DE102015104010B4 - Elektromagnetisches kraftstoffeinspritzventil mit integriertem flusssensor - Google Patents

Elektromagnetisches kraftstoffeinspritzventil mit integriertem flusssensor Download PDF

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    • F02D2041/2072—Bridge circuits, i.e. the load being placed in the diagonal of a bridge to be controlled in both directions

Abstract

Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil (10), umfassend:eine elektrische Spule (24);eine Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität, umfassend:einen Anker (21), der entlang einer Achse (101) verschiebbar ist;einen Magnetkern (24-2), der von der elektrischen Spule (24) umgeben ist, wobei der Magnetkern (24-2) ein erstes Ende benachbart zu dem Anker (21), um darauf eine magnetische Anziehungskraft auszuüben, und ein axial entgegengesetztes zweites Ende aufweist;eine Flussrückführungsstruktur, umfassend:ein zylindrisches Gehäuse (432), das die elektrische Spule (24) umgibt und eine Innenwandoberfläche aufweist; undein ringförmiges Element (412), das zwischen der Innenwandoberfläche des Gehäuses (432) und dem zweiten Ende des Magnetkerns (24-2) derart angeordnet ist, dass sich eine erste Berührungsschnittstelle zwischen dem ringförmigen Element (412) und der Innenwandoberfläche des Gehäuses (432) befindet und sich eine zweite Berührungsschnittstelle zwischen dem ringförmigen Element (412) und dem zweiten Ende des Magnetkerns (24-2) befindet;wobei ein Flusssensor in das Kraftstoffeinspritzventil (10) integriert ist und ausgestaltet ist, um einen Magnetfluss in der Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität zu detektieren; undwobei der Flusssensor eine Suchspule (25) umfasst, die zu der elektrischen Spule (24) unmittelbar benachbart ist und den Magnetkern (24-2) umgibt.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nummer 61/968,001 , die am 20. März 2014 eingereicht wurde.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft durch Solenoide aktivierte Aktoren.
  • HINTERGRUND
  • Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
  • Solenoidaktoren können verwendet werden, um Fluide (Flüssigkeiten und Gase) zu steuern, oder zum Positionieren oder für Steuerungsfunktionen. Ein typisches Beispiel für einen Solenoidaktor ist das Kraftstoffeinspritzventil. Kraftstoffeinspritzventile werden verwendet, um druckbeaufschlagten Kraftstoff in einen Krümmer, einen Ansaugkanal oder direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Bekannte Kraftstoffeinspritzventile umfassen elektromagnetisch aktivierte Solenoidvorrichtungen, die mechanische Federn überwinden, um ein Ventil zu öffnen, das sich an einer Spitze des Einspritzventils befindet, um eine Kraftstoffströmung dort hindurch zu ermöglichen. Einspritzventil-Treiberschaltungen steuern einen elektrischen Stromfluss an die elektromagnetisch aktivierten Solenoidvorrichtungen, um die Einspritzventile zu öffnen und zu schließen. Einspritzventil-Treiberschaltungen können in einer Spitzenwert-und-Halten-Steuerungskonfiguration oder in einer Konfiguration mit einer Schaltersättigung betrieben werden.
  • Kraftstoffeinspritzventile werden kalibriert, wobei eine Kalibrierung ein Einspritzventil-Aktivierungssignal umfasst, das eine Geöffnetzeit des Einspritzventils oder eine Zeitdauer der Einspritzung und eine entsprechende dosierte oder gelieferte eingespritzte Kraftstoffmasse bei einem Betrieb mit einem vorbestimmten oder bekannten Kraftstoffdruck enthält. Der Betrieb des Einspritzventils kann mit Hilfe einer pro Kraftstoffeinspritzereignis eingespritzten Kraftstoffmasse in Bezug auf die Zeitdauer der Einspritzung charakterisiert werden. Die Charakterisierung des Einspritzventils umfasst eine dosierte Kraftstoffströmung über einen Bereich zwischen einer hohen Strömungsrate, die mit einem Kraftmaschinenbetrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last verbunden ist, und einer niedrigen Strömungsrate, die mit Leerlaufbedingungen der Kraftmaschine verbunden ist.
  • Es ist bekannt, einen externen Einspritzventil-Treiber über Drähte und/oder Kabel mit einem Kraftstoffeinspritzventil zu verbinden. Diese Drähte weisen resistive Absenkungen und parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten auf, die den Strom beeinflussen, der von dem Einspritzventil-Treiber zu dem Kraftstoffeinspritzventil wandert, wodurch ein Betrieb mit hoher Geschwindigkeit des Kraftstoffeinspritzventils beeinträchtigt wird. Zudem können Parameter wie etwa Spannungs-, Strom- und Flussmessungen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils als Rückmeldung an den externen Einspritzventil-Treiber geliefert werden. Die Genauigkeit dieser Rückmeldungsparameter kann aufgrund der Distanz, die diese Messwerte durch die Drähte hindurch zurücklegen müssen, welche das Kraftstoffeinspritzventil mit dem Einspritzventil-Treiber verbinden, beeinträchtigt werden.
  • Die Druckschrift DE 39 05 023 A1 offenbart einen elektromagnetischen Aktor, der eine elektrische Spule sowie eine Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität umfasst. Die Magnetflussstrecke umfasst einen Magnetkern, einen Tauchanker, eine Flussrückführungsstruktur und einen Flusssensor, der in den Aktor integriert ist und einen Magnetfluss in der Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität detektieren kann.
  • Die Druckschrift WO 2005/ 009 815 A2 offenbart Verfahren zum Ermitteln des Ansteuerstroms eines Aktors, der eine elektrische Spule sowie eine Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität umfasst welche einen Magnetkern, einen Tauchanker, eine Flussrückführungsstruktur und einen Flusssensor umfasst, der in den Aktor integriert ist und einen Magnetfluss in der Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität detektieren kann.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 054 475 A1 offenbart einen elektromagnetischen Aktor, der eine elektromagnetische Spule, einen feststehenden Eisenkern, einen beweglichen Eisenkern und eine Federspule aufweist, wobei die Federspule zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Eisenkern angeordnet ist und auf den beweglichen Eisenkern eine Kraft in axialer Richtung ausübt.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil umfasst eine elektrische Spule und eine Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität. Die Magnetflussstrecke umfasst einen Magnetkern, einen Anker, der entlang einer Achse verschiebbar ist, und eine Flussrückführungsstruktur. Der Magnetkern ist von der elektrischen Spule umgeben und weist ein erstes Ende benachbart zu dem Anker, um darauf eine magnetische Anziehungskraft auszuüben, und ein axial entgegengesetztes zweites Ende auf. Die Flussrückführungsstruktur umfasst ein zylindrisches Gehäuse, das die elektrische Spule umgibt und eine Innenwandoberfläche aufweist, und ein ringförmiges Element, das zwischen der Innenwandoberfläche des Gehäuses und dem zweiten Ende des Magnetkerns derart angeordnet ist, dass sich eine erste Berührungsschnittstelle zwischen dem ringförmigen Element und der Innenwandoberfläche des Gehäuses befindet und sich eine zweite Berührungsschnittstelle zwischen dem ringförmigen Element und dem zweiten Ende des Magnetkerns befindet; wobei ein Flusssensor in das Kraftstoffeinspritzventil integriert ist und ausgestaltet ist, um einen Magnetfluss in der Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität zu detektieren; und wobei der Flusssensor eine Suchspule umfasst, die zu der elektrischen Spule unmittelbar benachbart ist und den Magnetkern umgibt.
  • Figurenliste
  • Nun wird eine oder werden mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1-1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils und eines Aktivierungscontrollers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 1-2 eine schematische Schnittansicht des Aktivierungscontrollers, der in das Kraftstoffeinspritzventil von 1-1 integriert ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 1-3 eine schematische Schnittansicht eines Einspritzventil-Treibers von 1-1 und 1-2 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 2 eine nicht einschränkende beispielhafte erste Aufzeichnung 1000 eines gemessenen Stroms und einer gemessenen Kraftstoffströmungsrate und eine nicht einschränkende beispielhafte zweite Aufzeichnung 1010 von gemessenen Spannungen an einer Haupterregungsspule und einer Suchspule für zwei aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse mit identischen Stromimpulsen, die durch eine Verweilzeit getrennt sind, welche nicht anzeigt, dass sie dicht aufeinanderfolgen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 3 eine nicht einschränkende beispielhafte erste Aufzeichnung 1020 eines gemessenen Stroms und einer gemessenen Kraftstoffströmungsrate und eine nicht einschränkende beispielhafte zweite Aufzeichnung 1030 von gemessenen Spannungen an einer Haupterregungsspule und einer Suchspule für zwei aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse mit identischen Stromimpulsen, die durch eine Verweilzeit getrennt sind, die anzeigt, dass sie dicht aufeinanderfolgen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 4 eine schematische detaillierte Schnittansicht des Kraftstoffeinspritzventils von 1-1, das den in das Kraftstoffeinspritzventil eingebauten Aktivierungscontroller enthält, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 5 eine schematische detaillierte Schnittansicht einer Suchspule, die innerhalb eines Bereichs 422 von 4 mit einer elektrischen Spule gegenseitig magnetisch gekoppelt ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 6-1 eine transiente Flusskonzentration entlang einer magnetischen Flussströmungsstrecke in einer schematischen detaillierten Schnittansicht des Bereichs 422 von 4 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 6-2 einen Magnetfluss entlang einer Magnetflussströmungsstrecke während eines stationären Zustands in einer schematischen detaillierten Schnittansicht des Bereichs 422 von 4 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
    • 6-3 eine schematische detaillierte Schnittansicht von beispielhaften Stellen für Magnetfeldsensoren innerhalb des Bereichs 422 von 4 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Diese Offenbarung beschreibt die Konzepte des gegenwärtig beanspruchten Gegenstands mit Bezug auf eine beispielhafte Anwendung auf Kraftstoffeinspritzventile mit linearer Bewegung. Jedoch kann der beanspruchte Gegenstand weiter gefasst auf beliebige lineare oder nichtlineare elektromagnetische Aktoren angewendet werden, die eine elektrische Spule verwenden, um ein Magnetfeld in einen magnetischen Kern zu induzieren, was dazu führt, dass eine Anziehungskraft auf einen beweglichen Anker wirkt. Typische Beispiele umfassen Fluidsteuerungssolenoide, Benzin- oder Diesel- oder CNG-Kraftstoffeinspritzventile, die in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, und nichtfluidische Solenoidaktoren zur Positionierung und zur Steuerung.
