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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils und insbesondere die Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung des Einspritzventils.
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Es ist bekannt, elektromagnetische Aktoren zur Betätigung eines Einspritzventils zu verwenden, wobei eine Spule mit einem Strom beaufschlagt wird, um durch das resultierende Magnetfeld eine Kraft (mittelbar oder unmittelbar) auf eine Ventilnadel auszuüben und dadurch zu bewegen. Insbesondere bei geringen Einspritzmengen, d. h. kurzen Einspritzzeiten, beeinträchtigen Störeinflüsse wie die Temperatur oder auch Streuungen im Ansprechverhalten von Einspritzventilen die Präzision des Einspritzvorgangs.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 014 825 A1 ist bekannt, das tatsächliche Schließverhalten anhand einer Prellintensität zu erfassen, um beim Schließvorgang eine gezielte Gegenkraft auszuüben. Dadurch soll die Prellintensität Schließen des Einspritzventils minimiert werden. Es wird eine Regelung vorgeschlagen, mit der das Prellen der Ventilnadel auf einem Ventilsitz verringert wird, wenn die Ventilnadel schließt. Eine derartige Regelung, die auf der Betrachtung des Prellvorgangs beruht (und somit beiderseits der Grenze zum Prellen arbeitet), ist jedoch nur für Einspritzventile geeignet, die mit relativ geringem Druck betrieben werden, und welche aufgrund des geringen Drucks ein Prellen tolerieren. Bei hohen Drücken ist diese Vorgehensweise jedoch mit einer geringen Präzision bzw. mit hohen mechanischen Belastungen für das Einspritzventil verbunden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit dem auf präzise Weise und bei einem weiten Bereich von Betriebsparametern ein Einspritzventil präzise betrieben werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungsformen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche sowie mit Merkmalen der Beschreibung.
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Es wurde erkannt, dass sich auch bei hohen Drücken eine gute Präzision der Einspritzmenge realisieren lässt, wenn nicht der Prellvorgang bzw. dessen Minimierung im Rahmen einer Regelung betrachtet wird, sondern die Schließgeschwindigkeit selbst geregelt wird und somit nicht die Bewegung der Ventilnadel nach dem ersten Auftreffen auf einen Ventilsitz, sondern bereits vor dem Auftreffen auf einen Ventilsitz erfasst und mittels einer Regelung eingestellt wird. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht es, dass während desselben Schließvorgangs eine Schließbewegung erfasst wird und anhand der erfassten Schließbewegung und vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz gesteuert wird, während der Stand der Technik als Eingangsgröße für eine Regelung einen Prellvorgang betrachtet, der notwendigerweise in einem vorhergehenden Schließvorgang stattfand. Die Betrachtung eines Prellvorgangs ist daher mit der hier vorgeschlagenen Herangehensweise nicht notwendig. Insbesondere kann die hier beschriebene Herangehensweise auch bei einem Kraftstoffdruck von über 200 bar oder mehr realisiert werden, bei dem ein Prellvorgang zu starker mechanischer Belastung des Einspritzventils führen würde und dies somit einen hohen Verschleiß ausgesetzt wäre. Ferner verringert die Erfindung grundsätzlich den Verschleiß durch Prellvorgänge und reduziert auch den vom Einspritzventil ausgehenden, störenden Körperschall.
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Es ist vorgesehen, dass anhand einer Induktionskomponente, die in einer Spule durch die Schließbewegung der Ventilnadel entsteht, eine Schließgeschwindigkeit geregelt wird, um diese gemäß einem Sollwert (betreffend die Schließgeschwindigkeit) einzustellen. Die Schließgeschwindigkeit wird eingestellt, in dem ein Bremsstrom als Stellgröße innerhalb dieser Regelung verändert wird, um dadurch eine Bremskraft für die Ventilnadel zu erzeugen, die zu einer Ist-Schließgeschwindigkeit führt, die (bis auf einen vorgegebenen Toleranzbereich) der Soll-Schließgeschwindigkeit entspricht. Diese Regelung kann vollständig ohne Prellvorgänge arbeiten, da auch bei vollständig ausbleibendem Prellvorgang das Induktionssignal eine für die Regelung brauchbare Messgröße darstellt.
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Die hier beschriebene Vorgehensweise sieht vor, dass als Messgröße bzw. Regelgröße eine Größe verwendet wird, die unmittelbar aus dem Induktionssignal, d. h. aus der an der Spule anliegenden Spannung, erfassbar ist, insbesondere die Amplitude, d. h. die Amplitudenhöhe bzw. maximale Amplitude (ggf. auch ein entsprechender Integralwert), der Gradient der Amplitude und/oder eine Dauer des Induktionssignals bzw. eines Impulses innerhalb des Induktionssignals. Daher wird als Messgröße eine Signaleigenschaft des Induktionssignals selbst verwendet und nicht eine Größe, die sich auf ein Ereignis bezieht, welches nicht unmittelbar mit der Erzeugung des Induktionssignals zu tun hat (wie etwa die im Stand der Technik beschriebene Prellintensität).
