DE102021205382A1

DE102021205382A1 - Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102021205382A1
Application number: DE102021205382.3A
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Holger Rapp; Metin Gencbay; Anastasios Manoussopoulos; Torsten Leukert; Stephan Kuebler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, für welchen Einspritzvorgang an einen Aktor des Kraftstoffinjektors ein Ansteuersignal angelegt wird, wobei ein Signal (S) eines Sensors erfasst wird, der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors zu erfassen, wobei ein synthetisches Störsignal (Ss) gebildet wird, das eine Einwirkung von Kriechströmen, die vom Ansteuersignal des Aktor verursacht werden, auf den Sensor, zumindest teilweise nachbildet, wobei das Signal (S) des Sensors unter Verwendung des synthetischen Störsignals (Ss) korrigiert wird, um ein korrigiertes Signal (SK) zu erhalten, und wobei anhand des korrigierten Signals (SK) auf den charakteristischen Zeitpunkt des Einspritzvorgangs geschlossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
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.
Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen das Öffnen und Schließen direkt durch Magnetventile, Piezoaktoren oder dergleichen erfolgt, können zum Erfassen solcher charakteristischer Zeitpunkte oft die elektrischen Ansteuergrößen verwendet werden.
Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen zunächst ein Servoventil angesteuert wird, besteht hingegen kein direkter Zusammenhang zwischen den elektrischen Ansteuergrößen des Kraftstoffinjektors und den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkten des Einspritzventils. Daher können bei solchen Kraftstoffinjektoren zusätzliche Sensoren, deren Signale beispielsweise vom Kraftstoffdruck in einem Steuerraum oder in einer Hochdruckleitung des Kraftstoffinjektors beeinflusst werden, verwendet werden.
Bei einem Kraftstoffinjektor können die Anschlussspins bzw. die elektrischen Anschlüsse sowohl des Aktors (z.B. Piezoaktor) als auch des Sensors in einem elektrischen Stecker zusammengefasst sein, der mit einer isolierenden Kunststoffumspritzung versehen ist. Dadurch sind im Normalfall die Aktor- und Sensorpins elektrisch voneinander getrennt. Der Kunststoff der Umspritzung kann aber ggf. bis zu einer gewissen Konzentration Wasserdampf aufnehmen (typischerweise im warmen Zustand) und weist dann eine gewisse Leitfähigkeit auf. Dies führt dazu, dass dann eine zwar sehr hochohmige, aber relevante elektrische Verbindung zwischen Aktor- und Sensorpins besteht. Dies kann zu Kriechströmen führen, die als Störung auf das Sensorsignal einwirken.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine 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.
Die Erfindung basiert auf der Maßnahme, das Signal eines Sensors, der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors zu erfassen, insbesondere ein Spannungssignal, unter Verwendung eines synthetischen Störsignals, das eine Einwirkung von Kriechströmen auf das Sensorsignal, welche Kriechströme vom Ansteuersignal des Aktors verursacht werden, zumindest teilweise (und insbesondere möglichst genau) nachbildet, zu korrigieren. Dies ermöglicht bei solchen Kraftstoffinjektoren eine möglichst genaue Erfassung von charakteristischen Zeitpunkten von Einspritzvorgängen.
Als charakteristische Zeitpunkte kommen hier insbesondere ein Öffnungszeitpunkt und ein Schließzeitpunkt einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors in Betracht. Als Aktor kommt insbesondere ein Piezoaktor für die Betätigung eines Servo- oder Schaltventils, wie eingangs erwähnt, in Betracht; denkbare wäre aber auch ein Magnetaktor.
Mittels eines solchen Sensors können insbesondere Verformungen eines Haltekörpers in der Nähe einer Hochdruckbohrung des Kraftstoffinjektors detektiert werden. Der Sensor kann dabei z.B. als Piezo-Sensor ausgebildet sein, der dann eine entsprechende Spannung ausgibt (ein solcher Sensor wird auch als „Needle-Closing-Sensor“ bzw. NCS bezeichnet).
Wie erwähnt, können bei einem solchen Kraftstoffinjektor die Anschlussspins bzw. die elektrischen Anschlüsse sowohl des Aktors als auch des Sensors in einem elektrischen Stecker zusammengefasst sein, der mit einer isolierenden Kunststoffumspritzung versehen ist. Bei Ansteuerung des Aktors kann es dabei zu unerwünschten Kriechströmen kommen, die als Störung auf das vom Sensor erzeugte Signal einwirken. Solche Kriechströme können letztlich nicht nur im Stecker auftreten, sondern überall dort, wo es (vergleichbare) hochohmige elektrische Verbindungen (bzw. eigentlich Isolierungen, die trotzdem eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen) gibt.
