DE102011086957A1

DE102011086957A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils, sowie Computerprogramm und Steuer- und/oder Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE102011086957A1
Application number: DE102011086957A
Authority: DE
Inventors: Christian Szonn; Oezguer Tuerker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-23
Also published as: KR101972192B1; EP2783093A1; IN2014DN01826A; US20140283793A1; WO2013075962A8; CN103946523A; WO2013075962A1; KR20140094567A

Abstract

Ein Ansteuersignal zur Ansteuerung eines Magnetventils, insbesondere eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, weist eine Anzugsphase und eine Haltephase auf. Die Anzugsphase weist einen vergleichsweise hohen Strom und eine maximal zulässige Dauer und die Haltephase einen vergleichsweise niedrigen Strom und eine minimal zulässige Dauer (MHD) auf. Es wird vorgeschlagen, dass zumindest zeitweise die minimal zulässige Dauer (MHD) der Haltephase von einer Soll-Gesamtdauer (GAD) des Ansteuersignals abhängt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Computerprogramm sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
Moderne Brennkraftmaschinen weisen häufig ein Common-Rail-Kraftstoffsystem auf, bei dem Injektoren den Kraftstoff direkt in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Typische Injektoren weisen eine über einen Anker auf ein Ventilelement wirkende elektromagnetische Betätigungseinrichtung auf. Die Menge des Kraftstoffs wird von einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine über die Verstellung des Kraftstoffdrucks im Common-Rail und die Verstellung der Dauer der elektrischen Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung des Injektors gesteuert. Diese Ansteuerung setzt sich aus mehreren Bestromungsphasen mit jeweils unterschiedlichen Stromstärken und Dauern zusammen. Typischerweise ist eine erste Bestromungsphase eine sogenannte „Anzugsphase“ und zweite Bestromungsphase eine sogenannten „Haltephase“. Die Anzugsphase hat ein höheres Stromniveau als die Haltephase und dient vor allem dazu, ein möglichst rasches Öffnen des Injektors herbeizuführen. Die Haltephase hat ein niedrigeres Stromniveau als die Anzugsphase und dient vor allem dazu, den Injektor mit möglichst geringem Energieeinsatz offen zu halten.
Für die Anzugsphase ist eine maximal zulässige Dauer, für die Haltestromphase eine minimal zulässige Dauer appliziert. Ist die gesamte Ansteuerdauer kleiner als die Summe aus maximaler Dauer der Anzugsphase und minimaler Dauer der Haltestromphase, so wird die Dauer der Anzugsphase verändert, während die Dauer der Haltephase konstant ihren applizierten Mindestwert beibehält. Ist die gesamte Ansteuerdauer größer als die Summe aus maximal zulässiger Dauer der Anzugsphase und minimal zulässiger Dauer der Haltephase, wird die Dauer der Haltephase verändert, während die Dauer der Anzugsphase konstant ihren applizierten Maximalwert beibehält. Vor allem bei kurzen Ansteuerdauern wird bei dieser Ansteuerstrategie bisweilen eine gewisse Welligkeit der Beziehung zwischen Ansteuerdauer und eingespritzter Kraftstoffmenge beobachtet.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Applizierbarkeit der Beziehung (Kennfeld oder der Kennlinie), welche die Einspritzmenge mit dem Ansteuersignal verknüpft, zu vereinfachen. Auch sollen Mengenkorrekturfunktionen vereinfacht werden oder vielleicht sogar ganz entfallen können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wichtige Merkmale auch in der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Dank der Erfindung ist es möglich, die vor allem bei geringen Ansteuerdauern vorhandene Welligkeit der Beziehung zwischen eingespritzter Kraftstoffmenge und Ansteuersignal zu verringern, diese Beziehung also zumindest in einem gewissen Umfang zu linearisieren. Dies erleichtert die Applikation des entsprechenden Kennfelds oder der entsprechenden Kennlinie und führt zu Kosteneinsparungen, geringerem Rechenaufwand etc.. Grundgedanke der Erfindung ist es, das Prinzip der Vorgabe einer minimal zulässigen Dauer der Haltephase zwar beizubehalten, diese minimal zulässige Dauer aber variabel zu machen, nämlich variabel in Abhängigkeit von der Soll-Gesamtdauer des Ansteuersignals.
