DE102015206739A1

DE102015206739A1 - Bestimmung eines Hubes eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102015206739A1
Application number: DE102015206739.4A
Authority: DE
Inventors: Gerd Rösel; Christian Hauser; Markus Stutika
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: DE102015206739B4; US20180038332A1; KR20170129206A; KR101974297B1; CN107429654B; WO2016166144A1; US10563633B2; CN107429654A

Abstract

Bereitgestellt ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers (9) eines Magnetventils (1), das eine Spule (3) und den durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen mindestens eines Referenzdatensatzes (42, 44, 46, 57, 59, 61, 63), der eine Größe eines Stroms (I) durch die Spule und eine Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bei einer bekannten Größe des Hubes enthält; Erzeugen eines Stromflusses durch die Spule (3) des Magnetventils (1), um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine Magnetkraft auf den Anker (9) zu erzeugen, die den Anker (9) in Richtung zum Öffnen eines Verschlusselements (11) verschiebt; Bestimmen einer Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bei Anliegen des Ankers (9) an einen Mitnehmer (13) des Verschlusselements (11); und Bestimmen der Größe des Hubes basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses und dem Referenzdatensatz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Hubes eines Ankers eines Magnetventils, welches insbesondere in einem Automobil zur Einspritzung von Kraftstoff verwendet wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils, wobei die Ansteuerung auf einem erfindungsgemäß bestimmten Hub eines Ankers des Magnetventils basiert.
Zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum, wie etwa einen Zylinder, kann ein Magnetventil bzw. ein Solenoid-Injektor verwendet werden. Solch ein Solenoid-Injektor (auch Spulen-Injektor genannt) weist eine Spule auf, welche bei Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld erzeugt, wodurch eine Magnetkraft auf einen Anker ausgeübt wird, so dass sich der Anker verschiebt, um ein Öffnen bzw. Schließen einer Düsennadel bzw. eines Verschlusselements zum Öffnen bzw. Schließen des Magnetventils zu bewirken. Weist das Magnetventil bzw. der Solenoid-Injektor einen sogenannten Leerhub zwischen Anker und Düsennadel bzw. zwischen Anker und Verschlusselement auf, so führt eine Verschiebung des Ankers nicht unmittelbar auch zu einer Verschiebung des Verschlusselements bzw. der Düsennadel, sondern erst nachdem eine Verschiebung des Ankers um die Größe des Leerhubs vollzogen worden ist.
Beim Anlegen einer Spannung an die Spule des Magnetventils wird durch elektromagnetische Kräfte der Anker in Richtung eines Polschuhs (pole piece) bewegt. Durch eine mechanische Kopplung (z.B. einen mechanischen Kontakt) bewegt sich nach Überwinden des Leerhubs ebenfalls die Düsennadel bzw. das Verschlusselement und gibt, bei entsprechender Verschiebung, Einspritzlöcher zur Kraftstoffzufuhr in den Verbrennungsraum frei. Wenn weiter Stromfluss durch die Spule herrscht, bewegen sich Anker und Düsennadel bzw. Verschlusselement weiter, bis der Anker an den Polschuh anlangt bzw. anschlägt. Die Distanz zwischen dem Anschlag des Ankers an einen Mitnehmer des Verschlusselements bzw. der Düsennadel und dem Anschlag des Ankers an den Poolschuh wird auch als Nadelhub bzw. Arbeitshub bezeichnet. Um das Ventil zu schließen, wird die an die Spule angelegte Erregerspannung abgeschaltet und die Spule kurz geschlossen, so dass sich die magnetische Kraft abbaut. Der Spulenkurzschluss verursacht aufgrund des Abbaus des in der Spule gespeicherten magnetischen Feldes eine Umpolung der Spannung. Die Höhe der Spannung wird mit einer Diode begrenzt. Aufgrund einer Rückstellkraft, welche beispielsweise durch eine Feder bereitgestellt ist, werden die Düsennadel bzw. Verschlusselement einschließlich Anker in die Schließposition bewegt. Dabei werden der Leerhub und der Nadelhub in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen.
Der Zeitpunkt des Beginns der Nadelbewegung beim Öffnen des Magnetventils ist von der Größe des Leerhubs abhängig. Der Zeitpunkt des Anschlags der Nadel bzw. des Ankers am Polschuh ist abhängig von der Größe des Nadelhubs bzw. Arbeitshubs. Die Injektor-individuellen zeitlichen Variationen des Beginns der Nadelbewegung (Öffnen) und des Endes der Nadelbewegung (Schließen) können bei identischer elektrischer Ansteuerung unterschiedliche Einspritzmengen ergeben.
Gemäß dem Stand der Technik werden Leerhübe und Arbeitshübe derzeit während der Injektor-Montage bzw. Ventil-Montage mechanisch eingestellt und gemessen. Es ist jedoch festgestellt worden, dass sich der Leerhub und/oder der Ankerhub eines Magnetventils während der Lebensdauer bzw. während der Betriebsdauer durch Einlaufvorgänge bzw. Verschleiß, z.B. Setzen von Bauteilen, verändern können. Dadurch kann es zu unkontrollierten nicht-identifizierten oder nicht-überwachten Änderungen einer gewünschten Einspritzmenge bzw. eines zeitlichen Verhaltens eines Verbrennungsprozesses kommen. Konventionell wurde eine Bestimmung der Hub-Werte bzw. der Änderung der Hub-Werte während der Injektor-Lebensdauer nicht durchgeführt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers eines Magnetventils bereitzustellen, welches eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit aufweist, so dass basierend auf dem bestimmten Hub (insbesondere Leerhub und/oder Arbeitshub) weiterhin eine Ansteuerung des Magnetventils vorgenommen werden kann, um eine gewünschte Einspritzmenge und ein gewünschtes zeitliches Verhalten der Einspritzung des Kraftstoffes zu gewährleisten bzw. zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schlagen Verfahren zur Erkennung der Wege des Leerhubs und/oder des Nadelhubs vor. Dabei können die Größen des Leerhubs, Nadelhubs bzw. Arbeitshubs zur Bestimmung des Einspritzverhaltens genutzt werden, z.B. als Parameter für eine Modell-basierte Berechnung des Einspritzverhaltens. Ferner wird bei Injektor-Konzepten ohne Leerhub lediglich der Nadelhub bzw. Arbeitshub bestimmt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers (Leerhub und/oder Arbeitshub) eines Magnetventils bereitgestellt, das eine Spule und den durch Magnetkraft verschiebbaren Anker aufweist(mit Hilfe dessen über ein steuerbares Verschlusselement Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einspritzbar ist) bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren auf Bereitstellen mindestens eines (oder mehrerer) Referenzdatensatzes, der eine Größe eines Stroms durch die Spule und eine Größe des magnetischen Flusses bei einer bekannten Größe des Hubes enthält, Erzeugen eines Stromflusses durch die Spule des Magnetventils, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine Magnetkraft auf den Anker zu erzeugen, die den Anker in Richtung zum Öffnen des Verschlusselements verschiebt, Bestimmen einer Größe des magnetischen Flusses bei Anliegen des Ankers an einen Mitnehmer des Verschlusselements und Bestimmen der Größe des Hubes basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses und dem Referenzdatensatz.
