DE102012216611A1

DE102012216611A1 - Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102012216611A1
Application number: DE201210216611
Authority: DE
Inventors: Jiahang Jin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils (35), wobei ein Ventilelement (50) des Magnetventils (35) durch eine Vorspannkraft in eine erste Position (57) und durch eine Elektromagnetkraft in eine zweite Position (59) gebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird in mindestens einem ersten Zeitintervall vor oder nach dem Beginn einer Bewegungsansteuerung und vor dem vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements (50) von der ersten in die zweite Position (57, 59) eine erste elektrische Zustandsgröße des Magnetventils (35) ermittelt, und in mindestens einem zweiten Zeitintervall vor oder nach dem Ende einer Halteansteuerung und vor dem vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements (50) von der zweiten in die erste Position (59, 57) eine zweite elektrische Zustandsgröße des Magnetventils (35) ermittelt. Aus einem Vergleich der ersten mit der zweiten elektrischen Zustandsgröße wird dann auf einen Zustand des Magnetventils (35) geschlossen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Vom Markt her bekannt sind Brennkraftmaschinen, welche ein in einer Abgasanlage durchströmendes Abgas mittels eines oder mehrerer Katalysatoren verbessern können. Beispielsweise umfasst die Abgasanlage einen so genannten "SCR-Katalysator" (SCR bedeutet "selective catalytic reduction"). Im Allgemeinen wird stromaufwärts des SCR-Katalysators eine wässrige Harnstofflösung gelegentlich oder periodisch in das Abgas eingebracht. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Dosierventils, welches elektrisch betätigbar ist und im Allgemeinen eine Offenstellung und eine Schließstellung annehmen kann. Eine ordnungsgemäße Funktion dieses Dosierventils ist für eine solche Abgasanlage wichtig. Insbesondere kann es schädlich sein, wenn das Dosierventil blockiert und somit entweder dauernd geöffnet oder dauernd geschlossen ist.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein elektromagnetisch betätigbares Magnetventil, bei welchem ein Ventilelement in eine erste bzw. eine zweite Position gebracht werden kann, besonders gut überwacht werden kann. Insbesondere kann auf einen Zustand des Magnetventils geschlossen werden und beispielsweise ein Blockieren des Magnetventils in einer Offenstellung oder einer Schließstellung vergleichsweise sicher erkannt werden. Dafür sind keine zusätzlichen Elemente und/oder zusätzliche elektrische Leitungen an dem Magnetventil erforderlich. Der derart ermittelte Zustand des Magnetventils kann an eine Diagnoseeinrichtung, beispielsweise an die eines Kraftfahrzeugs, übermittelt werden.
Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen unabhängig von einem Wert einer Betriebsspannung, und/oder von einer Federkraft, einer Temperatur und/oder einem Fluiddruck. Das Verfahren wird nur wenig oder gar nicht durch eine zur Ansteuerung des Magnetventils verwendete Pulsbreitenmodulation beeinflusst. Es ist nicht erforderlich, eine zeitliche Ableitung zu ermitteln, wodurch Rechenaufwand gespart wird. Eine Abtastrate kann vergleichsweise klein sein, wobei ein Aufwand zur Filterung von Signalen gering ist. Ein Speicherbedarf in einem Datenspeicher kann klein sein. Das Verfahren arbeitet vergleichsweise genau, da ein durch eine Magnetspule fließender Strom (bzw. Stromverlauf) in einem Bereich mit relativ großen Werten ermittelt werden kann. Ein unerwünschtes Ventilschließen während der Ansteuerung kann erkannt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils, wobei das Ventilelement des Magnetventils durch eine Vorspannkraft in eine erste Position und durch eine Elektromagnetkraft in eine zweite Position gebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird in mindestens einem ersten Zeitintervall vor oder nach dem Beginn einer Bewegungsansteuerung und vor dem vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements von der ersten in die zweite Position ein erster Wert einer elektrischen Zustandsgröße des Magnetventils ermittelt. In mindestens einem zweiten Zeitintervall vor oder nach dem Ende einer Halteansteuerung und vor dem vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements von der zweiten in die erste Position wird ein zweiter Wert der elektrischen Zustandsgröße des Magnetventils ermittelt. Weiterhin wird erfindungsgemäß aus einem Vergleich des ersten mit dem zweiten Wert der elektrischen Zustandsgröße auf einen Zustand des Magnetventils geschlossen. Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass ein Anker des Magnetventils vergleichsweise starr mit dem Ventilelement gekoppelt ist und daher zusammen mit dem Ventilelement eine jeweilige erste und zweite Position annehmen kann. Entsprechend dieser ersten und zweiten Position des Ankers können jeweilige Werte einer elektrischen Zustandsgröße des Magnetventils in Abhängigkeit von der Position des Ankers unterschiedlich sein. Vorzugsweise wird dabei der erste Wert der elektrischen Zustandsgröße in einem Zeitintervall nach dem Beginn einer Bewegungsansteuerung, beispielsweise nach dem Beginn einer Bestromung einer Magnetspule des Magnetventils, ermittelt. Entsprechend wird der zweite Wert der elektrischen Zustandsgröße in einem Zeitintervall nach dem Ende einer Halteansteuerung, also beispielsweise nach dem Ende einer Haltebestromung, ermittelt. Dabei erfolgt die Ermittlung der Werte der elektrischen Zustandsgröße jeweils vor dem vermuteten Beginn der Bewegung des Ventilelements bzw. des Ankers und somit in einer jeweiligen mechanischen Endposition. Dadurch wird erreicht, dass die ermittelten Werte der elektrischen Zustandsgröße vergleichsweise stark voneinander verschieden sind und somit gut miteinander verglichen werden können. Vereinfacht kann gesagt werden, dass bei einem relativ großen Unterschied das Magnetventil vermutlich ordnungsgemäß funktioniert und bei einem verschwindenden oder nur kleinen Unterschied eine Blockierung des Magnetventils zu vermuten ist.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die elektrische Zustandsgröße eine Induktivität der Magnetspule des Magnetventils bzw. eine durch die Magnetspule charakterisierte erste Zeitkonstante. Entsprechend der jeweiligen Endposition des Ankers ist ein Magnetkreis des Magnetventils "offen" bzw. "geschlossen" und ein jeweiliger magnetischer Fluss und daraus folgend die jeweilige Induktivität entsprechend klein bzw. groß. Vorzugsweise wird eine die jeweilige Induktivität charakterisierende Zeitkonstante ermittelt. Dies kann erfindungsgemäß in vielen Fällen in einem normalen Betrieb des Magnetventils erfolgen, wobei es häufig nicht erforderlich ist, einen zeitlichen Verlauf eines durch die Magnetspule fließenden Stroms ("Stromverlauf") für das erfindungsgemäße Verfahren zu modifizieren. Eine das Verfahren kennzeichnende "Wirkungskette" ist vorzugsweise derart bestimmt, dass aus dem Stromverlauf auf die Zeitkonstanten, aus den Zeitkonstanten auf die Induktivitäten, und aus den Induktivitäten auf die erfolgte bzw. nicht erfolgte Bewegung des Ventilelements ("Nadelbewegung") geschlossen wird. Dabei werden die Induktivitäten bzw. die Zeitkonstanten unter Verwendung von an elektrischen Anschlüssen der Magnetspule anliegenden Signalen ermittelt, wodurch Kosten gespart werden können.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Induktivität bzw. die Zeitkonstante unter Verwendung von einem Spulenwiderstand, einem Maximalstrom und/oder einer Betriebsspannung des Magnetventils ermittelt werden. Dieser an sich bekannte Zusammenhang zwischen der Induktivität, dem Spulenwiderstand und der Betriebsspannung, an welche die Magnetspule geschaltet wird, und dem sich daraus ergebenen Stromverlauf wird erfindungsgemäß für die Ermittlung der ersten und zweiten Zeitkonstante verwendet. Dadurch wird das Verfahren vereinfacht.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste (durch die Vorspannkraft bestimmte) Position eine Schließstellung und die zweite (durch die Elektromagnetkraft bestimmte) Position eine Offenstellung des Magnetventils ist. Ohne Bestromung der Magnetspule ist das Magnetventil also geschlossen, was einen unerwünschten Abfluss eines jeweils zu steuernden Mediums beim eventuellen Ausfall der Betriebsspannung vorteilhaft verhindert.
Vorzugsweise werden bei einer Betätigung des Magnetventils zum Bewegen des Ventilelements von der ersten in die zweite Position einer oder mehrere der folgenden Schritte durchgeführt, um auf den Zustand des Magnetventils zu schließen:

– Ermitteln der Betriebsspannung des Magnetventils und gegebenenfalls eines elektrischen Widerstands der Magnetspule. Dadurch werden zwei elektrische Parameter ermittelt, welche nachfolgend gegebenenfalls erforderlich sind.
– Ermitteln eines ersten Spulenstroms und eines zugehörigen ersten Zeitpunkts, welche einen vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements zumindest in etwa charakterisieren, wobei die Ermittlung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung, einer Temperatur und/oder einem Fluiddruck des Magnetventils erfolgt. Dadurch kann in Abhängigkeit von dem ersten Spulenstrom bzw. dem ersten Zeitpunkt der Beginn der Ankerbewegung ermittelt werden. Die Temperatur kann den ohmschen Widerstand der Magnetspule beeinflussen und somit – unberücksichtigt – auch die Ermittlung der unten beschriebenen Zeitkonstanten betreffen.
– Ermitteln eines maximalen Spulenstroms, welcher kleiner als der erste Spulenstrom ist und eines zugehörigen zweiten Zeitpunkts. Dadurch wird ein oberer Schwellwert für einen Strombereich ermittelt, innerhalb dessen das Verfahren durchgeführt wird.
– Ermitteln eines minimalen Spulenstroms und eines zugehörigen dritten Zeitpunkts. Dadurch kann ein so genannter "Kleinstrombereich" vermieden und somit die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden.
– Ermitteln eines Zeitverlaufs des Spulenstroms in einem durch den zweiten und den dritten Zeitpunkt bestimmten Zeitintervall. Dieses Zeitintervall ist also für das Verfahren besonders geeignet, da der Anker noch sicher in der ersten Position verharrt und zugleich der Spulenstrom ausreichend groß in Bezug auf mögliche Störsignale ist.
– Filtern des ermittelten Zeitverlaufs. Dadurch kann das Verfahren besonders störungsarm durchgeführt werden.
– Auswählen von drei Wertepaaren des Spulenstroms und des zugehörigen Zeitpunkts in dem Zeitintervall, wobei zwei Wertepaare den maximalen und den minimalen Spulenstrom umfassen und ein drittes Wertepaar einen Mittelwert aus dem maximalen und dem minimalen Spulenstrom umfasst. Dadurch wird erreicht, dass mehrere Wertepaare vorliegen, wodurch die Genauigkeit verbessert werden kann, wie weiter unten noch beschrieben werden wird.
– Ermitteln eines Sättigungswerts des Spulenstroms. Aus dem Sättigungswert und der Betriebsspannung kann beispielsweise der Spulenwiderstand entsprechend dem ohmschen Gesetz ermittelt werden. Beispielsweise wird der Sättigungswert des Spulenstroms während eines "letzten" PWM-Impulses (PWM bedeutet "Pulsbreitenmodulation") während einer Anzugsphase des Ankers ermittelt.
– Ermitteln von drei Zeitkonstanten unter Verwendung der drei Wertepaare; und
– Ermitteln eines ersten Mittelwerts aus den drei Zeitkonstanten. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens verbessert werden. Es sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Prinzip auch mit nur einer oder zwei oder auch mit vier oder mehr Zeitkonstanten durchführbar ist.
– Verwenden des ersten Mittelwerts als erster Wert der elektrischen Zustandsgröße.

Ergänzend kann vorgesehen sein, dass eine Bestromung der Magnetspule zumindest in dem durch den zweiten und den dritten Zeitpunkt bestimmten Zeitintervall ungetaktet erfolgt. Dadurch werden Störungen durch die PWM-Impulse verhindert und die Genauigkeit des Verfahrens somit weiter verbessert.
Vorzugsweise werden bei einer Betätigung des Magnetventils zum Bewegen des Ventilelements von der zweiten in die erste Position einer oder mehrere der folgenden Schritte durchgeführt, um auf den Zustand des Magnetventils zu schließen:

– Abschalten der Magnetspule von der Betriebsspannung und Anschalten der Magnetspule an eine Freilaufdiode. Dadurch wird die aktive Bestromung der Magnetspule beendet und zugleich wird durch die Freilaufdiode ein "passiver" Stromfluss in der Magnetspule ermöglicht, um nachfolgend die Zeitkonstanten ermitteln zu können.
– Ermitteln eines Zeitverlaufs eines durch die Magnetspule fließenden Stroms. Dieser Verfahrensschritt erfolgt vorzugsweise zeitlich unmittelbar zusammen mit dem vorangehenden Verfahrensschritt und längstens auch nur, solange in der

Freilaufdiode ein Strom fließt. Dadurch ist es nicht erforderlich, ein zulässiges Zeitintervall und/oder einen Bereich des Spulenstroms für diesen Schritt zu ermitteln.

– Filtern des ermittelten Zeitverlaufs. Dadurch kann das Verfahren besonders störungsarm durchgeführt werden.
– Auswählen von drei Wertepaaren des Spulenstroms und eines zugehörigen Zeitpunkts in einem durch das Anschalten der Magnetspule an die Freilaufdiode bzw. durch einen Stromfluss durch die Freilaufdiode bestimmten Zeitintervall.
– Ermitteln von drei Zeitkonstanten unter Verwendung der drei Wertepaare; und
– Ermitteln eines zweiten Mittelwerts aus den drei Zeitkonstanten. Dadurch kann auch hier die Genauigkeit des Verfahrens verbessert werden. Es sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Prinzip auch hier mit nur einer oder zwei oder auch mit vier oder mehr Zeitkonstanten durchführbar ist.
– Verwenden des zweiten Mittelwerts als zweiter Wert der elektrischen Zustandsgröße.

