DE10033196A1 - Verfahren bzw. Vorrichtungzur Erkennung eines Fehlerstromes an einem piezoelektrischen Aktor eines Einspritzventils oder an dessen Hochspannung führende Zuleitung - Google Patents
Verfahren bzw. Vorrichtungzur Erkennung eines Fehlerstromes an einem piezoelektrischen Aktor eines Einspritzventils oder an dessen Hochspannung führende ZuleitungInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlerstromes an einem piezoelektrischen Aktor (5) eines Einspritzventils oder an dessen Hochspannung führende Leitung (6, 6a) vorgeschlagen. Da der Fehlerstrom beispielsweise durch Berührung eines Menschen im Vergleich zum Nutzstrom, der den Aktor auf- oder entlädt, relativ klein ist, ist eine direkte Strommessung nicht zuverlässig. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, während der Einspritzung bzw. in einer Spritzpause, wenn der piezoelektrische Aktor (5) aufgeladen ist, den Spannungsverlauf oder eine Spannungsänderung (dU) zu messen und die Differenz mit einem vorgegebenen Schwellwert (S) zu vergleichen. Bei Überschreiten des Schwellwertes (S) wird eine Fehlermeldung ausgegeben, die Spannungsversorgung abgeschaltet und/oder der piezoelektrische Aktor (5) wird entladen. Der gemessene Fehler kann mit einem Zählalgorithmus gewichtet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ein größtmöglicher Berührungsschutz insbesondere für das Servicepersonal erreicht.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer
Vorrichtung zur Erkennung eines Fehlerstromes an einem
piezoelektrischen Aktor eines Einspritzventils oder an
dessen Hochspannung führende Zuleitung nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Es ist schon bekannt, piezoelektrische
Aktoren zum Steuern des Schaltventils bzw. der Düsennadel
eines Einspritzventils mit einer Spannung bis zu mehreren
100 Volt, beispielsweise bis zu 200 Volt aufzuladen. Diese
hohe Spannung stellt für das Servicepersonal unter Umständen
eine gefährliche Spannungsquelle dar, die bei direkter
Berührung der spannungsführenden Teile oder der Zuleitung zu
gefährlichen Stromschlägen führen kann. Beispielsweise kann
bei Berührung der Zuleitung ein Körperschluß gegen Masse zu
einem Strom führen, der in der Größenordnung von 200 mA
betragen kann. Gemäß geltenden Schutzvorschriften (z. B. VDE
100) darf ein solcher Strom nur für eine begrenzte Zeit
auftreten, um das gefährliche Herzkammerflimmern zu
verhindern. Die Messung und Erkennung eines Fehlerstromes
ist jedoch nicht so einfach, da im Vergleich dazu der
Nutzstrom mit ca. 20 bis 30 A einige Größenordnungen höher
und somit der Fehlerstrom schwer zu erkennen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. deren Vorrichtung zur
Erkennung eines Fehlerstromes an einem piezoelektrischen
Aktor eines Einspritzventils oder an dessen Hochspannung
führende Zuleitung mit den kennzeichnenden Merkmalen der
nebengeordneten Ansprüche 1 und 11 hat demgegenüber den
Vorteil, dass durch die Überwachung der Spannung oder deren
Verlauf am aufgeladenen Aktor auch der relativ geringe
Fehlerstrom erkennbar wird und somit Schutzmaßnahmen wirksam
getroffen werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens
möglich. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass im
Fehlerfall ein ermittelter Fehler durch einen
Fehleralgorithmus gewichtet wird. Dadurch werden
beispielsweise Fehlmessungen oder Störungen wirkungsvoll
unterdrückt und nur tatsächlich vorliegende Fehler als
solche ausgewertet.
Vorteilhaft ist weiter, bei Auftreten eines tatsächlichen
Fehlers die Spannungszuführung abzuschalten und auch den
Aktor so schnell zu entladen, dass keine
Berührungsgefährdung mehr entsteht. Dadurch wird der
größtmögliche Schutz erreicht und Verletzungsgefahren
weitgehend vermieden.
Als einfache und besonders günstige Vorgehensweise wird
angesehen, die Spannung zum Beginn und am Ende der
Spritzpause zu ermitteln. Da die Spritzpause mit dem
aufgeladenem Aktor nur einige Millisekunden, beispielsweise
nur 2 ms dauern kann, ergibt sich bei einem Körperschluß
eine signifikante Entladung des Aktors.
