DE102010020048A1

DE102010020048A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Diagnostik piezoelektrischer Aktuatoren

Info

Publication number: DE102010020048A1
Application number: DE102010020048A
Authority: DE
Inventors: Dirk Mehlfeldt; Deborah Dr. Mowll
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustands eines piezoelektrischen Aktuators (16), insbesondere eines Aktuators (16) eines Injektors für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit den Schritten:
a) Messen eines Ausschwingverhaltens des Aktuators (16);
b) Bestimmen wenigstens eines das Ausschwingverhalten charakterisierenden Parameterwerts;
c) Vergleichen des wenigstens einen Parameterwerts mit einer Datenbank von Parameterwerten, welchen jeweilige Funktionszustände zugeordnet sind, und Identifizieren des Funktionszustands des Aktuators (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustands eines piezoelektrischen Aktuators sowie eine Schaltungsanordnung zum Anregen eines Ausschwingverhaltens eines piezoelektrischen Aktuators.
Piezoelektrische Aktuatoren sind elektrisch-mechanische Wandler, die zunehmend Verwendung zur elektrischen Steuerung mechanischer Systeme finden. Ein wichtiger Einsatzbereich für Piezoelektrische Aktuatoren sind Injektoren in Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen in Kraftwagen. Gegenüber hydraulischen oder elektromagnetischen Einspritzsteuerungen bieten Piezoelektrische Aktuatoren den Vorteil einer besonders hohen Schaltgeschwindigkeit. Damit lässt sich der Einspritzverlauf, beispielsweise durch Nacheinspritzungen und dergleichen sehr präzise steuern und damit das Verbrennungsverhalten in der Brennkraftmaschine optimieren.
Aufgrund der hohen Belastungen im Betrieb einer Brennkraftmaschine können solche piezoelektrischen Aktuatoren in Injektoren ihren Funktionszustand ändern und mechanische Veränderungen, beispielsweise Brüche, entwickeln. Eine Diagnose solcher mechanischen Veränderungen ist bislang in der Regel nur durch optische Inspektion möglich, wofür die Injektoren demontiert werden müssen. Zudem müssen die piezoelektrischen Aktuatoren, so genannte Piezo-Stacks, der Injektoren selbst demontiert werden, wodurch die Injektoren zerstört werden.
Eine Möglichkeit zur zerstörungsfreien Prüfung von piezoelektrischen Aktuatoren ist aus der DE 198 04 196 A1 bekannt. Dieses Verfahren wird im Normalbetrieb des piezoelektrischen Aktuators eingesetzt. Während des normalen Einspritzbetriebs wird der Piezoelektrische Aktuator mit einem Rechtecksignal beaufschlagt, wobei gleichzeitig beispielsweise ein Spannungsabfall über den piezoelektrischen Aktuator gemessen wird. Die aufgeprägte Spannung wird durch Rückkopplung mit den elektromechanischen Eigenschaften des piezoelektrischen Aktuators modifiziert, so dass das gemessene Signal Informationen über den Zustand des piezoelektrischen Aktuators selbst enthält. Nach Lehre der DE 198 04 196 A1 kann nun eine globale oder auch frequenzabhängige Schwellwertanalyse durchgeführt werden, wodurch grobe Informationen über den Zustand eines piezoelektrischen Aktuators gewonnen werden können. Beispielsweise kann ein Verschleiß oder ein Klemmen einer Steuernadel oder einer Einspritzdüsennadel festgestellt werden oder ein Druckabfall im Druckkreis des hydraulischen Ventils der Einspritzanlage diagnostiziert werden.
Bekannte, zerstörungsfreie Verfahren zur Diagnostik von piezoelektrischen Aktuatoren sind somit relativ grob und erlauben es im überwiegenden Maße lediglich, Informationen über Injektoren, nicht jedoch über den Zustand der Aktuatoren selbst.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine verbesserte Diagnostik von piezoelektrischen Aktuatoren ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, über welche auf besonders einfache Art Informationen über piezoelektrische Aktuatoren gewonnen werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Ein solches Verfahren dient zum Bestimmen eines Funktionszustandes eines piezoelektrischen Aktuators, insbesondere eines Aktuators eines Injektors einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftwagens. Bei dem Funktionszustand kann es sich insbesondere um das Vorhanden sein einer Beschädigung des Aktuators, beispielsweise durch Brüche und ähnliches, handeln. Um diesen Funktionszustand zu ermitteln, wird zunächst ein Ausschwingverhalten des Aktuators gemessen. Das Ausschwingverhalten kennzeichnet die Schwingungen des piezoelektrischen Aktuators bei dessen Übergang von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand.
