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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Pumpenförderparameters einer Kraftstoffpumpe mit einem von einem Aktor angetriebenen Pumpenelement, mittels welchem Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine gefördert wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Für die Mengenbilanzberechnung für Hochdruckeinspritzsysteme (z.B. Common-Rail) von Brennkraftmaschinen können Hochdruckpumpeneffizienzkennfelder verwendet werden. Diese können mit der entsprechenden Pumpe an einer Prüfbank vermessen werden. Das Ergebnis der Messung für einen Betriebspunkt ist ein Massenstrom, den die Pumpe fördert (dmdel/dt). Idealerweise kann eine Pumpe maximal nur die Menge fördern, die sie geometrisch auch in einem Förderhub verdrängt (dmgeo/dt). Der Quotient aus dem Fördermassenstrom (dmdel/dt) und dem geometrischen Fördermassenstrom (dmgeo/dt) beschreibt den Liefergrad der Pumpe (Pumpeneffizienz) in einem Betriebspunkt. Mit dem gesamten Pumpeneffizienzkennfeld (viele unterschiedliche Betriebspunkte) lässt sich die Pumpe im Betrieb beschreiben.
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Daneben sind noch weitere Kennwerte einer Pumpe, wie die Elementbefüllung (Kraftstoffmasse im Pumpenelement zu Beginn der Kompressionsphase) oder die Elementleckagemasse (Kraftstoffmasse, die nicht gefördert wird, sondern durch Elementspalte in den Niederdruckbereich zurückströmt) von Interesse. Um die Elementbefüllung zu ermitteln, können z.B. Pumpenelemente aufwendig mit einem Drucksensor instrumentiert werden. Der spätere Einbau verändert jedoch z.B. zugleich auch das Pumpenelementtotvolumen (d.h. denjenigen Anteil am Pumpenelementvolumen, der nicht gefördert werden kann, sondern am Ende der Kompression im Pumpenelement verbleibt; aus der Konstruktion der Pumpe bekannt bzw. ermittelbar), was die Messung noch zusätzlich verfälscht (gegenüber einer Standardpumpe).
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines Pumpenförderparameters einer Kraftstoffpumpe mit einem von einem Aktor angetriebenen Pumpenelement sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Mit den beschriebenen Maßnahmen, die auf der Ermittlung und Auswertung des Verlaufs des Kraftstoffdrucks im Hochdruckspeicher basieren, können ohne aufwändige Instrumentierung Pumpenförderparameter, wie z.B. die Elementbefüllung, eine je Hub in den Hochdruckspeicher geförderte Menge (d.h. Pumpenfördermenge) und eine Elementleckagemasse ermittelt werden. Aus den Pumpenförderparametern lässt sich im geregelten Betrieb auch eine Einspritzmenge ableiten, da im geregelten Betrieb immer so viel nachgefördert wird, wie zuvor eingespritzt wurde.
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Vorzugsweise wird ein erwarteter Verlauf des Kraftstoffdrucks im Hochdruckspeicher während eines Förderhubs der Kraftstoffpumpe bestimmt und mit dem ermittelten Verlauf des Kraftstoffdrucks verglichen, um den Pumpenförderparameter zu bestimmen, wobei der erwartete Verlauf des Kraftstoffdrucks während des Förderhubs der Kraftstoffpumpe vorzugsweise aus einer Geometrie des Aktors der Kraftstoffpumpe bestimmt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Druckaufbau im Hochdruckspeicher im Wesentlichen der Volumenreduktion im Pumpenelement folgt, welche – neben der Geometrie des Pumpenelements – wiederum im Wesentlichen von der Geometrie und Bewegung des Aktors bedingt ist.
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Aus dem Vergleich des erwarteten Verlaufs des Kraftstoffdrucks mit dem ermittelten Verlauf lassen sich ein oder mehrere Pumpenförderparameter, wie ein wirksamer Förderhub des Aktors der Kraftstoffpumpe und/oder ein unwirksamer Förderhub des Aktors und/oder eine Elementbefüllung der Hochdruckpumpe und/oder eine Pumpenelementleckagemasse der Hochdruckpumpe bestimmen.
