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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit eines Hochdrucksensors einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Die Kraftstoff zumessung moderner Otto- und Dieselmotoren erfolgt überwiegend unter Verwendung von Speichereinspritzsystemen. Dabei birgt ein hoher Systemdruck im Kraftstoff-Hochdruckspeicher und in den zu diesem führenden Kraftstoffleitungen sowie in den vom Kraftstoff-Hochdruckspeicher abführenden Leitungen insbesondere bei Dieselfahrzeugen, bei denen Drücke bis zu 3000 bar herrschen, ein enormes Gefahrenpotential. Um sicherzustellen, dass das jeweilige Speichereinspritzsystem den herrschenden hohen Drücken möglichst über die gesamte Lebensdauer des jeweiligen Fahrzeugs standhält, werden aufwendige Validierungen vorgenommen.
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Defekte Aktuatoren und Sensoren, beispielsweise ein Federbruch an einem digitalen Einlassventil einer Pumpe, eine ausbleibende Einspritzmenge eines Injektors, ein fehlerhaftes Hochdrucksensorsignal, usw., können jedoch erhebliche Überdrücke im Speichereinspritzsystem verursachen, die den genannten Druckwert von 3000 bar wesentlich überschreiten.
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Aus diesem Grund gibt es eine Reihe von Sicherungsmaßnahmen bzw. Sicherheitsfunktionen, die ein Bersten des Systems verhindern sollen. Am Wirkungsvollsten hat sich in diesem Zusammenhang eine Verwendung eines mechanischen Überdruckventils erwiesen. Da aber ein derartiges mechanisches Überdruckventil zum Einen kostenaufwendig ist und des Weiteren im System nur sehr schwer untergebracht werden kann, da die beiden Stirnseiten des Kraftstoff-Hochdruckspeichers bereits mit einem Hochdrucksensor bzw. einem Hochdruckreduzierventil belegt sind, setzt man auf eine funktionale Sicherheit.
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Ein Vorliegen eines Überdrucks, der zu einem Bersten des Systems führen kann, wird im Allgemeinen von einem an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher angeschlossenen Hochdrucksensor erkannt. Nach dem Erkennen eines derartigen Überdruckes schaltet man zur Vermeidung eines Berstens des Systems ein an den Kraftstoff-Hochdruckspeicher angeschlossenes Hochdruckreduzierventil in seine Offenstellung und hält es mittels einer Dauerbestromung in dieser Offenstellung, um den Hochdruck möglichst schnell abzubauen.
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Bezüglich des Hochdrucksensors besteht die Notwendigkeit, diesen mittels einer Diagnosefunktion zu überwachen. Denn bei einem Defekt des Hochdrucksensors kann ein von diesem ausgegebenes fehlerhaftes Drucksignal, welches das Vorliegen eines zu niedrigen Druckwertes anzeigt, ebenfalls zu einem Bersten des Systems führen, da das fehlerhafte Drucksignal einen vorhandenen Druckregler dazu veranlasst, den Druck zu erhöhen.
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Aus der
DE 10 2016 220 123 B4 ist ein Verfahren zur Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit eines Hochdrucksensors eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeugs bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Funktionsfähigkeit des Hochdrucksensors unter Verwendung einer Auswertung des systemspezifischen Verhaltens des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffeinspritzsystem plausibilisiert. Diese Plausibilisierung erfolgt unter Verwendung einer Auswertung eines Druckabbaugradienten. Zur Ermittlung des Druckabbaugradienten erfolgt eine vollständige Öffnung eines mit einem Hochdruckspeicher des Kraftstoffeinspritzsystems verbundenen Druckabbauventils, wobei Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher über eine Drossel und das Druckabbauventil in eine Kraftstoffrückführleitung fließt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit eines Hochdrucksensors einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welches aufwandsarm realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 - 5. Der Anspruch 6 betrifft eine Vorrichtung zur Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit eines Hochdrucksensors einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit eines Hochdrucksensors einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugs durch Auswertung des ohnehin vorhandenen Ansteuersignals für ein digitales Hochdruckreduzierventil vorgenommen wird. Das Ansteuersignal für ein digitales Hochdruckreduzierventil wird demnach sowohl zum Öffnen und Schließen des digitalen Hochdruckreduzierventils verwendet als auch zur Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit des Hochdrucksensors. Folglich werden zur Realisierung der Erfindung keine zusätzlichen Bauteile benötigt.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
- 1 eine Blockdarstellung einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung,
- 2 eine Darstellung eines digitalen Hochdruckreduzierventils bei verschlossenem Hochdruckspeicher,
- 3 eine Darstellung eines digitalen Hochdruckreduzierventils bei geöffnetem Hochdruckspeicher,
- 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Stromverlaufes und des Druckverlaufes über der Zeit,
- 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Öffnungszeit des digitalen Druckreduzierungsventils und dem Druck im Hochdruckspeicher für mehrere verschiedene digitale Hochdruckreduzierventile und
- 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Stromverlaufes und des Spannungsverlaufes über der Zeit.