In der Folge wird wenigstens ein das Ausschwingverhalten charakterisierender Parameterwert bestimmt. Dieser wenigstens eine Parameterwert wird nun mit einer Datenbank von Parameterwerten verglichen, welchen jeweilige Funktionszustände zugeordnet sind. Auf Grundlage dieses Vergleichs, der beispielsweise durch eine statistische Klassifikation erfolgen kann, wird der Funktionszustand des Aktuators schließlich identifiziert. Das Verfahren ermöglicht eine berührungs- und zerstörungsfreie Diagnose des Zustands des piezoelektrischen Aktuators. Dabei kann das Verfahren mittels anwendungsbezogener Ansteuerung im eingebauten Zustand beispielsweise beim Starten oder im Betrieb der Brennkraftmaschine oder im ausgebauten Zustand mittels einer separaten Prüfvorrichtung durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird das Ausschwingverhalten als zeitaufgelöster Verlauf der piezoelektrischen Spannung des Aktuators als Antwort auf eine breitbandige Anregung gemessen. Diese Anregung kann in Form eines Strompulses, Stromsprungs oder Spannungssprungs geschehen. Durch die Anregung wird der Aktuator in seinen ersten Zustand versetzt. Bei Ende der Anregung kehrt der Aktuator in seinen zweiten Zustand zurück, was in Form einer gedämpften mechanischen Schwingung geschieht. Die mechanische Schwingung des Aktuators, die von seinem Zustand und dem Zustand weiterer Komponenten der Einspritzanlage abhängt, erzeugt aufgrund des piezoelektrischen Effektes wiederum eine Spannung an den Anschlüssen des Aktuators, die mit üblichen Mitteln gemessen und aufgezeichnet werden kann. Während des Ausschwingens des Aktuators werden keine externen Signale an den Aktuator angelegt, so dass das interessierende Ausschwingverhalten nicht von weiteren Signalkomponenten abgetrennt werden muss. Dies ermöglicht eine besonders einfache Messung.
Vorzugsweise werden als das Ausschwingverhalten charakterisierende Parameterwerte Frequenzkomponenten des Ausschwingverhaltens und/oder den Frequenzkomponenten zugeordnete Amplituden und/oder Dämpfungskonstanten und/oder lineare Trendkoeffizienten bestimmt. Durch die Bestimmung dieser Parameterwerte kann ein „numerischer Fingerabdruck” des Aktuators ermittelt werden, der dessen Funktionszustand charakterisiert. Dies ermöglicht eine wesentlich genauere Diagnose des Aktuators als die aus dem Stand der Technik bekannten einfachen Schwellenwertüberprüfungen.
Die zum Vergleich der Parameterwerte beziehungsweise zu deren Klassifizierung verwendete Datenbank wird vorzugsweise durch Messung des Ausschwingverhaltens von Aktuatoren mit bekannten Funktionszuständen erzeugt. Der Vergleich beziehungsweise die Klassifizierung erfolgt somit nicht auf einer theoretischen, sondern vielmehr auf einer empirischen Basis, was eine besonders genaue Klassifikation ermöglicht.
Die Zuordnung der Parameterwerte der Datenbank zu jeweiligen Funktionszuständen und/oder der Vergleich der gemessenen Parameterwerte mit der Datenbank erfolgt vorzugsweise durch ein statistisches Klassifikationsverfahren. Insbesondere bietet sich hier die quadratische Diskriminantenanalyse an. Die gemessenen Ausschwingverhalten von piezoelektrischen Aktuatoren mit bekannten Funktionszuständen werden als Trainingsmenge für die Klassifikation benutzt. Die quadratische Diskriminantenanalyse erlaubt die Verwendung von Klassen mit unterschiedlichen Kovarianzen. Der eigentliche Test der Hypothese der Zugehörigkeit eines Messwertes zu einer bestimmten Klasse erfolgt schließlich über einen likelihood-Quotienten Test.
Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zum Anregen eines Ausschwingverhaltens eines piezoelektrischen Aktuators, insbesondere eines Aktuators für Injektoren einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine eines Kraftwagens. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Funktionsgenerator zum Erzeugen eines Rechtecksignals. Mittels dieses Rechtecksignals, das in den Pausen zwischen zwei Strompulses bevorzugt auf Referenzpotential abfällt, wird der piezoelektrische Aktuator periodisch angeregt.
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner ein Triggerelement, mittels welchen ein mit einer jeweiligen fallenden Flanke des Rechtecksignals gekoppelter Strompuls erzeugt wird. Mittels dieses Strompulses wird ein dem piezoelektrischen Aktuator überbrückendes Halbleiterschaltelement während einer Dauer des Strompulses in einen leitenden Schaltzustand gebracht. Im leitenden Schaltzustand schließt das Halbleiterschaltelement den piezoelektrischen Aktuator kurz, wodurch dieser in seinen nicht angeregten Zustand zurückkehrt. Die Rückkehr in diesen nicht angeregten Zustand erfolgt in Form einer gedämpften Schwingung, die aufgrund des piezoelektrischen Effektes wiederum eine Spannung zwischen den Anschlüssen des Aktuators als Pulsantwort induziert. Diese Spannung wird schließlich mit einer Messeinrichtung zum Messen des Ausschwingverhaltens während der Pausen des Rechtecksignals aufgezeichnet. Eine derartige Schaltungsanordnung ist besonders einfach aufgebaut und ermöglicht ein besonders präzises Messen des Ausschwingverhaltens des piezoelektrischen Aktuators.
