DE102006036567A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustandes eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustandes eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass überprüft wird, ob der zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessene Kapazitätswert mit einem berechneten Kapazitätswert übereinstimmt oder sich der gemessene Kapazitätswert innerhalb zweier Toleranzbereiche befindet.

Description

  • Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sind generell seit vielen Jahren bekannt. Bei einem sogenannten Common-Rail Einspritzsystem erfolgt die Kraftstoffzuführung in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine durch Injektoren, insbesondere durch Piezoinjektoren. Dabei ist ein hoher Einspritzdruck vorteilhaft, da hierdurch einerseits eine hohe spezifische Leistung der Brennkraftmaschine und andererseits eine geringe Emission von Schadstoffen erreicht werden kann. Bei Verwendung einer Hochdruckpumpe und eines Druckspeichers für den Kraftstoff können Einspritzdrücke von 1600 bis 1800 bar erreicht werden.
  • Die Kraftstoffmengenzumessung durch einen Piezoinjektor erfolgt durch eine Veränderung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes seiner Düsennadel. Die elektrischen und mechanischen Kenngrößen, die diese Düsennadel steuern, unterliegen bekanntlich einer erheblichen Schwankung hinsichtlich Temperatur und/oder Alterung. Eine genaue Ansteuerung der Düsennadel ist insofern vorteilhaft, da dadurch eine genauere Kraftstoffeinspritzung ermöglicht wird. Zudem führt auch die Beaufschlagung des Piezoinjektors mit Energie selbst zu einer Beeinflussung der elektrischen Kenngrößen. Um nun zu jedem Zeitpunkt die Güte der Verbrennung aufrechtzuerhalten, ist eine Kompensation oben genannter Effekte auf die Kraftstoffeinspritzung durch einen Regelkreis notwendig.
  • Ein Verfahren zur Funktionsdiagnose eines Piezoinjektors und einer Regelung der Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine ist aus der DE 103 36 639 A1 bekannt. Der Piezoinjektor ist hier ladungsbasiert oder spannungsbasiert ansteuerbar. Er wird unter einer vorgegebenen elektrischen Spannung aufgeladen, und die sich bei dieser Spannung ergebende Ladungsmenge wird mit einer bei dieser Spannung zu erwartenden Sollladungsmenge verglichen. Aus der Abweichung zwischen den Ladungsmengen wird auf die Funktionsfähigkeit des Piezoinjektor und/oder der Leistungsendstufe geschlossen.
  • Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein genaueres Verfahren zum Bestimmen des Funktionszustandes des Piezoinjektors bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Auf den Funktionszustand des Piezoinjektors wird in der vorliegenden Erfindung durch eine vergleichende Betrachtung eines gemessenen und berechneten Kapazitätswertes geschlossen.
  • Im System findet eine ständige Berechnung von Kapazitätswerten aus gemessener Ladung und Spannung statt. Diese berechneten Kapazitätswerte stehen diversen Reglern als Eingangsgröße zur Verfügung. Neben der Kapazität wird die Energie, die zur Ansteuerung des Piezoinjektors benötigt wird, ebenfalls berechnet.
  • Bei der Erfindung erfolgt bei Erstinbetriebnahme zuerst ein Abspeichern der Neukapazität des Piezoinjektors im Steuergerät. Weiterhin erfolgt ein Abspeichern von mindestens einem weiteren Kapazitätswert unter bestimmten Umweltbedingungen. Eine Funktionsdiagnose beobachtet eine Vielzahl von Umweltbedingungen (z.B. Kraftstoffdruck) und beurteilt, wann ein Kapazitätswert zur Alterungsdiagnose herangezogen werden kann. Dabei werden solche Umweltbedingungen gewählt, die regelmäßig im Betrieb auftreten und zugleich eine geringe Dynamik aufweisen. So erfolgt z.B. keine Abspeicherung der Kapazitätswerte zu Zeitpunkten, an denen der Kraftstoffdruck hohe Transienten aufweist. Dadurch soll sichergestellt sein, dass nur zum Langzeitvergleich geeignete Kapazitätswerte abgespeichert werden.