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Die 1 zeigt eine Skizze einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung.
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Die gezeigte Vorrichtung weist einen Kraftstofftank 1, eine Kraftstoffniederdruckleitung 2, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 3, eine Kraftstoffhochdruckleitung 4, ein Volumenstromregelventil 5, einen Hochdruckspeicher 6, einen Hochdrucksensor 7, Kraftstoffinjektoren 8, eine Drossel 9, ein digitales Hochdruckreduzierungsventil 10, eine Kraftstoffrückführleitung 11, eine Steuereinheit 12 und einen Speicher 12a auf.
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Im normalen Betrieb der in der 1 gezeigten Vorrichtung wird Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 1 über die Kraftstoffniederdruckleitung 2 und das Volumenstromregelventil 5 der Kraftstoffhochdruckpumpe 3 zugeführt und dort auf einen hohen Druck gebracht. Der am Ausgang der Kraftstoffhochdruckpumpe 3 bereitgestellte Kraftstoff hohen Druckes wird über die Kraftstoffhochdruckleitung 4 dem Hochdruckspeicher 6 zugeführt. Von diesem aus wird der unter hohem Druck stehende Kraftstoff den Kraftstoffinjektoren 8 zugeleitet und mittels dieser in nicht gezeichnete Brennräume der Brennkraftmaschine des jeweiligen Kraftfahrzeugs eingespritzt. An einen Ausgang des Hochdruckspeichers 6 ist über die Drossel 9 das digitale Druckreduzierungsventil 10 angeschlossen, durch welches Kraftstoff an die Kraftstoffrückführleitung 11 ausgegeben und über diese in den Kraftstofftank 1 zurückgeführt wird.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 3, das Volumenstromregelventil 5, die Kraftstoffinjektoren 8 und das digitale Hochdruckreduzierventil 10 werden von der Steuereinheit 12 mit Steuersignalen st versorgt, die einen ordnungsgemäßen Betrieb der genannten Bauteile gewährleisten. Die Steuereinheit 12 generiert die genannten Steuersignale st unter Berücksichtigung von ihr zugeführten Sensorsignalen se, eines abgespeicherten Arbeitsprogrammes und weiterer abgespeicherter Daten. Zu den genannten Sensorsignalen gehören unter anderem die Ausgangssignale des Hochdrucksensors 7, mittels dessen der im Hochdruckspeicher 6 herrschende Kraftstoffdruck gemessen wird. Zu den abgespeicherten Daten gehören des Weiteren Kennfelder und Daten, die einem Druckabbaugradienten entsprechen, der dann entsteht, wenn ausgehend von einem vorgegebenen Anfangsdruck des Kraftstoffs im Hochdruckspeicher für ein vorgegebenes Zeitintervall eine vollständige Öffnung des digitalen Hochdruckreduzierventils 10 vorgenommen wird, so dass aus dem Innenraum 6a des Hochdruckspeichers 6 durch die Drossel 9 und das digitale Hochdruckreduzierventil 10 Kraftstoff in die Kraftstoffrückführleitung 11 ausgegeben und durch diese in den Kraftstofftank 1 zurückgeführt wird.
