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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors in einem Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einem Common-Rail-Einspritzsystem. Das Verfahren findet insbesondere Verwendung bei einem Piezo-Injektor.
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Stand der Technik
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Einspritzsysteme in Verbrennungsmotoren werden dazu verwendet, Kraftstoff aus einem Tank in die Brennräume des Verbrennungsmotors, die Zylinder, zu befördern bzw. in diese einzuspritzen. Bei einem Common-Rail-Einspritzsystem wird der Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe auf ein hohes Druckniveau gebracht. Der unter Druck stehende Kraftstoff wird in ein Rohrleitungssystem, das Rail, eingebracht, aus dem wiederum der unter Druck stehende Kraftstoff Injektoren zur Einspritzung zugeführt wird. Das Common-Rail-Einspritzprinzip zeichnet sich durch eine vollständige Trennung von Druckerzeugung und eigentlichem Einspritzvorgang aus. Die eigentliche Einspritzung erfolgt über Ansteuerung eines Injektors, der auch als Einspritzventil bezeichnet wird, bspw. durch Ansteuerung mit einem elektrischen Signal, dem Ansteuersignal. Man unterscheidet in Abhängigkeit des Funktionsprinzips zwischen Magnetventilen und Piezo-Einspritzventilen, die über einen Piezo-Aktor verfügen.
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Um immer höher werdende Emissionsanforderungen erfüllen zu können, müssen die Einspritzmengen sowie die Injektorfunktion der Injektoren gerade auch über die Lebensdauer möglichst konstant gehalten werden. Zu beachten ist, dass es für die Entwicklung einer über die Lebensdauer des Injektors lernenden Spannungskorrekturfunktion sehr hilfreich ist, die Änderung des Spannungsbedarfs zu kennen.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 209 965 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, bei dem ein Ventilelement mittels einer Ansteuerung eines elektrisch betätigbaren Aktors von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt werden kann. Der Aktor wird dabei mindestens einmal in einem ersten Zeitintervall angesteuert und danach in einem zweiten Zeitintervall nicht angesteuert, wobei ein Anschlagen des Ventilelements an der ersten Position charakterisierendes Signal an elektrischen Anschlüssen des Sensors ermittelt wird. Dabei wird eine Ansteuerenergie des Aktors schrittweise verändert, wobei ein Schwellwert der Ansteuerenergie ermittelt wird, bei welchem das Ventilelement von der ersten Position gerade noch bzw. gerade nicht mehr abheben kann. Der Schwellwert beschreibt einen Grenzfall für die Ansteuerung des Aktors, bei dessen Überschreitung das Ventilelement bewegt bzw. in eine zweite Position gebracht wird. Auf diese Weise kann der tatsächliche Energiebedarf des in dem Injektor befindlichen Aktors injektorspezifisch ermittelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren wird insbesondere bei einem Piezo-Injektor eingesetzt. Dabei wird ein im Bereich einer Hochdruckzulaufleitung ermittelter Druckverlauf ausgewertet, um den Injektor geeignet ansteuern zu können. Es wird dabei insbesondere ein Zeitpunkt zwischen dem Öffnen eines Schaltventils des Injektors und dem Öffnen der Düsennadel des Injektors betrachtet. Dabei kann die zeitliche Dauer dieses Zeitraums und insbesondere auch der Verlauf des Drucks ausgewertet werden. Die Ergebnisse der Auswertung können dann bei der Ansteuerung des Injektors berücksichtigt werden. Auf diese Weise können Alterungs- und Verschleißeffekte berücksichtigt werden. Gegebenenfalls kann auch die Erforderlichkeit für eine Wartung oder gar einen Austausch des Injektors erkannt werden.
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So nutzt das vorgestellte Verfahren in Ausgestaltung die elastische Verformung am Halteköper im Bereich der Hochdruckbohrung aufgrund der Druckwelle in der Hochdruckbohrung, um den benötigten Spannungsbedarf des Injektors über der Laufzeit und somit die richtige Ansteuerspannung zu ermitteln.
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Weiterhin kann das vorgestellte Verfahren den Druckverlauf in der Hochdruckbohrung des Injektors nutzen, um den benötigten Spannungsbedarf des Injektors über der Laufzeit zu ermitteln. Dabei wird die Verformung des Haltekörpers bzw. der Leitung als zu erfassende Größe verwendet.
