DE102006038846A1

DE102006038846A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Aktorzustandes eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs im Fahr/Schubbetrieb

Info

Publication number: DE102006038846A1
Application number: DE200610038846
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Lehr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2008-02-21

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Ermittlung des Zustandes wenigstens eines mindestens einen Aktor aufweisenden Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs im Fahrbetrieb, wobei der Aktor einen ursprünglichen Aktorhubverlauf aufweist, ist insbesondere vorgesehen, dass bevorzugt mittels wenigstens einer Testansteuerung des wenigstens einen Aktors die elektrische Kapazität des mindestens einen Aktors ermittelt wird und aus der ermittelten elektrischen Kapazität ein äquivalentes Mengensignal berechnet wird und dass im Falle einer Abweichung des äquivalenten Mengensignals von einem zu erwartenden Mengensignal wenigstens eine Stellgröße des Aktors so verändert wird, dass der ursprüngliche Aktorhubverlauf des Aktors wieder erreicht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Aktorzustandes wenigstens eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Kraftstoffinjektoren mit eingangs genannten Piezoaktoren kommen meist bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zum Einsatz. Aber auch bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, bspw. solchen mit einer Benzindirekteinspritzung, besteht ein mögliches Anwendungsgebiet für solche Injektoren.
Diese Injektoren zeigen eine hohe Mengensensitivität auf Veränderungen der Aktorparameter eines aus einzelnen Piezoelementen bestehenden „Piezostacks". Solche Veränderungen der Aktorparameter treten bevorzugt aufgrund von durch den Betrieb der Aktoren verursachter mechanischer Aktorermüdung auf. Aber auch andere durch den Dauerbetrieb der Aktoren und den damit verbundenen Verschleiß hervorgerufene Schädigungen der Aktoren sind denkbar.
Die Piezostacks solcher Piezoinjektoren haben deshalb zur Erkennung von Aktorermüdungen bzw. von Aktorschädigungen fortwährend überwacht zu werden, um im Falle einer erkannten Ermüdung oder Schädigung notwendige Gegenmaßnahmen, bspw. über die Steuerung der Brennkraftmaschine, durchführen zu können. Als alternative Gegenmaßnahme wird bei erkanntem Aktor-/Injektordefekt der betroffene Injektor in der Werkstatt gegen einen neuen Injektor ausgetauscht.
Derzeit ist kein Verfahren bekannt, mit dem die Aktorermüdung, d.h. eine Drift der Aktorparameter, von Piezoinjektoren im Fahr- oder Schubbetrieb der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ermittlung des Zustandes wenigstens eines Aktors eines hier betroffenen Piezoinjektors mittels mindestens einer elektrischen Kapazitätsmessung am Aktor zu ermitteln. Es wird dabei bevorzugt die sogenannte „Blockierkapazität" erfasst, wie nachfolgend noch im Detail ausgeführt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden neben der Blockierkapazität noch weitere Aktorparameter zur Charakterisierung des Aktorzustandes ermittelt.
Die Ermittlung der elektrischen Aktorparameter erfolgt bevorzugt mittels Testansteuerungen des jeweiligen Aktors. Solche Testansteuerungen können in normale Einspritzsequenzen, bspw. im Fahrbetrieb der Brennkraftmaschine, integriert werden oder als zusätzliche Ansteuerungen in Betriebsphasen, in denen keine Momentenanforderung vom Fahrer erfolgt (sog. Schubbetrieb).
Sind die aktuellen, unter Umständen gedrifteten Werte der oben genannten Aktorparameter ermittelt worden, können sie in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine weiterverarbeitet werden. Sind beispielsweise vorgegebene Schwellwertgrenzen unterschritten oder überschritten worden, können Diagnosefunktionen eine Fehlfunktion anzeigen. Eine solche Fehlfunktionsanzeige kann bspw. die Anzeige „defekter Injektor" darstellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die weitere Verarbeitung im Falle wenigstens eines gedrifteten Aktorparameters mittels der Verwendung von Regelfunktionen erfolgen, mittels derer eine Nachjustierung der elektrischen Aktoransteuerung erfolgt. Insbesondere können dabei Modelle von modellbasierten Regelfunktionen, die z.B. auf linearen Piezogleichungen beruhen, aktualisiert werden.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen die genannten Testansteuerungen dadurch, dass während einer Ansteuerung des betroffenen Piezoinjektors der Spannungsverlauf am Aktor im unbestromten Zustand zwischen Entladeende und Ladebeginn dadurch manipuliert wird, dass die Aktorpole kurzzeitig über einen bevorzugt kleinen Testwiderstand miteinander verbunden werden. Aus den unterschiedlichen Steigungen des Spannungsverlaufs unmittelbar vor und während der Widerstandszuschaltung, dem Widerstandswert und der absoluten Spannung am Zuschaltpunkt kann mit den Piezogleichungen durch lineare Regression die Blockierkapazität des Aktors ermittelt werden.