Die minimal zulässige Dauer der Haltephase sollte bei einer vergleichsweise kurzen Soll-Gesamtdauer länger sein als bei einer vergleichsweise langen Soll-Gesamtdauer. Dies führt dazu, das dann, wenn eine vergleichsweise kurze Soll-Gesamtdauer gewünscht ist, aufgrund der längeren minimal zulässigen Dauer der Haltephase die Anzugsphase mit ihrem vergleichsweise hohen Stromniveau verkürzt wird. Dies führt zu einem frühzeitigeren Abfall der Magnetkraft und somit zu einem frühzeitigeren Schließen des Magnetventils.
Möglich ist aber auch, dass die minimal zulässige Dauer der Haltephase bei einer vergleichsweise kurzen Soll-Gesamtdauer kürzer ist als bei einer vergleichsweise langen Soll-Gesamtdauer. Hierdurch wird die Welligkeit der Beziehung zwischen eingespritzter Kraftstoffmenge und Ansteuersignal zwar eher nicht verringert, aber es werden ganz neue Anpassungsmöglichkeiten geschaffen, die eine optimale Kraftstoffeinspritzung mit geringem Verbrauch und geringen Emissionen ermöglichen.
Das Verfahren wird vorteilhafterweise nur dann angewandt, wenn sich die Soll-Gesamtdauer des Ansteuersignals zumindest auch aus der minimal zulässigen Dauer der Haltephase zusammen setzt. Nur in solchen Betriebssituationen kommt die Variabilität der minimal zulässigen Dauer der Haltephase überhaupt zum Tragen. Wird nur in solchen Betriebssituationen die Variabilität überhaupt realisiert, werden insgesamt Rechenresourcen gespart.
Eine besonders einfach Form der Abhängigkeit zwischen der minimal zulässigen Dauer der Haltephase und der Soll-Gesamtdauer des Ansteuersignals ist eine lineare Abhängigkeit, die bereits zu einer sehr guten Vergleichmäßigung der Abhängigkeit der vom Magnetventil abgesteuerten Fluidmenge von der Ansteuerdauer führt. Grundsätzlich denkbar und ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist aber auch jede andere Art von Abhängigkeit, beispielsweise exponentiell, gestuft, oder ähnliches.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit mehreren Kraftstoff-Einspritzventilen,
2 ein Diagramm, in dem ein Ansteuerstrom einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung eines der Kraftstoff-Einspritzventile von 1 über der Zeit aufgetragen ist,
3 eine Darstellung ähnlich 2 für verschiedene Ansteuerdauern,
4 eine Darstellung ähnlich 2 mit einer längeren minimal zulässigen Dauer einer Haltephase und einer kürzeren minimal zulässigen Dauer einer Haltephase, wobei zusätzlich eine Magnetkraft und ein Ankerhub aufgetragen sind,
5 ein Diagramm, in dem eine Dauer der Haltephase und eine Einspritzmenge über der Ansteuerdauer für ein herkömmliches und ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ansteuerung des Kraftstoff-Einspritzventils von 1 aufgetragen sind.
Eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Kraftstofftank 12, aus dem eine Kraftstoff-Fördereinrichtung 14 Kraftstoff unter hohem Druck in ein Common-Rail 16 pumpt. Die Kraftstoff-Fördereinrichtung 14 kann beispielsweise eine elektrische Vorförderpumpe und eine mechanisch angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit einem Mengensteuerventil umfassen.
An das Common-Rail 16 sind mehrere Kraftstoff-Einspritzventile 18 angeschlossen, von denen in 1 nur eines dargestellt ist. Jedes Kraftstoff-Einspritzventil 18 verfügt über eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 20, die über einen nicht gezeigten Anker bei einer Betätigung ein nicht gezeigtes Ventilelement von einer geschlossenen in eine geöffnete Position bewegt. Bei dem Kraftstoff-Einspritzventil 18 handelt es sich insoweit also um ein Magnetventil. Das Kraftstoff-Einspritzventil 18 spritzt den Kraftstoff direkt in einen Brennraum 22 der Brennkraftmaschine 10 ein.
