DE10149982A1 - Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer elektrischen Spule sowie zugehörige Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer elektrischen Spule sowie zugehörige Vorrichtung

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer elektrischen Spule (1), insbesondere einer Spule (1) in einem magnetostriktiven Kraftstoffinjektor einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten: DOLLAR A - Messung der über der Spule (1) abfallenden elektrischen Spannung und/oder des durch die Spule (1) fließenden elektrischen Stroms, DOLLAR A - Bestimmung der Temperatur der Spule (1) aus der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Strom entsprechend einem vorgegebenen Zusammenhang zwischen Strom und/oder Spannung einerseits und Temperatur andererseits.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer elektrischen Spule, insbesondere einer Spule in einem magnetostriktiven Kraftstoffinjektor einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, gemäß Anspruch 1 sowie eine zugehörige Vorrichtung gemäß Anspruch 10.
  • Es ist bekannt, in Injektoren für Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen magnetostriktive Injektoren zu verwenden, die durch eine elektrische Spule mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden, wobei der Hub des magnetostriktiven Aktors von dem Spulenstrom abhängt.
  • Problematisch hierbei ist jedoch, dass der Hub eines magnetostriktiven Aktors bei konstantem Spulenstrom mit steigender Temperatur linear abnimmt, was durch eine entsprechende Anhebung des Spulenstroms ausgeglichen werden muss. Eine Kompensation von Temperaturschwankungen durch eine entsprechende Anpassung des Spulenstroms setzt jedoch eine Kenntnis der Temperatur des Injektors voraus.
  • Zur Lösung dieses Problems ist aus der japanischen Patentanmeldung 06049768 ein Temperatursensor bekannt, der die Temperatur des Injektors misst und eine entsprechende Anpassung des Spulenstroms ermöglicht.
  • Nachteilig daran ist jedoch, dass zur Temperaturmessung ein separater Sensor erforderlich ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, die Temperatur eines magnetostriktiven Aktors eines Injektors einer Einspritzanlage ohne einen separaten Temperatursensor zu ermitteln.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich eines entsprechenden Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich einer entsprechend ausgebildeten Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
  • Die Erfindung geht von der technischen Erkenntnis aus, dass der ohmsche Widerstand der Aktorspule temperaturabhängig ist, so dass die Temperatur indirekt durch eine Widerstandsmessung ermittelt werden kann. So nimmt der ohmsche Widerstand des in der Aktorspule üblicherweise verwendeten Kupferdrahtes in der Regel linear mit der Temperatur entsprechend folgender Formel zu:

    R(T) = R0.(1 + αR.(T - T0)),

    wobei T0 und R0 eine Referenztemperatur bzw. den Widerstand bei der Referenztemperatur darstellen, während αR der Temperaturkennwert des Spulenmaterials ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Bestimmung der Referenztemperatur bzw. des Referenzwiderstandswertes nach einer ausreichend langen Pause des Fahrbetriebs, indem die Kühlwassertemperatur zu Beginn des Fahrbetriebs gemessen wird. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Spulentemperatur nach einer ausreichend langen Pause des Fahrbetriebs gleich der ständig gemessenen Kühlwassertemperatur ist.
  • Während des normalen Fahrbetriebs wird dann jeweils während des Einspritzvorgangs der Spulenstrom für eine gewisse Zeit auf konstantem Niveau gehalten. Während dieser Zeit werden dann Spulenspannung und -strom gemittelt und aus den so bestimmten Mittelwerten von Strom und Spannung nach dem ohmschen Gesetz der aktuelle Spulenwiderstand berechnet. Die aktuelle Temperatur T des magnetostriktiven Aktors ergibt sich dann aus dem aktuellen Widerstand R, der Referenztemperatur T0, den. Widerstand R0 bei der Referenztemperatur sowie dem Temperaturkennwert αR des Spulenmaterials gemäß folgender Formel:


  • Hierbei haben Fehlerquellen, die einen zu Strom oder Spannung proportionalen Messfehler bewirken (Gain-Fehler), wie z. B. eine bauteilspezifische Abweichung des Messwiderstands von seinem Nominalwert, keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Temperaturschätzung.
  • Additive Messfehler (Offset-Fehler) können dagegen eliminiert werden, indem man Strom und Spannung dann misst, wenn die Spule nicht mit einer Spannung beaufschlagt wird. Während des normalen Betriebs können die Messwerte dann um den so gemessenen Offset korrigiert werden.
