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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine,
bei dem ein Zeitpunkt eines Bewegungsendes eines bewegbaren Teils
eines Kraftstoffventils ermittelt wird, aus einem Sensorsignal ein
monoton im Zeitablauf steigendes Signal berechnet wird und bei dem
in Abhängigkeit von dem steigenden Signal eine erste Funktion,
eine zweite Funktion sowie ein Schnittpunkt der beiden Funktionen
ermittelt werden, wobei eine Lage des Schnittpunktes im Zeitbereich
den Zeitpunkt des Bewegungsendes charakterisiert. Die Erfindung
betrifft außerdem eine Steuer- oder Regeleinrichtung für
eine Brennkraftmaschine.
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Aus
dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, einen Zeitpunkt eines
Bewegungsendes eines bewegbaren Teils, insbesondere einer Ventilnadel, eines
Einspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines an dem Einspritzventil
angebrachten Körperschallsensors zu ermitteln. Aus einem
von dem Körperschallsensor erzeugten Sensorsignal kann
hierbei durch Integrieren des Sensorsignals über der Zeit
ein monoton steigendes Energiesignal ermittelt werden. Befindet
sich das bewegbare Teil in einer Ruhelage oder in einer Bewegung,
dann erzeugt es höchstens geringe Erschütterungen
im Einspritzventil, welche zu einem Körperschallsignal mit
einer relativ geringen Amplitude führen. Dementsprechend
weist ein Verlauf des monoton steigenden Energiesignals in diesem
Fall eine relativ geringe Steigung auf. An dem Bewegungsende kommt
es zu einem Anschlagen des bewegbaren Teils, wodurch eine Erschütterung
im Einspritzventil entsteht, die zu einem Körperschallsignal
relativ hoher Amplitude führt. Dies wiederum resultiert
in einer entsprechend hohen Steigung des Energiesignals. Beim Bewegungsende
tritt im Verlauf des Energiesignals deshalb ein Knick auf, der einen Übergangsabschnitt
im Verlauf des Energiesignals bildet, der zwischen einem ersten
Abschnitt des Verlaufs des Energiesignals mit geringer Steigung und
einem zweiten Abschnitt des Verlaufs des Energiesignals mit einer
hohen Steigung liegt.
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Bei
den allgemein bekannten Verfahren wird der Zeitpunkt, zu dem der
Knick auftritt, das heißt der Zeitpunkt des Bewegungsendes
des bewegbaren Teils, ermittelt, indem das Maximum der zweiten Ableitung
des Verlaufs der Signalenergie ermittelt wird. Nachteilig an diesen
Verfahren ist, dass bei der Ermittlung des Maximums jeweils nur
ein kleiner Bereich des Verlaufs des Energiesignals betrachtet wird,
in dem das Maximum liegen könnte. Deshalb sind die allgemein
bekannten Verfahren relativ empfindlich gegenüber Störungen.
Weiterhin sind diese Verfahren insbesondere dann nicht hinreichend
genau, wenn der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt
mit der geringen Steigung und dem zweiten Abschnitt mit der hohen
Steigung nicht abrupt, sondern langsam erfolgt oder wenn von dem
Verlauf des Energiesignals lediglich zu diskreten Abtastzeitpunkten
erfasste Abtastwerte vorliegen, die zeitlich relativ weit auseinander
liegen.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
43 08 811 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Magnetventils
einer Kraftstoffzumesseinrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren
wird ein Schließzeitpunkt des Magnetventils in Abhängigkeit
von einem Stromverlauf eines elektrischen Stroms durch das Magnetventil
ermittelt. Bei diesem Stromverlauf handelt es sich wie bei dem oben
beschriebenen Energiesignal um ein monoton im Zeitablauf steigendes
Signal, das zum Zeitpunkt des Bewegungsendes eines Ventilelements
des Magnetventils einen Knick aufweist. Der Knick des Stromverlaufs,
das heißt der Zeitpunkt des Bewegungsendes wird ermittelt,
indem der Verlauf des steigenden Signals vor dem Knick mit einer
ersten Gerade und der Verlauf des steigenden Signals nach dem Knick
mit einer zweiten Gerade angenähert wird und der Schnittpunkt
der beiden Geraden ermittelt wird. Die Lage des Schnittpunkts auf
einer Zeitachse entspricht dem Zeitpunkt des ermittelten Bewegungsendes.
