DE102014202136B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Betriebszuständen eines elektromagnetisch angetriebenen Gerätes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunktes eines vorbestimmten Betriebszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden elektromagnetisch angetriebenen Injektors zur Kraftstoffeinspritzung, das Verfahren aufweisend
Beaufschlagen des Spulenantriebs mit einer vorbestimmten Ansteuerspannung, wobei zumindest ein Teil der Ansteuerspannung mit einer Wechselspannung überlagert wird, die zum Anregen eines Parallelschwingkreises, der die Induktivität und den Widerstand des Spulenantriebs parallel zu einer Kapazität aufweist und wobei die Amplitude der überlagerten Wechselspannung im Vergleich mit der Antriebsspannung klein gewählt ist, angepasst ist,
Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes,
Extrahieren einer der überlagerten Wechselspannung entsprechenden Stromschwingung aus dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes wobei das Extrahieren ein Hochpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes aufweist, und
Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem bei der extrahierten Stromschwingung eine Amplitudenänderung stattfindet, wobei der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des vorbestimmten Betriebszustandes entspricht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Detektion von Betriebszuständen eines elektromagnetisch angetriebenen Gerätes, insbesondere eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung.
• Elektromagnetisch angetriebene Baugruppen können mit geringer Toleranz im Vollhub betrieben werden. Am Beispiel eines Injektors zur Kraftstoff-Einspritzung bedeutet dieser Betriebsmodus die Bewegung der Injektornadel bis zu einer Maximalauslenkung und die Variation der Kraftstoffmasse durch die Variation der Einspritzzeit.
• Der Trend zu kleineren Einspritzmengen bei gleichzeitig höherem statischem Durchfluss erfordert zunehmend die Beherrschung des ballistischen Betriebs am Injektor. Unter dem ballistischen Injektorbetrieb versteht man die Teilauslenkung der Injektornadel in einer durch elektrische und konstruktive Parameter vorgegebenen nach Beendigung der Krafteinleitung freien d.h. parabelförmigen Flugbahn ohne Erreichen des Vollanschlages. Im Gegensatz zum Vollhub ist der ballistische Betrieb des Injektors deutlich stärker toleranzbehaftet, da hier sowohl elektrische als auch mechanische Toleranzen stärker den Öffnungsverlauf beeinflussen, als dies im Vollhubbetrieb der Fall ist.
• Für den ballistischen Injektorbetrieb sind dabei folgende Toleranzen zu unterscheiden, die getrennt bzw. überlagert auftreten können:
• Eine Ausregelung der Toleranzen ist bekanntermaßen möglich. Vorzugsweise wird die in der Patentanmeldung DE 3843138A1 beschriebene Messung der dem Spulen-Strom bzw. der Spannung überlagerten charakteristischen Spannung verwendet. Dabei ist bekannt, dass an spulenbetriebenen Baugruppen ein Feedbacksignal gewonnen werden kann, indem die wirbelstromgetriebene Kopplung zwischen Mechanik (Armatur und Injektornadel) und Magnetkreis (Spule) zur Signalgenerierung genutzt wird. Der physikalische Effekt beruht auf der geschwindigkeitsabhängigen Selbstinduktion in dem elektromagnetischen Kreis infolge der Bewegung der Armatur und der Injektornadel. In Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit wird im Elektromagnet eine Spannung induziert, die dem Ansteuersignal überlagert ist (charakteristische Spannung).
• Die Ausnutzung dieses Effektes bedingt, dass die Überlagerung der elektrischen Grundgröße Spannung bzw. Strom mit der Signaländerung durch die Nadelbewegung geeignet separiert und dann weiterverarbeitet wird. Dabei wird die charakteristische Signalform im Spannungs- bzw. Stromsignal bzgl. des Zeitpunktes des Auftretens ausgewertet.
