DE102009032521A1 - Bestimmung des Schließzeitpunkts eines Kraftstoffeinspritzventils basierend auf einer Auswertung der Ansteuerspannung - Google Patents

Bestimmung des Schließzeitpunkts eines Kraftstoffeinspritzventils basierend auf einer Auswertung der Ansteuerspannung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule (L_inj) des Spulenantriebs, so dass die Spule (L_inj) stromlos ist, (b) ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs (110) einer in der stromlosen Spule (L_inj) induzierten Spannung, wobei die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule (L_inj) erzeugt wird, (c) ein Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs (110) der in der Spule (L_inj) induzierten Spannung, und (d) ein Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf (110). Es wird ferner eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zum Bestimmen des Schließzeitpunkts eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Spulenantrieben für ein Ventil, insbesondere für ein Direkteinspritzventil für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen des Schließzeitpunkts eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zum Bestimmen des Schließzeitpunkts eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils.
  • Für den Betrieb moderner Verbrennungsmotoren und die Einhaltung strenger Emissionsgrenzwerte bestimmt eine Motorsteuerung über das sog. Zylinderfüllungsmodell die in einem Zylinder pro Arbeitsspiel eingeschlossene Luftmasse. Entsprechend der modellierten Luftmasse und dem gewünschten Verhältnis zwischen Luftmenge und Kraftstoffmenge (Lambda) wird der entsprechende Kraftstoffmengensollwert (MFF_SP) über ein Einspritzventil, welches in diesem Dokument auch als Injektor bezeichnet wird, eingespritzt. Damit kann die einzuspritzende Kraftstoffmenge so bemessen werden, dass ein für die Abgasnachbehandlung im Katalysator optimaler Wert für Lambda vorliegt. Für direkteinspritzende Ottomotoren mit innerer Gemischbildung wird der Kraftstoff mit einem Druck im Bereich von 40 bis 200 bar direkt in den Brennraum eingespritzt.
  • Hauptanforderung an das Einspritzventil ist neben Dichtheit gegen einen unkontrollierten Kraftstoffausfluss und der Strahlaufbereitung des einzuspritzenden Kraftstoffs auch eine zeitlich exakte Zumessung der vorgesteuerten Einspritzmenge.
  • Insbesondere bei aufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotoren ist eine sehr hohe Mengenspreizung der geforderten Kraftstoffmenge erforderlich. So muss beispielsweise für den aufgeladenen Betrieb an der motorischen Volllast eine maximale Kraftstoffmenge MFF_max pro Arbeitsspiel zugemessen werden, wohingegen im leerlaufnahen Betrieb eine minimale Kraftstoffmenge MFF_min zugemessen werden muss. Die beiden Kenngrößen MFF_max u. MFF_min definieren dabei die Grenzen des linearen Arbeitsbereichs des Einspritzventils. Dies bedeutet, dass für diese Einspritzmengen ein linearer Zusammenhang zwischen der Einspritzzeit (elektrische Ansteuerdauer (Ti)) und der eingespritzten Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel (MFF) besteht.
  • Für Direkteinspritzventile mit Spulenantrieb beträgt die Mengenspreizung, welche bei konstanten Kraftstoffdruck definiert ist als der Quotient zwischen der maximalen Kraftstoffmenge MFF_max und der minimalen Kraftstoffmenge MFF_min, ungefähr 15. Für zukünftige Motoren mit dem Fokus auf einer CO2-Reduktion wird der Hubraum der Motoren verkleinert und die Nennleistung des Motors über entsprechende Motorauflademechanismen beibehalten oder sogar angehoben. Somit entspricht die Anforderung an die maximale Kraftstoffmenge MFF_max mindestens den Anforderungen eines Saugmotors mit einem größeren Hubraum. Die minimale Kraftstoffmenge MFF_min wird jedoch über den leerlaufnahen Betrieb und der minimalen Luftmasse im Schubbetrieb des im Hubraum verkleinerten Motors bestimmt und somit verringert. Zusätzlich ermöglicht eine Direkteinspritzung eine Verteilung der gesamten Kraftstoffmasse auf mehrere Pulse, was z. B. in einem Katalysatorheizmodus durch eine sog. Gemischschichtung und einem späteren Zündzeitpunkt das Einhalten von verschärften Emissionsgrenzwerten ermöglicht. Für zukünftige Motoren wird sich aus den oben genannten Gründen eine erhöhte Anforderung sowohl an die Mengenspreizung als auch an die minimale Kraftstoffmenge MFF_min ergeben.
  • Bei bekannten Einspritzsystemen kommt es bei Einspritzmengen, die kleiner sind als MFF_min, zu einer signifikanten Abweichung der Einspritzmenge von der nominalen Einspritzmenge. Diese systematisch auftretende Abweichung ist im Wesentlichen auf Fertigungstoleranzen am Injektor, sowie auf Toleranzen der den Injektor ansteuernden Endstufe in der Motorsteuerung und damit auf Abweichungen vom nominalen Ansteuerstromprofil zurückzuführen.
  • Die elektrische Ansteuerung eines Direkteinspritzventils erfolgt typischerweise über eine stromgeregelte Vollbrücken-Endstufe. Unter den Randbedingungen einer Fahrzeuganwendung ist nur eine begrenzte Genauigkeit des Stromprofils, mit dem der Injektor beaufschlagt wird, erreichbar. Die dadurch auftretende Variation des Ansteuerstroms, sowie die Toleranzen am Injektor haben insbesondere im Bereich von MFF_min u. darunter signifikante Auswirkungen auf die erreichbare Genauigkeit der Einspritzmenge.
  • Die Kennlinie eines Einspritzventils definiert den Zusammenhang zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge MFF und der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung (MET = f(Ti)). Die Invertierung dieser Beziehung Ti = g(MFF_SP) wird in der Motorsteuerung genutzt, um die Soll-Kraftstoffmenge (MFF_SP) in die erforderliche Einspritzzeit umzurechnen. Die in diese Berechnung zusätzlichen eingehenden Einflussgrößen wie Kraftstoffdruck, Zylinderinnendruck während des Einspritzvorgangs, sowie mögliche Variationen der Versorgungsspannung werden hier zur Vereinfachung weggelassen.
