DE102010040253A1

DE102010040253A1 - Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems

Info

Publication number: DE102010040253A1
Application number: DE102010040253A
Authority: DE
Inventors: Robert Hoffmann; Dr. Lehner Steffen; Peter Russe; Dr. Schwarte Anselm
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines einen piezoelektrischen Aktors und eine von diesem bewegbare Düsennadel aufweisenden Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems. Der Piezoinjektor ist in einem Teilhubbetrieb und einem Vollhubbetrieb betreibbar. Es wird eine Erfassung elektrischer Messwerte des Piezoinjektors im Teilhubbetrieb vorgenommen. Die erfassten elektrischen Messwerte werden mit zugehörigen Vergleichswerten verglichen. Aus dem Vergleichsergebnis werden Rückschlüsse auf den Zustand des Piezoinjektors gezogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines Piezoinjektors, wie er im Zusammenhang mit der Kraftstoffeinspritzung bei Kraftfahrzeugen verwendet wird.
Ein derartiger Piezoinjektor weist einen piezoelektrischen Aktor auf, der ein elektrisches Ansteuersignal in eine mechanische Hubbewegung umsetzt. Durch diese Hubbewegung wird eine Düsennadel gesteuert, mit welcher der Kraftstofffluss durch die Spritzlöcher einer Düseneinheit mehr oder weniger weit freigegeben werden kann, um eine gewünschte, vom elektrischen Ansteuersignal abhängige Kraftstoffmenge in geeigneter Art und Weise in einen Zylinder des Kraftfahrzeugs einspritzen zu können.
Ein piezoelektrischer Aktor hat die Eigenschaft, dass er bei einer mechanischen Druckbelastung ein elektrisches Signal abgibt, so dass er auch als Sensor für die Erfassung des vorliegenden Druckes im Piezoinjektor verwendet werden kann. Durch eine derartige Erfassung des aktuellen Druckes bzw. einer Druckänderung und der daraus resultierenden Kraftwirkungen auf das Piezoelement können Rückschlüsse auf die Hubbewegung der Düsennadel gezogen werden.
Es ist des Weiteren bereits bekannt, einen einen Piezoaktor und eine von diesem bewegbare Düsennadel aufweisenden Piezoinjektor zu unterschiedlichen Zeiten in einem Teilhubbetrieb und in einem Vollhubbetrieb zu betreiben. Dabei wird der Piezoaktor von einer Spannungs-, Strom- und Ladungsquelle mit einer Ladungsmenge beaufschlagt, die einen von der momentanen Einspritzverlaufsanforderung abhängigen Spannungswert aufweist und den Piezoaktor ausdehnt, um die Düsennadel in jeweils erforderlicher Weise zu bewegen. Im Teilhubbetrieb sind die Spritzlöcher der Düsennadel nur teilweise geöffnet, so dass der Durchfluss gedrosselt ist und nur eine vergleichsweise kleine Kraftstoffmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird, und die Düsennadel wird nicht bis an ihre mechanische Anschlagposition bewegt. Im Vollhubbetrieb sind die Spritzlöcher der Düsennadel vollständig geöffnet, so dass die Drosselung vollständig aufgehoben ist und eine vergleichsweise große Kraftstoffmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird, und die Düsennadel befindet sich ihrer mechanischen Anschlagposition.
Aus der WO 2009/010374 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls bekannt. Mit Hilfe des Kurvenverlaufs des elektrischen Steuersignals wird die Einspritzrate des Kraftstoffinjektors in Abhängigkeit vom Raildruck, vom Hubweg und/oder der Öffnungsdauer des Kraftstoffinjektors geregelt. Dabei ist für wenigstens eine einzuspritzende Teilmenge der Verlauf des elektrischen Steuersignals bezüglich wenigstens einer Impulsflanke und/oder einer Amplitude frei formbar. Diese Formung des Einspritzimpulses wird derart vorgenommen, dass die vorgegebene einzuspritzende Kraftstoffmenge unabhängig vom Verlauf des elektrischen Steuersignals konstant gehalten wird. Durch die eingespritzte Teilmenge erreicht die eingespritzte Kraftstoffmenge ein Zwischenniveau, welches für eine vorgegebene Haltezeit gehalten wird.
