DE102010041880A1

DE102010041880A1 - Ermitteln der ballistischen Flugbahn eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines Spulenaktuators

Info

Publication number: DE102010041880A1
Application number: DE102010041880A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rösel Gerd
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-10-02
Also published as: US9448260B2; KR20130115269A; US20130197837A1; CN103119271A; DE102010041880B4; WO2012041936A1; KR101829241B1; CN103119271B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuersignal, welches derart dimensioniert ist, dass der Anker (a1) lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und (a2) nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird, (b) ein Bestimmen des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, (c) ein Bestimmen der Geschwindigkeit, mit welcher der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und (d) ein Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung basierend auf dem erfassten Zeitpunkt und der erfassten Geschwindigkeit. Es wird ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Ermitteln der parabelförmigen (ballistischen) Flugbahn eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators sowie ein Computerprogramm zum Steuern des oben genannten Verfahrens beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von elektromagnetisch angetriebenen Aktuatoren, welche eine mit einem Ansteuersignal beaufschlagbare Spule und einen relativ zur Spule beweglich gelagerten Anker aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines ein Spule aufweisenden Aktuators, wobei der Anker lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Ermitteln der parabelförmigen (ballistischen) Flugbahn eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators sowie ein Computerprogramm zum Steuern des oben genannten Verfahrens.
Elektromagnetisch angetriebene Aktuatoren können mit geringer Toleranz im sog. Vollhub-Betriebsmodus betrieben werden. Dies bedeutet, dass ein Anker des Aktuators zwischen einer Ausgangsposition und einer Endposition hin und her bewegt wird. Ausgangsposition und Endposition sind dabei typischerweise jeweils durch einen mechanischen Anschlag des Ankers an einem Gehäuse des Aktuators definiert. Am Beispiel eines Einspritzventils zur Kraftstoff-Einspritzung bedeutet dieser Betriebsmodus, dass eine Ventilnadel des Einspritzventils jeweils bis zu einer Maximalauslenkung bewegt wird. Eine Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt dann durch eine geeignete Anpassung der Zeitdauer des Einspritzvorgangs.
Um Schadstoffemissionen und/oder den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, ist es bei modernen Einspritzsystemen jedoch erforderlich, den Betrieb von Einspritzventilen auch bei kleinen Einspritzmengen möglichst genau zu beherrschen. Dies bedeutet, dass auch der sog. ballistische Betrieb eines Einspritzventils beherrscht wird. Unter dem ballistischen Betrieb eines Einspritzventils versteht man in diesem Zusammenhang eine Teilauslenkung des Ankers bzw. der Ventilnadel in einer durch elektrische und/oder konstruktive Parameter vorgegebenen nach Beendigung der elektromagnetischen Krafteinleitung auf den Anker freien d. h. parabelförmigen Flugbahn ohne Erreichen des Vollanschlages.
Im Gegensatz zum Vollhub-Betrieb ist der ballistische Betrieb eines Einspritzventils deutlich stärker toleranzbehaftet, da hier sowohl elektrische als auch mechanische Toleranzen den Öffnungsverlauf wesentlich stärker beeinflussen, als dies im Vollhub-Betrieb der Fall ist. Für den ballistischen Betriebsmodus eines Einspritzventils, allgemein eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators, können dabei folgende Toleranzen einzeln oder in Kombination miteinander auftreten:

a) Öffnungstoleranz: Der Zeitpunkt, zu dem sich der Anker nach dem Beaufschlagen der Spule mit einem definierten elektrischen Ansteuerpuls aus seiner Ausgangsposition entfernt, hängt von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand (z. B. Temperatur) ab.
b) Schließtoleranz: Der Zeitpunkt, zu dem der Anker nach einer Teilauslenkung wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt, hängt von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand ab.
c) Hubtoleranz: Bei einer Teilauslenkung des Ankers hängt der erreichte Maximalhub ebenfalls von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand ab. Die Hubtoleranz führt zu einer individuellen Veränderung der parabelförmigen Flugbahn des Ankers mit der Möglichkeit einer Abflachung bzw. Überhöhung der entsprechenden Auslenkungskurve.