  • Durch die Ermittlung der ersten Kapazitätspunkte kann auf den Einfluss von Alterungsprozessen auf die Kapazitätsänderung geschlossen werden. Aus der Neukapazität und den letzten gespeicherten Kapazitätswerten lässt sich mit Hilfe eines mathematischen Näherungsverfahrens eine Funktionsgleichung aufstellen, über die der weitere Kapazitätsverlauf berechenbar wird. Als Näherungsverfahren kommen dabei alle mathematischen Verfahren in Betracht, die eine Ermittlung einer Funktionsgleichung aus Messwerten ermöglichen. Die Funktionsgleichung kann dabei z.B. als Gerade, Polynom, exponentiell oder logarithmisch ausgebildet sein.
  • Die gemessenen Kapazitätswerte werden daraufhin in einem ersten Schritt mit den aus der Funktionsgleichung berechneten Kapazitätswerten verglichen und zusätzlich überprüft, ob sich die gemessenen Kapazitätswerte innerhalb eines definierten Toleranzbereichs befinden. Dieser definierte Toleranzbereich schließt die Werte der Funktionsgleichung mit ein und wird durch einen oberen und unteren Grenzbereich begrenzt. Der gemessene Kapazitätswert wird abgespeichert und für die weitere Berechnung des Kapazitätsverlaufs verwendet. Ab einer bestimmten Anzahl von gespeicherten Kapazitätswerten, deren Anzahl von der Größe des Speichers abhängig ist, wird ein gespeicherter Kapazitätswert, z.B. der älteste Kapazitätsmesswert, durch den aktuell gemessenen Wert überschrieben.
  • Der Toleranzbereich des oberen und unteren Grenzbereichs basiert dabei auf Erfahrungen und Messungen der Piezostack-Hersteller und aus eigenen Erfahrungen über die Höhe der Kapazitätsschwankungen des Piezoinjektors. Sollte der gemessene Kapazitätsverlauf außerhalb dieses Toleranzbereichs liegen, so kann dies als Indiz für einen baldigen Ausfall des Piezoinjektors gesehen werden, und weitere Maßnahmen können vom System eingeleitet werden.
  • In einem zweiten Schritt wird weiterhin überprüft, ob der gemessene Kapazitätswert sich innerhalb einer oberen und unteren Schwelle befindet. Diese obere und untere Schwelle ba siert ebenfalls auf Erfahrungen der Piezostack-Hersteller und stellt die absoluten Grenzwerte für die Kapazitätswerte dar. Für den Fall, dass sich der gemessene Kapazitätswert außerhalb dieser Schwellbereiche befindet, wird der Piezoinjektor sofort abgeschaltet. Eine Überprüfung der Kapazität mittels des zweiten Schrittes ist jederzeit möglich und erfordert keine speziellen Umweltbedingungen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass ein gemittelter Kapazitätswert über alle Injektoren bestimmt wird. Dieser Wert wird mit einem vom Piezostack-Hersteller vorgegebenen gemittelten Kapazitätswert verglichen, und ein Normierfaktor daraus abgeleitet. Der aktuell gemessene Kapazitätswert wird mit diesem Normierfaktor multipliziert, und das Produkt mit dem berechneten Kapazitätswert und/oder den oben genannten Toleranzbereichen und/oder Schwellen verglichen.
  • Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass angenommen wird, dass alle Piezoinjektoren ein gleiches Alterungsverfahren aufweisen. So kann ein Injektor, der seinen eigenen Toleranzbereich überschritten hat, aber noch einwandfrei funktioniert, sich innerhalb des Toleranzbereichs der gemittelten Kapazitätswerte befinden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass bei einem Abstellen und/oder Starten des Betriebs der Brennkraftmaschine mindestens ein Pulssignal zur Messung der Piezoinjektorkapazität ausgesendet wird. Der Kraftstoffdruck ist zu diesem Zeitpunkt sehr niedrig, wodurch eine Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum, aufgrund der elektrischen Ansteuerung durch das Pulssignal, unterbleibt. Niedriger Kraftstoffdruck ist insofern vorteilhaft, da hierdurch eine genauere Kapazitätsmessung ermöglicht wird. Die Genauigkeit der Kapazitätsmessung ist von der Krafteinwirkung des Kraftstoffs infolge des Kraftstoffdrucks auf den Piezoinjektor abhängig. Die Krafteinwirkung auf den Piezoin jektor ist umso niedriger, je niedriger der Kraftstoffdruck ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass weitere Verfahren herangezogen werden, die überprüfen können, ob der gemessene Messwert dem berechneten Wert der Funktionsgleichung entspricht und/oder sich innerhalb eines Toleranzbereichs bzw. sich innerhalb des Schwellbereichs befindet. Insbesondere sind hier das Gradient Check Verfahren und eine Überwachung der Varianz der Messwerte zu nennen. Beim Gradient Check-Verfahren wird überprüft, ob die zeitliche Änderung der Messwerte sich innerhalb eines Toleranzbereichs befindet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der gemessene Kapazitätswert nicht mit einem berechneten Kapazitätswert verglichen wird, sondern mit einem in einem Kennfeld hinterlegten Wert. Weiterhin wird überprüft, ob der gemessene Kapazitätswert sich innerhalb eines Toleranzbereichs und/oder einer oberen und unteren Schwelle um den hinterlegten Kapazitätswert befindet. Dieses Verfahren ist dann vorteilhaft, falls keine Rechenkapazität der Steuereinheit zur Berechnung der Kapazitätswerte zur Verfügung gestellt werden kann, gleichzeitig aber Speicherplatz noch zur Verfügung steht.
  • Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überprüfung eines bevorstehenden Ausfalls eines Piezoinjektors,
  • 2: ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überprüfung eines bevorstehenden Ausfalls eines Piezoinjektors für den Fall, dass die gemessene Kapazität gemittelt wird,
  • 3: die zeitliche Änderung des Kapazitätsverlaufs eines Piezoinjektors zu jeweils gleichen Umweltbedingungen.
  • In 1 ist das Verfahren zur Überprüfung eines bevorstehenden Ausfalls eines Piezoinjektors an Hand eines Flussdiagramms dargestellt.
  • Im ersten Schritt S1 wird überprüft ob günstige Systembedingungen bezüglich z.B. Kraftstoffdruck vorliegen, um eine Kapazitätsmessung durchzuführen. Falls dies gegeben ist, wird eine Kapazitätsmessung durchgeführt. Für den Fall, dass es sich bei dem Piezoinjektor um den ersten ermittelten Kapazitätswert handelt, wird dieser im Schritt S10 abgespeichert.
  • Der mit dem gemessenen Kapazitätswert zu vergleichende Kapazitätswert wird im Schritt S20 berechnet. Diese Berechnung basiert auf der Funktionsgleichung, die mit Hilfe der Neukapazität und mindestens eines Messwertes mit Hilfe eines mathematischen Näherungsverfahrens ermittelt wurde. Dieser berechnete Kapazitätswert wird im Schritt S30 mit dem gemessenen Kapazitätswert verglichen. Sollte sich der gemessene Kapazitätswert außerhalb des ersten Toleranzbereichs befinden, so wird im nächsten Schritt S40 ein Signal an das Steuergerät gesendet, dass mit einem bevorstehenden Ausfall des Piezoinjektors zu rechnen ist, und weitere Maßnahmen vom System eingeleitet werden sollen.
  • Sollte sich der gemessene Kapazitätswert außerhalb des zweiten Schwellbereichs befinden, wird im Schritt S50 der Injektor abgeschaltet. Befindet sich hingegen der Kapazitätswert des Injektors innerhalb der beiden zulässigen Bereiche so wird dieser im Schritt S60 zur weiteren Berechnung der Funktionsgleichung abgespeichert. Falls eine genügend große Datenbasis vorhanden ist, werden ältere Werte gelöscht.
  • In 2 ist das Verfahren zur Überprüfung eines bevorstehenden Ausfalls eines Piezoinjektors an Hand eines Flussdiagramms dargestellt, wobei hier die gemessene Kapazität gemittelt wird.
  • Die Schritte S1, S10 und S20 entsprechen den Schritten mit den gleichen Bezugszeichen aus 1. Die im Schritt 1 gemessenen Kapazitätswerte aller Piezoinjektoren werden im Schritt S2 gemittelt. Mit diesem gemittelten Kapazitätswert und einem gemittelten, vom Hersteller vorgegebenen Kapazitätswert, kann ein Normierfaktor berechnet werden. Dieser Normierfaktor wird mit dem gemessenen Kapazitätswert multipliziert. Im Schritt 30 erfolgt somit ein Vergleich des im Schritt 20 berechneten Kapazitätswerts mit dem im Schritt S2 berechneten Kapazitätswert. Die Schritte S40, S50 und S60 entsprechen wieder den Schritten aus 1.