Die Menge des von dem Kraftstoff-Einspritzventil 18 in den Brennraum 22 eingespritzten Kraftstoffs wird einerseits über die Verstellung des im Common-Rail 16 herrschenden Kraftstoffdrucks und andererseits über eine Einstellung der
Dauer der elektrischen Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 20 bewirkt. Hierzu dient eine Steuer- und Regeleinrichtung 24, die Signale von verschiedenen Sensoren erhält und entsprechende Steuersignale ausgibt. Signale erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 24 beispielsweise von einem Drucksensor 26, der den im Common-Rail 16 herrschenden Kraftstoffdruck erfasst. Ferner erhält die Steuer- und Regeleinrichtung 24 Signale von einem Fahrpedalsensor 28, der den von einem Benutzer durch entsprechendes Niederdrücken eines Fahrpedals 30 geäußerten Drehmomentwunsch wiedergibt. Angesteuert werden von der Steuer- und Regeleinrichtung 24 zum einen die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 20 des Kraftstoff-Einspritzventils 18 und zum anderen die Kraftstoff-Fördereinrichtung 14, beispielsweise ein dort vorhandenes Mengensteuerventil.
Ein typisches Ansteuersignal (Strom I) für einen einzelnen Vorgang zur Einspritzung von Kraftstoff ist in 2 über einer Zeit t aufgetragen. Die Betromung beginnt zu einem Zeitpunkt t0. Über eine ansteigende Flanke wird ein Anzugsstrom I1 angefahren. Zu einem Zeitpunkt t1 wird der Strom I abgesenkt auf ein Niveau I2. Zu einem Zeitpunkt t2 wird die Bestromung mit abfallender Flanke beendet. Die Phase zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 wird als Anzugsphase 32 bezeichnet, da durch sie ein nicht gezeigter Anker der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 20 mit großer Geschwindigkeit angezogen wird. Die Dauer der Anzugsphase 32 wird auch als Anzugsstromdauer AD bezeichnet. Der Zeitraum zwischen t1 und t2 wird als Haltephase 34 bezeichnet. Ihre Dauer wird auch als Haltestromdauer HD bezeichnet. Die Haltephase 34 dient dazu, dass Kraftstoff-Einspritzventil 18 bei möglichst geringem Energieeinsatz geöffnet zu halten. Die Soll-Gesamtansteuerdauer ist in 2 mit GAD bezeichnet.
Wie aus 3 hervorgeht, ist für die Anzugsphase 32 eine maximal zulässige Anzugsstromdauer MAD definiert, wohingegen für die Haltephase 34 eine minimal zulässige Haltestromdauer MHD definiert ist. Ist die gesamt Soll-Ansteuerdauer GAD kleiner als die Summe aus maximal zulässiger Anzugsstromdauer MAD und minimal zulässiger Haltestromdauer MHD (gestrichelte Kurve in 3), so wird die Anzugsstromdauer AD verändert, um die gewünschte Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals zu erreichen, während die Haltestromdauer HD den definierten minimal zulässigen Wert MHD beibehält. Wie weiter unten ausgeführt werden wird, ist vorliegend die minimal zulässige Dauer des Haltestroms I in diesem Fall variabel, nämlich abhängig von der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals. Ist die gewünschte Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals dagegen größer als die Summe aus maximal zulässiger Anzugsstromdauer MAD und minimal zulässiger Haltestromdauer MHD, so wird die Haltestromdauer HD verändert (verlängert), um die gewünschte Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals zu erreichen, wohingegen die Anzugsstromdauer AD konstant ihren definierten maximal zulässigen Wert MAD beibehält (strichpunktierte Kurve in 3).
Wie bereits erwähnt, wird vorliegend bei solchen Betriebsphasen, in denen die minimal zulässige Dauer MHD der Haltephase 34 zum Tragen kommt ("MHD aktiv"), die minimal zulässige Dauer MHD der Haltephase 34 von der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals abhängig gemacht. Bei einer vergleichsweise kurzen gewünschten Soll-Gesamtdauer GAD ist dabei die minimal zulässige Dauer MHD der Haltephase 34 länger als bei einer vergleichsweise langen Soll-Gesamtdauer GAD. Dies wird nun unter Bezugnahme auf 4 erläutert: Dort ist durchgezogen ein herkömmliches Steuersignal bei einer vergleichsweise kurzen Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals I aufgetragen, wohingegen gestrichelt der Verlauf des Ansteuersignals I bei der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 10 aufgetragen ist. Man erkennt, dass vorliegend die minimal zulässige Dauer MHD der Haltephase 34 gegenüber einer herkömmlichen Brennkraftmaschine verlängert ist, was, um zu einer gleichen Soll-Gesamtdauer GAD zu führen, zwingend eine Verkürzung der Anzugsstromdauer AD der Anzugsphase 32 zur Folge hat. Dies führt zu einem früheren Abfall der Magnetkraft (Kurve MK in 4) und somit zu einem früheren Schließen des Kraftstoff-Einspritzventils 18 (Kurve H für den Hub des nicht gezeigten Ankers der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 20). Grundsätzlich denkbar, jedoch nicht dargestellt ist auch eine Realisierung in der entgegengesetzten Richtung: Wenn zu erwarten ist, dass weniger als die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, kann die minimal zulässige Dauer MHD reduziert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Magnetkraft MK, somit zu einem späteren Schließen der Kraftstoff-Einspritzventils 18, und im Endeffekt zu einer Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge.
