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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie
ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens, wenn
das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.
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Die
zunehmenden Anforderungen an direkteinspritzende Brennkraftmaschinen,
insbesondere Dieselmotoren bezüglich
Geräusch-
und Schadstoffemission erfordern eine sehr hohe Präzision der durch
das Einspritzsystem eingespritzten Kraftstoffmenge über die
gesamte Lebensdauer und in allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Durch
Fertigungstoleranzen, durch Verschleiß-/Alterungserscheinungen der
Brennkraftmaschine oder des Einspritzsystems der Brennkraftmaschine
und der gegenseitigen Beeinflussung im Falle von mehreren Einspritzungen,
nämlich
Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung, können die tatsächlichen
Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkte von den applizierten Sollwerten
stark abweichen. So werden beispielsweise Störungen durch Druckwellen hervorgerufen,
die durch eine erste Einspritzung ausgelöst werden und die während des
Zeitpunkts der zweiten Einspritzung im Einspritzsystem noch nicht
abgeklungen sind. Um diese Abweichungen zu reduzieren, sind aus
dem Stand der Technik verschiedene Korrekturverfahren bekannt. So
geht beispielsweise aus der
EP
1 303 693 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine hervor, bei welchem zur Druckwellenkorrektur
die bei einer zweiten Teileinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge
abhängig von
einer Druckgröße, die
den Kraftstoffdruck charakterisiert, der Kraftstoffmengengröße und einer weiteren
Größe korrigiert
wird. Diese weitere Größe kann
beispielsweise eine die Kraftstofftemperatur charakterisierende
Größe sein.
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Aus
der
DE 103 28 789
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
eines wenigstens zwei Einspritzelemente aufweisenden Einspritzsystems
einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei der ein Steuersignal,
welches die mittels der wenigstens zwei Einspritzelemente einzuspritzende Kraftstoffmenge
charakterisiert, in Abhängigkeit
von einer Druckwellenbeeinflussung der wenigstens zwei Teileinspritzungen
korrigiert wird, wobei hier vorgesehen ist, dass für die wenigstens
zwei Einspritzelemente eine kollektive Druckwellenkorrektur durchgeführt wird
und eine kollektive Korrekturfunktion ermittelt wird, dass individuelle
Kenngrößen der
wenigstens zwei Einspritzelemente erfasst werden und dass die kollektive
Korrekturfunktion mittels der erfassten individuellen Kenngrößen der
wenigstens zwei Einspritzgrößen amplitudenmoduliert
wird.
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Diese
Druckwellenkorrekturverfahren werden während der Applikationsphase
angewendet, wobei hier Korrekturfunktionen so bedatet werden, dass
z.B. gegenseitige Wechselwirkungen oder Störeinflüsse fest kompensiert werden.
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Darüber hinaus
sind andere Verfahren, wie die sogenannte Nullmengenkalibrierung
bekannt geworden, welche eine adaptive Änderung der Injektoransteuerwerte über die
Lebensdauer des Injektors und auf diese Weise Veränderungen
des Injektorverhaltens über
dessen Lebensdauer durch Adaptieren der Injektoransteuerwerte berücksichtigen.
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Durch
diese Verfahren wird eine deutliche Verringerung der Einspritztoleranzen
erreicht. Es gibt gleichwohl Betriebsbereiche, in denen erhebliche Streuungen
des Einspritzsystems auftreten. Diese Streuungen können durch
die beschriebenen Verfahren nicht ohne Weiteres korrigiert werden.
