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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der magnetischen Kraftstoffinjektoren (Solenoid-Injektoren) für Brennkraftmaschinen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Kalibrieren einer Mehrzahl von magnetischen Kraftstoffinjektoren mit Leerhub.
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Die
1 zeigt einen Solenoid-Injektor
100 mit Leerhub
114 zwischen Anker
104 und Düsennadel
106, wie er aus der
DE 10 2016 217 415 A1 bekannt ist. Dort ist beschrieben, dass beim Anlegen einer Spannung an die Spule
102 (zum Zeitpunkt OPP0) durch elektromagnetische Kräfte der Anker
104 von der Hydro-Disc
108 weg in Richtung Polschuh (Pole-Piece)
112 bewegt wird. Durch mechanische Kopplung bewegt sich nach Überwinden des Leerhubs
114 (verursacht durch Feder
110) dann ebenfalls die Düsennadel
106 und gibt Einspritzlöcher zur Kraftstoffzufuhr frei. Der Zeitpunkt, zu dem die Nadelbewegung beginnt, wird OPP1 genannt. Anker
104 und Düsennadel
106 bewegen sich weiter gegen die Kräfte der Feder
110 und der Kalibrierungsfeder
132 bis der Anker
104 an den Polschuh
112 (zum Zeitpunkt OPP2) anschlägt (maximaler Nadelhub). Zum Schließen des Injektors
100 wird die Erregerspannung (zum Zeitpunkt OPP3) abgeschaltet und somit nimmt der Strom durch die Spule
102 ab und in Folge davon baut sich die magnetische Kraft ab. Düsennadel
106 einschließlich Anker
104 werden durch die Federkraft (Feder
110 und Feder
132) in die Schließposition bewegt. Zuerst wird der Nadelhub (zum Zeitpunkt OPP4) überwunden, anschließend bewegt sich der Anker
104 durch die Kraft der Feder
110 von der Nadel
106 weg zur Hydro-Disc
108 und nimmt wieder (zum Zeitpunkt OPP5) seine Ruheposition ein. Der Beginn der Nadelbewegung (OPP1) ist der Beginn der Einspritzung, das Ende der Nadelbewegung (OPP4) ist das Ende der Einspritzung, das heißt, die hydraulische Dauer der Einspritzung ist durch die Zeiten OPP1 und OPP4 der Nadelbewegung bestimmt.
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Bei kurzen Einspritzzeiten beginnt der Schließvorgang bereits bevor der Anker an den Polschuh anschlägt, die Nadelbewegung beschreibt somit eine ballistische Flugbahn.
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Beim Vergleich mehrerer Injektoren durch Fertigungstoleranzen können sich Injektoröffnen (OPP0, OPP1, OPP2) und Injektorschließen (OPP3, OPP4, OPP5) trotz identischer elektrischer Ansteuerung zeitlich unterscheiden, die eingespritzten Kraftstoffmengen sind deshalb ebenfalls unterschiedlich.
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Die Bestimmung von OPPs erfolgt im Betrieb basierend auf der wirbelstromgetriebenen Kopplung zwischen Mechanik (Anker und Injektornadel) und Magnetkreis (Spule), welche ein Feedbacksignal generiert, das auf der Bewegung der Mechanik beruht. Hierbei wird ein geschwindigkeitsabhängiger Wirbelstrom im Anker infolge der Bewegung der Düsennadel und des Ankers induziert, welcher ebenfalls eine Rückwirkung auf den elektromagnetischen Kreis verursacht. In Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit wird im Elektromagneten eine Spannung induziert, die dem Ansteuersignal überlagert ist. Die Ausnutzung dieses Effektes bedingt, dass die Überlagerung der elektrischen Grundgröße Spannung bzw. Strom mit der Signaländerung durch die Nadelbewegung geeignet separiert und dann weiterverarbeitet wird. Dabei wird die charakteristische Signalform im Spannungs- bzw. Stromsignal bzgl. des Zeitpunktes des Auftretens ausgewertet.
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Das Gleichstellen der Mengengenauigkeiten erfolgt durch das Gleichstellen der zeitlichen Differenz des Öffnungs- und des Schließzeitpunktes. Hierfür müssen diese Zeitpunkte im Strom- bzw. Spannungssignal ermittelt werden.
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Da insbesondere eine präzise Bestimmung des Öffnungszeitpunkts mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist, wird es für Kraftstoffinjektoren ohne Leerhub ausgenutzt, dass für solche Kraftstoffinjektoren im ballistischen Betriebsbereich eine Korrelation zwischen Öffnungszeitpunkten (OPP1) und Schließzeitpunkten (OPP4) besteht, so dass der Öffnungszeitpunkt (OPP1) aus einem gemessenen Schließzeitpunkt (OPP4) bestimmt werden kann. Dieser Zusammenhang ermöglicht dann ein Gleichstellen der Einspritzmengen durch eine Regelung der Ansteuerzeit (das heißt die Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors).