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Beispielsweise aus dem wirksamen Förderhub des Aktors wiederum lässt sich ein während des Förderhubs in den Hochdruckspeicher gefördertes Volumen bestimmen, was wiederum zur Bestimmung einer Einspritzmenge von Kraftstoff, welche aus dem Hochdruckspeicher entnommen und in einen oder mehrere Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, herangezogen werden kann. Das vorgestellte Verfahren erlaubt daher, die Einspritzmenge zu ermitteln. Für eine besonders genaue Ermittlung der Einspritzmenge können noch eine Temperatur im Zulauf der Hochdruckpumpe und/oder eine Dichte des Kraftstoffs im Pumpenelement und/oder eine Pumpenelementtotmasse und/oder eine Pumpenelementleckagemasse herangezogen werden, welche sich ebenfalls bestimmen lassen.
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Aus der
DE 10 2004 010 412 A1 ist bspw. ein Verfahren zur Bestimmung einer Einspritzmenge basierend auf einem Druck in einem Hochdruckspeicher (Rail-Druck) bekannt. Hier wird der streng monotone Zusammenhang zwischen der entnommenen Einspritzmenge und dem Druckabfall im Hochdruckspeicher genutzt. Aus der
DE 10 2010 042 736 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Druckabfall der verschiedenen Injektoren untereinander verglichen und für eine Mengenausgleichsregelung verwendet wird. Im Gegensatz zu diesen Methoden wird im Rahmen der Erfindung der Druckaufbau zur Bestimmung der Einspritzmenge verwendet.
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Bei Verfahren zur Bestimmung der Einspritzmenge aus dem Raildruckabbau wird das Kompressionsmodul des Kraftstoffs im Rail benötigt, welches vom Druck und der Temperatur im Rail und von der Kraftstoffsorte abhängig ist. Der Druck im Rail ist aus dem Raildrucksignal in ausreichender Genauigkeit bekannt, eine Unsicherheit bilden jedoch die Einflussgrößen Kraftstofftemperatur im Rail und Kraftstoffsorte, die die Toleranzen für die Einspritzmengenbestimmung aufweiten. Durch zahlreiche Einflüsse (Kraftstoff-Zulauftemperatur, Außentemperatur, Kühlung, Motortemperatur, Betriebspunkt, ...) wird die Temperatur im Rail beeinflusst. Ein Temperatursensor im Rail ist jedoch nicht verfügbar. Der Druck wird gemessen und die Kraftstoffsorte ist unbekannt.
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Der hier vorgestellte Ansatz betrachtet nicht den Raildruckabbau, sondern den Raildruckaufbau durch den Pumpenhub. Im geregelten Zustand ist das Raildruckniveau vor der Einspritzung gleich dem Raildruckniveau nach der Pumpenförderung ins Rail. Deshalb kann man ebenso vom Druckaufbau auf die eingespritzte Absolutmenge schließen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Common-Rail-System, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform geeignet ist.
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2 zeigt schematisch eine Hochdruckpumpe, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
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3 zeigt einen Verlauf eines Drucks in einem Hochdruckspeicher einer Brennkraftmaschine und eines Drucks in einem Pumpenelement einer Hochdruckpumpe.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 gezeigt, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform geeignet ist. Beispielhaft umfasst die Brennkraftmaschine 100 drei Brennräume bzw. zugehörige Zylinder 105. Jedem Brennraum 105 ist ein Kraftstoffinjektor 130 zugeordnet, welcher wiederum jeweils an einen Hochdruckspeicher 120 angeschlossen ist, über welchen er mit Kraftstoff versorgt wird.
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Weiter wird der Hochdruckspeicher über eine üblicherweise als Kolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe 110 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 140 gespeist. Das Pumpenelement (Pumpenzylinder und Pumpenkolben) wird üblicherweise von einem Nocken als Aktor betätigt. Demnach handelt es sich um eine nockenbetätigte Kolbenpumpe. Zwischen Hochdruckpumpe 110 und Kraftstofftank 140 kann ein Temperatursensor T angeordnet sein.
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Die Hochdruckpumpe 110 ist mit der Brennkraftmaschine 100 gekoppelt, und zwar derart, dass die Hochdruckpumpe über eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bzw. über eine Nockenwelle, welche wiederum mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, angetrieben wird. Dabei ist ein festes Übersetzungsverhältnis vorgegeben. Die Hochdruckpumpe 110 kann auch von einem Elektromotor angetrieben sein.
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In jedem Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine mit drei Zylindern werden beispielweise drei Einspritzvorgänge (von jedem Kraftstoffinjektor 130 einer) ausgeführt.