Allerdings muss vor dem Durchführen des Verfahrens die
ungefähre Lage des Knicks des Stromverlaufs in aufwändiger
Weise beispielsweise unter Verwendung von Kennfeldern ermittelt
werden.
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Des
Weiteren ist dieses Verfahren vergleichsweise ungenau, wenn es auf
Kraftstoffeinspritzventile angewendet wird. Denn Kraftstoffeinspritzventile
weisen im Gegensatz zu Magnetventilen der üblicherweise
verwendeten Kraftstoffzumesseinrichtungen zwischen einer elektromagnetischen
Betätigungseinrichtung und einer Ventilnadel oftmals einen
hydraulischen Koppler auf. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung
und die Ventilnadel sind also nicht direkt gekoppelt. Aus diesem
Grund entspricht der Zeitpunkt des Bewegungsendes eines bewegbaren
Teils der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung in
der Regel nicht dem Bewegungsende der Ventilnadel. Mit dem bekannten
Verfahren kann der Zeitpunkt des Bewegungsendes lediglich des bewegbaren
Teils der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung, nicht
jedoch der von diesem abweichende Zeitpunkt des Bewegungsende der
Ventilnadel des Einspritzventils ermittelt werden. Außerdem
ist dieses Verfahren nur zusammen mit Betätigungseinrichtungen,
die elektromagnetisch arbeiten, anwendbar, weil nur diese an ihrem
Bewegungsende den Knick in ihrem Stromverlauf aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
anzugeben, bei dem ein Bewegungsende eines bewegbaren Teils eines
Kraftstoffventils, insbesondere einer Ventilnadel, noch genauer
ermittelt werden kann, und das zudem einfach realisierbar ist. Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Bei
der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird durch das Verschieben der beiden verschiebbaren Fenster in
die Optimallage sichergestellt, dass die beiden Fenster sich in
der Nähe eines Übergangs des steigenden Signals
von einem ersten Abschnitt mit geringer Steigung und einem zweiten
Abschnitt mit größerer Steigung befinden. Die
Lage dieses Übergangs braucht somit nicht wie bei dem bekannten
Verfahren beispielsweise unter Verwendung von Kennfeldern geschätzt
werden. Ein aufwändiges Erstellen dieser Kennfelder kann also
entfallen, und es braucht kein Speicherplatz zum Ablegen dieser
Kennfelder in einer Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren kann
somit auf einfache Weise der Zeitpunkt des Bewegungsendes des insbesondere
zum Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffventils
bewegbaren Teils ermittelt werden. Dies ermöglicht wiederum
einen zuverlässigen, zugleich sparsamen und umweltfreundlichen
Betrieb der Brennkraftmaschine. Hierbei ist besonders bevorzugt,
dass eine relative Lage des ersten Fensters bezüglich einer
Lage des zweiten Fensters konstant ist, das heißt, dass
die beiden Fenster stets zusammen unter Beibehaltung ihrer Anordnung
zueinander verschoben werden. Vorzugsweise weist mindestens eines
der beiden Fenster eine konstante Breite auf.
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Es
ist besonders bevorzugt, dass das steigende Signal zeitdiskret ist
und/oder verschiedene Lagen der beiden verschiebbaren Fenster einer
Verschiebung der Fenster relativ zum steigenden Signal um ein ganzzahliges
Vielfaches eines Abtastintervalls entsprechen. Dies ermöglicht,
dass übliche Methoden der digitalen Signalverarbeitung
angewendet werden können, was zu einer einfachen und kostengünstigen
Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
führt. Beim Verschieben der beiden Fenster in die Optimallage
können die beiden Fenster systematisch in die verschiedenen
Lagen verschoben werden und für jede Lage der Funktionswert
der dritten Funktion berechnet werden, wobei der Extremwert ermittelt
wird, indem die den verschiedenen Lagen entsprechende Funktionswerte
miteinander verglichen werden. Vorzugsweise werden die beiden Fenster
derart nacheinander in die verschiedenen Lagen verschoben, dass
ein zeitlicher Versatz der beiden Fenster relativ zu dem steigenden
Signal immer weiter zunimmt. Die beiden Fenster werden also schrittweise
von links nach rechts über eine Zeitachse des steigenden
Signals verschoben.