Das Verfahren kann in einer Werkstatt, in einem Herstellungswerk oder auch in einem Fahrzeug, welches in einem Betriebszustand befindlich ist, durchgeführt werden. Es können ein Leerhub und/oder ein Arbeitshub bestimmt werden. Der Referenzdatensatz kann aus Trainings-Daten bestimmt sein bzw. durch Messungen an dem Magnetventil bei bekannter Größe des Hubes und insbesondere bei verschiedenen bekannten Hüben. Dabei kann z.B. ein- und dasselbe Magnetventil absichtlich hinsichtlich z.B. einer Position eines Polschuhs verstellt werden, um so verschiedene Arbeitshübe bzw. Leerhübe zu erhalten. Die Hübe können zur Erstellung des Referenzdatensatzes optisch oder mechanisch vermessen werden.
Der magnetische Fluss kann z.B. den Anker durchsetzen und z.B. Teile des Polschuhs und auch Teile des Verschlusselements bzw. eines Mitnehmers, insbesondere ringförmigen Mitnehmers, des Verschlusselements.
Der Stromfluss kann durch Anlegen einer bestimmten Spannung, insbesondere gemäß einem bestimmten Spannungsprofil, in dem sich die Spannung über die Zeit ändert, erzeugt werden. Der magnetische Fluss kann dabei z.B. rechnerisch aus Strom, Spannung und einem Ohm’schen Widerstand der Spule bestimmt werden, insbesondere aus dem durch die Spule fließenden Strom, der an die Spule angelegten Spannung und dem Ohm’schen Widerstand der Spule. Der magnetische Fluss kann dabei durch eine Integration über die Differenz der Spannung und dem Strom multipliziert mit dem Ohm’schen Widerstand erhalten werden.
Falls der bestimmte magnetische Fluss dem magnetischen Fluss gleicht, welcher in dem Referenzdatensatz bei gleichem Strom beobachtet wurde, so kann geschlossen werden, dass die Größe des Hubes der bekannten Größe des Hubes (des Referenzdatensatzes) gleicht. Falls die bestimmte Größe des magnetischen Flusses von einer Größe eines magnetischen Flusses bei gleicher Stromstärke in dem Referenzdatensatz abweicht, so kann geschlossen werden, dass sich die Größe des Hubes verändert hat. Eine relative Bestimmung der Größe des Hubes kann durchgeführt werden, indem auf die bekannte Größe des Hubes in dem Referenzdatensatz eine Hubänderung aufgeschlagen wird, welche proportional zu der Abweichung der bestimmten Größe des magnetischen Flusses von der Größe des magnetischen Flusses in dem Referenzdatensatz ist. Der Referenzdatensatz kann somit eine Änderung des Hubes bei Änderung des magnetischen Flusses beschreiben, was durch eine Steigung (eines Kennlinienfeldes) ausgedrückt sein kann. Dadurch kann eine relative Hubbestimmung durchgeführt werden. Ohne Kenntnis des absoluten Hubs aus einer vorhergehenden Messung ist es möglich, zumindest die Änderung des Hubs (Drift) zu bestimmen und auf die Hubänderung zu reagieren.
In anderen Ausführungsformen erlaubt der Referenzdatensatz eine absolute Hubbestimmung.
Durch Verwendung des Referenzdatensatzes kann eine Bestimmung der Größe des Hubes in zuverlässiger und genauerer Weise erfolgen, als es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Der Referenzdatensatz kann z.B. repräsentativ für eine Kurve (zweidimensionale Kurve) in einem Koordinaten-System sein, in dem auf einer Achse (z.B. der X-Achse) der durch die Spule fließende Strom und auf der anderen Achse (z.B. der Y-Achse) der magnetische Fluss (wie er z.B. berechnet wurde) aufgetragen ist. Die Kurve kann dabei z.B. alle Phasen während der Bewegung des Ankers bzw. des Verschlusselements während eines Öffnens und/oder Schließens oder insbesondere nur während des Öffnens des Magnetventils umfassen. In anderen Ausführungsformen umfasst die Kurve lediglich einen Teilbereich einer Kurve, die den gesamten Bewegungsablauf repräsentiert, insbesondere einen Teilbereich während der Bewegung des Ankers auf den Polschuh zu, bei der jedoch das Verschlusselement fix, d.h. unbewegt bleibt, der Anker somit das Verschlusselement oder einen Mitnehmer des Verschlusselements nicht verschiebt, diesen aber kontaktiert. Damit kann ein Umfang des Referenzdatensatzes gering gehalten werden und der Referenzdatensatz kann bequemer und in schneller Weise erstellt werden. Damit kann der Verfahren ohne Öffnen des Magnetventils durchgeführt werden, um z.B. Emissionen zu vermeiden.
Das Verfahren kann ferner ein Bestimmen einer Abweichung der bestimmten Größe des magnetischen Flusses von einer Größe des magnetischen Flusses des Referenzdatensatzes, welche demselben Stromwert zugeordnet ist, umfassen. Ferner kann das Verfahren Verwenden einer vorbekannten Empfindlichkeit (berechnet als eine Ableitung bzw. als ein Differenzenquotient) der Größe des magnetischen Flusses abhängig von der Größe des Hubes (z.B. Leerhub oder Arbeitshub) oder einer vorbekannten Empfindlichkeit der Größe des Hubes abhängig von der Größe des magnetischen Flusses aufweisen, um die Größe des Hubes zu bestimmen. Damit könnte z.B. eine relative Hubgrößen-Bestimmung durchgeführt werden. Das Verfahren kann somit in einfacher Weise durchgeführt werden, da lediglich die Abweichung und die Empfindlichkeit zur Bestimmung der Größe des Hubes erforderlich sein können.
Die Größe des magnetischen Flusses kann z.B. vor Erreichen eines ersten Zustandes, bei dem der Anker beginnt, das Verschlusselement zu verschieben, bestimmt werden. Damit kann vermieden werden, dass das Magnetventil öffnet, was z.B. unerwünschte Emissionen zur Folge haben könnte. Somit braucht das Magnetventil weder geöffnet noch danach geschlossen werden. Damit kann das Verfahren in einfacher und zügiger Weise durchgeführt werden.