• Vor allem für die Detektion des Öffnens ist die Auswertung der charakteristischen Signalform problematisch. Da sich der Magnetkreis beim Öffnen typischerweise in Sättigung befindet, ist die Rückwirkung auf den Magnetkreis minimal und somit nur schlecht zu detektieren. Eine Lösung ist, die Ansteuerung aktiv zu ändern um sicherzustellen, dass der Magnetkreis nicht in Sättigung ist. Dabei verändert sich aber das Verhalten des Injektors, was einen nachträglichen Transfer auf den Standardbetrieb erforderlich macht.
• Bisher bekannte Verfahren zur allgemeinen Bestimmung der Öffnungs- bzw. Schließzeit eines elektromagnetisch angetriebenen Gerätes nutzen entweder jeweils einen Messkanal für die Bestimmung des Injektoröffnens und -schließens (Strom-/Spannungsmessung) mit Eingriff in die Strombeaufschlagung bei der Öffnungsdetektion oder nur die Strommessung für Öffnungs- und Schließzeitdetektion mit den bereits beschriebenen intrusiven Eingriff in die Grundansteuerung der Spule und den damit verbundenen Einschränkungen.
• Dabei ist eine Detektion des Injektoröffnens nur möglich, wenn der Injektor in Vollaussteuerung betrieben wird. Dies bedingt die Notwendigkeit einer Übertragung des Adaptionswertes von Vollaussteuerung auf den ballistischen Betrieb. Durch diesen Transfer sind zusätzliche Fehlerquellen möglich, die im Fall höchster Genauigkeitsanforderungen ggf. nicht mehr toleriert werden können.
• In der DE 10 2012 208 756 A1 ist eine Injektorzustandserfassungsvorrichtung offenbart, welche einen Zustand eines Injektors, der das Öffnen und Schließen eines Injektionslochs durch Bewegen einer Nadel gemäß einem bereitgestellten Gleichstrom steuert, beschrieben. Die Vorrichtung beinhaltet ein Versorgungsmittel, ein Wechselstromerfassungsmittel und ein Zustandserfassungsmittel. Das Versorgungsmittel überlagert einen Wechselstrom im bereitgestellten Gleichstrom und stellt dem Injektor einen überlagerten Strom bereit. Das Wechselstromerfassungsmittel erfasst einen Wechselstrom, der durch den Injektor fließt. Das Zustandserfassungsmittel erfasst einen Zustand des Injektors, der den Wechselstrom, der durch den Injektor fließt, beeinträchtigt, basierend auf dem Wechselstrom der durch das Wechselstromerfassungsmittel erfasst wird.
• Aus der DE 44 38 059 A1 ist eine Einrichtung zum messtechnischen Erfassen von Ventil-Hubbewegungen bekannt. Diese Einrichtung enthält am betreffenden Ventil einen Magnetkreis, der im Wesentlichen durch eine bezüglich des Ventilorts fest angeordnete Magnetfeld erzeugende Spule und einen als Kern dienenden Bereich des Ventilschafts gebildet ist, der dort eine Stoßstelle zwischen aus unterschiedlich magnetisch wirksamen Materialien bestehenden Bereichen besitzt. Zur Kompensation störender Temperatureinflüsse sind die Spulen von zwei zu unterschiedlichen Zeiten betätigten Ventilen in einer Brückenschaltung zusammengefasst.
• Die DE 103 38 489 B3 zeigt ein Einspritzventil mit kapazitivem Ventilhubsensor. Bei dem Einspritzventil, bei dem die bewegbaren Ventilteile und der Ventilsitz jeweils Elektroden eines in einem Stromkreis angeschlossenen Kondensators bilden, dessen Kapazität sich mit dem Ventilhub des Verschlussglieds ändert, wird vorgeschlagen, dass der Ventilsitz in einem elektrisch leitenden, an den Stromkreis angeschlossenen Düsenkörper ausgebildet ist und dass das Verschlussglied als Ventilnadel ausgebildet ist, und an ihrer dem Ventilsitz entgegengesetzten Endfläche an den Stromkreis angeschlossen ist.
• In der DE 10 2005 007 327 B4 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Injektoranordnung beschrieben. Die Injektoranordnung dient dabei zum Einspritzen von Kraftstoff einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Injektoranordnung weist einen oder mehrere Injektoren auf, die jeweils aus einem elektrisch ansteuerbaren Piezoaktor und einem mittels des Piezoaktors betätigbarem Kraftstoffventil gebildet sind, wobei das Kraftstoffventil einen relativ zu einem Ventilsitz bewegbaren Ventilkörper aufweist. Die Schaltungsanordnung ist dazu ausgebildet, wahlweise jedem der Injektoren eine Ansteuerspannung zum Ansteuern des Piezoaktors über eine Leitungsanordnung zuzuführen. Die Schaltungsanordnung ist ferner dazu ausgebildet, der Ansteuerspannung ein Messsignal zu überlagern und basierend auf einer Auswertung der elektrischen Eigenschaften des Piezoaktors ein Erfassungssignal zu bilden, welches repräsentativ für die Stellung des Ventilkörpers relativ zu dem Ventilsitz ist. Die Auswertung der elektrischen Eigenschaften des Piezoaktors erfolgt unter Berücksichtigung einer Schall-Laufzeit-Verzögerung und die Bildung des Erfassungssignals erfolgt durch eine Analyse der Reflexion eines zuvor vom Piezoaktor ausgesandten akustischen Signals am Ventilkörper.
