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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustands eines Piezoinjektors, wie er im Zusammenhang mit der Kraftstoffeinspritzung bei Kraftfahrzeugen verwendet wird.
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Ein derartiger Piezoinjektor weist einen piezoelektrischen Aktor auf, der ein elektrisches Ansteuersignal in eine mechanische Hubbewegung umsetzt. Durch diese Hubbewegung wird eine Düsennadel gesteuert, mit welcher der Kraftstofffluss durch die Spritzlöcher einer Düseneinheit mehr oder weniger weit freigegeben werden kann, um eine gewünschte, vom elektrischen Ansteuersignal abhängige Kraftstoffmenge in geeigneter Art und Weise in einen Zylinder des Kraftfahrzeugs einspritzen zu können.
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Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme leisten einen hohen Beitrag zur Erfüllung anspruchsvoller Kundenwünsche und Gesetzesanforderungen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und bezüglich der Schadstoffemissionen des Kraftfahrzeugs. Dies trifft insbesondere für selbstzündende Verbrennungsmotoren mit Piezo-Pumpe-Düse-Systemen und für Piezo-Common-Rail-Systeme zu.
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In diesen Systemen auftretende Fehlerbilder, beispielsweise Kraftstoffleckagen, hängende Ventile, Ablagerungen, Leckströme, etc., führen in der Regel zu einem unerwünschten Fahrzeugverhalten wie Leistungsverlust, erhöhten Schadstoffemissionen oder aber auch zu einer aktivierten Fehlerspeicherlampe. Diese Fehlerbilder können sowohl im hydraulischen als auch im elektrischen System begründet liegen.
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On Board-Diagnose-Strategien erlauben es vor allem im dynamischen Betrieb des Fahrzeugs nur begrenzt, die Fehlerursache im Einspritzsystem näher einzugrenzen geschweige denn genau zu ermitteln, ohne dabei das Systemverhalten im Rahmen der Diagnose negativ zu beeinflussen. Intrusive Tests während des Fahrzeugbetriebes sind zudem vom Hersteller des Kraftfahrzeugs oftmals nicht gewünscht. Des Weiteren wird eine Ortung der jeweiligen Fehlerursache durch die begrenzte Anzahl von On Board verfügbaren Sensorinformationen eingeschränkt.
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Darüber hinaus nehmen insbesondere moderate Fehlerbilder in einem Einspritzsystem nur betriebspunktabhängig Einfluss auf das Fahrverhalten. Beispielsweise beeinflusst ein relativ hochohmiger Ableitwiderstand zwischen dem elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Aktors und der elektrischen Masse kurze Kraftstoffeinspritzvorgänge nur geringfügig, und zwar abhängig von der Zeitkonstante, die sich aus dem Wert des Ableitwiderstandes und der Kapazität des Piezoelementes ergibt. Zudem wird diese Beeinflussung abhängig vom Wert des Kurzschlusswiderstandes und abhängig vom aktuellen Betriebspunkt, beispielsweise liegt ein niedriger oder ein mittlerer Drehzahlbereich bzw. Lastbereich vor, noch durch das System kompensiert. Dies kann beispielsweise durch die Bereitstellung einer höheren Ansteuerenergie für den piezoelektrischen Aktor erfolgen.
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Moderate Fehlerbilder wirken sich erst auf das Systemverhalten aus, wenn für den aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ein vergleichsweise hoher Kraftstofffluss, d. h. eine vergleichsweise lange Ansteuerdauer, erforderlich ist. In solchen Fällen kann ein Ladungsverlust des Piezoaktors über der Zeit zu einer unerwünschten Reduktion der Einspritzrate und damit der Einspritzmenge führen. Diese Reduktion der Einspritzmenge verursacht einen Leistungsverlust, der in vielen Fällen mit einer erhöhten Abgasemission verbunden ist. Derartige Fehlerbilder lassen sich in einer Werkstatt nicht, oder nur mit hohem Aufwand, beispielsweise unter Verwendung einer Leistungsrolle und/oder einer zusätzlichen Sensorik, reproduzieren und stellen somit eine große Herausforderung für eine Fehlersuche in einer Werkstatt dar.
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Oftmals erfolgt in einer Werkstatt mangels genauer Kenntnis der Ursache eines vorliegenden Fehlers ein unnötiger Austausch von an sich noch funktionsfähigen Komponenten. Oft kommt es auch zu einem Austausch zu vieler Komponenten. Beispielsweise wird in unnötiger Weise eine noch funktionsfähige Steuereinheit (ECU) oder ein gesamter Injektorsatz ausgetauscht, obwohl ein vorliegendes ungewünschtes Systemverhalten beispielsweise durch einen einzigen defekten Injektor oder einen verschmutzten Stecker im Kabelbaum hervorgerufen wurde.