Aus der DE 10 2006 035 225 A1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung bekannt, welche eine Spule aufweist. Durch eine Auswertung von induzierten Spannungssignalen, welche durch externe mechanische Einflüsse verursacht werden, kann die tatsächliche Bewegung der Stellvorrichtung analysiert werden.
Aus der DE 198 34 405 A1 ist ein Verfahren zur Schätzung eines Nadelhubs eines Magnetventils bekannt. Bei der Bewegung der Ventilnadel relativ zu einer Spule des Magnetventils werden die in der Spule induzierten Spannungen erfasst und mittels eines Rechenmodells mit dem Hub der Ventilnadel in Beziehung gesetzt. Zur Ermittlung des Kontaktzeitpunktes kann die zeitliche Ableitung dU/dt der Spulenspannung verwendet werden, da dieses Signal im Umkehrpunkt der Nadel- bzw. Ankerbewegung große Sprünge aufweist.
Aus der DE 38 43 138 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans bekannt. Beim Abschalten des Schaltorgans wird ein Magnetfeld in dessen Erregerwicklung induziert, welches durch die Ankerbewegung verändert wird. Die darauf beruhenden zeitlichen Änderungen der an der Erregerwicklung anliegenden Spannung können dazu verwendet werden, um das Ende der Ankerbewegung zu erfassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Verfahren, sowie eine entsprechende Vorrichtung zum genauen Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines im ballistischen Betriebsmodus angetriebenen Ankers eines elektromagnetischen Aktuators 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 Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuersignal, welches derart dimensioniert ist, dass der Anker (a1) lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und (a2) nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird, (b) ein Bestimmen des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, (c) ein Bestimmen der Geschwindigkeit, mit welcher der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und (d) ein Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung basierend auf dem erfassten Zeitpunkt und der erfassten Geschwindigkeit.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine detaillierte Bestimmung der Ankerbewegung unmittelbar vor dem erneuten Erreichen seiner Ausgangsposition die genaue Form der Parabel bestimmt werden kann, welche die Auslenkung, den Hub bzw. die Bewegung des Ankers als Funktion der Zeit beschreibt. Die Information über den genauen Verlauf dieser Parabel kann dann dazu verwendet werden, um für nachfolgende Betätigungen des elektromagnetisch angetriebenen Aktuators die dafür notwendigen Ansteuersignale derart anzupassen, dass ein vorbestimmter Soll-Bewegungsverlauf in der Realität zumindest annähernd erreicht wird.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur exakten Bestimmung des zeitlichen Öffnungsverhaltens von Kraftstoff-Injektoren, die im sogenannten ballistischen Bereich betrieben werden. Dies bedeutet, dass zum Zwecke der Injektion von jeweils lediglich einer besonders kleinen Menge an Kraftstoff für jeden Einspritzvorgang die Spule des Aktuators jeweils nur mit einem sehr kurzen Ansteuerpuls beaufschlagt wird, so dass der Stromfluss durch die Spule bereits beendet ist, wenn der Anker noch einen Großteil seiner Bewegung auszuführen hat.
Das beschriebene Verfahren liefert besonders genaue Informationen über den beschriebenen Bewegungsverlauf des Ankers, wenn der Strom durch die Spule zumindest dann Null ist, wenn sich der Anker auf dem Weg zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition befindet. Dies bedeutet, dass in diesem Bereich der Anker keiner durch einen Stromfluss durch die Spule verursachten Magnetkraft sondern in guter Näherung lediglich der Federkraft einer Feder ausgesetzt ist, welche den Anker in Richtung eines Anschlags eines Gehäuses des Aktuators drückt, wobei dieser Anschlag die Ausgangsposition des Ankers definiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen des Zeitpunkts auf (a) ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung, wobei die induzierte charakteristische Spannung zumindest teilweise durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt wird, (b) ein Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten charakteristischen Spannung, wobei das Auswerten ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung mit einem in einer Steuereinheit hinterlegten charakteristischen Referenzspannungsverlauf umfasst, und (c) ein Ermitteln des Zeitpunktes, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf.
