DE102014017987A1

DE102014017987A1 - Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines Kraftstoffinjektors und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014017987A1
Application number: DE102014017987.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick Deubler; Bernd Eder
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-09
Also published as: WO2016087034A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Einspritzung von Kraftstoff mittels zumindest eines Kraftstoffinjektors einer Verbrennungskraftmaschine, wobei zur Steuerung und/oder Regelung eine auf den als Piezoinjektor (1) ausgebildeten Kraftstoffinjektor aufgebrachte elektrische Ladung (Q) kontinuierlich erfasst wird, wobei aus der erfassten elektrischen Ladung (Q) eine eingespritzte Kraftstoffmenge (K) ermittelt wird und bei einer vorgegebenen Abweichung der ermittelten Kraftstoffmenge (K) von einem Sollwert ein Fehler erkannt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Einspritzung von Kraftstoff mittels zumindest eines Kraftstoffinjektors einer Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 10 2008 040 629 A1 sind ein Verfahren zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors im Überdruckfall oder Fehlerfall und ein zugehöriges Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen bekannt. Der Kraftstoffinjektor weist einen ansteuerbaren Piezoaktor zum Schalten eines die Einspritzung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff steuernden Schaltventils des Kraftstoffinjektors auf. Im Fall einer Störung oder eines im Einspritzsystem detektierten Überdruckes wird der Piezoaktor für einen Teil- oder Vollhub des Schaltventils angesteuert.
Darüber hinaus ist aus der DE 31 38 647 A1 eine Steuervorrichtung für Magnetventile bekannt. Die Steuervorrichtung ist für Druckventile von hydraulischen Fahrzeug-Bremsanlagen vorgesehen, die mit Stromimpulsen von steuerbarer Impulsbreite und konstanter Frequenz betätigbar und kontinuierlich verstellbar sind. Die Impulsfrequenz ist dabei höher als die Grenzfrequenz der Magnetventile, die sich aus deren Masse und Rückstell-Federkonstante ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Einspritzung von Kraftstoff mittels zumindest eines Kraftstoffinjektors einer Verbrennungskraftmaschine und eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Einspritzung von Kraftstoff mittels zumindest eines Kraftstoffinjektors einer Verbrennungskraftmaschine sieht erfindungsgemäß vor, dass zur Steuerung und/oder Regelung eine auf den als Piezoinjektor ausgebildeten Kraftstoffinjektor aufgebrachte Menge elektrischer Ladung kontinuierlich erfasst wird, wobei aus der erfassten elektrischen Ladung eine eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt wird und bei einer vorgegebenen Abweichung der ermittelten Kraftstoffmenge von einem Sollwert wird ein Fehler erkannt.
Mittels des Verfahrens ist es möglich, einen Fehler des Kraftstoffinjektors der Verbrennungskraftmaschine als Bestandteil eines Fahrzeuges zu ermitteln und bei vorliegendem ermitteltem Fehler diesen als Fehlermeldung im Fahrzeug auszugeben.
Das Verfahren bildet eine vergleichsweise einfache, zuverlässige und stabile Grundlage eines Fahrzeugdiagnosesystems, wobei durch die Kontinuität der Erfassung verhältnismäßig wenig Fehlererkennungen auftreren bzw. False MIL vermieden wird.
Mittels der Durchführung der kontinuierlichen Diagnose ist es nicht erforderlich, eine Vorgabe einer In-Use-Monitoring-Performance-Ratio zu erfüllen, da mittels des Verfahrens keine Fahrzeugdiagnose-Grundfunktion eines Kraftstoffsystems dargestellt wird, sondern eine Überwachung eines Sekundärsensors. Diese Art der Überwachung kann gesetzlich einer umfassenden Bauteilzuordnung zugeordnet werden, welche verhältnismäßig weniger aufwändigen gesetzlichen Anforderungen unterliegt.
