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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Einspritzmenge eines Fluids sowie ein Einspritzsystem zum Einspritzen einer Einspritzmenge eines Fluids.
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Einspritzsysteme dienen im Allgemeinen dem Einspritzen einer vorab definierten Einspritzmenge eines Fluids. In der Automobiltechnik werden derartige Systeme beispielsweise zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, etwa in einen Dieselmotor oder in einen Ottomotor, eines Fahrzeugs verwendet. Bei modernen Dieselmotoren wird hierzu insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem verwendet. Solche Einspritzsysteme weisen in der Regel mindestens eine, bevorzugt allerdings mehrere Einspritzdüsen bzw. Einspritzventile auf, welche auch als Injektoren bezeichnet werden. Der Begriff "Einspritzdüse" soll im Folgenden aus Gründen einer besseren Lesbarkeit stellvertretend auch für Einspritzventile stehen. Zum Einspritzen des Kraftstoffs wird ein Verschlusselement der Einspritzdüse geöffnet und nach einer bestimmten Zeit und einer bestimmten Menge eingespritzten Kraftstoffs, der Einspritzmenge, wieder geschlossen.
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Da die Motoren, die über derartige Systeme mit Kraftstoff versorgt werden, bestimmte Abgasemissionen während ihrer gesamten Einsatzdauer nicht überschreiten dürfen, ist eine möglichst genaue Überwachung der eingespritzten Kraftstoffmenge erforderlich. Unnötige Abgasemissionen resultieren oftmals aus einer falsch eingespritzten Menge Kraftstoffs, was zu einer unerwünschten Luft-Kraftstoff-Gemischbildung führt, bei der die Verbrennung in einem Zylinder des Motors nicht optimal stattfinden kann. Um eine derartige unerwünschte Gemischbildung zu verhindern, muss die Einspritzung im richtigen Moment, in der richtigen Form und im richtigen Volumen erfolgen. Dies soll insbesondere über längere Zeiträume korrekt erfolgen, da Einspritzdüsen im Laufe der Zeit beispielsweise verkoken und somit die Einspritzung nicht wie gewünscht durchgeführt wird.
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Zum Einstellen des richtigen Volumens ist insbesondere ein Öffnen und ein Schließen der Einspritzdüse zu klar definierbaren Zeitpunkten notwendig. Verfahren und Einspritzsysteme zum Steuern der Einspritzdüse sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart die Druckschrift
DE 103 45 226 A1 ein derartiges Systems, bei dem ein erster Zeitpunkt, zu dem die Einspritzdüse geöffnet wird, und ein zweiter Zeitpunkt, zu dem die Einspritzdüse geschlossen wird, ermittelt werden und eine Ansteuerung der Einspritzdüse in Abhängigkeit von den ermittelten Werten erfolgt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme erlauben somit qualitative Fehler beim Öffnen und Schließen der Einspritzdüse zu detektieren. Hierdurch können jedoch nur schwer Rückschlüsse auf die Einspritzmenge gezogen werden.
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Es ist damit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, welches die genannten Nachteile überwindet, mit dem also eine Ermittlung und Überwachung einer Einspritzmenge einer Einspritzdüse auch quantitativ möglich ist. Außerdem soll ein Einspritzsystem vorgeschlagen werden, welches eine quantitative Ermittlung der Einspritzmenge ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Verfahren zum Überwachen einer Einspritzmenge eines Fluids, welches durch eine Einspritzdüse eingespritzt wird, wobei die Einspritzdüse durch ein in einer Bewegung geführtes Verschlusselement geöffnet und geschlossen wird, sieht also vor, dass mindestens drei charakteristische Punkte der Bewegung detektiert werden. Zu diesen Punkten befindet sich das Verschlusselement jeweils an einer bestimmten Position der Bewegung, so dass aus besagten Punkten eine Berechnung der Einspritzmenge erfolgt.