Vorzugsweise ist ein Ausgang des Funktionsgenerators über ein einstellbares Verstärkerelement mit einem Anschlusspol des piezoelektrischen Aktuators gekoppelt, wobei ein zweiter Anschlusspol des piezoelektrischen Aktuators mit Masse gekoppelt ist. Durch das einstellbare Verstärkerelement kann das Ausmaß der Anregung des piezoelektrischen Aktuators eingestellt werden. Mit anderen Worten können variable Anregungsspannungen vorgegeben werden. Hierdurch ist es möglich, das Ausschwingverhalten bei unterschiedlichen Spannungen zu beobachten, wodurch mehr Informationen über den Funktionszustand des piezoelektrischen Aktuators gewonnen werden können.
Dass der piezoelektrischen Aktuator überbrückende Halbleiterschaltelement ist vorzugsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Solche Bipolartransistoren haben den Vorteil, dass sie eine hohe Vorwärtssperrspannung aufweisen und hohe Ströme schalten können. Sie besitzen kleine Durchlassverluste und kleine Durchlasswiderstände und sind daher für diese Messung besonders gut geeignet.
Als Messeinrichtung wird schließlich vorzugsweise ein Oszilloskop verwendet. Über dieses kann die Messung unmittelbar beobachtet werden, bei gängigen Oszilloskopen ist selbstverständlich eine Speicherung der Messdaten und die spätere Weiterverarbeitung möglich.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Erzeugung einer Datenbank für eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Graph des zeitabhängigen Spannungsverlaufs bei der Pulsantwort eines piezoelektrischen Aktuators;
3a bis d graphische Auftragungen verschiedener Parameterwerte einer derartigen Pulsantwort; und
4 ein Schaltbild für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Zur elektromechanischen Ansteuerung von Injektoren einer Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen von Kraftwagen werden piezoelektrische Aktuatoren verwendet. Piezoelektrische Aktuatoren sind elektromechanische Wandler. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes führen Änderungen im elektrischen Zustand eines piezoelektrischen Aktuators zu Änderungen in seinen mechanischen Eigenschaften und umgekehrt. Um einen Injektor einer Einspritzanlage zu betätigen, wird der zugeordnete piezoelektrische Aktuator mit einer breitbandigen Anregung, beispielsweise einem Rechtecksignal in Form eines Strompulses, angeregt. Der piezoelektrische Aktuator geht während des Rechtecksignals in einen ersten angeregten Zustand über und nach Beendigung des Rechtecksignals in einen zweiten, nicht angeregten Zustand über.
Bei der Rückkehr vom ersten angeregten Zustand in den zweiten nicht angeregten Zustand des piezoelektrischen Aktuators kommt es zu einer mechanischen Schwingung, die wiederum eine Spannung im piezoelektrischen Aktuator hervorruft. Dieses Entspannungsphänomen kann auch zur Diagnose von piezoelektrischen Aktuatoren verwendet werden. Insbesondere sollen durch Analyse des Signals Brüche im keramischen Körper des piezoelektrischen Aktuators detektiert werden.
Hierzu wird zunächst die Pulsantwort des piezoelektrischen Aktuators gemessen. Die Pulsantwort ist dabei eine gedämpfte Schwingung mit mehreren Frequenzkomponenten, so dass während des Übergangs vom ersten angeregten Zustand in einen zweiten, nicht angeregten Zustand des piezoelektrischen Aktuators am piezoelektrischen Aktuator ein gedämpft ausschwingender Spannungsabfall gemessen werden kann, wie in 2 für unterschiedliche Anregungsspannungen dargestellt.
Um aus derartigen zeitabhängigen Spannungsverläufen bei dem Übergang aus dem ersten Zustand in den zweiten Zustand des piezoelektrischen Aktuators auf dessen Funktionszustand und insbesondere auf das Vorhandensein von Brüchen im keramischen Körper des piezoelektrischen Aktuators zurückschließen zu können, muss zunächst ein Zusammenhang zwischen Parametern der Pulsantwort und dem Funktionszustand des piezoelektrischen Aktuators etabliert werden. Dies ist schematisch in 1 dargestellt.
Um die Auswirkung von mechanischen Fehlern im piezoelektrischen Aktuator auf dessen Ausschwingverhalten zu charakterisieren werden zunächst in einem Verfahrensschritt S10 die Ausschwingkurven eine Mehrzahl von piezoelektrischen Aktuatoren mit unterschiedlichen, jeweils bekannten Funktionszuständen gemessen. Die Messung erfolgt hierbei bei unterschiedlichen Anregungsspannungen. Man erhält hierbei eine Mehrzahl von zeitabhängigen Spannungsverläufen während des Ausschwingens der piezoelektrischen Aktuatoren. Diese müssen in einem folgenden Verfahrensschritt S12 einer Analyse unterzogen werden.