  • Nun mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck, diese einzuschränken, gedacht ist, veranschaulicht 1-1 auf schematische Weise eine nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsform eines elektromagnetisch aktivierten Kraftstoffeinspritzventils 10 für Direkteinspritzung. Obwohl in der veranschaulichten Ausführungsform ein elektromagnetisch aktiviertes Kraftstoffeinspritzventil für Direkteinspritzung dargestellt ist, kann ein Kraftstoffeinspritzventil für Ansaugkanaleinspritzung gleichermaßen verwendet werden. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist ausgestaltet, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum 100 einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Zur Steuerung der Aktivierung des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist ein Aktivierungscontroller 80 mit diesem elektrisch wirksam verbunden. Obwohl die veranschaulichte Ausführungsform den Aktivierungscontroller 80 an der Außenseite des Kraftstoffeinspritzventils 10 darstellt, sind Ausführungsformen hier darauf gerichtet, dass der Aktivierungscontroller in einen Körper 12 des Kraftstoffeinspritzventils 10 integriert oder darin fest eingebaut ist. Der in den Körper 12 integrierte Aktivierungscontroller 80 ist nachstehend in 4 im Detail gezeigt. Der Aktivierungscontroller 80 entspricht nur dem Kraftstoffeinspritzventil 10. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst der Aktivierungscontroller 80 ein Steuerungsmodul 60 und einen Einspritzventil-Treiber 50. Das Steuerungsmodul 60 ist mit dem Einspritzventil-Treiber 50 elektrisch wirksam verbunden, der wiederum mit dem Kraftstoffeinspritzventil 10 zur Steuerung der Aktivierung desselben elektrisch wirksam verbunden ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 10, das Steuerungsmodul 60 und der Einspritzventil-Treiber 50 können beliebige geeignete Vorrichtungen sein, die ausgestaltet sind, um wie hier beschrieben zu arbeiten. In veranschaulichten Ausführungsformen umfasst das Steuerungsmodul 60 eine Verarbeitungsvorrichtung. Eine elektrische Leistungsquelle 40 und ein externes Steuerungsmodul 5, etwa ein Kraftmaschinensteuerungsmodul (ECM), können mit dem Aktivierungscontroller 80 über ein oder mehrere Kabel/Drähte, die mit Anschlüssen einer Verbindungsanordnung 36 des Kraftstoffeinspritzventils 10 gekoppelt sind, elektrisch wirksam gekoppelt sein. Die Begriffe „Kabel“ und „Draht“ werden hier austauschbar verwendet, um eine Übertragung von elektrischer Leistung und/oder eine Übertragung von elektrischen Signalen bereitzustellen.
  • Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten zum Bereitstellen der beschriebenen Funktionalität. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige Anweisungssätze mit Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Das Steuerungsmodul weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden ausgeführt, beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit, und können betrieben werden, um Eingaben von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs von Aktoren auszuführen. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs der Kraftmaschine und des Fahrzeugs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
  • Allgemein kann ein Anker entweder in eine betätigte Position oder in eine statische oder Ruheposition gesteuert werden. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 kann eine beliebige geeignete diskrete Kraftstoffeinspritzvorrichtung sein, die entweder in eine offene (betätigte) Position oder eine geschlossene (statische oder ruhende) Position gesteuert werden kann. Bei einer Ausführungsform umfasst das Kraftstoffeinspritzventil 10 einen zylinderförmigen Hohlkörper 12, der eine Längsachse 101 definiert. Ein Kraftstoffeinlass 15 ist an einem ersten Ende 14 des Körpers 12 angeordnet, und eine Kraftstoffdüse 28 ist an einem zweiten Ende 16 des Körpers 12 angeordnet. Der Kraftstoffeinlass 15 ist mit einem Hochdruck-Kraftstoffverteilerrohr 30 fluidtechnisch gekoppelt, das mit einer Hochdruck-Einspritzpumpe fluidtechnisch gekoppelt ist. Eine Ventilanordnung 18 ist dem Körper 12 enthalten und umfasst ein Nadelventil 20, eine federbetätigte Düsennadel 22 und einen Ankerabschnitt 21. Das Nadelventil 20 sitzt eingreifend in der Kraftstoffdüse 28, um eine Kraftstoffströmung dort hindurch zu steuern. Obwohl die veranschaulichte Ausführungsform ein dreieckig geformtes Nadelventil 20 darstellt, können andere Ausführungsformen eine Kugel verwenden. Bei einer Ausführungsform ist der Ankerabschnitt 21 mit der Düsennadel 22 starr gekoppelt und zu einer linearen Verschiebung als Einheit zusammen mit der Düsennadel 22 und dem Nadelventil 20 in erste bzw. zweite Richtungen 81, 82 ausgestaltet. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Ankerabschnitt 21 mit der Düsennadel 22 verschiebbar gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Ankerabschnitt 21 in die erste Richtung 81 verschoben werden, bis er durch einen Düsennadelanschlag gestoppt wird, der an der Düsennadel 22 starr angebracht ist. Analog kann der Ankerabschnitt 21 in die zweite Richtung 82 unabhängig von der Düsennadel 22 verschoben werden, bis er einen Düsennadelanschlag kontaktiert, der an der Düsennadel 22 starr angebracht ist. Bei einem Kontakt mit dem Düsennadelanschlag, der an der Düsennadel 22 starr angebracht ist, bewirkt die Kraft des Ankerabschnitts 21, dass die Düsennadel 22 zusammen mit dem Ankerabschnitt 21 in die zweite Richtung 82 gedrückt wird. Der Ankerabschnitt 21 kann Vorsprünge zum Eingriff mit verschiedenen Anschlägen innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 enthalten.
  • Eine Anordnung 24 mit einem ringförmigen Elektromagneten, die eine elektrische Spule und einen Magnetkern umfasst, ist zum magnetischen Eingriff mit dem Ankerabschnitt 21 der Ventilanordnung ausgestaltet. Die Anordnung 24 mit der elektrischen Spule und dem Magnetkern ist zu Veranschaulichungszwecken so dargestellt, dass sie sich außerhalb des Körpers des Kraftstoffeinspritzventils befindet; jedoch sind Ausführungsformen hier darauf gerichtet, dass die Anordnung 24 mit der elektrischen Spule und dem Magnetkern entweder in das Kraftstoffeinspritzventil 10 fest eingebaut oder darin integriert sind. Die elektrische Spule ist auf den Magnetkern gewickelt und enthält Anschlüsse zum Empfang von elektrischem Strom vom Einspritzventil-Treiber 50. Hier nachstehend wird die „Anordnung mit der elektrischen Spule und dem Magnetkern“ einfach als „elektrische Spule 24“ bezeichnet werden. Wenn die elektrische Spule 24 deaktiviert und nicht erregt ist, drückt die Feder 26 die Ventilanordnung 18 einschließlich des Nadelventils 20 in die erste Richtung 81 zu der Kraftstoffdüse 28 hin, um das Nadelventil 20 zu schließen und eine Kraftstoffströmung dort hindurch zu verhindern. Wenn die elektrische Spule 24 aktiviert und erregt ist, wirkt eine elektromagnetische Kraft (hier nachstehend „Magnetkraft“) auf den Ankerabschnitt 21 ein, um die von der Feder 26 ausgeübte Federkraft zu überwinden, und drückt die Ventilanordnung 18 in die zweite Richtung 82, wodurch das Nadelventil 20 von der Kraftstoffdüse 28 weg bewegt wird und das Strömen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff innerhalb der Ventilanordnung 18 durch die Kraftstoffdüse 28 ermöglicht wird. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 kann eine Anhaltevorrichtung 29 umfassen, die mit der Ventilanordnung 18 interagiert, um eine Verschiebung der Ventilanordnung 18 zu stoppen, wenn diese zum Öffnen gezwungen wird. Bei einer Ausführungsform ist ein Drucksensor 32 ausgestaltet, um einen Kraftstoffdruck 34 in dem Hochdruck-Kraftstoffverteilerrohr 30 in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 10, vorzugsweise stromaufwärts zu dem Kraftstoffeinspritzventil 10, zu beschaffen. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Drucksensor 32' in den Einlass 15 des Kraftstoffeinspritzventils integriert sein, anstelle des Drucksensors 32 im Kraftstoffverteilerrohr 30 oder in Kombination mit dem Drucksensor.
  • Das Steuerungsmodul 60 erzeugt ein Einspritzventil-Befehlssignal 52, das den Einspritzventil-Treiber 50 steuert, welcher das Kraftstoffeinspritzventil 10 in die offene Position aktiviert, um ein Kraftstoffeinspritzereignis zu bewirken. In der veranschaulichten Ausführungsform kommuniziert das Steuerungsmodul 60 mit einem oder mehreren externen Steuerungsmodulen wie etwa dem ECM 5. Das Einspritzventil-Befehlssignal 52 steht in Korrelation mit einer gewünschten Kraftstoffmasse, die von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 während des Kraftstoffeinspritzereignisses geliefert werden soll. Analog kann das Einspritzventil-Befehlssignal 52 mit einer gewünschten Kraftstoffströmungsrate in Korrelation stehen, die von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 während des Kraftstoffeinspritzereignisses zugeführt werden soll. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck „gewünschte eingespritzte Kraftstoffmasse“ die gewünschte Kraftstoffmasse, die der Kraftmaschine durch das Kraftstoffeinspritzventil 10 zugeführt werden soll. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck „gewünschte Kraftstoffströmungsrate“ die Rate, mit welcher Kraftstoff der Kraftmaschine durch das Kraftstoffeinspritzventil 10 zugeführt werden soll, um die gewünschte Kraftstoffmasse zu erreichen. Die gewünschte eingespritzte Kraftstoffmasse kann auf einem oder mehreren überwachten Eingabeparametern 51 beruhen, die in das Steuerungsmodul 60 oder das ECM 5 eingegeben werden. Der eine oder die mehreren überwachten Eingabeparameter 51 können eine Bedienerdrehmomentanforderung, einen Krümmerabsolutdruck (MAP), eine Kraftmaschinendrehzahl, eine Kraftmaschinentemperatur, eine Kraftstofftemperatur und eine Umgebungstemperatur, die durch bekannte Verfahren beschafft werden, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Der Einspritzventil-Treiber 50 erzeugt ein Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 in Ansprechen auf das Einspritzventil-Befehlssignal 52, um das Kraftstoffeinspritzventil 10 zu aktivieren. Das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 steuert einen Stromfluss an die elektrische Spule 24, um eine elektromagnetische Kraft in Ansprechen auf das Einspritzventil-Befehlssignal 52 zu erzeugen. Eine elektrische Leistungsquelle 40 stellt eine Quelle für elektrische DC-Leistung für den Einspritzventil-Treiber 50 bereit. Bei einigen Ausführungsformen stellt die elektrische DC-Leistungsquelle eine Niederspannung bereit, z.B. 12 V, und ein Aufwärtswandler kann verwendet werden, um eine hohe Spannung auszugeben, z.B. 24 V bis 200 V, die dem Einspritzventil-Treiber 50 zugeführt wird. Wenn die elektrische Spule 24 unter Verwendung des Einspritzventil-Aktivierungssignals 75 aktiviert wird, drückt die von dieser erzeugte elektromagnetische Kraft den Ankerabschnitt 21 in die zweite Richtung 82. Wenn der Ankerabschnitt 21 in die zweite Richtung 82 gedrückt wird, wird folglich bewirkt, dass die Ventilanordnung 18 in die zweite Richtung 82 in eine offene Position gedrückt oder verschoben wird, was ermöglicht, dass druckbeaufschlagter Kraftstoff dort hindurch strömt. Der Einspritzventil-Treiber 50 steuert das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 für die elektrische Spule 24 durch ein beliebiges geeignetes Verfahren, welches beispielsweise einen pulsbreitenmodulierten (PWM) Fluss von elektrischer Leistung umfasst. Der Einspritzventil-Treiber 50 ist ausgestaltet, um eine Aktivierung des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu steuern, in dem er geeignete Einspritzventil-Aktivierungssignale 75 erzeugt. Bei Ausführungsformen, die mehrere aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse für einen gegebenen Kraftmaschinenzyklus verwenden, kann ein Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 erzeugt werden, das für jedes der Kraftstoffeinspritzereignisse innerhalb des Kraftmaschinenzyklus festgelegt ist.