Die Kapazitätsmessung mittels des genannten Test- oder Zuschaltwiderstandes erfordert in vorteilhafter Weise keine Erstkalibrierung des Aktors im Werk. Die erfindungsgemäße Art der Kapazitätsmessung kann insbesondere im Fahrbetrieb durchgeführt werden und zwar anhand der normalen Einspritzung oder auch im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Dieses Ausführungsbeispiel erfordert allerdings einen zusätzlichen Hardwareaufwand, nämlich einen Widerstand und einen Schalter.
Gemäß einer zweiten Variante erfolgt eine Erstkalibrierung des Piezoinjektors bzw. Aktors im Werk, wobei im späteren Schubbetrieb der Brennkraftmaschine Testansteuerungen durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Messung der Aktorkapazität sowie den Leerlaufhub und die elektro-mechanische Steifigkeit des Aktors.
Wird der Injektorverschleiß durch Aktorermüdung dominiert, d.h. andere Verschleißmechanismen sind gegenüber der mechanischen Aktorermüdung vernachlässigbar, wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der ungedriftete Aktorhubverlauf und die entsprechende Aktorgeschwindigkeit wieder erreicht.
Durch die Erfindung ist es somit möglich, bei einem Piezoinjektor ohne zusätzliche gerätetechnische Maßnahmen bspw. an einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine durch Testansteuerungen im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine die Aktorparameter Blockierkapazität C und die elektromagnetische Koppelgröße α in regelmäßigen Abständen zu ermitteln, wobei der Aktor sozusagen als Messsensor fungiert, und diese beiden Parameter für Korrekturfunktionen und modellbasierte Regelungen der Brennkraftmaschine zur Verfügung zur stellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise in Form eines Programmcodes oder einer geeigneten elektronischen Schaltung, realisiert.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der beigefügten Zeichnung, anhand von Ausführungsbeispielen eingehender erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1a–c einen typischen Ansteuerverlauf eines hier betroffenen Piezoinjektors, gemäß dem Stand der Technik;
2a–f typische erfindungsgemäße Verläufe von vorliegend relevanten Aktorparametern bei Ansteuerungen mit fester Entladezeit, anhand computersimulierter Daten;
3a–c eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
4a–f die Darstellung einer gesamten Ansteuerphase eines Piezoinjektors nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, anhand computersimulierter Daten;
5a–f Ausschnittvergrößerungen der 4a–f;
6 den Einfluss der erfindungsgemäßen temporären Zuschaltung eines Testwiderstands auf die Einspritzmenge, und zwar bei unterschiedlichen Raildrücken; und
7 eine Abschätzung des auftretenden Messfehlers bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, anhand einer Computersimulation.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneter Piezoinjektor mit direkt ansteuerbarer Düsennadel geht bspw. aus der DE 10 2004 002 299 A1 hervor. Der dort beschriebene Piezoinjektor umfasst insbesondere ein mittels eines Piezostacks betätigbares Ventilglied, mittels dessen die Kraftstoffabgabe durch den Injektor präzise steuerbar ist. Der Injektor umfasst ferner eine Übersetzungsanordnung zur Übertragung der Bewegung der Aktoranordnung an das Ventilglied.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens (entsprechend der genannten 2. Variante) zur Bestimmung der Aktorermüdung oder Aktorschädigung eines Piezostacks eines vorbeschriebenen Piezoinjektors im Fahrbetrieb wird zunächst im Werk, d.h. bevorzugt bei 0 km Fahrleistung der Brennkraftmaschine, aus dem Spannungsverlauf und dem Stromverlauf eines Aktors infolge von Testansteuerungen aus den an sich bekannten Aktorparametern elektrische Blockierkapazität C und elektromagnetische Koppelgröße α von Neuinjektoren die mittlere Nadelöffnungsgeschwindigkeit des jeweiligen Aktors für verschiedene Kleinstmengen aus an sich bekannten Piezogleichungen berechnet. Die Einspritzmengen der Testansteuerungen, welche bevorzugt im Kleinstmengenbereich liegen, werden indirekt durch eine die Einspritzmenge charakterisierende Größe gemessen. Diese die Einspritzmenge charakterisierende Größe kann z.B. aus einem Drehzahlsignal, einem Signal einer Lambdasonde, einem Signal eines Körperschallsensors oder einem Brennraumdrucksignal gewonnen werden.