So ist beispielsweise die Streuung einer unmittelbar vor einer Haupteinspritzung
erfolgenden Voreinspritzung dann sehr groß, wenn vor dieser Voreinspritzung
eine weitere Voreinspritzung appliziert wird. Während hierbei die Menge der
ersten Voreinsprit zung sehr präzise bestimmt
werden kann, steigen die Toleranzen bei der zweiten Voreinspritzung
wegen den schwierig zu beherrschenden Druckschwingungen im Rail
und in den Injektorzuleitungen. Da die Druckschwingungen in der
Zuleitung und im Rail von vielen Einflussfaktoren abhängen, kann
ihr Einfluss auf die Einspritzmenge durch die während der Applikation bedatete Druckwellenkorrektur
nur unzureichend kompensiert werden, da nicht alle Einflussfaktoren
berücksichtigt werden
können.
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Problematisch
hierbei ist auch, dass die bekannte Druckwellenkorrektur keinen
Regelkreis, sondern nur eine Steuerung darstellt. Während der
Applikation erfolgt die Bedatung und im Serienfahrzeug wird später anhand
des aktuellen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine der Korrekturwert
berechnet, ohne die tatsächlich
anliegende Raildruckschwingung zu berücksichtigen, die von weiteren, nicht
erfassten Einflüssen
und nicht berücksichtigten bekannten
Betriebsbedingungen abhängt.
Hierdurch entstehen Zumessungsfehler, die wiederum zur Verschlechterung
der Emissionen und des Geräuschverhaltens
führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche erlaubt
demgegenüber
anstatt einer gesteuerten, ungenauen Korrektur der Druckschwingungen
eine Korrektur auf Basis der tatsächlich gemessenen Druckschwingungen
und damit eine deutlich bessere Zumessgenauigkeit vor allem kleiner Mengen,
die zu Zeiten eingespritzt werden, in denen noch Druckschwingungen
einer früheren
Einspritzung existieren. Hierzu wird bei einem Einspritzvorgang
wenigstens eine Größe, welche
eine durch die erste Teileinspritzung ausgelöste Druckwelle charakterisiert,
erfasst und bei einem darauffolgenden Einspritzvorgang der zeitliche
hydraulische Abstand der wenigstens einen zweiten Teileinspritzung
von der ersten Teileinspritzung so variiert, dass die zweite Einspritzung
bei einer vorgebbaren, die Druckwelle charakterisierenden Größe stattfindet.
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Grundidee
der Erfindung ist es, den hydraulischen zeitlichen Spritzabstand
zu bestimmen. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird
dagegen nur der elektrische Abstand zweier Einspritzungen anhand
beispielsweise eines Injektorsignals gemessen.
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Abhängig von
Toleranzen des Injektors ergibt sich daraus ein hydraulischer Abstand,
der unbekannt ist und einen deutlichen Einfluss auf die Mengengenauigkeit
der nachfolgenden Einspritzung hat. Da dieser hydraulische Spritzabstand
unbekannt ist, ist bisher auch keine online-Auswertung des Druckverlaufs
z.B. im Rail oder im Injektor möglich,
da eine sichere Erkennung des Beginns der nachgelagerten Einspritzung
aus den überlagerten
Druckwellen von erster Einspritzung, beispielsweise Voreinspritzung, und
zweiter Einspritzung, beispielsweise Haupteinspritzung, anhand eines
einzelnen Druckverlaufs nicht möglich
ist.
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Grundidee
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den hydraulischen Spritzabstand
zwischen zwei benachbarten Teileinspritzungen, beispielsweise zwischen
einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung, zu bestimmen
und den zeitlichen hydraulischen Abstand der einen zweiten Teileinspritzung
von der ersten Teileinspritzung so zu variieren, dass die zweite
Teileinspritzung bei einer vorgebbaren, definierten, die Druckwelle
charakterisierenden Größe stattfindet
und so beispielsweise eine Kompensation von Druckwellenschwingungen
und hierdurch eine Verbesserung der Zumessgenauigkeit erreicht wird.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch
angegebenen Vorrichtung möglich.
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Der
hydraulische Spritzabstand der zweiten Teileinspritzung und der
ersten Teileinspritzung wird vorteilhafterweise durch eine Fehleraufschaltung
auf ein dem Einspritzabstand charakterisierendes elektrisches Ansteuersignal
bei ansonsten unveränderten Einspritzparametern
vorgenommen.
