CN1581667B - 内燃机燃油计量系的压电致动器的功能诊断方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对内燃机燃油计量系的压电致动器或驱动压电致动器的功率末级进行功能诊断的方法和装置，该压电致动器能够基于电荷或基于电压来控制，本发明规定，压电致动器在一个预定的电压下充电并且在该电压下得到的电荷量与在此电压下预计有的额定电荷量进行比较，根据这两个电荷量之差推断出该压电致动器和/或该功率末级的功能能力。

Description

内燃机燃油计量系的压电致动器的功能诊断方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机燃油计量系的压电致动器的功能诊断方法和装置。
背景技术
现代汽车越来越多地采用了燃油计量系，其中，油压产生和燃油计量借助高压蓄压器相互脱开。广泛使用的是例如在DE10002270C1中描述的所谓“共轨***”，在共轨***中，借助喷油阀(喷油器)将燃油喷入内燃机的各燃烧室(气缸)内，上述高压蓄压器被称为“共轨管”。
喷油器大多具有压电致动器，借助这些器能控制喷油器针阀的运动。喷油器针阀的控制借助针阀本身或通过控制针阀运动的且接在中间的液力偶合器且确切地说大多是开关阀或控制阀来完成。控制阀此时通过充电和由此引起的各压电致动器的伸长来定位，结果，借此相应地控制针阀行程。
压电致动器在喷油中借助功率电子装置被充电到某个电压，在一个布置在那里的压电器上产生与控制电压非线性相关的行程。为了精确计量燃油，绝对需要尽量精确掌握和控制致动器行程或喷油器针阀或控制阀的相应行程和进而由控制引起的压电致动器伸长。不过，上述压电致动器众所周知地具有“老化特性”，就是说，对新出厂的致动器来说，在控制电压恒定情况下在第一个约千万次控制中出现致动器行程增大达到10％。此外，在控制中出现的压电致动器伸长易受温度的影响。
对于上述伸长的检测，只能以当时的压电致动器的电气参数为测量值，因为致动器行程本身在在此存在的使用条件下无法直接测量。
上述压电致动器大多由多个叠层片组成，它们是在电气方面并联的电容。在这些单层里，可能出现各层(主要是靠外的层)分离，结果出现了各致动器的电气和/或机械的失效行为。但这种失效行为无法只通过将致动器充电到某个电压而被确定。
在这方面必须指出的是，上述喷油器在内燃机运行时为了在遵守严格排气标准的同时能使油耗更低以及为了在燃烧时限制噪音级而对喷油量只有很小的容差。尤其即使喷油量很小，例如在所谓的“预喷油”时，所希望的喷油量也必须以很高的精度来实现。
为了对在此提到的燃油计量系的喷油器进行功能诊断而只知道要考虑在发动机电子装置(电缆束、喷油器电子装置等)区域里或在发动机控制器里出现的故障。而表示压电致动器的即将来临的整体失效或失效行为的功能故障是不能检测并因而不能诊断判定的。
由于以上原因，人们在追求尽可能精确的功能诊断，尤其是当在此涉及的内燃机或装有内燃机的车辆连续运行时能进行的功能诊断。还值得追求的是，能快速可靠地诊断判定喷油与预定的理论行为的差异。
发明内容
因而，本发明的任务是提出开头所述类型的方法和装置，它们允许与现有技术相比更好地对内燃机燃油计量系的上述压电致动器进行功能诊断。
为完成上述任务，本发明提出一种对内燃机燃油计量系的压电致动器和/或驱动压电致动器的功率末级进行功能诊断的方法，该压电致动器能基于电压来控制，根据本发明，该压电致动器在一个预定的电压下充电并且在该电压下产生的电荷量与一个在该电压下预计有的额定电荷量进行比较，根据上述两个电荷量之差能推断出该压电致动器和/或该功率末级的功能能力。此外，本发明提出一种对内燃机燃油计量系的压电致动器和/或驱动压电致动器的功率末级进行功能诊断的方法，该压电致动器能基于电荷来控制，根据本发明，该压电致动器以预定的电荷来充电并且在该电荷下产生的电压与在该电荷下预计有的额定电压进行比较，根据上述这两个电压之差能推断出该压电致动器和/或该功率末级的功能能力。相应地，本发明还提出实施上述方法的装置，即一种对内燃机燃油计量系的压电致动器和/或驱动压电致动器的功率末级进行功能诊断的装置，该压电致动器能基于电压来控制，其中，设有用于在预定的电压下对该压电致动器充电的机构、用于检测在该电压下产生的电荷量的机构、用于将所得到的电荷量与在该电压下预计有的额定电荷量进行比较的机构以及用于根据上述这两个电荷量之差发出故障报警信号的机构。还提出一种对内燃机燃油计量系的压电致动器和/或驱动压电致动器的功率末级进行功能诊断的装置，该压电致动器能基于电荷来控制，其中，设有用于以预定的电荷对该压电致动器进行充电的机构、用于检测在该电荷下产生的电压的机构、用于将所得到的电压与在该电荷下预计有的额定电压进行比较的机构以及用于根据上述两个电压之差发出故障报警信号的机构。本发明基于以下构想，即为了对在此涉及的压电致动器进行功能诊断，执行电压/电荷的似真性检查，其中，致动器被充电到某个电压，此时得到的电荷量与一个在此电压下预计的额定电荷量比较。根据上述两个电荷量之差，推断出致动器的功能能力。
