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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffdrucks in einem Hochdruckspeicher eines Einspritzsystems und ein entsprechendes Einspritzsystem.
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Bei bekannten Einspritzsystemen mit Hochdruckspeicher, wie sie beispielsweise als sogenannte Common-Rail-Systeme in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden, erfolgt eine Regelung eines Kraftstoffdrucks im Hochdruckspeicher mittels eines im Hochdruckspeicher angeordneten Hochdrucksensors. Der Hochdruckspeicher wird auch als Rail und der im Hochdruckspeicher herrschende Kraftstoffdruck entsprechend als Raildruck bezeichnet. Der Raildruck wird auch Systemdruck genannt. Ein mit dem Hochdrucksensor bestimmter Ist-Wert des Raildrucks wird mittels entsprechender Regelelemente auf einen vorgegebenen Soll-Wert des Raildrucks geregelt. Eine möglichst genaue Kontrolle des Raildrucks ist wünschenswert, weil über den Raildruck maßgeblich eine Einspritzmenge kontrolliert wird, die während eines Einspritzvorganges aus einem mit dem Hochdruckspeicher verbundenen Injektor in einen Brennraum der Brennkraftmaschine injiziert wird. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Methoden zur Regelung des Raildrucks bekannt.
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Beispielsweise kann eine Differenz zwischen dem Ist- und dem Soll-Wert des Raildrucks über ein Druckregelventil (PCV) ausgeglichen werden. Da ein solches Druckregelventil jedoch nur in der Lage ist, den Raildruck über eine kontrollierte Leckage zu senken, muss eine Hochdruckpumpe stets mehr Kraftstoff in den Hochdruckspeicher fördern, als das System in einem aktuellen Betriebszeitpunkt benötigt. Ein derart geregeltes System weist daher einen schlechten Wirkungsgrad auf.
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Eine effizientere Regelung des Raildrucks wird über eine Kontrolle eines Volumenstroms der Hochdruckpumpe erreicht. In diesem Fall sorgt ein Volumenkontrollventil (VCV) dafür, dass die Hochdruckpumpe in einem gegebenen Zeitpunkt jeweils nur eine gerade benötigte Kraftstoffmenge in den Hochdruckspeicher fördert.
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Diesen bekannten Regelmechanismen ist gemein, dass sie auf eine Bestimmung des Raildrucks mittels des Hochdrucksensors angewiesen sind. Fällt der Hochdrucksensor aus, so ist eine effiziente Regelung des Raildrucks, der aufgrund der ständig erfolgenden Einspritzungen einerseits und aufgrund der ständigen Kraftstoffförderung durch die Hochdruckpumpe andererseits steten Schwankungen unterworfen ist, nicht mehr gewährleistet. Der Raildruck soll jedoch auch bei Ausfall des Hochdrucksensors regelbar sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst genaues und zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffdrucks in einem Hochdruckspeicher zu entwickeln, auf welches bei einem Ausfall eines Hochdrucksensors zurückgegriffen werden kann, wobei das Verfahren möglichst ohne zusätzliche Detektions- oder Regelelemente durchführbar sein soll. Die Aufgabe besteht ferner in der Entwicklung eines zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Einspritzsystems.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffdrucks in einem Hochdruckspeicher eines Einspritzsystems, das einen über den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgten Injektor aufweist, wobei der Injektor ein hydraulisch angetriebenes Verschlusselement zum Öffnen und Schließen einer Einspritzöffnung umfasst, das über ein Steuerventil angesteuert wird, und wobei mindestens ein Messwert einer von einer Geschwindigkeit des Verschlusselements während eines Öffnungsoder Schließvorgangs des Injektors abhängigen Messgröße erfasst wird und ein Wert des Kraftstoffdrucks in Abhängigkeit von dem Messwert ermittelt wird.
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Der Hochdruckspeicher wird im Weiteren auch als Rail und der Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher als Raildruck bezeichnet. Bei dem Verschlusselement handelt es sich typischerweise um eine Düsennadel, die in einem Düsenraum des Injektors angeordnet ist. Der Düsenraum ist dann mit dem Hochdruckspeicher verbunden und wird über den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgt, so dass der Düsenraum mit Kraftstoff gefüllt ist. Die Einspritzöffnung trennt den Düsenraum des Injektors typischerweise von einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine. In einer geöffneten Position gibt das Verschlusselement die Einspritzöffnung frei, so dass Kraftstoff aus dem Düsenraum in die Brennkammer eingespritzt wird. In einer geschlossenen Position ist die Einspritzöffnung verschlossen, so dass das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer unterbunden wird.
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Der hydraulische Antrieb des Verschlusselements kann z.B. dadurch realisiert sein, dass zusätzlich zu dem Düsenraum ein mit Kraftstoff gefüllter Steuerraum vorgesehen ist, der wie der Düsenraum mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist. Durch das Steuerventil kann dann eine Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum und dem Düsenraum verursacht und gesteuert werden, die das Verschlusselement antreibt und dessen Bewegung aus der geöffneten Position in die geschlossene Position und andersherum bewirkt. Mit dem Öffnungsvorgang des Injektors ist das Bewegen des Verschlusselements aus der geschlossenen Position in die geöffnete Position bezeichnet. Entsprechend ist mit dem Schließvorgang des Injektors das Bewegen des Verschlusselements aus der geöffneten Position in die geschlossene Position bezeichnet. Der Antrieb des Verschlusselements kann ferner eine Düsenfeder umfassen, die beispielsweise eine Schließbewegung oder eine Öffnungsbewegung des Verschlusselements zusätzlich unterstützt.
