-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Schaltzeitpunkts eines Magnetventils und ein entsprechendes Steuergerät.
-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Einspritzventile beschrieben, ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann in allen Systemen Verwendung finden, in denen elektromagnetische Schaltmittel zum Einsatz kommen, deren Schaltzeitpunkte aus Strom- und/oder Spannungsverläufen ableitbar sind.
-
Die vorliegende Erfindung kann mit besonderem Vorteil in Common-Rail-, aber auch in den bekannten Pumpe-Düse- und Pumpe-Leitung-Düse-Injektoren von Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. In diesen Systemen erfolgt das Einspritzen von Kraftstoff (oder einer wässrigen Harnstofflösung zur Abgasbehandlung) durch elektrische Ansteuerung eines Magnetventils, wodurch dieses entweder geöffnet oder geschlossen wird. Hierdurch stellen sich im Injektor Druckbedingungen ein, aufgrund derer eine federrückgestellte Düsennadel angehoben und damit der Einspritzvorgang eingeleitet wird. Der Förderbeginn (engl. Begin of Injection Period, BIP) wird dabei über den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt des Magnetventils festgelegt. Die Kraftstoffzumessung erfolgt zwischen dem Förderbeginn und dem Ansteuerende des Magnetventils während einem als Förderdauer bezeichneten Zeitraum.
-
Aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich der Einspritzmengen bei modernen Motoren ist es erforderlich, die jeweiligen Öffnungs- oder Schließzeitpunkte der Magnetventile möglichst genau einzuhalten, um die Menge des zugeführten Kraftstoffs präzise zu dosieren.
-
Die Schaltzeit (Verzugszeit) eines Magnetventils, also die Zeit zwischen dem Beginn der Ansteuerung und dem Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt, hängt im Wesentlichen von den im Ventil wirkenden Kräften ab. Hierbei wirken u. a. die auf den Ventilanker einwirkende Federkraft, die hydraulische Druckkraft und Reibungskräfte einerseits und die vom Elektromagneten erzeugte Kraft andererseits einander entgegen. Letztere steht mit dem durch die Spule fließenden Strom in Zusammenhang. Der Stromfluss seinerseits ist das Ergebnis der angelegten Spannung und des temperaturabhängigen Widerstands der Spule.
-
Insgesamt beeinflusst daher eine Reihe veränderlicher Größen, nämlich unter anderem Druck, Temperatur, Verschleiß und angelegte Spannung die Schaltzeit des Magnetventils. Ventile im Fahrzeug werden über einen breiten Temperaturbereich betrieben. Die Spannung am Ventil variiert, da eine Reihe unterschiedlicher Verbraucher das gemeinsame Bordnetz auf unterschiedliche Weise belasten. Auch der anliegende Druck ist nicht immer konstant, so dass die Kräfteverhältnisse, auch mit zunehmendem Verschleiß, variieren. Der Förderbeginn kann daher nicht unmittelbar aus dem Wert einer angelegten Spannung oder eines angelegten Stroms abgeleitet werden, sondern ist, idealerweise in jedem Einspritzzyklus neu, in geeigneter Weise zu ermitteln.
-
Bei Magnetventilen können aus dem Verlauf des Spulenstroms bei Ansteuerung mit konstanter Spannung oder aus dem Verlauf der Spulenspannung bei Ansteuerung mit konstantem Strom Rückschlüsse auf den Hubverlauf des Ventilelements gezogen werden. Insbesondere schnelle Geschwindigkeitsänderungen des Ventilankers können hierbei gut detektiert werden. Diese treten bei Erreichen des Hubanschlags für den aktiven Schaltzustand des Ventils und bei Erreichen des Ventilsitzes, üblicherweise beim Übergang in den passiven Schaltzustand, auf.
-
Um zusätzliche Sensorik (z. B. einen Nadelbewegungssensor) zu vermeiden, können daher der Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt des Magnetventils und damit die Schaltzeit durch eine elektronische Auswertung des Magnetventilstroms bestimmt werden. Im Bereich des erwarteten Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkts (dem sogenannten BIP-Fenster) erfolgt dabei eine Ansteuerung des Magnetventils mit konstanter Spannung oder konstantem Strom. Der resultierende Ventilstrom bzw. die resultierende Ventilspannung wird über ein Zeitfenster, innerhalb dessen der Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt erwartet wird, abgetastet, und beispielsweise mittels einer Softwarefunktion in Form eines Suchalgorithmus auf charakteristische Veränderungen hin untersucht.