Durch die oben beschriebenen Schritte kann das Verfahren besonders einfach und genau durchgeführt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Differenz des ersten und des zweiten Mittelwerts bzw. eine Differenz der ersten und der zweiten Werte der elektrischen Zustandsgröße ermittelt wird, und dass die Differenz mit einer Temperatur der Magnetspule bewertet und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Mittels des Schwellwerts kann besonders einfach auf den Zustand des Magnetventils geschlossen werden. Durch die Bewertung mit der Temperatur können beispielsweise thermisch bedingte Veränderungen des Spulenwiderstands berücksichtigt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass dann, wenn sich die beiden Werte der elektrischen Zustandsgröße um mehr als einen Schwellenwert unterscheiden, auf eine tatsächlich erfolgte Bewegung des Ventilelements geschlossen wird. Ist die Differenz größer als der Schwellenwert, so kann also vermutet werden, dass das Magnetventil ordnungsgemäß arbeitet. Ist die Differenz dagegen kleiner als der Schwellwert, so kann eine Blockierung des Magnetventils vermutet werden. Eine zugehörige Rechenoperation ist sehr einfach und damit kostengünstig durchführbar. Ergänzend ist es denkbar, einen Betrag der beiden elektrischen Zustandsgrößen auszuwerten, um zu ermitteln, ob das Magnetventil im geöffneten oder im geschlossenen Zustand blockiert ist.
Das Verfahren ist besonders nützlich zur Überwachung einer Betätigung des Magnetventils für eine Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine. Durch eine eventuelle Blockierung des Magnetventils gegebenenfalls verursachte unzulässig hohe Emissionen im Abgas können erkannt und gegebenenfalls sogar verhindert werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung für die Brennkraftmaschine bzw. für das Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine durchgeführt. Insbesondere kann dies unter Verwendung eines Computerprogramms vergleichsweise einfach und mit geringem Aufwand erfolgen.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein vereinfachtes Schema einer Brennkraftmaschine und einer Abgasanlage;
2 ein vereinfachtes Schema eines Magnetventils;
3 ein erster Zeitverlauf eines durch eine Magnetspule des Magnetventils fließenden Stroms;
4 eine erste vereinfachte Ansteuerschaltung für die Magnetspule;
5 eine zweite vereinfachte Ansteuerschaltung für die Magnetspule;
6 ein Zeitdiagramm mit einem über der Zeit ansteigenden Strom;
7 ein Zeitdiagramm mit einem über der Zeit abfallenden Strom;
8 ein zweiter Zeitverlauf eines durch die Magnetspule fließenden Stroms und zwei Zeitverläufe mit zugehörigen Ansteuersignalen;
9 ein dritter Zeitverlauf eines durch die Magnetspule fließenden Stroms und zwei Zeitverläufe mit zugehörigen Ansteuersignalen;
10 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des Magnetventils; und
11 ein vierter Zeitverlauf eines durch die Magnetspule fließenden Stroms und ein Zeitverlauf mit einem zugehörigen Ansteuersignal.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt im unteren Bereich der Zeichnung ein vereinfachtes Schema einer Abgasanlage 10 ("Abgasnachbehandlungssystem") eines Kraftfahrzeugs. Links oberhalb der Abgasanlage 10 ist eine Brennkraftmaschine 12 symbolisch dargestellt, die über eine Rohrverbindung 14 Abgas in die Abgasanlage 10 einströmt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 ist über ankommende und abgehende elektrische Leitungen 20 und 22 mit der Brennkraftmaschine 12 sowie über ankommende und abgehende elektrische Leitungen 24 und 26 mit Komponenten der Abgasanlage 10 verbunden. Die Verbindungen sind in der Zeichnung lediglich angedeutet. Weiterhin umfasst die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 ein Computerprogramm 18 und ein oder mehrere Kennfelder oder Datenspeicher 21. Das Computerprogramm 18 kann mit dem Datenspeicher 21 Daten austauschen.
In der Abgasanlage 10 wird das Abgas im Wesentlichen von links nach rechts durchgeleitet und aufbereitet. Vorliegend handelt es sich um die Abgasanlage 10 eines Dieselkraftfahrzeugs. Die Abgasanlage 10 weist dazu in Flussrichtung des Abgases einen Diesel-Oxidationskatalysator 28, einen Dieselpartikelfilter 30, eine Zuführeinrichtung 31 für eine wässrige Harnstofflösung 33, und einen SCR-Katalysator 32 auf (SCR bedeutet engl. "selective catalytic reduction").
Die Zuführeinrichtung 31 kann mittels eines Magnetventils 35 betätigt werden. Dazu ist das Magnetventil 35 über elektrische Leitungen 37 mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 verbunden. Die Betätigung des Magnetventils 35 wird durch ein weiter unten ausführlich beschriebenes Verfahren überwacht.
Stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 28 ist eine Lambdasonde 34 im Abgasstrom angeordnet. Stromaufwärts und stromabwärts des SCR-Katalysators 32 ist je ein NOx-Sensor 36 (NOx bedeutet "Stickoxid") im Abgasstrom angeordnet. Des Weiteren weist die Abgasanlage 10 vorliegend vier Temperatursensoren 38 auf. Die Temperatursensoren 38, die Lambdasonde 34 und die NOx-Sensoren 36 sind mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 über die ankommenden und abgehenden elektrischen Leitungen 24 und 26 verbunden. Dies ist in der Zeichnung der 1 jedoch nicht einzeln dargestellt.
Im oberen rechten Bereich der Zeichnung von 1 ist ein Speicherbehälter 40 angeordnet, welcher die wässrige Harnstofflösung 33 enthält und über eine hydraulische Leitung 42 mit der Zuführeinrichtung 31 ("Dosierventil") verbunden ist.
Im Betrieb der Abgasanlage 10 wird mittels der Zuführeinrichtung 31 die wässrige Harnstofflösung 33 dosiert in die Abgasanlage 10 eingespritzt. Dazu wird das Magnetventil 35 mittels der elektrischen Leitungen 37 durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 angesteuert. Vorliegend weist das Magnetventil 35 dazu eine Magnetspule 44 mit zwei Anschlüssen auf.
Wenn ein ausreichend starker Strom 62 (siehe 8) durch die Magnetspule 44 fließt, so kann das Magnetventil 35 öffnen. Dabei wird die wässrige Harnstofflösung 33 dosiert in das Abgas eingebracht. Ist der Strom 62 abgeschaltet oder zu klein, so kann das Magnetventil 35 mittels einer durch eine Druckfeder 52 (siehe 2) erzeugten Vorspannkraft schließen.
Ist in einem ersten Störfall das Magnetventil 35 in dem geöffneten Zustand blockiert, so wird die wässrige Harnstofflösung 33 fortlaufend in das Abgas eingebracht und der Speicherbehälter 40 vergleichsweise schnell entleert. Dabei wird eine Zusammensetzung des Abgases stromabwärts des SCR-Katalysators 32 verändert, wobei gegebenenfalls gesetzliche Emissionsgrenzwerte überschritten werden.
Ist in einem zweiten Störfall das Magnetventil 35 in dem geschlossenen Zustand blockiert, so wird fortlaufend gar keine wässrige Harnstofflösung 33 in das Abgas eingebracht. Dabei wird eine Zusammensetzung des Abgases stromabwärts des SCR-Katalysators 32 ebenfalls verändert, wobei gegebenenfalls wiederum gesetzliche Emissionsgrenzwerte überschritten werden. Beide Störfälle können in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 ermittelt und an eine Diagnoseeinrichtung (OBD, engl. "on board diagnosis") übermittelt werden, siehe dazu auch das Flussdiagramm von 10.
2 zeigt einen axialen Längsschnitt des Magnetventils 35 in einem vereinfachten Schema. Vorliegend umfasst das Magnetventil 35 die – im Wesentlichen zylindrische – Magnetspule 44, welche radial außen an einem Gehäuse 46 des Magnetventils 35 angeordnet ist. Radial innerhalb des Gehäuses 46 sind ein Anker 48 und ein mit dem Anker 48 axial starr gekoppeltes Ventilelement 50 angeordnet. Ein Endabschnitt des Ankers 48 im rechten Bereich der Zeichnung wird axial von einer Druckfeder 52 beaufschlagt. Es versteht sich, dass das Ventilelement 50 und der Anker 48 gegebenenfalls auch einstückig ausgeführt sein können.
Ein in der Zeichnung linker Endabschnitt des Gehäuses 46 weist eine Auslassöffnung 54 auf, durch welche die wässrige Harnstofflösung 33 bei geöffnetem Magnetventil 35 strömen kann. Eine durch einen Doppelpfeil bezeichnete axiale Länge 56 ("Luftspalt") der Magnetspule 44, welche einen Bereich der Magnetspule 44 bezeichnet, in welchem ein axialer Abschnitt des Ankers 48 jeweils nicht angeordnet ist, ist kleiner als eine axiale Länge 58 der Magnetspule 44.
Bei nicht bestromter Magnetspule 44 wird das Ventilelement 50 zusammen mit dem Anker 48 durch die Wirkung der Druckfeder 52 in der Zeichnung nach links in eine erste Position 57 ("Schließstellung") gedrückt, wobei die Auslassöffnung 54 geschlossen wird. Das Magnetventil 35 ist also "stromlos geschlossen". Die axiale Länge 56 ist vergleichsweise groß. Wird dagegen die Magnetspule 44 bestromt, so kann das Ventilelement 50 zusammen mit dem Anker 48 durch die Wirkung einer Elektromagnetkraft in der Zeichnung nach rechts in eine zweite Position 59 ("Offenstellung") bewegt werden, wobei die Auslassöffnung 54 geöffnet wird. Dadurch wird die axiale Länge 56 vergleichsweise klein. Die Bewegung in die erste und die zweite Position 57 und 59 ist in der Zeichnung jeweils durch einen horizontalen Richtungspfeil veranschaulicht.
Für die Magnetspule 44 kann dazu ein magnetischer Widerstand R_M gemäß nachstehender Formel angegeben werden. Dabei wurden der besseren Lesbarkeit halber für die Zeichen M, L und D Großbuchstaben verwendet:

R_M: = magnetischer Widerstand;
L: = axiale Länge 58 der Magnetspule 44 (siehe 2);
D: = axiale Länge 56 (Luftspalt, siehe 2);
µ₀: = magnetische Feldkonstante;
µ_R: = Relative Permeabilität des Ankers 48;
A: = Schnittfläche von Feldlinien radial innerhalb der Magnetspule 44.

Eine Umrechnung der obigen Formel ergibt:
Eine Induktivität 60 der Magnetspule 44 ist:
Dabei gilt:

Ind: = Induktivität 60 der Magnetspule 44; und
N: = Windungszahl der Magnetspule 44.

Damit ergibt sich bei geschlossenem Magnetventil 35 eine vergleichsweise große axiale Länge 56 (Luftspalt) und eine entsprechend kleine Induktivität 60. Bei geöffnetem Magnetventil 35 ist dagegen die axiale Länge 56 (Luftspalt) vergleichsweise klein und die Induktivität 60 entsprechend groß. Die jeweilige Induktivität 60 entspricht somit einer ersten bzw. einer zweiten elektrischen Zustandsgröße des Magnetventils 35. Die Induktivität 60 kann beispielsweise unter Verwendung von Zeitkonstanten ermittelt werden, wie weiter unten noch näher beschrieben werden wird.
3 zeigt für einen vorliegenden Zeitverlauf 61 des Stroms 62 ("Spulenstrom") in der Magnetspule 44 in schematischer Darstellung eine Änderung der Induktivität 60 über einer Zeit t. Die Details des Zeitverlaufs 61 werden bei der 8 noch näher beschrieben werden. In einem in der Zeichnung linken und rechten Bereich des Zeitverlaufs 61 weist die Induktivität 60 jeweils einen vergleichsweise kleinen Wert "LC" auf. In einem in der Zeichnung mittleren Bereich weist die Induktivität 60 dagegen einen vergleichsweise großen Wert "LO" auf.
4 zeigt eine erste Ansteuerschaltung für eine positive Betriebsspannung 64 von +12V (Volt) gegen ein Massepotenzial 66 zur Ansteuerung der Magnetspule 44. Die dargestellte Ansteuerschaltung umfasst je einen Schalter HS ("high side") und einen Schalter LS ("low side"), um einen Stromverlauf beispielsweise nach der 3 zu ermöglichen. Ferner umfasst die Ansteuerschaltung eine Freilaufdiode 68.
In einem ersten ("unbestromten") Betriebszustand der Ansteuerschaltung sind die Schalter HS und LS geöffnet. Um die Magnetspule 44 zu bestromen, werden in einem zweiten Betriebszustand ("Ventilöffnungsphase") beide Schalter HS und LS geschlossen, so dass der Strom 62 von der Betriebsspannung 64 über den Schalter HS und über die Magnetspule 44 und über den Schalter LS zu dem Massepotenzial 66 fließen kann. Wird danach in einem dritten Betriebszustand ("Ventilschließphase") der Schalter LS geöffnet, so fließt der Strom 62 im Kreis über die Magnetspule 44, die Freilaufdiode 68, den Schalter HS und so fort, wobei der Strom 62 als Folge von Verlusten kontinuierlich kleiner wird. Wird danach der Schalter HS geöffnet, so befindet sich die Ansteuerschaltung der 4 wieder in dem unbestromten ersten Betriebszustand.
Aus der Ansteuerschaltung der 4 kann die folgende Gleichung (4) für den zweiten Betriebszustand ermittelt werden:

I_DV: = Strom 62 ("I-Dosierventil");
U_BATT: = Betriebsspannung 64;
R: = ohmscher Widerstand der Magnetspule 44;
L_C: = Induktivität 60 der Magnetspule 44 in geschlossenem Zustand;
t: = Zeit t; und
T_C: = Zeitkonstante für das geschlossene Magnetventil 35.

In dem zweiten Betriebszustand ergibt sich prinzipiell ein Stromverlauf entsprechend der 6. Die Abszisse des in der 6 dargestellten Koordinatensystems weist die Zeit t auf und die zugehörige Ordinate weist einen normierten Strom 62 auf. Der normierte Strom 62 weist nach Ablauf der halben Zeitkonstante T_C/2 den relativen Wert 0,39 auf. Nach Ablauf der Zeitkonstante T_C weist der normierte Strom 62 den relativen Wert 0,63 auf. Für sehr große Zeiten t weist der normierte Strom 62 den relativen Wert 1 auf.
Dabei entspricht der normierte Strom 62 einem Quotienten
Für den dritten Betriebszustand der Ansteuerschaltung nach der 4 kann die folgende Gleichung (5) ermittelt werden:

T_O: = Zeitkonstante für das geöffnete Magnetventil 35.