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Diese Daten, die dem Druckabbaugradienten entsprechen, sind im Voraus bekannt, da die Abmessungen der Drossel, der Anfangsdruck, die Kraftstoffeigenschaften und die Kraftstoffmenge, die durch das digitale Druckreduzierventil fließt, und auch die Zeitdauer der Öffnung des digitalen Druckreduzierventils bekannt sind. Dies ermöglicht es, im Voraus dem Druckabbaugradienten entsprechende Daten zu ermitteln und in einem Speicher der Steuereinheit 12 zu hinterlegen. Bei diesen Daten handelt es sich um Daten, die ein systemspezifisches Verhalten des Kraftstoffdruckes im Hochdruckspeicher repräsentieren.
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Die 2 und 3 zeigen Schnittdarstellungen des in der 1 dargestellten digitalen Druckreduzierventils 10, welches über die Drossel 9 an den Innenraum 6a des Hochdruckspeichers 6 angeschlossen ist. Bei diesem digitalen Druckreduzierventil 10 handelt es sich um ein Ventil, welches aus einer Öffnungsstellung in eine Schließstellung und umgekehrt schaltbar ist. Bei diesem Ventil kann der Schließkörper 10c, der über einen Kolben 10a mit einer Feder 10b in Verbindung steht, nur zwei Positionen einnehmen, nämlich die in der 2 gezeigte Schließstellung und die in der 3 gezeigte Öffnungsstellung. In der in der 2 gezeigten Schließstellung ist die Drossel 9 verschlossen, so dass kein Kraftstoff aus dem Innenraum 6a des Hochdruckspeichers 6 in die Kraftstoffrückführleitung 11 gelangen kann. In der in der 3 gezeigten Öffnungsstellung gibt der Kolben 10a mit seinem Schließkörper 10c den Ausgang der Drossel 9 frei, so dass -wie es durch die Pfeile 13 veranschaulicht ist-Kraftstoff aus dem Innenraum 6a des Hochdruckspeichers 6 über die Drossel 9 und das digitale Druckreduzierventil 10 in die Kraftstoffrückführleitung 11 abgelassen und über diese in den Kraftstofftank 1 zurückgeführt werden kann. Die abgelassene Kraftstoffmenge ist dabei durch die Öffnungszeit des Druckreduzierungsventils 10 festgelegt.
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Der Aufbau des in den 2 und 3 gezeigten digitalen Druckreduzierungsventils entspricht abgesehen von einer Verwendung eines Magneten 14 im Wesentlichen dem Aufbau eines mechanischen Überdruckventils.
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Das in den 2 und 3 dargestellte digitale Hochdruckreduzierungsventil 10 weist demnach unter anderem einen Kolben 10a, einen Magneten 14 und eine Feder 10b auf, wobei die Federkraft auf den Kolben 10a einwirkt und diesen in Richtung der Drossel 9 des Hochdruckspeichers 6 drückt. In der 2 ist die Drossel 9 des Hochdruckspeichers 6 durch den Schließkörper 10c des Kolben 10a verschlossen. Der durch den Druck der Feder 10b verursachten Schließkraft des Kolbens 10a wirkt eine auf dem im Hochdruckspeicher 6 herrschenden Kraftstoffdruck beruhende hydraulische Kraft Fhyd entgegen. Im verschlossenen Zustand der Drossel 9 ist die Schließkraft des Kolbens 10a größer als die der Schließkraft entgegen wirkende hydraulische Kraft Fhyd .
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Steigt der im Hochdruckspeicher 6 herrschende Druck an, dann steigt auch die auf den Kolben 10a wirkende hydraulische Kraft Fhyd an. Überschreitet die hydraulische Kraft Fhyd die Schließkraft des Kolbens 10a, dann wird der Kolben 10a in Richtung zur Feder 10b bewegt und drückt die Feder 10b zusammen. Dadurch öffnet sich die Drossel 9, so dass ein Druckabbau im Hochdruckspeicher 6 erfolgt. Dies ist in der 3 dargestellt, in welcher das digitale Hochdruckreduzierventil 10 bei geöffneter Drossel 9 dargestellt ist.