Insbesondere kann die Größe des magnetischen Flusses nach Erreichen eines weiteren Zustandes (aber vor Erreichen des ersten Zustandes) bestimmt werden, ab dem ein Leerhub des Ankers überwunden ist und somit der Anker an einem Mitnehmer des Verschlusselements anliegt. Wird der Strom durch die Spule bei Anliegen des Ankers an dem Mitnehmer des Verschlusselements weiter erhöht, so steigt die magnetische Kraft an, das Verschlusselement wird jedoch zunächst nicht verschoben, da zur Verschiebung des Verschlusselementes eine Gegenkraft überwunden werden muss, welche z.B. durch eine Rückstellfeder erzeugt werden kann. Das Verfolgen bzw. Aufzeichnen bzw. Messen bzw. Berechnen des magnetischen Flusses während dieses statischen Zustandes, in dem der Anker an dem Mitnehmer des Verschlusselements anliegt und die magnetische Kraft erhöht wird, kann jedoch vorteilhafterweise Rückschlüsse über dem Hub bzw. Arbeitshub des Magnetventils, erlauben. Insbesondere kann die Änderung des magnetischen Flusses in diesem Zustand bei Änderung des Stromes durch die Spule in Abhängigkeit von dem Hub derart erfolgen, dass aus der Änderung des magnetischen Flusses auf den Hub zurückgeschlossen werden kann.
Gemäß einer Option in dem Verfahren können Paare einer Größe eines Stromes und einer Größe des magnetischen Flusses, insbesondere in einem Graphen, betrachtet werden (insbesondere in einem Graphen aufgetragen werden), die (insbesondere bei Anlegen einer Spannung gemäß einem Ansteuerungsprofil an die Spule) einer Zustandstrajektorie des Verschlusselements bzw. des Ankers während eines Fließvorganges des Magnetventils entsprechen können. Dabei kann der erste Zustand mit einem Paar assoziiert sein, bei dem sich, entlang der Zustandstrajektorie, ein Vorzeichen einer Steigung ändert. Damit kann der erste Zustand auf einfache und zuverlässige Weise detektiert werden. Bei dem ersten Zustand kann die Kurve einen Pol aufweisen.
Die Referenz-Daten können durch eine Messung an dem(selben) Magnetventil bei verschiedenen eingestellten Polschuh-Positionen durchgeführt werden, um Referenz-Daten für verschiedene Hübe zu ermitteln. Damit können die Referenz-Daten auf einfache Weise erhalten werden. Die Verwendung ein- und desselben Magnetventils stellt sicher, dass Ungenauigkeiten aufgrund von möglicherweise verschiedenen Materialien bzw. leicht unterschiedlichen Geometrien zweier nicht-identischer Magnetventile vermieden werden.
Durch Verstellung der Polschuh-Position kann z.B. ein bestimmter Arbeitshub (bzw. Leerhub) eingestellt werden und danach optional auch mechanisch oder optisch vermessen werden. Daraufhin kann an die Spule eine Spannung gemäß einem Spannungsprofil angelegt werden und Spannung und Strom können über den Verlauf des Spannungsprofils gemessen werden. Durch Algebra kann der magnetische Fluss aus Strom, Spannung und dem Widerstand der Spule berechnet werden. Strom und der magnetische Fluss können sodann in einem Graphen dargestellt oder auch in Tabellen gelistet werden. Zur Bestimmung des Hubes (insbesondere Arbeitshub und/oder Leerhub) braucht nur der Teil der Kurve in dem Graphen verwendet werden, welcher vor dem ersten Zustand liegt.
Ein unbekannter Hub während eines Lebenszeitpunktes des Magnetventils kann dann durch Aufnahme zumindest eines Teils einer Zustandstrajektorie des Ankers bzw. des Verschlusselements erhalten werden, wobei die Zustandstrajektorie bzw. der Teil der Zustandstrajektorie mit derjenigen der Referenz-Daten verglichen wird. Abweichungen der Zustandstrajektorie insbesondere vor dem ersten Zustand oder bis zum Erreichen des ersten Zustandes, von der Referenz-Zustandstrajektorie zeigt eine Änderung des Hubes an. Die Änderung kann aus einer Differenz des magnetischen Flusses und einer Empfindlichkeit (z.B. Hub in Abhängigkeit des magnetischen Flusses) berechnet werden.
Zum Erzeugen des Stromflusses durch die Spule kann zunächst eine Boost-Spannung (z.B. rechteckförmig), insbesondere zwischen 3V und 65V, und danach eine Haltespannung, insbesondere zwischen 6V und 14V angelegt werden. Eine Gesamtdauer eines solchen Spannungsprofils kann z.B. zwischen 1 ms und 3 ms betragen, wobei die Dauer des Anlegens der Boost-Spannung beispielsweise zwischen 0,2 und 0,7 ms betragen kann. Andere Parameter sind möglich.
Der Anker kann insbesondere ein geschlitztes ferromagnetisches Material und/oder voneinander elektrisch isolierte Schichten von ferromagnetischem Material umfassen, um Wirbelströme zu reduzieren. Damit können auch relativ hohe Boost-Spannungen unterstützt werden, um eine Hubbestimmung durchzuführen. Falls der Anker kein geschlitztes ferromagnetisches Material und keine elektrisch isolierten Schichten aufweist, kann die Boost-Spannung z.B. auf kleinere Werte, z.B. zwischen 3V und 18V, insbesondere auf etwa 3V, 6V, 12V oder 18V gesetzt werden. Damit kann eine Identifikation insbesondere des ersten Zustandes erleichtert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils bereitgestellt, das eine Spule und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker aufweist, mit dessen Hilfe über ein steuerbares Verschlusselement Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einspritzbar ist. Das Verfahren weist dabei Durchführen eines Verfahrens zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers des Magnetventils gemäß einer der vorangehenden Ausführungsformen auf und ferner ein Ansteuern der Spule des Magnetventils basierend auf den bestimmten Hub (insbesondere Arbeitshub und/oder Leerhub). In Abhängigkeit von dem bestimmten Hub kann z.B. eine Dauer zwischen dem Anlegen einer Boost-Spannung zum Öffnen des Magnetventils und dem Anlegen einer Spannung zum Schließen des Magnetventils verändert werden, insbesondere vermindert bzw. vergrößert werden, wenn bestimmt ist, dass sich der Arbeitshub und/oder Leerhub gegenüber einem vorherigen Hub vergrößert bzw. verkleinert hat. Damit kann eine gewünschte Einspritzmenge bzw. ein gewünschtes Einspritzverhalten von Kraftstoff auch bei sich während der Lebenszeit änderndem Hub sichergestellt werden bzw. erreicht werden.
Es sollte verstanden werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Bestimmen eines Hubes eines Ankers eines Magnetventils beschrieben, bereitgestellt oder angewendet worden sind, individuell oder in irgendeiner Kombination auch auf eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers eines Magnetventils anwendbar sind, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und umgekehrt.
Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers eines Magnetventils, das eine Spule und den durch Magnetkraft verschiebbaren Anker aufweist, bereitgestellt. Dabei weist die Vorrichtung einen Speicher zum Bereitstellen mindestens eines Referenzdatensatzes, der eine Größe eines Stroms durch die Spule und eine Größe des magnetischen Flusses bei einer bekannten Größe des Hubes enthält, einen Treiber zum Erzeugen eines Stromflusses durch die Spule des Magnetventils, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine Magnetkraft auf den Anker zu erzeugen, die den Anker in Richtung zum Öffnen des Verschlusselements verschiebt und ein Bestimmungsmodul auf, das zum Bestimmen einer Größe des magnetischen Flusses bei Anliegen des Ankers an einem Mitnehmer des Verschlusselements und zum Bestimmen der Größe des Hubes basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses und dem Referenzdatensatz ausgebildet ist.
Die Vorrichtung kann z.B. eine spezielle Werkstattvorrichtung, Montage-Werkstattvorrichtung oder Herstellungsfabrik-Vorrichtung sein oder kann beispielsweise in einer Motorsteuerung integriert sein, so dass ein Verfahren auch während eines Betriebs eines Fahrzeuges durchgeführt werden kann. Alternativ zu einem Speicher könnte der Referenzdatensatz auch über eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle der Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, so dass der Speicher nicht notwendigerweise erforderlich sein muss. Das Bestimmungsmodul kann z.B. eine arithmetisch/logische Einheit z.B. einen Prozessor umfassen. Die Vorrichtung kann insbesondere programmierbar sein. Damit können Änderungen eines Verfahrens zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers leicht eingebracht bzw. implementiert werden.
Der magnetische Fluss kann den Anker und teilweise einen Polschuh, der fix relativ zu der Spule ist, durchsetzen. Das Verfahren kann innerhalb eines bestimmten Betriebsmodus jedoch während eines normalen Fahrbetriebs eines Automobils durchgeführt werden. Zum Beispiel kann das Verfahren im Leerlauf des Automobils durchgeführt werden, wobei ein spezielles Spannungsprofil, welches insbesondere geringere Boost-Spannungen aufweist als im normalen Vortriebsbetrieb des Fahrzeugs, zur Anwendung kommen kann.
Folgende Anwendungen des Verfahrens können vorgenommen werden:

1. Die Hübe können bei Injektor-Montage bzw. Magnetventil-Montage eingestellt werden. Dabei kann ein erstmaliges Bestimmen der absoluten Hübe und ein Ermitteln einer Referenzkurve durchgeführt werden. Ferner kann eine Bestimmung der weiteren Hübe aus Änderungen der Ψ-I-Kurven zur Referenz mit der Hubsensitivität bestimmt werden. Damit kann als Vorteil erreicht werden, dass eine elektronische Hubbestimmung schneller als eine mechanische Hubbestimmung ist, d.h. eine Taktzeiterhöhung in der Fertigung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist eine Erhöhung der Genauigkeit der Hubeinstellung.
2. Die Hubbestimmung kann auch während der Injektor-Lebensdauer, d.h. der Lebensdauer des Magnetventils durchgeführt werden. Die Bestimmung der Hubänderungen (Drift) kann während der Lebensdauer durch Änderungen zur Referenzkurve unter Zuhilfenahme der Hubsensitivität bestimmt werden. Die Referenzkurve bzw. Referenzdaten oder Referenzkurven können Injektor-individuell (d.h. individuell für das betreffende Magnetventil) bei Fahrzeug-Inbetriebnahme gemessen und gespeichert werden. Wenn im Steuergerät die Initialwerte (aus Messung bei der Fertigung) der Hübe bekannt sind (Injektor-Kodierung oder Gleichstellen der Hübe bei Montage), dann kann aus Initialwerten und Drift der absolute Hub bestimmt werden.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Bestimmung von geometrischen Größen (Leer- und/oder Ankerhub) mittels Messung des verketteten magnetischen Flusses während der Injektor-Montage und/oder während der Injektor-Lebensdauer am Fahrzeug durchgeführt. Ferner kann eine Messung von Teilbereichen der Kurve ohne Injektor-Öffnen (d.h. ohne Öffnen des Magnetventils) durchgeführt werden.
Eine absolute Injektor-Hubbestimmung kann durch ein kombiniertes Verfahren aus absoluter Messung und relativer Messung durchgeführt werden. Eine Bestimmung der Hub-Drift (bzw. Hub-Größenänderung) kann durch ein relatives Verfahren durchgeführt werden, bei dem die Änderung der Größe des Hubs aus der Änderung des magnetischen Flusses z.B. bestimmt wird.
Bei Benutzung des Verfahrens während der Injektor-Montage kann ein einmaliges mechanisches Messen des Hubes ausreichen. Hub-Änderungen, z.B. durch Einpressen des Polschuhs, können dann anhand der Änderung der Ψ-I-Kurve zur Referenz- bzw. zu den Referenzdaten bestimmt werden. Durch Verzicht auf mechanische Messung kann die Montage schneller erfolgen, da die elektrische Messung zeitlich kürzer sein kann. Die Benutzung des Verfahrens kann während der Injektor-Lebensdauer zur Bestimmung von Hüben verwendet werden.
Die Benutzung eines Injektors mit kleinen/geringen Wirbelströmen (durch Schichtaufbau des Ankers bzw. durch geschlitzten Anker) kann vorteilhaft sein, damit die Ψ-I-Kurven bei Standardansteuerung (z.B. Boost-Spannung etwa 65V) bestimmt werden können.
Vorteilhafterweise können durch die Hubmessung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geometrische Größen bestimmbar werden. Dadurch sind zusätzliche bzw. alternative Größen zur Bestimmung des Injektor-Verhaltens (neben zeitlichen Größen) ermittelbar. Ferner können weitere (geometrische) Parameter für Modell-basierte Injektor-Charakterisierung zur Nadelbewegung bzw. Verschlusselement-Bewegung und zur Einspritz-Charakterisierung bereitgestellt werden. Dadurch kann eine verbesserte Mengengenauigkeit des eingespritzten Kraftstoffes erreicht werden. Die Bestimmung von Hubgrößen während der Injektor-Lebensdauer im eingebauten Zustand am Fahrzeug kann ebenfalls Vorteile bereitstellen. Durch Implementierung des Messverfahrens in ein vorhandenes Motor-Steuergerät braucht nur ein geringer zusätzlicher Aufwand (Hardware-Anpassung, Software-Erweiterung) erforderlich sein.
Die Messbarkeit der Ψ-I-Kurven mit der Standard-Ansteuerung kann durch Verwendung von Wirbelstrom-reduzierten Injektoren erleichtert werden. Ferner kann eine Messung von lediglich Teilbereichen der Ψ-I-Kurve ohne eine tatsächliche Öffnung des Ventils, d.h. ohne Einspritzung von Kraftstoff und damit ohne Einfluss auf Emissionen durchgeführt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die illustrierten oder beschriebenen Ausführungsformen begrenzt.
