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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Öffnungsverzugszeit
eines Magnetventils. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Ansteuern
mindestens eines Magnetventils in eine Einspritzanlage in einer
Brennkraftmaschine.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf
einem Steuergerät
zur Ansteuerung eines Magnetventils, ablauffähig ist.
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Magnetventile
sind elektrisch betätigte Schaltventile,
die in vielerlei Bereichen zur Zumessung von Gasen oder Flüssigkeiten
eingesetzt werden. Beispielsweise werden in Brennkraftmaschinen durch
Magnetventile gesteuerte Kraftstoffinjektoren eingesetzt, die die
Zumessung des für
eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine benötigten Kraftstoffs ermöglichen.
Bei der Benzin-Direkteinspritzung und
der Common-Rail-Einspritzung wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum
der Brennkraftmaschine eingespritzt. Für die Verbrennungsqualität und damit
den Verbrauch sowie das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine ist
die zugemessene Kraftstoffmenge von entscheidender Bedeutung. Die
zugemessene Kraftstoffmenge wiederum ist von der Öffnungsdauer
des Magnetventils abhängig.
Die Öffnungsdauer
wird über
die auch als Bestromungsdauer bezeichnete Ansteuerdauer der in dem
Magnetventil vorgesehenen Magnetventilspule eingestellt. Bei Common-Rail-Injektoren
für die
Diesel-Einspritzung ist das Magnetventil als Servo-Ventil ausgeführt und
steuert eine nachgeschaltete Hochdruck-Hydraulik an, welche wiederum
die Öffnungs- und Schließbewegung
der Düsennadel
steuert. Bei der Benzin-Direkteinspritzung wird die Ventilnadel
der Einspritzdüse
direkt durch das Magnetventil angesteuert.
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Die Öffnungsdauer
entspricht der Ansteuerdauer des Magnetventils abzüglich der
sogenannten Abhebeverzögerung
und zuzüglich
der sogenannten Schließdauer.
Die Abhebeverzögerung
beschreibt die Verzugszeit vom Ansteuerbeginn des Magnetventils
bis zum Zeitpunkt des Öffnens;
die Schließdauer
beschreibt die Verzugszeit vom Ansteuerende bis zum Zeitpunkt des
Schließens
des Magnetventils.
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Ist
die Öffnungsdauer
bekannt, so können geeignete
Regelungsverfahren zum Einsatz kommen, um die Ansteuerdauer des
Magnetventils optimal einzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
einer Öffnungsverzugszeit
bzw. einer Abhebeverzögerung
eines Magnetventils zu schaffen, wobei die Öffnungsverzugszeit möglichst
aktuell ist, so dass Exemplarstreuungen einerseits und beispielsweise
Alterungserscheinungen andererseits berücksichtigt werden können und
eine optimierte Kraftstoffzumessung ermöglicht wird.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 10
und 12 gelöst. Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen.
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Erfindungsgemäß wird in
einer Messphase eine Ansteuerung der Magnetspule durchgeführt und es
wird eine Differenz aus dem Beginn der Ansteuerung und aus dem Öffnungszeitpunkt
des Magnetventils ermittelt. Für
die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts
in der Messphase wird eine Ansteuerung des Magnetventils durchgeführt. Während der
Ansteuerung wird der Ansteuerstrom beobachtet. Wird eine Veränderung
in dem Ansteuerstrom erkannt, so wird auf das Erreichen des Öffnungszeitpunktes
geschlossen. Vorzugsweise wird in der Messphase eine zumindest annähernd konstante
Ansteuerspannung an die Magnetspule angelegt. Dadurch ist ein sicheres
Erkennen einer Veränderung
in dem Ansteuerstrom gewährleistet,
da die Veränderung
nicht aus einer geänderten Ansteuerung
resultiert, sondern aus dem Verhalten der Magnetspule selbst. Die
vorgebbare Veränderung
ist insbesondere eine Abflachung des Ansteuerstroms, die vorzugsweise
durch Ermittlung eines Minimums des differenzierten Stromsignals
ermittelt wird.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht in einer weiteren Reduzierung der
Exemplarstreuung der Einspritzmenge, da das erfindungsgemäße Verfahren
individuell für
jedes Magnetventil anwendbar ist. Erreicht wird dies durch Einbeziehen
der toleranzbehafteten Öffnungsverzugszeit
im Regelungsverfahren. Die Mengensteuerung bei der Zumessung der Kraftstoffmenge
erfolgt dann durch Regelung der Öffnungsdauer.
