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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Schädigung einer Düsennadel bzw. des Düsennadelsitzes eines Kraftstoffinjektors. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen und ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches das Verfahren ausführt.
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Stand der Technik
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Hochdruckeinspritzsysteme vom Common-Rail-Typ umfassen eine Pumpe, die ausgebildet ist, um Kraftstoffflüssigkeit in einem speziell bereitgestellten Hochdrucksammler (Common-Rail), der die Einspritzvorrichtungen speist, unter Druck zu setzen. Der Kraftstoffinjektor, der als Common-Rail-Injektor bezeichnet wird, weist eine Einspritzöffnung mit einem Nadelventil auf, das sich in dem Injektionskörper zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position bewegen kann. Die Position der Ventilnadel bzw. Düsennadel wird durch die Intensität zweier Kräfte bestimmt, die durch Wirkung von Flüssigkeit unter Druck an entsprechenden Wirkflächen erzeugt werden und welche in entgegengesetzten Richtungen wirken. Der unter Druck gesetzte Kraftstoff in der Kammer stromauf eines Dichtabschnitts der Düsennadel wirkt in die Heberichtung der Düsennadel von Ihrem Sitz und daher in die Öffnungsrichtung. Ein elektronisch gesteuertes Steuerventil modelliert den Druck in einer Steuerkammer, die auf eine Oberfläche wirkt, um eine Kraft zu erzeugen, welche im Ruhezustand größer ist als die erste Kraft und wirkt in Schließrichtung der Düsennadel. Die Aktivierung des Ventils verursacht eine Verringerung des Druckniveaus in der Steuerkammer bis zu einem Punkt, an dem die Kraft, die durch das Treibstofffluid erzeugt wird, und welche wirkt, um eine Öffnung zu veranlassen, über die erste Kraft überwiegt und ein Steigen der Düsennadel verursacht. Dies führt zu einer Kraftstoffeinspritzung.
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Kraftstoffinjektoren können durch eine Closed-Loop Einspritztiming Regelungsfunktion NCC (Needle Closing Control) geregelt werden. Eine solche Regelungsfunktion läuft üblicherweise in zwei Stufen ab, wobei in der Stufe 1 die Ansteuerung eines Aktors des Kraftstoffinjektors und die Auswertung seines Spannungssignals erfolgen. In der Stufe 2 werden charakteristische Nadelbewegungszeitpunkte, wie beispielsweise das Nadelöffnen, der Nadelumkehrzeitpunkt und das Nadelschließen mittels eines geeigneten Nadelschließsensors erfasst und basierend auf Reglerwerten Regeleingriffe auf diese Zielgrößen vorgenommen.
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Um die Düsennadel und deren Sitz vor Verschleiß zu schützen, weist diese eine Verschleißschutzschicht, wie beispielsweise eine Karbidschicht (C-Schicht auf). Im Dauerbetrieb von Verbrennungsmotoren kann es zum Verlust der Verschleißschutzschicht an der Spitze der Düsennadel kommen. Dies hat einen hohen Düsenverschleiß zur Folge, welcher in einer signifikanten Einspritzmengendrift resultiert. Hierdurch besteht die Gefahr von Motorschäden.
