DE102015219673A1 - Erkennen eines vorbestimmten Öffnungszustandes eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem sich ein einen Magnetspulenantrieb aufweisender Kraftstoffinjektor für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet, beschrieben. Das Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen (710) des Magnetspulenantriebes mit einem vorbestimmten elektrischen Spannungsprofil, (b) Erfassen (720) des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch die Spule des Magnetspulenantriebs fließenden Stromes, (c) Erfassen (730) des zeitlichen Verlaufs der Spannung über die Spule, (d) Bestimmen (740) einer Funktion basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke und dem zeitlichen Verlauf der Spannung, wobei die Funktion den verketteten magnetischen Fluss bzw. eine zeitliche Ableitung des verketteten magnetischen Flusses im Magnetspulenantrieb darstellt, und (e) Bestimmen (750) des Zeitpunktes als den Zeitpunkt, zu dem die Funktion ein charakteristisches Merkmal aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem sich ein einen Magnetspulenantrieb aufweisender Kraftstoffinjektor für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, wobei die Ansteuerung basierend auf einem erfindungsgemäß bestimmten Zeitpunkt basiert. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm, die zum Durchführen der erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet sind.
  • Zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum, wie etwa einen Zylinder, kann ein Kraftstoffinjektor, wie zum Beispiel 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 Polstücks bzw. Polschuhs 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 das Polstück anlangt bzw. anschlägt. Die Distanz zwischen dem Anschlag des Ankers an einen Mitnehmer des Verschlusselements bzw. der Düsennadel und dem Anschlag des Ankers an das Polstück wird auch als Nadelhub bzw. Arbeitshub bezeichnet. Um den Kraftstoffinjektor 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. Bei kurzen Einspritzzeiten beginnt der Schließvorgang bereits bevor der Anker an das Polstück anschlägt, die Nadelbewegung beschreibt somit eine ballistische Flugbahn.
  • Der Zeitpunkt des Beginns der Nadelbewegung beim Öffnen des Kraftstoffinjektors (auch OPP1 genannt) entspricht dem Beginn der Einspritzung und der Zeitpunkt des Endes der Nadelbewegung beim Schließen des Kraftstoffinjektors (auch OPP4 genannt) entspricht dem Ende der Einspritzung. Diese beiden Zeitpunkte bestimmen somit die hydraulische Dauer der Einspritzung. Injektor-individuelle zeitliche Variationen des Beginns der Nadelbewegung (Öffnen) und des Endes der Nadelbewegung (Schließen) können folglich bei identischer elektrischer Ansteuerung unterschiedliche Einspritzmengen ergeben.
  • Gemäß dem Stand der Technik können die oben erwähnten (und weitere relevanten) Zeitpunkte, die bestimmten Öffnungszuständen entsprechen, in verschiedener Art und Weise bestimmt werden. Die Bestimmung von diesen Zeitpunkten erfolgt üblicherweise basierend auf der wirbelstromgetriebenen Kopplung zwischen Mechanik (Anker und Injektornadel) und Magnetkreis (Spule), welche ein Feedbacksignal generiert, das auf der Bewegung der Mechanik beruht. Hierbei wird ein geschwindigkeitsabhängiger Wirbelstrom im Anker infolge der Bewegung der Düsennadel und des Ankers induziert, welcher ebenfalls eine Rückwirkung auf den elektromagnetischen Kreis verursacht. In Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit wird im Elektromagnet eine Spannung induziert, die dem Ansteuersignal überlagert ist. Die Ausnutzung dieses Effektes bedingt, dass die Überlagerung der elektrischen Grundgröße Spannung bzw. Strom mit der Signaländerung durch die Nadelbewegung geeignet separiert und dann weiterverarbeitet wird. Dabei wird die charakteristische Signalform im Spannungs- bzw. Stromsignal bzgl. des Zeitpunktes des Auftretens ausgewertet. Die Signale für das Nadelöffnen werden derzeit im Stromverlauf detektiert, für das Nadelschließen im Spannungsverlauf. Beispielhaft wird dies für OPP1 dargestellt. Der Anker schlägt auf die Nadel und nimmt diese mit. Durch die Änderung der Ankergeschwindigkeit wird ein Wirbelstrom induziert, der als OPP1-Signal im Stromverlauf erkennbar ist.