Günstig ist auch, bei einem System mit Mehrfacheinspritzung
die Spannungsüberwachung bei den einzelnen Einspritzimpulsen
durchzuführen. So kann schon frühzeitig der Fehlerfall
erkannt werden.
Da in der Regel von der Spannungsversorgung mehrere Aktoren
mit der Hochspannung versorgt werden, werden vorteilhaft
alle Aktoren abgeschaltet, um die Sicherheit zu erhöhen.
Günstig ist weiterhin, die Fehlerdiagnose in Form eines
Softwareprogramms auszubilden, da ein solches Programm
relativ einfach erstellt werden kann. Ebenso lassen sich
Änderungen leichter durchführen.
Das Softwareprogramm zur Fehlerdiagnose wird vorteilhaft in
das Steuerprogramm für den Aktor mit einbezogen, so dass auf
zusätzliche Installationen verzichtet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild,
Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm,
Fig. 3 zeigt ein Spannungsdiagramm und
Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm für die Fehlergewichtung.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein
Blockschaltbild für einen Stromlaufplan. Eine
Spannungsquelle 1 ist mit zwei in Reihe geschalteten ersten
Schaltern 3a, 3b verbunden und liefert den Strom bzw. die
Spannung zum Aufladen eines Piezo-Aktors 5. Zwischen den
Schaltern 3a und 3b ist eine Induktivität 14 geschaltet,
deren zweiter Anschluß über einen Kabelbaum 6 und einen
Stecker 7 mit einem Anschluß eines Piezo-Aktors 5 verbunden
ist. Ein zweiter Anschluß des Piezo-Aktors 5 ist über einen
Stecker 8 und dem Kabelbaum 6a mit einem zweiten Schalter 4
verbunden, dessen Rückleitung mit der Rückleitung der
Spannungsquelle 1 verbunden ist (Masseleitung). Sowohl die
Spannungsquelle 1 als auch die Schalter 3a, 3b, 4 sind über
Steuerleitungen 11a, 11b, 12, 13 mit einem Steuergerät 2
verbunden. Die Schalter 3a, 3b, 4 sind vorzugsweise als
Halbleiterschalter ausgebildet, die sowohl einen hohen Strom
durchlassen als auch spannungsfest sind gegen die hohe
Ladespannung, die je nach Aktortyp bis 200 Volt oder mehr
betragen kann. Antiparallel zu den Schaltern 3a, 3b, 4 sind
Dioden geschaltet, um einen Strom in Gegenrichtung fließen
zu lassen.
Üblicherweise sind an den ersten Schaltern 3a, 3b weitere
Piezo-Aktoren 5 zu einer Bank parallel geschaltet. Aus
Übersichtlichkeitsgründen wurden diese jedoch weggelassen.
Werden mehrere Aktoren zu einer Bank zusammengeschaltet,
dann ist jedem Aktor 5 der zweite Schalter 4 in Reihe zum
Aktor 5 geschaltet, um den zugeordneten Aktor 5 ansteuern zu
können. In diesem Fall schaltet das Steuergerät 2 den
zweiten Schalter 4 auf Durchlaß bzw. Sperren, so dass sich
der Aktor aufladen bzw. entladen kann.
Mit Hilfe der ersten Schalter 3a, 3b kann der Stromfluß
gesteuert werden. Dazu steuert das Steuergerät 2 die ersten
Schalter 3a, 3b auf Durchlaß oder sperrt sie.
Das Steuergerät 2 weist des Weiteren eine Meßvorrichtung 9
auf, mit der die Spannung oder der Spannungsverlauf oder
eine Spannungsänderung beispielsweise an den Steckern 7 und
8, am Aktor 5 und/oder am Kabelbaum 6, 6a meßbar ist. Die
Steuerung 2 weist des Weiteren einen Rechner 10 auf, der
alle erforderlichen Einheiten enthält und von einem
entsprechenden Softwareprogramm gesteuert wird.
