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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 für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft auch 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 erst mit einer erhöhten Spannung (Boostspannung) beaufschlagt, um den Injektor zu öffnen. Dieser Spannungspuls wird dann beendet, wenn der Spulenstrom einen bestimmten Stromwert (sogenannten Peakstrom) erreicht. Danach folgen typischerweise eine erste Haltephase („Freilauf gegen Batterie”), in welcher der Spulenstrom (und somit die Magnetkraft) zurückgeht, und eine zweite (eigentliche) Haltephase, in welcher der Kraftstoffinjektor offen gehalten wird.
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In einem Kraftfahrzeug mit Batterieversorgung ist der Spannungspegel des Bordnetzes nicht konstant. Es unterliegt je nach Ladezustand der Batterie und den Anforderungen des Bordnetzmanagement Schwankungen von mehreren Volt. Diese Schwankung im Bordnetz führt nun im (oben erwähnten) Falle eines „Freilauf gegen Batterie” nach Boost zu einem stark unterschiedlichen zeitlichen Stromverlauf, der sich aufgrund der unterschiedlichen auftretenden Magnetkräfte in einem unterschiedlichen Öffnungsverhalten des Injektors äußert, und damit eine Kraftstoffmengenschwankung erzeugt.
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In der
DE 10 2013 222 312 A1 ist eine Fahrzeugmotorsteuervorrichtung zum Ansteuern von Solenoidventilen für Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine beschrieben. In einem Induktivelement, das intermittierend durch ein Verstärkungsöffnungs- und Schließelement angeregt wird und einen Hochspannungskondensator auf eine hohe Spannung lädt, werden ein Induktivelementstrom proportional zu einer Spannung an beiden Enden eines Stromdetektionswiderstandes, und eine verstärkte Detektionsspannung, die eine unterteilte Spannung des Hochspannungskondensators ist, an einem Verstärkungssteuerungsschaltungsteil über einem Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler, der in einer Arithmetiksteuerschaltungseinheit vorgesehen ist, eingegeben. Der Verstärkungssteuerschaltungsteil justiert den Induktivelemenentstrom so, dass er geeignet ist, für die Zeit ab der jetzigen raschen Anregung bis zu nächsten raschen Anregung, und steuert Öffnen und Schließen des Verstärkungsöffnungs- und Schließelementes, um so eine zielverstärkte Hochspannung zu erhalten, die durch einen Mikroprozessor einer Arithmetik- und Steuerschaltungseinheit variabel eingestellt wird.
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Aus der
DE 40 21 486 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines oder mehrerer elektromagnetischer Verbraucher, insbesondere von Magnetventilen bekannt. Jeder Verbraucher ist über ansteuerbare Schalteinrichtungen mit verschieden großen Spannungen beaufschlagbar. Die niedrigere Mindest-Erregerspannung ist regelbar ausgelegt und für die Mindest-Erregerstromstärke eine Maximal-Begrenzung vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren bereitzustellen, die solche Kraftstoffmengenschwankungen verhindert.
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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 ein Kraftfahrzeug beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen des Kraftstoffinjektors mit einem Spannungspuls bis die Stromstärke eines durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes einen vorbestimmten Maximalstromwert erreicht, wobei der Spannungspuls eine gegenüber einer Batteriespannung erhöhte Spannung aufweist, (b) Bestimmen der Batteriespannung, und (c) wenn die bestimmte Batteriespannung größer als eine vorbestimmte Batteriespannung ist, abwechselndes Verbinden des Magnetspulenantriebs mit der Batterie und mit Masse.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Einfluss einer variierenden Batteriespannung durch abwechselndes Verbinden des Magnetspulenantriebs mit der Batterie und mit Masse, wenn die bestimmte (gemessene tatsächliche) Batteriespannung größer als eine vorbestimmte Batteriespannung (Referenz) ist, reduziert werden kann. Indem der Magnetspulenantrieb abwechselnd mit Batterie und Masse verbunden wird, wird der Spulenstrom reduziert in Vergleich mit dem Fall, wo der Magnetspulenantrieb dauerhaft mit der Batterie verbunden ist.
