Beschreibung
Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betrieb einer Einspritzanlage
Die Erfindung betrifft eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Einspritzanlage gemäß Anspruch 8.
Es sind sog. Common-Rail-Einspritzanlagen bekannt, bei denen die den einzelnen Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren durch einen gemeinsamen Druckspeicher ("Com- mon Rail") mit Kraftstoff versorgt werden. Bei derartigen Einspritzanlagen läßt sich der Einspritzvorgang steuern, indem beispielsweise die Einspritzdauer, der Einspritzwinkel o- der der Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher verändert wird. In dem Druckspeicher ist deshalb üblicherweise ein Drucksensor angeordnet, der den Kraftstoffdruck in dem Druckspeicher mißt und somit eine relativ genaue Regelung des Kraftstoff- drucks durch eine Steuereinheit ermöglicht. Problematisch hierbei ist jedoch, dass der Drucksensor aufgrund einer Fehl- funktion fehlerhafte Druckwerte liefern kann, was zu einer Störung des Einspritzvorgangs führt.
Aus der deutschen Patentschrift DE 197 21 176 C2 ist zur Lösung dieses Problems ein System zur Überprüfung eines Drucksensors einer Einspritzanlage bekannt. Zur Überprüfung des Drucksensors wird der in dem Druckspeicher der Einspritzanla- ge herrschende Kraftstoffdruck um einen vorgegebenen Wert erhöht, so dass entsprechend mehr Kraftstoff in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dies führt wiederum zu einer Änderung des Verbrennungsverhaltens des Kraftstoffs, die beispielsweise durch eine im Abgasstrom der Brennkraftma- schine angeordnete Lambda-Sonde erfaßt werden kann. In Abhängigkeit von der Änderung des Verbrennungsverhaltens kann dann auf die Funktion des Drucksensors geschlossen werden.
Entspricht beispielsweise die erfaßte Veränderung des Verbrennungsverhaltens der aufgrund der Druckänderung zu erwartenden Veränderung, so kann daraus geschlossen werden, dass der Drucksensor ordnungsgemäß funktioniert.
Entspricht die erfaßte Änderung des Verbrennungsverhaltens dagegen nicht der vorgegebenen Druckänderung, so kommen zwei Fehlermöglichkeiten in Betracht. Einerseits besteht die Mög- lichkeit, dass der Drucksensor nicht ordnungsgemäß funktioniert, so dass auch die Änderung des Kraftstoffdrucks nicht ordnungsgemäß durchgeführt wurde. Andererseits besteht jedoch die Möglichkeit, dass der Drucksensor ordnungsgemäß funktioniert und dementsprechend auch der Kraftstoffdruck zum Test des Drucksensors ordnungsgemäß verändert wurde, wohingegen die Einspritzanlage defekt ist, was zu dem überraschenden Verbrennungsverhalten führt.
Nachteilig an diesem bekannten System zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors ist jedoch, dass hierfür in jedem Fall der Druck gegenüber dem normalen Betriebsdruck verändert werden muß, was während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine bzw. ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Einspritzanlage zu schaffen, bei dem der in dem Druckspeicher herrschende Druck unabhängig von einem Drucksensor ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. - hinsichtlich des Betriebsver- fahrens - durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
gemessen wird. Anschließend werden dann aus den auf diese Weise ermittelten Wertepaaren des Steuersignals und des zugehörigen gemessenen Drucks die bauteilspezifischen Parameter zur Berechnung des Drucks in Abhängigkeit von dem Steuersig- nal berechnet .
