WO2021219481A1 - Vorrichtung zur zustandserfassung eines kraftstoffinjektors - Google Patents

Vorrichtung zur zustandserfassung eines kraftstoffinjektors Download PDF

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WO2021219481A1
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injector
switch
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output line
state
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PCT/EP2021/060501
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Klaus Weraneck
Richard Pirkl
Norbert SCHÖFBÄNKER
Josef Aspelmayr
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Liebherr-Components Deggendorf Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting the state of a fuel injector.
  • Injection nozzles or injectors are typically used to inject fuel into a combustion chamber of an engine.
  • a control unit is informed of the exact opening time of the injector so that, for example, there is a particularly narrow tolerance band for the injection quantity of the fuel emitted by the injector, which also applies to the overall product life of the injector is beneficial ..
  • the switch contacts are not directly accessible or are arranged in an isolated manner in the housing of the injector.
  • FIG. one pole of the switch is connected to a pin of the injector or a solenoid valve that actuates the injector via a resistor.
  • the other pole of the switch is also connected to the housing of the injector.
  • the injector itself is normally connected to the ground, which, when used in a vehicle, can be the engine block, for example. In such an implementation, only two cables or lines lead out of the housing.
  • a voltage is applied to the injector or the solenoid valve that actuates the injector, which triggers a mechanical and / or hydraulic movement of the nozzle needle.
  • Lifting or placing the nozzle needle in turn opens or closes the switch. For example, it can be provided that the switch is closed by removing the voltage.
  • the problem with this type of status detection is that there can be an indefinite time delay between applying / removing the voltage to the injector or the solenoid valve and triggering the switch, i.e. moving the nozzle needle out of its seat or back into its seat, the so-called opening delay when the voltage is applied and closing delay when the voltage is removed, since the mechanical and / or hydraulic movement of the nozzle needle has a certain inertia. If there is a delay in opening, the switch only opens after voltage has been applied. As a result of this opening delay, it can happen that the current supply has already ended when the switch opens. If there is a delay in closing, the switch only closes with a certain delay after the end of the current supply.
  • a magnetic field is built up via the coil, which is usually the actuating element of the nozzle needle, which induces an injection with a delay, the opening delay.
  • This injection is equivalent to opening the switch.
  • the magnetic field is dismantled, whereupon the injection ends with a delay, the closing delay. This means closing the switch in the injector.
  • the signal on the high-side contact, the high side HS, and the low-voltage side contact, the low side LS is changed.
  • This change in signal can be detected by means of a voltage measurement in the evaluation unit.
  • the change in opening the switch is used to determine the start of injection and closing the switch indicates the end of injection.
  • the evaluation unit for such a status detection is usually located in a control unit of an engine, the so-called ECU (electronic control unit), it is advantageous if the signal detection of the injector is compatible with a large number of ECUs on the market is. Since the pins of an ECU partially only allow a voltage measurement on the output side or the input side of the injector, it is advantageous to provide an implementation that enables status detection and thereby performs a voltage measurement on only one contact of the injector.
  • the low side LS should preferably be selected here.
  • the present invention enables clear detection of the switch state even in noisy environments which lead to fluctuations in the signal to be detected.
  • the presence of a third or even a fourth line cable is not required despite the status detection.
  • the device according to the invention for detecting the state of a fuel injector comprises an injector for injecting fuel into an engine combustion chamber, a switch formed by an injector housing and an injector nozzle needle, which changes its switching state depending on a closed or open state of the injector, an input line for supplying energy an adjusting element that adjusts the nozzle needle in its two states, an output line for diverting energy from the adjusting element, and an evaluation unit for detecting the switching state of the switch, a first switch contact of the switch being connected to an electrical input line of the injector, a second switch contact of the switch is connected to ground, and the evaluation unit is designed to carry out a signal measurement, in particular a voltage measurement on the input line and / or an output line, in order to infer a switch state eat.
  • the invention is characterized in that there is a signal filter which only comprises passive components and is connected between the evaluation unit and the input line and / or between the evaluation unit and the output line of the injector in order to highlight a signal generated by switching the switch.
  • the injector is further provided with an electronic control unit comprising the evaluation unit, which is connected with a first connection to the input line and with a second connection to the output line and is designed to be connected to the To apply a higher voltage to the input line than the output line, in particular a supply voltage, to actuate the control element, the voltage difference between the input line and the output line preferably being 12V, 24V or 48V.
  • the first switch contact is connected to the input line of the injector via a resistor. This results in a voltage variation to be detected when the switch is closed or opened.
  • the second switch contact is connected to the same ground as the electrical circuit controlling the injector, preferably the ground is the body or an engine block of a vehicle.
  • the injector and the switch are arranged in a common housing which comprises an input line, an output line and a ground connection and preferably has no further connections for electrical signals.
  • the actuating element is a solenoid valve, which is preferably designed to bring about a change in state of the injector by lifting or lowering the nozzle needle, which in turn causes a change in state of the switch.
  • the evaluation unit can carry out a signal measurement, in particular a voltage measurement, either on the input line or the output line in order to infer a switch state, the signal measurement of the evaluation unit preferably taking place on the output line.
  • the input line can be the HS, that is to say the line to which a high voltage is applied
  • the output line can be the low-voltage side LS, that is to say the line to which a lower voltage is applied.
  • the current flow is controlled via the HS.
  • the passive components for forming the signal filter are resistors, capacitors, coils, oscillators or trimmers.
