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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit in einem Kraftstoff innerhalb eines Kraftstoffinjektors, welcher einen Nadelschließsensor aufweist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eine Schallgeschwindigkeit mittels des Verfahrens zu ermitteln.
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Stand der Technik
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Common-Rail-Systeme weisen Kraftstoffinjektoren zur Kraftstoffdirekteinspritzung in einen Verbrennungsmotor auf. Diese können als Piezokraftstoffinjektoren ausgeführt sein. Um den Öffnungs- und Schließvorgang einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors zu überwachen, ist es bekannt, einen sogenannten Nadelschließsensor (needle closing sensor; NCS) am Kraftstoffinjektor vorzusehen. Ein Nadelschließsensor, aus dessen Sensorsignalen durch geeignete Signalverarbeitungsverfahren die Zeitpunkte des Nadelöffnens und des Nadelschließens ermittelt werden können, wird in der
EP 2 944 799 A1 beschrieben.
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Eine Kraftstoffeinspritzung mittels des Kraftstoffinjektors bewirkt eine hydraulische Veränderung im Kraftstoffeinspritzungssystem. Durch derartige hydraulische Anregungen werden Druckschwingungen im System angeregt, welche von der temperatur-, druck- und kraftstoffsortenabhängigen Schallgeschwindigkeit des verwendeten Kraftstoffs und der Systemgeometrie abhängig sind. Die Systemgeometrie umfasst dabei sowohl die Geometrie des Kraftstoffinjektors als auch die Geometrie einer Kraftstoffleitung, welche diesen mit dem Common Rail verbindet. Auch andere Quellen, wie beispielsweise ein Pumpenhub einer Kraftstoffhochdruckpumpe des Common-Rail-Systems, können derartige hydraulische Anregungen verursachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren dient zum Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit in einem Kraftstoff innerhalb eines Kraftstoffinjektors, welcher einen Nadelschließsensor aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Kraftstoffinjektor um einen Piezoinjektor eines Common-Rail-Systems. Dieser kann für die Kraftstoffdirekteinspritzung in einen Verbrennungsmotor verwendet werden. In dem Verfahren wird ein Signal des Nadelschließsensors, bei dem es sich insbesondere um ein elektrisches Spannungssignal handelt, einer Frequenzuntersuchung unterzogen. Mittels dieser Frequenzuntersuchung kann eine Frequenz einer Druckschwingung im Kraftstoffinjektor ermittelt werden. Aus dieser Frequenz und aus Geometriedaten des Kraftstoffinjektors wird dann die Schallgeschwindigkeit ermittelt.
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Die ermittelte Schallgeschwindigkeit kann für zahlreiche Funktionen zur Steuerung und/oder Regelung der Kraftstoffeinspritzung als Eingangsgröße verwendet werden. In diesen Funktionen wird die Druckwellenlaufzeit der Druckschwingungen berechnet. Es handelt sich beispielsweise um die Funktionen needle closing detection/needle opening detection (NCD/NOD) model-based quantity wave pre-control (mQWP) und pilot quantity adaption (PQA).
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Eine erprobte Methode der Frequenzuntersuchung, die auch in diesem Verfahren verwendet werden kann, ist insbesondere die Fourier-Transformation.
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Das Ermitteln der Schallgeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise, indem zunächst aus den Geometriedaten eine Wellenlänge einer Schallwelle bzw. Druckwelle berechnet wird und die Schallgeschwindigkeit dann durch Multiplikation der Wellenlänge mit der Frequenz erhalten wird.
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Bei der Berechnung der Wellenlänge wird insbesondere berücksichtigt, wie viele offene Enden in einem Zulaufkanal und in einer Kraftstoffzuführleitung des Kraftstoffinjektors vorhanden sind.
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Auch die Geometriedaten umfassen insbesondere eine Länge des Zulaufkanals und eine Länge einer Kraftstoffzuführleitung des Kraftstoffinjektors. Die Berücksichtigung der Geometriedaten und der Anzahl der offenen Enden kann dabei unter Verwendung von Formeln zur Bestimmung der Eigenfrequenzen in Rohren erfolgen.
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Für die Frequenzuntersuchung wird vorzugsweise ein Signal des Nadelschließsensors verwendet, welches vor Beginn einer Kraftstoffeinspritzung oder nach Ende einer Kraftstoffeinspritzung gemessen wird. In diesen Zeiträumen liegen zwar immer noch Druckschwingungen aufgrund der vorhergehenden Kraftstoffeinspritzung oder aufgrund anderer Ereignisse wie beispielsweise einem Hub einer Kraftstoffhochdruckpumpe vor, es kommt jedoch zu keinen plötzlichen Änderungen des Sensorsignals durch das Öffnen oder das Schließen der Düsennadel.