• Die DE 38 43 138 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans mit einer Erregerspule. Zur Bewegung des Ankers in eine betätigbare Stellung wird ein Strom oder eine Spannung an die Erregerwicklung gelegt, der Strom oder die Spannung wird vor Beginn der Bewegung des Ankers über einen Wert angehoben, bei dem der Anker in der betätigten Stellung verbleibt, und vor Beendigung der Bewegung des Ankers auf einen definierten Wert gesenkt, der ausreicht, den Anker in der betätigten Stellung zu halten. Schließlich werden die zeitlichen Änderungen des Stroms oder der Spannung nach Einstellung des definierten Werts zur Erkennung des Endes der Ankerbewegung erfasst.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und einfache Bestimmung von Betriebszuständen eines elektromagnetisch angetriebenen Gerätes bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunktes eines vorbestimmten Betriebszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden elektromagnetisch angetriebenen Injektors zur Kraftstoffeinspritzung beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf: (a) Beaufschlagen des Spulenantriebs mit einer vorbestimmten Ansteuerspannung, wobei zumindest ein Teil der Ansteuerspannung mit einer Wechselspannung überlagert wird, die zum Anregen eines Parallelschwingkreises, der die Induktivität und den Widerstand des Spulenantriebs parallel zu einer Kapazität aufweist und wobei die Amplitude der überlagerten Wechselspannung im Vergleich mit der Antriebsspannung klein gewählt ist, angepasst ist, (b) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, (c) Extrahieren einer der überlagerten Wechselspannung entsprechenden Stromschwingung aus dem erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes wobei das Extrahieren ein Hochpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes aufweist, und (d) Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem bei der extrahierten Stromschwingung eine Amplitudenänderung stattfindet, wobei der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des vorbestimmten Betriebszustandes entspricht. Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Resonanzfrequenz eines dem Spulenantrieb enthaltenden Schwingkreises sich mit Bewegung des Spulenantriebs ändert, so dass die Stromstärke (Amplitude) eines Wechselstromanteils (Stromschwingung), der aufgrund einer der Ansteuerspannung überlagerten Wechselspannung durch den Spulenantrieb fließt, sich auch entsprechend ändert. Durch Auswertung des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes können somit verschiedene Betriebszustände erfasst werden, die mit Bewegungen in dem Spulenantrieb verbunden sind.
• In diesem Dokument bezeichnet „Ansteuerspannung“ insbesondere einen Spannungsverlauf, mit welchem der Spulenantrieb in Betrieb angesteuert wird.
• Beim Beaufschlagen des Spulenantriebs mit der vorbestimmten Ansteuerspannung wird zumindest ein Teil der Ansteuerspannung mit einer Wechselspannung überlagert, das heißt, dass während zumindest eines Teils des Beaufschlagens die Ansteuerspannung mit der Wechselspannung überlagert wird. Die Überlagerte Wechselspannung führt dazu, dass ein zusätzlicher Wechselstrom (Stromschwingung), der die gleiche Frequenz wie die Wechselspannung hat, durch den Spulenantrieb fließt. Die Amplitude der überlagerten Wechselspannung wird im Vergleich mit der Ansteuerspannung so klein gewählt, dass die von der überlagerten Wechselspannung bewirkte Stromschwingung keinen erkennbaren Einfluss auf das mechanische Verhalten des Spulenantriebs hat. Folglich arbeitet der Spulenantrieb hauptsächlich als Reaktion auf die beaufschlagte Ansteuerspannung.