  • One advantage here is that the combination of the passive components does not require any further voltage levels than those already present (for example the supply voltage). This does not result in any additional expenditure due to any generation of a stable control voltage. Especially since this would also have to be secured against disruptive influences.
  • the signal filter comprises or is a pull-up resistor and / or a pull-down resistor in order to amplify the voltage change that is detected on the evaluation unit.
  • a pull-up resistor and / or a pull-down resistor it is possible to increase the signal level generated by switching the switch. Since the disturbances on the line to be measured do not experience a corresponding increase, the SNR (signal-to-noise ratio) increases and enables a more reliable detection of a switching state of the switch and thus also of the injector.
  • a pull-up resistor from the input line or output line can be connected to a supply voltage so that, for example, opening the switch with a pull-up resistor located in the output line leads to an increase in the signal level to the level of the supply voltage . If this level is too high for a detection of the evaluation unit, a voltage divider can be generated by means of a further resistor connected to the ground and connected in series to the pull-up resistor Appropriate dimensioning of the resistance values enables a desired voltage level with an open switch
  • the signal filter is integrated in a wiring leading to the input line or in a wiring leading away from the output line, preferably in a wiring harness.
  • the signal filter can also be provided in a cable harness or in the corresponding cabling of the input line or the output line, it is also possible to integrate the filter at a later date, without having to replace the injector.
  • the signal filter is arranged in an electronic control unit, whereby not every control unit has capacities for converting or subsequently adding the signal filter. For this reason, it can sometimes be advantageous if the signal filter only consists of passive components and can also be arranged in the cabling. According to the invention it can be provided that the injector is a common rail injector.
  • the invention also relates to an internal combustion engine with a device according to one of the preceding variants
  • FIG. 1 a schematic representation of a fuel injector with a state detection as it is known from the prior art
  • FIG. 2 a schematic representation of a fuel injector with a reduced number of connection lines and a state detection
  • Fig. 3 an embodiment of the present invention in the one
  • Fuel! injector for a state injection is provided with a signal filter
  • FIG. 4 an enlarged illustration of the signal filter as it is used, for example, in FIG. 3,
  • Fig. 5 three different representations for improving the to be detected
  • FIG. 6 a filtering of the signal to be detected at the
  • Fig. 1 was already explained in the introductory part of the description.
  • the reference numeral 2 shows a fuel injector which has a total of four connection lines leading to the outside.
  • the input line 4 controls an adjusting element 8 which can lift a nozzle needle out of its nozzle needle seat.
  • the output line 5 is also required for closing a circuit, so that the actuating element 8, which is designed as a coil, for example, can exert a magnetic force on the nozzle needle.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further developed injector 2 which has an integrated state detection.
  • the contacts of switch 3 are not directly accessible here, since one pole of switch 3 is connected to input line 4 and the other pole of switch 3 is routed to ground 10. This is usually carried out in such a way that the injector 2 itself is connected to the ground 10 of the engine block.
  • a voltage is applied to the adjusting element 8, which is usually a solenoid valve, which causes a mechanical and / or hydraulic movement of the nozzle needle and thus opens the switch 3. By removing the voltage, the switch 3 is closed again.
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a device 1 according to the invention with an injector 2, a filter 7 and an evaluation unit 6, which can also be integrated into an electronic control unit (ECU).
  • Injector 2 is operated via the two connections FIS (high side) and LS (low side).
  • FIS high side
  • LS low side
  • a magnetic field is built up via the adjusting element 8, which with a delay causes the opening delay to lift the nozzle needle from its nozzle needle set and thus triggers an injection.
  • the injection is to be equated with opening the switch 3.
  • the magnetic field is reduced, whereupon the injection ends with a delay, the closing delay. This means that switch 3 in injector 2 is closed.
  • the signal on input line 4 and output line 5 is changed.
  • This signal change can be detected by means of a voltage measurement in the evaluation unit 6.
  • the change when the switch 3 is opened is used to determine the start of injection and the closing of the switch 3 indicates the end of the injection. It is advantageous if the voltage is only applied to the output line 5 (or the LS) of the injector 2 has to be measured, since no differential measurement is then required, so that less complex evaluation units 6 can be used for state detection. Since, as already explained in the introductory part, interfering influences which can make level detection more difficult can only be canceled out with differential measurement, when a measurement is made on only one contact, for example on output channel 5, the useful signal is superimposed with the interferences.
  • the signal filter 7 is provided in order to filter this interference.
  • the filter 7 is used by way of example on the low side, although it is clear to the person skilled in the art that a correspondingly modified filtering can also be used on the high side, if this is desired.
  • a pull-up resistor 11 is provided on the low side, that is to say the output channel 5 of the injector, which connects the output channel 5 to the supply voltage Vcc.
  • a significantly higher signal amplitude can thus be achieved by filtering the useful signal, which can be seen, for example, in FIG. 5 on the left-hand side.
  • An alternative to this can be found in the middle illustration, in which the useful signal is not increased, but the amount of the carrier signal is decreased.
  • the illustration on the right in FIG. 5 contains a third variant for signal optimization, in which the amplitude is not increased, but rather a steeper edge rise is initiated during the switching process.
  • FIG. 5 shows the switching operations of the injector 2 and the associated change in the voltage on the output line 5 or the low side.
  • switch 3 opens and the contact to ground via the internal resistance injector is idle. This results in an increase in the potential on the output line 5, where the signal swing is increased with the aid of a resistor 11 extending therefrom and leading to the supply voltage Vcc.