-
Das wesentliche Bewertungskriterium bei einer Ansteuerung mit konstanter Spannung ist ein charakteristischer Knick im Stromverlauf, der durch eine Änderung des magnetischen Flusses beim Anschlag des Ventilankers hervorgerufen wird. Zur Bewertung dieses Stromknicks wird der Stromverlauf durch das Magnetventil während des Abtastfensters zwischen einem Abtastbeginn und einem Abtastende durch ein Steuergerät abgetastet und in Digitalwerte umgewandelt. Diese werden im Speicher des Steuergeräts abgelegt und bilden die Berechnungsgrundlage für eine sogenannte Qualitätszahl. Der Zeitpunkt, zu dem der Stromknick innerhalb des Abtastfensters erkannt wurde, bildet die Grundlage für die Festlegung des in einem nächsten Abtastzyklus verwendeten Abtastfensters, also in der Regel zur Bestimmung des Abtastbeginns.
-
Treten Spannungsschwankungen im Bordnetz oder Temperaturveränderungen auf, öffnet das Magnetventil jedoch nicht zu dem aus der letzten Einspritzung vorhergesagten Zeitpunkt. So verlagert sich der Stromnick bei steigender Batteriespannung zu einem früheren Zeitpunkt und umgekehrt. Daher wird in dem genannten Abtastfenster aufgrund der Verschiebung gegebenenfalls kein entsprechender Stromnick erkannt.
-
In diesem Fall wird in einem entsprechenden Verfahren das geeignete Abtastfenster neu ermittelt, indem dieses schrittweise verschoben und/oder verändert wird, bis der Stromnick wieder in das Abtastfenster fällt und dort identifiziert werden kann. So ist aus der
DE 196 11 885 B4 bekannt, das Abtastfenster zu vergrößern, wenn innerhalb des Abtastfensters kein zulässiger Schaltzeitpunkt erkannt wurde. Die
EP 1 005 051 B1 offenbart, das Abtastfenster so vorzugeben, dass der Strom, der während des Abtastfensters durch den Verbraucher fließt, einen Schwellwert nicht übersteigt.
-
Ein bedeutender Nachteil an den genannten Verfahren ist der damit einhergehende Zeitverlust. So sind teilweise mehrere Einspritzzyklen bis zum erneuten Auffinden des Stromknicks erforderlich, insbesondere dann, wenn der Stromknick sich entgegen der Suchrichtung der genannten Suchfunktion verschoben hat.
-
Sind beispielsweise periodische Störer im Bordnetz vorhanden, kann dies dazu führen, dass eine derart große Anzahl an Suchläufen erfolglos ist, so dass die Suchfunktion einen Fehler meldet, obwohl das beteiligte Ventil einwandfrei funktioniert. Dies kommt dadurch zustande, dass eine entsprechende Suchfunktion im Rahmen einer Fehlerentprellung die Anzahl von Einspritzungen, für die aufgrund erfolgloser Suchtätigkeit kein Stromknick identifiziert wurde, aufaddiert, bis eine Fehlerschwelle überschritten wird.
-
Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Bestimmung entsprechender Schaltzeitpunkte eines Magnetventils.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren sowie ein Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Vorteile der Erfindung
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sei unter dem Begriff ”Schaltzeitpunkt” in erster Linie der Zeitpunkt verstanden, zu dem ein Magnetventil nach entsprechender Ansteuerung öffnet oder schließt. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch zur Bestimmung anderer Schaltzustände verwendet werden, sofern sich diese aus einer detektierbaren Strom- oder Spannungsänderung ableiten lassen.
-
Die vorliegende Erfindung bewirkt insgesamt eine beträchtliche Verbesserung der Robustheit bei der Fehlererkennung im Rahmen der Ansteuerung von Magnetventilen durch die Auswertung zusätzlicher Größen. Bei den zusätzlichen Größen handelt es sich um zusätzlich abgetastete Strom- oder Spannungswerte und/oder um entsprechende Wertebereiche.