  • Somit kann zum Beispiel der Zeitpunkt OPP1, zu welchem der Anker auf die Nadel schlägt und diese mitnimmt, wodurch die Änderung der Ankergeschwindigkeit einen Wirbelstrom induziert und die Nadelbewegung beginnt, durch Bestimmung eines lokalen Maximums in der zweiten zeitlichen Ableitung des Spulenstromes bestimmt werden. Nachteilig ist hier das Auftreten mehrere Maxima, weshalb ein zusätzlicher Plausibilisierungsvorgang benötigt wird, um das richtige Maximum zu bestimmen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Zeitpunktes, zu welchem sich ein Kraftstoffinjektor in einem vorbestimmten Zustand befindet, um somit eine präzise und zuverlässige Ansteuerung des Kraftstoffinjektors zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem sich ein einen Magnetspulenantrieb aufweisender Kraftstoffinjektor für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebes mit einem vorbestimmten elektrischen Spannungsprofil, (b) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch die Spule des Magnetspulenantriebs fließenden Stromes, (c) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Spannung über die Spule, (d) Bestimmen einer Funktion basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke und dem zeitlichen Verlauf der Spannung, wobei die Funktion den verketteten magnetischen Fluss bzw. eine zeitliche Ableitung des verketteten magnetischen Flusses im Magnetspulenantrieb darstellt, und (e) Bestimmen des Zeitpunktes als der Zeitpunkt, zu dem die Funktion ein charakteristisches Merkmal aufweist.
  • Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Bewegungsänderungen im mechanischen System (insbesondere Anker und Nadel) eines Kraftstoffinjektors zu entsprechenden Änderungen im Verlauf des verketteten magnetischen Flusses im Magnetkreis führen. Durch Erfassen des jeweiligen zeitlichen Verlaufs von Stromstärke und Spannung während der Kraftstoffinjektor durch Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs mit einem vorbestimmten elektrischen Spannungsprofil angesteuert wird und Bestimmen einer Funktion, die den verketteten magnetischen Fluss bzw. eine zeitliche Ableitung (erste Ableitung, zweite Ableitung, dritte Ableitung usw.) des verketteten magnetischen Flusses im Magnetspulenantrieb darstellt, kann der Zeitpunkt, zu welchem der Kraftstoffinjektor sich in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet, bestimmt werden, nämlich als der Zeitpunkt, zu dem die Funktion ein charakteristisches Merkmal aufweist.
  • In diesem Dokument bezeichnet „Öffnungszustand“ insbesondere einen Zustand, der im Laufe eines Einspritzvorgangs, das heißt während der Öffnungs-, Einspritz- oder Schließphase des Kraftstoffinjektors eintrifft. Als Beispiele können (i) Anfang der elektrischen Ansteuerung bzw. Anfang der Ankerbewegung (auch OPP0 genannt), (ii) Eintritt der mechanischen Kopplung zwischen Anker und Düsennadel bzw. Beginn der Nadelbewegung beim Öffnen (auch OPP1 genannt), (iii) Anschlag der Nadel am Polstück bzw. Ende des Öffnungsvorgangs (auch OPP2 genannt), (iv) Einleiten des Schließvorgangs bzw. Beginn der Nadelbewegung beim Schließen (auch OPP3 genannt), (v) Ende der mechanischen Kopplung zwischen Nadel und Anker bzw. Ende der Nadelbewegung beim Schließen (auch OPP4 genannt) und (vi) Ende der Ankerbewegung beim Schließen (auch OPP5 genannt) erwähnt werden.
  • In diesem Dokument bezeichnet „vorbestimmtes Spannungsprofil“ insbesondere eine abschnittsweise zeitlich variierende Spannung, die zum Ansteuern des Kraftstoffinjektors eingesetzt wird. Das vorbestimmte Spannungsprofil mag zum Beispiel eine Boostphase, eine Haltephase und eine Schließphase aufweisen.
  • In diesem Dokument bezeichnet „Funktion“ insbesondere eine mathematische Funktion, mit der für einen gegebenen Zeitpunkt ein entsprechender Wert berechnet werden kann. Die Funktion kann insbesondere als eine Tabelle im Speicher (zum Beispiel von einer Motorsteuerung) hinterlegt werden, wobei Werte, die nicht direkt aus der Tabelle hervorgehen, durch Interpolation berechnet werden können.