Besonders relevant sind dabei, wie sich gezeigt hat, Ströme, die vom Aktoranodenpin zu den Sensorpins fließen, da der Aktoranodenpin bei angesteuertem Aktor eine erhebliche Potentialdifferenz zu den Sensorpins aufweist. Da sich die beiden Senorpins in aller Regel in unterschiedlicher Entfernung zum Aktoranodenpin befinden, weisen auch die beiden entsprechenden Widerstände (jeweils zwischen einem der Sensorpins und dem Aktoranodenpin) unterschiedliche Werte auf. Demzufolge weisen die zu den beiden Sensorpins fließenden Kriechströme unterschiedliche Werte auf, sodass deren von null verschiedene Differenz Auswirkungen auf das Sensorsignal selbst hat. Dies bewirkt die Überlagerung eines Störsignals auf das eigentliche Sensorsignal. Insbesondere bei Funktionen, die auf einer quantitativen Auswertung des Sensorsignals beruhen, kann deren Genauigkeit durch eine solche Störeinkopplung negativ beeinflusst werden. Dies gilt je nach Detektionsalgorithmus insbesondere auch für die erwähnte Erfassung von charakteristischen Zeitpunkten von Einspritzvorgängen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass das Ansteuersignal des Aktors beim Sensor bzw. im Sensorsignal einen Störanteil erzeugt, der mehr oder weniger von null beginnend mit der Zeit ansteigt, also ein Verhalten wie bei einem Tiefpass erster Ordnung zeigt. Dies lässt sich durch die während des Anliegens der Ansteuerspannung kontinuierliche fließenden Kriechströme und das dadurch hervorgerufene Aufladen des Sensors bzw. von Kondensatoren in dessen Erfassungsschaltung erklären.
Insofern wird das Störsignal insbesondere durch ein synthetisches Störsignal nachgebildet, das mit der Zeit ansteigt, insbesondere von Null beginnend. Um ein solches synthetisches Störsignal zu erhalten wird bevorzugt zunächst ein synthetisches Ansteuersignal gebildet, das das Ansteuersignal für den Aktor des Kraftstoffinjektors zumindest teilweise nachbildet, und das dann über einen Tiefpass erster Ordnung (PT1-Glied) geführt wird. Dieser Tiefpass erster Ordnung weist dabei insbesondere einen Verstärkungsfaktor auf, der von einem Überkoppelfaktor abhängt, der ein Maß der Einwirkung der Kriechströme, die vom Ansteuersignal des Aktors verursacht werden, auf den Sensor, angibt. Damit ist eine besonders genaue Nachbildung des tatsächlichen Störsignals möglich, was letztlich zu einer besonders genauen Erfassung des eigentlichen Sensorsignals führt.
Zum Bestimmen des Überkoppelfaktors wird vorteilhafterweise eine Ansteuerung des Aktors mit einem Ansteuersignal mit einer Spannung vorgenommen, bei der der Kraftstoffinjektor nicht öffnet. Dies kann z.B. initial bei Inbetriebnahme oder auch wiederholt, z.B. regelmäßig vorgenommen werden. Die Spannung ist hierbei insbesondere gegenüber einer regulären Spannung, bei der der Kraftstoffinjektor öffnet, reduziert (in der Amplitude). Dann wird ein vom Sensor erzeugtes Signal erfasst und es wird dessen Steigung bestimmt, insbesondere kurz nach Ende des Ladevorgangs des Aktors (bei einem Piezoaktor). Diese Steigung wird dann ins Verhältnis zur Amplitude der reduzierten Spannung gesetzt; insbesondere wird die Steigung durch die Amplitude geteilt. Damit kann der Überkoppelfaktor besonders genau bestimmt werden, der dann auch im Tiefpass erster Ordnung verwendet werden kann. Für detailliertere Erläuterungen, insbesondere auch zu verschiedenen Möglichkeiten, die erwähnte Steigung zu bestimmen, sei auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Typischerweise wird das Signal des Sensors gefiltert, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters. Dies gilt unabhängig von dem speziellen Tiefpass erster Ordnung zur Bildung des synthetischen Störsignals. Diese Filterung kann insbesondere auf die gleiche Weise, also insbesondere mittels desselben bzw. eines gleichartigen Tiefpassfilters für das synthetische Ansteuersignal erfolgen, und zwar bevor das Signal des Sensors unter Verwendung des synthetischen Störsignals korrigiert wird, welches ja aus einem (dann gefilterten bzw. geglätteten) synthetischen Ansteuersignal gebildet bzw. gewonnen wird.
