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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Einspritzventils umfassend einen elektromagnetischen Aktuator.
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Wegen immer strengeren gesetzlichen Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen ist eine Einspritzgenauigkeit von Einspritzventilen der Brennkraftmaschine von zentraler Bedeutung.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils und eine korrespondierende Vorrichtung zu schaffen, das beziehungsweise die dazu beiträgt, dass eine hohe Einspritzgenauigkeit im Betrieb des Einspritzventils erreicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils. Weiterhin zeichnet sich die Erfindung aus durch eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben des Einspritzventils. Das Einspritzventil umfasst einen elektromagnetischen Aktuator und eine von diesem angetriebene Ventilnadel, die in einer Schließposition ein Zumessen von Fluid unterbindet und außerhalb der Schließposition ein Zumessen von Fluid freigibt. Das Einspritzventil umfasst eine Rückstellfeder, die mit der Ventilnadel gekoppelt ist und eine Federkraft auf die Ventilnadel überträgt. Für einen Ansteuervorgang für das Zumessen von Fluid wird der elektromagnetische Aktuator mit einem in einem Vergleich zu dem restlichen Ansteuervorgang erhöhten Spannungswert beaufschlagt, bis ein vorgegebener maximaler Stromwert erreicht ist. An den elektromagnetischen Aktuator wird nach Erreichen eines vorgegebenen erwarteten Öffnungszeitpunkts, in dem die Ventilnadel voraussichtlich ihre Schließposition verlässt, ein vorgegebener Spannungsverlauf angelegt, bis zum Erreichen eines vorgegebenen erwarteten Öffnungspositionszeitpunkts, in dem die Ventilnadel voraussichtlich eine vorgegebene Öffnungsposition erreicht. Es wird ein detektierter Öffnungspositionszeitpunkt ermittelt, in dem die Ventilnadel die vorgegebene Öffnungsposition erreicht. Abhängig von dem detektierten Öffnungspositionszeitpunkt wird der vorgegebene Spannungsverlauf für einen weiteren Ansteuervorgang angepasst.
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Der vorgegebene Spannungsverlauf wird insbesondere derart eingestellt, dass ein vorgegebener gewünschter Stromverlauf erzeugt wird, insbesondere derart, dass der vorgegebene Stromverlauf hierdurch auf einen jeweiligen vorgegebenen Sollwert gesteuert wird. Gegebenenfalls ist der Strom hierbei eine Regelgröße und die Spannung eine Stellgröße.
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Beim Erreichen der vorgegebenen Öffnungsposition kann es zu einem schwingungsartigen Verlauf eines Öffnungshubes der Ventilnadel um die Öffnungsposition kommen, der auch S-shape genannt wird. Je höher eine Geschwindigkeit der Ventilnadel beim Erreichen der vorgegebenen Öffnungsposition ist, desto größer ist der schwingungsartige Verlauf des Öffnungshubes. Der schwingungsartige Verlauf des Öffnungshubes hat einen Einfluss auf eine Einspritzmenge in einem jeweiligen Arbeitszyklus des Einspritzventils. Somit ist je nachdem, wie stark der schwingungsartige Verlauf ausgeprägt ist, die Einspritzmenge relativ ungenau, insbesondere ist die Einspritzmenge abhängig von einer Einspritzzeit in diesem Bereich nicht mehr monoton. Durch das Verfahren zum Betreiben des Einspritzventils wird dazu beigetragen, den schwingungsartigen Verlauf abzuschwächen und somit eine monotone Einspritzmengenkennlinie zu erreichen und hierdurch eine sehr hohe Einspritzgenauigkeit im Betrieb des Einspritzventils zu erreichen. Hierfür wird zunächst der elektromagnetische Aktuator mit einem, in einem Vergleich zu dem restlichen Ansteuervorgang, erhöhten Spannungswert beaufschlagt, so dass das Einspritzventil schnell öffnet. Daraufhin wird durch den vorgegebenen Spannungsverlauf dazu beigetragen, dass die Ventilnadel weiterhin gegebenenfalls nicht beschleunigt wird, sondern gegebenenfalls verlangsamt wird, sodass sie sanft, beziehungsweise relativ sanft, die vorgegebene Öffnungsposition erreicht. Hierdurch kann der schwingungsartige Verlauf des Öffnungshubes abgeschwächt werden, so dass ein sehr genaues und sehr präzises Einspritzvolumen erreicht wird. Indem der detektierte Öffnungspositionszeitpunkt ermittelt wird, kann für weitere Ansteuervorgänge der vorgegebene Spannungsverlauf derart angepasst werden, dass der vorgegebene erwartete Öffnungspositionszeitpunkt sehr genau erreicht wird und/oder die vorgegebene Öffnungsposition sanft und genau erreicht wird, um somit eine sehr genaue und präzise Einspritzung zu ermöglichen. Die vorgegebene Öffnungsposition ist insbesondere eine erwartete Ventilnadel-Endposition, beziehungsweise eine Öffnungsendposition und/oder ein Anschlag. Der vorgegebene erwartete Öffnungspositionszeitpunkt ist somit insbesondere ein erwarteter Ventilnadel-Endpositionszeitpunkt, beziehungsweise ein erwarteter Öffnungsendpositionszeitpunkt und/oder ein erwarteter Anschlagzeitpunkt. Der detektierte Öffnungspositionszeitpunkt ist somit insbesondere ein detektierter Ventilnadel-Endpositionszeitpunkt, beziehungsweise ein detektierter Öffnungsendpositionszeitpunkt und/oder ein detektierter Anschlagzeitpunkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der vorgegebene Spannungsverlauf derart vorgegeben, dass er dazu beiträgt, dass eine Magnetkraft auf die Ventilnadel übertragen wird, die entgegen der Federkraft gerichtet ist und deren Betrag in etwa dem Betrag der Federkraft entspricht. Insbesondere entspricht der Betrag der Magnetkraft dem Betrag der Federkraft.
