DE102013201776A1

DE102013201776A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators

Info

Publication number: DE102013201776A1
Application number: DE102013201776.6A
Authority: DE
Inventors: Damian Dyrbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-21
Also published as: FR3001764A1; CN103967568A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator über einen beweglichen magnetischen Anker antreibenden Magnetspule, wobei die Magnetspule Teil eines schaltbaren Stromkreises ist und wobei der Anker bei einem Stromfluss durch die Magnetspule von einer Anfangsposition in eine Endposition bewegt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass die Induktivität des sich während eines Stromflusses durch die Magnetspule bildenden Magnetkreises bestimmt wird und dass bei einer vorgegebenen Abweichung der bestimmten Induktivität von einer vorgegebenen erwarteten Induktivität auf einen Defekt des elektromechanischen Aktuators geschlossen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Verfahren und Vorrichtung ermöglichen eine Erkennung eines blockierten elektromechanischen Aktuators sowie eine Unterscheidung der Position, in welcher der elektromechanische Aktuator blockiert ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator über einen beweglichen magnetischen Anker antreibenden Magnetspule, wobei die Magnetspule Teil eines schaltbaren Stromkreises ist und wobei der Anker bei einem Stromfluss durch die Magnetspule von einer Anfangsposition in eine Endposition bewegt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators, welcher zumindest eine Magnetspule und einen durch die Magnetspule von einer Anfangsposition in eine Endposition bewegbaren magnetischen Anker enthält, mit einem Steuergerät zur Ansteuerung der Magnetspule und zur Bestimmung eines zeitlichen Stromverlaufs durch die Magnetspule.
Die Stickoxidemission von Verbrennungsmotoren kann durch eine Abgasnachbehandlung mittels selektiver katalytischer Reduktion (Selective Catalyst Reduction – SCR) vermindert werden. Diese kann insbesondere auch bei Dieselmotoren mit zeitlich überwiegend magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Hierzu kann beispielhaft Ammoniak verwendet werden, welches direkt gasförmig zudosiert wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird.
In der DE 10139142 A1 ist ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zur Verringerung der NO_x-Emission ein SCR-Katalysator eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Reagenzmittel Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus der HWL gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt reduziert das Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Der genaue Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben worden (vgl. WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000). Die HWL wird in einem Reagenzmitteltank bereitgestellt und ist z.B. unter dem Namen AdBlue als 32,5%ige Lösung bekannt.
Die HWL wird durch eine Leitung vom Tank zu einem Dosierventil gefördert und in den Abgastrakt eindosiert. In der DE 196 07 073 A1 wird ein Flüssigkeitszudosiersystem, insbesondere zum Zudosieren von Flüssigkeiten zu einem Brennstoff oder zu bei einer Verbrennung sich ergebenden Abgasen, beschrieben, welches eine elektrisch betreibbare Dosierpumpeinrichtung zum Fördern der zu zudosierenden Flüssigkeit von einem Zudosierflüssigkeitstank zu dem mit Zudosierflüssigkeit zu vermischenden Medium, eine Erfassungsanordnung zum Erfassen einer im Betrieb der Dosierpumpeinrichtung sich einstellenden und diesen charakterisierenden Betriebsgröße und eine Auswerteeinheit zum Vergleichen der Betriebsgröße mit wenigstens einem Referenzwert und zum Bestimmen des Betriebszustandes der Dosierpumpeinrichtung beruhend auf dem Vergleichsergebnis umfasst. Dabei ist ferner vorgesehen, dass als Betriebsgröße der durch die Dosierpumpeinrichtung fließende Pumpstrom erfasst wird. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Pumpstroms und Vergleich mit in einem Kennfeld hinterlegten Referenzverläufen und/ oder Schwellwerten können zum einen Fehlerzustände bei der Bewegung des Ankers der Pumpeinrichtung detektiert und zum anderen die Genauigkeit der Zudosierung, unabhängig vom z.B. Viskositätszustand der Zudosierflüssigkeit, erhöht werden.
Die Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung erfolgt über ein SCR-Dosierventil. Das SCR-Dosierventil ist als Magnetventil mit einer Magnetspule und einem beweglichen Anker ausgelegt, welcher mit einer Ventilnadel verbunden ist. Zum Öffnen des SCR-Dosierventils wird ein Strom durch die Magnetspule geleitet, wodurch der Anker gegen eine wirkende Federkraft angezogen und der Auslass des SCR-Dosierventils durch die Ventilnadel geöffnet wird. Magnetspule und Anker bilden einen Magnetkreis. Durch die Bewegung des Ankers ergibt sich im Magnetkreis ein veränderlicher Luftspalt, der die Induktivität des Magnetkreises und somit den Stromverlauf durch die Magnetspule wesentlich beeinflusst.
