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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckwellenkorrektur in einem Common-Rail-Einspritzsystem und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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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 über mindestens eine Hochdruckleitung in einen Druckspeicher, das Rail, eingebracht, aus dem wiederum der unter Druck stehende Kraftstoff über Hochdruckleitungen des Injektors zur Einspritzung zugeführt wird. Das Common-Rail-Einspritzprinzip zeichnet sich durch eine vollständige Trennung von Druckerzeugung und der Steuerung des Einspritzvorgangs aus.
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Die Steuerung der Einspritzung erfolgt über die 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 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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In aktuellen Common-Rail-Einspritzsystemen ist der Ansteuerbeginn eines Injektors gegenüber dem Motor sehr variabel. Da die Hochdruckpumpe mit dem Motor fest in ihrer Position verbunden ist, kann der Ansteuerbeginn bezüglich des Förderbeginns und Förderendes der Hochdruckpumpe im Common-Rail-Einspritzsystem variieren. Der Förderbeginn der Hochdruckpumpe bringt durch das schlagartige Öffnen des Hochdruckventils in der Hochdruckpumpe Druckschwingungen ins Common-Rail-Einspritzsystem. Diese Schwingungen verursachen Mengenungenauigkeiten bei der Einspritzung an Injektoren.
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Aufgrund von Toleranzen ist es, basierend aus den im Steuergerät vorliegenden Größen, nicht möglich, den Förderbeginn der Hochdruckpumpe, ausreichend, genau zu bestimmen, um eine Korrektur der Ansteuerung des Injektors auf die Schwingungen durch den Pumpenförderbeginn abstimmen zu können. Man kann aus den Größen des Steuergeräts lediglich einen zeitlichen Bereich eingrenzen, in dem der Förderbeginn stattfinden wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Es wurde erkannt, dass in Common-Rail-Einspritzsystemen, in denen ein NCS-Sensor (NCS: Needle Closing Sensor) im Injektor eingebaut ist, die Möglichkeit besteht, die Auswirkung der von der Pumpe ins Common-Rail-Einspritzsystem eingebrachten Schwingung zeitlich genau bestimmen zu können. Der Zeitpunkt des Förderbeginns kann in einer Ausführung des Verfahrens durch einen NCS-Sensor ermittelt werden, der in diesen Injektoren vorhanden ist. Man kann dadurch, vergleichbar mit einer Druckwellenkorrektur im Common-Rail-Einspritzsystem, eine Ansteuerungskorrektur des Injektors vornehmen, um seine Einspritzgenauigkeit bei einer Verstellung seines Ansteuerbeginnes unmittelbar nach dem Förderbeginn der Hochdruckpumpe zu erhöhen.
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Die vorgestellte Anordnung dient zum Durchführen des hierin beschriebenen Verfahrens. Diese ist bspw. in einem Steuergerät integriert bzw. implementiert oder als solches ausgebildet. Weiterhin kann der Anordnung ein Speicher, in dem Messwerte abzulegen bzw. abgelegt sind, zugeordnet sein. Der Speicher, der ein Speicherelement bzw. ein Speicherbaustein sein kann, kann auch eine Komponente der Anordnung sein. Mit Hilfe der Messwerte kann dann die Druckwellenkorrektur vorgenommen 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 in einer schematischen Darstellung einen Injektor für ein Common-Rail-Einspritzsystem.
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2 zeigt in einem Graphen einen Einspritzmengenverlauf.
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3 zeigt in einem Graphen weitere Verläufe.
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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 17, die zu einer Hochdruckbohrung 15 führt, in deren Bereich ein Haltekörper 19 angeordnet ist. An diesem Haltekörper 19 ist ein Piezoelement 21 angeordnet, das 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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Ein Öffnen des Schaltventils 12 und der dadurch abgeführten Steuermenge führt zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckzulaufleitung 17 und der Hochdruckbohrung 15. Der Druckeinbruch in der Hochdruckbohrung 15 führt zu einer mechanischen Entlastung des Haltekörpers 19 am Umfang der Hochdruckbohrung, typischerweise am Anschliff, auf dem das Sensorelement sitzt. Diese Entlastung führt zu einer Entlastung des vorgespannten Piezoelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden. In der Folge öffnet die Düsennadel 26 des Injektors 10. Dies führt zu einem weiteren, noch stärkeren Druckeinbruch in der Hochdruckbohrung 17. Auch dieser Druckeinbruch führt zu einer mechanischen Entlastung des Haltekörpers 19 am Umfang der Hochdruckbohrung 15, typischerweise am Anschliff, auf dem das Sensorelement sitzt. Diese Entlastung führt ebenfalls zu einer Entlastung des vorgespannten Piezoelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden.
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Alternativ oder ergänzend kann ein Sensor, bspw. ein Piezoelement, an der Hochdruckzulaufleitung 17 angeordnet sein.