Die gestrichelte Leitung am Steckeranschluß 7 mit dem
Widerstand RM soll einen Ableitwiderstand darstellen, wie er
beispielsweise bei Berührung durch einen Menschen auftreten
kann. In einer Spritzpause, wenn beispielsweise der Piezo-
Aktor 5 aufgeladen ist, erfaßt die Meßvorrichtung 9 am
Stecker 7 die Spannung des Piezo-Aktors 5, so dass sie vom
Steuergerät 2 ausgewertet werden kann sind beispielsweise
die ersten Schalter 3a, 3b gesperrt, dann würde sich der
Piezo-Aktor 5 über den Ableitwiderstand RM mehr oder weniger
schnell entladen, da der Ableitwiderstand RM relativ
niederohmig ist. Bei einer Kapazität von beispielsweise 6 µF
des Piezo-Aktors 5 und einem angenommenen Ableitwiderstand
RM von 1 k Ohm ergibt sich eine Zeitkonstante von ungefähr
6 ms. Das bedeutet, dass der Aktor 5 z. B. in einer
Spritzpause von 2 Millisekunden bei einem doppelschaltenden
Schaltventil um bis zu 60 Volt entladen wird. Vorzugsweise
wird die Spannung am Ende der Spritzpause gemessen. Zu
Beginn der Spritzpause ist eine Messung nicht erforderlich,
da sich zu diesem Zeitpunkt der Aktor 5 auf die vom
Steuergerät 2 vorgegebene Sollspannung aufgeladen hat. Aus
diesen beiden Werten wird nach jedem Ladevorgang die
Spannungsdifferenz dU ermittelt und mit einem vorgegebenen
Schwellwert S verglichen. Liegt die Spannungsdifferenz dU
unter dem vorgegebenen Schwellwert S. der beispielsweise
empirisch festgelegt werden kann, dann kann daraus
geschlossen werden, dass kein signifikanter Ableitstrom, wie
er durch den Körperwiderstand RM gebildet sein kann,
vorliegt. Übersteigt dagegen die Differenz dU den
vorgegebenen Schwellwert S, dann wird eine Fehlermeldung
ausgegeben, die Spannungsquelle 1 so schnell wie möglich
abgeschaltet und/oder der Piezo-Aktor 5 entladen. Dies
erfolgt mit Hilfe der Schalter 3a, 3b, 4. Dadurch wird
vorteilhaft, eine Gefährdung bei Berührung der Hochspannung
führende Teile vermieden.
Um Fehlmessungen oder Störsignale auszublenden, wird
alternativ die gemessene Fehlerspannung mit einem
vorgegebenen Algorithmus gewichtet, bevor ein endgültiger
Fehler identifiziert wurde. Dieses Verfahren wird später an
Hand der Fig. 4 näher erläutert.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
auch zu Beginn der Spritzpause oder zwischendurch den
Spannungsverlauf zu erfassen und in Bezug auf den
vorgegebenen Schwellwert S auszuwerten.
Anhand der Fig. 2 bis 4 wird die Funktionsweise des
Verfahrens näher erläutert. Beim Flußdiagramm gemäß der
Fig. 2 wird zunächst in Position 21 die Aktorspannung Ua
während der Ansteuerung beispielsweise an dem Stecker 7
gemessen. In Position 22 wird die gemessene Aktorspannung Ua
auf Plausibilität geprüft. Dieser Vorgang wird später anhand
der Fig. 3 näher erläutert. In Position 23 erfolgt eine
Fehlerentprellung gemäß der Fig. 4 und in Position 24
werden die Fehlerpfade aktualisiert.
Fig. 3 zeigt ein typisches Spannungsdiagramm für eine
Mehrfacheinspritzung, wobei ein erster Spannungsimpuls A für
eine Voreinspritzung und ein mehrfach gestufter
Spannungsimpuls für eine Haupteinspritzung B über der
Zeitachse t dargestellt sind. Bei der Voreinspritzung A
verläuft das Spannungsdach der vorgegebenen Spannung Ua im
wesentlichen waagerecht, so dass in diesem Fall keine
Spannungsabweichung dU innerhalb der Meßphase vorliegt.
Somit werden auch die dargestellten Schwellen S nicht
überschritten. Bei der Haupteinspritzung B fällt dagegen das
obere Dach der Spannung Ua mit einer Differenz dU ab. Je
nach dem, wie groß die Schwelle S ist, wird ein
Ableitwiderstand RM indiziert und kann gegebenenfalls unter
Berücksichtigung der Wichtung zu der Fehlermeldung führen.
Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm für die Erkennung und
Wichtung von Fehlerzuständen bzw. der Fehlerentprellung. Für
die Wichtung wird ein einfacher Zählalgorithmus vorgegeben.
Im Prinzip wird nun jeder aufgetretene Fehler, d. h. jedes
Überschreiten der Spannungsdifferenz dU über die Schwelle S
aufsummiert und bei Unterschreiten der Schwelle S
subtrahiert. Man erhält somit laufend einen Fehlerwert, der
bei jeder nachfolgenden Messung erhöht oder erniedrigt wird.
