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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils eines Kraftstoffinjektors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Einspritzsysteme für Brennkraftmaschinen fördern Kraftstoff vom Tank bis in die Brennkammer der Brennkraftmaschine. Mittels Kraftstoffinjektoren wird dabei Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher einer Brennkammer der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Solche Kraftstoffinjektoren können dabei ein Magnetventil aufweisen, bei dem eine Magnetspule bestromt wird, um einen Magnetanker anzuheben und dabei eine Durchlassöffnung für Kraftstoff freizugeben. An der Einstellung eines Ankerhubs können dabei viele Bauteile des Magnetventils beteiligt sein. Der Ankerhub wird zudem durch die Kraftstofftemperatur und den Kraftstoffdruck beeinflusst.
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In der
DE 10 2010 027 989 A1 werden Kraftstoffsysteme beschrieben, bei denen Einspritzventile zur Verkürzung von Schaltzeiten in einer ersten Phase (Boost-Phase) ihrer Ansteuerung an eine Boost-Spannung geschaltet werden, so dass sich ein besonders hoher erster Strom in einer Magnetspule zum einmaligen Erreichen eines Höchstwertes einstellt. Die Boost-Phase kennzeichnet zumeist den Beginn einer Ankerbewegung, also eine Anfangsbeschleunigung des Ankers. Die Boost-Spannung wird beispielsweise aus einem Gleichspannungswandler aus einer Fahrzeugbatterie erzeugt und kann somit wesentlich höher als die Batteriespannung sein, so dass ein entsprechend höherer erster Strom in der Spule fließt. Dadurch kann ein Anker des Magnetventils stärker beschleunigt werden.
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Die Boost-Spannung wird in einem so genannten Boost-Kondensator zwischengespeichert. In einer unmittelbar auf den ersten Stromanstieg folgenden Phase der Ansteuerung (Anzugsphase) wird die Spule an die gegenüber der Boost-Spannung kleinere Batteriespannung geschaltet, um eine restliche Ankerbewegung auszuführen. Die Anzugsphase sorgt für die Ankerbewegung ungefähr bis zum Erreichen eines maximalen Ankerhubs. Häufig schließt sich an die Anzugsphase eine dritte Phase (Haltephase) an. Dabei wird die Spule gegebenenfalls mit einem weiteren und gegenüber den ersten beiden Phasen kleineren Strom betrieben. Zur Ansteuerung in der Haltephase wird aber auch die Batteriespannung verwendet. Die Haltephase sorgt dafür, dass der Anker in etwa bei einem konstanten Hub verbleibt.
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Bei kalten Temperaturen, insbesondere bei kaltem Kraftstoff, kann eine schnelle Anhebung des Magnetankers mit höherem Strom als zur Offenhaltung nötig, erfolgen, um einer zu geringen Einspritzmenge entgegenzuwirken. Dabei kann die Spule auch während der Anzugsphase an die gegenüber der Batteriespannung größere Boost-Spannung geschaltet werden. Solche Verfahren sind bspw. aus der
DE 102 42 606 A1 und der
DE 10 2010 027 989 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils eines Kraftstoffinjektors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Ansteuerung eines Magnetventils eines Kraftstoffinjektors zur Einspritzung von unter einem Druck stehendem Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, mit einer Magnetspule und einem mittels Bestromung der Magnetspule zur Freigabe einer Durchflussöffnung für Kraftstoff anhebbaren Magnetanker. Dabei wird, wenn eine Erhöhung des Druckes des Kraftstoffs erkannt wird, von einer ersten Betriebsart in eine zweite Betriebsart gewechselt, bei der die Magnetspule zum Anheben des Magnetankers für eine erste Zeitdauer mit einem Anzugsstrom, der höher als ein Anzugsstrom in der ersten Betriebsart ist, und anschließend für eine zweite Zeitdauer mit einem Haltestrom, der geringer als der Anzugsstrom ist, bestromt wird. Bei der ersten Betriebsart kann es sich dabei insbesondere um eine Betriebsart für den Normalbetrieb des Magnetventils, d.h. ohne anstehende Druckerhöhung. handeln. Auf diese