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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach der Gattung
der unabhängigen Ansprüche 1 und 5.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie
ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem
maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung
des Verfahrens.
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Aus
der
EP 1 138 910 A1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines piezoelektrischen
Elements bekannt geworden, wobei das piezoelektrische Element anfänglich
durch Anlegen eines Polarisationsspannungssignals vor einer Kraftstoffeinspritzaktion
polarisiert wird. Die anfängliche Polarisation wird hierbei
je nach einer Temperatur des piezoelektrischen Elements ausgeführt.
Dieses Verfahren und die Vorrichtung lösen die Aufgabe, eine
erforderliche remanente Polarisation des piezoelektrischen Elements
vor einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion wieder herzustellen.
Hierdurch werden optimale Bedingungen in Verbindung mit Abgasemissionen,
Geräuschen und dem Motordrehmoment sowie die gleichzeitige
Sicherstellung eines optimalen Starts und eines gleichförmigen
Polarisationszustands des piezoelektrischen Elements sichergestellt.
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Die
anfängliche Polarisation dient auch dazu bei derartigen
Piezoinjektoren, die in Common-Rail-Systemen zum Einsatz kommen,
einen Raildruckeinbruch während eines Motorkaltstarts zu verhindern.
Durch die Polarisation wird das piezoelektrische Element des Injektors,
das heißt der Stack des Injektors, gewissermaßen
konditioniert. Die den Einspritzvorgang bewirkende temperaturabhängige Längenänderung
erfolgt in diesem Falle nach der anfänglichen Polarisation.
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Bei
einem Common-Rail-System mit einem Ein-Wege-Druckhalteventil kann
nun der Nebeneffekt auftreten, dass sich im Rücklauf der
Injektoren während der Abkühlungsphase ein Unterdruck
aufbaut, der durch die Dichtheit des Ein-Wege-Druckhalteventils
verursacht wird. Wird nun das piezoelektrische Element angesteuert,
so führen derartige Polarisierungsansteuerungen in Verbindung
mit diesem Unterdruck dazu, dass nachfolgende Einspritzungen möglicherweise
nicht stattfinden, obwohl die Injektoren korrekt angesteuert werden.
Solche ausfallenden Einspritzungen bewirken einen nachteiligen Lauf
der Brennkraftmaschine, erhöhte Geräuschemissionen sowie
verschlechterte Abgasemissionen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, diese störenden Nebeneffekte
der beschriebenen Polarisierungsfunktion bei derartigen Common-Rail-Systemen
mit Druckhalteventilen zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
1 und 5 lösen diese Aufgabe dadurch, dass die anfängliche
Polarisation erst dann durchgeführt wird, wenn die Drehzahl
der Brennkraftmaschine einen vorgebbaren Wert überschreitet.
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Durch
die drehzahlabhängige Aktivierung der Polarisation wird
die Zeitspanne zwischen der Aktivierung der Polarisation und dem
eigentlichen Start der Brennkraftmaschine kurz und unabhängig vom
Einfluss des Fahrers gestaltet. Insbesondere wird der Start nicht verzögert,
weil das Anwachsen der Drehzahl parallel zum Druckaufbau im Rail
und der Synchronisation der Piezoinjektoren stattfindet. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung wird auf diese Weise sehr vorteilhaft die Wartezeit
zwischen der Polarisation und dem Motorstart verkleinert.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen
des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens
sowie vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen
Anspruch 5 angegebenen Vorrichtung möglich.
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So
sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass im Falle
der anfänglichen Polarisierung ein die Polarisierung kennzeichnender
Eintrag in einem Speicher vorgenommen wird, der zurückgesetzt
wird, wenn der Startvorgang der Brennkraftmaschine abgeschlossen
ist. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass mehrere Polarisierungen
bis zum Start der Brennkraftmaschine vermieden werden. Eine derartige
Mehrzahl von Polarisierungen bis zum Start der Brennkraftmaschine
kann nämlich dazu führen, dass trotz richtiger
Ansteuerung der Injektoren keine Einspritzungen stattfinden, was
aus den oben genannten Gründen für den Lauf der
Brennkraftmaschine aber auch für deren Emissionsverhalten
außerordentlich nachteilig ist.
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Vorteilhafterweise
ist als Speicher ein EEPROM vorgesehen, welcher einen einfachen
Eintrag und ein einfaches Zurücksetzen ohne Weiteres ermöglicht.
