Anstieg von
Rußemissionen.
Ein Ausbleiben von Voreinspritzungen führt zu Geräuschemissionen, insbesondere
zu dem so bezeichneten Diesel-Nageln. Eine zuverlässige Einspritzung
von sehr kleinen Einspritzmengen über die Lebensdauer eines Common-Rail-Einspritzsystems
der vorbeschriebenen Art ist zur Einhaltung zukünftiger Abgasvorschriften und
insbesondere auch zur Realisierung eines optimalen – gerade
auch im Hinblick auf die Geräuschemissionen-Brennverlaufs
zukünftig
erforderlich.
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Nun
unterliegen Kraftstoffinjektoren über ihre Lebensdauer einem
Verschleiß und
damit einhergehend Drifterscheinungen, die dazu führen, dass
sich die eingespritzte Menge über
die Lebensdauer verändert.
Es ist daher erforderlich, eine Korrekturfunktion zu vermitteln,
die wiederum auf einer präzisen Erkennung
der eingespritzten Menge basiert.
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Das
im Folgenden anhand der 2 und 3 beschriebene
Verfahren hat den großen
Vorteil, dass es unabhängig
vom Antriebsstrang bzw. von einem Fahrzeug arbeitet und sich somit
auch für Nutzfahrzeuge/Off
Highway oder „loose
engines” eignet.
Das Verfahren hat darüber
hinaus den großen Vorteil,
dass es einen Korrektureingriff in das Common-Rail-System ohne zusätzliche „Hilfsmittel”, wie z.
B. ein Drehzahlsensor oder eine Lambdasonde ermöglicht.
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Grundidee
der Erfindung ist es, die bei Common-Rail-Systemen durch die Förderhübe der Einspritzpumpe
und durch die intermittierende Mengenentnahme während der Einspritzung entstehenden erheblichen
Druckschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzanteilen zu analysieren,
nachdem eine gezielte Störung
durch wechselnde Einspritzmuster im Common-Rail-System initiiert
wurde. So wird beispielsweise, wie es in 2 schematisch dargestellt
ist, eine künstliche
Anregung des Raildrucks im niederfrequenten Bereich durch Testeinspritzungen
erzeugt.
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Im
mit I.) bezeichneten Bereich sind ein erstes Arbeitsspiel AS1 und
ein zweites Arbeitsspiel AS2 dargestellt. Im ersten Arbeitsspiel
AS1 findet keine Haupteinspritzung statt, im zweiten Arbeitsspiel
AS2 findet eine Haupteinspritzung statt. Diese Einspritzungen werden
im Schubbetrieb des Fahrzeugs vorgenommen.
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Mit
II.) ist im unteren Bereich der linken Hälfte der 2 eine
entsprechende Variation der Einspritzmuster, d. h. der Einspritzverläufe im Leerlauf oder
bei Last dargestellt. So findet im ersten Arbeitsspiel AS1 eine
Haupteinspritzung statt, wohingegen im zweiten Arbeitsspiel AS2
zunächst
eine Voreinspritzung und dann eine Haupteinspritzung stattfindet.
Diese periodischen Einspritzmusterwechsel bewirken die Anregung
des Einspritzsystems bei der halben Nockenwellenfrequenz 1/2 fNW. Die dabei entstehenden Druckschwingungen
werden in den Frequenzraum transformiert und im Frequenzraum ausgewertet.
Dabei wird die Amplitude über
der Frequenz bei der halben Nockenwellenfrequenz 1/2 fNW untersucht.
Liegt hier eine signifikante Amplitude vor, d. h. überschreitet
der Amplitudenwert eine vorgebbare Größe, kann von einer Einspritzung
ausgegangen werden. Diese ist im Bereich des Schubbetriebs (I.)
der Haupteinspritzung im zweiten Arbeitsspiel AS2 und im Leerlauf-
bzw. Lastbetrieb (II.) der Voreinspritzung im Arbeitsspiel AS2 zuzuordnen.
Anhand des Amplitudenwerts ist zudem eine Quantifizierung der Einspritzmenge
möglich.
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Mit
der Frequenzanalyse der vorbeschriebenen Art kann damit präzise festgestellt
werden, ob eine Voreinspritzung stattfand oder nicht. Selbstverständlich ist
das hier beschriebene Verfahren nicht auf die in 2 dargestellten
Einspritzmuster beschränkt.