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Weitere für die Kraftstoffeinspritzung wichtige Größen sind der Kraftstoffdruck, der im Zulaufkanal des Kraftstoffinjektors herrscht, die Kraftstofftemperatur des eingespritzten Kraftstoffs und die Kraftstoffsorte. Wenn zwei dieser drei Größen bekannt sind, so kann nach Ermitteln der Schallgeschwindigkeit die unbekannte Größe berechnet werden, da alle drei Größen die Schallgeschwindigkeit beeinflussen. Der Einfluss der Kraftstoffsorte ergibt sich dabei daraus, dass die Dichte des Kraftstoffs und sein Kompressionsmodul von der Kraftstoffsorte abhängen.
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In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens, in welcher der Kraftstoffdruck und die Kraftstofftemperatur bekannt sind, werden aus diesen beiden Größen und aus der Schallgeschwindigkeit die Kraftstoffsorte des mittels des Kraftstoffinjektors eingespritzten Kraftstoffs ermittelt.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens, in der neben der Schallgeschwindigkeit auch der Kraftstoffdruck und die Kraftstoffsorte bekannt sind, wird aus diesen Größen die Kraftstofftemperatur ermittelt.
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In noch einer anderen Ausführungsform, in der die Kraftstofftemperatur oder die Kraftstoffsorte bekannt sind, wird aus diesen Größen und der Schallgeschwindigkeit der Kraftstoffdruck ermittelt.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Schallgeschwindigkeit zu ermitteln.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines Kraftstoffinjektors gemäß dem Stand der Technik, in dem die Schallgeschwindigkeit in einem Kraftstoff mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.
- 2 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf eines Sensorsignals eines Nadelschließsensors und eines Kraftstoffdrucks in einem Zulaufkanal eines Kraftstoffinjektors in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt in einem Diagramm den errechneten Verlauf mehrerer Sensorsignale eines Nadelschließsensors im Frequenzbereich in Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In der
1 ist der in einem nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zugewandte Endbereich eines Kraftstoffinjektors
10 dargestellt, welcher aus der
EP 2 944 799 A1 bekannt ist. Der Kraftstoffinjektor
10 dient dem Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine und ist Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein Injektorgehäuse 11 auf, das einen dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Düsenkörper 12 sowie einem mit dem Düsenkörper 12 verbundenen, sich axial an die Düsenkörper 12 anschließendes, mehrteilig ausgebildete Restgehäuse 17 mit Gehäuseelementen 13a, 13b umfasst. In dem Düsenkörper 12 sind mehrere Einspritzöffnungen 14 ausgebildet. Weiterhin ist in dem Düsenkörper 12 eine im Wesentlichen sacklochförmige Ausnehmung 15 ausgebildet, in der entlang einer Längsachse 16 eine Düsennadel 18 hubbeweglich angeordnet ist. In der in der 1 dargestellten, abgesenkten Position der Düsennadel 18 verschließt diese die Einspritzöffnungen 14 mittelbar unter Ausbildung eines Dichtsitzes 19 an der Innenseite des Düsenkörpers 12. Der den Einspritzöffnungen 14 abgewandte Endbereich 21 der Düsennadel 18 taucht in eine ebenfalls im Bereich des Düsenkörpers 12 angeordnete Steuerraumhülse 22 ein. Die Steuerraumhülse 22 stützt sich auf der den Einspritzöffnungen 14 abgewandten Seite mit ihrer Stirnfläche an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Gehäuseelements 13b ab. Zwischen der dem Gehäuseelement 13b abgewandten Stirnseite der Steuerraumhülse 22 und einem radial umlaufenden Bund 23 der Düsennadel 18 stützt sich eine als Druckfeder ausgebildete Schließfeder 25 ab, die die Düsennadel 18 in ihre, die Einspritzöffnungen 14 verschließende Stellung kraftbeaufschlagt.
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Von der Innenwand der Steuerraumhülse 22 sowie den gegenüberliegenden Stirnseiten der Düsennadel 18 und des Gehäuseelements 13b ist ein Steuerraum 26 begrenzt, der über eine Ablaufbohrung 27 in einen nicht dargestellten Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 hydraulisch druckentlastbar ist. Über eine Beeinflussung des Drucks im Steuerraum 26 wird die Bewegung der Düsennadel 18 gesteuert. Hierzu ist die Ablaufbohrung 27 über ein Ventilglied verschließbar bzw. zu öffnen. Die Betätigung des Ventilglieds erfolgt durch einen Magnetaktuator oder einen Piezoaktuator.