Vorzugsweise ist zur Messung des in dem Druckspeicher herrschenden Drucks ein Drucksensor vorgesehen, wobei der Drucksensor und die Auswertungseinheit ausgangsseitig mit einer Vergleichereinheit verbunden sind, die Abweichungen zwischen dem durch den Drucksensor gemessenen Druck und dem durch die Auswertungseinheit aus dem Steuersignal ermittelten Druck erfaßt. Beim Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die Differenz zwischen dem tatsächlich gemessenen Druck und dem von der Auswertungseinheit ermittelten Druck kann dann auf eine Fehlfunktion des Drucksensors oder auf eine Fehl- funktion der Einspritzanlage geschlossen werden. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur 1 näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Einspritzanlage in einer schematischen Darstellung, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Auswertungseinheit der in Figur 1 dargestellten Einspritzanlage, Figur 3 das Kalibrierungsverfahren für die in Figur 2 dargestellte Auswertungseinheit, Figur 4 ein alternatives Ausführungbeispiel der in Figur 1 dargestellten Auswertungseinheit,
Figur 5 das Kalibrierungsverfahren der in Figur 4 dargestellten Auswertungseinheit sowie
Figur 6a, 6b zwei alternative Kalibrierungsverfahren, bei denen mehrere Parameter des funktionalen Zusammen- hangs zwischen dem Steuersignal und dem Druck bekannt sind,
Figur 7 ein Testverfahren zum Testen des Drucksensors .
Die in Figur 1 dargestellte Einspritzanlage weist eine Vor- förderpumpe 1 auf, die von einer Antriebswelle 2 mechanisch angetrieben wird und Kraftstoff über einen Kraftstoffilter 3 und zwei Rückschlagventile 4.1, 4.2 aus einem Kraftstofftank 5 fördert . Ausgangsseitig ist die Vorförderpumpe mit einem Vordruckregelventil 6 verbunden, das beim Überschreiten eines vorgegebenen Kraftstoffdrucks an der Ausgangsseite der Vor- förderpumpe 1 einen Teil des von der Vorförderpumpe 1 geför- derten KraftstoffStroms abzweigt und an die Ansaugseite der Vorförderpumpe 1 zurückführt, so daß der Kraftstof druck an der Ausgangsseite der Vorförderpumpe 1 im Normalbetrieb weitgehend konstant gehalten wird.
Weiterhin ist die Vorförderpumpe 1 ausgangsseitig über eine
Kraftstoffleitung 7 mit einer Hochdruckpumpe 8 verbunden, die den zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Brennkraftmaschine erforderlichen relativ hohen Einspritzdruck erzeugt . Ausgangsseitig ist die Hochdruckpumpe 8 mit einem Druckspeicher 9 (englisch: common rail) verbunden, aus dem vier Injektoren 10.1 bis 10.4 den Kraftstoff zur Einspritzung in die einzelnen Brennräume der Brennkraftmaschine beziehen. Die einzelnen Injektoren 10.1 bis 10.4 sind wiederum mit einer gemeinsamen Rückführleitung 11 verbunden, durch die überschüssiger Kraftstoff zurück in den Kraftstofftank 5 geführt wird.
An der Ausgangsseite der Hochdruckpumpe 8 ist weiterhin ein Hochdruck-Regelventil 12 angeordnet, das beim Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Kraftstoffdrucks an der Aus- gangsseite der Hochdruckpumpe 8 einen Teil des von der Hochdruckpumpe 8 geförderten KraftstoffStroms über eine Rückführleitung 13 in den Kraftstofftank 5 zurückführt, wobei in der Rückführleitung 13 ein Rückschlagventil 14 angeordnet ist. Zur Steuerung des Kraftstoffdrucks im Hochdruckbereich weist die dargestellte Einspritzanlage einen Drucksensor 15 auf, der den Druck in dem Druckspeicher 9 mißt und in ein Span-
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erzeugt. Ausgangsseitig ist das Schwellenwertglied mit der Steuereinheit 16 verbunden, damit diese anhand des Fehlersignals F eine Fehlfunktion des Drucksensors 15 bzw. der Einspritzanlage erkennen kann.
Darüber hinaus ist auch das Kennlinienglied 25 ausgangsseitig mit der Steuereinheit 16 verbunden, damit diese den aus dem Steuersignal S für das Hochdruckregelventil 12 ermittelten Druck P zu Steuerzwecken heranziehen kann.