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Um
Werte des steigenden Signals berücksichtigen zu können,
die vergleichsweise weit von dem Übergang zwischen dem
ersten Abschnitt mit geringer Steigung und dem zweiten Abschnitt
mit höherer Steigung des steigenden Signals entfernt sind, ist
bevorzugt, dass das erste Fenster und das zweite Fenster zeitlich
beabstandet sind. Das heißt, die beiden Fenster sind durch
ein zwischen ihnen liegendes, vorzugsweise konstantes, Zeitintervall
getrennt. Dadurch wird erreicht, dass das Verfahren auch dann hinreichend
genau ist, wenn der Übergang zwischen den beiden Abschnitten
des steigenden Signals nicht abrupt, sondern langsam erfolgt, das
heißt, wenn die Steigung in dem Übergang Werte
annimmt, die zwischen den geringen Werten des ersten Abschnitts des
steigenden Signals und den höheren Werten des zweiten Abschnitts
des steigenden Signals liegen. Hierbei ist die dritte Funktion vorzugsweise
so gewählt, dass sich in der Optimallage der Übergang zwischen
dem ersten Abschnitt mit geringer Steigung und dem zweiten Abschnitt
mit der höheren Steigung des steigenden Signals zwischen
den beiden beabstandeten Fenster befindet. Dadurch wird erreicht, dass
der Verlauf des steigenden Signals am Übergang bei der
Ermittlung des Zeitpunktes des Bewegungsendes keine oder nur eine
untergeordnete Rolle spielt.
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Um
die beiden Fenster auf einfache Weise zuverlässig in die
Optimallage zu verschieben, wird vorgeschlagen, dass der Funktionswert
der dritten Funktion durch Bilden einer Differenz oder eines Quotienten
einer Steigung der zweiten Funktion und einer Steigung der ersten
Funktion am Schnittpunkt der ersten Funktion und der zweiten Funktion
ermittelt wird. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Optimallage
der beiden Fenster im Bereich des Übergangs zwischen den
beiden Abschnitten des steigenden Signals befindet. Denn die beiden
Abschnitte des steigenden Signals unterscheiden sich wie oben erläutert
in ihrer Steigung, so dass die Differenz oder der Quotient den Extremwert
annimmt, wenn eines der beiden Fenster sich im ersten Abschnitt
des steigenden Signals und das jeweils andere Fenster im zweiten
Abschnitt des steigenden Signals befindet. Der Funktionswert der
dritten Funktion wird also nicht unmittelbar aus den Werten des
steigenden Signals, sondern mittelbar aus der ersten und der zweiten Funktion
berechnet, wodurch die Anwendung einfach aufgebauter dritter Funktionen,
deren Funktionswerte mit geringem Aufwand berechnet werden können, ermöglicht
wird.
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Zur
Vermeidung aufwändiger Rechenoperationen ist es bevorzugt,
auch die erste und die zweite Funktion einfach zu gestalten. Besonders
bevorzugt ist hierbei, dass die erste Funktion und/oder die zweite
Funktion einer Geraden entspricht. Eine solche Geradenfunktion kann
beispielsweise unter Verwendung geeigneter Regressionsverfahren
aus dem Verlauf des steigenden Signals im ersten Fenster beziehungsweise
im zweiten Fenster ermittelt werden.
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Um
den Rechenaufwand bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens noch weiter zu reduzieren, wird vorgeschlagen, dass die
erste Funktion aus einem ersten Punkt und einem zweiten Punkt des
steigenden Signals und/oder die dritte Funktion aus einem dritten
Punkt und einem vierten Punkt des steigenden Signals ermittelt wird,
wobei der erste Punkt und der zweite Punkt innerhalb des ersten
Fensters und der dritte Punkt und der vierte Punkt innerhalb des
zweiten Fensters liegen. Die erste Funktion entspricht vorzugsweise
einer Geraden durch die Endpunkte des ersten Fensters, und die zweite
Funktion entspricht einer Geraden durch die Endpunkte des zweiten
Fensters.
