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Die vorliegende Erfindung betrifft generell das technische Gebiet der Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen eines Werts, der für den Leerhub eines einen Magnetspulenantrieb und eine Düsennadel aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges indikativ ist, wobei der Magnetspulenantrieb eine Magnetspule und einen beweglichen Anker aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors, eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm.
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Bei Betrieb von direkt betriebenen Kraftstoffinjektoren mit Magnetspulenantrieb (auch Spuleneinspritzinjektoren genannt) mit gleichen Ansteuerungsparameterwerten (insbesondere Strom- und Spannungswerte) kommt es generell aufgrund von elektrischen und mechanischen Toleranzen zu unterschiedlichen zeitlichen Öffnungs- und Schließverhalten 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 Einspritzzeiten führt aber dazu, dass der Einfluss von den relativen Mengenunterschieden nicht mehr außer Betracht gelassen werden kann.
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Für den hydraulisch statischen Betrieb, insbesondere bei hohen Betriebsnenndrucken (von z. B. 500 Bar), haben sich Injektorkonzepte mit Leerhub als vorteilhaft erwiesen. Die benötigte elektrische Energie, der elektrische Booststrom kann prinzipiell kleiner ausgelegt werden, da der Beginn der hydraulischen Öffnung nicht nur durch die anliegende Magnetkraft, sondern zusätzlich durch den Ankerimpuls getrieben wird.
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Der genaue Wert des Leerhubs eines Kraftstoffinjektors unterliegt aber den eingangs erwähnten mechanischen Toleranzen. Folglich entsteht schon in der Herstellung eine gewisse Variation im Leerhub. Des Weiteren kann der Leerhub sich auch mit der Zeit verändern, zum Beispiel aufgrund von Abnutzung, Verschmutzung, etc.
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In der
DE 10 2014 206 430 B4 ist ein Verfahren zur Detektion des Öffnungsbeginnes der Düsennadel eines Injektors eines Einspritzsystems beschrieben. Bei dem Detektionsverfahren wird an die Spule des Solenoidinjektors eine derart geringe Spannung gelegt, dass der Anker mit einer solch niedrigen Geschwindigkeit gegen die Düsennadel bewegt wird, dass durch den Anschlag ein Stoppen der Ankerbewegung ohne Öffnen der Düsennadel erfolgt. Dabei wird der Leerhub überwunden, jedoch kein Einspritzvorgang initiiert. Der Anschlag des Ankers an die Düsennadel wird als Öffnungsbeginn der Düsennadel im Stromverlauf detektiert.
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Die
DE 10 2005 032 086 B4 zeigt eine Schaltvorrichtung, die insbesondere in einem Einspritzventil eingesetzt ist. Sie weist ein Schaltventil auf, das einen Ventilkörper mit einer Ausnehmung hat, das einen Schließkörper hat. Der Schließkörper ist axial beweglich in der Ausnehmung des Ventilkörpers angeordnet. Das Schaltventil hat ferner eine Schaltventilfeder, die eine Kraft auf den Schließkörper ausübt und so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den Schließkörper ohne das Einwirken weiterer Kräfte in einer Schließstellung festlegt. Die Schaltvorrichtung hat ferner einen Stellantrieb, mittels dessen der Schließkörper aus der Schließstellung heraus bewegbar ist. Ein Dehnungsmesselement ist vorgesehen, das so mit der Schaltventilfeder gekoppelt ist, dass seine Dehnung abhängt von der durch die Schaltventilfeder auf den Schließkörper ausgeübten Kraft.