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Der Steuerraum kann zu diesem Zweck über eine Kraftstoffleitung mit einem Niederdruckbereich des Einspritzsystems verbunden sein. Die Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Niederdruckbereich kann mittels des Steuerventils geöffnet und geschlossen werden. Befindet sich das Steuerventil dann in einer geschlossenen Stellung, so gleicht sich ein hydrostatischer Druck im Steuerraum, im Folgenden auch Steuerraumdruck genannt, dem Raildruck an. Eine durch den Steuerraumdruck auf das Verschlusselement ausgeübte Kraft ist eine Schließkraft. Auch die Düsenfeder oder andere in ihrer Wirkung der Düsenfeder äquivalente Elemente können, sofern sie vorgesehen sind, zur Schließkraft beitragen. Das Steuerventil kann druckbelastet oder druckausgeglichen ausgebildet sein. Das Steuerventil heißt druckausgeglichen, wenn eine auf das Steuerventil wirksame Kraft nicht vom Raildruck abhängig ist. Entsprechend heißt das Steuerventil druckbelastet, wenn die auf das Steuerventil wirksame Kraft mit dem Raildruck variiert.
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Typischerweise übt ein hydrostatischer Druck im Düsenraum, auch Düsenraumdruck genannt, eine der Schließkraft entgegen gerichtete Öffnungskraft auf das Verschlusselement aus. Zusätzlich können weitere Schließglieder zur Öffnungskraft beitragen. Je nachdem, ob die Schließkraft größer ist als die Öffnungskraft oder ob die Öffnungskraft größer ist als die Schließkraft, wird das Verschlusselement in die geschlossene oder in die geöffnete Position bewegt oder in der entsprechenden Position gehalten. Solange das Verschlusselement in der geschlossenen Position ist, gleicht sich der Düsenraumdruck typischerweise dem Raildruck an. Wird das Steuerventil geöffnet, sinkt dann der Steuerraumdruck ab. Mithilfe des Steuerventils kann der Steuerraumdruck also kontrolliert und das Verschlusselement auf diese Weise hydraulisch angesteuert werden.
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Der vorliegend beschriebenen Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Geschwindigkeit des Verschlusselements während des Öffnungs- oder Schließvorgangs des Injektors bei einem Injektor mit hydraulischem Antrieb des Verschlusselements vom Raildruck abhängig ist. Mit anderen Worten besteht ein Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Verschlusselements während des Öffnungs- oder Schließvorgangs des Injektors oder zwischen einer aus der Geschwindigkeit des Verschlusselements abgeleiteten kinetischen Größe, wie z.B. einer kinetischen Energie oder einem Impuls, und dem Raildruck. Das Ermitteln des Raildrucks in Abhängigkeit vom Messwert kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass vor Inbetriebnahme des Einspritzsystems eine Eichkurve aufgenommen wird, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem Raildruck wiedergibt. Bei der Aufnahme der Eichkurve kann der Raildruck z.B. mittels eines Hochdrucksensors im Rail bestimmt werden. Unter Zuhilfenahme des vorgeschlagenen Verfahrens ist der Raildruck in vorteilhafter Weise auch dann bestimmbar, wenn der Hochdrucksensor ausfällt. Eine Zuverlässigkeit des Einspritzsystems wird damit erhöht. Zur Durchführung des Verfahrens werden keine Detektions- oder Sensorelemente benötigt, die nicht bereits im normalen Betrieb des Einspritzsystems zum Einsatz kommen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Messwert durch einen als Antrieb des Steuerventils dienenden Piezoaktuator erfasst. Typischerweise wird der Piezoaktuator mit einer Steuerspannung oder mit einem Steuerstrom beaufschlagt, wodurch der Piezoaktuator seine Länge verändert und das mit ihm vorzugsweise in direktem Kontakt stehende Steuerventil bewegt. Durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts kann der Piezoaktuator jedoch auch als Sensorelement verwendet werden. So sind eine an dem Piezoaktuator anliegende Sensorspannung und/oder ein auf oder durch den Piezoaktuator fließender Sensorstrom abhängig von einer auf den Piezoaktuator ausgeübten mechanischen Kraft. Durch Messen des Sensorstroms und/oder der Sensorspannung kann auf die auf den Piezoaktuator ausgeübte Kraft rückgeschlossen werden. Insbesondere ist der Piezoaktuator damit zum Detektieren mechanischer Schwingungen geeignet. Alternativ kann der Messwert durch einen als Antrieb des Steuerventils dienenden magnetischen Aktuator erfasst werden. Auch der magnetische Aktuator kann zusätzlich als Sensorelement zum Detektieren mechanischer Schwingungen verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass zum Erfassen des Messwertes ein von dem Antrieb des Steuerventils verschiedenes Sensorelement verwendet wird. Der Piezoaktuator oder der magnetische Sensor vereinen in vorteilhafter Weise einen Aktuator und einen empfindlichen Sensor in einem Bauelement. Dadurch können Material- und Montagekosten gespart werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Messwert unmittelbar nach einem Ende des Öffnungs- oder Schließvorgangs des Injektors erfasst. Der Öffnungs- und der Schließvorgang enden jeweils mit einem Auftreffen des Verschlusselements auf einen Sitz des Verschlusselements. Typischerweise wird der Messwert maximal 0,5 ms nach dem Ende des Öffnungs- und/oder Schließvorgangs erfasst, vorzugsweise höchstens 0,3 ms, besonders vorzugsweise höchstens 0,15 ms nach dem Ende des Öffnungs- und/oder des Schließvorgangs. Mit anderen Worten wird der Messwert innerhalb eines Zeitintervalls erfasst, das jeweils mit dem Ende des Öffnungs- und/oder des Schließvorgangs beginnt und eine Länge von höchstens 0,5 ms, vorzugsweise von höchstens 0,3 ms, besonders vorzugsweise von höchstens 0,15 ms hat. Der Beginn und/oder die Länge des Zeitintervalls können in Abhängigkeit von einer Temperatur des Injektors und/oder des Kraftstoffs bestimmt werden. Dadurch, dass das Zeitintervall, innerhalb dessen der Messwert erfasst wird, vorgegeben ist, kann das Erfassen des Messwertes besonders schnell und effizient erfolgen. Eine zu verarbeitende Datenmenge ist damit vorteilhaft klein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Messgröße durch eine der folgenden Größen oder eine davon abhängige Größe gegeben:
- – eine maximale Amplitude einer durch das Verschlusselement in dem Injektor angeregten mechanischen Schwingung,
- – eine von dem Verschlusselement auf den Sitz des Verschlusselements übertragene Energie,
- – einen von dem Verschlusselement auf den Sitz des Verschlusselements übertragenen Impuls,
- – eine von dem Verschlusselement auf den Sitz des Verschlusselements übertragene Kraft,
- – eine an einem Stellantrieb des Steuerventils anliegende elektrische Spannung,
- – einen durch den Stellantrieb fließenden und/oder auf den Stellantrieb geflossenen elektrischen Strom oder
- – eine elektrische Kapazität des Stellantriebes.