Diese Art der Erfassung des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, beruht darauf, dass ein von der Bewegung des Ankers, welcher ein magnetisierbares und/oder magnetisches Material aufweist, durch Induktion in der Spule verursachtes Spannungssignal dazu verwendet werden kann, den Bewegungsablauf des Ankers zu charakterisieren und daraus den genannten Zeitpunkt zu ermitteln.
Dabei ist typischerweise das von der Bewegung aufgrund des remanenten Magnetfeldes des Ankers durch Induktion verursachte charakteristische Spannungssignal in der Spule dann am größten, wenn sich der Anker unmittelbar vor seinem Anschlag an seiner Ausgangsposition befindet. Dies liegt daran, dass im stromlosen Zustand der Spule unmittelbar vor dem Anschlag des bewegten Ankers die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Anker und der Spule maximal ist.
Dies bedeutet, dass der Spannungsverlauf der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung zumindest teilweise durch die Bewegung des Ankers bestimmt wird. Durch eine geeignete Auswertung des zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten charakteristischen Spannung kann zumindest in guter Näherung derjenige Anteil ermittelt werden, der auf der Relativbewegung zwischen dem Anker und der Spule basiert. Auf diese Weise werden automatisch auch Informationen über den Bewegungsverlauf gewonnen, welche Rückschlüsse über den Zeitpunkt der maximalen Geschwindigkeit und damit auch über den Zeitpunkt der Rückkehr des Ankers in seine Ausgangsposition zulassen.
Durch den beschriebenen Vergleich des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung mit einem charakteristischen Referenzspannungsverlauf können besonders genaue Informationen über die tatsächliche Bewegung des Ankers gewonnen werden.
Der charakteristische Referenzspannungsverlauf kann beispielsweise derart gewählt sein, dass er den Anteil an der induzierten Spannung beschreibt, der durch abklingende Wirbelströme im Magnetkreis verursacht wird. So kann beispielsweise durch eine einfache Differenzbildung zwischen der in der Spule induzierten charakteristischen Spannung und dem charakteristischen Referenzspannungsverlauf die tatsächliche Bewegung des Ankers ermittelt werden.
Falls der beschriebene Aktuator als Einspritzventil verwendet wird, kann die Mengengenauigkeit der Einspritzung durch eine Ausregelung des Anker-Schließzeitpunktes (= Zeitpunkt der Rückkehr des Ankers in seine Ausgangsposition) verbessert werden. Messgröße für diese Regelung kann ein aus dem Spannungsverlauf der Spulenspannung beim Schließen des Ventils abgeleiteter charakteristischer Knick in dem Kurvenverlauf der induzierten Spannung sein, der wesentlich durch Induktion und Induktivitätsänderung hervorgerufen wird. Um das für das Ventil-Schließen wesentliche Charakteristikum aus dem Spannungssignalverlauf berechnen zu können, wird gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Vergleich mit einem charakteristischen Referenzsignal bzw. Referenzspannungsverlauf durchgeführt. Das Nutzsignal zur Bestimmung des tatsächlichen Schließzeitpunkts kann aus der Differenz zwischen dem charakteristischen Referenzspannungsverlauf und dem charakteristischen Verlauf der induzierten Spannung gewonnen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass der charakteristische Referenzspannungsverlauf optional auch an die aktuellen Betriebsbedingungen des Aktuators angepasst werden kann. Dabei können die Betriebsbedingungen grundsätzlich durch alle möglichen physikalischen Größen bestimmt werden, welche einen Einfluss auf die tatsächliche Bewegung des Ankers haben können.