  • 7a zeigt die Kennlinie eines Direkteinspritzventils. Dabei ist die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF in Abhängigkeit von der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung aufgetragen. Wie aus 7a ersichtlich, gibt es für Zeitdauern Ti größer als Ti_min einen in sehr guter Näherung linearen Arbeitsbereich. Dies bedeutet, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF direkt proportional zu der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung ist. Für Zeitdauern Ti kleiner als Ti_min ergibt sich ein stark nicht lineares Verhalten. In dem dargestellten Beispiel ist Ti_min ungefähr 0,5 ms.
  • Die Steigung der Kennlinie im linearen Arbeitsbereich entspricht dem statischen Durchfluss des Einspritzventils, d. h. der Kraftstoffdurchflussrate, die bei vollständigem Ventilhub dauerhaft erreicht wird. Die Ursache für das nicht lineare Verhalten für Zeitdauern Ti kleiner als ungefähr 0,5 ms bzw. für Kraftstoffmengen MFF < MFF_min liegt insbesondere in der Trägheit eines Injektor-Federmassesystems sowie dem zeitlichen Verhalten beim Auf- u. Abbau des Magnetfeldes durch eine Spule, welches Magnetfeld die Ventilnadel des Einspritzventils betätigt. Durch diese dynamischen Effekte wird in dem sog. ballistischen Bereich der vollständige Ventilhub nicht mehr erreicht. Dies bedeutet, dass das Ventil wieder geschlossen wird, bevor die konstruktiv vorgegebene Endposition, welche den maximalen Ventilhub definiert, erreicht wurde.
  • Um eine definierte und reproduzierbare Einspritzmenge zu gewährleisten, werden Direkteinspritzventile üblicherweise in ihrem linearen Arbeitsbereich betrieben. Derzeit ist ein Betrieb im nicht-linearen Bereich nicht möglich, da es aufgrund der erwähnten Toleranzen im Stromverlauf bzw. im Stromprofil und von mechanischen Toleranzen von Einspritzventilen (z. B. Vorspannkraft der Schließfeder, Hub der Ventilnadel, innere Reibung im Anker/Nadelsystem) zu einem signifikanten systematischen Fehler der Einspritzmenge kommt. Für einen zuverlässigen Betrieb eines Einspritzventils ergibt sich daraus eine minimale Kraftstoffmenge MFF_min pro Einspritzpuls, welche mindestens gegeben sein muss, um die gewünschte Einspritzmenge mengengenau realisieren zu können. In dem In 7a dargestellten Beispiel ist diese minimale Kraftstoffmenge MFF_min etwas kleiner als 5 mg.
  • Die elektrische Ansteuerung eines Direkteinspritzventils erfolgt üblicherweise über stromgeregelte Vollbrücken-Endstufen der Motorsteuerung. Eine Vollbrücken-Endstufe erlaubt es, das Einspritzventil mit einer Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs und alternativ mit einer Verstärkungsspannung zu beaufschlagen. Die Verstärkungsspannung wird häufig auch als Boostspannung (U_boost) bezeichnet und kann beispielsweise ca. 60 V betragen.
  • 7b zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil I (dicke durchgezogene Linie) für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb. 7b zeigt ferner die entsprechende Spannung U (dünne durchgezogene Linie), die an den dem Direkteinspritzventil anliegt. Die Ansteuerung gliedert sich in folgende Phasen:
    • A) Pre-Charge-Phase: Während dieser Phase der Dauer t_pch wird durch die Brückenschaltung der Endstufe die Batteriespannung U_bat, welche der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs entspricht, an den Spulenantrieb des Einspritzventils angelegt. Bei Erreichen eines Stromsollwertes I_pch wird die Batteriespannung U_bat durch einen Zweipunktregler abgeschaltet, nach Unterschreiten einer weiteren Stromschwelle wird U_bat wieder eingeschaltet.
    • B) Boost-Phase: An die Pre-Charge Phase schließt sich die Boost-Phase an. Dazu wird von der Endstufe die Verstärkungsspannung U_boost solange an den Spulenantrieb angelegt, bis ein Maximalstrom I_peak erreicht ist. Durch den schnellen Stromaufbau öffnet das Einspritzventil beschleunigt. Nach Erreichen von I_peak schließt sich bis zum Ablauf von t_1 eine Freilaufphase an, während dieser wiederum die Batteriespannung U_bat an den Spulenantrieb angelegt wird. Die Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung wird ab dem Beginn der Boost-Phase gemessen. Dies bedeutet, dass der Übergang in die Freilaufphase durch das Erreichen des vorgegebenen Maximalstroms I_peak getriggert wird. Die Dauer t_1 der Boost-Phase ist in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks fest vorgegeben.
    • C) Abkommutierungs-Phase: Nach Ablauf von t_1 folgt eine Abkommutierungs-Phase. Durch Abschalten der Spannung entsteht hier eine Selbstinduktionsspannung, welche im Wesentlichen auf die Boostspannung U_boost begrenzt wird. Die Spannungsbegrenzung während der Selbstinduktion setzt sich zusammen aus der Summe von U_boost, sowie den Vorwärtsspannungen einer Rekuperationsdiode und einer sog. Freilaufdiode. Die Summe dieser Spannungen wird im Weiteren als Rekuperationsspannung bezeichnet. Aufgrund einer differentiellen Spannungsmessung, welche der 7b zugrunde liegt, ist die Rekuperationsspannung in der Abkommutierungs-Phase negativ dargestellt. Durch die Rekuperationsspannung entsteht ein Stromfluss durch die Spule, welcher das Magnetfeld vermindert. Die Abkommutierungs-Phase ist zeitgesteuert und hängt von der Batteriespannung U_bat und von der Dauer t_1 der Boost-Phase ab. Die Abkommutierungs-Phase endet nach Ablauf einer weiteren Zeitspanne t_2.