Andere bekannte Einspritzsysteme für Brennkraftmaschinen, insbesondere solche mit einem piezoelektrischen Antrieb, verwenden Verfahren zum Verbessern des Einspritzverhaltens, bei denen im Rahmen der Herstellung oder der Endprüfung der Injektoren im Werk Referenzmessungen durchgeführt werden und mittels dieser Referenzmessungen erhaltene Korrekturwerte spezimenbezogen mit dem jeweiligen Injektor ausgeliefert werden. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der DE 102 15 610 A1 und der DE 10 2004 053 266 A1 bekannt.
Beim Einbau des Injektors in eine Brennkraftmaschine werden die genannten Korrekturwerte dem Motorsteuergerät übermittelt. Hieraus ergibt sich insbesondere im Hinblick auf derzeitige Abgasgesetzgebungsvorgaben die Notwendigkeit, eine Eindeutigkeit der Zusammengehörigkeit zwischen einem jeweiligen Injektor und jeweils zugehörigen Korrekturwerten darzustellen. Des Weiteren erfordert das Erstellen einer Korrekturwertmatrix und das Übermitteln der Werte in das Steuergerät eine Vornahme mehrerer Arbeitsschritte, welche mit einem nicht vernachlässigbaren Zeitaufwand verbunden sind.
Das Einspritzverhalten einer Brennkraftmaschine ist grundsätzlich so einzustellen, dass geltende gesetzliche Vorschriften im Hinblick auf Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch eingehalten werden. Die Einhaltung dieser gesetzlichen Vorschriften wird derzeit unter Verwendung von weiteren Sensoren, zu denen beispielsweise Zylinderdrucksensoren und/oder Klopfsensoren gehören, gewährleistet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines einen piezoelektrischen Aktors und eine von diesem bewegbare Düsennadel aufweisenden Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems gelöst, bei welchem der Piezoinjektor in einem Teilhubbetrieb und einem Vollhubbetrieb betreibbar ist, wobei eine vorzugsweise zeitlich längerfristige Erfassung elektrischer Messwerte des Piezoinjektors im Teilhubbetrieb vorgenommen wird, die erfassten elektrischen Messwerte mit zugehörigen Vergleichswerten verglichen werden und aus dem Vergleichsergebnis Rückschlüsse auf den Zustand des Piezoinjektors gezogen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüche angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass bei einer Verwendung des beanspruchten Verfahrens zur Überwachung des Zustandes eines Piezoinjektors neue Informationen erhalten werden, aus denen Rückschlüsse auf den Zustand des Piezoinjektors gezogen werden können. Beispielsweise ist es für das Erkennen eines fehlerfreien Zustandes eines Piezoinjektors notwendig, dass die im Teilhub erfasste Piezospannung in der Umgebung eines Erwartungswertes liegt, größer ist als der Herstellungsparameter „Öffnungsspannung” des Piezoinjektors und kleiner ist als ein Vergleichswert im Vollhub.
Des Weiteren kann ein Verfahren gemäß der Erfindung während des Betriebes eines Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann beim Erstverbau des Piezoinjektors am Bandende oder später in einer Werkstatt ein Anlernvorgang in situ durchgeführt werden, bei welchem Korrekturfaktoren unter Verwendung des Motors des Kraftfahrzeugs ermittelt werden, in welches der Piezoinjektor eingebaut ist.
Ein Ermitteln der Erwartungswerte für die Spannung im Teilhub, die bei einer Ausführungsform der Erfindung als Vergleichswerte verwendet werden, während eines Betriebsmodus zur Energieregelung im Teilhub hat den Vorteil, dass echte Rückschlüsse von der Teilhubhöhe auf die Einspritzung gezogen werden können. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Teilhubbetriebes und eines Vollhubbetriebes eines Piezoinjektors und
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung des Zustandes eines einen piezoelektrischen Aktor und eine von diesem bewegbare Düsennadel aufweisenden Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems.