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Eine Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren 130 zum Zumessen von Kraftstoff in die jeweiligen Brennräume 105 erfolgt über eine als Motorsteuergerät 180 ausgebildete Recheneinheit. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die Verbindung vom Motorsteuergerät 180 zu einem Kraftstoffinjektor 130 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass jeder Kraftstoffinjektor 130 an das Motorsteuergerät entsprechend angeschlossen ist. Jeder Kraftstoffinjektor 130 kann dabei spezifisch angesteuert werden. Ferner ist das Motorsteuergerät 130 dazu eingerichtet, den Kraftstoffdruck in dem Hochdruckspeicher 120 mittels eines Drucksensors 190 zu erfassen.
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In 2 ist die Hochdruckpumpe 110 detaillierter dargestellt. Die Hochdruckpumpe 110 weist einen Kolben 23 auf, der von einem Nocken 24 als Aktor betätigt wird. Der Nocken kann pumpenseitig in einem Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe 110 angeordnet sein. Insbesondere ist die Nockenbewegung durch eine zweckmäßige Anbindung (z.B. über die Nockenwelle) an die Brennkraftmaschine angebunden. In der hier gezeigten Stellung befindet sich der Kolben 23 an einem oberen Totpunkt, d.h. an einem Übergang von einer Kompressionsphase in eine Ansaugphase.
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Weiterhin weist die Hochdruckpumpe 110 ein Auslassventil 25 auf, über welches ein Elementraum 26 der Hochdruckpumpe 110 an den Hochdruckspeicher 120 angebunden ist. Das Auslassventil 25 kann bspw. mittels einer Feder als Rückschlagventil ausgebildet sein, so dass nur dann Kraftstoff vom Elementraum 26 in den Hochdruckspeicher gefördert werden kann, wenn ein genügend hoher Druck im Elementraum 26 vorherrscht.
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In 3 sind in einem Diagramm ein beispielhafter Druckverlauf in dem Hochdruckspeicher 120 während eines Kompressionshubs der Hochdruckpumpe 110, bei der es sich im vorliegenden Beispiel, wie erläutert, um eine nockenbetriebene Kolbenpumpe handelt, und ein beispielhafter Druckverlauf in dem Pumpenelement der Hochdruckpumpe 110 dargestellt.
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Dabei ist in der oberen Hälfte des Diagramms ein Verlauf 201 des Kraftstoffdrucks p gegen die Zeit t aufgetragen. Es ist erkennbar, dass der Verlauf durch mehrmaliges Erfassen des Kraftstoffdrucks zustande kommt, wobei im Diagramm die einzelnen Messwerte erkennbar sind. In der unteren Hälfte des Diagramms sind der zugehörige Druckverlauf 301 im Pumpenelement sowie die Pumpenelementleckage 302 dargestellt.
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Der zeitliche Druckverlauf 201 bewegt sich zunächst auf einem Niveau p0, welches nach einem Einspritzvorgang erreicht wurde. Zu einem Zeitpunkt t0 steigt der Druck p im Hochdruckspeicher 120 an, bis er etwa zu einem Zeitpunkt tE einen Enddruck pE im Hochdruckspeicher 120 erreicht, der einem Druck vor einer letzten Einspritzung entspricht.
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Es hat sich gezeigt, dass sich anhand des Bewegungsablaufs der Betätigung (hier im Wesentlichen die Nockenform) ein theoretischer bzw. erwarteter Druckverlauf 202 ermitteln und über den gemessenen Druckverlauf 201 legen lässt. Bereits hier lässt sich aus dem Anstieg vom Druck p0 zum Druck pE ein wirksamer Förderhub des Nockens ermitteln, aus dem ein in diesem Hub in den Hochdruckspeicher 120 gefördertes Volumen (d.h. Pumpenfördervolumen V0) berechnet werden kann.
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Bei einem teilbefüllten Pumpenelement oder bei einem größeren Raildruck (Kompressionsverluste) wird nicht das gesamte Nockenprofil im Druckaufbau abgebildet. Der Raildruckaufbau beginnt erst nach dem Erreichen des Raildrucks p0 im Pumpenelement. Die Kompression im Pumpenelement von einem Ausgangsdruck bzw. Referenzdruck pref, der vom Niederdruckkreislauf des Kraftstoffeinspritzsystems vorgegeben ist, auf den Raildruck p0 ist aus dem Raildruckaufbau nicht sichtbar. Das heißt, dass nur die Förderphase des Nockenprofils im Raildruckaufbau sichtbar ist.