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Das der Regelung zu Grunde liegende Signal, d. h. das Induktionssignal betrifft insbesondere einen Zeitabschnitt vor dem Erreichen des Schließzustands, d. h. bevor die Ventilnadel auf einen Ventilsitz aufschlägt. Die hier beschriebene Vorgehensweise ist somit nicht auf den Prellvorgang per se gerichtet, sondern regelt die Schließgeschwindigkeit (und nicht ein späteres Verhalten nach oder direkt während dem Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz).
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Es wird daher ein Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils beschrieben, wobei eine Ventilnadel des Einspritzventils durch Einprägen eines Öffnungsstroms in einer Magnetspule geöffnet wird. Die Spule übt eine Magnetkraft, die aus dem Öffnungsstrom resultiert, mittelbar oder unmittelbar auf die Ventilnadel aus. Der Öffnungsstrom kann eingeprägt werden durch Anschließen mindestens einer Stromquelle oder auch einer Spannungsquelle an die Spule, wobei der resultierende Strom in bekannter Weise ein Magnetfeld in der Spule erzeugt, welches wiederum eine Kraft auf die Ventilnadel (beispielsweise mittelbar über einen Magnetanker) ausübt. Dadurch wird die Ventilnadel bewegt, wodurch sich der Schließ-/Öffnungszustand des Einspritzventils einstellen lässt.
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Es wird ein Induktionssignal erfasst, etwa als ein Signal, das an der Spule anliegt oder durch die Spule fließt, während sich die Ventilnadel in eine Schließstellung bewegt. Dieses Induktionssignal wird erfasst, nachdem der Öffnungsstrom in der Spule eingeprägt wurde. Mit dem Ende des Öffnungsstroms kann das Induktionssignal erfasst werden, typischerweise nach dem Abtrennen einer Spannungs- oder Stromquelle von der Spule bzw. nach dem Abschalten der Spannungs- oder Stromquelle. Da, wie bereits bemerkt, die Spule magnetisch mit der Ventilnadel gekoppelt ist, kann zum Einen die Spule eine Magnetkraft auf die Ventilnadel ausüben, jedoch führt in reziproker Weise auch eine Bewegung der Ventilnadel (oder einer damit verbundenen magnetischen Komponente) zu einem Induktionssignal, da sich der magnetische Fluss in der Spule durch die Bewegung ändert.
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Das Induktionssignal kann erfasst werden an den Anschlüssen der Spule, an denen auch der Öffnungsstrom eingeprägt wird, wobei jedoch auch Zwischenanzapfungen vorgesehen sein können, an denen ebenso das Induktionssignal erfasst werden kann, während der Öffnungsstrom an andere Anschlüsse der Spule angelegt wird. Es ist möglich, dass zum Erfassen des Induktionssignals Windungen verwendet werden, die nur einem Teil derjenigen Windungen entsprechen, in welchen der Öffnungsstrom eingeprägt wird. Für die Erfassung des Induktionssignals und für das Einprägen des Öffnungsstroms können auch unterschiedliche Spulen verwendet werden. Jedoch bietet die Erfassung des Induktionssignals an den gleichen Anschlüssen, an denen auch der Öffnungsstrom eingeprägt wird, den Vorteil, dass die gleichen Leitungen verwendet werden können. Das Induktionssignal kann vor, während und/oder nach einem Erzeugen einer Bremskraft (wie im Folgenden dargestellt) erfasst werden.
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Es wird eine Bremskraft in der Ventilnadel erzeugt, indem ein Bremsstrom in der Spule eingeprägt wird, insbesondere in derjenigen Spule, in welcher auch der Öffnungsstrom eingeprägt wird. Der Bremsstrom wird nach dem Einprägen des Öffnungsstroms in der Spule eingeprägt, insbesondere wenn sich die Ventilnadel auf eine Schließstellung zu bewegt. Dadurch wird die Bewegung der Ventilnadel zur Schließstellung hin beeinflusst und insbesondere in ihrer Geschwindigkeit verringert. Der Bremsstrom kann mit der gleichen Schaltung eingeprägt werden wie der Öffnungsstrom, wobei der Bremsstrom typischerweise eine Flussrichtung hat, die der Flussrichtung des Öffnungsstroms entspricht. Der Bremsstrom kann insbesondere erzeugt werden durch Zuschalten einer Spannungs- oder Stromquelle (oder durch Schalten der Quelle selbst), wobei jedoch der Bremsstrom auch erzeugt werden kann, indem die Spule über einen Kurzschluss oder über einen Widerstand kurzgeschlossen wird, wobei sich die Bremskraft gemäß der Lenz'schen Regel ergibt und eingestellt werden kann durch Änderung des Widerstands. Bevorzugt wird jedoch eine steuerbare Spannungs- oder Stromquelle einstellbarer Spannung oder einstellbarem Strom zum Einstellen des Bremsstroms verwendet. Die Spannungs- oder Stromquelle kann somit schaltbar sein und/oder kann einstellbar sein, wobei eine Vielzahl (d.h. mehr als zwei) von Spannungs- bzw. Stromwerten eingestellt werden können.