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Aus der
DE 10 2008 023 371 B4 ist eine Stellvorrichtung bekannt, welche ein Stellglied und einen als Festkörperaktuator ausgebildeten Stellantrieb umfasst. Der Stellantrieb ist ausgebildet zum Einwirken auf das Stellglied und ist in einem Ruhezustand durch einen Leerhub abtriebsseitig von dem Stellglied beabstandet. Dem Stellantrieb werden sukzessive vorgegebene Mengen an elektrischer Energie zugeführt zum Verändern einer Längung des Stellantriebs. Der Stellantrieb wird beaufschlagt mit einem Wechselspannungssignal. Es wird jeweils ein akustisches Schwingungssignal erfasst, das von dem Stellantrieb erzeugt wird. Abhängig von dem jeweiligen akustischen Schwingungssignal wird ermittelt, ob der Stellantrieb den Leerhub überwunden hat. Im Falle des Feststellens, dass der Leerhub überwunden wurde wird, abhängig von einer zugeordneten charakteristischen Größe, die charakteristisch ist für die im Vergleich zu dem Ruhezustand zugeführte Menge an elektrischer Energie, der Leerhub ermittelt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einfacher Weise den Leerhub eines Kraftstoffinjektors erfassen und überwachen zu können.
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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 Bestimmen eines Werts beschrieben, der für den Leerhub eines einen Magnetspulenantrieb und eine Düsennadel aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges indikativ ist, wobei der Magnetspulenantrieb eine Magnetspule und einen beweglichen Anker aufweist. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen der Magnetspule mit einem Vorladestrom während einer Vorladephase, um den beweglichen Anker in mechanischen Kontakt mit der Düsennadel zu bringen, (b) Beenden der Bestromung der Magnetspule zu einem ersten Zeitpunkt, (c) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der über die Magnetspule auftretenden elektrischen Spannung, (d) Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem der bewegliche Anker in seine Ausgangsposition eintrifft, basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung, und (e) Bestimmen des für den Leerhub indikativen Werts basierend auf dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Verlauf der Ankerbewegung nachdem dieser aus einer Position, in der er in mechanischem Kontakt mit der Düsennadel ruht, durch Beendung der Bestromung der Magnetspule losgelassen wird, direkt von dem Wert des Leerhubs abhängig ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit einer Vorladephase, in welcher der bewegliche Anker des Kraftstoffinjektors in dem Sinne in mechanischen Kontakt mit der Düsennadel gebracht wird, dass der Anker aus seiner Ruhelage ohne großen bzw. wesentlichen Impuls aus dem Leerhub heraus in die Stellung gebracht wird, bei der die hydraulisch wirksame Düsennadel verharrt. Mit anderen Worten wird der Kraftstoffinjektor während der Vorladephase in den sogenannten OPP1-Zustand gebracht. Dabei wird der Vorladestrom vorzugsweise so niedrig gehalten, dass der Anker sanft an dem Anker angelegt wird und dort bis auf weiteres verbleibt. Dies kann zum Beispiel durch eine Stromregelung erfolgen, wobei eine passend niedrige Spulenspannung abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Das erwähnte Ein- und Ausschalten der Spulenspannung kann zum Beispiel mit vorbestimmten Schaltzeiten oder in Abhängigkeit von einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert für die Stromstärke erfolgen.
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Dann wird die Bestromung der Magnetspule zu einem ersten Zeitpunkt beendet, das heißt, dass ab dem ersten Zeitpunkt keine weitere Energie der Magnetspule zugeführt wird. Der zeitliche Verlauf der über die Magnetspule auftretenden elektrischen Spannung (Spulenspannung) wird erfasst, insbesondere wird die Spannung mit einer vorbestimmten Frequenz abgetastet und jeder einzelne Messwert gespeichert. Basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der Spulenspannung wird nun der Zeitpunkt (der zweite Zeitpunkt) bestimmt, zu dem der Anker wieder in seiner Ausgangsposition eintrifft (das heißt in seine Ruheposition zurückkehrt, in der er sich vor Beginn der Vorladephase befunden hat). Das Bestimmen dieses zweiten Zeitpunkts erfolgt vorzugsweise mittels bekannten Verfahren zur Schließerkennung. Basierend auf dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt wird dann ein Wert bestimmt, der für den Leerhub des Kraftstoffinjektors in dem Sinne indikativ ist, dass je größer der Wert ist, desto größer ist auch der Leerhub.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Leerhübe mehrerer baugleicher Kraftstoffinjektoren verglichen werden, damit eventuelle Abweichungen bei der Ansteuerung der Kraftstoffinjektoren berücksichtigt werden können. Des Weiteren können auch Abweichungen im Laufe der Zeit für den Leerhub eines einzelnen Kraftstoffinjektors beobachtet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Vorladestrom so gewählt, dass im Wesentlichen keine Bewegung der Düsennadel während der Vorladephase stattfindet.