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Des Weiteren führen manuelle Eingriffe in das Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs häufig dazu, dass in unerwünschter Weise Verunreinigungen in das Einspritzsystem eingebracht werden und dass Komponenten beschädigt werden.
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Zudem kann sich ein zunächst moderater Fehler, sofern er nicht entdeckt wird, im Laufe der Zeit zu einem kapitalen Fehler entwickeln. Die Folge eines derartigen kapitalen Fehlers ist in vielen Fällen ein Totalversagen des Einspritzsystems und damit ein Liegenbleiben des jeweiligen Kraftfahrzeugs.
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Erschwerend kommt hinzu, dass gesetzliche Vorschriften zur Überwachung der Funktionen eines Kraftfahrzeugs in letzter Zeit verschärft wurden. Dies gilt sowohl für den Automarkt in Europa als auch in den USA. Früher war es ausreichend, schwere Fehler im System, beispielsweise Kurzschlüsse zur elektrischen Masse des Kraftfahrzeugs, zu erkennen und anzuzeigen. Grundtenor der aktuellen Gesetzgebung ist hingegen die Notwendigkeit einer Erkennung aller Fehler, die in irgendeiner Weise die Abgasemission des Kraftfahrzeugs betreffen. Dazu gehören auch die oben genannten moderaten Fehler.
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Aus der
DE 10 2006 036 567 B4 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Funktionszustandes eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem die Eingangsgrößen eines Regelkreises zur Kraftstoffeinspritzung die Spannung und die Ladung sind. Des Weiteren wird ausgehend von einer Neukapazität und den letzten gespeicherten Kapazitätswerten der für den gemessenen Piezoinjektor weitere Kapazitätsverlauf mit Hilfe eines mathematischen Näherungsverfahrens berechnet. Ein bevorstehender Ausfall des Piezoinjektors wird dadurch erkannt, dass ein gemessener Kapazitätswert sich außerhalb eines ersten oberen und unteren Toleranzbereichs um den berechneten Kapazitätsverlauf befindet. Der Piezoinjektor wird sofort abgeschaltet, wenn sich der gemessene Kapazitätswert außerhalb eines zweiten oberen und unteren Schwellbereichs um den berechneten Kapazitätsverlauf befindet, wobei der Schwellbereich den Toleranzbereich mit einschließt.
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Aus der
DE 103 36 639 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionsdiagnose eines Piezoaktors eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Piezoaktor wird unter einer vorgebbaren elektrischen Spannung aufgeladen und es wird die sich bei dieser Spannung ergebende Ladungsmenge mit einer bei dieser Spannung zu erwartenden Sollladungsmenge verglichen. Aus der Abweichung zwischen den besagten Ladungsmengen wird auf die Funktionsfähigkeit des Piezoaktors geschlossen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung des Zustandes eines Piezoinjektors anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Überwachung des Zustands des Piezoinjektors unter Verwendung von in bekannten Einspritzsystemen oftmals ohnehin vorhandenen, zu anderen Zwecken verwendeten Größen erfolgen kann. Diese Größen werden derart neu verknüpft, dass dadurch eine neue Information gewonnen wird, die Auskunft über den Zustand des Piezoinjektors gibt. Bei dieser neuen Information handelt es sich um den Ableitwiderstand des Piezoinjektors. Ist dieser größer als ein vorgegebener Schwellenwert, dann wird erkannt, dass der Piezoinjektor störungsfrei arbeitet. Ist der Ableitwiderstand hingegen kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, dann wird erkannt, dass der Piezoinjektor nicht mehr störungsfrei arbeitet, insbesondere, dass der Ableitwiderstand des Piezoinjektors aufgrund von Umwelt- und/oder Alterungseinflüssen derart abgesunken ist, dass die Gefahr eines Kurzschlusses oder eines Spannungsüberschlages besteht.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften eines Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren.
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Es zeigt 1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung, 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines Einspritzzyklus und 3 ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Ein Verfahren zur Überwachung des Zustands eines Piezoinjektors eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere für selbstzündende Verbrennungsmotoren mit Piezo-Pumpe-Düse-Systemen und für Piezo-Common-Rail-Einspritzsysteme. Es kann insbesondere auch während des üblichen Fahrzeugbetriebs verwendet werden. Es lässt sich aber auch in stabilen Operationsbedingungen ausführen, die insbesondere bei stehendem Fahrzeug oder in einer Werkstatt vorliegen. So kann ein Verfahren gemäß der Erfindung beispielsweise während einer Einschalt-Testroutine bei stehendem Fahrzeug, während der Schubphasen im normalen Fahrzeugbetrieb, im Rahmen einer Ausschalt-Testroutine beim Abstellen des Fahrzeugs und auch im Rahmen eines Service-Aufenthaltes in einer Werkstatt durchgeführt werden.