Im späteren Schubbetrieb der Brennkraftmaschine werden nun diese Testansteuerungen in regelmäßigen Abständen wiederholt. Ist die Einspritzmenge einer Testansteuerung aufgrund von Aktorermüdung gedriftet, so ist auch die die Einspritzmenge charakterisierende Größe gedriftet. Durch Nachführen der Stellgröße ,elektrischer Aktorstrom' wird die die Einspritzmenge charakterisierende Größe und damit auch der Absolutwert der Einspritzmenge der Testansteuerung wieder auf seinen Ausgangswert eingestellt. Unter der in den meisten Fällen erfüllten Annahme, dass der Injektorverschleiß allein durch Aktorermüdung bestimmt ist und daher zusätzliche Verschleißmechanismen vernachlässigt werden können, wie bspw. eine reduzierte Düsennadelgeschwindigkeit aufgrund einer verschlissenen Düsennadel, werden der ursprüngliche (ungedriftete) Aktorhubverlauf und die ursprüngliche Aktorhubgeschwindigkeit wieder nahezu erreicht.
Wie nachfolgend noch in größerem Detail beschrieben, werden durch Umkehr der zugrunde liegenden Gleichungen aus den gemessenen Aktor-Spannungssignalen und den Aktorstellströmen mittels einer an sich üblichen Regressionsgeraden die aktuellen Werte der Aktorparameter C und α im Schubbetrieb ermittelt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der 1. Variante wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Aktoransteuerung der Spannungsverlauf am Aktor im unbestromten Zustand zwischen Entladeende und Ladebeginn dadurch manipuliert, dass die Aktorpole kurzzeitig über einen kleinen Testwiderstand miteinander verbunden werden (3a–c). Aus den unterschiedlichen Steigungen des Spannungsverlaufs unmittelbar vor und während der Widerstandszuschaltung, dem Widerstandswert und der absoluten Spannung am Zuschaltpunkt kann mit den Piezogleichungen durch lineare Regression die Blockierkapazität C des Aktors ermittelt werden. Werden dabei der Widerstandswert des Testwiderstands nicht zu klein und das Zeitintervall der Widerstandszuschaltung nicht zu groß gewählt, kann der Einfluss auf die Einspritzmenge gering gehalten werden und eine Kapazitätsmessung im Fahrbetrieb ermöglicht werden.
Generell ist eine Fehlererkennung im Fahrbetrieb des zugrunde liegenden Kraftfahrzeugs vorteilhafter als eine Fehlererkennung im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, da die Verfügbarkeit des Schubbetriebs auf unregelmäßige und kurze Zeitintervalle beschränkt ist. Das Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann im Fahrbetrieb durchgeführt werden und daher ist eine sehr schnelle und frühzeitige Erkennung einer Aktor-/Injektorschädigung möglich. So kann z.B. die Einspritzung eines fehlerhaften Injektors eines Zylinders der Brennkraftmaschine schnellstmöglich deaktiviert werden und ein Notfahrbetrieb mit den übrigen Zylindern eingeleitet werden.
Zu dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ferner anzumerken, dass dieses – im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel – eine 0 km-Kalibrierung nicht erfordert.
Bei einer gewöhnlichen Kapazitätsmessung des Aktors mittels einer an sich bekannten Ladungs-/Strommessung und Spannungsmessung anhand der Formel C = Q/U, werden sowohl kapazitive als auch mechanische, dynamische Anteile umfasst, da die Krafteinwirkung auf den Aktor beim Öffnen und Schließen des Aktors in an sich bekannter Weise auch die Höhe der am Aktor anliegenden elektrischen Spannung beeinflusst.
Die Kapazität des Aktors bei verhinderter mechanischer Ausdehnung (= Blockierkapazität) geht als Parameter in die Piezogleichungen ein (siehe unten genannte Literaturangabe „Systementwurf piezoelektrischer Aktoren") und eignet sich in besonderem Maße, um den reinen Aktorzustand, isoliert von der Injektorhydraulik zu charakterisieren. Die Blockierkapazität kann in an sich bekannter Weise bei mechanisch blockiertem Aktor im Labor gemessen werden. Im verbauten Injektor kann die genannte mechanische Blockierung nicht ohne Weiteres erreicht werden. Die Messung der Blockierkapazität ist jedoch mit einem indirekten Messverfahren mittels der genannten Piezogleichungen möglich, wie im Folgenden in größerem Detail gezeigt wird.
Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden mathematischen Zusammenhänge werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel werden die folgenden Aktorgleichungen angenommen, bei denen der Zusammenhang zwischen den zeitabhängigen Größen Aktorkraft F, Aktorhub X_A, Aktorspannung U und Ladung Q näherungsweise durch die folgenden an sich bekannten Gleichungen (1) und (2) beschrieben werden (siehe beispielsweise „Systementwurf piezoelektrischer Aktoren", Prof. Dr. Ing. Jörg Wallaschek, Heinz-Nixdorf-Institut, Universität-GH Paderborn, VDI Bildungswerk Mechatronik Workshop, Stuttgart, 12.–13. März 1998): F = –cA·xA + α·U (1) Q = α·xA + C·U (2)
Wird an einen „freien" Aktor (d.h. ein Aktor ohne externe Belastung mit F = 0) eine Spannung U_A angelegt, erreicht der Aktor den Leerlaufhub X_A = h_A und mit Glg. (1) kann der Wert der elektromagnetischen Koppelgröße α ermittelt werden:
Die Aktorsteifigkeit c_A und Kapazität des blockierten Aktors C können aus weiteren Messungen an einem Prüfstand bestimmt werden.
Aus Glg. (2) erhält man folgenden Zusammenhang für den Aktorhub X_A:
Durch Ableiten von Glg. (4) erhält man die Aktor(hub)geschwindigkeit v:
Die mittlere Öffnungsgeschwindigkeit vm_e des Aktors kann aus der Spannungsabsenkung ΔU, der Entladezeit t_e und dem mittleren Strom Im_e durch Einsetzen der Werte in Glg. (5) berechnet werden (1a–c):
Die vorbeschriebenen Zusammenhänge werden in den 1a–1c verdeutlicht, in denen ein typischer Ansteuerspannungsverlauf 10 einer Teilhubansteuerung eines Piezoinjektors (Spannungsverlauf (a), Stromverlauf (b) und Aktorhubverlauf (c)) dargestellt ist. Durch Spannungsabsenkung bzw. Teilentladung der Ausgangsspannung von U₀ um ΔU während der Entladezeit t_e wird der Injektor geöffnet. Während der Haltezeit t_h sind die Aktorklemmen geöffnet. Durch Anhebung der Aktorspannung auf das Ausgangsniveau U₀ während der Ladezeit t_l wird der Injektor wieder geschlossen. Bis zur nächsten Ansteuerung wird die Aktorspannung auf dem Niveau U₀ gehalten. Die Einspritzmenge q kann durch Stromvariation 15, vorliegend zwischen einem unteren Wert 17 und einem oberen Wert 19, eingestellt werden. Die Steigung der gestrichelt eingezeichneten Gerade 25, welche an der Verlaufskurve des Nadelhubs 20 des jeweiligen Injektors ermittelt wird, ergibt die mittlere Nadelöffnungsgeschwindigkeit vm_e.
Auf diesen theoretischen Grundlagen basierend wird das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nachfolgend anhand der 2 in größerem Detail beschrieben. Dabei werden eine bevorzugte Vorgehensweise bei der Erstkalibrierung eines Piezoinjektors im Werk (d.h. bei 0 km-Stand der zugrunde liegenden Brennkraftmaschine) sowie im Anschluss daran eine bevorzugte Vorgehensweise bei der erfindungsgemäßen Ermittlung der Aktorparameter im Schubbetrieb (d.h. für > 0 km der zugrunde gelegten Brennkraftmaschine) beschrieben.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Nachjustierung werden zunächst für jeden Neuinjektor im Kraftfahrzeug die Werte C und α, z.B. mittels einer Vermessung in der Injektor-Fertigung, bevorzugt gemäß der folgenden Routine ermittelt:

a) Einlesen von Parameter C und α in ein Steuergerät der Brennkraftmaschine;
b) Ansteuerungen des Neuinjektors mit einer Entladezeit t_e1 und einem mittleren Strom I_m1;
c) Messung der vorbschriebenen Größe ΔU₁ (ggf. Mittelung über mehrere Ansteuerungen);
d) Berechnung von mittlerer Öffnungsgeschwindigkeit vm₁ anhand der Glg. (7) und Speicherung des berechneten Wertes im genannten Steuergerät;
e) Messung der die Einspritzmenge charakterisierenden Größe z₁ (oder entspr. Menge q₁) und Speicherung des gemessenen Wertes im genannten Steuergerät;
f) Wiederholte Durchführung der Schritte a)–d) mit verschiedenen Werten t_e2, I_m2 und Berechnung von ΔU₂, z₂, q₂ und vm₂ gemäß Glg. (8);
g) Wiederholte Durchführung der Schritte a)–d) mit verschiedenen Werten t_e3, I_m3 und Berechnung von ΔU₃, z₃, q₃ und vm₃ gemäß Glg. (9).

