DE102011083481A1

DE102011083481A1 - Verfahren zum Prüfen der Funktionsfähigkeit eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102011083481A1
Application number: DE102011083481A
Authority: DE
Inventors: Marc Neufeld; Michael-Juergen HOFMANN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Magnetventils, wobei eine Ventilnadel von einem Elektromagneten bewegt wird, wobei der Stromverlauf durch den Elektromagneten während der Ansteuerung des Magnetventils erfepräsentierende Größe unter Verwendung eines neuronalen Netzes mit wenigstens einer ersten, einen Referenzstromverlauf repräsentierenden Größe und/oder mit wenigstens einer zweiten, einen Defektstromverlauf repräsentierenden Größe verglichen wird, wobei der Referenzstromverlauf einem Stromverlauf durch den Elektromagneten eines funktionsfähigen Magnetventils entspricht und der Defektstromverlauf einem Stromverlauf durch den Elektromagneten eines nicht funktionsfähigen Magnetventils entspricht, wobei die Funktionsfähigkeit des Magnetventils auf Grundlage des Vergleichsergebnisses bewertet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Funktionsfähigkeit eines Magnetventils.
Stand der Technik
Beispielsweise in Kraftahrzeugen kommen Magnetventile zum Einsatz, bei denen eine Ventilnadel von einem Elektromagneten bewegt wird. Bei Kraftstoffeinspritzanlagen dienen sie als sog. Injektoren für die Zumessung des für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine benötigten Kraftstoffs. Es ist auch bekannt, Magnetventile als Dosierventile bspw. für die Abgasnachbehandlung, bspw. die Harnstoff- bzw. Ammoniak-Nachbehandlung in sog. SCR-Katalysatoren (selektive katalytische Reduktion; englisch selective catalytic reduction, SCR), einzusetzen. Hier wird die Menge des in das Abgas eingeleiteten Zusatzstoffes dosiert.
Für viele Steuerungsaufgaben im Fahrzeug ist es wichtig, die Bewegung des Magnetventils zu überwachen, um daraus bspw. Einspritzmengen usw. abzuleiten bzw. Fehlfunktionen zu erkennen.
In der DE 43 08 811 B9 wird beschrieben, wie das Öffnen und Schließen eines Magnetinjektors aus dem Stromverlauf durch den Elektromagneten bestimmt werden kann. Es hat sich nämlich gezeigt, dass das Anschlagen der Ventilnadel an ihren Haltepunkten zu einem Knick im Stromverlauf führt. Zur Auswertung ist jedoch erforderlich, den voraussichtlichen Zeitpunkt des Anschlagens im Vorhinein zu kennen, um um den Knick herum Messungen durchführen zu können. Dies bedarf eines gewissen Mess- und Rechenaufwands.
Es ist wünschenswert, die Funktionsfähigkeit eines elektromagnetischen Ventils einfacher bestimmen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Prüfen der Funktionsfähigkeit eines Magnetventils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft das Bewerten des Stromverlaufs durch den Elektromagneten des Magnetventils während der Ansteuerung. Die Bewertung basiert auf einer Mustererkennung durch ein neuronales Netz, wobei ein Referenzmuster des Stromverlaufs eines funktionsfähigen und/oder nicht funktionsfähigen Ventils als Lernmuster verwendet wird. Für die Auswertung ergeben sich dementsprechend mehrere Möglichkeiten, die alternativ oder gemeinsam durchgeführt werden können:
Wird während des Betriebs das Muster eines funktionsfähigen Ventils erkannt und/oder wird das Muster eines nicht funktionsfähigen Magnetventils nicht erkannt, wird das Magnetventil als funktionsfähig bewertet. Wird während des Betriebs das Muster eines funktionsfähigen Ventils nicht und/oder wird das Referenzmuster eines nicht funktionsfähigen Magnetventils erkannt, wird das Magnetventil als nicht funktionsfähig bewertet.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung überwindet die eingangs beschriebenen Nachteile. Durch das Mustererkennungsverfahren ist das Verfahren gegen Störungen, die z.B. aus Zuund Abschalten von Verbrauchern resultieren, oder Rauschen robust. Die Mustererkennung kann nämlich auch "nicht ideale Muster" erkennen und klassifizieren. Das vorgeschlagene Verfahren kommt mit einer kleineren Abtastrate als die bekannten Lösungen und daher mit einem gewöhnlichen ADC aus. Auch die notwendigen Rechenressourcen sind gering.
