-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
-
Vom Markt her bekannt sind Verfahren zum Betreiben von Einspritzventilen, bei denen in einem ersten Schritt eine vergleichsweise hohe Spannung an eine Magnetspule des Einspritzventils geschaltet wird. Dadurch steigt der Strom in der Magnetspule zunächst stetig an. Nach Erreichen eines vorgebbaren Grenzwerts des Stroms wird die besagte Spannung in einem zweiten Schritt beispielsweise auf die Höhe einer Batteriespannung vermindert. Nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne wird in einem dritten Schritt die Magnetspule von der Batteriespannung abgeschaltet und eine in der Magnetspule vorhandene Restenergie wenigstens teilweise gelöscht. In einem vierten Schritt wird die Magnetspule beispielsweise durch ein getaktetes Anlegen der Batteriespannung nur noch soweit bestromt, dass die erzeugte Magnetkraft ausreicht, einen Anker und eine mit dem Anker gekoppelte Ventilnadel in einer Offenstellung des Einspritzventils zu halten.
-
Aus der
DE 10 2006 059 920 B4 ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Einspritzventils bekannt. Eine Endstufe steuert das Einspritzventil in Abhängigkeit von Steuersignalen an. Kompensationsmittel kompensieren beim Ansteuern jeweils ein ventilspezifesches Zumessverhalten.
-
Die
DE 103 21 015 A1 beschreibt einen elektrischen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine. Mit einer an der Ankerplatte vorgesehenen Wirbelstrombremse. Dadurch kann der Aufwand für die Regelung des Aufsetzbewegung des Ankers verringert werden.
-
Die
DE 10 2008 054 513 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems. Dabei wird die Menge des geförderten Kraftstoffmenge mit einem Mengensteuerventil beeinflusst. Dabei erfolgt eine Adaption eines Paramters, der das Ansteuersignal definiert. Dies erfolgt derart, dass Geräusche beim Schalten vermieden werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, beispielsweise in einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs. Das Einspritzventil weist eine Ventilnadel und einen die Ventilnadel bewegenden Anker auf, wobei der Anker mittels einer Ansteuerung einer Magnetspule des Einspritzventils in Richtung eines die Bewegung des Ankers begrenzenden Hubanschlags bewegbar ist. Erfindungsgemäß wird die Magnetspule des Einspritzventils so angesteuert, dass während eines ersten Ansteuerzeitintervalls ein in der Magnetspule fließender Strom von einem Ausgangswert, insbesondere 0 Ampere, der z.B. einem Schließzustand des Einspritzventils entspricht, ausgehend ansteigt. Dies wird auch als „Boostphase“ der Ansteuerung bezeichnet. Eine Bestromung der Magnetspule während der Boostphase kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine verhältnismäßig große Spannung, z.B. eine „Boostspannung“ an die Magnetspule angelegt wird, wodurch der durch die Magnetspule fließende Strom im Wesentlichen zeitlich linear ansteigt. Andere geeignete Ansteuermethoden zur Erhöhung des Stroms ausgehend von dem Ausgangswert sind ebenfalls möglich.
-
In einem unmittelbar darauf folgenden zweiten Ansteuerzeitintervall wird die Magnetspule derart angesteuert, dass der in der Magnetspule fließende Strom bis auf einen vorgebbaren, nicht verschwindenden Schwellwert abfällt. Beispielsweise kann dieser Schwellwert in etwa einem „Haltestrom“ entsprechen, wie er weiter unten beschrieben werden wird, und weist in jedem Fall einen Betrag größer als Null auf. Während des zweiten Ansteuerzeitintervalls kann die Magnetspule beispielsweise in einem Freilauf geschaltet sein, d.h. von der Boostspannung oder generell einer Ansteuerspannung getrennt sein, so dass die in der Magnetspule aufgrund der Boostphase vorhandene Energie wieder abgebaut wird. Dies erfolgt beispielsweise als so genannte „Schnelllöschung“, bei welcher die Restenergie beispielsweise dazu verwendet wird, einen Kondensator für die Bereitstellung der Ansteuerung in einem ersten Ansteuerzeitintervall eines darauf folgenden Ansteuerzyklus aufzuladen. Ebenso kann der Abbau der Energie über einen Freilaufzustand erfolgen, in dem im Wesentlichen die Spannung 0 an die Magnetspule gelegt wird und die im Magnetfeld gespeicherte Energie im Ohmwiderstand der Magnetspule dissipiert wird. Ebenso ist es denkbar, während des zweiten Ansteuerzeitintervalls den Verlauf des Stroms der Magnetspule aktiv zu verändern, beispielsweise zu regeln.
-
In einem unmittelbar auf das zweite Ansteuerzeitintervall folgenden dritten Ansteuerzeitintervall wird der Anker infolge der erfindungsgemäßen Ansteuerung zumindest zeitweise in dem Bereich des Hubanschlags, insbesondere direkt an dem Hubanschlag, gehalten. Dazu wird die Magnetspule wiederum angesteuert und es fließt ein so genannter „Haltestrom“ in der Magnetspule. Es versteht sich, dass der in die Magnetspule fließende Strom während des ersten und/oder während des dritten Ansteuerzeitintervalls auch getaktet sein kann, beispielsweise durch getaktetes Zuschalten und Abschalten einer Batteriespannung oder einer sonstigen Spannung.
-
Weiterhin wird dabei die Ansteuerung der Magnetspule und/oder eine Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls erfindungsgemäß derart gewählt, dass der Anker den Hubanschlag gerade noch nicht erreicht oder ihn mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit erreicht. Vorzugsweise erreicht der Anker den Hubanschlag während des zweiten oder während des dritten Ansteuerzeitintervalls. Dadurch weist die Bewegung des Ankers bzw. der Ventilnadel bei einer Bewegung in Richtung des Hubanschlags im Wesentlichen einen ballistischen Verlauf auf. Ein Überschwingen der Ventilnadel über den Hubanschlag des Ankers hinaus wird im Wesentlichen vermieden. Beispielsweise ist das Einspritzventil vollständig geöffnet, wenn der Anker den Hubanschlag erreicht hat.