  • In diesem Dokument bezeichnet „charakteristisches Merkmal“ eine Eigenschaft einer Funktion, welche durch mathematische Analyse des entsprechenden Kurvenverlaufs erkannt werden kann, zum Beispiel mittels numerischer Verfahren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das charakteristische Merkmal ein (lokales oder globales) Maximum, ein (lokales oder globales) Minimum, ein Schwellwert oder ein Wendepunkt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen der Funktion ein Berechnen von f(t) = u(t) – R·i(t) auf, wobei u(t) den zeitlichen Verlauf der Spannung über die Spule, R den elektrischen Widerstand der Spule und i(t) den zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stromes bezeichnet.
  • Diese Funktion f(t) entspricht der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses Ψ (Psi), das heißt f(t) = dΨ / dt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Funktion gleich f(t).
  • In diesem Ausführungsbeispiel wird das Extremum mit anderen Worten direkt in der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses bestimmt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen der Funktion ein Berechnen des verketteten magnetischen Flusses durch Integration von f(t) und ein Berechnen der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses auf.
  • Dieses Ausführungsbeispiel kommt insbesondere dann in Betracht, wenn der verkettete magnetische Fluss auch zu weiteren Zwecken bzw. Analysen (zum Beispiel im Motorsteuergerät) verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden das Bestimmen der Funktion und/oder das Bestimmen des Zeitpunktes unter Verwendung von numerischen Methoden durchgeführt.
  • Insbesondere lässt sich eine moderne Motorsteuerung relativ leicht so einrichten bzw. programmieren, dass die Berechnungen zur Bestimmung der Funktion und des Extremums anhand der erfassten Spannung und Stromstärke durchgeführt werden können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Extremum ein Maximum, insbesondere ein lokales oder globales Maximum.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der vorbestimmte Öffnungszustand des Kraftstoffinjektors der Anfang einer Öffnungsphase, das Ende der Öffnungsphase, der Anfang einer Schließphase oder das Ende der Schließphase.
  • Mit anderen Worten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine einfache und präzise Bestimmung der Zeitpunkte, die den Öffnungszuständen OPP1, OPP2, OPP3 und OPP4 entsprechen, durchgeführt werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors beschrieben. Das beschriebenen Verfahren weist folgendes auf: (a) Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem sich der Kraftstoffinjektor in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet, gemäß dem ersten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele und (b) Ansteuern des Kraftstoffinjektors basierend auf dem bestimmten Zeitpunkt, wobei insbesondere eine Dauer zwischen dem Anlegen einer Boostspannung zum Öffnen des Kraftstoffinjektors und dem Anlegen einer Spannung zum Schließen des Kraftstoffinjektors vermindert bzw. vergrößert wird, wenn bestimmt ist, dass der Zeitpunkt gegenüber einem Referenzzeitpunkt später oder früher auftritt.
  • Mit diesem Verfahren kann durch Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt eine präzise Steuerung der genauen Einspritzmenge in einfacher und zuverlässiger Weise erreicht werden. Insbesondere kann der tatsächliche Anfang (oder das tatsächliche Ende) der hydraulischen Dauer der Einspritzung bestimmt und durch Anpassung der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors korrigiert werden, damit die gewünschte Einspritzmenge erreicht wird.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten/zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele.
  • Diese Motorsteuerung ermöglicht es, durch Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt, eine präzise Steuerung der genauen Einspritzungsmengen der einzelnen Kraftstoffinjektoren in einfacher und zuverlässiger Weise zu erreichen.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten/zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor mit Magnetspulenantrieb.
  • 2 zeigt Abbildungen von Stromstärke, Spannung, Einspritzrate sowie Anker- und Nadelposition als Funktionen der Zeit bei Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors.
  • 3 zeigt eine Abbildung der zweiten zeitlichen Ableitung der in der 1 gezeigten Stromstärke.
  • 4 zeigt eine Abbildung des verketteten magnetischen Flusses als Funktion der Zeit bei Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors.
  • 5 zeigt eine Abbildung der zeitlichen Ableitung des in der 4 gezeigten verketteten magnetischen Flusses als Funktion der Zeit.
  • 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der in der 5 gezeigten Abbildung.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
  • Die 1 zeigt eine Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors 100 mit Magnetspulenantrieb (Solenoid-Injektor). Der Injektor 100 weist insbesondere einen Magnetspulenantrieb mit Spule 102 und Anker 104 auf. Wenn die Spule 102 mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, bewegt sich der magnetische Anker 104 in Richtung des breiten Teils der Düsennadel 106 und drückt diese dann nach Überwindung des Leerhubs 114 (gegen die Kraft der Feder 110) gegen die von den Federn 110 und 132 ausgeübten Federkräfte nach oben bis der Anker 104 an den Polschuh 112 anschlägt. Nach Ende des Spannungspulses bewegen sich Anker 104 und Düsennadel 106 wieder nach unten zur Ausgangsposition an der Hydro-Disc 108 zurück.