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Durch eine weitere geeignete Verwendung von V0 und einer Kraftstofftemperatur Tin im Pumpenzulauf, die z.B. mit einem Temperatursensor direkt erfasst werden kann, kann man die je Hub ins Rail geförderte Kraftstoffmasse mdel berechnen (siehe unten), die idealerweise auch der aus dem Rail entnommenen Kraftstoffmasse entspricht.
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Da der Druck p im Hochdruckspeicher zum Zeitpunkt t0 ansteigt, bedeutet dies, dass der Druck 301 im Pumpenelement ab diesem Zeitpunkt größer als der Ausgangsdruck p0 ist und das Auslassventil der Hochdruckpumpe ab diesem Zeitpunkt öffnet. Der im Hochdruckspeicher gemessene Druckverlauf zwischen p0 und pE entspricht daher dem Druckverlauf im Pumpenelement und kann dementsprechend von der oberen Hälfte des Diagramms in die untere Hälfte übertragen werden. Weiterhin ist bekannt, dass vor der Kompression im Pumpenelement der Ausgangsdruck bzw. Referenzdruck pref vorliegt. Dieser Druck kann beispielsweise mit 1 bar angenommen werden.
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Basierend auf der Nockenform des Verlaufs 202 kann die dem Druck p0 zugehörige Nockenstellung und daraus das dem Druck p0 zugehörige Pumpenelementvolumen bestimmt werden. Unter Annahme einer isentropen Kompression im Pumpenelement können das zum Ausgangsdruck pref gehörige Ausgangsvolumen und eine zugehörige Nockenstellung, und daraus insgesamt ein unwirksamer Förderhub ∆h berechnet werden. Weiterhin ergeben sich aus dieser Nockenstellung auch die Elementbefüllung Vges und der Beginn t1 der Kompression im Druckverlauf 301 des Pumpenelements.
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Die Kompressionsverluste der Pumpe kann man zuverlässig rechnerisch bestimmen (siehe unten mdead). Mit der Kenntnis der Elementbefüllung (siehe unten m0) und der Fördermenge mdel kann man direkt die Leckagemasse (siehe unten mleak) am Pumpenelement berechnen.
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Mit diesem Verfahren kann jeder Pumpenhub einzeln ausgewertet werden. Es können dabei auch Erkenntnisse zur Hub-Hub-Streuung gewonnen werden.
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Wie beschrieben, kann das Fördervolumen der Pumpe mit Hilfe der Ähnlichkeit mit der Nockenform ermittelt werden. Die Anfangsbedingungen (pref, Tin) im Pumpenzulauf sind bekannt.
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Die Kraftstoffdichte ist grundsätzlich auch bekannt. Sie kann um etwa 6% um eine mittlere Dichte variieren (Basis für die Aussage sind die Kraftstoffdaten von DS/ETI). Bei einer sinnvollen Eingrenzung (z.B. EN590) der Kraftstoffsorten würde die Dichte nur um weniger als 1% variieren.
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In guter Näherung kann man eine isentrope Kompression des Kraftstoffs von pref auf den Raildruck p0 ansetzen, um die Dichte ϱ0 des Kraftstoffs im Pumpenelement vor der Förderung zu berechnen.
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Mit dieser Dichte ϱ0 und mit dem Fördervolumen V0 kann man auch die Kraftstoffmasse m0 im Element (Elementbefüllung) berechnen, wobei gilt: m0 = V0·ϱ0
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Diese anfängliche Kraftstoffmasse m0 wird weiter verdichtet vom Raildruckniveau p0 vor auf das Raildruckniveau pE nach dem Druckaufbau. Ein Teil mdead der Kraftstoffmasse wird als Pumpenelementtotmasse weiter im Pumpenelementtotvolumen Vdead (d.h. Volumen, welches aufgrund konstruktiver Bedingungen nicht gefördert werden kann) verdichtet, ein Teil mleak geht als Leckagemasse in den Pumpenrücklauf und der Rest mdel ist die tatsächlich geförderte Kraftstoffmasse, die auch eingespritzt werden kann. Somit gilt: mdel = m0 – mdead – mleak
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Aus der tatsächlich geförderten Kraftstoffmasse mdel kann unter Berücksichtigung einer Steuermenge des Injektors und einer Hochdruckleckagemenge (beides bekannt bzw. ermittelbar) auf die Einspritzmenge geschlossen werden.