-
Um den beschriebenen näherungsweisen ballistischen Verlauf der Ankerbewegung zu ermöglichen, kann vorzugsweise die Dauer des ersten Ansteuerzeitintervalls passend gewählt werden. Alternativ oder ergänzend ist es jedoch ebenso möglich, andere, die Ansteuerung der Magnetspule beeinflussende Größen passend zu wählen. Beispielsweise kann der durch die Magnetspule fließende Strom bzw. ein Zeitverlauf des Stroms entsprechend gewählt werden, oder es kann eine Quellspannung bzw. Boostspannung, an welche die Magnetspule in dem ersten Ansteuerzeitintervall geschaltet wird, oder ein Zeitverlauf hiervon, entsprechend gewählt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls in einer Brennkraftmaschine mit mehreren Einspritzventilen individuell für jedes der Einspritzventile ermittelt wird. Dadurch kann jedes der Einspritzventile optimal betrieben werden, wobei einerseits der näherungsweise ballistische Verlauf der Ankerbewegung erreicht wird, ohne dass ein merklicher Prellvorgang an dem Hubanschlag erfolgt, und andererseits dennoch ein sicherer Wechsel zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen (geöffnet, geschlossen) des Einspritzventils ermöglicht wird.
-
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Aufschlagimpuls des Ankers bzw. der Ventilnadel beim Erreichen des Hubanschlags wesentlich vermindert oder sogar fast auf Null reduziert werden kann. Dadurch kann ein Betriebsgeräusch des Einspritzventils gesenkt und die Dauerfestigkeit erhöht werden. Weiterhin erfolgt die Ansteuerung der Magnetspule mit einem besonders einfachen und insbesondere in dem zweiten Ansteuerzeitintervall nicht zu Null werdenden Zeitverlauf des Stroms, wodurch der Aufwand für die Ansteuerung reduziert und Kosten gespart werden können. Drittens kann ein Übergangsbereich zwischen einem ballistischen Bereich und einem Vollhubbereich in einer Kennlinie, welche einen Zusammenhang zwischen einer Ansteuerdauer und einer abgesetzten Kraftstoffmenge beschreibt, im Wesentlichen linearisiert oder vermieden werden.
-
Das Verfahren arbeitet besonders genau, wenn die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls ermittelt wird in Abhängigkeit von einem relativen Maximum eines Zusammenhangs einer Schließtotzeit des Einspritzventils in Abhängigkeit von einer Ansteuerdauer. Dabei macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass - ausgehend von sehr kleinen Ansteuerdauern der Magnetspule - für Ansteuerdauern, welche eine in etwa ballistische Bewegung des Ankers in Richtung auf den Hubanschlag bewirken, die Schließtotzeit mit steigender Ansteuerdauer zunächst monoton ansteigt. Wird die Ansteuerdauer weiter erhöht, so wird die Schließtotzeit jedoch wieder kleiner. Wird die Ansteuerdauer nochmals weiter erhöht, so steigt die Schließtotzeit wieder an. Damit wird ein Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer einerseits und der davon abhängigen Schließtotzeit andererseits beschrieben. Diejenige Ansteuerdauer, welche das derart ermittelte relative Maximum der Schließtotzeit charakterisiert, wird erfindungsgemäß dazu verwendet, um eine optimale Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls zu ermitteln. Dadurch kann eine durch das erste Ansteuerzeitintervall bestimmte so genannte „Boostphase“ vorteilhaft beendet werden, bevor ein möglicher Spitzenwert des durch die Magnetspule fließenden Stroms erreicht wird. Als Schließtotzeit wird eine Zeitspanne zwischen dem Ende des dritten Ansteuerzeitintervalls („Ansteuerende“) und dem tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt des Einspritzventils, also dem Anschlagen der Ventilnadel an einem Ventilsitz, definiert. Bei mehreren Einspritzventilen ist erfindungsgemäß vorgesehen, diese Prozedur ventilindividuell durchzuführen. Es versteht sich, dass die beschriebene Ermittlung des relativen Maximums alternativ auch von großen Ansteuerdauern ausgehend durchgeführt werden kann, wobei diese Ansteuerdauern schrittweise verkleinert werden, oder auch mittels weiterer Verfahren wie z.B. statistischer Optimierungsverfahren.
-
Alternativ ist es denkbar, das relative Maximum - an Stelle der Schließtotzeit - in vergleichbarer Weise mittels eines Zusammenhangs einer Öffnungsdauer des Einspritzventils in Abhängigkeit der Ansteuerdauer zu ermitteln. Eine weitere Alternative zur Ermittlung der erfindungsgemäßen Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls besteht darin, dass ein zeitlicher Verlauf der an der Magnetspule liegenden Spannung und/oder des durch die Magnetspule fließenden Stroms ausgewertet werden, um auf das Anschlagen des Ankers an dem Hubanschlag zu schließen. Eine nochmals weitere Alternative besteht darin, dass in dem auf das erste Ansteuerzeitintervall folgenden zweiten Ansteuerzeitintervall die Magnetspule in einen Freilauf geschaltet wird, oder eine Batteriespannung oder eine sonstige Spannung an die Magnetspule geschaltet wird, und/oder dass die Magnetspule mit einem von dem Strom des dritten Ansteuerzeitintervalls verschiedenen Strom betrieben wird.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls mittels mindestens einer mathematischen Operation aus dem relativen Maximum ermittelt wird, insbesondere durch Subtraktion einer konstanten Zeitspanne von der zu dem relativen Maximum gehörenden Ansteuerdauer. Beispielsweise beträgt die konstante Zeitspanne 25 µs (Mikrosekunden). Das derart ermittelte erste Ansteuerzeitintervall („Booststromdauer“) wird durch die Subtraktion der konstanten Zeitspanne also verkürzt. Damit wird erreicht, dass die Bewegungsenergie des Ankers in dem ersten Ansteuerzeitintervall sogar noch unterhalb des für eine ballistische Annäherung an den Hubanschlag erforderlichen Wertes sein kann. Weiterhin kann die besagte mathematische Operation auch andere lineare oder nichtlineare Funktionen umfassen.