Alternativ ist es aber auch bevorzugt, dass zwar das Signal des Sensors unter Verwendung des synthetischen Störsignals korrigiert wird, aber erst danach das dann schon korrigierte Signal gefiltert wird, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters. Dann kann mittels des gefilterten, korrigierten Signals auf den charakteristischen Zeitpunkt des Einspritzvorgangs geschlossen werden. Damit kann die Anzahl der Berechnungen des Tiefpassfilters halbiert werden.
Vorzugsweise weist das synthetische Ansteuersignal einen (zumindest im Wesentlichen) trapezförmigen Verlauf auf, wobei eine Dauer einer steigenden Flanke in Abhängigkeit von einer Ladezeit des Aktors und/oder eine Dauer einer fallenden Flanke in Abhängigkeit von einer Entladezeit des Aktors vorgegeben werden, und/oder wobei ein zeitlicher Abstand zwischen einem Beginn der steigenden Flanke und einem Beginn der fallenden Flanke in Abhängigkeit von einer Ansteuerdauer des Aktors vorgegeben wird. Bei dieser Ausgestaltung kann insbesondere aus dem Signalverlauf in einem ersten Zeitintervall unmittelbar nach Ansteuerbeginn des Injektors die Amplitude und aus der bekannten Ansteuerdauer die Dauer des Störsignals ermittelt werden.
Das synthetische Ansteuersignal kann dem tatsächlichen Ansteuersignal, also dem qualitativen Verlauf der Aktorspannung, auch anders (oder genauer) nachgebildet werden als (nur) durch einen trapezförmigen Verlauf. So kann z.B. ein Überschwingen der Spannung am Ende der Ladeflanke (bzw. der ansteigenden Flanke) mitberücksichtigt werden und/oder auch das Schwingen der Spannung zwischen Lade- und Entladeflanke.
Das synthetische Ansteuersignal kann generell zunächst auch nur mit einem normierten Verlauf, z.B. in Trapezform, gebildet und dann skaliert werden, und zwar derart, dass ein für den relevanten Ansteuervorgang erwartetes Ansteuersignal (hinsichtlich der Amplitude) möglichst gut nachgebildet wird.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1a zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
1b zeigt eine Schnittansicht eines Steckers des Kraftstoffinjektors aus 1a.
2 und 3 zeigen Ersatzschaltbilder für einen Aktor und einen Sensor mit Beschaltung.
4 zeigt Strom- und Spannungsverläufe zur Veranschaulichung der Grundlagen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt einen Vergleich von Signalen ohne und mit Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1a ist beispielhaft eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor 110 mit einem als Piezoaktor ausgebildeten Aktor 115 und zugehörigem Sensor 120 gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 110 ist einer Brennkraftmaschine 100 zugeordnet. Der Aktor 115 dient zur Ansteuerung eines Servoventils in dem Kraftstoffinjektor 110.
Der Sensor 120 ist z.B. an einem Hochdruckkanal in dem Kraftstoffinjektor 110 derart angeordnet, dass das Sensorsignal auf Druckänderungen in diesem Hochdruckkanal reagiert, wodurch dann auf charakteristische Zeitpunkte von Einspritzvorgängen mittels des Kraftstoffinjektors 115 wie Öffnen und Schließen der Ventilnadel geschlossen werden kann.
Der 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. Der Sensor 120 ist über zwei Leitungen L₁, L₂ an das Motorsteuergerät 150 angebunden. In dem Motorsteuergerät 150 ist der Sensor 120 an eine Eingangsbeschaltung 160 angebunden.
Am Kraftstoffinjektor 110 ist zudem schematisch ein Stecker 130 gezeigt, über den die High-Side-Leitung HS und Low-Side-Leitung LS für den Aktor, also auch die beiden Sensorleitungen L₁, L₂ angeschlossen sind.
In 1b ist eine Schnittansicht dieses Steckers 130 gezeigt. Dort sind beispielhaft vier Pins bzw. Anschlusspins 131, 132, 133 und 134 gezeigt, wobei Pin 131 der Aktoranodenpin ist, Pin 132 der Aktorkathodenpin und die beiden Pins 133, 134 für den Sensor bzw. die Leitungen L₁, L₂ vorgesehen sind.