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Die Ausnehmung 15 in dem Düsenkörper 12 begrenzt einen Hochdruckraum 28, der über einen Zulaufkanal 30 und eine Kraftstoffzuführleitung 60 mit einer Hochdruckquelle 31 (Rail) verbunden ist. Der Zulaufkanal 30 weist zwei Bohrungsabschnitte 32, 33 auf, die in einem Winkel α zueinander angeordnet sind. Während der Bohrungsabschnitt 32, der im Gehäuseelement 13a ausgebildet ist, parallel zur Längsachse 16 verläuft, neigt sich der zweite, in dem Gehäuseelement 13b befindliche Bohrungsabschnitt 33 in Richtung zum Hochdruckraum 28 hin.
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Der Steuerraum 26 ist hydraulisch mit dem Hochdruckraum 28 verbunden. Hierzu ist in der Steuerraumhülse 22 eine radial umlaufende Ringnut 34 ausgebildet, die über eine Verbindungsbohrung 35 in dem Steuerraum 26 mündet. Die Ringnut 34 ist hydraulisch über einen Spaltfilter 36 mit dem Hochdruckraum 28 verbunden.
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Ein Nadelschließsensor 50 dient zur Erfassung des Kraftstoffdrucks in dem Zulaufkanal 30. Hierzu weist er ein als Piezoelement 51 ausgebildetes Messelement 52 auf, das an der äußeren Umfangswand des Injektorgehäuses 11 im Übergangsbereich zwischen den beiden Gehäuseelementen 13a, 13b angeordnet ist. Die Anordnung des Messelements 52 ist derart, dass sich dieses in Höhe der Knickstelle zwischen den beiden Bohrungsabschnitten 32, 33 befindet. Die Verbindung des Messelements 52 mit dem Injektorgehäuse 11 erfolgt durch eine stoffschlüssige Verbindung durch eine wärmebeständige Kleberschicht 54. Das Piezoelement 51 ist über eine elektrische Anschlussleitung 55 mit einem elektronischen Steuergerät 70 gekoppelt, das der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 10 dient.
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In der in der 1 dargestellten, abgesenkten Stellung der Düsennadel 18 verschließt diese die Einspritzöffnungen 14. Dadurch wird ein Abgeben von Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 14 verhindert. Weiterhin ist der Ablaufkanal 27 verschlossen, so dass auch kein Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 26 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 erfolgt. Es herrscht somit in dem Steuerraum 26, dem Hochdruckraum 28 sowie dem Zulaufkanal 30 mit seinen beiden Bohrungsabschnitten 32, 33 zumindest im Wesentlichen der gleiche Druck (Systemdruck). Eine Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 10 bzw. des Aktuators zur Steuerung des Abflusses von Kraftstoff aus dem Steuerraum 26 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 bewirkt, dass der in Schließrichtung herrschende hydraulische Druck in dem Steuerraum 26 reduziert wird, worauf die Düsennadel 28 entgegen der Federkraft der Schließfeder 25 von dem Dichtsitz 19 abhebt. Dadurch strömt Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 28 und die Einspritzöffnungen 14 in den Brennraum der Brennkraftmaschine ab. Gleichzeitig strömt zum Ausgleich für den über die Einspritzöffnungen 14 abgegebenen Kraftstoff neuer Kraftstoff über den Zulaufkanal 30 in den Hochdruckraum 28 nach, wobei der Druck in dem Zulaufkanal 30, im Vergleich zu geschlossener Düsennadel 18, reduziert ist. Um den Einspritzvorgang zu stoppen, wird der Ablaufkanal 27 durch Deaktivierung des Aktuators des Kraftstoffinjektors 10 verschlossen. Darauf erhöht sich der hydraulische Druck in dem Steuerraum 26, worauf die Düsennadel 18 in Richtung ihres Sitzes 19 bewegt wird. Bei der Abwärtsbewegung der Düsennadel 18 in Richtung ihres Dichtsitzes 19 erhöht sich sowohl der hydraulische Druck in dem Hochdruckraum 28 als auch in dem Zulaufkanal 30 infolge der geringer werdenden Einspritzmenge von Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 14. Dieser sich erhöhende hydraulische Druck in dem Zulaufkanal 30 wird mittels des Nadelschließsensors erkannt, da in den seinem Piezoelement 51 zugewandten Wandbereichen des Injektorgehäuses 11 Druckspannungen aufgrund einer Verformung des Zulaufkanals 30 erzeugt werden, was durch die Pfeile 58, 59 verdeutlicht sein soll. Diese Druckspannungen übertragen sich auf das Piezoelement 51 und erzeugen dort durch eine entsprechende Anordnung bzw. Orientierung des Piezoelements 51 zu den Bohrungsabschnitten 32, 33 eine Signalspannung, die dem Steuergerät 70 des Kraftstoffinjektors 10 als Eingangssignal zugeführt wird. Sobald die Düsennadel 18 auf ihren Dichtsitz 19 aufsitzt, findet im Wesentlichen keine weitere Drucksteigerung mehr statt, so dass auch kein Spannungssignal mehr durch das Piezoelement 51 erzeugt wird. Der Verlauf des Spannungssignals des Piezoelements 51 kann daher als Indiz für die Schließbewegung der Düsennadel 18 in Richtung ihres Dichtsitzes 19 verwendet werden.
