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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines bereichsinternen Fehlers eines analogen Drucksensors.
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Analoge Drucksensoren sind bekannt. Sie finden zur Druckerfassung auf einer Vielzahl von Gebieten Verwendung, beispielsweise in der Automobilindustrie. Dazu wird in modernen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen der Raildruck auf der Basis von Feedback-Signalen von einem Raildrucksensor geregelt.
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Bei einem solchen Drucksensor, insbesondere Raildrucksensor, handelt es sich um einen analogen Hochdrucksensor, der im Fall eines Raildrucksensors am Kraftstoff-Rail montiert ist. Der Raildrucksensor liefert ein Ausgangssignal in der Form einer Signalspannung Vout an die Steuereinheit (ECU) des Motors. Der Hochdrucksensor wird von der Motorsteuereinheit ECU über eine Versorgungsspannung Vs und Erde mit Spannung versorgt, die zum Betreiben des Drucksensors und als Referenzspannung für die entsprechende Transferfunktion verwendet wird.
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Die vom Hochdrucksensor abgegebene Signalspannung basiert auf dessen in seinem ASIC programmierten Transferfunktion. Auf Basis der empfangenen Signalspannung Vout und der entsprechenden Kalibrierung des Sensors kann der Raildruck von der ECU berechnet werden.
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Die von der Steuereinheit (ECU) gemessene Signalspannung kann jedoch abdriften. Mit anderen Worten, der gemessene Spannungswert kann sich vom tatsächlichen Wert unterscheiden. Bei einem unter Druck stehenden System kann dies schlimmstenfalls dazu führen, dass eine derartige Signalspannungsabweichung (Drift) in einem Systemüberdruck resultieren kann, d.h. der gemessene Druckwert ist geringer als der tatsächliche Druckwert, was letztendlich eine Zerstörung des Systems bewirken kann.
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Es gibt zwei Arten einer derartigen Signalabweichung (Signaldrift) . Bei einer ersten Art (signal offset drift) besitzt die gemessene Signalspannung eine konstante positive oder negative Abweichung (Drift) über den Druckbereich. Bei einer zweiten Art (gain drift) besitzt die gemessene Signalspannung eine positive oder negative Signalabweichung (Drift), die über den Druckbereich ansteigt.
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Hat die gemessene Signalspannung eine negative Drift, d.h. der gemessene Druck ist niedriger als der tatsächliche physikalische Wert, besteht das Risiko eines Überdrucks. Hat die gemessene Signalspannung eine positive Drift, d.h. der gemessene Druck ist höher als der tatsächliche physikalische Wert, besteht das Risiko eines Unterdrucks.
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In erster Linie ist eine derartige Signaldrift bei einem Analogsensor auf Übertragungsstörungen zurückzuführen. Da die entsprechende Information mithilfe einer elektrischen Signalspannung übertragen wird, kann jede Störung des Signals zwischen Sensor und Empfänger eine solche Signaldrift verursachen. Ein kritischer Fehler ist dabei ein bereichsinterner Fehler, bei dem die von der ECU gemessene Signalspannung noch in dem Spannungsbereich liegt, der durch die Transferfunktion des Sensors spezifiziert ist. Ein Fehler außerhalb dieses Bereiches kann dagegen auf einfache Weise detektiert werden, da die Signalspannung, beispielsweise von 5 V, nicht mehr im Spannungsbereich des Sensors liegt. Nachfolgend sind mögliche Fehler aufgeführt, die einen derartigen bereichsinternen Fehler verursachen können, welcher letztendlich zu einem Überdruck und schließlich zur Systemzerstörung führen kann.
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Beispielsweise kann ein Anstieg des elektrischen Widerstandes in der Versorgungsleitung negative Offset-Drifts und negative Gain-Drifts bewirken, die in einem Überdruck resultieren. Dies ist auf die Reduzierung der Versorgungsspannung für den Sensor zurückzuführen.
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Eine weitere Fehlerquelle ist in Kurzschlüssen zu sehen. Normalerweise wird durch einen Kurzschluss die Spannung abgesenkt und kann von der ECU detektiert werden, wenn die Signalspannung einen entsprechenden Bereich erreicht. Ein partieller Kurzschluss (minimaler Widerstand) kann jedoch zu einer Reduzierung des Spannungssignals führen, ohne dass dies von der Kurzschlussdiagnose der ECU detektiert wird. Diese Art eines „schwachen“ Kurzschlusses bedeutet, dass der von der ECU gemessene Druck geringer ist als der tatsächliche Wert. Auch dies kann schließlich zu einem Überdruck führen.
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Um die Leistung des entsprechenden Motors zu steigern, wird manchmal ein Tuning durchgeführt. Das Signal vom Hochdrucksensor wird dabei gezielt so getunt, dass es eine geringere Spannung aufweist. Als Folge davon wird der erreichte maximale Raildruck höher als der von der ECU gemessene Druck. Dies führt zu einem Anstieg der Einspritzmenge, da der Durchsatz bei einem höheren Raildruck höher ist.