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Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Bewegung des Verschlusselements mit hoher Genauigkeit und wenigen Näherungen bestimmen lässt, sofern bestimmte charakteristische Punkte bekannt sind. Hierdurch kann mit geringem Mess- und Rechenaufwand eine Berechnung der Einspritzmenge des Fluids erfolgen. Die hierfür herangezogenen Punkte sollen charakteristisch für die Bewegung des Verschlusselements sein, sodass mehrere derartige Bewegungen durch Vergleich der charakteristischen Punkte voneinander unterschieden werden können, ohne dass eine Kenntnis der kompletten Bewegung hierfür nötig ist. Der Begriff "charakteristische Punkte" soll hierbei sowohl Zeitpunkte als auch räumliche Punkte umfassen. Der Begriff "Position" soll jede Messgröße bezeichnen können, die als Maß für die Definition der Bewegung dienen kann.
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Um eine höhere Genauigkeit des Verfahrens zu erreichen, kann vorgesehen sein, vier charakteristische Punkte der Bewegung zu detektieren. Somit wird die Einspritzmenge genauer berechenbar, da keine Näherung für eine ansteigende und bzw. oder abfallende Flanke nötig ist, sondern diese Flanken durch gemessene Punkte darstellbar sind.
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Die Bewegung selbst kann periodisch sein, d.h. dass mit zunehmender Zeitdauer stets dieselbe Bewegung des Verschlusselements wiederholt durchgeführt wird. Dies erlaubt ein stetiges Einspritzen der Einspritzmenge und eine permanente Überwachung desselben. Das zum Einspritzen verwendete Fluid ist vorzugsweise ein Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise Dieselkraftstoff für einen Dieselmotor oder Benzin für einen Ottomotor.
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Das Verschlusselement kann zum Einspritzen in einer Hubbewegung zwischen einer Schließposition und einer Hubposition geführt werden. In der Schließposition verschließt das Verschlusselement die Einspritzdüse vollständig, so dass das Fluid nicht aus der Einspritzdüse austreten kann. Der Begriff "Hubposition" soll hierbei sämtliche Positionen umfassen, die nicht der Schließposition entsprechen. Es sollen also sowohl eine maximale Hubposition, bei der das Verschlusselement bis an einen Anschlag der Einspritzdüse oder einen definierbaren maximalen Punkt bewegt wird und eine maximale Menge des Fluids eingespritzt wird als auch eine nur teilweise Öffnung der Einspritzdüse durch eine minimale Bewegung des Verschlusselements von diesem Begriff umfasst sein. Der Begriff "Hubbewegung" soll nicht nur ein Anheben des Verschlusselements umfassen, sondern ebenso ein Absenken desselben.
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Vorzugsweise umfasst mindestens einer der charakteristischen Punkte einen Startpunkt einer Öffnungsbewegung, an dem das Verschlusselement zum Öffnen der Einspritzdüse die Schließposition verlässt; einen Endpunkt der Öffnungsbewegung, an dem das Verschlusselement die Hubposition erreicht; einen Startpunkt der Schließbewegung, an dem das Verschlusselement zum Schließen die Hubposition verlässt; oder einen Endpunkt einer Schließbewegung, an dem das Verschlusselement zum Schließen der Einspritzdüse die Schließposition erreicht. Durch die genannten Zeitpunkte sind die die Bewegung des Verschlusselements definierenden Positionen des Verschlusselements mit einer bestimmten Zeit verknüpft, so dass eine Einspritzmenge berechnet werden kann. Ein Hubzyklus bzw. Einspritzzyklus, also ein Durchlaufen der genannten vier Punkte, unterteilt sich somit in eine Öffnungsflanke, eine Maximalflanke und eine Schließflanke. Die Öffnungsflanke ist definiert durch den Startpunkt der Öffnungsbewegung und den Endpunkt der Öffnungsbewegung. Die Schließflanke ist definiert durch den Startpunkt der Schließbewegung und den Endpunkt der Schließbewegung. Die Maximalflanke ist der zwischen der Öffnungsflanke und der Schließflanke liegende Bereich des Hubzyklus.