Üblicherweise werden die Ausschwingkurven im Verfahrensschritt S10 mit einer Abtastrate von 10 MHz über eine Zeitspanne von einer Millisekunde gemessen. Die bekannteste Methode zur Analyse derartiger Ausschwingkurven ist die diskrete Fouriertransformation (DFT), wobei meist die schnelle Fouriertransformation (fast fourier transformation FFT) verwendet wird. DFT beziehungsweise FFT konvertieren Messungen über eine Periode des zeitbasierten, periodischen ungedämpften Signals in Koeffizienten von Frequenzkomponenten, welche aufsummiert das ursprüngliche Zeitsignal ergeben.
Anstelle der Fouriertransformationkann zur Frequenzanalyse der Ausschwingkurven der piezoelektrischen Aktuatoren ein alternatives Verfahren verwendet werden. Hierzu wird die Funktion
an zeitlich versetzte Abschnitte des gemessenen Ausschwingsignals numerisch angepasst. Für jeden solchen Abschnitt sind die Parameter der Funktion die Amplituden der kontinuierlichen Frequenzkomponenten, lineare Trendkoeffizienten p, die Zeitkonstanten τ_i für die Dämpfung dieser Komponenten, die Frequenzen f_i dieser Komponenten sowie die diskrete Zahl N_f der Frequenzkomponenten. Im Unterschied zur DFT sind nicht alle Koeffizienten in diesem Ansatz linear unabhängig, so das einfache lineare Methoden nicht zur Anpassung der Funktion (1) an die Messwerte geeignet sind. Sind jedoch τ_i, f_i, sowie N_f gegeben, so können die Koeffizienten p durch die bekannte lineare Methode der kleinsten Quadrate ermittelt werden.
Zur Bestimmung von τ_i und f_i für eine gegebene Anzahl N_f von Frequenzkomponenten kann ein gradientenbasierter Optimierungsalgorithmus wie beispielsweise das sequentielle quadratische Programmieren (SQP) verwendet werden. Als Kostenfunktion für diese Optimierung wird der mittlere quadratische Fehler der Anpassung von Funktion (1) an die Messdaten verwendet werden.
Hierzu muss noch die Zahl der Frequenzkomponenten N_f bestimmt werden. Dieser Koeffizient kann weder durch eine lineare Methode der kleinsten Quadrate noch durch sequentielles quadratisches Programmieren bestimmt werden. Eine Möglichkeit hierzu ist es, N_f alternativ von 1 ausgehend zu vergrößern, bis der mittlere quadratische Fehler der Anpassung beim sequentiellen quadratischen Programmieren einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Verglichen mit der DFT kann so eine kontinuierliche Auflösung des Frequenzspektrums erreicht werden. Gleichzeitig können Frequenzen detektiert werden, deren Perioden länger sind als die Abschnittslänge des betrachteten Signals. Im Gegensatz hierzu ist bei der DFT die kleinste detektierbare Frequenz identisch zum Kehrwert der Abschnittslänge des analysierten Signals. Gleichzeitig kann die Dämpfung des Signals modelliert werden, welches im Falle der DFT unendlich periodisch ohne Dämpfung sein muss.
Die 3a bis d zeigen das Ergebnis einer derartigen Analyse gemäß der Funktion (1). 3a zeigt noch einmal den zeitabhängigen Spannungsverlauf über einen piezoelektrischen Aktuator während dessen Pulsantwort. 3b zeigt die ermittelten Frequenzkomponenten in Abhängigkeit von der Zeit. Die Größe der dargestellten Punkte repräsentiert hier die Amplitude der Frequenzkomponenten. 3c zeigt einen Auftrag der Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten gegen die jeweilige Frequenz. 3d sind schließlich die Zeitkonstanten der Dämpfung der einzelnen Frequenzkomponenten gegen die jeweilige Frequenz aufgetragen.
Es hat sich herausgestallt, dass sich die zeit- beziehungsweise frequenzabhängigen Verteilungen dieser Parameter für piezoelektrische Aktuatoren mit unterschiedlichen Funktionszuständen unterscheiden. Beispielsweise zeigen Injektoren ohne Brüche deutliche Frequenzkomponenten im Bereich zwischen 15 kHz und 20 kHz bei Anregung mit einem +10 V Puls, während Injektoren mit Brüchen in diesem Bereich geringe Frequenzkomponenten zeigen. Die Unterschiede sind jedoch nicht deutlich genug, um allein per Augenschein eine Diagnose durchführen zu können.