  • Besonderes vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass ausschließlich die Verhältnisse der Ströme und Spannungen in die Temperaturermittlung eingehen, wodurch die Genauigkeit der Temperaturermittlung wesentlich erhöht wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der durch die Spule fließende elektrische Strom und die über der Spule abfallende elektrische Spannung gemessen, wobei sich der elektrische Widerstand der Spule als Quotient aus Spannung und Strom ergibt. Die Temperatur der Spule kann dann entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur ermittelt werden.
  • Es ist jedoch alternativ auch möglich, nur die über der Spule abfallende Spannung zu messen, sofern der elektrische Strom fest eingeprägt wird. Der Widerstand der Spule ergibt sich dann als Quotient aus der gemessenen Spannung und dem fest eingeprägten elektrischen Strom. Auch hierbei wird die Temperatur dann entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur ermittelt.
  • Ferner ist es auch möglich, lediglich den durch die Spule fließenden elektrischen Strom zu messen, sofern die Spule mit einer vorgegebenen, bekannten Spannung beaufschlagt wird. Der Widerstand der Spule ergibt sich dann als Quotient aus der fest vorgegebenen elektrischen Spannung und dem gemessenen elektrischen Strom. Aus dem elektrischen Widerstand der Spule kann dann wiederum entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand die Aktortemperatur ermittelt werden.
  • Im Rahmen der Erfindung wird also vorzugsweise davon ausgegangen, dass die Spulentemperatur im wesentlich gleich der Temperatur des magnetostriktiven Aktors ist. Zur Vermeidung von Temperaturabweichungen zwischen dem magnetostriktiven Aktor und der Spule ist deshalb vorzugsweise vorgesehen, die Spule in einen innigen Wärmekontakt mit dem Aktor zu bringen, was durch große Kontaktflächen zwischen Aktor und Spule erfolgen kann.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Blockschaltbild sowie
  • Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren als Flussdiagramm.
  • Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Ansteuerung eines magnetostriktiven Aktors 1, wobei unabhängig von der Temperatur des magnetostrikiven Aktors 1 ein möglichst konstanter Hub erreicht werden soll.
  • Der magnetostriktive Aktor 1 ist hierbei im Inneren einer elektrischen Spule 2 angeordnet und wird deshalb in Abhängigkeit von dem durch die Spule 2 fließenden elektrischen Strom mit einem Magnetfeld beaufschlagt, das zu einem axialen Hub des magnetostriktiven Aktors 1 führt, wie durch den Pfeil dargestellt ist.
  • Hierbei ist der magnetostriktive Aktor 1 einseitig in einem Fundament 3 verankert, so dass sich nur die dem Fundament gegenüberliegende Stirnseite des Aktors 1 bewegt.
  • Der Aktor 1 ist hierbei Bestandteil eines Injektors einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine und steuert in Abhängigkeit von seiner Stellung die Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume der Brennkraftmaschine. Der Injektor und die übrigen Bauteile der Einspritzanlage sind hierbei zur Vereinfachung nicht dargestellt.
  • Die elektrische Ansteuerung der Spule 2 erfolgt durch eine Steuereinheit 4, die wiederum von einer nicht dargestellten Motorsteuerung (ECU-electronic control unit) entsprechend den gewünschten Einspritzzeitpunkten und -dauern angesteuert wird. Bei einer Ansteuerung durch die ECU prägt die Steuereinheit 4 einen vorgegebenen Strom ISOLL in die Spule 2 ein, was zu einem vorgegebenen Hub des Aktors 1 führt.
  • Hierbei wird die über der Spule 2 abfallende elektrische Spannung U von einer Spannungsmesseinheit 5 gemessen, die der Spule 2 parallel geschaltet wird.
  • Weiterhin ist eine Spannungsmesseinheit 6 vorgesehen, die den durch die Spule fließenden elektrischen Strom I misst.
  • Ausgangsseitig sind die Spannungsmesseinheit 5 und die Strommesseinheit 6 mit einer Recheneinheit 7 verbunden, die aus dem gemessenen Strom I und der gemessenen Spannung U den aktuellen Widerstand R der Spule 2 berechnet.