Zudem kann die kontinuierliche Erfassung der elektrischen Ladung auch in einer Kaltstartphase für eine Mehrfacheinspritzung der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, wobei es auch möglich ist das Verfahren für mehrere Zylinder der Verbrennungskraftmaschine anzuwenden. Dadurch ist es möglich, dass jeder einzelne Zylinder überwacht wird, so dass eine zylindergenaue Fehlerdiagnose durchgeführt werden kann.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zur Diagnose einer Mehrfacheinspritzung eine Summe von Injektorhüben über einen vorgegebenen Zeitraum ermittelt. Dabei werden Teileinspritzungen, d. h. Teilhübe, des Kraftstoffinjektors sowie Volleinspritzungen, d. h. Vollhübe, erfasst.
In einer daraus resultierenden Weiterbildung wird anhand der Summe der Injektorhübe eines Taktes ein Gesamthub des Kraftstoffinjektors ermittelt. Dabei stellt der Gesamthub eine Bezugsgröße zur Ermittlung einer Einspritzmenge des Kraftstoffes dar, wobei der Gesamthub auch als Gesamtöffnungsdauer des Kraftstoffinjektors bezeichnet werden kann. Diese Gesamtöffnungsdauer ist eine Haltezeit der an dem Kraftstoffinjektor anliegenden elektrischen Ladung.
Zur Ermittlung eines Fehlers werden in einer Ausbildung des Verfahrens die Gesamtladung und die Gesamtöffnungsdauer mit einem jeweiligen vorgegebenen Sollwert verglichen. Über- oder unterschreitet die Gesamtladung und die Gesamtöffnungsdauer den vorgegebenen Sollwert, liegt ein Fehlerfall vor.
Insbesondere wird in Abhängigkeit einer aus dem Vergleich ermittelten Abweichung der Gesamtladung und der Gesamtöffnungsdauer von dem jeweiligen Sollwert der Fehler der Steuerung und/oder Regelung des Kraftstoffinjektors ermittelt.
Eine weitere Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Fehler in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Motorsteuergerät, gespeichert wird. Dadurch ist es möglich, den Fehler, beispielsweise von einem Werkstattpersonal auslesen zu lassen, so dass eine Einspritzmenge angepasst werden kann.
In einer möglichen Weiterbildung wird zumindest eine von dem Kraftstoffinjektor abfließende elektrische Ladung anhand eines Spannungsabfalles mittels eines Messwiderstandes ermittelt, wobei durch einen Beginn des Spannungsabfalles ein Ende der Haltezeit und somit eine Gesamtladezeit ermittelt werden kann.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wobei es mittels der Vorrichtung möglich ist, eine auf den als Piezoinjektor ausgebildeten Kraftstoffinjektor aufgebrachte elektrische Ladung kontinuierlich zu erfassen.
Dabei umfasst die Vorrichtung zumindest einen Kraftstoffinjektor, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Kraftstoffinjektors und einen Messwiderstand.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch ein Schaltbild zur Ansteuerung eines Piezoinjektors einer Verbrennungskraftmaschine,
2 schematisch ein erstes Diagramm mit einem Ladungsverlauf,
3 schematisch ein zweites Diagramm zur Ermittlung einer relativen Kraftstoffmenge für eine jeweilige Teileinspritzung und
4 schematisch ein drittes Diagramm zur Ermittlung eines Fehlers einer Regelung und/oder Steuerung des Piezoinjektors.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Schaltbild zur Ansteuerung eines als Piezoinjektor 1 ausgeführten Kraftstoffinjektors einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeuges.
Der Piezoinjektor 1 ist mit einer sogenannten Treiberelektronik 2, einem Mikrocontroller 3 und einem Messwiderstand 4 gekoppelt, wobei die Treiberelektronik 2 und der Messwiderstand 4 Bestandteile einer in einem Motorsteuergerät 5 angeordneten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung S sind.
Durch den Piezoinjektor 1 fließt ein Strom I, wobei der Piezoinjektor 1 mehrlagige Piezoelemente als einen Piezostapel 1.1 umfasst. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezoelemente wird eine mechanische Bewegung ausgeführt.