Das Kennlinienglied 25 besteht im wesentlichen aus einem Speicherelement, in dem in Form einer "Look-Up-Table" zahlreiche Wertepaare des Steuersignals S und des zugehörigen Drucks P abgelegt sind, wobei die einzelnen Wertepaare Stütz- stellen der entsprechenden Kennlinie bilden. Diese Stützstellen werden im Rahmen eines dem normalen Betrieb vorangehenden Kalibrierungsverfahrens durch eine Steuereinheit 28 bestimmt. Hierzu gibt die Steuereinheit 16 nacheinander verschiedene Werte des Steuersignals S vor, die der Steuereinheit 28 zuge- führt werden. Gleichzeitig erfaßt die Steuereinheit 28 von dem Drucksensor 15 den zugehörigen Druck PMESS in dem Druckspeicher 9 und speichert das zugehörige Wertepaar als Stützstelle in dem Kennlinienglied 25 ab. Zur Einleitung des Kalibrierungsvorgangs steuert die Steuereinheit 16 das Kennli- nienglied 25 und die Steuereinheit 28 durch das Steuersignal PROG entsprechend an.
Figur 3 zeigt das vorstehend beschriebene Kalibrierungsverfahren in Form eines Flußdiagramms. Zu Beginn des Kalibrie- rungsverfahrens wird zunächst das Steuersignal PROG auf den
Wert 1 gesetzt, um dem Kennlinienglied 25 und der Steuereinheit 28 zu signalisieren, dass der Kalibrierungsvorgang beginnt. Anschließend wird dann ein Schleifenzähler i initialisiert und von der Steuereinheit 16 der erste Wert Si des Steuersignals ausgegeben. Daraufhin wird dann von dem Drucksensor 15 der zugehörige Wert des Drucks gemessen und anschließend als Stützstelle zusammen mit dem Wert des Steuer-
Signals in dem Kennlinienglied 25 abgespeichert. Daraufhin wird dann der Schleifenzähler inkrementiert und der nächsthöhere Wert des Steuersignals von der Steuereinheit 16 ausgegeben.
Diese Schleife wird durchlaufen, bis insgesamt imax Stützstellen ausgemessen und abgespeichert wurden, woraufhin der Kalibrierungsvorgang beendet ist und demzufolge das Steuersignal PROG auf 0 gesetzt wird.
Das in Figur 4 dargestellte alternative Ausführungsbeispiel der Auswertungseinheit 24 stimmt weitgehend mit dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels der Auswertungseinheit 24 überein, so dass im folgenden für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden und diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung zu Figur 2 verwiesen wird.
Die Besonderheit des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbei- spiels der Auswertungseinheit 24 besteht darin, dass die in dem Kennlinienglied 25 abgelegte Kennlinie durch die Funktion f (s-s0) vorgegeben ist, wobei die Kennlinie jedoch durch einen variablen bauteilspezifischen Faktor k und eine ebenfalls bauteilspezifische Konstante P0 verändert werden kann. Der in dem Druckspeicher 9 herrschende Druck ergibt sich also aus dem Steuersignal S entsprechend folgender Formel :
P{s) = k - f( -s0)+ P0
Die bauteilspezifischen Parameter k und P0 werden hierbei durch die Recheneinheit 28 im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs ermittelt, der in Figur 5 in Form eines Flußdiagramms dargestellt ist. Zu Beginn des KaiibrierungsVorgangs setzt die Steuereinheit 16 zunächst das Steuersignal PROG auf den Wert 1, um der Auswertungseinheit 24 zu signalisieren, dass der Kalibrierungsvorgang beginnt. Anschließend wird an zwei Stützstellen s=Sι und s=s2 jeweils der Druck Pi bzw. P2 gemes- sen. Aus den auf diese Weise ermittelten Wertepaaren ergibt
sich aufgrund der o.g. Gleichung ein Gleichungssystem mit zwei Gleichungen und den beiden Variablen k und P0, die somit vollständig bestimmt sind und in den darauffolgenden Schritten berechnet werden. Anschließend gibt die Recheneinheit 28 die Parameter P0 und k an das Kennlinienglied 25, damit dieses während des normalen Betriebs der Einspritzanlage aus dem Steuersignal s den Druck in dem Druckspeicher 9 berechnen kann.