-
Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass mindestens eine die Ansteuerung der Magnetspule bestimmende Ansteuergröße ermittelt wird in Abhängigkeit von einem relativen Maximum eines Zusammenhangs einer Schließtotzeit des Einspritzventils in Abhängigkeit von einer Referenzgröße. Die Ansteuergröße sowie die Referenzgröße sind beispielsweise eine Ansteuerspannung bzw. ein Zeitverlauf der Ansteuerspannung und/oder ein Ansteuerstrom bzw. ein Zeitverlauf des Ansteuerstroms. Beispielsweise kann die Ansteuerspannung die Boost-Spannung sein, welche verändert wird, um das relative Maximum zu ermitteln. Dabei weist die Ansteuerdauer einen festen Wert auf. Bei der oben beschriebenen Veränderung der Ansteuerdauer weist dagegen die Boostspannung einen festen Wert auf.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass die die Ansteuerung der Magnetspule bestimmende Ansteuergröße mittels mindestens einer mathematischen Operation aus dem relativen Maximum ermittelt wird, insbesondere durch Subtraktion eines konstanten Wertes von der zu dem relativen Maximum gehörenden Referenzgröße. Dabei wird in einer ähnlichen Weise verfahren, wie dies oben bei der Subtraktion der konstanten Zeitspanne von der zu dem relativen Maximum gehörenden Ansteuerdauer beschrieben worden war. Die im Hinblick auf die ballistische Bewegung des Ankers zu ermittelnde Ansteuergröße ist somit eine Alternative bzw. Ergänzung zu der oben beschriebenen Ermittlung des ersten Ansteuerzeitintervalls.
-
Weiterhin ist es denkbar, sowohl mindestens eine Ansteuergröße als auch die oben beschriebene Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls im Hinblick auf die ballistische Bewegung des Ankers zu verändern. Damit kann eine entsprechende mehrdimensionale Abhängigkeit der Ankerbewegung von der Ansteuergröße und der Länge des Ansteuerzeitintervalls hergestellt werden.
-
Erfindungsgemäß wird dadurch, dass der Strom in der Magnetspule in dem unmittelbar folgenden zweiten Ansteuerzeitintervall nicht verschwindet, und in dem unmittelbar folgenden dritten Ansteuerzeitintervall ein Haltestrom eingestellt wird, welcher kleiner ist als ein mittlerer Strom während des ersten Ansteuerzeitintervalls, eine ausreichende weitere Beschleunigung des Ankers bis zum sicheren Erreichen des Hubanschlags ermöglicht. Entsprechend ist eine während des dritten Ansteuerzeitintervalls an die Magnetspule angelegte Spannung kleiner als eine während des ersten Ansteuerzeitintervalls angelegte Spannung.
-
Durch die aufeinander abgestimmten Teil-Ansteuerungen in dem ersten, dem zweiten und dem dritten Ansteuerzeitintervall kann ein Übergangsbereich zwischen einem ballistischen Bereich und einem Vollhubbereich eines Zusammenhangs zwischen einer eingespritzten Kraftstoffmenge und der Ansteuerdauer im Wesentlichen linearisiert werden. Außerdem kann das Betriebsgeräusch des Einspritzventils weiter gesenkt werden.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls und/oder die Ansteuergröße in Abhängigkeit von einem Kraftstoffdruck und/oder einer Kraftstofftemperatur und/oder einer Kraftstoffsorte ermittelt wird. Dadurch kann das Verfahren besonders gut an wechselnde Betriebszustände der Brennkraftmaschine angepasst und somit ein optimaler Betrieb des Einspritzventils bzw. der Einspritzventile erreicht werden. Insbesondere ist es möglich, die jeweiligen durch die beschriebenen Parameter bestimmten Längen des ersten Ansteuerzeitintervalls zu speichern, so dass diese nicht fortlaufend im Betrieb der Brennkraftmaschine ermittelt werden müssen. Ergänzend kann auch die oben beschriebene mathematische Operation in Abhängigkeit von aktuellen Werten dieser Parameter bestimmt werden. Darüber hinaus können auch sonstige Betriebsgrößen der Kraftstoffeinspritzanlage als zusätzliche Parameter bei der Ermittlung der Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls verwendet werden.
-
Besonders nützlich ist es, die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls und/oder die Ansteuergröße dann zu ermitteln, wenn ein Kraftstoffdruck und/oder eine Kraftstofftemperatur um mehr als einen Grenzwert verändert ist, und/oder wenn eine Betankung eines Kraftfahrzeugs erfolgte, und/oder wenn eine vorgebbare Betriebsdauer des Einspritzventils erreicht wurde. Damit wird in besondere Weise ein jederzeit optimaler Betrieb des Einspritzventils ermöglicht.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Stromanstieg in der Magnetspule während des ersten Ansteuerzeitintervalls derart gewählt ist, dass eine möglichst schnelle Bewegung des Ankers in Richtung zu dem Hubanschlag entsteht. Dadurch können eventuelle Toleranzen der Öffnungsdauer des Einspritzventils klein gehalten und Mehrfacheinspritzungen erleichtert werden.