    • D) Halte-Phase: An die Abkommutierungs-Phase schließt sich die sog. Haltephase an. Hier wird wiederum über einen Zweipunktregler der Sollwert für den Haltestromsoll I_hold über die Batteriespannung U_bat eingeregelt.
    • E) Abschalt-Phase: Durch Abschalten der Spannung entsteht eine Selbstinduktionsspannung, welche, wie oben erläutert, auf die Rekuperationsspannung begrenzt wird. Dadurch entsteht ein Stromfluss durch die Spule, welcher nun das Magnetfeld abbaut. Nach Überschreiten der hier negativ dargestellten Rekuperationsspannung fließt kein Strom mehr. Dieser Zustand wird auch als ”open coil” bezeichnet. Aufgrund der ohmschen Widerstände des magnetischen Materials klingen die beim Feldabbau der Spule induzierten Wirbelströme ab. Die Abnahme der Wirbelströme führt wiederum zu einer Feldänderung in der Magnetspule und somit zu einer Spannungsinduktion. Dieser Induktionseffekt führt dazu, dass der Spannungswert am Injektor ausgehend vom Niveau der Rekuperationsspannung nach dem Verlauf einer Exponentialfunktion auf Null ansteigt. Der Injektor schließt nach Abbau der Magnetkraft über die Federkraft und die durch den Kraftstoffdruck verursachte hydraulische Kraft.
  • Die beschrieben Ansteuerung eines Einspritzventils hat den Nachteil, dass der genaue Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils bzw. des Injektor in der ”open coil” Phase nicht bestimmt werden kann. Da eine Variation der Einspritzmenge mit der daraus resultierenden Variation des Schließzeitpunktes korreliert, ergibt sich durch das Fehlen dieser Information insbesondere bei sehr geringen Einspritzmengen, die kleiner als MFF_min sind, eine beträchtliche Unsicherheit bzgl. der tatsächlich in den Brennraum eines Kraftfahrzeugmotors eingebrachten Kraftstoffmenge.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Verfahren, sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Bestimmen des Schließzeitpunkts innerhalb der Abschaltphase eines Einspritzventils anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, (b) ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, wobei die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt wird, (c) ein Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung, und (d) ein Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf.
  • Dem beschriebenen Schließzeitpunkt-Detektionsverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein von der Bewegung des Magnetankers durch Induktion verursachtes Spannungssignal in der Spule dazu verwendet werden kann, um den Bewegungsablauf des Magnetankers zu charakterisieren und daraus den Schließzeitpunkt zu ermitteln. Dabei ist typischerweise das von der Bewegung aufgrund des remanenten Magnetfeldes des Magnetankers durch Induktion verursachte Spannungssignal in der Spule dann am größten, wenn sich der Magnetanker unmittelbar vor seiner Anschlag bzw. vor seiner Schließposition befindet. Dies liegt daran, dass im stromlosen Zustand der Spule unmittelbar vor dem Anschlag des bewegten Magnetankers die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Magnetanker und der Spule maximal ist.
  • Der Spannungsverlauf der in der stromlosen Spule induzierten Spannung wird somit zumindest teilweise durch die Bewegung des Magnetankers bestimmt. Durch eine geeignete Auswertung des zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung kann zumindest in guter Näherung der Anteil ermittelt werden, der auf der Relativbewegung zwischen Magnetanker und Spule basiert. Auf diese Weise werden automatisch auch Informationen über den Bewegungsverlauf gewonnen, welche genaue Rückschlüsse über den Zeitpunkt der maximalen Geschwindigkeit und damit auch über den Zeitpunkt des Schließens des Ventils zulassen.
  • Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass es online in einem Motorsteuergerät durchgeführt werden kann. Sollte sich beispielsweise durch die oben erwähnten Toleranzen des Einspritzventils und der Ansteuerelektronik das Ventilschließverhalten ändern, so wird bei dem beschriebenen Schließzeitpunkt-Detektionsverfahren diese Änderung automatisch erkannt und kann durch eine geänderte Ansteuerung entsprechend kompensiert werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass bei dem Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf auch erkannt werden kann, wenn das Ventil ggf. seine Schließstellung überhaupt nicht erreicht. Daraus kann mit dem beschriebenen Verfahren abgeleitet werden, dass das Bewegungsverhalten des Ventils gestört und insbesondere eingeschränkt ist. Auch eine vollständige ungewollte Klemmung des Ventils kann so zuverlässig erkannt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Auswerten innerhalb eines Zeitintervalls durchgeführt, welches den erwarteten Schließzeitpunkt enthält. Dies hat den Vorteil, dass die Auswertung lediglich innerhalb eines beschränkten Zeitbereichs durchgeführt werden muss, so dass das beschriebene Verfahren auch mit einer relativ kleinen Rechenleistung zuverlässig durchgeführt werden kann. Eine unnötige Auswertung in Zeitbereichen, in denen der Schließzeitpunkt mit hoher Sicherheit nicht liegt, kann damit vermieden werden.
  • Der Beginn des Zeitintervalls kann beispielsweise durch den erwarteten Schließzeitpunkt minus einer vorgegebenen Zeitspanne Δt gegeben sein. Das Ende des Zeitintervalls kann beispielsweise durch den erwarteten Schließzeitpunkt plus einer weiteren vorgegebenen Zeitspanne Δt' gegeben sein. Dabei können die vorgegebenen Zeitspanne Δt und die weitere vorgegebene Zeitspanne Δt gleich sein. Δt und Δt' sollten kleiner sein als die erwartete und experimentell einfach zu bestimmende Zeitdifferenz zwischen dem ersten Schließzeitpunkt und einem zweiten Schließzeitpunkt, der nach dem Prellen des Magnetankers auf den ersten Schließzeitpunkt folgt. Dies bedeutet, dass der zweite Schließzeitpunkt außerhalb des durch Δt und Δt' gegebenen Beobachtungszeitfensters liegt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Auswerten innerhalb eines weiteren Zeitintervalls durchgeführt, welches einen weiteren erwarteten Schließzeitpunkt umfasst, an dem das Ventil nach einem Prellvorgang der Ventilnadel und des damit verbundenen Magnetankers erneut geschlossen wird. Dies hat den Vorteil, dass mit dem beschriebenen Verfahren zusätzlich zu der Bestimmung des erstmaligen Schließzeitpunkts auch noch Informationen über einen ggf. vorhandenen und typischerweise unerwünschten zweiten Schließvorgang aufgrund des sogenannten Prellens erhalten werden können.