所提出的方法和装置的优点在于，能够在对喷油器且尤其是压电共轨喷油***的喷油器进行功能诊断时获得了高得多的精度。另一优点是，根据所述方法，在内燃机的控制器里已提供的致动器电压值和电荷值可被用于致动器和/或功率末级的诊断，以便由此识别出否则尚未发现的上述功能故障。
附图说明
以下，参见附图并结合优选实施例来详细说明本发明，从这些实例里得到了本发明的其它特点和优点。附图所示为：
图1是适于采用本发明的根据现有技术的共轨喷油***的一部分的原理图；
图2是根据现有技术的内燃机喷油阀的局剖纵截面示意图；
图3是表示在对图2所示的压电喷油器进行电荷调节控制时的本发明的功能诊断的线路框图；
图4是表示在对这样的喷油起进行电压调节控制时的本发明功能诊断的线路框图。
具体实施方式
图1表示一个代表本发明所包含的所有燃油计量系的共轨喷油***的高压部分，以下只对其主要组成部分以及对理解本发明十分重要的一些组成部分进行详细叙述。
所示装置具有高压泵10，它通过高压管路12与高压蓄压器(“共轨管”)14传压连接。高压蓄压器14通过其它高压管路与喷油器18连接。在此图中，为简化起见而只示出一个高压管16和一个喷油器18。喷油器18安置在汽车的内燃机里。所示喷油***由发动机控制器20来控制。通过发动机控制器20，实现了尤其是所示喷油器18的控制。
在喷油器18上设有信息存储器22，可借助它并通过发动机控制器20来单独控制喷油器18。当然，在本实施例中，在此未示出的其它喷油器里也能有相应的信息存储器22。当然，也能规定只是其中一个喷油器有这样的信息存储器22，而它同样为其它喷油器所用。所述信息主要是用于喷油器18的最好布置在发动机控制器里的喷油量组合特性曲线的修正值。信息存储器22例如能以或许带有信息字母编码的数字式数据存储器的形式、以一个或多个电阻的形式、以条形码的形式或以集成半导体电路的形式来实现。发动机控制器20同样也能有一个附加的集成半导体电路用于分析存储在信息存储器22里的信息。
实现一定喷油量所需的控制时间是蓄压器压力的函数。此时，喷油量作为控制时间和蓄压器压力的函数被存在所谓的喷油量组合特性曲线中，喷油量组合特性曲线在一些检验点上用额定特性被补偿找平。为了在内燃机和喷油器的整个工作区内都能实现燃油计量，相应的补偿值***补在由检验点规定的支点之间。
图2表示如DE10002270C1所述的压电控制喷油阀(喷油器)101的局剖放大图。喷油器101具有压电单元(压电致动器)104以便操纵能在喷油器体107的孔113里轴向移动的阀芯103。喷油器101还有一个紧邻压电单元104的调节活塞109和一个紧挨着喷油阀关闭件115的操纵活塞114。在活塞109、114之间设有一个起到液压传动机构作用的液压腔116。喷油阀关闭件115与至少一个阀座118、119配合作用并使低压区120与高压区121分开。仅示意示出的电控单元112为压电单元104提供控制电压，确切地说根据当时在高压区121里的压力水平。
如以下详述的那样，存在两个独立参数，它们表示图2所示压电致动器的性能，即输入致动器里的电荷及加在致动器上的电压。
图3所示的线路框图表示在电荷调节时按照本发明对相关的压电致动器进行基于电压的功能诊断。例如由发动机控制器提供的当前蓄压器压力P_Rail300首先借助第一组合特性曲线302被换算成额定电荷Q_soll304。额定电荷304起到PI(比例积分)调节器306的输入参数的作用。额定电荷304还加在一个位于PI调节器306后面的第一逻辑运算点308上。在第一逻辑运算点308上，PI调节器306的额定电荷和输出信号进行累加。此时所得的经过修正的额定电荷Q_Soll_Korr310借助第二组合特性曲线312被换算成经过修正的额定电压U_Soll_Korr313并借助表示限制元件的第三组合特性曲线314被换算成相应的电压值，借助该电压值来控制在此仅示意表示的喷油***316的致动器。响应于该控制地出现了电荷实际值Q_ist318，它被输送给一个布置在PI调节器306之前的具有负号的第二逻辑运算点320。因而，在第二逻辑运算点320之后的差值信号(Q_soll-Q_ist)借助PI调节器306被调到零。