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Zum Berechnen der Einspritzmenge kann vorgesehen sein, dass eine in einem Kennfeld einer Einspritzrate durch eine Achse des Kennfelds und eine Kurve eingeschlossene Fläche ermittelt wird.
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Die Koordinaten der Kurve im Kennfeld sind durch die charakteristischen Punkte und die zu den jeweiligen charakteristischen Punkten korrespondierenden Einspritzraten gegeben. Der Begriff "Einspritzrate" soll hierbei die Einspritzmenge je Zeiteinheit beschreiben. Diese Einspritzrate kann aus den Positionen des Verschlusselements, welche einen aktuellen Durchfluss des einzuspritzenden Fluids vorgeben und somit eine aktuelle Einspritzmenge definieren, sowie den Zeitpunkten ermittelt werden. Die Einspritzrate kann zum Berechnen insbesondere auf einer Ordinate des Kennfelds aufgetragen sein, während die Zeit auf einer Abszisse aufgetragen ist. Die von der durch die charakteristischen Punkte gegebenen Kurve eingeschlossene Fläche stellt somit ein Maß für die Einspritzmenge dar. Die Berechnung der Fläche kann durch Aufsummieren von von der Kurve begrenzten Flächenstücken oder Integrieren der Kurve erfolgen.
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Das Verschlusselement kann mittels einer Antriebsvorrichtung in der Bewegung geführt werden, wobei zum Bestimmen der charakteristischen Punkte ein Signal der Antriebsvorrichtung verwendet wird. Hierdurch wird auf zusätzliche Messsysteme bzw. zusätzliche Verfahrensschritte verzichtet, da die zum Bewegen des Verschlusselements ohnehin benötigte Antriebsvorrichtung auch zum Bestimmen der charakteristischen Punkte verwendet werden kann. Das Signal der Antriebsvorrichtung kann vorzugsweise eine Kapazität, eine Spannung, eine Kapazitätsänderung oder eine Spannungsänderung der Antriebsvorrichtung umfassen.
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Außerdem kann eine Steuervorrichtung das Verschlusselement derart ansteuern, dass mindestens einer der charakteristischen Punkte mit einem vorgegebenen, zu diesem einen der charakteristischen Punkte korrespondierenden Sollwert übereinstimmt. Die Steuervorrichtung ist somit für eine Regelung der Einspritzmenge vorgesehen, indem sie die Bewegung des Verschlusselements anpasst. Die vorgegebenen Sollwerte können hierbei sowohl vorgegebene Positionen des Verschlusselements als auch vorgegebene Zeitpunkte des Verschlusselements, an dem es sich an bestimmten Positionen befinden soll, umfassen. Die zu den charakteristischen Punkten korrespondierenden Sollwerte können beispielsweise über ein vorgegebenes zeitliches Intervall definiert sein, wobei ein Anfang dieses Intervalls durch einen der detektierten charakteristischen Punkte gegeben ist und der Sollwert ein Ende des Intervalls bildet.
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Ein Einspritzsystem zum Einspritzen einer Einspritzmenge eines Fluids umfasst eine Steuervorrichtung und mindestens eine Einspritzdüse. Die Einspritzdüse weistein Verschlusselement zum Verschließen und zum Öffnen der Einspritzdüse, eine Antriebsvorrichtung zum Führen des Verschlusselements in einer Bewegung sowie einen Sensor zum Detektieren von Positionen des Verschlusselements auf. Der Sensor ist eingerichtet, mindestens drei charakteristische Punkte der Bewegung zu detektieren, zu denen sich das Verschlusselement jeweils an einer bestimmten Position der Bewegung befindet. Weiterhin umfasst das Einspritzsystem eine Recheneinheit, welche eingerichtet ist, die Einspritzmenge beispielsweise des Einspritzzyklus aus den charakteristischen Punkten zu berechnen. Durch die genannten Bauteile des Einspritzsystems sind somit sowohl die Bewegung des Verschlusselements ermöglicht, als auch die zuverlässige Detektion der jeweiligen Positionen und die daraus resultierende Einspritzmenge.
