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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts eines vorbestimmten Öffnungszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung, eine Motorsteuerung sowie ein Computerprogramm zum Ermitteln des Zeitpunkts eines vorbestimmten Öffnungszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors.
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Bei Betrieb von Kraftstoffinjektoren mit Spulenantrieb kommt es aufgrund von elektrischen, magnetischen, mechanischen und hydraulischen Toleranzen zu unterschiedlichen zeitlichen Öffnungs-/ und Schließungsverhalten der einzelnen Injektoren und somit zu Variationen in der jeweiligen Einspritzmenge.
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Die relativen Einspritzmengenunterschiede von Injektor zu Injektor vergrößern sich bei kürzer werdenden Einspritzzeiten. Bisher waren diese relativen Mengenunterschiede klein und ohne praktische Bedeutung. Die Entwicklung in Richtung kleinere Einspritzmengen und -zeiten führt aber dazu, dass der Einfluss von den relativen Mengenunterschieden nicht mehr außer Betracht gelassen werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren bereitzustellen, die toleranzbedingte relative Einspritzmengenunterschiede effektiv kompensieren kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts eines vorbestimmten Öffnungszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf: (a) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, (b) Bestimmen eines Differenzverlaufs basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke und einem Referenz-Stromverlauf, wobei der Referenz-Stromverlauf den zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes in einem Zustand darstellt, in welchem der Kraftstoffinjektor in einer vorbestimmten Stellung fixiert ist, und (c) Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Differenzverlauf ein Extremum aufweist, wobei der ermittelte Zeitpunkt der Zeitpunkt des vorbestimmten Öffnungszustands ist.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der zeitliche Verlauf der Stromstärke während eines Öffnungsvorgangs des Kraftstoffinjektors (in dem der Spulenantrieb mit einem Spannungspuls (Boostspannung) beaufschlagt wird) abhängig von der Induktivität des Spulenantriebs ist. Zusätzlich zur sich ändernden Eigeninduktivität des Spulenantriebs (aufgrund des nicht linearen ferromagnetischen Magnetmaterials) kommt ein Anteil Bewegungsinduktivität aufgrund der Ankerbewegung. Der Anteil der Bewegungsinduktivität beginnt mit Beginn der Öffnungsphase (Anker-/Nadelbewegung beginnt) und endet am Ende der Öffnungsphase (Anker-/Nadelbewegung endet). Wenn der Injektor, zum Beispiel durch mechanisches Klemmen, in einer vorbestimmten Stellung (zum Beispiel geschlossen, halb offen oder ganz offen) fixiert ist, wird sich durch die veränderten induktiven Einflüsse der Stromverlauf (Referenz-Stromverlauf) ebenfalls ändern. Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, den Zeitpunkt eines vorbestimmten Öffnungszustandes durch Analyse des Differenzverlaufs (der Differenz zwischen dem erfassten zeitlichen Stromverlauf und dem Referenz-Stromverlauf) zu ermitteln.
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Der Referenz-Stromverlauf kann durch im Labor durchgeführte Messungen für einen einzigen Kraftstoffinjektor ermittelt worden sein. Alternativ kann der Referenz-Stromverlauf als Durchschnitt von Messungen für mehrere Kraftstoffinjektoren ermittelt worden sein.
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In diesem Dokument bezeichnet „Extremum“ insbesondere ein lokales oder globales Extremum des Differenzverlaufs als Funktion der Zeit.
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Das Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Differenzverlauf ein Extremum aufweist, kann insbesondere durch Einsatz numerischer Verfahren erfolgen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die vorbestimmte Stellung eine ganz offene oder geschlossene Stellung.
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Wenn die vorbestimmte Stellung die ganz offene Stellung ist, in welcher die Ankerposition in einer Stellung mit minimalen Luftspalt (zwischen Anker und Anschlagfläche) fixiert ist, dann weist die Stromkurve (das heißt, der Referenz-Stromverlauf) des Kraftstoffinjektors ein zeitliches Verhalten mit von Beginn der Bestromung höherem induktiven Verhalten auf, da der Magnetkreis von Anfang an kleinere magnetische Widerstände aufweist.
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Wenn die vorbestimmte Stellung die geschlossene Stellung ist, in welcher die Ankerposition in einer Stellung mit maximalen Luftspalt (zwischen Anker und Anschlagfläche) fixiert ist, dann weist die Stromkurve (das heißt, der Referenz-Stromverlauf) des Kraftstoffinjektors ein zeitliches Verhalten mit geringerem induktiven Verhalten auf, da der Magnetkreis von Beginn der normalerweise möglichen Ankerbewegung an höhere magnetische Widerstände aufweist.
