DE102007053318A1 - Verfahren zum Verbessern des Betriebs eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils - Google Patents

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Craig H. Ann Arbor Stephan
Jim Paul Pinckney McCarthy
Clay Wesley Ypsilanti Maranville
Larry Dean Ypsilanti Elie
Allan Roy Livonia Gale
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verbessern der Leistung eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktors beschrieben. Das System kann bestimmten Bereichen eines Aktors Wärme liefern, so dass die Ventilleistung während mindestens einiger Betriebsbedingungen verbessert werden kann.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Leistung eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils. Das Verfahren kann den Ventilbetrieb über einem Bereich von Betriebsbedingungen verbessern.
  • Hintergrund
  • In dem US-Patent 5,954,030 wird ein System zum Betreiben und Steuern eines Beispiels eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils beschrieben. Dieses Patent stellt ein System zum Betreiben eines druckverstärkenden Kraftstoffeinspritzventils mit Doppelspule für einen Verbrennungsmotor vor, das Kraftstoff direkt in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors einspritzen kann. Das System steuert Kraftstoffströmen durch Verstellen der Stellung eines Schieberventils in dem Einspritzventil. Die Schieberventilstellung wird durch Fließen von elektrischem Strom zu einer Ladespule oder Entladespule geändert. Lässt man elektrischen Strom zur Ladespule fließen, wird das Schieberventil zur Ladespule angezogen und Kraftstoff kann in eine Verstärkerkammer eindringen. Lässt man elektrischen Strom zur Entladespule fließen, wird das Schieberventil zur Entladespule angezogen und Kraftstoff wird in der Verstärkerkammer verdichtet und bei einem höheren Druck zum Zylinder freigesetzt. Die Lade- und Entladespulen positionieren das Schieberventil so, dass das Arbeitsmedium (d.h. das druckbeaufschlagte Öl) auf den Verstärkerkolben wirkt, um den Kraftstoff in der Verstärkerkammer zu verdichten oder den Verstärkerkolben zurückzustellen, so dass Kraftstoff niedrigeren Drucks in die Verstärkerkammer eindringen kann. Das druckbeaufschlagte Öl wirkt auf den Verstärkerkolben und überträgt Kraft auf einen zweiten Kolben, der den einströmenden Kraftstoff druckbeaufschlagt. Durch Übertragen von Kraft von einem Verstärkerkolben größerer Fläche zu dem zweiten Kolben kleinerer Fläche wird der Kraftstoffdruck multipliziert. Zudem bietet das Patent ein Verfahren zum ortsfesten Halten des Schieberventils mit Hilfe von Restmagnetismus an der ersten Spule, bis elektrischer Strom in der zweiten Spule einen Wert erreicht, der das Schieberventil schnell bewegen kann, wenn die von der zweiten Spule erzeugte Magnetkraft die „arretierende" Magnetkraft an der ersten Spule überschreitet. Die Erfinder machen geltend, dass dieses Verfahren eine Schnappwirkung erzeugt, die die Geschwindigkeit des Einspritzventilbetriebs verbessert.
  • Das vorstehende System hat auch einige Nachteile. Im Einzelnen können bei niedrigeren Umgebungstemperaturen oder bei Zunahme der Viskosität des Arbeitsmediums die Meniskuskräfte und andere Kräfte in dem Öl, das den Raum zwischen dem Schieberventil und dem Ventilkörper einnimmt, auf einen Wert ansteigen, der schwierig zu überwinden sein kann, selbst wenn das Magnetfeld der Spule einen hohen Wert aufweist. Weiterhin kann die Einspritzventilleistung nachlassen, was ein Abweichen des Kraftstoff-/Luftverhältnisses des Motors von einem Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis des Motors hervorruft. Folglich können auch Motorleistung und Emissionen schlechter werden.
  • Kurzdarlegung
  • Eine Ausführung der vorliegenden Beschreibung umfasst ein Verfahren zum Verbessern des Betriebs eines elektrisch gesteuerten Aktors, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines elektrischen Stroms an einer Spule eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils, wobei der elektrische Strom bei einer Frequenz ist, die über der Eigenfrequenz des mechanischen Ventils liegt, und der elektrische Strom bei einem ausreichen Wert vorhanden ist, um eine Leistungsdichte an der Spule zu erzeugen, die die Temperatur eines Ankers des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils wesentlich anhebt. Dieses System und Verfahren überwinden zumindest einige der Beschränkungen des eingangs erwähnten Verfahrens.
  • Die Leistung eines elektrisch betätigten mechanischen Ventils kann durch Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Erwärmung verbessert werden. Im Einzelnen ermöglicht Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Erwärmung das gezielte Zuführen von Wärme zu Metallgegenständen, die sich nahe der erregten Spule befinden. Der Bereich zwischen einem Schieberventil und einer Steuerspule, die zum Bewegen des Schieberventils verwendet wird, kann zum Beispiel unter Verwendung eines sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms erwärmt werden. Der elektrische Strom erzeugt ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld, das elektrischen Strom in dem Metallschieberventil und den umgebenden Metallbestandteilen fließen lässt. Folglich werden die Wirbelströme in dem Metall dissipiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärme wärmt auch umgebendes Material auf, beispielsweise den Ölfilm, der zwischen dem Schieberventil und dem Magnetpolstück bzw. der „Endkappe" liegt. Durch Erwärmen des Öls wird die Viskosität des Öls gesenkt und der Reibungskoeffizient zwischen dem Schieberventil und dem Ventilkörper kann gesenkt werden. Folglich kann eine geringere Magnetkraft zum Bewegen des Schieberventils zu einer Sollstellung aufgewendet werden.
  • Die vorliegende Beschreibung kann mehrere Vorteile bieten. Eine gezielte Ventilerwärmung kann zum Beispiel die zum Betreiben eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils bei niedrigeren Temperaturen aufgewendete Energie senken. Es kann mit anderen Worten elektrische Energie zum Erwärmen eines Ventils verwendet werden und es können geringere Meniskus- und visköse Kräfte eingesetzt werden, die die Ventilbewegung beeinträchtigen, statt dass elektrisch induzierte Magnetkräfte gegen Ventil-Haftreibungskräfte verwendet werden. Auf diese Weise kann elektrische Energie effizient genutzt werden, um das Ventil auf den Betrieb vorzubereiten, statt das versucht wird, Kräfte zu überwinden, die über einer bestimmten Magnetkraft liegen können, die durch einen bestimmten Wert -elektrischen Stroms erzeugt wird. Weiterhin kann ein Erwärmen vorteilhaft auf bestimmte Bereiche eines Ventils gerichtet werden, bei denen Wärme erwünscht ist. Zum Beispiel kann einem Ventil elektrischer Strom bei einer Frequenz und Leistungsdichte zugeführt werden, die das Erwärmen an der Grenzfläche zwischen einem mechanischen Ventil und einer Ventilführung unterstützen. Dadurch sind unter Umständen weniger Zeit und Energie erforderlich, um die Viskosität des Öls zu ändern, das zwischen Fügeflächen eines Ventils liegt. Weiterhin kann bei funktionsspezifischen elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilen wie zum Beispiel Kraftstoffeinspritzventilen die Ventilleistung zu verbessertem Motorstarten führen, da eine einheitlichere Kraftstofffüllung zugeführt werden kann, wenn der Motor bei kälteren Temperaturen gestartet wird. D.h. die Einspritzventile können auf Temperaturen erwärmt werden, bei denen sich das Ansprechen des Einspritzventils verbessern kann. Folglich können Motoremissionen verbessert werden, da es unter Umständen weniger Bedingungen gibt, bei denen das Kraftstoff-/Luftverhältnis des Motors von einem Sollwert abweicht.
  • Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen allein genommen oder in Verbindung mit den Begleitzeichnungen klar hervor.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die hierin beschriebenen Vorteile werden durch Lesen eines Beispiels einer Ausführung, das hierin als eingehende Beschreibung bezeichnet wird, allein genommen oder unter Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich. Hierbei zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Motors;
  • 2A ein Querschnittschaubild eines beispielhaften elektrisch betriebenen mechanischen Ventils in einer geschlossenen Stellung;
  • 2B ein Querschnittschaubild eines beispielhaften elektrisch betriebenen mechanischen Ventils in einer offenen Stellung;
  • 3A ein Querschnittschaubild einer beispielhaften Einspritzventilspule, das das Erwärmen eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils durch Leiten veranschaulicht;
  • 3B ein Querschnittschaubild eines zielgerichteten Erwärmens durch Wirbelströme und/oder Hysterese eines beispielhaften elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils;
  • 4 einen Zeitablauf für einen beispielhaften Motorstartablauf;
  • 5 einen Zeitablauf für einen anderen beispielhaften Motorstartablauf;
  • 6 einen Zeitablauf für einen anderen beispielhaften Motorstartablauf;
  • 7 einen Zeitablauf für einen anderen beispielhaften Motorstartablauf;
  • 8 ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verbessern von Einspritzventilsteuerung während des Startens und Laufens eines Verbrennungsmotors; und
  • 9 ein Beispiel von Temperaturprofilen, die durch Widerstands- und Wirbelstromerwärmung eines Einspritzventils erzeugt wurden.
  • Eingehende Beschreibung
  • Die vorliegende Beschreibung erwartet verschiedene Anwendungen, bei denen die vorliegende Beschreibung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Zum Beispiel kann die vorliegende Beschreibung zum Verbessern des Betriebs von Schieberventilen mit zwei Stellungen, von Schieberventilen mit drei Stellungen, von Düsennadel-Ventilen, Ventilen, die durch eine oder mehrere Spulen betrieben werden, von Tellerventilen, Kugelventilen, Absperrhähnen, piezoelektrische Vorrichtungen und Drosselventilen verwendet werden. Weiterhin kann die vorliegende Beschreibung in verschiedenen Gebieten eingesetzt werden, darunter Kraftfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Anlagenindustrien, Bergbau und Fertigung. Demgemäß soll diese Beschreibung den Schutzumfang bzw. die Breite der Ansprüche oder Offenlegung nicht beschränken.
  • Elektrisch betreibbare mechanische Ventile sind von Auslegung und Konstruktion her unterschiedlich. Sie können auch über einem breiten Bereich an Umweltbedingungen betrieben werden. Weiterhin kann es wünschenswert sein, unterschiedliche Arten der Erwärmung bei unterschiedlichen Ventilauslegungen und/oder während unterschiedlicher Betriebsbedingungen vorzusehen. Eine ausschnittweise, aber nicht beschränkende Liste anderer erwarteter elektrisch betreibbarer mechanischer Ventile umfasst Magnetventile, Getriebeschieberventile, Bremssteuerventile und Tellerventile des Motors. Weiterhin sieht die Beschreibung Einspritzventile eines Verbrennungsmotors als ein Beispiel für elektrisch betreibbare mechanische Ventile vor, bei denen die Vorteile der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht werden können.