除实际值Q_ist318外，喷油***316还提供控制电压U_ist的实际值322。加在所示装置入口端上的蓄压器压力P_Rail300还借助第四组合特性曲线324被换算成控制电压的对应的额定值U_soll326。为了进行故障诊断，这两个值U_ist322和U_soll326最终借助分析处理机构328进行处理，在这两个值之间形成差值。如果差值(U_ist-U_soll)大于能根据经验事先求得的阈值，在本实施例中就认为出现故障。此时，分析处理机构328向一个在此未示出的发动机控制器发出故障报警信号330。
因而，在本实施例中，PI调节器306用于使电荷调节偏差变为零。如果同时比较电压额定值326和当前测得的电压322，则可以从这两个值之差推断出压电致动器的当前特性。若测量值例如高于额定值，就意味着用规定的电荷量使致动器充电达到了比预期更高的电压。这又表明，致动器电容按照关系式Q＝C*U已减小。在这种情况下，起因例如可能是一个在当时致动器里的多层陶瓷的一些薄层脱开了。
上述诊断方案也能以设置在发动机控制器里的控制程序的形式来实现。该控制程序根据所需喷油量按照本身已知的方式并根据一条控制电压vs喷油量的特性曲线算出一个用于当前要控制的致动器的额定电压。所算出的额定电压值被传给控制器集成电路并在那里在致动器充电过程里作为中断充电标准的基础。在充电过程中以适当的形式调节输送给致动器的电流，其中，由于压电致动器的电性能而大多存在一个滞后带。同时，在真正充电过程结束后但致动器随后开始放电之前的某个时刻，测量加在致动器上的电压，并因此作为信息提供给所述控制程序。这些信息被用来进行一种调节，在该调节中，根据致动器测量电压与真正额定电压之差来改变控制器集成电路的额定电压。
如图4所示，作为图3所示实施例的替换方式，电压额定值可以在考虑加在致动器上的电压的情况下形成。在这里，当前测量的电压值与额定电压值比较并将所得差值又作为调节参数输入一调节器。该调节器的输出参数和电压额定值被相加，此时得到的值又借助适当的特性曲线被换算成相应的额定电压。根据此时进行的电压调节，也可以如根据图3所述的那样由所测电荷与额定电荷的比较推断出致动器的性能。
图4所示装置表示在电压调节时的基于电荷的诊断，测量的蓄压器压力P_Rail400借助第一组合特性曲线402被换算成额定电压U_soll404并且该额定电压404又作为PI(比例积分)调节器406的输入参数。额定电压404在此还加在位于PI调节器406后的第一逻辑运算点408上。在第一逻辑运算点408上使额定电压404和PI调节器406的输出信号相加。次时得到的经过修正的额定电压U_soll_Korr410借助一个在此也表示限制元件的第二组合特性曲线414被转换成一个电压值，借助该电压值来控制在此只示意表示的喷油***的致动器。响应于该控制地不仅又得到电压U_ist的实际值418，它被输送给布置在PI调节器406前的带负号的第二逻辑运算点420，而且又得到电荷Q_ist422的实际值。在第二逻辑运算点420后的差值信号(U_soll-U_ist)借助PI调节器406被调为零。
由喷油***416还提供的实际值Q_ist422按照类似方式与一个来自蓄压器压力P_Rail400地借助第三组合特性曲线424被换算成相应的额定值Q_soll426的值一起被输送给分析处理机构428。为了进行故障诊断，这两个值Q_ist422和Q_soll426在此也借助分析处理机构428进行处理，在这两个值之间就形成差值。如果差值(U_ist-U_soll)大于可按经验预先求出的阈值，则在本实施例中也被认为发生故障。在此情况下，分析处理机构428向在此未示出的发动机控制器发出故障报警信号430。
或者，该调节和诊断可以是一个在控制器内的计算机程序的组成部分。

Claims (13)

1.一种对内燃机燃油计量系的压电致动器进行功能诊断的方法，该压电致动器能基于电压来控制，其特征在于，该压电致动器在一个预定的电压下充电并且在该电压下产生的电荷量与一个在该电压下预计有的额定电荷量进行比较，根据上述两个电荷量之差能推断出该压电致动器的功能能力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所希望的燃油计量量并借助一条作为计量量函数的控制电压的特性曲线算出一个用于当前要控制的致动器的额定电压，该额定电压的算出的值在该致动器充电时作为中断标准的基础，在充电时调节供给该致动器的电流，在结束致动器充电后但在开始随后的放电之前，测量加在该致动器上的电压，该测量的电压被用于根据所测量的电压与所述额定电压之差来调整用于控制该致动器的额定电压。