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Es ist vorgesehen, dass eine Schließgeschwindigkeit der Ventilnadel, d. h. die Geschwindigkeit der Ventilnadel, während sich diese zu der Schließstellung hin bewegt, geregelt wird. Daher führt das hier beschriebene Verfahren eine Schließgeschwindigkeitsregelung aus, bei der als Stellgröße der Bremsstrom verwendet wird. Durch Einstellen des Bremsstroms kann die Schließgeschwindigkeit beeinflusst werden und insbesondere innerhalb der Schließgeschwindigkeitsregelung auf eine Soll-Schließgeschwindigkeit eingestellt werden. Als Stellglied innerhalb der Regelung (d.h. innerhalb des Regelkreises) kann die Strom- oder Spannungsquelle betrachtet werden, welche den Bremsstrom in der Spule erzeugt, wobei ein aktuell eingeprägter Bremsstrom als Stellwert der Regelung betrachtet werden kann. Die Spannungs- oder Stromquelle zur Erzeugung des Bremsstroms in der Spule kann ein Ansteuersignal erhalten, typischerweise in Form eines Spannungssignals, gemäß dem der Bremsstrom vorgesehen wird, wobei dieses Ansteuersignal der Strom- oder Spannungsquelle als Steuergröße innerhalb des Stellglieds betrachtet werden kann.
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Die Ist-Schließgeschwindigkeit der Ventilnadel wird als Regelgröße der Schließgeschwindigkeitsregelung verwendet. Die Stellgröße wird daher durch die Regelung derart verändert, dass die Ist-Schließgeschwindigkeit einer vorgegebenen Soll-Schließgeschwindigkeit (bis auf eine zulässige Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs, der idealerweise null ist) entspricht.
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Als ein Maß für die Ist-Schließgeschwindigkeit, d. h. zur Erfassung eines Werts, welcher die Regelgröße wiedergibt, wird das Induktionssignal verwendet. Insbesondere wird eine Amplitude und/oder eine Dauer des Induktionssignals verwendet als ein Maß für die Ist-Schließgeschwindigkeit der Ventilnadel, d. h. als Regelgröße. Es wird eine Maximalamplitude, d. h. ein Scheitelwert, oder auch ein der Amplitude entsprechender Integralwert und insbesondere auch ein Gradient der Momentanamplitude verwendet, wobei dies durch den Begriff Amplitude zusammengefasst ist. Als Gradient der Momentanamplitude wird die erste zeitliche Ableitung der Amplitude, insbesondere der Momentanamplitude, betrachtet. Die Dauer des Induktionssignals entspricht der Dauer eines Impulses in dem Induktionssignal, während dem etwa die Momentanamplitude über einen vorgegebenen Schwellwert liegt. Beispielsweise entspricht die Dauer dem Zeitintervall zwischen dem Überschreiten eines Schwellwerts durch die Momentanamplitude und den darauf folgenden Unterschreiten des Schwellwerts durch die Momentanamplitude. Der Schwellwert kann hierbei größer als ein (typischer) Rauschsignalpegel innerhalb des Induktionssignals sein, vorzugsweise zuzüglich eines Toleranzintervalls um Fehlinterpretationen zu vermeiden. Um die Dauer als Zeitintervall zwischen Beginn und Ende eines Impulses zu betrachten, kann auch die erste zeitliche Ableitung der Momentanamplitude verwendet werden, da zu Beginn des Impulses durch die Beschleunigung eine Flanke zu verzeichnen ist, während am Ende des Pulses (wenn die Ventilnadel den Ventilsitz erreicht) der Abbremsvorgang eine entsprechende Flanke in der ersten zeitlichen Ableitung der Momentanamplitude erzeugt. Unter der Annahme, dass der Ventilweg der gleiche ist, gibt die Dauer somit unmittelbar auf die Geschwindigkeit (in reziproker Weise) wieder. Bei variablem Hub kann die Dauer auch auf die Weglänge normiert werden. Als Weglänge wird hier insbesondere der Ventilhub betrachtet. Das Regelungsziel der Schließgeschwindigkeitsregelung ist es, die Ist-Schließgeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert zu regeln, d. h. möglichst präzise (unter Berücksichtigung des Toleranzbereichs) auf die vorgegebene Soll-Schließgeschwindigkeit einzustellen.
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Somit ist ferner vorgesehen, dass die Schließgeschwindigkeitsregelung den Bremsstrom gemäß der vorgegebenen Soll-Schließgeschwindigkeit einstellt, insbesondere um einen Fehler, der die Differenz zwischen Ist- und Soll-Schließgeschwindigkeit wiedergibt, auf null zu reduzieren oder auf den Betrag des Fehlers unter einen vorgegebenen Toleranzgrenzwert zu bringen. Die Schließgeschwindigkeitsregelung stellt hierbei insbesondere die Höhe des Bremsstroms ein oder auch die Dauer des Bremsstroms.
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Vorzugsweise stellt die Schließgeschwindigkeitsregelung als die Stellgröße eine Stärke (d. h. eine Amplitude, einen Spitzenwert oder einen Integralwert), einen Auftrittszeitpunkt und/oder eine Dauer des Bremsstroms ein. Der Auftrittszeitpunkt bezieht sich auf einen Zeitpunkt, an dem der Öffnungsstrom eingeprägt wird, insbesondere auf einen Zeitpunkt, an dem der Öffnungsstrom endet (d.h. einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet) oder an dem der Öffnungsstrom ein relatives Maximum aufweist oder an dem der Öffnungsstrom einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Der letztgenannte Zeitpunkt kann auch als Öffnungsstromzeitpunkt bezeichnet werden. Der Auftrittszeitpunkt des Bremsstroms wird daher eingestellt, indem eine Zeitdauer zwischen dem Öffnungsstromzeitpunkt und dem Auftrittszeitpunkt des Bremsstroms eingestellt wird.
