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In heutige Verbrennungsmotoren wird der Kraftstoff mit Hilfe von Einspritzventilen entweder in das Saugrohr oder direkt in den Verbrennungsraum der Zylinder eingespritzt. Dabei werden zumeist magnetisch betätigte Einspritzventile verwendet, bei denen eine Magnetspule von einem Strom durchflossen wird, wodurch von der Magnetspule ein Magnetfeld erzeugt wird, das über ein Magnetjoch und einen Magnetanker, der vom Magnetjoch durch einen Luftspalt beabstandet ist, geschlossen wird. Aufgrund des Magnetfeldes wird der Magnetanker gegen eine Federkraft zum Magnetjoch gezogen und nimmt dabei eine Ventilnadel mit, die im hydraulisch geschlossenen Zustand des Ventils aufgrund der Kraft einer Kalibrationsfeder und des hydraulischen Drucks des Kraftstoffes die Ventildüsenöffnung verschließt und im hydraulisch geöffneten Zustand aufgrund des zum Magnetjoch gezogenen Magnetankers die Ventildüsenöffnung freigibt.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Einspritzventils, bei der der Magnetanker einen Leerhubweg zurücklegt, bevor er die Ventilnadel zum Öffnen der Ventildüse mitnimmt. Es gibt alternativ auch Einspritzventile, bei denen kein Leerhubweg vorhanden ist sondern stattdessen der Magnetanker bereits im unbestromten Zustand aufgrund einer Federkraft an der Ventilnadel anliegt.
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Bei dem in der 1 dargestellten Einspritzventil wird eine Ventilnadel 1 von einer Kalibrationsfeder 2 und aufgrund des hydraulischen Drucks des Kraftstoffs in den Ventilsitz 3 gedrückt, so dass durch diese Federkraft der Kalibrationsfeder 2 und zusätzlich durch die hydraulische Kraft des auf die Ventilnadel 1 wirkenden Kraftstoffdrucks das Ventil geschlossen gehalten wird. Die Ventilnadel 1 ist innerhalb eines Magnetjoches 4 beweglich gelagert, wobei in dem Magnetjoch 4 eine Magnetspule 5 angeordnet ist, die einen magnetischen Fluss im Magnetjoch 4 und im Anker 6 erzeugt, wenn sie bestromt wird.
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Beabstandet zum Magnetjoch 4 liegt ein Magnetanker 6 auf einem mechanischen Anschlag 7 auf und wird dort durch eine Leerhubfeder 8 gehalten. Wenn die Magnetspule 5 bestromt wird, wird der Magnetanker 6 aufgrund des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes gegen die Kraft der Leerhubfeder 2 zum Magnetjoch 4 gezogen und nimmt nach Überwinden des Leerhubweges die Ventilnadel 1 mit, so dass das Ventil geöffnet wird.
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Solche Einspritzventile sollen möglichst schnell geöffnet und auch wieder geschlossen werden und eine möglichst genaue vorbestimmte Zeit im geöffneten Zustand gehalten werden, so dass eine möglichst genau dossierte Kraftstoffmenge in den Verbrennungsmotor eingespritzt werden kann.
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Die 2 zeigt typische Spannungs- und Stromverläufe an der Magnetspule eines magnetischen Einspritzventils, die dazu dienen, ein oben beschriebenes Einspritzventil möglichst schnell zu öffnen, eine definierte Zeit offen zu halten und schließlich wieder möglichst schnell zu schließen.
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Hierzu wird in einer sogenannten Boostphase eine relativ hohe Spannung Uboost von derzeit etwa 65 V an die Magnetspule angelegt, wodurch der Strom in der Magnetspule relativ schnell auf einen Spitzenwert I_PK ansteigt. Nach dem Erreichen des Spitzenwerts I_PK durch den Strom wird die Spannung zunächst wieder abgeschaltet, wodurch der Stromfluss durch die Magnetspule abnimmt, um dann in einer ersten Haltephase Hold0 Phase auf einem ersten höheren Niveau I_HOLD0_HIGH, I HOLD0-HYST mittels eines Zweipunktreglers eine gewisse Zeit gehalten zu werden und in einer zweiten Phase auf einem zweiten niederen Halteniveau I_HOLD1_HIGH, I_HOLD1-HYST über eine zweite Zeitdauer bis zum Abschalten gehalten zu werden. Das zweite niedere Niveau I_HOLD1_HIGH, I_HOLD1-HYST wird eingestellt, damit beim Abschalten der Schließvorgang schneller abläuft, da sich das Magnetfeld von diesem zweiten niederen Niveau I_HOLD1_HIGH, I_HOLD1-HYST aus schneller abbaut.