Die elektrischen Anschlüsse sowohl des Aktors als auch des Sensors sind damit also in dem elektrischen Stecker 130 zusammengefasst, der mit einer isolierenden Kunststoffumspritzung 138 versehen ist. Dadurch sind im Normalfall die Aktor- und die Sensorpins elektrisch voneinander getrennt. Der Kunststoff der Umspritzung ist aber typischerweise in der Lage, bis zu einer gewissen Konzentration Wasserdampf aufzunehmen und weist dann insbesondere im warmen Zustand eine gewisse Leitfähigkeit auf. Dies führt dazu, dass in diesem Zustand eine zwar sehr hochohmige, aber relevante elektrische Verbindung zwischen Aktor- und Sensorpins besteht. Dies führt zu Kriechströmen, insbesondere ausgehend vom Aktoranodenpin 131 zu den anderen Pins, wie hier mittels Pfeilen I gezeigt.
In 2 ist ein Ersatzschaltbild für das Steuergerät 150 (mit Beschaltungen), elektrische Leitungen 170 sowie Aktor 115 und Sensor 120 dargestellt. Dort ist im unteren Teil die Verschaltung des Sensors 120 über den Kabelbaum mit einem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers mit Eingangskapazitäten C_in und Eingangswiderständen RADC und BIAS-Spannung U_Bias (Teil der Eingangsbeschaltung 160 gemäß 1) im Steuergerät 150 dargestellt. Der Sensor 120 ist durch sein Ersatzschaltbild repräsentiert. Dieses besteht aus einem Kondensator mit der Kapazität C_sens und einer Stromquelle mit dem variablen Sensorstrom i_sens. Damit kann der Vorgang der resistiven Störeinkopplung der Aktorspannung auf das Sensorsignal näher beschrieben werden.
Im Ruhezustand gilt i_sens = 0. Verformt sich der Sensor 120, so nimmt i_sens einen zur Verformungsgeschwindigkeit proportionalen Wert an. Mit diesem Strom werden die Kapazität C_sens und die Reihenschaltung aus den beiden Eingangskapazitäten C_in geladen. Über die Eingangswiderstände R_ADC der ADC-Wandlereingänge fließt von jedem der beiden Sensorpins wiederum ein jeweils zur Differenz aus Sensorpinpotenzial und BIAS-Spannung proportionaler Strom ab. Während der Mittelwert dieser beiden Ströme lediglich eine Potenzialverschiebung zur Folge hat und keinen Einfluss auf die Sensorspannung selbst ausübt, wirkt die halbe Differenz u_sens/(2·R_ADC) dieser beiden Ströme äquivalent zu i_sens, aber mit negativem Vorzeichen auf die Sensorspannung. Die Sensorspannung ergibt sich folglich gemäß der Differentialgleichung $u_{s e n s} = \frac{1}{C_{s e n s} + \frac{C_{i n}}{2}} \cdot \int (i_{s e n s} - \frac{u_{s e n s}}{2 \cdot R_{A D C}}) d t bzw .$
$u_{s e n s} + (2 \cdot C_{s e n s} + C_{i n}) \cdot R_{A D C} \cdot \frac{d u_{s e n s}}{d t} = 2 \cdot R_{A D C} \cdot i_{s e n s}$
und ist damit proportional zur Verformung des Sensors 120 nach Filterung über einen Hochpass erster Ordnung mit der Zeitkonstante $T = (2 \cdot C_{s e n s} + C_{i n}) \cdot R_{A D C} .$
Während einer Einspritzung wird der Aktor des betreffenden Kraftstoffinjektors geladen und wieder entladen. Dabei ist der Minuspol des Aktors mit Masse verbunden, während das Potential des Aktor-Pluspols angehoben und am Ende der Ansteuerung wieder auf null abgesenkt wird. Dasselbe Potential weist auch der Aktoranodenpin im elektrischen Stecker des Kraftstoffinjektors auf.