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Mit anderen Worten ist der Vorladestrom so gewählt, dass der Anker ruhig bis zur Düsennadel hin bewegt wird und dort sanft anschlägt und abgebremst wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der für den Leerhub indikative Wert gleich der Differenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der für den Leerhub indikative Wert folglich gleich der Zeitdauer vom Ende der Vorladephase (Ende der Bestromung der Magnetspule) bis der Anker in seiner Ruhe- bzw. Ausgangsposition wieder eintrifft. Diese Zeitdauer (das heißt, die Differenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt) ist ein Maß für die Größe des Leerhubs, da der Beginn der Rückstellung des Ankers nur unter Einfluss der Leerhubfeder und einer geringen und konstanten Magnetisierung erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Bestimmen des Leerhubs basierend auf dem bestimmten, für den Leerhub indikativen Wert auf.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird mit anderen Worten der genaue Wert des Leerhubs bestimmt, das heißt ein Abstand in mm, basierend auf dem indikativen Wert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert das Bestimmen des Leerhubs ferner auf einem Wert einer Federkonstante und/oder einer Ankermasse.
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Mit Kenntnis der Federkonstante (der Leerhubfeder) und/oder der Ankermasse lässt sich die Weglänge der Ankerbewegung (das heißt der Leerhub) präzise bestimmen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb und eine Düsennadel aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Bestimmen eines für den Leerhub des Kraftstoffinjektors indikativen Werts durch Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt oder einem der obigen Ausführungsbeispiele und (b) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs mit einem Stromprofil, wobei das Stromprofil in Abhängigkeit des bestimmten, für den Leerhub des Kraftstoffinjektors indikativen Werts angepasst wurde.
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Gemäß diesem Aspekt wird der für den Leerhub indikative Wert mittels eines der oben beschriebenen Verfahren bestimmt und bei der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors berücksichtigt, indem das verwendete Stromprofil in Abhängigkeit des bestimmten Werts angepasst wird.
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In einem Beispiel wird dabei ein Standardstromprofil modifiziert, das für die Ansteuerung eines Standardkraftstoffinjektors vorgesehen ist, der insbesondere einen vorgegebenen Standardwert für den Leerhub aufweisen soll, um eine Abweichung von dem Standardwert des Leerhubs zu berücksichtigen. Ist der Leerhub zum Beispiel größer als der Standardwert, dann wird der Öffnungsvorgang später beendet sein, was zum Beispiel durch Verlängerung der Einspritzdauer kompensiert werden kann, damit die vorgegebene Einspritzmenge erzielt wird. Ist der Leerhub stattdessen kleiner, wird der Öffnungsvorgang früher beendet, was in ähnlicher Weise durch Verkürzung der Einspritzdauer kompensiert werden kann.
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In einem weiteren Beispiel wird der für den Leerhub indikative Wert mit regelmäßigen zeitlichen Abständen bestimmt. Stellt es sich heraus, dass der Wert sich seit der letzten Bestimmung geändert hat, wird das Stromprofil entsprechend der Abweichung angepasst.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele.
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Diese Motorsteuerung ermöglicht es in einfacher Weise, insbesondere ohne Einsatz von besonderen Hardware, Variationen im Leerhub zu bestimmen und bei der Ansteuerung zu berücksichtigen.
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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.