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Der benötigte Sensor kann am Haltekörper oder der Hochdruckzulaufleitung angebracht werden und muss weder im Hochdruckbereich noch im Niederdruckbereich des Injektors verbaut sein. Auf diese Weise kann die benötigte Ansteuerspannung für das Öffnen des Schaltventils mit dem Piezoelement bzw. Sensor erfasst werden und bspw. für eine Spannungsregelung im Steuergerät über Laufzeit genutzt werden.
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In einer Ausführung wird vorgeschlagen, eine Ansteuerung in einem nicht momentenwirksamen Bereich, z. B. bei einer späten Nacheinspritzung im Abgastrakt, abzusetzen und über ein Piezo-Sensorelement, das bspw. am Injektor-Haltekörper an der Hochdruckbohrung vorgespannt angebracht ist und eine elektrische Verbindung mit dem Steuergerät hat, zu detektieren, ob dies zu einem Öffnen des Schaltventils führt. Pro Zyklus können mehrere Ansteuerungen abgesetzt werden. Es muss jedoch gewährleistet werden, dass durch diese Ansteuerung der hydraulische Koppler nicht "entleert" wird.
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Zu beachten ist, dass die Ansteuerung bei jedem Raildruck durchgeführt werden kann. Dies ist aufgrund der nahezu linearen Korrelation des Spannungsbedarfs zum Raildruck möglich. Es wird hierzu auf 4 verwiesen. Daher ist es ausreichend, den Spannungsbedarf von einigen Drücken zu messen. Der Spannungsbedarf für die nicht gemessenen Drücke kann durch Extrapolation bzw. Interpolation bestimmt werden. Da der Drift des Spannungsbedarfs sich langsam vollzieht, ist es ausreichend, den Spannungsbedarf in einer vorab ermittelten Frequenz zu messen und nachzukorrigieren.
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Die Ansteuerspannung der Ansteuerung wird hierbei von einer bestimmten Ansteuerspannung aus startend sukzessive verringert, bis es zu keinem Druckeinbruch mehr kommt bzw. bis der Druckeinbruch und dadurch die elastische Verformung einen bestimmten Spannungsänderungswert des Sensors unterschreitet. Dieser Wert, der u. a. vom Systemdruck und der Temperatur abhängig ist, muss vorab durch Messungen definiert und im Steuergerät, bspw. in einer Kurve oder MAP, hinterlegt werden. Jeweils ein Beispiel für eine MAP und eine Kurve ist anhand der nachfolgenden Tabellen verdeutlicht.
| Menge/ Druck | 0 | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 |
| 200 | 0 | 300 | 400 | 500 | 800 | 1200 |
| 400 | 0 | 200 | 300 | 400 | 600 | 1000 |
| 1000 | 0 | 180 | 250 | 300 | 500 | 800 |
| 1600 | 0 | 160 | 220 | 280 | 450 | 600 |
| 2000 | 0 | 140 | 180 | 220 | 400 | 500 |
Tabelle 1: MAP mit mehreren y-Stützstellen
| Menge/ Druck | 0 | 5 | 10 | 20 | 50 | 100 | 120 |
| 500 | 0 | 300 | 400 | 500 | 800 | 1200 | 1400 |
Tabelle 2: Kurve – eine Stützstelle
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Grundsätzlich kann die Ansteuerspannung schrittweise geändert werden, bis sich eine Auswirkung in dem beobachteten Druckverlauf über das Sensorsignal zeigt. Dies kann für unterschiedliche Raildrücke durchgeführt werden.
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Das vom Steuergerät gefilterte Spannungssignal des Piezo-Sensorelements kann des Weiteren durch eine zusätzliche Steuergeräte-Funktion plausibilisiert werden. Die Startspannung der Ansteuerung ist hierbei u.a. abhängig von Systemdruck und Aktortemperatur.
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Alternativ kann vorgesehen sein, die Startspannung der Ansteuerung von einem zu geringen Wert starten zu lassen. Das Schaltventil wird hierbei nicht geöffnet. Nun wird die Ansteuerspannung sukzessive erhöht, bis es zu einem Öffnen des Schaltventils kommt bzw. das Schaltventil in eine zweite Position gebracht wird, was wiederum zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckbohrung und dadurch zu einer elastischen Verformung des Haltekörpers führt. Diese Verformung wird über das Sensorelement detektiert.