Weise kann ein möglichst großer Ankerhub und dementsprechend eine möglichst große Durchflussrate an Kraftstoff oder eine Überwindung einer Sitzdrosselgrenze ermöglicht werden. Insbesondere kann damit auch einer Ankerhubreduzierung, die auftritt, wenn sich der kalte Anker aufgrund eines sehr schnell ansteigenden Druckes und/oder des durch das Öffnen fließenden Kraftstoffs erwärmt und daher ausdehnt, vermieden werden. Dadurch würde die Durchflussrate an Kraftstoff unerwünscht reduziert oder es würde, bspw. im Falle eines Schaltventils, die Sitzdrosselgrenze nicht erreicht, was zu einer sehr geringen Durchflussrate führen kann. Der Anzugsstrom in der zweiten Betriebsart, bspw. im Bereich von 14 bis 16 A, kann dabei bspw. durch eine Batterie- oder Bordnetzspannung erzeugt werden. Der anschließende Haltestrom, bspw. im Bereich 8 bis 9 A, kann ebenfalls durch die Batterie- oder Bordnetzspannung erzeugt werden. Schäden an einem Steuergerät, das den Anzugsstrom bereitstellt, sind bei Einhaltung dieser Stromwerte, insbesondere bspw. eines Maximalstroms von ca. 16 A, nicht zu erwarten. Zudem können auf diese Weise mögliche, zusätzlich im Magnetventil vorzusehende Sicherheitsabstände für einen erhöhten Ankerhub vermieden werden, was bspw. eine einfachere Herstellung des Magnetventils oder eine einfachere Bauweise ermöglicht. Es sei angemerkt, dass das vorliegende Verfahren für Kraftstoffinjektoren, bei denen das Magnetventil über den Anker eine Ventilnadel direkt anhebt, und auch für Kraftstoffinjektoren, bei denen das Magnetventil als Servoventil arbeitet, verwendet werden kann.
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Vorteilhafterweise wird die Erhöhung des Druckes des Kraftstoffs mittels einer bevorstehenden Lasterhöhung der Brennkraftmaschine erkannt. Solche bevorstehende Lasterhöhungen, bspw. im Rahmen eines Lastwechsels, werden in der Regel einem Motorsteuergerät bekannt gegeben, woraufhin eine Druckerhöhung des Kraftstoffs, bspw. in einem Hochdruckspeicher (sog. Common Rail) erfolgt.
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Die Druckerhöhung kann anhand einer bevorstehenden Lasterhöhung also bereits vor ihrem Auftreten erkannt werden.
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Vorzugsweise werden eine Temperatur wenigstens eines mit Kraftstoff in Kontakt stehenden Bereiches des Magnetventils und/oder eine Kraftstofftemperatur bei der Wahl der ersten Zeitdauer und/oder der Höhe des Anzugsstroms in der zweiten Betriebsart berücksichtigt. Die Temperatur des wenigstens einen mit Kraftstoff in Kontakt stehenden Bereiches des Magnetventils wird dabei insbesondere unter Berücksichtigung einer Kraftstofftemperatur und/oder mittels Temperaturmessung in und/oder an dem Magnetventil ermittelt. Der wenigstens eine mit Kraftstoff in Kontakt stehende Bereich des Magnetventils kann dabei bevorzugt den Magnetanker und/oder Teile eines Führungskanals für den Kraftstoff, wie bspw. eine dem Kraftstoff zuwandte Seite der Spule bzw. ein diese umgebendes Material, und/oder Bereiche des Ventilsitzes, d.h. einen Bereich um die Durchlassöffnung, umfassen. Die Kraftstofftemperatur, die hier bevorzugt in einem mit dem entsprechenden Teil des Magnetventils in Kontakt stehendem Kraftstoffanteil relevant ist, wird oftmals ohnehin erfasst. Somit kann sehr einfach, bspw. mit einem geeigneten Modell, die Temperatur des wenigstens einen mit Kraftstoff in Kontakt stehenden Bereiches des Magnetventils ermittelt werden. Mit einer Temperaturmessung, bspw. mit einem Temperatursensor, kann eine sehr genaue Temperatur ermittelt werden. Durch eine solche Berücksichtigung der Temperatur kann gewährleistet werden, dass immer der nötige Anzugsstrom für eine benötigte Zeitdauer anliegt, um den Ankerhub wie gewünscht einzustellen. Zudem kann aber auch, falls sich die Temperaturen des Magnetventils und des Kraftstoffs bspw. einander angenähert haben, eine Reduzierung des Anzugsstroms und/oder der ersten Zeitdauer erfolgen, um Energie einzusparen und Bauteile zu schonen.