-
Das Verfahren kann vorteilhaft angewendet werden, wenn der Anker und die Ventilnadel als separate Elemente oder einteilig ausgebildet sind. Insbesondere findet mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Überschwingen der Ventilnadel über den Hubanschlag des Ankers hinaus oder ein Prellen des Ankers an seinem Hubanschlag im Wesentlichen nicht statt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, das Verfahren mittels eines Computerprogramms durchzuführen, welches auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine ablauffähig ist. Hiermit können die für das Verfahren erforderlichen komplexen Rechenoperationen einfach und flexibel durchgeführt werden.
-
Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in den nachfolgenden 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.
-
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1A bis 1F eine schematische Darstellung eines Einspritzventils in sechs aufeinander folgenden Betriebszuständen;
- 2 zwei Zeitdiagramme zur Definition von Begriffen;
- 3 ein erstes Zeitdiagramm mit Verläufen eines Stroms durch eine Magnetspule des Einspritzventils;
- 4 ein zweites Zeitdiagramm mit Verläufen eines Stroms durch die Magnetspule des Einspritzventils;
- 5 ein erstes Diagramm zur Darstellung einer Schließtotzeit über einer Ansteuerdauer;
- 6 ein zweites Diagramm zur Darstellung dreier Schließtotzeiten über der Ansteuerdauer;
- 7 ein Zeitdiagramm zur Darstellung einer Auslenkung einer Ventilnadel des Einspritzventils in Abhängigkeit der Ansteuerdauer; und
- 8 ein Diagramm zur Darstellung einer abgesetzten Kraftstoffmenge über der Ansteuerdauer.
-
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
Die 1A bis 1F zeigen in zeitlich fortlaufender Reihenfolge einen Öffnungs- und Schließzyklus eines im Wesentlichen rotationsymmetrisch ausgebildeten Einspritzventils 10 an Hand von vereinfachten Darstellungen.
-
Das Einspritzventil 10 umfasst in der Zeichnung der 1A von oben nach unten ein Gehäuseelement 12, eine Druckfeder 14, einen Hubanschlag 16, einen Teller 18 an einem Endabschnitt einer Ventilnadel 20, einen in etwa mittig an der Ventilnadel 20 angeordneten Mitnehmer 22 und ein Gehäuseelement 24 im unteren Bereich der Zeichnung. Zwischen dem Teller 18 und dem Mitnehmer 22 ist ein Anker 26 axial verschiebbar auf der Ventilnadel 20 angeordnet. Der Anker 26 kann mittels einer Ansteuerung einer - in der Zeichnung nicht dargestellten - Magnetspule in Richtung des Hubanschlags 16 bewegt werden, wobei der Hubanschlag 16 die Bewegung des Ankers 26 begrenzt. Ein in der Zeichnung unterer Endabschnitt der Ventilnadel 20 kann an einem Ventilsitz 28 eine Auslassöffnung 30 des Gehäuseelements 24 verschließen. Die übrigen 1B bis 1F sind der besseren Übersicht wegen im Wesentlichen ohne Bezugszeichen dargestellt.
-
In der 1A befindet sich die Ventilnadel 20 in ihrer in der Zeichnung unteren Stellung, wobei die an dem Gehäuseelement 12 abgestützte Druckfeder 14 eine Druckkraft auf den Teller 18 der Ventilnadel 20 ausübt. Das Einspritzventil 10 ist also geschlossen. Die Magnetspule wird in einem ersten Ansteuerzeitintervall 40 (vgl. auch den Zeitverlauf 71 gemäß 3) so angesteuert, dass ein in der Magnetspule fließender Strom, ausgehend von einem Wert von 0 Ampere, vergleichsweise steil ansteigt. Dieser Vorgang wird auch als „Boostphase“ bezeichnet. Zwei Pfeile 32 deuten an, dass der Anker 26 durch die dabei erzeugte Magnetkraft in Richtung des Tellers 18 und des Hubanschlags 16 bewegt wird.
-
In der 1B ist der Anker 26 an dem Teller 18 angeschlagen und führt diesen in der Zeichnung nach oben in Richtung des Hubanschlags 16 mit. Die Ventilnadel 20 ist bereits um ein geringes Maß von dem Ventilsitz 28 abgehoben. Etwa in dem in der 1B dargestellten Zustand des Einspritzventils 10 ist das erste Ansteuerzeitintervall 40 beendet, und es beginnt ein unmittelbar darauf folgendes zweites Ansteuerzeitintervall 44 (3), in welchem der in der Magnetspule fließende Strom bis auf einen vorgegebenen nicht verschwindenden Schwellwert abfällt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer so genannten „Schnelllöschung“. Dadurch wird der Strom und entsprechend die Magnetkraft vergleichsweise schnell abgebaut, so dass die Geschwindigkeit der Bewegung des Ankers 26 in Richtung auf den Hubanschlag 16 als Folge der Druckkraft der Druckfeder 14 zunehmend stark vermindert wird.
-
In der 1C hat der Anker 26 den Hubanschlag 16 mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit erreicht. Dabei findet vorliegend kein Überschwingen der Ventilnadel 20 statt, das heißt, die Ventilnadel 20 bleibt mittels der Druckfeder 14 an der in der Zeichnung oberen Stirnfläche des Ankers 26 angeschlagen.
-
Etwa in dem in der 1C dargestellten Zustand des Einspritzventils 10 ist das zweite Ansteuerzeitintervall 44 beendet, und es beginnt ein unmittelbar darauf folgendes drittes Ansteuerzeitintervall 48 (3), in dem der Anker 26 weiterhin direkt an dem Hubanschlag 16 gehalten wird. Die 1D zeigt diese „Haltephase“ des Ankers 26.