3.一种对内燃机燃油计量系的压电致动器进行功能诊断的方法，该压电致动器能基于电荷来控制，其特征在于，该压电致动器以预定的电荷来充电并且在该电荷下产生的电压与在该电荷下预计有的额定电压进行比较，根据上述这两个电压之差能推断出该压电致动器的功能能力。
4.一种对内燃机燃油计量系的压电致动器进行功能诊断的装置，该压电致动器能基于电荷来控制，其特征在于，设有用于以预定的电荷对该压电致动器进行充电的机构、用于检测在该电荷下产生的电压的机构、用于将所得到的电压与在该电荷下预计有的额定电压进行比较的机构以及用于根据上述两个电压之差发出故障信号的机构。
5.按权利要求4所述的装置，其特征在于，设有一个电荷调节器(306)，能够借助该电荷调节器使所述预定的电荷的调节偏差被调到零。
6.按权利要求4或5所述的装置，其特征在于，设有将当前的蓄压器压力(300)换算成额定电荷(304)的第一组合特性曲线(302)，该额定电荷(304)用作电荷调节器(306)的输入参数，设有一个在该调节器(306)后的第一逻辑运算点(308)，该额定电荷(304)加在该逻辑运算点上并且在该逻辑运算点上该额定电荷(304)与电荷调节器(306)的输出信号相加，设有用于把一个在所述第一逻辑运算点(308)上经过修正的额定电荷(310)换算成一个经过修正的额定电压(313)或一个电压值的第二组合特性曲线(312)，借助该额定电压(313)或电压值来控制该压电致动器，其中，响应于该控制地得到一个电荷实际值(318)，它被输送给一个安置在所述电荷调节器(306)前面的带负号的第二逻辑运算点(320)，在这里，一个位于第二逻辑运算点(320)之后的差值信号借助电荷调节器(306)被调到零。
7.按权利要求6所述的装置，其中，该燃油计量系提供一个测量电压(322)，其特征在于，设有第四组合特征曲线(324)，借助该第四组合特征曲线将瞬时的蓄压器压力(300)换算成一个额定电压(326)，设有用于对测量电压(322)和额定电压(326)进行分析处理以便完成上述功能诊断的分析处理机构(328)作为所述用于发出故障信号的机构。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分析处理机构(328)对在所述测量电压(322)和额定电压(326)之间的差值进行分析处理，如果差值的绝对值大于一个预定的阈值，就发出故障信号。
9.一种对内燃机燃油计量系的压电致动器进行功能诊断的装置，该压电致动器能基于电压来控制，其特征在于，设有用于在预定的电压下对该压电致动器充电的机构、用于检测在该电压下产生的电荷量的机构、用于将所得到的电荷量与在该电压下预计有的额定电荷量进行比较的机构以及用于根据上述这两个电荷量之差发出故障信号的机构。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，设有一个电压调节器(406)，能够借助该电压调节器使所述预定的电压的调节偏差被调到零。
11.按权利要求9或10所述的装置，其特征在于，设有将当前的蓄压器压力(400)换算成额定电压(404)的第一组合特性曲线(402)，该额定电压(404)用作电压调节器(406)的输入参数，设有一个在该调节器(406)后的第一逻辑运算点(408)，该额定电压(404)加在该逻辑运算点上并且在该逻辑运算点上该额定电压(404)与电压调节器(406)的输出信号相加，设有用于把一个在第一逻辑运算点(408)上经过修正的额定电压(410)换算成一个经过修正的额定电压(410)或一个电压值的第二组合特性曲线(414)，借助该额定电压(410)或电压值来控制该压电致动器，其中，响应于该控制地得到一个实际电压(418)，它被输送给一个安置在电压调节器(406)前面的带负号的第二逻辑运算点(420)，在这里，一个位于第二逻辑运算点(420)之后的差值信号借助所述调节器(406)被调到零。
12.按权利要求11所述的装置，其中，该燃油计量系提供一个测量电荷(422)，其特征在于，设有第三组合特征曲线(424)，借助该第三组合特征曲线将瞬时的蓄压器压力(400)换算成一个额定电荷(426)，设有用于对测量电荷(422)和额定电荷(426)进行分析处理以便完成上述功能诊断的分析处理机构(428)作为所述用于发出故障信号的机构。
13.按权利要求12所述的装置，其特征在于，分析处理机构(428)对在所述测量电荷(422)和额定电荷(426)之间的差值进行分析处理，如果差值的绝对值大于一个预定的阈值，就发出故障信号。
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