  • the resistance ratio of the described pages is determined by the evaluation unit 6 used, which can also be integrated into a control unit ECU. Limitations result from the internal circuits in the control unit or the evaluation unit 6. Since the intended components of the filter 7 ultimately only work with ground 10 and supply voltage Vcc, no further source for converting the filter 7 is necessary. This means that the filter can also be arranged in a cable harness and is therefore extremely easy to retrofit. If, on the other hand, there are evaluation units 6 or control units that can only perform a voltage detection in a certain voltage range, a suitable voltage divider can be created in addition to the pull-up resistor 11 by means of a further resistor 12 going out from the output line 5 and connected to ground 10 is switched. This configuration is shown in FIG. If the switch 3 now opens and the actuating element 8 is a coil, a defined voltage value will be applied to the output channel 5 due to the voltage divider consisting of the pull-up resistor 11 and the further resistor 12.
  • the advantage of the present invention is that it improves the signal quality in a single-point measurement of an injector. This is particularly advantageous because the single-point measurement enables simple adaptation to different control units from different manufacturers, since most control units can monitor at least one contact for controlling the injector for their voltage level.
  • the solution presented offers the advantage that it can be implemented both in the control unit but also in a missing internal resource of the control unit can be subsequently integrated into the wiring harness. By combining these approaches, the signal-to-noise ratio can be increased, so that reliable status detection of the switching process can be implemented even with a lower resolution of the voltage detection.
  • Another advantage is that the use of passive components does not require any voltages other than those already present. This does not result in any additional effort due to the additional provision of a stable control voltage, which would also have to be protected against interference.
  • a combination of passive components using supply voltage and ground is used in the circuit implemented according to the invention.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zustandserfassung eines Kraftstoffinjektors umfasst einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Motorbrennraum, einen durch ein Injektorgehäuse und eine Injektordüsennadel gebildeten Schalter, der in Abhängigkeit von einem geschlossenen oder offenen Zustand des Injektors seinen Schaltzustand verändert, eine Eingangsleitung zum Zuleiten von Energie an ein die Düsennadel in ihren beiden Zuständen verstellendes Stellelement, eine Ausgangsleitung zum Ableiten von Energie von dem Stellelement, und eine Auswerteeinheit zum Erfassen des Schaltzustands des Schalters, wobei ein erster Schalterkontakt des Schalters mit einer elektrischen Eingangsleitung des Injektors verbunden ist, ein zweiter Schalterkontakt des Schalters mit Masse verbunden ist, und die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, eine Signalmessung, insbesondere eine Spannungsmessung an der Eingangsleitung und/oder einer Ausgangsleitung vorzunehmen, um auf einen Schalterzustand zu schließen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalfilter vorhanden, das nur passive Bauteile umfasst und zwischen der Auswerteeinheit und der Eingangsleitung und/oder zwischen der Auswerteeinheit und der Ausgangsleitung des Injektors geschaltet ist, um ein durch das Schalten des Schalters erzeugtes Signal hervorzuheben.

Description

Vorrichtung zur Zustandserfassung eines Kraftstoffinjektors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zustandserfassung eines Kraftstoffinjektors.
Einspritzdüsen oder Injektoren dienen typischerweise dazu, einen Kraftstoff in einen Brennraum eines Motors einzuspritzen. Dabei ist es für einen Motor, in dem ein solcher Injektor vorhanden ist, von Vorteil, wenn ein Steuergerät über die genaue Öffnungszeit des Injektors informiert ist, sodass beispielsweise ein besonders enges Toleranzband für die Einspritzmenge des durch den Injektor abgegebenen Kraftstoffs vorliegt, was auch hinsichtlich der Gesamtproduktlebensdauer des Injektors vorteilhaft ist..
Zudem ist es für eine Vielzahl von Steuer- oder Kontrollfunktionen des Motors von Vorteil, wenn die exakte Einspritzzeit, bei der der Injektor einen Kraftstoff abgibt, bekannt ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, für eine Zustandsdetektion des Injektors einen durch Düsennadel und Injektorgehäuse gebildeten elektrischen Schalter zu verwenden. Dabei ist der Schalter geschlossen, wenn der Injektor nicht bestromt ist und die Düsennadel des Injektors sich nicht aus ihrem Düsennadelsitz im Injektorgehäuse bewegt, so dass dafür gesorgt ist, dass kein Kraftstoff aus dem Injektor austritt. Sobald sich die Düsennadel aus ihrem Düsennadelsitz bewegt, besteht zwischen ihnen keine leitende Verbindung mehr, wodurch der elektrische Schalter seinen Zustand ändert, also in einen offenen Zustand übergeht. Der Schalter ändert erneut seinen Zustand, wenn sich die Düsennadel wieder in den Düsennadelsitz bewegt, da dadurch eine elektrische leitende Verbindung entsteht und der durch die Bauteile gebildete Schalter in den geschlossenen Zustand übergeht. In der einfachsten Form der Zustandserfassung eines Injektors führen insgesamt vier Leitungen in das Gehäuse des Injektors, in dem auch der Schalter angeordnet ist. Zwei Leitungen sind für den Injektor selbst vorgesehen, wohingegen die anderen beiden Leitungen dem Schalter zugeordnet sind. Nachteilhaft hieran ist aber der hohe Verkabelungsaufwand einer so gestalteten Einheit.