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Der vorgegebene Spannungsverlauf trägt insbesondere dazu bei, dass ein zu erwartender Betrag der Federkraft in etwa dem Betrag der Magnetkraft entspricht.
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Der elektrische Aktuator umfasst insbesondere eine Spule, einen axial bewegbaren und mit der Ventilnadel koppelbaren Anker und einen Polkörper, der fest mit einem Gehäuse des Einspritzventils gekoppelt ist und der beispielsweise einen axialen Anschlag für den Anker bildet.
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Eine Anziehungskraft des Ankers ist insbesondere umgekehrt proportional zu einem Quadrat von einem Abstand zwischen dem Anker und dem Polkörper, aber proportional zu einem Quadrat von einem Strom in der Spule. Somit kann insbesondere der mittels des vorgegebenen Spannungsverlaufs eingestellte Strom proportional zu einer Verkleinerung des Abstands zwischen dem Anker und dem Polkörper gesenkt werden, so dass in etwa der Betrag der Magnetkraft dem Betrag der Federkraft entspricht.
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Hierdurch kann dazu beigetragen werden, dass die Ventilnadel sehr sanft die vorgegebene Öffnungsposition, insbesondere einen Anschlag, erreicht, da die Ventilnadel gegebenenfalls durch den vorgegebenen Spannungsverlauf nicht weiter beschleunigt wird, sondern insbesondere vielmehr durch Reibung und/oder hydraulische Kraft verlangsamt wird. Insbesondere ist der vorgegebene Spannungsverlauf derart vorgegeben, dass kurz vor Erreichen des vorgegebenen erwarteten Öffnungszeitpunkts eine Magnetkraft auf die Ventilnadel übertragen wird, die kleiner oder gleich dem Betrag der Federkraft ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird nach Erreichen des vorgegebenen maximalen Stromwerts bis zum Erreichen des erwarteten Öffnungszeitpunkts der elektromagnetische Aktuator mit einem Neutralwert der Spannung beaufschlagt.
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Der Neutralwert der Spannung entspricht beispielsweise einer Spannung von 0 V. Indem der elektromagnetische Aktuator mit einem Neutralwert der Spannung beaufschlagt wird, wird dazu beigetragen, dass nur eine begrenzte Menge an Energie für eine Hubbewegung der Ventilnadel von dem elektrischen Aktuator erzeugt wird, so dass nicht zu viel Energie auf die Ventilnadel übertragen wird, sodass die Ventilnadel sehr sanft die erwartete Öffnungsposition erreicht, insbesondere dass die Ventilnadel nach Öffnung nicht weiter beschleunigt die erwartete Öffnungsposition erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird nach Erreichen des erwarteten Öffnungspositionszeitpunkts ein vorgegebener rampenförmiger Stromverlauf mit einer positiven Steigung an den elektromagnetischen Aktuator angelegt.
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Insbesondere wird anschließend nach Erreichen eines Schwellenwerts und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer ein plateauartiger Stromverlauf an den elektrischen Aktuator angelegt und beispielsweise anschließend ein Schließvorgang eingeleitet.
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Hierdurch kann dazu beigetragen werden, dass die Nadel in der vorgegebenen Öffnungsposition verweilt, trotz beispielsweise eventueller Druckschwankungen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein detektierter Öffnungszeitpunkt ermittelt und abhängig von dem detektierten Öffnungszeitpunkt der vorgegebene maximale Stromwert für einen weiteren Ansteuervorgang angepasst.