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Natürlich können zur Bestimmung des Werts des Kraftstoffdrucks in beschriebener Weise auch andere Messgrößen gemessen und insbesondere Messwerte für mehrere der oben aufgezählten Messgrößen ermittelt werden.
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Beim Aufschlagen des Verschlusselements auf den Sitz des Verschlusselements in einem Öffnungszeitpunkt oder in einem Schließzeitpunkt breitet sich in einem Grundkörper des Injektors, der mindestens teilweise aus Metall, Keramik oder Kunststoff gebildet sein kann, eine mechanische Schwingung in Form einer Schallwelle aus. Der Stellantrieb kann durch den oben beschriebenen Piezoaktuator oder durch den oben beschriebenen magnetischen Aktuator gegeben sein. Eine Amplitude und/oder eine Energie und/oder ein Impuls der Schallwelle oder eine von der Amplitude und/oder der Energie und/oder dem Impuls der Schallwelle abhängige Größe, die mittels des Stellantriebs detektierbar sind, hängen von der Geschwindigkeit des Verschlusselements während des Öffnungs- oder Schließvorgangs ab und dienen damit als Maß für den zu bestimmenden Raildruck. Damit die Schallwelle hinreichend gut detektiert werden kann, ist es vorteilhaft, wenn der Stellantrieb in einem Abstand von höchstens 10 cm, vorzugsweise von höchstens 5 cm, besonders vorzugsweise von höchstens 3 cm von dem Sitz des Verschlusselements entfernt angeordnet ist. Das vorstehend in Bezug auf den Stellantrieb Gesagte gilt ebenso für ein anderes Sensorelement, sofern dieses anstelle des Stellantriebes zur Detektion der Schallwelle verwendet wird. Die Messgrößen können in einfacher Weise detektiert werden und erlauben eine Bestimmung des Raildrucks mit einer guten Genauigkeit.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Messwert einem Signalfilter zugeführt und der Wert des Kraftstoffdrucks in Abhängigkeit von dem durch den Signalfilter gefilterten Messwert ermittelt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Matched Filter verwendet werden. Es ist auch denkbar, dass der Signalfilter einen Hochpassfilter, einen Tiefpassfilter oder einen Bandpassfilter umfasst. Damit können beispielsweise Eigenschwingungen des zur Detektion der Schallwelle verwendeten Stellantriebes oder Sensorelements effizient unterdrückt werden. Durch Verwendung des Signalfilters kann der Messwert mit größerer Genauigkeit ermittelt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels eines im Hochdruckspeicher angeordneten Hochdrucksensors ein zweiter Wert für den Raildruck erfasst. Dieser zweite Wert kann mit dem ermittelten Wert des Raildrucks verglichen werden. Dies erlaubt eine ständige Überprüfung einer Zuverlässigkeit des ermittelten Wertes. Ebenso ist es möglich, mittels einer Zuordnung des ermittelten Messwertes zu dem zweiten Wert eine Eichkurve zu erstellen, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem Raildruck oder zwischen dem Messwert und dem Raildruck wiedergibt. Umfasst das Einspritzsystem mehr als einen Injektor, so kann die Eichkurve für jeden Injektor individuell erstellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zweite Wert für den Kraftstoffdruck überprüft, wobei in Abhängigkeit von einem Ergebnis dieser Überprüfung entweder
- – unter Verwendung des zweiten Wertes ein Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem Kraftstoffdruck aktualisiert wird oder
- – eine Hochdruckregelung im Hochdruckspeicher und/oder eine Ansteuerung des Injektors in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert des Kraftstoffdrucks vorgenommen wird.