  • Das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 ist durch eine Einspritzzeitdauer und eine Stromwellenform gekennzeichnet, die einen anfänglichen Spitzenwert-Anzugsstrom und einen sekundären Haltestrom umfasst. Der anfängliche Spitzenwert-Anzugsstrom ist durch ein stetiges Hochfahren gekennzeichnet, um einen Spitzenwertstrom zu erzielen, welcher wie hier beschrieben gewählt sein kann. Der anfängliche Spitzenwert-Anzugsstrom erzeugt eine elektromagnetische Kraft, die auf den Ankerabschnitt 21 der Ventilanordnung 18 einwirkt, um die Federkraft zu überwinden und die Ventilanordnung 18 in die zweite Richtung 82 in die offene Position zu drücken, wodurch das Strömen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff durch die Kraftstoffdüse 28 hindurch eingeleitet wird. Wenn der anfängliche Spitzenwert-Anzugsstrom erreicht ist, verringert der Einspritzventil-Treiber 50 den Strom in der elektrischen Spule 24 auf den sekundären Haltestrom. Der sekundäre Haltestrom ist durch einen in etwa stationären Strom gekennzeichnet, der niedriger als der anfängliche Spitzenwert-Anzugsstrom ist. Der sekundäre Haltestrom ist ein Stromniveau, das von dem Einspritzventil-Treiber 50 gesteuert wird, um die Ventilanordnung 18 in der offenen Position zu halten, um das Strömen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff durch die Kraftstoffdüse 28 hindurch fortzusetzen. Der sekundäre Haltestrom wird vorzugsweise durch ein minimales Stromniveau angezeigt. In einigen Ausführungsformen ist der Einspritzventil-Treiber 50 als bidirektionaler Stromtreiber ausgestaltet, der zum Bereitstellen eines negativen Stromflusses durch die elektrische Spule 24 hindurch in der Lage ist. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck „negativer Stromfluss“, dass die Richtung des Stromflusses zum Erregen der elektrischen Spule umgedreht wird. Folglich werden die Ausdrücke „negativer Stromfluss“ und „umgedrehter Stromfluss“ hier austauschbar verwendet. In Ausführungsformen, bei denen der Einspritzventil-Treiber 50 als bidirektionaler Stromtreiber ausgestaltet ist, kann das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 zusätzlich durch den negativen Stromfluss durch die elektrische Spule 24 hindurch gekennzeichnet sein.
  • Ausführungsformen sind hier auf das Steuern des Kraftstoffeinspritzventils für mehrere Kraftstoffeinspritzereignisse gerichtet, die während eines Kraftmaschinenzyklus dicht aufeinanderfolgen. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Begriff „dicht aufeinanderfolgend“ eine Verweilzeit zwischen jedem aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzereignis, die kleiner als ein vorbestimmter Verweilzeit-Schwellenwert ist. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck „Verweilzeit“ eine Zeitspanne zwischen dem Ende der Einspritzung des ersten Kraftstoffeinspritzereignisses (Aktorereignisses) und dem Start der Einspritzung für ein entsprechendes zweites Kraftstoffeinspritzereignis (Aktorereignis) von jedem aufeinanderfolgenden Paar von Kraftstoffeinspritzereignissen. Der Verweilzeit-Schwellenwert kann so gewählt sein, dass er eine Zeitspanne derart definiert, dass Verweilzeiten, die kleiner als der Verweilzeit-Schwellenwert sind, das Erzeugen einer Instabilität und/oder von Abweichungen bei der Größe der eingespritzten Kraftstoffmasse anzeigen, die bei jedem der Kraftstoffeinspritzereignisse zugeführt wird. Die Instabilität und/oder die Abweichungen bei der Größe der eingespritzten Kraftstoffmasse können die Reaktion auf das Vorhandensein sekundärer magnetischer Effekte sein. Die sekundären magnetischen Effekte umfassen persistente Wirbelströme und eine magnetische Hysterese innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils und einen darauf beruhenden Restfluss. Die persistenten Wirbelströme und die magnetische Hysterese sind aufgrund von Übergängen bei anfänglichen Flusswerten zwischen den dicht aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzereignissen vorhanden. Folglich wird der Verweilzeit-Schwellenwert nicht einen beliebigen festgelegten Wert definiert und die Wahl desselben kann auf einer Kraftstofftemperatur, auf einer Temperatur des Kraftstoffeinspritzventils, auf dem Typ des Kraftstoffeinspritzventils, auf einem Kraftstoffdruck und auf Kraftstoffeigenschaften wie etwa Kraftstofftypen und Kraftstoffmischungen beruhen, ist aber nicht darauf beschränkt. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck „Fluss“ einen Magnetfluss, der das Gesamtmagnetfeld angibt, das von der elektrischen Spule 24 erzeugt wird und durch den Ankerabschnitt hindurchgeht. Da die elektrische Spule 24 durch einen Strom durch ihre Induktivität hindurch erregt wird, kann der Magnetfluss aus der Flusskopplung hergeleitet werden, die gleich dem Produkt aus der Spuleninduktivität und dem dort hindurchfließenden Strom ist. Da die Wicklungen der elektrischen Spule 24 den Magnetfluss in den Magnetkern einkoppeln, kann dieser Fluss daher gleich der Flusskopplung gesetzt werden. Die Flusskopplung beruht außerdem auf der Flussdichte, die durch den Ankerabschnitt hindurchgeht, auf der Oberfläche des Ankerabschnitts benachbart zu dem Luftspalt, und auf der Anzahl der Wicklungen der Spule 24. Folglich werden die Ausdrücke „Fluss“, „Magnetfluss“ und „Flusskopplung“ hier austauschbar verwendet, sofern es nicht anderweitig angegeben ist.
  • Bei Kraftstoffeinspritzereignissen, die nicht dicht aufeinanderfolgen, kann unabhängig von der Verweilzeit eine festgelegte Stromwellenform für jedes Kraftstoffeinspritzereignis verwendet werden, weil das erste Kraftstoffeinspritzereignis eines aufeinanderfolgenden Paars wenig Einfluss auf die zugeführte eingespritzte Kraftstoffmasse des zweiten Kraftstoffeinspritzereignisses des aufeinanderfolgenden Paars aufweist. Jedoch kann das erste Kraftstoffeinspritzereignis dazu neigen, die zugeführte eingespritzte Kraftstoffmasse des zweiten Kraftstoffeinspritzereignisses und/oder von weiteren anschließenden Kraftstoffeinspritzereignissen zu beeinflussen, wenn das erste und zweite Kraftstoffeinspritzereignis dicht aufeinanderfolgen und eine feste Stromwellenform verwendet wird. Jedes Mal, wenn ein Kraftstoffeinspritzereignis durch ein oder mehrere vorhergehende Kraftstoffeinspritzereignisse eines Kraftmaschinenzyklus beeinflusst wird, kann die jeweilige zugeführte eingespritzte Kraftstoffmasse des entsprechenden Kraftstoffeinspritzereignisses zu einer nicht akzeptablen Wiederholbarkeit über den Verlauf von mehreren Kraftmaschinenzyklen hinweg führen, und die aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzereignisse werden als dicht aufeinanderfolgend betrachtet. Allgemeiner werden alle aufeinanderfolgenden Aktorereignisse, bei denen ein Restfluss von dem vorhergehenden Aktorereignis das Verhalten des nachfolgenden Aktorereignisses relativ zu einem Standard beeinflusst, beispielsweise relativ zu einem Verhalten in Abwesenheit des Restflusses, als dicht aufeinanderfolgend betrachtet.
  • 2 veranschaulicht eine nicht einschränkende beispielhafte erste Aufzeichnung 1000 eines gemessenen Stroms und einer gemessenen Kraftstoffströmungsrate und eine nicht einschränkende beispielhafte zweite Aufzeichnung 1010 von gemessenen Spannungen an einer Haupterregungsspule und an einer Suchspule für zwei aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse mit identischen Strompulsen, die durch eine Verweilzeit getrennt sind, die nicht anzeigt, dass diese dicht aufeinanderfolgen. Eine gestrichelte vertikale Linie 1001, die sich durch jede der Aufzeichnungen 1000 und 1010 hindurch erstreckt, repräsentiert einen ersten Zeitpunkt, bei dem ein Einspritzende für das erste Kraftstoffeinspritzereignis auftritt, und eine gestrichelte vertikale Linie 1002 repräsentiert einen zweiten Zeitpunkt, bei dem ein Einspritzstart für das zweite Kraftstoffeinspritzereignis auftritt. Die Verweilzeit 1003 repräsentiert eine Zeitspanne zwischen den gestrichelten vertikalen Linien 1001 und 1002, welche das erste und das zweite Kraftstoffeinspritzereignis voneinander trennt. In der veranschaulichten Ausführungsform überschreitet die Verweilzeit einen Verweilzeit-Schwellenwert. Folglich zeigen das erste und das zweite Kraftstoffeinspritzereignis nicht an, dass sie dicht aufeinanderfolgen.
