Verfahren zur Detektion eines Nutzsignales Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Nutzsignales, welches einem gesuchten Ereignis entspricht .

Der Bereich der vorliegenden Erfindung sei beispielsweise anhand eines Einspritzsystems eines Kraftfahrzeuges erläutert. Eine immer strenger werdende Abgasgesetzgebung bezogen auf Schadstoffemissionen macht es erforderlich, Kraftstoffeinspritzungen in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit immer größerer Genauigkeit in punkto Zeitpunkt und Menge zu reali ^¬ sieren. Durch Fertigungstoleranzen und Alterung/Verschleiß an den Kraftstoffinj ektoren ergeben sich jedoch Abweichungen zwischen den angeforderten Zeitpunkten/Mengen der Einspritzungen und den tatsächlich ausgeführten. In diesem Zusammenhang kann die Genauigkeit gesteigert werden, wenn der Schließ ^¬ zeitpunkt des Einspritzventils möglichst genau bestimmt werden kann, um ihn auf einen Sollwert zu korrigieren.

Um beispielsweise den Schließzeitpunkt einer Injektornadel bei einem servo-hydraulischen Injektor mit Piezo-Aktuator zu bestimmen, kann das Piezo-Element zusätzlich zu seiner Funktion als Aktuator auch als Sensor benutzt werden. Damit können zum

Beispiel durch das Nadelschließen erzeugte Druckänderungen in einem Kontrollvolumen unter dem Servo-Ventil gemessen werden. In der gemessenen Piezo-Spannung wird dann zu diesem Zweck ein bestimmtes Nutzsignal von bekannter Form gesucht, das durch das Nadelschießen verursacht ist. Je nach Ausgestaltung des Injektors, je nach Betriebspunkt und je nach Art des Nutzsignales für die Detektion ergibt sich allerdings das Problem, dass das Nutzsignal von Störsignalen aus diversen Quellen überlagert ist. Zum Beispiel wird das Piezo-Element durch die Ansteuerung als Aktor (elektrische Lade- und Entladevorgänge) zu Schwingungen angeregt, die sich aufgrund der elektromechanischen Natur des Piezos in seiner Spannung wiederfinden lassen. Zudem können auch von außen mechanische Vibrationen auf den Piezo übertragen werden, zum Beispiel in Form von Körperschall.

Zwar kann man Störsignale, deren Frequenzen weit entfernt von den bestimmenden Frequenzen des Nutzsignals sind, effizient durch Benutzung von Hoch/Tief/Bandpassfiltern herausfiltern. Jedoch sind Störsignale mit einer dem Nutzsignal vergleichbaren Frequenz nur schwieriger und mit höherem Aufwand zu entfernen. Da die Hauptaufgabe des Piezoelementes die Ansteuerung des Injektors als Aktuator ist, sind mögliche Messfenster, wo es als Sensor benutzt werden kann, stark eingeschränkt und können nicht beliebig erweitert werden. Da eine hardware- oder software- seitige Filterung dieser Störsignale mithilfe von

Hoch/Tief/Bandpassfiltern immer auch eine Reduzierung des Bereichs zur Folge hat, wo eine Detektion möglich ist, können bei gleichzeitiger Nutzung des Piezoelementes als Aktor und Sensor diese Filter nur begrenzt eingesetzt werden.

Unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Fall betrifft die vorliegende Erfindung generell ein Verfahren zur Signalerkennung, wobei die Detektionsgenauigkeit in Bezug auf ein Nutzsignal trotz vorliegender Störsignale entsprechend ge ^¬ steigert werden soll. Das zu detektierende Nutzsignal kann hierbei prinzipiell eine beliebige (allerdings bekannte) Form haben und in einem beliebigen Messsignal zu finden sein. Ein Anwendungsfall hierfür ist beispielsweise ein Kraft ^¬ stoff-Servo-Inj ektor mit Piezo-Antrieb, wobei es hierbei darum geht, aus der gemessenen Piezo-Spannung auf den genauen Zeitpunkt des erfolgten Nadelschließens zu schließen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine besonders hohe Detektionsgenauigkeit in Bezug auf ein Nutzsignal trotz vorliegender Störsignale erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Detektion eines Nutzsignales, welches einem gesuchten Ereignis entspricht, gelöst, das die folgenden Schritte umfasst: Identifizieren des Nutzsignales;