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Für die Pumpenelementtotmasse mdead kann man nochmal eine isentrope Verdichtung annehmen und eine damit einhergehende höhere Dichte ϱE berechnen. Mit dem bekannten Pumpenelementtotvolumen Vdead und der Dichte ϱE kann mdead berechnet werden: mdead = Vdead·(ϱE – ϱ0)
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In den meisten Fällen gilt: ϱ0 » ϱE – ϱ0.
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Z.B. bei einem mittleren Raildruck pm = (pE + p0)/2 von 1.700 bar und einer Raildruckschwingung (pE – p0) von 100 bar ist mdead sehr klein. Das heißt auch, dass mit einer kleinen Unsicherheit in den Annahmen (z.B. Toleranz der Totvolumengröße) in der Rechnung keine große Auswirkung auf das Ergebnis zu erwarten ist.
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Für die Berechnung von mleak können in guter Näherung der mittlere Raildruck pm und eine mittlere Temperatur Tm angenommen werden. Die mittlere Temperatur Tm ist der Mittelwert aus der Erwärmung infolge der isentropen Kompression von pref auf p0 bzw. pE. Dadurch steigt die Temperatur des Kraftstoffes im Pumpenelement von Tin auf Ta bzw. TE, so dass gilt: Tm = (Ta + TE)/2
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Die Leckagemasse mleak kann dann für pm und Tm berechnet werden (z.B. für eine Pumpe mit mittleren Leckspalten, oder mit maximalen und verschlissenen Leckspalten, wenn man höhere Genauigkeit am Lebensende des Systems erreichen möchte) für die Leckagedauer (= Dauer des Raildruckaufbaus). Für die Leckageberechnung kann man ein Leckageberechnungsmodell verwenden, das auf Formeln zur Berechnung der Spaltleckage für eine laminare oder turbulente Spaltströmung basiert.
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Alternativ kann die Leckagemasse mleak auch bei Kenntnis von mdel (z.B. aus Prüfbankmessungen) der gemäß obigem Zusammenhang aus mleak = m0 – mdead – mdel berechnet werden. Dies kann dazu dienen, ein Leckageberechnungsmodell abzugleichen.
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Wie oben beschrieben, kann in guter Näherung von einer isentropen Kompression ausgegangen werden. Bei einer isothermen Kompression würde man eine um etwa 1% höhere Dichte berechnen, was in etwa auch eine 1% höhere Pumpenfördermenge zur Folge hätte. In der Realität wird die Kompression zwischen ideal isentrop (adiabatische Erwärmung) und isotherm liegen. Um dies zu berücksichtigen, könnte eine mittlere Dichte aus isentroper und isothermer Kompression verwendet werden.
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Wird der Raildruckaufbau, wie oben beschrieben, zur Auswertung herangezogen, dann wird durch die Ähnlichkeitsbetrachtung des Raildruckaufbaus und der Nockenform die Unsicherheit der Kraftstofftemperatur im Rail, der Kraftstoffsorte und der Größe des Hochdruckvolumens eliminiert, weil die Form (Ähnlichkeit) des Raildruckaufbaus davon kaum betroffen ist.
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Die Zulauftemperatur Tin zur Pumpe kann effektiver zur Bestimmung der absoluten Einspritzmenge genutzt werden, weil sie unmittelbar in die Berechnung eingeht, und es muss nicht von Tin auf die Temperatur im Hochdruckspeicher mit allen möglichen Störeinflüssen geschlossen werden.
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Insgesamt bietet die Erfindung wenigstens zwei aufeinander aufbauende Varianten. Ist die aus dem Hochdruckspeicher entnommene Kraftstoffmasse, z.B. durch Messung an der Prüfbank, bekannt, kann die Berechnungsmethode validiert werden. Die validierte Methode kann z.B. zum Bestimmen von Pumpenförderparametern in der Pumpen- und Systementwicklung und/oder zum Validieren eines Leckageberechnungsmodells dienen. Sind die Pumpenförderparameter bekannt, kann daraus auch eine unbekannte aus dem Hochdruckspeicher entnommene Kraftstoffmasse und aus dieser die Einspritzmenge (Istwert) bestimmt werden. Ist die Einspritzmenge bekannt, kann sie bei Abweichung durch z.B. Anpassung der Injektoransteuerdauer zu der gewünschten Einspritzmenge korrigiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004010412 A1 [0009]
- DE 102010042736 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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