• Die Stromstärke (Amplitude) dieses Wechselstroms hängt von dem Verhältnis zwischen der Frequenz der Wechselspannung und der gegenwärtigen Resonanzfrequenz des Schwingkreises ab. Bei einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsteht folglich auch eine entsprechende Änderung der Amplitude der Stromschwingung.
• Durch Bestimmen eines Zeitpunktes, zu welchem eine Amplitudenänderung bei der extrahierten Stromschwingung stattfindet, wird somit ein Zeitpunkt bestimmt, der einem bestimmten Betriebszustandes entspricht, bei dem die Induktivität des Spulenantriebs einen bestimmten Wert hat.
• Somit können zum Beispiel in Verbindung mit einem elektromagnetisch angetriebenen Einspritzventil solche Betriebszustände wie Öffnungszeitpunkt (OPP1), Erreichen der Vollaussteuerung (OPP2), Beginn der Schließphase (OPP3) und Schließzeitpunkt (OPP4) bestimmt werden.
• In diesem Dokument bezeichnet „Kapazität“ insbesondere eine elektrische Kapazität.
• Die Kapazität mag als eine Ausgangskapazität einer Spannungsversorgung, als eine Kapazität in Kabeln oder auf einer Platine oder als ein gezielt angebrachter Kondensator implementiert sein. Die Kapazität mag auch als eine Kombination mehrerer der soeben genannten Elemente implementiert sein.
• Zusätzlich zu dem elektrischen Widerstand des Spulenantriebs mag der Schwingkreis auch weitere Widerstände aufweisen, wie zum Beispiel einen Ausgangswiderstand einer Spannungsversorgung.
• Der Schwingkreis bildet ein Parallelschwingkreis in dem Sinne, dass er im Wesentlichen aus einer Kapazität, einem Widerstand und einer Induktivität besteht, die alle parallel verbunden sind.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Frequenz der Wechselspannung gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
• Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises hängt grundsätzlich von der Induktivität des Spulenantriebs ab und ändert sich folglich mit Änderungen in der Induktivität des Spulenantriebs. Die hier erwähnte Resonanzfrequenz des Schwingkreises mag vorzugsweise einem bestimmten Zustand des Spulenantriebs entsprechen, wie beispielsweise einem geschlossenen Zustand ohne Bewegungsinduktivität.
• Die Amplitude der Stromschwingung ist minimal, solange die Resonanzfrequenz gleich der Frequenz der Wechselspannung ist. Wenn die Resonanzfrequenz sich ändert, steigt die Amplitude der Stromschwingung an und der entsprechende Zeitpunkt wird bestimmt.
• Beispielhafte Werte für die Resonanzfrequenz sind generell im Bereich zwischen 50 kHz und 1 MHz, insbesondere zwischen 100 kHz und 800 kHz, insbesondere zwischen 200 kHz und 600 kHz, insbesondere zwischen 300 kHz und 400 kHz. Insbesondere bei höheren Frequenzen sind EMV-technische Restriktionen zu beachten. Bei Bedarf muss Abhilfe durch geeignete Maßnahmen (z.B. Schirmung usw.) geschaffen werden.
• Durch Hochpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke kann die Stromschwingung in einfacher und effizienter Weise von dem als Folge der beaufschlagten Ansteuerspannung im Spulenantrieb, fließen Strom extrahiert bzw. getrennt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen des Zeitpunktes ein Vergleichen der Amplitude der Stromschwingung mit einem vorbestimmten Schwellenwert auf.
• Dies mag beispielsweise so implementiert sein, dass ein Zeitpunkt bestimmt wird, wenn die Amplitude den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Alternativ mag ein Zeitpunkt bestimmt werden, wenn die Amplitude den vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen des Zeitpunktes ein Vergleichen der extrahierten Stromschwingung mit einer Referenzschwingung auf.
• Die Referenzschwingung mag insbesondere einem Zustand entsprechen, in dem der Spulenantrieb während Beaufschlagens mit der vorbestimmten Ansteuerspannung festgehalten wird, so dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises sich nicht ändert.
