DE102017212080A1

DE102017212080A1 - Verfahren zum Ansteuern eines eine Magnetspule aufweisenden magnetischen Kraftstoffeinspritzventils

Info

Publication number: DE102017212080A1
Application number: DE102017212080.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Stutika; Gerd Rösel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines eine Magnetspule aufweisenden magnetischen Kraftstoffeinspritzventils (EV), zu dessen Betätigung durch Anziehen eines Magnetankers zu einem Magnetjoch eine Spannung (U_INJ) an die Magnetspule angelegt wird, so dass aufgrund des dadurch fließenden Stromes (I_INJ) in dem Magnetanker und Magnetjoch ein Magnetfeld aufgebaut wird, durch dessen Magnetkraft der Magnetanker gegen eine Federkraft zum Magnetjoch gezogen wird, bei dem nach dem Zuschalten der Spannung (U_INJ) an die Magnetspule die Spannung (U_INJ) und der Strom (I_INJ) gemessen werden, daraus die in die Magnetspule eingebrachte Energiemenge (E) berechnet wird und die Spannung (U_INJ) wieder weggeschaltet wird, wenn die eingebrachte Energiemenge (E) eine vorgegebene Energiemenge (Eref) erreicht hat.

Description

Im Zuge der voranschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs im Automobil gewinnt das 48V-Bordnetz immer mehr an Bedeutung, Durch die Einführung der 48-Volt-Spannungsebene eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten für den Betrieb verschiedener Komponenten.
Spulenbasierte magnetische Kraftstoffeinspritzventile für Benzindirekteinspritzung werden heute mit einer sog, Boostspannung von 65V angesteuert. Dafür wird im herkömmlichen 12V-System ein DC/DC-Konverter benötigt, der die 65V aus der Batteriespannung von üblicherweise 12V - 14V generiert.
Eine deutliche Kosteneinsparung könnte erreicht werden, indem man den Injektor für den Betrieb bei 48V auslegt und in einem 48V-System direkt die Batteriespannung zur Ansteuerung verwendet. Dadurch könnte der DC/DC-Wandler komplett wegfallen.
Ein Problem hierbei ist jedoch der große Spannungsbereich, in dem die Batteriespannung im 48V-System liegen kann, was in 1 dargestellt ist, die die Spannungspegel entsprechend der LV148 zeigt. Daraus ist zu erkennen, dass selbst im Spannungsbereich mit uneingeschränktem Betrieb die Spannung zwischen 36V und 52V schwanken darf. Bei eingeschränktem Betrieb kann die Spannung sogar zwischen 24V und 54V variieren.
Weiterhin ist kritisch, dass sich die Spannung schnell ändern kann und somit für die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils statt 48V möglicherweise nur 24V zur Verfügung stehen, wovon je nach Situation noch nicht einmal eine Kenntnis vorliegt. Kritisch ist vor allem eine Änderung der Spannung während der Boostphase bzw. der Ansteuerung. Das kann mit den Definitionen aus LV 148 passieren.
Um die Anforderungen an die Mengengenauigkeit zu erfüllen, benötigt ein Injektor eine stabile Ansteuerspannung. In 2 ist dargestellt, wie ein Injektor auf verschiedene Ansteuerspannungen zwischen 45V und 65V reagiert. Es sind dabei die Abhängigkeiten des Verlaufs über der Zeit und der Amplitude der an der Magnetspule eines Kraftstoffinjektors anliegenden Spannung U_INJ, des durch die Magnetspule fließenden Stromes I_INJ und der Kraftstoffdurchfluss ROI über der Zeit für verschiedene Werte für die Versorgungsspannung gezeigt.
Vor allem im in 2 dargestellten, ballistischen Betrieb ergeben sich bereits bei kleinen Spannungsänderungen massive Änderungen der eingespritzten Kraftstoffmenge und somit kann die notwendige Genauigkeit nicht mehr erreicht werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines eine Magnetspule aufweisenden magnetischen Kraftstoffeinspritzventils in einem 48V-System anzugeben, das die geforderte Genauigkeit bei der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erfüllt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach werden bei einem Verfahren zum Ansteuern eines eine Magnetspule aufweisenden magnetischen Kraftstoffeinspritzventils, zu dessen Betätigung durch Anziehen eines Magnetankers zu einem Magnetjoch eine Spannung an die Magnetspule angelegt wird, so dass aufgrund des dadurch fließenden Stromes in dem Magnetanker und Magnetjoch ein Magnetfeld aufgebaut wird, durch dessen Magnetkraft der Magnetanker gegen eine Federkraft zum Magnetjoch gezogen wird, nach dem Zuschalten der Spannung an die Magnetspule die Spannung und der Strom gemessen, es wird daraus die in die Magnetspule eingebrachte Energiemenge berechnet und die Spannung wieder weggeschaltet, wenn die eingebrachte Energiemenge eine vorgegebene Energiemenge erreicht hat.
Dabei ist die Energie im Magnetfeld proportional zur Kraft, mit der der Magnetanker gegen die Federkraft angezogen wird. Eine Energieregelung sorgt daher für eine immer gleiche Öffnungskraft für eine gewünschte Einspritzmenge.
Es wird also erfindungsgemäß von einer zeitbasierten Ansteuerung, bei der das Kraftstoffeinspritzventil mit einer möglichst konstanten Spannung während einer bestimmten Zeitdauer beaufschlagt wird, auf eine energiebasierte Ansteuerung gewechselt. Das bedeutet, dass im ballistischen Betrieb jeder gewünschten Kraftstoffmenge eine bestimmte erforderliche Energiemenge zugeordnet wird, die in einer Ausbildung der Erfindung je nach Kraftstoffdurchfluss, Ventiltemperatur, Kraftstoffdruck, etc. bestimmt wird. Während der Ansteuerung wird die angelegte Spannung und der in die Magnetspule fließende Strom gemessen und daraus die eingebrachte Energie berechnet, was mit heute verfügbaren Mikrocontrollern in Echtzeit möglich ist. Sollte sich die Spannung verändern, z.B. verringern, wird die Ansteuerung des Injektors aufrechterhalten, bis der gewünschte Energiewert erreicht ist.
Somit lasst sich der in 2 dargestellte Effekt kompensieren und es entsteht die Möglichkeit, direkt mit der Batteriespannung im 48V-System entsprechend der LV148 einen Kraftstoffinjektor anzusteuern.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher beschrieben werden. Dabei zeigen