  • Die Recheneinheit 7 ist ausgangsseitig wiederum mit einem Kennlinienglied 8 verbunden, dass aus dem aktuellen Widerstand R der Spule 2 die Temperatur der Spule 2 ermittelt. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass der ohmsche Widerstand des in der Spule 2 verwendeten Kupferdrahtes mit der Temperatur linear ansteigt, wobei der Temperaturkennwert für Kupfer mit αR = 3,95.10-3K-1 bekannt ist. Die Temperatur der Spule kann deshalb unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Referenztemperatur T0 und des ebenfalls vorgegebenen Widerstandes R0 bei der Referenztemperatur T0 gemäß folgender Formel berechnet werden:


  • Die Bestimmung des Referenzwiderstandes R0 erfolgt jeweils nach einer längeren Pause des Fahrbetriebs, wenn die Temperatur der Spule 2 soweit abgeklungen ist, dass diese weitgehend mit der ohnehin gemessenen Kühlwassertemperatur übereinstimmt. Es muss dann lediglich im Falle der erkalteten Spule 2 der Referenzwiderstand R0 gemessen werden. Dass Kennlinienglied 8 hat deshalb einen Steuereingang, über den von außen vorgegebenen werden kann, ob ein normaler Betrieb erfolgt, oder ob eine Stützstelle der Kennlinie ermittelt werden soll.
  • Ausgangsseitig ist das Kennlinienglied 8 mit einem weiteren Kennlinienglied 9 verbunden, in dem eine Strom-Temperatur- Kennlinie gespeichert ist, wobei die Strom-Temperatur- Kennlinie jedem Temperaturwert einen Strom-Sollwert ISOLL zuordnet, der temperaturunabhängig zu einem konstanten Hub des Aktors 1 führt.
  • Im folgenden wird nun das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 dargestellte Flussdiagramm erläutert.
  • In einem ersten Schritt 10 wird nach dem Start der Brennkraftmaschine zunächst die Pausendauer TPAUSE ermittelt, um überprüfen zu können, ob die Spule 2 zwischenzeitlich so weit abgekühlt ist, dass davon ausgegangen werden kann, dass die Spulentemperatur gleich der Aktortemperatur ist.
  • Die Pausendauer TPAUSE wird deshalb in einem nächsten Schritt 11 mit einer vorgegebenen minimalen Zeitdauer TMIN verglichen, wobei die minimale Zeitdauer TMIN ausreichend ist, um ein Abkühlen der Spule 2 bis auf die Temperatur des Kühlwassers sicherzustellen.
  • Falls der Vergleich in Schritt 11 ergibt, dass die Pausendauer TPAUSE hinreichend groß war, so erfolgt in einem nachfolgenden Funktionsblock 12 zunächst eine Bestimmung von Referenzwerten für Strom und Spannung sowie für die Spulentemperatur.
  • Hierzu wird in einem Schritt 13 zunächst die Kühlwassertemperatur TNULL gemessen, da nach einer hinreichend langen Pause des Fahrbetriebs davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur der Spule 2 bis auf die Kühlwassertemperatur abgeklungen ist.
  • Anschließend wird in einem Schritt 14 der durch die Spule 2 fließende Strom für eine vorgegebene Zeitspanne konstant gehalten, wobei in einem nachfolgenden Schritt 15 der Mittelwert O₀ der Spulenspannung sowie in einem Schritt 16 der Mittelwert O₀ des Spulenstroms gemessen wird.
  • Aus den Mittelwerten von Strom und Spannung einerseits sowie aus der gemessenen Kühlwassertemperatur T0 ergibt sich dann eine Stützstelle für die Widerstands-Temperatur-Kennlinie.
  • Während des Normalbetriebs erfolgt dann jeweils während eines Einspritzvorgangs in einem Schritt 17 eine Messung des Mittelwertes U der Spulenspannung sowie nachfolgend in einem Schritt 18 eine Messung des Mittelwertes I des Spulenstroms.
  • In einem nächsten Schritt 19 wird die Temperatur T der Spule dann aus den zuvor berechneten oder gemessenen Werten gemäß folgender Formel berechnet:


  • Die so ermittelte aktuelle Temperatur T der Spule 2 dient dann in einem letzten Schritt 20 zur Berechnung eines temperaturkompensierten Spulenstroms IKORR entsprechend einem vorgegebenen, bekannten funktionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Strom der Spule 2.