Die 1 zeigt ein Diagramm zur beispielhaften Veranschaulichung eines Teilhubbetriebes und eines Vollhubbetriebes eines Piezoinjektors, der einen Piezoaktor und eine von diesem bewegbare Düsennadel aufweist. In diesem Diagramm ist längs der Abszisse die Zeit t und längs der Ordinate die Injektionsrate IR des Kraftstoffs aufgetragen. Im Zeitintervall zwischen etwa 0,3 ms und etwa 0,7 ms liegt der Teilhubbereich TH. In diesem Zeitintervall befindet sich der Piezoinjektor im Teilhubbetrieb. Im Zeitintervall zwischen etwa 0,9 ms und 1,4 ms liegt der Vollhubbereich. In diesem Zeitintervall befindet sich der Piezoinjektor im Vollhubbetrieb. Die Injektionsrate im Vollhubbereich liegt bei etwa 35 mm³/ms. Die Injektionsrate im Teilhubbereich liegt beim gezeigten Ausfürhungsbeispiel je nach momentaner Kraftstoffanforderung im Bereich zwischen 5 mm³/ms und 15 mm³/ms und entspricht einer jeweiligen Teilhubhöhe. Die Injektionsrate im Teilhubbereich ist stets größer als Null und stets kleiner als die Injektionsrate im Vollhubbereich. Im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs, welcher eine Vielzahl von Fahrzyklen umfasst, wechseln sich Teilhubbetrieb und Vollhubbetrieb zeitlich ab, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vollhubbetriebszeiten auch mehrere Teilhubbetriebszeiten vorhanden sein können.
Die 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung des Zustandes eines einen piezoelektrischen Aktor und eine von diesem bewegbare Düsendnadel aufweisenden Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems.
In einem Schritt S1 erfolgt das Starten des Kraftfahrzeugs.
Im nachfolgenden Schritt S2 erfolgt eine Erfassung relevanter Systemgrößen und Betriebsmodi des Einspritzsystems. Zu diesen relevanten Systemgrößen gehören beispielsweise Informationen über die momentane Betriebsart des Einspritzsystems, die Temperatur, der Kraftstoffdruck, usw..
Im Schritt S3 erfolgt eine Abfrage, ob geeignete Bedingungen für eine Erfassung elektrischer Messwerte des Piezoinjektors vorliegen. Geeignete Bedingungen liegen vor, wenn der Betriebsmodus Teilhubbetrieb vorliegt und die erfasste Temperatur und der erfasste Kraftstoffdruck in einem jeweils vorgegebenen Intervall liegen.
Wird im Schritt S3 erkannt, dass keine geeigneten Bedingungen für eine Erfassung elektrischer Messwerte des Piezoinjektors vorliegen, dann wird zum Schritt S2 zurückgesprungen.
Wird im Schritt S3 hingegen erkannt, dass geeignete Bedingungen für eine Erfassung elektrischer Messwerte des Piezoinjektors vorliegen, dann wird zum Schritt S4 übergegangen.
Im Schritt S4 erfolgt eine Erfassung der genannten elektrischen Messwerte. Bei diesen Messwerten handelt es sich beispielsweise um den Istwert der am Piezoinjektor anliegenden Spannung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann es sich bei diesen Messwerten auch um Ladungswerte und/oder Energiewerte und/oder Kapazitätswerte handeln. Für die nachfolgende Beschreibung wird davon ausgegangen, dass es sich bei den erfassten elektrischen Messwerten um Istwerte der am Piezoinjektor anliegenden Spannung handelt.
Im nachfolgenden Schritt S5 erfolgt eine Abspeicherung des erfassten Spannungswertes in einem Speicher und eine Ermittlung eines Erwartungswertes aus abgespeicherten erfassten Spannungswerten. Dies kann beispielsweise durch eine Mittelwertbildung einer vorgegebenen Anzahl abgespeicherter Spannungswerte erfolgen. Des Weiteren wird im Schritt S5 überprüft, ob die Anzahl der insgesamt im Speicher abgespeicherten Spannungswerte größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Wird erkannt, dass die Anzahl der insgesamt abgespeicherten Spannungswerte größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, dann wird der älteste abgespeicherte Spannungswert gelöscht, um den Speicherbedarf einzugrenzen.