Problematisch hierbei ist, daß eine Fehlfunktion des Drucksensors 15 während des Kalibrierungsvorgangs zu einer fehlerhaften Kalibrierung führt. Im Rahmen des in Figur 5 dargestellten Kalibrierungsverfahren wird deshalb die korrekte Funktion des Drucksensors 15 überprüft. Hierzu wird ein defi- nierter Zustand der Einspritzanlage eingestellt, für den der Druck P=PREF in dem Druckspeicher 9 bekannt ist . Dann wird von dem Drucksensor 15 der Druck PMESS bei dem vorgegebenen Zustand der Einspritzanlage gemessen.
Bei einer ordnungsgemäßen Funktion des Drucksensors 15 muß der Meßwert PMESS mit dem bekannten Druckwert PRE übereinstimmen, so daß die beiden Werte PREF und PMEss miteinander verglichen werden. Bei einer Abweichung der beiden Werten liegt eine Fehlfunktion vor und das Fehlersignal F wird auf den Wert F=l gesetzt, während der Drucksensor 15 bei einer Übereinstimmung von PREF und PMESS ordnungsgemäß funktioniert, so daß das Fehlersignal F entsprechend auf den Wert F=0 gesetzt wird.
Am Ende des Kalibrierungsvorgangs setzt die Steuereinheit 16 dann das Steuersignal PROG wieder auf 0, um das Ende des Kalibrierungsverfahrens zu signalisieren.
Die in den Figuren 6a und 6b in Form eines Flußdiagramms dar- gestellten Kalibrierungsverfahren stimmen weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 5 dargestellten Kalibrierungsverfahren überein, so daß zur Vermeidung von Wieder-
holungen im wesentlichen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 5 verwiesen wird.
Die Besonderheit des Kalibrierungsverfahrens gemäß Figur 6a besteht darin, daß von dem funktionalen Zusammenhang P (s) =k'f (s-s0) +Po neben der Funktion f und der Größe s0 auch der Parameter P0 bekannt ist. Die einzige Unbekannte ist also die Größe k, so daß zur Kalibrierung nur eine einzige Messung erforderlich ist.
Im Gegensatz dazu besteht die Besonderheit des Kalibrierungs- verfahrens gemäß Figur 6b darin, daß von dem funktionalen Zusammenhang P (s) =k'f (s-s0) +Po neben der Funktion f und der Größe s0 auch der Parameter k bekannt ist . Die einzige Unbekann- te ist also die Größe P0, so daß auch bei diesem Kalibrierungsverfahren nur eine einzige Messung des Drucks P erforderlich ist, um den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Steuersignal s und dem Druck P zu bestimmen.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Kalibrierungsverfahren wird von der Steuereinheit 16 zunächst das Signal PROG auf den Wert 1 gesetzt, um den Kalibrierungsvorgang einzuleiten. Anschließend wird für i
max äquidistante Stützstellen
der Druck Pi=P(si) in dem Druckerspeicher von dem Drucksensor gemessen. Daraufhin wird dann nach der Formel
k = Pjs
t) -P
0 f(s ~s
0) für jede Stützstelle (Pi, si) ein Wert K berechnet, wobei die Werte P
0, s
0 und die Funktion f (s-s
0) als bekannt vorausgesetzt werden. Anschließend wird dann die Standardabweichung δ aller Werte ki berechnet und mit einem vorgegebenen Maximal- wert δ
max verglichen, um die Funktion des Drucksensors beurteilen zu können.
Beim überschreiten des vorgegebenen Maximalwerts δmax liegt eine Fehlfunktion des Drucksensors 15 vor, da sich für ver-
schiedene Stützstellen unterschliedliche k-Werte ergeben. In diesem Fall wird das Fehlersignal F auf den Wert F=l gesetzt.
Liegt die Standardabweichung δ dagegen unter dem vorgegebenen Maximalwert δmax, so arbeitet der Drucksensor 15 korrekt und das Fehlersignal F wird entsprechend auf den Wert F=0 gesetzt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele . Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht .