DE102012217741A1 - Verfahren zur Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors (139) eines direkteinspritzenden, ein Common-Rail-Einspritzsystem aufwei-senden Verbrennungsmotors (100), wobei ein momentaner Raildruckmesswert mittels des Raildrucksensors (139) ermittelt wird, eine Anregungsfrequenz aus dem momentanen Raildruckmesswert bestimmt wird, wenigstens ein Injektor (141, ..., 144) des Verbrennungsmotors (100) mit der Anregungsfrequenz angesteuert wird, ein Ausgabesignal des Raildrucksensors (139) über einen vorgebbaren Zeitraum erfasst wird, eine Mess-Eigenfrequenz von Druckschwingungen aus dem erfassten Ausgabesignal ermittelt wird, ein Raildruckrechenwert aus der Mess-Eigenfrequenz bestimmt wird der Raildruckrechenwert mit dem Raildruckmesswert verglichen wird und ein Fehler des Raildrucksensors (139) auf Grundlage des Vergleichs erkann wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.
  • Stand der Technik
  • Die Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren – sowohl im Hinblick auf gesetzliche Rahmenbedingungen bezüglich zulässiger Emissionswerte, als auch im Hinblick auf gestiegene Erwartungen der Endverbraucher an Fahrkomfort, Laufruhe und niedrigen Verbrauch – steigen kontinuierlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine sehr genaue Steuerung der Kraftstoffverbrennung notwendig. Bei einer Brennkraftmaschine mit einem sogenannten Common-Rail-System wird über eine Hochdruckpumpe Kraftstoff unter hohem Druck in ein Rail genanntes gemeinsames Reservoir gefördert und in diesem gespeichert. Von diesem Rail wird der Kraftstoff zu Injektoren geleitet. Die für die Einspritzung erforderlichen Ansteuerparameter der Injektoren werden von einem Motorsteuergerät betriebspunktabhängig vorgegeben. Der Druck, den der Kraftstoff im Rail aufweist, und unter dem der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, ist für die Verbrennung eine entscheidende und zentrale Größe.
  • Derartige Common-Rail-Systeme weisen einen Raildrucksensor auf, der integraler Bestandteil des Common-Rail-Einspritzsystems ist. Die Werte dieses Sensors werden in dem Motorsteuergerät ausgewertet und dazu benutzt, den gewünschten Sollraildruck einzuregeln und die für eine bestimmte Einspritzmenge erforderliche elektrische Ansteuerung des Einspritzstellers, beispielsweise eines Piezoinjektors oder eines Injektors mit einem Magnetventil, zu ermitteln. Eine nicht erkannte Dejustierung/Drift dieses Raildrucksensors führt somit zu einer fehlerhaften Einspritzmenge und damit zu verschlechterten Emissionen und/oder zu erhöhter Geräuschbildung. Aus diesem Grunde ist eine Überwachung des Raildrucksensors durch Plausibilisierung des gelieferten Signals zweckmäßig.
  • Aus der DE 10 2007 030 713 A1 ist ein solches Verfahren bekannt, dass sich auf eine Frequenzanalyse von Druckschwingungen stützt. Dieses Verfahren ist jedoch nicht anwendbar, wenn die Ausbildung von Druckschwingungen, insbesondere bauartbedingt, unterdrückt ist. Dies ist z.B. bei V-Systemen mit Diverter der Fall. Die Ausbildung von Druckschwingungen ist hier gering bzw. die Dämpfung durch den Diverter zu stark.
  • Daher ist ein Verfahren zur Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors wünschenswert, das weitreichender eingesetzt werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass im Hochdruckteil eines Common-Rail-Systems durch die Förderhübe der Hochdruckpumpe und durch die intermittierende Mengenentnahme während der Einspritzvorgänge Druckschwingungen mit unterschiedlichen Frequenzanteilen entstehen. Die sich dabei ausbildenden Frequenzen der Druckschwingungen lassen sich einerseits auf die Anregungsfrequenzen, d.h. die Frequenz der Hochdruckpumpe und die Frequenz der Einspritzung, zurückführen, andererseits bildet sich eine Eigenfrequenz aus, die vom geometrisch/hydraulischen Aufbau des Systems ebenso abhängig ist wie von der Kraftstoffsorte, dem Raildruck und der Kraftstofftemperatur.