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Eine weitere Fehlerquelle ist darauf zurückzuführen, dass die Versorgungsspannung des Drucksensors außerhalb von dessen Bereich liegt. Da die Versorgungsspannung auch als Referenzspannung für die Transferfunktion benutzt wird, kann jegliche Abweichung dazu führen, dass die Signalspannung des Drucksensors eine Drift besitzt, d.h. eine niedrigere Versorgungsspannung kann eine negative Gain-Drift mit einem Überdruckrisiko bewirken.
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Die vorstehend aufgezeigten Probleme hat man bisher in der folgenden Weise gelöst. Man hat ein mechanisches Druckbegrenzungsventil (PLV) vorgesehen, um das Entstehen von Überdruck zu verhindern. Eine andere Lösung besteht darin, ein redundantes System mit mehreren Raildrucksensoren anzuordnen. Auch hat man Drucksensoren mit einem digitalen Ausgangssignal vorgesehen.
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Diese Lösungen sind jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden.
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In der
US 2016/0053706 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Systems eines Kraftfahrzeuges beschrieben, das eine Raildrucksensoranordnung mit wenigstens zwei Signalpfaden aufweist, und das bei einem maximal zulässige Raildruck und bei einem minimal zulässigen Raildruck betrieben werden kann. Jeweils auf Grundlage einer Druckmessung in einem Rail des Common-Rail-Systems werden über die wenigstens zwei Signalpfade Sensorsignale ausgelesen und ein Signalabweichungswert wird festgestellt, der eine Abweichung zwischen Druckwerten, die jeweils auf Grundlage der Sensorsignale ermittelt werden, gekennzeichnet. Das Verfahren umfasst, den maximal zulässigen Raildruck um einen Korrekturwert auf einen maximal zulässigen Notraildruck zu verringern und/oder den minimal zulässigen Raildruck um einen Korrekturwert auf einen minimal zulässigen Notraildruck zu erhöhen, wenn der Signalabweichungswert einen vorgegebenen Wert übersteigt.
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Die
DE 10 2012 215 426 A1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzregelsystem für eine Brennkraftmaschine. Ein Mikrocomputer einer ECU zur Regelung eines Injektors mit einem Kraftstoffdrucksensor überträgt eine Anforderung zur Ausgabe einer bekannten Spannung statt eine Ausgangsspannung des Kraftstoffdrucksensors zu dem Injektor durch Kommunikation über eine Kommunikationsleitung. Eine Eingangsspannung einer Ausgangsschaltung zur Ausgabe des Kraftstoffdrucksignals an eine Sensorsignalleitung wird durch einen Multiplexer auf eine Spannung geschaltet, die der Anforderung durch den Multiplexer entspricht. Der Mikrocomputer erfasst eine Abweichung eines Werts einer Signalübertragungscharakteristik einer Signalübertragungsstrecke, die die Ausgangsschaltung, einen Anschluss der Injektor und die Sensorsignalleitung umfasst.
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Aus der
EP 2 271 833 B1 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Überdrucks in einem Kraftstoffspeicher eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Common-Rail eines Common-Rail-Systems bekannt, wobei der Druck in dem Kraftstoffspeicher erfasst wird. Ein Überdruck in dem Kraftstoffspeicher wird festgestellt, wenn die Ableitung des erfassten Drucks einen vorbestimmten Steigungsschwellwert überschreitet und anschließend der erfasste Druck einen vorbestimmten Druckschwellwert überschreitet.
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In der
US 2016/0356233 A1 ist ein Verfahren zum Diagnostizieren der Zuverlässigkeit eines Drucksensors offenbart, der in einem Kraftstoffverteiler einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ein Steuerzyklus wird ausgeführt, um einen Wert eines Raildruckes mit dem Drucksensor zu messen, einen ersten und einen zweiten Schwellenwert des Raildrucks zu bestimmen, den gemessenen Wert des Raildrucks als zuverlässig zu identifizieren, wenn sich der gemessene Wert innerhalb eines Intervalls von Werten befindet, die von dem ersten Schwellenwert bis zu dem zweiten Schwellenwert reicht und der gemessene Wert des Raildruckes wird als unzuverlässig identifiziert, wenn der gemessene Wert außerhalb dieses Intervalls liegt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung eines bereichsinternen Fehlers eines analogen Drucksensors zur Verfügung zu stellen, mit dem ein bereichsinterner Fehler des Drucksensors auf besonders wirtschaftliche Weise ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem derartigen Verfahren durch die folgenden Schritte gelöst:
- Durchführen einer Druckmessung mit dem Drucksensor und einer an diesen angeschlossenen Steuereinheit;
- Durchführen einer Druckmessung mit einem externen Referenz-Drucksensor;
- wenn der vom externen Referenz-Drucksensor gemessene tatsächliche Druck den maximalen kalibrierten Druckwert des Drucksensors erreicht hat, Einfrieren des von der Steuereinheit des Drucksensors ermittelten Drucks; und
- Feststellen eines bereichsinternen Fehlers des Drucksensors, wenn der von der Steuereinheit ermittelte Druck von dem gemessenen tatsächlichen Druck entsprechend dem maximalen kalibrierten Druckwert abweicht.