  • Der Beginn und das Ende des weiteren Zeitintervalls können in entsprechender Weise durch den erwarteten weiteren Schließzeitpunkt minus einer vorgegebenen weiteren Zeitspanne Δt'' bzw. plus einer vorgegebenen weiteren Zeitspanne Δt''' gegeben sein. Dabei können die vorgegebenen weiteren Zeitspannen Δt'' und/oder Δt''' gleich oder unterschiedlich zueinander und zu den Zeitspannen Δt und Δt' sein, welche zur Festlegung des oben beschriebenen Zeitintervalls verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Auswerten das Berechnen der zeitlichen Ableitung des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung auf. Der Schließzeitpunkt kann dabei durch ein lokales Minimum insbesondere im ersten vordefinierten Zeitintervall in der zeitlichen Ableitung des induzierten Spannungsverlaufs bestimmt sein.
  • In entsprechender Weise kann der oben beschriebene weitere Schließzeitpunkt durch ein weiteres lokales Minimum insbesondere im zweiten vordefinierten Zeitintervall in der zeitlichen Ableitung des induzierten Spannungsverlaufs bestimmt sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Auswerten ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung mit einem Referenzspannungsverlauf. Der Referenzspannungsverlauf kann dabei derart gewählt sein, dass er den Anteil an der induzierten Spannung beschreibt, der durch abklingende Wirbelströme im Magnetkreis verursacht wird. Dadurch können im Rahmen des Auswertens des erfassten Spannungsverlaufs besonders genaue Informationen über die tatsächliche Bewegung des Magnetankers gewonnen werden. Das Vergleichen kann beispielsweise eine einfache Differenzbildung zwischen der in der Spule induzierten Spannung und dem Referenzspannungsverlauf umfassen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Referenzspannungsverlauf ermittelt, indem während einer Fixierung des Magnetankers in der geschlossenen Position des Ventils die in der stromlosen Spule induzierte Spannung erfasst wird, nachdem das Ventil wie im realen Betrieb elektrisch angesteuert wurde.
  • Da eine Bewegung des Magnetankers unterbunden ist charakterisiert der Referenzspannungsverlauf damit ausschließlich die durch abklingende Wirbelströme in dem Magnetanker in der Spule induzierte Spannung. Im realen Betrieb repräsentiert die Differenz zwischen dem zeitlichen Verlauf der in der stromlosen Spule induzierten Spannung und der derart bestimmten Referenzspannung somit in sehr guter Näherung den Bewegungsanteil der induzierten Spannung, der von der Relativbewegung zwischen dem Magnetanker und der Spule verursacht wird. Dadurch kann der Schließzeitpunkt und ggf. der oben beschriebene weitere Schließzeitunkt (nach einem Prellvorgang) mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Referenzspannungsverlauf durch Parameter eines mathematischen Referenzmodells beschrieben.
  • Das beschriebene Verfahren kann somit durch einen in geeigneter Weise programmierten Mikrocontroller durchgeführt werden. Es sind auf vorteilhafte Weise keine oder lediglich sehr geringe Änderungen an einer aus dem Stand der Technik bekannten Hardware für die elektrische Ansteuerung eines Ventils erforderlich.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Auswerten ein Vergleichen einer zeitlichen Ableitung des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung mit einer zeitlichen Ableitung des Referenzspannungsverlaufs. Dabei kann beispielsweise die Differenz zwischen (a) der zeitlichen Ableitung des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung und (b) der zeitlichen Ableitung des Referenzspannungsverlaufs berechnet werden.
  • Der Schließzeitpunkt kann dann durch ein lokales Maximum oder durch ein lokales Minimum (je nach Vorzeichen der Differenzbildung) bestimmt sein. Auch hier kann sich die Auswertung, welche sowohl das Berechnen der beiden zeitlichen Ableitungen als auch die Differenzbildung umfasst, auf ein Zeitintervall beschränken, in dem der erwartete Schließzeitpunkt liegt. Gleiches kann für einen ggf. vorhandenen weiteren Schließzeitpunkt nach einem Prellvorgang gelten.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Referenzspannungsverlauf durch eine elektronische Schaltung nachgebildet. Eine derartige elektronische Schaltung kann verschiedene Komponenten oder Module wie beispielsweise ein Referenzgeneratormodul, eine Subtraktionsmodul und ein Auswertemodul aufweisen.
  • Das Referenzgeneratormodul kann beispielsweise ein Referenzsignal erzeugen, welches die durch die abklingenden Wirbelströme in der stromlosen Spule induzierte und exponentiell abklingende Spulenspannung zeitsynchron zum Stromabschaltvorgang der Spule nachbildet. Das Subtraktionsmodul dient der Differenzbildung von Spulenspannung und Referenzsignal, um den durch die abklingenden Wirbelströme induzierten Spannungsanteil des Spulensignals zu eliminieren. Dadurch verbleibt im Wesentlichen der bewegungsinduzierte Anteil der Spulenspannung. Das Auswertemodul kann das Maximum des bewegungsinduzierten Anteils der Spulenspannung erkennen, welches den, Schließzeitpunkt des Injektors indiziert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Abschalteinheit zum Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, (b) eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, wobei die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt wird, (c) eine Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet zum Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung und zum Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf.