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2 zeigt, wie sich das elektrische Spannungssignal U50 des Nadelschließsensors 50 und der Druck p30 im Zulaufkanal 30 mit der Zeit t während des Betriebs des Kraftstoffinjektors 10 ändern. Bis zu einem Zeitpunkt t Index 1 bleiben das Signal U50 und der Druck p30 konstant. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt ein Pumpenhub einer nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckpumpe der Hochdruckquelle 31. Dies führt zu einem Anstieg des Drucks p30 und zu Druckschwingungen, welche zur Folge haben, dass das Signal U50 ebenfalls Schwingungen aufweist. Zum Zeitpunkt t2 wird die Düsennadel 18 geöffnet und zum Zeitpunkt t3 wird sie wieder geschlossen. Während des Zeitraums zwischen dem Öffnen und dem Schließen der Düsennadel 18 erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung. Hierdurch sinkt der Druck P30 . Das Signal U50 fällt in diesem Zeitraum ebenfalls ab und steigt mit dem Schließen der Düsennadel 18 wieder auf seinen Ursprungswert an. Dabei kommt es ebenfalls zu Schwingungen des Drucks p30 , die zu einem Schwingen des Signals U50 führen. Die Druckschwingungen 80 zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 , also vor Öffnen der Düsennadel 18, und die Druckschwingungen 81 nach dem Zeitpunkt t3 , also nach dem Schließen der Düsennadel 18, können zum Ermitteln der Schallgeschwindigkeit im eingespritzten Kraftstoff verwendet werden.
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Die 3 zeigt derartige Schwingungen des Signals U50 für vier unterschiedliche Drücke p30 des Kraftstoffs und für zwei unterschiedliche Kraftstofftemperaturen. Dabei ist die erste Kraftstofftemperatur höher als die zweite Kraftstofftemperatur und die Drücke nehmen vom ersten Druck bis zum vierten Druck hin zu. Dabei ist jeweils die normierte Amplitude einer Fourier-Transformation der Frequenz f des Signals U50 dargestellt. Die Frequenzauswertung 82 erfolgte dabei für den ersten Druck und die erste Temperatur. Die Signalauswertung 83 erfolgte für den ersten Druck und die zweite Temperatur. Die Frequenzauswertung 84 erfolgte für den zweiten Druck und die erste Temperatur. Die Frequenzauswertung 85 erfolgte für den zweiten Druck und die zweite Temperatur. Die Frequenzauswertung 86 erfolgte für den dritten Druck und die erste Temperatur. Die Frequenzauswertung 87 erfolgte für den dritten Druck und die zweite Temperatur. Die Frequenzauswertung 88 erfolgte für den vierten Druck und die erste Temperatur. Die Frequenzauswertung 89 erfolgte für den vierten Druck und die zweite Temperatur.
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Das Maximum der jeweiligen Frequenzauswertung gibt die Frequenz f der Schwingung an. Aus der Länge des Zulaufkanals
30 und der Länge der Kraftstoffzufuhrleitung
60 sowie der Anzahl der offenen Enden wird unter Verwendung von Formeln zur Bestimmung der Eigenfrequenz in Rohren die Wellenlänge einer sich im Zulaufkanal
30 und der Kraftstoffzufuhrleitung
60 fortpflanzenden Schallwelle ermittelt. Diese Wellenlänge λ wird zusammen mit der Frequenz f in die Formel 1 eingesetzt, um die Schallgeschwindigkeit c zu berechnen:
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Die auf diese Weise ermittelte Schallgeschwindigkeit wird im elektronischen Steuergerät 70 in den Funktionen NCD/NOD, mQWP und PQA verwendet.
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Wenn zwei der folgenden Größen bekannt sind, kann die Schallgeschwindigkeit außerdem dazu verwendet werden, die jeweils unbekannte dritte Größe zu berechnen:
- - Kraftstoffdruck p30 im Zulaufkanal 30
- - Kraftstofftemperatur
- - Kraftstoffsorte
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Die Berechnung erfolgt auf der Grundlage des Zusammenhangs der Schallgeschwindigkeit mit der Dichte des Mediums, in dem sich der Schall fortpflanzt, also der Dichte des Kraftstoffs. Hierzu sind im elektronischen Steuergerät 70 für alle im Kraftstoffinjektor 10 verwendbaren Kraftstoffsorten Daten darüber hinterlegt, wie sich die Dichte des Kraftstoffs mit der Temperatur ändert sowie darüber, wie sich die Dichte mit dem Druck ändert. Letzteres kann durch das Kompressionsmodul des Kraftstoffs ausgedrückt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2944799 A1 [0002, 0016]