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Ein Verfahren gemäß der Erfindung kann in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder ereignisbasiert durchgeführt werden. Des Weiteren können die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Durchführungen des Verfahrens statistikbasiert variiert werden. Wenn eine Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung zum Ergebnis hat, dass ein Anfangsverdacht für das Vorliegen eines moderaten Fehlers gegeben ist, dann können die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Durchführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verkürzt werden.
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Ein Piezoinjektor eines Kraftstoffeinspritzsystems weist einen Piezoaktor auf, der die Eigenschaft hat, aufgebrachte Ladung zu speichern. Es ist im Unterschied zu spulenbetriebenen Injektoren nicht notwendig, einen dauernden Haltestrom an den Piezoaktor anzulegen. Der Ableitwiderstand eines Piezoinjektors, der zwischen dem Highside-Anschluss des Piezoinjektors und elektrischer Masse vorliegt, liegt im Neuzustand des Piezoinjektors im Megaohmbereich. Folglich kann man davon ausgehen, dass der Piezoinjektor das Spannungsniveau, welches er während der Ladephase erreicht, für die gesamte Dauer der nachfolgenden Haltephase bis zum Beginn der Entladephase zumindest in etwa konstant hält. Aufgrund von Umwelt- und/oder Alterungseinflüssen kann der Ableitwiderstand aber insbesondere beim Vorliegen von langen Einspritzzeiten derart absinken, dass er nur noch im zweistelligen Ohmbereich liegt. Dieses Absinken des Ableitwiderstandes kann dazu führen, dass der Piezoinjektor durch das Auftreten von Kurzschlüssen beziehungsweise Spannungsüberschlägen nach Masse funktionsunfähig wird und Schäden im Fahrzeug verursacht. Um dies zu verhindern, wird gemäß der vorliegenden Erfindung während der Haltephase eines Einspritzzyklus der Ableitwiderstand des Piezoinjektors ermittelt und es werden aus dem ermittelten Ableitwiderstand Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Piezoinjektors gezogen, so dass gegebenenfalls rechtzeitig notwendige Maßnahmen in die Wege geleitet werden können, beispielsweise der Austausch eines Piezoinjektors.
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Die 1 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung. In diesem Ersatzschaltbild sind ein Treiber 1, Piezoinjektoren P1, ..., Pn und ein Ableitwiderstand R dargestellt.
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Der Treiber 1 enthält eine Highside-Treibereinheit 1a und eine Lowside-Treibereinheit 1b. Der Ausgang der Highside-Treibereinheit 1a ist jeweils mit einem Anschluss der Piezoinjektoren P1, ..., Pn und mit dem massefernen Anschluss des Ableitwiderstandes R verbunden. Die Lowside-Treibereinheit 1b ist mit den Gateanschlüssen G1, ..., Gn von insgesamt n Feldeffekttransistoren verbunden, wobei der Drainanschluss D1, ..., Dn mit dem jeweils anderen Anschluss der Piezoinjektoren P1, ..., Pn verbunden ist. Die Source-Anschlüsse S1, ..., Sn der Feldeffekttransistoren sind jeweils mit Masse verbunden.
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Die einzelnen Piezoinjektoren werden vom Treiber 1 jeweils in Einspritzzyklen angesteuert, wobei jeder Einspritzzyklus eine Ladephase LP, eine Haltephase HP und eine Entladephase EP umfasst. Dies ist in der 2 veranschaulicht, die ein Diagramm zur Erläuterung eines Einspritzzyklusses zeigt. Während der Ladephase LP wird der Piezoinjektor unter Verwendung einer Spannungsquelle auf einen Spannungswert U0 aufgeladen. Im Neuzustand des jeweiligen Injektors, in welchem der Ableitwiderstand im Megaohmbereich liegt, wird dieser Spannungswert bis zum Ende der Haltephase HP gehalten. Dann folgt die Entladephase EP, während welcher der Piezoinjektor entladen wird.
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Aufgrund von Umwelt- und Alterungseinflüssen sinkt jedoch der Ableitwiderstand eines Injektors mit zunehmender Zeit. Bei dennoch noch ausreichendem Ableitwiderstand, beispielsweise bei Widerstandswerten im Kiloohmbereich, ist nach wie vor eine Vollladung eines Piezoinjektors möglich, da noch kein Kurzschluss vorliegt und es auch keinen Spannungsüberschlag nach Masse gibt. Der Piezoinjektor verliert jedoch beispielsweise über eine Kohlenstoffbahn Ladung. Dies ist in der 2 durch die mit vergleichsweise geringer Steigung abfallende Gerade während der Haltephase HP ersichtlich.