  • Unter Bezug auf 1 wird ein Verbrennungsmotor 10, der mehrere Zylinder umfasst, wovon einer in 1 gezeigt wird, durch ein elektronisches Steuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 umfasst einen Brennraum 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin angeordneten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36. Der Brennraum 30 steht bekanntermaßen mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Abgaskrümmer 48 mittels eines jeweiligen Einlassventils 52 und Auslassventils 54 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 44 wird mit einer optionalen elektronischen Drossel 62 in Verbindung stehend gezeigt.
  • Mittels eines Einspritzventils 66 wird Kraftstoff direkt in den Brennraum 30 eingespritzt. Das Einspritzventil ist ein Beispiel für ein elektrisch betreibbares mechanisches Ventil. Das Einspritzventil 66 empfängt Öffnungs- und Schließsignale von dem Steuergerät 12. Eine Nockenwelle 130 ist mit mindestens einem Einlassnockenprofil und mindestens einem Auslassnockenprofil konstruiert. Alternativ kann der Einlassnocken mehr als ein Nockenprofil aufweisen, das unterschiedliche Hubbeträge, eine unterschiedliche Dauer und unterschiedliche Phasen aufweisen kann (d.h. die Nocken können bezüglich Größe und Ausrichtung zueinander unterschiedlich sein). In einer noch anderen Alternative kann das System separate Einlass- und Auslassnocken nutzen. Ein Nockenpositionssensor 150 liefert dem Steuergerät 12 Nockenpositionsinformationen. Ein Einlassventil-Kipphebel 56 und ein Auslassventil-Kipphebel 57 übertragen eine Ventilöffnungskraft von der Nockenwelle 130 auf die jeweiligen Ventilschäfte. Der Einlass-Kipphebel 56 kann ein Leerlaufelement zum gezielten bedarfsweisen Wechseln zwischen den Nockenprofilen mit niedrigerem und höherem Hub aufweisen. Alternativ können unterschiedliche Ventiltriebaktoren und -auslegungen an Stelle der gezeigten Auslegung verwendet werden (z.B. Stößelstange statt oben liegender Nockenwelle, elektromechanisch statt hydromechanisch).
  • Durch eine herkömmliche (nicht dargestellten) Kraftstoffanlage mit einem Kraftstofftank, Kraftstoffpumpe und einem (nicht dargestellten) Verteilerrohr wird dem Einspritzventil 66 Kraftstoff zugeführt. Der Motor 10 kann so ausgelegt sein, dass er mit einer oder mehreren Kraftstoffarten arbeitet, beispielsweise Diesel, Benzin, Alkohol oder Wasserstoff.
  • Eine (nicht dargestellte) verteilerlose Zündanlage kann dem Brennraum 30 mittels einer (nicht dargestellten) Zündkerze als Reaktion auf das Steuergerät 12 einen Zündfunken liefern. Eine UEGO-Sonde (unbeheizte Lambdasonde) 76 wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts eines Katalysators 70 verbunden gezeigt. Eine Lambda-Sonde mit zwei Zuständen 98 wird stromabwärts des Katalysators 70 mit einer Abgasleitung 49 verbunden gezeigt. Der Katalysator 70 kann mehrere Katalysatorbricks, Partikelfilter und/oder Abgas-Filtervorrichtungen aufweisen.
  • In 1 wird das Steuergerät 12 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104, einen Festwertspeicher 106, einen Arbeitsspeicher 108, einen batteriestromgestützten Speicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus. Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es neben den zuvor beschriebenen Signalen von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfängt, darunter: Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperaturfühler 112; ein mit einem Gaspedal verbundener Stellungssensor 119; eine Messung des Motorkrümmerdrucks (MAP) von einem Drucksensor 122, der mit dem Ansaugkrümmer 44 verbunden ist; ein (nicht dargestellter) Motorklopfsensor; ein (nicht dargestellter) Kraftstoffartsensor; Feuchtigkeit von einem Feuchtigkeitssensor 38; eine Messung (ACT) der Motorlufttemperatur oder Krümmertemperatur von einem Temperatursensor 117; und ein Motorstellungssensor von einem Hallgeber 118, der die Position der Kurbelwelle 40 erfasst. In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Beschreibung erzeugt ein Motorstellungssensor 118 eine vorbestimmte Anzahl an gleichmäßig beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle, woraus die Motordrehzahl (RPM) ermittelt werden kann.
  • Unter Bezug nun auf 2A wird ein Querschnittschaubild eines beispielhaften elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils gezeigt. Im Einzelnen wird ein Einspritzventil in der geschlossenen Stellung gezeigt. Öl gelangt am Kanal 201 in das Einspritzventil. Die Stellung des Schieberventils 213 steuert das Strömen von Arbeitsöl durch das Einspritzventil. Eine Öffnungsspule 217 wird zum Öffnen des Schieberventils 213 genutzt, und eine Schließspule 215 wird zum Schließen des Schieberventils 213 genutzt. In der offenen Stellung ermöglicht es das Schieberventil dem Öl, den Kraftstoffdruck zu verstärken oder anzuheben. In der geschlossenen Stellung lässt das Schieberventil Öl von dem Verstärker strömen und den Kraftstoffdruck senken. Die Rückstellfeder 211 wirkt mittels eines Kolbens 203 gegen den Öldruck und drückt Öl aus dem Einspritzventil heraus, wenn sich das Schieberventil 213 in der geschlossenen Stellung befindet. Mittels des Kanals 209 wird Kraftstoff in das Einspritzventil befördert und wird von dem Verstärkerkolben 220 in dem Raum 207 beaufschlagt. Wenn der Kraftstoffdruck einen vorbestimmten Wert erreicht, öffnet der Düsenzapfen 205 und Kraftstoff wird zum Brennraum 30 abgelassen. Wenn der Kraftstoffdruck sinkt, stellt die Feder 219 den Zapfen zur geschlossenen Stellung zurück und das Kaftstoffströmen endet.
  • Unter Bezug nun auf 2B wird ein Querschnittschaubild eines beispielhaften Einspritzventils in der offenen Stellung gezeigt. Die Figur zeigt das Arbeitsöl, das ein Volumen 251 oberhalb des Kolbens 203 verdrängt. Dies lässt den Verstärkerkolben 220 Druck an der Verstärkerkammer 207 anlegen, wodurch das Volumen der Verstärkerkammer reduziert und der Kraftstoffdruck angehoben wird. Der Kraftstoffdruck überwindet die Kraft der Feder 219 und öffnet den Düsenzapfen 205, was Kraftstoff in den Brennraum freisetzt. Zu beachten ist, dass das Schieberventil 213 an der Polseite der Spule 215 positioniert ist, während es in 2A an der Polseite der Spule 217 positioniert ist.
  • Zum Erwärmen eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils kann elektrischer Strom verwendet werden, wenngleich Widerstand, Hysterese und/oder Wirbelströme genutzt werden können. Durch Erwärmen eines Einspritzventils kann die Einspritzventilleistung über einem breiteren Bereich von Motor- und/oder Einspritzventilbetriebsbedingungen gleichmäßiger gehalten werden. Wenn Wirbelstrom- oder Hysterese-Erwärmung verwendet wird, erzeugt die Spule ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld, das in nahen Metallstrukturen Wirbelströme erzeugt. Den Wirbelströmen wirkt der Innenwiderstand der Struktur entgegen und sie werden in Wärmeenergie umgewandelt. Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Erwärmungsverfahren bieten eine Möglichkeit, elektrische Energie weg von den Aktorspulen zu leiten. Weiterhin werden die Aktorspulen auch währen Wirbelstrom- und Hysterese-Erwärmung erwärmt. D.h. ein sich zeitlich verändernder elektrischer Strom kann einer Spule zugeführt werden, um ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld zu erzeugen, das Wirbelströme und Hysterese in nahen Metallbestandteilen induziert, während auch I2R-Verluste an der Spule erzeugt werden. Wirbelstrom-Erwärmung, Hysterese-Erwärmung und die I2R-Verluste können durch Verändern des Stromoffset von Null, der Stromeinschaltdauer, der Stromamplitude und/oder der Stromfrequenz angepasst werden.
  • Der Innenwiderstand der Aktorspulen kann dagegen auch zum Erwärmen eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils verwendet werden, während wenig Wirbelstrom erzeugt wird. Wenn elektrischer Strom in eine Spule fließt, wird er durch die Innenimpedanz der Spule beschränkt. Ein Teil der elektrischen Energie wird zu Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch steigt die Temperatur der Spule. Diese Wärme kann durch Leitung auf das umgebende elektrisch betreibbare mechanische Ventil übertragen werden.
  • Zurück nun zu 3A wird ein Querschnittschaubild eines Teils einer beispielhaften Einspritzventilspule verwendet, um das Erwärmen eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils mittels Spulenwiderstand zu veranschaulichen. In einer Ausführung wird elektrischer Strom durch die Spule 302 geleitet, die Spule drosselt das Fließen von elektrischem Strom und verwandelt die elektrische Energie in Wärmeenergie. Leiten lässt das Übertragen von Wärme von der Spule zu dem umgebenden Material zu, beispielsweise einem Schieberventil und dem verbleibenden Einspritzventilkörper. Folglich kann diese Wärme zu Anheben der Temperatur von Öl verwendet werden, das die Grenzfläche zwischen dem Schieberventil und dem Ventilkörper schmiert. Zudem kann die Wärme die Temperatur des Arbeitsöls anheben, das genutzt wird, um den von dem Einspritzventil gelieferten Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen. Durch Anheben der Öltemperatur kann die Viskosität des Arbeitsöls gesenkt werden. Wenn die Ölviskosität gesenkt wird, kann weniger Magnetenergie erforderlich sind, um das Schieberventil zwischen der offenen und geschlossenen Stellung zu bewegen, da die Meniskuskraft oder „Haftreibung" zwischen den Fügeflächen wirksam reduziert werden kann. Zudem kann durch Erwärmen des Arbeitsöls das Ansprechen des Einspritzventils verbessert werden, da die Schieberbewegung und somit die Strömrate von Öl, das das Einspritzventil betreibt, verbessert werden können. Somit kann die Temperatur der Einspritzventilspulen zweckvoll angehoben werden, um den Betrieb des Einspritzventils zu verbessern, zumindest während manchen Bedingungen. Das Schieberventil 303 wird in der geschlossenen Stellung an der durch die Spule 302 erzeugten Elektromagnetpolseite gezeigt. Ein Vektor 301 und ähnliche Vektoren stellen die Wege dar, die die Wärme nehmen kann, wenn die Spule 302 zum Erzeugen von Wärme genutzt wird.