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Es
ist besonders bevorzugt, dass das Kraftstoffventil ein Einspritzventil
ist und das monoton im Zeitablauf steigende Signal aus dem Sensorsignal
eines mit dem Einspritzventil gekoppelten Sensors, vorzugsweise
eines Beschleunigungssensors oder eines Körperschallsensors,
ermittelt wird. Das bewegbare Teil des Kraftstoffeinspritzventils
ist vorzugsweise eine Ventilnadel. Das Bewegungsende der Ventilnadel
kann auch dann mit hoher Genauigkeit ermittelt werden, wenn das
Kraftstoffeinspritzventil zwischen einer Betätigungseinrichtung
und der Ventilnadel ein Koppelelement, das beispielsweise als hydraulischer
Koppler ausgeführt sein kann, aufweist. Außerdem
kann das erfindungsgemäße Verfahren so auch in
Verbindung mit Einspritzventilen, die eine Betätigungseinrichtung
mit einem Piezo-Element aufweisen, angewendet werden.
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Es
kann vorgesehen werden, dass das monoton im Zeitablauf steigende
Signal derart ermittelt wird, dass ein Signalwert des steigenden
Signals zu einem jeden betrachteten Zeitpunkt innerhalb eines Messintervalls
eine Signalenergie eines Abschnitts des Sensorsignals zwischen einem
Anfang des Messintervalls und dem betrachteten Zeitpunkt charakterisiert.
Hierdurch wird sichergestellt, dass das steigende Signal den für
die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erforderlichen ersten Abschnitt mit geringer Steigung und den zweiten
Abschnitt mit im Vergleich zur Steigung des ersten Abschnitts hoher
Steigung aufweist. Eine Berechnung zum Ermitteln des steigenden
Signals umfasst vorzugsweise im Falle eines zeitkontinuierlichen
Signals eine Integration des quadrierten steigenden Signals über
der Zeit und im Falle eines zeitdiskreten Signals eine Summation
der quadrierten Werte des steigenden Signals. Es kann auch ein anderes
monoton im Zeitablauf steigendes Signal ermittelt werden, das die
Signalenergie höchstens annähernd charakterisiert,
indem anstelle des Quadrierens vorgesehen wird, dass eine andere
geradzahlige Potenz des Signals oder der Betrag des Signals gebildet
wird.
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Um
die Genauigkeit des Verfahrens weiter zu verbessern, kann vorgesehen
werden, dass beim Ermitteln des monotonen im Zeitablauf steigenden
Signals ein Zwischensignal aus dem Sensorsignal durch Tiefpassfiltern
gebildet wird und aus dem Zwischensignal das monoton im Zeitablauf
steigende Signal ermittelt wird. Mit Hilfe des Tiefpassfilterns
können im Sensorsignal punktuell auftretende Störungen
beseitigt oder zumindest verringert werden.
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Als
weitere Lösung der Aufgabe wird eine Steuer- oder Regeleinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Mit einer solchen Steuer-
oder Regeleinrichtung kann das Bewegungsende des bewegbaren Teils
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
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Vorzugsweise
ist die Steuer- oder Regeleinrichtung zur Ausführung eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9 programmiert.
Eine solche Steuer- oder Regeleinrichtung weist die oben dargestellten
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen
anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
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1 ein
Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung;
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2 einen
zeitlichen Verlauf eines Sensorsignals und eines monoton im Zeitablauf
steigenden Signals; und
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3 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines Zeitpunktes eines
Bewegungsendes einer Ventilnadel.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Kraftstoffsystem, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 11 versehen
ist, stark schematisch dargestellt. Das Kraftstoffsystem 11 weist
einen Hochdruckspeicher 13 auf, welcher mit einem Einspritzventil 15 verbunden
ist. Das Einspritzventil 15 ist mit einem Brennraum 17 einer
Brennkraftmaschine 19 hydraulisch verbunden. Die Brennkraftmaschine 19 weist
mehrere Brennräume 17 auf, jedoch ist der Übersichtlichkeit
halber in 1 nur ein Brennraum 17 dargestellt.
Ebenso ist nur ein Einspritzventil 15 dargestellt, obwohl
an jedem Brennraum 17 der Brennkraftmaschine 19 jeweils
ein Einspritzventil 15 angeschlossen ist. Der Hochdruckspeicher 13 ist
mit einer Hochdruckseite einer Kraftstoffhochdruckpumpe (nicht gezeigt)
verbunden. Weiterhin weist das Kraftstoffsystem 11 einen
Kraftstoffsammelbehälter und eine Vorförderpumpe
auf (beide nicht gezeigt), wobei die Hochdruckpumpe über
die Vorförderpumpe mit dem Kraftstoffsammelbehälter
verbunden ist.
