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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Störeinkopplung, die bei einer Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine auf einen Sensor einwirkt, der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors zu erfassen, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Moderne Brennkraftmaschinen verfügen über Kraftstoffinjektoren, mit denen Kraftstoff gezielt in Brennräume eingebracht werden kann. Für eine genaue Steuerung der Brennkraftmaschine müssen charakteristische Zeitpunkte der Einspritzvorgänge, insbesondere ein Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren, möglichst genau erfasst werden.
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Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen das Öffnen und Schließen direkt durch Magnetventile, Piezo-Aktoren oder dergleichen erfolgt, können zum Erfassen solcher charakteristischer Zeitpunkte oft die elektrischen Größen der Ansteuerung, d.h. im Wesentlichen der Bestromung des Aktors, verwendet werden.
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Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen zunächst ein Servo-Ventil angesteuert wird, besteht hingegen kein direkter Zusammenhang zwischen den elektrischen Ansteuergrößen des Kraftstoffinjektors und den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkten des Einspritzventils. Daher werden bei solchen Kraftstoffinjektoren zusätzliche Sensoren, die beispielsweise den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum des Kraftstoffinjektors erfassen, verwendet. Ein solcher Sensor ist beispielsweise aus der
EP 2 944 799 A1 bekannt.
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Eine Möglichkeit bei einem solchen Sensor zum Erfassen von charakteristischen Zeitpunkten bei einem Einspritzvorgang etwaige Störeinkopplungen herauszurechnen, ist beispielsweise aus der
DE10 2015 212 119 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln einer Störeinkopplung, die bei einer Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine auf einen Sensor einwirkt, der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors zu erfassen, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Im Rahmen der Erfindung erfasste Signale werden typischerweise dazu verwendet, charakteristische Zeitpunkte bei einer Ansteuerung des Kraftstoffinjektors, insbesondere Öffnen und/oder Schließen zu erkennen. Dies trifft bevorzugt auf Kraftstoffinjektoren zu, die als Aktor ein Servo-Ventil, insbesondere ein Magnet-Servo-Ventil oder ein Piezo-Servo-Ventil, umfassen. Als Sensor kommt dabei insbesondere ein piezoelektrischer Sensor oder ein piezoresistiver Sensor oder ein induktiver Sensor in Betracht, bei dem dann in der Regel auftretende Ladungsverschiebungen über eine geeignete Auswerteschaltung ausgelesen werden.
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Durch eine Einkopplung elektrischer Störungen - also Störeinkopplungen -, insbesondere durch das Ansteuern des Kraftstoffinjektors bzw. dessen Aktors hervorgerufene Störungen, kann ein Nutzsignal eines solchen Sensors beeinflusst werden. Eine Solche Beeinflussung kann sich negativ auf charakteristische Merkmale im Signal und eine Erkennung dieser Merkmale auswirken.
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Es wurde erkannt, dass eine Stärke oder Höhe solcher Störeinkopplungen insbesondere von einem Isolationswiderstand der Zuleitungen des Sensors abhängt. Ebenso hat sich herausgestellt, dass eine Erkennung solcher Störeinkopplungen im normalen Betrieb nur schwierig möglich ist.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun während einer Einspritzpause des Kraftstoffinjektors - also während der betreffende Kraftstoffinjektor bzw. dessen Aktor nicht aktiv für einen Einspritzvorgang angesteuert wird - ein Potential an wenigstens einem Anschluss des Aktors des Kraftstoffinjektors (auf High-Side und/oder Low-Side) gegenüber Masse angelegt und währenddessen ein Signal des Sensors erfasst. Das Signal wird hinsichtlich wenigstens eines den Verlauf des Signals charakterisierenden Parameters analysiert und basierend darauf wird ein Maß der Störeinkopplung ermittelt.
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Bei einem reduzierten Isolationswiderstand der betreffenden Zuleitungen des Sensors ergibt sich als Reaktion dieses angelegten Potentials eine Ladungsverschiebung von dem Aktor auf den Sensor. Diese Ladungsverschiebung kann am Sensor gemessen werden und korreliert zum Isolationswiderstand. Ein geringer Isolationswiderstand resultiert in einer hohen Ladungsverschiebung, ein hoher Isolationswiderstand in einer (sehr) geringen Ladungsverschiebung. Die Ladungsverschiebung auf dem Sensor kann beispielsweise mittels einer geeigneten Schaltung in einer ausführenden Recheneinheit, insbesondere einem Steuergerät, als Spannung bzw. als Spannungsänderung erfasst werden.