1 illustriert in einer schematischen Schnittdarstellung ein Magnetventil, dessen Hub gemäß einem Verfahren zur Bestimmung eines Hubs z.B. unter Benutzung einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Hubs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt werden kann;
2 illustriert Graphen von Referenzdaten bzw. Zustandstrajektorien bzw. Messdaten eines Magnetventils mit zu bestimmenden Hub gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 illustriert Graphen von Referenzdaten bzw. Zustandstrajektorien bzw. Messdaten eines Magnetventils mit zu bestimmenden Hub gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
4 illustriert Graphen von Zustandstrajektorien, die bei verschiedenen Hüben erhalten sind;
5 illustriert Graphen von Zustandstrajektorien, die durch verschiedene Ansteuerungsspannungsprofile erhalten sind; und
6 illustriert Graphen von Referenzdaten bzw. Messdaten eines Magnetventils mit zu bestimmendem Hub gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Das in 1 in schematischer Schnittdarstellung illustrierte Magnetventil 1 weist eine Spule 3 auf, an die eine Spannung angelegt werden kann, so dass ein Stromfluss durch die Spule 3 erfolgt, um ein Magnetfeld aufzubauen. Dabei zeigt das Magnetfeld im Wesentlichen in eine longitudinale Richtung 5 eines Führungszylinders 7. Das Magnetfeld wirkt auf einen ferromagnetischen Anker 9, welcher innerhalb des Führungszylinders 7 verschiebbar ist. Durch Verschiebung des Ankers 9 kann eine Düsennadel 11 bzw. ein Verschlusselement des Magnetventils 1 in der longitudinalen Richtung 5 verschoben werden, insbesondere durch Kontaktierung des Ankers 9 mit einem ringförmigen Mitnehmer 13, der fest mit dem Verschlusselement 11 verbunden ist.
In dem in 1 illustrierten geöffneten Zustand ist eine Verschlusskugel 15 aus einem kegelförmigen Sitz 17 zurückgezogen, so dass Kraftstoff 19 durch eine Öffnung 21 in dem Sitz in einen Verbrennungsraum 23 zur Verbrennung gelangen kann. In dem vollständig geöffneten Zustand liegt der Anker 9 an einem Polschuh 27 an, kann somit nicht weiter nach oben verschoben werden.
In einem in 1 nicht illustrierten geschlossenen Zustand des Magnetventils 1 ist der Anker 9 bei fehlendem Stromfluss durch die Spule 3 durch eine Rückstellfeder 25 nach unten verschoben, so dass auch der Mitnehmer 13 zusammen mit dem Verschlusselement 11 nach unten derart verschoben ist, dass die Verschlusskugel 15 dichtend an dem kegelförmigen Sitz 17 anliegt, so dass Kraftstoff 19 nicht in den Verbrennungsraum 23 gelangen kann. In diesem nach unten verschobenen Zustand des Ankers 9 hat der Mitnehmer 13 bzw. ebenso der Anker 9 zumindest einen Arbeitshub 12 zurückgelegt (währenddessen der Anker 9 und der Mitnehmer 13 in Kontakt sind) und optional auch einen zusätzlichen Leerhub 10, in dem zwischen dem Anker 9 und dem Mitnehmer 13 ein Spalt besteht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben ein Bestimmen des Leerhubs und/oder insbesondere des Arbeitshubes des Magnetventils 1, indem der magnetische Fluss, welcher durch den Anker 9 und teilweise durch den Polschuh 27 und den Mitnehmer 13 tritt, bestimmt wird.
Ferner ist in 1 eine Vorrichtung 2 zur Bestimmung eines Hubes des Ankers 9 des Magnetventils 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Die Vorrichtung 2 umfasst dabei einen Speicher 6, in dem z.B. ein Referenzdatensatz gespeichert sein kann, der eine Größe eines Stromes durch die Spule und eine Größe des magnetischen Flusses bei einer bekannten Größe des Hubes enthält. Ferner umfasst die Vorrichtung 2 einen Treiber 4, welcher zum Erzeugen eines Stromflusses durch die Spule 3 ausgebildet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 2 ein Bestimmungsmodul 8, das zum Bestimmen einer Größe des magnetischen Flusses während eines Anliegens des Ankers 9 an den Mitnehmer 13 bzw. dem Verschlusselement und Bestimmen der Größe des Hubes basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses und den Referenzdatensatz ausgebildet ist.
Die Ermittlung von Leerhub und/oder Ankerhub (auch Arbeitshub genannt) kann mittels der Messung und Analyse des verketteten magnetischen Flusses Ψ erfolgen. Dabei kann der verkettete magnetische Fluss Ψ aus dem Strom, welcher durch die Spule 3 fließt, die Spannung, welcher an der Spule 3 angelegt ist, und den Ohm’schen Widerstand der Spule 3 berechnet werden. Die gemessene Spannung u(t) besteht aus einem Ohm’schen Anteil (i(t)·R) und einem induktiven Anteil (u_int(t)). Die induktive Spannung berechnet sich dabei aus der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses, wobei Ψ abhängig von der Stromänderung i(t) und dem Luftspalt x(t) ist.
Bei langsamer Ansteuerung ist der „magnetische“ Anteil der Induktion durch Stromänderung gering.
Der „mechanische Teil der Induktion durch die Ankerbewegung beschreibt dann die Hübe (Leerhub und/oder Arbeitshub) des Magnetventils.
Durch Umstellen und Integration ist der verkettete mechanische Fluss in folgender Weise berechenbar: Ψ = ∫(u(t) – i(t)R)dt
2 illustriert einen Graphen 29 mit einer Zustandstrajektorie 31 während eines Anzugs (d.h. während eines Öffnungsvorganges) bzw. einer Trajektorie 33 während eines Abfalls (d.h. während eines Schließvorganges) des Magnetventils 1 (hier für den Fall mit Leerhub). Dabei ist auf einer Abszisse 30 der durch die Spule 3 fließende Strom i und auf der Ordinate 32 der gemäß der obigen Gleichung berechnete magnetische Fluss Ψ aufgetragen. Die Trajektorie 31 kann z.B. während eines Verfahrens zur Bestimmung eines Hubes des Magnetventils bestimmt werden, etwa durch Messung von Strom, Spannung und Berechnung des magnetischen Flusses wie oben erläutert. Aus einem Vergleich mit in 2 nicht illustrierten Referenzdaten bzw. Referenztrajektorien kann der Arbeitshub bzw. Leerhub bestimmt werden. Durch die Punkte I‘, II‘, I, II sind in 2 charakteristische Zustände während des Öffnungsvorganges bezeichnet. Dabei erfolgt zwischen den Punkten I‘ und II‘ der Leerhub von 134 µm bis 90 µm, d.h. der Anzug des Ankers 9 im Leerhub. Zwischen den Punkten I und II erfolgt der Arbeitshub von 90 µm bis 0 µm, d.h. der Anzug des Ankers 9 im Arbeitshub. In dem Bereich II‘–I nimmt der Anker die Düsennadel mit und wird dadurch kurz angehalten, liegt dabei an Mitnehmer 13 an.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegende Erfindung wird für ein Magnetventil ohne Leerhub (siehe 3 unten) der Bereich der Trajektorie 31 vor dem Punkt I ausgewertet und für ein Magnetventil mit Leerhub wird der Bereich zwischen dem Punkt II‘ und I ausgewertet, um den zu bestimmen, vor Punkt I‘ wird der Gesamthub aus Leerhub und Arbeitshub bestimmt. Dabei ändert sich in dem Bereich I–II‘ eine Steigung der Trajektorie 31 gegenüber dem davor bzw. dahinter befindlichen Abschnitten. Ferner ändert sich in dem Abschnitt, zwischen den Punkten I und II die Steigung von einem positiven Wert auf einen negativen Wert.