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Durch die Erhöhung der Stärke bzw. der Dauer des Bremsstroms kann die Ist-Schließgeschwindigkeit erhöht werden, insbesondere wenn die Ist-Schließgeschwindigkeit unter der Soll-Schließgeschwindigkeit liegt. Die Regelung erfasst die Differenz zwischen Ist-Schließgeschwindigkeit und Soll-Schließgeschwindigkeit und stellt entsprechend den Bremsstrom ein bzw. ändert diesen gemäß der Abweichung zwischen Ist- und Soll-Geschwindigkeit. Dies gilt auch umgekehrt, so dass die Stärke und die Dauer verringert werden können, wenn die Ist-Schließgeschwindigkeit verringert ist, beispielsweise wenn diese über der Soll-Schließgeschwindigkeit liegt.
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Der Auftrittszeitpunkt des Bremsstroms kann vorgezogen werden, wenn die Ist-Schließgeschwindigkeit zu verringern ist, beispielsweise wenn die Ist-Schließgeschwindigkeit über der Soll-Schließgeschwindigkeit liegt. Das Vorziehen des Auftrittszeitpunkts entspricht einer Verkürzung der Zeitdauer zwischen dem Öffnungsstromzeitpunkt und dem Auftrittszeitpunkt des Bremsstroms. Der Auftrittszeitpunkt kann auch verzögert werden, um die Ist-Schließgeschwindigkeit zu vergrößern, beispielsweise wenn diese unter der Soll-Schließgeschwindigkeit liegt. Das Verzögern des Auftrittszeitpunkts entspricht einer Verlängerung der Zeitdauer zwischen dem Öffnungsstromzeitpunkt und dem Auftrittszeitpunkt des Bremsstroms.
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Die Ist-Schließgeschwindigkeit kann aus der Amplitude bzw. aus der Dauer des Induktionssignals ermittelt werden gemäß einer vorgegebenen Abbildung, wobei die Abbildung bei der Amplitude im Wesentlichen einer steigenden Funktion entspricht, insbesondere einer monoton steigenden oder streng monoton steigenden Funktion. Bei der Dauer ist die Funktion fallend, insbesondere monoton fallend oder streng monoton fallend, etwa eine Hyperbel. Vereinfacht kann die Amplitude bzw. der Kehrwert der Dauer auf die Schließgeschwindigkeit mittels einer Proportionalitätskonstanten abgebildet werden. Die Abbildung kann somit als lineare Funktion, insbesondere als proportionale Funktion realisiert sein (und im Falle der Dauer zudem eine Kehrwertbildung der Dauer umfassen), oder kann mittels einer Wertetabelle vorgesehen sein, bei der mehrere Schließgeschwindigkeiten in mehreren Amplituden bzw. Dauern verknüpft sind. Vorzugsweise wird ein Wert, der die Amplitude oder den Kehrwert der Dauer des Induktionssignals wiedergibt, als Maß für die Ist-Schließgeschwindigkeit angesehen, so dass es keiner Abbildung des Induktionssignals auf die Ist-Schließgeschwindigkeit bedarf, zumal die Regelung auch ohne eine explizite Verwendung einer Ist-Schließgeschwindigkeit arbeiten kann, da stattdessen das Induktionssignal verwendet werden kann.
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Ergibt sich eine Amplitude oder eine Dauer, die über oder unter einer Soll-Amplitude oder Soll-Dauer (entsprechend einer Soll-Schließgeschwindigkeit) liegt, so wird der Bremsstrom wie oben beschrieben eingestellt. Soll-Amplitude oder Soll-Dauer wird vorgegeben, insbesondere von einer übergeordneten Steuereinheit (ECU, Engine Control Unit, Motorsteuereinheit) und kann konstant oder auch veränderlich sein. Die Amplitude bzw. die Dauer des Induktionssignals entspricht der Schließgeschwindigkeit, wobei die Regelung jedoch auch ohne konkrete Ermittlung der Schließgeschwindigkeit auskommt und beispielsweise mit der Amplitude oder Dauer als Regelgröße (unter Verwendung einer Ist- und Soll-Amplitude oder -Dauer) arbeiten kann. Die Betrachtung der Amplitude bzw. der Dauer als ein Maß für die Ist-Schließgeschwindigkeit dient insbesondere nur zum Verständnis der Erfindung zu Grunde liegenden Vorgehensweise, so dass bei einer Realisierung des Verfahrens weder die Ist-Schließgeschwindigkeit noch die Soll-Schließgeschwindigkeit selbst als ein Wert bestimmt werden müssen, sondern vielmehr die Regelung mit der Amplitude oder der Dauer des Induktionssignals als Regelgröße und mit dem Bremsstrom als Stellgröße realisiert wird.
