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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines Magnetaktors einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Anker von einer pulsbreitenmoduliert angesteuerten Magnetspule bewegt wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet des Betriebs von Magnetaktoren mit einer Magnetspule und einem von dieser Magnetspule bewegten Anker in Brennkraftmaschinen. Beispielhaft seien hier Dieselmotoren genannt, bei denen typischerweise Stellglieder im Kraftstoffzumesssystem (insbesondere Common-Rail-System) Magnetaktoren aufweisen, bei denen der Anker mittels eines Ansteuerstroms in seiner Position variabel verändert werden kann. Die Erfindung bezieht sich hier beispielsweise auf die sog. Zumesseinheit ZME (engl. Metering Unit, MeUn) oder auf das sog. Druckregelventil DRV (engl. Pressure Control Valve, PCV).
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Herkömmlicherweise werden die Magnetaktoren ohne Positionsrückführung gesteuert, was sich negativ auf die Regeldynamik und auf das Erkennen von Fehlfunktionen auswirkt. Beispielsweise gibt es keine Möglichkeit, einen „klemmenden“ Magnetaktor, bei dem sich der Anker in der Spule trotz angelegten Ansteuerstroms nicht bewegt, direkt zu erkennen.
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Aus der
DE 10 2013 215 939 A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit bekannt, eine Position eines solchen Ankers zu ermitteln, indem eine Induktivität der Magnetspule ermittelt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Überprüfung eines Magnetaktors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur Überprüfung eines Magnetaktors einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Anker von einer pulsbreitenmoduliert angesteuerten Magnetspule bewegt wird. Bei solchen Magnetaktoren ergeben sich nötige Soll-Ströme, die über die pulsbreitenmodulierte Ansteuerung erreicht werden sollen, in der Regel anhand einer übergeordneten bzw. überlagerten Stromregelung. Als Magnetaktor kommt hierbei insbesondere ein Magnetaktor einer Zumesseinheit eines Kraftstoffzumesssystems der Brennkraftmaschine oder ein Magnetaktor eines Druckregelventils der Brennkraftmaschine in Betracht.
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Dabei ist es möglich, einen Strom oder einen mittleren Strom in einer solchen Magnetspule zu erfassen, damit überprüft werden kann, ob ein gewünschter Sollstrom auch eingehalten wird bzw. es kann auf diese Weise die erwähnte Stromregelung durchgeführt werden. Bei solchen Strommessungen kommt es allerdings nicht auf den genauen Zeitpunkt der Strommessung an, vielmehr können solche Strommessungen zufällig verteilt bzw. asynchron zu der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung vorgenommen werden. Die Strommessungen an sich können dabei über Messwiderstände mit anschließender Signalverstärkung und ggf. einer Tiefpassfilterung erfolgen. Da hier jedoch keine Korrelation zur Bewegung des Ankers vorliegt, ist eine Überprüfung oder Plausibilisierung des Magnetaktors hinsichtlich des Ankers und insbesondere dessen Position nicht möglich.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird daher in wenigstens einem Zeitbereich, der in Abhängigkeit von Ansteuerzeiten der Magnetspule im Rahmen der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung vorgegeben wird, ein Strom in der Magnetspule ermittelt. Anhand einer Amplitude des ermittelten Stromes und/oder einer damit korrelierten Größe wird dann durch Vergleich mit einem Referenzwert die Überprüfung des Magnetaktors vorgenommen. Als mit der Amplitude des Stroms korrelierte Größe kommt dabei beispielsweise die Position des Ankers, die insbesondere über die Induktivität ermittelt werden kann, in Betracht.
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Durch die nunmehr vorhandene Korrelation zwischen der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung und der Strommessung kann auch eine Aussage über die Bewegung des Ankers getroffen werden, da in Abhängigkeit von der aktuellen Phase des PWM-Signals der Strom ansteigt und abfällt. Die Amplitude des Stroms stellt dabei ein Maß für die Bewegung bzw. Position des Ankers dar.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Strom in dem wenigstens einen Zeitbereich ermittelt wird, indem aus einer Vielzahl an Strommessungen, die asynchron mit der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung und/oder zufällig vorgenommen werden, eine oder mehrere Strommessungen ausgewählt werden, die in dem wenigstens einen Zeitbereich liegen. Auf diese Weise ist es nicht nötig, separate Strommessungen vorzunehmen, sondern es müssen lediglich aus bereits vorhandenen Strommessungen, die - wie erwähnt - für andere Anwendungen vorgenommen werden können, die gewünschten ausgewählt werden.
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Generell ist eine solche, zeitlich bestimmte, Vornahme oder Auswahl von Strommessungen in der Regel dadurch möglich, dass zum Zeitpunkt der Strommessung die von der aktuellen PWM-Phase bereits abgelaufene Zeit aus einer zugehörigen Timer-Einheit einer ausführenden Recheneinheit, dort insbesondere eines Mikrocontrollers, ausgelesen wird. Dadurch wird eine genaue Zuordnung der Strommesszeitpunkte zum Stromverlauf möglich.