Die Betriebsbedingungen werden beispielsweise durch die Umgebungstemperatur und/oder die Betriebstemperatur des Aktuators bestimmt. Ferner kann auch der aktuelle Zustand des Aktuators, welcher sich beispielsweise durch Alterung verändern kann, einen Einfluss auf die tatsächliche Anker-Bewegung haben. Außerdem kann eine sogenannte Exemplarstreuung dazu führen, dass das Bewegungsverhalten eines bestimmten individuellen Aktuators zumindest etwas von einem Nominalverhalten eines Referenzaktuators abweicht.
Ferner kann beispielsweise durch eine Temperaturschwankung, durch Alterung und/oder durch eine Exemplarstreuung nicht nur das mechanische System des Aktuators beeinflusst werden, auch elektrische Eigenschaften der Spule wie zum Beispiel deren Induktivität und/oder Widerstand können durch diese Betriebsbedingungen beeinflusst werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier genannten physikalischen Größen, welche einen Einfluss auf die Betriebsbedingungen des Ventils haben, lediglich beispielhaft sind und keine abschließende Aufzählung darstellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen der Geschwindigkeit auf ein Erfassen eines Spannungspegels des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung unmittelbar vor dem ermittelten Zeitpunkt, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht.
Die beschriebene Bestimmung der Geschwindigkeit des Ankers unmittelbar vor seiner Rückkehr in seine Ausgangsposition hat den Vorteil, dass sie auf dem gleichen Messkanal beruhen kann wie die oben beschriebene Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht. Dies bedeutet, dass beide Informationen ”Zeitpunkt” und ”Geschwindigkeit” aus dem erfassten und ausgewerteten charakteristischen Spannungssignal gewonnen werden können. Damit kann bei Bedarf auf vorteilhafte Weise beispielsweise auf eine Strommessung verzichtet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf ein Bestimmen einer Änderung der Geschwindigkeit des Ankers unmittelbar bevor der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht. Dabei erfolgt das Bestimmen des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung ferner basierend auf der erfassten Änderung der Geschwindigkeit.
Durch die beschriebene Verwendung einer dritten Information über das Bewegungsverhalten am oder unmittelbar vor dem Zeitpunkt, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, können die Parameter für die Parabel, welche den ballistischen Bewegungsverlauf des Ankers beschreibt, besonders genau bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Bestimmen der Änderung der Geschwindigkeit ein Erfassen einer Änderung des Spannungspegels des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung unmittelbar vor dem ermittelten Zeitpunkt, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht.
Die beschriebene Bestimmung der Geschwindigkeitsänderung bzw. der Beschleunigung (genauer der Abbremsung) des Ankers unmittelbar vor seiner Rückkehr in seine Ausgangsposition hat den Vorteil, dass sie ebenfalls auf dem gleichen Messkanal beruhen kann wie die oben beschriebene Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und/oder der Geschwindigkeit unmittelbar vor dem Erreichen der Ausgangsposition. Dies bedeutet, dass die Informationen ”Geschwindigkeitsänderung” sowie ”Zeitpunkt” und/oder ”Geschwindigkeit” aus dem erfassten und ausgewerteten charakteristischen Spannungssignal gewonnen werden können. Auch in diesem Fall kann bei Bedarf auf vorteilhafte Weise beispielsweise auf eine Strommessung verzichtet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Aktuator ein Einspritzventil insbesondere für eine Brennkraftmaschine.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für die exakte Bestimmung von kleinsten Einspritzmengen für einen die Umwelt schonenden und Kraftstoff einsparenden Betrieb einer Brennkraftmaschine. Dabei können Toleranzen des Einspritzventils, welche insbesondere durch eine Exemplarstreuung verursacht werden, zuverlässig erfasst werden.