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Der Injektor 10 wird nunmehr mit einem elektrischen Signal angesteuert, wobei die Dauer der Ansteuerung, die sognannte Ansteuerdauer, und der Druck die Ansteuermenge bestimmen.
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Es wurde nunmehr erkannt, dass vergleichbar einer Druckwellenkorrektur im Common-Rail-Einspritzsystem bei einer genauen Erkennung des Zeitpunkts des Pumpenförderbeginns eine Korrektur der Ansteuerung eines Injektors 10 vorgenommen werden kann. Zudem wurde erkannt, dass eine Erkennungsgenauigkeit aus Steuergerätegrößen alleine nicht ausreichend ist.
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Um die Erkennungsgenauigkeit des Förderbeginns zu erhöhen, wird in Ausgestaltung ein NCS-Sensor im Injektor 10 verwendet. Durch die Korrektur der Ansteuerung soll der Peak in der Einspritzmenge, der zustande kommt, wenn die Einspritzung unmittelbar nach dem Zeitpunkt des Pumpenförderbeginns erfolgt, minimiert werden. Es wird hierzu auf 2 verwiesen.
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2 zeigt in einem Graphen, an dessen Abszisse 52 der Differenzwinkel Pumpen-zu-Motor-OT [°] (OT: oberer Totpunkt) und an dessen Ordinate 54 die Gesamtmenge [mg] aufgetragen ist, einen Verlauf 56 der Einspritzmenge bei Variation des Ansteuerbeginns bei Einspritzung. Weiterhin ist ein Förderbeginn 58 eingetragen. Dieser Darstellung ist ein Peak 60, der durch den Pumpenförderbeginn 58 verursacht ist, zu entnehmen.
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Die genannte Korrektur kann bspw. durch eine Anpassung bzw. Reduktion der Ansteuerdauer oder der Einspritzmengenanforderung durchgeführt werden.
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Um den dargestellten Peak 60 in der Einspritzmenge verringern zu können ist, ist es nicht ausreichend, den Zeitpunkt des Förderbeginns 58 der Hochdruckpumpe mit der aus den Steuergerätegrößen machbaren Genauigkeit zu kennen. Es ist jedoch möglich, mit einem Sensor, bspw. einem NCS-Sensor in Systemen mit einem solchen NCS-Sensor, dessen Signal so auszuwerten, dass der Förderbeginn 58 genau detektierbar ist.
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3 zeigt in einem Graphen 70, an dessen Abszisse 72 die Zeit [s] und an dessen erstem Ordinatenabschnitt 74 der Druck [bar], an dessen zweitem Ordinatensbschnitt 76 der Gradient des Drucks [bar], an dessen drittem Ordinatenabschnitt 78 die Kraft [N] und an dessen viertem Ordinatenabschnitt 80 die Bestromung [V] aufgetragen ist, einen transienten Verlauf vom Druck am Injektor vor einer Einspritzung, wobei Einspritzbeginn 82 bei 0,009 s und Förderbeginn 84 bei 0,004 s.
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Die Darstellung zeigt Verläufe eines Drucks 90 an der Düse und eines Drucks 92 in der Leitung zwischen Injektor und Rail, einer Kraft 94, eines Gradienten 96 eines Drucks und einer Bestromung 98. Ein markierter Bereich 100 verdeutlicht die Auswirkung des Pumpenförderbeginns 84.
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Das NCS-Signal bzw. der Gradient des NCS-Signals ist wie der Gradient 96 im Druck des Injektors aus 3 auswertbar. Bei ca. 4ms ist der Peak im Gradienten 96 des Druckes 90, 92 im Injektor deutlich erkennbar und stellt den Zeitpunkt des Förderbeginns 84 dar. Dabei sollten die Laufzeiten der Druckwelle beachtet werden.
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Von Bedeutung ist, dass ein deutliches Signal im NCS-Signal bzw. in dessen Gradienten gibt, das auswertbar ist. Dieses wird ausgewertet und gibt den Zeitpunkt des Förderbeginns an. Die Laufzeiten zwischen der NCS-Anbauposition und der Düse sollte dabei noch berücksichtigt bzw. eingerechnet werden.
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Eine Funktion ähnlich der Druckwellenkorrektur kann, basierend auf dem genauen Zeitpunkt des Pumpenförderbeginns, die Ansteuerdauer bzw. die Mengenanforderung einer zeitlich nahen nachfolgenden Einspritzung in einem Injektor korrigieren, um den in 2 dargestellten Peak 60 zu verringern.
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Bei der Umsetzung können zunächst mit Messungen die Auswirkung des Förderbeginns ermittelt werden und diese Messwerte als Erfahrungswerte in einem Speicher, auf den die Motorsteuerung Zugriff hat, abgelegt werden. Diese Messwerte bzw. Erfahrungswerte bilden dann die Grundlage für eine Ansteuerdauerkorrektur in Abhängigkeit des Förderberginns im Betrieb des Kraftfahrzeugs.