Wenn ein 3-poliger oder 4-poliger Stecker verwendet wird, also 3 bzw. 4 Leitungen zu dem Injektor mit Schalter verlaufen, ist kein zusätzlicher Aufwand am Detektionsschaltkreis erforderlich. Andererseits bedeutet dies einen Zusatzaufwand am Injektor aufgrund der mehreren Bauteile und der größer zu dimensionierenden Verbindungskomponenten. Eine Konfiguration mit 4 Leitungen ist bspw. in Fig. 1 gezeigt.
In einer ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Modifikation dieser Form sind die Schalterkontakte nicht direkt zugänglich oder isoliert in dem Gehäuse des Injektors angeordnet. Eine solche Darstellung ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist ein Pol des Schalters mit einem Pin des Injektors oder eines den Injektor betätigenden Magnetventils über einen Widerstand verbunden. Der andere Pol des Schalters ist ferner mit dem Gehäuse des Injektors verbunden. Dabei ist der Injektor selber im Normalfall mit der Masse verbunden, die bei einem Einsatz im Fahrzeug beispielsweise der Motorblock sein kann. In einer solchen Umsetzung führen nur zwei Kabel bzw. Leitungen aus dem Gehäuse. In einem Normalbetrieb wird eine Spannung an den Injektor bzw. das den Injektor betätigende Magnetventil angelegt, wodurch eine mechanische und/oder hydraulische Bewegung der Düsennadel ausgelöst wird. Das Abheben bzw. Aufsetzen der Düsennadel wiederum öffnet bzw. schließt den Schalter. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass durch Wegnahme der Spannung der Schalter geschlossen wird.
Problematisch bei dieser Art der Zustandserfassung ist, dass zwischen einem Anlegen / Wegnehmen der Spannung an dem Injektor bzw. dem Magnetventil und der Schalterauslösung, also dem Bewegen der Düsennadel aus ihrem Sitz oder in ihren Sitz zurück, ein unbestimmter Zeitverzug liegen kann, der sogenannte Öffnungsverzug bei Anlegen der Spannung und Schließverzug bei Wegnehmen der Spannung, da die mechanische und/oder hydraulische Bewegung der Düsennadel eine gewisse Trägheit aufweist. Beim Öffnungsverzug öffnet der Schalter erst nach Anlegen der Spannung. Durch diesen Öffnungsverzug kann es passieren, dass die Bestromung bereits beendet ist, wenn der Schalter öffnet. Beim Schließverzug schließt der Schalter erst mit einer gewissen Verzögerung nach dem Ende der Bestromung. Ungeachtet der oben aufgeführten Nachteile bietet es sich für eine Detektion des Schalterzustands an, die an der Eingangsleitung und/oder der Ausgangsleitung anliegende Spannung zu messen, da diese einen Rückschluss auf einen Einspritzzustand oder einen geschlossenen Zustand des Injektors zulässt. Dabei muss man berücksichtigen, dass der Schalter nicht mit hohen Strömen belastet werden kann und aus Effizienzgründen mit Hilfe eines Widerstands auf ein paar wenige mA begrenzt wird.
Im bestromten Zustand wird über die Spule, die in der Regel das Stellelement der Düsennadel ist, ein Magnetfeld aufgebaut, welches mit einer Verzögerung, dem Öffnungsverzug, eine Injektion induziert. Diese Einspritzung ist mit einem Öffnen des Schalters gleichzusetzen. Nach Ende der Bestromung wird das Magnetfeld abgebaut, worauf die Einspritzung mit einer Verzögerung, dem Schließverzug, endet. Dies bedeutet ein Schließen des Schalters im Injektor.
Durch das Schließen und Öffnen des Schalters wird das Signal an dem spannungseitigen Kontakt, der high side HS, und dem niederspannungsseitigen Kontakt, der low side LS, verändert. Diese Signaländerung kann mittels einer Spannungsmessung in der Auswerteeinheit detektiert werden.
Die Änderung beim Öffnen des Schalters dient zur Bestimmung des Einspritzstarts und das Schließen des Schalters gibt das Ende der Einspritzung an.
Da sich die Auswerteeinheit für eine solche Zustandsdetektion in der Regel in einem Steuergerät eines Motors befindet, dem sogenannten ECU (engl.: electronic control unit), ist es von Vorteil, wenn die Signaldetektion des Injektors mit einer Vielzahl von auf dem Markt befindlichen ECUs kompatibel ist. Da die Pins eines ECUs aber teilweise nur eine Spannungsmessung an der Ausgangsseite oder der Eingangsseite des Injektors zulassen, ist es von Vorteil eine Umsetzung vorzusehen, die eine Zustandsdetektion ermöglicht und dabei eine Spannungsmessung an lediglich einem Kontakt des Injektors vornimmt. Vorzugsweise ist hierbei die low side LS zu wählen.