  • Der in der 1 gezeigte Solenoid-Injektor 100 weist mehrere Merkmale auf, die als solche bekannt sind und für die vorliegende Erfindung nur von geringfügiger Bedeutung sind und deshalb nicht detailliert beschrieben werden. Diese Merkmale umfassen insbesondere Ventilkörper 116, Integrierte Sitzführung 118, Kugel 120, Dichtung 122, Gehäuse 124, Kunststoff 126, Scheibe 128, Metallfilter 130 und Kalibrierungsfeder 132.
  • Die 2 zeigt Abbildungen von Stromstärke 210, Spannung 220, Einspritzrate 230 sowie Anker- und Nadelposition 240 als Funktionen der Zeit bei Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors, wie zum Beispiel des oben beschriebenen Kraftstoffinjektors 100. Insbesondere zeigt die Abbildung 220 ein (vorbestimmtes) Spannungsprofil mit einer Boostphase 222 (in der eine erhöhte Spannung von zirka 65V verwendet wird), einer Haltephase 224 (in der eine Spannung von zirka 12V verwendet wird) und eine Schließphase 226, 228 (in der zuerst eine Umpolung der Spannung erfolgt, wonach die Spannung in Richtung 0V ansteigt). Die Abbildung 210 zeigt den entsprechenden Verlauf der Stromstärke, wobei die Stromstärke während der Boostphase 212 bis zum Spitzenwert (Peakstrom) 213 ansteigt, in der Haltephase 214 relativ konstant bleibt und dann in der Schließphase 216 schnell abfällt. Die Abbildung 230 zeigt den entsprechenden Verlauf der Einspritzrate, die vom Anfang (t ≈ 0,55ms) bis Ende (t ≈ 1,95ms) der Einspritzphase 235 größer als Null ist. Endlich zeigt die Abbildung 240 die entsprechenden Verläufe der Ankerposition bzw. Ankerhub 241 und Nadelposition bzw. Nadelhub 242. Aus der Abbildung 240 kann es erkannt werden, dass die Bewegung der Nadel bei t ≈ 0,55ms beginnt (OPP1) und bei t ≈ 1,95ms (OPP4) endet.
  • Die 3 zeigt eine Abbildung der zweiten zeitlichen Ableitung 310 der in der 1 gezeigten Stromstärke. Wie in der Einleitung beschrieben, kann der Zeitpunkt des Öffnungszustandes OPP1 (t ≈ 0,55ms) als das lokale Maximum 312 erkannt werden. Wie es aber auch zu sehen ist, weist der Kurvenverlauf viele Extrema auf, was die Bestimmung erschwert und insbesondere einen mit weiterem Aufwand verbundenen Plausibilisierungsvorgang notwendig macht.
  • Die 4 zeigt eine Abbildung des verketteten magnetischen Flusses 410 als Funktion der Zeit bei der in 2 dargestellten Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 100. Der Verlauf 410 fällt dabei in drei Hauptabschnitte: ein erster Abschnitt 412 (Boostphase), in dem der Fluss steil ansteigt, ein zweiter Abschnitt 414 (Einspritzphase), in dem der Fluss weniger steil ansteigt, und ein dritter Abschnitt 416 (Schließphase), in dem der Fluss wieder abfällt.
  • Die 5 zeigt eine Abbildung der zeitlichen Ableitung 510 des in der 4 gezeigten verketteten magnetischen Flusses 410 als Funktion der Zeit. Die Kurvenabschnitte 512, 514 und 516 entsprechen jeweils den Kurvenabschnitten 412, 414 und 416 in der 4. Des Weiteren ist der dem Öffnungszustand OPP1 entsprechende Punkt 519 (bei t ≈ 0,55ms) in der Kurve 510 markiert.
  • Die 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt 610 der in der 5 gezeigten Abbildung 510. In der Ausschnitt 610 ist der dem Öffnungszustand OPP1 entsprechende Punkt 619 (bei t ≈ 0,55ms) wieder markiert und es ist zu erkennen, dass die zeitliche Ableitung 614 des verketteten magnetischen Flusses hier ein lokales Maximum aufweist, das nicht von vielen anderen lokalen Maxima umgeben und folglich relativ leicht zu bestimmen ist.