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In der 3 ist der Öffnungsvorgang bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg in verschiedenen Phasen dargestellt. In der anfänglichen Ruhelage liegt der Magnetanker aufgrund der Federkraft der Leerhubfeder auf einem mechanischen Anschlag auf und die Ventilnadel wird aufgrund der Kalibrationsfederkraft und des auf die Ventilnadel wirkenden hydraulischen Kraftstoffdrucks in den Ventilsitz gedrückt, so dass das Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist (Ausgangslage).
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Wenn die Magnetspule bestromt wird, wird zunächst ein Magnetfeld aufgebaut, ohne dass sich der Magnetanker bewegt. Wenn das Magnetfeld groß genug ist, die Kraft der Leerhubfeder zu überwinden, wird dann in einer Leerhubphase der Magnetanker zum Magnetjoch hin gegen die Kraft der Leerhubfeder beschleunigt und trifft auf die Ventilnadel (Leerhubphase). Dort verharrt der Magnetanker zunächst, bis das sich weiter verstärkende Magnetfeld ausreichend groß geworden ist, um den Magnetanker und die Ventilnadel zusammen gegen die Federkraft der Kalibrationsfeder und die hydraulische Kraft des Kraftstoffdruckes weiter zu dem Magnetjoch hin zu bewegen (Öffnungsbeginn, Öffnung).
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Nachdem der Magnetanker am Magnetjoch angeschlagen hat endet die Bewegung des Magnetankers, und das Einspritzventil ist geöffnet. Da die Ventilnadel jedoch nicht fest mit dem Magnetanker verbunden ist, bewegt sich diese aufgrund ihrer Trägheit gegen die Kraft der Kalibrationsfeder noch ein Stückchen weiter, bis sich ihre Bewegung umkehrt und sie sich wieder zum Magnetanker hin bewegt, bis sie in ihrer Endlage verharrt. Damit ist der Öffnungsvorgang beendet (Endlage).
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In der 3 sind ebenfalls der zeitliche Verlauf der Bewegungen des Magnetankers I und der Ventilnadel II sowie der statische Durchfluss des Kraftstoffes III über der Zeit aufgezeichnet.
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Die 4 zeigt den Schließvorgang des Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg, wenn die Spannung an der Magnetspule abgeschaltet wird. Das Magnetfeld im Magnetjoch und im Magnetanker baut sich dann ab, wobei sich der Magnetanker aus der Ausgangslage zusammen mit der Ventilnadel aufgrund der Kraft der Kalibrationsfeder von dem Magnetjoch weg bewegt (Schließbeginn, Schließvorgang,), bis die Ventilnadel im Ventilsitz angekommen ist und die Kraftstoffeinspritzventildüse schließt (Schließende), wobei sich anschließend der Magnetanker aufgrund der Kraft der Leerhubfeder weiter bis zu seinem mechanischen Anschlag hin bewegt (Leerhub), bis er in seiner Endlage anlangt.
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In den 5 und 6 ist im Unterschied zur Darstellung in den 3 und 4 noch der Bewegungsablauf des Magnetankers und der Ventilnadel bei einem Kraftstoffeinspritzventil ohne Leerhubweg dargestellt.
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Dort liegt bereits in der Ausgangslage der Magnetanker aufgrund einer Federkraft an der Ventilnadel an, die jedoch durch die Kraft der Kalibrationsfeder und des hydraulischen Kraftstoffdrucks in den Ventilsitz gedrückt wird. Aufgrund des Bestromens der Magnetspule wird der Magnetanker zum Magnetjoch hin gezogen und nimmt die Ventilnadel gegen die Kraft der Kalibrationsfeder und des hydraulischen Kraftstoffdruckes mit, wodurch sich die Ventildüse öffnet.
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In entsprechender Weise wird zum Schließen die Spannung von der Magnetspule weggenommen, wodurch sich das Magnetfeld im Magnetjoch und dem Magnetanker abbaut und aufgrund der Federkraft der Kalibrationsfeder die Ventilnadel wieder zurück in den Ventilsitz gedrückt und entsprechend der Magnetanker in seine Ausgangslage geführt wird.