  • Mit Bezug auf die erste Aufzeichnung 1000 sind Profile 1011 bzw. 1012 des gemessenen Stroms und der Strömungsrate für die zwei Kraftstoffeinspritzereignisse veranschaulicht. Die vertikale y-Achse entlang der linken Seite der Aufzeichnung 1000 zeigt den elektrischen Strom in Ampere (A) an und die vertikale y-Achse entlang der rechten Seite der Aufzeichnung 1000 zeigt die Kraftstoffströmungsrate in Milligramm (mg) pro Millisekunde (ms) an. Das Profil 1011 des gemessenen Stroms ist für jedes der Kraftstoffeinspritzereignisse im Wesentlichen identisch. Analog ist das Profil 1012 der gemessenen Kraftstoffströmungsrate im Wesentlichen identisch für jedes der Kraftstoffeinspritzereignisse aufgrund dessen, dass die Kraftstoffeinspritzereignisse nicht anzeigen, dass sie dicht aufeinanderfolgen.
  • Mit Bezug auf die zweite Aufzeichnung 1010 sind Profile 1013 bzw. 1014 der gemessenen Spannung einer Haupterregungsspule und einer Suchspule für die zwei Kraftstoffeinspritzereignisse veranschaulicht. Die gemessene Spannung der Hauptspule kann eine gemessene Spannung der elektromagnetischen Spule 24 von 1-1 repräsentieren und die gemessene Spannung der Suchspule kann eine gemessene Spannung einer Suchspule 25 repräsentieren, die mit der elektrischen Spule 24 von 1-1 gegenseitig magnetisch gekoppelt ist. Die vertikale y-Achse der Aufzeichnung 1010 zeigt die Spannung (V) an. Wenn folglich die Haupterregungsspule erregt wird, kann ein Magnetfluss, der von der Haupterregungsspule erzeugt wird, aufgrund der gegenseitigen magnetischen Kopplung in die Suchspule eingekoppelt werden. Das Profil 1014 der gemessenen Spannung der Suchspule zeigt die Spannung an, die in die Suchspule induziert wird, welche proportional zu der Änderungsrate der gegenseitigen Flusskopplung ist. Die Profile 1013 bzw. 1014 der gemessenen Spannung der Haupterregungsspule und der Suchspule sind sowohl für das erste als auch für das zweite Kraftstoffeinspritzereignis im Wesentlichen identisch, welche nicht anzeigen, dass sie dicht aufeinanderfolgen.
  • 3 veranschaulicht eine nicht einschränkende beispielhafte erste Aufzeichnung 1020 eines gemessenen Stroms und einer gemessenen Kraftstoffströmungsrate und eine nicht einschränkende beispielhafte zweite Aufzeichnung 1030 von gemessenen Spannungen der Haupterregungsspule und der Suchspule für zwei aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse mit identischen Stromimpulsen, die durch eine Verweilzeit getrennt sind, die anzeigt, dass sie dicht aufeinanderfolgen. Die horizontale x-Achse in jeder der Aufzeichnungen 1020 und 1030 zeigt die Zeit in Sekunden (s) an. Eine gestrichelte vertikale Linie 1004, die sich durch jede der Aufzeichnungen 1020 und 1030 hindurch erstreckt, repräsentiert einen ersten Zeitpunkt, an dem ein Einspritzende für das erste Kraftstoffeinspritzereignis auftritt, und eine gestrichelte vertikale Linie 1005 repräsentiert einen zweiten Zeitpunkt, bei dem ein Einspritzstart für das zweite Kraftstoffeinspritzereignis auftritt. Die Verweilzeit 1006 repräsentiert eine Zeitspanne zwischen den gestrichelten vertikalen Linien 1004 und 1005, welche das erste und zweite Kraftstoffeinspritzereignis trennt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Verweilzeit kleiner als ein Verweilzeit-Schwellenwert. Folglich zeigen das erste und zweite Kraftstoffeinspritzereignis an, dass sie dicht aufeinanderfolgen.
  • Mit Bezug auf die erste Aufzeichnung 1020 sind Profile 1021 bzw. 1022 des gemessenen Stroms und der gemessenen Strömungsrate für die zwei Kraftstoffeinspritzereignisse veranschaulicht. Die vertikale y-Achse entlang der linken Seite der Aufzeichnung 1020 zeigt den elektrischen Strom in Ampere (A) an und die vertikale y-Achse entlang der rechten Seite der Aufzeichnung 1020 zeigt die Kraftstoffströmungsrate in Milligramm (mg) pro Millisekunde (ms) an. Das Profil 1021 des gemessenen Stroms ist für jedes der Kraftstoffeinspritzereignisse im Wesentlichen identisch. Jedoch veranschaulicht das Profil 1022 der gemessenen Kraftstoffrate eine Schwankung bei der gemessenen Kraftstoffströmungsrate zwischen jedem der ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzereignisse, obwohl die gemessenen Stromprofile im Wesentlichen identisch sind. Diese Varianz bei der gemessenen Kraftstoffströmungsrate ist bei dicht aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzereignissen naturgegeben und führt in nicht gewünschter Weise zu einer zugeführten eingespritzten Kraftstoffmasse bei dem zweiten Kraftstoffeinspritzereignis, die sich von der eingespritzten zugeführten Kraftstoffmasse bei dem ersten Kraftstoffeinspritzereignis unterscheidet.
  • Mit Bezug auf die zweite Aufzeichnung 1030 sind Profile 1023 bzw. 1024 der gemessenen Spannung der Haupterregungsspule und der Suchspule für die zwei Kraftstoffeinspritzereignisse veranschaulicht. Die gemessene Spannung der Hauptspule kann eine gemessene Spannung der elektrischen Spule 24 von 1-1 repräsentieren und die gemessene Spannung der Suchspule kann eine gemessene Spannung einer Suchspule 25 repräsentieren, die mit der elektrischen Spule 24 von 1-1 gegenseitig magnetisch gekoppelt ist. Die vertikale y-Achse der Aufzeichnung 1030 zeigt die Spannung (V) an. Wenn daher die Haupterregungsspule erregt wird, kann ein Magnetfluss, der von der Haupterregungsspule erzeugt wird, aufgrund der gegenseitigen magnetischen Kopplung mit der Suchspule gekoppelt sein. Das Profil 1024 der gemessenen Spannung der Suchspule zeigt die in die Suchspule induzierte Spannung an, die proportional zu der Änderungsrate der gegenseitigen Flusskopplung ist. Die Profile 1023 bzw. 1024 der gemessenen Spannung der Haupterregungsspule und der Suchspule der Aufzeichnung 1030 weichen während des zweiten Einspritzereignisses im Vergleich mit dem ersten Kraftstoffeinspritzereignis ab. Diese Abweichung zeigt das Vorhandensein eines Restflusses oder eines Magnetflusses an, wenn die Einspritzereignisse dicht aufeinanderfolgen. Mit Bezug auf die Aufzeichnung 1010 von 2 weichen die Profile 1013 bzw. 1014 der gemessenen Spannung der Haupterregungsspule und der Suchspule während des zweiten Einspritzereignisses im Vergleich mit dem ersten Kraftstoffeinspritzereignis nicht ab, wenn das erste und zweite Kraftstoffeinspritzereignis nicht dicht aufeinanderfolgen.
  • Wieder mit Bezug auf 1-1 sind beispielhafte Ausführungsformen ferner auf das Bereitstellen von Rückmeldungssignalen 42 von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 zurück an das Steuerungsmodul 60 und/oder an den Einspritzventil-Treiber 50 gerichtet. Wie nachstehend in größerem Detail erörtert wird, können Sensorvorrichtungen in das Kraftstoffeinspritzventil 10 integriert sein, um verschiedene Kraftstoffeinspritzventilparameter zu messen, die einen Kraftstoffdruck, einen Spulenwiderstandswert, eine Spulentemperatur, einen Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10, die Flusskopplung der elektrischen Spule 24, die Spannung der elektrischen Spule 24 und den Strom durch die elektrische Spule 24 hindurch umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Das Integrieren des Aktivierungscontrollers in den Körper 12 des Kraftstoffeinspritzventils 10 ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die Rückmeldungssignale 42 schnell an das Steuerungsmodul 60 übertragen werden. Aufgrund der großen Nähe des Steuerungsmoduls 60 erfahren die Rückmeldungssignale 42 darüber hinaus weniger Störungen, was genauere Lesewerte der darin enthaltenen Parameter ermöglicht. Ein Stromsensor kann an einer Stromflussstrecke zwischen dem Aktivierungscontroller 80 und dem Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt sein, um den Strom zu messen, der an die elektrische Spule geliefert wird, oder der Stromsensor kann in das Kraftstoffeinspritzventil 10 an der Stromflussstrecke integriert sein. Der Drucksensor 32' ist in den Einlass 15 des Kraftstoffeinspritzventils 10 integriert. Die über die Rückmeldungssignale 42 bereitgestellten Parameter des Kraftstoffeinspritzventils können den Magnetfluss, die Flusskopplung, die Spannung und den Strom umfassen, die von entsprechenden Sensorvorrichtungen, die in das Kraftstoffeinspritzventil 10 eingebaut sind, direkt gemessen werden. Zusätzlich oder alternativ können die Kraftstoffeinspritzventilparameter Stellvertreter umfassen, die über die Rückmeldungssignale 42 für das Steuerungsmodul 60 bereitgestellt und von diesem verwendet werden, um die Flusskopplung, den Magnetfluss, die Spannung und den Strom innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu schätzen. Das Steuerungsmodul 60 kann eine Nachschlagetabelle verwenden, um indirekte Sensorlesewerte in geschätzte Parameter des Kraftstoffeinspritzventils umzusetzen. Wenn das Steuerungsmodul 60 über eine Rückmeldung der Flusskopplung der elektrischen Spule 24, der Spannung der elektrischen Spule 24 und des Stroms, der an die elektrische Spule 24 geliefert wird, verfügt, kann es das Aktivierungssignal 75 für das Kraftstoffeinspritzventil 10 für mehrere aufeinanderfolgende Einspritzereignisse in vorteilhafter Weise modifizieren. Die Rückmeldungssignale 42 können zusätzlich Informationen im Hinblick auf die tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeiten des Kraftstoffeinspritzventils weiterleiten. Da der Aktivierungscontroller 80 in den Körper 12 des Kraftstoffeinspritzventils 10 integriert ist, kann das Steuerungsmodul befohlene Öffnungs- und Schließzeiten des Kraftstoffeinspritzventils überwachen und eine Rückmeldung von tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeiten empfangen. Danach kann das Steuerungsmodul 60 das Einspritzventil-Befehlssignal 52 für den Einspritzventil-Treiber 50 modifizieren, um Verzögerungen zwischen den befohlenen und den tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeiten zu reduzieren. Es versteht sich, dass herkömmliche Kraftstoffeinspritzventile durch einen Betrieb mit offenem Regelkreis gesteuert werden, der nur auf einer gewünschten Stromwellenform beruht, die aus Nachschlagetabellen oder analytischen Funktionen erhalten wird, ohne irgendwelche Informationen mit Bezug auf die krafterzeugende Komponente der Flusskopplung (z.B. des Magnetflusses), die eine Bewegung des Ankerabschnitts 21 bewirkt. Als Folge sind herkömmliche Vorsteuerungs-Kraftstoffeinspritzventile, die nur den Stromfluss zum Steuern des Kraftstoffeinspritzventils berücksichtigen, anfällig für eine Instabilität bei aufeinanderfolgenden Kraftstoffeinspritzereignissen, die dicht aufeinanderfolgen.