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Das
Einspritzventil 15 umfasst eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 21,
ein Koppelelement in Form eines hydraulischen Kopplers 23 sowie
eine Ventilnadel 25. Bei der Ventilnadel 25 handelt
es sich um ein bewegbares Teil des Einspritzventils 15,
welches zum öffnen des Einspritzventils 15 in eine
Offenstellung und zum Schließen des Einspritzventils 15 in
eine geschlossene Stellung zu einem Ventilsitz 26 des Einspritzventils 15 hin
bewegbar ist. Die Ventilnadel 25 ist über den
hydraulischen Koppler 23 mit der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 21 gekoppelt.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform weist das Einspritzventil 15 an
Stelle der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 21 eine elektrische
Betätigungseinrichtung mit einem Piezoelement auf. Des
Weiteren weist das Einspritzventil einen Körperschallsensor 27 auf.
Sowohl der Körperschallsensor 27 als auch die
elektromagnetische Betätigungseinrichtung 21 des
Einspritzventils 15 sind mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung 29 verbunden,
sodass die Steuer- oder Regeleinrichtung 29 ein Sensorsignal
s des Körperschallsensors 27 erfassen und mittels
eines Ansteuersignals x die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 21 ansteuern
kann. Zum Verarbeiten des Sensorsignals s und zum Erzeugen des Ansteuersignals
x weist die Steuer- oder Regeleinrichtung 29 Rechenmittel 30 auf.
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Beim
Betrieb des Kraftstoffsystems 11 wird in dem Hochdruckspeicher 13 gespeicherter
Kraftstoff von der Kraftstoffhochdruckpumpe mit Hochdruck beaufschlagt.
Die Steuer- oder Regeleinrichtung 29 steuert die elektromagnetische
Betätigungseinrichtung 21 des Einspritzventils
mit einem Ansteuersignal x an. Hierbei bringt die Steuer- oder Regeleinrichtung 29 zu
geeigneten Zeitpunkten das Ansteuersignal x in einen aktiven Zustand,
wodurch die Ventilnadel 25 von der geschlossenen Stellung
in Richtung der Offenstellung bewegt wird. Befindet sich die Ventilnadel 25 in
der Offenstellung, dann wird der im Hochdruckspeicher 13 befindliche
Kraftstoff in den Brennraum 17 der Brennkraftmaschine 19 eingespritzt.
Um das Einspritzen des Kraftstoffs zu beenden, bringt die Steuer-
oder Regeleinrichtung 29 zu einem späteren geeigneten
Zeitpunkt das Ansteuersignal x in einen inaktiven Zustand, was dazu
führt, dass sich die Ventilnadel 25 von der Offenstellung wieder
zurück in die geschlossene Stellung bewegt. Am Ende der
Schließbewegung entsteht auf Grund eines Anschlagens der
Ventilnadel 25 auf dem Ventilsitz 26 des Einspritzventils 15 in
der geschlossenen Stellung im Einspritzventil 15 eine Erschütterung, welche
vom Körperschallsensor 27 als Körperschall erfasst
wird und mittels des Sensorsignals s an die Steuer- oder Regeleinrichtung 29 gemeldet
wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform entsteht
in dem Einspritzventil 15 eine weitere Erschütterung, wenn
die Ventilnadel 25 die Offenstellung erreicht. Die weitere
Erschütterung wird ebenfalls als Körperschall
von dem Körperschallsensor 27 erfasst.
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Auf
Grund verschiedener Einflüsse, wie beispielsweise einer
Massenträgheit verschiedener bewegbarer Teile und einer
Dämpfungswirkung des hydraulischen Kopplers 23 tritt
die Bewegung der Ventilnadel 25 von der geschlossenen Stellung
in die Offenstellung und zurück nicht zeitgleich mit der
Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung des Ansteuersignals x
auf. Das Bewegungsende dieser Bewegungen ist vielmehr zeitlich gegenüber
den entsprechenden Zustandsänderungen des Ansteuersignals
x verzögert. Diese Verzögerung ist nicht konstant,
sondern von Umwelteinflüssen, Fertigungstoleranzen und
dem Alter des Einspritzventils 15 abhängig. Da jedoch
für einen zuverlässigen und energiesparenden Betrieb
der Brennkraftmaschine 19 eine genaue Festlegung des Zeitpunktes
des Bewegungsendes beim Erreichen der Offenstellung beziehungsweise beim
Erreichen der geschlossenen Stellung erforderlich ist, wird der
Zeitpunkt des Bewegungsendes, das heißt der Zeitpunkt des
Aufschlagens der Ventilnadel 25 auf dem Ventilsitz 26 anhand
des Sensorsignals s ermittelt und die Ansteuerung des Einspritzventils 15 über
das Ansteuersignal x entsprechend adaptiert.