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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 zeitliche Verläufe von Spulenstrom, Spannung und einem Körperschallsignal bei Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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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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Spezifischer zeigt die Figur zeitliche Verläufe von Spulenstrom 11, 12 und 13, Spannung 21, 22 und 23 und einem Körperschallsignal 30 bei erfindungsgemäßer Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors mit Leerhub.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als erstes ein für den Leerhub des Kraftstoffinjektors indikativer Wert wie folgt bestimmt. Die Magnetspule des Magnetspulenantriebs wird während einer Vorladephase VP mit einem Vorladestrom 11 beaufschlagt, um den beweglichen Anker in mechanischen Kontakt mit der Düsennadel zu bringen aber ohne eine Bewegung der Düsennadel zu bewirken. Dies erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein gesteuertes Ein- und Ausschalten einer Batteriespannung 21, damit ein Spulenstrom mit nahezu konstanter Stromstärke entsteht. Nach einer gewissen Zeit trifft nun der Anker an die Düsennadel an. Dieses Ereignis ist im Körperschallsignal 30 erkennbar. Der Kraftstoffinjektor befindet sich nun im sogenannten Zustand OPP1. Die Vorladephase VP wird zu einem ersten Zeitpunkt beendet, indem die Bestromung der Magnetspule beendet wird. Dies führt dazu, dass die Spulenspannung, wie vom Kurvenabschnitt 22 gezeigt, steil abfällt und dann wieder ansteigt, während der Spulenstrom abgebaut wird. Der Spannungsverlauf 22 wird erfindungsgemäß erfasst und in bekannter Weise analysiert (Schließzeiterkennung), um den (zweiten) Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem der bewegliche Anker in seine Ausgangsposition wieder eintrifft. Dann wird der für den Leerhub des Kraftstoffinjektors indikative Wert als die Differenz Δt zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunktbestimmt. Mit anderen Worten wird die für den Anker benötigte Rücklaufzeit Δt ab das Beenden der Bestromung der Magnetspule (das heißt ab loslassen des Ankers) bestimmt. Diese Rücklaufzeit hängt direkt von der Größe des Leerhubs ab.
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Als nächstes wird der Kraftstoffinjektor nun angesteuert, um einen Einspritzvorgang durchzuführen, wobei der soeben bestimmte Rücklaufzeit Δt berücksichtigt wird. Die eigentliche Ansteuerung des Kraftstoffinjektors beginnt mit dem Beaufschlagen der Magnetspule mit einer (nahezu) konstanten Spannung 23, 50 dass die Stromstärke des Spulenstroms ansteigt (entlang Kurvenabschnitts 12) bis zum Erreichen eines Sättigungswerts 13. Mit Kenntnis des Leerhubs kann der Kraftstoffinjektor nun so lange offengehalten werden, dass die vorgeschriebene Einspritzmenge erzielt wird.
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Das oben beschriebene Verfahren kann vorteilhafterweise direkt vom Motorsteuergerät (insbesondere mittels geeigneter Software) durchgeführt werden. Die Ankerrücklaufzeit muss dabei nicht vor jedem einzelnen Öffnungsvorgang durchgeführt werden, aber mit regelmäßigen Abständen, zum Beispiel nach einer vorbestimmten Anzahl gefahrener Kilometer und/oder nach einer vorbestimmten Anzahl Fahrstunden.
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Jede ermittelte Ankerrücklaufzeit wird vorzugsweise im Motorsteuergerät gespeichert. So kann nach erneuter Bestimmung der Ankerrücklaufzeit schnell festgestellt werden, ob der Leerhub sich verändert hat.
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Des Weiteren kann der tatsächliche Wert des Leerhubs aus der bestimmten Ankerrücklaufzeit und bekannten Parameterwerten (zum Beispiel Federkonstante und Ankermasse) bestimmt werden, um zum Beispiel ein Vergleich mit Herstellerangaben zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Stromkurve
- 12
- Stromkurve
- 13
- Stromkurve
- 21
- Spannungskurve
- 22
- Spannungskurve
- 23
- Spannungskurve
- 30
- Sensorsignal
- VP
- Vorladephase
- Δt
- Ankerrücklaufzeit