Die Abhängigkeit der minimal zulässigen Dauer MHD der Haltephase 34 von der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals geht besonders gut aus 5 hervor. Dort ist die Dauer HD der Haltephase 34 über der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals aufgetragen. Ebenfalls aufgetragen in 5 ist über der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals die von dem Kraftstoff-Einspritzventil 18 eingespritzte Kraftstoffmenge Q. Durchgezogen dargestellt ist wiederum der herkömmliche Fall, bei der die besagte Abhängigkeit nicht vorliegt, gestrichelt der bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 10 angewandte Fall, bei dem dann, wenn die minimal zulässige Dauer MHD aktiv ist (der Bereich, in dem die minimal zulässige Dauer MHD für die Haltephase 34 aktiv ist, ist in 5 mit 36 bezeichnet), diese minimal zulässige Dauer MHD der Haltephase 34 in linearer Weise von der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals abhängt (in 5 linker Abschnitt der Kurve HD). Man erkennt, dass dies zu einer deutlichen Vergleichmäßigung der Abhängigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge Q von der Soll-Gesamtdauer GAD des Ansteuersignals führt, insbesondere bei kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen Q und entsprechenden kleinen Soll-Gesamtdauern GAD.
Eine Alternative ist in 5 ebenfalls gezeichnet, nämlich durch strichpunktierte Linien: Bei dieser ist der Zusammenhang zwischen der minimal zulässigen Dauer MHD der Haltephase 34 zwar ebenfalls linear, aber mit umgekehrter Steigung und einem Sprung am Ende des Bereichs 36. Dies führt zu der ebenfalls in 5 dargestellten Abhängigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge Q von der Soll-Gesamtansteuerdauer GAD des Ansteuersignals mit einer zum Ausgangszustand umgekehrten Welligkeit.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils, insbesondere eines Kraftstoff-Einspritzventils (18) einer Brennkraftmaschine (10), bei dem das Ansteuersignal eine Anzugsphase (32) und eine Haltephase (34) aufweist, wobei die Anzugsphase (32) einen vergleichsweise hohen Strom (I) und eine maximal zulässige Dauer (MAD) und die Haltephase (34) einen vergleichsweise niedrigen Strom (I) und eine minimal zulässige Dauer (MHD) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise die minimal zulässige Dauer (MHD) der Haltephase (34) von einer Soll-Gesamtdauer (GAD) des Ansteuersignals abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal zulässige Dauer (MHD) der Haltephase (34) bei einer vergleichsweise kurzen Soll-Gesamtdauer (GAD) länger ist als bei einer vergleichsweise langen Soll-Gesamtdauer (GAD).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal zulässige Dauer (MHD) der Haltephase (34) bei einer vergleichsweise kurzen Soll-Gesamtdauer (GAD) kürzer ist als bei einer vergleichsweise langen Soll-Gesamtdauer (GAD).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal zulässige Dauer (MHD) der Haltephase (34) nur dann von einer Soll-Gesamtdauer (GAD) des Ansteuersignals abhängt, wenn sich die Soll-Gesamtdauer (GAD) des Ansteuersignals zumindest auch aus der minimal zulässigen Dauer (MHD) der Haltephase (34) zusammensetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit zwischen minimal zulässiger Dauer (MHD) der Haltephase (34) und der Soll-Gesamtdauer (GAD) des Ansteuersignals linear ist.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 programmiert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (24) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihr ein Computerprogramm nach Anspruch 6 ablauffähig ist.