  • Unter Bezug nun auf 3B wird ein Querschnittschaubild eines Teils einer beispielhaften Einspritzventilspule verwendet, um das Erwärmen eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils mittels Wirbelströmen und/oder Hysterese zu veranschaulichen. In einer Ausführung wird Wärme zum Beispiel auf die Grenzfläche zwischen der Magnetpolseite und dem Schieberventil in dem Bereich 305 gerichtet. Durch Anlegen eines sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms an der Spule 307 wird ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld durch die Spule erzeugt. Wirbelströme fließen in dem Metall, das diesem sich zeitlich verändernden Magnetfeld ausgesetzt wird, wodurch ein Anstieg der Temperatur des Metalls zum Beispiel in der Endkappe 311 und dem Schieberventil 309 hervorgerufen wird. Eine Einspritzventilspule kann in den umgebenden Metallbestandteilen, beispielsweise einem Schieberventil oder Düsenzapfen, solche elektrische Ströme induzieren. Folglich kann ein an einer Öffnungs- oder Schließspule angelegter, sich zeitlich verändernder elektrischer Strom genutzt werden, um Energie zum Beispiel von einer Einspritzventil-Steuerspule zu einem Schieberventil zu übertragen. Dies ermöglicht das Erzeugen von Wärme, wobei ein großer Teil des Flächenkontakts zwischen dem Schieberventil und der Endkappe vorliegt. Das Erwärmen dieser Fläche des Einspritzventils kann die Viskosität der Ölfilmgrenzfläche zwischen dem Schieberventil und der Endkappe senken, so dass weniger Magnetkraft erforderlich sein muss, um das Schieberventil zu bewegen. Ferner kann die Wärme die Ölviskosität zwischen dem Schieberventil und dem Ventilkörper senken, wodurch die Ölscherkräfte reduziert und eine Bewegung zwischen diesen Bestandteilen verbessert wird.
  • In einer noch anderen Ausführung kann elektrischer Strom gleichzeitig durch Öffnungs- und Schließspulen geführt werden, um ein elektrisch betreibbares, mechanisch betätigtes Ventil zu erwärmen, ohne ein Schieberventil zu bewegen, das durch die Spulen gesteuert wird. Wenn elektrischer Strom bei gleichen Raten durch beide Spulen geleitet wird, bleibt das Schieberventil an der Spule positioniert, an der es anliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Magnetkraft mit dem Abstand zwischen der Magnetpolseite und dem Schieberventil abnimmt. Unter der Annahme eines gleichen elektrischen Stroms wird somit mehr Kraft durch die Spule angelegt, die am nächsten zum Schieberventil ist, und das Ventil wird entsprechend positioniert. Zu beachten ist, dass es auch möglich ist, Wirbelstrom-Erwärmung ohne Bewegen des Schieberventils oder Düsenzapfens zu nutzen, da es möglich ist, die Erzeugung eines Gleichstrom-Magnetfelds ausreichender Größenordnung und Dauer zum Bewegen des Schieberventils zu verhindern. Der Temperaturanstieg des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils kann vergrößert werden, da zusätzliche elektrische Energie zur zweiten Spule gelenkt werden kann, so dass die Umwandlung von elektrischer Energie zu Wärmeenergie verdoppelt werden kann. Dies kann wünschenswert sein, da Fließen von elektrischem Strom in eine einzelne Spule beschränkt werden kann, so dass die Möglichkeit einer Verschlechterung der Spule gemindert werden kann.
  • Unter Bezug nun auf 4 wird ein Zeitablauf zum Verbessern des Einspritzventilbetriebs während eines beispielhaften Motorstartablaufs gezeigt. Dieser Ablauf kann zum Beispiel durch das in 8 gezeigte Verfahren erzeugt werden.
  • 4 zeigt eine Befehlssteuerung für Einspritzventil-Öffnungs- und Schließspulen für einen Vierzylindermotor. Die vertikale Linie 411 stellt das Auslösen von Motorumdrehung dar. Vor Motorumdrehung durchläuft der Motor eine Startvorbereitung. Die Startvorbereitung kann das Aktivieren von Glühkerzen zum Erwärmen von Zylindern, das Zuteilen von Zeit zum Aufbau von Kraftstoffdruck nach Aktivieren einer Kraftstoffpumpe und andere ähnliche Funktionen umfassen. Der Zeitbetrag, der für die Startvorbereitung reserviert wird, kann mit Betriebsbedingungen schwanken und somit ist die in 4 gezeigte Startvorbereitungszeit lediglich für Veranschaulichungszwecke gedacht. Sie soll nicht den Schutzumfang oder die Breite der Offenbarung einschränken. Ferner kann die Zeit vor der Markierung 411 aus empirischen Daten vorbestimmt sein und kann mit den Betriebsbedingungen schwanken.
  • Der Ablauf geht von links nach rechts. Einspritzventil-Befehlssignale für Einspritzventile sind an der linken Seite der Figur bezeichnet. I1OPN bezeichnet Befehlssignale, die zu der Öffnungsspule des Einspritzventils Eins gesendet werden. I1CLS bezeichnet Befehlssignale, die zu der Schließspule des Einspritzventils Eins gesendet werden. Befehle für die Einspritzventile 2-4 folgen ähnlichen Benennungsgepflogenheiten. Ein hoher Wert zeigt an, dass Befehle während des Zeitraums, in dem das Signal hoch ist, zu der Spule gesendet werden; tatsächliche Spulenbefehle können aber zu anderen Zeiten während der Darstellung anders sein. Steuerbefehle können abhängig von der Auslegung des regelnden Steuergeräts auf elektrischer Spannung oder elektrischem Strom beruhen. Zum Beispiel bezeichnet die Ziffer 401 einen Intervall, bei dem Befehle zu der Schließspule des Einspritzventils Eins gesendet werden, bevor der Motor gestartet wird. In diesem Bereich kann ein sich zeitlich verändernder Befehl an die Schließspule des Einspritzventils Eins ausgegeben werden. In einer Ausführung kann ein ausreichender elektrischer Strom (z.B. 10 Ampere, er kann aber abhängig von der Anwendung variieren) bei einer Frequenz angeordnet werden, die über der Eigenfrequenz des mechanischen Ventilteils des Einspritzventils und bei einer Leistungsdichte liegt, die die Temperatur eines Ankers wesentlich anhebt (z.B. in manchen Anwendungen eine Leistungsdichte, die die Anfangstemperatur um 10% über einen 10 Sekunden dauernden Zeitraum anhebt; in anderen Beispielen eine Leistungsdichte, die die Anfangstemperatur um 1°C, 5°C oder 10°C über einen 10 Sekunden dauernden Zeitraum anhebt; in anderen Anwendungen kann eine Leistungsdichte, die die Anfangstemperatur 10% über einen 20-minütigen Intervall anhebt, abhängig von Aktormasse, Umgebungsbedingungen und Steuerungszielen wünschenswert sein).
  • In einer alternativen Ausführung kann der elektrische Strom bei einer Frequenz mit einer Dauer zugeführt werden, die geringer als die Laufzeit ist, die bei einem bestimmen Stromwert ein erregter elektrisch betreibbarer mechanischer Aktor benötigt, um seinen Anker von einer offenen zu einer geschlossenen Stellung oder umgekehrt zu bewegen. Wenn zum Beispiel ein elektrische Strombetrag bei einem ersten Pegel einen Anker in 0,2 Sekunden bewegt, kann eine Stromfrequenz von über 5 Hz angelegt werden. Bei einer anderen Bedingung, bei der ein elektrischer Strombetrag bei einem zweiten Pegel den zuvor erwähnten Anker in 0,1 Sekunden bewegt, kann eine Stromfrequenz von über 10 Hz angelegt werden. Durch Erregen des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils mit einem elektrischen Strom bei einer Frequenz über der Laufzeit können Wirbelstrom-Erwärmung und Hysterese-Erwärmung angelegt werden, ohne den Aktoranker wesentlich zu bewegen (z.B. ± 2 mm bei kleineren Aktoren und ± 4 mm bei größeren Aktoren).
  • Ein einzelner Impuls kann dagegen zu einer oder mehreren Spulen eines Einspritzventils ein- oder mehrmals ausgegeben werden, ohne den Einspritzventilzustand zu ändern und bevor der Fahrer benachrichtigt wird, dass der Motor startbereit ist. Somit ist es möglich, ein Einspritzventil mit Hilfe von Spulenimpedanz, Wirbelstrom und/oder Hysterese während des Zeitraums der Motorstartvorbereitung zu erwärmen.
  • Nach der Startmarkierung 411 kann eine Motorstellung aus den Markierungen ermittelt werden, die entlang des CRK-Signals liegen. Das CRK-Signal stellt die Kurbelwellenstellung zum oberen Totpunkt des Verdichtungstakts des Zylinders Nummer Eins dar. Die numerischen Markierungen entlang des CRK-Signals sind den vertikalen Markierungen zugeordnet, die unmittelbar rechts der Markierungen sind.
  • Während des Zeitraums vor der Startmarkierung 411 werden die Einspritzventile nacheinander durch Anordnen des Fließens von elektrischem Strom zu den Schließspulen erwärmt. Dies wird durch die mit 401, 407, 408 und 409 bezeichneten Bereiche veranschaulicht. Zu beachten ist, dass der Befehl, der zum Erwärmen eines Einspritzventils erteilt wird, gestoppt wird, bevor der Befehl zu einem anderen Einspritzventil ausgegeben wird. Alternativ können sich die Zeiträume der Einspritzventilerwärmungsbefehle in gewissen Maß überlagern. In einem Beispiel kann der zum Erwärmen des nächsten Einspritzventils in einem Ablauf fließende elektrische Strom zu fließen beginnen, bevor der elektrische Strom in dem derzeit erwärmten Einspritzventil völlig zu fließen aufgehört hat. D.h. es kann an einem Einspritzventil eine elektrische Spannung angelegt werden, wodurch Fließen von elektrischem Strom ausgelöst wird, während eine elektrische Spannung von einem anderen Einspritzventil abgezogen wird, während aber elektrischer Strom weiter in dem Einspritzventil fließt, wenn das Magnetfeld zusammenbricht. Ferner kann ein zu einer Gruppe von Einspritzventilen fließender elektrischer Strom reduziert werden, bevor elektrischer Strom zu einer anderen Gruppe von Einspritzventilen angehoben wird. Desweiteren können Einspritzventile bei Bedarf in der Motorverbrennungsreihenfolge nacheinander erwärmt werden.