Da sich von außen eingetragene Störeinflüsse nur bei einer aufwändigeren differentieller Messung aufheben, kommt es bei der Messung an nur einem Kontakt zu einer Überlagerung des Nutzsignals mit Störungen, was die Erfassung des mit einem Zustandswechsel des Schalters in Verbindung stehenden Spannungssignals erschwert.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorstehend aufgeführten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Zustandserfassung eines Injektors vorzusehen, welche gegenüber dem bekannten Stand der Technik vorteilhaft ist. Dies gelingt mit einer Vorrichtung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind dabei in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine klare Detektion des Schalterzustands auch in verrauschten Umgebungen, die zu Schwankungen in dem zu detektierenden Signal führen. Zudem ist es mit der Erfindung weiterhin möglich, einen Injektor mit lediglich zwei zu betreiben. Das Vorhandensein eines dritten oder gar eines vierten Leitungskabels ist trotz der Zustandserfassung nicht erforderlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zustandserfassung eines Kraftstoffinjektors umfasst einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Motorbrennraum, einen durch ein Injektorgehäuse und eine Injektordüsennadel gebildeten Schalter, der in Abhängigkeit von einem geschlossenen oder offenen Zustand des Injektors seinen Schaltzustand verändert, eine Eingangsleitung zum Zuleiten von Energie an ein die Düsennadel in ihren beiden Zuständen verstellendes Stellelement, eine Ausgangsleitung zum Ableiten von Energie von dem Stellelement, und eine Auswerteeinheit zum Erfassen des Schaltzustands des Schalters, wobei ein erster Schalterkontakt des Schalters mit einer elektrischen Eingangsleitung des Injektors verbunden ist, ein zweiter Schalterkontakt des Schalters mit Masse verbunden ist, und die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, eine Signalmessung, insbesondere eine Spannungsmessung an der Eingangsleitung und/oder einer Ausgangsleitung vorzunehmen, um auf einen Schalterzustand zu schließen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalfilter vorhanden, das nur passive Bauteile umfasst und zwischen der Auswerteeinheit und der Eingangsleitung und/oder zwischen der Auswerteeinheit und der Ausgangsleitung des Injektors geschaltet ist, um ein durch das Schalten des Schalters erzeugtes Signal hervorzuheben.
Nach einer optionalen Modifikation ist vorgesehen, dass der Injektor ferner mit einer die Auswerteeinheit umfassenden elektronischen Steuereinheit versehen ist, die mit einem ersten Anschluss mit der Eingangsleitung und mit einem zweiten Anschluss mit der Ausgangsleitung verbunden ist und dazu ausgelegt ist, an der Eingangsleitung eine gegenüber der Ausgangsleitung höhere Spannung, insbesondere eine Versorgungspannung, zum Betätigen des Stellelements anzulegen, wobei vorzugsweise die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsleitung und Ausgangsleitung 12V, 24V oder 48V beträgt.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der erste Schalterkontakt über einen Widerstand mit der Eingangsleitung des Injektors verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine zu detektierender Spannungsvariation bei einem Schließen oder Öffnen des Schalters.
Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der zweite Schalterkontakt mit derselben Masse wie der den Injektor ansteuernde elektrische Kreis verbunden ist, vorzugsweise ist die Masse die Karosserie oder ein Motorblock eines Fahrzeugs.
Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Injektor und der Schalter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das eine Eingangsleitung, eine Ausgangsleitung und einen Masseanschluss umfasst und vorzugsweise keine weiteren Anschlüsse für elektrische Signale besitzt.
Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Stellelement ein Magnetventil ist, das vorzugsweise dazu ausgelegt ist, eine Zustandsänderung des Injektors durch Ausheben oder Absetzen der Düsennadel hervorzurufen, was wiederum eine Zustandsänderung des Schalters bewirkt.
Weiter kann nach der Erfindung die Auswerteeinheit eine Signalmessung, insbesondere eine Spannungsmessung entweder an der Eingangsleitung oder der Ausgangsleitung vornehmen, um auf einen Schalterzustand zu schließen, wobei vorzugsweise die Signalmessung der Auswerteeinheit an der Ausgangsleitung stattfindet. Dabei kann die Eingangsleitung die HS, also die Leitung, an welcher eine hohe Spannung angelegt ist, und die Ausgangsleitung die Niederspannungsseite LS, also die Leitung, an welcher eine niedrigere Spannung anliegt, sein. Über die HS wird der Stromfluss gesteuert.
Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die passiven Bauteile zum Bilden des Signalfilters Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Oszillatoren oder Trimmer sind. Ein Vorteil hierbei ist, dass die Kombination der passiven Bauelemente keine weiteren Spannungsniveaus als die bereits Vorliegenden (bspw. die Versorgungsspannung) benötigt. Hierdurch ergibt sich kein Mehraufwand durch etwaige Generierung einer stabilen Steuerspannung. Zumal diese auch gegenüber Störeinflüssen abgesichert werden müsste.
Nach einer optionalen Fortbildung kann vorgesehen sein, dass das Signalfilter ein Pull-Up-Widerstand und/oder ein Pull-Down-Widerstand umfasst oder ist, um eine Verstärkung der Spannungsänderung, die an der Auswerteeinheit detektiert wird, zu bewirken. Durch das Vorsehen eines Pull-Up-Widerstands und/oder ein Pull- Down-Widerstands ist es möglich, den durch das Schalten des Schalters erzeugten Signalpegel zu vergrößern. Da die auf der zu messenden Leitung befindlichen Störungen keine entsprechende Vergrößerung erfahren, steigt das SNR (Signal- Rausch-Verhältnis) und ermöglicht eine verlässlichere Detektion eines Schaltzustands des Schalters und somit auch des Injektors.
