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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm.
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Bei Betrieb von Kraftstoffinjektoren mit Magnetspulenantrieb (auch Spuleneinspritzinjektoren genannt) kommt es aufgrund von elektrischen und mechanischen Toleranzen zu unterschiedlichen zeitlichen Öffnungsverhalten der einzelnen Injektoren und somit zu Variationen in der jeweiligen Einspritzmenge.
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Die relativen Einspritzmengenunterschiede von Injektor zu Injektor vergrößern sich bei kürzer werdenden Einspritzzeiten. Bisher waren diese relativen Mengenunterschiede klein und ohne praktische Bedeutung. Die Entwicklung in Richtung kleinere Einspritzmengen und -zeiten führt aber dazu, dass der Einfluss von den relativen Mengenunterschieden nicht mehr außer Betracht gelassen werden kann.
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Die Injektoren werden für den Betrieb mit einem bestimmten zeitlichen Spannungs- bzw. Stromprofil beaufschlagt. Insbesondere wird ein Injektor allgemein mit einer erhöhten Spannung (Boostspannung) beaufschlagt, um den Injektor zu öffnen. Dieser Spannungspuls wird dann beendet, wenn der Spulenstrom einen bestimmten Referenzstromwert (sogenannten Peakstrom) erreicht. Danach folgt eine erste Haltephase (auch Holdphase genannt), die mit der Batteriespannung gesteuert wird und in welcher der eingestellte bzw. geregelte Strom gegenüber dem eigentlichen Haltestrom erhöht ist. Diese erste Haltephase dient dazu, ein sicheres Öffnen des Kraftstoffinjektors zu gewährleisten. Nach der ersten Haltephase folgt dann eine zweite Haltephase, die die eigentliche Haltephase darstellt, in welcher der Kraftstoffinjektor bei Bedarf beispielsweise mit kurzen Spannungspulsen beaufschlagt wird, um den Haltestrom so zu regeln, dass der Kraftstoffinjektor offen gehalten wird.
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Die oben geschilderte Ansteuerung mit zwei aufeinanderfolgenden Haltephasen weist aber eine Reihe von Nachteilen aus. Erstens ist die Ansteuerung relativ aufwendig, da der Injektorstrom auf verschiedene Stromstärken während der Boost- und Haltephasen eingestellt bzw. geregelt werden muss. Ferner ist die erste Haltephase anfällig für Variationen in der Batteriespannung, die zur Variationen in der Einspritzmenge führen können. Des Weiteren ist die aufwendige Ansteuerung mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Noch ferner kann es unter Umständen schwierig sein, das Ende des Öffnungsvorgangs innerhalb der ersten Haltephase präzise zu detektieren, was für die Präzision der Einspritzmenge von erheblicher Bedeutung ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und einfache Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren bereitzustellen, mit der präzise Einspritzmengen energieeffizient erzielt werden können. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine flexible Ansteuerung bereitzustellen, die optimale Bedingungen für Verfahren zur Detektion von verschiedenen Ereignissen in Verbindung mit dem Öffnungsvorgang eines Kraftstoffinjektors bietet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs des Kraftstoffinjektors mit einer Boostspannung bis die Stromstärke des durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes einen ersten vorbestimmten Wert erreicht, (b) Abwarten, dass die Stromstärke während einer Freilaufphase einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht und (c) Regeln der Stromstärke während einer Haltephase, so dass die Stromstärke im Wesentlichen gleich dem zweiten vorbestimmten Wert bleibt, wobei der erste vorbestimmte Wert derart ausgewählt ist, dass ein Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors während der Freilaufphase endet.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum einen ein sicheres Öffnen während einer nach der Boostphase folgenden Freilaufphase durch eine passende Einstellung des maximalen Booststroms (ersten vorbestimmten Werts) energiesparend erreicht werden kann und dass zum zweiten eine präzise Detektion des Endes des Öffnungsvorgangs durch Analyse der Stromstärke und/oder Spannung in der Freilaufphase durchgeführt werden kann. Hinsichtlich des Öffnens muss der erste vorbestimmte Wert so eingestellt bzw. gewählt werden, dass am Ende der Boostphase bzw. Beginn der Freilaufphase genügend Energie zugeführt worden ist, um den Öffnungsvorgang durch weiteres Bewegen des Ankers des Magnetspulenantriebs in der Freilaufphase abzuschließen. Hinsichtlich der Erfassung vom Ende des Öffnungsvorgangs kann es zum Beispiel genutzt werden, dass die magnetischen Widerstands- und Flussverhältnisse und somit die gegeninduktiven Verhältnisse sich gemäß dem Reluktanzprinzip während der Öffnungsphase signifikant verändern. Diese Veränderungen sind erkennbar in der Freilaufspannung und/oder dem Freilaufstrom.