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Das Überprüfen umfasst typischerweise einen Vergleich des zweiten Wertes mit einem erwarteten Wert, wobei der erwartete Wert beispielsweise von einer Temperatur des Kraftstoffs und/oder von einer Temperatur des Injektors und/oder von einer Drehzahl des Motors und/oder von einer Einspritzmenge einer vorangegangenen Einspritzung und/oder von einer Pumprate der Hochdruckpumpe und/oder von einem bei der vorangegangenen Einspritzung bestimmten Raildruck abhängig sein kann. Als Ergebnis der Überprüfung kann der zweite Wert als mit dem erwarteten Wert verträglich bewertet werden, wenn der zweite Wert von dem erwarteten Wert um weniger als eine maximale Differenz abweicht. Durch die Überprüfung wird der zweite Messwert also auf seine Plausibilität geprüft und damit der Hochdrucksensor auf seine Funktionsfähigkeit. In letztgenanntem Fall – also bei als verträglich bewertetem zweiten Wert – kann die Eichkurve unter Umständen anhand der Zuordnung des erfassten Messwerts zu dem zweiten Wert aktualisiert werden. Auch die Aktualisierung der Eichkurve kann für jeden Injektor individuell vorgenommen werden. Insbesondere kann sie bei jedem Einspritzvorgang vorgenommen werden. Unabhängig davon kann die Hochdruckregelung durch Verwendung des erfindungsgemäß über den genannten Messwert ermittelten Wertes vorgenommen werden, sobald die Überprüfung des zweiten Werts auf einen fehlerhaft arbeitenden Hochdrucksensor hindeutet.
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Ist das Ergebnis der Überprüfung also, dass der zweite Wert von dem erwarteten Wert um mehr als die maximale Differenz abweicht, so wird der zweite Wert nicht für zuverlässig befunden. Zur Regelung des Raildrucks z.B. über ein PCV oder ein VCV wird in diesem Fall daher nicht der zweite Wert herangezogen. Ebenso wird der zweite Wert nicht bei einer Ansteuerung des Injektors, also z.B. bei einer Ermittlung einer optimalen Einspritzdauer und/oder eines optimalen Einspritzzeitpunktes, herangezogen. Stattdessen wird der Raildruck in diesem Fall aus der Eichkurve ermittelt, die bei vorangegangenen Einspritzungen erstellt und aktualisiert wurde, wobei der erfasste Messwert als Eingangsgröße verwendet wird. Der aus der Eichkurve ermittelte Wert des Raildrucks wird dann bei der Regelung des Raildrucks und/oder bei der Ansteuerung des Injektors zugrunde gelegt.
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Durch das ständige Aktualisieren der Eichkurve kann der funktionale Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem Raildruck und/der dem Messwert und dem Raildruck immer auf einem neuesten Stand gehalten werden. Auf Verschleiß zurückgehende Veränderungen des funktonalen Zusammenhanges können dabei berücksichtigt werden. Eine Zuverlässigkeit der Bestimmung des Raildrucks anhand des Messwertes wird damit erhöht. Dadurch, dass der ermittelte Wert des Raildrucks zur Regelung des Raildrucks und/oder zur Ansteuerung des Injektors herangezogen wird, wenn der Hochdrucksensor einen nicht plausiblen Wert liefert, kann das Einspritzsystem bei einem Ausfall des Hochdrucksensors weiter effizient betrieben werden. Eine Zuverlässigkeit des Einspritzsystems wird damit deutlich erhöht.
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Zur Durchführung des beschriebenen vorteilhaften Verfahrens wird dementsprechend auch ein Einspritzsystem vorgeschlagen, das
- – einen Hochdruckspeicher,
- – einen über den Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgten Injektor und
- – eine mit einem Sensorelement des Injektors elektrisch verbundene Steuer- und Auswerteeinheit umfasst,
wobei der Injektor ein hydraulisch angetriebenes Verschlusselement zum Öffnen und Schließen einer Einspritzöffnung, ein Steuerventil zum Ansteuern des Verschlusselements sowie einen das Steuerventil antreibenden Stellantrieb aufweist und wobei die Steuer- und Auswerteeinheit programmtechnisch eingerichtet ist, mindestens einen Messwert einer von einer Geschwindigkeit des Verschlusselements während eines Öffnungs- oder Schließvorgangs des Injektors abhängigen Messgröße mittels des Sensorelements zu erfassen und einen Wert eines Kraftstoffdrucks im Hochdruckspeicher in Abhängigkeit von dem Messwert zu ermitteln.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise als Mikroprozessor, Mikrokontroller oder FPGA ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorelement durch einen im Stellantrieb enthaltenen Piezoaktuator oder magnetischen Aktuator gegeben. Das Sensorelement kann aber auch von dem Stellantrieb verschieden und nicht in diesem enthalten sein. Auch in diesem Fall kann das Sensorelement als Piezoaktuator oder als magnetischer Aktuator ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es natürlich, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit auch programmtechnisch zur Durchführung beliebiger weiterer der Schritte eingerichtet ist, die weiter oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben worden sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1a eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems mit einem als Schnittzeichnung wiedergegebenen Injektor,
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1b eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus 1a,
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2a einen zeitlichen Verlauf eines Nadelhubes für verschiedene Werte eines Raildrucks,
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2b einen der Darstellung aus 2a entsprechenden zeitlichen Verlauf einer Nadelgeschwindigkeit,
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3a einen zeitlichen Verlauf einer an einem Piezoaktuator anliegenden Sensorspannung für drei verschiedene vorgegebene Werte des Raildrucks,
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3b einen Abschnitt des zeitlichen Verlaufs der Sensorspannung aus 3a, und zwar nach Filterung mit einem Signalfilter und in einem vergrößerten Maßstab,
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3c einen zeitlichen Verlauf einer Einspritzrate für die verschiedenen Werte des Raildrucks sowie
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4 eine unmittelbar nach einem Ende eines Schließvorgangs erfasste maximale Amplitude der Sensorspannung, aufgetragen gegen den Raildruck.