1 eine Darstellung der zulässigen Spannungsbereiche in einem 48V-System nach LV148,
2 eine Darstellung der Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs und der Amplituden der Spannung an der und des Stromes durch die Magnetspule eines Kraftstoffeinspritzventils und des Kraftstoffdurchflusses von der anliegenden Batteriespannung und
3 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Schaltungsanordnung der 3 wird die Spannung einer Batterie B, die einen Nominalwert von 48V in einem 48V-System eines Kraftfahrzeuges hat, an die Magnetspule eines magnetischen Kraftstoffeinspritzventils EV über einen Schalter S angelegt.
Die an der Magnetspule anliegende Spannung U_INJ und der durch die Magnetspule fließende Strom I_INJ werden mit geeigneten Mitteln gemessen und einer Steuereinheit SE zur Verarbeitung zugeführt. Die Steuereinheit SE kann Teil einer größeren Signalverarbeitungseinheit SVE, beispielsweise Teil eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors, sein. Die Steuereinheit SE steuert den Schalter S an, der Teil einer Endstufe ES zur Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils EV ist.
Der Steuereinheit SE werden außerdem im Beispiel der 3 die Temperatur T des Kraftstoffeinspritzventils oder des Kraftstoffes, der Kraftstoffdruck P, der Lambda-Wert, die Stickoxidkonzentration oder auch ein Fahrerwunsch, der über eine Aktor eingegeben wird, oder eine Cosi-Adaption zugeführt. Es wäre ebenso möglich, weitere Werte von Betriebszuständen des Kraftstoffeinspritzventils oder des Kraftfahrzeugs der Steuereinheit zur Weiterverarbeitung zuzuführen.
Die Steuereinheit SE steuert zunächst den Schalter S an, so dass dieser geschlossen wird und ermittelt dann fortlaufend in erfindungsgemäßer Weise aus dem Strom I_INJ und der Spannung U_INJ die der Magnetspule des Kraftstoffeinspritzventils EV zugeführte Energie E gemäß der Formel $E = \int U_INJ (t) *I_INJ (t) dt$
Dieser Energiewert wird ebenfalls fortlaufend mit einem vorgegebenen Energiewert Eref verglichen. Der vorgegebene Energiewert Eref wird in vorteilhafter Weise unter Berücksichtigung der oben genannten Betriebszustände, also beispielsweise der Kraftstofftemperatur T und des Kraftstoffdruckes P, berechnet oder aus einer Wertetabelle entnommen. Der vorgegebene Energiewert Eref entspricht der Menge an Energie, die dem Kraftstoffeinspritzventil EV zugeführt werden muss, um eine gewünschte Kraftstoffmenge in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors einzuspritzen.
Wenn die dem Kraftstoffeinspritzventil EV zugeführte Energiemenge E den vorgegebenen Energiewert Eref erreicht, wird der Schalter S von der Steuereinheit SE mittels der Endstufe ES wieder geöffnet, so dass das Kraftstoffeinspritzventil EV nicht weiter bestromt und folglich wieder geschlossen wird.
Die Erfindung realisiert also eine energiebasierte, geregelte Ansteuerung des magnetischen Kraftstoffeinspritzventils statt einer vorgesteuert zeitbasierten Ansteuerung.
Es erfolgt somit die Darstellung eines Echtzeitverfahrens zur Kompensation von Schwankungen der Ansteuerung im Gegensatz zu einer Adaption. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, starke Spannungsschwankungen in einem 48V-System zu kompensieren und dabei eine Ansteuerung ohne einen DC/DC-Wandler zu realisieren bzw. eine Ansteuerung mit deutlich weniger strikten Anforderungen an die Spannungsgenauigkeit. Dies führt zu einer Kostenreduzierung. Dabei kann zusätzlich eine Schließzeitregelung verwendet werden zum Ausgleich von mechanischen Toleranzen.