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Die Ansteuerdauer wird typischerweise so kurz gewählt, dass dies zu keiner Einspritzung führen kann. Diese Ansteuerdauer kann über den Raildruck variieren. Es muss jedoch gewährleistet sein, dass diese Ansteuerdauer zu einem ausreichend großen Druckeinbruch führt, was man über den Sensor noch detektieren kann. Diese Werte der Ansteuerdauer können in einem Steuergerät hinterlegt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Injektors zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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2 zeigt in vier Graphen Verläufe von Größen.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Haltekörper eines Injektors.
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4 zeigt in einem Graphen die Korrelation zwischen Injektor-Spannungsbedarf und Raildruck.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung eines Injektors, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Schaltventil 12, einen Schaltventilraum 14, eine Drosselplatte 16, eine Ablauf-Drossel 18, eine Zulauf-Drossel 20, ein Steuerraum 22, eine Steuerraumhülse 24 und eine Düsennadel 26.
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Weiterhin zeigt die Darstellung eine Hochdruckzulaufleitung 15, die zu einer Hochdruckbohrung 17 führt, in deren Bereich ein Haltekörper 19 angeordnet ist. An diesem Haltekörper ist ein Piezoelement 21 angeordnet, dass als Sensor dient und eine Verformung des Haltekörpers 19, insbesondere auch den Verlauf einer Verformung des Haltekörpers 19, aufnimmt.
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Bei dem dargestellten Injektor 10 wird durch das Schalten des servohydraulischen Schaltventils 12 der Druck im Steuerraum 22 verändert. Der Steuerraum 22 befindet sich direkt über der Düsennadel 26. Zum Öffnen des Injektors 10 wird aufgrund des Durchflusses der Ablauf-Drossel 18 und der Zulauf-Drossel 20 der Druck im Steuerraum 22 soweit abgesenkt, bis das Kräftegleichgewicht an der Düsennadel 26 erreicht ist und diese öffnet. Dabei gibt das Schaltventil 12 den Raum hinter der Ablauf-Drossel 18 zum Niederdruckbereich frei, so dass funktionsbedingt die Steuermenge aus dem Steuerraum 22 über die Ablauf-Drossel 18 in den Niederdruckbereich abfließen kann. Solange das Schaltventil 12 geöffnet ist, fließt die Steuermenge ab.
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Das Öffnen des Schaltventils 12 führt zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckzulaufleitung 15 und der Hochdruckbohrung 17. Der Druckeinbruch in der Hochdruckbohrung 17 führt zu einer elastischen Verformung der Hochdruckbohrung 17 und auch zu einer elastischen Verformung des Haltekörpers 19, die über das Piezoelement 21, das als Piezo-Sensorelement dient, gemessen und einem Steuergerät 23 über elektrische Leitungen 25 übermittelt wird.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Sensor, bspw. ein Piezoelement, an der Hochdruckzulaufleitung 15 angeordnet sein.
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2 zeigt in drei Graphen jeweils Signalverläufe über einen entsprechenden Zeitraum. Ein erster Graph 30 zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung 32 über der Zeit. Ein zweiter Graph 40 zeigt den Druckverlauf 42 in der Hochdruckzulaufleitung über der Zeit. Ein dritter Graph 50 zeigt ein gefiltertes Spannungssignal 52 am Steuergeräteeingang des Piezoelements, das am Haltekörper im Bereich der Hochdruckzulaufleitung angeordnet ist.
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Im ersten Graphen 30 ist eine Ansteuerdauer 34 kenntlich gemacht, beginnend zu einem ersten Zeitpunkt 35 bis zu einem zweiten Zeitpunkt 36, an dem die Ansteuerung des Injektors endet. Ein Punkt 38 auf dem Verlauf 32 kennzeichnet den Wert der Ansteuerspannung, die mit einer Ausführung des beschriebenen Verfahrens zu regeln ist.
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Beim Öffnen des Schaltventils und der dadurch abgeführten Steuermenge kommt es zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckzulaufleitung zu einem dritten Zeitpunkt 44. Dieser Druckeinbruch führt zu einer mechanischen Entlastung des Haltekörpers am Umfang der Hochdruckbohrung, d. h. am Anschliff, auf dem der Sensor sitzt. Diese Entlastung führt, falls bspw. ein Piezoelement als Sensor verwendet wird, zu einer Entlastung des vorgespannten Piezoelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden.
