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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/346,468, die am 20. Mai 2010 eingereicht wurde und deren gesamte Inhalte hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzsystem, auf ein Verfahren zum Schätzen von Zeitpunktwahlen von Einspritzereignissen und auf das Steuern von Kraftstoffeinspritzkomponenten basierend auf den geschätzten Zeitpunkten der Ereignisse.
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HINTERGRUND
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Bei vielen Kraftstoffversorgungssystemen, die für Verbrennungsmotoren einsetzbar sind, werden Kraftstoffeinspritzdüsen genutzt, um Kraftstoffpulse in die Verbrennungskammer des Motors einzuspritzen. Eine üblicherweise verwendete Einspritzdüse ist eine Einspritzdüse mit geschlossener Düse, welche einen Düsenaufbau aufweist, der ein federgetriebenes Düsenventilelement aufweist, das neben der Düsenöffnung angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Das Düsenventilelement dient auch dem Bereitstellen eines beabsichtigten abrupten Endes des Kraftstoffeinspritzens, wodurch ein sekundäres Einspritzen verhindert wird, welches unverbrannte Kohlenwasserstoffe in dem Abgas verursachen würde. Das Düsenventil ist in einem Düsenhohlraum angeordnet und durch eine Düsenfeder vorgespannt, so dass bei einem Überschreiten der Vorspannungskraft der Düsenfeder durch eine Betätigungskraft sich das Düsenventilelement so bewegt, dass es ein Durchlassen von Kraftstoff durch die Düsenöffnungen ermöglicht, womit der Beginn des Einspritzvorgangs gekennzeichnet ist.
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KURZFASSUNG
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Diese Offenbarung stellt ein piezoelektrisch betätigtes Kraftstoffeinspritzsystem bereit, welches Zeitpunkte von Kraftstoffeinspritzereignissen in einer Kraftstoffeinspritzperiode aus Charakteristika eines Signals schätzen kann, welches einer gemessenen Kraft in der Einspritzdüse entspricht. Die Offenbarung stellt zudem ein Verfahren zum Schätzen der Zeitpunkte von Einspritzereignissen während der Kraftstoffeinspritzperiode bereit.
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Gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein piezoelektrisch betätigtes Kraftstoffeinspritzdüsensystem zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors einen Einspritzdüsenkörper umfassend einen Kolben, ein Düsengehäuse, aufweisend einen Düsenhohlraum, den Einspritzdüsenkörper und das Düsengehäuse und eine Einspritzdüsenöffnung, die mit einem Ende des Düsenhohlraums in Verbindung steht, um Kraftstoff in die Verbrennungskammer einzuspritzen. Das System umfasst ein Düsenventilelement, das in dem Düsenhohlraum neben der Einspritzdüsenöffnung angeordnet ist, wobei das Düsenventil bewegbar ist zwischen einer offenen Position, in welcher Kraftstoff durch die Einspritzdüsenöffnung in die Verbrennungskammer hinein strömt, und einer geschlossenen Position, in welcher ein Kraftstoffstrom durch die Einspritzdüsenöffnung blockiert ist. Ein piezoelektrischer Aktuator ist so bewegbar, dass er in einer ersten Richtung expandieren und in einer zweiten Richtung kontrahieren kann. Ein Hydraulikverbindungsaufbau ist innerhalb des Düsenhohlraum angeordnet und ist mit dem piezoelektrischen Aktuator betriebsmäßig so verbunden, dass eine Bewegung des piezoelektrischen Aktuators in der ersten Richtung bewirkt, dass sich das Düsenventilelement zu der geöffneten Position bewegt, und dass eine Bewegung des piezoelektrischen Aktuators in der zweiten Richtung bewirkt, dass sich das Ventilelement zu der geschlossenen Position bewegt. Ein Kraftsensor ist zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und dem Hydraulikverstärkeraufbau angeordnet und ist dazu eingerichtet ein Signal zu erzeugen, das Kräfte zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und dem Hydraulikverstärkeraufbau während einer Kraftstoffeinspritzperiode angibt. Eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, das Signal zu erhalten, das von dem Kraftsensor erzeugt wird, zumindest einen von einem Maximalwert und einem Wert eines Talminimums des überwachten ausgegebenen Signals zu identifizieren und einen Zeitpunkt in der Einspritzperiode von mindestens einer Kraftstoffversorgungscharakteristik basierend auf dem mindestens einen identifizierten Wert zu schätzen.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Schätzen von Zeitpunkt- oder Timingcharakteristika eines Kraftstoffeinspritzereignisses von einer piezoelektrisch betätigten Kraftstoffeinspritzdüse. Die piezoelektrisch betätigte Kraftstoffeinspritzdüse umfasst einen Kraftsensor, der zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und einem Hydraulikverbindungsaufbau angeordnet ist, welcher mit dem piezoelektrischen Aktuator mechanisch gekoppelt ist, wobei der Kraftsensor zum Ausgeben eines Signals betreibbar ist, welches Kräften zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und dem Hydraulikverbindungsaufbau entspricht. Das Verfahren umfasst das Überwachen eines Signals, das von dem Kraftsensor über eine Einspritzperiode der piezoelektrisch betätigten Kraftstoffeinspritzdüse ausgegeben wird, das Identifizieren von mindestens einem von einem Maximalwert und einem Wert eines lokalen Talminimums des beobachteten ausgegebenen Signals, und das Schätzen des Zeitpunktes in der Einspritzperiode von mindestens einer Kraftstoffzufuhrscharakteristik basierend auf dem mindestens einen identifizierten Wert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm einer Kraftstoffeinspritzdüse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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2 ist ein Graph, der einen Verlauf der Einspritzrate von einer Kraftstoffeinspritzdüse zeigt.