  • Falls der Vergleich in Schritt 11 dagegen ergibt, dass die Pause des Fahrbetriebs zu kurz war, um eine ausreichende Abkühlung der Spule 2 zu gewährleisten, so erfolgt in einem Schritt 21 eine Verwendung gespeicherter Referenzwerte, so das der Funktionsblock 12 umgangen wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur einer elektrischen Spule (1), insbesondere einer Spule (1) in einem magnetostriktiven Kraftstoffinjektor einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten:
- Messung der über der Spule (1) abfallenden elektrischen Spannung und/oder des durch die Spule (1) fließenden elektrischen Stroms,
- Bestimmung der Temperatur der Spule (1) aus der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Strom entsprechend einem vorgegebenen Zusammenhang zwischen Strom und/oder Spannung einerseits und Temperatur andererseits.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung der elektrische Widerstand der Spule (1) berechnet wird und die Temperatur entsprechend einer vorgegebenen Widerstands- Temperatur-Kennlinie ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands-Temperatur-Kennlinie der Spule (1) annähernd linear ist und durch einen vorgegebenen materialspezifischen Temperaturkennwert sowie durch die Ermittlung einer Kennlinien-Stützstelle bestimmt wird, wobei die Kennlinien- Stützstelle aus einem Temperaturwert und einem zugehörigen Widerstandswert besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwassertemperatur zu Beginn des Fahrbetriebs gemessen und als Temperaturwert für die Kennlinien-Stützstelle verwendet wird, wobei der Widerstand der Spule (1) zu Beginn des Fahrbetriebs gemessen und als Widerstandswert für die Kennlinien-Stützstelle verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Fahrbetriebs der durch die Spule (1) fließende Strom für eine vorgegebene Zeitspanne konstant gehalten und während dieser Zeitspanne die über der Spule (1) abfallende Spannung gemessen wird, woraufhin der Widerstandswert für die Kennlinien-Stützstelle als Quotient aus der gemessenen Spannung und dem durch die Spule (1) fließenden Strom berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert für die Kennlinien-Stützstelle als Quotient der zeitlichen Mittelwerte von Spannung und Strom berechnet wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation eines Absolutfehlers Strom und Spannung an der Spule (1) gemessen werden, wenn die Spule (1) mit keiner Spannung beaufschlagt wird, wobei die gemessenen Fehlerwerte von Strom und Spannung während des normalen Betriebs von den normalen Messwerten subtrahiert werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Spule (1) fließende Strom in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur der Spule (1) so angehoben wird, dass bei einem magnetostriktiven Aktor eines Injektors einer Einspritzanlage der Hub unabhängig von der Temperatur konstant ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Spule (1) fließende Strom in Abhängigkeit von der Temperatur der Spule (1) entsprechend einer vorgegebenen Strom-Temperatur-Kennlinie angehoben.
10. Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur einer Spule (1), insbesondere einer Spule (1) eines magnetostriktiven Aktors für einen Injektor einer Einspritzanlage für eine Brennkraftmaschine, mit
einer Strommesseinheit (6) zur Messung des durch die Spule (1) fließenden elektrischen Stroms,
und/oder
einer Spannungsmesseinheit (5) zur Messung der über der Spule (1) abfallenden elektrischen Spannung,
einer eingangsseitig mit der Strommesseinheit (6) und/oder der Spannungsmesseinheit (5) verbundenen Auswertungseinheit (7, 8) zur Ermittlung der Temperatur der Spule (1) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und/oder der gemessenen Spannung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (7, 8) ausgangsseitig mit einer Korrektureinheit (9) verbunden ist, die einen Sollwert für den durch die Spule (1) fließenden Strom in Abhängigkeit von der Temperatur der Spule (1) korrigiert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (9) ein Kennlinienglied beinhaltet, in dem eine Strom-Temperatur-Kennlinie gespeichert ist, wobei die Strom-Temperatur-Kennlinie jeweils Temperaturwerten zugehörige Stromwerte zum temperaturkompensierten Betrieb der Spule (1) zuordnet.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (7, 8) eine Recheneinheit (7) beinhaltet, die aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom den Widerstand der Spule (1) berechnet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (7, 8) ein Kennlinienglied (8) beinhaltet, in dem eine Widerstands-Temperatur-Kennlinie gespeichert ist, wobei die Widerstands-Temperatur-Kennlinie jeweils Widerstandwerten zugehörige Temperaturwerte zuordnet.
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