Durch Messung der Öffnungsverzugszeit
in einer separaten Messphase kann die Ansteuerspannung des Magnetventils
frei gewählt
werden und ist nicht den Einschränkungen
während
eines normalen Betriebs der Brennkraftmaschine unterworfen. Die
Messphase kann zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Betriebspunkten
automatisch eingeleitet werden.
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Die Öffnungsverzugszeit
wird aus der Differenz des Öffnungszeitpunkts
des Magnetventils und dem Ansteuerbeginn ermittelt, wobei der Ansteuerbeginn
bekannt ist und die Öffnungsverzugszeit
erfindungsgemäß aus dem
Stromverlauf des Ansteuerstroms des Magnetventils ermittelt wird.
Hierzu wird ab dem Ansteuerbeginn eine weitestgehend konstante Spannung
an die Magnetspule angelegt und der Ansteuerstrom des Magnetventils
wird beispielsweise über
einen sogenannten Mess-Shunt erfasst und beobachtet. Ein Mess-Shunt
ist ein niederohmiger, elektrischer Widerstand, der auch als Nebenschlusswiderstand
bezeichnet wird. Es wurde beobachtet, dass ab dem Zeitpunkt des Öffnens des
Magnetventils der Stromverlauf des Ansteuerstroms abflacht. Diese
Abflachung des Stromsignals wird erfindungsgemäß zum Erkennen des Öffnungszeitpunkts herangezogen.
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Eine
Erkennung der Abflachung des Stromsignals kann beispielsweise durch
Ermittlung des Minimums des differenzierten Stromsignals ermittelt werden.
Die Differenzierung und Ermittlung des Minimums kann dabei entweder
teilweise oder ganz durch analoge Vorverarbeitung oder durch digitale Signalverarbeitung
mittels eines Mikrocontrollers erfolgen.
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Der Öffnungszeitpunkt
des Magnetventils ist abhängig
von der elektrischen Spannung des Ansteuerstroms, mittels dessen
das Magnetventil angesteuert wird. Vorteilhafterweise wird deshalb
der Öffnungszeitpunkt
in einem oder mehreren Arbeitspunkten mit jeweils definierter Ansteuerspannung
bestimmt. Aus jedem so ermittelten Öffnungszeitpunkt kann für weitere
Ansteuerspannungen das Öffnungsverhalten
beziehungsweise der Öffnungszeitpunkt extrapoliert
werden.
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Grundsätzlich kann
die Messphase auch während
einer normalen Ansteuerung des Magnetventils durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise wird hierbei jedoch eine zumindest annähernd konstante Ansteuerspannung
gewählt,
um ein sicheres Erkennen des Öffnungszeitpunktes
zu gewährleisten.
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Von
besonderer Bedeutung ist die Realisierung der Erfindung in Form
eines Computerprogramms, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät zur Steuerung
und/oder Regelung einer Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine,
ablauffähig
ist, wobei das Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
programmiert ist. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf einem
elektronischen oder optischen Speichermedium abgespeichert.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
verschiedene Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
die in der Beschreibung genannten Merkmale einzeln für sich oder
in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es
zeigen:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer
Kraftstoffeinspritzanlage und einer Mehrzahl von Magnetventilen,
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2a eine
schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Magnetventils in einem geschlossenen Betriebszustand,
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2b eine
schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Magnetventils in einem geöffneten
Betriebszustand,
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3 eine
schematisierte Darstellung des Strom-, Spannungs- und Ventilhubverlaufs
eines Magnetventils,
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4 eines
schematische Darstellung eines exemplarischen Stromverlaufs, einer
Ableitung des Stromverlaufs und des Nadelhubs für zwei unterschiedliche elektrische
Spannungen des Ansteuerstromes,
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5 ein
schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die einen Kraftstoffvorratsbehälter 12 umfasst,
aus dem mittels eines Fördersystems 14 Kraftstoff
in eine Kraftstoffhochdruckleitung 16 gefördert wird.