Weist die Steckerumspritzung nun z.B. aufgrund aufgenommener Feuchtigkeit eine geringfügige (elektrische) Leitfähigkeit auf, so fließen Kriechströme vom Aktoranodenpin zu den beiden Sensorpins. Das zugehörige Kriechstromfeld ist beispielhaft in 1b gezeigt. Für das Ersatzschaltbild in 2 sind davon lediglich die in die beiden Sensorpins einkoppelnden Kriechströme iR+ und i_R- relevant, so dass eine Leitfähigkeit der Steckerumspritzung im Ersatzschaltbild durch die beiden Widerstände R_p+ und R_p- zwischen dem Aktoranodenpin und den beiden Sensorpins abgebildet werden kann. In die Sensorpins koppeln folglich die Störströme $i_{R +} = \frac{u_{A k t o r}}{R_{p^{+}}} und i_{R -} = \frac{u_{A k t o r}}{R_{p^{-}}}$
ein. Die Differenz dieser beiden Ströme wirkt sich zusätzlich zum gewünschten Strom i_sens auf die Sensorspannung aus, und zwar gemäß dem in 3 gezeigten Ersatzschaltbild. Sie entspricht der Wirkung einer zum Sensor 120 parallel geschalteten Stromquelle $i_{s t \ddot{o} r} = \frac{i_{R +} - i_{R -}}{2} = \frac{R_{p^{-}} - R_{p^{+}}}{2 \cdot R_{p^{+}} \cdot R_{p^{-}}} \cdot u_{A k t o r} .$
Dadurch enthält die Sensorspannung eine der gewünschten Spannung überlagerte Störkomponente, die der Differentialgleichung $u_{s e n s} + T \cdot \frac{d u_{s e n s}}{d t} = 2 \cdot R_{A D C} \cdot i_{s t \ddot{o} r} = \frac{R_{A D C} \cdot (R_{p -} + R_{p +})}{R_{p +} \cdot R_{p -}} \cdot u_{A k t o r}$
genügt. Dies bedeutet, dass der Störanteil der Sensorspannung der Aktorspannung gemäß dem Verhalten eines Tiefpasses mit der Verstärkung $\frac{R_{A D C} \cdot (R_{p -} - R_{p +})}{R_{p +} \cdot R_{p -}}$
und der Zeitkonstante T folgt. Steigt die Aktorspannung u_Aktor also beispielsweise innerhalb einer Zeitdauer T_Rampe << T auf einen Endwert u_Aktor an und verweilt dann auf diesem Wert, so weist die Sensorspannung unmittelbar nach Ende der Anstiegsflanke der Aktorspannung u_Aktor näherungsweise die Steigung $\frac{d u_{s e n s}}{d t} = \frac{R_{p -} - R_{p +}}{2 \cdot (C_{s e n s} + C_{i n}) \cdot R_{p +} \cdot R_{p -}} \cdot U_{A k t o r} = K_{R} \cdot U_{A k t o r}$
auf, wobei diese Steigung in der Folge gemäß einer Exponential-Funktion mit der Zeitkonstante T abklingt.
In 4 sind beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe i_Aktor, u_Aktor und u_sens zur Veranschaulichung der Grundlagen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, jeweils über einer Zeit t in µs. Dabei sind im oberen Diagramm nur der Stromverlauf, im mittleren Diagramm die Aktor- bzw. Ansteuerspannung S_A,1, die gefilterter Aktorspannung S_A,2 und eine über einen Tiefpass erster Ordnung geführte Aktorspannung S'_A und im unteren Diagramm die im Steuergerät gemessene Sensorspannung S_S,1 und die gefilterte Sensorspannung S_S,2 gezeigt.
Damit ist im unteren Diagramm ein Störsignal nahezu ohne zusätzliches Nutzsignal zu sehen. Dies wurde beispielhaft während einer Ansteuerung mit abgesenkter Aktorspannung gemessen, wobei bei dieser Messung die Steckerumspritzung trocken war und die Kriechströme nachgebildet wurden, indem reale Widerstände R_p+ und R_p- (mit Werten von z.B. mehreren MΩ; wobei die beiden Widerstände voneinander verschiedene Werte aufweisen) zwischen Aktoranodenpin und die jeweiligen Sensorpins geschaltet wurden. Durch die abgesenkte Aktorspannung wird erreicht, dass das Servoventil des Kraftstoffinjektors nicht öffnet und somit auch keine hydraulischen Druckwellen in der Hochdruckbohrung des Kraftstoffinjektors ausgelöst werden, die ein Sensor-Nutzsignal erzeugen könnten.
In einem ersten Schritt kann dann eine derartige Ansteuerung mit abgesenkter Ansteuerspannung abgesetzt werden. Dabei ist das Spannungs- bzw. Ladungsniveau derart gewählt, dass das Servoventil des Kraftstoffinjektors vollständig geschlossen bleibt. Das zugehörige Sensorspannungssignal wird gemessen und über das zur Rauschunterdrückung verwendete, digitale Tiefpassfilter geführt. Nun wird aus diesem gefilterten Sensorspannungssignal u_sens (siehe unteres Diagramm in 4, S_S,2) der Überkoppelfaktor K_R bestimmt, indem die Steigung der Sensorspannung kurz nach Ende des Ladevorgangs des Aktors bestimmt und durch die Aktorspannungsamplitude dividiert wird. Die Bestimmung von KR erfolgt also grundsätzlich entsprechend der Gleichung $K_{R} = \frac{\frac{d u_{s e n s}}{d t}}{U_{A k t o r}},$
wobei du_sens/dt hier nicht allgemein den Gradienten der Sensorspannung zu einem beliebigen Zeitpunkt bzw. dessen zeitlichen Verlauf bezeichnet, sondern konkret den Steigungswert unmittelbar nach Ende der Ladeflanke des Aktors.
