DE102010027806B4

DE102010027806B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Größe ermittelt wird

Info

Publication number: DE102010027806B4
Application number: DE102010027806.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Ruben Schlueter; Jens Neuberg; Traugott Degler; Helerson Kemmer; Holger Rapp; Haris Hamedovic; Joerg Koenig; Anh-Tuan Hoang; Bernd Wichert; Achim Hirchenhein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: DE102010027806A1; CN102306531B; CN102306531A

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem eine Größe ermittelt wird, welche das Schaltverhalten eines Magnetventils einer Mehrzahl von gleichartigen Magnetventilen (14a-d) charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeits-Magnetventil (14b) so angesteuert wird, dass es schaltet, in etwa gleichzeitig ein Referenz-Magnetventil (14d) so angesteuert wird, dass es nicht schaltet, und eine Differenz (24) zwischen einem Signal, welches an einer Spule (16b) des Arbeits-Magnetventils (14b) anliegt, und einem Signal, welches an einer Spule (16d) des Referenz-Magnetventils (14d) anliegt, gebildet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem nebengeordneten Patentanspruch.
Vom Markt her sind Messverfahren zur Schaltzeitbestimmung von Magnetventilen bekannt, wobei ein Spannungssignal einer Spule des Magnetventils mit einer zuvor ermittelten Referenzkurve verglichen wird. Diese Referenzkurve wurde zuvor für einen bestimmten Arbeitspunkt des Magnetventils aufgenommen und in einem Speicher einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung abgelegt. Im Betrieb wird die Schaltzeit eines vergleichbaren Magnetventils ermittelt, indem ein aktuelles Spannungssignal an der Spule dieses Magnetventils erfasst wird. Die Erfassung erfolgt in der Regel zeitlich quantisiert. Für jeden zu untersuchenden Schaltzyklus wird nun in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Differenz aus einer aktuellen Spannungskurve des Magnetventils und der Referenzkurve gebildet. Die so erhaltene Differenzspannung wird nach einem Merkmal überprüft, das mit einer Ausschaltzeit korreliert.
Aus der DE 10 2009 044 969 A1 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Spannungsverlauf eines Magnetventils mit einem Referenz-Spannungsverlauf verglichen wird.
Offenbarung der Erfindung:
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass in einer Mehrzahl von gleichartigen Magnetventilen eine Größe, welche ein Schaltverhalten eines Magnetventils charakterisiert, auf einfache Weise ermittelt werden kann, wobei die Ermittelung besonders wenig Rechenleistung erfordert.
Es wird von der Überlegung ausgegangen, dass das Schaltverhalten des Magnetventils besonders genau zu bestimmen ist, wenn ein elektrisches Signal des Magnetventils gegen eine Referenz verglichen wird. Weiterhin wird berücksichtigt, dass in einer Brennkraftmaschine häufig nicht alle Magnetventile (beispielsweise Einspritzventile) in einem selben Zyklus schalten. Erfindungsgemäß wird die Referenz daher gebildet, indem in einem bestimmten Zyklus ein aktives Magnetventil (Arbeits-Magnetventil) gegen ein in diesem Zyklus nicht aktives Magnetventil (Referenz-Magnetventil) verglichen wird. Dazu wird eine Differenz von an den Spulen des Arbeits-Magnetventils und des Referenz-Magnetventils anliegenden Signalen gebildet. Um ein verwertbares Ergebnis zu erhalten, wird dabei das Referenz-Magnetventil ebenfalls elektrisch angesteuert, jedoch nur so kurz, dass gerade noch kein Schalten des Referenz-Magnetventils und damit noch keine Bewegung eines Ankers und, bei einem Einspritzventil, kein Einspritzen von Kraftstoff erfolgt.
Die Erfindung ist besonders sinnvoll anzuwenden, wenn die Magnetventile, wie bereits erwähnt, Magnet-Einspritzventile eines Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine sind. Die präzise Funktion der Einspritzventile ist für den kraftstoffsparenden und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine besonders wichtig. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet wegen seiner Einfachheit und Robustheit zum Einen im Betrieb relativ häufig und auch bei vielen Typen von Brennkraftmaschinen, das aktuelle Schaltverhalten der Einspritzventile zu ermitteln und so die Ansteuersignale anzupassen. Zudem können wegen des vergleichsweise geringen Aufwands Kosten eingespart werden.