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Diese
Fehleraufschaltung erfolgt bevorzugt dadurch, dass das den Abstand
charakterisierende elektrische Ansteuersignal bei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen
um jeweils kleine Werte variiert wird und aus dem Vergleich der
Druckschwingungen im Injektor der Einspritzbeginn und damit der
hydraulische Spritzabstand der zweiten Teileinspritzung von der
ersten Teileinspritzung bestimmt wird. Diese Bestimmung ist sehr
genau möglich,
da die Raildruckkurven bis zu diesem Zeitpunkt nur durch die erste Teileinspritzung
bestimmt werden und insoweit gleich sind. Der Spritzabstand wird
aus der Differenz des hydraulischen Einspritzbeginns der zweiten
Teileinspritzung von dem hydraulischen Spritzbeginn der ersten Teileinspritzung,
der auf diese Weise ebenfalls gut zu bestimmen ist, bestimmt.
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So
sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor,
dass eine Mehrzahl von die Druckwelle charakterisierenden Größen erfasst
wird. Bevorzugt wird der zeitliche Verlauf der Druckwelle vollständig während des
Betriebs der Brennkraftmaschine, d.h. online erfasst.
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Rein
prinzipiell kann zur Festlegung des Zeitpunkts der zweiten Einspritzung
jede beliebige, die Druckwelle charakterisierende Größe herangezogen werden.
Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass als die Druckwelle charakterisierende
Größe, bei
der die zweite Teileinspritzung erfolgt, eine oder mehrere folgenden
Größen herangezogen
werden: zeitliches Maximum, zeitliches Minimum, ein Nulldurchgang der
Druckwelle.
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Zur
Unterdrückung
von Störungen
können die
Druckverläufe
und/oder die berechneten zeitlichen Abstände der beiden Einspritzungen über mehrere
Arbeitsspiele ermittelt und gemittelt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
sehr vorteilhaft die Durchführung
einer Druckwellenkorrektur unabhängig
von der Anordnung eines Drucksensors im Einspritzsystem der Brennkraftmaschine.
Die Erfassung der wenigstens einen, die Druckwelle charakterisierenden
Größe muss
insbesondere nicht mithilfe eines Drucksensors am Injektor erfolgen.
Möglich
ist es auch, diese Größe mithilfe eines
in einer Druckleitung und/oder in einem Rail angeordneten Drucksensors
zu bestimmen. Durch Festlegung des zeitlichen Abstands der zweiten
Einspritzung von der ersten Einspritzung auf eine vorgebbare, die
Druckwelle charakterisierende Größe ist die
Reproduzierbarkeit auch bei einer Messung beispielsweise in der
Druckleitung gegeben, da sich die Druckwelle in der Druckleitung
und/oder im Rail im Wesentlichen immer gleich verhält.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines im Stand der Technik bekannten Common-Rail-Systems;
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2 die
Variation des Einspritzschemas mit einer ersten Voreinspritzung
und einer zweiten Voreinspritzung anhand entsprechender Ansteuersignale
eines Einspritzsystems gemäß vorliegender
Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
der 1 sind für
das Verständnis
der Erfindung erforderliche Bauteile eines hochdruckbasierten Kraftstoffeinspritzsystems
am Beispiel eines Common-Rail-Systems dargestellt. Mit 1 ist
ein Kraftstoffvorratsbehälter
bezeichnet. Der Kraftstoffvorratsbehälter steht zur Förderung
von Kraftstoff über einen
ersten Filter 5 sowie eine Vorförderpumpe 10 mit einem
zweiten Filter 15 in Verbindung. Vom zweiten Filter 15 aus
gelangt der Kraftstoff über
eine Leitung zu einer Hochdruckpumpe 25. Die Verbindungsleitung
zwischen dem zweiten Filter 15 und der Hochdruckpumpe 25 steht
ferner über
eine ein Niederdruckbegrenzungsventil 45 aufweisende Verbindungsleitung
mit dem Vorratsbehälter 1 in
Verbindung. Die Hochdruckpumpe 25 steht mit einem Rail 30 in
Verbindung. Das Rail 30 wird auch als (Hochdruck) Speicher
bezeichnet und steht wiederum über Kraftstoffleitungen
mit verschiedenen Injektoren 31 in druckleitender Verbindung. Über ein
Druckablassventil 35 ist das Rail 30 mit dem Kraftstoffvorratsbehälter 1 verbindbar.