  • Auch der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein von der Bewegung des Magnetankers und dessen remanentem Magnetismus durch Induktion verursachtes Spannungssignal in der Spule dazu verwendet werden kann, um den Bewegungsablauf des Magnetankers zu charakterisieren und daraus den Schließzeitpunkt zu ermitteln. Zumindest in der sog. Abschaltphase eines Einspritzventils ist das der Bewegung des Magnetankers zugeordnete induzierte Spannungssignal typischerweise dann am größten, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Magnetanker und der Spule maximal ist. Dies ist üblicherweise dann der Fall, wenn sich der Magnetanker unmittelbar vor seinem Anschlag bzw. vor seiner Schließposition befindet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, ist zum Steuern des oben beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen des Schließzeitpunkts eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils eingerichtet.
  • Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramm gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
  • Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Bluray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
  • Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
  • 1 zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts basierend auf einer zeitlichen Ableitung des in der Spule induzierten Spannungsverlaufes.
  • 2 zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts unter Verwendung eines Referenzspannungsverlaufs, welches den Induktionseffekt in der Spule aufgrund des Abklingens von Wirbelströmen in dem Magnetanker charakterisiert.
  • 3 zeigt eine zur Ansteuerung eines Ventils vorgesehene Endstufe, welche einen Referenzgenerator zur Erzeugung des Referenzspannungsverlaufs aufweist.
  • 4 zeigt eine Erweiterung für den in 3 dargestellten Referenzgenerator zum Erzeugen von Referenzspannungsverläufen höherer Ordnung.
  • 5 zeigt einen Differenzverstärker zum Bilden der Differenz zwischen einer induzierten Spulenspannung und einem Referenzspannungsverlauf.
  • 6 zeigt die zeitlichen Verläufe einer induzierten Spulenspannung, einer Referenzspannung und der Differenz zwischen der induzierten Spulenspannung und der Referenzspannung.
  • 7a zeigt die Kennlinie eines bekannten Direkteinspritzventils, dargestellt in einem Diagramm, in dem die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF in Abhängigkeit von der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung aufgetragen ist.
  • 7b zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil und den entsprechenden Spannungsverlauf für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
  • Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
  • Das in dieser Anmeldung beschriebene Schließzeitpunkt-Detektionsverfahren beruht auf folgenden physikalischen Effekten, die in der Abschalt-Phase eines Einspritzventils auftreten:
    • 1. Zunächst führt das Abschalten der Spannung an der Spule des Einspritzventils zu einer Selbstinduktionsspannung, welche durch die Rekuperationsspannung begrenzt wird. Die Rekuperationsspannung ist typischerweise dem Betrag nach etwas größer als die Boostspannung. Solange die Selbstinduktionsspannung die Rekuperationsspannung übersteigt, kommt es zu einem Stromfluss in der Spule und das Magnetfeld in der Spule wird abgebaut. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 7b mit ”I” gekennzeichnet.
    • 2. Bereits während des Abklingens des Spulenstromes kommt es zu einer Verminderung der Magnetkraft. Sobald die Federvorspannung und die hydraulische Kraft aufgrund des Druckes des einzuspritzenden Kraftstoffs die abnehmende Magnetkraft übersteigen, ergibt sich eine resultierende Kraft, welche den Magnetanker zusammen mit der Ventilnadel in Richtung des Ventilsitzes beschleunigt.
    • 3. Übersteigt Selbstinduktionsspannung die Rekuperationsspannung nicht mehr, so fließt kein Strom mehr durch die Spule. Die Spule ist elektrisch im sog. ”open coil” Betrieb. Aufgrund der ohmschen Widerstände des magnetischen Materials des Magnetankers klingen die beim Feldabbau der Spule induzierten Wirbelströme exponentiell ab. Die Abnahme der Wirbelströme führt wiederum zu einer Feldänderung in der Spule und somit zu der Induktion einer Spannung. Dieser Induktionseffekt führt dazu, dass der Spannungswert an der Spule ausgehend vom Niveau der Rekuperationsspannung nach dem Verlauf einer Exponentialfunktion bis auf Null Volt ansteigt. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 7b mit ”III” gekennzeichnet.
    • 4. Unmittelbar vor dem Aufschlag der Ventilnadel in den Ventilsitzes erreichen Magnetanker und Ventilnadel ihre maximale Geschwindigkeit. Mit dieser Geschwindigkeit vergrößert sich der Luftspalt zwischen Spulenkern und Magnetanker. Aufgrund der Bewegung des Magnetankers und der damit einhergehenden Luftspalterhöhung, führt der remanente Magnetismus des Magnetankers zu einer Spannungsinduktion in der Spule. Die auftretende maximale Induktionsspannung kennzeichnet die maximale Geschwindigkeit des Magnetankers (und auch der verbundenen Ventilnadel) und damit den Zeitpunkt des mechanischen Schließens der Ventilnadel. Dieser von Magnetanker und der damit verbundenen Ventilnadel-Geschwindigkeit verursachte Induktionseffekt ist dem Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme überlagert. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 7b mit ”IV” gekennzeichnet.
    • 5. Nach dem mechanischen Schließen der Ventilnadel erfolgt typischerweise ein Prellvorgang, bei dem die Ventilnadel noch einmal kurzzeitig aus der Schließposition ausgelenkt wird. Infolge der Federspannung und des anliegenden Kraftstoffdrucks wird die Ventilnadel jedoch wieder in den Ventilsitz gedrückt. Das Schließen des Ventils nach dem Prellvorgang ist in 7b mit ”V” gekennzeichnet.
  • Das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren basiert nun darauf, aus dem induzierten Spannungsverlauf in der Abschalt-Phase den Schließzeitpunkt des Einspritzventils zu detektieren. Wie nachfolgend im Detail erläutert, kann diese Detektion mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt werden.