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Offenbarung der Erfindung
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In dem Verfahren zur Erkennung einer Schädigung einer Düsennadel oder eines Düsennadelsitzes eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Kraftstoffinjektors eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, wird ein Reglerwert einer Regelung der Bewegung der Düsennadel über einen vorgebbaren ersten Zeitraum überwacht. Dieser Reglerwert ist insbesondere ein Reglerwert einer NCC Regelungsfunktion. Alternativ wird eine Abweichung eines Zeitpunkts eines detektierten Bewegungsmerkmals der Düsennadel von einem erwarteten Bewegungsmerkmal überwacht. Das Bewegungsmerkmal kann insbesondere ein Nadelschließzeitpunkt sein. Eine Schädigung der Düsennadel oder ihres Sitzes wird erkannt, wenn ein Gradient des Reglerwertes oder der Abweichung in dem ersten Zeitraum mindestens einem vorgebbaren Minimalgradienten entspricht und vorzugsweise maximal einem vorgebbaren Maximalgradienten entspricht. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass ein solcher Reglerwert oder eine solche Abweichung als Maß für den Verkokungsgrad der Düsennadel herangezogen werden kann. Der Minimalgradient gibt dabei die Grenze zu einem flachen Anstieg des Reglerwertes oder der Abweichung und damit der Verkokung an, wie er insbesondere in einen normalen Injektorbetrieb auftritt. Der Maximalgradient gibt die Grenze zu einem sprunghaften Anstieg des Reglerwertes oder der Abweichung an, welcher beispielsweise bei Komponententausch auftreten könnte. Steigt der Reglerwert oder die Abweichung in einem Bereich, der zwischen diesen beiden Extremfällen liegt, so kann darauf geschlossen werden, dass eine Veränderung am Kraftstoffinjektor stattgefunden hat, welche einen Einfluss auf das Einspritztiming des Kraftstoffinjektors hat, also auf den Spritzbeginnverzug oder auf das Spritzende. Dies kann ursächlich nur durch signifikanten Verschleiß der Düsennadel auftreten, beispielsweise nach Verlust der Verschleißschutzschicht oder durch eine unnatürliche Belagsbildung auf der Düsennadel bzw. Verkokung der Spritzlöcher. Deshalb zeigt ein Gradient des Reglerwertes oder der Abweichung in diesem Bereich eindeutig eine Schädigung der Düsennadel oder ihres Sitzes an.
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Der erste Zeitraum ist bevorzugt mindestens 5 Stunden lang oder mindestens 50000 Lernwerte lang, falls der Zeitraum nicht in Zeit sondern in Lernevents definiert wird. Dieser Zeitraum wird bevorzugt fahrzyklusübergreifend erfasst. Eine Gradientenbildung über eine so lange Betriebszeit des Kraftstoffinjektors gewährleistet, dass ausreichend Lernwerte für einen eingeschwungenen Reglerwert vorliegen. Damit ist eine zuverlässige Aussage über eine Schädigung der Düsennadel oder ihres Sitzes auch dann möglich, wenn kurzfristige Schwankungen im Reglerwert auftreten. Dazu kann die Überwachung des Reglerwertes mit entsprechend geeigneter Reglerparametrierung, wie sie beispielsweise in der NCC Stufe 1 zum Einsatz kommt erfolgen.
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Wenn der Gradient des Reglerwertes oder der Abweichung kleiner als der Minimalgradient ist, wird vorzugsweise ein normaler Betrieb des Kraftstoffinjektors erkannt. Aufgrund natürlicher Alterungsprozesse der Düsennadel ist selbst im Normalbetrieb ein Gradient zu erwarten, der größer als Null ist. Solange er unter dem Minimalgradienten liegt, sollte ein solcher Gradient deshalb nicht als Hinweis auf eine kritische Schädigung der Düsennadel oder ihres Sitzes verstanden werden.
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Falls der Gradient des Reglerwertes oder der größer als der Maximalgradient ist, so wird bevorzugt erkannt, dass ein Austausch des Kraftstoffinjektors, ein Austausch eines elektronischen Steuergeräts das den Kraftstoffinjektor steuert oder ein Rücksetzen von gespeicherten Reglerlernwerten erfolgt ist. Eine so sprunghafte Änderung des Reglerwertes oder der Abweichung kann nicht einmal durch eine massive Schädigung der Düsennadel verursacht werden, so dass als wahrscheinlichste Ursache für den hohen Gradienten des Reglerwertes oder der Abweichung ein Injektoraustausch angesehen werden kann. Diese Information kann in einem Steuergerät abgespeichert werden.
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Ein Austausch des Kraftstoffinjektors wird vorzugsweise bereits dann erkannt, wenn der Gradient des Reglerwertes oder der Abweichung innerhalb eines vorgebbaren zweiten Zeitraums größer als der Maximalgradient ist Dieser zweite Zeitraum ist kürzer als der erste Zeitraum und bevorzugt nicht länger als 60 Minuten, besonders bevorzugt nicht länger als 30 Minuten, oder bevorzugt nicht länger als 20000 Lernwerte. Da ein Injektoraustausch bereits zu Beginn eines Fahrzyklus einen sprunghaften Anstieg des Reglerwertes oder der Abweichung verursacht kann, wenn ein solcher Anstieg detektiert wird, auf eine weitere Überwachung des Reglerwertes oder der Abweichung verzichtet werden und sofort ein Injektoraustausch erkannt werden.