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Auf diese Weise können - durch Kenntnis der Stärke der Störeinkopplung bzw. durch das ermittelte Maß der Störeinkopplung - Funktionen, die das Signal des Sensors als Eingangsgröße verwenden und auf solche ungewollten Signalveränderungen sensitiv sind, überwacht und ggf. korrigiert werden. Beispielsweise kann basierend auf dem Maß der Störeinkopplung ein Korrektursignal ermittelt werden. Dann kann ein charakteristischer Zeitpunkt eines durch eine Ansteuerung des Kraftstoffinjektors verursachten Einspritzvorgangs mittels des Sensors erfasst werden, indem während eines Einspritzvorgangs ein Signal des Sensors erfasst wird, wobei eine Signal-Differenz zwischen dem Signal des Sensors und dem Korrektursignalgebildet wird, und wobei aus der Signal-Differenz auf den charakteristischen Zeitpunkt des Einspritzvorgangs, insbesondere ein Öffnen oder ein Schließen, geschlossen wird.
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Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine den Verlauf des Signals charakterisierende Parameter eine Amplitude und/oder einen zeitlichen Gradienten des Signals. Unter einer Amplitude ist dabei insbesondere ein (betragsmäßig) maximaler Wert abzüglich einer Nulllinie des Signals zu verstehen. Damit kann besonders einfach und zuverlässig ein Maß für die Störeinkopplung und damit ein Maß für den Isolationswiderstand ermittelt werden. Denkbar sind aber auch andere Methoden, mittels welcher eine Abweichung von der Nulllinie des Signals quantifiziert werden kann.
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Vorzugsweise wird das Potential an den wenigstens einen Anschluss des Aktors des Kraftstoffinjektors gegenüber Masse angelegt, indem ein anderer Kraftstoffinjektor (für einen anderen Zylinder der Brennkraftmaschine), der über dieselbe Endstufe (bzw. dieselbe Steuergeräte-Bank) wie der Kraftstoffinjektor (dem der zu untersuchende Sensor zugeordnet ist) ansteuerbar ist, für einen Einspritzvorgang angesteuert wird. Bei einer Realisierung einer Zylinderauswahl durch Masseschalter (Low-Side-Schalter) kann hierdurch das Aktor-Potential (High- und Low-Side) des betrachteten Kraftstoffinjektors, dessen Low-Side-Schalter geöffnet ist, an beiden Anschlüssen auf Ansteuerpotential des einspritzenden Kraftstoffinjektors gehoben werden.
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Bevorzugt ist es aber auch, wenn das Potential an den wenigstens einen Anschluss des Aktors des Kraftstoffinjektors gegenüber Masse angelegt wird, indem bei mehreren, insbesondere allen (für die Brennkraftmaschine) vorhandenen, Kraftstoffinjektoren das Potential an einen Anschluss der Aktoren, insbesondere High-Side, bei geöffneter Verbindung des anderen Anschlusses zu Masse angelegt wird. Hierdurch kann ebenfalls ein Potential an beiden Anschlüssen des Aktors (High- und Low-Side) gegenüber Masse angelegt werden.
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Eine weitere Möglichkeit das Potential an den wenigstens einen Anschluss des Aktors des Kraftstoffinjektors gegenüber Masse anzulegen, besteht darin, an den wenigstens einen Anschluss des Aktors (selbst) das Potential anzulegen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte 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 magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor mit Magnetspule und zugehörigem Sensor.
- 2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor mit zugehörigem Sensor.
- 3a und 3b zeigen Ersatzschaltbilder für die Schaltungsanordnung gemäß 2.
- 4 zeigt schematisch Signalverläufe bei einem Einspritzvorgang.
- 5 zeigt schematisch Signalverläufe bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist beispielhaft und schematisch eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor 110 mit einem als Piezo-Aktor ausgebildeten Aktor 115 und zugehörigem Sensor 120 gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 110 ist einer Brennkraftmaschine 100 zugeordnet. Der Piezo-Aktor 115 dient als Aktor zur Ansteuerung eines Servo-Ventils 116 des Kraftstoffinjektors 110.
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Der Sensor 120 ist dabei in dem Kraftstoffinjektor 110 derart angeordnet, dass beispielsweise ein Druck in einem Steuerraum, der mittels des Servo-Ventils 116 geöffnet werden kann, erfasst werden kann.
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Der Piezo-Aktor 115 ist mit zwei Ansteuerleitungen, einer High-Side-Leitung HS und einer Low-Side-Leitung LS an eine Endstufe 155 einer als Motorsteuergerät 150 ausgebildeten Recheneinheit angebunden. Die High-Side-Leitung HS und die Low-Side-Leitung LS sind hier jeweils über einen Kondensator an Masse angebunden.