Das Druckablassventil 35 ist mittels einer Spule 36 steuerbar.
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Die
Leitungen zwischen dem Ausgang der Hochdruckpumpe 25 und
dem Eingang des Druckablassventils 35 werden als „Hochdruckbereich" bezeichnet. In diesem
Bereich steht der Kraftstoff unter hohem Druck. Der Druck im Hochdruckbereich
wird mittels eines Sensors 40 erfasst. Die Leitungen zwischen
dem Kraftstoffvorratsbehälter 1 und
der Hochdruckpumpe 25 werden hingegen als „Niederdruckbereich" bezeichnet.
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Eine
Steuerung 60 beaufschlagt die Hochdruckpumpe 25 mit
einem Ansteuersignal AP, die Injektoren 31 jeweils mit
einem Ansteuersignal A und/oder das Druckablassventil 35 mit
einem Ansteuersignal AV. Die Steuerung 60 verarbeitet verschiedene
Signale unterschiedli cher Sensoren 65, die den Betriebszustand
der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeuges, welches von
dieser Brennkraftmaschine angetrieben wird, charakterisieren. Ein
solcher Betriebszustand ist beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine.
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Das in der 1 gezeigte
Einspritzsystem arbeitet wie folgt:
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Der
Kraftstoff, der sich im Kraftstoffvorratsbehälter 1 befindet, wird
mittels der Vorförderpumpe 10 durch
den ersten Filter 5 und den zweiten Filter 15 hindurchgefördert. Steigt
der Druck im genannten Niederdruckbereich auf unzulässig hohe
Weise an, so öffnet
das Niederdruckbegrenzungsventil 45 und gibt die Verbindung
zwischen dem Ausgang der Vorförderpumpe 10 und
dem Vorratsbehälter 1 frei.
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Die
Hochdruckpumpe 25 fördert
die Kraftstoffmenge Q1 vom Niederdruckbereich in den Hochdruckbereich.
Die Hochdruckpumpe 25 baut dabei im Rail 30 einen
sehr hohen Druck auf. Üblicherweise werden
bei Einspritzsystemen für
fremdgezündete Brennkraftmaschinen
maximale Druckwerte von etwa 30 bis 100 bar und bei selbstzündenden
Brennkraftmaschinen maximale Druckwerte von etwa 1000 bis 2000 bar
erzielt. Mittels der Injektoren 31 kann der Kraftstoff
damit unter hohem Druck den einzelnen Verbrennungsräumen (Zylindern)
der Brennkraftmaschine zugemessen werden.
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Mittels
des Sensors 40 wird der Druck P im Rail bzw. im Gesamthochdruckbereich
erfasst. Mittels der steuerbaren Hochdruckpumpe 25 und/oder des
Druckablassventils 35 wird der Druck im Hochdruckbereich
geregelt.
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Als
Vorförderpumpe 10 werden üblicherweise
Elektrokraftstoffpumpen eingesetzt. Für höhere Fördermengen, die insbesondere
bei Nutzkraftfahrzeugen erforderlich sind, können auch mehrere parallel
geschaltete Vorförderpumpen
eingesetzt werden.