Insbesondere berücksichtigt das Verfahren, dass das Signal eine Spannung und/oder ein Strom ist. Spannungen und Ströme können als elektrische Signale auf einfache Weise an dem Magnetventil abgenommen und an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Auswertung weitergeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders aussagekräftig, wenn die zu ermittelnde Größe eine Schaltzeit des Arbeits-Magnetventils ist. Schaltvorgänge des Magnetventils bilden sich häufig auf einem Zeitverlauf einer an der Spule liegenden Spannung oder eines durch die Spule fließenden Stroms deutlich ab und können somit gut erfasst werden.
Insbesondere sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Schaltzeit dann ermittelt wird, wenn eine Ansteuerspannung oder ein Ansteuerstrom der Spule des Arbeits-Magnetventils und/oder des Referenz-Magnetventils ausgeschaltet wird. In diesem Zustand des Magnetventils finden mehrere und vergleichsweise schnelle Vorgänge statt, die zeitlich gut zu erfassen sind. Weil eine das Magnetventil antreibende Spannung bzw. ein antreibender Strom nicht mehr vorliegt, hängt die an der Spule messbare Spannung bzw. ein messbarer Strom nur noch von einer vorhandenen Restenergie sowie von den mittels Induktion sich abbildenden Bewegungen eines Ankers bzw. eines Ventilelements ab. Damit ist diese Phase besonders gut dafür geeignet, eine Schaltzeit und insbesondere eine Ausschaltzeit des Magnetventils zu ermitteln.
Das Verfahren arbeitet besser, wenn die Spule des Arbeits-Magnetventils und/oder die Spule des Referenz-Magnetventils mittels einer Schnelllöschung ausgeschaltet werden. Auf diese Weise wird die in der Spule vorhandene Restenergie besonders rasch abgebaut, so dass sich eine Schließbewegung des Ankers bzw. des Ventilelements relativ stark auf die an der Spule liegenden Signale abbilden kann.
Besonders hilfreich ist es, wenn ein Beginn der Schnelllöschung des Arbeits-Magnetventils und des Referenz-Magnetventils im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt. Damit kann ein einheitlicher Zeitbezug zwischen Schließvorgängen an dem Arbeits-Magnetventil und dem Referenz-Magnetventil hergestellt werden, wodurch sich die Genauigkeit des Verfahrens erhöht.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Differenzspannung und/oder ein Differenzstrom von der Spule des Arbeits-Magnetventils und der Spule des Referenz-Magnetventils ausgewertet werden, indem ein lokales Extremum einer Zeitfunktion der Differenzspannung und/oder des Differenzstroms ausgewertet wird. Damit wird erreicht, dass für eine Auswertung der Ausschaltzeit des Magnetventils bzw. der Schließzeit des Einspritzventils keine weiteren Referenzgrößen bereit gestellt werden müssen.
Alternativ oder ergänzend kann die Zeitfunktion der Differenzspannung einfach untersucht werden, wenn die Differenzspannung und/oder der Differenzstrom von der Spule des Arbeits-Magnetventils und der Spule des Referenz-Magnetventils ausgewertet werden, indem ein Überschreiten oder ein Unterschreiten von Schwellwerten in Bezug auf die Zeitfunktion der Differenzspannung und/oder des Differenzstroms erfasst wird. Mittels der Schwellwerte kann die Zeitfunktion alternativ oder ergänzend gegen feste Bezugsgrößen verglichen werden, so dass auf relativ einfache und damit Ressourcen sparende Weise ein objektiver Maßstab gebildet wird, um die Schaltzeit zu ermitteln.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 ein vereinfachtes Schema einer Brennkraftmaschine mit einem Operationsverstärker zur Bildung einer Differenzspannung zwischen zwei Spulen von Einspritzventilen; und
2 ein Zeitdiagramm von Strömen, Spannungen und einer Differenzspannung zwischen zwei Spulen von Einspritzventilen.

Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt ein stark vereinfachtes Schema einer Brennkraftmaschine 10 zur Ermittlung von Schaltzeiten von Magnetventilen. Vorliegend umfasst die Brennkraftmaschine 10 vier Zylinder 12a bis 12d. Jedem der vier Zylinder 12a bis 12d ist ein Einspritzventil 14a bis 14d zugeordnet. Jedes der Einspritzventile 14a bis 14d weist eine Magnetspule 16a bis 16d einer nicht weiter dargestellten elektromagnetischen Betätigungseinrichtung für ein ebenfalls nicht dargestelltes Ventilelement auf. Die Spulen 16a bis 16d werden von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 angesteuert. Dies ist durch Leitungen 20a bis 20d in der Zeichnung der 1 angedeutet. An die Leitungen 20b und 20d sind Eingänge eines Operationsverstärkers 22 angeschlossen. Ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers 22 wird als eine Differenzspannung 24 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 zugeführt. Ein Computerprogramm 19 ist der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 zugeordnet und dient zur Ausführung des weiter unten in der 2 beschriebenen Verfahrens.