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Bei Kraftstoffinjektoren mit Leerhub ist eine solche Korrelation zwischen Öffnungszeitpunkt (OPP1) und Schließzeitpunkt (OPP4) nicht unmittelbar gegeben, da der Leerhub aufgrund von Fertigungstoleranzen von Kraftstoffinjektor zu Kraftstoffinjektor variiert. Folglich ist das oben erwähnte Regelungsverfahren nicht für Kraftstoffinjektoren mit Leerhub anwendbar.
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Die Zeit bis zum Öffnen verschiedener Injektoren ist bei gleicher elektrischer Ansteuerzeit TI (Zeit des Anlegens einer Spannung an die Spule des SolenoidInjektors) abhängig von mehreren Injektorparametern, insbesondere des Leerhubs. Bei kleinem Leerhub ist ein frühes Öffnen, bei großem Leerhub ein späteres Öffnen zu erwarten.
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Die anschließenden Flugbahnen (aus Höhe und Dauer) der Injektoreinheit aus Nadel und Anker sind dann immer identisch, Überschneidungen etc. sind aufgrund der hohen Dynamik nicht zu erwarten.
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DE 60 2004 003 390 T2 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung, in Echtzeit und in Abhängigkeit von der Dauer der Steuerung der Einspritzung, der Durchsatzkennlinie mindestens einer Kraftstoffeinspritzdüse mit elektrischer Steuerung, die einen Verbrennungsmotor versorgt und in einem Kreis zur Kraftstoffversorgung dieses Motors angeordnet ist, wobei dieser Kreis mindestens eine Pumpe umfasst, die aus einem Kraftstoffbehälter versorgt wird und mit einer gemeinsamen Steuereinheit zur Kraftstoffversorgung der Einspritzdüsen des Motors verbunden ist, wobei jede Einspritzdüse durch eine Motorsteuereinheit gesteuert wird, die mindestens einen Rechner und mindestens einen Speicher umfasst und im Allgemeinen in der Form einer elektronischen Motorsteuer- und - kontroll- bzw. -regeleinheit ausgeführt ist, so dass jede Einspritzdüse bei jedem Zyklus des Motors dem Motor eine Kraftstoffmasse liefert, die durch die Durchsatzkennlinie der Einspritzdüse bestimmt ist, die die eingespritzte Masse gemäß einer steigenden Funktion der Dauer der Steuerung der Einspritzung der Einspritzdüse ausdrückt, die durch diese Motorsteuereinheit gesteuert wird, die auch andere Parameter berücksichtigen kann, die einen Einfluss auf diese Kennlinie haben, wie den Druck des Kraftstoffs oder die elektrische Versorgungsspannung.
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DE 10 2015 219 741 A1 betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Einspritzmenge eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Das Verfahren weist folgendes auf: (a) Bestimmen eines ersten Zeitpunktes, zu dem ein Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors beginnt, (b) Bestimmen eines zweiten Zeitpunktes, zu dem der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors endet, (c) Berechnen eines Modells basierend auf dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, das die Position einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors als Funktion der Zeit darstellt, und (d)
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Berechnen der Einspritzmenge basierend auf dem Modell und einer Relation zwischen der Position der Düsennadel und dem Durchfluss des Kraftstoffinjektors. Eine besondere Berücksichtigung der Durchflussmengen beim Teilhubbetrieb zeigt die
DE 10 2015 117 516 B4 .
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DE 10 2008 040 626 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer in wenigstens einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mittels wenigstens einer Einspritzung unter hohem Druck eingespritzten Kraftstoffmasse einer Einzeleinspritzung, wobei mittels eines Vergleichs eines Maßes für die Istmenge des eingespritzten Kraftstoffs wenigstens einer Testeinspritzung, die aufgrund eines Maßes für eine vorgegebene Sollmenge einer gewünschten Einzeleinspritzung vorgenommen wird, und des Maßes für die Sollmenge der Teileinspritzung eine Korrekturgröße für die Einzeleinspritzung festgelegt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgender Testeinspritzungen vorgenommen wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Darstellung eines Verfahrens zur zeitlichen Bestimmung von Öffnungs- und Schließvorgängen von Injektoren sowie Korrekturmaßnahmen zur Gleichstellung von Einspritzmengen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Demnach sind bei einem Verfahren zum Ansteuern eines Magnetkraftstoffinjektors zum Betreiben in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, im Speicher eines Steuergeräts im Kraftfahrzeug Wertegruppen aus
- - einem Wert für eine Ansteuerzeit für den Magnetkraftstoffinjektor,
- - einem Wert für eine zugehörige Treibstoffeinspritzmenge und
- - einem Wert für eine zugehörige Ableitung der Funktion, die die Abhängigkeit des Ventilschließzeitpunkts von der Ansteuerzeit beschreibt, nach der Ansteuerzeit, für verschiedene Treibstoffeinspritzmengen abgespeichert,
wobei ein aktueller Wert für die Ableitung im Speicher abgespeichert ist, wobei für jeden Einspritzvorgang aus der vorgegebenen Einspritzmenge und dem aktuell im Speicher gespeicherten Wert für die Ableitung ein zu verwendender Wert für die Ansteuerzeit aus den Wertegruppen ermittelt wird, und wobei während des Betriebs des Verbrennungsmotors zyklisch aus aufeinanderfolgenden Einspritzungen die aktuellen Schließzeitpunkte zusammen mit den zugehörigen Ansteuerzeiten ermittelt und daraus das Verhältnis der Differenzen als neuer aktueller Wert für die Ableitung ermittelt und in den Speicher abgelegt wird.