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In
der 2 sind typische Ansteuerverläufe für einen Injektor im Falle zweier
Voreinspritzungen VE1 und VE2 dargestellt. Die beiden Signalverläufe repräsentieren
unterschiedliche zeitliche Ansteuerzustände, bei denen der zeitliche
Abstand zwischen den beiden Ansteuersignalen VE1, VE2 bzw. VE1* und
VE2* auf nachfolgend beschriebene Weise variiert wird.
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Im
Folgenden wird zunächst
die Bestimmung des hydraulischen Abstandes tdiff,hyd. der
beiden Einspritzungen VE1 und VE2 erläutert. Bei aus dem Stand der
Technik bekannten Verfahren wird nur ein den zeitlichen Abstand
der zweiten Teileinspritzung VE2 von der ersten Teileinspritzung
VE1 charakterisierendes elektrisches Signal tdiff,elektr. anhand
eines Injektorsignals gemessen. Abhängig von den Toleranzen der
Injektoren ergibt sich daraus ein zeitlicher Abstand der tatsächlichen
Einspritzung, nachfolgend kurz hydraulischer Abstand tdiff,hyd. genannt,
der unbekannt ist und einen deutlichen Einfluss auf die Mengengenauigkeit
der nachfolgenden Einspritzung VE2 hat.
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Grundidee
der Erfindung ist es nun, den hydraulischen Spritzabstand tdiff,hyd. zu bestimmen und diesen so zu variieren,
dass die zweite Teileinspritzung VE2 bei einer vorgebbaren, die
Druckwelle charakterisierenden Größe stattfindet, oder mit anderen Worten
so zu variieren, dass sie bei einer vorgebbaren, die Druckwelle
charakterisierenden Größe, welche
durch die erste Teileinspritzung VE1 ausgelöst wurde, stattfindet. Hierzu
wird auch wenigstens eine Größe, welche
eine durch die erste Teileinspritzung VE1 ausgelöste Druckwelle charakterisiert,
erfasst, wie weiter unten noch beschrieben wird.
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Zur
Identifikation des hydraulischen Abstands zwischen der ersten Voreinspritzung
VE1 und der zweiten Voreinspritzung VE2 wird dabei eine Fehleraufschaltung
auf das den Einspritzabstand charakterisierende (elektrische) Ansteuersignal tdiff,elektr. bei ansonsten gleichen Einspritzparametern vorgenommen.
Hierzu wird das den Abstand charakterisierende (elektrische) Ansteuersignal
tdiff,elektr. bei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten
um jeweils kleine Werte Δtdiff,elektr. variiert. Aus dem Vergleich,
der sich dabei ergebenen Druckschwingungen in dem Injektor kann
der Einspritzbeginn der zweiten Voreinspritzung VE2 sehr genau bestimmt
werden, da die Raildruckkurven bis zu diesem Zeitpunkt nur durch die
erste Voreinspritzung VE1 bestimmt werden und insoweit unverändert sind.
Aus der Differenz mit dem ebenfalls gut bestimmbaren Spritzbeginn
der ersten Voreinspritzung VE1 lässt
sich der hydraulische Abstand tdiff,hyd. zwischen
der ersten Voreinspritzung VE1 und der zweiten Voreinspritzung VE2
ermitteln. Hierbei ist zu bemerken, dass die Bestimmung nicht von der
Position des Drucksensors 40 abhängig ist. Abhängig von
der Position des Drucksensors 40, z.B. in der Druckleitung
oder im Rail, ergeben sich zwar unterschiedliche Zeiten, zu denen
die hydraulischen Spritzbeginne der ersten und zweiten Voreinspritzung
detektiert werden können.
Diese hängen
von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen zwischen dem Injektor
und dem Sensor ab. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit aber näherungsweise für die Druckwellen
der ersten Voreinspritzung VE1 gleich derjenigen für die zweite
Voreinspritzung VE2 ist, kann der hydraulische Spritzabstand ebenso
aus dem Signal der Drucksensoren an der Zuleitung zum Rail zum Injektor
oder mithilfe des Raildrucksensors 40 selbst bestimmt werden.
