DE102014206430B4

DE102014206430B4 - Verfahren und Steuereinheit zur Detektion des Öffnungsbeginnes einer Düsennadel

Info

Publication number: DE102014206430B4
Application number: DE102014206430.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Denk; Nikolay Belyaev; Christian Hauser; Anatoliy Lyubar; Gerd Rösel; Markus Stutika
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: KR101836028B1; US20170114746A1; KR20160140924A; DE102014206430A1; WO2015150015A1; CN106460707B; CN106460707A; US10174701B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel eines Injektors eines Einspritzsystems beschrieben. Bei dem Detektionsverfahren wird an die Spule des Solenoidinjektors eine derart geringe Spannung gelegt, dass der Anker mit einer solch niedrigen Geschwindigkeit gegen die Düsennadel bewegt wird, dass durch den Anschlag ein Stoppen der Ankerbewegung ohne Öffnen der Düsennadel erfolgt. Dabei wird der Leerhub überwunden, jedoch kein Einspritzvorgang initiiert. Der Anschlag des Ankers an die Düsennadel wird als Öffnungsbeginn der Düsennadel im Stromverlauf detektiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel eines Injektors eines Einspritzsystems, bei dem durch das Anlegen einer Spannung an eine Spule ein Anker bewegt wird, dieser einen Leerhub überwindet und gegen die Düsennadel stößt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs mit einer integrierten Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Das hier beschriebene Detektionsverfahren betrifft einen Solenoid-Injektor mit Leerhub zwischen Anker und Düsennadel. Beim Anlegen einer Spannung an die zugehörige Spule wird durch elektromagnetische Kräfte der Anker bewegt. Durch mechanische Kopplung bewegt sich nach Überwinden eines Leerhubes dann ebenfalls die Düsennadel und gibt Einspritzlöcher zur Kraftstoffzufuhr frei. Zum Schließen des Injektors wird die magnetische Kraft entfernt und die Düsennadel durch eine Federkraft in die Schließposition bewegt.
Bei einem derartigen Injektor muss daher der Anker oft einen Leerhub überwinden, bevor er gegen die Düsennadel stößt und diese bewegt. Der Anschlag des Ankers an die Düsennadel kann hierbei als Öffnungsbeginn der Düsennadel des Injektors bezeichnet werden.
Es ist dabei von großer Bedeutung, den genauen Öffnungsbeginn der Düsennadel zu detektieren. Die Fertigung dieser Injektoren ist nämlich mit Toleranzen behaftet. So treten beispielsweise durch verschiedene Federkräfte, Führungsspiele (Reibung), Sitzdurchmesser etc. unterschiedliche Kräfte beim Öffnen und Schließen des Injektors auf, die wiederum zu unterschiedlichen Verzugszeiten und somit Einspritzmengen führen.
Die Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel bzw. des Zeitpunktes des Anschlages des Ankers an die Düsennadel beruht auf folgenden Grundlagen. Die wirbelstromgetriebene Kopplung zwischen Mechanik (Anker und Injektornadel) und Magnetkreis (Spule) generiert ein Rückkopplungssignal, das auf der Bewegung der Mechanik beruht. Hierbei wird ein geschwindigkeitsabhängiger Wirbelstrom im Anker infolge der Bewegung der Düsennadel und des Ankers induziert, welcher ebenfalls eine Rückwirkung auf den elektromagnetischen Kreis verursacht. In Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit wird dem Elektromagnet eine Spannung induziert, die dem Ansteuersignal überlagert ist. Die Ausnutzung dieses Effektes bedingt, dass die Überlagerung der elektrischen Grundgröße Spannung bzw. Strom mit der Signaländerung durch den Anker und/oder die Nadelbewegung geeignet separiert und dann weiterverarbeitet wird. Dabei wird die charakteristische Signalform im Spannungs- bzw. Stromsignal bezüglich des Zeitpunktes des Auftretens ausgewertet.
Es sind folgende Verfahren zur Detektion eines charakteristischen Signalverlaufes beim Öffnungsvorgang bekannt:
Strommessverfahren
Dieses Verfahren erfordert die aktive Beeinflussung des Stromverlaufes (der Standard-Ansteuerform), um sicherzustellen, dass der Magnetkreis nicht in der Sättigung ist. Mit dieser Messmethodik ist ein Messsignal des Nadelanschlages erst bei Vollaussteuerung detektierbar.
Spannungsmessung
Diese Art der Messung ist mit der Standard-Ansteuerform nicht möglich, da Spannungseinprägung alle Charakteristika überschreibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass der elektromagnetische Kreis mit einer Sample-and-Hold-Ansteuerung mit Boost-Phase gesteuert wird.
Wenn der Injektor mit dem standardmäßigen Spannungsprofil angesteuert wird, wird die Düsennadel sehr schnell geöffnet. Hierbei wird kein Signal generiert, da der Düsennadelanschlag zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem der Magnetkreis in Sättigung ist. Es steht daher kein Signal zur Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel zur Verfügung.