Die korrekte Funktion des SCR-Dosierventils muss im Rahmen einer On-Board-Diagnose überwacht werden. Dies erfolgt derzeit nur im Öffnungsvorgang (BIP: Beginn of Injection Period). Der Überwachungsalgorithmus basiert auf der zweiten Ableitung des gemessenen Stroms durch die Magnetspule. Nachteilig hierbei ist, dass sich insbesondere im Bereich hoher magnetischer Sättigung der im Magnetkreis vorliegenden Materialien keine auswertbare Änderung des Stromverlaufs mehr ausbildet. Eine Überwachung der Funktion des SCR-Dosierventils ist dann nicht mehr möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators, wie er beispielsweise in Magnetventilen verwendet wird, ermöglicht wird.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Induktivität des sich während eines Stromflusses durch die Magnetspule bildenden Magnetkreises bestimmt wird und dass bei einer vorgegebenen Abweichung der bestimmten Induktivität von einer vorgegebenen erwarteten Induktivität auf einen Defekt des elektromechanischen Aktuators geschlossen wird.
Bei einem in der Anfangsposition, bevor der Anker angezogen wurde, oder in der Endposition, nachdem der Anker angezogen wurde, befindlichen Aktuator stellt sich während der Bestromung der Magnetspule eine definierte Induktivität ein. Die Induktivität ergibt sich dabei über die Summe der magnetischen Widerstände innerhalb des Magnetkreises. Auf Grund des hohen magnetischen Widerstands der Luft gegenüber ferromagnetischen Stoffen ist ein wesentlicher Teil der magnetischen Energie in der Luft gespeichert. Somit ist auch die Induktivität nahezu proportional zur Größe des Luftspalts, welcher sich in dem Magnetkreis ausbildet. Die Größe des Luftspalts ist abhängig von der Position des Ankers. Wird die Magnetspule angesteuert, so wird der Anker angezogen und bewegt sich auf die Endposition mit der in dieser Position erwarteten Induktion. Ist der Anker in der Anfangsposition blockiert, so bleibt die Induktion der Anfangsposition erhalten, welche von der erwarteten Induktion der Endposition abweicht. Daraus kann eindeutig auf einen in der Anfangsposition blockierten Anker geschlossen werden. Ist der Anker hingegen in der Endposition blockiert, so bleibt nach Abschalten des Stroms durch die Magnetspule die Induktion der Endposition erhalten, welche von der erwarteten Induktion der Anfangsposition abweicht. Daraus kann eindeutig auf einen in der Endposition blockierten Anker geschlossen werden. Das Verfahren ermöglicht somit die sichere Erkennung eines blockierten Ankers eines elektromechanischen Aktuators, wie er beispielsweise in Magnetventilen eingesetzt wird. Es ermöglicht weiterhin die Unterscheidung, ob der Aktuator in der Anfangs- oder der Endposition blockiert ist. Im Falle eines Magnetventils kann damit beispielsweise erkannt werden, ob dieses geöffnet oder geschlossen blockiert ist, was unterschiedliche Folgen aufweisen und somit zu unterschiedlichen durchzuführenden Maßnahmen führen kann.
Vorteilhaft bei dem dargestellten Vorgehen ist weiterhin, dass eine Blockierung des Ankers unabhängig von Alterungseffekten von mechanischen Komponenten des elektromechanischen Aktuators erkannt wird. Es werden rein stationäre Punkte betrachtet. Somit werden störende Einflussgrößen während der Flugphase des Ankers nicht bewertet. Das Verfahren ist robust gegen Rauschen und Störungen des Stromsignals.