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines eine Magnetspule aufweisenden magnetischen Kraftstoffeinspritzventils (EV), zu dessen Betätigung durch Anziehen eines Magnetankers zu einem Magnetjoch eine Spannung (U_INJ) an die Magnetspule angelegt wird, so dass aufgrund des dadurch fließenden Stromes (I_INJ) in dem Magnetanker und Magnetjoch ein Magnetfeld aufgebaut wird, durch dessen Magnetkraft der Magnetanker gegen eine Federkraft zum Magnetjoch gezogen wird, bei dem nach dem Zuschalten der Spannung (U_INJ) an die Magnetspule die Spannung (U_INJ) und der Strom (I_INJ) gemessen werden, daraus die in die Magnetspule eingebrachte Energiemenge (E) berechnet wird und die Spannung (U_INJ) wieder weggeschaltet wird, wenn die eingebrachte Energiemenge (E) eine vorgegebene Energiemenge (Eref) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Energiemenge (Eref) abhängig ist von Betriebszuständen des Kraftstoffeinspritzventils (EV).
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Betriebszustände der Kraftstoffdurchfluss (ROI), die Temperatur (T), der Kraftstoffdruck (P), der Lambda-Wert oder die Stickoxidkonzentration sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kraftstoffeinspritzventil mit einer Nominalspannung von 48V entsprechend der LV148 betrieben wird.