3 illustriert einen Graphen 35, welcher Trajektorien 37 und 39 während eines Anzugs bzw. eines Abfalls des Ankers 9 des Magnetventils 1 illustriert, in dem Fall, in dem das Magnetventil 1 keinen Leerhub aufweist. Da der Leerhub in der in 3 illustrierten Trajektorie 37 fehlt, fehlen die charakteristischen Punkte I‘ und II‘, die in 2 illustriert sind. Zwischen den Punkten I und II erfolgt der Arbeitshub von 50 µm bis 0 µm. Dabei weist die Trajektorie 37 an dem Punkt I einen Knick auf, bei dem sich eine positive Steigung in eine negative Steigung umkehrt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Hub aus einem Abschnitt der Trajektorie 37 vor dem Punkt I bestimmt.
4 illustriert einen Graphen 41, der gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Referenzdaten bzw. Referenzkurven bzw. Referenztrajektorien (bzw. Messdaten) illustriert, welche von ein- und demselben Magnetventil bei verschiedenen Hüben (insbesondere Arbeitshüben) gemessen worden sind. Aus der Abszisse 30 ist wiederum der durch die Spule 3 fließende Strom und auf der Ordinate 32 ist der gemäß den obigen Gleichungen berechnete magnetische Fluss PSI Ψ aufgetragen.
Die Trajektorie bzw. Kurve 42 weist einen Arbeitshub von 86 µm auf, die Kurve 44 weist einen Arbeitshub von 70 µm auf, und die Kurve 46 weist einen Arbeitshub von 52 µm auf. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist jeweils der Zustand I verschiedenen magnetischen Flüssen bzw. Strömen zugeordnet. Die in 4 illustrierten Trajektorien 42, 44 und 46 sind an einem Magnetventil 1 gemessen, welches keinen Leerhub aufweist. Die Trajektorien 42, 44, 46 können als Referenzdaten zur Bestimmung eines unbekannten Hubes desselben Magnetventils zu einem späteren Betriebs- oder Lebenszeitpunkt verwendet werden. Dazu kann z.B. eine Empfindlichkeit ΔΨ/ΔHub berechnet werden. Weicht eine gemessene Trajektorie von einer der Referenztrajektorien 42, 44, 46 ab, so kann die Differenz des magnetischen Flusses mit der Empfindlichkeit bzw. einem Kehrwert der Empfindlichkeit multipliziert werden, um eine Änderung in dem Hub im Vergleich zu dem Hub der entsprechenden Referenzkurve zu bestimmen. Aus den Änderungen der magnetischen Flüsse der Trajektorien 42, 44 und 46 sind umgekehrt die Hübe erkennbar.
Beim Anschlag des Ankers auf die Nadel bzw. des Ankers auf den Polschuh sind die mechanischen Hübe überwunden, d.h. der mechanische Hub ist gleich Null. Die magnetischen Spalte können jedoch ungleich Null sein, da durch magnetisch nicht leitfähige Materialien (auf z.B. Chrombeschichtungen auf den einzelnen Bauteilen) ein magnetischer Spalt bleiben kann (trotz der Tatsache, dass der mechanische Spalt gleich Null ist), der in den Ψ-I-Kurven gemessen wird. Zusätzlich werden in den Ψ-I-Kurven weitere parasitäre Spalte des magnetischen Kreises gemessen. Der Verlauf einer Ψ-I-Kurve (z.B. eine der Kurven 42, 44, 46) vor dem Beginn der Bewegung des Verschlusselements bzw. der Bewegung der Düsennadel 11 (d.h. vor dem Punkt I) enthält alle Spalte bei geschlossenem Injektor. Der Verlauf der Ψ-I-Kurve nach der Bewegung der Düsennadel 11 (d.h. nach dem Punkt II) enthält alle Spalte bei geöffnetem Injektor. Die Kurvencharakteristik kann zur Hubbestimmung benutzt werden. Da die Flussänderung magnetische und mechanische Änderungen beinhaltet, ist die absolute Bestimmung des mechanischen Hubs, der für die Einspritzmengen maßgeblich ist, im Stand der Technik mit Ungenauigkeit behaftet. Die magnetischen Spalte (unterschiedliche Beschichtungsdicken (typische Beschichtungsdicke pro Bauteil 8 µm ... 15 µm) bzw. parasitäre Luftspalte) sowie Spulenparameter und weitere Injektor-Eigenschaften sind Injektor-individuell und führen somit zu einer erhöhten Ungenauigkeit der Hubmessung aus dem Ψ-I-Kurven, wenn nicht Referenzkurven 42, 44, 46 der 4 z.B. ferner herangezogen werden, um den Hub bzw. die Hübe zu bestimmen.
Um die Referenzkurven 42, 44 und 46 oder auch tatsächliche Messkurven eines Magnetventils mit zu bestimmenden Hub zu erhalten, kann die Ansteuerung der Spule 3 mit einem wesentlich langsameren Stromaufbau erfolgen, als z.B. während eines Vortriebzustandes eines Fahrzeuges. Ein langsamerer Stromaufbau kann z.B. durch eine relativ geringere Boost-Spannung (z.B. zwischen 3 und 18V anstatt von 65V wie im Vortriebzustand) erreicht werden. Bei einer Standardansteuerung (z.B. eine Boost-Spannung von 65V) können hohe Wirbelströme innerhalb des Ankers 9 entstehen, die wie eine elektromagnetische Dämpfung wirken können und den Flussaufbau bzw. den Flussverlauf den Magnetkreis beeinflussen können. Der Anteil der Induktion durch Ankerbewegung ist zwar auch bei starker Erregung vorhanden, wird aber mit steigender Erregung im Vergleich zu den Wirbelströmen geringer. Das heißt mit zunehmender Erregerspannung (z.B. Boost-Spannung) wird das Hubsignal undeutlicher.