• Das Vergleichen der extrahierten Stromschwingung mit der Referenzschwingung mag insbesondere durch Differenzbildung erfolgen. Ein Zeitpunkt wird dann bestimmt, wenn die Differenz zwischen Stromschwingung und Referenzschwingung einen Schwellenwert übersteigt.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen des Zeitpunktes eines vorbestimmten Betriebszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden elektromagnetisch angetriebenen Gerätes, insbesondere eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist folgendes auf: (a) eine Einheit zum Beaufschlagen des Spulenantriebs mit einer vorbestimmten Ansteuerspannung, wobei zumindest ein Teil der Ansteuerspannung mit einer Wechselspannung überlagert ist, die zum Anregen eines Parallelschwingkreises, der die Induktivität und den Widerstand des Spulenantriebs parallel zu einer Kapazität aufweist und wobei die Amplitude der überlagerten Wechselspannung im Vergleich mit der Antriebsspannung klein gewählt ist, angepasst ist, welcher den Spulenantrieb enthält, (b) eine Einheit zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, (c) eine Einheit zum Extrahieren einer der überlagerten Wechselspannung entsprechenden Stromschwingung aus dem erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes wobei das Extrahieren ein Hochpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes aufweist, und (d) eine Einheit zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem bei der extrahierten Stromschwingung eine Amplitudenänderung stattfindet, wobei der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des vorbestimmten Betriebszustandes entspricht.
• Der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt liegt im Wesentlichen die gleiche Erkenntnis zugrunde, die oben in Verbindung mit dem ersten Aspekt beschrieben wurde.
• Die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt ist insbesondere dazu fähig, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
• Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet ist.
• Diese Motorsteuerung ermöglicht es, in einfacher Weise verschiedene Betriebszustände eines Kraftstoffinjektors einfach, präzise und effizient zu bestimmen, und somit die Steuerung anhand der bestimmten Betriebszustände zu adaptieren und zu optimieren.
• Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen eingerichtet ist.
• 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.
• Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in 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.
• 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.
• 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.
• Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
• 1A zeigt einen Parallelschwingkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 1B zeigt ein Ersatzschaltbild für den in 1A gezeigten Parallelschwingkreis.
• 2 zeigt die Ströme in dem in 1B gezeigten Parallelschwingkreis als Funktionen der Frequenz.
• 3A zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Ansteuerspannung mit überlagerter Wechselspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 3B zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Stromstärke eines durch einen Spulenantrieb fließenden Stromes gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 3C zeigt Nadelhub und Ankerhub für einen Kraftstoffinjektor, der gemäß einem Ausführungsbeispiel angesteuert wird.
• 4 zeigt eine Amplitudenänderung in einer Stromschwingung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
• 1A zeigt einen Parallelschwingkreis 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Parallelschwingkreis 1 besteht aus einer Reihenschaltung von einem Spulenwiderstand R_L und einer Spuleninduktivität L parallel mit einer Kapazität C_P und einem Widerstand R_Cp .
• 1B zeigt ein Ersatzschaltbild 2 für den in 1A gezeigten Parallelschwingkreis 1. Das Ersatzschaltbild 2 weist lediglich eine Parallelschaltung von Kapazität C, Widerstand R und Induktivität L auf.
• Die Gesamtimpedanz der Schaltung 2 ist: $$Z=\frac{1}{G+j\left(\omega C-\frac{1}{\omega L}\right)}\text{ wobei G}=1/\text{R}$$