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Auf
einen abgeschlossenen Startvorgang der Brennkraftmaschine wird vorteilhafterweise
dann geschlossen, wenn die Brennkraftmaschine charakterisierende
Betriebsgrößen oder Steuergrößen
vorgebbare Werte überschritten haben. So kann beispielsweise
die Zeit, die vom Start der Brennkraftmaschine vergangen ist, erfasst
werden und auf einen Abschluss des Startvorgangs geschlossen werden, wenn
eine vorgebbare Zeitdauer überschritten ist, oder es kann
die Drehzahl erfasst werden und auf einen Startvorgang geschlossen
werden, wenn eine vorgebbare Leerlaufdrehzahl erreicht ist, oder
es können die Einspritzmenge und/oder die Einspritzzeit der
Injektoren erfasst werden und aus diesen Größen auf
einen abgeschlossen Startvorgang geschlossen werden.
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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 schematisch
ein Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 ein
aus dem Stand der Technik bekannter Injektor mit einem piezoelektrischen
Element zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Bei
einem Kraftstoffeinspritzsystem zur Versorgung einer nur schematisch
dargestellten selbstzündenden Brennkraftmaschine 115,
dargestellt in 1, wird Kraftstoff aus einem
hier nicht dargestellten Kraftstoffvorratsbehälter über
eine Kraftstoffzuleitung 101 einer Vorförderpumpe 102 zugeführt.
In der Vorförderpumpe 102 wird der Kraftstoff
vorverdichtet und weiter über eine Niederdruckleitung 103 einer Hochdruckpumpe 104 zugeführt,
in der der Kraftstoff auf den Hochdruckspeicherdruck verdichtet
und einem Hochdruckspeicher 105 zugeführt wird.
Der zum Betrieb der Brennkraftmaschine 115, die mehrere Brennräume 114,
im gezeigten Falle sechs Brennräume 114, umfasst,
erforderliche Druck im Hochdruckspeicher 105 liegt im Bereich
von 100 bis 2000 bar. Aus dem Hochdruckspeicher 105 wird
der Kraftstoff über eine Hochdruckleitung 106 Injektoren 107 zugeführt.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das in 1 dargestellte
Kraftstoffeinspritzsystem mit sechs Injektoren 107 einer
Brennkraftmaschine 115 mit sechs Brennräumen 114 beschränkt ist,
sondern auch bei Brennkraftmaschinen mit einer anderen Anzahl von
Brennräumen, beispielsweise vier Brennräumen oder
acht Brennräumen und dergleichen einsetzbar ist.
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Der
für den Betrieb der Injektoren 107 erforderliche
Kraftstoff, der nicht in den Brennraum 114 der Brennkraftmaschine 115 eingespritzt
wird, wird über Injektorrücklauf leitungen 108 einem
Niederdruckspeicher 109 zugeführt. Der Druck im
Niederdruckspeicher 109 wird so gehalten, dass ein sicherer
Betrieb der Injektoren 107 gewährleistet ist.
Insbesondere beim Einsatz von piezogesteuerten Injektoren 107,
wie es vorliegend der Fall ist, ist zum sicheren Betrieb über
den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 115 ein
Gegendruck am nachfolgend in Verbindung mit 2 beschriebenen hydraulischen
Koppler des Injektors 107 zwischen 5 bar und 10 bar erforderlich.
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Ein
konstanter Druck im Niederdruckspeicher 109 wird dadurch
erreicht, dass der Niederdruckspeicher 109 durch ein Druckhalteventil 111 abgeschlossen
ist. Bei Überschreiten des Öffnungsdrucks des
Druckhalteventils 111 öffnet das Druckhalteventil 111 und
Kraftstoff strömt über einen Niederdruckrücklauf über
die Niederdruckleitung 113 zurück in die Niederdruckleitung 103.
Sobald aus dem Niederdruckspeicher 109 soviel Kraftstoff
abgelaufen ist, dass der Öffnungsdruck des Druckhalteventils 111 unterschritten
wird, schließt das Druckhalteventil 111 wieder.
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Um
bei kontinuierlicher Förderung von Kraftstoff durch die
Hochdruckpumpe 104 den Druck im Hochdruckspeicher 105 konstant
zu halten, ist der Hochdruckspeicher 105 durch ein Druckregelventil 110 abgeschlossen.