Es bietet sich an, als Referenz für ein nicht funktionsfähiges Magnetventil ein Ventil zu verwenden, das nicht vollständig öffnet oder schließt, da sich dieser Fehler, wie eingangs erwähnt, deutlich im Stromverlauf (als "fehlender" Knick) zeigt. Ein vollständig öffnendes oder schließendes Ventil zeigt nämlich einen Knick im Stromverlauf.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Knickerkennungsverfahren, die auf der Auswertung der zweiten Ableitung basieren, ist der Mess- und Rechenaufwand für die Erfindung gering. Auch haben Ableitungen häufig den unerwünschten Nebeneffekt, Rauschen im Nutzsignal zu verstärken, was das Auswerten des Signals erschwert. Für die Auswertung der zweiten Ableitung der Stromkurve ist eine hohe AD-Wandler-Abtastrate notwendig. Derartige Verfahren müssen daher auf den sog. Fast-Analog-Digital-Converter (FADC) eines Steuergeräts bzw. Mikrocontrollers zurückgreifen, welcher jedoch auch von anderen Steuergerätefunktionen, wie z.B. Klopfsensorauswertung, Zylinderdruckerfassung usw., benötigt wird. Eine solche Implementierung muss daher mit einer entsprechenden Ressourcenzuteilung versehen werden. Die Auswertung im Rahmen der Erfindung kann mit einfachen (mehrfach vorhandenen) Analog-Digital-Wandlern (ADC) mit üblicher Abtastrate erfolgen.
Vorteilhafterweise werden sowohl der zu bewertende als auch der oder die Referenzstromverläufe vereinfacht, um den Erfassungs- und den Rechenaufwand zu senken. Dies ist besonders vorteilhaft, da auf einem Mikrocontroller, wie sie in Steuergeräten eingesetzt werden, die Ressourcen sehr begrenzt sind.
Bei der Untersuchung des Stromverlaufs können vorteilhafterweise Zeitinformationen vernachlässigt werden, was den Erfassungs- und Rechenaufwand senkt. Der relative zeitliche Zusammenhang der einzelnen gemessenen Stromwerte ergibt sich nämlich aus der Messabtastung selbst und absolute Zeitinformationen sind für die hier zugrundeliegende Auswertung nicht relevant. Ein auf diese Weise vereinfachter Stromverlauf besteht nur noch aus einer (eindimensionalen) Folge von Strommesswerten.
Zur besonderen Vereinfachung des Mess- und Bewertungsaufwands können die Stromverläufe in Binärmuster oder Binärvektoren überführt werden, die aus einer Folge von genau zwei unterschiedlichen Zahlen bestehen. Für die Überführung wird vorzugsweise eine einfache mathematische Abbildung durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass sich hier die Vorzeichenfunktion angewandt auf die erste Ableitung besonders eignet. Vorzugsweise wird ein erster Wert der zwei Binärwerte genommen, wenn der Strom von einer Messung zur nächsten ansteigt, und ein zweiter Wert der zwei Binärwerte sonst. Auf diese Weise erhält man als Muster bspw. eine Folge von "1" und "–1", die sich bspw. sehr gut zur Auswertung durch ein Hopfield-Netz eignet. Es hat sich gezeigt, dass hier bereits ein sehr einfach zu handhabendes Hopfield-Netz mit nur 16 Neuronen ausreichend ist. Die Ähnlichkeit zwischen zwei Mustern kann bspw. über die sog. Hamming-Distanz bestimmt werden. Für nähere Details sei auf einschlägige Literatur verwiesen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software 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 Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, 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.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzanlage und einer Mehrzahl von Injektoren.
2a zeigt eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Injektors in einem geschlossenen Betriebzustand.
2b zeigt eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Injektors in einem geöffneten Betriebzustand.
3 zeigt einen beispielhaften Stromverlauf durch den Elektromagneten bei einem funktionsfähigen Ventil.
4 zeigt einen beispielhaften Stromverlauf durch den Elektromagneten bei einem nicht funktionsfähigen Ventil.
5 zeigt einen aus dem Stromverlauf gemäß 3 abgeleiteten Binärvektor.
6 zeigt einen aus dem Stromverlauf gemäß 4 abgeleiteten Binärvektor.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die einen Kraftstoffvorratsbehälter 12 umfasst, aus dem mittels eines Fördersystems 14 Kraftstoff in eine Kraftstoffhochdruckleitung 16 gefördert wird. Die Hochdruckleitung 16 ist beispielsweise als Common-Rail ausgebildet. Die Hochdruckleitung 16 ist mit Injektoren 18 verbunden, die es ermöglichen, Kraftstoff direkt in den Injektoren 18 jeweils zugeordnete Brennräume 20 einzuspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und insbesondere der Kraftstoffeinspritzanlage, die vorliegend das Fördersystem 14, die Hochdruckleitung 16 und die Injektoren 18 aufweist, wird von einer Recheneinheit, hier einem Steuergerät 22, gesteuert. Das Steuergerät 22 ermöglicht die Erfassung von Eingabewerten und die Bereitstellung von Ausgabewerten bzw. die Ansteuerung von Aktoren, insbesondere die Ansteuerung der Injektoren 18.