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Durch Ermitteln der Zeitpunkte, zu denen der Differenzverlauf ein Extremum aufweist, kann nun in beiden Fällen der Zeitpunkt des vorbestimmten Öffnungszustandes des Kraftstoffinjektors bestimmt werden. Durch Vergleichen des ermittelten Zeitpunkts mit einem vorgegebenen Zeitpunkt, das heißt einem Zeitpunkt, zu dem der vorbestimmten Öffnungszustand idealerweise erreicht werden soll, können Abweichungen von einem idealen Öffnungsverlaufs des Kraftstoffinjektors festgestellt und gegebenenfalls kompensiert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf: (a) Bestimmen eines weiteren Differenzverlaufs basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke und einem weiteren Referenz-Stromverlauf, und (b) Ermitteln eines weiteren Zeitpunkts, zu dem der weitere Differenzverlauf ein Extremum aufweist und/oder zu dem eine vorbestimmte Korrelation zwischen dem Differenzverlauf und dem weiteren Differenzverlauf besteht.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann der Referenz-Stromverlauf insbesondere der ganz offenen Stellung des Kraftstoffinjektors entsprechen und der weitere Referenz-Stromverlauf kann insbesondere der geschlossenen Stellung des Kraftstoffinjektors entsprechen. Alternativ kann der Referenz-Stromverlauf der geschlossenen Stellung des Kraftstoffinjektors entsprechen und der weitere Referenz-Stromverlauf kann der ganz offenen Stellung des Kraftstoffinjektors entsprechen.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann eine Korrelation zwischen dem Differenzverlauf und dem weiteren Differenzverlauf insbesondere dann bestehen, wenn die beiden Differenzverläufe zu einem in Wesentlichen gleichen Zeitpunkt ein Extremum aufweisen. Zum Beispiel besteht eine solche Korrelation, wenn die beiden Differenzverläufe zum gleichen Zeitpunkt ein lokales oder globales Maximum oder Minimum aufweisen, oder wenn zum gleichen Zeitpunkt einer der Differenzverläufe ein Maximum und der anderen Differenzverlauf ein Minimum aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der ermittelte Zeitpunkt des vorbestimmten Öffnungszustandes des Kraftstoffinjektors ein Anfangs- oder Endzeitpunkts eines Öffnungs- oder Schließvorgangs des Kraftstoffinjektors.
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In diesem Dokument bezeichnet „Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors“ insbesondere einen Verlauf, der zu dem Zeitpunkt beginnt, wo der geschlossene Kraftstoffinjektor wegen des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes fängt an sich zu öffnen, und zu dem Zeitpunkt endet, wo der Kraftstoffinjektor voll geöffnet worden ist.
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In diesem Dokument bezeichnet „Schließvorgang des Kraftstoffinjektors“ insbesondere einen Verlauf, der zu dem Zeitpunkt beginnt, an dem der geöffnete Kraftstoffinjektor wegen Abschaltung des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes sich zu schließen beginnt, und zu dem Zeitpunkt endet, wo der Kraftstoffinjektor wieder ganz geschlossen ist.
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Durch Ermitteln des Anfangszeitpunkts und des Endzeitpunkts des Öffnungsvorgangs bzw. Schließvorgangs kann festgestellt werden, ob der Öffnungsvorgang bzw. Schließvorgang so verläuft, wie es vorgesehen war. Sollte dies nicht der Fall sein, zum Beispiel wegen toleranzbedingter Abweichungen in elektrischen, magnetischen, mechanischen und hydraulischen Parameter des Kraftstoffinjektors, kann der Verlauf kompensiert werden, um eine Abweichung von der vorgesehenen Einspritzmenge zu vermeiden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebenen Verfahren weist auf: (a) Ermitteln des Zeitpunkts eines vorbestimmten Öffnungszustandes des Kraftstoffinjektors durch Anwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele, (b) Bestimmen einer Differenz zwischen dem ermittelten Zeitpunkt und einem Referenz-Zeitpunkt, und (c) Ansteuern des Kraftstoffinjektors, wobei der Spulenantrieb mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, dessen Anfangszeit und/oder Zeitdauer basierend auf der bestimmten Differenz festgelegt wird.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Idee zu Grunde, dass das Ansteuern des Kraftstoffinjektors basierend auf der bestimmten Differenz zwischen dem ermittelten Zeitpunkt und einem Referenz-Zeitpunkt derart angepasst werden kann, dass Abweichungen in der Einspritzmenge minimiert werden können.