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3 ist ein vereinfachtes Diagramm der Kraftstoffeinspritzdüse, die in 1 dargestellt ist.
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4 ist ein Graph, der eine Spannung, die von einem piezoelektrischen Kraftsensor ausgegeben wird, zusammen mit einer zugehörigen Verlaufskurve der Einspritzrate von 2 zeigt.
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5 ist ein Graph, der eine bespielhafte Stromkurve des piezoelektrischen Aktuators zusammen mit der Spannung, die vom piezoelektrischen Kraftsensor ausgegeben wird, und der zugehörigen Verlaufskurven der Einspritzrate von 4 zeigt.
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6 ist ein Diagramm von einem Prozess zum Schätzen des Zeitpunkts des Endes eines tassen- oder kappenförmigen Stroms während einem Kraftstoffeinspritzvorgang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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7 ist ein Diagramm von einem Prozess zum Schätzen des Zeitpunkts des Endes des Einspritzens während eines Kraftstoffeinspritzereignisses gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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8 ist ein Graph, der die Genauigkeit der vorhergesagten Zeitpunkte von SOI- und EOI-Ereignissen für einen Bereich von Rail-Drucken zeigt.
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9 ist ein Graph, der einen Verlauf der Einspritzrate zeigt, welcher aus den geschätzten SOI-, SOCF-, EOCF- und EOI-Zeitpunkten und aus dem HOCF-Wert für eine Kraftstoffeinspritzdüse, die bei 2800 bar betrieben wird, konstruiert ist.
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10 ist ein Graph, der einen Verlauf der Einspritzrate zeigt, welcher aus den geschätzten SOI-, SOCF-, EOCF- und EOI-Zeitpunkten und aus dem HOCF-Wert für eine Kraftstoffeinspritzdüse, die bei 700 bar betrieben wird, konstruiert ist.
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11 ist ein Graph, der eine Kurve von tatsächlichen Datenwerten einer Kraftstoffzufuhrmenge und eine Kurve von geschätzten Werten der Kraftstoffzufuhrmenge für einen Bereich von Rail-Drucken zeigt.
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12 ist ein Übersichtsdiagramm eines Kraftstoffsystems, das eine Steuereinrichtung aufweist, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Viele Aspekte der Offenbarung sind als Folgen von Aktionen beschrieben, die von Elementen eines Treibers, einer Steuereinrichtung, eines Steuerungsmoduls und/oder eines Computersystems oder anderer Hardware, die zum Ausführen von programmierten Anweisungen fähig ist, auszuführen sind. Man wird verstehen, dass bei jeder der Ausführungsformen die verschiedenen Aktionen durch spezialisierte Schaltkreise (zum Beispiel diskrete logische Gatter, die zum Ausführen einer speziellen Funktion miteinander verbunden sind), durch Programmbefehle, wie zum Bespiel Programmmodule, die durch einen oder mehrere Prozessoren (zum Beispiel einem Zentralprozessor, Englisch: Central Processing Unit, CPU oder einem Mikroprozessor) ausführbar sind, oder durch eine Kombination von den beiden ausgeführt werden können. In Einklang mit der Offenbarung stehende Logik der Ausführungsformen kann durch eine beliebige Art von geeigneter Hardware und/oder Software umgesetzt werden. Dabei können Teile in der Form eines computerlesbaren Speichermediums vorliegen, welches einen darauf aufgezeichneten Steuerungsalgorithmus aufweist, wie zum Beispiel die hierin offenbarte ausführbare Logik und die ausführbaren Anweisungen, und welcher beispielsweise so programmiert sein kann, dass er eine oder mehrere Nachschlagetabellen und/oder Kalibrierparamenter aufweist. Das computerlesbare Medium kann einen Arbeitsspeicher (Englisch: Random Access Memory, RAM), einen nur lesbaren Speicher (Englisch: Read Only Memory, ROM), einen löschbaren programmierbaren nur lesbaren Speicher (Englisch: Erasable Programmable Read Only Memory, EPROM oder einen Flash-Speicher), eine optische Faser und eine tragbare Kompaktdiskette mit nur lesbarem Speicher (Englisch: Compact Disc Read Only Memory, CD-ROM) oder irgendein anderes Festkörper-, magnetisches und/oder optisches Diskettenmedium, das zum Speichern von Informationen fähig ist. Verschiedene Aspekte können daher in vielen verschiedenen Arten umgesetzt werden und alle solche Arten werden als in Einklang mit dieser Offenbarung erachtet.