Die Ausprägung der Ψ-I-Kurve bei verschiedenen Ansteuerungsspannungen (3V ... 18V) ist in der 5 durch Trajektorien 47 (Erregungsspannung 18V), 49 (Erregungsspannung 6V), 51 (Erregungsspannung 12V) und 53 (Erregungsspannung 3V) illustriert. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist es bei höheren Spannungen zunehmend schwieriger, die Zustände I und II zuverlässig zu detektieren, da nur geringe Steigungsänderungen auftreten. Bei z.B. einer Erregungsspannung von 18V kann es schwierig sein, den Zustand I zuverlässig zu detektieren. Daher kann eine Messung von Referenzkurven bzw. eine Messung zur Bestimmung eines Hubes bei relativ geringen Erregungsspannungen z.B. zwischen 3V und 12V durchgeführt werden.
Gemäß dem Stand der Technik können während des Injektor-Betriebs verschiedene zeitliche Ereignisse gemessen werden. Der Ankeranschlag an den Mitnehmer 13 der Düsennadel 11 bei Beginn der Verschiebung (Beginn Nadelbewegung, Injektor-Öffnen) bzw. an den Polschuh (Ende Verschiebung) kann als Rückkopplungssignal von Spulen-getriebenen Baugruppen erkannt werden, indem die Wirbelstrom-getriebene Kopplung zwischen Mechanik (Anker und Injektor-Nadel) und Magnetkreis (Spule) zur Signalgenerierung benutzt wird. Der physikalische Effekt beruht auf der Geschwindigkeits-abhängigen Selbstinduktion in den elektromagnetischen Kreisen infolge der Bewegung des Ankers und des Verschlusselements. In Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit wird dem Elektromagnet eine Spannung induziert, die dem Ansteuerungssignal überlagert ist (charakteristische Spannung). Hierfür kann eine geeignete Ansteuerform und Auswerteeinheit erforderlich sein.
Für die Bestimmung des Hubs während einer Injektor-Montage und auch während einer weiteren Lebensdauer wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren aus absoluter Hubmessung und relativer Hubmessung vorgeschlagen. Die absolute Hubmessung kann z.B. erstmals bei der Injektor-Montage erfolgen (z.B. mechanisch (Taster), optisch (Laser). Wird jetzt eine Ψ-I-Kurve mit bekannten Anker/Nadelhüben vermessen (wie z.B. die Trajektorien 42, 44, 46, welche in 4 illustriert sind) können diese als Referenzkurven benutzt werden. Werden nun Abweichungen zu dieser Referenzkurve während der Injektor-Montage (Einpressen von Polschuh zur Begrenzung des Nadelhubs) bzw. Injektor-Lebensdauer gemessen (Fahrzeugbetrieb), kann mit der Hubsensitivität (z.B. Änderung Ψ/Änderung Hub) wieder auf den absoluten (mechanischen) Hub rückgeschlossen bzw. umgerechnet werden. Die Hubsensitivität kann während der Injektor-Montage Injektor-individuell ermittelt werden bzw. es wird ein mittlerer Wert für alle Injektoren benutzt.
Aus Veränderungen der Kurve bei verschiedenen Nadelhüben lässt sich die Hubsensitivität ermitteln. Diese beträgt bei der 6 z.B. 14 µWb/µm. Die verschiedenen Nadelhübe können z.B. bei der Injektor-Montage durch verschiedene Positionen des Polschuhs erhalten werden. Bei der Injektor-Montage können auch ein schrittweises Einpressen des Polschuhs und ein mechanisches Messen (Taster) zur Einstellung eines definierten Nadelhubs erfolgen.
6 zeigt einen Graphen 55 mit Trajektorien 57, 59, 61, 63, welche Arbeitshübe von 77 µm, 72 µm, 65 µm bzw. 59 µm aufweisen. Wiederum sind die Zustände I und II in den verschiedenen Trajektorien angezeigt. Die Trajektorien 57, 59, 61 und 63 können wiederum als Referenzdaten bzw. Referenzkurven verwendet werden und auch um z.B. die Empfindlichkeit bzw. Sensitivität (z.B. ΔΨ/ΔHub oder ein Kehrwert davon) zu berechnen. Aus Veränderungen der Kurve bei verschiedenen Nadelhüben lässt sich die Hubsensitivität ermitteln. Diese beträgt bei der 6 z.B. 14 µWb/µm. Die verschiedenen Nadelhübe können z.B. bei der Injektor-Montage durch verschiedene Positionen des Polschuhs erhalten werden. Bei der Injektor-Montage können auch ein schrittweises Einpressen des Polschuhs und ein mechanisches Messen (Taster) zur Einstellung eines definierten Nadelhubs erfolgen.
Die höchste Genauigkeit des Verfahrens kann erzielt werden, wenn die Wirbelströme innerhalb des Ankers (und auch anderer magnetischer ferromagnetischer Bauteile) möglichst gering sind. Um die Wirbelströme relativ gering zu halten, kann z.B. eine relativ langsame Ansteuerung (d.h. relativ geringe Boost-Spannung) verwendet werden. Dabei können Spannungs- bzw. Stromformen, z.B. sinusförmig oder sägezahnähnlich oder rechteckförmig sein. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Verwendung eines Injektors vorgeschlagen, bei dem keine bzw. verringerte Wirbelströme auftreten. In einem solchen Fall kann es möglich sein, die Ψ-I-Kurven auch bei einer Standardansteuerung (z.B. mit 65V Boost-Spannung) durchzuführen, da die Kurvenverläufe bei den Hubbewegungen deutlicher ausgeprägt sind.
Wie vorher bereits erwähnt, ist die Hubbestimmung auch ohne eine vollständige Vermessung einer Trajektorie bzw. Kurve in einem Ψ-I-Koordinatensystem möglich. Unter der Annahme, dass die parasitären Luftspalte etwa gleich bleiben, ist es ausreichend, die Kurve nur bis zum Zustand I (für einen Injektor ohne Leerhub) bzw. zwischen den Punkten II‘ und I (für einen Injektor mit Leerhub) auszuwerten bzw. auch zu messen. Vorteilhaft kann jeweils sein, dass die Hubbestimmung ohne Injektor-Öffnen (Einspritzung) stattfinden kann. Das heißt, die Messung kann ohne Einfluss auch Emissionen durchgeführt werden.