In dem dritten Betriebszustand ergibt sich prinzipiell ein Stromverlauf entsprechend der 7. Dabei weist der normierte Strom 62 nach Ablauf der halben Zeitkonstante T_C/2 den relativen Wert 0,61 auf. Nach Ablauf der Zeitkonstante T_C weist der normierte Strom 62 den relativen Wert 0,37 auf. Die übrigen zu der 6 beschriebenen Eigenschaften gelten bei der 7 entsprechend.
In der Formel für den dritten Betriebszustand der Ansteuerschaltung von 4 bedeutet der Quotient
einen "Sättigungsstrom" bzw. einen Sättigungswert 76 des normierten Stroms 62, welcher vorzugsweise durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 ermittelt wird. Die oben beschriebenen Zeitkonstanten T_C und T_O können daher aus dem Zeitverlauf 61 des normierten Stroms 62 ermittelt werden. Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung der in den 8 oder 9 dargestellten Stromverläufe.
Die Gleichung (4) kann umgeformt werden zu:
Die Gleichung (5) kann ebenfalls umgeformt werden zu:
In dem zweiten Betriebszustand des Magnetventils 35 ("Ventilöffnungsphase") werden beispielsweise drei Wertepaare für den normierten Strom 62 und die zugehörige Zeit t ermittelt. Aus den drei Wertepaaren kann die Zeitkonstante T_C ermittelt werden, vergleiche die 8.
In dem dritten Betriebszustand des Magnetventils 35 ("Ventilschließphase") werden beispielsweise ebenfalls drei Wertepaare für den Strom 62 und die zugehörige Zeit t ermittelt. Aus den drei Wertepaaren kann die Zeitkonstante T_O ermittelt werden, vergleiche die 8. Es versteht sich, dass die Ermittlung der Zeitkonstanten T_C und/oder T_O auch unter Verwendung von nur zwei oder von vier oder von mehr Wertepaaren erfolgen kann.
5 zeigt eine zweite Ansteuerschaltung für eine positive Betriebsspannung 64 von +24V gegen das Massepotenzial 66 zur Ansteuerung der Magnetspule 44. Die Ansteuerschaltung der 5 ist der Ansteuerschaltung der 4 im Aufbau und im Betrieb ähnlich. Im Unterschied zu der 4 ist die Freilaufdiode 68 in der 5 jedoch zwischen einem in der Zeichnung oberen Anschluss der Magnetspule 44 und dem Massepotenzial 66 geschaltet. Entsprechend wird bei dem Übergang von dem zweiten Betriebszustand zu dem dritten Betriebszustand in der Ansteuerschaltung der 5 nicht der Schalter LS (4) sondern der Schalter HS geöffnet.
8 zeigt drei Zeitdiagramme zur Erläuterung der in der 4 dargestellten Ansteuerschaltung. In einem in der Zeichnung oberen Zeitdiagramm ist auf der Ordinate der durch die Magnetspule 44 fließende Strom 62 dargestellt. In einem in der Zeichnung mittleren und unteren Zeitdiagramm sind zugehörige Ansteuersignale 70 und 72 gezeigt, welche jeweils einen Wert von null oder eins annehmen können. Dabei ist das Ansteuersignal 70 mit einem Zusatz "(LS)" und das Ansteuersignal 72 mit einem Zusatz "(HS)" gekennzeichnet. Entsprechend ist dann, wenn das jeweilige Ansteuersignal 70 bzw. 72 den Wert eins aufweist, der jeweilige Schalter LS bzw. HS geschlossen, und dann, wenn das jeweilige Ansteuersignal 70 bzw. 72 den Wert null aufweist, der jeweilige Schalter LS bzw. HS geöffnet. Alle drei Zeitdiagramme weisen auf der Abszisse einen zueinander gleichen Zeitmaßstab mit der Zeit t auf.
Ausgehend von dem ersten ("unbestromten") Betriebszustand, in welchem beide Schalter LS und HS geöffnet sind, beginnt in einen Zeitpunkt t0 die Ansteuerung der Magnetspule 44, indem beide Schalter LS und HS geschlossen werden. Der Zeitpunkt t0 charakterisiert somit den Beginn einer Bewegungsansteuerung des Ventilelements 50. Das Ventilelement 50 befindet sich dabei in der ersten Position 57 und das Magnetventil 35 ist also geschlossen. In einem folgenden Zeitpunkt t1c wird ein minimaler Strom I1c erreicht, welcher ein oberer Grenzwert für einen "Kleinstrombereich" ist, unterhalb dessen eventuelle auf den Strom 62 einwirkende Störungen relativ groß sein können.
In einem Zeitpunkt t3c wird ein maximaler Strom I3c erreicht, welcher kleiner als ein erster Strom 74 ist, der zu einem ersten Zeitpunkt t1 ermittelt wird. Der erste Strom 74 und der zugehörige erste Zeitpunkt t1 charakterisieren den (vermuteten) Beginn einer Bewegung des Ventilelements 50. Der Zeitverlauf 61 weist dabei nach dem Zeitpunkt t1 eine kurze Stufe mit einem fallenden Verlauf des Stroms 62 auf, wodurch der Bewegungsvorgang des Ventilelements 50 erkennbar ist.
Aus den ermittelten Strömen I1c und I3c wird ein Mittelwert entsprechend einem Strom I2c ermittelt. Zu dem Strom I2c gehört ein Zeitpunkt t2c. Nachfolgend steigt der Strom 62 weiter an bis zu einem Sättigungswert 76 in einem Zeitpunkt t2. Im Zeitpunkt t2 verläuft der Zeitverlauf 61 nahezu horizontal. Nach dem Zeitpunkt t1, jedoch deutlich vor dem Zeitpunkt t2, erreicht das Ventilelement 50 die zweite Position 59, das Magnetventil 35 ist also geöffnet.
Zugleich mit dem Erreichen des Sättigungswerts 76 wird das Ansteuersignal 70 nach der Art einer Pulsbreitenmodulation (PWM) zwischen den Werten null und eins periodisch getaktet. Dadurch wird ein "Haltestrom" in der Magnetspule 44 erzeugt. Das Ansteuersignal 72 weist dagegen zunächst weiterhin den Wert eins auf. Als Folge des sich daraus ergebenden mittleren Stroms 62 nimmt die Amplitude des Zeitverlaufs 61 ab, wobei der Zeitverlauf 61 näherungsweise dreieckförmige Überlagerungen entsprechend dem Ansteuersignal 70 aufweist.
In einem folgenden Zeitpunkt t3 wird das Ansteuersignal 70 dauernd auf den Wert null geschaltet, und somit eine aktive Bestromung der Magnetspule 44 beendet. Jedoch ist bis zu einem folgenden Zeitpunkt t4 der Schalter HS geschlossen, wobei der Strom 62 durch die Freilaufdiode 68 fließt und daher vergleichsweise langsam kleiner wird.
In einem folgenden Zeitpunkt t4 wird das Ansteuersignal 72 ebenfalls auf den Wert null geschaltet, wodurch beide Schalter LS und HS geöffnet sind und der Strom 62 vergleichsweise schnell kleiner wird. In einem folgenden Zeitpunkt t5 wird das Ansteuersignal 72 wieder auf den Wert eins geschaltet, wodurch der Strom 62 nachfolgend wieder vergleichsweise langsam kleiner wird, wobei das Ventilelement 50 in seiner Bewegung kurz vor dem Erreichen der ersten Position 57 gebremst wird. In einem folgenden Zeitpunkt t6 ist der Strom 62 nahezu null und das Ansteuersignal 72 wird ebenfalls auf den Wert null geschaltet. Damit ist ein Zyklus der Ansteuerung des Magnetventils 35 beendet.
Ein Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 charakterisiert eine Anzugsphase, ein Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 charakterisiert eine Haltephase ("Halteansteuerung"), und ein Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t3 und t6 charakterisiert eine Schließphase des Magnetventils 35.
Die Ermittlung der Zeitkonstante T_C wird bei einer Betätigung des Magnetventils 35 zum Bewegen des Ventilelements 50 von der ersten (geschlossenen) in die zweite (geöffnete) Position 59 beispielsweise wie folgt durchgeführt:

– Ermitteln der Betriebsspannung 64 des Magnetventils 35 mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16;
– Ermitteln des ersten Stroms 74 und des zugehörigen ersten Zeitpunkts t1, welche einen vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements 50 zumindest in etwa charakterisieren, wobei die Ermittlung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung 64, einer Temperatur 86 (siehe 10) und/oder einem hydraulischen Systemdruck 84 (siehe 10) des Magnetventils 35 erfolgt.
– Ermitteln eines maximalen Spulenstroms I3c, welcher kleiner als der erste Strom 74 ist und eines zugehörigen zweiten Zeitpunkts t3c;
– Ermitteln des minimalen Spulenstroms I1c und des zugehörigen dritten Zeitpunkts t1c. Indem eine Ermittlung des Stroms 62 nur in einen Wertebereich oberhalb des minimalen Spulenstroms I1c erfolgt, können Genauigkeitsprobleme bei der Ermittlung kleiner Ströme 62 ("Kleinstrombereich") vermieden werden;
– Ermitteln des Zeitverlaufs 61 des Stroms 62 ("Spulenstrom") in einem durch den zweiten und den dritten Zeitpunkt t3c und t1c bestimmten Zeitintervall;
– Filtern des ermittelten Zeitverlaufs 61. Diese Filterung kann beispielsweise unter Verwendung eines Tiefpasses oder mittels einer so genannten "Wavelet-Transformation" erfolgen. Vorzugsweise wird für die Ansteuerschaltung der 4 ein Tiefpass verwendet und für die Ansteuerschaltung der 5 wird die "Wavelet-Transformation" verwendet;
– Auswählen von drei Wertepaaren des Stroms 62 (I1c, I2c, I3c) und des zugehörigen Zeitpunkts (t1c, t2c, t3c) in dem Zeitintervall, wobei zwei Wertepaare den maximalen und den minimalen Spulenstrom I3c und I1c umfassen und ein drittes Wertepaar einen Mittelwert I2c aus dem maximalen und dem minimalen Spulenstrom I3c und I1c umfasst;
– Ermitteln eines Sättigungswerts 76 des Stroms 62. Dabei wird der Sättigungswert 76 mittels einer Messung des Stroms 62 in einer Sättigungsphase während einer letzten Ansteuerung während einer Öffnungsbewegung des Ventilelements 50 ermittelt;
– Ermitteln von drei Zeitkonstanten Tc1, Tc2 und Tc3 unter Verwendung der drei Wertepaare; und
– Ermitteln eines ersten Mittelwerts 78 aus den drei Zeitkonstanten Tc1, Tc2 und Tc3; und
– Verwenden des ersten Mittelwerts 78 als erster Wert der elektrischen Zustandsgröße "Zeitkonstante".

Die Ermittlung der Zeitkonstante T_O wird bei einer Betätigung des Magnetventils 35 zum Bewegen des Ventilelements 50 zurück von der zweiten (geöffneten) in die erste (geschlossene) Position 59 bzw. 57 beispielsweise wie folgt durchgeführt:

– Abschalten der Magnetspule 44 von der Betriebsspannung 64 und Anschalten
der Magnetspule 44 an die Freilaufdiode 68;
– Ermitteln des Zeitverlaufs 61 des durch die Magnetspule 44 fließenden Stroms
62;
– Filtern des ermittelten Zeitverlaufs 61;
– Auswählen von drei Wertepaaren des Stroms 62 (I1o, I2o, I3o) und eines zugehörigen Zeitpunkts (t1o, t2o, t3o) in einem durch das Anschalten der Magnetspule 44 an die Freilaufdiode 68 bestimmten Zeitintervall. Der Zeitpunkt t1o charakterisiert zugleich einen Beginn eines Zeitintervalls nach dem Ende der Halteansteuerung;
– Ermitteln von drei Zeitkonstanten To1, To2 und To3 unter Verwendung der drei Wertepaare;
– Ermitteln eines zweiten Mittelwerts 80 aus den drei Zeitkonstanten To1, To2 und To3; und
– Verwenden des zweiten Mittelwerts 80 als zweiter Wert der elektrischen Zustandsgröße "Zeitkonstante".

Gemäß der Gleichung (6) können also drei erste Werte Tc1, Tc2 und Tc3 für die Zeitkonstante aus den Wertepaaren (t1c, I1c), (t2c, I2c) und (t3c, I3c) ermittelt werden, wobei der Strom I1c, wie bereits erläutert, dem oberen Grenzwert für einen "Kleinstrombereich" entspricht. Beispielsweise wird der erste Wert Tc1 unter Verwendung des ersten und zweiten Wertepaars, der zweite Wert Tc2 unter Verwendung des zweiten und dritten Wertepaars und der dritte Wert Tc3 unter Verwendung des ersten und dritten Wertepaars ermittelt. Aus den drei Werten für die Zeitkonstante kann nun der erste Mittelwert 78 entsprechend einer Gleichung (8) ermittelt werden: T_C = 1 / 3·(Tc1 + Tc2 + Tc3) (8), wobei

T_C: = der erste Mittelwert 78 ist.

In vergleichbarer Weise wie der erste Mittelwert 78 kann auch der zweite Mittelwert 80 gemäß der Gleichung (7) aus Wertepaaren (t1o, I1o), (t2o, I2o) und (t3o, I3o) ermittelt werden. Dabei entspricht der Zeitpunkt t1o dem Zeitpunkt t3 und der Zeitpunkt t3o dem Zeitpunkt t4. Ein Strom I2o entspricht einem Mittelwert aus den Strömen I1o und I3o.
Aus drei zugehörigen Zeitkonstanten To1, To2 und To3 kann nun der zweite Mittelwert 80 entsprechend einer Gleichung (9) ermittelt werden: T_O = 1 / 3·(To1 + To2 + To3) (9), wobei

T_O: = der zweite Mittelwert 80 ist.

Danach wird eine Differenz 108 (siehe 10) des ersten und des zweiten Mittelwerts 78 und 80 ermittelt und mit der Temperatur 86 der Magnetspule 44 bewertet. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass die Differenz 108 mit einem von der Temperatur 86 abhängigen Faktor k multipliziert wird. Beispielsweise können dazu die folgenden Gleichungen verwendet werden: ΔT = T_O – T_C (10); und ΔT_COR = k(T)·ΔT (11), wobei

∆T: = Differenz 108 des ersten und des zweiten Mittelwerts 78 und 80;
T_C: = erster Mittelwert 78 aus den drei Werten der Zeitkonstante;
T_O: = zweiter Mittelwert 80 aus den drei Werten der Zeitkonstante;
∆T_COR: = korrigierte Differenz 110 des ersten und des zweiten Mittelwerts 78 und 80; und
k: = temperaturabhängiger Faktor.