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Der Sensor kann außerdem eingerichtet sein, vier charakteristische Punkte der Bewegung zu detektieren, um die Bewegung möglichst genau nachzuvollziehen, ohne den Rechenaufwand zu hoch zu treiben. Das Führen des Verschlusselements kann zwischen einer Schließposition und einer Hubposition in einer Hubbewegung erfolgen, welche vorzugsweise periodisch ist. Der Sensor kann derart eingerichtet sein, dass mindestens einer der charakteristischen Punkte einen Startpunkt einer Öffnungsbewegung, an dem das Verschlusselement zum Öffnen der Einspritzdüse die Schließposition verlässt; einen Endpunkt der Öffnungsbewegung, an dem das Verschlusselement die Hubposition erreicht; einen Startpunkt der Schließbewegung, an dem das Verschlusselement zum Schließen die Hubposition verlässt; oder einen Endpunkt einer Schließbewegung umfassen, an dem das Verschlusselement zum Schließen der Einspritzdüse die Schließposition erreicht.
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In einer Ausführungsform kann die Recheneinheit eingerichtet sein, aus einer in einem Kennfeld einer Einspritzrate durch eine Achse und eine Kurve eingeschlossene Fläche die Einspritzmenge zu berechnen. Koordinaten der Kurve im Kennfeld sind hierbei durch die charakteristischen Punkte und zu den jeweiligen charakteristischen Punkten korrespondierende Einspritzraten gegeben. Die Einspritzrate kann zum Berechnen insbesondere auf einer Ordinate, also einer vertikalen Achse des Kennfelds aufgetragen sein, während die Zeit auf einer Abszisse, also einer horizontalen Achse aufgetragen ist. Die Recheneinheit kann die Fläche durch Aufsummieren einzelner Flächenstücke oder Integrieren der Kurve berechnen und somit auch die Einspritzmenge berechnen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Sensor eingerichtet ist, mindestens einen der charakteristischen Punkte über ein Signal der Antriebsvorrichtung zu detektieren und dieses Signal an die Steuervorrichtung zu übermitteln. Vorzugsweise ist der Sensor hierfür direkt in der Antriebsvorrichtung angebracht. Hierdurch entfallen weitere Messvorrichtungen, da ein direkt von der Antriebsvorrichtung geliefertes Signal als Maß für das Vorliegen charakteristischer Punkte verwendet wird. Das Signal kann vorzugsweise eine Kapazität, eine Spannung, eine Kapazitätsänderung oder eine Spannungsänderung umfassen.
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Die Recheneinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit eines der detektierten Punkte ein Steuersignal an die Steuervorrichtung zu übermitteln, sodass diese das Verschlusselement derart ansteuert, dass bei einem weiteren Durchlaufen der Bewegung der charakteristische Punkt mit einem vorgegebenen charakteristischen Punkt übereinstimmt. Hierdurch werden eine Regelung der Bewegung des Verschlusselements und somit auch eine Regelung der Einspritzmenge vorgenommen, die über eine bloße Überwachung der Einspritzmenge hinausgeht. Der vorgegebene charakteristische Punkt dient hierbei als Sollwert, der bei dem weiteren Hubzyklus möglichst genau angesteuert wird.
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Die Antriebsvorrichtung kann in vorteilhafter Weise einen Piezoaktor aufweisen, wie er in modernen Einspritzsystemen verwendet wird. Bei dem Piezoaktor kann außerdem sehr einfach die Kapazität, die Spannung oder Änderung dieser Größen ermittelt werden. Alternativ kann statt des Piezoaktors die Antriebsvorrichtung auch eine Magnetspule umfassen.
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Außerdem kann das Verschlusselement eine Düsennadel aufweisen. Die Düsennadel ist ein übliches Bauteil zum Öffnen und Schließen von Einspritzdüsen und sitzt hierzu in der Schließposition auf einem Düsennadelsitz auf, welcher hierdurch vollständig verschlossen wird. Die Bewegung der Düsennadel wird auch als Nadelhub bezeichnet, zudem existieren Nadelhubsensoren, welche zur Detektion von Positionen der Düsennadel verwendet werden und auch Bestandteil des Sensors des Einspritzsystems sein können.