Dabei kann ein von der Eingangsleitung oder Ausgangsleitung abgehender Pull- Up-Widerstand mit einer Versorgungsspannung verbunden sein, so dass bspw. ein Öffnen des Schalters bei einem in der Ausgangsleitung angeordneten Pull-Up- Widerstand zu einem Ansteigen des Signalpegels auf das Niveau der Versorgungspannung führt. Ist dieses Niveau für eine Detektion der Auswerteeinheit zu hoch kann mittels eines weiteren zur Masse hin verbundenen Widerstands, der in Reihe zum Pull-Up- Widerstand geschaltet ist, ein Spannungsteiler erzeugt werden, der mit einer geeigneten Dimensionierung der Widerstandswerte ein gewünschtes Spannungsniveau bei einem offenen Schalter ermöglicht
Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Signalfilter in einer zur Eingangsleitung führenden Verkabelung oder in einer von der Ausgangsleitung wegführenden Verkabelung integriert ist, vorzugsweise dabei in einem Kabelbaum angeordnet ist.
Durch die Möglichkeit das Signalfilter auch in einem Kabelbaum oder in der entsprechenden Verkabelung der Eingangsleitung oder der Ausgangsleitung vorzusehen, ist es möglich, das Filter auch nachträglich zu integrieren, wobei ein Tausch des Injektors dabei nicht notwendig ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Signalfilter in einer elektronischen Steuereinheit angeordnet ist, wobei nicht jede Steuereinheit über Kapazitäten zum Umsetzen oder nachträglichen Flinzufügen des Signalfilters verfügt. Aus diesem Grund kann es daher manchmal von Vorteil sein, wenn das Signalfilter lediglich aus passiven Bauelementen besteht und auch in der Verkabelung angeordnet werden kann. Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Injektor ein Common-Rail- Injektor ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Varianten
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors mit einer Zustandsdetektion wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors mit einer verringerten Anzahl an Anschlussleitungen und einer Zustandsdetektion,
Fig. 3: eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der ein
Kraftstoff! njektor für eine Zustandsinjektion mit einem Signalfilter versehen ist,
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung des Signalfilters, wie sie beispielsweise in der Fig. 3 zum Einsatz kommt,
Fig. 5: drei verschiedene Darstellungen zum Verbessern des zu detektierenden
Signals durch eine Amplitudenerhöhung oder das steilere Ausführen der vorlaufenden Flanke, und Fig. 6: eine erfolgte Filterung des zu detektierenden Signals an der
Niederspannungsseite eines Injektors mit einem Pull-Up-Widerstand.
Die Fig. 1 wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert. Dabei zeigt das Bezugszeichen 2 einen Kraftstoffinjektor, der über insgesamt vier nach außen geführte Anschlussleitungen verfügt. Die Eingangsleitung 4 steuert dabei ein Stellelement 8 an, das eine Düsennadel aus ihrem Düsennadelsitz ausheben kann. Für ein Schließen eines Stromkreises ist dabei auch die Ausgangsleitung 5 erforderlich, sodass das beispielsweise das als Spule ausgeführte Stellelement 8 eine Magnetkraft auf die Düsennadel bewirken kann.
Um nun einen Zustand zu detektieren, ob die Düsennadel sich in ihrem Düsennadelsitz befindet, wird die Düsennadel zusammen mit dem zugehörigen Düsennadelsitz als Schalter 3 genutzt, wobei die beiden Schalterkontakte (Düsennadel und Düsennadelsitz) jeweils über eine separate Leitung nach außen zum Injektor 2 geführt sind. Nachteilig hieran ist, dass zur Detektion eines Schalterzustands separate Leitungen erforderlich sind, die die Anzahl der Pins weiter erhöhen. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiterentwickelten Injektors 2, der über eine integrierte Zustandsdetektion verfügt. Die Kontakte des Schalters 3 sind hierbei nicht direkt zugänglich, da ein Pol des Schalters 3 mit der Eingangsleitung 4 verbunden ist und der andere Pol des Schalters 3 zur Masse 10 geführt wird. Dies wird in der Regel so ausgeführt, dass der Injektor 2 selber mit der Masse 10 des Motorblocks verbunden ist. Im Normalbetrieb wird eine Spannung an dem Stellelement 8, das in der Regel ein Magnetventil ist, angelegt, welches eine mechanische und/oder hydraulische Bewegung der Düsennadel bewirkt und damit den Schalter 3 öffnet. Durch Wegnahme der Spannung wird der Schalter 3 wieder geschlossen.