  • Auch wenn ein sequentieller Erwärmungszyklus gezeigt wird, kann diese Sequenz beliebige Male wiederholt werden, bevor der Motor gestartet wird, siehe zum Beispiel 7. Zudem kann die Dauer der Erwärmungsintervalle ebenso wie die erwünschte Art des Erwärmens (d.h. Widerstand, Wirbelstrom, Hysterese) zum Beispiel verändert werden. In einem Beispiel kann einer Spule 75 Mikrosekunden lang elektrischer Strom zugeführt werden, bevor in dem Erwärmungsablauf zur nächsten Spule vorgerückt wird. Bei einem anderen Ablauf kann der elektrische Strom einer Spule 60 Millisekunden oder länger zugeführt werden, bevor in dem Erwärmungsablauf zur nächsten Spule vorgerückt wird. Zudem kann die gesamte Zeitdauer, über die eine Spule zum Erwärmen eines Einspritzventils während der Startvorbereitung oder während des Motorlaufs genutzt wird, verändert werden. Zum Beispiel kann während eines ersten Satzes von Betriebsbedingungen einer Einspritzventilspule über einen Intervall von zwei Sekunden erwärmender elektrischer Strom zugeführt werden, während eines zweiten Satzes von Betriebsbedingungen kann der gleichen Spule über einen Intervall von acht Sekunden erwärmender elektrischer Strom zugeführt werden. Auf diese Weise kann der zum Erwärmen eines elektrisch betätigten mechanischen Ventils eingesetzte Energiebetrag als Reaktion zum Beispiel auf Betriebsbedingungen des Aktors, Umgebungsbedingungen oder eines Verbrennungsmotors verändert werden.
  • Wie bereits erwähnt kann ein Einspritzventilerwärmen durch Widerstands-, Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Erwärmung verwirklicht werden. Dementsprechend kann einer Spule elektrischer Strom auf verschiedene Weise zugeführt werden.
  • In einer Ausführung der Darstellung kann ein Wirbelstrom-Erwärmen während der Erwärmungsintervalle verwendet werden, um die Einspritzventiltemperatur anzuheben. Wirbelstrom-Erwärmen kann durch Fließen von Wechselstrom oder gepulstem Strom durch eine Spule, so dass ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld erzeugt wird, ausgelöst werden. Elektrischer Strom kann durch Stoppen und Starten des Flusses oder durch ständiges Verändern des elektrischen Stroms gewechselt werden. In einem Beispiel kann elektrischer Strom durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Form einer Rechteckwelle, Sinuswelle oder zum Beispiel durch ein bandbeschränktes Rauschsignal verändert werden. Der elektrische Strom kann durch eine unipolare oder bipolare Energiequelle zugeführt werden und kann eine positive, negative oder keine Vorspannung von Null haben. Die Magnetfeldstärke und die Wirbelströme, die sie induziert, können mit dem elektrischen Strom in Verbindung stehen, der durch die Spule fließt. Dementsprechend können die Amplitude und Frequenz des durch die Spule fließenden elektrischen Stroms verändert werden, um den durch die Spule erzeugten Wärmebetrag anzupassen. Weiterhin kann der Spulenstrom aus einer oder mehreren Frequenzen bestehen, die die Bildung von Wirbelströmen beeinflussen können. Es können höhere Frequenzen (z.B. über 1 kHz) verwendet werden, um die Oberflächenerwärmung zu verstärken, da höhere Frequenzen dazu neigen, weniger Materialpenetration vorzusehen, so dass Wirbelstromwärme nahe der Materialoberfläche erzeugt wird. Es wird aber erwartet, dass sich die Leistung einer bestimmten Frequenz abhängig von der Konstruktion des elektrisch betreibbaren mechanischen Aktors ändert. In einer Ausführung kann der zu der Spule eines Einspritzventils gelenkte elektrische Strom über der Eigenfrequenz des mechanischen Ventilteils des Einspritzventils festgelegt werden und die Leistungsdichte des elektrischen Stroms kann auf einen Wert gesetzt werden, der die Temperatur eines Bereichs des Einspritzventils über einem festgelegten Zeitintervall (z.B. 2-15 Sekunden) anhebt. Diese Art von Erwärmung kann vorteilhaft sein, wenn es wünschenswert ist, Öloberflächenfilme zu erwärmen, so dass Reibhaftung zwischen zwei Fügeflächen reduziert wird.
  • In einer anderen Ausführung der Darstellung kann Widerstandserwärmung während der Erwärmungsintervalle verwendet werden, um die Temperatur des Einspritzventils anzuheben. Wenn Widerstandserwärmen erwünscht ist, kann das Steuergerät 12 von 1 programmiert werden, einen Sollbetrag elektrischen Stroms in eine Spule über eine Sollzeitdauer fließen zu lassen. Natürlich kann der Sollbetrag elektrischen Stroms, der in die Spule fließt, während des Zeitraums verändert werden, da elektrischer Strom fließt. Der mittlere Strompegel kann aber auf einen vorbestimmten Pegel gesetzt und bei diesem Pegel über eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten werden. In einer Ausführung kann die vorbestimmte Zeitdauer mit der Zeit korreliert werden, die der elektrische Strom braucht, um die Spulentemperatur auf einen vorbestimmten Wert anzuheben. Wenn die Spulentemperatur den vorbestimmten Wert erreicht, kann das Fließen des elektrischen Stroms gestoppt werden. Die Spulentemperatur kann mit anderen Worten so gesteuert werden, dass sie unter einer vorbestimmten Temperatur bleibt. Zu beachten ist auch, dass die Spulentemperatur zwischen einem vorbestimmten oberen Grenzwert und einem vorbestimmten unteren Grenzwert geregelt werden kann. Auf diese Weise kann die Spulentemperatur geregelt werden, während Wärme von der Spule auf das umgebende elektrisch betätigte, mechanisch betreibbare Ventil übertragen wird. Zudem kann das Fließen elektrischen Stroms auch regelmäßig neu gestartet werden, so dass die Spule den umgebenden Einspritzventilkörper weiter erwärmt.
  • In einer noch anderen Ausführung der vorliegenden Darstellung können die Eigenschaften von Wirbelstrom-, Hysterese- und/oder Widerstandserwärmung durch Steuern von Amplitude, Frequenz und/oder Offset von Null des elektrischen Stroms angepasst werden. Zum Beispiel kann ein elektrischer Strom, der zwischen einem niedrigen Zustand von 2 Ampere und einem hohen Zustand von 20 Ampere bei einer Frequenz von 1 kHz wechselt, der Schließspule eines Einspritzventils zugeführt werden Der der Spule zugeführte mittlere elektrische Strom kann bei über 8 Ampere liegen. Ein Teil dieses elektrischen Stroms kann durch die Widerstandskomponente der Spule in Wärme umgewandelt werden. Gleichzeitig kann der sich zeitlich verändernde Teil des elektrischen Stroms zum Erzeugen eines Magnetfelds und zum gezielten Erzeugen von Wirbelströmen in dem Bereich der Spulen- und Schieberventilgrenzfläche genutzt werden. Wenn der elektrische Strom anschließend so geändert wird, dass er zwischen 0 Ampere und 15 Ampere bei einer Frequenz von 1,5 kHz wechselt, ändern sich die resultierenden Widerstands- und Wirbelstrom-Erwärmungsanteile. Somit können die Widerstands-, Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Erwärmungsanteile so angepasst werden, dass eine Erwärmung als Reaktion auf Betriebsbedingungen verändert werden kann.
  • Zurück zu 4 wird vor der Startmarkierung 411 vor dem Starten des Motors und während des Erwärmungsprozesses das Spulenventil in der geschlossenen Stellung gehalten. Somit bleibt der Betriebszustand des Einspritzventils bezüglich Öffnen und Schließen oder bezüglich Kraftstoffzufuhr unverändert. Weiterhin liegt vor der Startmarkierung 411 im Wesentlichen kein Kraftstoffströmen durch die Einspritzventile vor (z.B. weniger als 1 gm pro Minute). Natürlich können auch andere Änderungen dieses Ablaufs vor der Startmarkierung 411 nützlich sein. Zum Beispiel können die Schließspulen einer Gruppe von Einspritzventilen verwendet werden, um die Einspritzventile wie dargestellt nacheinander zu erwärmen. Dann können die Öffnungsspulen der gleichen Gruppe von Einspritzventilen verwendet werden, um auch die Einspritzventile in ähnlicher Weise nacheinander zu erwärmen. In einer anderen Abwandlung kann die Position eines Aktorankers oder Düsenzapfens bewegt werden, bevor Wirbelstromwärme an der Aktorspule angelegt wird. Diese Abläufe können bei Bedarf einige Male wiederholt werden, bevor der Motor gestartet wird.
  • Nach dem Vorwärmen der Einspritzventile wird der Motor bei der vertikalen Markierung 411 gestartet. Wenn der Motor gedreht wird, bewegen die Öffnungs- und Schließspulen das Schieberventil zweimal pro Zylinderzyklus von der geschlossenen Stellung zur offenen Stellung. D.h. es werden zwei Kraftstoffeinspritzungen pro vier Takte durchgeführt. Der anfängliche Einspritzventilöffnungsbefehl 403 für Einspritzventil Nummer Eins sieht eine Piloteinspritzung vor, die den Zylinder für die zweite und hauptsächliche Kraftstoffeinspritzung 412 vorbereitet. Jeder Einspritzventilöffnungsbefehl wird gefolgt von einem Einspritzventilschließbefehl. Die Piloteinspritzung wird durch den Befehl bei Markierung 405 gestoppt, und der Haupteinspritzpuls wird durch den Befehl bei der Markierung 414 gestoppt. Zu beachten ist auch, dass es möglich ist, an der Öffnungsspule während des Einspritzzeitraums einen sich zeitlich verändernden elektrischen Strom anzulegen, während der Motor dreht, so dass die die Öffnungsspule bei Bedarf ein Erwärmen des Einspritzventils bewirkt. Die anderen Zylinder folgen einem ähnlichen Einspritzmuster, wenngleich während anderen Betriebsbedingungen nur eine einzige Einspritzung erwünscht sein kann. Die Einspritzventile werden gezeigt, wie sie in dem Verdichtungstakt des jeweiligen Zylinders betrieben werden, doch können die Einspritzventile während eines beliebigen Takts des Zylinderzyklus (z.B. Ansaug-, Arbeits- und/oder Auspufftakt) betrieben werden. Ferner werden die Einspritzventile in der Reihenfolge von Zylinderverbrennungsereignissen betrieben, nämlich 1-3-4-2 bei einem Vierzylindermotor.