Um dennoch eine Diagnose zu ermöglichen, wird im Verfahrensschritt S14 ein numerischer Fingerabdruck zu jeder Ausschwingkurve erstellt, welcher diese charakterisiert. Dieser numerische Fingerabdruck umfasst für jeden Abschnitt der Frequenzanalyse der Ausschwingkurve die maximale Frequenz, die maximale relative Amplitude der Schwingung, diejenige Frequenz, die die maximale Amplitude aufweist, eine amplitudengewichtete mittlere Frequenz, die maximale Dämpfung, die amplitudengewichtete mittlere Dämpfung sowie die Dämpfung für diejenige Frequenz, die eine maximale Amplitude aufweist.
Zur Diagnose der piezoelektrischen Aktuatoren wird nun im Verfahrensschritt S16 eine statistische Klassifikation dieser numerischen Fingerabdrücke durchgeführt.
Aus statistischer Sicht entspricht jeder solcher Fingerabdruck einer Menge von Beobachtungsvektoren, welche jeweils in die Kategorien „Brüche vorhanden” und „keine Brüche vorhanden” klassifiziert werden müssen. Als besonders geeignetes Klassifizierungsverfahren hat sich die quadratische Diskriminantenanalyse (QDA) erwiesen. Die quadratische Diskriminantenanalyse separiert Messungen von zwei oder mehr Klassen von Objekten mittels einer quadratischen Oberfläche. Es handelt sich dabei um eine generalisierte Fassung des bekannteren linearen Klassifikators. Der quadratischen Diskriminantenanalyse liegt folgende Gleichung zugrunde:
Hierbei wird in δ*(x) die Klasse geschätzt wobei folgende Faktoren in Betracht gezogen werden:

x:: die Abfragekriterien,
–μi: die Mittelwerte der Abfragekriterien der Klasse i,
Σi: die Kovarianz der Abfragekriterien in Klasse i,
log(cj|i): die Wahrscheinlichkeit einer falschen Referenzklassenzuweisung von Klasse j zu Klasse i und
log(πi): die A-priori-Wahrscheinlichkeit für Klasse i.

Das Verfahren gemäß Funktion (2) vergleicht also die quadratisch gewichteten Abstände der Abfragekriterien zu den Mittelwerten für jede Klasse. Diejenige Klasse, zu welcher die gewichteten mittleren Distanzen minimal sind, ist dabei die geschätzte Klasse. Das Resultat der Summe wird auch als Bayes-Distanz bezeichnet.
Für dieses Verfahren muss die Kovarianzmatrix für jede Klasse invertierbar sein. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden 61 Injektoren gemessen, von welchen 36 keine Brüche aufwiesen und 25 wenigstens einen Bruch besaßen. Für die letzt genannte Klasse „Injektoren ohne Brüche” sind also maximal 25 aller Abfragekriterien linear unabhängig, so dass die Zahl der verfügbaren Abfragekriterien insgesamt auf 25 reduziert werden muss, um die Invertierbarkeit der Kovarianzmatrix sicherzustellen.
Hierzu werden die Abfragekriterien zunächst in einen Bereich um 1 normiert. Abfragekriterien, die für alle Messungen konstant sind, werden entfernt. Ebenfalls entfernt werden Abfragekriterien mit redundanten Informationen. Hierzu wird beispielsweise ein Abfragekriterium entfernt, wenn es zu mehr als 0.99 mit einem weiteren Abfragekriterium korreliert. Auch Abfragekriterien, deren Korrelationskoeffizient mit der direkten Klasse unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt werden entfernt. Gleiches gilt für Abfragekriterien mit dem geringsten Beitrag zur Bayes-Distanz.
Dies wird durchgeführt, bis die Umkehrbarkeit der Kovarianzmatrix sichergestellt ist.
Die Parameter zur Bestimmung der Klassifikationsregeln sind nun:

– die Wahrscheinlichkeit einer falschen Referenzklassenzuordnung von Klasse j zu Klasse i
– die A-Priori-Wahrscheinlichkeit für Klasse i
– der maximale Korrelationskoeffizient zwischen zwei Abfragekriterien
– der minimale Korrelationskoeffizient zwischen Referenzklasse und Abfragekriterium
– die gewünschte Anzahl reduzierter Abfragekriterien.

Sind die Daten dergestalt vorbereitet, können die Klassifikationsregeln festgelegt werden. Zusammenfassend ist für eine Menge von Injektoren zunächst für jeden Injektor die korrekte Klassenzuweisung als Referenz bekannt. Für jeden der Injektoren wurde die Pulsantwort gemessen und eine Frequenzanalyse der gemessenen Pulsantwort durchgeführt. Aus der Frequenzanalyse wurde eine vergleichbare Menge von Abfragekriterien in Form eines numerischen Fingerabdrucks erstellt. Die Zahl dieser Abfragekriterien wurde zu einer Menge unabhängiger Variablen mit maximalem Informationsgehalt reduziert. Mittels QDA konnten schließlich Regeln festgelegt werden, um die Messungen in die gewünschten Klassen zu klassifizieren.