-
In einem ersten Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung vor, zur Bestimmung des Abtastbeginns, also des Beginns des zuvor erläuterten Abtastfensters, bei dem eine Abtastung des Strom- oder Spannungsverlaufs beginnt, ausschließlich oder zusätzlich einen vorab ermittelten Strom- oder Spannungswert heranzuziehen. Die Ermittlung des Strom- oder Spannungswerts kann in besonders vorteilhafter Weise einige bzw. wenige hundert Mikrosekunden nach dem Beginn der Ventilansteuerung erfolgen.
-
Beispielsweise kann eine zusätzliche Strommessung 300 Mikrosekunden nach Beginn der Bestromung erfolgen (nachfolgend mit dem Begriff I300 bezeichnet). Es versteht sich jedoch, dass die Strom- oder Spannungsmessung nicht notwendigerweise nach 300 Mikrosekunden nach Beginn der Ansteuerung erfolgen muss, sondern auch zu jedem beliebigen anderen Zeitpunkt vorgenommen werden kann, der zu einer Vorhersage eines wahrscheinlichen Schaltzeitpunkts geeignet ist. Anstelle eines Einzelwerts können, unter anderem zur Plausibilisierung, auch mehrere Werte bestimmt werden.
-
Die Strom- oder Spannungsmessung erfolgt im Rahmen der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise innerhalb einer laufenden Einspritzung, so dass ungeachtet von Bordnetzschwankungen ein Abtastfenster bedeutend schneller als in bisherigen Verfahren nachgeführt, verschoben oder verändert werden kann. Der Strom- oder Spannungswert kann in besonders vorteilhafter Weise mittels einer Kennlinie zur Bestimmung des Abtastbeginns verwendet werden.
-
Entsprechend einem weiteren Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung vor, zur Überprüfung des Abtastfensters ausschließlich oder zusätzlich einen Bereich von Strom- oder Spannungswerten, der innerhalb des Abtastfensters ermittelt wurde, heranzuziehen. Im Stand der Technik erfolgt die Festlegung des Abtastfensters in der Regel ausschließlich über eine zeitliche Festlegung des Abtastbeginns und des Abtastendes, die tatsächlich in dem Abtastfenster gemessenen und möglicherweise unplausiblen Strom- oder Spannungswerte werden nicht berücksichtigt. Im Gegensatz dazu schlägt die vorliegende Erfindung vor, zusätzlich die jeweiligen Strom- oder Spannungswerte heranzuziehen. Es wird also neben einem herkömmlichen Zeitfenster auch ein Strom- oder Spannungsfenster verwendet, innerhalb dessen aufgrund der bekannten Kräfteverhältnisse im Magnetventil ein Schaltzeitpunkt erwartet werden kann.
-
Die zusätzliche Verwendung eines derartigen Strom- oder Spannungsfensters kann zu einer Plausibilisierung verwendet werden und damit zu einer deutlichen Robustheitssteigerung führen. Liegt ein Strom- oder Spannungsmesswert – beispielsweise aufgrund von Bordnetzschwankungen – innerhalb des Abtastfensters außerhalb des Strom- oder Spannungsfensters, kann dieser Strom- oder Spannungsmesswert als unplausibel klassifiziert werden.
-
Aufgrund dieser zusätzlichen Bewertung kann dann beispielsweise die hieraus bestimmte Qualitätszahl akzeptiert oder so lange verworfen werden, bis eine verwertbare Messreihe vorliegt, aufgrund derer wieder ein Schaltzeitpunkt bestimmt werden kann und welche einen plausiblen Stromverlauf darstellt. Die verwendete Suchfunktion kann vorteilhafterweise bis zu diesem Zeitpunkt das zuletzt verwendete Abtastfenster untersuchen, was eine zusätzliche Suchtätigkeit mit den zuvor erläuterten Nachteilen verringert.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik.