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Das hier beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zum Betrieb des Einspritzventils bei einem Kraftstoffdruck von mehr als 200 bar, insbesondere von mehr als 250, 300 oder 400 bar. Das Verfahren eignet sich beispielsweise für einen Kraftstoffdruck zwischen 200 und 500 bar, wobei die genannte Untergrenze auch 220 oder 250 bar betragen kann. Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass das Einspritzventil mit einem Kraftstoffdruck von mehr als 200 bar, 220 bar, 250 bar, 300 bar oder 400 bar betrieben wird.
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Da durch die erfindungsgemäße Regelung keine Prellvorgänge im Rahmen einer Regelung betrachtet werden müssen, kann das Verfahren ohne Prellen der Ventilnadel (oder eines Magnetankers) durchgeführt werden, wobei insbesondere bei einem derartigen hohen Kraftstoffdruck Prellvorgänge mit einem hohen Verschleiß verbunden sind und insbesondere mit dauerhaften Schädigungen des Einspritzventils verbunden sein können. Um eine gewünschte Schließgeschwindigkeit zu erreichen, wird das Bewegen der Ventilnadel in eine Schließstellung unterstützt durch den Kraftstoffdruck eines Kraftstoffs, dessen Strömung von dem Einspritzventil gesteuert wird. Bei einem hohen Kraftstoffdruck (wie vorangehend genannt) und insbesondere bei Variationen im Kraftstoffdruck (der zwischen 200, 220, 250, 300 oder 400 bar als Untergrenze und 300, 400, 500 bar oder mehr als Obergrenze variieren kann) ergeben sich ohne weitere Eingriffe in den Bremsvorgang stark variierende Einspritzzeiten. Die Erfindung sieht hierbei vor, dass bei unterschiedlichen Kraftstoffdrücken die Schließgeschwindigkeit (und somit auch die Amplitude bzw. die Dauer des Induktionssignals) im Wesentlichen gleich bleibt, vorzugsweise innerhalb eines Toleranzbereichs mit einer Breite von vorzugsweise 7,5 %, 10 %, 12,5 % oder von 5 %, 2 %, 1 % oder weniger, auch von 20 %, 25 % oder 30 %. Insbesondere ermöglicht die Regelung, dass die Auswirkung eines variierenden Kraftstoffdrucks auf die resultierenden Einspritzzeitdauern zumindest teilweise kompensiert wird durch Regeln der Schließgeschwindigkeit (bzw. der Amplitude und/oder der Dauer) auf eine Soll-Schließgeschwindigkeit. Dadurch lässt sich die Einspritzmenge präziser steuern, da der Kraftstoffdruck nicht als eine weitere Stellgröße unmittelbaren Einfluss auf die Schließgeschwindigkeit und somit auf die Einspritzzeitdauer hat.
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Die Schließgeschwindigkeitsregelung sieht vor, dass bei einem Kraftstoffdruck, der um einen Faktor bp variiert, die Schließgeschwindigkeit (oder die Amplitude bzw. die Dauer der Induktionskomponente) um nicht mehr als um einen Faktor von 0,03 mal dp, 0,04 mal dp oder 0,05 mal dp variiert. Dies wird vorgesehen, indem die Schließgeschwindigkeitsregelung die Ist-Schließgeschwindigkeit bzw. die Amplitude oder die Dauer) mit einem entsprechenden Toleranzbereich auf den entsprechenden Sollwert (Schließgeschwindigkeit, Amplitude oder Dauer) regelt. Wenn sich beispielsweise der Druck zwischen 200 und 500 bar ändert, führt dies zu einer Schwankung der Schließgeschwindigkeit von maximal 10 %, maximal 20 % oder auch maximal 30 % als Obergrenze.
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Weiterhin wird durch die Schließgeschwindigkeitsregelung der Bremsstrom derart eingestellt, dass die Ventilnadel nach Erreichen der Schließstellung und insbesondere vor dem Einprägen eines Öffnungsstroms nicht öffnet. Vorzugsweise wird der Bremsstrom derart eingestellt, dass auch ein mit der Ventilnadel verbundene Magnetanker keinen Prellvorgang aufweist oder zumindest keinen Prellvorgang an der Ventilnadel erzeugt, sondern die Ventilnadel nach dem (ersten) Erreichen einer Endposition im Rahmen eines Schließvorgangs nicht mehr aus der Schließstellung bewegt. Falls der Magnetanker ein Prellen aufweist, so stellt die Schließgeschwindigkeitsregelung den Bremsstrom derart ein, dass durch das Prellen des Magnetankers keine Bewegung der Ventilnadel folgt. Der Magnetanker ist gegenüber der Ventilnadel beweglich und kann ferner Kraft an diese übertragen, insbesondere über einen Mitnehmer und/oder eine Feder.