Die Darstellung der 1 zeigt beispielhaft einen Fall, in dem der Zylinder 12b durch das Einspritzventil 14b mit Kraftstoff versorgt wird. Zugleich ist in der 1 angenommen, dass das Einspritzventil 14d aktuell nicht aktiv ist. Daher wird vorliegend das Einspritzventil 14d als ein Referenz-Magnetventil 14d verwendet. Aktuell wird also von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 eine Spannung an die Leitung 20b angelegt, so dass die Spule 16b für eine normale Einspritzung bestromt wird. In dem dargestellten Zyklus wird in etwa zugleich das Einspritzventil 14d mittels der Spule 16d durch einen Spannungsimpuls an der Leitung 20d betätigt, jedoch sehr viel kürzer, als dies bei dem Einspritzventil 14b der Fall ist. Die Zeitdauer der Bestromung des Einspritzventils 14d ist so gewählt, dass gerade noch kein Einspritzen von Kraftstoff über das Einspritzventil 14d erfolgt, der (nicht dargestellte) Anker der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung und das mit ihm gekoppelte Ventilelement sich also gerade noch nicht bewegen. Wie in der 1 dargestellt, erfasst der Operationsverstärker 22 eine Differenz der Potentiale an den Leitungen 20b und 20d.
Es versteht sich, dass die Darstellung der 1 beispielhaft ist und nur eine Ermittlung der Schaltzeit des Magnetventils 14b beschreibt. Nicht dargestellt sind übrige Operationsverstärker 22 zur Ermittlung der Schaltzeiten der übrigen Einspritzventile 14a, 14c und 14d nach einem identischen Verfahren. Darüber hinaus kann es in einer praktischen Anwendung sinnvoll sein, die Verschaltung anders vorzunehmen, als es in der Zeichnung der 1 dargestellt ist. Beispielsweise kann es aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit besser sein, wenn die Potentiale an den Spulen 16b und 16d über je eine geschirmte Leitung abgenommen, gegebenenfalls separat verstärkt und erst anschließend einer Differenzbildung mittels des Operationsverstärkers 22 zugeführt werden.
2 zeigt ein Zeitdiagramm von Spannungen und Strömen der Spulen 16b und 16d. Auf der Abszisse des in der 2 dargestellten Koordinatensystems ist eine Zeit t dargestellt. Auf der in der Zeichnung linken Ordinate des Koordinatensystems ist ein Spannungsbereich der Spulenspannung dargestellt. Auf einer Ordinate rechts in der Zeichnung der 2 ist ein zugehöriger Spulenstrom dargestellt.
Ausgehend von dem willkürlich gewählten Nullpunkt der dargestellten Zeitskala wird zu einem Zeitpunkt t1 die Spule 16b des aktiven Einspritzventils 14b (Arbeits-Magnetventil) an eine Ansteuerspannung 30 mit dem Wert U1 gelegt. Dabei ergibt sich ein Ansteuerstrom 36 in der Spule 16b. Zu einem Zeitpunkt t2 wird die an die Spule 16b des Arbeits-Magnetventils 14b gelegte Ansteuerspannung 30 abgeschaltet. Ein Kurvenabschnitt 32 zeigt einen nachfolgenden Spannungsverlauf.
In etwa zu demselben Zeitpunkt t2 wird die Spule 16d des Einspritzventils 14d (Referenz-Magnetventil) an eine Ansteuerspannung 34 von ebenfalls U1 gelegt. Dabei ergibt sich ein Ansteuerstrom 37 in der Spule 16d. Zu einem Zeitpunkt t3 wird die Ansteuerspannung 34 an der Spule 16d des Referenz-Magnetventils 14d wieder abgeschaltet.
Beginnend ab dem Zeitpunkt t2 wird der Ansteuerstrom 36 stetig auf einen Haltestrom 38 vermindert, der im Zeitpunkt t3 für beide Spulen 16b und 16d in etwa gleich ist, woraus sich ein geeigneter Ausgangszustand für die nachfolgende Auswertung der Spannungen ergibt.
Zu dem Zeitpunkt t3 wird eine Schnelllöschung in etwa gleichzeitig für beide Spulen 16b und 16d durchgeführt. Für einen anschließenden Zeitraum nehmen die Spannungen an den Spulen 16b und 16d vorübergehend in etwa einen Wert von -U2 an. Etwa zu einem Zeitpunkt t4 sind die Ansteuerströme 36 und 37 der Spulen 16b und 16d näherungsweise auf Null abgeklungen, und die Schnelllöschung ist im Wesentlichen beendet.