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Nachdem eine Schädigung der Düsennadel oder des Düsennadelsitzes erkannt wurde, kann beispielsweise mittels einer Warnlampe eine Warnung an den Fahrer eines Kraftfahrzeugs ausgegeben werden, in dessen Verbrennungsmotor der Kraftstoffinjektor verbaut ist. Außerdem kann die Information über die Schädigung in einem Steuergerät abgespeichert werden, um eine geführte Fehlersuche in der Werkstatt zu ermöglichen. Bevorzugt wird außerdem ein Drehmoment eines Verbrennungsmotors, in welchen mittels des Kraftstoffinjektors Kraftstoff eingespritzt wird, begrenzt, nachdem eine Schädigung der Düsennadel oder ihres Sitzes erkannt wurde. Dies dient als motorische Schutzmaßnahme, um den Verbrennungsmotor vor Schäden zu schützen.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, insbesondere dann, wenn es auf einem elektronischen Steuergerät durchgeführt wird. Vorzugsweise ist es auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Das Computerprogramm ermöglicht die einfache Implementierung des Verfahrens in einem vorhandenen elektronischen Steuergerät, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einer Schädigung einer Düsennadel oder eines Düsennadelsitzes eines Kraftstoffinjektors mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Kraftstoffinjektors, dessen Düsennadel und Düsennadelsitz mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf Schäden untersucht werden können.
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2 zeigt einen Detailausschnitt aus dem Kraftstoffinjektor gemäß 1.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt in einem Diagramm mehrere Gradienten von Reglerwerten, die in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Regelung eines Kraftstoffinjektors
10 beschrieben, der aus der
DE 10 2009 029 549 A1 bekannt ist und in
1 dargestellt ist. Dieser Kraftstoffinjektor
10, der im Vierzylinder-Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, umfasst einen Injektorkörper
11, in dem ein Ventilkolben
12 angeordnet ist. Dieser ist an einem oberen Ende in einem Ventilstück
13 geführt. Sein unteres Ende erstreckt sich in Richtung einer Düse
14. Der Ventilkolben
12 ist mit der Düsennadel
15 eines Nadelventils
16 verbunden, die innerhalb der Düse
14 angeordnet ist. Die Düsennadel
15 weist an ihrer Oberfläche eine Karbid-Verschleißschutzschicht auf. Außerdem ist der Ventilkolben
12 mit einer Hochdruckbohrung
17 und mit einer Rücklaufbohrung
18 verbunden. An einem oberen Ende des Kraftstoffinjektors
10 sind ein Magnetkopf
19, eine Ankergruppe
20 und ein Rücklauf
21 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor
10 ist weiterhin über einen elektrischen Anschluss
22 mit einer elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt) und über einen Hochdruckanschluss
23, der einen Stabfilter umfasst, mit einer Kraftstoffzuleitung (nicht gezeigt) verbunden.
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Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 ist vorgesehen, dass der Magnetkopf 19 bestromt wird, wodurch die Ankergruppe 20 zum Magnetkopf hin bewegt wird. Dadurch öffnet sich die Verbindung zwischen einem Steuerraum 24 oberhalb des Ventilkolbens 12 und dem Rücklauf 21. Dies löst ein Absinken des Drucks im Steuerraum 24 und damit eine Öffnungsbewegung des Verbunds aus Ventilkolben 12 und Düsennadel 15 aus. Durch das Öffnen des Nadelventils 16 wird die Verbindung zwischen der Hochdruckbohrung 17 und den Spritzlöchern der Düse 14 hergestellt, wodurch Kraftstoff zur Düse 14 gefördert und in einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
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Gemäß 2 ist innerhalb des Injektorkörpers 11 ein Hochdruckraum 25 sowie ein Niederdruckraum 26 angeordnet. Diese beiden Räume sind voneinander durch das Ventilstück 13 getrennt. Der Hochdruckraum 25 kommuniziert mit dem Hochdruckanschluss 23. Der Niederdruckraum 26 ist über den Rücklauf 21 mit einem Kraftstofftank verbunden. Der Hochdruckraum 25 ist Mit der Düse 14 verbunden. Das düsenferne Ende des Ventilkolbens 12 ist verdrängerwirksam in dem im Ventilstück 13 angeordneten Steuerraum 24 angeordnet. Der Steuerraum 24 kommuniziert über eine Zulaufdrossel 27 mit dem Hochdruckraum 25 und über einen gedrosselten Ablaufkanal 28 mit dem Niederdruckraum 26, wobei der Ablaufkanal 28 mittels eines Schaltventils 29 gesteuert wird. Wenn der Ablaufkanal 28 mittels des Schaltventils 29 abgesperrt wird und die Düsennadel 15 sich in ihrer Schließlage befindet, stellt sich im Steuerraum 24 der gleiche Hochdruck wie im Hochdruckraum 25 ein, mit der Folge, dass der Ventilkolben 12 nach abwärts gepresst und die damit verbundene Düsennadel 15 in der das Nadelventil 16 absperrenden Schließlage gehalten wird. Wird der Ablaufkanal 28 mittels des Schaltventils 29 geöffnet, stellt sich im Steuerraum 24 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 25 verminderter Druck ein, und der Ventilkolben 12 verschiebt sich zusammen mit der Düsennadel 15 in Aufwärtsrichtung, das heißt die Düsennadel 15 wird in deren Offenlage gestellt, so dass Kraftstoff durch die Düse 14 in den Brennraum eingespritzt wird.