Die korrigierte Differenz 110 (∆T_COR) wird anschließend mit einem Schwellenwert 114 verglichen (siehe 10). Falls sich also die beiden Werte der elektrischen Zustandsgröße "Zeitkonstante" – bzw. die beiden Mittelwerte T_O und T_C – voneinander um mehr als den Schwellenwert 114 unterscheiden, dann wird auf eine tatsächlich erfolgte Bewegung des Ventilelements 50 geschlossen.
Falls sich die beiden Werte der elektrischen Zustandsgröße "Zeitkonstante" jedoch um weniger als den Schwellenwert unterscheiden, dann wird daraus geschlossen, dass das Magnetventil 35 blockiert ist. Sofern Vergleichswerte in dem Datenspeicher 21 abgespeichert sind, kann gegebenenfalls sogar unterschieden werden, ob die Blockierung im geöffneten oder im geschlossenen Betriebszustand des Magnetventils 35 erfolgte.
9 zeigt drei Zeitdiagramme ähnlich zu der 8 zur Erläuterung der in der 5 dargestellten Ansteuerschaltung. Die 4 und die 8 entsprechen einer Betriebsspannung 64 mit dem Wert +12V (Volt) und die 5 und die 9 entsprechen einer Betriebsspannung 64 mit dem Wert +24V. Nachfolgend werden daher nur die Unterschiede zwischen der 8 und der 9 beschrieben. Man beachte, dass in der 9 die vertikale Anordnung der beiden unteren Zeitdiagramme in Bezug auf die 8 vertauscht sind.
Zwischen einem Zeitpunkt tS und dem Zeitpunkt t2 wird das Ansteuersignal 72 mit einer Pulsweitenmodulation getaktet, um in Bezug auf die Ansteuerung nach der 8 vergleichbare Werte für den Strom 62 zu erhalten. Vor dem Zeitpunkt tS, welcher vorliegend in etwa in der Mitte zwischen dem Zeitpunkt t0 und dem Zeitpunkt t1 liegt, erfolgt die Bestromung der Magnetspule 44 jedoch – abweichend zu einer vergleichbaren Ansteuerung nach dem Stand der Technik – ungetaktet, damit die drei Werte Tc1, Tc2 und Tc3 der Zeitkonstante ungestört durch die Pulsweitenmodulation ermittelt werden können. Es versteht sich, dass der Zeitpunkt tS bzw. der Zeitpunkt t3c (in 9 aus Platzgründen nicht dargestellt) derart vorgegeben wird, dass der zugehörige Strom I3c kleiner ist als der erste Strom 74 zum Zeitpunkt t1, welcher dem vermuteten Beginn der Bewegung des Ventilelements 50 entspricht.
Nach dem Zeitpunkt t2 ist die Ansteuerung und die Auswertung des Zeitverlaufs 61 wieder direkt mit der 8 vergleichbar.
10 zeigt ein Flussdiagramm durch Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben des Magnetventils 35. Pfeile (ohne Bezugszeichen) kennzeichnen allgemein eine jeweilige Signalrichtung zwischen in der Zeichnung dargestellten Funktionsblöcken.
Einem Kennfeld 82, welches beispielsweise in dem Datenspeicher 21 abgespeichert ist, werden aktuelle Werte der Betriebsspannung 64, des Sättigungswerts 76, eines hydraulischen Systemdrucks 84 und einer Temperatur 86 der Magnetspule 44 als Eingangsgrößen zugeführt. Ausgangsgrößen des Kennfelds 82 sind der Zeitpunkt t1 und der erste Strom 74.
In einem folgenden Block 88 wird aus dem Zeitpunkt t1 und dem ersten Strom 74 ein Zeitintervall ("Zeitfenster") ermittelt, welches vorliegend durch das erste Wertepaar (I1c, t1c) und das dritte Wertepaar (I3c, t3c) charakterisiert wird. Die Wertepaare (I1c, t1c) und (I3c, t3c) werden einem folgenden Block 90 als Eingangsgrößen zugeführt. Außerdem wird gegebenenfalls der Zeitpunkt tS ermittelt und einer Endstufe für eine Betriebsspannung 64 von 24V zugeführt. Dies ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Weiterhin wird der Strom 62 in dem Block 90 als Eingangsgröße verwendet.
Ausgangsgrößen des Blocks 90 sind die Komponenten der drei besagten Wertepaare eines jeweiligen Stroms und des zugehörigen Zeitpunkts. Die Wertepaare bzw. die dadurch charakterisierten Werte des Stroms 62 werden einem nachfolgenden Block 92 zwecks Tiefpassfilterung zugeführt, wodurch zugehörige Signale von eventuellen Störsignalen im Wesentlichen befreit werden. Ein nachfolgender Block 94 weist somit die gefilterten Wertepaare auf. Weiterhin werden im Block 94 aus den Wertepaaren die drei Werte Tc1, Tc2 und Tc3 der Zeitkonstante ermittelt und an einen nachfolgenden Block 96 übermittelt.
Im Block 96 wird aus den drei Werten Tc1, Tc2 und Tc3 der Zeitkonstante der erste Mittelwert 78 entsprechend dem Wert T_C ermittelt, siehe dazu die Gleichung (4). Wie oben erläutert, charakterisiert der Wert T_C der Zeitkonstante das geschlossene Magnetventil 35.
Die Blöcke 90, 92, 94 und 96 sind in einem vertikal mittleren Bereich der Zeichnung von 10 dargestellt. In vergleichbarer Weise sind in einem unteren Bereich der Zeichnung vier dazu entsprechende Blöcke 100, 102, 104 und 106 dargestellt, welche für eine Ermittlung des Werts T_O der Zeitkonstante entsprechend der Gleichung (5) verwendet werden. Abweichend vom Block 90 erhält der Block 100 nicht das erste und das dritte Wertepaar, sondern den Zeitpunkt t4 als Eingangsgröße übermittelt. Der Zeitpunkt t4 wird außerdem als Eingangsgröße in einer Endstufe verwendet.
Die in den Blöcken 96 und 106 ermittelten ersten und zweiten Mittelwerte 78 und 80 bzw. die Werte T_C und T_O der Zeitkonstante werden einem Block 98 zugeführt, in welchem diese voneinander subtrahiert werden. Die gebildete Differenz 108 wird anschließend mit dem von der Temperatur 86 abhängigen Faktor k multipliziert, woraus die korrigierte Differenz 110 (∆T_COR) gebildet wird, siehe die Gleichung (11).
In einem folgenden Block 112 wird die korrigierte Differenz 110 mit dem Schwellenwert 114 verglichen. Wenn die korrigierte Differenz 110 größer ist als der Schwellenwert 114, dann wird auf einen betriebsfähigen Zustand des Magnetventils 35 geschlossen, das heißt, eine Bewegung des Ventilelements 50 gilt als erkannt. Wenn die korrigierte Differenz 110 kleiner ist als der Schwellenwert 114, dann wird auf einen nicht betriebsfähigen Zustand des Magnetventils 35 geschlossen, das heißt, eine Bewegung des Ventilelements 50 gilt als nicht erkannt. Das Magnetventil 35 könnte in diesem Fall blockiert sein und beispielsweise unerwünscht geschlossen sein. Ein Signal 116 meldet einen eventuellen Fehler an eine Einrichtung zur "On-Board-Diagnose", welche beispielsweise auf der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 angeordnet ist.
11 zeigt eine zu den 8 und 9 einfache Alternative, um den ersten und den zweiten Wert der elektrischen Zustandsgröße zu ermitteln. Vorliegend entsprechen der erste und der zweite Wert der elektrischen Zustandsgröße der ersten und der zweiten Induktivität 60, welche in der ersten und der zweiten Position 57 und 59 des Ventilelements 50 ermittelt werden.
In einem in der Zeichnung oberen Zeitdiagramm ist der Zeitverlauf 61 des Stroms 62 dargestellt. In einem in der Zeichnung unteren Zeitdiagramm ist eine "Ansteuerung" mittels einer Pulsbreitenmodulation (PWM) vereinfacht und auszugsweise dargestellt. Ein jeweiliger Impuls bedeutet eine jeweilige aktive Bestromung der Magnetspule 44. Bereiche ohne Impuls bedeuten entsprechend keine aktive Bestromung der Magnetspule 44.
In einem ersten Zeitintervall (ohne Bezugszeichen) vor dem Beginn der Bewegungsansteuerung werden mehrere vergleichsweise kurze erste PWM-Impulse 117 für die Ansteuerung verwendet. Das Tastverhältnis wird dabei derart eingestellt, dass ein sich ergebender mittlerer Strom 62 nicht ausreicht, um das Ventilelement 50 zu bewegen. Die resultierenden in etwa dreieckförmigen Signalanteile in dem Strom 62 werden in Bezug auf eine Amplitudendifferenz 118 ausgewertet. Dazu erfolgt eine Erfassung des Stroms 62 unmittelbar vor einem jeweiligen Wechsel des Zustands der ersten PWM-Impulse 117. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, ein jeweiliges relatives Maximum bzw. Minimum im Strom 62 zu "suchen".
In einem zweiten Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 (siehe 8) wird ebenfalls eine Amplitudendifferenz 120 ermittelt und ausgewertet. Dazu werden die auch in der 8 und 9 ohnehin verwendeten PWM-Impulse (in 11 durch das Bezugszeichen 119 dargestellt) benutzt, so dass eine besondere Stimulation nicht erforderlich ist.
Ausgenutzt wird für das Prinzip nach der 11 die Tatsache, dass zwischen der Amplitudendifferenz 118 bzw. 120 und jeweiligen Pulsdauern und Pausendauern der PWM-Impulse 117 bzw. 119 ein Zusammenhang besteht. Die jeweilige Induktivität 60 kann auf einfache Weise aus der jeweiligen Amplitudendifferenz 118 bzw. 120 und der zugehörigen Pulsdauer ermittelt werden. Die jeweiligen Zeitkonstanten T_C und T_O und damit die Induktivitäten 60 können unter Verwendung der Gleichungen (4) bzw. (5) ermittelt werden. Auch eine Mittelung über mehrere PWM-Impulse 117 bzw. 119 ist einfach möglich.
In einer Ausgestaltung der 11 ist es denkbar, die Stimulation statt mit PWM-Impulsen auch mit sinusförmigen Spannungen und daraus resultierenden sinusförmigen (statt dreieckförmigen) Signalanteilen des Stromes 62 durchzuführen. Dies entspricht einer Gleichung (12): Z = R + j·ω·Ind (12), wobei