  • Unter Bezug nun auf 5 wird ein alternatives Verfahren zum Verbessern des Einspritzventilarbeitens während eines Motorstarts gezeigt. 5 folgt der Signalbezeichnung, die ähnlich der in 4 gezeigten ist. Vor dem Starten des Motors bei einer vertikalen Markierung 515 werden die Einspritzventile in den durch die Markierungen 501, 502, 531 und 530 gezeigten Bereichen erwärmt. Durch Spulenbefehle ähnlich den durch die Markierungen 521 und 525 gezeigten wird zum Motorzylinder Kraftstoff eingespritzt. Die Markierung 521 bezeichnet eine Piloteinspritzung und die Markierung 525 bezeichnet das Stoppen der Piloteinspritzung. Die Spulensignale unmittelbar nach den Piloteinspritzsignalen steuern die Pulsbreite der Hauptkraftstoffeinspritzung. Die Einspritzventile können mit Hilfe der Widerstands-, Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Verfahren, die vorstehend beschrieben sind, erwärmt werden. Nachdem der Motor bei der Markierung 515 zu drehen beginnt, werden die Schließspulen der Einspritzventile Eins bis Vier zwischen Einspritzereignissen erwärmt, wenn sich das Schieberventil in der geschlossenen Stellung befindet. Die Markierungen 503-508, 510 und 532-538 bezeichnen Stellen, an denen Einspritzventilerwärmen angewendet werden kann, nachdem ein Motor zu drehen beginnt und gestartet wird. Wiederum kann das Einspritzventilerwärmen in diesen Bereichen durch Widerstandserwärmen, Wirbelstrom- und/oder Hystere-Erwärmen oder Kombinationen derselben verwirklicht werden. Natürlich muss das Einspritzventilerwärmen nicht zu den in der Figur gezeigten exakten Zeiten erfolgen. Vielmehr kann das Einspritzventilerwärmen während eines Teils des Zylinderzyklus ausgelöst werden, in dem der Sollzustand des Einspritzventilschieberventils (offen oder geschlossen) nicht durch einen in die Spule fließenden elektrischen Strom geändert wird. Zum Beispiel können bei Bedarf Einspritzventil-Erwärmungsintervalle 503, 505 und 507 von dem Kurbelwellengradintervall von 180-360 auf das Kurbelwellengradintervall von 0-180 bewegt werden. Ferner ist es möglich, ein Wirbelstrom-Erwärmen von einer Spule zu erzeugen, ohne den Zustand des Schieberventils zu ändern. Daher kann die Einspritzventil-Öffnungsspule verwendet werden, um das Einspritzventil mit Wirbelströmen zu erwärmen, während das Schieberventil im geschlossenen Zustand bleibt. Desweiteren kann das Einspritzventil mit Hilfe von Wirbelströmen von den Öffnungs- und Schließspulen gleichzeitig erwärmt werden, ohne den Zustand des Schieberventils zu ändern, da die Gleichstrom-Magnetfeldstärke niedrig sein würde. Zudem kann bei Bedarf die Erwärmungsdauer geändert werden. Zum Beispiel kann die Erwärmungsdauer bei kälterem Einspritzventil von einem Start zum nächsten vergrößert werden oder die Erwärmungsdauer kann bei Ansteigen der Motortemperatur bei einer höheren Rate von einem Start zum nächsten reduziert werden. Die Erwärmungsintervalle können für eine vorbestimmte Zeitdauer festgelegt werden oder sie können für ein spezifisches Kurbelwellenintervall während eines Kurbelwellendrehfensters von zum Beispiel 100°C festgelegt werden. Zu beachten ist auch, dass die Erwärmungsintervalle eines bestimmten Zylinders nicht mit dem Erwärmungsintervall eines anderen Zylinders ausgerichtet sind. Diese Anordnung wurde absichtlich vorgesehen, um den Betrag elektrischen Stroms zu steuern, der den Einspritzventilaktoren gleichzeitig zugeführt wird. Durch Versetzen der Einspritzventil-Erwärmungsintervalle kann Einspritzventilerwärmen ohne wesentliches Ändern der Leistungsanforderung des Motors möglich sein. Alternativ können die Einspritzventil-Erwärmungsintervalle bei Bedarf überlappend ausgelegt werden.
  • Das Einspritzventilschieberventil wird in gleicher Weise wie in 4 beschrieben gesteuert. Die Öffnungs- und Schließspulen werden nämlich während eines Zylinderzyklus zweimal betrieben. Im Einzelnen wird das Einspritzventil einmal für eine Piloteinspritzung und einmal für eine Haupteinspritzung betrieben, wenngleich bei Bedarf zusätzliche Einspritzungen möglich sind. Während des Erwärmungszeitraums wird das Einspritzventilschieberventil in dem Zustand gehalten, den es vor dem Erwärmungsintervall einnahm. Alternativ kann die Erwärmungssequenz ausgelöst werden, wenn sich das Schieberventil in dem Zustand entgegengesetzt zu dem befindet, der durch die Erwärmungsspule gesteuert wird. Das Schieberventil kann sich zum Beispiel in der offenen Stellung befindet, wenn elektrischer Strom in die Schließspule fließt. Der in die Schließspule fließende elektrische Strom kann das Schieberventil in die geschlossene Stellung ziehen und dann beginnen, dem Einspritzventil Wärme zu liefern. Somit kann der Erwärmungsprozess einer Öffnungs- oder Schließspule auch durch Leiten von elektrischem Strom durch die Spule und Ziehen des Schieberventils aus dem entgegengesetzten Zustand (d.h. der offenen oder geschlossenen Stellung) ausgelöst werden. Dann kann die Spule zum Erwärmen des Einspritzventils genutzt werden.
  • Unter Bezug nun auf 6 wird ein alternatives Verfahren zum Verbessern des Einspritzventilarbeitens während eines Motorstarts gezeigt. 6 folgt auch der Signalbezeichnung, die ähnlich der in 4 gezeigten ist. Vor dem Starten und Drehen des Motors bei einer vertikalen Markierung 650 wird jedes Paar Einspritzventile aktiviert, um das Einspritzventil zu erwärmen. D.h. die Öffnungs- und Schließspulen jedes Zylinders werden gleichzeitig mit elektrischem Strom versorgt, um das Einspritzventil zu erwärmen. Das Einspritzventilerwärmen wird durch die Bereiche 601, 603, 605, 607, 609, 611, 613 und 615 veranschaulicht. Wenn beiden Spulen gleichzeitig gleiche Beträge elektrischen Stroms zugeführt werden, bleibt das Schieberventil in dem Zustand (offen oder geschlossen), den es vor dem Auslösen des Stromfließens einnahm. Die Spule, die am nächsten zum Schieberventil ist, zieht das Ventil an und hält es fest, da sie mehr Kraft auf das Ventil ausübt als die gegenüberliegende Spule. Wenn den beiden Spulen gleichzeitig elektrischer Strom zugeführt wird, kann das Einspritzventilerwärmen über den Wert hinaus angehoben werden, den die einzelne Spule liefern kann. Zu beachten ist, dass vor der vertikalen Markierung 650 den Einspritzventilspulenpaaren elektrischer Strom zugeführt wird, um das Einspritzventil in sequentieller Weise zu erwärmen. D.h. elektrischer Strom wird den Öffnungs- und Schließspulen des Einspritzventils Eins zugeführt, und dann lässt man nach Stoppen von Stromfließen zum Einspritzventil Eins elektrischen Strom zu den Spulen des Einspritzventils Zwei fließen. Alternativ können wie bereits erwähnt die Spulenerwärmungsintervalle der beiden Einspritzventile bei Bedarf überlappen. Die Spulen können Widerstands-, Wirbelstrom- und/oder Hysterese-Erwärmung vorsehen. Zu beachten ist, dass es auch möglich ist, elektrischen Strom in einer Reihenfolge zu den Einspritzventilen fließen zu lasse, die sich von der in 6 gezeigten unterscheidet. Zum Beispiel kann man elektrischen Strom für ein Einspritzventilerwärmen basierend auf der Zündfolge des Motors (z.B. 1-3-4-2) zu den Einspritzventilen fließen lassen. Die Markierung 630 bezeichnet den Beginn einer Piloteinspritzung und die Markierung 633 bezeichnet das Ende der Piloteinspritzung. Die Spulensteuersignale unmittelbar nach den Piloteinspritzsignalen dienen zum Steuern der Hauptkraftstoffpulsbreite. Andere Spulenbefehlssignale, die die Steuerung des Einspritzventils darstellen, werden in ähnlicher Weise gezeigt. Zu beachten ist auch, dass ein sequentielles Einspritzventilerwärmen nicht erforderlich ist. Alle Einspritzventile oder eine Gruppe von Einspritzventilen können bei Bedarf gleichzeitig erwärmt werden. Weiterhin können Gruppen von Einspritzventilen der Reihe nach erwärmt werden. Zum Beispiel können bei Erwärmen der Einspritzventile eines Achtzylindermotors vier Gruppen von Einspritzventilen bestehend aus zwei Einspritzventilen pro Gruppe der Reihe nach erwärmt werden.
  • Unter Bezug nun auf 7 werden beispielhafte Strom- und Spannungssteuerzeiten für ein alternatives Verfahren zum Vorbereiten des Motorstartens gezeigt. Der Ablauf beginnt an der linken Seite der Figur und endet auf der rechten Seite. Die Bezeichnung I1CLSV stellt die an der Einspritzventilschließspule des Zylinders Nummer Eins angelegte elektrische Spannung dar. Die Bezeichnung I1CLSC stellt den durch die Einspritzventilschließspule des Zylinders Nummer Eins fließenden elektrischen Strom dar. Ähnliche Bezeichnungen, elektrische Ströme und Spannungen werden für die Einspritzventile der Zylinder Nummer Zwei bis Vier gezeigt. Ein vertikales Bezugszeichen 701 zeigt eine Schlüssel-Ein- oder ähnliche Motorstartforderung. Und das vertikale Bezugszeichen 730 zeigt einen startbereiten Zustand an.
  • Die Erwärmungsprozess beginnt kurz nach Feststellen des Startbefehlssignals 701. An der Schließspule von Zylinder Nummer Eins wird eine elektrische Spannung über einen vorbestimmten Zeitraum angelegt. Der Zeitraum kann eine Funktion von Motortemperatur, Einspritzventiltemperatur, Motoröltemperatur, Motorkühlmitteltemperatur, Zeit seit letztem Starten oder anderen ähnlichen Hinweisen sein. Der elektrische Strom beginnt zur Schließspule zu fließen und nimmt zu, bis die elektrische Spannung an dem vertikalen Bezugszeichen 705 entfernt wird. Der sich ändernde elektrische Strom induziert ein Magnetfeld als Reaktion auf den elektrischen Strom. Die elektrische Spannung wird von der Einspritzventilspule des Zylinders Nummer Eins bei dem vertikalen Bezugszeichen 705 entfernt, und das Fließen von elektrischem Strom durch die Spule nimmt ab, wenn das durch die Spule erzeugte Magnetfeld zusammenzubrechen beginnt 703. Die elektrische Spannung wird auch an der Einspritzventilschließspule von Zylinder Nummer Zwei bei dem vertikalen Bezugszeichen 704 angelegt, was nahezu gleichzeitig mit dem Entfernen elektrischer Spannung von dem Einspritzventil des Zylinders Nummer Eins erfolgt. Wiederum beginnt der elektrische Strom anzusteigen, wenn elektrische Spannung an der Einspritzventilspule angelegt wird. Auf diese Weise kann elektrische Spannung nacheinander an jeder Schließspule der jeweiligen Einspritzventile angelegt werden, wodurch der zum Erwärmen der Einspritzventile zugeführte augenblickliche elektrische Strom reduziert wird. Weiterhin erzeugt der sich ändernde elektrische Strom in den Einspritzventilen ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld, das Wirbelströme und/oder magnetische Hysterese in nahem Metall induzieren kann. Somit kann der gezeigte Erwärmungsablauf zum Erwärmen von Einspritzventilen genutzt werden, während der Betrag elektrischen Stroms beschränkt wird, der den Einspritzventilen geliefert wird. In diesem Beispiel werden acht aufeinander folgende elektrische Spannung anlegende Zyklen gezeigt, bevor der startbereite Zustand erfüllt ist, jedoch kann die Anzahl an aufeinander folgenden Wärme erzeugenden Zyklen nach Bedarf erhöht oder gesenkt werden. Zum Beispiel können während kühlerer Witterung zehntausend einzelne Spannungsanlegungen an jeder Einspritzventilspule angeordnet werden, wogegen während wärmeren Bedingungen zweitausend Spannungsanlegungen pro Einspritzventil angeordnet werden können.