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Vorzugsweise ist die Regelgröße der Schließgeschwindigkeitsregelung begrenzt. Es kann daher vorgesehen sein, dass die Schließgeschwindigkeitsregelung den Bremsstrom derart einstellt, dass während dem Bewegen der Ventilnadel in die Schließstellung die Ist-Schließgeschwindigkeit unter einer vorgegebenen Geschwindigkeitsobergrenze und/oder über einer vorgegebenen Geschwindigkeitsuntergrenze liegt. Die Begrenzung kann somit eine Begrenzung von Minimum oder durch ein Maximum sein, dass nicht zu unterschreiten ist bzw. zu überschreiten ist. Ferner kann auch die Stellgröße begrenzt sein, wobei hierbei eine Obergrenze für die Amplitude und/oder für die Dauer vorgesehen sein kann.
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Weiterhin können mehrere Einspritzventile gemäß der hier beschriebenen Herangehensweise betrieben werden. Da einzelne Einspritzventile (auch des gleichen Typs) aufgrund von Exemplarstreuung unterschiedliche Ansprecheigenschaften aufweisen, sollte zur Erhöhung der Präzision dieser Streuung Rechnung getragen werden. Durch die hier beschriebene Herangehensweise lassen sich auch Exemplarstreuungen kompensieren, da die hier beschriebene Regelung auch Fehler kompensiert, die nicht nur von variierenden Betriebsparametern wie den Kraftstoffdruck herrühren. Es werden daher mehrere Einspritzventile vorgesehen, die jeweils gemäß dem hier beschriebenen Verfahren betrieben werden. Die Ist-Schließgeschwindigkeiten der mehreren Einspritzventile weicht nicht mehr als eine vorgegebene Toleranzbreite voneinander ab, insbesondere da die Einspritzventile mit der gleichen Soll-Schließgeschwindigkeit betrieben werden. Die Regelungen der mehreren Einspritzventile weisen somit alle die gleiche Sollvorgabe auf, d. h. die gleiche Soll-Schließgeschwindigkeit oder die gleiche Soll-Amplitude oder die gleiche Soll-Dauer.
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Vorangehend ist beschrieben, dass unterschiedliche Kraftstoffdrücke eine Variation der Schließgeschwindigkeit zur Folge haben können, wobei die Variation durch das hier beschriebene Verfahren zumindest teilweise unterdrückt werden kann. Jedoch stellen auch andere Betriebsgrößen wie etwa die Temperatur Störquellen dar, die wie variierenden Kraftstoffdrücke Einfluss auf die Ist-Schließgeschwindigkeit (bzw. die Amplitude oder den Druck) haben. Daher gilt das hier für den Kraftstoffdruck Erwähnte auch für andere Betriebsgrößen, wie etwa für die Temperatur, insbesondere für die Temperatur des Einspritzventils.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt ein symbolhaftes Schaubild für eine Schließgeschwindigkeitsregelung und
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die 2 zeigt einen symbolhaften und stark vereinfachten Verlauf der Spannung an einer Spule eines Einspritzventils. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt einen symbolhaften Regelkreis, wobei in Schritt 10 ein Induktionssignal erfasst wird, das insbesondere einer Spannung an den Anschlüssen einer Spule entspricht, welches in dem Einspritzventil die Ventilnadel bewegt. Das in Schritt 10 erfasste Induktionssignal entspricht unmittelbar der Ist-Schließgeschwindigkeit, da die Amplitude über einen positiven Proportionalitätsfaktor mit der Ist-Schließgeschwindigkeit der Ventilnadel verknüpft ist. Es sei bemerkt, dass auch die Dauer des Induktionssignals über einen negativen Proportionalitätsfaktor mit der Ist-Schließgeschwindigkeit verknüpft ist. Aufgrund dieses engen Zusammenhangs wird das Induktionssignal bzw. deren Amplitude bzw. Dauer auch zur vereinfachten Darstellung der Regelung als Ist-Schließgeschwindigkeit betrachtet.
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Ferner besteht eine Soll-Schließgeschwindigkeit, die gleichermaßen einer Soll-Amplitude oder einer Soll-Dauer des Induktionssignals entsprechen kann. In Schritt 12 wird diese Soll-Schließgeschwindigkeit oder ein hierzu äquivalenter Wert eingegeben bzw. einem Schritt des Vergleichens 20 bereitgestellt.
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In dem Schritt 20, der symbolhaft als Vergleicher bzw. Subtrahierer dargestellt ist, wird die Differenz zwischen Soll- und Ist-Schließgeschwindigkeit ermittelt. Da die Schließgeschwindigkeit direkt mit der Amplitude bzw. mit der Dauer zusammenhängt, kann 1 auch dahingehend aufgefasst werden, dass der Vergleicher 20 die Differenz zwischen Ist-Amplitude des Induktionssignals und der Soll-Amplitude des Induktionssignals ermittelt. Die Differenz ist eine Ausprägung einer allgemeinen Regelabweichung zwischen den betreffenden Ist- und Soll-Größen (Schließgeschwindigkeit, Amplitude, Dauer des Induktionssignals, ...).
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In Schritt 30 wird die Schließgeschwindigkeit bzw. die Amplitude bzw. Dauer des Induktionssignals geregelt, indem die Abweichung des Schritts 20 verwendet wird, um in Schritt 40 ein Stellglied (welches den Bremsstrom einstellt) entsprechend anzusteuern. Mit anderen Worten wird durch den Regler, der mittels des Schritts 30 realisiert wird, der Bremsstrom gemäß der Abweichung, die von dem Vergleicher 20 errechnet wird, eingestellt. Der Regler kann beispielsweise mit einer P-, PI-, PD-, oder PID-Charakteristik ausgestaltet sein. In einem einfachen Fall wird in Schritt 30 ein Zähler, der den Bremsstrom bestimmt, inkrementiert bzw. dekrementiert, wenn die Abweichung positiv bzw. negativ ist.