  • 1 zeigt verschiedene Signalverläufe am Ende der Halte-Phase und in der Abschalt-Phase. Der Übergang zwischen der Halte-Phase und der Abschalt-Phase erfolgt am Abschaltzeitpunkt, der durch eine vertikale gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Strom durch die Spule ist durch die mit dem Bezugszeichen 100 versehene Kurve in der Einheit Ampere dargestellt. In der Abschalt-Phase ergibt sich aus einer Überlagerung des Induktionseffektes aufgrund von Magnetanker- und Ventilnadel-Geschwindigkeit und dem Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme ein induziertes Spannungssignal 110. Das Spannungssignal 110 ist in der Einheit 10 Volt dargestellt. Man sieht am Spannungssignal 110, dass die Geschwindigkeit der Spannungserhöhung im Bereich des Schließzeitpunkts stark abnimmt, bevor die Geschwindigkeit der Spannungserhöhung aufgrund des Rückprellens von Ventilnadel und Magnetanker wieder zunimmt. Die mit dem Bezugszeichen 120 versehene Kurve stellt die zeitliche Ableitung des Spannungssignals 110 dar. In dieser Ableitung 120 ist der Schließzeitpunkt an einem lokalen Minimum 121 erkennbar. Nach dem Rückprellvorgang ist ein weiterer Schließzeitpunkt an einem weiteren Minimum 122 zu erkennen.
  • Auch wenn es zum Verständnis der Erfindung nur vergleichsweise wenig beiträgt, ist in 1 ferner einer Kurve 150 eingezeichnet, welche den Kraftstoffdurchfluss in der Einheit Gramm pro Sekunde dargestellt. Man erkennt, dass der gemessene Kraftstoffdurchfluss durch das Einspritzventil kurz nach dem detektierten Schließzeitpunkt von oben kommend sehr schnell abfällt. Der zeitliche Versatz zwischen – auf Basis der Auswertung der Ansteuerspannung – detektiertem Schließzeitpunkt und dem Zeitpunkt zu dem die gemessene Kraftstoffdurchflussrate das erste Mal den Wert Null erreicht, resultiert aus der begrenzten Messdynamik bei der Bestimmung des Kraftstoffdurchflusses. Ab einer Zeit von ca. 3,1 ms pendelt sich das entsprechende Messsignal 150 auf den Wert Null ein.
  • Um die für die Durchführung des beschriebenen Schließzeitpunkt-Detektionsverfahrens erforderliche Rechenleistung zu reduzieren, kann die Bestimmung der Ableitung 120 auch lediglich innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls durchgeführt werden, welches den erwarteten Schließzeitpunkt enthält.
  • Definiert man beispielsweise ein Zeitintervall I mit der Breite 2Δt um den erwarteten Schließzeitpunkt tClose_Expected, so gilt für den tatsächlichen Schließzeitpunkt tClose: I = [tClose_Expected – Δt, tClose_Expected + Δt] Umin = min{dU(t)/dt|t ∊ I} tclose = {t ∊ I|U(t) = Umin} (1)
  • Wie oben bereits angedeutet kann dieser Ansatz erweitert werden, um das erneute Schließen des Ventils aufgrund einer prellenden Ventilnadel zu einem Zeitpunkt tClose_Bounce zu detektieren. Dazu definiert man ein Zeitintervall mit der Breite 2ΔtBounce um den Zeitpunkt tClose_Bounce_Expected des erwarteten Schließens nach dem ersten Prellvorgang. Der Zeitpunkt tClose_Bounce_Expected wird relativ zum Schließzeitpunkt tclose über tClose_Bounce_Expected festgelegt. IBounce = [tclose + tClose_Bounce_Expected – ΔtBounce, tclose + tClose_Bounce_Expected + ΔtBounce] Umin_Bounce = min{dU(t)/dt|t ∊ IBounce} tclose_Bounce = {t ∊ IBounce|U(t) = Umin_Bounce} (2)
  • 2 zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts unter Verwendung eines Referenzspannungsverlaufs, welches den Induktionseffekt in der Spule aufgrund des Abklingens von Wirbelströmen in dem Magnetanker charakterisiert. In 2 ist ebenso wie in 1 das Ende der Halte-Phase und die Abschalt-Phase dargestellt. Der gemessene Spannungsverlauf 110, welcher sich aus einer Überlagerung des Induktionseffektes aufgrund von Luftspalt- und der identischen Ventilnadel-Geschwindigkeit und dem Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme ergibt, ist derselbe wie in 1. Auch der Spulenstrom 100 ist im Vergleich zu 1 unverändert.
  • Idee ist es nun, den Anteil an dem Spannungssignal 110, welcher ausschließlich durch den Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme verursacht wird, durch ein Referenzmodell zu berechnen. Ein entsprechendes Referenzspannungssignal ist durch die Kurve mit dem Bezugszeichen 215 dargestellt. Durch eine Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen dem gemessenen Spannungsverlauf 110 und dem Referenzspannungssignal 215 kann man den Induktionseffekt aufgrund von abklingenden Wirbelströmen eliminieren. Das Differenzspannungssignal 230 charakterisiert somit den bewegungsbezogenen Induktionseffekt und ist ein direktes Maß für die Geschwindigkeit des Magnetankers und der Ventilnadel. Das Maximum 231 des Differenzspannungssignals 230 charakterisiert die maximale Magnetanker- bzw. Ventilnadel-Geschwindigkeit, welche unmittelbar vor dem Auftreffen der Nadel auf den Ventilsitz erreicht wird. Somit kann das Maximum 231 des Differenzspannungssignals dazu verwendet werden um den tatsächlichen Schließzeitpunkt tclose_ zu bestimmen.
  • Als Beispiel wird im Folgenden ein einfaches phänomenologisches Referenzmodell angeführt. Das Referenzmodell kann online in der elektronischen Motorsteuerung gerechnet werden. Es sind jedoch auch andere physikalische Modellansätze denkbar.