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Bei beiden Arten von Kraftstoffeinspritzventilen kann es vorkommen, dass die Kalibrationsfeder, die die Ventilnadel in ihrer Ruheposition hält und gegen deren Kraft die Ventilnadel zur Öffnung des Ventils bewegt werden muss, nicht vorgespannt ist, so dass sich die Öffnungs- und Schließzeiten verändern und sich damit die pro Öffnungs- und Schließzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge verändert. Da sich ein Einspritzvorgang pro Zyklus verbrennungstechnisch auf mehrere Einspritzungen aufteilt und sich damit die einzelnen Einspritzvorgänge verkürzen, wirken sich solche Veränderungen der Öffnungs- und Schließzeiten immer stärker auf die relativen Veränderungen bezogen auf die Einspritzdauern aus.
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Die
DE 103 41 810 B4 offenbart ein Brennstoffeinspritzventil und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils.
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Die
DE 10 2010 018 290 A1 beschreibt eine elektrische Ansteuerung eines Ventils basierend auf einer Kenntnis des Schließzeitpunkts des Ventils.
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In der
DE 10 2012 213 883 A1 ist die Gleichstellung des Stromverlaufs durch einen Kraftstoffinjektor für verschiedene Teileinspritzvorgänge einer Mehrfacheinspritzung offenbart.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache Weise die Vorspannung der Kalibrationsfeder ermittelt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind im Unteranspruch angegeben.
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Demgemäß werden bei einem Verfahren zum Erkennen der Vorspannung einer Kalibrationsfeder, die vorgesehen ist, eine Ventilnadel eines magnetisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils gegen dessen Düsenöffnung zu drücken,
wobei durch Anlegen einer Spannung an eine Magnetspule des Kraftstoffeinspritzventils durch den dadurch fließenden Strom ein magnetischer Fluss in einem Magnetjoch, einem Magnetanker und einem Gesamtluftspalt erzeugt wird, wodurch der Magnetanker gegen die Kraft der Kalibrationsfeder zum Magnetjoch bewegt wird,
wobei die in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ermittelten Werte des Stromes und des magnetischen Flusses in einem Phasenraumdiagramm eine Kurve bilden, die während des Anliegens der Spannung erste Abschnitte aufweist, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms und des magnetischen Flusses nahezu proportional ist, und zwischen diesen ersten Abschnitten bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg ein zweiter Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg zwei zweite Abschnitte liegen, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms und des magnetischen Flusses nahezu umgekehrt proportional ist,
Graphen ermittelt, die bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg diesen zweiten Abschnitt und bei einem Kraftstoff Injektor mit Leerhubweg den zweiten von zwei zweiten Abschnitten der Kurve approximieren,
wobei von den Graphen die Steigung ermittelt wird, wobei eine betragsmäßige Verringerung der Steigung eines Graphen innerhalb eines zweiten Abschnittes ein Maß für eine mangelnde Vorspannung der Kalibrationsfeder ist.
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Es kann also nach der Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils die Vorspannung einer sich im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils befindenden Kalibrationsfeder ermittelt werden.
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Besonders einfach gelingt dies, wenn die Graphen Geraden sind und wenn die zweiten Abschnitte im Falle einer mangelnden Vorspannung der Kalibrationsfeder durch zwei Geraden mit unterschiedlicher Steigung approximiert werden.
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In einem ersten Schritt wird aus der an der Magnetspule anliegenden Spannung, dem durch die Magnetspule fließenden Strom und aus dem Spulenwiderstand durch ein mathematisches Verfahren der im Kraftstoffeinspritzventil vorhandene magnetische Fluss ermittelt und Wertepaare des zu einem Zeitpunkt fließenden Stromes und des zu diesem Zeitpunkt herrschenden magnetischen Flusses gebildet. Dabei wird in vorteilhafter Weise eine Spannung von lediglich etwa 6 Volt oder weniger an die Magnetspule des Kraftstoffeinspritzventils angelegt, da hierdurch eine quasistationäre magnetische Flussausprägung bewirkt wird, bei der eine Verzögerung des Flussaufbaus durch im Magnetmaterial induzierte Wirbelströme vernachlässigt werden kann.
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Diese Wertepaare aus Strom und magnetischer Flussausprägung lassen sich im Phasenraum gemäß der 7 darstellen. Dort sind Verläufe aufgezeichnet, wie sie sich in einem Injektor mit Leerhubweg bei Anlegen einer Rechteckspannung ergeben, wobei sich die beiden unterschiedlichen Kurven für Injektoren mit einer Kalibrationsfeder mit und ohne Vorspannung ergeben.
