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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Kraftstoffs in einem Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere in einer Common-Rail-Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors, und eine Anordnung zum Durchführen 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 einer Common-Rail-Einspritzanlage 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. 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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Ein wichtiger Faktor zum Erreichen dieser Anforderung ist dabei die Genauigkeit der Menge und des Zeitpunkts des über die Common-Rail-Injektoren eingespritzten Kraftstoffs und die Bestimmung der Eigenschaft des Kraftstoffs. Um den Zeitpunkt und die Kraftstoffmenge der Einspritzung über Lebensdauer ermitteln zu können ist es geplant, zukünftige Common-Rail-Injektoren mit einem Sensor auszustatten, mit dem der Zeitpunkt des "Nadel Öffnens" und des "Nadel Schließens" einer Einspritzung detektiert werden kann.
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Die Druckschrift
DE 196 33 156 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Drucksignal bestimmt wird, das vom Verlauf des Kraftstoffdrucks über der Zeit und/oder über der Winkelstellung einer Welle abhängt. Ausgehend von dem Drucksignal wird ein Signal bereitgestellt, das Kraftstoffeigenschaften repräsentiert.
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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 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren sieht vor, im Bereich der Hochdruckzulaufleitung eine Druckwelle, die durch die Förderung, d. h. den Beginn der Förderung oder das Ende der Förderung, der Hochdruckpumpe ausgelöst wird, zu erfassen. Es kann dann in Ausgestaltung anhand eines ersten Zeitpunkts, dem Zeitpunkt der Förderung, und einem zweiten Zeitpunkt, dem Zeitpunkt der Erfassung der Druckwelle bzw. des Drucksignals, eine Laufzeit dieser Druckwelle bestimmt werden. Dabei wird insbesondere ein Druckanstieg oder ein Druckabfall erfasst. Anhand der Laufzeit kann dann, da der Laufweg bekannt ist, mindestens eine Eigenschaft des Kraftstoffs bestimmt werden. Dies erfolgt bspw. durch Berechnung oder mittels mindestens einer Kennlinie bzw. mittels mindestens eines Kennfelds.
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Die Laufzeit ist die Zeit, die die Druckwelle von der Pumpe zu dem Sensor im Bereich der Hochdruckzulaufleitung, bspw. an der Hochdruckbohrung des Injektors, benötigt. Diese Laufzeit ist u.a. von folgenden Parametern abhängig und daher nicht konstant:
- – Kraftstofftemperatur,
- – Kraftstoffart (untergeordnet),
- – Kraftstoffdruck.
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In Ausgestaltung kann eine elastische Verformung am Halteköper im Bereich der Hochdruckbohrung aufgrund der Druckwelle in der Hochdruckbohrung zur Erkennung der Eigenschaften des Kraftstoffes herangezogen werden. Es wird folglich die Förderung der Hochdruckpumpe erkannt, um hieraus auf die Kraftstoffeigenschaften zu schließen.
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In einer Ausführung wird die Verformung des Haltekörpers oder der Hochdruckzulaufleitung als zu erfassende Größe genutzt. Ein dafür benötigter Sensor kann am Haltekörper oder der Hochdruckzulaufleitung angebracht werden und muss weder im Hochdruckbereich noch im Niederdruckbereich des Injektors verbaut sein. Durch die Detektion und anschließende Analyse der Zeitpunkte der Pumpenförderung können Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Kraftstoffs gemacht werden. Emission- und Performance-Anforderungen können somit gehalten werden. Ebenso kann eine Betankung mit "falschem" Kraftstoff erkannt werden.
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Das vorgestellte Verfahren sieht in Ausgestaltung vor, den Zeitpunkt der Pumpenförderung am Motor zu bestimmen bzw. zu messen, um mit dieser Information auf die Kraftstoffeigenschaften schließen zu können. Es ist beabsichtigt, bei kommenden Common-Rail-Injektoren mit Piezo-Ansteuerung für jeden Injektor einen separaten Sensor zu verbauen, der die Pumpenförderung detektiert. Eine vergleichbare Funktionalität kann auch durch Verwendung von mindestens einem mit Sensor ausgestattetem Injektor umgesetzt werden.