Die Hochdruckleitung 16 ist beispielsweise als Common-Rail
ausgebildet. Die Hochdruckleitung 16 ist mit Magnetventilen 18 verbunden,
die es ermöglichen,
Kraftstoff direkt in den Magnetventilen 18 jeweils zugeordnete
Brennräume 20 einzuspritzen.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und insbesondere
der Kraftstoffeinspritzanlage, die beispielsweise durch das Fördersystem 14,
die Hochdruckleitung 16 und die Magnetventile 18 gebildet
ist, wird von einer Steuer- und
Regeleinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät 22, gesteuert beziehungsweise
geregelt. Das Steuergerät 22 ermöglicht die
Erfassung von Eingabewerten und die Bereitstellung von Ausgabewerten
beziehungsweise die Ansteuerung von Aktoren, insbesondere die Ansteuerung
der Magnetventile 18.
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In 2 ist schematisch ein in 1 gezeigtes
Magnetventil 18 vergrößert dargestellt.
Das Magnetventil 18 weist einen elektromagnetischen Aktor auf,
der eine Magnetspule 26 und einen mit der Magnetspule 26 zusammenwirkenden
Magnetanker 30 besitzt. Der Magnetanker 30 ist
so mit einer Ventilnadel 28 verbunden, dass er bezogen
auf eine in 2 vertikale Bewegungsrichtung
der Ventilnadel 28 bewegbar ist. Eine Ventilfeder 36 übt eine
Federkraft auf die Ventilnadel 28 aus, so dass diese in
einem Ventilsitz 38 gehalten wird.
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Eine
Ansteuerung des Magnetventils 18 durch das Steuergerät 22 bewirkt
eine Bestromung der Magnetspule 26, wodurch sich der Magnetanker 30 nach
oben bewegt, so dass er unter Eingreifen in einen Anschlag die Ventilnadel 28 gegen
die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt. Diese
Situation ist in 2b gezeigt. Dort kann nun Kraftstoff 42 von
dem Magnetventil 18 in den Brennraum 20 eingespritzt
werden.
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In 3 sind
die Verläufe
eines Ansteuerstroms 60, eines Ansteuerstroms 61 und
eines Ventilhubs 62 des Magnetventils 18 dargestellt.
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Die
Ansteuerung des Magnetventils 18 beginnt in einem Zeitpunkt
T0. In einem Zeitpunkt T1 erfolgt das Öffnen des Magnetventils 18.
Die Zeitspanne zwischen T0 und T1 wird als Abhebeverzögerung beziehungsweise Öffnungsverzugszeit
t01 bezeichnet. Zu einem Zeitpunkt T2 ist
das Magnetventil 18 geöffnet.
Die Zeitspanne t12 bezeichnet die Öffnungsdauer
des Magnetventils 18.
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In
einem Zeitpunkt T4 endet die Ansteuerung des Magnetventils 18 und
in einem Zeitpunkt T5 erfolgt der Schließvorgang des Magnetventils 18 mit
einer Zeitverzögerung
t45. Die Zeitverzögerung t45 entspricht
der Differenz aus dem Zeitpunkt T5 und dem Zeitpunkt T4. In einem
Zeitpunkt T6 ist das Magnetventil 18 geschlossen.
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Die
in 3 dargestellte Situation zeigt einen normalen
Betrieb des Magnetventils 18, beispielsweise während des
Betriebs einer Brennkraftmaschine 10, um den bei der Verbrennung
benötigten
Kraftstoff 42 zuzumessen. Hierzu wird an das Magnetventil 18 zunächst in
einer sogenannten Boost-Phase t02 eine besonders
hohe Spannung angelegt, um möglichst
rasch einen Stromanstieg zu erreichen. In der sogenannten Batteriephase
t23 wird die Spannung des Ansteuerstroms
reduziert; damit ist die Stromanstiegsphase beendet. Zwischen den Zeitpunkten
T3 und T4 wird das Magnetventil 18 durch einzelne Spannungsimpulse
angesteuert, die ein Erhalten des Ansteuerstroms bewirken.
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Die
sogenannte Öffnungsdauer
t16 lässt
sich damit folgendermaßen
bestimmen: t16 = t04 – t01 + t46.
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Dies
bedeutet, dass die Öffnungsdauer
t16 sich aus der Ansteuerdauer t04 bestimmen lässt, wobei von der Ansteuerdauer
t04 die Öffnungsverzugszeit
t01 subtrahiert wird und die Schließverzugszeit
t46 addiert wird.
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4 zeigt
exemplarisch zwei Stromverläufe 60a, 60b,
Ableitungen 70a, 70b der Stromverläufe 60a, 60b und
Nadelhubverläufe 80a, 80b während einer
erfindungsgemäßen Messphase.