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In diesem Dokument bezeichnet „Referenz-Zeitpunkt“ insbesondere einen Zeitpunkt, bei dem der vorbestimmte Öffnungszustand des Kraftstoffinjektors im Idealfall eintreffen soll. Die bestimmte Differenz zwischen dem ermittelten Zeitpunkt und dem Referenz-Zeitpunkt stellt demzufolge ein Maß dafür dar, wie viel der Zeitpunkt des tatsächlichen Eintreffens des vorbestimmten Öffnungszustands von dem idealen bzw. gewünschten Zeitpunkt abweicht.
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Wird zum Beispiel festgestellt, dass der Anfang des Öffnungsvorgangs zeitlich verschoben ist, kann die Anfangszeit des Spannungspulses, mit welchem der Spulenantrieb beaufschlagt wird, entsprechend verschoben werden.
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Wird zum Beispiel festgestellt, dass das Ende des Öffnungsvorgangs zeitlich verschoben ist, kann die Einspritzdauer angepasst werden, um sicherzustellen, dass die vorgesehene Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Mit anderen Worten kann die Zeitdauer des Spannungspulses im Falle eines verzögerten Öffnens des Kraftstoffinjektors verlängert werden, um zu vermeiden, dass zu wenig Kraftstoff eingespritzt wird. In ähnlicher Weise kann die Zeitdauer des Spannungspulses im Falle eines frühzeitigen Öffnens des Kraftstoffinjektors verkürzt werden, um zu vermeiden, dass zu viel Kraftstoff eingespritzt wird.
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Die oben erwähnten Korrekturen können vorteilhafterweise pulsindividuell durchgeführt werden, dass heißt für jeden einzelnen Öffnungsvorgang.
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Die Korrekturen bzw. Zeitverschiebungen können des Weiteren physikalische Systemparameter, wie zum Beispiel Kraftstofftemperatur, Abstand zum vorherigen Einspritzvorgang usw., berücksichtigen. Dies kann zum Beispiel durch Verwendung entsprechender Vorsteuerkennlinien bzw. -Felder oder eines Modells erfolgen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln des Zeitpunkts eines vorbestimmten Öffnungszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf: (a) eine Erfassungseinheit zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, (b) eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Differenzverlaufs basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke und einem Referenz-Stromverlauf, wobei der Referenz-Stromverlauf den zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes in einem Zustand darstellt, in welchem der Kraftstoffinjektor in einer vorbestimmten Stellung mechanisch fixiert ist, und (c) eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Differenzverlauf ein Extremum aufweist, wobei der ermittelte Zeitpunkt der Zeitpunkt des vorbestimmten Öffnungszustands ist.
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Der beschriebenen Vorrichtung liegen die gleichen Erkenntnisse zugrunde, wie oben in Verbindung mit den ersten und zweiten Aspekten beschrieben.
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Die Erfassungseinheit weist in einem Ausführungsbeispiel zum Beispiel einen FADC (Fast-Analog-to-Digital-Converter), der zum Erfassen des Spulenstroms des jeweils aktuell betriebenen Kraftstoffinjektors geeignet ist.
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Die Bestimmungseinheit und Ermittlungseinheit können vorteilhafterweise unter Verwendung von einem Mikroprozessorsystem implementiert werden, das die notwendigen mathematischen Operationen durchführen kann, um Differenzverlauf und Extrema zu bestimmen. Das System kann auch eine Speichereinheit aufweisen, die zum Speichern von Referenz-Stromverläufen, Vorsteuerkennlinien, Modellen usw. eingerichtet ist.
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Die Vorrichtung kann in einfacher Weise die Anfangs- und Endzeiten eines Öffnungsvorgangs ermitteln, so dass die Ansteuerung der jeweiligen Kraftstoffinjektoren derart angepasst werden kann, dass relative Einspritzmengenunterschiede minimiert werden können.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben. Die beschriebene Motorsteuerung ist zum Durchführen der Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet.
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Diese Motorsteuerung ermöglicht es mit einfachen und kostengünstigen Mitteln Variationen in der Einspritzmenge bei mehreren Kraftstoffinjektoren zu minimieren.
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Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Ermitteln des Zeitpunkts eines vorbestimmten Öffnungszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Computerprogramm ist zum Durchführen der Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet, wenn es von einem µ-Controller ausgeführt wird.
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Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
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Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in Assembler, JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blu-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.