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Anhand
der 2 und 3 wird im Folgenden ein Verfahren 31 zum
Ermitteln des Zeitpunktes te des Bewegungsendes
näher erläutert. Dieses Verfahren 31 wird
in der gezeigten Ausführungsform zum Ermitteln eines Zeitpunktes
te eines Bewegungsendes einer Schließbewegung
des Einspritzventils 15, das heißt eines Zeitpunktes
te zu dem die. Ventilnadel 25 die
Schließstellung erreicht, verwendet. Es kann jedoch in
Verbindung mit einem in einer nicht gezeigten Ausführungsform
vorhandenen Einspritzventil 15, bei dem beim Erreichen
der Offenstellung die weitere Erschütterung auftritt, auch
zum Ermitteln eines Zeitpunkts des Endes einer Öffnungsbewegung,
das heißt eines Zeitpunktes zu dem die Ventilnadel 25 die
Offenstellung erreicht, angewendet werden.
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Im
oberen Bereich des in 2 gezeigten Schaubild ist das
Sensorsignal s dargestellt. Man erkennt, dass zum Zeitpunkt te des Bewegungsendes eine Amplitude des Sensorsignals
s stark zunimmt um im Zeitablauf nach dem Zeitpunkt te wieder
abzunehmen. Dieser Verlauf des Sensorsignal s resultiert wie oben
dargestellt aus den Vibrationen im Einspritzventil 15,
die auf Grund des Anschlagens der Ventilnadel 25 beim Bewegungsende
auftreten.
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Das
Sensorsignal s wird in einen unmittelbar auf einen Start 32 des
Verfahrens folgenden Schritt 33 innerhalb eines Messintervalls
[0, T] erfasst. Das Messintervall [0, T] wird dabei so gewählt,
dass der Zeitpunkt te des Bewegungsende
sicher innerhalb des Messintervalls [0, T] liegt. Hierzu kann beispielsweise
eine Untergrenze t = 0 des Messintervalls [0, T] auf einen Zeitpunkt
einer Änderung des Ansteuersignals x (Aktivieren oder Deaktivieren
des Ansteuersignals x) gelegt werden und eine Länge T des
Messintervalls [0, T] gewählt werden, die erheblich größer
ist als jede mögliche Dauerte von der Untergrenze t = 0 des
Messintervalls [0, T] bis zum Zeitpunkt te des
Bewegungsendes.
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Anschließend
wird in einem Schritt 35 eine Tiefpassfilterung des Sensorsignals
s vorgenommen, um im Zeitablauf punktuell auftretende Störungen oder
Störimpulse zu eliminieren. In einem der Tiefpassfilterung 35 nachfolgenden
Schritt 37 wird ein monoton steigendes Signal e berechnet.
In der gezeigten Ausführungsform charakterisiert das steigende
Signal e eine Signalenergie des gefilterten Sensorsignals. Das heißt
ein Wert des steigenden Signals e zu einem betrachteten Zeitpunkt
t entspricht der Energie des gefilterten Sensorsignals zwischen dem
Anfang des Messintervalls t = 0 und dem betrachteten Zeitpunkt t.
Zur Berechnung des Werts des steigenden Signals e zum Zeitpunkt
t wird im Falle eines kontinuierlichen gefilterten Sensorsignals
ein Integral des Quadrates des gefilterten Sensorsignals über
das Zeitintervall zwischen dem Anfang t = 0 des Messintervalls [0,
T] und dem betrachteten Zeitpunkt t gebildet. Im Falle eines zeitdiskreten
gefilterten Sensorsignals wird anstelle des Integrals eine entsprechende
Summe berechnet. In nicht gezeigten Ausführungsformen wird
nicht über das Quadrat des gefilterten Sensorsignals, sondern über
eine andere geradzahlige Potenz des gefilterten Sensorsignals oder über
den Betrag des gefilterten Sensorsignals integriert beziehungsweise
summiert.