In 2a ist ein in 1 gezeigter Injektor 18 vergrößert in geschlossenem Zustand, in 2b in geöffnetem Zustand schematisch dargestellt. Der Injektor 18 weist einen elektromagnetischen Aktor auf, der eine Magnetspule 26 und einen mit der Magnetspule 26 zusammenwirkenden Magnetanker 30 besitzt. Der Magnetanker 30 ist so mit einer Ventilnadel 28 verbunden, dass er bezogen auf eine in 2 vertikale Bewegungsrichtung der Ventilnadel 28 bewegbar ist. Eine Ventilfeder 36 übt eine Federkraft auf die Ventilnadel 28 aus, so dass diese in einem Ventilsitz 38 gehalten wird.
Eine Ansteuerung des Injektors 18 durch das Steuergerät 22 bewirkt eine Bestromung der Magnetspule 26, wodurch sich der Magnetanker 30 nach oben bewegt, so dass er unter Eingreifen in einen Anschlag 32 die Ventilnadel 28 gegen die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt. Diese Situation ist in 2b gezeigt. Dort kann nun Kraftstoff 42 von dem Injektor 18 in den Brennraum 20 eingespritzt werden.
In 3 ist ein beispielhafter Stromverlauf 300 durch die Magnetspule eines funktionsfähigen Magnetventils dargestellt. Gemessen wird der durch die Magnetspule fließende Strom I dabei üblicherweise als Spannungsabfall an einem Messwiderstand, der in 3 auf die Bordnetzspannung normiert und auf der Ordinate gegen die Position des Messwerts auf der Abszisse aufgetragen ist. Im vorliegenden Beispiel sind etwa 200 Messwerte aufgetragen, die mit einer Abtastrate von beispielsweise 10 kHz erfasst worden sind. Es ist erkennbar, dass der Stromverlauf 300 im Wesentlichen dem üblichen Stromverlauf durch eine Spule entspricht, wobei jedoch bei etwa der Position 100 ein deutlicher Knick bzw. eine Stufe im Stromverlauf sichtbar ist. Dieser Knick wird durch das Anschlagen der Ventilnadel an einem Endpunkt verursacht, da hier eine entgegenwirkende Spannung in der Magnetspule induziert wird.
In 4 ist ein entsprechender Stromverlauf 400 für ein nicht vollständig öffnendes bzw. ein festsitzendes Ventil abgebildet. Dieser Stromverlauf 400 zeigt keinen entsprechenden Knick.
Die Stromverläufe 300, 400 gemäß 3 und 4 können als Referenzstromverlauf 300 für ein funktionsfähiges bzw. als Defektstromverlauf 400 für ein nicht funktionsfähiges Magnetventil verwendet werden.
Zur Reduzierung des Auswerteaufwands ist vorgesehen, sowohl die Referenzund Defektstromverläufe als auch den jeweils aktuell erfassten Stromverlauf in einen Binärvektor anhand der folgenden Vorschrift überführen:
Wenn Messwert [i + 1] – Messwert [i] > 0, dann Vektorposition [i] = 1, sonst Vektorposition [i] = –1. Mit anderen Worten wird die Vektorposition [i] auf "1" gesetzt, wenn der Messwert von [i] nach [i + 1] ansteigt, sonst auf "–1".
Wird diese Vorschrift auf die Stromverläufe 300, 400 gemäß den 3 und 4 angewandt, ergeben sich als die Stromverläufe repräsentierende Größen die Binärvektoren 500 und 600 gemäß den 5 bzw. 6.
Es ist erkennbar, dass der Binärvektor 500 gemäß 5 im Bereich des Knicks einen ausgeprägten Abschnitt mit negativen Werten aufweist, wohingegen der Binärvektor 600 gemäß 6 nur vereinzelte Ausreißer nach unten zeigt. Diese beiden charakteristischen Muster können nun im Rahmen der Erfindung durch Verwendung eines als Hopfield-Netzes ausgebildeten neuronalen Netzes sehr einfach und zuverlässig in einem aktuell erfassten Stromverlauf bzw. dem daraus abgeleiteten Binärvektor erkannt werden.
Es hat sich gezeigt, dass hierfür bereits ein Hopfield-Netz mit 16 Neuronen und damit Vektoren mit 16 Komponenten ausreichen. Ein entsprechender Defektbinärvektor besteht aus 16 "1", ein entsprechender Referenzbinärvektor aus einer gewissen Anzahl "–1" mit führenden und nachfolgenden "1".
Welche Lernmuster sich am besten eignen, kann der Fachmann im Anwendungsfall beispielsweise versuchsweise ermitteln.