Die genannten Toleranzen können beispielsweise mechanische Toleranzen sein, die beispielsweise auf Unterschiede in der Reibung zwischen Anker bzw. Ventilnadel und Ventilgehäuse oder auf Unterschiede in der Federstärke der Rückstellfeder für den Anker beruhen. Die genannten Toleranzen können ferner elektrische Toleranzen sein, die beispielsweise auf Unterschiede in der Induktivität und/oder dem Widerstand der Spule beruhen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum geregelten Betreiben eines Aktuators beschrieben, welcher eine Spule und einen relativ zur Spule verschiebbar gelagerten elektromagnetisch antreibbaren Anker aufweist. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Ermitteln des Bewegungsverlaufs des elektromagnetisch angetriebenen Ankers mittels eines Verfahrens des oben beschriebenen Typs zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen. Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators, (b) ein Beaufschlagen der Spule mit einem weiteren Ansteuersignal, wobei das weitere Ansteuersignal derart von dem ermittelten zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers als Antwort auf das Ansteuersignal abhängig ist, dass ein weiterer Bewegungsablauf infolge des weiteren Ansteuersignals zumindest annähernd einem vorgegebenen Soll-Bewegungsverlauf entspricht.
Das beschriebene Regelungsverfahren für einen Aktuator, welcher im ballistischen Bereich betrieben wird, beruht auf der Erkenntnis, dass das oben beschriebene Verfahren zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des elektromagnetisch angetriebenen Ankers auf vorteilhafte Weise dazu verwendet werden kann, den Aktuator so zu betreiben, dass der Anker möglichst genau einen vorgegebenen Bewegungsverlauf durchführt.
Im Falle eines Einspritzventils kann somit eine genaue Regelung für Kleinsteinspritzmengen von Kraftstoff auf einfache und effiziente Weise realisiert werden, so dass für moderne eine Brennkraftmaschine aufweisende Kraftfahrzeuge wichtige Anforderungen bezüglich eines sparsamen Verbrauchs von Kraftstoff und/oder einer geringen Umweltbelastung erfüllt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines ein Spule aufweisenden Aktuators beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Ansteuereinheit zum Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuersignal, welches derart dimensioniert ist, dass der Anker (a1) lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und (a2) nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird, (b) eine Einheit (b1) zum Bestimmen des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und (b2) zum Bestimmender Geschwindigkeit, mit welcher der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und (c) eine Auswerteeinheit zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung basierend auf dem erfassten Zeitpunkt und der erfassten Geschwindigkeit.
Auch der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine detaillierte Bestimmung der Ankerbewegung unmittelbar vor dem erneuten Erreichen seiner Ausgangsposition die genaue Form der Parabel bestimmt werden kann, welche die Auslenkung, den Hub bzw. die Bewegung des Ankers als Funktion der Zeit beschreibt. Die Information über den genauen Verlauf dieser Parabel kann dann dazu verwendet werden, um für nachfolgende Betätigungen des elektromagnetisch angetriebenen Aktuators die dafür notwendigen Ansteuersignale derart anzupassen, dass ein vorbestimmter Soll-Bewegungsverlauf in der Realität zumindest annähernd erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines ein Spule aufweisenden Aktuators, insbesondere eines Direkteinspritzventils für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Das Computerprogramm ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms 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, Blue-ray 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 einer bevorzugten Ausführungsform.
1 zeigt für verschiedene Kraftstoffdrücke die Amplitude der an der Spule eines Einspritzventils zum Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils gemessenen charakteristischen Spannung als Funktion der Einspritzmenge.
2 zeigt für ein Einspritzventil einen beispielhaften Ansteuer-Strompuls, welcher nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung eine ballistische, parabelförmige Teilauslenkung der Ventilnadel des Einspritzventils veranlasst.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
1 zeigt für vier verschiedene Kraftstoffdrücke 60 bar, 110 bar, 160 bar und 210 bar jeweils ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Einspritzmenge pro Einspritzpuls und auf der Ordinate der Maximalwert der im Verlauf eines gesamten Einspritzzyklus auftretenden charakteristischen Spannung aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie zeigt jeweils die gemessenen Maximalspannungen, die gestrichelt dargestellten Linien zeigen jeweils eine obere bzw. untere Fehlerschranke für die gemessenen Maximalspannungen.