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1a zeigt ein Einspritzsystem 101, welches einen Hochdruckspeicher 102, einen Injektor 103 und eine als Mikrocontroller ausgebildete Steuer- und Auswerteeinheit 110 umfasst. Das Einspritzsystem 101 umfasst noch drei weitere Injektoren, die der Übersichtlichkeit halber hier jedoch nicht dargestellt sind. Ein Aufbau der drei weiteren Injektoren gleicht dem des in 1a dargestellten Injektors 103. Der Injektor 103 dient zum Einspritzen von Kraftstoff, beispielsweise Diesel-Kraftstoff, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Der Injektor 103 wird über den Hochdruckspeicher 102 mit Kraftstoff versorgt. Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 102 wird dabei über eine Kraftstoffleitung 111 in einen Steuerraum 112 und in einen Düsenraum 113 geleitet. Der Steuerraum 112 und der Düsenraum 113 sind mit Kraftstoff gefüllt. Im Düsenraum 113 ist ein Verschlusselement 104 zum Öffnen und Schließen einer Einspritzöffnung 105 angeordnet. Befindet sich das Verschlusselement 104 in einer geöffneten Position, so dass das Verschlusselement 104 die Einspritzöffnung 105 freigibt, so wird Kraftstoff aus dem Düsenraum 113 durch die Einspritzöffnung 105 in den Brennraum injiziert. Befindet sich das Verschlusselement 104 in einer geschlossenen Position, so dass es die Einspritzöffnung 105 verschließt, so wird das Einspritzen von Kraftstoff aus dem Düsenraum 113 in den Brennraum unterbunden.
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Das Verschlusselement 104, bei dem es sich um eine aus Metall gefertigte Düsennadel handelt, wird hydraulisch angetrieben. Insbesondere wird das Verschlusselement 104 durch eine Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum 112 und dem Düsenraum 113 bewegt. Ein hydrostatischer Druck im Steuerraum 112, auch Steuerraumdruck genannt, und eine Düsenfeder 114 üben auf das Verschlusselement 104 eine Schließkraft aus, die in der Darstellung der 1a nach unten auf die Einspritzöffnung 105 hin gerichtet ist. Im Gegensatz dazu übt ein hydrostatischer Druck im Düsenraum 113, auch Düsenraumdruck genannt, auf das Verschlusselement 104 eine der Schließkraft entgegengesetzte Öffnungskraft aus, die in der Darstellung der 1a nach oben gerichtet ist. Ist die Schließkraft größer als die Öffnungskraft, so wird das Verschlusselement 104 auf die Einspritzöffnung 105 hin beschleunigt, bis das Verschlusselement 104 auf einen Sitz 108 des Verschlusselements aufschlägt und die Einspritzöffnung 105 verschließt. Der Sitz 108 wird durch einen um die Einspritzöffnung 105 herum angeordneten Teil eines Grundkörpers des Injektors 103 gebildet. Beim Öffnen schlägt das Verschlusselement auf einen weiteren Sitz oder Anschlag des Verschlusselements auf, der hier jedoch nicht dargestellt ist. Der weitere Sitz ist z.B. in einem dem Steuerraum 112 zugewandten Bereich des Düsenraums 113 angeordnet.
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Der Steuerraumdruck kann durch das in einem Ventilsitz 116 angeordnete Steuerventil 106 beeinflusst werden. Befindet sich das Steuerventil 106 in einer geschlossenen Stellung, so wird ein Abfluss von Kraftstoff aus dem Steuerraum 112 in einen Niederdruckbereich unterbunden. Befindet sich das Steuerventil 106 dagegen in einer geöffneten Stellung, so kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 112 in den Niederdruckbereich fließen, wobei der Steuerraumdruck und mit ihm die auf das Verschlusselement 104 ausgeübte Schließkraft abnehmen. Das Steuerventil 106 wird über einen Piezoaktuator 107 betätigt. Der Piezoaktuator 107 ist über eine elektrische Verbindung 118 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 110 verbunden und kann von dieser mit einer elektrischen Steuerspannung und/oder mit einem elektrischen Steuerstrom beaufschlagt werden. Infolge dieser Beaufschlagung mit der Steuerspannung und/oder mit dem Steuerstrom ändert der Piezoaktuator 107 seine Länge, so dass er das Steuerventil 106 bewegt. Der Piezoaktuator 107 dient demnach als Antrieb des Steuerventils 106. Der Piezoaktuator 107 stellt einen Stellantrieb im Sinne der Ansprüche 4 und 8 sowie ein Sensorelement des Injektors 103 im Sinne des Anspruchs 8 dar.
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In dem in 1b gezeigten Ausschnitt aus 1a ist zu erkennen, dass das Steuerventil 106 zusätzlich durch eine Steuerventilfeder 115 betätigt wird. In dem vorliegenden Beispiel ist das Steuerventil 106 als druckausgeglichenes Ventil ausgelegt. Dies bedeutet, dass eine auf das Steuerventil 106 einwirkende Kraft unabhängig von einem Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher 102 ist. Der Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher 102, dessen Bestimmung Gegenstand des vorliegend beschriebenen Verfahrens ist, wird im Weiteren auch als Raildruck bezeichnet. Nimmt der Steuerraumdruck infolge der Öffnung der Steuerventils 106 so weit ab, dass die auf das Verschlusselement 104 ausgeübte Öffnungskraft größer ist als die Schließkraft, so wird das Verschlusselement 104 derart bewegt, dass es aus der geschlossenen in die geöffnete Position übergeht. Dies bewirkt eine Einspritzung von Kraftstoff aus dem Düsenraum 113 in den Brennraum und hat eine Verminderung des Düsenraumdrucks zur Folge. Wird das Steuerventil 106 wieder geschlossen, so nimmt der Steuerraumdruck erneut zu, bis er sich dem Raildruck angleicht. Sobald die Schließkraft die Öffnungskraft übersteigt, wird das Verschlusselement 104 wieder in die geschlossene Position bewegt. In der geschlossenen Position steigt der Düsenraumdruck wiederum bis auf den Raildruck an.