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In diesem Dokument bezeichnet „Freilaufphase” eine Phase in welcher dem Magnetspulenantrieb keine weitere elektrische Energie zugeführt wird, wobei der Spulenstrom über die Zeit abnehmen wird.
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Mit anderen Worten ist das Verfahren gemäß diesem Aspekt so eingerichtet, dass die notwendige Energie zum Öffnen des Kraftstoffinjektors in der Boostphase dem Magnetspulenantrieb zugeführt wird, wobei der Öffnungsvorgang erst im Laufe einer nach der Boostphase folgenden Freilaufphase beendet wird in dem Sinne, dass der Kraftstoffinjektor vollständig geöffnet ist.
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Diese erfindungsmäße Ansteuerung weist gegenüber dem bekannten Verfahren mit zwei aufeinanderfolgenden Haltephasen mehrere Vorteile auf. Da keine Stromregelung und Energiezufuhr während der Freilaufphase stattfindet, ist die erfindungsgemäße Ansteuerung sowohl einfacher als auch effizienter als das bekannte Verfahren. Des Weiteren kann die Detektion vom Ende des Öffnungsvorgangs verbessert werden, insbesondere durch Eliminierung von Störungen in der Batteriespannung, die im bekannten Verfahren während der ersten Haltephase auftreten können. Durch sorgfältiges Auswählen des ersten vorbestimmten Werts (Peakstromwerts) kann sowohl eine Energieeffizienz als auch der Zeitpunkt der Öffnung flexibel optimiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste vorbestimmte Wert ferner derart ausgewählt, dass der Öffnungsvorgang im Bereich eines dritten vorbestimmten Werts der Stromstärke während der Freilaufphase endet.
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Anders ausgedrückt ist der maximale Booststrom so eingestellt, dass das Ende der Öffnungsphase dann eintritt, wenn die Stromstärke während der Freilaufphase im Wesentlichen gleich dem dritten vorbestimmten Wert ist. Der dritte vorbestimmte Wert ist kleiner als der erste vorbestimmte Wert (Peakstrom) und größer als der zweite vorbestimmte Wert (Haltestrom).
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht der dritte vorbestimmte Wert einer Stromstärke, bei der das Ende des Öffnungsvorgangs durch Analyse eines zeitlichen Verlaufs der Stromstärke optimal detektierbar ist.
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Mit anderen Worten ist der maximale Booststrom (erster vorbestimmter Wert) so eingestellt, dass das Ende der Öffnungsphase dann eintritt, wenn die dadurch entstehende Einflüsse auf die Stromstärke während der Freilaufphase optimal erkennbar sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der dritte vorbestimmte Wert so ausgewählt, dass die erste zeitliche Ableitung der Stromstärke unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
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Mit anderen Worten wird der dritte vorbestimmte Wert so ausgewählt, dass der zeitliche Verlauf der Stromstärke ausreichend flach ist, dass die in Verbindung mit dem Ende des Öffnungsvorgangs entstehenden Änderungen in der Stromstärke leichter erkennbar sind. Insbesondere am Anfang der Freilaufphase fällt die Stromstärke schnell ab, was die Öffnungsdetektion in diesem Teil der Freilaufphase erschwert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet ist.
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Diese Motorsteuerung ermöglicht es in einfacher Weise eine einfache, flexible und energieeffiziente Ansteuerung von einem Kraftstoffinjektor mit Magnetspulenantrieb bereitzustellen, mit der präzise und ausgeglichene Einspritzungen erreicht werden kann.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
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Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
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Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blu-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.