  • Unter Bezug nun auf 8 wird ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Einspritzventilerwärmen gezeigt. Bei Schritt 801 ermittelt die Routine, ob ein Einspritzventilerwärmen befohlen wurde. Der Befehl zum Einspritzventilerwärmen kann von einer externen Routine kommen oder kann sich aus dem Beurteilen des Zustands von Sensoren und Systemen ergeben. In einem Beispiel werden die Zustände von Motortemperatur, Zeit seit letztem Motorstarten, Öltemperatur und Einspritzventilspulentemperatur genutzt, um zu ermitteln, ob Einspritzventilspulenerwärmung erwünscht ist. Weiterhin können Betriebsbedingungen verwendet werden, um die Dauer der Einspritzventilerwärmung zu ermitteln. In einem Beispiel kann die Einspritzventilerwärmung durch Abrufen von empirisch ermittelten Erwärmungszeiten aus dem Speicher ermittelt werden. Spezielle Speicherstellen können durch Indizierungsanordnungen abgefragt werden, die zum Beispiel nach Motorkühlmitteltemperatur und Motoröltemperatur organisiert sind.
  • In einem Beispiel wird mit dem Einspritzventilerwärmen begonnen, wenn ein Motor für das Starten vorbereitet wird. Die Startvorbereitung kann durch einen Fahrerbefehl oder durch einen Befehl von einem externen System, beispielsweise einem Hybridfahrzeugsteuergerät, ausgelöst werden. Das Einspritzventilerwärmen kann auch mit Hilfe eines Spannungs- oder Strompegels erreicht werden, der höher oder niedriger als der während Kraftstoffeinspritzereignissen verwendete ist. Durch Verändern des Spannungs- und/oder Strompegels können durch die Einspritzventilspule sich ändernde Wärmebeträge erzeugt werden. Wenn Erwärmung gefordert wird, rückt die Routine zu Schritt 803 vor. Wenn nicht, rückt die Routine zum Ende vor, und die Einspritzventile können betrieben werden, um den gewünschten Kraftstoff zuzuführen.
  • Bei Schritt 803 wird das Einspritzventilerwärmungsverfahren gewählt. D.h. die Routine wählt, das Einspritzventil durch Wirbelstrom-Erwärmen, Widerstandserwärmen zu erwärmen oder beschließt, das Einspritzventil nicht zu erwärmen. Das Erwärmungsverfahren kann für alle Bedingungen gleichmäßig programmiert werden (z.B. kann ständig Wirbelstromerwärmung verwendet werden), oder es können verschiedene Erwärmungsverfahren als Reaktion auf verschiedene Betriebsbedingungen verwendet werden. Wenn zum Beispiel die Öltemperatur niedrig ist, können Wirbelstromerwärmung und dessen zugeordnete I2R-Widerstandserwärmung genutzt werden, um die Einspritzventiltemperatur anzuheben. Bei wärmeren Temperaturen dagegen kann es wünschenswert sein, das Einspritzventil vorrangig mit Widerstandserwärmung zu erwärmen. Desweiteren kann das Einspritzventilerwärmungsverfahren als Reaktion auf Betriebsbedingungen gewählt werden, beispielsweise den Ladezustand einer Batterie oder die Leistungsabgabe eines Drehstromgenerators oder einer Lichtmaschine. In einer Ausführung ist Widerstandserwärmung eines Einspritzventils zulässig, wenn der Batterieladezustand über einem Sollwert liegt, und Widerstanderwärmung eines Einspritzventils ist unzulässig, wenn der Batterieladezustand unter dem Sollwert liegt. Alternativ kann eine Wirbelstromerwärmung des Einspritzventils in gleicher Weise verwirklicht werden. In einer anderen Ausführung ist Wirbelstromerwärmung bei einem Zustand des Fahrzeugladesystems zulässig und Widerstandserwärmung ist bei einem anderen Zustand des Fahrzeugladesystems zulässig. Zu beachten ist, dass es auch möglich ist, das Erwärmungsprofil des Einspritzventils durch Anpassen des in die Spule fließenden mittleren elektrischen Stroms sowie durch Ändern der Frequenz und Amplitude des in die Spule fließenden elektrischen Stroms zu ändern.
  • In einer Ausführung kann die Frequenz eines zu einem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventil gelieferten und/oder dorthin angeordneten elektrischen Stroms bei einer Frequenz liegen, die größer als die Eigenfrequenz des mechanischen Ventilteils des elektrisch betriebenen mechanischen Ventils ist. Weiterhin kann die Leistungsdichte des dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventil gelieferten elektrischen Stroms auf einen Wert gesteuert werden, der die Temperatur eines Teils oder Bereichs des elektrisch betriebenen mechanischen Ventils wesentlich anhebt.
  • In einer Ausführung kann die Eigenfrequenz eines mechanischen Ventils als System zweiter Ordnung beschrieben werden, das ausgedrückt wird als: Mẍ + Bẋ + Kx = F(i)
  • Dabei ist M die Ventilmasse, B ist der Dämpfungskoeffizient, K ist eine Federkonstante und F ist die an dem System als Funktion von elektrischem Strom angelegte Kraft. Die Eigenfrequenz Wn dieses Systems kann beschrieben werden als:
    Figure 00250001
  • Wenn das elektrisch betriebene mechanische Ventil ein System erster Ordnung ist, kann es dargestellt werden durch: Mẍ + Bẋ = F(i)
  • Bei v = ẋ und Verwenden der Laplace-Transformation ergibt sich:
    Figure 00250002
    mit einer Eigenfrequenz von Wn = B/M. Wenn elektrischer Strom bei einer Frequenz über der Eigenfrequenz des Ventils zugeführt wird, kann die in die Spule gelangende elektrische Energie auf einen Bereich des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils gerichtet werden, der außerhalb der Aktorspule liegt, ohne dass das Ventil oder der Anker bewegt werden müssen.
  • Die Leistungsdichte kann als gemessene Spulenausgangsleistung dividiert durch die Anker- oder Werkstückoberfläche in der Spule beschrieben werden und kann als Watt/Zentimeter zum Quadrat ausgedrückt werden. Und die Leistungsdichte der Spule wird durch den in die Spule fließenden elektrischen Strom ermittelt.
  • Bei Wirbelstrom- und Hysterese-Erwärmung der elektrisch betreibbaren, mechanisch betätigten Ventile wird elektrischer Strom in einer Weise zugeführt, die eine Magnetfeldstärke und Wirbelstrom verstärkt, wenn eine Temperatur niedriger ist, und eine Magnetfeldstärke und Wirbelstrom senkt, wenn eine Temperatur höher ist. Die vorstehend erwähnte Temperatur kann eine Temperatur des elektrisch betriebenen, mechanisch betätigten Ventils oder eines nahen Objekts sein, beispielsweise eine Öl- oder Wassertemperatur des Verbrennungsmotors. Dementsprechend kann eine Temperatur zum Indizieren von Tabellen oder Funktionen verwendet werden, die spezifische Stromfrequenzen und -amplituden festlegen, die den Aktor in erwünschter Weise erwärmen. Nach Wahl des Einspritzventil-Erwärmungsverfahrens rückt die Routine zu Schritt 805 vor.
  • Bei Schritt 805 wird die Betriebsart für die Einspritzventilwärmezufuhr gewählt. Die Erwärmungsbetriebsart beschreibt, wie und wann die Art der bei Schritt 803 gewählten Erwärmung einem oder mehreren Einspritzventilen zugeführt wird. In einer Erwärmungsbetriebsart kann zum Beispiel den Einspritzventilen Wärme nacheinander zugeführt werden, wobei der jedem Einspritzventil zugeführte Wärmebetrag als Reaktion auf Betriebsbedingungen verändert wird.
  • In einer Ausführung kann die Wärmezufuhrbetriebsart in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Nämlich die Zeit vor dem Starten des Motors und die Zeit nach dem Starten des Motors. Den Einspritzventilen kann Wärme vor einem Start in einer Weise zugeführt werden, die anders als die Weise der Zufuhr von Wärme nach einem Start sein kann. Bevor der der Motor zum Beispiel zu drehen beginnt, kann der Erwärmungsablauf auf Zeit beruhen. D.h. elektrischer Strom wird zum Erwärmen eines anderen einzelnen Einspritzventils zum Beispiel alle 200 Millisekunden gesendet. Nach dem Starten des Motors kann die Wärme bei vorbestimmten Kurbelwellenintervallen über eine vorbestimmte Dauer zugeführt werden. In einer Ausführung kann die Erwärmungsdauer basierend auf dem Zustand der Batterie oder des Ladesystems reduziert oder verlängert werden. Wenn im Einzelnen der Batterieladezustand niedrig ist, kann die Erwärmungsdauer während der Phase der Motorstartvorbereitung verkürzt und dann das Einspritzventilerwärmen nach dem Starten des Motors wiederaufgenommen werden, so dass die Einspritzventilleistung verbessert wird.
  • Diese Flexibilität ermöglicht das Zuführen von Wärme zu den Einspritzventilen als Reaktion auf Betriebsbedingungen. Es kann zum Beispiel unter manchen Motorbetriebsbedingungen wünschenswert sein, vor einem Start, aber nicht nach einem Start Wärme zu den Einspritzventilen zuzuführen oder umgekehrt. Weiterhin kann die Einspritzventilerwärmungsdauer, d.h. die Zeit oder der Kurbelwinkel, da einem Einspritzventil Wärme zugeführt wird, mit den Motorbetriebsbedingungen verändert werden. Dies erlaubt ein Zuschneiden der Einspritzventilerwärmung auf die Anforderungen des Systems. Natürlich kann die Einspritzventil-Wärmezufuhrbetriebsart analog als Reaktion auf elektrische und/oder Ladesystem-Bedingungen (z.B. den Ladezustand einer Batterie) verändert werden.