  • Ausführungsformen beschäftigen sich hier nicht mit einer beliebigen Technik zum Beschaffen des aktiven Magnetflusses oder der äquivalenten Flusskopplung. In einigen Ausführungsformen kann eine Suchspule 25 um die elektrische Spule herum verwendet werden, wobei der Magnetfluss, der durch die elektrische Spule erzeugt wird, aufgrund der gegenseitigen magnetischen Kopplung in die Suchspule eingekoppelt wird. Eine in die Suchspule induzierte Spannung ist proportional zu der Änderungsrate der Spulenflusskopplung beruhend auf der folgenden Beziehung. V SC = d λ dt oder λ = ∫ V SC dt
    Figure DE102015104010B4_0001
    wobei
    • Vsc die in die Suchspule 25 induzierte Spannung ist,
    • λ die Flusskopplung in der Suchspule 25 ist und
    • t die Zeit ist.
  • Die Flusskopplung in der Suchspule 25 kann verwendet werden, um den Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils beruhend auf der folgenden Beziehung zu bestimmen. φ= λ N
    Figure DE102015104010B4_0002
    wobei
    • φ der Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils ist, und
    • N die Anzahl der Wicklungen in der Suchspule 25 ist.
  • Folglich kann die Spannung der Suchspule 25 über die Rückmeldungssignale 42 an das Steuerungsmodul 60 geliefert werden, um die Flusskopplung zu schätzen. Daher zeigen ein Spannungssensor zum Messen der Spannung der Suchspule und die Suchspule selbst Erfassungsvorrichtungen an, die in das Kraftstoffeinspritzventil 10 eingebaut sind, um die Flusskopplung zu beschaffen. In anderen Ausführungsformen kann ein Magnetfeldsensor, etwa ein Hall-Sensor, innerhalb einer Magnetflussstrecke in dem Kraftstoffeinspritzventil positioniert sein, um den aktiven Magnetfluss zu messen. Analog können andere Magnetfeldsensoren verwendet werden, um den aktiven Magnetfluss zu messen, etwa analoge Hall-Sensoren und magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren), ohne aber darauf beschränkt zu sein. Der aktive Magnetfluss, der von derartigen Magnetfeldsensoren gemessen wird, kann über die Rückmeldungssignale 42 an das Steuerungsmodul 60 geliefert werden. Es versteht sich, dass diese Magnetfeldsensoren Erfassungsvorrichtungen anzeigen, die in das Kraftstoffeinspritzventil integriert sind, um den aktiven Magnetfluss zu beschaffen. Die Integration der Suchspule und der Magnetfeldsensoren in das Kraftstoffeinspritzventil wird nachstehend in 5 und 6 in größerem Detail beschrieben.
  • Es ist bekannt, dass, wenn der Einspritzventil-Treiber 50 Strom nur in eine Richtung in eine positive erste Richtung bereitstellt, um die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern zu erregen, ein Absenken des Stroms derart, dass er stabil bei Null bleibt, dazu führen wird, dass der Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils allmählich abfallen wird, z.B. auf Null zurückgehen wird. Jedoch ist die Reaktionszeit für das Abfallen des Magnetflusses langsam und das Vorhandensein einer magnetischen Hysterese innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils führt oft zum Vorhandensein eines Restflusses, wenn ein anschließendes nachfolgendes Kraftstoffeinspritzereignis eingeleitet wird. Wie vorstehend erwähnt wurde, beeinflusst das Vorhandensein des Restflusses die Genauigkeit der Kraftstoffströmungsrate und der eingespritzten Kraftstoffmasse, die in dem nachfolgenden Kraftstoffeinspritzereignis zugeführt werden soll, wobei das Vorhandensein des Restflusses für dicht aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse vergrößert wird.
  • 1-2 veranschaulicht den Aktivierungscontroller 80 von 1-1. Eine Signalflussstrecke 362 stellt eine Kommunikation zwischen dem Steuerungsmodul 60 und dem Einspritzventil-Treiber 50 bereit. Beispielsweise stellt die Signalflussstrecke 362 das Einspritzventil-Befehlssignal (z.B. das Befehlssignal 52 von 1-1) bereit, das den Einspritzventil-Treiber 50 steuert. Das Steuerungsmodul 60 kommuniziert ferner mit dem externen ECM 5 über eine Signalflussstrecke 364 innerhalb des Aktivierungscontrollers 380, die in elektrischer Kommunikation mit einem Leistungsübertragungskabel steht. Beispielsweise kann die Signalflussstrecke 364 überwachte Eingabeparameter (z.B. die überwachten Eingabeparameter 51 von 1-1) von dem ECM 5 für das Steuerungsmodul 60 bereitstellen, um das Einspritzventil-Befehlssignal 52 zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Signalflussstrecke 364 Kraftstoffeinspritzventil-Rückmeldungsparameter (z.B. die Rückmeldungssignale 42 von 1-1) an das ECM 5 liefern.
  • Der Einspritzventil-Treiber 50 empfängt elektrische DC-Leistung von der Leistungsquelle 40 von 1-1 über eine Leistungsversorgungsflussstrecke 366. Unter Verwendung der empfangenen elektrischen DC-Leistung kann der Kraftstoffeinspritzventil-Treiber 50 Einspritzventil-Aktivierungssignale (z.B. die Einspritzventil-Aktivierungssignale 75 von 1-1) auf der Grundlage des Einspritzventil-Befehlssignals von dem Steuerungsmodul 60 erzeugen.
  • Der Einspritzventil-Treiber 50 ist ausgestaltet, um eine Aktivierung des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu steuern, indem er geeignete Einspritzventil-Aktivierungssignale 75 erzeugt. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Einspritzventil-Treiber 50 ein bidirektionaler Stromtreiber, der einen positiven Stromfluss über eine erste Stromflussstrecke 352 und einen negativen Stromfluss über eine zweite Stromflussstrecke 354 an die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern in Ansprechen auf jeweilige Einspritzventil-Aktivierungssignale 75 bereitstellt. Der positive Strom über die erste Stromflussstrecke 352 wird bereitgestellt, um die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern zu erregen, und der negative Strom über die zweite Stromflussstrecke 354 dreht den Stromfluss durch die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern um. Die Stromflussstrecken 352 und 354 bilden einen geschlossenen Kreis; das heißt, dass ein positiver Strom in 352 hinein zu einem gleichen und entgegengesetzten (negativen) Strom in der Flussstrecke 354 führt und umgekehrt. Die Richtung des Stromflusses der ersten und zweiten Stromflussstrecken 352 bzw. 354 kann abwechseln, um einen Restfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils zurückzusetzen und ein Prellen des Ankerabschnitts 21 zu steuern. Eine Signalflussstrecke 371 kann eine Spannung der ersten Stromflussstrecke 352 an das Steuerungsmodul 60 liefern, und eine Signalflussstrecke 373 kann eine Spannung der zweiten Stromflussstrecke 354 an das Steuerungsmodul 60 liefern. Die Spannung und der Strom, die an die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern angelegt werden, beruhen auf einer Differenz zwischen den Spannungen an den Signalflussstrecken 371 und 373. Bei einer Ausführungsform verwendet der Einspritzventil-Treiber 50 einen Betrieb mit offenem Regelkreis, um eine Aktivierung des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu steuern, wobei die Einspritzventil-Aktivierungssignale durch genaue vorbestimmte Stromwellenformen gekennzeichnet sind. Bei einer anderen Ausführungsform verwendet der Einspritzventil-Treiber 50 einen Betrieb mit geschlossenem Regelkreis, um eine Aktivierung des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu steuern, wobei die Einspritzventil-Aktivierungssignale auf Kraftstoffeinspritzventilparametern beruhen, die als Rückmeldung an das Steuerungsmodul über die Signalflussstrecken 371 und 373 bereitgestellt werden. Über eine Signalflussstrecke 356 kann ein gemessener Stromfluss an die Spule 24 an das Steuerungsmodul 60 geliefert werden. In der veranschaulichten Ausführungsform wird der Stromfluss von einem Stromsensor an der zweiten Stromflussstrecke 354 gemessen. Die Kraftstoffeinspritzventilparameter können Werte für die Flusskopplung, die Spannung und den Strom innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 umfassen, oder die Kraftstoffeinspritzventilparameter können Stellvertreter umfassen, die von dem Steuerungsmodul 60 verwendet werden, um die Flusskopplung, die Spannung und den Strom innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu schätzen.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist der Einspritzventil-Treiber 50 für einen vollständigen Vierquadrantenbetrieb ausgestaltet. 1-3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform des Einspritzventil-Treibers 50 von 1-1 und 1-2, die zwei Schaltersätze 370 und 372 verwendet, um den Stromfluss zu steuern, der zwischen dem Einspritzventil-Treiber 50 und der Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern bereitgestellt wird. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst der erste Schaltersatz 370 Schaltervorrichtungen 370-1 und 370-2, und der zweite Schaltersatz 372 umfasst Schaltervorrichtungen 372-1 und 372-2. Die Schaltervorrichtungen 370-1, 370-2, 372-1 und 372-2 können Halbleiterschalter sein und sie können Silizium-Halbleiterschalter (Si-Halbleiterschalter) oder Halbleiterschalter mit großer Bandlücke (WBG-Halbleiterschalter) umfassen, die ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit bei hohen Temperaturen ermöglichen. Der Vierquadrantenbetrieb des Einspritzventil-Treibers 50 steuert die Richtung des Stromflusses in die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern hinein und aus dieser heraus auf der Grundlage eines entsprechenden Schaltzustands, der durch das Steuerungsmodul 60 bestimmt wird. Das Steuerungsmodul 60 kann einen positiven Schaltzustand, einen negativen Schaltzustand und einen Null-Schaltzustand bestimmen und den ersten und zweiten Schaltersatz 370 und 372 zwischen offenen und geschlossenen Positionen beruhend auf dem bestimmten Schaltzustand befehlen. In dem positiven Schaltzustand werden die Schaltervorrichtungen 370-1 und 370-2 des ersten Schaltersatzes 370 in die geschlossene Position befohlen und die Schaltervorrichtungen 372-1 und 372-2 des zweiten Schaltersatzes 372 werden in die offene Position befohlen, um einen positiven Strom in die erste Stromflussstrecke 352 hinein und aus der zweiten Stromflussstrecke 354 heraus zu steuern. Diese Schaltervorrichtungen können ferner unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation moduliert werden, um die Amplitude des Stroms zu steuern. In dem negativen Schaltzustand werden die Schaltervorrichtungen 370-1 und 370-2 des ersten Schaltersatzes 370 in die offene Position befohlen und die Schaltervorrichtungen 372-1 und 372-2 des zweiten Schaltersatzes 372 werden in die geschlossene Position befohlen, um den negativen Strom in die zweite Stromflussstrecke 354 hinein und aus der ersten Stromflussstrecke 352 heraus zu steuern. Diese Schaltervorrichtungen können ferner unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation moduliert werden, um die Amplitude des Stroms zu steuern. In dem Null-Schaltzustand werden alle Schaltervorrichtungen 370-1, 370-2, 372-1 und 372-2 in die offene Position befohlen, um keinen Strom in die Anordnung mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern hinein oder aus dieser heraus zu steuern, oder um zu erlauben, dass der Spulenstrom mit der natürlichen Zeitkonstante der Spule durch die geeigneten Freilaufdioden über den Schaltern abnimmt. Folglich kann eine bidirektionale Steuerung des Stroms durch die Spule 24 bewirkt werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird der negative Strom durch die Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern 24 für eine Zeitdauer angelegt, die ausreicht, um einen Restfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu reduzieren, nachdem ein sekundärer Haltestrom abgesenkt wurde. Bei anderen Ausführungsformen wird der negative Strom im Anschluss an das Absenken des sekundären Haltestroms aber zusätzlich erst dann angelegt, nachdem sich das Kraftstoffeinspritzventil geschlossen hat oder der Aktor zu seiner statischen oder Ruheposition zurückgekehrt ist. Darüber hinaus können zusätzliche Ausführungsformen umfassen, dass die Schaltersätze 370 und 372 abwechselnd zwischen offenen und geschlossenen Positionen umgeschaltet werden, um die Richtung des Stromflusses an die Spule 24 zu wechseln, was eine Pulsbreitenmodulationssteuerung umfasst, um Stromflussprofile zu bewirken. Die Nutzung der zwei Schaltersätze 370 und 372 ermöglicht eine präzise Steuerung der Richtung und der Amplitude des Stromflusses, der an die Stromflussstrecken 352 und 354 der Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern angelegt wird, für mehrere aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzereignisse während eines Kraftmaschinenereignisses, indem das Vorhandensein von Wirbelströmen und einer magnetischen Hysterese innerhalb der Anordnung 24 mit der elektromagnetischen Spule und dem Kern verringert wird.