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Zweckmäßigerweise wird eine Summe der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer in der zweiten Betriebsart unter Berücksichtigung einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge vorgegeben. Auf diese Weise kann die zweite Zeitdauer auch auf die optimale einzuspritzende Kraftstoffmenge angepasst werden. Es versteht sich, dass eine Bestromung der Magnetspule bereits kurz vor Beginn der gewünschten Einspritzung erfolgen sollte und ggf. auch kurz vor Ende der gewünschten Einspritzung beendet werden kann.
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Vorteilhafterweise wird die Magnetspule in der ersten und/oder zweiten Betriebsart vor Beginn der Bestromung mit dem Anzugsstrom mit einem Booststrom bestromt, der insbesondere in der zweiten Betriebsart dem Anzugsstrom entspricht. Während, wie eingangs erwähnt, initial oftmals ein Booststrom verwendet wird, um den Anker anzuheben, und anschließend auf einen niedrigeren Anzugsstrom gewechselt wird, kann in der zweiten Betriebsart, d.h. wenn eine Druckerhöhung erkannt wird, der Booststrom einfach beibehalten werden.
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Vorteilhafterweise wird auf den Magnetanker mittels einer Feder eine Gegenkraft zu der durch die Bestromung der Magnetspule hervorgerufenen Magnetkraft auf den Magnetanker ausgeübt, wobei die Feder am Magnetanker radial außerhalb einer die Durchflussöffnung verschließenden Komponente des Magnetankers angreift. Auf diese Weise kann die Gegenkraft durch die Feder, die durch die Magnetkraft überwunden werden muss, reduziert werden, da die Magnetkraft im Wesentlichen an dem in der Regel zentralen Teils des Magnetankers, der die Durchflussöffnung verschließt, angreift.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch ein Magnetventil, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
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2 zeigt eine Ankerhubreduzierung bei einem Druckanstieg in einem Magnetventil.
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3 zeigt Verläufe von Strom in der Magnetspule, Magnetkraft und Ankerhub ohne und mit Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Magnetventil 100 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 100 weist eine Magnetspule 110 auf, die bspw. ringförmig ausgebildet sein kann. Gegebenenfalls kann die Magnetspule 110 noch von einem magnetisierbaren Material umgeben sein, um die Magnetkraft zu verstärken, was vorliegend jedoch nicht explizit dargestellt ist.
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Weiterhin ist ein Magnetanker 120 vorgesehen, mit dem eine Durchflussöffnung 150 des Magnetventils 100 verschlossen bzw. freigegeben werden kann. Der Magnetanker 120 weist dabei eine Komponente 122 auf, die die Durchflussöffnung 150 verschließt. Diese Komponente 122 ist bspw. in Form eines Bolzens mit einem teilweise konisch zulaufenden Ende in Richtung der Durchflussöffnung 150 ausgebildet.
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Der Magnetanker 120 weist weiterhin einen Ankerflügel 121 auf, der am oberen, d.h. in Richtung Magnetspule 110 gewandten Ende des Magnetankers 120 vorgesehen ist. Der Ankerflügel 121 kann dabei integral mit der Komponente 122 ausgebildet sein oder mechanisch mit der Komponente 122 verbunden sein.
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Weiterhin ist eine Feder 130 vorgesehen, die an dem Magnetanker 120 angreift und ohne Bestromung der Magnetspule 110 und somit ohne Magnetkraft den Anker 120 in bzw. gegen die Durchlassöffnung 150 drückt und diese verschließt. Die Feder 130 kann an ihrer dem Magnetanker abgewandten Seite an einer geeigneten (hier nicht gezeigten) Komponente des Magnetventils 100 in Anschlag sein.
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Bei Bestromung der Magnetspule 110 wird eine Magnetkraft aufgebaut und der Magnetanker 120 wird gegen die Federkraft der Feder 130 angehoben und in Richtung der Magnetspule 110 gezogen. Die Durchlassöffnung 150 wird dabei freigegeben. Bei genügend hohem Strom in der Magnetspule bzw. genügend hoher Magnetkraft wird der Anker 120 bis zum Anschlag an einem an der Magnetspule 110 angeordnetem Einstellring 115 angehoben. Der Anker 120 geht dabei mit dem radial äußeren Ende des Ankerflügels 121 in Anschlag. Die Einstellscheibe 115 kann dabei zur Einstellung eines maximal möglichen Ankerhubes gewählt werden.