Die beiden dem Defektbinärvektor und dem Referenzbinärvektor entsprechenden Lernmuster wählt man z.B. zu:

• Lernmuster 1: [1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]; entspricht blockiertem Ventil
• Lernmuster 2: [1,1,1,1,1,1,–1,–1,–1,–1,1,1,1,1,1,1]; entspricht funktionalem Ventil

Durch Lernen dieser Muster wird die Gewichtsmatrix des Hopfield-Netzes bestimmt, welche zweckmäßigerweise im Steuergerät als Parametersatz abgespeichert wird.
Für die eigentliche Überprüfung eines momentan erfassten Stromverlaufs wird dieser entsprechend den erläuterten Anweisungen ebenfalls in einen Binärvektor überführt. Für den Mustervergleich werden dann iterativ 16 Komponenten des Binärvektors entnommen und dem Hopfield-Netz zugeführt. Die ersten 16 zu vergleichenden Komponenten umfassen dabei die Positionen 1 bis 16, die zweiten die Positionen 2 bis 17, die dritten die Positionen 3 bis 18 usw. Auf diese Weise kann der gesamte Binärvektor iterativ der Mustererkennung zugeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei der Vergleich solange durchgeführt, bis ein Muster eines funktionsfähigen Ventils (Lernmuster 2) erkannt wird. Wird das Muster eines funktionsfähigen Ventils erkannt, wird der Zyklus beendet und mit dem nächsten erfassten Stromverlauf fortgefahren. Wird im gesamten Binärvektor kein entsprechendes Muster erkannt, wird das Ventil als nicht funktionsfähig klassifiziert.
Um Fehldiagnosen zu vermeiden, kann das endgültige Feststellen eines nicht funktionsfähigen Ventils erst erfolgen, wenn eine gewisse Anzahl von entsprechenden Erkennungen erfolgt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4308811 B9 [0004]

Claims

Verfahren zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Magnetventils (18), wobei eine Ventilnadel (28) von einem Elektromagneten (26) bewegt wird, wobei der Stromverlauf durch den Elektromagneten (26) während der Ansteuerung des Magnetventils (18) erfasst wird, wobei eine den erfassten Stromverlauf repräsentierende Größe unter Verwendung eines neuronalen Netzes mit wenigstens einer ersten, einen Referenzstromverlauf (300) repräsentierenden Größe (500) und/oder mit wenigstens einer zweiten, einen Defektstromverlauf (400) repräsentierenden Größe (600) verglichen wird, wobei der Referenzstromverlauf (300) einem Stromverlauf durch den Elektromagneten (26) eines funktionsfähigen Magnetventils entspricht und der Defektstromverlauf (400) einem Stromverlauf durch den Elektromagneten (26) eines nicht funktionsfähigen Magnetventils entspricht, wobei die Funktionsfähigkeit des Magnetventils (18) auf Grundlage des Vergleichsergebnisses bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein nicht funktionsfähiges Magnetventil erkannt wird, wenn die wenigstens eine erste, einen Referenzstromverlauf (300) repräsentierende Größe (500) nicht in der den erfassten Stromverlauf repräsentierenden Größe erkannt wird und /oder wenn die wenigstens eine zweite, einen Defektstromverlauf (400) repräsentierende Größe (600) in der den erfassten Stromverlauf repräsentierenden Größe erkannt wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 oder 2, wobei ein funktionsfähiges Magnetventil erkannt wird, wenn die wenigstens eine erste, einen Referenzstromverlauf (300) repräsentierende Größe (500) in der den erfassten Stromverlauf repräsentierenden Größe erkannt wird und /oder wenn die wenigstens eine zweite, einen Defektstromverlauf (400) repräsentierende Größe (600) nicht in der den erfassten Stromverlauf repräsentierenden Größe erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Defektstromverlauf (400) einem Stromverlauf durch den Elektromagneten (26) eines nicht vollständig öffnenden oder nicht vollständig schließenden Magnetventils (18) oder eines Magnetventils (18) mit festsitzender Ventilnadel (28) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Zeitinformationen vernachlässigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der einen Stromverlauf repräsentierenden Größen (500, 600) eine binäre Folge ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Stromverlaufswerte (300, 400) den Werten der binären Folge (500, 600) anhand des Vorzeichens der ersten Ableitung des Stromverlaufs zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein erster Binärwert zugeordnet wird, wenn die Differenz von zwei aufeinanderfolgenden Stromverlaufswerten positiv ist, und ein zweiter Binärwert in allen anderen Fällen zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als neuronales Netz ein Hopfield-Netz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Hopfield-Netz mit mindestens 16 und höchstens 24, vorzugsweise genau 16 Neuronen verwendet wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.