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In diesem Dokument bezeichnet „abwechselndes Verbinden” insbesondere eine zeitlich gesteuerte Umschaltung zwischen Batterie und Masse.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerung beginnt mit einer an sich herkömmlichen Boostphase und geht dann in die erste Haltephase über, wobei erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der tatsächlichen Batteriespannung (oder Bordnetzspannung), die zu einem geeigneten Zeitpunkt bestimmt (gemessen) worden ist, der Magnetspulenantrieb abwechselnd mit der Batterie und mit Masse verbunden wird. Mit anderen Worten wird die bekannte „Freilauf gegen Batterie”-Phase durch eine „Freilauf gegen Batterie und Masse”-Phase ersetzt, wenn die tatsächliche Batteriespannung größer als die vorbestimmte Batteriespannung ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das abwechselnde Verbinden derart, dass der zeitliche Verlauf der Stromstärke im Wesentlichen dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke entspricht, der auftreten würde, wenn der Kraftstoffinjektor mit einer Batterie verbunden wäre, deren Batteriespannung gleich der vorbestimmten Batteriespannung ist.
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Mit anderen Worten erfolgt das abwechselnde Verbinden des Magnetspulenantriebs mit der Batterie und mit Masse in einer solchen Art und Weise, dass der Unterschied zwischen der gemessenen Batteriespannung und der vorbestimmten Batteriespannung in Bezug auf den Spulenstrom (und somit das Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors) ausgeglichen wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das abwechselnde Verbinden des Magnetspulenantriebs mit der Batteriespannung und mit Masse mit einem Tastverhältnis, das abhängig von der bestimmten Spannung ist.
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Mit anderen Worten erfolgt das Umschalten zwischen Batterie und Masse zeitlich periodisch, wobei der Anteil TB von jeder Periode T, in dem der Magnetspulenantrieb mit Batterie verbunden ist, und der Anteil TM von jeder Periode T (T = TB + TM), in dem der Magnetspulenantrieb mit Masse verbunden ist, in Abhängigkeit von der bestimmten Spannung gewählt wird.
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Das Umschalten erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz, insbesondere zwischen 20 kHz und 40 kHz, insbesondere um 30 kHz. Eine Umschaltfrequenz von 30 kHz entspricht einer Periode T von 33,3 μs. Im Allgemeinen ist eine höhere Frequenz (30 kHz oder mehr) zu bevorzugen, da somit eine höhere Präzision erreicht werden kann. Auf der anderen Seite kann Hardwarebegrenzungen, insbesondere Verlustleistungen im Motorsteuergerät, dazu führen, dass eine Frequenz über 30 kHz nicht möglich ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf: (a) Bestimmen einer Differenz zwischen der bestimmten Batteriespannung und der vorbestimmten Batteriespannung und (b) Bestimmen des Tastverhältnisses basierend auf der bestimmten Differenz.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Differenz zwischen tatsächlicher Bordnetzspannung und der vorbestimmten Batteriespannung bestimmt. Je größer die Differenz desto größer der Anteil TM von der Periode T, in dem der Magnetspulenantrieb mit Masse verbunden ist.
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Das Tastverhältnis TB:TM kann zum Beispiel zwischen 25:75 (maximale Differenz zwischen tatsächlicher und vorbestimmter Batteriespannung) und 75:25 (minimale Differenz zwischen tatsächlicher und vorbestimmter Batteriespannung) liegen. Hier bedeutet TB:TM = 25:75, dass TB 25% und TM 75% der Gesamtperiode T betragen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die vorbestimmte Batteriespannung gleich der niedrigsten beim Betrieb auftretenden Batteriespannung.