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In Schritt 40 erzeugt ein Stellglied, das beispielsweise als eine Steuerung für eine einstellbare Spannungs- oder Stromquelle realisiert sein kann, ein Steuersignal anhand der von dem Regler 30 abgegebenen Größe.
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Das Stellglied erzeugt aufgrund der Ansteuerung mit dem Steuersignal des Schritts 40 als Stellgröße in Schritt 50 den Bremsstrom.
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In einem Schritt 60, der eine Regelstrecke wiedergibt, wird der in Schritt 50 eingestellte Bremsstrom umgesetzt, wobei die Spule aufgrund des in Schritt 50 eingestellten Bremsstroms 50 die Ventilnadel abbremst, um dadurch eine (neue bzw. aktualisierte) Ist-Schließgeschwindigkeit zu erreichen, die gleichbedeutend mit einem geänderten Induktionssignal ist. Der Bremsstrom kann mit einer gesteuerten Stromquelle oder mit einer an der Spule angeschlossenen gesteuerten Spannungsquelle erzeugt werden.
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Der Regler des Schritts 30 ändert über das Stellglied des Schritts 40 den Bremsstrom des Schritts 50 so, dass dies in der Regelstrecke des Schritts 60 zu einer geänderten Schließgeschwindigkeit führt, mit dem Regelungsziel, dass der Vergleicher, vgl. Schritt 20, eine möglichst geringe (betragsmäßige) Abweichung abgibt.
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Die Realisierung eines derartigen Regelkreises (zumindest der Schritte 10, 12, 20 und 30) kann durch einen Mikroprozessor vorgesehen sein, welcher einen Messeingang aufweist, insbesondere um das Induktionssignal bzw. die damit verknüpfte Schließgeschwindigkeit in Schritt 10 zu umfassen, und der anhand einer Programmierung ausgestaltet ist, den Vergleicher des Schritts 20 zu realisieren sowie auch die Regelung des Schritts 30. Der Mikroprozessor kann einen Ausgang aufweisen, mit dem das Stellglied 40 angesteuert werden kann. Alternativ ist das Stellglied 40 Teil des Mikroprozessors.
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Der Mikroprozessor kann ferner einen Eingang für die Soll-Schließgeschwindigkeit bzw. für die Amplitude oder Dauer des Induktionssignals als Sollgröße aufweisen, um den Schritt 12 zu realisieren. Alternativ kann eine entsprechende Sollgröße in einen Speicher abgelegt sein, der mit dem Mikroprozessor verbunden ist und in dem ggf. auch das Programm abgelegt ist.
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Das Erfassen des Induktionssignal in Schritt 10 kann durch einfaches Anzapfen der Spulenanschlüsse realisiert sein, wobei zwischen Messeingang und Spulenanschlüsse auch ein Dämpfungsglied oder ein Verstärkungsglied und insbesondere auch ein frequenzselektiver Filter vorgesehen sein kann, um das an der Spule anliegende Signal aufzubereiten und als Induktionssignal dem Mikroprozessor (bzw. dessen Eingangsschnittstelle insbesondere in Form eines A/D-Wandlers) zuzuführen. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Signal an den Spulenanschlüssen nur in einem vorbestimmten Zeitfenster wie beschrieben weiterverarbeitet wird, um Signalabschnitte außerhalb dieses Zeitfensters zu unterdrücken. Das Zeitfenster ist ausgestaltet, dass das Induktionssignal auch bei Variationen des Auftrittszeitpunkts des Induktionssignals innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs in dem Zeitfenster liegt.
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Die 2 zeigt symbolhaft den zeitlichen Verlauf der Spannung, die an der Spule anliegt. Die aufsteigende Flanke a ergibt sich zunächst beim Öffnen der Ventilnadel durch Einprägen des Öffnungsstroms, wobei die Steigung die Trägheit des Spannungsanstiegs bei einem sprungförmigen Stromsignal wiedergibt, welcher aus der Induktivität der Spule resultiert. Der Anstieg ist nur aus Gründen der Einfachheit als gerade Linie dargestellt und weicht in der Realität von dieser Darstellung ab.
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Es folgt ein Abschnitt b, in dem der Öffnungsstrom in der Spule weiterhin eingeprägt wird, wobei die Flanke a und der Abschnitt b zusammen den Öffnungsstrom wiedergeben, der in der Spule eingeprägt wird.
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Es folgt eine abfallende Flanke c, die sich durch das Verringern des Öffnungsstroms, der in der Spule eingeprägt wird, ergibt, insbesondere aus Induktionseffekten durch die Verringerung / Abschaltung des eingeprägten Stroms. In realen Systemen würde die abfallende Flanke c ferner einen negativen Spannungsimpuls beinhalten, der sich durch das Abschalten des Stroms und der Tendenz der Spule ergibt, den Stromfluss aufgrund der Lenz'schen Regel fortzuführen. Aus Gründen der Vereinfachung ist jedoch die Flanke c als steile, zum Nullpunkt führende Flanke dargestellt.