Die Entladezeiten t_ex und mittleren Ströme Im_ex sollten so gewählt sein, dass sich drei verschiedene Geschwindigkeiten vm_x (x = 1, 2, 3) ergeben (Anzahl Kalibrierpunkte mindestens 2).
Die erfindungsgemäße Ermittlung der Aktorparameter im Schubbetrieb (> 0 km) erfolgt bevorzugt mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise. Dazu werden für jeden Injektor Ansteuerungen mit den mittleren Strömen I_m1 und I_m2, I_m3 im Schubbetrieb durchgeführt. Wenn sich Aktorparameter verändert haben, dann haben sich auch die zugehörigen Einspritzmengen verändert. Mit neuen Strömen I_m1 ^', I_m2 ^' und I_m3 ^' werden, wie oben beschrieben, die ursprünglichen Einspritzmengen wieder eingestellt: q₁ ^' = q₁ (z₁ ^' = z₁), q₂' = q₂ (z₂ ^' = z₂). und q₁ ^' = q₁ (z₁ ^' = z₁). Es stellen sich neue Spannungen ΔU₁ ^', ΔU₂ ^' und ΔU₃ ^' ein, die durch Messung ermittelt werden können.
Wenn eine Drift der Aktorparameter, bspw. aufgrund Materialermüdung, die einzige Ursache für die Mengendrift ist, wird durch Wiederherstellung der ursprünglichen Menge auch der Nadelhub- und Aktorhubverlauf wiederhergestellt, also gilt vm_e1 = vm_e1', vm_e2 = vm_e2' und vm_e3 = vm_e3'.
Durch Multiplikation von Glg. (6) mit α und Division durch ΔU/t_e erhält man nach Umstellung:
Trägt man die Paare von der Schubmessung (vm_e/(ΔU'/t_e), Im_e'/(ΔU'/t_e)) in einem xy-Diagramm auf, ergibt sich aus der Steigung einer Regressionsgeraden der elektromechanische Koppelfaktor α und als y-Achsenabschnitt die Kapazität C, was mit geringem Aufwand im Steuergerät berechnet werden kann.
Im Ergebnis stehen aktualisierte Werte von C und α zur Verfügung. Wenn die Aktorparameter betriebspunktabhängig sind, z.B. vom Raildruck und/oder der Beteiebstemperatur, können für die Kalibrierung im Werk und die Messung im Schubbetrieb mehrere Sätze von C und α im Steuergerät abgespeichert und aktualisiert werden.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel kann ähnlich zu Glg. (6) aus der Glg. (1) eine verschiedene Gleichung für die mittlere Kraftänderung ΔF/t_e auf den Aktor während der Entladezeit t_e aufgestellt werden:
Die Wiederherstellung von Aktor- und Nadelhubverlauf führt auch zu einer Wiederherstellung des Aktorkraftverlaufs, sofern – wie bereits beschrieben – kein Düsenverschleiss vorliegt. Ähnlich der Glg. (10) kann aus der Glg. (1) folgende Gleichung aufgestellt werden:
wobei ΔF/t_e und vm_e bekannt sind (0 km-Werte) und ΔU im Schubbetrieb gemessen werden kann. Durch lineare Regression erhält man α und c_A. Aus der Glg. (3) erhält man den Leerlaufhub h_A.
In den 2a–2f sind die entsprechenden Ergebnisse einer Computersimulation solcher Ansteuerungen gezeigt, wobei die Ansteuerungen mit fester Entladezeit t_e, fester Ladezeit t_l und fester Haltezeit t_h (feste Steifigkeit Aktor c_A, feste Klemmkapazität C) durchgeführt werden. Zum besseren Verständnis sind hier nur Prozentwerte angegeben.