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Das Schaltventil 29 besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper 30, der von einer Schließfeder 34, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 28 konzentrischen Sitz gespannt wird. Im Beispiel der 2 ist der Sitz als Planfläche ausgebildet, auf der der hülsenförmige Schließkörper 30 mit einer linienförmigen Ringkante aufsitzt. Der hülsenförmige Schließkörper 30 ist auf einer zur Längsachse L des Injektorkörpers 11 gleichachsigen Führungsstange 31 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 30 und dem Außenumfang der Führungsstange 31 als praktisch leckagefreier Drossel- bzw. Dichtspalt ausgebildet ist. Wenn der Schließkörper 30 die in 2 dargestellte Schließlage einnimmt, wird der innerhalb des Schließkörpers 30 gebildete Ventilraum 32, welcher über den Ablaufkanal 28 mit dem Steuerraum 24 kommuniziert und dann dementsprechend gleichen Fluiddruck wie der Steuerraum 24 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 26 abgesperrt.
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Während der geschlossenen Phase der mit dem Ventilkolben 12 verbundenen Düsennadel 15, das heißt bei geschlossenem Nadelventil 16, ist das Schaltventil 29 geschlossen, und im Ventilraum 32 sowie im Steuerraum 24 liegen gleiche Fluiddrucke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Düsennadel 15 sinkt der Druck im Steuerraum 24 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Düsennadel 15 und der damit einhergehenden Schließbewegung des Ventilkolbens 12 unter den Hochdruck im Hochdruckanschluss 23 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Düsennadel 15 kommt es wegen des nun stillstehenden Ventilkolbens 12 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 24, wobei der Steuerraumdruck auf den Druck im Hochdruckanschluss 23 ansteigt. Der Druck im Steuerraum 24 und der damit praktisch identische Druck im Ventilraum 32 weisen folglich zum Schließzeitpunkt der Düsennadel 15 ein ausgeprägtes Minimum auf.
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Da der Druck des Steuerraums 24 bei geschlossenem Schließkörper 30 auch im Ventilraum 32 vorliegt, wird die Führungsstange 31 innerhalb des Schließkörpers 30 in dieser Ventilstellung stirnseitig immer vom Steuerraumdruck belastet. Der Ventilraumdruck wird mittels der Führungsstange 31 auf ein kleines Piezoelement als Sensor 33 abgeleitet. Elektrische Anschlüsse des Sensors 33 sind mit von außen zugänglichen Steckkontakten verbunden, so dass eine von dem Sensor 33 bereitgestellte Spannung als Signal ausgelesen werden kann. Dieses ist abzüglich einer Offset-Spannung proportional zum Druck im Ventilraum 32. Die Offset-Spannung ist dabei zeitlich variabel, unterliegt aber nur deutlich langsameren Schwankungen als dies beim Druck im Ventilraum 32 der Fall ist. Die ausgelesene Spannung wird an ein Steuergerät weitergegeben, welches den Kraftstoffinjektor 10 steuert. Sie wird zur Erzeugung von Reglerwerten genutzt, die in der Stufe 1 einer NCC-Regelung zum Regeln des Kraftstoffinjektors 10 verwendet werden.