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Das Verfahren und das Einspritzsystem werden vorzugsweise in einer Brennkraftmaschine verwendet. Eine derartige Brennkraftmaschine kann beispielsweise einen Dieselmotor, vorzugsweise einen Common-Rail-Dieselmotor umfassen.
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Vorzugsweise ist das Einspritzsystem eingerichtet, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems der vorgeschlagenen Art,
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2 zeitliche Verläufe einer Hubbewegung eines Verschlusselements der in 1 gezeigten Einspritzdüse und
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3 mehrere zeitliche Verläufe von Signalen des Einspritzsystems.
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In 1 ist in einem Blockdiagramm als schematische Ansicht ein Einspritzsystem 1 zum Einspritzen einer Einspritzmenge eines Fluids dargestellt. Das Einspritzsystem 1 umfasst eine Steuervorrichtung 2 sowie eine Einspritzdüse 3 und eine Recheneinheit 4. Die Einspritzdüse 3 umfasst ein Verschlusselement 7, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Düsennadel, die in einem Düsennadelsitz aufliegt, eine Antriebsvorrichtung 5 sowie einen Sensor 6. Die Antriebsvorrichtung 5 ist ein Piezoaktor, welcher durch Anlegen einer Spannung eine Form eines darin enthaltenen Piezokristalls ändert und somit das Verschlusselement 7 anhebt oder absenkt, also das Verschlusselement 7 in einer Hubbewegung führt. Das Verschlusselement 7 ist hierzu starr mit der Antriebsvorrichtung 5 verbunden und wird über eine Feder 9 von einer Umwandung 10 der Einspritzdüse 3 nach unten gedrückt, sodass das Verschlusselement 7 im Ruhezustand, also ohne Betätigung der Antriebsvorrichtung 5, die Einspritzdüse 3, genauer die Löcher 11 der Einspritzdüse 3, verschließt. Statt des Piezoaktors kann die Antriebsvorrichtung 5 auch eine Magnetspule umfassen.
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Der Sensor 6 ist ein Kapazitätssensor, welcher zwei parallele Platten aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Verschlusselements 7 angebracht sind. Wird das Verschlusselement 7 durch die Antriebsvorrichtung 5 bewegt, so ändert sich die von dem Sensor 6 gemessene Kapazität. Der Sensor 6 ist hierbei direkt an der Antriebsvorrichtung 5 angebracht bzw. kann auch Teil der Antriebsvorrichtung 5 sein. Statt eines Kapazitätssensors kann auch ein Sensor zum Messen einer Spannung des Piezoaktors vorgesehen sein. Die Spannung als Signal des Piezoaktors kann einfach bestimmt werden, wobei bei Kenntnis einer Ladung des Piezoaktors, beispielsweise über einen anliegenden Strom, die Kapazität auch zusätzlich ermittelt werden kann. Der Sensor 6 kann allerdings auch eingerichtet sein, Änderungen der genannten Messgrößen qualitativ und quantitativ zu detektieren.
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Der Sensor 6 detektiert durch den zeitlichen Verlauf der Kapazität charakteristische Punkte der Hubbewegung des Verschlusselements 7 durch ein in Zusammenhang mit den 2 und 3 näher erläutertes Verfahren. Die von dem Sensor 6 gemessene Kapazität sowie die charakteristischen Punkte werden über eine Leitung 8, welche eine elektrische Kabelleitung oder eine drahtlose Funkverbindung umfassen kann, an die Recheneinheit 4 übermittelt, welche die Einspritzmenge aus diesen Daten berechnet. Das Verfahren der Berechnung der Einspritzmenge durch die Recheneinheit 4 wird anhand der 3 nachfolgend noch genauer erläutert. Die vier charakteristischen Punkte umfassen im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Startpunkt einer Öffnungsbewegung, an dem das Verschlusselement 7 zum Öffnen der Einspritzdüse 3 die Schließposition verlässt, einen Endpunkt der Öffnungsbewegung, an dem das Verschlusselement 7 die maximale Hubposition erreicht, einen Startpunkt der Schließbewegung, an dem das Verschlusselement 7 zum Schließen die maximale Hubposition verlässt sowie einen Endpunkt einer Schließbewegung, an dem das Verschlusselement 7 zum Schließen der Einspritzdüse 3 die Schließposition wieder erreicht. Die Hubposition ist hierbei als maximale Hubposition gestaltet, d. h. als die Position, in der die Feder 9 maximal komprimiert ist, das Verschlusselement 7 somit an ein oberes Ende der Umwandung 10 anschlägt.