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Auf diese Weise wird das Verschlusselement 104 über das Steuerventil 106 angesteuert. Für das vorliegend beschriebene Verfahren ist es wesentlich, dass eine Geschwindigkeit des Verschlusselements 104 während eines Öffnungs- oder Schließvorgangs des Injektors vom Raildruck abhängt. Als Öffnungs- und Schließvorgang des Injektors 103 sei dabei ein Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung 105 des Injektors 103 durch das Verschlusselement 104 bezeichnet. Der Raildruck ist also eindeutig und in definierter Weise mit einer kinetischen Größe des Verschlusselements 104 während des Öffnungs- und Schließvorgangs des Injektors 103 korreliert. So nehmen eine von dem Verschlusselement 104 beim Öffnen und/oder beim Schließen aufgenommene kinetische Energie und ein von dem Verschlusselement 104 beim Öffnen und/oder Schließen aufgenommener Impuls mit steigendem Raildruck zu. Sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen wird diese von dem Verschlusselement 104 aufgenommene kinetische Energie bzw. dieser von dem Verschlusselement 104 aufgenommene Impuls auf den Injektor 103, vorzugsweise auf einen Grundkörper des Injektors 103, übertragen. Dabei kommt es zur Anregung einer mechanischen Schwingung im Injektor 103. Eine maximale Amplitude dieser mechanischen Schwingung und/oder eine Energie dieser mechanischen Schwingung und/oder ein Impuls dieser mechanischen Schwingung können mittels des Piezoaktuators 107 detektiert werden und dienen als ein Maß für den zu bestimmenden Raildruck.
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1a ist ferner zu entnehmen, dass in dem Hochdruckspeicher 102 ein Hochdrucksensor 109 angeordnet ist. Mit Hilfe des Hochdrucksensors 109 kann ein zweiter Wert des Raildrucks erfasst werden. Über eine elektrische Verbindung 117 ist auch der Hochdrucksensor 109 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 110 des Einspritzsystems 101 verbunden.
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In 2a sind ein erster zeitlicher Verlauf 207 eines Nadelhubes, ein zweiter zeitlicher Verlauf 208 des Nadelhubes und ein dritter zeitlicher Verlauf 209 des Nadelhubes dargestellt. Der erste zeitliche Verlauf 207 wurde bei einem ersten Raildruck 405 (siehe 4) von 200 bar gemessen, der zweite zeitliche Verlauf 208 wurde bei einem zweiten Raildruck 406 von 1000 bar gemessen und der dritte zeitliche Verlauf 209 wurde bei einem dritten Raildruck 407 von 2000 bar gemessen. Der erste, der zweite und der dritte Raildruck wurden dabei mit dem im Hochdruckspeicher 102 angeordneten Hochdrucksensor 109 bestimmt. Der in 2a dargestellte Nadelhub bezeichnet eine Auslenkung des Verschlusselements 104 aus der geschlossenen Position. Eine erste maximale Auslenkung 210 des Verschlusselements 104 bei dem ersten Raildruck 405 von 200 bar beträgt etwa 140 µm, eine zweite maximale Auslenkung 211 des Verschlusselements 104 bei dem zweiten Raildruck 406 von 1000 bar beträgt etwa 500 µm und eine dritte maximale Auslenkung 212 des Verschlusselements 104 bei dem dritten Raildruck 407 von 2000 bar beträgt etwa 750 µm. Der 2a ist demnach deutlich entnehmbar, dass eine maximale Auslenkung des Verschlusselements 104 mit steigendem Raildruck zunimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Verschlusselement 104 mit steigendem Raildruck zunehmend mehr kinetische Energie aufnimmt.
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2b zeigt den zeitlichen Verläufen 207, 208 und 209 des Nadelhubes aus 2a entsprechende zeitliche Verläufe 213, 214 und 215 einer Nadelgeschwindigkeit, also einer Geschwindigkeit des Verschlusselements 104 während eines Öffnungs- und Schließvorgangs des Injektors. In 2b ist zu erkennen, dass die Geschwindigkeit vom Raildruck abhängig ist. Insbesondere zu einem ersten Zeitpunkt 204, zu einem zweiten Zeitpunkt 205 und zu einem dritten Zeitpunkt 206 hängt die Geschwindigkeit des Verschlusselements 104 jeweils vom Raildruck ab. Der erste Zeitpunkt 204, der zweite Zeitpunkt 205 und der dritte Zeitpunkt 206 markieren jeweils ein Ende eines Schließvorgangs des Verschlusselements 104 bzw. des Injektors 103. Es handelt sich bei den Zeitpunkten 204, 205 und 206 also jeweils um einen Zeitpunkt, zu dem das Verschlusselement 104 seinen während des Schließvorgangs aufgenommenen Impuls und/oder seine während des Schließvorgangs aufgenommene kinetische Energie mit einem Aufprall auf den Sitz 108 des Verschlusselements 104 auf den Grundkörper des Injektors 103 überträgt. Entsprechendes geschieht, wenn das Verschlusselement 104 beim Öffnen auf den nicht gezeigten weiteren Sitz des Verschlusselements 104 aufschlägt.