Der Düsennadelanschlag kann nur detektiert werden, wenn ein Ansteuerprofil benutzt wird, bei dem der Düsennadelanschlag außerhalb der Sättigung des Magnetkreises erfolgt. Dies kann durch Verringerung der Nadelöffnungsgeschwindigkeit erreicht werden, wobei jedoch ein Betrieb mit einem derartigen Detektionsprofil nicht dauerhaft erfolgen kann, da die verringerte Düsennadelgeschwindigkeit zu einer geringeren Einspritzqualität führen kann (Zerstäubung, Emissionen etc.). Bei einer derartigen Vorgehensweise würde daher die Qualität der Einspritzung in Mitleidenschaft gezogen werden.
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 dem vorstehend beschriebenen intrusiven Eingriff in die Grundansteuerung der Spule und den damit verbundenen Einschränkungen, die zu einem geänderten Einspritzverhalten führen.
So ist zum Beispiel aus der DE 10 2008 041 528 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem zur Bewegung einer Ventilnadel eine mit der Ventilnadel gekoppelte elektromagnetische Betätigungseinrichtung angesteuert wird. Eine elektrische Betriebsgröße der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung wird mindestens zeitweise ausgewertet wobei das Auswertungsergebnis lediglich zum Erkennen einer Funktionsstörung der Ventilnadel verwendet wird.
Weiterhin ist aus der DE 10 2012 217 121 A1 ein Verfahren zum Ermitteln einer effektiven Einspritzzeit eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils offenbart. Dabei wird im Zuge des Verfahrens eine Öffnungszeit des Ventils und eine Schließzeit des Ventils bestimmt. Im Weiteren wird, unter Berücksichtigung der bestimmten Öffnungszeit und der bestimmten Schließzeit, die effektive Einspritzzeit der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen Einspritzvorgang ermittelt.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs zur Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel eines Injektors eines Einspritzsystems zur Verfügung zu stellen, das eine einfache Durchführungermöglicht und sich nicht nachteilig auf die Einspritzung auswirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Steuereinheit der angegebenen Art dadurch gelöst, dass an die Spule eine derart geringe Spannung gelegt wird, dass der Anker mit einer solch niedrigen Geschwindigkeit gegen die Düsennadel bewegt wird, dass durch den Anschlag ein Stoppen der Ankerbewegung ohne Öffnen der Düsennadel erfolgt, und dass als Öffnungsbeginn der Düsennadel der Anschlag des Ankers an die Düsennadel im Stromverlauf detektiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Anschlag des Ankers an die Düsennadel als Öffnungsbeginn der Düsennadel nach Überwinden des Leerhubes ohne Öffnen des Injektors detektiert. Hierzu wird die Spule gezielt mit einer niedrigen Spannung beaufschlagt, die zu einer geringen Geschwindigkeit der Ankerbewegung führt. Der Anker trifft mit einem derart geringen Impuls auf die Düsennadel auf, dass hierdurch die Düsennadel nicht bewegt und die Ankerbewegung gestoppt wird. Die Düsennadel wird daher nicht geöffnet, so dass kein Einspritzvorgang erfolgt. Auf diese Weise wird daher durch die Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel kein Einspritzvorgang beeinflusst.
Wie vorstehend bereits ausgeführt, macht sich der Anschlag des Ankers an die Düsennadel im Stromverlauf bemerkbar und kann hieraus detektiert werden. Die Detektion des Leerhubes entsprechend dem Öffnungsbeginn oder dem Anschlag der Düsennadel erfolgt somit ohne Einspritzung, so dass die vorstehend wiedergegebenen Nachteile einer Einspritzung mit geringer Qualität nicht auftreten.
Wie erwähnt, wird erfindungsgemäß der Anschlag des Ankers an die Düsennadel im Stromverlauf detektiert. Hierbei wird vorzugsweise so vorgegangen, dass die erste Ableitung des Stromes nach der Zeit gebildet und deren Minimum dem Anschlag des Ankers an die Düsennadel zugeordnet wird. Dieses Minimum der ersten Ableitung des Stromes kann eindeutig dem Ankerauftreffen zugeordnet werden, so dass sich der Öffnungsbeginn der Düsennadel problemlos detektieren lässt.
Wie Versuche gezeigt haben, werden gute Ergebnisse in Bezug auf die Detektion erreicht, wenn beispielsweise an die Spule eine Spannung von 7 V angelegt wird. Damit wird der Leerhub überwunden und berührt der Anker die Düsennadel. Eine weitere Bewegung mit Öffnen des Injektors (Durchführung einer Einspritzung) findet nicht statt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs mit einer integrierten Einrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit vollständig unabhängig vom eigentlichen Einspritzvorgang durchgeführt werden. Der durch das Verfahren detektierte Öffnungsbeginn der Düsennadel kann dann als zusätzlicher Parameter für die Steuerung des Einspritzvorganges verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 drei Diagramme in Bezug auf den Spannungs-, Strom- und Einspritzratenverlauf bei einer angelegten Spulenspannung von 7 V und 14 V;