Die in den 2a–2f dargestellten durchgezogenen Linien stellen den mittleren Strom I_m mit dem Wert I_m und den Leerlaufhub des Aktors h_A mit dem Wert h_A dar. Dieser Wert des Leerlaufhubs entspricht dem bei etwa 0 km Fahrleistung der Brennkraftmaschine werksseitig eingestellten Wert. In den Figuren sind zeitliche Verläufe (Einheit μs) der Aktorspannung U_A, des Aktorstroms I_A, der Einspritzrate dq/dt, der Einspritzmenge q, des Nadelhubs X_N und des Aktorhubs X_A gegeneinander aufgetragen.
Anhand der 2a–2f wird auch die erfindungsgemäße Wiederherstellung des usprünglichen Aktorhubverlaufs nach einer angenommenen Aktorparameterdrift illustriert. Ermüdet der Aktor im Laufe der Lebensdauer des Injektors, so verändern sich seine mechanischen, elektrischen und elektromechanischen Eigenschaften. Es kommt zu einer Drift der Parameter C und α, was auch Auswirkungen auf den Aktorhubverlauf, Nadelhubverlauf und damit die eingespritzte Menge hat. Die gestrichelten Linien illustrieren eine solche Situation, und zwar den mittleren Strom I_m und einen infolge des Fahrbetriebs auftretenden Materialermüdung des vorliegenden Aktors bzw. Piezostacks verringerten Leerlaufhub h_A. Denn tritt im Fahrbetrieb eine Verringerung des Leerlaufhubs von h_A = 100% auf h_A kleiner als 100% ein, so reduziert sich bei unverändertem mittlerem Strom I_m der max. Aktor- und Nadelhub und damit die eingespritzte Menge entsprechend den gestrichelten Linien. Aus der Simulation ist ersichtlich, dass durch eine Erhöhung von I_m der ursprüngliche Aktor- und Nadelhub und die Einspritzmenge wiederhergestellt werden kann (punktierte Linien), d.h. durch die gezeigte Erhöhung des Wertes von I_m wird der genannte Hub-/Mengenverlust rückgängig gemacht.
Auf diesen theoretischen Grundlagen basierend, wird das erfindungsgemäße Messverfahren nun anhand der 3a–c bis 7 in größerem Detail beschrieben. Wie bereits gesagt, ist ein typischer Ansteuerverlauf eines Piezoinjektors in den 1a–c dargestellt. Zur genannten Erfassung der Aktorkapazität wird dieser Spannungs- und Stromverlauf manipuliert. Zur Messung von C während der Ansteuerung wird das Zeitfenster zwischen Entladeende und Ladebeginn sensorisch ausgewertet. Dazu wird zu einem festen Zeitpunkt kurz nach Entladeende ein elektrischer Testwiderstand 305 zwischen die von der Stromquelle (Endstufe) 300 getrennten Aktorpole eines Piezostacks 310 geschaltet (3a), was zu einem Stromfluß und einer minimalen Entladung des Aktors während der Zuschaltung führt. Zum Zu- und Abschaltzeitpunkt ergeben sich deutliche Änderungen in der Steigung des Spannungsverlaufs.
Der sich aufgrund des Testwiderstands 305 ergebende Spannung-Stromverlauf ist in der 3b dargestellt. In dem oberen Teilbild ist der Verlauf der Aktorspannung 315 und im unteren Teilbild der Verlauf des Aktorstroms 320 gezeigt.
Ist der genannte Testwiderstand ausreichend groß gewählt, bleibt der Stromfluß durch den Aktor und den Widerstand R gering und aufgrund der Massenträgheit bleibt die Geschwindigkeit des Aktors v = dX_A/dt kurz vor der Widerstandszuschaltung und während einer kurzen Widerstandszuschaltung nahezu unbeeinflußt. Trägt man die Messpaare ((ΔU2/Δt2), (Ux/R)) und ((ΔU1/Δt1), (Ux/∞)) (R = ∞) in ein xy-Diagramm ein, wobei die Differentiale näherungsweise durch Delta-Werte ersetzt werden, so erhält man durch lineare Regression eine Gerade 325 mit y-Achsenabschnitt dx_A/dt = αv und der Geradensteigung m = C (3c). Damit ist die aktuelle Blockierkapazität C des Aktors ermittelt.