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Grundsätzlich kann das Verfahren auf Grundlage einer Absolutmessung oder mittels einer Relativmessung, d. h. mit mehr als einem Messvorgang, durchgeführt werden. Bei Ausführung des Verfahrens sollte in Ausgestaltung darauf geachtet werden, dass die Pumpenlage so gewählt ist, dass der Druckanstieg am Ort der Messung nicht mit einem Druckanstieg bzw. Druckabfall aufgrund einer Einspritzung kollidiert.
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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 eine Ausführung einer Common-Rail-Einspritzanlage.
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3 zeigt in vier Graphen Verläufe von Größen.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Haltekörper eines Injektors.
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5 zeigt ein Sensorsignal an einem Zylinder.
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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 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 am Umfang der Hochdruckbohrung 15, 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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Bei dem Verfahren wird nunmehr genutzt, dass auch die Förderung der Hochdruckpumpe zu einer Druckwelle führt, die ebenfalls mit dem Sensor, bspw. dem Piezoelement, erkannt werden kann. Ist der Zeitpunkt der Pumpenförderung bekannt, so kann eine Laufzeit der durch die Pumpenförderung ausgelösten Druckwelle bestimmt werden. Auf Grundlage der Laufzeit lässt sich mindestens eine Eigenschaft des Kraftstoffs bestimmen.
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2 zeigt eine Common-Rail-Einspritzanlage, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Tank 202, eine Niederdruckpumpe 204, eine Hochdruckpumpe 206, ein Rail 208 und einen Injektor 210. An dem Rail 208 sind ein Druckregelventil 212 und ein Drucksensor 214 vorgesehen.
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3 zeigt in vier 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 Verlauf der eigentlichen Pumpenförderung 42. Ein dritter Graph 50 zeigt den Druckverlauf 52 in der Hochdruckbohrung über der Zeit. Ein vierter Graph 60 zeigt ein gefiltertes Spannungssignal 62 am Steuergeräteeingang des Piezoelements, das am Haltekörper im Bereich der Hochdruckbohrung angeordnet ist.
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Im ersten Graphen 30 ist eine Ansteuerdauer 34 kenntlich gemacht, beginnend zu einem Anfangszeitpunkt 35 bis zu einem Endzeitpunkt 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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Im zweiten Graphen 40 und dritten Graphen 50 ist die Laufzeit 44 gekennzeichnet, beginnend mit einem ersten Zeitpunkt 46, dem Beginn der Pumpenförderung, und endend mit einem zweiten Zeitpunkt 48, dem Druckanstieg im Druckverlauf 52 ausgelöst durch den Beginn der Pumpenförderung zum ersten Zeitpunkt 46.
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Im dritten Graphen 50 und vierten Graphen 60 sind weiterhin ein dritter Zeitpunkt 54 gezeigt. Dies ist der Zeitpunkt des Öffnens des Schaltventils. Dies führt zu einer Mengenentnahme aus Hochdruckzulaufleitung und damit zu einem Druckeinbruch. Die dadurch bedingte Entlastung des Sensors führt zu einer Spannungsänderung bzw. Spannungsabsenkung. am Sensor.
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Es ist weiterhin ein vierter Zeitpunkt 56 eingetragen, der Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel. Dies führt zu einer weiteren Mengenentnahme aus Hochdruckzulaufleitung und zu einem Druckeinbruch. Die bedingte weitere Entlastung des Sensors führt zu einer deutlichen Spannungsänderung bzw. Spannungsabsenkung am Sensor.
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Zu einem fünften Zeitpunkt 58 schließt die Düsennadel. Die weitere Vorspannung des Sensors führt zu einer Spannungsänderung bzw. Spannungserhöhung am Sensor.
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Mit Bezugsziffer 80 ist die OT-Referenz (OT: oberer Totpunkt) kenntlich gemacht. Der erste Zeitpunkt 46 ist bezogen auf die OT-Referenz 80 zeitlich konstant.
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Bei der stoßweisen Pumpenförderung kommt es somit zu einem Druckanstieg in der Hochdruckzulaufleitung zum zweiten Zeitpunkt 48. Dieser Druckanstieg führt zu einer weiteren Vorspannung des schon vorgespannten Sensorelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden, bspw. am Anschliff, auf dem das Sensorelement bzw. der Sensor sitzt. Dieser am Sensor ermittelte bzw. gemessene Zeitpunkt ist aufgrund der Laufzeit der Druckwelle, von der Pumpe über die Hochdruckzulaufleitung zu dem Injektor, zeitlich verzögert. Der Versatz bzw. die Laufzeit ändert sich u. a. über Kraftstofftemperatur, Druck, Kraftstoffart, da diese Parameter die Laufzeitgeschwindigkeit der Druckwelle, die von der Pumpe ausgelöst wird, beeinflussen.