  • Eine Einspritzventilerwärmung kann: den Einspritzventilen gleichzeitig; Gruppen von Einspritzventilen, wobei die Einspritzventile einer Gruppe gleichzeitig erwärmt werden, und wobei die Einspritzventilgruppen zu unterschiedlichen Zeiten erwärmt werden; nacheinander; oder in Kombinationen der vorstehend erwähnten Möglichkeiten zugeführt werden. In einer Ausführung wird zwei oder mehr Einspritzventilen elektrischer Strom gleichzeitig zugeführt. D.h. elektrischer Strom zum Einspritzventilerwärmen der Einspritzventile wird bei im Wesentlichen der gleichen Zeit zugeführt. Alternativ ist es auch möglich, elektrischen Strom zum sequentiellen Erwärmen der Einspritzventile zuzuführen. Elektrischer Strom zum Einspritzventilerwärmen kann zum Beispiel einem ersten Einspritzventil zugeführt, gestoppt, einem zweiten Einspritzventil zugeführt, gestoppt und in gleicher Weise zu den verbleibenden Einspritzventilen weiter geliefert werden. Dieser Ablauf kann weiterhin wiederholt werden, bis Betriebsbedingungen, wie die Zeit seit Schlüssel-Ein, einen vorbestimmten Wert erreicht haben oder bis die Motoröltemperatur zum Beispiel einen Sollwert erreicht. Wie vorstehend erwähnt kann nach Starten des Motors die Einspritzventilerwärmung fortgesetzt oder gestoppt werden. Es können Motorbetriebsbedingungen, Erwärmungsdauer und/oder Erwärmungsenergie genutzt werden, um zu ermitteln, wann die Einspritzventilerwärmung deaktiviert werden soll. Die Erwärmungsbetriebsart und die Zeiten, da den Einspritzventilen Wärme geliefert wird, können ebenfalls verändert werden, wenn sich der Motor zu drehen beginnt.
  • 5 zeigt ein Beispiel einer Einspritzventil-Erwärmungszufuhrbetriebsart, die aus der vorliegenden Beschreibung verfügbar ist. Im Einzelnen wird Einspritzventilerwärmung bei vorbestimmten Kurbelwellenintervallen zugeführt, so dass die Erwärmung nicht den Einspritzventilbetrieb stört. Weiterhin ist es auch möglich, die Erwärmung zu einem Einspritzventil kurz zu deaktivieren, wenn elektrischer Strom zum Betätigen eines anderen Einspritzventils während des gleichen Kurbelwellenintervalls benötigt wird. Wenn zum Beispiel die Einspritzventilerwärmung für das Einspritzventil des Zylinders Nummer Vier zwischen 540 und 0 Kurbelwinkelgrad, was als oberer Totpunkt des Zylinders Eins bezeichnet wird, angesetzt ist und Kraftstoffeinspritzung für Zylinder Nummer Eins während dieses gleichen Intervalls angesetzt ist, dann kann das Erwärmen für das Einspritzventil des Zylinders Vier deaktiviert werden, während dem Einspritzventil des Zylinders Nummer Eins Einspritzbefehle erteilt werden.
  • Weiter mit Schritt 805 kann die Erwärmungsbetriebsart durch Beurteilen von Motorbetriebsbedingungen, Einspritzventilbetriebsbedingungen und/oder Ladesystem-Betriebsbedingungen ermittelt werden. In einer Ausführung können die Betriebsbedingungen genutzt werden, um eine Zustandsmaschine auszuführen, die vor und nach dem Starten verschiedene Wärmezufuhrbetriebsarten aktivieren kann. Die Auswahl dieser Wärmezufuhrbetriebsarten kann zum Beispiel empirisch ermittelt werden. Die 4-6 liefern eine Auswahl der verfügbaren Erwärmungsbetriebsarten, die gewählt werden können. Die Routine rückt zu Schritt 807 vor, nachdem die Wärmezufuhrbetriebsart gewählt wurde.
  • Unter Bezug nun auf Schritt 807 werden die Einspritzventile erwärmt. Wie vorstehend erwähnt können die Einspritzventile durch Widerstand, Wirbelströme und/oder Hysterese-Erwärmung erwärmt werden. In einer Ausführung kann der Erwärmungsprozess durch ein Öffnen einer Fahrzeugtür oder durch ein Türentriegelungssignal ausgelöst werden.
  • Wie vorstehend erwähnt verwendet das Widerstandserwärmungsverfahren den Innenwiderstand der Einspritzventilspule, um die Einspritzventilkomponenten zu erwärmen, die die Spule umgeben. Die Spulenwärme wird durch Leiten auf das umgebende Material übertragen. Der Spulenwiderstand verwandelt die in die Spule gelangende elektrische Energie in Wärmeenergie. Durch Anlegen eines gesteuerten elektrischen Stroms an der Einspritzventilspule kann die Temperatur der Einspritzventilspule so geregelt werden, dass die Spule einen Sollbetrag an Wärmeenergie auf das umgebende Einspritzventil überträgt, während die Temperatur der Spule unter einem vorbestimmten Wert gehalten wird. In einem Beispiel fließt ein Effektivwert-Strom von drei Ampere in die Einspritzventilspule, während das Schieberventil bereits bei oder nahe der Spule positioniert ist, in die der elektrische Strom fließt. Der elektrische Strom hebt die Spulentemperatur an und erzeugt ein Magnetfeld, das auf das Schieberventil wirkt, das das Strömen von Kraftstoff in dem Einspritzventil steuert. Da aber das Schieberventil bereits bei oder nahe der Spule ist, hat das Magnetfeld keine Wirkung auf den Kraftstoff, der in dem Einspritzventil strömt. Somit wird das Einspritzventil ohne Ändern des Kraftstoffstroms des Einspritzventils erwärmt.
  • Das oben erwähnte Wirbelstrom-Erwärmungsverfahren erzeugt dagegen ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld durch Verändern des elektrischen Stroms, der in eine Spule fließt. Der elektrische Strom kann auf verschiedene Weise verändert werden. Zum Beispiel kann der in die Spule fließende elektrische Strom über einem festgelegten Zeitintervall verstärkt oder reduziert werden, oder der elektrische Strom kann bei Drehen des Motors über einen festgelegten Kurbelwellenintervall verstärkt oder reduziert werden (z.B. kann die Erregungsfrequenz alle 3.600 Kurbelwellenwinkelgrad um einen vorbestimmten Betrag angepasst werden. Somit kann die einem Einspritzventil zugeführte Wärmeenergie basierend auf der Anzahl an Motorumdrehungen oder Verbrennungsereignissen verändert werden). Der elektrische Strom kann mit einem Muster verstärkt und/oder reduziert werden, das zum Beispiel einer Rechteckwelle, Sinuswelle oder einer Dreieckswelle folgt. Wenn sich der elektrische Strom ändert, wird ein Magnetfeld erzeugt, das ein Fließen von elektrischem Strom in dem Spulenkern und dem Schieberventil induziert. Diesem elektrischen Strom wirkt der Widerstand des Materials entgegen und er wird dadurch in Wärme umgewandelt, die das Einspritzventil erwärmt.
  • Das Fließen von elektrischem Strom zu der Spule kann durch eine einzelne Vorrichtung gesteuert werden, beispielsweise einen Transistor, oder kann durch mehrere Vorrichtungen, die zum Beispiel eine H-Brücke bilden, die ein bidirektionales Fließen von elektrischem Strom ermöglicht, gesteuert werden. Somit kann der mittlere Wert des in die Spule fließenden elektrischen Stroms positiv, negativ oder null sein, während das Einspritzventil erwärmt wird.
  • Zu beachten ist auch, dass die Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten als Funktion der Zeit, zu der die Einspritzventile erwärmt werden, oder wenn sich der einem Einspritzventil zugeführte Erwärmungsenergiebetrag ändert, angepasst werden können. Bei einer konstanten Motordrehzahl und -last kann zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzpulsbreite reduziert werden, wenn der einem Einspritzventil zugeführte Betrag an Wärmeenergie zunimmt. Dieses Merkmal ermöglicht es einem Motorsteuergerät, die verbesserte Reaktion eines erwärmten Einspritzventils zu kompensieren. Nachdem die Spule sich zu erwärmen beginnt, rückt die Routine zu Schritt 811 vor.
  • Bei Schritt 811 ermittelt die Routine, ob der Motor nach Beginn des Einspritzventilenwärmens startbereit ist oder nicht. Wenn die Einspritzventile eine Solltemperatur oder eine Zeit seit Schlüssel-Ein erreicht haben, kann das Motorsteuergerät 12 in einer Ausführung den Fahrer informieren, dass der Motor startbereit ist oder der Motor bei anderen Bedingungen gestartet werden kann. In anderen Ausführungen kann der Motor nach Zufuhr eines Sollbetrags an Erwärmungsenergie zu einem oder mehreren Einspritzventilen als startbereit betrachtet werden. Zum Beispiel kann der Motor als startbereit betrachtet werden, wenn ein vorbestimmter Joule-Betrag von jedem Einspritzventil dissipiert wurde. Wenn die Routine ermittelt, dass der Motor startbereit ist, rückt die Routine zu Schritt 813 vor. Ansonsten kehrt die Routine zu Schritt 807 zurück.
  • Bei Schritt 813 werden die Einspritzventile so gesteuert, dass die erwünschte Kraftstoffmenge zu den Sollsteuerzeiten zu den Zylindern eingespritzt wird. Die Einspritzventile werden mit anderen Worten in einer Weise betrieben, die ähnlich den Bedingungen ist, bei denen das Einspritzventilerwärmen nicht erwünscht ist. D.h. die Einspritzventile werden so gesteuert, dass sie ein oder mehrere Male während eines Zyklus eines Zylinders Kraftstoff in den Zylinder einspritzen. Während des Teils des Zylinderzyklus, in dem das Einspritzventil arbeitet, bewegt die Öffnungsspule das Schieberventil mindestens einmal durch magnetisches Anziehen des Schieberventils zur Öffnungsspule, wodurch Kraftstoff in einen Zylinder eingespritzt wird. Analog bewegt die Schließspule das Schieberventil von der Öffnungsspule, um das Strömen von Kraftstoff zu dem Zylinder zu stoppen. In einem Beispiel wird der Kraftstoff während des Ansaugtakts oder während des Verdichtungstakts eingespritzt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird aus Fahrerbefehl, Motordrehzahl und Betriebsbedingungen ermittelt. Nachdem die Kraftstoffeinspritzbefehle ermittelt und erteilt wurden, rückt die Routine zu Schritt 815 vor.