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Vorzugsweise wird dabei im Rahmen der Überprüfung des Magnetaktors eine Position des Ankers ermittelt. Besonders zweckmäßig ist aber auch, wenn im Rahmen der Überprüfung des Magnetaktors eine Diagnose, insbesondere eine prädiktive Diagnose, des Magnetaktors vorgenommen wird.
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Damit können nun beispielsweise verschiedene verschleißbedingte Magnetaktor- bzw. Ventilzustände erkannt werden. Denkbar ist beispielsweise eine Erkennung, dass der Anker bzw. ein Ventil klemmt, insbesondere an beliebigen Punkten des Stellwegs. Ebenso kann eine Verkleinerung des Stellwegs durch Abnutzung über die Lebensdauer des Magnetaktors bzw. Ventils erkannt werden. Im Rahmen der erwähnten prädiktiven Diagnose lassen sich beispielsweise Ausfälle des Magnetaktors bzw. Ventils vorhersagen, sodass dieser bzw. dieses rechtzeitig in der Werkstatt ersetzt werden kann. Auch lassen sich auf diese Weise Wechselintervalle an die jeweilige, exemplarspezifische Abnutzung anpassen und ggf. verlängern. Durch Verfügbarmachung der Diagnose-Informationen beispielsweise über Connected-Services können Langzeitdaten von Magnetaktoren bzw. Ventilen in der Entwicklungsphase gewonnen werden. Dadurch lassen sich beispielsweise Entwicklungszyklen verkürzen. Ebenso können dadurch statistische Feldausfalldaten von Magnetaktoren bzw. Ventilen im Rahmen von Gewährleistungsfragen gewonnen werden.
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Hierzu sei auch noch angemerkt, dass für eine solche Überprüfung oder Diagnose nicht notwendigerweise die Position des Ankers ermittelt werden muss. Vielmehr kann beispielsweise auch anhand der Amplitude selbst eine solche Überprüfung oder Diagnose erfolgen, beispielsweise mit einer Amplitude für einen ordnungsgemäß funktionierenden Magnetaktor als Referenzwert oder aber beispielsweise auch einer Amplitude des Stroms zu einem früheren Zeitpunkt als Referenzwert, wenn beispielsweise eine Abnutzung über die Lebensdauer ermittelt werden soll.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der wenigstens eine Zeitbereich innerhalb solcher Ansteuerzeitdauern liegt, in denen im Rahmen der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung eine Spannung an der Magnetspule anliegt, da dann in der Regel auch ein Anheben des Ankers umfasst ist.
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Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine Zeitbereich einen Anfang und/oder ein Ende einer Ansteuerzeitdauer, in welcher im Rahmen der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung die Spannung an der Magnetspule anliegt. Zweckmäßigerweise beginnt bzw. endet der wenigstens eine Zeitbereich dabei auch mit dieser Ansteuerzeitdauer. Ebenso ist es bevorzugt, wenn der wenigstens eine Zeitbereich wenigstens 5%, vorzugsweise wenigstens 10%, weiter vorzugsweise wenigstens 15% und/oder höchstens 30% der Ansteuerzeitdauer, in welcher im Rahmen der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung die Spannung an der Magnetspule anliegt, umfasst. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass einerseits mit einer gewissen Sicherheit eine zufällige Strommessung im Zeitbereich liegt, und dass andererseits möglichst genaue Stromwerte erfasst werden.
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Vorteilhafterweise wird in wenigstens zwei Zeitbereichen ein Strom in der Magnetspule ermittelt, wobei die Amplitude durch Mittelwertbildung der Ströme in den wenigsten zwei Zeitbereichen ermittelt wird. Als Art des Mittelwerts kommt dabei insbesondere der arithmetische Mittelwert in Betracht. Damit sind eine noch genauere Ermittlung der Amplitude und damit eine genauere Überprüfung des Magnetaktors möglich.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe mit einem elektrischen Saugventil, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch einen Magnetaktor, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 3 zeigt einen Verlauf eines Stroms bei pulsbreitenmodulierter Ansteuerung eines Magnetaktors zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzsystem 10 einer Brennkraftmaschine 40 gezeigt. Dieses umfasst beispielhaft eine (hier elektrische) Kraftstoffpumpe 14, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 entnommen und über einen Kraftstofffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15 gefördert werden kann. Der Bereich vor der Hochdruckpumpe 15 stellt somit einen Niederdruckbereich dar. Die Hochdruckpumpe 15 ist in der Regel mit der Brennkraftmaschine 40 bzw. deren Nocken- oder Kurbelwelle in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis verbunden und kann damit angetrieben werden.
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Die Hochdruckpumpe 15 weist eine Zumesseinheit 16 auf, und ein Ausgang der Hochdruckpumpe 15 ist mit einem Hochdruckspeicher 18, dem sog. Rail, verbunden, an dem eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 19 angeschlossen ist. Über die Kraftstoffinjektoren 19 wiederum kann Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 40 eingebracht werden.