Computergestützte Simulationsergebnisse des zeitlichen Verlaufs (in der Einheit μs) der elektrischen Aktorspannung, des elektrischen Aktorstroms, des mechanischen Aktorhubs, des mechanischen Nadelhubs, der Einspritzraten und der Einspritzmenge sind in den 4a–f und in den 5a–f (entsprechen Ausschnittdarstellungen der 4a–f) dargestellt. Die 4a–f stellen dabei eine gesamte Ansteuerphase dar, und zwar sowohl einen ,normalen' Spannungsverauf bei einer Teilhubansteuerung (durchgezogene Linien) und einen aufrund der temporären Zuschaltung eines Testwiderstands 305 mit einem Wert von einigen Ohm zwischen die Aktorpole des Piezostacks 310 modifizierten Spannungsverlauf (gestrichelte Linien). Die temporäre Zuschaltung des Testwiderstands 305 erfolgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem gezeigten Zeitintervall.
Die Teilbilder 5a–f der 5 stellen lediglich Ausschnittvergrößerungen der entsprechenden Teilbilder 4a–f der 4 dar. Durch die Ausschnittvergrößerungen werden die Effekt bei der Zuschaltung des Testwiderstands 305 deutlicher erkennbar, bspw. in der 5a die Abweichung des ,normalen' Spannungsverlaufs 500 und des midifizierten Spannungsverlaufs 505. In der 5b ist der genaue Verlauf des Stromflusses 510 durch den Testwiderstand 305 zu ersehen.
Das erfindungsgemäße Messverfahren kann mit Testansteuerungen (insbesondere Kleinstmengen – im Bereich von einigen mm³) im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Durch die Wahl eines ausreichend großen Wertes des Testwiderstands R und nicht zu großem Zeitintervall Δt2 bleibt die entnommene Ladungsmenge während der Widerstandszuschaltung gering.
Computersimulationen haben wiederum ergeben (6), dass unter den genannten Bedingungen der Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge gering bleibt. Die obere Kurve 600 zeigt die unter Zuschaltung des Testwiderstands 305 sich ergebende Einspritzmenge und die untere Kurve 605 die ohne Zuschaltung des Testwiderstands 305 sich ergebende Einspritzmenge. Beide Kurven 600, 605 werden in Abhängigkeit vom Raildruck dargestellt und zeigen den typischen Verlauf, d.h. eine lokal maximale Einspritzmenge bei einem optimalen Wert des Raildrucks. Die beiden unterschiedlichen Einspritzmengenverläufe 600, 605 entsprechen vorliegend einer gezeigten Mengendifferenz Δq.
Damit kann bei Teilhubansteuerungen (typ. Voreinspritzungen) der Widerstand in regelmäßigen Abständen in der oben beschriebenen Form zugeschaltet werden und es kann eine Messung/Überwachung der Blockierkapazität im Fahrbetrieb durchgeführt werden. Da dem erfindungsgemäßen Verfahren ein lineares Aktormodell zu Grunde liegt, und die Linearität nicht über den gesamten Spannungsbereich besteht, ist es sinnvoll die Kapazität an festen Arbeitspunkten zu messen.
Eine Abschätzung des Messfehlers bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren ist in der 7 dargestellt. Die Abschätzung des Messfehlers erfolgt vorliegend bei einer Aktorkapazität C und bei verschiedenen Raildrücken (Simulation). Bei einer Spannungsauflösung von 0,1 V im Steuergerät liegt der Messfehler im Bereich von ca. ±5%. Die Kapazitätsmessung funktioniert demnach auch dann noch, wenn z.B. der Leerlaufhub des Aktors hA oder die Steifigkeit cA durch Aktorermüdung um 10% gefallen sind.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel erhält man durch Ableiten der obigen Glg. (2):
wobei I der Aktorstrom, v = dX_A/dt die Aktorgeschwindigkeit und dU/dt der Spannungsgradient ist. Durch Ableiten der Glg. (4) und Einsetzen der ohm'schen Glg. I = U/R ergibt sich schließlich:

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Zustandes wenigstens eines mindestens einen Aktor (310) aufweisenden Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Aktor einen urspünglichen Verlauf wenigstens einer Funktionsgröße (600, 605) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität des mindestens einen Aktors (310) mittels wenigstens einer elektrischen Kapazitätsmessung ermittelt wird (3a–c) und aus der ermittelten elektrischen Kapazität ein äquivalentes Mengensignal berechnet wird, und dass im Falle einer Abweichung des äquivalenten Mengensignals von einem zu erwartenden Mengensignal wenigstens eine Stellgröße des Aktors so verändert wird, dass der ursprüngliche Verlauf der wenigstens einen Funktionsgröße des Aktors bzw. Piezoinjektors erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität des wenigstens einen Aktors (310) mittels wenigstens einer Testansteuerung des mindestens einen Aktors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Testansteuerung anhand der Blockierkapazität des mindestens einen Aktors (310), d.h. bei unterdrückter Ausdehnung des Aktors, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Blockierkapazität des mindestens einen Aktors weitere Aktorparameter zur Charakterisierung des Aktorzustandes ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle, dass das erfasste Mengensignal von einem zu erwartenden Mengensignal abweicht, wenigstens eine Stellgröße einer Mengensteuerung der Brennkraftmaschine wieder auf seinen Ausgangswert gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle dass die gemessene elektrische Kapazität des mindestens einen Aktors und/oder mindestens einer der weiteren Aktorparameter eine vorgegebene Schwellwertgrenze unterschreitet oder überschreitet, mittels einer Diagnosefunktion eine Fehlfunktion angezeigt wird.