  • Die Erfindung geht aus von dem in der DE 10 2007 030 713 A1 offenbarten Verfahren, deren Inhalt durch Bezugnahme auch zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Die Erfindung sieht nun vor, eine Erfassung und Auswertung von Druckschwingungen dadurch möglich zu machen, dass die Druckschwingungen gezielt durch Ansteuern wenigstens eines Injektors angeregt werden. Durch mehrfache, zeitlich passende Ansteuerung des wenigstens einen Injektors können die Amplitude und Stabilität der Druckschwingung deutlich erhöht werden. Das Ansteuern des wenigstens einen Injektors kann so erfolgen, dass kein Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird (sog. Blankshots). Dabei wird nur die Steuermenge aus dem Rail entnommen. Das Ansteuern des wenigstens einen Injektors kann jedoch auch so erfolgen, dass Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird. Für die Anregung der Druckschwingungen ist die umgesetzte Menge zweitrangig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich – bei angenommenem korrekten Raildruckmesswert – grundsätzlich auch zur Bestimmung von Kraftstofftemperatur (bei bekannter Viskosität, die sich z.B. aus der Kraftstoffsorte ergibt) oder Kraftstoffviskosität (bei bekannter Kraftstofftemperatur, z.B. von einem Temperatursensor im Rail).
  • Die Erfindung gibt eine Möglichkeit an, bei der eine Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors auch bei Einspritzsystemen durchgeführt werden kann, bei denen die Ausbildung von Raildruckschwingungen eigentlich nicht ausreichend ist. Die Erfindung erlaubt, dass auch bei solchen Systemen die Plausibilisierung ohne zusätzliche Messmittel auskommt. Ein zweiter Raildrucksensor ist nicht notwendig. Die Erfindung eignet sich besonders für Diesel Common-Rail-Systeme und Benzindirekteinspritzsysteme. Auch strenge OBD (On Board Diagnose) Vorschriften können erfüllt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Die Erfindung ist vorteilhaft auch in bereits existierenden Recheneinheiten nachrüstbar durch Einspielen eines entsprechenden Computerprogramms.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in einem Blockdiagramm ein Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit einem Motorsteuergerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • Ein in 1 schematisch gezeigtes Common-Rail-Einspritzsystem eines Verbrennungsmotors 100 eines Fahrzeugs weist einen Tank 110 auf, aus dem eine Hochdruckpumpe 120 über eine Leitung 125 Kraftstoff mit hohem Druck in einen gemeinsamen Speicher 130, ein sogenanntes Rail, fördert. Mit dem Rail 130 sind über Leitungen 131, 132, 133, 134 Einspritzventile 141, 142, 143, 144 verbunden, die Kraftstoff unter hohem Druck in Brennräume 101, 102, 103, 104 des Verbrennungsmotors 100 einspritzen.
  • Das Rail ist über ein Druckbegrenzungsventil 135 über eine Rücklaufleitung 137 mit dem Tank 110 verbunden. In gleicher Weise weisen die Einspritzventile 141, 142, 143, 144 Rücklaufleitungen 151, 152, 153, 154 auf, die in die Leitung 137 münden. Die Einspritzventile 141, 142, 143, 144 sind über elektrische Steuerleitungen 181, 182, 183, 184 durch eine Recheneinheit 190, ein sogenanntes Motorsteuergerät, ansteuerbar. In entsprechender Weise ist die Hochdruckpumpe 120 durch eine elektrische Steuerleitung 186 von dem Motorsteuergerät 190 ansteuerbar.
  • Ein Raildrucksensor 139, der am Rail 130 angeordnet ist und den Raildruck erfasst, ist über eine Signalleitung 189 mit dem Steuergerät 180 verbunden. Der Raildruck wird in dem Steuergerät 180 durch ein auf diesem ablaufendes Computerprogramm auf die nachfolgend beschriebene Weise zur Plausibilisierung des Ausgabesignals des Raildrucksensors 139 ausgewertet.
  • Die Erfindung erlaubt, eine Drift/Dejustage des Raildrucksensors 139 ohne zusätzliche Hardware onboard während des Fahrbetriebs festzustellen. Dies geschieht durch eine Überprüfung des Schwingungsverhaltens, wobei nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform näher erläutert wird.