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Die erfindungsgemäß durchgeführte Strategie basiert auf der Tatsache, dass der Drucksensor an der Obergrenze seiner Transferfunktion eine gerade horizontale Linie ausweist, nachdem sein maximaler kalibrierter Druckwert Pmax erreicht worden ist. Das bedeutet, dass es keinen weiteren Anstieg der Signalspannung über Pmax gibt.
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Ein Einfrieren des Spannungswertes (Abschneiden der Signalspannung) während des Pumpvorganges zeigt nunmehr an, dass der tatsächliche Druck den maximalen kalibrierten Druck des Sensors erreicht hat. Dabei kann ein Einfrieren des Spannungswertes nicht stattfinden, wenn der tatsächliche Druck innerhalb des Transferfunktionsbereiches liegt, da Pump- und Einspritzvorgänge entsprechende Druckschwankungen erzeugen.
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Wenn ein derartiges Einfrieren der Signalspannung detektiert und der von der ECU gemessene Druck unterhalb des maximalen kalibrierten Druckwertes des Sensors liegt, wird ein Überdruck infolge eines bereichsinternen Fehlers des Drucksensors bestätigt. Der Pumpvorgang kann dann in einem nächsten Schritt sofort gestoppt werden, um einen weiteren Druckanstieg zu verhindern, der zu einer Zerstörung des Systems führen könnte.
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Insbesondere kann daher ein Überdruck infolge eines bereichsinternen Fehlers des Drucksensors festgestellt werden, wenn der von der Steuereinheit ermittelte Druck unter dem maximalen kalibrierten Druckwert des Drucksensors liegt.
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Wie bereits erwähnt, wird bei Feststellung eines Überdrucks vorzugsweise eine weitere Druckerhöhung gestoppt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere an einem Drucksensor durchgeführt, der zur Erfassung des Drucks im Rail einer Brennkraftmaschine dient.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der einzigen Figur im Detail beschrieben. Die einzige Figur zeigt Druck und Pumpenförderleistung in Abhängigkeit von der Zeit, jeweils in einem Diagramm.
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An einem Raildrucksensor wurde die Versorgungsspannung reduziert, um eine Drift zu simulieren (negative gain drift) . Während eines Raildruckanstieges ist der von einer ECU gemessene Druck immer niedriger als der von einem externen Referenzdrucksensor gemessene tatsächliche Raildruck. Obwohl der tatsächliche Raildruck einen Drucksollwert von 2.000 bar erreicht hat, setzt sich der Pumpvorgang noch fort, da der von der ECU gemessene Raildruck unter 2.000 bar liegt. Daher steigt der tatsächliche Raildruck weiter an, bis er den maximalen kalibrierten Druckwert des Sensors erreicht (2.400 bar) . Von diesem Druckniveau an wird der von der ECU gemessene Druck eingefroren, obwohl sich die Förderleistung der Pumpe der vollen Leistung nähert. Bei dieser Messung wird auch der Druckwert eines verwendeten externen Referenz-Drucksensor bei 3.000 bar eingefroren, da der maximale kalibrierte Druckwert für diesen Sensor bei 3.000 bar liegt und der tatsächliche Druck noch über 3.000 bar ansteigt. Der externe Referenz-Drucksensor besitzt keinen bereichsinternen Fehler, da die eingefrorene bzw. abgeschnittene Spannung am maximalen kalibrierten Druckwert und nicht darüber oder darunter liegt.
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Der von der ECU gemessene Druck wird bei etwa 1.800 bar eingefroren. Der Drucksensor sollte in der Lage sein, bis 2.400 bar (maximaler kalibrierter Druckwert) zu messen. Es liegt dabei immer ein aktiver Pumpvorgang vor, der sich der vollen Förderleistung annähert.
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Die von der ECU gemessene Signalspannung besitzt daher eine negative Drift, d.h. der tatsächliche Druck ist um etwa 600 bar höher als der gemessene Druck, und zwar an dem Punkt, an dem mit dem Einfrieren des Signalspannungswertes begonnen wird. Es wird daher ein bereichsinternen Fehler des Drucksensors festgestellt.
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In dem Druck-Zeit-Diagramm der einzigen Figur ist der von einem externen Referenzdrucksensor gemessene tatsächliche Raildruck dargestellt. Ferner ist der von der ECU gemessene Raildruck auf Basis einer Signalspannung mit negativer Drift dargestellt. Da der tatsächliche Raildruck den maximalen kalibrierten Druck des Sensors erreicht, wird das Spannungssignal eingefroren. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Drucksensor die obere Bereichsgrenze seiner Transferfunktion erreicht hat.
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Im zweiten Diagramm ist die Pumpenförderleistung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Da die Druckabweichung infolge der Drift zunimmt, versucht die Raildrucksteuereinheit (ECU) eine Kompensation herbeizuführen, indem die Pumpenförderleistung erhöht und schließlich volle Leistung erreicht wird.