Eine Sättigung der im Magnetkreis vorliegenden Materialien hat einen starken Abfall der magnetischen Leitfähigkeit zur Folge und führt dadurch zu einer Erhöhung des magnetischen Widerstandes, der wiederum eine Reduzierung der Induktivität zur Folge haben kann. Weiterhin kann sich in Abhängigkeit von dem konstruktiven Aufbau des elektromechanischen Aktuators in der Endposition ein nicht beabsichtigter, undefinierter Restluftspalt ausbilden, der ebenfalls einen starken Einfluss auf die bestimmte Induktivität hat. Daher kann es vorgesehen sein, dass bei der Vorgabe der erwarteten Induktivität eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktuators und/oder ein Restluftspalt berücksichtigt werden. Das Verfahren lässt sich somit im gesamten Betriebsbereich des elektromechanischen Aktuators, also auch bei hohen magnetischen Sättigungen des Ankers, einsetzen. Sowohl der Restluftspalt wie auch die magnetische Sättigung können dadurch berücksichtigt werden, dass die erwartete Induktivität als Funktion des tatsächlichen Stromverlaufs durch die Magnetspule bestimmt wird.
Ein in der Anfangsposition blockierter Anker kann dadurch erkannt werden, dass ausgehend von der Anfangsposition des Ankers der Stromkreis geschlossen und die Induktivität bestimmt wird, dass die bestimmte Induktivität mit einer ersten Schwelle der erwarteten Induktivität verglichen wird und dass auf einen blockierten Anker in der Anfangsposition des Ankers geschlossen wird, wenn die bestimmte Induktivität nach Schließen des Stromkreises die erste Schwelle der erwarteten Induktivität nicht überschreitet oder unterschreitet. Ob die erste Schwelle niedriger oder höher als die Anfangsinduktivität vorgegeben wird und somit nach Bestromung der Magnetspule überoder unterschritten werden muss hängt vom geometrischen Aufbau des elektromechanischen Aktuators und von der Sättigung der in dem Magnetkreis befindlichen Materialien ab. Im nicht gesättigten Bereich wird die erste Schwelle höher als die Anfangsinduktivität in den Bereich zwischen die Anfangs- und Endinduktivität gelegt, wenn der Luftspalt in der Anfangsposition größer ist als in der Endposition. Bei einer vorliegenden Sättigung kann es bei gleichem mechanischem Aufbau vorkommen, dass die Induktivität in der Anfangsposition trotz größerem Luftspalt größer ist als die Induktivität in der Endposition. In diesem Fall ist die erste Schwelle niedriger als die Anfangsinduktivität in den Bereich zwischen der Anfangs- und Endinduktivität zu legen.
Entsprechend kann es für eine Erkennung eines in der Endposition blockierten Ankers vorgesehen sein, dass ausgehend von der Endposition des Ankers der Stromkreis geöffnet und die Induktivität bestimmt wird, dass die bestimmte Induktivität mit einer zweiten Schwelle der erwarteten Induktivität verglichen wird und dass auf einen blockierten Anker in der Endposition des Ankers geschlossen wird, wenn die bestimmte Induktivität nach Schließen des Stromkreises die zweite Schwelle der erwarteten Induktivität nicht unterschreitet oder überschreitet. Auch hier ist die Vorgabe der zweiten Schwelle wieder von dem geometrischen Aufbau des elektromechanischen Aktuators und der Sättigung der in dem Magnetkreis vorliegenden Materialien abhängig.
Neben der Anfangs- und der Endposition kann der Anker auch in einer Zwischenposition blockiert werden. Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es daher vorgesehen sein, dass auf einen in einer Zwischenposition zwischen der Anfangsposition und der Endposition blockierten Anker geschlossen wird, wenn die bestimmte Induktivität in dem Bereich zwischen der ersten Schwelle und der zweiten Schwelle verbleibt oder wenn die Induktivität in einem Bereich zwischen der für die Anfangsposition erwarteten Induktivität und der für die Endposition erwarteten Induktivität verbleibt.
In der Anfangsposition führt beispielsweise ein großer Luftspalt bei geringer magnetischer Sättigung zu einer kleinen Induktivität, während in der Endposition ein kleiner Luftspalt zu einer großen Induktivität führt. Die erste Schwelle liegt vorteilhaft etwas über der Induktivität der Anfangsposition, während die zweite Schwelle etwas unter der Induktivität der Endposition liegt. Bewegt sich ein intakter Anker von der Anfangs- zur Endposition oder zurück von der Endposition zur Anfangsposition, so durchläuft die Induktion beide Schwellen. Wird der Anker in dem Zwischenbereich blockiert, so liegt die dann bestimmte Induktion zwischen den beiden Schwellen. Daraus kann eindeutig auf einen in dem Bereich zwischen der Anfangs- und der Endposition blockierten Anker geschlossen werden.