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Das Verschlusselement 7 wird somit in der periodischen Hubbewegung ständig auf- und abwärts geführt, wodurch durch eine in 1 nicht dargestellte Zuleitung ein Kraftstoff, im dargestellten Ausführungsbeispiel Dieselkraftstoff, von dem Einspritzsystem 1 in einen aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellten Zylinder eines Dieselmotors eingespritzt wird.
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Die Recheneinheit 4 ist Bestandteil eines Bordcomputers eines Fahrzeugs, in welches das Einspritzsystem 1 eingebaut ist. Die Recheneinheit 4 steht über eine weitere Leitung 8', welche wie die Leitung 8 kabellos oder kabelgebunden sein kann, mit der Steuervorrichtung 2 in Verbindung. Die Recheneinheit 4 vergleicht die ermittelte Einspritzmenge mit einem vorgegebenen Wert der Einspritzmenge bzw. einzelne oder alle der charakteristischen Punkte mit vorgegebenen Sollwerten der charakteristischen Punkte und sendet, sofern die ermittelten Werte von den Sollwerten abweichen, ein Steuersignal über die Leitung 8' an die Steuervorrichtung 2. Die Steuervorrichtung 2 steuert über eine Leitung 8'', welche ebenfalls kabellos oder kabelgebunden sein kann, die Antriebsvorrichtung 5 und somit die Bewegung des Verschlusselements 7. Um Abweichungen zu verkleinern, steuert die Steuervorrichtung 2 die Antriebsvorrichtung 5 nun derart an, dass mindestens einer oder auch alle charakteristischen Punkte bei einem erneuten Durchlaufen eines Hubzyklus mit den Sollwerten als vorgegebenen charakteristischen Punkten übereinstimmen. Diese Regelung umfasst gegebenenfalls ein im Vergleich zu einem vorhergehenden Hubzyklus früheres oder späteres Öffnen oder Schließen des Verschlusselements 7. Die Sollwerte sind hierbei über einen zeitlichen Abstand zu einem bestimmten Ereignis, im dargestellten Ausführungsbeispiel dem Startzeitpunkt der Öffnungsbewegung, definiert. Die Steuervorrichtung 2 ist ebenfalls Teil des Bordcomputers. Das gesamte Einspritzsystem 1 ist vorliegend in ein On-Board-Diagnose(OBD)-System eingebunden.