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Der Sensor 120, beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor mit einem PiezoElement, ist über zwei Eingänge an das Motorsteuergerät 150 angebunden. Es kann dann insbesondere eine differentielle Auswertung der beiden Eingangssignale durch einen AD-Wandler erfolgen. In dem Motorsteuergerät 150 ist der Sensor 120 zu einer Eingangskapazität Cin parallel geschaltet, gefolgt von einer Eingangsbeschaltung 160, einer positiven Spannung von bspw. +5 V und einem Analog-Digital-Wandler 161.
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Die Eingangsbeschaltung 160 kann, wie gezeigt, Widerstände und eine Kapazität aufweisen. Jedoch ist die genaue Ausgestaltung dieser Eingangsbeschaltung für die vorliegende Erfindung nicht relevant und soll daher nicht detaillierter beschrieben werden.
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Bei der in 1 gezeigten Anordnung bzw. Schaltung handelt es sich um eine solche, wie sie für herkömmliche Einspritzvorgänge und eine Erkennung von charakteristischen Zeiten solcher Einspritzvorgänge bereits genutzt wird. Hier ist insbesondere ein weiterer Kraftstoffinjektor 110' schematisch angedeutet, der mittels der derselben Endstufe 155 wie der Kraftstoffinjektor 110 angesteuert wird.
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In 2 ist erneut die Schaltungsanordnung aus 1 gezeigt, wobei der Einfachheit halber anstatt des Kraftstoffsensors 110 nur noch der für die Schaltungsanordnung relevante Piezo-Aktor 115 dargestellt ist. Der weitere Kraftstoffinjektor ist hier nicht mehr dargestellt.
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Weiterhin sind nun Kapazitäten CHS und CLS eingetragen, die die Kopplung zwischen den High-Side- bzw. Low-Side-Leitungen HS bzw. LS und der Sensorzuleitung für den Sensor 120 darstellen. Diese Kopplungen kommen beispielsweise durch die nahe beieinander liegende und insbesondere üblicherweise parallele Verlegung der meist verdrillten High-Side- und Low-Side-Leitungen und der Sensorleitung zustande. Diese Kopplungen, die sich über die gesamte Leitungslänge ausbilden, lassen sich durch die beiden gezeigten Kapazitäten CHS und CLS in der Schaltungsanordnung darstellen.
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Zusätzlich zu den Kapazitäten CHS und CLS gibt es parallel ohmsche Widerstände RHS und RLS bzw. R'HS und R'LS zwischen Aktor- und Sensorleitungen, die den Isolationswiderstand darstellen.
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In 3a ist ein Ersatzschaltbild für die aus der Schaltungsanordnung aus 2 für die Beschaltung des Sensors 120 relevanten Teile gezeigt. Dabei sind die Kapazitäten CHS und CLS jeweils mit einer zugehörigen Spannungsquelle UHs und ULS , welche die von der Endstufe 155 aufgebrachten Spannungen am Piezo-Aktor 115 darstellen, an eine vereinfachte Darstellung der in 2 gezeigten Beschaltung angebunden. C1 stellt dabei eine Eigenkapazität des Sensors 120, ggf. korrigiert um eine Eingangskapazität der Eingangsbeschaltung 160, dar.
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Sowohl die Schaltungsanordnung aus 2 als auch das Ersatzschaltbild aus 3a zeigen, dass nun dem eigentlichen Sensorsignal des Sensors 120, nämlich der Spannungsquelle U1 , Störeinkopplungen bzw. Störsignale aus den Potentialen UHS und ULS der High-Side- bzw. der Low-Side-Leitung gegen Masse überlagert sind.
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Diese Potentiale können im Motorsteuergerät zwischen verschiedenen Werten geschaltet werden. Zusätzlich kann UHS auch den Wert der Batteriespannung annehmen. Durch diese Überkopplungen bzw. Störeinkopplungen kann das Erkennen charakteristischer Zeitpunkte gestört werden, wenn sich Schaltvorgänge im Motorsteuergerät in zeitlicher Nähe zu diesen Zeitpunkten befinden. Dies ist beispielsweise beim Öffnen des Servo-Ventils der Fall.
