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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der von einer Hochdruckpumpe
eines Einspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Einspritzsystems
geförderten
Kraftstoffmenge sowie eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine,
die ein solches Verfahren anwendet.
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Bekannte
Common-Rail-Einspritzanlagen umfassen ein Volumenstromregelventil,
das die Menge des Kraftstoffs regelt, der einer Hochdruckpumpe zugeführt wird
und von dieser in einen Druckspeicher (Common Rail) gepumpt wird.
Der Kraftstoff aus dem Common Rail wird Injektoren mit Einspritzdüsen zugeführt, die
Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen.
Der Druck bei der Einspritzung wird über den Volumenstrom durch
die Hochdruckpumpe geregelt bzw. gesteuert.
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Die
genaue Menge des von der Hochdruckpumpe (HPP) in den Druckspeicher
bzw. das Common Rail geförderten
Kraftstoffvolumens ist im Normalbetrieb eines Fahrzeugs eine schwer
zu bestimmende Größe. Für bestimmte
Applikationen, insbesondere für
eine mengenbasierte Druckregelung muss diese Größe jedoch bekannt sein. Im
Stand der Technik sind üblicherweise
Kennlinien gespeichert, die zur Bestimmung des Kraftstoffvolumens
verwendet werden. Aufgrund von Bauteiletoleranzen stimmen diese
mit den realen Verhältnissen
jedoch oft nur ungenügend überein.
Vielfach muss der Volumenstrom der Pumpe QHPP deshalb
durch Messung bestimmt werden. Insbesondere wird eine solche Messung
im Rahmen von Adaptionsverfahren in Motorsteuergeräten verwendet.
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Für eine direkte
Messung des von der Pumpe geförderten
Kraftstoffvolumens ist im Fahrzeug üblicherweise kein Sensor vorhanden.
Es lässt
sich jedoch das geförderte
Kraftstoffvolumen QHPP indirekt über eine
Auswertung des Druckverlaufs ermitteln, da das in ein Common Rail
gepumpte Kraftstoff-Volumen den dort herrschenden Kraftstoffdruck
beeinflusst. Bei einer solchen Auswertung treten jedoch Schwierigkeiten
auf, die darin begründet
sind, dass der Raildruck konstruktionsbedingt in der Regel gewisse
Pulsationen aufweist. Druckabfälle
werden hauptsächlich
durch Einspritzungen verursacht und dauern typischerweise nur eine
bis wenige Millisekunden. Druckanstiege werden von der Hochdruckpumpe
verursacht. Da deren Kolben zumeist nur teilweise gefüllt sind, überlappen
auch die entsprechenden Druckanstiegsprofile nicht, sondern verursachen nur
kurze isolierte Druckanstiege. Aufgrund dieser nicht kontinuierlichen
Zu- und Abflüsse
zeigt der resultierende Raildruck konstruktionsbedingt signifikante
periodische Schwankungen um seinen Mittelwert. Messungen des Raildrucks
erfordern deshalb gewisse Filterungsverfahren, mit deren Hilfe aus
einer größeren Anzahl
individueller Druckmessungen ein gemittelter Raildruck berechnet
wird. Hierfür
sind jedoch über
längere
Zeiträume
stabile Druckverhältnisse
notwendig. Insbesondere muss der Sollwert lange genug konstant sein,
damit der Druckregler einen ausreichend stabilen Raildruck einregeln
kann.
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In
einem betriebsinternen Stand der Technik werden derzeit, wie schon
ausgeführt,
Schwankungen des Raildrucks zumeist durch eine Mittelung über mehrere
Messpunkte berücksichtigt.
Im Idealfall lässt
sich hierdurch der Mittelwert des oszillierenden Drucks berechnen.
Dies setzt jedoch voraus, dass eine Messung über ein genügend langen Zeitraum unter
genügend
stabilen Druck- bzw. Mengenverhältnissen
stattfinden kann. Ist der Kraftstoffdruck genügend stabil auf einen konstanten
Sollwert eingeregelt, so gilt für
den mittleren Kraftstoffdruck p die Gleichung: dP/dt = 0 (1)
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Aus
der physikalischen Beziehung: dP/dt
= E/V·Q (2)folgt Q = 0 (3),d.
h. die Summe der Zu- und Abflüsse
ist 0. Dabei sind E der Kompressionsmodul, V das Volumen des Hochdruckbereichs
bzw. des Common Rail und Q der gesamte Kraftstoff-Volumenstrom in
das Rail. Üblicherweise
sind der Kompressionsmodul E des Kraftstoffs und das Hochdruckvolumen
V bekannte Größen.
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In
einem Common-Rail-System mit geschlossenem oder nicht vorhandenem
Druckregelventil wird der Gesamtvolumenstrom typischerweise aus
vier Anteile gebildet, dem Zufluss aus der Hochdruckpumpe QHPP, der in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge
QINJ, der Injektor-Schaltleckage QSL und einer Dauerleckage QCL.