Um die Genauigkeit der Klassifikation zu überprüfen muss ein weiteres statistisches Verfahren, das so genannte Bootstrapping angewendet werden. Hierzu werden beispielsweise ursprünglich gemessenen 61 Pulsantworten in eine Untermenge für die Definition von Regeln und eine zweite, hiervon verschiedene Untermenge zur Validierung der Regeln aufgetrennt. Um eine besonders sichere Validierung zu erhalten, werden beispielsweise hierzu die Regeln auf Grundlage von 59 Messungen festgelegt und die Validierung gegen die verbliebenen zwei Messungen durchgeführt. Dies wird für alle möglichen Kombinationen von zwei aus 61 Messungen (insgesamt 1830 Kombinationen) durchgeführt. Das Genauigkeitsmaß ergibt sich als der Mittelwert von korrekt klassifizierten Injektoren. Bei dieser beispielhaften Validierung stellt es sich heraus, dass ohne zusätzliche Optimierung lediglich 66% der Injektoren korrekt klassifiziert werden.
Da einige der verwendeten Parameter diskret sind, ist es nicht möglich, Standardoptimierungstechniken wie SQP zu verwenden. Stattdessen werden alle Parameter diskretisiert und über einen koordinatenbasierten Gradientenabstieg optimiert. Optimierungsparameter hierbei waren die maximale Anzahl von Frequenzen, die Abschnittslänge für die Frequenzanalyse, die Zeitpunkte innerhalb der Messung, an welchen die Frequenzanalyse durchgeführt wurde (sowohl Anzahl als auch Position der Abschnitte), die Grenzwerte der Frequenzunterbereiche, die individuelle Selektion der Typen von Abfragekriterien, der maximale Korrelationskoeffizient zwischen zwei Abfragekriterien, der minimale Korrelationskoeffizient zwischen Referenzklasse und Abfragekriterium sowie die Zielanzahl von reduzierten Abfragekriterien.
Während jeder Iteration des Optimierungsalgorithmus wird jeder Parameter individuell zum nächsthöheren und nächstniedrigeren Wert variiert und für jede Variation der Klassifikationserfolg mittels der Bootstrappingmethode berechnet. Für den Start der nächsten Iteration wird dann die beste Parametervariation ausgewählt. Die besten Validierungsergebnisse werden für die Pulsantworten bei einer +10 V-Anregung gemessen. Mit optimierten Parametern konnte schließlich die beispielhafte Klassifizierung zu 98,3% korrekt durchgeführt werden.
Aufgrund der so erhaltenen Klassifizierungsregeln ist es nun möglich, auch piezoelektrische Aktuatoren mit nicht vorbekannten mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit nicht vorbekannter Rissanzahl, korrekt in die Klassen „Brüche vorhanden” sowie „Brüche nicht vorhanden” einzuordnen und so eine berührungsfreie und zerstörungsfreie Diagnose von Injektoren von Einspritzsystemen zu erhalten.
Die beste Klassifikation wurde dabei erreicht, wenn die Messung bei einer Anregungsspannung von +10 V durchgeführt wird. Optimale Parameter für die Frequenzanalyse sind ein Frequenzbereich von 2 kHz bis 50 kHz, eine Zerlegung der Messreihe in Zeitabschnitte zwischen 50 und 225 ms, eine maximale Anzahl von drei Frequenzen pro Abschnitt, eine minimale Dämpfungszeitkonstante von 50 ms und ein Schwellwert von 0,1 mV für die Anpassung von Gleichung 1 an die Messwerte.
4 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung zum Anregen des Ausschwingverhaltens eines piezoelektrischen Aktuators. Es sind auch weitere Schaltungsanordnungen zur Anregung denkbar. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Rechteckgenerator 12 sowie ein Triggerelement 14. Mit dem Rechteckgenerator 12 wird ein Rechtecksignal erzeugt, mittels welchem der piezoelektrische Aktuator 16 aufgeladen wird. An der fallenden Flanke des Rechtecksignals wird durch das Triggerelement 14 ein Strompuls erzeugt, mittels welchem der piezoelektrische Aktuator 16 über einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate 18 kurzgeschlossen wird. Während des Kurzschlusses kann in einem nicht dargestellten Oszilloskop das Ausschwingverhalten, das heißt die durch die mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Aktuators 16 im piezoelektrischen Aktuator 16 induzierten Spannungen über den piezoelektrischen Aktuator 16 abgegriffen und aufgezeichnet werden.
