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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors und Mittel zu dessen Implementierung.
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Stand der Technik
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Das Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Aktors in einem Commonrail-Piezoinjektor erfolgt, wie in der
DE 10 2007 059 540 A1 dargestellt, durch gepulstes Aufbringen bzw. Abführen von Ladung mittels Lade- und Entladeschaltern. Als Spannungsquelle dient dabei ein Pufferkondensator, der über einen DC/DC-Wandler auf eine Sollspannung, die Pufferspannung, geladen wird. Die Pufferspannung ist höher als die maximale Spannung des Aktors.
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Die Ansteuerung beim Laden und Entladen erfolgt mit einem lückenden bzw. pulsierenden Stromverlauf und wird über einen Stromshunt geregelt. Als Regelgrößen dienen zwei Parameter. Der erste Parameter ist die Ladestromgrenze beim Laden und die Entladestromgrenze beim Entladen. Der zweite Parameter ist die Pulspausenzeit beim Laden bzw. beim Entladen. Die Pulspausenzeit ist als die Zeit zwischen dem Öffnen und dem nachfolgenden Schließen des Lade- bzw. Entladeschalters bei einem Lade- bzw. Entladepuls definiert.
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Bedingt durch die kurzen Lade- und Entladezeiten, den mechanischen Aufbau und die spezifischen Eigenschaften des Aktors entsteht bei jeder Ansteuerung des Piezoinjektors ein charakteristisches Geräusch (sogenanntes Piezotickern). Je nach Einbaulage im Fahrzeug und den verwendeten Geräuschdämmungsmaßnahmen ist dieses Geräusch insbesondere im Leerlauf des Fahrzeugs zu vernehmen und kann als störend empfunden werden. Im Fahrbetrieb werden diese Geräusche hingegen durch Wind- und Abrollgeräusche überlagert.
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Eine Maßnahme zur Dämpfung des Geräuschniveaus ist die Verlängerung der Lade- und Entladezeiten bei der Ansteuerung des Piezoinjektors bzw. seines Aktors. Diese sogenannte Antitickerfunktion ist nur bei niedrigen Raildrücken aktiv, d.h. im Schub und insbesondere im Leerlauf des Fahrzeugs. Um die Lade- und Entladezeit bei gleichbleibender Aktorspannung zu erhöhen, muss die Ladungsmenge über einen längeren Zeitraum verteilt auf den Aktor aufgebracht bzw. abgeführt werden. Bei fester Pulspausenzeit wird dazu beim Laden die Ladestromgrenze und beim Entladen die Entladestromgrenze abgesenkt (vgl. 2).
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Entsprechende Verfahren sind beispielsweise aus der
EP 1 381 764 B1 bekannt und werden bereits seit mehreren Jahren zur Geräuschverbesserung von Einspritzsystemen mit Piezoinjektoren eingesetzt.
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Ein Nachteil entsprechender Antitickerfunktionen besteht darin, dass die Änderung der Lade- und Entladezeit einen Einfluss auf das hydraulische Verhalten des Kraftstoffinjektors hat und es zu Problemen bei der Bedatung entsprechender Einspritzsysteme kommen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors und Mittel zu dessen Implementierung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Verlängerung der Ladezeit bewirkt, dass sich der Öffnungszeitpunkt des Schaltventils des Kraftstoffinjektors und damit der Düsennadel nach hinten verschiebt. Bezogen auf den elektrischen Ansteuerbeginn (SOE, Start of Energizing) verschiebt sich also der tatsächliche Einspritzbeginn (SOI, Start of Injection) nach hinten. Da die Düsennadel ein ballistisches Verhalten aufweist, wird auch der Schließzeitpunkt der Düsennadel entsprechend beeinflusst.
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Eine Verlängerung der Entladezeit bewirkt, dass sich der Schließzeitpunkt des Schaltventils und damit der Düsennadel (noch weiter) nach hinten verschiebt. Bezogen auf das elektrische Ansteuerende (den Beginn des Entladens) verschiebt sich also das Einspritzende, wie auch unten zu 3 erläutert.
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Diese Effekte führen auch zu einer Veränderung der durch den Kraftstoffinjektor eingespritzten Kraftstoffmenge durch eine Änderung der Einspritzdauer.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass diese Effekte nicht mehr von Anfang an bei der Grundbedatung eines Einspritzsystems (insbesondere der Ansteuerbeginne und des Ansteuerdauerkennfelds) berücksichtigt werden müssen. Herkömmlicherweise ist dies der Fall, was bedeutet, dass die Parametrierung der Lade- und Entladezeiten bereits abgeschlossen sein muss, bevor die Ansteuerbeginne und das Ansteuerdauerkennfeld bedatet werden können.