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Nachdem zum Ende des Abschnitts b der Öffnungsstrom abgestellt wurde, ergibt sich mit der auf die Flanke c folgende aufsteigende Flanke d ein Induktionssignal, da bei ausbleibendem Öffnungsstrom die Spule aufgrund der Federkraft bzw. aufgrund des Kraftstoffdrucks zu einer Schließstellung hin bewegt.
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Diese Bewegung endet, wie mit Abschnitt e dargestellt, mit dem Erreichen der Schließstellung, wobei an diesem Punkt das Induktionssignal (nach einer nicht dargestellten Spitze aufgrund der Bremsbewegung der Ventilnadel) auf null abfällt, da die Bewegung und somit auch die Induktion endet. Im realen System würde sich am Abschnitt ferner e ein negativer Spannungspuls ergeben, da die Beschleunigung negativ ist und somit auch ein negatives Induktionssignal zu erwarten ist. Aus Gründen der besseren Darstellung ist jedoch dieser negative Spannungspuls nicht dargestellt.
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Nach dem Abschnitt c sind überlagernde Spannungskomponenten in der an der Spule anliegenden Spannung dargestellt, welche zum Einen die Abschnitte d und e, und zum Anderen den Abschnitt f (mit Strichlinie dargestellt) umfassen.
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Der Abschnitt f gibt den Bremsstrom (bzw. eine Bremsspannungskomponente f) wieder, der mit einer Spannungskomponente verknüpft ist, welche das Induktionssignal überlagert. Zur besseren Darstellung sind der Bremsstrom, der Öffnungsstrom, sowie das Induktionssignal nicht maßstäblich zueinander dargestellt, da die 2 zur Darstellung der zeitlichen Zusammenhänge dient. Der Bremsstrom f wird wie auch die Abschnitte a, b (und indirekt auch c) von einer Spannungs- oder Stromquelle in die Spule eingeprägt. Es ist zu erkennen, dass der Bremsstrom und der Öffnungsstrom das gleiche Vorzeichen haben. Das Vorzeichen des Induktionssignals ist nicht relevant, da deren Amplitudenbetrag als Maß für die Ist-Schließgeschwindigkeit verwendet wird. Die Bremsspannungskomponente f wird während des Auftretens des Induktionssignals (siehe Abschnitt d und e) erzeugt, so dass sich die beiden Signale überlagern. Das Induktionssignal (siehe Abschnitt d und e) von der Bremsspannungskomponente f zu trennen, kann diese von einer Klemmenspannung der Spule abgezogen werden, insbesondere da die Bremsspannungskomponente bzw. der Bremsstrom und die Spuleneigenschaften bekannt sind.
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Das hier beschriebene Verfahren sieht vor, dass die Amplitude (d. h. beispielsweise ein Maximalwert oder ein Integralwert) des Abschnitts d konstant bleibt bzw. einer Soll-Schließgeschwindigkeit folgt (die konstant ist oder die veränderlich sein kann). Alternativ oder in Kombination hierzu kann vorgesehen werden, dass die Zeitdauer des Abschnitts d konstant bleibt, da auch diese ein Maß für die Ist-Schließgeschwindigkeit ist. Die Dauer des Abschnitts d kann insbesondere durch den Zeitpunkt erfasst werden, an dem der Abschnitt d (konstant oder ansteigend) sprungartig abbricht und die abfallende Flanke e bildet. Als zeitlicher Bezugspunkt hierzu kann der Beginn der Flanke c verwendet werden, oder auch der Beginn des Abschnitts d, welcher mit einer ansteigenden Flanke beginnt, der sich durch die anfängliche Beschleunigung der Spule nach Ende des Stroms ergibt (und den Beginn der Bewegung in Richtung Schließstellung kennzeichnet).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Erfassen eines an einer Spule anliegenden Induktionssignals
- 12
- Bereitstellen der Soll-Schließgeschwindigkeit
- 20
- Vergleichen Soll-/Ist-Schließgeschwindigkeit, Erfassen einer Abweichung
- 30
- Regeln der Schließgeschwindigkeit bzw. der Amplitude bzw. der Dauer des Induktionssignals
- 40
- Ansteuern eines Stellglieds
- 50
- Umsetzen der Ansteuerung des Schritts 40 / Einstellen des Bremsstroms
- 60
- Umsetzen des eingestellten Bremsstroms in Einspritzventil
- a
- aufsteigende Flanke des Spannungssignals bei Beginn des Öffnens
- b
- Abschnitt, in dem der Öffnungsstrom in der Spule weiterhin eingeprägt wird, um das Einspritzventil zu öffnen
- c
- Flanke, die sich durch das Verringern des Öffnungsstroms in der Spule ergibt
- d
- Flanke d entsprechend eines Induktionssignal durch Bewegung der Ventilnadel zur Schließstellung
- e
- Erreichen der Schließstellung
- f
- Bremsspannungskomponente f entsprechend dem in der Spule eingeprägten Bremsstroms
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010014825 A1 [0003]