Die Induktivität kann vorteilhaft aus dem zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Magnetspule bestimmt werden. Die Induktivität kann dabei über die Formel L = (U_batt·I_Spule·R_Spule)·dt/dI_Spule aus dem tatsächlichen Stromverlauf ermittelt werden, wobei U_Batt die Versorgungsspannung, I_Spule den Strom durch die Magnetspule und R_Spule den elektrischen Widerstand der Magnetspule darstellen. Die Induktivität L wird wesentlich von der Änderung des Luftspaltes bei der Bewegung des Ankers zur Spule bestimmt.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in dem Steuergerät ein erster Programmablauf zur Bestimmung einer Induktivität aus dem Stromverlauf durch die Magnetspule vorgesehen ist, dass in dem Steuergerät eine vorgegebene erwartete Induktivität gespeichert ist und dass eine Vergleichsstufe zum Vergleich der bestimmten Induktivität mit der vorgegebenen erwarteten Induktivität und zur Erkennung eines Defekts des elektromechanischen Aktuators bei einer vorgegebenen Abweichung der bestimmten Induktivität von der vorgegebenen erwarteten Induktivität vorgesehen ist. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Da sowohl der Strom durch die Spule wie auch die Versorgungsspannung im Steuergerät vorliegen kann die Erfindung kostengünstig durch eine einfache Softwareerweiterung umgesetzt werden.
Eine Unterscheidung, ob der Anker in der Anfangsposition, der Endposition oder in einer Zwischenposition blockiert ist kann dadurch erfolgen, dass in dem Steuergerät eine erste Schwelle für die Anfangsposition und eine zweite Schwelle für die Endposition der erwarteten Induktivität gespeichert ist. Dies ermöglicht es, dass in der Vergleichsstufe die aktuell bestimmte Induktivität mit der jeweiligen Schwelle verglichen wird und auf einen blockierten Aktuator geschlossen wird, wenn diese Schwelle nach Ansteuerung der Magnetspule nicht über- oder unterschritten wird. Beispielsweise kann auf einen in der Anfangsposition blockierten Aktuator geschlossen werden, wenn nach der Ansteuerung der Magnetspule die der Anfangsposition zugeordnete erste Schwelle nicht überschritten wird. Auf einen in einer Zwischenposition zwischen der Anfangsposition und der Endposition blockierten Aktuator kann geschlossen werden, wenn nach einer Ansteuerung der Magnetspule nur eine der Schwellen durchlaufen wird, wenn die bestimmte Induktivität also zwischen der ersten und der zweiten Schwelle liegt. Auf einen in der Endposition blockierten Aktuator kann geschlossen werden, wenn beispielsweise nach einer Unterbrechung des Stromflusses durch die Magnetspule die der Endposition zugeordnete zweite Schwelle nicht unterschritten wird. Ob die jeweiligen Schwellen oberhalb oder unterhalb der erwarteten Induktivitäten in der Anfangs- oder Endposition vorgegeben werden ist abhängig von dem geometrischen Aufbau des elektromechanischen Aktuators und von der magnetischen Sättigung der in dem Magnetkreis vorliegenden Materialien.
Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich bevorzugt zur Bestimmung eines Defekts eines von einer Magnetspule angetriebenen Aktuators eines Magnetventils anwenden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung einen elektromechanischen Aktuator in Form eines Dosierventils bei geschlossener Ventilöffnung,
2 in schematischer Darstellung einen elektromechanischen Aktuator in Form eines Dosierventils bei geöffneter Ventilöffnung,
3 einen Ausschnitt aus dem Magnetkreis des elektromagnetischen Aktuators.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen elektromechanischen Aktuator 10 in Form eines Dosierventils in einer Anfangsposition eines Ankers 13 bei geschlossener Ventilöffnung 12. Die Ventilöffnung 12 ist in ein Ventilgehäuse 14 integriert. Der Anker 13 ist als Ventilnadel ausgeführt. Der Anker 13 ist innerhalb einer Magnetspule 15 angeordnet und wird von einer Feder 16, welche an einem Magnetkern 17 anliegt, in Richtung der Ventilöffnung 12 gedrückt. In der Anfangsposition verschließt die Ventilnadel die Ventilöffnung 12.