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In 2 sind in einem oberen Diagramm ein Druck P und dessen Verlauf gegenüber der Zeit t dargestellt. In einem unteren Diagramm ist ein jeweils bei einer Ansteuerung zum Zeitpunkt t erreichter Ankerhub h mit Verlauf h0 gegenüber der Zeit t dargestellt. Bei dem Druck P kann es sich um einen Druck in einem Hochdruckspeicher, über welchen ein Kraftstoffinjektor mit Magnetventil wie dem aus 1 mit Kraftstoff versorgt wird, handeln (z.B. sog. Common Rail).
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Zum Zeitpunkt t0 steigt der Druck P schlagartig an, bspw. von einem niedrigeren Druck auf einen maximalen Druck Pmax von bspw. ca. 2000 bar. Eine solche plötzliche Druckerhöhung tritt bspw. im Falle einer Lasterhöhung einer Brennkraftmaschine oder nach einem Start der Brennkraftmaschine auf. Der Verlauf h0 des Ankerhubs zeigt, dass der bei einer Ansteuerung zum Zeitpunkt t erreichte Ankerhub dadurch zunächst um eine dynamische Ankerhubdifferenz ∆hdyn reduziert wird. Diese Reduzierung resultiert aus der Erwärmung des Magnetankers und ggf. auch anderer Bauteile des Magnetventils durch die plötzliche Druckdifferenz.
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Nach einer Angleichung der Temperatur der übrigen Komponenten des Magnetventils wird der bei einer Ansteuerung zum Zeitpunkt t erreichte Ankerhub wieder größer, d.h. die Ankerhubdifferenz geht zurück, bis noch eine statische Ankerhubdifferenz ∆hstat gegenüber dem anfänglichen Wert bleibt.
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Die dynamische Ankerhubdifferenz ∆hdyn ist dabei für eine Einspritzung von Kraftstoff, d.h. den Durchfluss von Kraftstoff durch die Durchlassöffnung 150, wie dies in 1 mit zwei Pfeilen angedeutet ist, nachteilig. Insbesondere kann dabei bspw. eine Sitzdrosselgrenze möglicherweise unterschritten werden, was zu einem deutlich geringeren Durchfluss von Kraftstoff als gewünscht führt.
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In 3 sind in einem oberen Diagramm Verläufe eines Stroms I in der Magnetspule, in einem mittleren Diagramm Verläufe einer Magnetkraft F, wie sie durch den Strom I hervorgerufen wird, und in einem unteren Diagramm Verläufe eines Ankerhubs h, jeweils gegenüber der Zeit t ohne (I', F', h') und mit (I'', F'', h'') Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt.
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Zum Zeitpunkt t0 wird die Bestromung der Magnetspule begonnen, und zwar mit einem Booststrom IA, bspw. in Höhe von 16 A. Während in einem nicht erfindungsgemäßen Fall der Booststrom nur kurzzeitig verwendet wird, um bspw. den Anker überhaupt anheben zu können, und dann auf einen niedrigeren Anzugsstrom abgesenkt wird, wie dies am Verlauf I' zu erkennen ist, wird der Booststrom bei einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform für eine erste Zeitdauer ∆t1, bspw. in etwa die halbe Einspritzdauer, als Anzugsstrom gehalten, wie dies am Verlauf I'' zu erkennen ist.
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Dementsprechend ist auch die Magnetkraft F länger auf einem höheren Wert, wie dies am Verlauf F'' gegenüber dem Verlauf F' zu erkennen ist. Weiterhin ist demnach auch der Ankerhub h schneller und länger auf einem höheren Wert, wie dies am Verlauf h'' gegenüber dem Verlauf h' zu erkennen ist. Insbesondere übersteigt der Ankerhub gemäß dem Verlauf h'' relativ schnell eine Ventildrosselgrenze hgr, unterhalb welcher kein oder nur kaum ein Durchfluss von Kraftstoff durch die Durchlassöffnung möglich ist.
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Zum Zeitpunkt t1 wird der Strom im Magnetventil vom Anzugsstrom IA auf den Haltestrom IH, bspw. in Höhe von 9 A, umgestellt. Dies ist möglich, da der Magnetanker nun weit genug angehoben ist, so dass für das weitere Offenhalten des Magnetventils ein gewisser Haltestrom ausreicht, sodass der Magnetanker nicht zurückfällt.
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Nach einer zweiten Zeitdauer ∆t2 und zum Zeitpunkt t2 wird nun die Bestromung der Magnetspule eingestellt. Die Magnetkraft F klingt danach langsam ab und dementsprechend fällt der Magnetanker zurück und verschließt die Durchlassöffnung wieder.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027989 A1 [0004, 0006]
- DE 10242606 A1 [0006]