Somit gilt: Q = QHPP – QINJ – QSL - QCL (4)
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Aus
Gleichung (3) ergibt sich dann: QHPP = QINJ + QSL + QCL (5)
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Da
die drei Abflüsse,
die Einspritzmenge QINJ, die Schaltleckage
QSL und die Dauerleckage QCL in
der Regel ausreichend genau bekannt sind, lässt sich aus der Gleichung
(5) der Volumenstrom der Hochdruckpumpe QHPP berechnen.
Dabei schlagen sich jedoch Ungenauigkeiten in der Einspritzmenge QINJ, der Schaltleckage QSL oder
der Dauerleckage QCL unmittelbar in Ungenauigkeiten
im Volumenstrom der Hochdruckpumpe QHPP nieder.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung
der von einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckbereich eines Einspritzsystems
geförderten
Kraftstoffmenge und eine Einspritzanlage, die ein solches Verfahren
beinhaltet, zu schaffen, mit denen die geförderte Kraftstoffmenge schnell
und genau bestimmt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des entsprechenden
Nebenanspruchs mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
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Dadurch,
dass der Kraftstoffdruck vor und nach einem pumpenbedingten Druckanstieg
gemessen wird und aus der bekannten Bilanzgleichung die geförderte Kraftstoffmenge
der Hochdruckpumpe für das
vorgegebene Zeitintervall berechnet wird, wobei ΔP die Druckdifferenz des vor
und nach dem pumpenbedingten Druckanstieg gemessenen Drucks, ΔVINJ das in diesem Zeitintervall eingespritzte
Kraftstoffvolumen, ΔVSL das in dem Zeitintervall auftretende Volumen
der Schaltleckage und ΔVCL das in dem Zeitintervall auftretende Volumen
der Dauerleckage sind, kann eine sehr schnelle Messung und Berechnung
der Pumpenförderung
durchgeführt
werden. Ein konstanter eingeregelter Druck ist somit keine zwingende
Voraussetzung mehr. Die Messung der Pumpen-Fördermenge kann kolbenspezifisch
erfolgen, wobei dies sowohl für
die Korrekturen der Einspritzmenge als auch für Zwecke der Pumpen-Diagnose
von Bedeutung ist. Wegen des kurzen Messintervalls fällt die
Dauerleckage weniger ins Gewicht und kann das Ergebnis weniger stark
verfälschen. Die
Messungen und Berechnungen der geförderten Kraftstoffmenge sind
auch in transienten Phasen möglich.
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Fällt in das
Zeitintervall zwischen der Messung vor und nach einem Druckanstieg
keine Einspritzung wirken sich dann die Ungenauigkeiten in dem Einspritzvolumen
QINJ und dem Volumen der Schaltleckage QSL nicht auf das Ergebnis aus.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Vorteilhaft
ist, die Druckmessungen mit einer Abtastrate vorzunehmen, die die
Erfassung der zyklischen Abfolge von einspritzungs-bedingten Druckeinbrüchen und
von der Hoch druckpumpe verursachen Druckanstiegen gestattet. Auf
diese Weise kann eine Feinstruktur des Raildrucks bestimmt werden.
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Eine
vorteilhafte Abtastrate ist größer als
1 Abtastung pro 2 ms, vorzugsweise liegt sie im Bereich von einer
noch besser von mehreren Abtastungen pro 1 ms.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im Folgenden unter Heranziehung der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung von wesentlichen Teilen einer Common-Rail-Einspritzanlage,
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2 eine
Kurve des Drucks im Hochdruckbereich bzw. im Rail über die
Zeit bei Millisekunden-Abtastung.
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In 1 sind
die zur Erläuterung
der Erfindung wesentlichen Teile einer Common-Rail-Einspritzanlage
dargestellt. Die Einspritzanlage umfasst unter anderem eine mit
einem Kraftstofftank 1 in Verbindung stehende Hochdruckpumpe 2,
die eine Kraftstoffmenge QHPP fördert. Die
Hochdruckpumpe 2 liefert den Kraftstoff an einen mit Common
Rail bezeichneten Druckspeicher 3. Der Druckspeicher 3 ist mit
Injektoren 5 verbunden, von denen zwei dargestellt sind
und die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen.
Aus dem Druckspeicher 3 mit dem Volumen V wird an die Injektoren 5 eine
Kraftstoffmenge geliefert, die sich aus dem Volumenstrom QINJ, der einzuspritzenden Kraftstoffmenge
entsprechend, und der Leckagemenge aus Dauerleckage QCL und
der während
der Einspritzung über
die Injektoren 5 abströmenden
Schaltleckage QSL, zusammensetzt. Diese
Leckagemengen, fließen,
wie vereinfacht dargestellt, in den Kraftstofftank 1 zurück.
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Bekannterweise
werden die Injektoren 5 durch eine Motorsteuer- und Regeleinheit 4,
das Steuergerät,
angesteuert, die gleichfalls das Signal eines den Druck im Druckspeicher 3 messenden Drucksensors 6 empfängt und
auswertet. In der Zeichnung ist die Steuer- und Regeleinheit 4 nur
in Hinblick auf den Drucksensor 6 angedeutet, sie steuert
in bekannter Weise die verschiedenen Bestandteile der Einspritzanlage,
wobei die weiteren für
die Steuerung der Einspritzung notwendigen Parameter von entsprechenden
Sensoren geliefert werden.