Verfahren nach einem der Anspreche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle dass die gemessene elektrische Kapazität des mindestens einen Aktors und/oder mindestens einer der weiteren Aktorparameter eine vorgegebene Schwellwertgrenze unterschreitet oder überschreitet, mittels wenigstens einer Regelfunktion eine Nachjustierung der elektrischen Aktoransteuerung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachjustierung der elektrischen Aktoransteuerung mittels modellbasierter Regelfunktionen, welche bevorzugt auf linearen Piezogleichungen beruhen, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aktor bevorzugt werksseitig wenigstens eine Testansteuerung durchgeführt wird und aus dem sich ergebenden Spannungsverlauf und Stromverlauf des Aktors und aus der an sich bekannten Größe der elektrischen Blockierkapazität C und der elektromagnetischen Koppelgröße α für einen fabrikneuen Piezoinjektor die mittlere Nadelöffnungsgeschwindigkeit des jeweiligen Aktors für verschiedene Kleinstmengen berechnet wird und dass aus der berechneten Nadelöffnungsgeschwindigkeit ein äquivalentes Mengensignal berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Testansteuerung im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zeitweilig wiederholt wird und im Falle, dass das berechnete äquivalente Mengensignal gegenüber dem zu erwartenden Mengensignal stärker als ein vorgebbarer Schwellenwert abweicht, durch Nachführen der wenigstens einen Stellgröße der ursprüngliche Verlauf der wenigstens einen Funktionsgröße des Aktors wiederhergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Ansteuerung eines Piezoinjektors der Spannungsverlauf an dessen Aktor im unbestromten Zustand zwischen Entladeende und Ladebeginn dadurch manipuliert wird, dass die Aktorpole kurzzeitig über einen bevorzugt kleinen Testwiderstand (305) miteinander verbunden werden, wobei aus den unterschiedlichen Steigungen des Spannungsverlaufs unmittelbar vor und während der Widerstandszuschaltung, dem Widerstandswert und der absoluten Spannung am Zuschaltpunkt anhand von Piezogleichungen mittels linearer Regression die Blockierkapazität des Aktors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Testwiderstands und das Zeitintervall der Widerstandszuschaltung so gewählt werden, dass der Einfluss auf die Einspritzmenge des Piezoinjektors minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Testansteuerung des Aktors mit mittleren Strömen I_m1 und I_m2, I_m3 im Schubbetrieb durchgeführt wird und im Falle, dass sich wenigstens ein Aktorparameter verändert hat, mittels neuer Stromwerte I_m1 ^', I_m2 ^' und I_m3 ^' die ursprünglichen Einspritzmengen wieder eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der wenigstens einen Testansteuerung aus sich ergebenden Wertepaaren (vm_e/(ΔU'/t_e), Im_e'/(ΔU'/t_e)) eine Regressionsgerade berechnet wird, deren Steigung dem elektromechanischen Koppelfaktor α und deren y-Achsenabschnitt der Kapazität C entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zweier Messwerte, insbesondere mittels wenigstens zweier Stromwerte I_m1 ^', I_m2 ^', eine Regressionsgerade berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktionsgröße des Aktors der Nadelhubverlauf des Piezoinjektors oder die mittlere Kraftänderung auf den Aktor während einer Entladezeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktionsgröße die Nadelhubgeschwindigkeit des Piezoinjektors verwendet wird.
Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch Steuermittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
Elektronische Schaltung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch Schaltungsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17.