Das Dosierventil ist in dem Ausführungsbeispiel Teil eines Dosiersystems zur Dosierung einer Harnstoffwasserlösung (HWL) in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Die Harnstoffwasserlösung dient dabei als Vorprodukt zur Bildung von Ammoniak zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
Bei geschlossener Ventilöffnung 12 fließt kein Strom durch die Magnetspule 15, so dass der als Ventilnadel ausgeführte Anker 13 von der Feder 16 gegen ihren Sitz in der Ventilöffnung 12 gedrückt wird und das Dosierventil verschließt.
Um das Dosierventil zu öffnen wird ein Strom durch die Magnetspule 15 geleitet, wodurch der Anker 13 und damit die Ventilnadel gegen den Druck der Feder 16 in Richtung des Magnetkerns 17 angezogen wird. Wird der Strom unterbrochen, drückt die Feder 16 die Ventilnadel wieder gegen ihren Sitz in der Ventilöffnung 12 und das Dosierventil wird geschlossen.
2 zeigt in schematischer Darstellung den elektromechanischen Aktuator 10 in Form eines Dosierventils in einer Endposition des Ankers 13 bei geöffneter Ventilöffnung 12. Es sind dabei die gleichen Bezeichner wie zu 1 eingeführt verwendet. Durch die jetzt geöffnete Ventilöffnung 12 tritt eine zu dosierende Flüssigkeit 11, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Harnstoff-Wasser-Lösung, aus.
Im Fehlerfall kann das Dosierventil im geschlossenen oder im geöffneten Zustand blockiert sein. Bei einem offenen oder geschlossenen blockierten Ventil stellt sich während der Bestromung der Magnetspule 15 immer eine definierte Induktivität ein. Diese wird erfindungsgemäß bestimmt und zur Erkennung eines blockierten Ventils verwendet. Die Induktivität des Magnetkreises kann beispielsweise über die Materialeigenschaften der in dem Magnetkreis wirkenden Bauteile bestimmt oder gemessen werden.
Die Induktivität berechnet sich über die Summe der magnetischen Widerstände. Auf Grund des hohen magnetischen Widerstands der Luft gegenüber ferromagnetischen Stoffen ist ein wesentlicher Teil der magnetischen Energie in der Luft gespeichert. Die Induktivität ist somit nahezu proportional zur Größe des Luftspalts, wie er schematisch zwischen dem Anker 13 und dem Magnetkern 17 angedeutet ist. Dabei führt der in 2 gezeigte kleine Luftspalt bei geöffnetem Dosierventil zu einer großen Induktivität, da der magnetische Widerstand klein ist. Im Gegensatz dazu führt der in 1 gezeigte große Luftspalt bei geschlossenem Dosierventil zu einer kleinen Induktivität, da jetzt der magnetische Widerstand groß ist. Durch eine Bestimmung der Induktivität und einen Vergleich mit einer erwarteten Induktivität können somit ein geschlossen blockiertes Ventil sowie ein geöffnet blockiertes Ventil erkannt und beide Fehlerfälle voneinander unterschieden werden. Ist beispielsweise der Anker 13 in geschlossenem Zustand blockiert, so wird das Dosierventil nicht geöffnet und der Anker 13 trotz eines Stromflusses durch die Magnetspule 15 nicht in Richtung Magnetkern 17 bewegt. Der Luftspalt bleibt entsprechend groß, was zu einer kleinen bestimmten Induktivität führt. Für ein intaktes Dosierventil wird jedoch eine Bewegung des Ankers 13 in eine Endposition Richtung Magnetkern 17 mit dem dann vorliegenden kleinen Luftspalt und der entsprechend großen Induktivität erwartet. Die tatsächlich bestimmte kleine Induktivität lässt daher eindeutig auf ein geschlossen blockiertes Dosierventil schließen.
3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Magnetkreis des elektromagnetischen Aktuators 10, reduziert auf die Bauteile Anker 13, Magnetspule 15 und Magnetkern 17. Eine durch einen Pfeil gekennzeichnete Strecke S₁ 20 markiert die Länge der magnetischen Feldlinien in dem Anker 13, eine durch einen zweiten Pfeil gekennzeichnete Strecke S_L 21 markiert die Länge der magnetischen Feldlinien in dem Luftspalt und eine durch einen dritten Pfeil gekennzeichnete Strecke S₂ 22 markiert die Länge der magnetischen Feldlinien in dem Magnetkern 17.
Die Induktivität L ergibt sich zu L = N²/R_m wobei N die Windungszahl der Magnetspule 15 und R_m den magnetischen Widerstand des Magnetkreises darstellen.