Der ballistische Betriebsbereich des verwendeten Einspritzventils, welcher durch eine lediglich teilweise Auslenkung der Ventilnadel charakterisiert ist, erstreckt sich bei p = 60 bar von 0 mg bis ca. 4 mg, bei p = 110 bar von 0 mg bis ca. 5 mg, bei p = 160 bar von 0 mg bis ca. 5,5 mg und bei p = 210 bar von 0 mg bis ca. 8 mg. Aus den gezeigten Kurven ist deutlich ersichtlich, dass im ballistischen Betrieb eines Einspritzventils die maximale Amplitude der charakteristischen Spannung auch von der jeweiligen Einspritzmenge abhängig ist, welche wiederum von dem Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs abhängt. Dies verdeutlicht, dass die maximale Amplitude des Verlaufs der charakteristischen Spannung, welche aufgrund der maximalen Ankergeschwindigkeit zum oder unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt maximal ist, proportional zur Anker-Geschwindigkeit zum Schließzeitpunkt ist. Diese Abhängigkeit bleibt bis zum Erreichen des Vollanschlages (Ende des ballistischen Betriebsbereiches) bestehen.
Kerngedanke des in diesem Dokument beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators ist es, den zeitlichen im ballistischen Betriebsbereich parabelförmigen Bewegungsverlauf basierend auf (a) dem Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils und (b) einer Information über die Geschwindigkeit des Ankers zum Schließzeitpunkt zu ermitteln. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zusätzlich noch die Änderung der Geschwindigkeit des Ankers unmittelbar bevor der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht mit berücksichtigt, um die Parabel bzw. die Parameter der Parabel besonders genau zu bestimmen.
A) Bestimmung des Schließzeitpunktes:
Der Zeitpunkt des Schließens kann beispielsweise durch den Zeitpunkt bestimmt werden, in dem der Wert der charakteristischen Spannung maximal ist.
B) Bestimmung der Schließgeschwindigkeit:
Die Geschwindigkeit des Schließvorganges wird gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel über die Amplitude der charakteristischen Spannung zum Schließzeitpunkt bestimmt. Um Fehler in der Geschwindigkeitsbestimmung zu reduzieren, kann dies in einem differentiellen Verfahren durchgeführt werden, indem die Spannungsänderung bei mindestens zwei unterschiedlichen Raten ausgewertet wird. Dadurch kann die Geschwindigkeitsänderung zum Schließzeitpunkt sehr genau detektiert werden.
C) Bestimmung der Geschwindigkeitsänderung:
Die Geschwindigkeitsänderung unmittelbar vor dem Schließvorgang wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus der zeitlichen Änderung (entspricht der zeitlichen Ableitung) der charakteristischen Spannung unmittelbar vor dem Schließvorgang bestimmt. Die zeitliche Änderung der charakteristischen Spannung ist zumindest in guter Näherung proportional zu der Beschleunigung bzw. der Abbremsung der Ventilnadel unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt.
Wie nachfolgend im Detail beschrieben, bestimmen diese drei Werte A), B) und C) eindeutig und vollständig die Trajektorie der ballistischen Flugbahn des Ankers bzw. der daran befestigten Ventilnadel des Einspritzventils. Aus der genauen Kenntnis der Größe und der Form der Parabel kann dann die genaue Einspritzmenge für einen vorherigen Einspritzpuls berechnet werden. Eine genaue Kenntnis dieser vorherigen Einspritzmenge kann dann dazu verwendet werden, die elektrische Ansteuerung für nachfolgende Einspritzpulse so zu bemessen, dass eine genau definierte Menge an Kraftstoff eingespritzt wird.