Der Rechteckgenerator 12 wird durch einen integrierten Zeitgeber 20 vom Typ NE555 gebildet. In der Folge werden zur Beschreibung der Beschaltung des Zeitgebers 20 die üblichen Pinbelegungen für integrierte Schaltkreise dieses Typs verwendet. Pin 1 des Zeitgebers 20 ist über den Anschluss 22 mit Referenzpotential verbunden, während an Pin 8 des Zeitgebers 20 über den Anschluss 24 eine Versorgungsspannung von 8 bis 12 V anliegt. Der Trigger-Eingang an Pin 2 des Zeitgebers 20 ist mit dem Schwellspannungs-Eingang an Pin 6 gekoppelt. Beide Pins 2, 6 sind über einen Elektrolytkondensator 26 mit Referenzpotential verbunden. Über einen Widerstand 28 sind Triggereingang 2 und Schwellspannungs-Eingang 6 ferner mit dem Entlade-Eingang an Pin 7 des Zeitgebers 20 verbunden. Dieser ist über einen weiteren Widerstand 30 mit der Versorgungsspannung verbunden. In dieser Beschaltung arbeitet der Zeitgeber 20 als astabiler Multivibrator.
Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung 10 ist der Elektrolytkondensator 26 entladen. Am Triggereingang 2 des Zeitgebers 20 liegt keine Spannung an, wodurch die interne Kippstufe des Zeitgebers 20 gesetzt wird. Der Elektrolytkondensator 26 lädt sich nun über die Widerstände 28 und 30 auf, bis die Schaltschwelle des Schwellspannungs-Eingangs 6 erreicht ist. Während dieses Aufladens liegt am Ausgang 3 des Zeitgebers 20 ein Signal an. Beim Erreichen der Schaltschwelle des Schwellspannungs-Eingangs 6 wird die interne Kippstufe des Zeitgebers 20 abgeschaltet, das Signal am Ausgang 3 fällt auf Bezugspotential ab. Gleichzeitig wird der Entlade-Eingang 7 des Zeitgebers 20 intern auf Bezugspotential geschaltet, so dass sich der Elektrolytkondensator 26 über den Widerstand 28 entlädt. Sobald wieder die Schaltschwelle des Triggereingangs 2 erreicht wird, wiederholt sich der Prozess, so dass am Ausgang 3 ein Rechtecksignal erzeugt wird.
Der Ausgangspin 3 des Zeitgebers 20 ist über ein Potentiometer 32 mit Bezugspotential gekoppelt. Der Abgriff 34 des Potentiometers 32 ist mit der Basis 36 eines Transistors 38 verbunden. Der Kollektor 40 des Transistors 38 liegt an der Versorgungsspannung, während der Emitter 42 des Transistors 38 über einen Widerstand 44 mit einem ersten Anschluss 46 des piezoelektrischen Aktuators 16 gekoppelt ist. Der zweite Anschluss 48 des piezoelektrischen Aktuators 16 liegt auf Bezugspotential.
Während der Strompulse des vom Zeitgeber 20 erzeugten Rechtecksignals liegt also die Basis 36 des Transistors 38 an einem durch die Stellung des Potentiometers 32 festgelegten Potential, wobei die Stellung des Potentiometers 32 so gewählt wird, dass während der Strompulse des Rechtecksignals die Schaltschwelle des Transistors 38 erreicht wird. Durch den Transistor 38 fließt also über den Widerstand 44 Strom zum piezoelektrischen Aktuator 16, das piezoelektrischen Aktuator 16 wird aufgeladen.
Über einen Kondensator 50 ist der Ausgang des Zeitgebers 20 ferner mit dem Triggerelement 14 gekoppelt. Auch das Triggerelement 14 beruht auf einem Zeitgeber 52, für welchem hier ebenfalls ein integrierter Schaltkreis vom Typ NE555 verwendet wird. Pin 1 des Zeitgebers 52 liegt wieder über dem Anschluss 22 auf Bezugspotential, Pin 8 ist über den Anschluss 24 mit der Versorgungsspannung verbunden. Der Ausgang an Pin 3 des Zeitgebers 20 des Rechteckgenerators 12 ist über den Kondensator 50 mit dem Triggereingang an Pin 2 des Zeitgebers 52 des Triggerelements 14 gekoppelt. Gleichzeitig ist der Triggereingang 2 des Zeitgebers 52 über einen Widerstand 54 mit Versorgungsspannung verbunden.
Sowohl der Schwellspannungs-Eingang an Pin 6 des Zeitgebers 52 als auch der Entlade-Eingang an Pin 7 des Zeitgebers 52 sind über einen Kondensator 56 mit Bezugspotential und über einen Widerstand 58 mit der Versorgungsspannung gekoppelt. Im Gegensatz zur Beschaltung des Zeitgebers 20 im Rechteckgenerator 12 ist hier der Triggereingang 2 vom Schwellspannungs-Eingang an Pin 6 entkoppelt. Der Zeitgeber 52 ist also nach Art einer monostabilen Kippstufe geschaltet.