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In der Stufe 1 wird in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reglerwert R über einen ersten Zeitraum t1 von 10 Stunden überwacht. Wie in 3 dargestellt ist, wird nach dem Start 40 des Verfahrens zunächst geprüft 41, ob ein zweiter Zeitraum t2 von 30 Minuten abgelaufen ist. Nach Ablauf dieses Zeitraums wird über die Änderung des Reglerwerts R in dem zweiten Zeitraum t2 ein Gradient G gebildet 43. Nur wenn dieser Gradient G maximal einem vorgegebenen Maximalgradienten Gmax entspricht, wird die Überwachung für den Rest des ersten Zeitraums t1 weitergeführt. Sobald dann eine Prüfung 44 ergibt, dass der erste Zeitraum t1 abgelaufen ist, wird der Gradient G erneut gebildet, wobei diesmal der zeitliche Verlauf des Reglerwertes R über den ersten Zeitraum t1 berücksichtigt wird. Anschließend erfolgt ein Vergleich des Gradienten G mit dem Maximalgradienten Gmax und mit einem Minimalgradienten Gmin. Liegt der Gradient G unter dem Minimalgradienten Gmin, so wird erkannt 47, dass ein Normalbetrieb des Kraftstoffinjektors 10 vorliegt. Diese Betrieb wird mit unveränderter Betriebsstrategie fortgesetzt 48 und das Verfahren wird beendet 49. Fall nach Ablauf des ersten Zeitraums t1 oder des zweiten Zeitraums t2 ein Gradient ermittelt wird, der über dem Maximalgradienten Gmax liegt, so wird erkannt 50, dass entweder der Kraftstoffinjektor 10 ausgetauscht wurde oder das Steuergerät ausgetauscht bzw. die bisherigen, nach jedem Fahrzyklus gespeicherten Lernergebnisse rückgesetzt wurden. Diese Information wird im Steuergerät abgespeichert. Anschließend wird der Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 fortgesetzt 48. Falls der Gradient hingegen nach Ablauf des ersten Zeitraums t1 im Bereich vom Minimalgradienten Gmin bis zum Maximalgradienten Gmax liegt, so wird erkannt 51, dass eine Schädigung der Düsennadel 15 oder des Düsennadelsitzes vorliegt. Es wird mittels einer Warnlampe eine Warnung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben und die Information über den Schaden an der Düsennadel 15 oder ihres Sitzes im Steuergerät abgespeichert. Anschließend kann eine Begrenzung 52 des Drehmoments des Verbrennungsmotors erfolgen, um eine Motorschädigung zu verhindern. Schließlich kann auch in diesem Fall das Verfahren beendet werden 49.
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In 4 sind die zeitlichen Verläufe der Reglerwerte R der vier Kraftstoffinjektoren 10 im Betrieb des Vierzylinder-Verbrennungsmotors dargestellt. Das Verhalten dieser Reglerwerte ist im kurzen ersten Zeitraum t2 auffällig. Dies deutet auf einen Tausch entweder des Steuergeräts oder aller Kraftstoffinjektoren 10 hin bzw. auf ein Rücksetzen der bisher im Steuergerät gespeicherten Lernwerte. Für mehrere Zeitzyklen t1 und t2 sind die Gradienten G1, G2, G3, G4 der vier Reglerwertverläufe eingezeichnet. Der erste Gradient G1 ist im letzten Zeitzyklus t1 hoch, da zum Ende dieses letzten Zeitraums t1 ein starker Anstieg des entsprechenden Reglerwertes R erfolgt. Wie eine nachträgliche Untersuchung des Kraftstoffinjektors 10 zeigte, beruhte dieser auf einem Durchreiben der Karbid-Verschleißschutzschicht an der Düsennadel 15. Der erste Gradient G1 überscheitet den Minimalgradienten Gmin lieg aber unter dem Maximalgradienten Gmax, so dass dieser Schaden an der Düsennadel 15 oder ihrem Sitz mittels des Verfahrens korrekt erkannt werden konnte. Die weiteren Gradienten G2, G3, G4 liegen unter dem Minimalgradienten Gmin und wurden deshalb richtigerweise nicht als defekt erkannt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009029549 A1 [0017]