Rein prinzipiell ist es auch möglich,
in einem ersten Arbeitsspiel eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung
und in einem zweiten Arbeitsspiel zwei Voreinspritzungen und eine
Haupteinspritzung zu wählen.
In allen diesen Fällen
existiert bei der halben Nockenwellenfrequenz ein deutlicher Peak
der über
der Frequenz aufgetragenen Amplitude. Dieser Peak lässt auf
das Vorhandensein einer Voreinspritzung schließen. Anhand des Amplitudenwerts
ist zudem eine Quantifizierung der Einspritzmenge möglich. Auf
diese Weise können
auch der Einspritzvorgang und damit auch die Einspritzmenge kennzeichnende
Kennlinie der Injektoren bestimmt werden.
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Nun
zeigen Kraftstoffinjektoren bei sehr kurzer Ansteuerdauer eine Entnahme
von Kraftstoff aus dem Rail, ohne dass eine Einspritzung von Kraftstoff in
den Brennraum der Brennkraftmaschine stattfindet. Dies begründet sich
dadurch, dass sich in dem Injektor Druckverhältnisse einstellen müssen, die
für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
des Injektors erforderlich sind. Zur Herstellung dieser Druckverhältnisse
wird Kraftstoff aus dem Rail entnommen. Wird ein Injektor mit so
kurzer Ansteuerdauer betrieben, dass zwar Kraftstoff aus dem Rail
entnommen wird, jedoch noch nicht in den Brennraum eingespritzt
wird, so wird dieses Ereignis als „Blankshot” bezeichnet.
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In 3 sind
schematisch dargestellt eine Einspritzmenge Qinj,
eine Rücklaufmenge
Qback und eine Gesamtmenge Q. Für präzise Einspritzvorgänge sollte
die Einspritzmenge Qinj bekannt sein, bisher bestimmt
werden kann jedoch lediglich die Gesamtmenge Q, die sich aus der
Summe der Einspritzmenge Qinj und Qback zusammensetzt. Um nun den Blankshot
und damit die nicht eingespritzte Menge Q in dem Einspritzzeitbereich
des Blankshots zu bestimmen, oder mit anderen Worten die tatsächlich eingespritzte
Kraftstoffmenge Qinj zu bestimmen, wird die
Ansteuerung eines Injektors so variiert, dass die Voreinspritzung
zunächst
ausbleibt und mit zunehmender Ansteuerdauer einsetzt. Dabei wird
der Raildruck erfasst und in den Frequenzraum transformiert und
auf die oben beschriebene Weise ausgewertet. Sobald bei einer halben
Nockenwellenfrequenz 1/2 fNW ein Grenzwert
der Amplitude des frequenzabhängigen
Raildrucks überschritten
wird, muss eine Einspritzung erfolgt sein, denn nur eine Einspritzung
in den Brennraum erzeugt die oben beschriebene Druckschwingung mit
einer entsprechend großen Amplitude.
Ein Blankshot genügt
dagegen nicht, um die charakteristischen Druckschwingungen in der
Intensität
hervorzurufen. Das Verfahren bestimmt daher mit anderen Worten den
Ansteuerdauerbereich, innerhalb dessen ein Blankshot stattfindet.
Es können
mit anderen Worten ein drift- bzw.
verschleißbedingtes
Ausbleiben der Voreinspritzmenge über die Lebensdauer erkannt
und durch entsprechende Korrekturfunktion ein solches Auftreten
korrigiert werden.
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Das
vorbeschriebene Verfahren kann als Computerprogramm ausgeführt sein
und auf dem Steuergerät 150 implementiert
sein. Der Programmcode kann auf einem Computerprogrammprodukt, beispielsweise
einem Datenträger
gespeichert sein und mit entsprechenden Mitteln in das Steuergerät eingelesen
werden. Nachdem für
die Ausführung
des vorbeschriebenen Verfahrens keine zusätzlichen Sensoren erforderlich
sind, kann dieses Verfahren daher rein prinzipiell auch bei bestehenden
Common-Rail-Systemen „nachgerüstet” werden
und so die Präzision
und die Abgasgüte
derartiger Brennkraftmaschinen erheblich verbessert werden.