Sinkt die Spannung am Triggereingang 2 des Zeitgebers 52 unter ein Drittel der Betriebsspannung ab, so wird die internen Kippstufe des Zeitgebers 52 gesetzt, während gleichzeitig ein interner Transistor des Zeitgebers 52 am Entlade-Eingang 7 sperrt. Gleichzeitig wird der Ausgang an Pin 3 des Zeitgebers 52 geschaltet. In diesem Zustand des Zeitgebers 52 kann sich der Kondensator 56 über den Widerstand 58 aufladen, bis am Schwellspannungs-Eingang an Pin 6 des Zeitgebers 52 zwei Drittel der Betriebsspannung anliegen. In diesem Moment wird die Kippstufe des Zeitgebers 52 zurückgesetzt, der Ausgang 3 des Zeitgebers 52 fällt auf Bezugspotential und der Entlade-Eingang 7 wird durchgeschaltet, so dass sich der Kondensator 56 schlagartig wieder entladen kann. Aufgrund der geringen Kapazität des Kondensators 56 erzeugt das Triggerelement 14 also am Ausgang 3 des Zeitgebers 52 kurze Strompulse, die von der fallenden Flanke des vom Rechteckgenerator 12 erzeugten Rechtecksignals ausgelöst werden.
Ausgang 3 des Zeitgebers 52 ist mit dem Gate 60 des Bipolartransistors 18 gekoppelt. Der Kollektor 62 des Bipolartransistors 18 ist mit dem ersten Anschluss 46 des piezoelektrischen Aktuator 16 verbunden, der Emitter 64 des Bipolartransistors mit dem zweiten Anschluss 48 des piezoelektrischen Aktuators.
Während des Strompulses am Ausgang 3 des Zeitgebers 52 ist der Bipolartransistor 18 leitend, beide Anschlüsse 46, 48 des piezoelektrischen Aktuators 16 liegen daher auf Bezugspotential. Der piezoelektrische Aktuator 16 kann sich somit schlagartig entladen. Diese Entladung zeigt das gewünschte Ausschwingverhalten und kann mit einem Oszilloskop aufgezeichnet werden. Der zeitabhängige Spannungsablauf über den piezoelektrischen Aktuator 16 kann dann auf die beschriebene Weise analysiert werden, so dass der Funktionszustand des piezoelektrischen Aktuators 16 bestimmt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19804196 A1 [0004, 0004]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustands eines piezoelektrischen Aktuators (16), insbesondere eines Aktuators (16) in einem Injektor einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit den Schritten: a) Messen eines Ausschwingverhaltens des Aktuators (16); b) Bestimmen wenigstens eines das Ausschwingverhalten charakterisierenden Parameterwerts; c) Vergleichen des wenigstens einen Parameterwerts mit einer Datenbank von Parameterwerten, welchen jeweilige Funktionszustände zugeordnet sind, und Identifizieren des Funktionszustands des Aktuators (16).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschwingverhalten als zeitaufgelöster Verlauf der piezoelektrischen Spannung des Aktuators (16) als Antwort auf eine breitbandige Anregung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als das Ausschwingverhalten charakterisierende Parameterwerte Frequenzkomponenten des Ausschwingverhaltens und/oder den Frequenzkomponenten zugeordnete Amplituden und/oder Dämpfungskonstanten und/oder lineare Trendkoeffizienten bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank durch Messung des Ausschwingverhaltens von Aktuatoren (16) mit bekannten Funktionszuständen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, die Zuordnung der Parameterwerte der Datenbank zu jeweiligen Funktionszuständen und/oder der Vergleich der gemessenen Parameterwerte mit der Datenbank durch statistische Klassifikation, insbesondere mittels quadratischer Diskriminantenanalyse, erfolgt.
Schaltungsanordnung (10) zum Anregen eines Ausschwingverhaltens eines piezoelektrischen Aktuators (16), insbesondere eines Aktuators (16) in einem Injektor für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit einem Funktionsgenerator (12) zum Erzeugen eines Rechtecksignals zum periodischen Anregen des piezoelektrischen Aktuators (16), sowie einem Triggerelement (14) zum Erzeugen eines mit einer jeweiligen fallenden Flanke des Rechtecksignals gekoppelten Strompulses, mittels welchem ein den piezoelektrischen Aktuator (16) überbrückendes Halbleiterschaltelement (18) während einer Dauer des Strompulses in einen leitenden Schaltzustand zum Kurzschließen des piezoelektrischen Aktuators (16) bringbar ist, sowie mit einer Messeinrichtung zum Messen des Ausschwingverhaltens während der Pausen des Rechtecksignals.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des Funktionsgenerators (12) über ein einstellbares Verstärkerelement (38) mit einem Anschlusspol (46) des piezoelektrischen Aktuators (16) gekoppelt ist, wobei ein zweiter Anschlusspol (48) des piezoelektrischen Aktuators (16) mit Masse gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dem piezoelektrischen Aktuator (16) überbrückende Halbleiterschaltelement (18) ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung ein Oszilloskop ist.