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Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d.h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
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1 zeigt Spulenstrom 10, zwei Differenzverläufe 20 und 30 sowie Nadelhub 40 während eines Öffnungsvorgangs eines Kraftstoffinjektors als Funktionen der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Der Spulenstrom 10 ist erst eine Zeitlang stabil auf einem niedrigen Wert (auch 0A) und fängt dann an zu steigen (wenn eine Boostspannung eingeschaltet wird). Der erste Differenzverlauf 20 stellt eine Differenz zwischen dem Spulenstrom 10 und einem ersten (nicht gezeigten) Referenz-Stromverlauf dar. Der erste Referenz-Stromverlauf ist in einem Speicher gespeichert und wurde mit einem Kraftstoffinjektor oder mehreren baugleichen Kraftstoffinjektoren gemessen, wobei der bzw. die Kraftstoffinjektor(en) in einem geschlossenen Zustand fixiert war(en). In ähnlicher Weise stellt der zweite Differenzverlauf 30 eine Differenz zwischen dem Spulenstrom 10 und einem zweiten (auch nicht gezeigten) Referenz-Stromverlauf dar. Auch der zweite Referenz-Stromverlauf ist in dem Speicher gespeichert und wurde mit einem Kraftstoffinjektor oder mehreren baugleichen Kraftstoffinjektoren gemessen, wobei der bzw. die Kraftstoffinjektor(en) in einem ganz offenen Zustand fixiert war(en).
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Der erste Differenzverlauf 20 weist ein Extremum (Maximum) 22 zum Zeitpunkt T2 auf. Der zweite Differenzverlauf 30 weist ein Extremum (Minimum) 31 zum Zeitpunkt T1 und ein weiteres Extremum (Maximum) 32 zum Zeitpunkt T2 auf. Die Extrema 22, 31 und 32 und die entsprechenden Zeitpunkte T1 und T2 werden erfindungsgemäß mittels geeigneter numerischen Verfahren ermittelt. Des Weiteren wird festgestellt, dass die beiden Maxima 22 und 32 in etwa zum gleichen Zeitpunkt T2 auftreten. Basierend auf der Extrema 22, 31 und 32 sowie der Korrelation der Extrema 22 und 32 wird erfindungsgemäß festgestellt, dass der Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors zum Zeitpunkt T1 beginnt und zum Zeitpunkt T2 endet.
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Diese Feststellungen stimmen mit dem auch in 1 gezeigten Verlauf des Nadelhubs 40 gut überein. Die Kurve 40 wurde mittels eines an einem Kraftstoffinjektor angebrachten Nadelhubsensors aufgenommen. Bis zum Zeitpunkt T1 bleibt der Nadelhub konstant auf einem niedrigen Wert – der Kraftstoffinjektor ist geschlossen. Im Bereich des Zeitpunkts T1 fängt der Nadelhub an zu steigen – dies ist mit Pfeil 41 markiert. Im Bereich des Zeitpunkts T2 erreicht der Nadelhub seinen Maximalwert (Anschlag) und stabilisiert sich nachfolgend auf einem etwas niedrigeren Wert. Wie es mit Pfeil 42 markiert ist, endet der Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors in der Nähe des Zeitpunkts T2.
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Die Ermittlung der beiden Zeitpunkte T1 und T2 ermöglicht jetzt eine Korrektur der Ansteuerung falls diese Zeitpunkte T1 und T2 von den vorgegebenen Werten abweichen, so dass sichergestellt werden kann, dass die Einspritzmenge gleich der vorgegebenen Menge ist. Falls es festgestellt wird, dass T1 zu klein (Öffnungsvorgang fängt zu früh an) oder zu groß (Öffnungsvorgang fängt zu spät an) ist, kann dies durch eine entsprechende Verschiebung des Einschaltens der Boostspannung kompensiert werden. Falls es festgestellt wird, dass T2 zu klein (Öffnungsvorgang endet zu früh) oder zu groß (Öffnungsvorgang endet zu spät) ist, kann dies durch eine entsprechende Abkürzung oder Verlängerung des Einspritzdauer kompensiert werden.
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Im Ergebnis kann erreicht werden, dass jeder Kraftstoffinjektor mit großer Genauigkeit die vorgegebene Einspritzmenge pro Einspritzvorgang liefert, so dass keine oder nur sehr geringe relative Mengenunterschiede zwischen den Injektoren vorkommen können.
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Die notwendige Kompensation erfolgt in einfacher Weise durch Verschiebung der Einschaltung der Boostspannung und/oder Verlängerung oder Verkürzung der Einspritzdauer. Demzufolge werden an sich keine Änderungen in den Stromprofilen während der Öffnungs- und Schließvorgänge benötigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spulenstrom
- 20
- Erster Differenzverlauf
- 22
- Maximum
- 30
- Zweiter Differenzverlauf
- 31
- Minimum
- 32
- Maximum
- 40
- Nadelhub
- 41
- Anfang des Öffnungsvorgangs
- 42
- Ende des Öffnungsvorgangs
- T1
- Anfangszeitpunkt des Öffnungsvorgangs
- T2
- Endzeitpunkt des Öffnungsvorgangs