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1 ist ein Diagramm einer beispielhaften Kraftstoffeinspritzdüse 10, die ein Düsengehäuse 12, einen Düsenhalter 13, einen Einspritzdüsenkörper 14, der einen Kraftstoffeinlass 15 umfasst, welcher zum Zuführen von Kraftstoff zu dem Kraftstoffzuführhohlraum 16 eingerichtet ist, aufweist. Der Kraftstoffzuführdruck kann innerhalb eines Druckbereichs von ungefähr 350 bis 2700 bar liegen. Ein oberes Aktuatorgehäuse 17 ist mit einem oberen Bereich des Einspritzdüsenkörpers 14 so verbunden, dass es an einem unteren Aktuatorgehäuse 18 sitzt. Das obere Aktuatorgehäuse 17 weist einen piezoelektrischen Aktuator 20, wie zum Beispiel einen piezoelektrischen Stapelaktuator, der durch die geriffelte Röhre 22 vorgeladen ist, einen piezoelektrischen Adapter 24 und einen Aktuatoradapter 26 auf. Ein piezoelektrischer Kraftsensor 28, beispielsweise ein piezoelektrischer Kraftsensorchip, der aus einer piezoelektrischen Keramik oder einem anderen piezoelektrischen Material hergestellt ist, ist in dem oberen Aktuatorgehäuse 16 der Kraftstoffeinspritzdüse 10 angeordnet und ist positioniert zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 20 und einem oberen Kolben 30 und einem unteren Kolben 32, der in dem Einspritzdüsenkörper 14 aufgenommen ist, wobei jedoch andere Ausführungsformen eine Anordnung umfassen können, bei welcher der piezoelektrische Kraftsensor an einem anderen Ort in einer Kraftstoffeinspritzdüse positioniert ist, an welcher Longitudinalkräfte und ein Druck von mechanischen Einspritzkomponenten gemessen werden können und eine Spannung oder ein Strom ausgegeben werden kann, welche der gemessenen Kraft oder dem gemessenen Druck entspricht.
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Bei Aktivierung des piezoelektrischen Aktuators 20 wirkt der untere Kolben 32 auf einen Hydraulikverstärkeraufbau 34 oder eine „Hydraulikverbindung”, die in einem Hohlraum in dem Düsengehäuse 12 enthalten ist, um zu bewirken, dass sich ein Düsenventilelement (Nadelventil) 36, das in einem sitzförmigen Kontakt mit einem Nadelsitz 38 in dem Nadelgehäuse 12 gehalten wird, für die Dauer der Aktivierung öffnet und dass das Nadelventilelement 36 Kraftstoff durch die Öffnung der Düse und in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) einspritzt. Unter engerem Bezug auf die Orientierung der Kraftstoffeinspritzdüse 10, die in 1 dargestellt ist, verstärkt der Hydraulikverstärkeraufbau 34 die Bewegung des piezoelektrischen Aktuators 20 und kehrt die Bewegung des Nadelventils 36 relativ zu der Abwärtsbewegung des oberen und des unteren Kolbens 30, 32 um, so dass das Nadelventil 36 in eine Aufwärtsrichtung bewegt wird. Weitere Komponenten sind wie erforderlich vorhanden, um den Einspritzdüsenaufbau zu vervollständigen. Abgesehen von den neuen oder unterscheidenden Eigenschaften, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, arbeitet die Einspritzdüse im Wesentlichen gleich wie die Kraftstoffeinspritzdüse, die in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/185,779 beschrieben ist, welche am 10. Juni 2009 eingereicht wurde und den Titel „Piezoelektrische direkt wirkende Kraftstoffeinspritzdüse mit Hydraulikverbindung” (Englisch: „Piezoelectric direct acting fuel injector with hydraulic link”) trägt. Der gesamte Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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Während dem Kraftstoffeinspritzen reagiert der piezoelektrische Kraftsensor 28 auf vorübergehende Kräfte infolge einer Betätigung des piezoelektrischen Aktuators 20 und auf die Dynamiken des Hydraulikverstärkers, um ein Spannungs- oder Stromsignal zu erzeugen, welches eine Charakteristik entsprechend den gemessenen Kräften aufweist. In dieser Weise arbeitet dieser piezoelektrische Kraftsensor 28 als ein Kraft-/Drucksensor innerhalb der Kraftstoffeinspritzdüse 10. Durch Analysieren der Signatur (das heißt der Charakteristik), die durch den piezoelektrischen Kraftsensor 28 bereitgestellt wird, können Charakteristika der Kraftstoffzufuhr eines Einspritzereignisses genau aufgenommen werden.