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Weiterhin kann am Hochdruckspeicher 18 ein Drucksensor 20 vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, einen Druck im Hochdruckspeicher 18 zu erfassen. Zudem ist ein Druckregelventil 21 vorgesehen, über das der Druck in dem Hochdruckspeicher - neben der Verwendung der Zumesseinheit - geregelt bzw. eingestellt werden kann. Über das Druckregelventil 21 kann überschüssiger Kraftstoff in den Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden. Es versteht sich, dass je nach Art des Kraftstoffeinspritzsystems auch nur eine Zumesseinheit oder nur ein Druckregelventil zur Einstellung bzw. Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher verwendet werden kann.
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Weiterhin ist eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 80 gezeigt, die beispielhaft dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 40 bzw. die Kraftstoffinjektoren 19 und die Hochdruckpumpe 15 mit der Zumesseinheit 16 sowie das Druckregelventil 21 anzusteuern. Weiterhin kann das Steuergerät 80 beispielsweise Signale des Drucksensors 20 einlesen und so den Druck im Hochdruckspeicher 18 erfassen und verarbeiten.
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In 2 ist ein Magnetaktor 100 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Der Magnetaktor 100 kann dabei Teil eines Magnetventils bzw. einer Zumesseinheit eines Kraftstoffzumesssystems oder aber auch eines Druckregelventils einer Brennkraftmaschine sein, wie zuvor in Bezug auf 1 erläutert.
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Der Magnetaktor 100 weist eine Magnetspule 111 und einen darin in einer x-Richtung beweglich gelagerten Anker 112 auf. Der Anker 112 ist mit einem Dichtelement 113, z.B. einer Ventilnadel o.ä., verbunden, das mit einem Ventilsitz 114 zusammenwirkt, um die Ventilfunktionalität bereitzustellen.
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Ein Öffnungsgrad des Ventils, d.h. eine Position x des Ankers 112, kann bei Anlegen einer Spannung U über einen Strom I durch die Magnetspule 111 gesteuert werden, welcher von dem Steuergerät 80 ausgegeben wird. Es versteht sich, dass auch ein anderes als das in 1 gezeigte Steuergerät hierzu verwendet werden kann.
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In 3 ist ein Verlauf eines Stroms bei pulsbreitenmodulierter Ansteuerung eines Magnetaktors zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist ein Strom I über der Zeit t aufgetragen. In 4 ist ein zugehöriger Ablauf schematisch dargestellt. Die 3 und 4 sollen im Folgenden übergreifend beschrieben werden.
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Im Rahmen der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung wird in einer Periode T für eine Ansteuerzeitdauer Δton zunächst eine Spannung, wie in Bezug auf 2 erläutert, an die Magnetspule angelegt, anschließend wird für eine Ansteuerzeitdauer Δtoff keine Spannung angelegt.
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Entsprechend steigt der Strom I innerhalb der Ansteuerzeitdauer Δton zunächst an und sinkt dann innerhalb der Ansteuerzeitdauer Δtoff wieder ab, wie es sich für eine Magenspule in aller Regel ergibt. Weiterhin werden nun zu verschiedenen, zufällig und asynchron zur pulsbreitenmodulierten Ansteuerung gelegenen Zeitpunkten Strommessungen des Stroms I vorgenommen (Punkte in der 3). Hier ist beispielhaft eine der Strommessungen mit dem Bezugszeichen M bezeichnet. Solche Strommessungen können - wie erwähnt - beispielsweise vorgenommen werden, um einen Sollstrom zu überwachen.
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Es werden nun beispielhaft zwei Zeitbereiche Δt1 und Δt2 vorgegeben, die jeweils 10% der Dauer der Ansteuerzeitdauer Δton und den Anfang bzw. das Ende dieser Ansteuerzeitdauer Δton umfassen. Es werden dann diejenigen Strommessungen M, die innerhalb dieser Zeitbereiche Δt1 und Δt2 liegen, ausgewählt.
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Anhand dieser Strommessungen wird dann, beispielsweise durch Mittelwertbildung, eine aktuelle Amplitude, hier mit A bezeichnet, ermittelt. Diese Amplitude A wird dann mit einem Referenzwert Aref verglichen und es wird eine (prädiktive) Diagnose D erstellt.
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Wird dies beispielsweise zu bestimmten Betriebspunkten (z.B. bei einem Soll-Raildruck, einem Sollstrom oder einer Temperatur der Magnetspule) vorgenommen, kann die Änderung über die Lebensdauer beobachtet werden. Da die Amplitude des Stroms wiederum ein Maß für die Ventilbewegung ist, lassen sich so klemmende Ventile (der Stromhub wird plötzlich kleiner) oder Einschränkungen des Stellwegs (Stromhub wird im Laufe der Ventillebensdauer allmählich kleiner) erkennen. Durch statistische Auswertung (z.B. über Wahrscheinlichkeitsdichten, Korrelationsverfahren oder dergleichen) der angefallenen Daten und durch Vergleich mit bekannten Ausfallsmustern lassen sich so auch prädiktive Aussagen über den Zustand des Ventils und dessen Lebensdauer machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013215939 A1 [0004]