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Durch den beschriebenen Druckabbau sinkt auch die hydraulische Kraft Fhyd . Dieser Druckabbau im Hochdruckspeicher 6 setzt sich so lange fort, bis die durch die Feder 10b verursachte Schließkraft des Kolbens 10a wieder größer ist als die hydraulische Kraft Fhyd . Dadurch wird der Kolben 10a wieder in seinen Sitz gedrückt, so dass die Drossel 9 wieder verschlossen wird. Die über die Feder 10b erzeugte Schließkraft des Kolbens 10a limitiert demnach den im Hochdruckspeicher 6 herrschenden Druck auf einem bestimmten Druckwert, der dem Öffnungsdruck des Hochdruckspeichers 6 entspricht. Dabei ist die Schließkraft derart festgelegt, dass der resultierende Öffnungsdruck in einem ausreichenden Abstand über dem im Betrieb der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung maximal angeforderten Systemdruck liegt, da ansonsten die Gefahr besteht, dass eine Mikroleckage den Ventilsitz beschädigt.
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Die 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Stromverlaufes K4 und des Druckverlaufes K5 über der Zeit t.
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In der Ladephase (PEAK) liegt am Magneten 14 eine konstante Spannung von beispielsweise 14 V an. In dieser Ladephase steigt der Strom solange stetig an, bis der Kolben 10a beginnt, sich in Öffnungsrichtung zu bewegen (siehe Punkt P2 in der 4) . Durch diese Bewegung des Kolbens 10a wird im Magneten 14 eine Gegenspannung induziert, die den Stromanstieg entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit reduziert. Dadurch entsteht die aus der 4 ersichtliche Krümmung der Stromlinie K4. Mit dem Erreichen des Endanschlags fällt die Gegeninduktion weg und der Strom steigt wieder mit der ursprünglichen Beladungssteigung an. Ausgehend vom Beladebeginn am Punkt P1 der 4 markiert der Knick am Punkt P3 der 4 das Ende der Öffnungszeit ON des digitalen Hochdruckreduzierventils 10.
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Der Abbau des im Hochdruckspeicher 6 vorliegenden Hochdruckes beginnt zu dem Zeitpunkt, an welchem der Knick am Punkt P3 der Kennlinie auftritt, wie es aus der 4 ersichtlich ist.
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Nach Beendigung der Ladephase (PEAK) beginnt -wie es ebenfalls aus der 4 ersichtlich ist- die Phase des Offenhaltens (HOLD) des digitalen Hochdruckreduzierventils 10. In dieser Phase erfolgt beispielsweise eine PWM-Ansteuerung des Magneten 14 mit einem Ansteuersignal, welches ein Tastverhältnis von beispielsweise 30 % aufweist. Danach folgt ein Entladen (CLAMP) des Magneten 14.
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Während des Betriebes der Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung wirkt auf den Kolben 10a zusätzlich zur Magnetkraft eine hydraulische Kraft Fhyd . Ist der Ventilsitz geschlossen, dann handelt es sich hierbei um eine statische Kraft. Ist der Ventilsitz geöffnet, dann handelt es sich hierbei um eine dynamische Kraft. Die Magnetkraft und die hydraulische Kraft wirken der Federkraft entgegen. Wird der Druck im Hochdruckspeicher 6 erhöht, dann steigt auch die hydraulische Kraft Fhyd an. Dies führt zu einer höheren Gesamtöffnungskraft am Kolben 9. Die zunehmende Gesamtöffnungskraft bei steigendem Druck im Hochdruckspeicher 6 bewirkt ein Sinken der Öffnungszeit. Dieser Zusammenhang ist in der 5 dargestellt, in welcher nach oben die Öffnungszeit des digitalen Druckreduzierungsventils 10 und nach rechts der Druck im Hochdruckspeicher 6 für vier verschiedene digitale Hochdruckreduzierungsventile veranschaulicht sind.