  • Die 7 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Zeitpunktes, zu dem sich ein einen Magnetspulenantrieb aufweisender Kraftstoffinjektor in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet. Der erste vorbestimmte Zustand kann zum Beispiel OPP1 sein.
  • Im Schritt 710 wird der Magnetspulenantrieb des Kraftstoffinjektors 100 mit einem vorbestimmten elektrischen Spannungsprofil beaufschlagt. Das vorbestimmte Spannungsprofil entspricht einer normalen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 100 und weist zum Beispiel eine Boostphase, eine Haltephase und eine Schließphase auf. Bei kurze Einspritzungen, insbesondere in Verbindung mit Mehrfacheinspritzungen, bei denen die Düsennadel eine ballistische Flugbahn beschreibt, mag das vorbestimme Spannungsprofil nur eine Boostphase und eine Schließphase (also keine Haltephase) aufweisen.
  • Im Schritt 720 wird der zeitliche Verlauf der Stromstärke eines durch die Spule des Magnetspulenantriebs fließenden Stromes erfasst. Insbesondere werden Werte der Stromstärke mit kurzen zeitlichen Abständen gemessen bzw. abgetastet und als digitale Werte im Speicher, zum Beispiel im Motorsteuergerät, gespeichert.
  • In ähnlicher Weise wird im Schritt 730 der zeitliche Verlauf der Spannung über die Spule erfasst. Insbesondere werden Werte der Spannung mit kurzen zeitlichen Abständen gemessen bzw. abgetastet und als digitale Werte im Speicher, zum Beispiel im Motorsteuergerät, gespeichert.
  • Im Schritt 740 wird eine Funktion basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke und dem zeitlichen Verlauf der Spannung bestimmt, wobei die Funktion den verketteten magnetischen Fluss bzw. eine zeitliche Ableitung des verketteten magnetischen Flusses im Magnetspulenantrieb darstellt.
  • Besonders vorteilhaft ist hier eine Funktion, die die zeitliche Ableitung des verketteten magnetischen Flusses darstellt. Wenn das Motorsteuergerät zu anderen Zwecken den verketteten magnetischen Fluss erfasst, kann die Funktion dann durch Ableitung dieses bestimmt werden. Alternativ kann die Funktion als f(t) = u(t) – R·i(t) bestimmt werden, wobei u(t) den zeitlichen Verlauf der Spannung über die Spule, R den elektrischen Widerstand der Spule und i(t) den zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stromes bezeichnet.
  • Die oben angeführte Funktion f(t) ist – bis auf eine Integrationskonstante, die für das Auftreten eines charakteristischen Merkmals, zum Beispiels eines Extremums, ohne Bedeutung ist – gleich der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses. Dabei besteht die gemessene Spannung u(t) aus einem Ohm’schen Anteil (R·i(t)) und einem induktiven Anteil (uind(t)). Die induktive Spannung berechnet sich aus der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses dΨ/dt, wobei Ψ abhängig von der Stromänderung i(t) und dem Luftspalt x(t) ist. u(t) = i(t)R + uind(t) = i(t)R + dΨ(i, x) / dt = i(t)R + ( dΨ(i, x) / di di / dt + dΨ(i, x) / dx dx / dt)
  • Bei langsamer Ansteuerung ist der „magnetische“ Anteil der Induktion durch Stromänderung gering. uind1 = dΨ(i, x) / di di / dt
  • Der „mechanische Teil der Induktion durch die Ankerbewegung beschreibt dann die Hübe (Leerhub und/oder Arbeitshub) des Kraftstoffinjektors. uind2 = dΨ(i, x) / dx dx / dt
  • Durch Umstellen und Integration ist der verkettete mechanische Fluss in folgender Weise berechenbar: Ψ = ∫(u(t) – i(t)R)dt
  • Hieraus ist auch zu erkennen, dass f(t) ≈ dΨ/dt.