  • In einem ersten Schritt wird aus dem direkten Raildruckmesswert des Raildrucksensors 139 eine erwartete Eigenfrequenz fRail (sog. Rechen-Eigenfrequenz) des Systems berechnet. Beispielsweise kann dies über ein in dem Steuergerät 180 hinterlegtes Kennfeld erfolgen, in dem Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von Raildruckwerten und weiteren Parametern, insbesondere Kraftstofftemperatur und Kraftstoffviskosität, abgelegt sind. Die momentane Kraftstofftemperatur kann gemessen werden, die Kraftstoffviskosität ergibt sich aus der verwendeten, genormten Kraftstoffsorte. Das Kennfeld kann bspw. empirisch (durch Vermessen des Frequenzverhaltens) an einem Prüfstand ermittelt worden sein.
  • Bei einer geeigneten Winkellage (geeignete Winkellagen sind solche, die geringe zusätzliche Anregung von Raildruckschwingungen erwarten lassen – z.B. Winkellagen, bei denen keine Pumpenförderung stattfindet und/oder solche, bei denen keine Einspritzung stattfindet) wird mindestens ein Injektor 141, ..., 144 mehrfach nacheinander über den elektrischen Anschluss 181, ..., 184 angesteuert. (Bei Verbrennungsmotoren mit mehr als einem Zylinder können mit geeignetem zeitlichem Versatz die Injektoren mehrerer Zylinder angesteuert werden.) Der zeitliche Abstand tdiff zwischen den einzelnen Anregungen (d.h. die inverse Anregungsfrequenz) leitet sich aus der Rechen-Eigenfrequenz ab und wird so gewählt, dass eine Schwingung mit der Rechen-Eigenfrequenz durch kohärente Anregung verstärkt wird, d.h. zunächst Anregungsfrequenz = Rechen-Eigenfrequenz. Es gilt tdiff = 1/fRail. Bei einer Rechen-Eigenfrequenz von 5.000 Hz wird beispielsweise alle 200 µs eine Ansteuerung durchgeführt. Eine vorteilhafte Anzahl der Ansteuerungen kann insbesondere aus der Dämpfung der Eigenschwingung abgeleitet werden. Typische Werte sind 2 bis 10 Ansteuerungen. Um bei der Verwendung von mehreren Injektoren verschiedener Zylinder eine kohärente Anregung zu erreichen, sind die mechanischen Gegebenheiten bei der zeitlichen Abfolge der Ansteuerungen zu berücksichtigen, um den zeitlichen Versatz so zu wählen, dass die Kohärenzbedingung erfüllt wird.
  • Nach Beenden der Ansteuerungen wird die Eigenfrequenz der sich ausbildenden Druckschwingung bestimmt (sog. Mess-Eigenfrequenz) und zur Plausibilisierung des Raildruckmesswerts verwendet. Hierzu wird das Ausgabesignal des Raildrucksensors 139 mit einer hohen Abtastrate aufgenommen und über beispielsweise eine Fouriertransformation (z.B. FFT, DFT oder STFT) in den Frequenzraum transformiert. Im Frequenzraum wird die Mess-Eigenfrequenz der erfassten Druckschwingung ermittelt und daraus (wiederum unter Berücksichtigung von Temperatur usw.) ein Raildruckrechenwert berechnet.
  • Der Raildruckmesswert kann nun durch Vergleich mit dem Raildruckrechenwert plausibilisiert werden. Weicht der aus der Frequenzanalyse bestimmte Raildruckrechenwert um mehr als einen vorgebbaren Schwellwert vom aus der Raildruckmessung bestimmten Raildruckmesswert ab, kann der Raildruckmesswert als fehlerhaft erkannt und z.B. ein Fehlersignal erzeugt, z.B. ein Eintrag im Fehlerspeicher gesetzt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer Ausführungsform, bei der als Anregungsfrequenz die Rechen-Eigenfrequenz verwendet wird, zur Plausibilisierung bereits ein Frequenzvergleich mit der Mess-Eigenfrequenz ausreicht.
  • Dieses grundlegende Plausibilisierungsverfahren kann optional auf unterschiedliche Arten vorteilhaft weitergebildet werden.