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Die Grundbedatung eines Einspritzsystems liegt häufig in Verantwortung des Herstellers eines entsprechenden Kraftfahrzeugs, nicht in jener des Zulieferers der Kraftstoffinjektoren. Sie erfolgt meist zu einem sehr frühen Zeitpunkt, sobald entsprechende Kraftstoffinjektormuster verfügbar sind, da die Bedatung aller Korrekturfunktionen auf der Grundbedatung aufbaut.
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Untersuchungen zu Geräuschemissionen finden jedoch meist erst zu einem späteren Zeitpunkt statt. Ergibt sich hieraus die Notwendigkeit einer Anpassung von Lade- und Entladezeiten, muss die Bedatung der Ansteuerbeginne und des Ansteuerdauerkennfelds herkömmlicherweise neu erstellt werden, was einen hohen Initial- und Folgeaufwand darstellt.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen kann hingegen mittels einer Korrektur des Einflusses der Lade- und Entladezeit auf den Spritzbeginn und die Ansteuerdauer über separate Korrektureingriffe eine einmal erstellte Grundbedatung weiter verwendet werden. Die Bedatung der Lade- und Entladezeiten kann daher auch nach Erstellung der Grundbedatung erfolgen.
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Der Kern der Erfindung ist ein Verfahren, das den Einfluss der Lade- und Entladezeit auf den Spritzbeginn und die Ansteuerdauer, beispielsweise in separaten Korrekturkennfeldern, berücksichtigt. Mittels dieser Korrekturkennfelder kann die Parametrierung der Lade- und Entladezeit zu jedem Zeitpunkt nach der Erstellung der Grundbedatung erfolgen. Lediglich die Bedatung der Druckwellenkorrektur muss ggf. neu erstellt werden, da diese den hydraulischen Abstand zwischen den Einspritzungen berücksichtigt. Die Druckwellenkorrektur korrigiert bekanntermaßen die Effekte einer Kraftstoffdruckwelle, welche sich daraus ergibt, dass jede Einspritzung einen kurzzeitigen Einbruch des Kraftstoffdruckes bewirkt.
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Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist also, dass die Bedatung der Funktion zur Optimierung der Geräuschemissionen (Antitickerfunktion durch Erhöhung der Lade- und Entladezeit) nun erfolgen kann, nachdem die Grundbedatung eines Einspritzsystems (Ansteuerbeginne, Ansteuerdauerkennfeld) erstellt wurde. Eine Rekursion der Grundbedatung nach der Bedatung von Lade- und Entladezeit ist nicht mehr erforderlich. Lediglich die Druckwellenkorrektur muss im relevanten Raildruckbereich neu bedatet werden.
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Hierdurch kommt es zu einer deutlichen Kostenersparnis durch eine deutliche Reduktion des Bedatungsaufwands. Die Bedatung der Korrekturkennfelder kann beim Hersteller des Einspritzsystems einmal pro Kraftstoffinjektorauslegung erfolgen und dann in allen Anwendungsszenarien angepasst werden. Die Bedatungsreihenfolge kann an die übliche Priorisierung der einzelnen Entwicklungsschritte angepasst werden (erst Grundbedatung, dann Geräuschoptimierung).
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Die vorliegende Erfindung schlägt hierzu ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Kraftstoffinjektors, an dem ein Kraftstoff mit einem variablen Kraftstoffdruck ansteht, und der einen piezoelektrischen Aktor aufweist, vor. Der Aktor wird ab einem Ansteuerbeginn über eine Ladezeit geladen und danach nach Verstreichen einer Ansteuerdauer über eine Entladezeit wieder entladen.
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Es ist vorgesehen, die Ladezeit und die Entladezeit jeweils in Abhängigkeit von dem Kraftstoffdruck vorzugeben. Wie eingangs erläutert, findet eine derartige Anpassung der Ladezeit und der Entladezeit an den Kraftstoffdruck insbesondere dann statt, wenn eine Geräuschreduktion im Rahmen der erwähnten Antitickerfunktion erzielt werden soll. In solchen Fällen wird die Ladezeit und Entladezeit verlängert, wenn der Kraftstoffdruck sich verringert, beispielsweise in den erwähnten Schubphasen und/oder bei Stillstand des Kraftfahrzeugs.