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2 zeigt eine beispielhafte Kurve 39 eines Verlaufs, d. h. einer Form der Einspritzrate einer Kraftstoffeinspritzdüse über eine Einspritzperiode, welche von Messungen eines Druckwandlers in einem Zylinder des Motors (nicht dargestellt) abgeleitet wurde. Es ist zu verstehen, dass verschiedene Faktoren bei einer Konfiguration eines Kraftstoffzuführsystems in entsprechenden Änderungen der Höhe, der Form und von Ereigniszeitpunkten eines Verlaufs der Rate von einer Einspritzdüse, wie zum Beispiel des Rail-Drucks, des Düsendurchsatzes (Pfund pro Stunde der Düse) usw. resultieren kann. Ausführungsformen der Offenbarung stellen ein System und ein Verfahren bereit, welche den Zeitpunkt von Ereignissen, d. h. Vorgängen eines Verlaufs der Einspritzrate einer Kraftstoffeinspritzdüse vorhersagen können, wobei sie insbesondere den Zeitpunkt des Starts des Einspritzens (Englisch: Start of Injection, SOI), der als Punkt A gekennzeichnet ist, schätzen können; wobei sie den Zeitpunkt des Starts des vollständig aufgebauten Einspritzflusses (Englisch: Start of Fully Developed Injection Flow, SOCF), der als Punkt B gekennzeichnet ist, schätzen können; wobei sie den Zeitpunkt des Endes des vollständig aufgebauten Einspritzflusses oder des Endes des tassenförmigen Stromverlaufs (Englisch: End of Cup Flow, EOCF), der als Punkt C gekennzeichnet ist, schätzen können und/oder wobei sie den Zeitpunkt des Endes des Einspritzens (Englisch: End of Injection, EOI), der als Punkt D gekennzeichnet ist, schätzen können. Zusätzlich kann die Höhe des Verlaufs der Rate (Englisch: Height of the Rate Shape, HOCF), die als F gekennzeichnet ist, zusammen mit den obigen Schätzungen der Zeitpunkte geschätzt werden, um ein recht genaues Modell des Verlaufs der Einspritzrate der Kraftstoffeinspritzdüse zu konstruieren.
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3 ist ein vereinfachtes Diagramm der Kraftstoffeinspritzdüse, die in 1 gezeigt ist. Wie in 3 dargestellt, dehnt sich bei einem Einschalten des piezoelektrischen Stapels des piezoelektrischen Aktuators 20 dieser in die Richtung des Pfeils 40 aus und drückt mechanisch den piezoelektrischen Kraftsensor 28 und die Einspritzdüsenkomponente 41 (welche bündelnd die Komponenten 24 bis 26, 30 und 32, die in 1 dargestellt sind, repräsentiert) in die Richtung des Pfeils 42 gegen den Druck des Kraftstoffs in dem Common Rail, d. h. der gemeinsamen Leitung. Während diesem Zustand erhöht sich der Druck der Verstärkerkammer in dem Hydraulikverstärkeraufbau 34 und der piezoelektrische Kraftsensor 28 erzeugt wegen der Kompression eine positive Spannung. Die Spannungsausgabe von dem piezoelektrischen Kraftsensor 28 beginnt bei einem belastungsfreien Spannungswert, der einem Zustand entspricht, wenn der piezoelektrische Aktuator nicht eingeschaltet ist (das heißt sich in einem zurückgezogenen Zustand befindet), und sobald der Aktuator 20 eingeschaltet wird, steigt die Spannung, die von dem Sensor 28 ausgegeben wird, schnell bis zu einem Maximalwert, wenn sich das Nadelventil 36 zu öffnen beginnt, beruhigt sich dann auf eine beinah konstante positive Höhe zur Zeit des SOCF, welcher dem Punkt B entspricht, wenn das Nadelventil 36 vollständig offen ist, hat die Charakteristik eines Kniepunktes zu einer Zeit, wenn das Beenden des Einspritzvorgangs erstmalig gemessen wird (das heißt wenn der piezoelektrische Aktuator 20 abgeschaltet wird), hat einen Wert eines lokalen Spannungstalminimums zur Zeit des EOCF entsprechend dem Punkt C und steigt von dem Wert des lokalen Spannungstalminimums zu einer EOI-Zeit, die dem Punkt D entspricht, was entweder eintreten kann, wenn die Sensorspannung ihren unbelasteten Spannungswert durchkreuzt auf ihrem Weg zu einem Wert eines lokalen Spannungsmaximums, welcher größer oder gleich dem unbelasteten Spannungswert (zum Beispiel größer oder gleich 0 Volt) in der Einspritzperiode ist, oder zu der Zeit, wenn ein Wert eines lokalen Spannungsmaximums nachdem der Zeitpunkt des Werts des lokalen Spannungstalminimums erreicht ist, falls der Wert des lokalen Spannungsmaximums kleiner ist als die unbelastete Spannungshöhe.