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Mit dem Aufschlagen des Verschlusselements 104 auf den Sitz 108 oder auf den weiteren Sitz wird im Injektor 103 eine mechanische Schwingung in Form einer Schallwelle angeregt. Eine maximale Amplitude, eine Energie oder ein Impuls der Schallwelle, die jeweils von dem Verschlusselement 104 über den Sitz 108 oder über den weiteren Anschlag auf den Injektor 103 übertragen werden, stellen Messgrößen dar, die in oder an dem Piezoaktuator 107 eine Sensorspannung oder einen Sensorstrom hervorrufen und von der Steuer- und Auswerteeinheit 110 erfasst werden. Auch die Sensorspannung und der Sensorstrom stellen jeweils eine mögliche Messgröße dar. Die Messgrößen sind jeweils von einer Geschwindigkeit des Verschlusselements 104 während des Öffnungsoder des Schließvorgangs des Injektors 103 abhängig. Einzelne erfasste bzw. gemessene Werte dieser Messgrößen werden als Messwerte bezeichnet.
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3a zeigt einen zeitlichen Verlauf einer an dem Piezoaktuator 107 anliegenden ersten Sensorspannung 301, einer an dem Piezoaktuator 107 anliegenden zweiten Sensorspannung 302 und einer an dem Piezoaktuator 107 anliegenden dritten Sensorspannung 301. Die erste Sensorspannung 301 wurde bei dem ersten Raildruck 405 von 200 bar, die zweite Sensorspannung 302 wurde bei dem zweiten Raildruck 406 von 1000 bar und die dritte Sensorspannung 303 wurde bei dem dritten Raildruck 407 von 2000 bar detektiert. In etwa zwischen einem vierten Zeitpunkt 313 bei 0 µs und einem fünften Zeitpunkt 314 bei etwas mehr als 1000 µs wird der Piezoaktuator 107 mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 110 jeweils zusätzlich mit einer Steuerspannung beaufschlagt. Infolge dieser Beaufschlagung verändert der Piezoaktuator 107 seine Länge, so dass er das Steuerventil 106 aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung bewegt. Dies führt zu einem Abfall des Steuerraumdrucks, woraufhin das Verschlusselement 104 aus der geschlossenen in die geöffnete Position bewegt wird. Das Verschlusselement 104 gibt also die Einspritzöffnung 105 frei, und es kommt zu einer Einspritzung von Kraftstoff aus dem Düsenraum 113 in die Brennkammer.
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In 3c sind entsprechende zeitliche Verläufe 315, 316 und 317 einer Einspritzrate für den ersten Raildruck 405, den zweiten Raildruck 406 und den dritten Raildruck 407 dargestellt. Der erste zeitliche Verlauf 315 der Einspritzrate korrespondiert dabei mit dem ersten Raildruck 405 von 200 bar, der zweite zeitliche Verlauf 316 der Einspritzrate korrespondiert mit dem zweiten Raildruck 406 von 1000 bar, und der dritte zeitliche Verlauf 317 der Einspritzrate korrespondiert mit dem dritten Raildruck 407 von 2000 bar. Zu einem sechsten Zeitpunkt 321 bei etwa 500 µs beginnt die Einspritzrate jeweils merklich anzusteigen. Der sechste Zeitpunkt 321 markiert jeweils einen Beginn einer Einspritzung. Der Beginn der Einspritzung ist gegenüber einem Beginn der Beaufschlagung des Piezoaktuators 107 mit der Steuerspannung, der in etwa zum Zeitpunkt 313 einsetzt, um etwa 500 µs verzögert. Diese Verzögerung ist eine Folge der hydraulischen Ansteuerung des Verschlusselements 104. Der 3c ist ebenfalls zu entnehmen, dass die Einspritzrate mit zunehmendem Raildruck zunimmt. In 3c markieren ein siebter Zeitpunkt 318 bei etwa 1800 µs, ein achter Zeitpunkt 319 bei etwa 2100 µs und ein neunter Zeitpunkt 320 bei etwa 2300 µs jeweils ein Ende eines Einspritzvorgangs. Das Ende des Einspritzvorgangs ist dann erreicht, wenn das Verschlusselement 104 auf den Sitz 108 aufschlägt und die Einspritzöffnung 105 verschließt, so dass die Einspritzrate daraufhin erstmalig wieder auf Null absinkt.
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Über den piezoelektrischen Effekt kann die von dem Verschlusselement 104 in dem Injektor 103 angeregte mechanische Schwingung jeweils von dem Piezoaktuator 107 detektiert werden. Ein Ausschnitt 322 in 3a zeigt die Sensorspannungen 301, 302 und 303 in einem Bereich zwischen 1500 µs und 3000 µs jeweils in einem vergrößerten Maßstab. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die durch das Aufschlagen des Verschlusselements 104 auf den Sitz 108 in dem Injektor 103 angeregte mechanische Schwingung sich jeweils in dem zeitlichen Verlauf der Sensorspannungen 301, 302 und 303 wiederspiegelt.
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Dies ist besonders evident in 3b, welche zeitliche Verläufe von gefilterten Sensorspannungen 304, 305 und 306 zeigt. Die gefilterten Sensorspannungen 304, 305 und 306 entsprechen dabei den Sensorspannungen 301, 302 und 303, nachdem die letzteren jeweils von einem Signalfilter gefiltert worden sind. Der Signalfilter kann dabei z. B. als Bandpassfilter ausgebildet sein. Damit können z. B. solche Frequenzen, die Eigenschwingungen des Piezoaktuators 107 entsprechen, aus den detektierten Sensorspannungen 301, 302 und 303 herausgefiltert werden.