-
1E stellt einen Zustand des Einspritzventils 10 nach Ablauf des dritten Ansteuerzeitintervalls 48 dar, in welchem die Magnetspule nicht mehr - oder nur geringfügig - von einem Strom durchflossen wird, und somit die Magnetkraft geringer ist als der in der Zeichnung von oben wirkende Druck der Druckfeder 14. Nach Ablauf einer physikalisch bedingten Verzögerungszeit bewegt sich der Anker 26 ausgehend von dem Hubanschlag 16 und getrieben von dem Teller 18 in der Zeichnung nach unten. Die Pfeile 32 zeigen die Bewegungsrichtung an. Die Zeitdifferenz zwischen dem Ende der Bestromung der Magnetspule und dem Anschlagen der Ventilnadel 20 an dem Ventilsitz 28 wird als „Schließtotzeit“ des Einspritzventils 10 bezeichnet und umfasst die besagte physikalisch bedingte Verzögerungszeit zuzüglich der Bewegungszeit der Ventilnadel 20.
-
1F stellt den Zustand des Einspritzventils 10 beim bzw. nach dem Aufschlagen des Ankers 26 an dem Mitnehmer 22 dar. Die Ventilnadel 20 befindet sich in ihrer in der Zeichnung unteren Position. Die Magnetspule ist nicht bestromt und das Einspritzventil 10 also geschlossen.
-
Die Magnetspule der 1A bis 1F, welche die Magnetkraft zur Bewegung des Ankers 26 erzeugen kann, weist eine Induktivität auf, welche nach bekannten physikalischen Gesetzen den Gradienten des Stromanstiegs bestimmt, wenn die Magnetspule an eine jeweilige Quellspannung geschaltet wird. In dem ersten Ansteuerzeitintervall 40 ist die Quellspannung vergleichsweise hoch („Boostspannung“) und in dem dritten Ansteuerzeitintervall 48 ist die Quellspannung vergleichsweise niedrig. Insbesondere in dem dritten Ansteuerzeitintervall 48 kann die Magnetspule auch getaktet angesteuert werden.
-
In der in den 1A bis 1F dargestellten Ausführungsform des Einspritzventils 10 sind der Anker 26 und die Ventilnadel 20 als separate Elemente ausgeführt, das heißt, die Ventilnadel 20 ist relativ zu dem Anker 26 axial bewegbar. Das erfindungsgemäß betriebene Einspritzventil 10 kann jedoch auch einen einteiligen Verbund des Ankers 26 und der Ventilnadel 20 umfassen. Dies ist jedoch in den 1A bis 1F nicht dargestellt.
-
2 zeigt zwei Zeitdiagramme zur Erläuterung von Begriffen im Zusammenhang mit der Ansteuerung der Magnetspule des Einspritzventils. In einem oberen Diagramm ist über einer Zeit t ein Strom I der Magnetspule aufgetragen. In einem unteren Diagramm ist über der Zeit t eine Auslenkung A der Ventilnadel 20 aufgetragen. Die Diagramme weisen einen zueinander gleichen Zeitmaßstab auf. Ein eventuelles Überschwingen der Ventilnadel 20 ist in diesem Diagramm nicht dargestellt.
-
Im oberen Diagramm steigt von der Zeit t = 0 ausgehend während des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 der in der Magnetspule fließende Strom I von einem Ausgangswert 0 vergleichsweise steil bis auf einen Höchstwert 42 an. In dem unmittelbar darauf folgenden zweiten Ansteuerzeitintervall 44 fällt der Strom I bis auf einen Schwellwert 46 ab. In dem unmittelbar darauf folgenden dritten Ansteuerzeitintervall 48 bleibt der Strom I im Wesentlichen konstant auf einem Haltestrom 47, welcher vorliegend den Betrag des Schwellwerts 46 aufweist. Am Ende des dritten Ansteuerzeitintervalls 48 fällt der Strom I ab einem Ansteuerende 49 vergleichsweise steil auf den Wert 0 ab. Damit ist die Ansteuerung der Magnetspule für einen Öffnungsvorgang und einen Schließvorgang des Einspritzventils 10 beendet.
-
Im unteren Diagramm bleibt das Einspritzventil 10 ausgehend von der Zeit t = 0 für eine physikalisch bedingte Anzugs-Totzeit 50 trotz der Ansteuerung zunächst geschlossen. Nach Ablauf der Anzugs-Totzeit 50 wird die Ventilnadel 20 während einer Flugzeit 52 der Ventilnadel 20 bzw. des Ankers 26 stetig vom Ventilsitz 28 bis zum Hubanschlag 16 abgehoben. Die Summe aus der Anzugs-Totzeit 50 und der Flugzeit 52 wird als Anzugsdauer 54 bezeichnet Nach dem Ansteuerende 49 bleibt die Ventilnadel 20 physikalisch bedingt für eine Verzugszeit 56 noch im Bereich des Hubanschlags 16 und fällt danach stetig auf den Ventilsitz 28 zurück. Der Ventilsitz 28 wird zu einem Schließzeitpunkt 58 erreicht.
-
Die Zeitspanne zwischen dem Ansteuerende 49 und dem Schließzeitpunkt 58 wird als Schließtotzeit 60 bezeichnet. Die Summe aus dem ersten Ansteuerzeitintervall 40, dem zweiten Ansteuerzeitintervall 44 und dem dritten Ansteuerzeitintervall 48 wird als Ansteuerdauer ti bezeichnet. Die Summe aus der Ansteuerdauer ti und der Schließtotzeit 60 wird als Aktivzeit 62 bezeichnet. Die Differenz zwischen der Aktivzeit 62 und der Anzugs-Totzeit 50 wird als Öffnungsdauer d bezeichnet Der Schließzeitpunkt 58 kann beispielsweise durch eine Auswertung der an der Magnetspule anliegenden Spannung nach bekannten Methoden ermittelt werden.
-
3 zeigt einen Zeitverlauf 71 des Stroms I über der Zeit t, wie er sich bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung für einen Normalbetrieb des Einspritzventils 10 in einem Vollhub einstellt. Im ersten Ansteuerzeitintervall 40 wird die Magnetspule für eine zeitliche Länge t_boost angesteuert, wobei der Strom I von Null ausgehend bis auf einen Spitzenstrom 78 ansteigt. In dem unmittelbar folgenden zweiten Ansteuerzeitintervall 44 fällt der Strom I nur bis auf einen von Null verschiedenen Schwellwert 46 ab, welcher vorliegend denselben Betrag wie ein Haltestrom 76 des unmittelbar folgenden dritten Ansteuerzeitintervalls 48 aufweist.