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Durch die vorgegebene Geometrie der Injektoren, Hochdruckzulaufleitung und des Rails und dem Zeitpunkt bzw. Änderung dieser des durch die Pumpenförderung hervorgerufenen Signals kann die Recheneinheit des Common-Rail-Einspritzanlage mit Zuhilfenahme dieser und weiterer Informationen die Kraftstoffeigenschaften ermitteln.
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Anzumerken ist hierbei, dass Parameter wie z.B. Temperatur, Druck und Kraftstoffart, z. B. Sommerdiesel, Winterdiesel, einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit haben. Durch die Änderungen des Zeitpunktes der Pumpenförderungsdetektion im Betrieb können diese Kraftstoffeigenschaften bestimmt werden.
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4 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, eine Hülse 76, die möglichst steif ausgebildet ist und die unter Vorspannung über eine Schweißnaht 77 mit dem Haltekörper 70 verbunden ist, so dass das Piezoelement eine Druck-Vorspannung erfährt, und einen Dehnungsbereich 78 am Anschliff des Haltekörpers 70.
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Eine Verformung der Hochdruckbohrung 72 aufgrund einer Druckwelle, z. B hervorgerufen durch eine stoßweise Pumpenförderung, 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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5 zeigt das Signal eines Sensors auf dem Injektor in Zylinder 1. Es handelt sich hierbei um einen 4-Zylinder Vollmotor. Es sind deutlich die Merkmale der Pumpenförderung, insbesondere des Beginns der Pumpenförderung, zu erkennen.
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Die Darstellung zeigt mit Bezugsziffer 100 die Ladung des Injektors an Zylinder 1, mit Bezugsziffer 102 die Ladung des Injektors an Zylinder 3, mit Bezugsziffer 104 die Ladung des Injektors an Zylinder 4, mit Bezugsziffer 106 die Ladung des Injektors an Zylinder 2 und mit Bezugsziffer 108 die Ladung des Injektors an Zylinder 1. Mit Bezugsziffer 110 ist die Entladung des Injektors an Zylinder 1, mit Bezugsziffer 112 die Entladung des Injektors an Zylinder 3, mit Bezugsziffer 114 die Entladung des Injektors an Zylinder 4, mit Bezugsziffer 116 die Entladung des Injektors an Zylinder 2 und mit Bezugsziffer 118 die Entladung des Injektors an Zylinder 1 angezeigt.
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Weiterhin zeigt die Darstellung ein Sensorsignal 130, das sich aus dem aufgenommenen Druckverlauf ergibt. signifikante Stellen in dem Verlauf des Sensorsignals 130 sind mit Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Mit Bezugsziffer 140 ist der Spannungsabfall aufgrund des Nadel-Öffnens des Zylinders 1 gekennzeichnet. Bezugsziffer 142 zeigt den Spannungsanstieg aufgrund des Nadel-Schließens Zylinder 1 an. Bezugsziffer 144 zeigt den Spannungsabfall aufgrund Nadel-Öffnens Zylinder 3, Bezugsziffer 146 zeigt den Spannungsanstieg aufgrund Nadel-Schließens Zylinder 3, Bezugsziffer 148 den Spannungsabfall aufgrund Nadel-Öffnens Zylinder 4, Bezugsziffer 150 den Spannungsanstieg aufgrund Nadel-Schließens Zylinder 4, Bezugsziffer 152 den Spannungsabfall aufgrund Nadel-Öffnens Zylinder 2, Bezugsziffer 154 den Spannungsanstieg aufgrund Nadel-Schließens Zylinder 2, Bezugsziffer 156 den Spannungsabfall aufgrund Nadel-Öffnens Zylinder 1 und Bezugsziffer 158 den Spannungsanstieg aufgrund Nadel-Schließens Zylinder 1.
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Mit Bezugsziffer 170 sind Sensorspannungsanstiege aufgrund des Beginns der Pumpenförderung gekennzeichnet. Mit Ende der Pumpenförderung endet auch die Druckerhöhung und das Sensorsignal geht mit steilem Gradienten wieder auf sein Ausgangsniveau vor der Pumpenförderung zurück.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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