Von besonderer Bedeutung sind nach dem Zeitpunkt t3 der Verlauf der Spannung 40 an der Spule 16b des Arbeits-Magnetventils 14b und der Verlauf der Spannung 42 an der Spule 16d des Referenz-Magnetventils 14d. Durch eine Subtraktion der Spannung 42 von der Spannung 40 wird die Differenzspannung 24 gebildet, welche in der 2 zur besseren Veranschaulichung mit einem Faktor von in etwa vier bewertet ist.
Man erkennt, dass die Differenzspannung 24 in etwa zu einer Zeit t5 ein lokales Maximum (Pfeil 46) und in etwa zu einer Zeit t6 ein lokales Minimum (Pfeil 48) aufweist. Vorliegend entspricht das lokale Minimum 48 einem Schließzeitpunkt des Arbeits-Magnetventils 14b. Entsprechend kann eine Ausschaltzeit des Arbeits-Magnetventils 14b als Differenz zwischen t6 und t3 angegeben werden.
Ergänzend ist ein Schwellwert 50 von -U3 vorgegeben, mittels dessen die Differenzspannung 24 auf ein Unterschreiten oder Überschreiten beurteilt werden kann, woraus ebenfalls ein Zeitbezug zu dem Schließzeitpunkt des Arbeits-Magnetventils 14b hergestellt werden kann.
Das lokale Minimum der Differenzspannung 24 ist ausgeprägt und daher zur Ermittlung eines Schließzeitpunktes des Einspritzventils 14b gut geeignet. Insbesondere ist die Differenzspannung 24 zu dem Zeitpunkt t6 des lokalen Minimums vergleichsweise groß und somit unempfindlich gegen Störeinflüsse, so dass das Verfahren entsprechend robust ist.
Abhängig von der spezifischen Bauart der Einspritzventile 14a bis 14d können die Spannungen und/oder Ströme einen von der 2 abweichenden Verlauf aufweisen. Jedoch können auch in solchen Fällen systematische Merkmale in der Differenzspannung 24 mittels einer Bewertung durch Schwellen und/oder mittels einer Auswertung lokaler Extrema gefunden werden, die sich ähnlich gut zur Bestimmung einer Schaltzeit und insbesondere einer Ausschaltzeit eignen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem eine Größe ermittelt wird, welche das Schaltverhalten eines Magnetventils einer Mehrzahl von gleichartigen Magnetventilen (14a-d) charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeits-Magnetventil (14b) so angesteuert wird, dass es schaltet, in etwa gleichzeitig ein Referenz-Magnetventil (14d) so angesteuert wird, dass es nicht schaltet, und eine Differenz (24) zwischen einem Signal, welches an einer Spule (16b) des Arbeits-Magnetventils (14b) anliegt, und einem Signal, welches an einer Spule (16d) des Referenz-Magnetventils (14d) anliegt, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetventile (14a-d) Magnet-Einspritzventile eines Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine (10) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal eine Spannung (40, 42) und/oder ein Strom ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu ermittelnde Größe eine Schaltzeit des Arbeits-Magnetventils (14b) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeit dann ermittelt wird, wenn eine Ansteuerspannung (30, 34) oder ein Ansteuerstrom (36, 37) der Spule des Arbeits-Magnetventils (14b) und/oder des Referenz-Magnetventils (14d) ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (16b) des Arbeits-Magnetventils (14b) und/oder die Spule (16d) des Referenz-Magnetventils (14d) mittels einer Schnelllöschung ausgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn der Schnelllöschung des Arbeits-Magnetventils (14b) und des Referenz-Magnetventils (14d) im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzspannung (24) und/oder ein Differenzstrom von der Spule (16b) des Arbeits-Magnetventils (14b) und der Spule (16d) des Referenz-Magnetventils (14d) ausgewertet werden, indem ein lokales Extremum (46; 48) einer Zeitfunktion der Differenzspannung (24) und/oder des Differenzstroms ausgewertet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzspannung (24) und/oder der Differenzstrom von der Spule (16b) des Arbeits-Magnetventils (14b) und der Spule (16d) des Referenz-Magnetventils (14d) ausgewertet werden, indem ein Überschreiten oder ein Unterschreiten von Schwellwerten (50) in Bezug auf die Zeitfunktion der Differenzspannung (24) und/oder des Differenzstroms erfasst wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (18) das Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umsetzt.