  
• Die Resonanzfrequenz der Schaltung 2 ist: $$f=\frac{1}{2*\pi *\sqrt{LC}}$$

  
• Wird an den Schwingkreis 2 eine Wechselspannung mit der aus Formel (II) berechneten Frequenz angelegt, sind die Werte beider Blindwiderstände gleich groß und heben sich somit auf. Das bedeutet, dass nach außen nur der rein ohmsche Widerstand wirkt. Der zugeführte Strom Io ist im Resonanzfall minimal, die Ströme durch Kapazität C und Spule L können größer sein, wie es in der 2 gezeigt ist.
• 2 zeigt insbesondere den zugeführten Strom Io 3, den Strom 4 durch die Kapazität C und den Strom 5 durch die Induktivität 5, alle als Funktionen der Frequenz. Ein Parallelschwingkreis zeichnet sich bei Resonanz durch Stromüberhöhung an L und C aus.
• Die 3A bis 3C zeigen Spannung, Strom, Nadel- und Ankerhub beim Betreiben eines Kraftstoffinjektors gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Für die Detektion eines Betriebszustandes (z.B. OPP1/2, OPP3/4) des Kraftstoffinjektors wird die Ansteuerspannung 6 mit einer Wechselspannung 7 als hochfrequenten Anregung für den Schwingkreis überlagert. Je nach Lage des zu detektierenden Ereignisses kann die modulierte Sinusspannung in verschiedenen Phasen der Ansteuerung eingespeist werden. In diesem Beispiel wird die Wechselspannung 7 während der Boostphase (in der die Ansteuerspannung auf die sogenannte Boost-Spannung U_b erhöht ist) eingeschaltet, um OPP1/2 zu detektieren.
• Diese Wechselspannung 7 wird mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 2 eingespeist. Im Strom verursacht die überlagerte Spannung 7, wie es in 3B gezeigt ist, eine Stromschwingung 9 während der Boostphase, das heißt während der Strom bis zum Spitzenwert I_p (Peakstrom) ansteigt. Die Kurve 8 zeigt den Stromverlauf, wenn die Ansteuerspannung 6 ohne überlagerte Wechselspannung verwendet wird.
• Infolge der Bewegung des Ankers bzw. der Nadel des Kraftstoffinjektors ändert sich die differentielle Induktivität im Magnetkreis. Das hat zur Folge, dass sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 2 ändert. Da sich die Frequenz der anregenden Spannung nicht verändert, wird der Schwingkreis 2 nicht mehr in Resonanz betrieben und somit gibt es gemäß 2 eine direkte Rückwirkung auf die Ströme. Dies hat eine Amplitudenänderung in der Stromschwingung 9 zur Folge, was in 3B mit einem Pfeil 10 markiert ist. Wie in 3C zu sehen ist, erfolgt die Amplitudenänderung zu dem Zeitpunkt, wo der Nadelhub 11 und der Ankerhub 12 größer als 0 werden.
• Diese Änderung im Verhalten des Schwingkreises 2 und somit der Zeitpunkt des Öffnens des Kraftstoffinjektors kann also durch Beobachtung des Stroms 9 detektiert werden. Der Strom 9 wird vom Motorsteuergerät während der Ansteuerung des Injektors gemessen. Mittels Filterung (Hochpassfilterung) wird die durch die modulierte Spannung erzeugte Stromschwingung extrahiert und hinsichtlich ihrer maximalen Amplitude ausgewertet.
• Dies ist in 4 gezeigt, die eine extrahierte Stromschwingung 13 zeigt. Steigt die Differenz ΔI zwischen Amplitude im Resonanzfall Î_res und der aktuellen Amplitude Î über einen festgelegten Grenzwert, wird der Zeitpunkt abgespeichert. Durch geeignete Auslegung des Systems und des Grenzwertes kann dieser Zeitpunkt OPP1/2/3/4 zugeordnet werden.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Referenzkurve des Stromverlaufs in der Motorsteuerung abzulegen. Vorzugsweise verwendet man die Messung des Stroms (mit oben beschriebener Ansteuerung) eines blockierten Injektors. Es kommt also während der Ansteuerung des Injektors zu keiner Bewegung und auch somit zu keiner Rückwirkung auf den Strom (Schwingkreis 2 ist immer in Resonanz). Vergleicht man nun die Stromschwingung eines nicht blockierten Injektors mit der abgelegten Referenz, kann wieder mit Auswertung der Amplitudendifferenz ein Betriebszustand detektiert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Parallelschwingkreis