Bestimmen einer Variation eines Parameters oder mehrerer Parameter, für welche man das zeitliche Verhalten des Nutzsignales über die Variation kennt oder mit einfachen Mitteln bestimmen kann, wobei nur die zeitliche Position des Ereignisses/Nutzsignales verändert wird, die Parametervariation anhand von Testpunkten oder durch Mitmessen durchgeführt wird, ein Variationsbereich überspannt wird, der groß genug ist, um entsprechende Signalstörungen ausreichend zu dämpfen,

Bilden des Mittelwertes aus allen Einzelmessungen; und

Gewinnen des Nutzsignales aus dem gebildeten Mittelwert.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Verwendung einer Parametervariation, die ausnutzt, dass Nutz- und Störsignale je nach gewählten Parametern eine unterschiedliche Phasenlage besitzen. Das Verfahren kann generell in einer Vielzahl von Bereichen zur Signalerkennung genutzt werden. Ein spezieller Anwendungsfall ist die vorstehend beschriebene Ermittlung des Zeitpunkts des Nadelschließens eines Injektors. Gerade bei kleinen Einspritzmengen liegt hierbei der Zeitpunkt des Na ^¬ delschließens sehr nahe am frühestmöglichen Einsatz des

Piezoelementes als Sensor (direkt im Anschluss an das Entladen) . Aus diesem Grunde ist eine Filterung mit Hoch/Tief/Band ^¬ passfiltern gemäß dem Stand der Technik nicht in dem Maße möglich, wie es nötig wäre, um das Signal-Rausch-Verhältnis auf ein für eine robuste Detektion nötiges Niveau zu bringen.

In dem konkreten Beispiel eines Piezo-Servo-Inj ektors wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, das Sig ^¬ nal-Rausch-Verhältnis für die Erkennung des Nadelschließens „

signifikant zu steigern, ohne traditionelle Hoch/Tief/Bandpass- Filter benutzen zu müssen, was eine robuste Detektion des Nadelschließens auch bei kleineren Einspritzmengen ermöglicht. Eine robuste und genaue Detektion des Nadelschließens und die Korrektur des entsprechenden Zeitpunktes auf einen Sollwert ermöglichen es aber, die Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf Menge und Timing zu steigern.

Nachfolgend werden konkret die nötigen Schritte beschrieben, die zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind. Zuerst wird ein Nutzsignal identifiziert, welches dem gesuchten Ereignis entspricht. Es wird dann eine Variation von einem oder mehreren Parametern bestimmt, für welche man das zeitliche Verhalten des Nutzsignales über die Variation kennt oder mit einfachen Mitteln bestimmen kann. Diese Parametervariation muss eine Reihe von Kriterien erfüllen. Sie darf nur die zeitliche Position des Ereignisses/Nutzsignales verändern und muss seine Form weitestgehend unverändert lassen. Sie muss in der Praxis durchgeführt werden können, beispielsweise im Umfeld von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere durch Anforderung von Testpulsen oder durch ein „Mitmessen" im transienten Motorbetrieb. Ferner muss sie einen Variations ^¬ bereich überspannen, der groß genug ist, um die bekannten Störungen ausreichend zu dämpfen. Die benötigte Breite des Variationsbereichs ist abhängig von der relativen Phasenverschiebung zwischen Nutz- und Störsignalen, die durch die Parametervariation erzielt werden kann.

Die Variation über die Parameter x, y .. besteht aus einer endlichen Zahl von Einzelschritten. Für jeden dieser Schritte wird das entsprechende Signal gemessen, und zwar in einem zeitlich fixierten Bereich [t _eve nt ^~ t_; t _eve nt + t ₊ ] um das für einen Nominalinjektor zu erwartende Ereignis bei t _eve nt · Hierfür ist die Kenntnis des Zeitpunkts t _eve nt (X _/ y ··) für jeden einzelnen Schritt der Parametervariation nötig, so dass die Zeit t ^x (x) = t - tevent (x) bestimmt werden kann. Dann ist das gesuchte Ereignis immer bei t ^λ = 0 zu erwarten, und zwar unabhängig von der Wahl der Parameter x, y .. Am Ende der Parametervariation wird für den gesamten Bereich t ^λ = [-t_; t ₊ ] für jeweils konstantes t ^x der Mittelwert aus allen N Einzelmessungen gebildet:

_ ^N

V _Sl gnal(t ^X )= 1 /N Σ ^gnal (t ^X ),

t=l worin sich hierbei V _S i _gna i auf ein gemessenes Spannungssignal bei Erfassung des Nadelschließzeitpunktes bei einem In ^¬ jektor bezieht.