-
Die Bestromung der Magnetspule wird insgesamt so durchgeführt, dass einerseits das Anschlagen des Ankers 26 an dem Hubanschlag 16 einen im Wesentlichen ballistischen Verlauf aufweist, und andererseits der Anker 26 in dem dritten Ansteuerzeitintervall 48 sicher an dem Hubanschlag 16 gehalten werden kann. Je nach den spezifischen Eigenschaften des Einspritzventils 10 wird der Hubanschlag 16 im Allgemeinen in dem zweiten oder in dem dritten Ansteuerzeitintervall 44 bzw. 48 erreicht.
-
Vorliegend ist die Länge t_boost des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 der 3 um einen festen Wert, hier 25 µs (Mikrosekunden), in Bezug auf eine Länge ti_ha verkürzt. Die Ermittlung der Länge ti_ha wird in der folgenden 4 beschrieben werden.
-
Vorzugsweise wird die Steilheit des Stromanstiegs in der Magnetspule derart gewählt und/oder es wird die Länge t_boost des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 derart aus der Länge ti_ha abgeleitet, dass eine möglichst schnelle Bewegung des Ankers 26 in Richtung zu dem Hubanschlag 16 entsteht. Dazu kann die Länge t_boost auch mittels sonstiger linearer oder nichtlinearer mathematischer Operationen aus der Länge ti_ha abgeleitet werden.
-
Zum Vergleich ist in der 3 mittels einer zweiten Kurve 70 ein Zeitverlauf des Stroms I eingetragen, wie er sich bei einer Ansteuerung der Magnetspule nach dem Stand der Technik für einen so genannten Vollhub ergibt. In der Kurve 70 wird ein Spitzenstrom 72 erreicht, welcher größer ist als der Spitzenstrom 78. Weiterhin ist für den Stand der Technik eine Anzugszeit 74 sowie ein Haltestrom 76 bezeichnet. Dazu sei angemerkt, dass der Haltestrom 76 abweichend von der Darstellung der 3 alternativ auch als Mittelwert des dargestellten Zeitverlaufs definiert werden kann.
-
Die Darstellung der 4 bzw. ein Betrieb des Einspritzventils 10 entsprechend der 4 hat den erfindungsgemäßen Zweck, die oben genannte Länge ti_ha des Ansteuerzeitintervalls 40 zu ermitteln. Die 4 zeigt mittels einer Kurve 66 einen Verlauf des Stroms I über der Zeit t, wobei der Anker 26 erstmals den Hubanschlag 16 erreicht.
-
Zur Ermittlung der Länge ti_ha wird die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 von Null oder von einem von Null verschiedenen Startwert ausgehend in aufeinander folgenden Versuchsschritten solange erhöht, bis der Anker 26 den Hubanschlag 16 erstmals erreicht. Dabei wird am Ende des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 ein Spitzenstrom 68 erreicht. Die Steilheit des Stromanstiegs in dem ersten Ansteuerzeitintervall 40 ist in der 4 ebenso wie in der zuvor beschriebenen 3 durch die Höhe einer Quellspannung und durch die Größe der Induktivität der Magnetspule bestimmt. Diese Quellspannung kann beispielsweise eine Batteriespannung oder eine so genannte Boost-Spannung sein. Nach dem Ablauf des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 wird in der 4 der in der Magnetspule fließende Strom I durch eine Schnelllöschung vergleichsweise rasch auf Null abgebaut.
-
Man erkennt, dass bei der Ansteuerung der Magnetspule nach der 4 (Kurve 66) das erste Anschlagen des Ankers 26 an dem Hubanschlag 16 allein durch die Bestromung während des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 und eines darauf folgenden Zeitintervalls 69 während der Schnelllöschung ermöglicht wird. Bei einer zu der 3 gleichen Steilheit des Stromanstiegs in dem ersten Ansteuerzeitintervall 40 ergibt sich für die Kurve 66 der 4 ein Spitzenstrom 68, welcher höher ist als der Spitzenstrom 78 der 3. Dies ist dadurch bedingt, dass in der 3 die Bewegung des Ankers 26 durch den Strom I während des zweiten und dritten Ansteuerzeitintervalls 44 und 48 unterstützt wird. Die Kurve 70 dient - wie in der 3 - nur zum Vergleich mit dem Stand der Technik.
-
Alternativ kann zur Ermittlung der Länge ti_ha die Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 auch ausgehend von einem Startwert in aufeinander folgenden Versuchsschritten verringert werden, bis der Anker 26 den Hubanschlag 16 erstmals nicht mehr erreicht.
-
In der 4 wurde die Dauer des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 verändert, um den beschriebenen näherungsweise ballistischen Verlauf der Ankerbewegung zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend ist es jedoch ebenso möglich, die Länge ti_ha konstant zu lassen und andere, die Ansteuerung der Magnetspule beeinflussende Größen passend zu verändern. Beispielsweise kann der durch die Magnetspule fließende Strom I bzw. ein Zeitverlauf des Stroms I in dem ersten Ansteuerzeitintervall 40 entsprechend gewählt werden, oder es kann eine Quellspannung bzw. Boostspannung, an welche die Magnetspule in dem ersten Ansteuerzeitintervall 40 geschaltet wird, entsprechend gewählt werden. Dies ist in der 4 jedoch nicht gezeigt.