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Im Folgenden soll zunächst der grundsätzliche Verlauf von Strom I und magnetischem Fluss Ψ betrachtet werden. Zu Beginn steigen Strom I und magnetischer Fluss Ψ etwa proportional zueinander an, bis die magnetische Kraft groß genug ist, um die Gegenkraft der Leerhubfeder 8 zu überwinden, woraufhin sich der Magnetanker 6 um den Leerhubweg bis zur Ventilnadel 1 bewegt. Hierbei verringert sich der Luftspalt, wobei der Strom I abnimmt, während der magnetische Fluss Ψ weiter zunimmt.
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Wenn der Magnetanker 6 auf die Ventilnadel 1 trifft, ist wieder ein Zustand erreicht, in dem Strom I und magnetischer Fluss Ψ mit in etwa proportionalem Verhältnis zunehmen, bis die magnetische Kraft wiederum ausreicht, den Magnetanker 6 und die Ventilnadel 1 gegen die Kraft der Kalibrationsfeder 2 und den hydraulischen Druck des Kraftstoffs zu bewegen.
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Abhängig davon, ob die Kalibrationsfeder 2 eine Vorspannung aufweist oder nicht ist der Verlauf nun einerseits wieder derart, dass der Strom I abnimmt, während der magnetische Fluss Ψ weiter zunimmt. Allerdings weist dieser Verlauf bei einer vorgespannten Kalibrationsfeder 2 einen nahezu geraden Verlauf auf, während bei nicht vorhandener Vorspannung zunächst ein Verlauf mit einer höheren negativen Steigung und anschließend ein Verlauf mit einer geringeren negativen Steigung auftritt, also ein Knick auftritt.
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Wenn der Magnetanker auf das Magnetjoch auftritt, ist wieder ein Zustand erreicht, in dem Strom I und magnetischer Fluss Ψ mit in etwa proportionalem Verhältnis zunehmen. Nach dem Abschalten der Spannung nehmen sowohl Strom I als auch magnetischer Fluss Ψ ab, bis sie schließlich zum Erliegen kommen.
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Die Abschnitte der Phasenraumkurve, in denen die Zunahmen des Stroms und des magnetischen Flusses nahezu umgekehrt proportional verlaufen, lassen sich gemäß 8 durch Kurven - in erster Näherung beispielsweise durch Geraden - G1 und G2 annähern.
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Wie sich aus den in der 8 dargestellten Kurven ergibt, haben die Graphen G1 und G2 unterschiedliche negative Steigungen, woraus abgeleitet werden kann, dass die Kalibrationsfeder keine Vorspannung hat. Wenn jedoch in diesem Abschnitt der Kurve nur eine negative Steigung ermittelt werden kann, liegt eine Vorspannung der Kalibrationsfeder vor.
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Es kann also in erfindungsgemäßer Weise aus der Anzahl von Graphen G1, G2 mit unterschiedlicher negativer Steigung innerhalb eines zweiten Kurvenabschnittes auf das Vorhandensein einer Vorspannung geschlossen werden.
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Auf diese Weise können neu gefertigte Kraftstoffeinspritzventile vermessen und die Vorspannung gegebenenfalls nachjustiert werden.
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Das Verfahren lässt sich sowohl auf Kraftstoffeinspritzventile mit als auch ohne Leerhubweg anwenden. Bei einem Kraftstoffeinspritzventil ohne Leerhubweg würde sich bei einer Kalibrationsfeder ohne Vorspannung der charakteristische Knick schon im ersten Abschnitt der Strom-Fluss-Kurve im Phasenraum mit negativer Steigung zeigen.
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Die Figuren zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg nach dem Stand der Technik,
- 2 ein Spannungs- und Stromprofil nach dem Stand der Technik zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils,
- 3 einzelne Phasen beim Öffnen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg,
- 4 einzelne Phasen beim Schließen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg,
- 5 einzelne Phasen beim Öffnen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils ohne Leerhubweg,
- 6 einzelne Phasen beim Schließen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils ohne Leerhubweg,
- 7 der aufgrund einer an ein Kraftstoffeinspritzventil mit Leerhubweg angelegten Spannung fließende Strom und der dadurch erzeugte magnetische Fluss in einem Phasenraumdiagramm und
- 8 ein Ausschnitt der Kurve der 7 mit charakteristischen Graphen.