Erst wenn mehrere Fehler nacheinander gemessen werden und
ein vorgegebener, applizierbarer Grenzwert z. B. 5
überschritten wird, dann kann davon ausgegangen werden, dass
ein endgültiger Fehler (Defekt) vorliegt, der zu der
Fehlermeldung und/oder Abschalten führt. Dieses Verfahren
wird an Hand der Fig. 4 nachfolgend erläutert. Ausgehend
von Position 36 wird angenommen, dass kein Fehler vorliegt
und die Spannungsdifferenz dU innerhalb der Schwelle S
liegt. Liegt gemäß dem Pfeil 31 die Istspannung dU
außerhalb des Toleranzbandes für die Schwelle S. dann wird
in Position 32 ein vorläufiger Defekt angenommen. Hierzu
wird ein Entprellzähler gestartet, der bei jeder Messung
iterativ auf- oder abwärts zählt. Zu diesem Zeitpunkt gilt
der Fehler noch als vorläufig defekt. Hat der Entprellzähler
in Position 34 den applizierbaren Grenzwert erreicht, dann
liegt ein endgültiger Defekt vor, weil die Istspannung
wiederholt außerhalb des Toleranzbandes für die Schwelle S
lag. Liegt dagegen die Istspannung (Differenzspannung dU)
innerhalb des Toleranzbandes, dann gilt der Fehler in
Position 35 als vorläufig geheilt. Der Entprellzähler stellt
sich auf den Wert OK, da sein Wert kleiner ist als der des
applizierbaren Grenzwertes. Unterhalb des Grenzwertes liegt
kein Fehlerzustand vor, bzw. der Zustand ist endgültig
geheilt (Position 36).
Claims (11)
1. Verfahren zur Erkennung eines Fehlerstromes an einem
piezoelektrischen Aktor (5) eines Einspritzventils oder an
dessen Hochspannung führende Zuleitung (6, 6a), wobei der
Aktor (5) aus einer Spannungsquelle (1) mittels von einem
Steuergerät (2) betätigten Schaltern (3a, 3b, 4) auf eine
vorgegebene Spannung (Ua) auf- bzw. entladen wird, um die
Einspritzmenge für den Kraftstoff zu steuern, dadurch
gekennzeichnet, dass in der Zeitspanne, in der der Aktor (5)
aufgeladen ist, die Spannung (Ua) am Aktor und/oder an der
Zuleitung (6, 6a) überwacht wird, dass eine
Spannungsänderung (dU) ermittelt wird und dass bei
Überschreiten der Spannungsänderung (dU) über eine
vorgegebene Schwelle (S) ein Fehler gemeldet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der ermittelte Fehler mittels eines Algorithmus gewichtet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass beim Überschreiten der vorgegebenen Schwelle (S) die
Spannungszuführung abgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (5) so schnell entladen wird, dass insbesondere
keine Berührungsgefährdung entsteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (Ua) zum Beginn
und am Ende der Spritzpause ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
als erster Spannungswert zu Beginn der Spritzpause die vom
Steuergerät (2) vorgegebene Sollspannung verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einem System mit
Mehrfacheinspritzung die Spannungsüberwachung bei allen
Einspritzimpulsen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall die Abschaltung
und/oder Entladung aller Aktoren (5) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerdiagnose als
Softwareprogramm ausgebildet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Softwareprogramm Bestandteil eines Steuerprogramms für
den Aktor (5) ist.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Spannungsquelle (1),
mit einem programmgesteuerten Rechner (10) und mit
wenigstens einem Schalter (3a, 3b, 4), der mit der
Spannungsquelle (1) und im Aktor (5) in Reihe geschaltet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Meßvorrichtung (9)
vorgesehen ist, die die Spannung (Ua) am Aktor (5) und/oder
der Zuleitung (6, 6a) in einer Spritzpause erfaßt, dass der
Rechner (10) aus wenigstens zwei erfaßten Spannungswerten
die Spannungsdifferenz (dU) bildet und diese mit einem
vorgegebenen Schwellwert (5) vergleicht, und dass der
Rechner (10) ausgebildet ist, beim Überschreiten des
Schwellwertes (S) die Spannungsquelle (1) abzuschalten, den
Aktor (5) zu entladen und/oder eine Warnmeldung auszugeben.
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