  • Zum Schluss wird im Schritt 750 der Zeitpunkt, der dem vorbestimmten Öffnungszustand (zum Beispiel OPP1) entspricht, als der Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Funktion ein charakteristisches Merkmal, insbesondere ein Extremum, aufweist. Die Bestimmung dieses Merkmals kann insbesondere unter Verwendung von als solchen bekannten numerischen Verfahren erfolgen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Zeitpunkt, zu dem ein Kraftstoffinjektor sich in einem vorbestimmten Öffnungszustand (zum Beispiel OPP1) befindet, präzise und in einfacher Weise (basierend auf Messungen von Stromstärke und Spannung) bestimmt werden. Der bestimmte Zeitpunkt kann, zum Beispiel vom Motorsteuergerät, insbesondere dazu verwendet werden, das bei der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors verwendeten Spannungsprofil anzupassen, um eine vorbestimmte Einspritzmenge zu erreichen bzw. näher zu kommen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kraftstoffinjektor
    102
    Spule
    104
    Anker
    106
    Düsennadel
    108
    Hydro-Disc
    110
    Feder
    112
    Polschuh
    114
    Leerhub
    116
    Ventilkörper
    118
    Integrierte Sitzführung
    120
    Kugel
    122
    Dichtung
    124
    Gehäuse
    126
    Kunststoff
    128
    Scheibe
    130
    Metallfilter
    132
    Kalibrierungsfeder
    210
    Abbildung von Stromstärke
    212
    Boostphase
    213
    Peakstrom
    214
    Haltephase
    216
    Schließphase
    220
    Abbildung von Spannung
    222
    Boostphase
    224
    Haltephase
    226
    Schließphase
    228
    Schließphase
    230
    Abbildung von Einspritzrate
    235
    Einspritzphase
    240
    Abbildung von Anker- und Nadelposition
    241
    Ankerposition
    242
    Nadelposition
    310
    Abbildung von zweiter Ableitung der Stromstärke
    312
    Öffnungszustand OPP1
    410
    Abbildung von verkettetem magnetischen Fluss
    412
    Boostphase
    414
    Haltephase
    416
    Schließphase
    510
    Abbildung der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses
    512
    Boostphase
    514
    Haltephase
    516
    Schließphase
    519
    Öffnungszustand OPP1
    610
    Abbildung eines Ausschnittes der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses
    614
    Haltephase
    619
    Öffnungszustand OPP1
    710
    Verfahrensschritt
    720
    Verfahrensschritt
    730
    Verfahrensschritt
    740
    Verfahrensschritt
    750
    Verfahrensschritt

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem sich ein einen Magnetspulenantrieb aufweisender Kraftstoffinjektor für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet, das Verfahren aufweisend Beaufschlagen (710) des Magnetspulenantriebes mit einem vorbestimmten elektrischen Spannungsprofil, Erfassen (720) des zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch die Spule des Magnetspulenantriebs fließenden Stromes, Erfassen (730) des zeitlichen Verlaufs der Spannung über die Spule, Bestimmen (740) einer Funktion basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke und dem zeitlichen Verlauf der Spannung, wobei die Funktion den verketteten magnetischen Fluss bzw. eine zeitliche Ableitung des verketteten magnetischen Flusses im Magnetspulenantrieb darstellt, und Bestimmen (750) des Zeitpunktes als den Zeitpunkt, zu dem die Funktion ein charakteristisches Merkmal aufweist.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das charakteristische Merkmal ein Maximum, ein Minimum, ein Schwellwert oder ein Wendepunkt ist.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Funktion ein Berechnen von f(t) = u(t) – R·i(t) aufweist, wobei u(t) den zeitlichen Verlauf der Spannung über die Spule, R den elektrischen Widerstand der Spule und i(t) den zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stromes bezeichnet.
  4. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Funktion gleich f(t) ist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Bestimmen der Funktion ein Berechnen des verketteten magnetischen Flusses durch Integration von f(t) und ein Berechnen der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses aufweist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Funktion und/oder das Bestimmen des Zeitpunktes unter Verwendung von numerischen Methoden durchgeführt werden.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Öffnungszustand des Kraftstoffinjektors der Anfang einer Öffnungsphase, das Ende der Öffnungsphase, der Anfang einer Schließphase oder das Ende der Schließphase ist.
  8. Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, das Verfahren aufweisend Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen eines Zeitpunktes, zu dem sich der Kraftstoffinjektor in einem vorbestimmten Öffnungszustand befindet, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und Ansteuern des Kraftstoffinjektors basierend auf dem bestimmten Zeitpunkt, wobei insbesondere eine Dauer zwischen dem Anlegen einer Boostspannung zum Öffnen des Kraftstoffinjektors und dem Anlegen einer Spannung zum Schließen des Kraftstoffinjektors vermindert bzw. vergrößert wird, wenn bestimmt ist, dass der Zeitpunkt gegenüber einem Referenzzeitpunkt später oder früher auftritt.
  9. Motorsteuerung für ein Fahrzeug, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  10. Computerprogramm, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
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