Dann wird zum Schritt S6 übergegangen. Im Schritt S6t erfolgt ein Vergleich des zuletzt erfassten Spannungswertes mit dem im Schritt S5 ermittelten Erwartungswert und mit vorgegebenen Grenzwerten, insbesondere einem vorgegebenen unteren Grenzwert und einem vorgegebenen oberen Grenzwert für die am Piezoinjektor anliegende Spannung. Diese weiteren vorgegebenen Grenzwerte werden vom Hersteller des Piezoinjektors unter Verwendung eines Referenzinjektors ermittelt und im bereits genannten Speicher nichtflüchtig hinterlegt. Von dort aus stehen sie dann im Betrieb des jeweiligen Fahrzeugs zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Verfügung.
Im nachfolgenden Schritt S7 wird überprüft, ob die im Schritt S6 erhaltenen Vergleichsergebnisse positiv sind oder nicht. Positive Vergleichsergebnisse liegen vor, wenn der zuletzt erfasste Spannungswert vom ermittelten Erwartungswert um weniger als einen zulässigen Differenzwert abweicht, der zuletzt erfasste Spannungswert den oberen Grenzwert nicht überschreitet und der zuletzt erfasste Spannungswert den unteren Grenzwert nicht unterschreitet. Im Falle eines derartigen positiven Vergleichsergebnisses wird der vorliegende Piezoinjektor als fehlerfrei erkannt und es erfolgt ein Rücksprung zum Schritt S2. Negative Vergleichsergebnisse liegen vor, wenn der zuletzt erfasste Spannungswert vom ermittelten Erwartungswert um mehr als den zulässigen Differenzwert abweicht und/oder der zuletzt erfasste Spannungswert den oberen Grenzwert überschreitet oder den unteren Grenzwert unterschreitet. Im Falle eines derartigen negativen Vergleichsergebnisses wird der Piezoinjektor als fehlerhaft erkannt und es erfolgt ein Übergang zum Schritt S8.
Im Schritt S8 erfolgt eine Abfrage, ob es sich bei dem im Schritt S7 erkannten Fehler um einen leichten oder um einen schweren Fehler handelt. Ein leichter Fehler liegt beispielsweise dann vor, wenn der erfasste Spannungswert den genannten zulässigen Differenzwert nur geringfügig überschreitet, den genannten unteren Grenzwert nur geringfügig unterschreitet oder den genannten oberen Grenzwert nur geringfügig überschreitet. Ein schwerer Fehler liegt dann vor, wenn der erfasste Spannungswert den genannten zulässigen Differenzwert erheblich überschreitet, den genannten unteren Grenzwert erheblich unterschreitet oder den genannten oberen Grenzwert erheblich überschreitet.
Wird im Schritt S8 erkannt, dass nur ein leichter Fehler vorliegt, dann wird zum Schritt S9 übergegangen. Im Schritt S9 erfolgt ein Eintrag des leichten Fehlers in einen Fehlerspeicher. Danach erfolgt ein Rücksprung zum Schritt S2.
Wird im Schritt S8 hingegen erkannt, dass ein schwerer Fehler vorliegt, dann wird zum Schritt S10 übergegangen. Im Schritt S10 erfolgt ebenfalls ein Eintrag in einen Fehlerspeicher und es werden jeweils geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen. Eine Gegenmaßnahme kann darin bestehen, den aufgetretenen Fehler auf einer Anzeige des Kraftfahrzeugs zu signalisieren und dadurch den Fahrer dazu aufzufordern, umgehend eine Werkstatt aufzusuchen, um den aufgetretenen Fehler beheben zu lassen. Danach erfolgt ein Rücksprung zum Schritt S2.
Ein wesentliches Merkmal des vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die Erfassung der elektrischen Messwerte im Teilhubbetrieb des Piezoinjektors vorgenommen wird, wobei diese Erfassung vorzugsweise längerfristig erfolgt, insbesondere auch über mehrere Fahrzyklen des Fahrzeugs.