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Amplituden der an dem Piezoaktuator 107 anliegenden gefilterten Sensorspannungen 304, 305 und 306 nehmen jeweils unmittelbar nach dem Ende des Schließvorgangs, also unmittelbar nach den Zeitpunkten 318, 319 und 320, einen ersten maximalen Wert 307, einen zweiten maximalen Wert 308 und einen dritten maximalen Wert 309 an. Die maximalen Werte 307, 308 und 309 nehmen mit dem Raildruck zu und sind ein Maß für den jeweils herrschenden Raildruck. Die maximalen Werte 307, 308 und 309 werden jeweils zunächst von der Steuer- und Auswerteeinheit 110 erfasst. Gemäß einem bekannten funktionalen Zusammenhang zwischen einem maximalen Wert einer unmittelbar nach dem Schließvorgang des Injektors 103 am Piezoaktuator 107 detektierten Sensorspannung und einem Raildruck ist die Steuer- und Auswerteeinheit 110 eingerichtet, aus den erfassten maximalen Werten 307, 308 und 309 jeweils einen Wert 401, 402 und 403 (siehe 4) für den ersten Raildruck 405, den zweiten Raildruck 406 und den dritten Raildruck 407 zu ermitteln, ohne dass dazu auf den Hochdrucksensor 109 im Hochdruckspeicher 102 zurückgegriffen werden muss.
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In 4 sind die maximalen Werte 307, 308 und 309 aus 3b jeweils gegen den mit dem Hochdrucksensor 109 detektierten Wert des Raildrucks, d.h. gegen den ersten Raildruck 405 von 200 bar, gegen den zweiten Raildruck 406 von 1000 bar und gegen den dritten Raildruck 407 von 2000 bar aufgetragen. Entsprechende Zahlenpaare stellen Messpunkte 401, 402 und 403 dar. Daneben sind auch weitere Messpunkte dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die maximale Amplitude der von dem Verschlusselement 104 ausgelösten und an dem Piezoaktuator 107 detektierten mechanischen Schwingung mit dem Raildruck zunimmt, wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen den maximalen Werten 307, 308 und 309 der gefilterten Sensorspannungen 304, 305 und 306 und den mittels des Hochdrucksensors 109 bestimmten Werten des ersten Raildrucks 405, des zweiten Raildrucks 406 und des dritten Raildrucks 407 mit guter Genauigkeit einer Eichkurve 404 folgen, die die Form einer Geraden hat.
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Auch könnte anstelle der am Ende der Schließbewegung auftretenden Schwingung völlig analog eine am Ende einer Öffnungsbewegung verursachte Schwingung untersucht werden. Anstelle oder zusätzlich zu der hier beispielhaft gewählten Sensorspannung 304–306 bzw. des maximalen Werts 307–308 kann auch ein Wert einer oder mehrerer der anderen oben erwähnten Messgrößen als Messwert dienen, in Abhängigkeit von dem der Wert des Kraftstoffdrucks in entsprechender Weise ermittelt wird.
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Im Betrieb des Einspritzsystems 101 werden bei jeder Einspritzung vorteilhafterweise für jeden Injektor individuell sowohl der zweite Wert des Raildrucks mittels des Hochdrucksensors 109 als auch der maximale Wert der Sensorspannung unmittelbar nach dem Schließvorgang des Injektors 103 von der Steuer- und Auswerteeinheit 110 erfasst. Anschließend wird zunächst der zweite Wert für den Raildruck auf Plausibilität überprüft, indem er beispielsweise mit einem erwarteten Wert verglichen wird. Der erwartete Wert kann z.B. von einer Temperatur des Kraftstoffs und/oder von einer Pumprate der Hochdruckpumpe abhängen.
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Weicht der zweite Wert von dem erwarteten Wert um mehr als eine maximale Differenz von z.B. 50 bar ab, so wird der zweite Wert als nicht plausibel bewertet und für eine folgende Regelung des Raildrucks und/oder für eine Ansteuerung des Injektors 103 bei einem folgenden Einspritzvorgang nicht berücksichtigt. Als Wert für den Raildruck wird stattdessen anhand der in 4 gezeigten Eichkurve 404 ein Wert 408 ermittelt, wobei als Eingangsgröße bei dieser Ermittlung ein zuvor bestimmter maximaler Wert 409 einer Sensorspannung unmittelbar nach einem Ende eines Schließvorganges des Injektors 103 dient, wie in den 3a, 3b und 3c dargestellt. Der solcherart ermittelte Wert 408 des Raildrucks wird im Weiteren zur Regelung des Raildrucks und/oder zur Ansteuerung des Injektors herangezogen. Auf diese Weise kann das Einspritzsystem 101 trotz eines Ausfalls oder einer fehlerhaften Funktionsweise des Hochdrucksensors 109 weiter betrieben werden.
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Weicht dagegen der zweite Wert um weniger als die maximale Differenz von dem erwarteten Wert ab, so wird zur Regelung des Raildrucks und/oder zur Ansteuerung des Injektors 103 der mit dem Hochdrucksensor 109 bestimmte zweite Wert herangezogen. Zusätzlich wird jedoch der funktionale Zusammenhang in Form der Eichkurve 404 zwischen der Messgröße – hier gegeben durch den maximalen Wert der unmittelbar nach dem Ende des Schließvorganges erfassten Sensorspannung, wie in den 3a, 3b und 3c gezeigt – und dem Raildruck aktualisiert. Die Aktualisierung umfasst beispielsweise, dass einer bereits in der Steuer- und Auswerteeinheit 110 gespeicherten Menge von Messpunkten, die jeweils einen Messwert und einen dem Messwert zugeordneten und mittels des Hochdrucksensors 109 ermittelten zweiten Wert des Raildrucks enthalten, ein weiterer Messpunkt hinzugefügt wird – nämlich der gerade ermittelte – und ein neuer Fit an die nun erweitertete Menge von Messpunkten vorgenommen wird, wobei der neue Fit eine neue Eichkurve darstellt. Zweckmäßigerweise wird die neue Eichkurve für jeden Injektor individuell bestimmt.