-
2 zeigt einen Stromverlauf bei einer Ansteuerung eines Magnetventils
-
3 zeigt eine Abtastung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
4 zeigt eine Kennlinie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
5 zeigt eine Abtastung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
-
Eine vereinfachte Darstellung einer bekannten Schaltungsanordnung für einen elektromagnetischen Verbraucher, beispielsweise ein Magnetventil, bei der das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht sein kann, ist in 1 dargestellt. In 1 sind nur die wesentlichen Elemente einer entsprechenden Schaltung wiedergegeben.
-
Die Schaltung umfasst eine Spule 100 des elektromagnetischen Verbrauchers. Weiterhin sind ein Schaltmittel 110 und ein vorzugsweise als Messwiderstand ausgebildetes Strommessmittel 120 vorgesehen. Das Schaltmittel 110 ist vorzugsweise als Transistor realisiert. Die Spule 100, das Schaltmittel 110 und das Strommessmittel 120 sind in Reihe zwischen einer Versorgungsspannung Ubat und Masse geschaltet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Spule gegen Batteriespannung geschaltet und das Schaltmittel 110 zwischen der Spule 100 und dem Strommessmittel 120 angeordnet (Low-Side-Schaltung).
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern kann auch bei anderen Anordnungen verwendet werden. Beispielsweise kann auch ein zweites Schaltmittel, das die Spule 100 mit Batteriespannung verbindet, vorgesehen sein (High-Side- oder High-Side-Low-Side-Schaltung). Des Weiteren kann das Strommessmittel 120 auch zwischen dem Schaltmittel 110 und der Spule 100 beziehungsweise zwischen der Spule 100 und der Versorgungsspannung Ubat angeordnet sein.
-
Weiterhin ist eine Steuereinheit bzw. ein Steuergerät 130 vorgesehen. Die Steuereinheit 130 ist mit den beiden Anschlüssen der Spule 100 sowie mit den beiden Anschlüssen des Strommessmittels 120 verbunden. Die Steuereinheit 130 beaufschlagt das Schaltmittel 110 mit einem Ansteuersignal A, welches die Steuereinheit 130 ausgehend von verschiedenen erfassten Betriebskenngrößen berechnet. Abhängig von diesem Ansteuersignal A fließt durch die Spule 100 ein Strom, der eine Bewegung eines Ventilankers bewirkt.
-
Die Steuereinheit 130 kann eine Stromerfassungseinheit aufweisen, die zur Abtastung und Auswertung der jeweiligen an dem Strommessmittel 120 bestimmten Stromwerte über einen Erfassungszeitraum eingerichtet sein kann. Die Stromerfassung kann einen Analog/Digital-Wandler und ein Register zum Speichern der abgetasteten Stromwerte aufweisen. Die Steuereinheit kann ferner eine Schaltzeitermittlungseinheit aufweisen, die mit einem Register der Stromerfassung verbunden sein kann. Desweiteren kann die Steuereinheit 130 eine Ansteuerzeitvorgabeeinheit aufweisen, die zur Vorgabe einer Ansteuerzeit, insbesondere einer Ansteuerdauer und/oder eines Ansteuerbeginns für das Ansteuersignal A eingerichtet sein kann.
-
2 zeigt einen Stromverlauf 20, wie er bei einer Ansteuerung eines Magnetventils gemäß dem Stand der Technik beispielsweise in einer Stromerfassungseinheit einer Steuereinheit 130 mittels eines Strommessmittels 120 abgetastet werden kann. In 1 sind Stromwerte I(t) gegenüber einer Zeit t aufgetragen.
-
Die Ansteuerung beginnt zu einem Zeitpunkt t0 und endet zum Zeitpunkt tE. Während der Ansteuerzeit zwischen t0 und tE wird das Magnetventil beispielsweise in Form eines Ansteuersignals A mit Spannung beaufschlagt. Die Beaufschlagung kann kontinuierlich oder getaktet erfolgen. Eine getaktete Beaufschlagung wird insbesondere bei höheren Bordspannungen, wie z. B. bei Lkw-Anwendung, eingesetzt.