Zur Bestimmung dieses Gradienten du_sens/dt seien hier beispielhaft verschiedene Methoden angeführt. Der Gradient kann zu einem Zeitpunkt t₁ unmittelbar nach Ende der Ladeflanke direkt durch zeitliches Ableiten der Sensorspannung berechnet werden. Da direktes Ableiten aber als Hochpass wirkt und das Sensorsignal stets auch hochfrequentes Rauschen enthält, wird dies zu einer Verstärkung dieser Rauschsignale und zu einem eher ungenauen Ergebnis für KR führen. Dass ggf. zusätzlich noch ein kleiner, zu u_sens proportionaler Strom über den Eingangswiderstand RADC des Analog-Digital-Wandlers abfließt, kann hier vernachlässigt werden, da dies zum Verständnis der Phänomene und der Abhilfemaßnahme nicht beiträgt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in einem Zeitintervall [t₁; t₂] die Steigung der Ausgleichsgerade zu bestimmen, mit der das Sensorspannungssignal in diesem Zeitintervall mit kleinster quadratischer Abweichung angenähert werden kann. Dabei ist t₂ > t₁ und beide Zeitpunkte liegen zwischen dem Ende der Ladeflanke und dem Beginn der Entladeflanke des Aktors.
Weiter kann in einem solchen Zeitintervall anstelle der Steigung einer Ausgleichsgerade auch der Steigungsquotient $\frac{u_{s e n s} (t_{2}) - u_{s e n s} (t_{1})}{t_{2} - t_{1}}$
gebildet werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, als Spannungswert zu einem Zeitpunkt t_i nicht den Momentanwert der Sensorspannung zu diesem Zeitpunkt zu verwenden, sondern den Mittelwert der Sensorspannung in einem Intervall [t_iΔt; t_i+Δt] zu verwenden. So lässt sich die Genauigkeit des ermittelten Überkoppelfaktors K_R weiter erhöhen.
Da das Abklingen des Sensorsignalgradienten aufgrund des Tiefpassverhaltens mit der Zeitkonstante T bei Verwendung einer gemittelten Steigung in einem Intervall [t₁; t_2] als du_sens/dt bereits einen nennenswerten Einfluss auf diese gemittelte Steigung haben kann, aber eigentlich die Steigung unmittelbar nach Ende der Ladeflanke gesucht wird, kann es von Vorteil sein, diese gemittelte Steigung noch mit einem Faktor $exp (\frac{t_{1} + t_{2}}{2 T})$
zu multiplizieren, um es erst danach als du_sens/dt zu verwenden. Dies sind Beispiele, wie auf vorteilhafte Weise der Sensorspannungsgradient ermittelt werden kann. Die Auflistung ist jedoch nicht abschließend
An Stelle des gefilterten Sensorsignals am Ausgang des digitalen Tiefpassfilters kann auch das ungefilterte Sensorsignal an dessen Eingang als u_sens verwendet werden (siehe 4, unteres Diagramm, S_S,1). In diesem Fall ist aber wegen der dann fehlenden Rauschunterdrückung im Sensorsignal mit einer geringeren Genauigkeit bei der Bestimmung von KR zu rechnen.
Weiter wird nun zur Korrektur eines weiteren, bei einer echten Einspritzung gemessenen Sensorsignals in einem zweiten Schritt ein nachgebildeter, z.B. normierter Aktorspannungsverlauf (für das synthetische Ansteuersignal) generiert. Im vorliegenden Beispiel ist dieser als trapezförmiger Signalverlauf mit der Amplitude eins ausgeführt, wobei die Dauer der ansteigenden Flanke durch die Ladezeit und jene der fallenden Flanke durch die Entladezeit vorgegeben ist. Der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn der Lade- und dem Beginn der Entladeflanke wird gleich der Ansteuerdauer parametriert.
In 5 ist schematisch ein Ablauf eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Der obere Bereich bis zur Summationsstelle zeigt das gemessene Signal S des Sensors, das über einen digitalen Tiefpass bzw. Tiefpassfilter F geführt wird. So entsteht ein gefiltertes Signal.