  • Das Referenzmodell wird gestartet (t = 0) sobald oder nachdem die Selbstinduktionsspannung die Rekuperationsspannung nicht mehr übersteigt, jedoch vor Erreichen von tClose_Expected, und somit kein Strom mehr durch die Spule fließt. Die Spule befindet sich dann elektrisch im ”open coil” Betrieb. Der Referenzspannungsverlauf 215 wird für einen Referenzinjektor am Einspritzprüfstand bei einem Kraftstoffdruck, der größer ist als der maximale Öffnungsdruck, vermessen. Der Injektor wird dabei trotz elektrischer Ansteuerung hydraulisch in einer geschlossenen Position geklemmt. Der dabei gemessene Spannungsverlauf (nicht dargestellt, jedoch bis auf Modellungenauigkeiten identisch zu 215) in der Abschaltphase charakterisiert daher ausschließlich den durch exponentiell abklingende Wirbelströme induzierten Spannungsanteil.
  • Der bzw. die Modellparameter des Referenzmodells können anschließend im offline Betrieb so optimiert werden, dass eine möglichst gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Spannungsverlauf 215 erzielt wird. Dies kann in bekannter Weise über die Minimierung eines Gütemaßes durch ein Gradienten-Suchverfahren erreicht werden.
  • Allgemein ergibt sich für die modellierte Referenzspannung UINJ_MDL ein zeitabhängiges Modell mit den Parametern eines gemessenen Spannungsstartwertes UStart aus Abschaltphase, dem elektrischem Widerstand und dem Temperaturverhalten des magnetischen Materials RMAG_Material (ϑ) in dem die Wirbelströme fließen sowie dem Stromwert Ihold in der Haltephase zum Zeitpunkt des Abschaltens. Dieses kann mathematisch durch folgende Gleichung beschrieben werden: UINJ_MDL(t) = f(UStart, RMAG_Material(ϑ), Ihold) (3)
  • Eine einfache Realisierung kann durch folgendes Modell erreicht werden. Die Zeitkonstante mit den Abhängigkeiten Injektortemperatur und Ihold wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Kennfeld abgelegt. UINJ_MDL(t) = UStart·[1 – exp{t/τ(ϑ, Ihold)}] (4)
  • Der Schließzeitpunkt ergibt sich wie oben aus der Bestimmung des lokalen Maximums der Spannungsdifferenz 230 zwischen dem Referenzmodell 215 und der gemessenen Induktionsspannung 110. Diese Auswertung kann wiederum im Zeitintervall I mit der Breite 2ΔtBounce um den erwarteten Schließzeitpunkt tClose_Expected stattfinden. I = [tClose_Expected – Δt, tClose_Expected + Δt] Udiff_max = max{UINJ_MDL(t) – UINJ_MES(t)|t ∊ I} tclose = {t ∊ I|[UINJ_MDL(t) – UINJ_MES(t)] = Udiff_max} (5)
  • Dabei steht UINJ_MES(t) für das gemessene Spannungssignal 110.
  • Wie bereits oben gezeigt, lässt sich der Algorithmus durch Definition eines geeigneten Beobachtungszeitintervalls erweitern, um das erneute Schließen des Injektors zum Zeitpunkt tClose_Bounce aufgrund einer prellenden Injektornadel zu detektieren.
  • Der Verlauf des Referenzspannungssignals 215 lässt sich nicht nur mittels einer geeignet programmierten Recheneinheit berechnen sondern auch mit einer elektronischen Schaltung, d. h. in Hardware, nachbilden. Eine derartige Schaltung zur Detektion des Schließzeitpunktes setzt sich in vorteilhafter Weise aus drei Funktionsgruppen zusammen:
    • a) Eine Generatorschaltung zum Erzeugen des Referenzspannungssignals 215, welches die durch die Wirbelströme induzierte, exponentiell abklingende Spulenspannung zeitsynchron zum Anschaltvorgang nachbildet. Die Generatorschaltung wird nachfolgend auch als Referenzgenerator bezeichnet.
    • b) Eine Subtraktionsschaltung zur Differenzbildung von Spulenspannung 110 und Referenzspannungssignals 215, um den durch die Wirbelströme induzierten Spannungsanteil des Spannungssignals 110 zu eliminieren. Dadurch verbleibt im Wesentlichen der bewegungsinduzierte Anteil der Spulenspannung.
    • c) Eine Auswerteschaltung zum Erkennen des Maximums 231 des bewegungsinduzierten Anteils der Spulenspannung, welches den Schließzeitpunkt des Injektors indiziert.
  • 3 zeigt eine zur Ansteuerung eines Ventils vorgesehene Endstufe, welche einen derartigen Referenzgenerator 360 zur Erzeugung des Referenzspannungsverlaufs aufweist.
  • Während der Ausschaltphase sind die Transistoren T1, T2 und T3 mittels der Ansteuersignale Control1, Control2 und Control3 ausgeschaltet. Die vom magnetischen Fluss in der Injektorspule L_inj erzeugte Spannung bewirkt, dass die Spannung an der Rekuperationsdiode D1 ansteigt, bis die Rekuperationsdiode D1 und eine Freilaufdiode D3 leitend werden und ein Stromfluss zwischen der Boostspannung V_boost und Masse (GND) entsteht.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Spulenspannung in den 1 und 2 als Differenzspannung dargestellt ist. Dementsprechend hat die Ausschaltspannung negative Werte. In der realen Schaltung liegt hier jedoch die linke Seite der Spule L_inj annähernd auf Masse, wohingegen die rechte Seite der Spule L_inj auf einen positiven Spannungswert liegt.
  • In dem Referenzgenerator 360 wird die Spulenspannung V_Spule über eine Diode D12 dem Emitter eines NPN-Transistors T10 zugeleitet. Dessen Basispotential ist mittels eines Spannungsteilers, der die Dioden D10 und D11 sowie den Widerstand R10 aufweise, auf einen Wert von ca. 1,4 V unterhalb der Spannung von V_boost bestimmt. Solange die Spulenspannung V_Spule wesentlich kleiner ist als V_boost, ist T10 wegen der dann in Sperrrichtung betriebenen Diode D12 stromlos, so dass die Spannung am Widerstand R11 0 V beträgt. Während der Abschaltschaltphase steigt die Spulenspannung V_Spule auf V_boost zuzüglich der Fluss-Spannung von der Diode D1 an. Dadurch wird der Transistor T10 leitend geschaltet und lädt einen Kondensator C11 auf, so dass die Spannung V_Referenz schnell auf den Wert von V_boost ansteigt. Der Ladestrom durch den Transistor T10 ist dabei wesentlich größer als der Entladestrom durch den Widerstand R11. Ist die Spule soweit entladen, dass ihre Spannung unter V_boost absinkt, sperrt T10 und der Kondensator C11 wird nun durch den Widerstand R11 entladen. Bei geeigneter Wahl der Bauteilewerte hat die Entladekurve dabei den gewünschten exponentiell abklingenden Verlauf, der zeitlich synchron zum Verlauf der Spulenspannung V_Spule erfolgt.