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Zur Ermittlung der Öffnungszeit des digitalen Hochdruckreduzierungsventils 10 wird zunächst das in der 4 dargestellte Stromsignal unter Verwendung eines Shunts in einem nicht in den Figuren dargestellten Motorsteuergerät gemessen. Anschließend erfolgt eine Bildung der Ableitung dieses Stromsignals und eine Ermittlung der ersten beiden Wendepunkte bzw. Nulldurchgänge. Die Abtastrate und die Schrittweite der Ableitung werden derart festgelegt, dass bei der Ermittlung der Wendepunkte bzw. Nulldurchgänge eine hohe Genauigkeit erreicht wird.
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Der Bestromungsbeginn lässt sich alternativ dazu auch unter Verwendung eines Schwellensignals ermitteln.
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Aus der 5 ist ersichtlich, dass sich die Kennliniensteigungen der einzelnen digitalen Hochdruckreduzierungsventile nur unwesentlich bei gleichzeitig hohem Regressionsfaktor unterscheiden. Mit einer Messung der Öffnungszeit bei Umgebungsdruck kann ein Referenzpunkt festgelegt werden, von dem aus eine mittlere Kennliniensteigung angesetzt werden kann. Entsprechend einer ermittelten Öffnungszeit in einem beliebigen Lastpunkt lässt sich anhand der referenzierten Kennlinie ein Druck ausgeben. Solange das Hochdrucksensorsignal und ein durch eine Auswertung der Ansteuerung des digitalen Druckreduzierungsventils ermitteltes Drucksignal innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches gleiche Werte liefern, gilt die mittels des Hochdrucksensors erfolgte Druckmessung als plausibel. Entfernen sich die beiden Signale über den Toleranzbereich hinaus voneinander, dann wird die vom Hochdrucksensor bereitgestellte Druckinformation als fehlerhaft erkannt und es werden Notlaufmaßnahmen eingeleitet.
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Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, wird bei der vorliegenden Erfindung das Ansteuersignal für das digitale Hochdruckreduzierungsventil für die Bestimmung des im Hochdruckspeicher vorliegenden Drucks verwendet.
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Eine Alternative zum vorstehend beschriebenen Vorgehen ist in der 6 veranschaulicht. Aus dieser 6 ist ersichtlich, dass der Beladebeginn (Punkt PI) und der Endanschlag des digitalen Druckreduzierventils (Punkt P3) auch aus dem Spannungssignal ermittelt werden kann, um dann daraus die Öffnungszeit des digitalen Druckreduzierungsventils zu ermitteln. Dafür würde allerdings im Motorsteuergerät eine kostenaufwendigere Spannungsmessung benötigt. Aus diesem Grund wird diese Alternative in der Praxis nicht umgesetzt. Hinzu kommt, dass eine Detektion des in der 6 gezeigten Punktes P3 anhand der dargestellten Signalspannung nur ausgesprochen schwer, wenn nicht gar nicht, erfolgen kann, da die in der Signalspannung im Bereich des Punktes P3 auftretenden Änderungen nur marginal sind.
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Mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich steigende Sicherheitsanforderungen seitens der Fahrzeughersteller, beispielsweise von ASIL A auf ASIL B, ohne die Notwendigkeit einer Systemänderung und vor allem auch ohne eine Kostenerhöhung umsetzen. Bei der vorliegenden Erfindung wird zur Plausibilisierung der Funktionsfähigkeit eines Hochdrucksensors einer Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugs eine Auswertung des ohnehin vorhandenen Ansteuersignals für ein digitales Hochdruckreduzierungsventil vorgenommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstofftank
- 2
- Kraftstoffniederdruckleitung
- 3
- Kraftstoffhochdruckpumpe
- 4
- Kraftstoffhochdruckleitung
- 5
- Volumenstromregelventil
- 6
- Hochdruckspeicher
- 6a
- Innenraum des Hochdruckspeichers
- 7
- Hochdrucksensor
- 8
- Kraftstoffinjektor
- 9
- Drossel
- 10
- Digitales Druckreduzierungsventil
- 10a
- Kolben
- 10b
- Feder
- 10c
- Schließkörper
- 11
- Kraftstoffrückführleitung
- 12
- Steuereinheit
- 12a
- Speicher
- 13
- Pfeil
- 14
- Magnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016220123 B4 [0007]