2 drei Diagramme in Bezug auf den Stromverlauf, die erste Ableitung des Stromes und den Einspritzratenverlauf bei einer angelegten Spulenspannung von 7 V und 14 V; und
3 ein Diagramm, das die Simulationsergebnisse in Bezug auf den Verlauf der Magnetkraft, der Ankerposition und des Spulenstromes zeigt.
Bei einem üblichen Solenoid-Injektor mit Leerhub zwischen Anker und Düsennadel wurde die Solenoidspule einmal mit einer Spannung von 7 V und einmal mit einer Spannung von 14 V beaufschlagt. In beiden Fällen erfolgte eine Bewegung des Ankers bis zum Anschlag an die Düsennadel des Injektors. In beiden Fällen wurde daher der Leerhub überwunden. Bei der Spannung von 7 V folgte jedoch nach dem Anschlag keine weitere Bewegung und demzufolge kein Öffnungsvorgang der Düsennadel, so dass kein Einspritzvorgang stattfand. Im Gegensatz dazu wurde beim Anlegen der Spannung von 14 V der Anker nach dem Anschlag an die Düsennadel zusammen mit dieser weiterbewegt, so dass die Düsennadel geöffnet wurde und ein Einspritzvorgang stattfand.
1 zeigt im oberen Diagramm den jeweiligen Spannungsverlauf, wobei die obere Kurve den Verlauf bei 14 V und die untere Kurve den Verlauf bei 7 V zeigt. Im mittleren Diagramm ist der Stromverlauf bei diesen Spannungen dargestellt. Die obere Kurve entspricht dem Stromverlauf bei 14 V, während die untere Kurve den Stromverlauf bei 7 V wiedergibt. Schließlich zeigt das untere Diagramm den Einspritzratenverlauf ROI. Beim Anlegen der Spannung von 14 V findet nach etwa 4 ms ein Einspritzvorgang statt, während bei 7 V kein Einspritzvorgang feststellbar ist.
In 2 ist im oberen Diagramm wiederum der Stromverlauf über die Zeit dargestellt. Dieses Diagramm entspricht daher dem mittleren Diagramm von 1. Im mittleren Diagramm von 2 ist die erste Ableitung des Stromes nach der Zeit für die beiden Spannungen von 7 V und 14 V dargestellt. Die obere Kurve entspricht dabei der Spannung von 14 V, während die untere Kurve der Spannung von 7 V entspricht. Man erkennt bei der oberen Kurve ein Minimum bei etwa 4 ms, das durch eine gestrichelte Linie markiert ist. Dieses Minimum entspricht dem Anschlag des Ankers an die Düsennadel mit nachfolgendem Öffnen der Nadel und einem Einspritzvorgang, wie aus dem unteren Diagramm des Einspritzratenverlaufes entnehmbar ist.
Die 7 V entsprechende Kurve im mittleren Diagramm besitzt ein Minimum bei etwa 5 ms. Wie der Einspritzratenverlauf zeigt, findet hierbei kein Einspritzvorgang statt, was bedeutet, dass die Bewegung des Ankers durch den Anschlag an die Düsennadel gestoppt wird.
Das Minimum der ersten Ableitung des Stromes bei einer Spannungsbeaufschlagung mit 7 V wird dem Ankerauftreffen und damit dem Öffnungsbeginn der Düsennadel des Injektors zugeordnet.
Die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde durch Simulationen nachgewiesen, deren Ergebnisse in 3 dargestellt sind. Die entsprechende Spannung, mit der die Spule beaufschlagt wird, damit der Anker den Leerhub überwindet, jedoch seine Bewegung mit dem Anschlag an die Düsennadel stoppt, kann je nach den Gegebenheiten empirisch ermittelt werden. Mit dem hier angegebenen Wert von 7 V wurden gute Ergebnisse erzielt.
3 zeigt den Verlauf der Magnetkraft (N), der Ankerposition (μm) und des Spulenstromes (A). Bei dem hier dargestellten Beispiel wird ein Leerhub von 40 μm überwunden. Eine weitere Bewegung des Ankers gemeinsam mit der Nadel findet anschließend nicht statt. Der Ankeranschlag an der Nadel (OPP1) ist im Stromverlauf sichtbar.

Claims

Verfahren zur Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel eines Injektors eines Einspritzsystems, bei dem durch das Anlegen einer Spannung an eine Spule ein Anker bewegt wird, dieser einen Leerhub überwindet und gegen die Düsennadel stößt, dadurch gekennzeichnet, dass an die Spule eine derart geringe Spannung gelegt wird, dass der Anker mit einer solch niedrigen Geschwindigkeit gegen die Düsennadel bewegt wird, dass durch den Anschlag ein Stoppen der Ankerbewegung ohne Öffnen der Düsennadel erfolgt, und dass als Öffnungsbeginn der Düsennadel der Anschlag des Ankers an die Düsennadel im Stromverlauf detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitung des Stromes nach der Zeit gebildet und deren Minimum dem Anschlag des Ankers an die Düsennadel zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Spule eine Spannung von 7 V angelegt wird.
Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs mit einer integrierten Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3.