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Die Ladezeit und die Entladezeit werden jeweils in Abhängigkeit von dem Kraftstoffdruck bestimmt. Der Ansteuerbeginn wird in Abhängigkeit von dem Kraftstoffdruck und der vorgegebenen Ladezeit bestimmt. Die Ansteuerdauer wird in Abhängigkeit von dem Wert des Kraftstoffdrucks, der bestimmten Ladezeit und der bestimmten Entladezeit bestimmt.
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Insbesondere kommen hierbei Beziehungen, insbesondere in Form von Kennfeldern, zum Einsatz. So kann insbesondere vorgesehen sein, den Ansteuerbeginn auf Grundlage einer ersten Beziehung, die für den herrschenden Kraftstoffdruck eine der bestimmten Ladezeit entsprechende Veränderung eines Einspritzbeginns des Kraftstoffinjektors gegenüber einer vorgegebenen Ladezeit angibt, zu bestimmen. Die Ansteuerdauer kann insbesondere auf Grundlage einer zweiten Beziehung, die für den Kraftstoffdruck eine der bestimmten Ladezeit entsprechende Veränderung einer Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors gegenüber einer vorgegebenen Ladezeit angibt, und auf Grundlage einer dritten Beziehung, die für den Kraftstoffdruck eine der bestimmten Entladezeit entsprechende Veränderung einer Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors gegenüber einer vorgegebenen Entladezeit angibt, zu bestimmen.
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Der Einspritzbeginn des Kraftstoffinjektors kann, wie die Einspritzmenge, gemessen oder aus anderen Größen abgeleitet werden. Zum Einspritzbeginn öffnet sich die Ventilnadel des Kraftstoffinjektors und Kraftstoff wird in einen zugeordneten Brennraum eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt so lange, bis sich die Ventilnadel wieder schließt. Je nach Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit bzw. den tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkten und je nach dem Kraftstoffdruck des anstehenden Kraftstoffs ergeben sich bei Veränderung der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors, insbesondere bei einer Veränderung der Lade- und Entladezeiten, abweichende Einspritzbeginne und/oder Einspritzmengen. Mit anderen Worten öffnet und schließt ein Kraftstoffinjektor bei Verlängerung der Lade- und Entladezeit des piezoelektrischen Aktors langsamer, so dass sich der Öffnungszeitpunkt verschiebt. Die Öffnungsdauer ändert sich bei einer Verlängerung der Lade- und Entladezeit.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist als Mittel zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, dieses erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem in schematischer Darstellung.
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2 veranschaulicht Grundlagen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 veranschaulicht Grundlagen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Ein in 1 schematisch gezeigtes Commonrail-Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors 100 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs umfasst einen Tank 101, aus dem eine Hochdruckpumpe 102 über eine Leitung 103 Kraftstoff in einen Hochdruckspeicher 104, das sogenannte Rail, fördert.
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Mit dem Rail 104 sind über Leitungen 105 Kraftstoffinjektoren 1 verbunden, die vorliegend piezoelektrische Aktoren aufweisen. An den Kraftstoffinjektoren 1 steht der Kraftstoff unter einem entsprechenden Kraftstoffdruck an und kann in die Brennräume 106 des hier vierzylindrig ausgeführten Verbrennungsmotors 100 eingespritzt werden.
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Das Rail 104 ist über ein Druckbegrenzungsventil 107 über eine Rücklaufleitung 108 mit dem Tank 101 verbunden. Die Kraftstoffinjektoren 1 sind ebenfalls an die Rücklaufleitung 108 angebunden. Die Kraftstoffinjektoren 1 sind über elektrische Steuerleitungen 109 durch ein Steuergerät 110 ansteuerbar. In entsprechender Weise ist auch die Hochdruckpumpe 102 durch eine elektrische Steuerleitung 111 von dem Steuergerät 110 ansteuerbar. Ein Raildrucksensor 112, der an dem Rail 104 angeordnet ist und den Kraftstoffdruck in dem Rail 104 erfasst, ist über eine Signalleitung 113 mit dem Steuergerät 110 verbunden.
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In 2 sind Grundlagen eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Strom- und Spannungsverläufen in einem Diagramm 200 veranschaulicht. Die Strom- und Spannungsverläufe sind dabei als Ströme I bzw. Spannungen U auf der Ordinate gegenüber einer Zeit t auf der Abszisse aufgetragen.