Eine besonders vorteilhafte Ermittlung des als Vergleichswert verwendeten Erwartungswertes für die Spannung am Piezoinjektor besteht darin, diesen Erwartungswert im Teilhubbetrieb während eines Betriebsmodus zu ermitteln, in welchem eine Energieregelungim Teilhub erfolgt. Diese Art der Erwartungswertermittlung bietet den Vorteil der Möglichkeit, einen tatsächlichen Rückschluss von Teilhubhöhe zu Einspritzung zu ziehen.
Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung der als Vergleichswerte dienenden Erwartungswerte während des Fahrzeugbetriebes. Alternativ dazu können die als Vergleichswerte dienenden Erwartungswerte auch vom Injektorhersteller anhand eines Referenzinjektors ermittelt und im oben genannten Speicher nichtflüchtig hinterlegt werden.
Eine weitere Alternative besteht darin, als Vergleichswerte Vollhubbetriebswerte zu verwenden und diese Vollhubbetriebswerte entweder durch den Hersteller des Piezoinjektors vorzugeben oder im Betrieb des jeweiligen Kraftfahrzeugs durch Messungen zu ermitteln. Für ein ordnungsgemäßes Funktionieren eines Piezoinjektors ist es stets notwendig, dass ein im Teilhubbetrieb erfasster Istwert der Spannung am Piezoinjektor kleiner ist als ein zugehöriger Vergleichswert, der im Vollhub ermittelt wurde.
Eine weitere Alternative besteht darin, auf einen fehlerhaften Zustand des Piezoinjektors zu schließen, wenn die erfassten elektrischen Messwerte einen von einem Erwartungswert abhängigen unteren Grenzwert unterschreiten oder einen von einem Erwartungswert abhängigen oberen Grenzwert übersteigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/010374 A1 [0005]
DE 10215610 A1 [0006]
DE 102004053266 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines einen piezoelektrischen Aktor und eine von diesem bewegbare Düsennadel aufweisenden Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems, bei welchem der Piezoinjektor in einem Teilhubbetrieb und einem Vollhubbetrieb betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Erfassung elektrischer Messwerte des Piezoinjektors im Teilhubbetrieb vorgenommen wird, – die erfassten elektrischen Messwerte mit zugehörigen Vergleichswerten verglichen werden und – aus dem Vergleichsergebnis Rückschlüsse auf den Zustand des Piezoinjektors gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der elektrischen Messwerte des Piezoinjektors im laufenden Betrieb eines Kraftfahrzeugs vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der elektrischen Messwerte des Piezoinjektors über mehrere Fahrzyklen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Messwerte Istwerte der am Piezoinjektor anliegenden Spannung und/oder Ladungswerte und/oder Energiewerte und/oder Kapazitätswerte erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichswerte Erwartungswerte und/oder Vollhubbetriebswerte sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte unter Verwendung eines Referenzmotors ermittelt und in einem Speicher nichtflüchtig hinterlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte beim Erstverbau des Piezoinjektors am Bandende oder in einer Werkstatt ermittelt und in einem Speicher nichtflüchtig hinterlegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs ermittelt und/oder adaptiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwartungswerte im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs während eines Betriebsmodus zur Energieregelung im Teilhubbetrieb ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Teilhubbetrieb erfassten elektrischen Messwerte in einem Speicher nichtflüchtig hinterlegt werden und ein Vergleich der erfassten elektrischen Messwerte mit hinterlegten Messwerten vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen fehlerhaften Zustand des Piezoinjektors geschlossen wird, wenn die erfassten elektrischen Messwerte einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreiten oder einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen fehlerhaften Zustand des Piezoinjektors geschlossen wird, wenn die erfassten elektrischen Messwerte einen von einem Erwartungswert abhängigen unteren Grenzwert unterschreiten oder einen von einem Erwartungswert abhängigen oberen Grenzwert überschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen fehlerhaften Zustand des Piezoinjektors geschlossen wird, wenn ein erfasster Messwert vom vorher erfassten Messwert um mehr als einen zulässigen Differenzwert abweicht.