  • Bei Schritt 815 ermittelt die Routine, ob ein Einspritzventilerwärmen erwünscht ist, während der Motor läuft. Wenn Ja, rückt die Routine zu Schritt 817 vor. Wenn nicht, rückt die Routine zum Ende vor. Wenn während des Motorbetriebs kein Einspritzventilerwärmen erwünscht ist, werden die Einspritzventile durch die Hauptkraftstoffeinspritzroutine betrieben und Kraftstoff wird als Reaktion auf Motordrehzahl, Fahrerbefehl und Betriebsbedingungen zugeführt.
  • Bei Schritt 817 werden die Einspritzventile durch Anlegen von elektrischem Strom an der Öffnungs- und/oder Schließspule, so dass der normale Betrieb des Einspritzventils unverändert ist, erwärmt. D.h. elektrischer Strom fließt zu einer Öffnungs- und/oder Schließspule, wenn das Schieberventil bereits an oder nahe der Spule positioniert ist, an der elektrischer Strom angelegt wird. Alternativ kann elektrischer Strom sowohl an der Öffnungs- als auch an der Schließspule angelegt werden, so dass das Schieberventil im Wesentlichen ortsfest bleibt. Wenn zum Beispiel das Schieberventil an der Schließspule positioniert ist, kann elektrischer Strom an der Schließspule und dann an der Öffnungsspule angelegt werden, so dass das durch die Schließspule angelegte Magnetfeld genügend Kraft an dem Schieberventil vorsieht, um es an der Schließspule positioniert zu halten.
  • Während der Motor betrieben wird, ist es wünschenswert, die Einspritzventile weiter eine angeordnete Kraftstoffmenge zuzuführen zu lassen. Dies kann durch Erwärmen des Einspritzventils während des Teils eines Zylinderzyklus verwirklicht werden, in dem das Einspritzventilschieberventil nicht zwischen der offenen und geschlossenen Stellung hin und her wechselt. Die Einspritzventile können zum Beispiel während des Arbeits- oder Auspufftakts erwärmt werden. 5 zeigt ein Beispiel für das Erwärmen der Einspritzventile, während der Motor arbeitet. Natürlich kann das Einspritzventilerwärmungsintervall gegenüber dem in 5 gezeigten bei Bedarf verändert werden. Ein praktischer Weg zum Verwirklichen von Erwärmung während Motorbetrieb ist das zeitliche Steuern des Erwärmungszeitraums mit den Motorpositionen. D.h. das Erwärmungsintervall kann zum Beispiel zwischen dem unteren Totpunkt des Auspufftakts und dem oberen Totpunkt des Auspufftakts des Zylinders liegen, der dem erwärmten Einspritzventil zugeordnet ist. Nach Ermitteln und Anordnen der Spulenstromabläufe kehrt die Routine zu Schritt 813 zurück.
  • Es ist auch möglich, Einspritzventile für das Erwärmen nach einem Motorabschalten vorzubereiten. Im Einzelnen kann in einem Beispiel das Einspritzventilschieberventil an einer Schließspule angeordnet werden, so dass Kraftstoffströmen gestoppt wird und so dass elektrischer Strom an der Schließspule des Einspritzventils angelegt werden kann, ohne das Schieberventil von der offenen zur geschlossenen Stellung zu bewegen. Auf diese Weise kann das Schieberventil vorpositioniert werden, bevor ein sich zeitlich verändernder elektrischer Strom oder ein im Wesentlichen konstanter elektrischer Strom an einer Spule für Erwärmungszwecke angelegt wird.
  • Unter Bezug nun auf 9 werden grafische Darstellungen von Einspritzventil-Widerstandserwärmung und Einspritzventil-Wirbelstromerwärmung gezeigt. Diese Darstellung stellt den Temperaturanstieg der Schieberventil- und Ventilkörperfläche eines Einspritzventils dar, wenn elektrischer Strom an einer Öffnungs- oder Schließspule zum Zweck des Erwärmens eines Einspritzventils angelegt wird. Die y-Achse stellt den Temperaturanstieg in der Einheit Grad Celsius dar. Die x-Achse stellt die Zeit seit Anlegen des elektrischen Stroms an der Einspritzventilspule dar. Kurve 901 stellt ein Temperaturprofil für einen festgelegten Gleichstrom dar, der an einer Spule angelegt wird. Das Temperaturanstiegsprofil folgt einer Reaktion erster Ordnung. Die Rate des Temperaturanstiegs kann mit dem Betrag elektrischen Stroms korreliert werden, der in die Spule fließt. Das Fließen elektrischen Stroms zur Spule kann beschränkt werden, so dass eine Spulenverschlechterung reduziert wird. In einem Beispiel kann ein Modell erzeugt werden, das den Temperaturanstieg der Spule basierend auf Spulenimpedanz und dem in die Spule fließenden Betrag elektrischen Stroms schätzt. Wenn die Spulentemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht, kann das Fließen von elektrischem Strom zu der Spule gestoppt werden. Der elektrische Strom kann regelmäßig neu gestartet werden, um die Wärme zu dem Einspritzventil weiter fließen zu lassen.
  • Die Kurve 903 stellt ein Temperaturprofil für ein Einspritzventil dar, wenn ein sich zeitlich verändernder elektrischer Strom an der Einspritzventilspule angelegt wird. Dieses Temperaturprofil folgt ebenfalls einer Reaktion erster Ordnung. Der Temperaturanstieg ist aber auf Wirbelströme zurückzuführen, die zu den Einspritzventilmaterialien induziert werden, sowie auf die Wärme, die von der Spule geleitet wird. Somit ist es möglich, durch Anpassen des mittleren Werts des elektrischen Stroms, der in die Spule fließt, sowie durch die Größenordnung und Frequenz des sich zeitlich verändernden Teils der Spulenerregung unterschiedliche Einspritzventiltemperaturprofile zu erzeugen.
  • Wie für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, können die in 8 beschriebenen Routinen eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene gezeigte Schritte, Betriebe oder Funktionen in der gezeigten Abfolge oder parallel ausgeführt oder in manchen Fällen ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Wenngleich dies nicht eigens gezeigt wird, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass ein oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen abhängig von der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden können.
  • Dies beendet die Beschreibung. Das Lesen durch einen Fachmann würde viele Änderungen und Abwandlungen vergegenwärtigen, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Beschreibung abzuweichen. Zum Beispiel könnten 2-Takt-, 4-Takt-, I3-, I4-, I5-, V6-, V8-, V10- und V12-Motoren, die mit Erdgas, Diesel, Benzin, gasartigen Kraftstoffen oder alternativen Kraftstoffkonfigurationen arbeiten, die vorliegende Beschreibung vorteilhaft nutzen.

Claims (27)

  1. Verfahren zum Verbessern des Betriebs eines elektrisch gesteuerten Aktors, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines elektrischen Stroms an einer Spule eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils, wobei der elektrische Strom bei einer Frequenz angelegt wird, die über der Eigenfrequenz des mechanischen Ventils liegt, und der elektrische Strom bei einem ausreichenden Pegel zum Erzeugen einer Leistungsdichte an der Spule vorliegt, um die Temperatur eines Ankers des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils wesentlich anzuheben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Ankers eine Oberflächentemperatur ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte Wirbelströme erzeugt, die zum Ändern der Viskosität eines Fluids in einer Grenzschicht zwischen dem Anker und einem Ventilkörper ausreichend sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch betreibbare mechanische Ventil ein Kraftstoffeinspritzventil ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker ein Schieberventil ist.
  6. Verfahren zum Verbessern des Betriebs eines elektrisch gesteuerten Aktors, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines elektrischen Stroms an einer Spule eines elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils; wobei der elektrische Strom den Wirbelstrom in dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventil verstärkt, wenn eine Temperatur sinkt; und wobei der elektrische Strom den Wirbelstrom in dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventil senkt, wenn eine Temperatur steigt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur eine Temperatur des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur eine Temperatur eines Verbrennungsmotors ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch betreibbare mechanische Ventil ein Kraftstoffeinspritzventil ist und dass die Spule eine Schließspule des Kraftstoffeinspritzventils ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, welches weiterhin im Wesentlichen das Halten eines Ankers des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils in einer Position umfasst, wenn der elektrische Strom an dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventil angelegt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zeitlich verändernde elektrische Strom einen Mittelwert aufweist, der positiv, negativ oder null ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zeitlich verändernde elektrische Strom der Spule während einer Zeit zugeführt wird, in der ein Motor zum Starten vorbereitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine Öffnungsspule ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, Amplitude oder die Einschaltdauer des sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms mit Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors oder mit Betriebsbedingungen des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils verändert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zeitlich verändernde elektrische Strom bipolar ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zeitlich verändernde elektrische Strom unipolar ist.
  17. System zum Verbessern der Leistung eines elektrisch betätigten Ventils, wobei das Verfahren umfasst: einen elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktor; und ein Steuergerät zum Zuführen eines sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms zu mindestens einer Spule des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktors, wobei das Steuergerät den sich zeitlich verändernden elektrischen Strom anpasst, um Hystereseverluste in dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktor zu verstärken, wenn eine Temperatur sinkt, und das Steuergerät den sich zeitlich verändernde elektrischen Strom anpasst, um Hystereseverluste in dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktor zu senken, wenn eine Temperatur steigt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Frequenz, Amplitude und/oder die Einschaltdauer des sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms mit Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors oder mit dem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils verändert.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, welches weiterhin das Unterbrechen des sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms nach einer vorbestimmten Zeitdauer umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine Öffnungsspule des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktors ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine Schließspule des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 17, welches weiterhin das Betreiben eines Verbrennungsmotors und das Anpassen des sich zeitlich verändernden elektrischen Stroms während des Betriebs des Verbrennungsmotors umfasst, um ein Kraftstoffeinspritzventil zu erwärmen.
  23. Verfahren zum Verbessern der Leistung eines elektrisch betätigten Ventils, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines elektrischen Stroms an einem elektrisch betreibbaren mechanischen Ventilaktor; und wobei der elektrische Strom Merkmale bei einem Wert aufweist, der zum Erzeugen eines sich zeitlich verändernden Magnetfelds mit einer Leistungsdichte ausreicht, die die Temperatur eines Ankers des elektrisch betreibbaren mechanischen Ventils wesentlich anhebt, während er den vor dem Anlegen des elektrischen Stroms eingenommenen Betriebszustand des elektrisch betreibbaren mechanischen Aktors im Wesentlichen hält.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom nach einem Befehl, einen Verbrennungsmotor zu stoppen, zugeführt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom nach einem Befehl, einen Verbrennungsmotor zu starten, zugeführt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch betreibbare mechanische Aktor ein Kraftstoffeinspritzventil ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom an dem Kraftstoffeinspritzventil angelegt wird, während ein Verbrennungsmotor zum Starten vorbereitet wird.
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