-
Der Stromverlauf 20 steigt zunächst an (Anzugsstrom 21). Zu einem Zeitpunkt 10 weist der Stromverlauf einen charakteristischen Knick auf, der dem Schaltzeitpunkt 10 des Magnetventils, also dem Zeitpunkt, zu dem der Ventilanker seine Endlage erreicht hat, entspricht. Zur Bestimmung der zeitlichen Lage dieses Schaltzeitpunkts 10 wird der Stromverlauf 20 über ein Abtastfenster 11 zwischen einem Abtastbeginn t1 und einem Abtastende t2 abgetastet. Das Abtastfenster 11, das hier über die zeitliche Lage des Abtastbeginns t1 und/oder des Abtastendes t2 definiert wird, wird in geeigneter Weise festgelegt und/oder überprüft. Wie erwähnt, kann dies erfindungsgemäß durch die Auswertung zusätzlicher Größen erfolgen. Bei den zusätzlichen Größen handelt es sich beispielsweise um zusätzlich abgetastete Strom- oder Spannungswerte und/oder entsprechende Wertebereiche.
-
Nach Erreichen eines Maximalwerts wird ein Haltestrom 22, beispielsweise unter Verwendung einer Stromregelung, eingestellt, und das Ventil wird durch entsprechende Ansteuerung geöffnet bzw. geschlossen gehalten.
-
3 zeigt eine Abtastung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Das Abtastfenster entspricht beispielsweise dem Abtastfenster 11 der 2. Auch hier wird der Stromverlauf 20 zwischen einem Abtastbeginn t1 und einem Abtastende t2 abgetastet. Jedoch erfolgt hier eine zusätzliche Strommessung I300, beispielsweise 300 Mikrosekunden nach Beginn der Ansteuerung. Der Messwert dieser zusätzlichen Strommessung kann zur Festlegung des Abtastbeginns t1 und/oder des Abtastendes t2 verwendet werden. Mit besonderem Vorteil erfolgt dies, wie erwähnt, innerhalb eines einzigen Ventilzyklus, es wird also zunächst der I300-Wert bestimmt und aufgrund dieses Wertes das Abtastfenster festgelegt.
-
Zur Festlegung des Abtastbeginns t1 kann beispielsweise eine in 4 gezeigte Kennlinie 40 verwendet werden. Die Kennlinie 40 gibt dabei beispielsweise für einen Messwert 41 einer Strommessung I300, beispielsweise 300 Mikrosekunden nach Beginn der Ansteuerung, einen Zeitpunkt 41 für einen Abtastbeginn t1 vor. Eine geeignete Kennlinie kann bspw. durch Messungen an Grenzmusterventilen oder theoretisch aus einer geeigneten Magnetventil-Simulation erhalten werden.
-
5 zeigt eine Abtastung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Neben einem zeitlich definierten, durch einen Abtastbeginn t1 und ein Abtastende t2 festgelegten Abtastfenster 11 wird hier ein über Stromwerte I1 und I2 definierter Bereich 12 (Stromfenster) herangezogen. Wie zuvor erläutert, wird also neben einem herkömmlichen Zeitfenster 11 auch ein Stromfenster 12 (oder in anderen als den dargestellten Fällen auch ein Spannungsfenster) verwendet, innerhalb dessen aufgrund der bekannten Kräfteverhältnisse im Magnetventil ein entsprechender Schaltzeitpunkt erwartet werden kann. Somit kann eine Plausibilisierung von Strom- oder Spannungsmesswerten bzw. des Abtastfensters 12 vorgenommen werden. Der sich hieraus ergebende Bereich 50, der sowohl über den Abtastbeginn t1 und das Abtastende t2 als auch über die Stromwerte I1 und I2 definiert ist, ist schraffiert dargestellt. Liegt nun ein innerhalb des Abtastfensters 11 gemessener Strom- oder Spannungswert auch innerhalb des entsprechenden Stromfensters 12, ist der Wert plausibel und das Abtastfenster 11 ist plausibel festgelegt. Anderenfalls wird der Wert verworfen, weil der Strom- oder Spannungswert nicht den im dem Abtastfenster 11 in der Nähe des Schaltzeitpunkts 10 zu erwartenden Werten entspricht. In diesem Fall ist ein neues Abtastfenster 11 zu definieren (beispielsweise in einem späteren Ventilzyklus), das die Plausibilitätskriterien einhält.
-
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 19611885 B4 [0011]
- EP 1005051 B1 [0011]