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Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
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Die einzige Figur zeigt eine grafische Darstellung von Stromstärke, Spannung und einem Bewegungssensorsignal als Funktionen der Zeit während einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
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Die Figur zeigt eine grafische Darstellung von Stromstärke 1, Spannung 2 und einem Bewegungssensorsignal 3 als Funktionen der Zeit (horizontale Achse) während einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerung fängt mit einer Boostphase an, in der der Magnetspulenantrieb des Kraftstoffinjektors mit einer Boostspannung (das heißt einer gegenüber der Batteriespannung erhöhten Spannung, zum Beispiel 65 V) beaufschlagt wird. Dies ist in der Figur als eine Rampe in der Spannungskurve 2 zu erkennen. In der Boostphase steigt die Stromstärke 1 des durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes an und wenn sie einen vorbestimmten Maximalwert (ersten vorbestimmten Wert) erreicht, zum Beispiel im Bereich 10 A bis 15 A, wird die Boostspannung ausgeschaltet und der Kraftstoffinjektor wird mit Masse verbunden, so dass er jetzt in eine sogenannte Freilaufphase übergeht, in welcher vorübergehend keine weitere Energie zugeführt wird. Dieses Ereignis ist mit einem Pfeil 4 in der Figur gekennzeichnet. In der nachfolgenden Freilaufphase fällt die Stromstärke 1 erst schnell ab, dann etwas langsamer, bis sie einen vorbestimmten Haltewert (Haltestrom bzw. zweiten vorbestimmten Wert) erreicht. Ab dann wird die Stromstärke 1 während einer Haltephase mittels kurzer Spannungspulse im Bereich des zweiten vorbestimmten Werts gehalten, so dass der Kraftstoffinjektor offen bleibt.
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Die Figur zeigt auch ein Sensorsignal 3, das mit einem Beschleunigungssensor im Labor aufgenommen wurde und folglich im normalen Betriebsfalle nicht vorhanden ist. Der erste vorbestimmte Wert ist erfindungsgemäß so ausgewählt, dass das Ende der Öffnungsphase innerhalb der Freilaufphase stattfindet. Dies wird durch das Sensorsignal 3 bestätigt, das einen maximalen Signalwert an der Stelle innerhalb der Freilaufphase aufweist, die mit Pfeil 6 gekennzeichnet ist. Das Ende der Öffnungsphase ist auch als eine kleine nach oben gerichteten Hügel oder Delle in der Stromstärke 1 an der Stelle zu erkennen, die mit Pfeil 5 gekennzeichnet ist. Diese Änderung im Stromverlauf 1 kann mit entsprechenden Detektionsverfahren erkennt werden. Wie es durch die vertikale gestrichelte Linie 7 markiert ist, finden die soeben erwähnten Ereignisse im Stromverlauf 1 und Sensorsignal zum gleichen Zeitpunkt statt.
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Das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren ist nicht nur energieeffizient sondern bietet auch die Flexibilität, das durch Pfeil 5 gekennzeichnete Ende des Öffnungsvorgangs so zu verschieben, dass die zu verwendenden Detektionsverfahren optimale Bedingungen bekommen. Dies kann durch Anpassung des ersten vorbestimmten Werts der Stromstärke 1 (Peakstrom, vgl. Pfeil 4) erfolgen. Wird dieser erhöht, findet das Ende der Öffnungsphase früher (das heißt in der Figur weiter nach links) statt. Wird der erste vorbestimmte Wert verringert, findet das Ende der Öffnungsphase später (das heißt in der Figur weiter nach rechts) statt. Für viele Detektionsverfahren ist es vorteilhaft, wenn das zu detektierende Ende der Öffnungsphase in einem Bereich des Stromverlaufs 1 innerhalb der Freilaufphase stattfindet, wo die Stromänderung pro Zeit nicht zu groß ist, das heißt, dass die Kurve 1 relativ flach ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, den Peakstrom so auszuwählen, dass die erste Ableitung (dI/dt) in dem Bereich, wo das Ende der Öffnungsphase erwartet wird, unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Des Weiteren hat es sich ergeben, dass es für viele Detektionsverfahren vorteilhaft ist, wenn die Stromstärke relativ niedrig ist. Folglich sollte der Peakstrom so ausgewählt werden, dass das Ende der Öffnungsphase eher gegen Ende als am Anfang der Freilaufphase erwartet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromstärke
- 2
- Spannung
- 3
- Sensorsignal
- 4
- Maximale Stromstärke bzw. Ende der Boostphase
- 5
- Öffnungsereignis im Stromverlauf
- 6
- Öffnungsereignis im Sensorsignal
- 7
- Gestrichelte Linie