Der magnetische Widerstand R_m berechnet sich aus den Strecken S₁ 20, S_L 21 und S₂ 22 wie folgt: R_m = S₁/(µ₀·µr₁·A₁) + S₂/(µ₀·µr₂·A₂) + S_L/(µ₀·A_L) µ₀ entspricht dabei der magnetischen Feldkonstante in Luft, µr₁ der magnetischen Feldkonstante des ferromagnetischen Ankers 13, µr₂ der magnetischen Feldkonstante des ferromagnetischen Magnetkerns 17 und A₁, A₂, A_L den Schnittflächen der Feldlinien in den jeweiligen Teilbereichen.
Aus dem Stromverlauf durch die Magnetspule kann entsprechend der Formel L = (U_batt·I_Spule·R_Spule)·dt/dI_Spule die Induktivität L bestimmt werden. Dabei stellen U_Batt die Versorgungsspannung, I_Spule den Strom durch die Magnetspule 15 und R_Spule den elektrischen Widerstand der Magnetspule 15 dar. Versorgungsspannung U_Batt, Spulenstrom I_Spule sowie der Spulenwiderstand R_Spule liegen einem für die Auswertung vorgesehenen Steuergerät vor, so dass die Induktivität L berechnet werden kann.
Aus einem Vergleich der in dem Steuergerät bestimmten Induktivität mit einer erwarteten Induktivität für den Fall eines offen oder geschlossen blockierten Dosierventils kann eindeutig auf die Art der Blockierung (offen oder geschlossen) geschlossen werden.
Neben einer Blockierung des elektromechanischen Aktuators 10 in der Anfangs- oder der Endposition kann dieser auch in einer beliebigen Zwischenposition blockiert sein. Di dann ermittelte Induktivität liegt zwischen den für die Anfangs- und die Endposition erwarteten Induktivitäten, so dass auch dieser Fehlerfall eindeutig nachgewiesen werden kann.
Die tatsächlich in der Anfangs- oder der Endposition vorliegenden Induktivitäten sind von vielen Faktoren, insbesondere von einer magnetischen Sättigung der in dem Magnetkreis vorliegenden Materialien oder von einem Restluftspalt abhängig. Sie können sich daher mit der Zeit ändern oder es können Abweichungen im Vergleich mehrerer Aktuatoren vorliegen. Um dennoch eine sichere Auswertung zu ermöglichen ist es vorteilhaft, die bestimmte Induktivität nicht mit festen Werten erwarteter Induktivitäten für die Anfangsposition und die Endposition zu vergleichen sondern mit einer Schwelle, die zwischen den Induktivitäten der Anfangs- und Endposition liegt. Bei einem intakten elektromechanischen Aktuator 10 muss die bestimmte Induktivität bei einer Bewegung zwischen der Anfangs- und der Endposition oder umgekehrt den Wert dieser Schwelle durchlaufen, während ein blockierter Aktuator 10 bei seinem Ausgangswert verbleibt. Ein blockierter Aktuator 10 kann so auch bei einer erwarteten Streuung der Induktivitäten in der Anfangs- und der Endposition eindeutig nachgewiesen werden. Vorteilhaft sind einer erste und eine zweite Schwelle für die erwarteten Induktivitäten zwischen den Induktivitäten der Anfangs- und der Endposition vorzusehen, wobei die erste Schwelle im Bereich der Induktivität der Anfangsposition und die zweite Schwelle im Bereich der Induktivität der Endposition des Ankers 13 liegen. Zwei Schwellen ermöglichen die Erkennung eines in einer Zwischenposition zwischen der Anfangs- und der Endposition blockierten Aktuators 10, da dann die bestimmte Induktivität zwischen der ersten und der zweiten Schwelle liegt.
Im Fall von Magnetkreisen, die in magnetischer Sättigung betrieben werden, ist folgendes zu beachten: Sättigungseffekte im Magnetkreis bewirkten einen Induktivitätsabfall. Durch eine Steigerung der magnetischen Feldstärke in ferromagnetischen Materialien wird irgendwann der Bereich der Sättigungsmagnetisierung erreicht, wo es zu einem starken Abfall der magnetischen Leitfähigkeit und somit zu einer Erhöhung des magnetischen Widerstandes kommt, der wiederum eine Reduzierung der Induktivität zur Folge haben kann. Dies führt dazu, dass die Induktivität im geöffneten Zustand trotz kleinem Luftspalt kleiner sein kann als die Induktivität im geschlossenen Zustand bei großem Luftspalt. Bei der Festlegung der erwarteten Induktivität beziehungsweise bei der Festlegung von Induktivitätsschwellen für offen oder geschlossen blockierte elektromechanische Aktuatoren muss daher die Sättigung der in dem Magnetkreis vorliegenden Materialien berücksichtigt werden.