Stapelanordnungen von mehrlagigen Piezoelementen werden als Piezoaktor eingesetzt, wobei ein Vorteil eines solchen Piezoaktors gegenüber einem Magnetaktor ist, dass sich ein Piezostapel 1.1 zwingend immer proportional zur aufgenommenen elektrischen Ladung in seiner Länge verändert. Ursache ist der Piezoelektrische Effekt. Durch diesen Piezoelektrischen Effekt sind die Auslenkung des Piezoinjektors und die diese Auslenkung verursachende aufgenommene Ladung physikalisch miteinander verknüpft, sodass eine direkte Korrelation zwischen den beiden Parametern besteht.
Ist eines der Piezoelemente des Piezostapels 1.1 defekt, nimmt dieses keine, zu wenig oder zu viel elektrische Ladung Q auf. Die Aufnahme von keiner, von zu wenig oder von zu viel elektrischer Ladung Q kann zu einer fehlerhaften Kraftstoffmengenzufuhr, insbesondere in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine führen.
Der Strom I, welcher durch den Piezoinjektor 1 fließt, fließt auch durch den Messwiderstand 4. Da die elektrische Spannung dem Produkt aus elektrischem Widerstand und dem Strom I entspricht, entspricht die gemessene elektrische Spannung dem Strom I, der durch den Piezoinjektor 1 fließt. Diese elektrische Spannung wird in der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung S über eine zu messende Zeit t integriert.
Anhand des Spannungsverlaufes des Piezoinjektors 1 während einer Einspritzung von Kraftstoff wird die elektrische Ladung Q und Entladung ermittelt, so dass abgeleitet werden kann, ob die elektrische Ladung Q zeitrichtig auf den Piezoinjektor 1 aufgebracht wird und zeitrichtig entladen wird.
In 2 ist ein erstes Diagramm D1 eines Verlaufes einer elektrischen Ladung Q des Piezoinjektors 1 bei einem Einspritzvorgang für eine Verbrennung in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Insbesondere ist der Verlauf der elektrischen Ladung Q bei einer Ansteuerung des Piezoinjektors 1 gezeigt.
Dazu ist auf der Ordinate der Strom I und auf der Abszisse des ersten Diagramms D1 die Zeit t als Ansteuerzeit des Piezoinjektors 1 abgetragen.
3 zeigt ein zweites Diagramm D2, wobei auf der Ordinate eine relative Kraftstoffmenge K und auf der Abszisse die Zeit t abgetragen ist.
Dabei ist in dem zweiten Diagramm D2 die in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zur Verbrennung eingespritzte Kraftstoffmenge K bei einem Teilhub Q₁ bis Q₃ und einem Vollhub Q₄ des Piezoinjektors 1 dargestellt.
Die Einspritzung von Kraftstoff kann über mehrere Teilhübe Q₁ bis Q₃ und/oder einen Vollhub Q₄ erfolgen.
Bei einem Teilhub Q₁ bis Q₃ wird der Piezoinjektor 1 derart angesteuert, dass eine Injektornadel nicht vollständig geöffnet ist. Bei einem Vollhub Q₄ erfolgt die elektrische Ansteuerung hingegen so, dass die Injektornadel für eine vorgegebene Zeit t zur Einspritzung vollständig geöffnet ist.
Dabei wird eine relative Kraftstoffmenge K anhand der elektrischen Ladung Q des Piezoinjektors 1 bei den Teilhüben Q₁ bis Q₃ und anhand der elektrischen Ladung Q des Piezoinjektors 1 bei dem Vollhub Q₄ und der entsprechenden Haltezeit, über welche die elektrische Ladung Q aufrecht erhalten bleibt, ermittelt.
Eine von dem Piezoinjektor 1 abfließende elektrische Ladung Q, ein Entladestrom, wird anhand eines Spannungsabfalles über einen mittels des Messwiderstandes 4 ermittelten ohmschen Widerstand bestimmt.
Mittels der elektrischen Ladung Q und der Haltezeit ist eine eingespritzte Kraftstoffmenge K weitestgehend exakt ermittelbar, so dass ein Soll-Ist-Vergleich möglich ist.
Aus den Teilhüben Q₁ bis Q₃ und dem Vollhub Q₄ eines Taktes des Zylinders wird, wie in einem dritten Diagramm D3 in 4 näher dargestellt ist, ein Gesamthub Q_ges mit einer entsprechenden Kraftstoffmenge K ermittelt.