Im Folgenden wird anhand von 2 das Prinzip der mathematischen Bestimmung der Parabel bzw. der Parameter der Parabel beschrieben, welche die ballistische Flugbahn des Ankers bzw. der daran befestigen Ventilnadel beschreibt. Die mit Strom I bezeichnete Kurve beschreibt dabei als Funktion der Zeit t einen bei t = 0 beginnenden Strompuls, mit welchem die Spule eines Einspritzventils beaufschlagt wird, so dass ein kurzzeitiges Magnetfeld erzeugt wird, welches den Anker infolge einer magnetischen Wechselwirkung derart anstößt, dass der Anker aus seiner Ausgangslage ausgelenkt wird. Infolge der Induktivität der Spule steigt der Spulenstrom jedoch nicht in Form einer Stufe sondern in Form einer Rampe bis auf einen u. a. durch eine Boostspannung bestimmten Strom I_max an. Dabei wird die Rampe in guter Näherung durch eine Gerade dargestellt, deren Steigung im Wesentlichen von der Induktivität der Spule abhängt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird nach Erreichen von I_max der Strom zunächst bis auf einen Haltestrom I_hold reduziert, bevor er zu einem etwas späteren Zeitpunkt, welcher für die weiteren Betrachtungen nicht mehr relevant ist, vollständig ausgeschalten wird. Die Spule befindet sich ab dann in einem stromlosen Zustand.
Insbesondere infolge der mechanischen Trägheit des Ankers bzw. der daran befestigten Ventilnadel beginnt die Anker-Auslenkung nicht unmittelbar mit dem Strompuls. Der Beginn der Anker-Auslenkung erfolgt vielmehr mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung zu einem Zeitpunkt t1. Da sich die Spule bereits zum Beginn der Anker-Auslenkung im stromlosen Zustand befindet, wird die Auslenkungskurve, welche in 2 mit ”Auslenkung z” gekennzeichnet ist, in sehr guter Näherung durch eine Parabel beschrieben. Der Maximalwert z_max der Parabel wird dabei durch die Stärke des Auslenkungsstoßes sowie durch die Federkonstante einer Feder bestimmt, welche den Anker in seine Ausgangsposition drückt.
Die in 2 dargestellte Parabel wird für den Zeitbereich t1 ≤ t ≤ t1 + 2t0 durch folgende Gleichung beschrieben: z = z_max – z_max( t / t0 – 1 – t1 / t0)2 (1)
Wie aus 2 ersichtlich, ist dabei ts = t1 + 2t0 der Schließzeitpunkt des Einspritzventils.
Die erste Ableitung von Gleichung (1) lautet: dz / dt = – 2z_max / t0( t / t0 – 1 – t1 / t0) (2)
Für den Schließzeitpunkt t = ts = t1 + 2t0 ergibt sich für die Geschwindigkeit der Ankerbewegung: dz / dt = – 2z_max / t0 (3)
Wie bereits vorstehend beschrieben, bestimmt die Geschwindigkeit der Ankerbewegung die charakteristische Spannung U, welche auf einfache Weise gemessen werden kann. Damit gilt: dz / dt ~ U (4)
Die zweite Ableitung von Gleichung (1) lautet:
Ferner gilt:
Da auch die zeitliche Änderung der charakteristischen Spannung U unmittelbar vor dem inzwischen bekannten Schließzeitpunkt ts auf einfache Weise gemessen werden kann, können unter Verwendung der Gleichungen (3), (4) und (6) auf einfache Weise alle drei Parameter z_max, t0 und t1 der Parabel bestimmt werden.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren ermöglicht auf einfache Weise im ballistischen Betriebsbereich eines Einspritzventils die vollständige Bestimmung der Anker-Auslenkungskurve. Dadurch können mittels einer geeigneten Regelung für zukünftige ballistische Auslenkungen die Flugbahnen der Ventilnadel und die damit verbundenen Auslöseverzögerungen und/oder Hubfehler kompensiert werden. Da die für eine entsprechende Regelung erforderlichen Korrekturwerte im ballistischen Betrieb am jeweiligen Betriebspunkt bestimmt werden können, ist zusätzlich zur hohen Genauigkeit dieser Information der Übertragungsfehler von Vollhub auf Teilhub, wie er bei bisherigen Verfahren zu berücksichtigen war, auf den Wert ”Null” reduziert.