Um nun den Schalterzustand detektieren zu können, muss die Spannung bzw. eine sehr kleine Spannungsveränderung an den Injektorkontakten 4, 5 gemessen werden.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Injektor 2, einen Filter 7 und einer Auswerteeinheit 6, die auch in eine elektronische Steuereinheit (ECU) integriert sein kann. Über die beiden Anschlüsse FIS (high side) und LS (low side) wird der Injektor 2 betrieben. Im bestromten Zustand wird über das Stellelement 8 ein Magnetfeld aufgebaut, welches mit einer Verzögerung, den Öffnungsverzug, das Abheben der Düsennadel aus ihrem Düsennadelsatz bewirkt und so eine Injektion auslöst. Die Einspritzung ist dabei mit einem Öffnen des Schalters 3 gleichzusetzen. Nach Ende der Bestromung wird das Magnetfeld abgebaut, woraufhin die Einspritzung mit einer Verzögerung, dem Schließverzug, endet. Dies bedeutet ein Schließen des Schalters 3 im Injektor 2. Durch das Schließen und das Öffnen des Schalters 3 wird das Signal an der Eingangsleitung 4 und der Ausgangsleitung 5 verändert. Diese Signaländerung kann mittels einer Spannungsmessung in der Auswerteeinheit 6 detektiert werden. Die Änderung beim Öffnen des Schalters 3 dient zur Bestimmung des Einspritzstarts und das Schließen des Schalters 3 gibt das Ende der Einspritzung an. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Spannung lediglich an der Ausgangsleitung 5 (beziehungsweise der LS) des Injektors 2 gemessen werden muss, da dann keine differenzielle Messung erforderlich ist, sodass weniger komplexe Auswerteeinheiten 6 für eine Zustandsdetektion genutzt werden können. Da sich, wie bereits im einleitenden Teil ausgeführt, Störeinflüsse, welche die Pegelerfassung erschweren können, nur bei differenzieller Messung aufheben, kommt es bei einer Messung an nur einem Kontakt, beispielsweise an dem Ausgangskanal 5 zu einer Überlagerung des Nutzsignals mit den Störungen. Um diese Störungen nun zu filtern, ist das Signalfilter 7 vorgesehen. Fig. 4 zeigt eine mögliche Kombination aus Bauteilen zur Verbesserung der Signalqualität beziehungsweise zum Filtern des gewünschten Signals. Dabei sind hierfür passive Bauelemente zu wählen, um den Steuerungsaufwand möglichst gering zu halten. In der Figur wird der Filter 7 exemplarisch auf der Low Side angewandt, wobei es dem Fachmann jedoch klar ist, das ein entsprechend modifiziertes Filtern auch auf der High Side angewandt werden kann, wenn dies gewünscht ist.
Man erkennt, dass auf der Low Side, also dem Ausgangskanal 5 des Injektors, ein Pull-Up-Widerstand 11 vorgesehen ist, der den Ausgangskanal 5 mit der Versorgungsspannung Vcc verbindet. So kann mittels einer Filterung des Nutzsignals eine deutliche höhere Signalamplitude erzielt werden, was beispielsweise in Fig. 5 auf der linken Seite zu erkennen ist. Eine Alternative dazu findet sich in der mittleren Darstellung, bei der nicht das Nutzsignal gehoben, sondern der Betrag des Trägersignals gesenkt wird. Auch hier ergibt sich somit ein deutlicher Signalhub. Die rechte Darstellung in Fig. 5 beinhaltet eine dritte Variante zur Signaloptimierung, bei der nicht etwa die Amplitude erhöht, sondern ein steilerer Flankenanstieg beim Schaltvorgang initiiert wird. Basierend auf die in der Auswerteinheit hinterlegte Steuerlogik kann eine oder eine Kombination der drei in Fig. 5 dargestellten Methoden zielführend sein, um zu einer gewünschten Filterung des Zielsignals zu kommen. Fig. 6 zeigt die Schaltvorgänge des Injektors 2 und die zugehörige Veränderung der Spannung auf der Ausgangsleitung 5 beziehungsweise der Low Side. Durch das Anheben der Düsennadel öffnet der Schalter 3 und der Kontakt über den internen Widerstandinjektor zur Masse befindet sich im Leerlauf. Hierdurch erfolgt ein Anheben des Potentials an der Ausgangsleitung 5, wo mit Hilfe eines davon abgehenden Widerstands 11, der zur Versorgungsspannung Vcc führt, der Signalhub erhöht wird.
Das Widerstandsverhältnis der beschriebenen Seiten wird durch die verwendete Auswerteeinheit 6, die auch in eine Steuereinheit ECU integriert sein kann, bestimmt. Einschränkungen ergeben sich hierbei durch die internen Schaltungen im Steuergerät oder der Auswerteeinheit 6. Da die vorgesehenen Bestandteile des Filters 7 letztlich lediglich mit Masse 10 und Versorgungsspannung Vcc arbeiten, ist keine weitere Quelle zur Umsetzung des Filters 7 notwendig. Dadurch kann das Filtern auch in einem Kabelbaum angeordnet werden und ist somit äußerst leicht nachzurüsten. Gibt es hingegen Auswerteeinheiten 6 oder Steuereinheiten, die eine Spannungsdetektion nur in einen bestimmten Spannungsbereich vornehmen können, lässt sich ergänzend zu dem Pull-Up-Widerstand 11 ein dazu passender Spannungsteiler mittels eines von der Ausgangsleitung 5 abgehenden weiteren Widerstands 12 erstellen, der zur Masse 10 geschaltet ist. Diese Konfiguration ist in Fig. 4 dargestellt. Öffnet nun der Schalter 3 und ist das Stellelement 8 eine Spule, wird aufgrund des Spannungsteilers bestehend aus dem Pull-Up-Widerstand 11 und dem weiteren Widerstand 12 ein definierter Spannungswert an dem Ausgangskanal 5 anliegen.
Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist, dass sie die Signalqualität bei einer Einpunktmessung eines Injektors verbessert. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da die Einpunktmessung eine einfache Anpassung auf unterschiedlichen Steuereinheiten verschiedener Hersteller ermöglicht, da die meisten Steuereinheiten mindestens einen Kontakt für die Ansteuerung des Injektors auf ihr Spannungsniveau überwachen können. Zudem bietet die vorgestellte Lösung den Vorteil, dass sie sowohl in der Steuereinheit realisierbar ist aber auch bei einer fehlenden internen Ressource der Steuereinheit nachträglich in den Kabelbaum integrierbar ist. Durch die Kombination dieser Ansätze kann das Signalrauschverhältnis erhöht werden, wodurch auch bei einer geringeren Auflösung der Spannungsdetektion eine sichere Zustandserfassung des Schaltvorgangs realisiert werden kann.