  • Beispielsweise kann eine Erweiterung vorgesehen sein für Situationen, in denen sich gemäß der obigen Beschreibung keine ausreichende Druckschwingung ausbildet, d.h. im Frequenzraum keine Mess-Eigenfrequenz erkennbar ist. Dies kann beispielsweise auf einen unpassenden momentanen Raildruckwert zurückzuführen sein, der sich nicht besonders gut für das Ausbilden einer Druckschwingung eignet. In vorteilhafter Weiterbildung wird das obige Verfahren in einem solchen Fall bei einem veränderten Raildruck erneut durchgeführt, d.h. der Raildrucksollwert wird zunächst verändert. Kann anschließend im Frequenzraum immer noch keine Mess-Eigenfrequenz erkannt werden, kann der gemessene Raildruckwert als fehlerhaft erkannt und z.B. ein Fehlersignal, z.B. ein Eintrag im Fehlerspeicher, gesetzt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Erweiterung kann vorgesehen sein für Situationen, in denen sich gemäß der obigen Beschreibung (ggf. auch nach einer Veränderung des Raildrucksollwerts) keine ausreichende Druckschwingung ausbildet. Dies kann beispielsweise auf einen fehlerhaft gemessenen Raildruck und auf eine dementsprechend unpassende Anregungsfrequenz zurückzuführen sein. In vorteilhafter Weiterbildung wird das obige Verfahren in einem solchen Fall bei einer veränderten Anregungsfrequenz erneut durchgeführt, z.B. tdiff_neu = 1/fRail × Korrekturfaktor. Der Korrekturfaktor kann bspw. ein Prozentsatz, z.B. 15%, sein. Diese Variation der Anregungsfrequenz kann in einigen Schritten nach oben und unten erfolgen. Kann anschließend, insbesondere nach einer vorgebbaren Anzahl von Variationsschritten, im Frequenzraum immer noch keine Mess-Eigenfrequenz erkannt werden, kann der gemessene Raildruckwert als fehlerhaft erkannt und z.B. ein Fehlersignal, z.B. ein Eintrag im Fehlerspeicher, gesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere Frequenzspektren der Druckschwingung für unterschiedliche Anregungsfrequenzen erzeugt und eine Abhängigkeit der im Frequenzraum ermittelten Mess-Eigenfrequenz von der Anregungsfrequenz und somit von einem Kohärenzgrad bestimmt. Dies erlaubt eine genauere Ermittlung der tatsächlichen Mess-Eigenfrequenz, indem beispielsweise eine Häufigkeit des Auftretens von Mess-Eigenfrequenzen berücksichtigt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007030713 A1 [0004, 0008]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Plausibilisierung des Ausgangssignals eines Raildrucksensors (139) eines direkteinspritzenden, ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweisenden Verbrennungsmotors (100), gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ermitteln eines momentanen Raildruckmesswerts mittels des Raildrucksensors (139); Bestimmen einer Anregungsfrequenz aus dem momentanen Raildruckmesswert; Ansteuern wenigstens eines Injektors (141, ..., 144) des Verbrennungsmotors (100) mit der Anregungsfrequenz; Erfassen eines Ausgabesignals des Raildrucksensors (139) über einen vorgebbaren Zeitraum; Bestimmen einer Mess-Eigenfrequenz von Druckschwingungen aus dem erfassten Ausgabesignal; Bestimmen eines Raildruckrechenwerts aus der Mess-Eigenfrequenz; Vergleichen des Raildruckrechenwerts mit dem Raildruckmesswert; und Erkennen eines Fehlers des Raildrucksensors (139) auf Grundlage des Vergleichs.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Anregungsfrequenz aus dem momentanen Raildruckmesswert das Bestimmen einer Rechen-Eigenfrequenz von Druckschwingungen in dem Common-Rail-Einspritzsystem umasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als Anregungsfrequenz die Rechen-Eigenfrequenz verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei als Anregungsfrequenz eine ausgehend von der Rechen-Eigenfrequenz berechnete Frequenz verwendet wird, wenn sich aus dem erfassten Ausgabesignal keine Mess-Eigenfrequenz bestimmen lässt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich ein veränderter Raildrucksollwert vorgegeben wird, wenn sich aus dem erfassten Ausgabesignal keine Mess-Eigenfrequenz bestimmen lässt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich oder anstelle des Raildruckrechenwerts eine Temperatur oder Viskosität eines Kraftstoffs in dem Common-Rail-Einspritzsystem aus der Mess-Eigenfrequenz bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Ansteuern wenigstens eines Injektors (141, ..., 144) des Verbrennungsmotors (100) mit der Anregungsfrequenz kein Kraftstoff eingespritzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von Mess-Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bestimmt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern wenigstens eines Injektors (141, ..., 144) des Verbrennungsmotors (100) das gleichzeitige Ansteuern wenigstens zweier Injektoren (141, ..., 144) des Verbrennungsmotors (100) umfasst.
  10. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  11. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 10, ausgeführt werden.
  12. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.
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