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In 2 sind zwei Varianten zeitlicher Verläufe der Hubbewegung des Verschlusselements 7 dargestellt. Die 2a) und 2b) stellen hierbei in ihrer Form unterschiedliche Beispiele eines derartigen Verlaufs dar. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser, wie auch in der folgenden Figur, mit identischen Bezugszeichen versehen. In der 2a) wie auch in der 2b) ist auf einer Abszisse 12 die Zeit aufgetragen, während auf einer Ordinate 13 ein Nadelhub, also eine Höhe der Düsennadel als Verschlusselement 7 über der Schließposition, aufgetragen ist. Die Bewegung des Verschlusselements 7 lässt sich durch die vier charakteristischen Punkte 14, 15, 16 und 17 kennzeichnen, nämlich den Startpunkt der Öffnungsbewegung 14, den Endpunkt der Öffnungsbewegung 15, den Startpunkt der Schließbewegung 16, und den Endpunkt der Schließbewegung 17. Am Startpunkt der Öffnungsbewegung 14 wird das Verschlusselement 7 aus der Schließposition entfernt und bis zum Endpunkt der Öffnungsbewegung 15 angehoben. Ein maximaler Nadelhub 18 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 100 µm. In dem in 2a) dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Öffnungsbewegung, welche auch als Öffnungsflanke der Bewegung des Verschlusselements 7 bezeichnet wird, linear. Der maximale Nadelhub 18, bei dem sich das Verschlusselement 7 am Ende der Öffnungsbewegung befindet, bezeichnet den oberen Anschlagpunkt. In dieser Position verbleibt das Verschlusselement 7 für einen Zeitraum zwischen dem Endpunkt der Öffnungsbewegung 15 und dem Startpunkt der Schließbewegung 16, was auch als Maximalflanke bezeichnet wird. Während dieses Zeitraums kann eine maximal mögliche Menge des Kraftstoffs eingespritzt werden. Ab dem Startpunkt der Schließbewegung 16 bewegt sich das Verschlusselement 7 wieder in Richtung der Schließposition, welches es schließlich am Endpunkt der Schließbewegung 17 erreicht. Diese auch als Schließflanke der Bewegung des Verschlusselements 7 bezeichnete Bewegung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel deutlich kürzer als die Öffnungsflanke, allerdings ebenfalls linear.
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In dem in 2b) gezeigten Ausführungsbeispiel sind in ihren Koordinaten, welche durch einen Zeitpunkte und eine Hubposition definiert sind, zu den charakteristischen Punkten 14, 15, 16, 17 der 2a) identische vier charakteristische Punkte 14, 15, 16, 17 eingezeichnet. Im Gegensatz zu 2a) verläuft die Öffnungsflanke zwischen dem Startpunkt der Öffnungsbewegung 14 und dem Endpunkt der Öffnungsbewegung 15 sowie die Schließflanke zwischen dem Startpunkt der Schließbewegung 16 und dem Endpunkt der Schließbewegung 17 jedoch nicht linear, sondern in der Öffnungsflanke exponentiell ansteigend und in der Schließflanke ebenfalls nichtlinear abfallend. Die Form der Öffnungsflanke und der Schließflanke ist im dargestellten Ausführungsbeispiel abhängig vom verwendeten Kraftstoff und wird vor einer Berechnung der Einspritzmenge der Recheneinheit 4 entsprechend vorgegeben. Das heißt die Recheneinheit 4 verbindet ausgehend von den vier charakteristischen Punkten 14, 15, 16, 17 diese Punkte durch vorgegebene mathematische Funktionen miteinander.
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In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können auch nur drei der charakteristischen Punkte 14, 15, 16, 17 von dem Sensor 6 ermittelt werden. Der zur vollständigen Beschreibung der in den 2a) und 2b) gezeigten Hubverläufe fehlende Punkt wird in diesem Fall durch zwei benachbarte Punkte und die vorgegebenen mathematischen Funktionen ermittelt, beispielsweise durch zwei sich schneidende Ausgleichsgeraden. In einem Sonderfall können insbesondere der Endpunkt der Öffnungsbewegung 15 und der Startpunkt der Schließbewegung 16 zusammenfallen, d. h. die Maximalflanke ist lediglich durch diesen Punkt gegeben.
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In 3 sind mehrere Signalverläufe des Verschlusselements 7 dargestellt. In jeder der 3a) bis 3d) ist auf der Abszisse 12 die Zeit aufgetragen, in 3a) auf einer Ordinate 18 ein an der Antriebsvorrichtung 5 anliegender Strom, in 3b) auf einer Ordinate 19 eine an der Antriebsvorrichtung 5 anliegende Spannung, in 3c) auf einer Ordinate 20 die von dem Sensor 6 gemessene Kapazität 15 der Antriebsvorrichtung 5 und in 3d) auf einer Ordinate 21 die Einspritzrate.