Vorteilhaft bei dem dargestellten Vorgehen ist, dass ein blockierter Anker 13 unabhängig von Alterungseffekten der Mechanik des elektromechanischen Aktuators 10 erkannt wird. Es werden rein stationäre Punkte betrachtet. Somit werden störende Einflussgrößen während der Flugphase des Ankers 13 nicht bewertet. Das Verfahren ist robust gegen Rauschen und Störungen des Stromsignals.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10139142 A1 [0004]
DE 19607073 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000 [0004]

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators (10) nach einer Ansteuerung einer den Aktuator (10) über einen beweglichen magnetischen Anker (13) antreibenden Magnetspule (15), wobei die Magnetspule (15) Teil eines schaltbaren Stromkreises ist und wobei der Anker (13) bei einem Stromfluss durch die Magnetspule (15) von einer Anfangsposition in eine Endposition bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität des sich während eines Stromflusses durch die Magnetspule (15) bildenden Magnetkreises bestimmt wird und dass bei einer vorgegebenen Abweichung der bestimmten Induktivität von einer vorgegebenen erwarteten Induktivität auf einen Defekt des elektromechanischen Aktuators (10) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorgabe der erwarteten Induktivität eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktuators (10) und/oder ein Restluftspalt berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Anfangsposition des Ankers (13) der Stromkreis geschlossen und die Induktivität bestimmt wird, dass die bestimmte Induktivität mit einer ersten Schwelle der erwarteten Induktivität verglichen wird und dass auf einen blockierten Anker (13) in der Anfangsposition des Ankers (13) geschlossen wird, wenn die bestimmte Induktivität nach Schließen des Stromkreises die erste Schwelle der erwarteten Induktivität nicht überschreitet oder unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Endposition des Ankers (13) der Stromkreis geöffnet und die Induktivität bestimmt wird, dass die bestimmte Induktivität mit einer zweiten Schwelle der erwarteten Induktivität verglichen wird und dass auf einen blockierten Anker (13) in der Endposition des Ankers (13) geschlossen wird, wenn die bestimmte Induktivität nach Schließen des Stromkreises die zweite Schwelle der erwarteten Induktivität nicht unterschreitet oder überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen in einer Zwischenposition zwischen der Anfangsposition und der Endposition blockierten Anker (13) geschlossen wird, wenn die bestimmte Induktivität in dem Bereich zwischen der ersten Schwelle und der zweiten Schwelle verbleibt oder wenn die Induktivität in einem Bereich zwischen der für die Anfangsposition erwarteten Induktivität und der für die Endposition erwarteten Induktivität verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität aus dem zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Magnetspule (15) bestimmt wird.
Vorrichtung zur Erkennung eines Defekts eines elektromechanischen Aktuators (10), welcher zumindest eine Magnetspule (15) und einen durch die Magnetspule (15) von einer Anfangsposition in eine Endposition bewegbaren magnetischen Anker (13) enthält, mit einem Steuergerät zur Ansteuerung der Magnetspule (15) und zur Bestimmung eines zeitlichen Stromverlaufs durch die Magnetspule (15), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät ein erster Programmablauf zur Bestimmung einer Induktivität aus dem Stromverlauf durch die Magnetspule (15) vorgesehen ist, dass in dem Steuergerät eine vorgegebene erwartete Induktivität gespeichert ist und dass eine Vergleichsstufe zum Vergleich der bestimmten Induktivität mit der vorgegebenen erwarteten Induktivität und zur Erkennung eines Defekts des elektromechanischen Aktuators (10) bei einer vorgegebenen Abweichung der bestimmten Induktivität von der vorgegebenen erwarteten Induktivität vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät eine erste Schwelle für die Anfangsposition und eine zweite Schwelle für die Endposition der erwarteten Induktivität gespeichert ist.
Anwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche zur Bestimmung eines Defekts eines von einer Magnetspule (15) angetriebenen Aktuators (10) eines Magnetventils.