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Mit
11 ist ein Stromverlauf bezeichnet, der zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Aktors eines Kraftstoffinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems verwendet wird. Ein Ansteuerbeginn ist hierbei mit tiSOE bezeichnet. Wie erwähnt, erfolgt die Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren entsprechender Kraftstoffinjektoren mit einem lückenden Stromverlauf, der beispielsweise über einen Stromshunt geregelt wird. Details zu dem Ansteuerverfahren sind beispielsweise in der erwähnten
DE 10 2007 059 540 A1 veranschaulicht.
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Das Aufladen des piezoelektrischen Aktors erfolgt im dargestellten Beispiel des Stromverlaufs 11 über eine Ladezeit tiChrg, die in dem Diagramm 200 veranschaulicht ist. Am Ende der Ladezeit tiChrg liegt der piezoelektrische Aktor in geladenem Zustand vor. Dieser Zustand wird bis zum Ende eines Ansteuerzeitraums tiET aufrechterhalten. Ab dem Ende des Ansteuerzeitraums tiET wird der piezoelektrische Aktor entladen. Die Entladung erfolgt, ebenfalls mit einem entsprechenden Stromverlauf, über einen Entladezeitraum tiDisCh.
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Aus dem Stromverlauf 11 resultiert im Beispiel der 2 ein Spannungsverlauf 13 einer Ladespannung eines entsprechenden piezoelektrischen Aktors.
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In 2 sind ferner die Effekte einer Verlängerung der Ladezeit tiChrg und der Entladezeit tiDisCh in Form von Strom- und Spannungsverläufen 13 bzw. 14 veranschaulicht. Die verlängerten Zeiträume sind dabei nicht gesondert bezeichnet.
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Wie aus der 2 ersichtlich, verkürzt sich bei einer Verlängerung der Ladezeit tiChrg bei gleichbleibender Ansteuerdauer tiET die Zeit, während derer sich der Aktor in vollgeladenem Zustand befindet. Die Verlängerung der Ladezeit tiChrg und der Entladezeit tiDisCh erfolgt durch ein Absenken der Lade- und Entladestromgrenze: Wie ersichtlich, liegen die Maxima und Minima des Stromverlaufs 11 (ohne verlängerte Lade- und Entladezeiten) deutlich unterhalb bzw. oberhalb jener des Stromverlaufs 12 (mit verlängerten Lade- und Entladezeiten).
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In 3 sind reale Spannungsverläufe und Einspritzraten eines entsprechend angesteuerten Aktors in Form eines Diagramms 300 veranschaulicht. Das Diagramm 300 zeigt dabei Spannungs- und Einspritzratenverläufe U bzw. Q auf der Ordinate gegenüber einer Zeit t auf der Abszisse. Der Spannungsverlauf 21 entspricht dabei nicht verlängerten Lade- und Entladezeiten (vgl. Spannungsverlauf 13 der 2), der Spannungsverlauf 22 verlängerten Lade- und Entladezeiten (vgl. Spannungsverlauf 14 der 2). Wie aus den zugehörigen Einspritzratenverläufen 23 (ohne verlängerte Lade- und Entladezeiten, vgl. Spannungsverlauf 21) und 24 (mit verlängerten Lade- und Entladezeiten, vgl. Spannungsverlauf 22) ersichtlich, verändert sich aufgrund der Verlängerung der Lade- und Entladezeiten die Einspritzmenge 9 (Fläche unter den jeweiligen Einspritzratenverläufen 23 und 24) eines entsprechenden Kraftstoffinjektors. Dies will die vorliegende Erfindung kompensieren, ohne dass der Kraftstoffinjektor neu bedatet werden muss. Der Einspritzbeginn ist hier mit SOI bezeichnet. Wenngleich in den Einspritzratenverläufen 23 und 24 keine Veränderung bezüglich dieses Einspritzbeginns SOI zu erkennen ist, kann sich auch dieser aufgrund der Verlängerung der Lade- und Entladezeiten ändern.
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In 4 ist hierzu ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines schematischen Regelungsplans dargestellt. Das Verfahren ist dabei insgesamt mit 10 bezeichnet.
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Mittels einer Kennlinie 41 wird dabei zunächst aus einem beispielsweise gemessenen Kraftstoffdruck pRail eine Ladezeit tiChrg berechnet. Mittels einer Kennlinie 42 wird aus dem Kraftstoffdruck pRail eine Entladezeit tiDisCh berechnet.
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Über ein erstes Kennfeld 31 mit den Eingangsparametern Kraftstoffdruck pRail und Ladezeit tiChrg wird ermittelt, um welchen Betrag tiSOEOffset der elektrische Ansteuerbeginn tiSOE korrigiert werden muss, um den gleichen Einspritzbeginn SOI wie mit nominaler Ladezeit zu erhalten.