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Wird nun die Spannung am Piezoinjektor zu Beginn und am Ende der Haltephase gemessen und dann der Differenzwert zwischen den gemessenen Spannungen ermittelt, dann können unter zusätzlicher Berücksichtigung der Einspritzdauer und der Kapazität des Piezoinjektors Rückschlüsse auf die abgeflossene Ladungsmenge bzw. einen mittleren Ableitstrom gezogen werden. Daraus wiederum kann in erster Näherung der Ableitwiderstand berechnet werden. Aus dem ermittelten Wert des Ableitwiderstandes werden Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Piezoinjektors gezogen, wie noch unten erläutert wird.
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Zu einer Vermeidung von unnötigen Fehlereinträgen erfolgt vorzugsweise eine Plausibilisierung des berechneten Wertes des Ableitwiderstandes. Dies wird nachfolgend anhand der 3 erläutert. Diese zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Bei diesem Verfahren erfolgt während der Haltephase HP eine Erfassung mehrerer Spannungswerte, aus welchen eine Geradenfunktion berechnet wird. Unter Verwendung dieser Geradenfunktion wird ein Wert für den Ableitwiderstand ermittelt. Dieser wird mit dem in erster Näherung ermittelten Wert für den Ableitwiderstand verglichen. Im Falle einer zumindest weitgehenden Übereinstimmung wird der ermittelte Wert als korrekt angesehen und es werden die Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Piezoinjektors unter Verwendung des ermittelten Wertes für den Ableitwiderstand gezogen.
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Bei der Ermittlung der Geradenfunktion wird unter Verwendung der Beziehung y = m·x + b eine Geradensteigung ermittelt. Um dabei den Einfluss von Ausreißern bzw. Messfehlern auszugleichen, erfolgt eine Mittelwertbildung aufeinanderfolgender Messwerte. Die Geradensteigung m ergibt sich durch eine Berechnung des Quotienten aus der Differenzzeit und der Differenz gebildeter Mittelwerte.
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Eine Plausibilisierung erfolgt unter Verwendung der genannten Beziehung dadurch, dass der Wert V_INJ_BEG_TEST_PLS_CLC zum Zeitpunkt T_CHA + Trigger-Verzögerung, also bei ca. t = 275 μs, ermittelt wird. Dieser Wert muss nun in etwa gleich dem Wert V_INJ_BEG_TEST_PLS sein, wobei eine kalibrierbare Toleranz zugelassen ist.
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Aus dem gemessenen Spannungswert U0 = V_INJ_BEG_TEST_PLS und dem Mittelwert der letzten drei Messwerte des BURST-Vektors (siehe 3) wird eine Differenz ΔU zwischen dem Wert U0, wie er zu Beginn der Haltephase vorliegt, und dem Wert U, wie er am Ende der Haltephase vorliegt, gebildet. Aus der zeitlichen Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert U0 und dem genannten Mittelwert ergibt sich die Zeit t, die in die Berechnung des Ableitwiderstandes eingeht.
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Es gilt nach alledem:
y = mx + b, wobei
b = V_INJ_BURST_SOI_mittel_0..2 – m·T_sample,
T_sample = BURST Verzögerung + 1·7 μs
T_sample 2 = BURST Verzögerung + 38·7 μs
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Dabei entspricht der Zeitpunkt Null dem Zeitpunkt SOI (Start of Injection).
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Zum Zwecke einer Beispielrechnung sei angenommen, dass über einen Zeitraum von 1 ms bei einer Kapazität des Piezoinjektors von 6 μF die Spannung am Piezoinjektor von 120 V um 10 V auf 110 V sinkt.
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In diesem Fall gilt für die abgeflossene Ladungsmenge: ΔQ = C·ΔU = 60 μAs.
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Für den mittleren Ableitstrom ergibt sich: I = ΔQ / t = 6 0 μ A s / 1 ms = 60 mA.
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Damit gilt für den Ableitwiderstand: R = U / I = 120 V / 60 mA = 2 kOhm.
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Aus einem derartigen Wert für den Ableitwiderstand wird der Rückschluss gezogen, dass die Funktionsfähigkeit des Piezoinjektors nach wie vor gegeben ist.
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Massive negative Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit eines Piezoinjektors und damit den Betrieb des jeweiligen Motors des Kraftfahrzeugs werden hingegen angenommen, wenn der ermittelte Wert des Ableitwiderstandes kleiner ist als 1 kOhm. Insbesondere muss die Zeitkonstante, die sich aus dem Produkt des Ableitwiderstandes mit der aktuellen Kapazität des Piezoinjektors ergibt, in etwa kleiner als das Zehnfache der Einspritzdauer sein, um unerwünschten Einfluss auf den Motor des Kraftfahrzeugs auszuüben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006036567 B4 [0012]
- DE 10336639 A1 [0013]