Zudem wird ein nachgebildeter, insbesondere normierter Aktorspannungsverlauf, also ein synthetisches Ansteuersignal S_A,S gebildet bzw. generiert. Dieser normierte Spannungsverlauf wird nun über ein zu jenem für das Signal identischen digitalen Tiefpass F geführt. Das so entstehende, weiterhin normierte Signal wird nun mit der erwarteten Aktorspannungsamplitude u_Aktor multipliziert und so skaliert.
Dieses skalierte und gefilterte nachgebildete Aktorspannungssignal wird nun über einen Tiefpass erster Ordnung, TP, mit der Zeitkonstante T und der Verstärkung K_R·T geführt. An dessen Ausgang steht so das nachgebildete Störsignal Ss an. Dieses wird nun in einem dritten Schritt von dem über das digitale Tiefpassfilter gefilterten Sensorspannungssignal subtrahiert. So entsteht das im Wesentlichen von der Störeinkopplung befreite, korrigiere Signal S_K.
Dieser Ablauf kann auch variiert werden. Die (normierte) synthetische Ansteuerspannung kann dem qualitativen Verlauf der Aktorspannung auch anders nachgebildet werden als durch einen trapezförmigen Verlauf. So kann z.B. das Überschwingen der Spannung am Ende der Ladeflanke mitberücksichtigt werden oder auch das Schwingen der Spannung zwischen Lade- und Entladeflanke. Reale Aktorspannungsverläufe sind in 4 im mittleren Diagramm zu sehen.
Im Ablauf können die Skalierung der zunächst normierten synthetischen Ansteuerspannung und die beiden Filterungen der nachgebildeten normierten Aktorspannung über das digitale Tiefpassfilter sowie über den Tiefpass erster Ordnung, der das Überkoppelverhalten nachbildet, beliebig untereinander getauscht oder zusammengefasst werden.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das nachgebildete Störsignal nur durch Skalieren der normierten nachgebildeten Aktorspannung und filtern über den Tiefpass erster Ordnung mit der Zeitkonstante T und der Verstärkung K_R·T zu bilden, dieses dann vom Sensorsignal (NCS-Rohsignal) zu subtrahieren und erst die so ermittelte Differenz über das digitale Tiefpassfilter zu führen. So kann die Anzahl der Berechnungen des digitalen Tiefpassfilters halbiert werden.
Aus dieser Art der Korrektur kann auch eine weitere Variante der Bestimmung von KR bzw. K_R·T abgeleitet werden. Hierzu wird bei einer Ansteuerung gemäß 4 - also mitabgesenkter Aktorspannung ohne Öffnen des Servoventils - zunächst die normierte Aktorspannung wie in 5 unten links dargestellt synthetisiert. Diese wird dann über das digitale Tiefpassfilter (das auch das Sensorsignal durchläuft) gefiltert und mit der Aktorspannungsamplitude multipliziert. So entsteht eine synthetisierte, gefilterte Aktorspannung.
Diese wird nun über einen Tiefpass erster Ordnung mit der Zeitkonstanten T und der Verstärkung 1, Übertragungsfunktion 1/(1+pT), geführt. Dessen Ausgangssignal sei mit y bezeichnet. Wird dann der Quotient $\frac{u_{s e n s} (t_{2}) - u_{s e n s} (t_{1})}{y {(t)}_{2} - y (t_{1})}$
gebildet, so wird K_R·T erhalten, woraus durch Division durch T dann auch der Faktor K_R selbst gewonnen werden kann. Die Festlegung von t₂ und t₁ erfolgt dabei so, wie bereits oben beschrieben, anstelle der Momentanwerte der Signale zu diesen Zeitpunkten können auch gemittelte oder gefilterte Werte aus Zeitintervallen um diese Zeitpunkte herum als u_sens bzw. y(t) verwendet werden.
In 6 ist ein Vergleich von Signalen ohne (oberes Diagramm) und mit (unteres Diagramm) Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, und zwar als Sensorspannung u_sens über einer Zeit t. Dargestellt sind oben die gefilterten NCS-Signale eines Kraftstoffinjektors bei sechs verschiedenen Drücken. Dabei ist in jedem der sechs Prüfpunkte das NCS-Signal dreimal gemessen und dargestellt, und zwar jeweils einmal ohne Kriechströme (strichpunktierte Linien, trockene Steckerumspritzung), einmal mit Kriechströmen, die zu einer positiven Störeinkopplung führen (strichlierte Linien) und einmal mit Kriechströmen, die zu einer negativen Störeinkopplung führen (durchgezogene Linien). Die Abweichung zwischen den Signalen gleicher Prüfpunkte bei unterschiedlich ausgeprägten Kriechströmen ist deutlich zu sehen.