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In 3b ist ein weiteres Ersatzschaltbild gezeigt, in dem die Kapazitäten C1 , CHS und CLS zu einer Kapazität C2 = C1 + CHS + CLS zusammengefasst sind. Ebenso sind die zugehörigen Spannungen U1 , UHS und ULS zu U2 = d·F /C2 + CHS·UHS / C2 + CLS·ULS / C2 zusammengefasst. Auf diese Weise kann die an den Eingängen des Analog-Digital-Wandlers 161 anliegende Spannung einfach dargestellt werden.
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In 4 ist schematisch ein Signalverlauf bei einem Einspritzvorgang, bei dem mittels eines solchen Kraftstoffinjektors Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingebracht wird, dargestellt. Hierzu sind beispielhaft eine Spannung U bzw. eine zeitliche Ableitung U' davon über der Zeit t aufgetragen.
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Mit UA ist eine Aktor-Spannung an dem Piezo-Aktor des Kraftstoffinjektors gezeigt, wie sie sich durch das Potential an High-Side und Low-Side gegenüber Masse ergibt, mit R ist die zugehörige Einspritzrate an Kraftstoff gezeigt. Weiterhin ist mit S1 ein Signal gezeigt, das mit dem Sensor bei diesem Einspritzvorgang erfasst wird. Mit S1' ist zudem eine zugehörige Ableitung bzw. ein zugehöriges Ableitungssignal bezeichnet.
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Relevante charakteristische Zeitpunkte sind hier beispielsweise der Einspritzbeginn bzw. Öffnungszeitpunkt to, der durch einen Anstieg der Einspritzrate R gegeben ist, und das Einspritzende bzw. der Schließzeitpunkt ts, der durch einen Abfall der Einspritzrate R gegeben ist. Wie durch einen Vergleich mit der Aktor-Spannung UA zu sehen, die bereits zum Zeitpunkt tR anliegt, gibt es hierbei keinen direkten Zusammenhang zwischen Öffnungszeitpunkt bzw. Schließzeitpunkt und dem Ansteuern des Aktors.
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Vielmehr lassen sich der Öffnungszeitpunkt prinzipiell durch die stark abfallende Flanke des Signals S1 und der Schließzeitpunkt durch eine stark ansteigende Flanke des Signals S1 erkennen. In der zugehörigen Ableitung bzw. dem Ableitungssignal S'1 entspricht dies den an sich einfach zu detektierenden globalen Extrema, nämlich dem Minimum für den Öffnungszeitpunkt und dem Maximum für den Schließzeitpunkt.
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Weiterhin ist aber auch zu sehen, dass das Signal S1 sowie auch dessen Ableitung S'1 bereits vor dem Öffnungszeitpunkt einen gewissen Anstieg aufweisen. Dies ist auf Störeinkopplungen, wie sie vorstehend erläutert wurden, zurückzuführen. An den Signalverläufen ist entsprechend auch zu erkennen, dass diese Störeinkopplungen eine Erkennung der charakteristischen Zeitpunkte erschweren können.
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In 5 sind schematisch Signalverläufe bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist eine Spannung U über der Zeit t aufgetragen. Oben ist dabei eine Aktor-Spannung UA an dem Piezo-Aktor gezeigt, wie sie sich durch Ansteuern eines anderen Kraftstoffinjektors an derselben Endstufe ergibt. Wie erwähnt, wird auch hierdurch das Potential am (nicht angesteuerten) Aktor angehoben.
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Weiterhin sind mit S2 , S3 und S4 jeweils Signale gezeigt, die währenddessen mit dem Sensor erfasst werden, und zwar für einen geringen Isolationswiderstand der Leitung des Sensors (Signal S2 ), einen mittleren Isolationswiderstand (Signal S3 ) und einen hohen Isolationswiderstand (Signal S4 ).
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Hierbei zeigt sich also, dass beispielsweise die Amplitude A, hier beispielhaft für das Signal S3 eingezeichnet, umso größer ist, je geringer der Isolationswiderstand ist. Damit kann beispielsweise die Amplitude dieses Signals als ein Maß für die Störeinkopplung - und damit prinzipiell für verschiedene Arten von Störeinkopplungen auf die Leitungen des Sensors, da dies auf deren Isolationswiderstand zurückgeht - verwendet werden.
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Basierend darauf kann dann beispielsweise eine Korrektur des Signals während eines Einspritzvorgangs, beispielsweise am Signal S1 gemäß 4, vorgenommen werden. Denkbar ist hierzu, ein Korrektursignal in der Form eines der Signale S2 bis S4 mit Beginn der Ansteuerung des Aktors bei einem Einspritzvorgang (vgl. Zeitpunkt tR in 4) vom Signal S1 abzuziehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2944799 A1 [0004]
- DE 102015212119 A1 [0005]