  • In 3 ist die zeitliche Änderung des Kapazitätsverlaufs bei gleichen Umweltbedingungen aufgrund von Alterungseffekten aufgetragen.
  • Der über die Zeit gemessene Kapazitätsverlauf wird durch die Kennlinie C dargestellt. Die gestrichelte Kennlinie K entspricht dem berechneten Kapazitätsverlauf. Sie ist aus der mathematischen Näherung der gemessenen Neukapazität N und den in diesem Fall ersten fünf Kapazitätsmesswerten 1 bis 5 entstanden. In diesem Fall wurde der Messpunktverlauf mittels einer Gerade angenähert.
  • Der Verlauf der berechneten Kapazitätskennlinie K befindet sich innerhalb eines ersten Toleranzbereichs, der durch einen oberen Grenzbereich G und einen unteren Grenzbereich U eingegrenzt wird. Dieser Toleranzbereich befindet sich wiederum innerhalb eines zweiten Schwellbereichs, das durch einen oberen Grenzbereich G' und einen unteren Grenzbereich U' beschrieben wird.
  • Punkt A auf der Kennlinie C steht für einen zum Zeitpunkt t0 gemessenen Kapazitätswert. Dieser Punkt A wird mit dem mit Hilfe der Funktionsgleichung zum gleichen Zeitpunkt t0 berechneten Punkt E der Kennlinie K verglichen.
  • Es wird kein bevorstehender Ausfall des Piezoinjektors befürchtet, wenn der Messpunkt A der gemessenen Kapazitätskurve C sich entweder innerhalb des Toleranzbereichs, der durch den oberen Grenzbereich G und den unteren Grenzbereich U beschränkt ist, befindet oder dem berechneten Kapazitätswert E aus der Funktionsgleichung entspricht.
  • Für den in der Zeichnung nicht dargestellten Fall, dass der Messpunkt A sich innerhalb des Schwellbereichs, der durch den oberen G' und unteren U' Grenzbereichbereich beschränkt ist, befindet, wird mit einem bevorstehenden Ausfall des Injektors gerechnet. Befindet sich der Messpunkt A außerhalb des durch den oberen Grenzbereich G' und den unteren Grenzbereich U' eingegrenzten Schwellenbereichs, so wird der Injektor abgeschaltet.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Bestimmen des Funktionszustandes eines Piezoinjektor einer Brennkraftmaschine, wobei die Eingangsgrößen eines Regelkreises zur Kraftstoffeinspritzung Spannung und Ladung sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Injektors energiebezogen erfolgt und eine Kapazität des Piezoinjektors im Neuzustand und/oder in jedem Fahrzyklus und/oder in bestimmten zeitlichen Abständen ermittelt und gespeichert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemittelter Kapazitätswert aller Piezoinjektoren berechnet wird und basierend auf vorgegebenen mittleren Kapazitätswerten ein Normierfaktor ermittelt wird und der gemessenen Kapazitätswert mit dem Normierfaktor multipliziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Neukapazität und den letzten gespeicherten Kapazitätswerten der für den gemessenen Piezoinjektor weitere Kapazitätsverlauf mit Hilfe eines mathematischen Näherungsverfahrens berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einen bevorstehenden Ausfalls des Piezoinjektors dadurch erkannt wird, dass der gemessene Kapazitätswert nicht dem aus der Funktionsgleichung berechneten Kapazitätswert entspricht und/oder sich außerhalb eines ersten oberen und unteren Toleranzbereichs um den berechneten Kapazitätsverlauf befindet.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Injektor sofort abgeschaltet wird, wenn sich der gemessene Kapazitätswert außerhalb eines zweiten oberen und unteren Schwellbereichs um den berechneten Ka pazitätsverlauf befindet, wobei der Schwellbereich den Toleranzbereich mit einschließt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abstellen des Betriebs der Brennkraftmaschine mindestens ein elektrischer Impuls zur Messung der Kapazität des Piezoinjektors ausgesendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass überprüft wird ob der gemessene Kapazitätswert einem in einem Kennfeld hinterlegten Kapazitätswert entspricht und/oder sich innerhalb eines Toleranzbereichs um den hinterlegten Kapazitätswert befindet.
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