  • 4 zeigt eine Erweiterung für den in 3 dargestellten Referenzgenerator zum Erzeugen von Referenzspannungsverläufen höherer exponentieller Ordnung. Dabei werden die in 3 dargestellten Bauteile R11 und C11, die beide zwischen V_Referenz und Masse geschaltet sind, durch die in 4 dargestellte Ergänzungsschaltung 470 ersetzt. Die Ergänzungsschaltung 470 weist einen Kondensator C11, zwei dazu in Serie parallel geschaltete Widerstände R11a und R11b sowie eine parallel zu R11b geschalteten Kondensator C12 auf.
  • Die Differenzbildung zwischen dem Spulensignal und dem Referenzsignal kann mit einem als Differenzverstärker 580 beschalteten Operationsverstärker 582 erfolgen. Ein derartiger Differenzverstärker 580 ist in 5 dargestellt. Der Differenzverstärker 580 weist vier Widerstände R20, R21, R22 und R23 auf, die jeweils mit dem positiven oder dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 582 kontaktiert sind. Am Ausgang des Differenzverstärkers ist die bewegungsinduzierte Spulenspannung V_BEMF, die in der 2 mit dem Bezugszeichen 230 gekennzeichnet ist, verfügbar.
  • 6 zeigt die zeitlichen Verläufe der induzierten Spulenspannung 610 (V_Spule), der Referenzspannung 615 (V_Referenz) und der Differenzspannung 630 (V_BEMF) zwischen der induzierten Spulenspannung 610 und der bewegungsinduzierte Referenzspannung 610.
  • Die Differenzspannung 630 (V_BEMF) kann beispielsweise mit einer Schaltung ausgewertet werden, die in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 044 886 A1 (siehe 7 und 8) im Detail erläutert ist. Um die hier generierte Differenzspannung 630 (V_BEMF) auszuwerten, kann diese direkt an die Basis des Transistors T1 der bekannten in den 7 und 8 der DE 10 2005 044 886 A1 beschriebenen elektronischen Auswerteschaltung angelegt werden. In der vorliegenden Applikation entfallen die Widerstände R1–R4, sowie C1 und D3 dieser bekannten Auswerteschaltung. Weitere Änderungen an dieser bekannten Auswerteschaltung sind nicht erforderlich.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die in diesem Dokument beschriebenen Schaltungen nur mögliche Ausführungsbeispiele sind, um die Funktionsweise zu erläutern. Selbstverständlich sind auch andere Schaltungsvarianten denkbar.
  • Das in diesem Dokument beschrieben Verfahren kann auch zur Detektion des Schließens des Steuerventils bei einem Dieseleinspritzventil mit Spulenantrieb verwendet werden. Außerdem kann das beschriebene Verfahren auch für eine Detektion des Schließens der Ventilnadel bei einem direktangetriebenen Dieseleinspritzventil mit Spulenantrieb verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005044886 A1 [0080, 0080]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend • Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule (L_inj) des Spulenantriebs, so dass die Spule (L_inj) stromlos ist, • Erfassen eines zeitlichen Verlaufs (110) einer in der stromlosen Spule (L_inj) induzierten Spannung, wobei die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule (L_inj) erzeugt wird, • Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs (110) der in der Spule (L_inj) induzierten Spannung, und • Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf (110).
  2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Auswerten innerhalb eines Zeitintervalls durchgeführt wird, welches den erwarteten Schließzeitpunkt enthält.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Auswerten innerhalb eines weiteren Zeitintervalls durchgeführt wird, welches einen weiteren erwarteten Schließzeitpunkt umfasst, an dem das Ventil nach einem Prellvorgang der Ventilnadel und des damit verbundenen Magnetankers erneut geschlossen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Auswerten das Berechnen der zeitlichen Ableitung (120) des erfassten zeitlichen Verlaufs (110) der in der Spule (L_inj) induzierten Spannung aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Auswerten ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs (110) der in der Spule (L_inj) induzierten Spannung mit einem Referenzspannungsverlauf (215) umfasst.
  6. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Referenzspannungsverlauf (215) ermittelt wird, indem während einer Fixierung des Magnetankers in der geschlossenen Position des Ventils die in der stromlosen Spule (L_inj) induzierten Spannung erfasst wird, nachdem das Ventil wie im realen Betrieb elektrisch angesteuert wurde.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 6, wobei der Referenzspannungsverlauf (215) durch Parameter eines mathematischen Referenzmodells beschrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 7, wobei das Auswerten ein Vergleichen einer zeitlichen Ableitung (120) des erfassten zeitlichen Verlaufs (110) der in der Spule (L_inj) induzierten Spannung mit einer zeitlichen Ableitung des Referenzspannungsverlaufs (215) umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 8, wobei der Referenzspannungsverlauf (215) durch eine elektronische Schaltung (360) nachgebildet wird.
  10. Vorrichtung zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, die Vorrichtung aufweisend • eine Abschalteinheit zum Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule (L_inj) des Spulenantriebs, so dass die Spule (L_inj) stromlos ist, • eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufs (110) einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, wobei die induzierte Spannung (110) durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule (L_inj) erzeugt wird, • eine Auswerteeinheit, eingerichtet zum Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs (110) der in der Spule (L_inj) induzierten Spannung und zum Bestimmen des Schließzeitpunktes basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf (110).
  11. Computerprogramm zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
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