-
Bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Einspritzventilen 10 wird das in der 4 beschriebene Verfahren erfindungsgemäß individuell für jedes der Einspritzventile 10 durchgeführt. Außerdem wird die Länge ti_ha in Abhängigkeit von einem Kraftstoffdruck, einer Kraftstofftemperatur und einer Kraftstoffsorte ermittelt und in einem Kennfeld einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine abgespeichert. Somit können bei wechselnden Betriebsbedingungen der Einspritzventile 10 bzw. der Brennkraftmaschine im Allgemeinen die jeweiligen Längen ti_ha vorteilhaft aus dem Kennfeld ausgelesen werden.
-
Weiterhin können erfindungsgemäß die Längen ti_ha des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 dann ermittelt werden, wenn beispielsweise ein Kraftstoffdruck und/oder eine Kraftstofftemperatur um mehr als einen vorgebbaren Grenzwert verändert ist, und/oder wenn eine Betankung des Kraftfahrzeugs erfolgte, und/oder wenn eine vorgegebene Betriebsdauer des Einspritzventils 10 bzw. der Brennkraftmaschine erreicht wurde.
-
5 zeigt ein Diagramm eines Zusammenhangs zwischen der auf der Ordinate aufgetragenen Schließtotzeit 60 und der auf der Abszisse aufgetragenen Ansteuerdauer ti. Man erkennt, dass die Schließtotzeit 60 mit steigender Ansteuerdauer ti - für eine im Wesentlichen ballistische Bewegung des Ankers 26, also für vergleichsweise kleine Ansteuerdauern ti - mit zunehmendem ti zunächst monoton steigt. Ab einer bestimmten Ansteuerdauer ti fällt die Kurve der Schließtotzeit 60 jedoch mit weiter zunehmender Ansteuerdauer ti wieder ab. Es ergibt sich somit ein relatives Maximum 80 des beschriebenen Zusammenhangs. Die zu dem relativen Maximum 80 gehörende Ansteuerdauer ti ergibt die oben beschriebene Ansteuerdauer ti_ha, bei welcher der Anker 26 erstmals den Hubanschlag 16 gerade noch nicht erreicht oder ihn mit einer nur geringfügigen Geschwindigkeit erreicht. Dies entspricht der besagten ballistischen Bewegung des Ankers 26.
-
Der Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer ti und der Schließtotzeit 60 kann alternativ zu dem zuvor beschriebenen Verfahren mit sukzessiver Erhöhung oder Absenkung der Ansteuerdauer ti auch ermittelt werden, indem die Schließtotzeit 60 bei im interessierenden Intervall in beliebiger Abfolge variierender Ansteuerdauer ti gemessen und so eine Kennlinie mit relativem Maximum 80 gebildet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Ansteuerdauer ti nicht unbedingt fest vorgegeben werden muss, sondern dass immer dann, wenn in einem interessierenden Wertebereich des Kraftstoffdrucks ohnehin Einspritzungen mit im interessierenden Bereich liegenden Ansteuerdauern ti abgesetzt werden, die Schließtotzeit 60 dazu gemessen wird und das so gewonnene Wertepaar der Schließtotzeit 60 und der Ansteuerdauer ti abgespeichert wird. Auf diese Weise wird die gewünschte Kennlinie im normalen Betrieb nach und nach durch die ermittelten Wertepaare befüllt.
-
6 zeigt einen zu der 5 ähnlichen Zusammenhang zwischen der Schließtotzeit 60 und der Ansteuerdauer ti mittels dreier Kurven 82, 84 und 86, welche unterschiedliche Kraftstoffdrücke als Parameter aufweisen, vorliegend für einen geringen, einen mittleren und einen hohen Kraftstoffdruck. Für jede der Kurven 82, 84 und 86 kann ein relatives Maximum 80 ermittelt werden.
-
7 zeigt eine zu der 3 alternative Möglichkeit, die Länge ti_ha zu ermitteln. Vorliegend wird dies durch einen Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer ti und der Öffnungsdauer d ermöglicht, welcher zu einer vergleichbaren Länge ti_ha führt, wie der in der 3 beschriebene Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer ti und der Schließtotzeit 60.
-
Dargestellt ist in der 7 ein Zeitdiagramm, in welchem die Auslenkung A der Ventilnadel 20 in Bezug auf den Ventilsitz 28 über einer Zeit t aufgetragen ist. In der 7 sind dazu fünf Kurven aufgetragen, die sich nur durch geringfügig voneinander abweichende Längen der ersten Ansteuerzeitintervalle 40 unterscheiden, in denen die Magnetspule bestromt wird. Die unterschiedlichen Ansteuerzeitintervalle 40 sind in der 7 mit den Bezugszeichen ti1, ti2, ti3, ti4, ti5 gekennzeichnet. Zum Zwecke der Vereinfachung werden nachfolgend auch die zugehörigen Kurven mit diesen Bezugszeichen bezeichnet.
-
Hinsichtlich der unterschiedlichen ersten Ansteuerzeitintervalle 40 gilt folgender Zusammenhang: ti1 < ti2 < ti3 < ti4 < ti5. Die Längen der Ansteuerzeitintervalle 40 werden also ausgehend von der Ansteuerdauer ti1 immer größer.
-
Die Kurven ti1, ti2, ti3, die in der 7 mit einem Rechteck, einem Dreieck und einem Kreis gekennzeichnet sind, zeichnen sich dadurch aus, dass die Bewegung des Ankers 26 rein ballistisch ist, dass also kein Aufschlagen des Ankers 26 an dem Hubanschlag 16 erfolgt. Diese ballistische Bewegung des Ankers 26 hat zur Folge, dass die Öffnungsdauer d des Einspritzventils 10 bzw. der Ventilnadel 20 immer größer wird, je größer das erste Ansteuerzeitintervall 40 der Ansteuerung der Magnetspule ist. So ergibt sich beispielhaft für die Kurve ti1 eine Öffnungsdauer d1 und für die Kurve ti3 eine größere Öffnungsdauer d3. Die Öffnungsdauer d wird dabei als die Zeitspanne zwischen dem Abheben der Ventilnadel 20 aus dem Ventilsitz 28 und dem erneuten Erreichen des Ventilsitzes 28 definiert.