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Somit kann es erreicht werden, dass der zeitliche Verlauf des Spulenstroms (und somit des Öffnungsvorgangs) Variationen bei jeder tatsächliche Batteriespannung zwischen der niedrigsten auftretenden Batteriespannung und der nominellen Spannung im Wesentlichen gleich ist.
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Für Fahrzeuge mit einer nominellen Bordnetzspannung von 12 V liegt ein typischer Wert für die vorbestimmte (das heißt die niedrigste, beim Betrieb auftretende) Batteriespannung zwischen 8 V und 10 V, zum Beispiel 9 V.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf: wenn die bestimmte Spannung gleich der vorbestimmten Batteriespannung ist, Verbinden des Magnetspulenantriebs mit der Batterie.
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In dem Fall, wo die tatsächliche Batteriespannung gleich der vorbestimmten Batteriespannung ist, kommt mit anderen Worten eine herkömmliche „Freilauf gegen Batterie”-Phase zum Einsatz.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bestimmen der Batteriespannung kontinuierlich und die Frequenz und/oder das Tastverhältnis des abwechselnden Verbindens des Magnetspulenantriebs mit der Batterie und mit Masse werden in Abhängigkeit von der kontinuierlich bestimmten Batteriespannung festgelegt.
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Mit anderen Worten wird die Batteriespannung dauernd überwacht und die Frequenz und/oder das Tastverhältnis werden dauernd in Abhängigkeit von der Batteriespannung festgelegt.
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Somit können auch plötzlich auftretende Schwankungen in der Batteriespannung berücksichtigt werden.
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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, präzise Einspritzmengen auch bei variierender Bordnetzspannung zu erzielen.
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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 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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1 zeigt typische zeitliche Verläufe von Spannung und Strom bei Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors.
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2 zeigt die zeitlichen Verläufe aus 1 und zusätzliche zeitliche Verläufe bei Ansteuerung mit einer höheren Batteriespannung.
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3 zeigt die zeitlichen Verläufe aus 1 und zusätzliche zeitliche Verläufe bei erfindungsgemäßer 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 1 zeigt typische zeitliche Verläufe von Spannung 10 und Strom 20 bei Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors. Am Anfang (links in 1) ist die Spannung 10 ungefähr 0 V und der Strom ist dementsprechend ungefähr 0 A. Dann wird die Spannung 10 auf die sogenannte Boostspannung 12 erhöht, die zum Beispiel ca. 65 V betragen kann, und der Spulenstrom steigt entlang des Kurvenabschnittes 22 bis zum Erreichen des vorgegebenen Maximalstromwertes (Peakstrom) an. Dann wird die Spannung 10 auf Batteriespannung (Bordnetzspannung) 14 eine Zeit lang gesetzt, wobei der Strom 24 in der sogenannten „Freilauf gegen Batterie”-Phase abnimmt. Wenn der Spulenstrom einen weiteren vorbestimmten Wert erreicht, wird die eigentliche Haltephase eingeleitet, in der der Spulenstrom auf die Stromstärke geregelt wird, die dazu ausreicht, den Kraftstoffinjektor offen zu halten. Letztere ist durch Kurvensegmente 16 und 26 dargestellt. Die Kurvensegmente 18 und 28 stellen jeweils Spannung und Strom am Ende des Ansteuervorgangs (bei und nach dem Schließen) dar.
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Die 2 zeigt die zeitlichen Verläufe 10 und 20 aus 1 und zusätzliche zeitliche Verläufe von Spannung und Strom bei gleicher Ansteuerung mit einer höheren Batteriespannung. Während der „Freilauf gegen Batterie”-Phase ist die Spannung, wie vom Kurvenabschnitt 15 dargestellt, folglich höher als die Spannung 14 und dementsprechend ist die Stromstärke entlang des Kurvenabschnittes 25 auch höher als entlang des Kurvenabschnittes 24. Des Weiteren zeigt der Kurvenabschnitt 27, dass auch während (insbesondere am Anfang) der Haltephase ein etwas höheren Strom durch den Magnetspulenantrieb fließt. Der größere Spulenstrom 25 führt zu höheren Magnetkräften und somit im Ergebnis zu einer anderen Einspritzmenge als der Spulenstrom 24.