Z: = Impedanz;
R: = ohmscher Widerstand ("Spulenwiderstand") der Magnetspule 44;
j: = imaginäre Einheit;
ω: = Kreisfrequenz; und
Ind: = Induktivität 60.

Dies ist in der 11 jedoch nicht dargestellt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils (35), wobei ein Ventilelement (50) des Magnetventils (35) durch eine Vorspannkraft in eine erste Position (57) und durch eine Elektromagnetkraft in eine zweite Position (59) gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem ersten Zeitintervall vor oder nach dem Beginn einer Bewegungsansteuerung und vor dem vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements (50) von der ersten in die zweite Position (57, 59) ein erster Wert einer elektrischen Zustandsgröße des Magnetventils (35) ermittelt wird, und dass in mindestens einem zweiten Zeitintervall vor oder nach dem Ende einer Halteansteuerung und vor dem vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements (50) von der zweiten in die erste Position (59, 57) ein zweiter Wert der elektrischen Zustandsgröße des Magnetventils (35) ermittelt wird, und dass aus einem Vergleich des ersten mit dem zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße auf einen Zustand des Magnetventils (35) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zustandsgröße eine Induktivität (60) einer Magnetspule (44) des Magnetventils (35) bzw. eine durch die Magnetspule (44) charakterisierte Zeitkonstante (T_C, T_O) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (60) bzw. die Zeitkonstante (T_C, T_O) unter Verwendung von einem Spulenwiderstand, einem Maximalstrom (76) und/oder einer Betriebsspannung (64) des Magnetventils (35) ermittelt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position (57) eine Schließstellung und die zweite Position (59) eine Offenstellung des Magnetventils (35) ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betätigung des Magnetventils (35) zum Bewegen des Ventilelements (50) von der ersten in die zweite Position (57, 59) einer oder mehrere der folgenden Schritte durchgeführt werden: – Ermitteln einer Betriebsspannung (64) des Magnetventils (35); – Ermitteln eines ersten Spulenstroms (74) und eines zugehörigen ersten Zeitpunkts (t1), welche einen vermuteten Beginn einer Bewegung des Ventilelements (50) zumindest in etwa charakterisieren, wobei die Ermittlung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung (64), einer Temperatur (86) und/oder einem Fluiddruck (84) des Magnetventils (35) erfolgt; – Ermitteln eines maximalen Spulenstroms (I3c), welcher kleiner als der erste Spulenstrom (74) ist und eines zugehörigen zweiten Zeitpunkts (t3c); – Ermitteln eines minimalen Spulenstroms (I1c) und eines zugehörigen dritten Zeitpunkts (t1c); – Ermitteln eines Zeitverlaufs (61) des Spulenstroms (62) in einem durch den zweiten und den dritten Zeitpunkt (t3c, t1c) bestimmten Zeitintervall; – Filtern (92) des ermittelten Zeitverlaufs (61); – Auswählen von drei Wertepaaren des Spulenstroms (I1c, I2c, I3c) und des zugehörigen Zeitpunkts (t1c, t2c, t3c) in dem Zeitintervall, wobei zwei Wertepaare den maximalen und den minimalen Spulenstrom (I3c, I1c) umfassen und ein drittes Wertepaar einen Mittelwert (I2c) aus dem maximalen und dem minimalen Spulenstrom (I3c, I1c) umfasst; – Ermitteln eines Sättigungswerts (76) des Spulenstroms (62); – Ermitteln von drei Zeitkonstanten (Tc1, Tc2, Tc3) unter Verwendung der drei Wertepaare; – Ermitteln eines ersten Mittelwerts (78) aus den drei Zeitkonstanten (Tc1, Tc2, Tc3); und – Verwenden des ersten Mittelwerts (78) als erster Wert der elektrischen Zustandsgröße.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestromung der Magnetspule (44) zumindest in dem durch den zweiten und den dritten Zeitpunkt (t3c, t1c) bestimmten Zeitintervall ungetaktet erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Betätigung des Magnetventils (35) zum Bewegen des Ventilelements (50) von der zweiten in die erste Position (59, 57) einer oder mehrere der folgenden Schritte durchgeführt werden: – Abschalten der Magnetspule (44) von der Betriebsspannung (64) und Anschalten der Magnetspule (44) an eine Freilaufdiode (68); – Ermitteln eines Zeitverlaufs (61) eines durch die Magnetspule (44) fließenden Stroms (62); – Filtern (102) des ermittelten Zeitverlaufs (61); – Auswählen von drei Wertepaaren des Spulenstroms (I1o, I2o, I3o) und eines zugehörigen Zeitpunkts (t1o, t2o, t3o) in einem durch das Anschalten der Magnetspule (44) an die Freilaufdiode (68) bestimmten Zeitintervall; – Ermitteln von drei Zeitkonstanten (To1, To2, To3) unter Verwendung der drei Wertepaare; – Ermitteln eines zweiten Mittelwerts (80) aus den drei Zeitkonstanten (To1, To2, To3); und – Verwenden des zweiten Mittelwerts (80) als zweiter Wert der elektrischen Zustandsgröße.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz (108) des ersten und des zweiten Mittelwerts (78, 80) ermittelt wird, und dass die Differenz (108) mit einer Temperatur (86) der Magnetspule (44) bewertet und mit einem Schwellenwert (114) verglichen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn sich die beiden Werte der elektrischen Zustandsgröße um mehr als einen Schwellenwert (114) unterscheiden, auf eine tatsächlich erfolgte Bewegung des Ventilelements (50) geschlossen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigung des Magnetventils (35) für eine Einspritzung eines Reduktionsmittels (33) in ein Abgasnachbehandlungssystem (10) einer Brennkraftmaschine (12) überwacht wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Computerprogramm (18), dadurch gekennzeichnet, dass es dazu programmiert ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.