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4 zeigt eine Kurve 43 einer ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Kraftsensors zusammen mit der entsprechenden Kurve 39 des Verlaufs der Einspritzrate. Die Angaben S1 bis S6 auf der Kurve 43 der ausgegebenen Spannung der piezoelektrischen Kraft des piezoelektrischen Kraftsensors 28 entsprechen Zeitpunkten von Vorgängen von Einspritzcharakteristika und der Spannung, die durch den Sensor 28 zu diesen Punkten ausgegeben wird. Punkt S1 entspricht dem Zeitpunkt des Ereignisses oder des Vorgangs, wenn der Aktuator beginnt, den Hydraulikverstärker 34 zu drücken. Vor der Zeit S1 ist der piezoelektrische Aktuator 20 nicht eingeschaltet (unbelastet) und daher ist die Ausgabe des piezoelektrischen Kraftsensors 28 an seiner unbelasteten Spannungshöhe. Punkt S2 ist die maximale Spannung, die durch den piezoelektrischen Kraftsensor 28 ausgegeben wird und welche ungefähr 200 V bei dieser beispielhaften Ausführungsform beträgt, und tritt direkt ein, nachdem ein einschaltendes Signal zum Starten des Einspritzens (SOI) an den piezoelektrischen Aktuator 20 abgegeben wird. Der Zeitpunkt von S2 entspricht dem Zeitpunkt oder spiegelt den Zeitpunkt wieder von dem Nadelöffnen oder dem SOI, was auch dem dargestellten Punkt A auf der Kurve 39 des Verlaufs der Einspritzrate entspricht. Punkt S3 halt den Zeitpunkt fest, wenn der piezoelektrische Aktuator 20 abgeschaltet wird und der Aktuator beginnt, seine Kraft aus dem Hydraulikverstärker 34 zu ziehen, oder wenn er beginnt, sich zu entladen. Punkt S4 entspricht der Zeit, wenn sich die Nadel zu schließen beginnt, das heißt Punkt S4 hält das EOCF fest, welches dem Punkt C auf der Kurve 39 des Verlaufs der Einspritzrate entspricht. S5 entspricht der Zeit, wenn die Nadel vollständig geschlossen ist, das heißt es hält das Ende des Einspritzens bei D auf der Kurve 39 der Einspritzrate fest.
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Während 4 einen unbelasteten Spannungszustand von „0” Volt vor dem Belasten (Einschalten) des piezoelektrischen Aktuators 20 zeigt, kann das unbelastete oder nicht eingeschaltete Spannungsniveau der Kraftstoffeinspritzdüse 10 einen oder mehrere Spannungsniveauwerte innerhalb eines Bereichs von Werten um einen vorbestimmten unbelasteten Spannungswert betragen. Die Verwendung des Ausdrucks „ein Wert von 0” oder ein unbelasteter Wert bedeutet hier ein unbelasteter Zustand, in welchem keine Einspritzspannung angelegt wird, um den piezoelektrischen Aktuator 20 zum Einspritzen einzuschalten. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsformen bei einem unbelasteten Zustand das Spannungs-(oder Strom-)Niveau der Ausgabe des Sensors 28 vor der Zeit A verschieden von der unbelasteten Spannung zu der Zeit D sein, weil die Antwort des piezoelektrischen Kraftsensors 28 um den stabilen Zustand der unbelasteten Spannung oszillieren kann oder sich dem stabilen Zustand der unbelasteten Spannung in einer oszillatorischen und/oder gedämpften Weise annähern kann.
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Nun wird die Physik hinter dem Start des Einspritzens (SOI) entsprechend dem Punkt S2 auf der Kurve 43 der ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Sensors erklärt werden. Sobald sich das Nadelventil 36 öffnet, beginnt der Druck des Verstärkers zu fallen und die Spannung des piezoelektrischen Sensors beginnt geringer zu werden und dieser Vorgang ist SOI. Wenn sich das Nadelventil 36 zu öffnen beginnt, beginnt der Druck des Verstärkers zu fallen und die Spannung des piezoelektrischen Sensors beginnt sich umzukehren, was den SOI, der als S2 in 4 gezeigt ist, angibt.
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Während sich das Nadelventil 36 mehr und mehr öffnet, steigt die Kraftstoffzufuhr durch die Düse heraus und der Einspritzdüsenkörperdruck wird geringer. Die Spannung, die von dem piezoelektrischen Kraftsensor 28 ausgegeben wird, nimmt diese Änderungen im Körperdruck durch die Charakteristika der Kurve 43 der ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Sensors auf. Sobald sich die Kraftstoffzufuhr zu einem vollständig gebildeten, d. h. laminaren Strom beruhigt, erniedrigt sich der Einspritzdüsenkörperdruck und Gleiches gilt für die ausgegebene Spannung des piezoelektrischen Kraftsensors 28, was als die im Wesentlichen horizontale Region der Kurve 43 gezeigt ist.
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Wenn der Treiber den piezoelektrischen Aktuator 20 ausschaltet, beginnt die Kraft, die durch den Aktuator gedrückt wird, abzuebben und folglich beginnt die Gesamtkraft, die auf das Nadelventil 36 durch hydraulischen Druck wirkt, das Nadelventil 36 zu schließen. Das Ende des tassenförmigen Stroms, EOCF, kann aus der Signatur der ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Kraftsensors 28 als Punkt S4 in 4 vorhergesagt werden.