Bei den Kurven 70a und 70b ist zu erkennen, dass
die jeweils signifikanten lokalen Minima den Zeitpunkten T1a und
T1b entsprechen, an denen eine Öffnung
des Magnetventils 18 erfolgt.
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In
der Messphase ist eine konstante Ansteuerspannung des Ventils gewählt. Dies
muss auch dann sichergestellt sein, wenn die Messphase während des
Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt, da sonst ein sicheres Erkennendes Öffnungszeitpunkts aus
dem Stromverlauf nicht möglich
ist.
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Beim
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ist nicht in allen Betriebsbereichen
sichergestellt, dass während
einer normalen Ansteuerung der Magnetventile 18 beim Ende
der Stromanstiegsphase, also der Boost-Phase t02 der Öffnungszeitpunkt
T1 tatsächlich
erreicht ist. Die Boost-Phase bei normaler Ansteuerung der Magnetventile 18 kann
nicht beliebig verlängert
werden bis der Öffnungszeitpunkt
T1 des Magnetventils 18 sicher erreicht ist, da das Magnetventil 18 durch
die hierfür
notwendige hohe Energieeinkopplung mit zu hoher Geschwindigkeit
an dem oberen Ventilanschlag aufschlagen würde. Vorzugsweise wird deshalb
eine Messung des Öffnungszeitpunkts
T1 nur in ausgewählten
Betriebsbereichen durchgeführt.
Alternativ oder ergänzend
hierzu können
die Messungen in einer separaten Messphase durchgeführt werden.
Während
einer solchen Messphase können
dann geeignete Ansteuerspannungen gewählt werden, die vorteilhafterweise
unter den Ventilansteuerspannungen liegen, die während des normalen Ansteuerns,
also beispielsweise während normaler
Einspritzungen verwendet werden. Durch die geringere Ansteuerspannung
während
der Messphase verlängert
sich die gemessene Öffnungsverzugszeit
t01. Diese wird anschließend deshalb in die bei einer
Betriebsansteuerspannung sich ergebende Öffnungsverzugszeit umgerechnet.
Da die tatsächliche Öffnungsverzugszeit
erheblich kleiner ist als die gemessene Öffnungsverzugszeit, wirken
sich Messungenauigkeiten nur in stark abgeschwächter Form auf die tatsächliche
Ansteuerung aus.
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Vorzugsweise
wird während
der separaten Messphase eine Echtzeitsignalauswertung des Stromverlaufs
durchgeführt.
Sobald der Öffnungszeitpunkt
T1 detektiert wird, wird die Messphase unverzüglich abgebrochen. Dadurch
kann das Einspritzen einer unerwünschten
Kraftstoffmenge vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Wird
eine niedrige Ansteuerspannung gewählt, so wird die Öffnungsgenauigkeit
der Ventilnadel 28 reduziert, wodurch die eventuell ungewollt
eingespritzte Kraftstoffmenge 42 auf ein für die Brennkraftmaschine 10 nicht relevantes
Maß reduziert
wird.
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In 5 ist
ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Das Verfahren beginnt in einem Schritt 100,
in dem die Messphase begonnen wird. Insbesondere erfolgt hier eine
Ansteuerung des Magnetventils 18 mittels des Ansteuerstroms 60.
In einem Schritt 101 wird der Ansteuerstrom 60 erfasst
und beobachtet. In dem Schritt 101 wird beispielsweise
die Ableitung 70a, 70b des erfassten Ansteuerstroms 60 gebildet.
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In
einem Schritt 102 wird geprüft, ob eine Änderung
des Ansteuerstroms 60 vorliegt, die das Erreichen des Öffnungszeitpunkts
T1 anzeigt. Hierzu wird beispielsweise der Verlauf der Ableitung 70a, 70b des
Ansteuerstroms 60 daraufhin untersucht, ob ein lokales
Minima vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so wird in dem Schritt 101 weiter überwacht.
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Wird
jedoch in dem Schritt 102 das Vorliegen des Öffnungszeitpunkts
T1 detektiert, so wird in einem Schritt 103 der ermittelte Öffnungszeitpunkt
in einem geeigneten Kennfeld abgespeichert, gegebenenfalls nach
Kompensation von Effekten, die aus einer gering gewählten Ansteuerspannung
in der Messphase resultieren. In einem Schritt 104 werden
aus den ermittelten Öffnungszeitpunkten
für weitere
Arbeitspunkte Öffnungszeitpunkte
extrapoliert und ebenfalls in das Kennfeld abgespeichert.