Aus dem vorstehend aufgeführten Mittelwert aus allen Messungen lässt sich das Nutzsignal mit der ursprünglichen Amplitude wiederfinden, während Störsignale durch die Mittelwertbildung stark gedämpft wurden, was in einer starken Verbesserung der Detektierbarkeit des Nutzsignales resultiert.

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor .

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Detektion des Nadelschließens bei einem Injektor die Piezo-Spannung in dem Bereich um das zu erwartende Nadelschließen durch die ECU gemessen und steht zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung. Im vorliegenden Fall ist eine direkte Detektion des Nadelschließens aus der gemessenen Spannung nicht ohne weitere Verarbeitung des gemessenen Signales möglich. Das Piezo-Element wird nämlich durch die Lade- und Entladevorgänge jeweils zu Schwingungen angeregt, die sich aufgrund der elektromechanischen Natur des Piezo-Elementes in seiner Spannung wiederfinden. Des Weiteren können auch von außerhalb mechanische Schwingungen auf das Piezo-Element übertragen werden. Diese Störsignale überlagern das Nutzsignal des Nadelschließens und erschweren so eine eindeutige Detektion. Der Spannungsanstieg, ,

6 der durch das Nadelschließen verursacht wird, kann hierbei als Maximum in der zeitlichen Ableitung des (gefilterten) Signales abgelesen werden. Falls jedoch kein hohes Signal-Rausch- Verhältnis vorliegt, muss das absolute Maximum in der Ableitung der gefilterten Spannung nicht unbedingt dem Nadelschließ ^¬ zeitpunkt entsprechen. Genau für diesen Fall ist es nötig, durch weitere Bearbeitung des Signales das Signal-Rausch-Verhältnis zu steigern, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird .

Die Erfindung wird nunmehr nachfolgend anhand eines Ausfüh ^¬ rungsbeispiels in Verbindung mit einer entsprechende Diagramme zeigenden Figur im Einzelnen beschrieben. Es wird hierbei mit einer Einspritzmengenvariation bei 800 bar Einspritzdruck mit ansteigenden Mengen zwischen 2 mg und 8 mg gearbeitet, wobei dies mit 36 speziell angeforderten Testpulsen realisiert wird (s. Darstellung) . Hierbei wurde für die durchgeführte Mengenvariation (Parameter x) bereits im Voraus das Verhalten des Nadelschließens t _max (x) und somit die reskalierte Zeit t ^x bestimmt (z. B. durch Ratenmessungen) . Das zur Auswertung herangezogene Signal ist die am Injektor gemessene Piezospannung nach Ende des Entladens des Piezoelementes . Nach einigen ersten hardware- und softwareseitigen Tiefpassfiltern wurde die zeitliche Ableitung des Signales berechnet, welche in der Darstellung als V _tot (t ^x ) als Funktion der Zeit t ^x und der angeforderten Menge MF aufgetragen ist. V _tot (Τ ^λ ) liegt dabei als zeitdiskretes Signal mit einer Auflösung von 5 \is vor. Das für einen Nominalinjektor zu erwartende Nadelschließen wurde dabei auf den Zeitpunkt t ^x = 0 festgelegt.

In der unteren Hälfte der Figur ist der Mittelwert V _tot (t ^x ) über alle 36 Testpulse gegenüber der Zeit t ^x aufgetragen. Man kann sehr schön erkennen, dass die in V _tot (t ^x ) im oberen Bild er- sichtlichen Störsignale weitestgehend weggefiltert wurden und nur das Nutzsignal mit dem Maximum bei ungefähr t ^y = 12 με übrig bleibt .

Dieses Maximum entspricht damit dem ermittelten Nadel- schließzeitpunkts-Offset des untersuchten Injektors gegenüber einem Nominal-Inj ektor . Dieser systematische Offset kann nun mithilfe eines Eingriffs in die Ansteuerdauer des Injektors für alle Einspritzungen auf diesem Injektor korrigiert werden, um die Genauigkeit der Einspritzmenge zu erhöhen.