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5 ist ein Graph, welcher die Kurve 39 des Verlaufs der Einspritzrate, die Kurve 43 der ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Sensors und eine Stromkurve 45 des piezoelektrischen Aktuators 20 zeigt. 6 ist ein Prozessdiagramm eines beispielhaften Prozesses 60 zum Schätzen des EOCF. Wie in 6 gezeigt identifiziert der Prozess 62 den Zeitindex für das Tal des piezoelektrischen Stroms (für die minimale Stromhöhe während dem Entladen). In 5 ist das identifizierte Tal des piezoelektrischen Stroms bei Iv. Sodann wird in Prozess 64 ermöglicht, dass eine Wartezeit einer vorbestimmten Zeitdauer abläuft, die auf einer Funktion der Entladezeit (zum Beispiel Treiberabschaltzeit oder -abfall) des piezoelektrischen Aktuators 20 beruht. Bei einer beispielhaften Anwendung beträgt die Wartezeit um 50 μs. Im Prozess 66 beginnt eine Suche nach dem Tal (das heißt dem Wert des lokalen Minimums) der zurückgeführten Spannungskurve (das heißt der Kurve 43 der piezoelektrischen Spannung). Im Prozess 68 wird das EOCF der Zeit gleichgesetzt, wenn das lokale zurückgeführte Tal auftritt. Dies ist als Punkt S4 in der Kurve 43 der ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Sensors von 5 gezeigt, was dem Punkt C der Kurve 39 des Verlaufs der Einspritzrate entspricht. Zu dieser Zeit beginnt das Ventil 36 den Düsenstrom aus der Kraftstoffeinspritzdüse 10 heraus zu drosseln (das heißt es beginnt sich zu schließen). Obwohl zwei Täler in der Kurve 43 der (zurückgeführten) piezoelektrischen Spannung auftreten, ist zu verstehen, dass nur ein Tal an der zurückgeführten Spannung auftreten kann, wenn der piezoelektrische Aktuator 20 mit einer niedrigeren oder gleichen Frequenzrate, auf welche die Hydraulik der Einspritzdüse reagieren kann, entladen wird. Der obige Algorithmus funktioniert für dieses Szenario gut, außer dass keine Wartezeit erforderlich wäre.
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Während das Nadelventil 36 von seiner vollständig geöffneten Position zu der vollständig geschlossenen Position überschreitet, drosselt es die Düse oder drosselt den Strom an Kraftstoff. Als ein Ergebnis beginnt sich der Körperdruck der Einspritzdüse wieder herzustellen, wie folglich durch den ansteigenden Trend vom Punkt S4 zu dem EOI-Punkt S5 in der Kurve 43 der ausgegebenen Spannung des piezoelektrischen Sensors (das heißt im zurückgeführten Signal des Sensors) in den 4 und 5 gezeigt. Wie schnell oder langsam das Nadelventil 36 ist, um den Strom an eingespritztem Kraftstoff vollständig zu schließen, hängt von der Treiberabschaltzeit und dem Hydraulikdesign in der Kraftstoffeinspritzdüse 10 ab.
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7 zeigt einen beispielhaften Prozess 70 zum Schätzen des EOI der Kraftstoffeinspritzdüse 10. Beim Prozess 72, welcher bei dem Zeitindex von EOCF startet, wird eine Suche durchgeführt, um einen Wert eines lokalen Spannungsmaximums des zurückgeführten Signals des Sensors und dessen zugehörigen Zeitindex zu identifizieren. Beispielsweise wird bei einem Start ab dem Zeitindex des EOCF an dem Punkt S4 die ausgegebene Spannung des piezoelektrischen Kraftsensors abgesucht, um einen maximalen Spannungswert zu identifizieren, der sich in einem Zeitfenster einer vorbestimmten Größe befindet. Darauf bestimmt die Entscheidung 74, ob der identifizierte maximale Spannungswert kleiner ist als der unbelastete Spannungswert des piezoelektrischen Kraftsensors (zum Beispiel ein negativer Wert ist, wenn der unbelastete Spannungswert null oder kleiner ist). Wenn dies so ist, dann wird das Ende des Einspritzens, EOI, gleich dem Zeitindex des identifizierten maximalen Spannungswerts gesetzt. Wenn der identifizierte maximale Spannungswert größer oder gleich dem unbelasteten Spannungswert ist, wird EOI gleich dem Zeitindex des ersten Durchkreuzens des unbelasteten Spannungswerts des piezoelektrischen Kraftsensors nach dem Zeitindex des EOCF gesetzt, zum Beispiel dem ersten „Durchkreuzen von null” während einem vorbestimmten Zeitfenster. Die Schätzung der Zeit des EOI ist als der Zeitindex des Punktes S5 in 4 gezeigt, welcher sehr gut mit dem Zeitindex des Punktes D der Kurve 39 des Verlaufs der Einspritzrate übereinstimmt. Die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten S4 und S5 ist proportional zu der Bewegung des Nadelventils 36 während dem Schließen.
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Ein Überwachen der Zeit, die zwischen dem EOCF und dem EOI abgelaufen ist (das heißt die Zeit zwischen den Punkten S4 und S5, welche die Zeitdauer der Schließbewegung der Nadel angibt), stellt Informationen bereit, die verwendet werden können, um eine unbeabsichtigt lange Verzögerung des EOI festzustellen und möglicherweise Funktionstüchtigkeitszustände der Einspritzdüsenhardware zu diagnostizieren.
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Ein beispielhaftes Verfahren zum Schätzen des SOCF wird nun erklärt werden. Dieser Algorithmus kennt die Amplitudenänderung der Spannung des Sensors aufgrund des Schließens des Nadelventils 36, wie zuvor beschrieben. Weil die hydraulische Konfiguration der Einspritzdüse bekannt ist und das Ansteuerungsschema des Aktuators durch die ECU bekannt ist, ist folglich die Änderung der Spannung des Sensors aufgrund des Öffnens der Nadel proportional zu der Änderung in der Spannung des Sensors aufgrund des Schließens der Nadel. Die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten S4 und S5 wird um einen bekannten Verstärkungswert multipliziert und dann von dem Wert der positiven Spitze am Punkt S2 der ausgegebenen (zurückgeführten) Spannung des Kraftsensors subtrahiert. Dieser berechnete Spannungspunkt ist als Punkt S6 in 4 gezeigt. Der Zeitindex des Starts des tassenförmigen Stroms, SOCF, wird als der Zeitindex des berechneten Spannungspunktes S6 bestimmt.