Sobald der Druck im Hochdruckspeicher 105 den Öffnungsdruck
des Druckregelventils 110 übersteigt, öffnet
das Druckregelventil 110 und Kraftstoff läuft über
eine Rücklaufleitung 112 zurück in den
Kraftstoffvorratsbehälter. Alternativ sind auch Systeme
mit steuerbarer Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe 104 bekannt,
bei denen die Druckregelung im Hochdruckspeicher 105 durch Variationen
der Pumpenförderung erfolgt und infolge dessen auf ein
Druckregelventil 110 verzichtet werden kann.
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In 2 ist
die schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten
Einspritzventils in Form eines Injektors 107 mit einer
zentralen Bohrung gezeigt. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 203 mit
einem piezoelektrischen Aktor 202 in die zentrale Bohrung
eingebracht, wobei der Stellkolben 203 mit dem Aktor 202 fest
verbunden ist. Der Stellkolben 203 schließt nach
oben hin einen hydraulischen Kopf 204 ab, während
nach unten eine Öffnung mit einem Verbindungskanal zu einem
ersten Sitz 206 vorgesehen ist, in dem ein Kolben 205 mit
einem Ventilschließglied 212 angeordnet ist.
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Das
Ventilschließglied 212 ist als doppelschließendes
Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 206,
wenn der Aktor 202 in Ruhephase ist. Bei Betätigung
des Aktors 202, das heißt beim Anlegen einer Ansteuerspannung
U an die Klemmen +, – betätigt der Aktor 202 den
Stellkolben 203 und drückt über den hydraulischen
Koppler 204 den Kolben 205 mit dem Ventilschließglied 212 in Richtung
auf einen zweiten Sitz 207. Unterhalb des zweiten Sitzes 207 ist
in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 211 angeordnet,
die den Auslauf in einem Hochdruck-(Common-Rail-Druck)-Kanal 213 schließt
oder öffnet, je nachdem, welche Ansteuerspannung U anliegt.
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Der
Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium, also den Kraftstoff über
einen Zulauf 209 zugeführt, über eine
Zulaufdrossel 208 und eine Ablaufdrossel 210 wird
die Zuflussmenge des Mediums in Richtung der Düsennadel 211 und
des hydraulischen Kopplers 204 gesteuert. Der hydraulische Koppler 204 hat
dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 205 zu
verstärken und andererseits das Steuerventil von den statischen
Temperaturdehnungen des Aktors 202 zu entkoppeln.
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Die
Wiederbefüllung des Kopplers 204 ist in 2 nur
schematisch dargestellt. Der Koppler 204 wird während
des Betriebs mit Kraftstoff über eine Leitung 214 befüllt.
Aufgrund von Leckagen im Koppler 204 während der
Einspritzung muss dieser nämlich ständig wiederbefüllt
werden. Durch ein Druckhalteventil 215, das in 1 dem
Druckhalteventil 111 entspricht, wird im Koppler 204 ein
Druck P1, der so genannte Kopplerdruck, erzeugt. Dieser Druck beträgt – wie
oben bereits erwähnt – zwischen 5 bar und 10 bar.
Wie aus 1 ersichtlich, werden alle derartigen
Injektoren 107 der Brennkraftmaschine 115 (siehe 1)
mit dieser Druckhalteeinrichtung in Form des Druckhalteventils 111 betrieben.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise dieses Einspritzventils 107 näher
erläutert. Bei jeder Ansteuerung des Aktors 202 wird
der Stellkolben 203 in Richtung des hydraulischen Kopplers 204 bewegt. Dabei
bewegt sich auch der Kolben 205 mit dem Ventilschließglied 212 in
Richtung des zweiten Sitzes 207. Über Leckspalte
wird dabei ein Teil des im hydraulischen Koppler 204 befindlichen
Mediums, also des Kraftstoffs, herausgedrückt. Der hydraulische Koppler 204 muss
daher – wie vorstehend bereits er wähnt – zwischen
zwei Einspritzungen wiederbefüllt werden, um seine Funktionssicherheit
zu erhalten.
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Über
den Zulaufkanal 209 herrscht ein hoher Druck, der zwischen
100 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 211 und
hält sie geschlossen, sodass kein Kraftstoff austreten
kann. Wird nun infolge der Ansteuerspannung U der Aktor 202 betätigt
und damit das Ventilschließglied 212 in Richtung
des zweiten Sitzes 207 bewegt, baut sich der Druck im Hochdruckbereich
ab und die Düsennadel 211 gibt den Einspritzkanal
frei.
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Wenn
nun das Druckhalteventil 111 als Ein-Wege-Druckhalteventil
ausgebildet ist, kann sich im Rücklauf der Injektoren 107 während
der Abkühlungsphase ein Unterdruck aufbauen. Die Ursache hierfür
ist die Dichtheit des Ein-Wege-Druckhalteventils 111. Nachfolgende
Polarisierungsansteuerungen der Injektoren 107 in Verbindung
mit diesem Unterdruck führen nun dazu, dass nachfolgende
Einspritzungen nicht stattfinden, obwohl die Injektoren 107 korrekt
angesteuert werden. Dies wiederum führt zu nachteiligen
Verbrennungsvorgängen sowie nachteiligen Schall- und Schadstoffemissionen
der Brennkraftmaschine 115.
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Um
derartige Nachteile zu vermeiden, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen,
die Polarisierung der piezoelektrischen Elemente 202 der
Injektoren 107 erst dann zu aktivieren, wenn die Drehzahl
n der Brennkraftmaschine 115 eine bestimmte Schwelle erreicht
hat.
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Hierzu
wird die Drehzahl n durch einen Sensor 117 oder durch eine
entsprechende Routine erfasst und einem Steuergerät 119 zugeführt.
In dem Steuergerät 119 findet ein Vergleich der
Drehzahl n mit einer vorgebbaren Drehzahlschwelle statt. Ist die Schwelle überschritten,
erfolgt die Ansteuerung der Injektoren 107 über
entsprechende elektrische Leitungen 171, 172, 173, 174, 175, 176 derart,
dass eine Polarisation des piezoelektrischen Elements 202 aktiviert
wird. Durch diese drehzahlabhängige Polarisation wird auf
sehr vorteilhafte Weise die Zeitspanne zwischen der Aktivierung
der Polarisierung und dem Start der Brennkraftmaschine 115 kurz
und unabhängig vom Einfluss des Fahrers gehalten. Die Polarisation
in Abhängigkeit von der Drehzahl verzögert insbesondere
den Start der Brennkraftmaschine nicht, weil dieser Vorgang parallel
zum Druckaufbau im Rail 105 und zur Synchronisation der
Injektoren 107 stattfindet.
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Um
nun mehrere Polarisierungen vor dem Start zu vermeiden, wird die
Aktivierung der anfänglichen Polarisierung durch einen
die Polarisierung kennzeichnenden Eintrag in einem Speicher der Brennkraftmaschine 119,
insbesondere in einem EEPROM 118, gespeichert. Sobald der
Startvorgang der Brennkraftmaschine 115 abgeschlossen ist,
wird dieser Eintrag oder dieses Flag zurückgesetzt. Den Abschluss
des Startvorgangs erkennen die erfindungsgemäße
Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise durch Vergleich der Drehzahl n mit einer weiteren
vorgebbaren Drehzahlschwelle, die für einen Abschluss des
Startvorgangs der Brennkraftmaschine 115 charakteristisch
ist und zuvor bestimmt wird, oder durch Ablauf einer vorgebbaren
Zeitdauer, die charakteristisch ist für einen Startvorgang
der Brennkraftmaschine 115, oder durch Erfassen der Einspritzmengen
und/oder der Einspritzzeiten der Injektoren 107 und Vergleich
mit Werten, die auf einen normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 115 schließen
lassen und zuvor festgelegt wurden.
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Durch
das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden auf
sehr vorteilhafte Weise die Wartezeiten zwischen der anfänglichen
Polarisierung und dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine
wesentlich verkürzt. Es werden darüber hinaus
mehrere Polarisierungen bis zu dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine,
die dazu führen können, dass keine weiteren Einspritzungen
stattfinden können, vermieden.
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Das
Verfahren kann durch Implementierung eines entsprechenden Computerprogramms
in einem Computer, den das Steuergerät 115 beinhaltet oder
das Steuergerät 119 selbst bildet, realisiert
werden. Ein solches Programm kann auf einem Computerprogrammprodukt
mit einem Programmcode, der das vorstehend beschriebene Verfahren
repräsentiert, gespeichert sein. Auf diese Weise kann es
auch nachträglich in ein Steuergeräteprogramm
eingespielt werden und so bestehende Steuerungen entsprechend erweitert
werden. Das vorstehend beschriebene Verfahren kann aber auch durch
diskrete Schaltungseinheiten realisiert werden, die Teil des Steuergerätes 119 sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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