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Der in 3a) dargestellte zeitliche Verlauf des Stroms, welcher zum Ansteuern der Antriebsvorrichtung 5 verwendet wird, steigt startend von einer Nulllinie zunächst an, um eine Spannungsänderung des Piezoaktors als Antriebsvorrichtung 5 für das Verschlusselement 7 hervorzurufen. Ein daraus resultierender Anstieg der Spannung ist in 3b) dargestellt. Durch die Änderung des Stroms, d.h. der Anzahl der Ladungsträger und die Spannungsänderung erfolgt eine Kapazitätsänderung des Piezoaktors, welche in 3c) dargestellt ist. Diese Kapazitätsänderung erfolgt ebenfalls bis zu einem bestimmten Maximalwert, ab dem die Spannung und folglich auch die Kapazität nicht mehr steigen. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden aus dem in 3c) gezeigten Kapazitätsverlauf durch den Sensor 6 die vier charakteristischen Punkte 14, 15, 16, 17 bestimmt sowie aus diesen Punkten durch die Recheneinheit 4 die Einspritzrate ermittelt.
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Der Startzeitpunkt der Öffnungsbewegung 14 wird durch ein Erreichen eines ersten lokalen Maximums 22 der Kapazität ermittelt, welches auch durch einen Nullpunkt eines Verlaufs einer Kapazitätsänderung, also einer Ableitung des Kapazitätsverlaufs, bestimmt werden kann. Der Endzeitpunkt der Öffnungsbewegung 15 wird durch ein Erreichen eines zweiten lokalen Maximums 23 der Kapazität ermittelt. Der Startpunkt der Schließbewegung 16 wird durch ein erstmaliges Überschreiten eines Kapazitätsschwellerts bzw. ein erstmaliges Unterschreiten eines Spannungsschwellwertes 24 ermittelt. Die Oszillationen der Kapazität, welche in 3c) sichtbar sind, rühren von einem Nachschwingen der Antriebsvorrichtung 5, nachdem die Stromrichtung sich umgekehrt hat. Durch dieses Nachschwingen werden Oszillationen der Kapazität erzeugt, wobei das Ende der Schließbewegung 17 mit dem Erreichen eines ersten lokalen Minimums 25 dieser Oszillationen erhalten wird. Alternativ zu dem beschriebenen Verfahren kann auch in einer weiteren Ausführungsform ein Über- bzw. Unterschreiten von Kapazitätsänderungen zur Ermittlung der charakteristischen Punkte 14, 15, 16, 17 verwendet werden. Es kann jedoch auch auf ein direktes Signal der Antriebsvorrichtung 5 wie die in 3b) dargestellte Spannung oder eine Änderung der Spannung zurückgegriffen werden.
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Durch Integration einer in 3d) unter der Kurve liegenden Fläche 26, wird die Einspritzmenge durch die Recheneinheit 4 berechnet. Neben der Integration kann die unter der Kurve befindliche Fläche 26 auch durch Aufsummieren von Flächen dreier Flächenstücke erfolgen, nämlich dem unter der Eingangsflanke, dem unter der Maximalflanke und dem unter der Ausgangsflanke liegenden Flächenstück. Die Formeln zum Berechnen der Fläche unter den jeweiligen Flanken können hierzu vorgegeben werden und sind im einfachsten Fall linear. Die untere Begrenzung dieser Fläche ist hierbei durch die eingezeichnete Nulllinie gegeben, welche zur besseren Übersicht von der Abszisse 12 abgehoben dargestellt wurde. Weicht die ermittelte Einspritzmenge von ihrem Sollwert ab, beispielsweise, da ein zu früher Endzeitpunkt der Öffnungsbewegung 15' erreicht wird und somit die Einspritzmenge zu groß ist, wird die Antriebsvorrichtung 5 durch die Steuervorrichtung 2 angesteuert, sodass das Verschlusselement 7 bei dem nächsten Hubzyklus langsamer geöffnet wird und somit der Endzeitpunkt der Öffnungsbewegung 15 wieder mit seinem Sollwert übereinstimmt.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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