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Die Höhe des tassenförmigen Stroms, HOCF, oder die Größe des Verlaufs der Einspritzrate variiert zudem abhängig von oder ist entsprechend dem Rail-Druck. Wenn der Rail-Druck ansteigt, steigt die Größe des HOCF an, was eine Untätigkeit der Einspritzdüse bewirkt, und folglich sinkt der Körperdruck der Einspritzdüse. Der piezoelektrische Kraftsensor 28 reagiert auf diesen fallenden Körperdruck und zeigt einen Spannungsabfall. Die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten S6 und S3 ist korreliert zu der Höhe des Verlaufs der Einspritzrate. Das heißt, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten S6 und S3 klein ist, dann wird die Verlaufshöhe der Rate, F in den 2 und 4, kleiner und umgekehrt.
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Wie man sehen kann, kann das ausgegebene Signal des piezoelektrischen Kraftsensors 28 von einem Vorhersagealgorithmus verwendet werden, um Einspritzvorgänge, wie den SOI und das EOI, vorherzusagen. 8 zeigt Ergebnisse von vorhergesagten und tatsächlichen SOI und EOI über eine Karte, das heißt einen Bereich, von Betriebsdrucken. Wie in 8 gezeigt, repräsentieren dunklere Punkte 82 vorhergesagte SOI und hellere Punkte 83 repräsentieren vorhergesagte EOI und die Linie 84 repräsentiert tatsächliche SOI und die Linie 85 repräsentiert tatsächliche EOI. Die Linien 86a, 86b auf den jeweiligen Seiten der Linie 84 der tatsächlichen SOI sowie die Linien 87a, 87b auf den jeweiligen Seiten der Linie 85 der tatsächlichen EOI repräsentieren jeweils eine Toleranzgrenze (+/–0,25° des Kurbelwellenwinkels) für die zugehörige Vorhersage. Wie man aus 8 sehen kann, wurden der Start und das Ende des Einspritzens gut von dem piezoelektrischen Kraftsensor 28 über den Bereich der Rail-Betriebsdrucke geschätzt.
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Der Verlauf der Einspritzrate kann als ein trapezförmiger Verlauf aus den vorhergesagten Zeitpunkten des SOI, SOCF, EOCF und des EOI sowie von dem Wert der HOCF konstruiert werden. Darauf kann die Kraftstoffzuführmenge berechnet werden durch Integrieren der Fläche unter dem rekonstruierten trapezförmigen Einspritzverlauf. Die Konstruktion des Verlaufs der Einspritzrate und die Schätzung der Kraftstoffzuführmenge sind in der 9 und der 10 für einen hohen Rail-Druck von 2.800 bar beziehungsweise einen niedrigen Rail-Druck von 700 bar gezeigt. Die trapezförmige Spur 92 in 9 und die trapezförmige Spur 94 in 10 repräsentieren vorhergesagte Verläufe der Rate für den jeweiligen Rail-Druck. Zudem sind in den 9 und 10 eine überlagerte Spur 96 beziehungsweise 98 von tatsächlichen Messungen des Verlaufs der Einspritzrate gezeigt. Die Konstruktion des Verlaufs der Einspritzrate und die Schätzung der Kraftstoffzuführmenge sind gut mit der tatsächlichen Messung vergleichbar, wie in der 9 und der 10 zu sehen ist.
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Wie in 11 gezeigt, repräsentiert jeder quadratische Punkt die tatsächliche Kraftstoffzuführmenge und jeder kreisförmige Punkt repräsentiert eine Schätzung der Kraftstoffzuführmenge, die einem Rail-Druck zugeordnet ist. Wie man sehen kann, zeigt 11 im Wesentlichen eine sehr gute Korrelation zwischen der tatsächlichen und der vorhergesagten eingespritzten Kraftstoffzuführmenge über den Bereich der Rail-Betriebsdrucke.