2

Ersatzschaltbild

3

Stromkurve

4

Stromkurve

5

Stromkurve

6

Ansteuerspannung

7

Wechselspannung

8

Strom

9

Strom

10

Pfeil

11

Nadelhub

12

Ankerhub

13

Strom

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des Zeitpunktes eines vorbestimmten Betriebszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden elektromagnetisch angetriebenen Injektors zur Kraftstoffeinspritzung, das Verfahren aufweisend Beaufschlagen des Spulenantriebs mit einer vorbestimmten Ansteuerspannung, wobei zumindest ein Teil der Ansteuerspannung mit einer Wechselspannung überlagert wird, die zum Anregen eines Parallelschwingkreises, der die Induktivität und den Widerstand des Spulenantriebs parallel zu einer Kapazität aufweist und wobei die Amplitude der überlagerten Wechselspannung im Vergleich mit der Antriebsspannung klein gewählt ist, angepasst ist, Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, Extrahieren einer der überlagerten Wechselspannung entsprechenden Stromschwingung aus dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes wobei das Extrahieren ein Hochpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes aufweist, und Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem bei der extrahierten Stromschwingung eine Amplitudenänderung stattfindet, wobei der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des vorbestimmten Betriebszustandes entspricht.
2. Verfahren gemäß, Anspruch 1 wobei die Frequenz der Wechselspannung gleich einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Zeitpunktes ein Vergleichen der Amplitude der Stromschwingung mit einem vorbestimmten Schwellenwert aufweist.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Zeitpunktes ein Vergleichen der extrahierten Stromschwingung mit einer Referenzschwingung aufweist.
5. Vorrichtung zum Bestimmen des Zeitpunktes eines vorbestimmten Betriebszustandes eines einen Spulenantrieb aufweisenden elektromagnetisch angetriebenen Injektors zur Kraftstoffeinspritzung, die Vorrichtung aufweisend eine Einheit zum Beaufschlagen des Spulenantriebs mit einer vorbestimmten Ansteuerspannung, wobei zumindest ein Teil der Ansteuerspannung mit einer Wechselspannung überlagert ist, die zum Anregen eines Parallelschwingkreises, der die Induktivität und den Widerstand des Spulenantriebs parallel zu einer Kapazität aufweist und wobei die Amplitude der überlagerten Wechselspannung im Vergleich mit der Antriebsspannung klein gewählt ist, angepasst ist, eine Einheit zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, eine Einheit zum Extrahieren einer der überlagerten Wechselspannung entsprechenden Stromschwingung aus dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes, wobei das Extrahieren ein Hochpassfiltern des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stromstärke des durch den Spulenantrieb fließenden Stromes aufweist, und eine Einheit zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem bei der extrahierten Stromschwingung eine Amplitudenänderung stattfindet, wobei der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des vorbestimmten Betriebszustandes entspricht.
6. Motorsteuerung für ein Kraftfahrzeug, die zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet ist.
7. Computerprogramm, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 eingerichtet ist.

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