Die relative Kraftstoffmenge K wird aus einer elektrischen Gesamtladung Q_ges und einer Gesamtöffnungsdauer t_ges der Injektornadel ermittelt. Die relative Kraftstoffmenge K wird also aus der Summe der einzelnen ermittelten relativen Kraftstoffmengen K ermittelt.
Zur Bestimmung, ob ein Fehler hinsichtlich eines Betriebes des Piezoinjektors 1 vorliegt, werden die ermittelte elektrische Gesamtladung Q_ges und die Gesamtöffnungsdauer t_ges der Injektornadel mit einem jeweiligen Sollwert verglichen.
Wird anhand des durchgeführten Vergleiches ermittelt, dass die elektrische Gesamtladung Q_ges und/oder die Gesamtöffnungsdauer t_ges um mehr als einen vorgegebenen, mittels gestreichelter Linien dargestellter Toleranzbereich T von ihrem jeweiligen Sollwert abweichen bzw. abweicht, wird ein Fahrzeugdiagnose-Fehler ermittelt und gespeichert. Dieser Fehler wird vorzugsweise in einem Anzeigebereich einer Instrumententafel des Fahrzeuges angezeigt und kann zur Fehlerbehebung von einem Werkstattpersonal ausgelesen werden.
Mittels des Verfahrens wird eine aufgebrachte Menge elektrischer Ladung Q ermittelt, wobei die Ermittlung sowohl im Kaltstart als auch im warmen homogenen Betrieb und im Schichtbetrieb der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.
Da die Ermittlung des Gesamthubes Q_ges auch für Einspritzungen mit mehr als einem Teilhub Q₁ bis Q₃ möglich ist, kann die Überwachung der elektrischen Ladung Q auch im Kaltstartbereich durchgeführt werden, wobei im Kaltstartbereich üblicherweise Mehrfacheinspritzungen vorgesehen sind, um einen mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Katalysator auf eine Betriebstemperatur zu erwärmen.
Bezugszeichenliste

1: Piezoinjektor
1.1: Piezostapel
2: Treiberelektronik
3: Mikrocontroller
4: Messwiderstand
5: Motorsteuergerät
D1: erstes Diagramm
D2: zweites Diagramm
D3: drittes Diagramm
1: Strom
K: Kraftstoffmenge
Q: elektrische Ladung
Q₁ bis Q₃: Teilhub
Q₄: Vollhub
Q_ges: Gesamtladung
S: Schaltung
T: Toleranzbereich
t: Zeit
t_ges: Gesamtöffnungsdauer

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 102008040629 A1 [0002]
DE 3138647 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Einspritzung von Kraftstoff mittels zumindest eines Kraftstoffinjektors einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und/oder Regelung eine auf den als Piezoinjektor (1) ausgebildeten Kraftstoffinjektor aufgebrachte elektrische Ladung (Q) kontinuierlich erfasst wird, wobei aus der erfassten elektrischen Ladung (Q) eine eingespritzte Kraftstoffmenge (K) ermittelt wird und bei einer vorgegebenen Abweichung der ermittelten Kraftstoffmenge (K) von einem Sollwert ein Fehler erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose einer Mehrfacheinspritzung eine Summe von Injektorhüben (Q₁ bis Q₄) über einen vorgegebenen Zeitraum ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Summe der Injektorhübe (Q₁ bis Q₄) eines Taktes ein Gesamthub (Q_ges) des Kraftstoffinjektors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtladung und eine Gesamtöffnungsdauer des Kraftstoffinjektors mit einem jeweiligen vorgegebenen Sollwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer aus dem Vergleich ermittelten Abweichung der Gesamtladung und der Gesamtöffnungsdauer (t_ges) von dem jeweiligen Sollwert den Fehler der Steuerung und/oder Regelung des Kraftstoffinjektors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler in einem Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Motorsteuergerät (5), gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine von dem Kraftstoffinjektor abfließende elektrische Ladung (Q) anhand eines Spannungsabfalles mittels eines Messwiderstandes (4) ermittelt wird.
Vorrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zumindest einen Kraftstoffinjektor, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Kraftstoffinjektors und einen Messwiderstand (4).