  • Es ist festzustellen, dass der Aktivierungscontroller 80 nur einem einzigen Kraftstoffeinspritzventil entspricht. Daher werden Kraftmaschinen, die mehr als ein Kraftstoffeinspritzventil verwenden, einen jeweiligen darin integrierten Aktivierungscontroller 80 enthalten. Das ECM 5 und die Leistungsquelle 50 sind mit jedem der Aktivierungscontroller elektrisch wirksam gekoppelt. Folglich kann jedes Kraftstoffeinspritzventil auf einer individuellen Basis betrieben werden, unter Verwendung von Rückmeldungsparametern für jedes jeweilige Kraftstoffeinspritzventil, und ein Betrieb der Kraftstoffeinspritzventile kann auf einer individuellen Basis in Ansprechen auf die Rückmeldungsparameter modifiziert werden. Folglich ist der jeweilige Aktivierungscontroller 80, der in den Körper 12 des Kraftstoffeinspritzventils integriert ist, zu einem „Plug & Play“-Betrieb in der Lage, um das jeweilige Kraftstoffeinspritzventil 10 auf einer individuellen Basis zu steuern.
  • 4 veranschaulicht eine nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsform einer schematischen detaillierten Schnittansicht des Kraftstoffeinspritzventils 10 von 1-1 mit dem in das Kraftstoffeinspritzventil integrierten Aktivierungscontroller 80. 4 wird mit Bezugnahme auf 1-1 beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale beschreiben. In der veranschaulichten Ausführungsform von 4 umfasst ein oberer Körperabschnitt 420 des Kraftstoffeinspritzventils die elektromagnetische Anordnung 24 mit der elektrischen Spule 24-1 und dem Magnetkern 24-2, einen Führungsring 412, der den Ankerabschnitt 21 umschließt, einen Abstandshalter 414, der bereitgestellt ist, um einen Kontakt zwischen der elektromagnetischen Anordnung 24 zu verhindern, einen Flussverbinder 410 mit Anschlüssen, die mit der elektrischen Spule 24-1 bzw. der Suchspule 25 elektrisch wirksam gekoppelt sind, ein Aktorgehäuse 432, einen Kranz 434, der den oberen Körperabschnitt 420 mit dem unteren Körperabschnitt 424 koppelt, einen oder mehreren Magnetfeldsensoren in einem Bereich 422, und den in den Körper 12 des Kraftstoffeinspritzventils 10 integrierten Aktivierungscontroller 80. Eine Anordnung 416 mit einem oberen Gehäusesitz und einer Hülse trennt den oberen Körperabschnitt 420 von einem unteren Körperabschnitt 424, welcher die Düse 20 und eine Kraftstoffkammer enthält. Das Aktorgehäuse 432 ist ein zylindrisches Gehäuse, das den elektromagnetischen Kern umschließt.
  • Innerhalb des Einlasses 15 des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist der Drucksensor 32' vorgesehen, um einen Kraftstoffdruck 34 zu beschaffen, der von dem Kraftstoffverteilerrohr 30 in den Einlass 15 eintritt. Der Kraftstoffdruck 34 kann direkt an das Steuerungsmodul 60 des Aktivierungscontrollers 80 geliefert werden, oder der Kraftstoffdruck 34 kann an den Flussverbinder 410 geliefert werden und in den Rückmeldungssignalen 42 an den Aktivierungscontroller 80 geliefert werden. Zu Abdichtungszwecken sind ein O-Ring 426 und ein Reservering 428 in der Nähe des Einlasses 15 bereitgestellt.
  • In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Aktivierungscontroller 80 in den Körper 12 des Kraftstoffeinspritzventils integriert. Der Aktivierungscontroller 80 ist mit dem externen ECM 5 und der externen Leistungsquelle 40 über Kabel 430 und 431, die mit einem Anschluss der Verbinderanordnung 36 verbunden sind, elektrisch wirksam gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann der Anschluss einen Verbinder mit mehreren Kontakten umfassen. Das ECM 5 kann Befehlssignale, etwa eine gewünschte eingespritzte Kraftstoffmasse, die an den Brennraum geliefert werden soll, an das Steuerungsmodul 60 des Aktivierungscontrollers 80 übertragen. Die Leistungsquelle 40 kann elektrische Leistung an den Einspritzventil-Treiber 50 des Aktivierungscontrollers 80 liefern, um die elektrische Spule 24-1 zu erregen. Darüber hinaus kann das Steuerungsmodul 60 Betriebsparameter der Kraftstoffeinspritzventils 10, etwa Status- und Ausgaberückmeldungssignale an das externe ECM 5 übermitteln.
  • Ein oder mehrere Kabel oder Drähte können in den Körper des Kraftstoffeinspritzventils 10 integriert sein, so dass der Einspritzventil-Treiber 50 das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 mit der Einspritzdauer und den Stromwellenformen, z.B. bidirektionalen oder unidirektionalen Strömen, an den Flussverbinder 510 liefern kann, um die elektrische Spule 24-1 während Aktivierungsereignissen des Kraftstoffeinspritzventils zu erregen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Einspritzventil-Treiber 50 fahrzeugeigene Leistungsversorgungstreiber umfassen, die ermöglichen, dass eine variable Spannung und ein variabler Strom von geeigneter Dauer, Größe und Polarität für den Aktor erzeugt werden.
  • Darüber hinaus können die Rückmeldungssignale 42, die einen oder mehrere Parameter des Kraftstoffeinspritzventils 10 umfassen, von dem Flussverbinder 410 an das Steuerungsmodul 60 des Aktivierungscontrollers 80 geliefert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventilen, die nur durch externe Komponenten gesteuert werden, ermöglicht der integrierte Aktivierungscontroller 80 einen geregelten Betrieb bzw. einen Betrieb mit geschlossenem Regelkreis auf der Grundlage der Rückmeldungsparameter von dem Kraftstoffeinspritzventil und von Befehlen von dem externen ECM 5. Der Betrieb mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht, dass sich der in das Kraftstoffeinspritzventil integrierte Aktivierungscontroller 80 schnell an den Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils anpasst und das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 beruhend darauf so modifiziert, dass tatsächliche Zeitdauern für Kraftstoffeinspritzereignisse mit befohlenen Zeitdauern genau übereinstimmen und dass tatsächlich zugeführte eingespritzte Kraftstoffmassen genau mit befohlenen eingespritzten Kraftstoffmassen, die zugeführt werden sollen, übereinstimmen. Folglich können die Rückmeldungssignale 42 die tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeiten des Kraftstoffeinspritzventils 10 umfassen, oder die Rückmeldungssignale 42 können einen oder mehrere der vorstehend erwähnten Parameter umfassen, die von dem Steuerungsmodul 60 verwendet werden sollen, um die tatsächlichen Öffnungs- und Schließzeiten zu beschaffen.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, umfasst das Steuerungsmodul 60 eine Verarbeitungsvorrichtung. Die Verarbeitungsvorrichtung kann einen Ventilöffnungsbefehl empfangen und eine Kennung, einen Status und eine Ausgaberückmeldung des Einspritzventils für den Einspritzventil-Treiber 50 und/oder das externe ECM 5 bereitstellen. Die Verarbeitungsvorrichtung kann die Rückmeldungssignale 42 von Sensorvorrichtungen, die in das Kraftstoffeinspritzventil integriert sind, verarbeiten und notwendige Ausgaben für den Einspritzventil-Treiber 50 erzeugen, z.B. das Einspritzventil-Befehlssignal 52. Das Steuerungsmodul 60 kann ferner eine oder mehrere Speichervorrichtungen enthalten, um Programm- und Dateninformationen zu speichern, die von der Verarbeitungsvorrichtung geholt werden können, um Algorithmen und Routinen auszuführen, um die Ventil/Düsen-Öffnungszeiten zu detektieren und um das Einspritzventil-Aktivierungssignal 75 rekursiv zu verstellen, um es an die befohlene Ventil/Düsen-Öffnungszeit anzugleichen. Folglich kann der in das Kraftstoffeinspritzventil integrierte Aktivierungscontroller 80 eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) enthalten, um Elemente des Erfassens, des Verarbeitens, der Kommunikation und des Einspritzventil-Treibers auszuführen.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, können die Rückmeldungssignale 42 Parameter direkt enthalten, etwa den Kraftstoffverteilerrohrdruck 34 von dem Drucksensor 32', den elektrischen Strom, der an die elektrische Spule 24-1 geliefert wird, und Spannungen, die durch die Suchspule und/oder die elektrische Spule 25 bzw. 24-1 induziert werden. Rückmeldungssignale 42 können ferner Parameter umfassen, die von dem Steuerungsmodul 60 verwendet werden, um den Magnetfluss, die Flusskopplung, die elektromagnetische Kraft und die Verschiebung der Ventilanordnung 18 zu schätzen. Das Rückmeldungssignal kann andere Kraftstoffeinspritzventilparameter umfassen, die Parameter umfassen, die von Sensoren mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Sensoren), Halleffekt-Sensoren, Riesenmagnetowiderstands-Sensoren (GMR-Sensoren), piezoelektrischen Sensoren und auf Leitfähigkeit beruhenden Sensoren beschafft werden, aber nicht darauf beschränkt sind. Beispielsweise können Parameter, die über die Rückmeldungssignale 42 bereitgestellt werden, von dem Steuerungsmodul 60 verwendet werden, um Unterschiede bei Widerstandswerten zwischen dem oberen und unteren Körperabschnitt 420 bzw. 424 zu beschaffen, um ein tatsächliches Öffnen und Schließen des Ventils zu detektieren.