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Über ein zweites Kennfeld 32 mit den gleichen Eingangsparametern Kraftstoffdruck pRail und Ladezeit tiChrg wird ermittelt, um welchen Betrag tiETOffsChrg die Ansteuerdauer tiET im durch den Raildruck bzw. Kraftstoffdruck pRail definierten Betriebspunkt korrigiert werden muss, um die gleiche Einspritzmenge wie mit nominaler Ladezeit zu erhalten.
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Ein drittes Kennfeld 33 wertet die Entladezeit tiDisCh aus, wobei mit den Eingangsparametern Kraftstoffdruck pRail und Entladezeit tiDisCh ermittelt wird, um welchen Betrag tiETOffsDisCh die Ansteuerdauer tiET im durch den Raildruck definierten Betriebspunkt korrigiert werden muss, um die gleiche Einspritzmenge wie mit nominaler Entladezeit zu erhalten.
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Die Beträge tiETOffsChrg und tiETOffsDisCh werden mit einem Nominalwert bzw. Vorgabewert DtiET verrechnet, um zu einem zu verwendenden Wert für die Ansteuerdauer tiET zu kommen. Der Wert DtiET bezeichnet dabei die Ansteuerdauer bei einer nominalen Entladezeit.
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Aufgrund des Eingangsparameters Kraftstoffdruck pRail in die drei Kennfelder 31 bis 33 ergibt sich eine beabsichtigte Redundanz, obwohl in der Ladezeit tiChrg und der Entladezeit tiDisCh im relevanten Betriebsbereich bereits implizit der Kraftstoffdruck pRail enthalten ist (vgl. Kennlinien 41 und 42 zur Ermittlung von Ladezeit tiChrg und Entladezeit tiDisCh). Da die Applikation der Lade- und Entladezeiten zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt, ist jedoch durch die Berücksichtigung des Kraftstoffdrucks pRail zu jedem Zeitpunkt die volle Flexibilität gegeben.
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Die Bedatung der erwähnten Kennfelder findet beispielsweise an einem Hydraulikprüfstand einmal für die jeweilige hydraulische Auslegung des Kraftstoffinjektors (Düsendurchfluss usw.) statt. Ebenfalls erforderlich sind Vorrichtungen zur Vermessung der Einspritzrate und der Einspritzmenge.
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Zur Bedatung wird beispielsweise eine Einzeleinspritzung mit einer nominalen Ansteuerdauer und einem nominalen Ansteuerbeginn eingestellt. Bei einem bestimmten Kraftstoffdruck pRail wird nun bei einer vorgegebenen Ladezeit tiChrg die Einspritzmenge q bzw. Einspritzrate Q sowie aus dem Verlauf der Einspritzrate Q der Spritzbeginn SOI ermittelt. Anschließend wird die Ladezeit tiChrg schrittweise erhöht und für jeden Wert tiChrg ermittelt, um welchen Wert tiETOffsChrg die nominale Ansteuerdauer korrigiert werden muss, um die gleiche Einspritzmenge q bzw. Einspritzrate Q zu erhalten.
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Gleichzeitig wird ermittelt, um welchen zeitlichen Wert tiSOEOffset der nominale elektrische Ansteuerbeginn korrigiert werden muss, um den gleichen Einspritzbeginn SOI zu erhalten. Die Schrittgröße bei der Ladezeiterhöhung kann auf Grundlage eines Kompromisses aus Genauigkeit und Anzahl der Stützstellen im Kennfeld angepasst werden.
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Entsprechendes gilt auch für die Entladezeit: Zur Bedatung wird beispielsweise eine Einzeleinspritzung mit einer nominalen Ansteuerdauer und einem nominalen Ansteuerbeginn eingestellt. Bei einem bestimmten Kraftstoffdruck pRail wird nun bei einer vorgegebenen Entladezeit tiDisCh die Einspritzmenge q bzw. Einspritzrate Q sowie aus dem Verlauf der Einspritzrate Q der Spritzbeginn SOI ermittelt. Anschließend wird die Ladezeit tiDisCh schrittweise erhöht und für jeden Wert von tiDisCh ermittelt, um welchen Wert tiETOffsDisCh die nominale Ansteuerdauer korrigiert werden muss, um die gleiche Einspritzmenge q bzw. Einspritzrate Q zu erhalten usw.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007059540 A1 [0002, 0036]
- EP 1381764 B1 [0006]