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Beim Öffnen der Düsennadel kommt es zu einem weiteren Druckeinbruch in der Hochdruckleitung zu einem vierten Zeitpunkt 46. Dieser Druckeinbruch führt zu einer weiteren mechanischen Entlastung des Haltekörpers am Umfang der Hochdruckbohrung bzw. am Anschliff, auf dem der Sensor sitzt.
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Diese Entlastung führt zu einer weiteren Entlastung des vorgespannten Piezoelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden. Der vierte Zeitpunkt 46 kann hierbei durch eine Gradientenänderung der Spannungsänderung des Sensors definiert bzw. erkannt werden.
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Beim Nadelschließen wird eine Druckwelle bzw. ein Druckanstieg in der Hochdruckbohrung zu einem fünften Zeitpunkt 48 ausgelöst. Dieser Druckanstieg führt zu einer weiteren Vorspannung des Sensorelementes und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird insbesondere der Verlauf 42 im zweiten Graphen 40 und der Verlauf 52 im dritten Graphen 50 zwischen dem dritten Zeitpunkt 44 und dem vierten Zeitpunkt 46 erfasst und ausgewertet. So ermöglichen der Zeitraum zwischen diesen beiden Zeitpunkten, der bspw. 200 μs beträgt, und der Gradient in diesem Zeitraum, wichtige Rückschlüsse auf die Funktion des Injektors, die bei der Ansteuerung berücksichtigt werden können.
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Auf diese Art und Weise kann die benötigte, injektorspezifische Ansteuerungsspannung zum Öffnen des Schaltventils mittels dem Sensor erkannt und für eine "closed loop" Spannungsregelung im Fahrzeug über der Laufzeit sowie eventuell in der Prüfung und Codierung im Werk genutzt werden.
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Ein zu hoher Spannungsvorhalt, der momentan teilweise vorgehalten wird, ist somit nicht mehr nötig. Jeder Injektor bekommt durch die Spannungsregelung genau die für ihn benötigte Ansteuerspannung zur Gewährleistung der Injektorfunktion. Das Steuergerät im Fahrzeug wird somit nicht unnötig belastet. Des Weiteren können hierdurch die Grenzen in der Fertigung, d. h. elektrische Größen des Injektors zur Einhaltung der Steuergeräte-Belastung innerhalb des erlaubten Bereichs, erhöht und die Gutausbringung dadurch gesteigert werden.
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Durch das Verfahren kann weiterhin auf die im Werk vorhandene Prüfung des Spannungsbedarfs sowie dessen Kodierung auf den Injektor und das dazugehörige einlesen beim Kunden am Fahrzeug verzichtet werden.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Haltekörper, der mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Hochdruckbohrung 72, ein Piezoelement 74, das als Piezo-Sensorelement dient, ein Verspannungsring 76, der möglichst steif ausgebildet ist, und einen Dehnungsbereich 78 am Anschliff des Haltekörpers 70.
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Eine Verformung der Hochdruckbohrung 72 aufgrund einer Druckwelle bewirkt eine Verformung des Haltekörpers 70, die wiederum mit dem Piezoelement 74 aufgenommen wird. Dabei wird insbesondere der zeitliche Verlauf der Verformung aufgenommen und ausgewertet.
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4 zeigt in einem Graphen 80 einen Verlauf 82, der durch eine ansteigende Gerade gegeben ist und eine Korrelation zwischen einem Spannungsbedarf des Injektors, der an der Ordinate 84 aufgetragen ist, und dem Raildruck, der an der Abszisse 86 aufgetragen ist, wiedergibt.
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Der Verlauf verdeutlicht einen linearen Zusammenhang zwischen dem Spannungsbedarf und dem Raildruck. Je höher der Raildruck ist, desto höher ist der Spannungsbedarf des Injektors.
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Diese Korrelation kann bei dem vorgestellten Verfahrens, insbesondere bei der Regelung der Ansteuerspannung berücksichtigt werden. So können erforderliche Ansteuerspannungen bei einigen, bspw. bei zwei oder drei, Raildrücken ermittelt werden. Die erforderliche Ansteuerspannung bei einem weiteren Raildruck kann dann durch Interpolation bzw. Extrapolation ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012209965 A1 [0004]