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Bei
der Tiefpassfilterung 35 handelt es sich um einen optionalen
Schritt, der bei der Realisierung des Verfahrens auch entfallen
kann. In diesem Fall würde der Schritt 37 direkt nach
dem Schritt 33 ausgeführt werden, das heißt
das monoton steigende Signal e wird direkt aus dem Sensorsignal
s berechnet.
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Man
erkennt anhand 2, dass das steigende Signal
e einen ersten Abschnitt 39 mit einer geringen Steigung,
einen zweiten Abschnitt 41 mit einer Steigung, die höher
ist als die Steigung des steigenden Signals e im ersten Abschnitt 39 sowie
einen zwischen den beiden Abschnitten 39, 41 befindlichen Übergangsabschnitt 45,
in dem die Steigung zunimmt, aufweist. Je nach Beschaffenheit des
Einspritzventils 15 und je nach Ausgestaltung der Tiefpassfilterung 35 kann
es sich bei dem Übergangsabschnitt 45 um einen
Knick oder – wie in der gezeigten Ausführungsform – um
einen gebogenen Bereich im Verlauf des Sensorsignals s handeln.
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In
einem auf den Schritt 37 folgenden Schritt 47 wird
ein erstes Fenster 49 zusammen mit einem von dem ersten
Fenster zeitlich getrennten zweiten Fenster 51 in eine
Optimallage tt, opt verschoben. Dazu werden
die beiden Fenster 49, 51 nacheinander in verschiedene
Lagen tf, i gebracht. Hierbei werden Breiten
der beiden Fenster 49, 51 und ein Abstand Δt
zwischen den beiden Fenstern 49, 51 konstant gehalten.
Die verschiedenen Lagen tf, i entsprechen
einem linken Rand des ersten Fensters 49 innerhalb des
Messintervalls [0, T]. In der gezeigten Ausführungsform
handelt es sich bei dem steigenden Signal e um ein zeitdiskretes
Signal. Werte des steigenden Signals e liegen daher nur für
bestimmte Abtastzeitpunkte, die in einem konstanten Abtastintervall
nacheinander im Zeitbereich angeordnet sind, vor. Dementsprechend
umfasst jedes der beiden Fenster 49, 51 mehrere
aufeinander folgende Abtastwerte, wobei die Anzahl der Abtastwerte
eines Fensters sich aus dem Quotienten der Fensterbreite und dem
Abtastintervall ergibt. Die verschiedenen Lagen tf,
i werden dadurch eingestellt, dass die beiden Fenster 49, 51 zunächst
in eine Anfangslage tf, 0 = 0 gebracht werden
und jede weitere Lage tf, i > 0 der verschiedenen
Lagen tf, i eingestellt wird, indem die
beide Fenster 49, 51 jeweils um ein Abtastintervall
auf der Zeitachse nach rechts verschoben werden. Eine Endlage tf, N entspricht derjenigen Lage, bei welcher ein
Verschieben der beiden Fenster 49, 51 um ein Abtastintervall
dazu führen würde, dass zumindest ein Teil des
ersten Fensters 49 oder des zweiten Fensters 51 außerhalb
des Messintervalls [0, T] liegen würde. Ist die Endlage
erreicht tf, N, dann wurden alle zur weiteren
Ausführung des Verfahrens benötigten verschiedenen
Lagen tf, i eingestellt.
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Für
jede Lage tf, i der beiden Fenster 49, 51 wird
eine erste Funktion f in Form einer Geraden, die durch einen ersten
Punkt A am linken Rand des ersten Fensters 49 und einem
zweiten Punkt B am rechten Rand des ersten Fensters 49 geht,
ermittelt. Des Weiteren wird eine zweite Funktion g in Form einer weiteren
Geraden, die durch einen Dritten Punkt C des steigenden Signals
e am linken Rand des zweiten Fensters 51 und einen vierten
Punkt D durch das steigende Signal e am rechten Rand des zweiten Fensters 51 geht,
ermittelt.