Dadurch ergeben sich im Vergleich zu bekannten Regelungsverfahren sowohl Genauigkeitssteigerungen bei der Bestimmung des exakten Hubverlaufes z(t) als auch eine Vereinfachung der Hardware Beschaltung durch Verzicht auf einen zusätzlichen Messkanal für hier abgesehen von der Erfassung der charakteristischen Spannung nicht erforderliche andere Messgrößen.
Es wird darauf hingewiesen, dass das angegebene und hier näher für die Spannungsmessung beschriebene Verfahren sowohl um Strommessung als auch um eine Öffnen- und Schließen-Detektion erweitert werden kann. Ferner ist die Anwendung nicht auf Kraftstoff-Injektoren beschränkt, sondern kann auf alle elektromagnetisch angetriebenen Geräte, die im ballistischen Bereich ausgelenkt werden, angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006035225 A1 [0005]
DE 19834405 A1 [0006]
DE 3843138 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators, das Verfahren aufweisend Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuersignal, welches derart dimensioniert ist, dass der Anker – lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und – nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird, Bestimmen des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, Bestimmen der Geschwindigkeit, mit welcher der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung basierend auf dem erfassten Zeitpunkt und der erfassten Geschwindigkeit.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Bestimmen des Zeitpunkts aufweist ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung, wobei die induzierte charakteristische Spannung zumindest teilweise durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt wird, ein Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten charakteristischen Spannung, wobei das Auswerten ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung mit einem in einer Steuereinheit hinterlegten charakteristischen Referenzspannungsverlauf umfasst, und ein Ermitteln des Zeitpunktes, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Bestimmen der Geschwindigkeit aufweist ein Erfassen eines Spannungspegels des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung unmittelbar vor dem ermittelten Zeitpunkt, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend Bestimmen einer Änderung der Geschwindigkeit des Ankers unmittelbar bevor der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei das Bestimmen des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung ferner basierend auf der erfassten Änderung der Geschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Bestimmen der Änderung der Geschwindigkeit aufweist ein Erfassen einer Änderung des Spannungspegels des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten charakteristischen Spannung unmittelbar vor dem ermittelten Zeitpunkt, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Aktuator ein Einspritzventil insbesondere für eine Brennkraftmaschine ist.
Verfahren zum geregelten Betreiben eines Aktuators, welcher eine Spule und einen relativ zur Spule verschiebbar gelagerten elektromagnetisch antreibbaren Anker aufweist, das Verfahren aufweisend Ermitteln des Bewegungsverlaufs des elektromagnetisch angetriebenen Ankers mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, Beaufschlagen der Spule mit einem weiteren Ansteuersignal, wobei das weitere Ansteuersignal derart von dem ermittelten zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers als Antwort auf das Ansteuersignal abhängig ist, dass ein weiterer Bewegungsablauf infolge des weiteren Ansteuersignals zumindest annähernd einem vorgegebenen Soll-Bewegungsverlauf entspricht.
Vorrichtung zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines ein Spule aufweisenden Aktuators, die Vorrichtung aufweisend eine Ansteuereinheit zum Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuersignal, welches derart dimensioniert ist, dass der Anker – lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und – nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird, eine Einheit zum Bestimmen des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und zum Bestimmen der Geschwindigkeit, mit welcher der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und eine Auswerteeinheit zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung basierend auf dem erfassten Zeitpunkt und der erfassten Geschwindigkeit.
Computerprogramm zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines ein Spule aufweisenden Aktuators, insbesondere eines Direkteinspritzventils für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.