Im unteren Diagramm sind dieselben Signale nach erfindungsgemäßer Korrektur in bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Die Abweichungen zwischen den Signalen aufgrund unterschiedlicher Kriechströme sind nahezu verschwunden.
Die Zeitkonstante T ergibt sich aus der Sensorkapazität und den Parametern der Steuergeräte-Eingangsbeschaltung und kann damit als mit ausreichender Genauigkeit bekannt vorausgesetzt werden. Mit t₀ ist zudem beispielhaft ein Öffnungszeitpunkt dargestellt, der aus dem Sensorsignal abgelesen werden kann.
Wird die vorgeschlagene Korrektur auf das in 4 dargestellte Signal zur Ermittlung von K_R selbst angewandt, so kann aus dem korrigierten Signal ein kapazitiver Überkoppelfaktor K_C ermittelt werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Differenz zwischen dem korrigierten Signal zu einem Zeitpunkt nach Ende der Aktor-Ladeflanke und zu einem Zeitpunkt vor Beginn der Aktorladeflanke gebildet und durch die Aktorspannungsamplitude u_Aktor dividiert wird. Soll das kapazitive Überkoppeln später in anderen Signalen korrigiert werden, so kann diese Korrektur derart erfolgen, dass durch Multiplikation der dann verwendeten Aktorspannungsamplitude mit K_C die Störsignalamplitude eines kapazitiv einkoppelnden Störsignals (z.B. über die Koppelkapazitäten zwischen den Leitungen) gebildet wird und diese dann zur Korrektur des kapazitiv überkoppelnden Störsignals verwendet wird.

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes (t_o) eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors (110) einer Brennkraftmaschine (115), für welchen Einspritzvorgang an einen Aktor (115) des Kraftstoffinjektors (110) ein Ansteuersignal (S_A,1) angelegt wird, wobei ein Signal (S) eines Sensors (120) erfasst wird, der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors (110) zu erfassen, wobei ein synthetisches Störsignal (Ss) gebildet wird, das eine Einwirkung von Kriechströmen, die vom Ansteuersignal des Aktors (115) verursacht werden, auf den Sensor (120), zumindest teilweise nachbildet, wobei das Signal (S) des Sensors unter Verwendung des synthetischen Störsignals (Ss) korrigiert wird, um ein korrigiertes Signal (S_K) zu erhalten, und wobei anhand des korrigierten Signals (S_K) auf den charakteristischen Zeitpunkt (to) des Einspritzvorgangs geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das synthetische Störsignal (Ss) als ein mit der Zeit ansteigendes, insbesondere von Null beginnendes, Signal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Erzeugen des synthetischen Störsignals (Ss) ein synthetisches Ansteuersignal (S_A,S) gebildet wird, das das Ansteuersignal für den Aktor (115) des Kraftstoffinjektors zumindest teilweise nachbildet, und das dann über einen Tiefpass (TP) erster Ordnung geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Tiefpass (TP) erster Ordnung einen Verstärkungsfaktor aufweist, der von einem Überkoppelfaktor abhängt, der ein Maß der Einwirkung der Kriechströme, die vom Ansteuersignal des Aktors (115) verursacht werden, auf den Sensor, angibt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Überkoppelfaktor bestimmt wird, indem eine Ansteuerung des Aktors (115) mit einem Ansteuersignal mit einer Spannung vorgenommen wird, bei der der Kraftstoffinjektor (110) nicht öffnet, ein dabei vom Sensor erzeugtes Signal erfasst wird, dessen Steigung bestimmt wird, und die Steigung ins Verhältnis zur Amplitude (U_Aktor) der verwendeten Spannung gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das synthetische Ansteuersignal (S_A,S) einen trapezförmigen Verlauf aufweist, wobei eine Dauer einer steigenden Flanke in Abhängigkeit von einer Ladezeit des Aktors und/oder eine Dauer einer fallenden Flanke in Abhängigkeit von einer Entladezeit des Aktors vorgegeben werden, und/oder wobei ein zeitlicher Abstand zwischen einem Beginn der steigenden Flanke und einem Beginn der fallenden Flanke in Abhängigkeit von einer Ansteuerdauer des Aktors vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Signal (S) des Sensors und das synthetische Ansteuersignal (S_A,S) jeweils auf die gleiche Weise gefiltert werden, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters (F), bevor das Signal (S) des Sensors unter Verwendung des synthetischen Störsignals (Ss) korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 wobei das Signal (S) des Sensors unter Verwendung des synthetischen Störsignals (Ss) korrigiert wird, um das korrigierte Signal (S_K) zu erhalten, und danach das korrigierte Signal (S_K) gefiltert wird, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters.
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.