Eine Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses aufgrund der Dämpfung der
Druckschwingungen kann auf an sich bekannte Weise rechnerisch berücksichtigt
werden.
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Gemäß der Erfindung
wird nun nicht nur der Einspritzabstand tdiff während der
Applikation bestimmt, sondern auch wenigstens eine, die Druckwelle
zu diesem Zeitpunkt charakterisierende Eigenschaft, z.B. das erste
Minimum, der erste Nulldurchgang oder das erste Maximum usw. der
Druckwelle. Ein diese Eigenschaft charakterisierendes Signal wird
abgespeichert. Vorteilhafterweise wird der gesamte Druckverlauf über der
Zeit, d.h. die Charakteristik der Druckwelle komplett online erfasst
und gespeichert. Während
des Betriebs im Serienfahrzeug wird sodann nicht der zuvor applizierte
Abstand tdiff starr eingestellt, sondern
dieser Abstand wird variiert, das heißt, der Beginn der zweiten
Teileinspritzung VE2 wird so festgelegt, dass die zweite Teileinspritzung
bei einer vorgebbaren, die Druckwelle charakterisierenden Größe stattfindet,
beispielweise bei dem ersten Maximum oder dem ersten Minimum. Ist dies
mit dem Sollabstand tdiff nicht möglich, so
wird tdiff entsprechend durch eine Variation Δtdiff angepasst, derart, dass die applizierte
Lage des hydraulischen Einspritzbeginns der zweiten Teileinspritzung
VE2 im Verhältnis
zur Phasenlage, das heißt
zum gespeicherten Merkmal der Druckschwingung wiederhergestellt
wird. Die zweite Teileinspritzung VE2 findet demgemäß bei einem
hinsichtlich der Amplitude und Phasenlage der Druckwelle vorgegebenen
Zeitpunkt statt und ist so auf sehr präzise Weise reproduzierbar,
wobei hierdurch ebenfalls eine hochgenaue Druckwellenkorrektur möglich ist.
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Wird
die Druckschwingung direkt im Injektor gemessen, so entsprechen
die gemessenen Druckwerte den Werten, die für die Einspritzung bestimmend
sind. Wird die Druckschwingung dagegen in der Zuleitung oder in
dem Rail gemessen, durch die Anordnung des Sensors 40 im Hochdruckbereich, wie
in 1 dargestellt, ist dies zwar nicht der Fall. Da
jedoch die durch die erste Voreinspritzung VE1 und die durch die
zweite Voreinspritzung VE2 verursachten Druckwellen beide durch
das „Übertragungssystem
vom Injektor zum Drucksensor" gleich verändert werden,
bleiben Merkmale, die auf der relativen Auswertung zwischen die sen
beiden Druckwellen basieren, wie oben bereits erwähnt, bestehen. Wenn
daher der unter Applikationsbedingungen im Rail bei einem bestimmten
Merkmal der durch die erste Teileinspritzung VE1 ausgelösten Druckwelle gemessene
Spritzbeginn der zweiten Teileinspritzung VE2 zur gewünschten
zweiten Teileinspritzung VE2 führt,
so führt
auch bei geänderten
Umgebungsbedingungen ein auf dieses Merkmal der Druckwelle der ersten
Voreinspritzung VE1 adaptierter hydraulischer Spritzbeginn der zweiten
Voreinspritzung VE2 ebenfalls zur gewünschten Einspritzmenge der
zweiten Voreinspritzung VE2. Das vorbeschriebene Verfahren ermöglicht demnach
eine hochpräzise
Bestimmung der durch die Druckwelle der ersten Voreinspritzung VE1
hervorgerufenen Änderungen
der eingespritzten Menge der zweiten Teileinspritzung VE2.