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Hierdurch kann insbesondere die Zeitdauer zwischen einem Beginn des Ansteuervorgangs bis zum Erreichen des detektierten Öffnungszeitpunkts eingestellt werden, da durch Anpassung des vorgegebenen maximalen Stromwerts dazu beigetragen werden kann, dass der detektierte Öffnungszeitpunkt in etwa dem erwarteten Öffnungszeitpunkt entspricht. Hierdurch können insbesondere für eine Gruppe von Injektoren einer Brennkraftmaschine eine gleiche Zeitdauer zwischen Beginn des Ansteuervorgangs und Erreichen des detektierten Öffnungszeitpunkts eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Einspritzventil einen Anker auf, der mit der Ventilnadel koppelbar ist und einen Polkörper, der mit einem Gehäuse des Einspritzventils fest gekoppelt ist. Es wird ein Anschlagwert ermittelt, der repräsentativ ist für eine Anschlagkraft des Ankers auf dem Polkörper in dem detektierten Öffnungspositionszeitpunkts. Abhängig von dem Anschlagwert wird der vorgegebene Spannungsverlauf für den weiteren Ansteuervorgang angepasst.
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Hierdurch kann die Anschlagkraft überprüft werden, die repräsentativ ist für die Stärke des schwingungsartigen Verlaufs des Öffnungshubes. Somit kann hierdurch sehr einfach eingestellt werden, dass die Stärke des schwingungsartigen Verlaufs des Öffnungshubes abgeschwächt wird, so dass ein sehr genaues und sehr präzises Einspritzvolumen erreicht wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Einspritzventil,
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2 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben des Einspritzventils und
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3A ein Spannungsverlauf im Betrieb des Einspritzventils,
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3B ein Nadellift im Betrieb des Einspritzventils,
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3C eine Einspritzmenge im Betrieb des Einspritzventils.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt ein Einspritzventil 1 insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs.
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Das Einspritzventil 1 weist ein Gehäuse 3 auf mit einer Ausnehmung 5. In der Ausnehmung 5 ist eine Ventilnadel 10 angeordnet, wobei die Ventilnadel 10 axial bewegbar in der Ausnehmung 5 angeordnet ist.
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Weiterhin umfasst das Einspritzventil 1 eine Einspritzöffnung 12. In einer Schließposition unterbindet die Ventilnadel 10 ein Zumessen von Fluid durch die Einspritzöffnung 12. Außerhalb der Schließposition gibt die Ventilnadel 10 ein Zumessen von Fluid durch die Einspritzöffnung 12 frei.
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Weiterhin umfasst das Einspritzventil 1 eine Rückstellfeder 30, die mit der Ventilnadel 10 gekoppelt ist und die eine Federkraft auf die Ventilnadel 10 überträgt. Insbesondere trägt die Federkraft dazu bei, die Ventilnadel 10 in der Schließposition zu halten.
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Das Einspritzventil 1 umfasst weiterhin einen elektromagnetischen Aktuator 15. Der elektromagnetische Aktuator 15 ist dazu ausgebildet, die Ventilnadel 10 anzutreiben. Der elektromagnetische Aktuator 15 umfasst eine Spule 17. Weiterhin umfasst der elektrische Aktuator 15 einen Anker 20. Der Anker 20 ist axial bewegbar in der Ausnehmung 5 angeordnet und mechanisch koppelbar mit der Ventilnadel 10. Insbesondere ist der Anker 20 derart mit der Ventilnadel 10 mechanisch koppelbar, dass der Anker 20 die Ventilnadel 10 aus der Schließposition hebt, bei einer axialen Bewegung des Ankers 20.
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Der elektrische Aktuator 15 umfasst weiterhin einen Polkörper 23. Der Polkörper 23 ist fest mit dem Gehäuse 3 gekoppelt. Insbesondere bildet der Polkörper 23 einen axialen Anschlag für den Anker 20.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betrieb des Einspritzventils 1, insbesondere für einen Ansteuervorgang für das Zumessen von Fluid. Das Programm kann beispielsweise von einer Steuervorrichtung SV abgearbeitet werden.
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In einem Schritt S1 wird das Programm gestartet. In dem Schritt S1 werden beispielsweise Variablen initialisiert.
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In einem Schritt S3 wird der elektromagnetische Aktuator 15 mit einem in einem Vergleich zu dem restlichen Ansteuervorgang erhöhten Spannungswert U_B beaufschlagt, bis ein vorgegebener maximaler Stromwert I_MAX erreicht ist (Siehe 3A). Der erhöhte Spannungswert U_B kann auch als Boost-Spannung bezeichnet werden.