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Zusammenfassend zeigen die 1 und 2, dass Variationen in der Batteriespannung zu entsprechenden Variationen in der Einspritzmenge führen. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, wie eingangs erwähnt, diese Variationen zu reduzieren bzw. aufzuheben.
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3 zeigt die zeitlichen Verläufe aus 1 und zusätzliche zeitliche Verläufe bei erfindungsgemäßer Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors.
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Auch die erfindungsgemäße Ansteuerung beginnt mit einer Boostphase 12, 22, in welcher der Magnetspulenantrieb des Kraftstoffinjektors mit einem gegenüber der Bordnetzspannung erhöhtem Spannungspuls (z. B. 65 V) beaufschlagt wird, aber umfasst zusätzlich eine Bestimmung der aktuellen Batterie- bzw. Bordnetzspannung. Diese Bestimmung der Spannung wird vor, während oder nach der Boostphase 12, 22 durchgeführt. In diesem Beispiel wird es dabei festgestellt, dass die aktuelle Batteriespannung höher als die vorbestimmte Referenzspannung 14 ist. Um den zeitlichen Verlauf der Stromstärke 25' des durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes während der ersten Haltephase an denjenigen zeitlichen Stromverlauf 24 anzuggleichen, der auftreten würde, wenn die aktuelle Batteriespannung gleich der vorbestimmten Batteriespannung 14 wäre, wird der Magnetspulenantrieb nun während der ersten Haltephase abwechselnd mit der Batterie (Bordnetz) und mit Masse verbunden, wie der viereckige Spannungsverlauf 15' in der 3 zeigt. Dies führt, wie auch in der 3 gezeigt, dazu, dass der entsprechende Stromverlauf 25' bis auf einige kleine Spitzen sehr nahe an dem Referenzverlauf 24 liegt. Somit wird mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung immer im Wesentlichen die gleiche Einspritzmenge erzielt, auch wenn die Batteriespannung Schwankungen aufweist.
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Der abwechselnde Spannungsverlauf 15' weist ein Tastverhältnis auf, das abhängig von der bestimmten (aktuellen) Batteriespannung ist, insbesondere von der Differenz zwischen der bestimmten und der vorbestimmten Spannung. Je größer die Differenz, desto länger wird der Magnetspulenantrieb mit Masse verbunden. Die vorbestimmte Batteriespannung ist vorzugsweise gleich der niedrigsten Batteriespannung, die beim Betrieb auftritt. Egal wie viel höher die tatsächliche Batteriespannung dann ist, erlaubt die erfindungsgemäße Ansteuerung eine einfache Anpassung, so dass bei jeder auftretenden Batteriespannung im Wesentlichen die gleiche Einspritzmenge erzielt wird.
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Das oben geschilderte erfindungsgemäß Ansteuerverfahren kann in einfacher Weise durch ein Motorsteuergerät ausgeführt werden, da ein solches schon alle notwendige Mess-, Schalt- und Steuerelemente aufweist bzw. mit diesen verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spannungskurve
- 12
- Kurvenabschnitt
- 14
- Kurvenabschnitt
- 15
- Kurvenabschnitt
- 15'
- Kurvenabschnitt
- 16
- Kurvenabschnitt
- 18
- Kurvenabschnitt
- 20
- Stromkurve
- 22
- Kurvenabschnitt
- 24
- Kurvenabschnitt
- 25
- Kurvenabschnitt
- 25'
- Kurvenabschnitt
- 26
- Kurvenabschnitt
- 27
- Kurvenabschnitt
- 27'
- Kurvenabschnitt
- 28
- Kurvenabschnitt