Weiter ist von Vorteil, dass die Verwendung von passiven Bauelementen keine weiteren Spannungen als die bereits vorliegenden benötigt. Hierdurch ergibt sich kein Mehraufwand durch das zusätzliche Vorsehen einer stabilen Steuerspannung, welche zudem auch gegenüber Störeinflüssen abgesichert werden müsste. So reicht es bei einer exemplarischen Variante zur Vergrößerung der Signalhubamplitude beim Schalten den LS-Kontakt über einen Widerstand 11 mit der Versorgungsspannung zu verbinden. In der erfindungsgemäß ausgeführten Schaltung wird allgemein ausgedrückt eine Kombination aus passiven Bauteilen unter Benutzung von Versorgungsspannung und Masse verwendet.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Zustandserfassung eines Kraftstoffinjektors (2), umfassend: einen Injektor (2) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Motorbrennraum, einen durch ein Injektorgehäuse und eine Injektordüsennadel gebildeten
Schalter (3), der in Abhängigkeit von einem geschlossenen oder offenen Zustand des Injektors (2) seinen Schaltzustand verändert, eine Eingangsleitung (4) zum Zuleiten von Energie an ein die Düsennadel in ihren beiden Zuständen verstellendes Stellelement (8), eine Ausgangsleitung (5) zum Ableiten von Energie von dem Stellelement (8), und eine Auswerteeinheit (6) zum Erfassen des Schaltzustands des Schalters, wobei ein erster Schalterkontakt des Schalters mit einer elektrischen Eingangsleitung (4) des Injektors (2) verbunden ist, ein zweiter Schalterkontakt des Schalters mit Masse (10) verbunden ist, und die Auswerteeinheit (6) dazu ausgelegt ist, eine Signalmessung, insbesondere eine Spannungsmessung an der Eingangsleitung (4) und/oder einer Ausgangsleitung (5) vorzunehmen, um auf einen Schalterzustand zu schließen, gekennzeichnet durch ein Signalfilter (7), das nur passive Bauteile umfasst und zwischen der Auswerteeinheit (6) und der Eingangsleitung (4) und/oder zwischen der Auswerteeinheit (6) und der Ausgangsleitung (5) des Injektors (2) geschaltet ist, um ein durch das Schalten des Schalters erzeugtes Signal hervorzuheben.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, ferner mit einer die Auswerteeinheit (6) umfassenden elektronischen Steuereinheit, die mit einem jeweiligen Anschluss mit der Eingangsleitung (4) und der Ausgangsleitung (5) verbunden ist und dazu ausgelegt ist, an der Eingangsleitung (4) eine gegenüber der Ausgangsleitung (5) höhere Spannung, insbesondere eine Versorgungspannung (Vcc), zum Betätigen des Stellelements (8) anzulegen, wobei vorzugsweise die Spannungsdifferenz zwischen Eingangsleitung (4) und Ausgangsleitung (5) 12V, 24V oder 48V beträgt.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schalterkontakt über einen Widerstand (9) mit der Eingangsleitung (4) des Injektors (2) verbunden ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Schalterkontakt mit derselben Masse (10) wie ein Stromkreislauf des Injektors (2) verbunden ist, vorzugsweise ist die Masse (10) die Karosserie oder ein Motorblock eines Fahrzeugs.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Injektor (2) und der Schalter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das eine Eingangsleitung (4), eine Ausgangsleitung (5) und einen Masseanschluss umfasst.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellelement (8) ein Magnetventil ist, das vorzugsweise dazu ausgelegt ist, eine Zustandsänderung des Injektors (2) durch Ausheben oder Absetzen der Düsennadel hervorzurufen, was wiederum eine Zustandsänderung des Schalters bewirkt.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (6) eine Signalmessung, insbesondere eine Spannungsmessung entweder an der Eingangsleitung (4) oder der Ausgangsleitung (5) vorzunehmen, um auf einen Schalterzustand zu schließen, wobei vorzugsweise die Signalmessung der Auswerteeinheit (6) an der Ausgangsleitung (5) stattfindet.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die passiven Bauteile zum Bilden des Signalfilters (7) Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Oszillatoren oder Trimmer sind.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Signalfilter (7) ein Pull-Up-Widerstand (11) und/oder ein Pull-Down-Widerstand umfasst oder ist, um eine absolute Spannung an der Eingangsleitung (4) oder der Ausgangsleitung (5) zu erfassen.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei der on der Eingangsleitung (4) oder Ausgangsleitung (5) abgehender Pull-Up-Widerstand (11) mit einer Versorgungsspannung (Vcc) verbunden ist, insbesondere mit der Versorgungspannung (Vcc) nach Anspruch 2. on der Eingangsleitung (4) oder Ausgangsleitung (5) abgehender
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Signalfilter (7) in einer zur Eingangsleitung (4) führenden Verkabelung oder in einer von der Ausgangsleitung (5) wegführenden Verkabelung integriert ist, vorzugsweise dabei in einem Kabelbaum angeordnet ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Signalfilter (7) in einer elektronischen Steuereinheit, vorzugsweise in der elektronischen Steuereinheit nach Anspruch 2, angeordnet ist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Injektor (2) ein Common-Rail-Injektor ist.
14. Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.
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