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In 2 ist
der Verlauf des Raildrucksignals über die Zeit dargestellt. Wie
zu erkennen ist, besteht die so genannte ”Feinstruktur” des Raildrucks
vor allem aus einer zyklischen Abfolge von einspritzungsbedingten
Druckeinbrüchen,
wie durch den Pfeil 7 angedeutet ist und von der Hochdruckpumpe 2 verursachten
Druckanstiegen, wie der Pfeil 8 zeigt. Dem durch die Einspritzung
und Zuführung
von Kraftstoff in das Rail bestimmten Verlauf ist eine meist schwache
Dauerleckage überlagert,
siehe Pfeil 9, die im Wesentlichen bei niedrigen Drehzahlen
bzw. hohem Druck zu berücksichtigen
ist, ansonsten liegen zwischen den punktuellen Ereignissen des Zupumpens und
Einspritzens Phasen mit konstantem, in der Regel geringem Druckabfall.
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Um
die gezeigte Feinstruktur aufzulösen, muss
der Drucksensor 6 mit einer genügend hohen Abtastrate die Druckwerte
messen. Wie zu erkennen ist, findet beispielsweise jeweils in einem
Bereich von 50 ms ein schneller Druckanstieg und auch ein Druckabfall
statt, die erfasst werden müssen.
Daher ist eine Abtastung von mindestens einer Abtastung je 2 ms
notwendig, vorzuziehen ist eine Abtastung pro Millisekunde oder
mehrere Abtastungen pro Millisekunde. Bei einer Abtastung, die eine
Aufnahme der Druckwerte entsprechend 2 gestattet,
kann das von einem individuellen Pumpenkolben geförderte Kraftstoffvolumen
und somit auch die Kraftstoffmenge QHPP unmittelbar
bestimmt werden. Dazu wird die oben angegebene Bilanzgleichung ausgewertet.
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Vorzugsweise
wird der Kraftstoffdruck kurz vor und kurz nach einem pumpenbedingten
Druckanstieg, d. h. vor Förderung
und nach Förderung
entsprechend Pfeil 8 gemessen, so dass sich ein Druck P0 = P(t0) und P1 = P(t1) ergibt.
Gegebenenfalls können
während
des Druckanstiegs weitre Messungen vorgenommen wer den, die gegebenenfalls
zusätzlich
berücksichtigt
werden. Aus diesen gemessenen Werten lässt sich die Druckdifferenz ΔP = P1 – P0 ermitteln. Durch Einsetzen der Gleichung
(4) in die Gleichung (2) und durch Integration über den Zeitraum t0,
t1 ergibt sich: ΔP = E/V·(ΔVHPP – ΔVINJ – ΔVSL – ΔVCL) (6)
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Fällt in das
Zeitintervall t0, t1 keine
Einspritzung, so vereinfacht sich die Gleichung weiter. Dann gilt: ΔVINJ = ΔVSL = 0, d. h., es wird kein Kraftstoffvolumen
durch Einspritzung oder durch Schaltleckage aus dem Rail abgeführt. Die
Dauerleckage QCL ist in der Regel weitgehend
bekannt und kann während der
kurzen Messdauer als konstant angenommen werden oder wird sogar
vernachlässigbar
klein sein. Damit reduziert sich die Gleichung (6) auf ΔP
= E/V·(ΔVHPP – (t1 – t0)·QCL) (6a)
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Die
Kraftstoffmenge ΔVHPP des während
des Zeitintervalls t0, t1 aktiven
Hochdruckkolben kann somit unter Heranziehung der zu den gegebenen
Zeitpunkten gemessenen Druckwerte aus der Gleichung (6a) berechnet
werden, wobei, wie schon erwähnt, der
Kompressibilitätsmodul
E und das Gesamtvolumen des Druckspeichers 3 bzw. des Rails 3 und
die Dauerleckage bekannt sind.
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Fallen
in den Zeitraum der Messung eine oder mehrere Einspritzungen, so
müssen
auch die Beiträge
von ΔVINJ und ΔVSL entsprechend der Gleichung (6) berücksichtigt
werden. Diese sind aber in der Regel mit ausreichender Genauigkeit
bekannt.
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In
der obigen Beschreibung wurden nur die für die Erfindung notwendigen
Hauptelemente der Einspritzanlage beschrieben. In bekannter Weise
ist jedoch in den hydraulischen Kreis ein Volumenstromregelventil
der Pumpe vorgeschaltet, das geregelten Kraftstoff zu der Hochdruckpumpe 2 liefert.
Weiterhin kann ein Druckregelventil vorgesehen werden, das dann
an der Hoch druckpumpe 2 oder am Rail 3 befestigt
ist und den Druck im Druckspeicher bzw. Rail 3 abhängig von
Lastzustand des Motors einstellt und bei zu hohem Druck im Rail 3 öffnet, so
dass ein Teil des Kraftstoffs aus dem Rail über eine Sammelleitung zurück in den
Kraftstofftank 1 gelangt.