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Durch eine derartige Ansteuerung wird der Anker 20 sehr schnell beschleunigt. Durch eine derartige Bewegung des Ankers 20 nimmt der Anker 20 die Ventilnadel 10 mit, sodass diese ihre Schließposition verlässt (Vergleiche 3B und 3C).
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In einem Schritt S5 wird nach Erreichen des vorgegebenen maximalen Stromwerts I_MAX bis zum Erreichen eines vorgegebenen erwarteten ersten Öffnungszeitpunkts in dem die Ventilnadel 10 voraussichtlich ihre Schließposition verlässt, der elektromagnetische Aktuator 15 mit einem Neutralwert U_N der Spannung beaufschlagt. Der Neutralwert U_N entspricht beispielsweise 0 V.
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In einem Schritt S7 wird an den elektromagnetische Aktuator 15 nach Erreichen des vorgegebenen erwarteten Öffnungszeitpunkts ein vorgegebener Spannungsverlauf U_V beaufschlagt, bis zum Erreichen eines vorgegebenen erwarteten Öffnungspositionszeitpunkts OPZ, in dem die Ventilnadel 10 voraussichtlich eine vorgegebene Öffnungsposition erreicht.
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Der vorgegebene Spannungsverlauf U_V ist insbesondere derart vorgegeben, dass der vorgegebene Spannungsverlauf U_V dazu beiträgt, dass eine Magnetkraft auf die Ventilnadel 10 übertragen wird, die entgegen der Federkraft gerichtet ist und deren Betrag in etwa dem Betrag der Federkraft entspricht.
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Hierdurch wird die Ventilnadel 10 gegebenenfalls durch den vorgegebenen Spannungsverlauf U_V nicht weiter beschleunigt, sondern insbesondere vielmehr durch Reibung und/oder hydraulische Kraft verlangsamt, bis sie die vorgegebene Öffnungsposition erreicht (Vergleiche 3A, 3B, 3C).
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In einem optionalen Schritt S9 wird nach Erreichen des erwarteten Öffnungspositionszeitpunkts OPZ ein vorgegebener rampenförmiger Stromverlauf I_R mit einer positiven Steigung an den elektromagnetischen Aktuator 15 angelegt.
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In einem Schritt S11 wird ein detektierter Öffnungszeitpunkt OZI ermittelt und abhängig von dem detektierten Öffnungszeitpunkt OZI der vorgegebene maximale Stromwert I_MAX für einen weiteren Ansteuervorgang angepasst. Der Schritt S11 kann beispielsweise alternativ parallel zu den Schritten S7, S9 ausgeführt werden.
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In einem Schritt S13 wird ein detektierter Öffnungspositionszeitpunkt OPZI ermittelt, in dem die Ventilnadel 10 die vorgegebene Öffnungsposition erreicht (Siehe 3a, 3b, 3c). Abhängig von dem detektierten Öffnungspositionszeitpunkt OPZI wird der vorgegebene Spannungsverlauf U_V für den weiteren Ansteuervorgang angepasst. Der Schritt S13 kann alternativ parallel zu den Schritten S9 und/oder S11 ausgeführt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann optional einen Anschlagwert ermittelt werden, der repräsentativ ist für eine Anschlagkraft des Ankers 20 auf dem Polkörper 23 in dem detektierten Öffnungspositionszeitpunkt OPZI. Abhängig von dem Anschlagwert kann der vorgegebene Spannungsverlauf U_V für den weiteren Ansteuervorgang angepasst werden.
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In einem Schritt S15 wird das Programm beendet und kann gegebenenfalls wieder in dem Schritt S1 gestartet werden.
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Durch das erläuterte Vorgehen kann dazu beigetragen werden, dass für weitere Ansteuervorgänge der vorgegebene Spannungsverlauf U_V und/oder der vorgegebene maximale Stromwert I_MAX angepasst wird, so dass der vorgegebene erwartete Öffnungszeitpunkt und/oder der vorgegebene erwartete Öffnungspositionszeitpunkt OPZ sehr genau erreicht werden, um somit eine monotone sehr genaue und präzise Einspritzung zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzventil
- 3
- Gehäuse
- 5
- Ausnehmung
- 10
- Ventilnadel
- 15
- elektrischer Aktuator
- 17
- Spule
- 20
- Anker
- 23
- Polkörper
- 30
- Rückstellfeder
- U_B
- erhöhter Spannungswert
- U_N
- Neutralwert der Spannung
- U_V
- vorgegebener Spannungsverlauf
- I_R
- rampenförmiger Stromverlauf
- I_MAX
- maximaler Stromwert
- OZI
- detektierter Öffnungszeitpunkt
- OPZ
- erwarteter Öffnungspositionszeitpunkt
- OPZI
- detektierter Öffnungspositionszeitpunkt