Die Hub-Werte, welche gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt sind, können in vielfältiger Weise weiterbenutzt werden. Zum Beispiel können die Hub-Werte als Eingangsgrößen für eine Modell-basierte Bestimmung des Injektor-Verhaltens weiterverarbeitet werden. Eine Kombination mit z.B. zeitlichen Größen (Leerhub-Überwindung, Nadelanschlag beim Öffnen/Schließen, Strom, Spannungsverläufe, etc.) ist ebenfalls möglich. Die Bestimmung und Korrektur einer Mengenabweichung mit den Hub-Daten, evtl. auch unter Einbeziehung von zeitlichen Messgrößen ist ebenfalls möglich.
Die Messung von Kurven bzw. Trajektorien kann in normalen Fahrzeugbetrieb erfolgen, wenn durch die Ansteuerung das Eintrittsverhalten (insbesondere Spraybildung) nicht signifikant verändert wird (Emissionen). Bei speziellen Ansteuerprofilen ist die Ansteuerung z.B. auch vor dem Fahrzeugstart bei abgebautem Kraftstoffdruck möglich (keine bzw. geringste Einspritzmengen) oder im Start-/Stopp-Betrieb. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die zugegebenen Kraftstoffmengen und deren Verbrennung nicht zu einer Überschreitung der Emissionsgrenzen führen.
Bei einem Wirbelstrom-reduzierten, bzw. Wirbelstrom-freien Injektor kann die Benutzung des Standard-Ansteuerprofils während des normalen Fahrzeugbetriebs zur Messung des Hubes verwendet werden. Die Korrektur der ermittelten Hub-Werte z.B. über Temperatur, Kraftstoffdruck usw. ist möglich. Die Ansteuerung und Auswertung kann mit einem speziellen Messgerät erfolgen. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch mit dem vorhandenen (modifizierten) Motor-Steuergerät durchgeführt. Die Häufigkeit der Messung kann an die zu erwartende Änderung der Hübe angepasst werden, z.B. in definierten km-Intervallen und/oder Zeitschritten und/oder abhängig von der Belastung der Injektoren (Fahrverhalten).

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers (9) eines Magnetventils (1), das eine Spule (3) und den durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen mindestens eines Referenzdatensatzes (42, 44, 46, 57, 59, 61, 63), der eine Größe eines Stroms (I) durch die Spule und eine Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bei einer bekannten Größe des Hubes enthält; Erzeugen eines Stromflusses durch die Spule (3) des Magnetventils (1), um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine Magnetkraft auf den Anker (9) zu erzeugen, die den Anker in Richtung zum Öffnen eines Verschlusselements (11) verschiebt; Bestimmen einer Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bei Anliegen des Ankers (9) an einem Mitnehmer (13) des Verschlusselements (11); und Bestimmen der Größe des Hubes basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses und dem Referenzdatensatz.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Referenzdatensatz repräsentativ für eine Kurve (42, 44, 46, 57, 59, 61, 63) in einem Koordinatensystem ist, in dem auf einer Achse (30) der Strom (i) durch die Spule und auf einer anderen Achse (32) der magnetische Fluss (Ψ) aufgetragen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend Bestimmen einer Abweichung der bestimmten Größe des magnetischen Flusses von einer Größe des magnetischen Flusses des Referenzdatensatzes, welche demselben Stromwert zugeordnet ist; Verwenden einer vorbekannten Empfindlichkeit (ΔΨ/ΔHub) der Größe des magnetischen Flusses abhängig von der Größe des Hubes oder einer vorbekannten Empfindlichkeit der Größe des Hubes abhängig von der Größe des magnetischen Flusses (Ψ), um die Größe des Hubes zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Größe des magnetischen Flusses (Ψ) vor Erreichen eines ersten Zustandes (I), bei dem der Anker (9) beginnt, das Verschlusselement (11) zu verschieben, bestimmt wird und wobei eine Größe eines Arbeitshubes des Ankers (9) basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bestimmt wird.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Größe des magnetischen Flusses (Ψ) des Magnetfeldes nach Erreichen eines weiteren Zustandes (II’) bestimmt wird, ab dem ein Leerhub des Ankers überwunden ist und der Anker an einem Mitnehmer (13) des Verschlusselements (11) anliegt, und wobei eine Größe eines Arbeitshubes des Ankers (9) basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Paare einer Größe eines Stromes (i) und einer Größe des magnetischen Flusses (Ψ), insbesondere in einem Graphen, betrachtet werden, die einer Zustandstrajektorie (42, 44, 46) des Ankers (9) während eines Schließvorganges des Magnetventils (1) entsprechen, und wobei der erste Zustand (I) mit einem Paar assoziiert ist, bei dem sich, entlang der Zustandstrajektorie, ein Vorzeichen einer Steigung ändert.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Referenzdaten durch Messung an dem Magnetventil (1) bei verschiedenen eingestellten Polschuhpositionen durchgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Erzeugen des Stromflusses durch die Spule (3) zunächst eine Boostspannung, insbesondere zwischen 3 V und 65 V, und danach eine Haltespannung, insbesondere zwischen 6 V und 14 V, angelegt wird, wobei der Anker (9) insbesondere ein geschlitztes ferromagnetisches Material und/oder voneinander elektrisch isolierte Schichten von ferromagnetischem Material umfasst, um Wirbelströme zu reduzieren.
Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils (1), das eine Spule (3) und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, mit dessen Hilfe über ein steuerbares Verschlusselement (11) Kraftstoff (19) in einen Verbrennungsraum (23) einspritzbar ist, wobei das Verfahren aufweist: Durchführen eines Verfahrens zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers des Magnetventils gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und Ansteuern der Spule (3) des Magnetventils (1) basierend auf dem bestimmten Hub, wobei insbesondere eine Dauer zwischen dem Anlegen einer Boostspannung zum Öffnen des Magnetventils (1) und dem Anlegen einer Spannung zum Schließen des Magnetventils (1) vermindert bzw. vergrößert wird, wenn bestimmt ist, dass sich der Hub gegenüber einem vorherigen Hub vergrößert bzw. verkleinert hat.
Vorrichtung (2) zur Bestimmung eines Hubes eines Ankers (9) eines Magnetventils (1), das eine Spule (3) und den durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Speicher (6) zum Bereitstellen mindestens eines Referenzdatensatzes (42, 44, 46), der eine Größe eines Stroms (i) durch die Spule (3) und eine Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bei einer bekannten Größe des Hubes enthält; einen Treiber (4) zum Erzeugen eines Stromflusses durch die Spule (3) des Magnetventils (1), um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine Magnetkraft auf den Anker (9) zu erzeugen, die den Anker (9) in Richtung zum Öffnen des Verschlusselements (11) verschiebt; ein Bestimmungsmodul (8) das zum Bestimmen einer Größe des magnetischen Flusses (Ψ) bei Anliegen des Ankers (9) an einem Mitnehmer (13) des Verschlusselements (11), und zum Bestimmen der Größe des Hubes basierend auf der bestimmten Größe des magnetischen Flusses (Ψ) und dem Referenzdatensatz (42, 44, 46) ausgebildet ist.