  • Der Aktivierungscontroller 80 kann ferner auf das Altern des Kraftstoffeinspritzventils 10 eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Verarbeitungsvorrichtung des Steuerungsmoduls 60 programmiert sein, um einen anfänglichen Satz oder einen Nennsatz für spezielle Parameter zu empfangen, der ermöglichen wird, dass sich das Einspritzventil schnell anpasst, um die von dem ECM 5 befohlene gewünschte eingespritzte Kraftstoffmasse zu verstellen, um die notwendige Verhaltensgenauigkeit zu erreichen. Der Aktivierungscontroller 80 kann ferner Fehler im Einspritzventil auf der Grundlage von Schwankungen von kritischen Parametern, etwa Öffnungs- und Schließverzögerungen und einer Verschlechterung von Aktorkomponenten (z.B. der Feder 26, der elektrischen Spule 24-1, der Magnete) diagnostizieren und Gegenmaßnahmen auf der Grundlage einer Diagnose ergreifen. Zudem können der Aktivierungscontroller 80 und das Kraftstoffeinspritzventil 10, die integriert sind, anfänglich trainiert werden, indem anfängliche vorbestimmte Testsignale dem Controller 80 und dem Einspritzventil 10 für eine vorbestimmte Zeitspanne zugeführt werden, um zu ermöglichen, dass der Controller 80 benötigte Parameter erlernt, so dass Öffnungs- und Schließverzögerungen und die Wellenformen des elektrischen Stroms und der Spannung mit denjenigen übereinstimmen, die befohlen werden. Es versteht sich, dass herkömmliche Kraftstoffeinspritzventile Öffnungs- und Schließverzögerungen auf einer individuellen Basis nicht überwachen oder den Betrieb modifizieren, wenn ungewünschte Verzögerungen auftreten.
  • 5 veranschaulicht eine nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsform einer schematischen detaillierten Schnittansicht des Kraftstoffeinspritzventils 10 im Bereich 422 von 4 einschließlich der Suchspule 25, die gegenseitig mit der elektrischen Spule 24-1 magnetisch gekoppelt ist, welche um den Magnetkern 24-2 herumgewickelt ist. Die Längsachse 101 zeigt eine Symmetrieachse für das Kraftstoffeinspritzventil 10 an. Der Ankerabschnitt 21, der Führungsring 412, der Abstandshalter 414, die elektromagnetische Anordnung 24, das Aktorgehäuse 432 und der Kranz 434 sind in der veranschaulichten Ausführungsform von 5 innerhalb des Bereichs 422 des Kraftstoffeinspritzventils 10 dargestellt.
  • Die Suchspule 25 (z.B. 1-1) ermöglicht, dass der aktive Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils indirekt beschafft werden kann. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die Suchspule 25 um die elektrische Spule 24-1 herumgewickelt. Zum Beispiel kann die Suchspule 25 auf den Magnetkern 24-2 benachbart zu der oder um die elektrische Spule 24-1 herum derart gewickelt sein, dass die Suchspule 25 innerhalb einer Magnetflussstrecke liegt, die von der elektrischen Spule 24-1 erzeugt wird, wenn sie durch einen elektrischen Strom erregt wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Suchspule so ausgestaltet sein, dass sie sich radial benachbart zu der elektrischen Spule 24-1 befindet, oder sie kann alternativ so ausgestaltet sein, dass sie zu der elektrischen Spule 24-1 axial benachbart ist. Die Suchspule 25 kann einen Draht mit kleinerer oder gleicher Größe als derjenige der elektrischen Spule umfassen. Die Anschlussleitungen der Suchspule 25 können entlang der Anschlussleitungen der elektrischen Spule 24-1 verlegt und an den Flussverbinder 410 angeschlossen sein, um eine Schnittstelle (z.B. die Rückmeldungssignale 42) für den Aktivierungscontroller 80 bereitzustellen. Ein Spannungssensor kann entlang der Leitungen der Suchspule 25 oder innerhalb des Flussverbinders 410 angeordnet sein.
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die Suchspule 25 und die elektrische Spule 24-1 gegenseitig magnetisch gekoppelt, wobei eine durch die Suchspule 25 induzierte Spannung verwendet werden kann, um eine Flusskopplung der Suchspule 25 zu beschaffen, wie vorstehend unter Verwendung von Gleichung [1] beschrieben ist. Die gegenseitige magnetische Kopplung zwischen der elektrischen Spule und der Suchspule umfasst eine gegenseitige Kopplung, die als stark angezeigt ist, z.B. eine gegenseitige Kopplung gleich 0,99. Bei diesem Szenario ist die Flusskopplung für die Suchspule 25 unter Verwendung von Gleichung [1] im Wesentlichen identisch mit der Flusskopplung für die Hauptspule. Der Magnetfluss kann unter Verwendung von Gleichung [2] beruhend auf der Flusskopplung der Suchspule 25 und der Anzahl der Wicklungen der Suchspule 25 beschafft werden. Folglich müssen Abnahmen beim Widerstandswert, die mit dem Messen einer Spannung über der elektrischen Spule 24-1 verbunden sind, um eine Flusskopplung zu erhalten, nicht berücksichtigt werden. Das Steuerungsmodul 60 kann die in die Suchspule 25 induzierte Spannung empfangen und die Gleichungen [1] und [2] ausführen, um den Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils zu beschaffen. Das Steuerungsmodul 60 kann Daten speichern, etwa die vorgeschriebene Anzahl von Wicklungen für die elektrische Spule und die Suchspule 24-1 bzw. 25.
  • Darüber hinaus kann die Suchspule 25 eine vorgeschriebene Anzahl von Wicklungen enthalten, die so gewählt ist, dass die induzierte Suchspulenspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, um die Messung zu erleichtern. Zum Beispiel kann die Anzahl der Wicklungen in der Suchspule so gewählt sein, dass ein Wicklungsverhältnis zwischen der Hauptspule und der Suchspule etwa 10 beträgt. Beruhend auf der Spannung, die durch die Suchspule 25 induziert wird, kann die in die elektrische Spule 24-1 induzierte Spannung wie folgt ausgedrückt werden. V MI = k × V SC = k × d λ dt
    Figure DE102015104010B4_0003
    wobei
    • VMI die in die elektrische Spule 24-1 induzierte Spannung ist,
    • k das Wicklungsverhältnis der Anzahl von Wicklungen der elektrischen Spule 24-1 zu der Anzahl von Wicklungen der Suchspule 25 ist, und
    • t die Zeit ist.
  • Das Steuerungsmodul 60 kann die in die Suchspule 25 induzierte Spannung empfangen und die Gleichungen [1] und [2] ausführen, um den Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils zu beschaffen. Unter Verwendung der Spannung, die in die elektrische Spule induziert wird, und die aus Gleichung [3] beschafft wird, kann der Widerstandswert der elektrischen Spule 24-1 wie folgt auf der Grundlage der gemessenen Spannung VMC der Hauptspule ausgedrückt werden. R = ( V MC − k ∗ V SC i )
    Figure DE102015104010B4_0004
    wobei
    • VMC die gemessene Spannung der elektrischen Spule 24-1 ist,
    • R der Widerstandswert der elektrischen Spule 24-1 ist,
    • i der gemessene Strom durch die elektrische Spule 24-1 hindurch ist.
  • Die Magnetflussstrecke, die durch die elektrische Spule 24-1 erzeugt wird, wenn sie durch einen elektrischen Strom erregt wird, ist vorzugsweise eine Flussstrecke mit hoher Permeabilität und geringer Reluktanz. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 5 besteht die Magnetflussstrecke aus dem Magnetkreis, der den Magnetkern 24-2, den Anker 21 und eine zusätzliche Flussrückführungsstruktur umfasst, welche Flussrückführungsstreckenkomponenten umfasst, die den Flussverbinder 410, das Aktorgehäuse 432, den Kranz 434 und den Führungsring 412 umfassen. Alle Flussrückführungsstrukturkomponenten sind vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft miteinander gekoppelt, um Luftspalte zu minimieren, welche die Gesamtreluktanz des Magnetkreises erhöhen. Die Flussrückführungsstruktur besteht vorzugsweise aus Komponenten, die eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind der Magnetkern 24-2 und der Flussverbinder 410 in unmittelbarer Nachbarschaft miteinander gekoppelt. Der Flussverbinder 410 ist zu dem Aktorgehäuse 432 unmittelbar benachbart, welches zu dem Kranz 434 unmittelbar benachbart ist. Der Kranz 434 ist zu dem Führungsring 412 unmittelbar benachbart, welcher zu dem Anker 21 unmittelbar benachbart ist. Der Anker 21 ist zu dem Magnetkern 24-1 unmittelbar benachbart, wodurch der Magnetkreis, der eine Magnetflussstrecke mit geringer Reluktanz bereitstellt, abgeschlossen wird. Der Kranz 434 kann aus einem magnetisierbaren Stahl bestehen, um den Magnetfluss entlang der Magnetflussstrecke zu dem Anker zu leiten.