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Zum
Ermitteln der Optimallage wird über die verschiedenen Lagen
tf, i der beiden Fenster 49, 51 ein
Extremum, in der gezeigten Ausführungsform ein Maximum,
einer dritten Funktion h ermittelt. Zu diesem Zweck wird ein Schnittpunkt
P der ersten Funktion f und der zweiten Funktion g berechnet. Ein Funktionswert
der dritten Funktion h ergibt sich aus der Differenz zwischen der
Steigung der zweiten Funktion g am Schnittpunkt P und der Steigung
der ersten Funktion f am Schnittpunkt P. Die Optimallage tf, opt der beiden Fenster 49, 51 entspricht
also derjenigen Lage an der der Funktionswert der dritten Funktion
h maximal ist. Abweichend hiervon kann zur Berechnung des Funktionswert
der dritten Funktion auch ein Quotient zwischen den beiden Steigungen ermittelt
werden oder eine andere geeignete Berechnungsvorschrift angewendet
werden. Werden die beiden Fenster 49, 51 wie oben
beschrieben schrittweise verschoben, dann können die drei
Funktionen f, g, h so gewählt werden, dass mindestens eine
dieser Funktionen f, g, h inkrementell, das heißt ausgehend
von den für die vorhergehende Lage tf,
i-1 der beiden Fenster 49, 51 ermittelten
Funktionen f, g, h, ermittelt werden kann.
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Man
erkennt, dass in der Darstellung von 2 ein Unterschied
zwischen den Steigungen der ersten Funktion und der zweiten Funktion
am Schnittpunkt P bei den mittleren beiden Fenster 49, 51 am größten
ist, so dass die Lage der mittleren beiden Fenster 49, 51 der
Optimallage tf, opt entspricht. Denn gerade
für diese Optimallage tf, opt weist
der Funktionswert der dritten Funktion h den Maximalwert auf, während
der Funktionswert der dritten Funktion h bei den beiden links der
Optimallage tf, opt befindlichen Fenstern 49, 51 (Lage
tf, a) und bei den beiden rechts von der
Optimallage tf, opt befindlichen Fenstern 49, 51 (Lage
tf, b) deutlich geringer ist als bei den
in der Optimallage tf, opt befindlichen
Fenstern, da sich die Steigungen am Punkt P der ersten und der zweiten
Funktion verhältnismäßig wenig unterscheiden.
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In
dem in 2 gezeigten Verlauf der steigenden Funktion e
entspricht die Lage des Schnittpunkts P der ersten Funktion f und
der zweiten Funktion g der sich in der Optimallage tf,
opt befindlichen beiden Fenster 49, 51 dem
Zeitpunkt te des Bewegungsendes. Dementsprechend
wird in einem letzten Schritt 55 des Verfahrens 31 der
Zeitpunkt te des Bewegungsendes der Ventilnadel 25 aus
der Lage des Schnittpunktes P bezüglich der Zeitachse ermittelt.
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In
der gezeigten Ausführungsform wird für das gesamte
Messintervall [0, T] das steigende Signal e in einen Speicherbereich
der Rechenmittel 30 der Steuer- oder Regeleinrichtung 29 abgelegt.
Die beiden Fenster 49, 51 werden mit Hilfe geeigneter
Index-Variablen, die eine relative Adresse bezogen auf einen Anfang
des Speicherbereiches enthalten, verwalten. Beispielsweise kann
eine Index-Variable vorgesehen werden, die auf den ersten Abtastwert
des steigenden Signals e innerhalb des ersten Fensters 49 zeigt.
Die Lage tf, i der beiden Fenster 49, 51 innerhalb
des Messintervalls [0, T] ergibt sich durch eine Multiplikation
eines Wertes der Index-Variablen mit dem Abtastintervall. Abweichend
vor der gezeigten Ausführungsform kann das Verfahren 31 auch
auf andere Weise realisiert werden. So können zum Beispiel
anstelle des Speicherbereichs für das steigende Signal
e Ringpuffer für die beiden Fenster 49, 51 vorgesehen
werden.
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Dadurch,
dass zunächst die Optimallage tf, opt des
ersten Fensters 49 und des zweiten Fensters 51 ermittelt
wird und anschließend der Zeitpunkt te des Bewegungsendes
durch Ermitteln der Lage des Schnittpunkts P der zweiten Funktion
f und der dritten Funktion g berechnet wird, kann mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens 31 der Zeitpunkt te des Bewegungsendes
auf einfache Weise besonders genau ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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