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Wie oben beschrieben, können Charakteristika der eingespritzten Kraftstoffzufuhr (Start/Ende des Einspritzens, Kraftstoffzuführmenge usw.) für ein piezoelektrisches Kraftstoffeinspritzsystem genau vorhergesagt werden. Basierend auf diesen Echtzeitschätzungen können Regelschleifen implementiert werden für einen oder mehrere Zustände, die ein unbeabsichtigtes Schwanken in dem Kraftstoffeinspritzsystem bewirken können, wie zum Beispiel Schwankungen in einem Hardware- und Betriebszustand oder Verschlechterung/Abnutzung. Beispielsweise kann eine Steuereinrichtung, wie zum Beispiel ein Motorensteuermodul (Englisch: Engine Control Module, ECM), welches auch eine Motorensteuereinheit genannt wird (Englisch: Engine Control Unit, ECU), oder eine andere Steuereinheit Software und/oder Hardware enthalten zum Durchführen des Vorhersagealgorithmus und kann weitere Module zum Steuern verschiedener Parameter des Motorenbetriebs enthalten. Die Steuereinheit des Motors kann das Signal erhalten, das von dem piezoelektrischen Kraftsensor ausgegeben wird, während sie die Kräfte und den Druck überwacht, die in der Kraftstoffeinspritzdüse während ihrem Betrieb erzeugt werden. Diese überwachten Signale können in einen Vorhersagealgorithmus eingegeben werden, der Vorhersagewerte von Charakteristika der Kraftstoffzufuhr bestimmt, wie zum Beispiel dem SOI, EOI, der Kraftstoffzufuhrrate, der Kraftstoffzufuhrmenge usw. Beispielsweise können vorhergesagte Werte, die von dem Algorithmus bestimmt werden, mit erwarteten Werten verglichen werden, die in einem Speicher gespeichert sind, oder mit Charakteristika von anderen Kraftstoffeinspritzdüsen des Verbrennungsmotors. Die Steuereinrichtung kann Anpassungen an den Betrieb bereitstellen, wie zum Beispiel Anpassungen des Zeitpunkts des Einspritzens, der Einspritzdauer und des Kraftstoffdruckniveaus, um eine Performanceaufforderung zu erfüllen. Zudem bieten geschätzte Charakteristika der Kraftstoffzufuhr eine Funktionstüchtigkeitsdiagnose in Echtzeit des piezoelektrischen Aktuatorstapels und der mechanischen Einspritzdüsenkomponenten.
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12 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Kraftstoffsystems 120, welches eine Steuereinrichtung 122 aufweist, die zum Implementieren der Steuerungsstrategie elektronisch betreibbar ist, was zum Beispiel das Ausführen von Logik/Anweisungen, das Überwachen von Zuständen des Motors, das Bestimmen von Werten/Zuständen und das Beherrschen und/oder Steuern von bestimmten Aspekten des Betriebs des Motors umfasst, zum Beispiel durch Steuern von bestimmten Motorenkomponenten wie zum Beispiel der Motorendrosselklappe, den Zeitpunkt des Kraftstoffeinspritzens und der Menge an Kraftstoff, die dem Motor zugeführt wird. Die elektronische Steuereinrichtung kann in Kommunikation mit verschiedenen Sensoren des Motors und/oder des Fahrzeugs stehen, wie zum Beispiel der Motorendrosselklappe, der Motorendrehzahl, der Motorentemperatur, der Motorenbelastung, der Drehzahl des Getriebes und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Steuereinrichtung 122 kann Programme ausführen, zum Beispiel die hierin beschriebenen Prozesse, um geschätzte Zeitpunkte des SOI, SOCF, EOCF, EOI und HOCF zu bestimmen oder berechnen, wie hierin beschrieben. Das Kraftstoffsystem 120 kann die Grenzwerte überprüfen, um die entsprechende(n) Zeitverzögerung(en) zu bestimmen oder zu berechnen, um die Kraftstoffeinspritzzeitpunkte und den Verlauf der Kraftstoffeinspritzrate zu steuern, während es Schwankungen kompensiert, die das Kraftstoffeinspritzen beeinflussen, wie zum Beispiel Herstellungstoleranzen, Umgebungsbedingungen, Verschlechterungen/Abnutzungen und Sensorschwankungen. Die Steuereinrichtung 120 kann als ein fest verbundenes Bestandteil eines Motorensteuermoduls (ECM), als eine von einem ECM getrennte Einheit oder als eine oder mehrere Steuereinrichtungen, die mit einem ECM kommunizieren, gebildet sein.
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Bei der beispielhaften Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, ist die Steuereinrichtung 122 getrennt von und in Kommunikation stehend mit einem ECM 124. Die Steuereinrichtung 122 umfasst einen Prozessor/Treiber 126, der in Kommunikation mit dem ECM 122 steht, und einen Speicher 128. Die Steuereinrichtung 120 steht auch in Kommunikation mit dem piezoelektrischen Aktuator 20, um den Aktuator aus- oder einzuschalten, und in Kommunikation mit dem piezoelektrischen Kraftsensor 28, um ein zurückgeführtes Spannungs- oder Stromsignal zu erhalten infolge eines Messens von Longitudinalkräften durch den Aktuator 20 und mechanischen und hydraulischen Kräften in dem Körper der Kraftstoffeinspritzdüse 10.
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Während hierin Ausführungsformen beschrieben sind, die einen piezoelektrischen Aktuator verwenden, kann der Aktuator der Kraftstoffeinspritzdüse stattdessen eine andere Art eines elektronisch steuerbaren Aktuators sein, wie zum Beispiel eine Spulenart oder magnetostriktive Art, um entweder direkt oder indirekt einige oder alle Aspekte der offenbarten Kraftstoffeinspritzvorgänge zu beeinflussen oder zu steuern.
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Obwohl hierin eine beschränkte Anzahl an beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, wird der Fachmann leicht erfassen, dass es Variationen zu beliebigen dieser Ausführungsformen geben kann und diese Variationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen würden. Es wird daher dem Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an dem hierin beschriebenen System und dem Verfahren durchgeführt werden können, ohne den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente zu verlassen.