  • 6-1 veranschaulicht eine transiente Flusskonzentration entlang einer Magnetfluss-Strömungsstrecke in einer detaillierten schematischen Schnittansicht des Bereichs 422 von 4. Der transiente Strom durch die elektrische Spule 24-1 hindurch ist ein hochfrequenter Strom, der zu einem begrenzten Eindringen des Magnetflusses in den Magnetkern 24-2 hinein und in die Flussrückführungsstreckenkomponenten führt, die den Flussverbinder 410, das Aktorgehäuse 432, den Kranz 434, den Führungsring 412 und den Anker 21 umfassen, welcher relativ zu der elektrischen Spule 24-1 gemessen wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der hochfrequente (transiente) Strom als ein Stromanstieg im Bereich von 10.000 Ampere/Sekunde bis 500.000 Ampere/Sekunde und als ein Stromabfall im Bereich von 10.000 Ampere/Sekunde bis 2.000.000 Ampere/Sekunde definiert sein. Eine derartige hochfrequente Erregung der elektrischen Spule 24-1 führt zu einer transienten Flusskonzentration in Regionen der Magnetflussstrecke. Der transiente Flusskonzentrationseffekt wird durch die Magnetflusslinien 633 entlang der Magnetflussstrecke veranschaulicht. Die Magnetflusslinien 633 sind konzentriert und weisen ein begrenztes Eindringen in die Komponenten der Magnetflussstrecke auf. Wirbelströme, die aus dem hochfrequenten Strom resultieren, verhindern ein tiefes Eindringen des Magnetfelds in die eisenhaltigen Komponenten der Magnetflussstrecke, und der Magnetfluss wird zu den Oberflächen der eisenhaltigen Komponenten hin in der Nähe der elektrischen Spule 24-1 während Perioden mit transientem Strom konzentriert. Diese transiente Flusskonzentration tritt im Anschluss an einen stationären Aktorspulenstrom von im Wesentlichen Null auf, und wenn eine bestimmte Änderungsrate, die einen hochfrequenten (transienten) Strom anzeigt, in dem Strom durch die elektrische Spule hindurch erreicht wird.
  • 6-2 veranschaulicht einen Magnetfluss entlang einer Magnetflussströmungsstrecke während eines stationären Zustands in einer detaillierten schematischen Schnittansicht des Bereichs 422 von 4. Während eines stationären Aktorspulenstroms erreicht der Magnetfluss eine größere Eindringtiefe mit einer geringeren Flusskonzentration als sie aus den vorstehend erwähnten hochfrequenten (transienten) Strömen resultiert. Dieser stationäre Aktorspulenstrom ist durch Magnetflusslinien 635 entlang der Magnetflussstrecke veranschaulicht. Die Magnetflusslinien 635, die relativ zu der elektrischen Spule 24-1 gemessen werden, dringen tiefer in die Komponenten der Magnetflussstrecke ein, welche den Magnetkern 24-2 und die Flussrückführungsstreckenkomponenten umfassen, welche den Flussverbinder 410, das Aktorgehäuse 432, den Kragen 434, den Führungsring 412 und den Anker 21 umfassen.
  • 6-3 veranschaulicht eine nicht beanspruchte Ausführungsform einer detaillierten schematischen Schnittansicht, die Stellen für Magnetfeldsensoren innerhalb des Bereichs 422 des Kraftstoffeinspritzventils 10 von 4 umfasst. Die Längsachse 101 zeigt eine Symmetrieachse für das Kraftstoffeinspritzventil 10 an. Der Ankerabschnitt 21, der Führungsring 412, der Abstandshalter 414, der Verbinder 410, der Kranz 434 und die elektromagnetische Anordnung 24 mit dem Magnetkern 24-2 und der elektrischen Spule 24-1 sind in der veranschaulichten Ausführungsform von 6 innerhalb des Bereichs 422 des Kraftstoffeinspritzventils 10 dargestellt.
  • Jede der vorbestimmten Stellen 637, 639, 641 und 643 zeigt eine Stelle innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 an, an der ein Magnetfeldsensor gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform angeordnet werden kann, um den Magnetfluss innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils zu messen. In einer nicht beanspruchten Ausführungsform fallen diese vorbestimmten Stellen in Regionen mit transienter Flusskonzentration, die in 6-1 dargestellt sind. Die Platzierung der Magnetfeldsensoren in Regionen mit transienter Flusskonzentration stellt sicher, dass der Magnetfluss entlang der Magnetflussstrecke genau gemessen wird. Die Platzierung der Magnetfeldsensoren außerhalb dieser Regionen mit transienter Flusskonzentration kann dazu führen, dass die Magnetfeldsensoren einen Magnetfluss nicht registrieren, der eine niedrige Eindringtiefe während Perioden mit hochfrequentem (transientem) Strom durch die elektrische Spule 24-2 aufweist. Folglich kann eine beliebige der vorbestimmten Stellen 638, 639, 641 und 643 gewählt werden, um einen Magnetfeldsensor zum Messen des Magnetflusses anzuordnen. Die vorbestimmten Stellen 637, 639, 641 und 643 umfassen für gewöhnlich Stellen innerhalb der Magnetflussstrecke, die erzeugt wird, wenn die elektrische Spule 24-1 erregt wird. Beispielhafte vorbestimmte Sensorstellen 637, 639, 641 und 643 umfassen Stellen innerhalb der Magnetflussstrecke, die in den Regionen mit transienter Flusskonzentration angeordnet sind, wie mit Bezug auf 6-1 und 6-1 erörtert wurde.
  • Die erste vorbestimmte Stelle 637 ist benachbart zu sowohl dem Flussverbinder 410 als auch dem Aktorgehäuse 432 des Körpers 12 des Kraftstoffeinspritzventils 10. Die zweite vorbestimmte Stelle 639 ist benachbart zu dem Flussverbinder 410 und einem Magnetkern 24-2 des Kraftstoffeinspritzventils 10. Das Anordnen eines Magnetfeldsensors an einer der ersten und zweiten vorbestimmten Stellen 637 bzw. 639 erleichtert Verpackungseinschränkungen, da Anschlussleitungen von Magnetfeldsensoren, die dort angeordnet sind, dem Flussverbinder 410 zugeführt werden können, ohne dass sie durch Komponenten des Kraftstoffeinspritzventils hindurch verlegt werden müssen. Die dritte vorbestimmte Stelle 641 ist innerhalb des Hohlraums des Kraftstoffeinspritzventils benachbart zu dem Magnetkern 24-2 und dem Anker 21 oder nahe bei einem Luftspalt des Ankerabschnitts 21 angeordnet. Ein Magnetfeldsensor, der an der dritten vorbestimmten Stelle 641 angeordnet ist, kann auf vorteilhafte Weise den Magnetfluss messen, der senkrecht zu dem Ankerabschnitt austritt. Die vierte vorbestimmte Stelle 643 ist zwischen dem Kranz 434 und dem Aktorgehäuse 432 des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet. Ein Magnetfeldsensor, der an der vierten vorbestimmten Stelle 643 angeordnet ist, kann auf vorteilhafte Weise einen Magnetfluss messen, der von der elektrischen Spule 24-1 durch den Ankerabschnitt 21 hindurchgehend zirkuliert. Ausführungsformen hierin sind nicht auf eine beliebige der vorbestimmten Stellen 637, 639, 641 und 643 beschränkt, wobei eine beliebige von diesen beruhend auf Überlegungen im Hinblick auf die Genauigkeit bei Magnetflussmessungen und im Hinblick auf den Einbau verwendet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann ein jeweiliger Magnetfeldsensor an mehr als einer der vorbestimmten Stellen 637, 639, 641 und 643 angeordnet werden, um robustere Messwerte des Magnetflusses bereitzustellen.
  • Der Typ des Magnetfeldsensors wird gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform derart gewählt, dass die Dicke des Sensors die magnetische Reluktanz der Magnetflussstrecke nicht erheblich beeinträchtigen wird. Es ist festzustellen, dass Anschlussleitungen des Magnetfeldsensors zur elektrischen Kopplung am Flussverbinder 410 zusammen mit den Anschlussleitungen der elektrischen Spule 24-1 verlaufen. Folglich können durch den Magnetfeldsensor beschaffte Messwerte über die Rückmeldungssignale 42 mit dem Steuerungsmodul 60 gekoppelt werden. Bei einer nicht beanspruchten Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor ein Hall-Sensor, der auf die Magnetflussdichte bei einer jeweiligen der vorbestimmten Stellen 1 - 4 anspricht, um den Magnetfluss zu messen. Andere mögliche Magnetfeldsensoren umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, analoge Hall-Sensoren und magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren). Die Magnetfeldsensoren werden vorzugsweise derart positioniert, dass eine Erfassungsachse des Magnetfeldsensors senkrecht zu dem Fluss des Magnetflusses ist. Diese Offenbarung ist nicht auf einen beliebigen Typ von Magnetfeldsensor zum Messen des Magnetflusses begrenzt.

Claims (2)

  1. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil (10), umfassend: eine elektrische Spule (24); eine Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität, umfassend: einen Anker (21), der entlang einer Achse (101) verschiebbar ist; einen Magnetkern (24-2), der von der elektrischen Spule (24) umgeben ist, wobei der Magnetkern (24-2) ein erstes Ende benachbart zu dem Anker (21), um darauf eine magnetische Anziehungskraft auszuüben, und ein axial entgegengesetztes zweites Ende aufweist; eine Flussrückführungsstruktur, umfassend: ein zylindrisches Gehäuse (432), das die elektrische Spule (24) umgibt und eine Innenwandoberfläche aufweist; und ein ringförmiges Element (412), das zwischen der Innenwandoberfläche des Gehäuses (432) und dem zweiten Ende des Magnetkerns (24-2) derart angeordnet ist, dass sich eine erste Berührungsschnittstelle zwischen dem ringförmigen Element (412) und der Innenwandoberfläche des Gehäuses (432) befindet und sich eine zweite Berührungsschnittstelle zwischen dem ringförmigen Element (412) und dem zweiten Ende des Magnetkerns (24-2) befindet; wobei ein Flusssensor in das Kraftstoffeinspritzventil (10) integriert ist und ausgestaltet ist, um einen Magnetfluss in der Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität zu detektieren; und wobei der Flusssensor eine Suchspule (25) umfasst, die zu der elektrischen Spule (24) unmittelbar benachbart ist und den Magnetkern (24-2) umgibt.
  2. Elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil (10) nach Anspruch 1, wobei die Magnetflussstrecke mit hoher Permeabilität eine Region mit Flusskonzentration während einer hochfrequenten Erregung der elektrischen Spule (24) umfasst, und wobei der Flusssensor einen Magnetfeldsensor umfasst, der in die Region mit Flusskonzentration während der hochfrequenten Erregung der elektrischen Spule (24) integriert ist.
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