-
Die Kurven ti4, ti5, die in der 7 mit einem Querstrich und einem Kreuz gekennzeichnet sind, zeichnen sich dadurch aus, dass der Anker 26 damit beginnt, an dem Hubanschlag 16 aufzuschlagen, wobei der Anker 26 zumindest zeitweise den Bereich des Hubanschlags 16 erreicht.
-
Bei der Kurve ti4 ist das Aufschlagen des Ankers 26 nur in sehr geringem Umfang vorhanden, so dass die Ventilnadel 20 auch nur in sehr geringem Umfang einen Überschwinger ausführt. Aufgrund des Aufprallens des Ankers 26 auf dem Hubanschlag 16 sowie aufgrund des dem Überschwinger nachfolgenden Zurückfallens der Ventilnadel 20 auf den Anker 26 erreicht die Ventilnadel 20 bei der Kurve ti4 den Ventilsitz 28 etwas früher als bei der Kurve ti1. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Öffnungsdauer d4 der Kurve ti4 trotz des größeren ersten Ansteuerzeitintervalls 40 kleiner ist als die Öffnungsdauer d1 bei der Kurve ti1.
-
Bei der Kurve ti5 ist das Aufschlagen des Ankers 26 in einem etwas weitergehenden Umfang vorhanden als bei der Kurve ti4. Dies hat zur Folge, dass die Ventilnadel 20 bei der Kurve ti5 einen etwas stärkeren Überschwinger aufweist und damit nach dem Überschwinger auch stärker auf den Anker 26 zurückfällt als bei der Kurve ti4. Dies führt dazu, dass die Kurve ti5 den Ventilsitz 28 etwas früher erreicht als die Kurve ti4, was gleichbedeutend damit ist, dass die Öffnungsdauer d5 der Kurve ti5 trotz der größeren Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 kleiner ist als die Öffnungsdauer d4 bei der Kurve ti4.
-
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass eine weitere Vergrößerung des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 dazu führen würde, dass die in der 7 gezeigten Kurven zumindest in dem Anstiegs- und Umkehrbereich ihrer Bewegung immer mehr von einem ballistischen Verlauf abweichen würden. Bei den Kurven der 7 würde der Anker 26 also immer stärker an dem Hubanschlag 16 aufschlagen und abprallen und die Ventilnadel 20 würde aus einem immer größeren Überschwinger auf den Anker 26 zurückfallen.
-
Wie aus der 7 hervorgeht, handelt es sich bei der Kurve ti3 um diejenige Kurve, die die größte Öffnungsdauer d3 aufweist. Dies ist, wie erläutert wurde, darin begründet, dass der Anker 26 bei der Kurve ti3 einerseits gerade noch nicht am Hubanschlag 16 abprallt, und dass die Kurve ti3 andererseits von allen Kurven, die kein Anschlagen des Ankers 26 am Hubanschlag 16 charakterisieren, diejenige Kurve mit dem längsten ersten Ansteuerzeitintervall 40 ist. Dadurch wird vergleichbar zu der 5 ebenfalls ein relatives Maximum 80 in Bezug auf die Ansteuerdauer ti beschrieben. Die Ansteuerdauer ti3 entspricht somit im Wesentlichen der Länge ti_ha des ersten Ansteuerzeitintervalls 40.
-
Bei einem bestimmten Einspritzventil 10 oder bei einem bestimmten Typ des Einspritzventils 10 kann das vorgenannte erste Ansteuerzeitintervall ti3 mit Hilfe von praktischen Versuchen oder sonstigen geeigneten Maßnahmen vorab oder gegebenenfalls auch im normalen Betrieb ermittelt werden.
-
Es sei angemerkt, dass in der 7 im rechten unteren Bereich der Zeichnung die Kurven ti1 bis ti5 scheinbar unterhalb der Position des Ventilsitzes 28 verlaufen. Dies ist durch Eigenarten der Messung bzw. der Darstellung bedingt und hat auf die beschriebene Ermittlung des relativen Maximums 80 keinen wesentlichen Einfluss.
-
Es versteht sich für die 5 und ebenso für die 7, dass die Ansteuerung der Magnetspule statt mit einem veränderlichen ersten Ansteuerzeitintervall 40 alternativ mit einem veränderlichen Strom I beziehungsweise einer veränderlichen Quellspannung parametriert sein kann, um das beschriebene relative Maximum 80 zu ermitteln. Eine Veränderung der Länge des ersten Ansteuerzeitintervalls 40 ist jedoch technisch besonders einfach.
-
8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer ti der Magnetspule einerseits und einer von dem Einspritzventil 10 abgesetzten Kraftstoffmenge 90 andererseits. Dargestellt ist eine erste Kurve 92, welche zum Vergleich den Stand der Technik charakterisiert, und einen zweite Kurve 94, welche die Erfindung charakterisiert.
-
Ein Bereich 96 in der Zeichnung links der beiden Kurven 92 und 94 entspricht einem Betriebsbereich des Einspritzventils 10 mit einer ballistischen Bewegung des Ankers 26 in Richtung auf den Hubanschlag 16, und ein Bereich 98 rechts der beiden Kurven 92 und 94 entspricht dem Volllastbereich des Einspritzventils 10. Die in der 8 gezeigten Kurven 92 und 94 stellen somit den Übergangsbereich zwischen dem ballistischen Bereich und dem Volllastbereich dar.
-
Man erkennt, dass bei erfindungsgemäßer Ansteuerung der Magnetspule der Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer ti und der abgesetzten Kraftstoffmenge 90 monoton ansteigt. Dadurch ist auch in dem Übergangsbereich dieser Zusammenhang eindeutig und näherungsweise linear. Der Betrieb des Einspritzventils 10 wird somit verbessert.