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Hierdurch kann eine Korrektur des Öffnungsverhaltens mittels des Schließverhaltens erfolgen, ohne dass der Öffnungszeitpunkt ermittelt werden muss. Es ist nur ein reduzierter Hardware-Aufwand erforderlich, da nur ein Messpfad benötigt wird. Detektionstoleranzen werden daher nur von einem Messpfad eingebracht. Bei der Schließzeitpunktdetektion kann eine Standardansteuerung verwendet werden, es ist daher eine ständige Detektion und Korrektur möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 eine Schnittansicht eines magnetischen Kraftstoffinjektors,
- 2 Diagramme, die den Zusammenhang zwischen Kraftstoffinjektoransteuerung und Ventilnadel-Anker-Bewegungsverlauf darstellen,
- 3 Kurven, die den Zusammenhang zwischen Ansteuerzeit, der Ableitung der Funktion, die die Abhängigkeit der Ventilschließzeit von der Ansteuerzeit beschreibt, nach der Ansteuerzeit, und der Kraftstoffeinspritzmenge darstellen.
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Die 1 zeigt, wie auch eingangs erläutert, eine Schnittansicht eines magnetischen Kraftstoffinjektors 100 mit Magnetspulenantrieb (Solenoid-Injektor) mit Leerhub 114 zwischen Anker 104 und Düsennadel 106. Der Injektor 100 weist insbesondere einen Magnetspulenantrieb mit Spule 102 und Anker 104 auf. Wenn die Spule 102 mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, bewegt sich der magnetische Anker 104 in Richtung des breiten Teils der Düsennadel 106 und drückt diese dann nach Überwindung des Leerhubs 114 (gegen die Kraft der Feder 110) gegen die von den Federn 110 und 132 ausgeübten Federkräfte nach oben bis der Anker 104 an den Polschuh 112 anschlägt. Nach Ende des Spannungspulses bewegen sich Anker 104 und Düsennadel 106 wieder nach unten zur Ausgangsposition an der Hydro-Disc 108 zurück. Es wird auch auf die Beschreibung in der obigen Einleitung verwiesen. Reicht die durch den Spannungspuls zugeführte Energie nicht dazu aus, den Anker 104 zum Anschlag an den Polschuh 112 zu bringen, dann stellt die Nadelbewegung eine im Wesentlichen parabelförmige (ballistische) Flugbahn dar.
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Der in 1 gezeigte Solenoid-Injektor 100 weist mehrere Merkmale auf, die als solche bekannt sind. Diese Merkmale umfassen insbesondere Ventilkörper 116, Integrierte Sitzführung 118, Kugel 120, Dichtung 122, Gehäuse 124, Kunststoff 126, Scheibe 128, Metallfilter 130 und Kalibrierungsfeder 132.
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In der 2 ist der Zusammenhang zwischen dem Strom I durch ein magnetisches Kraftstoffeinspritzventil abhängig von der Zeit und dem Verlauf der Einspritzmenge ROI von der Zeit für zwei verschiedene Kraftstoffeinspritzventile und verschiedene Ansteuerzeiten TI dargestellt. Wie zu erkennen ist, steigt der Strom nahezu linear an, nachdem eine Spannung an die Spule des Solenoidinjektors angelegt wurde und zwar bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Spannung wieder abgeschaltet wird. Danach nimmt der Strom exponentiell ab, bis er zum Erliegen kommt. Je nachdem, wie lange die Spannung angelegt wird, steigt der Strom entsprechend weit an, was bei einer längeren Ansteuerzeit TI dazu führt, dass sich eine größere Magnetkraft einstellt, die die Einheit aus Anker und Ventilnadel früher in Bewegung versetzt und eine größerer Bewegungsamplitude verursacht; damit schließt das Ventil auch später.
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Wie aus den Verläufen der Einspritzmengen zu erkennen ist, beginnt sich nach der Überwindung des Leerhubs durch den Anker des Solenoidinjektors die Ventilnadel zu bewegen und gibt dadurch die Kraftstoffeinspritzöffnungen des Injektors frei, wobei durch eine zunehmende Öffnung eine größere Menge Kraftstoff eingespritzt wird. Wenn sich aufgrund des Abschaltens des Stroms I die magnetische Kraft wieder abbaut, bewegt sich aufgrund einer Federkraft die Ventilnadel und der Anker wieder zurück in die Ausgangsposition, was dazu führt, dass nach einem anfänglichen Ansteigen der Kraftstoffmenge diese wieder abnimmt. Bei größerer magnetischer Kraft dauert die „Flugzeit“ des Ankerventilnadelverbunds länger und die Flugbahn ist auch höher. Entsprechend wird eine deutlich größere Kraftstoffmenge eingespritzt. Wie zu erkennen ist, liegen bei längerer Ansteuerzeit TI die Schließzeitpunkte des Injektors zunehmend später, während die Öffnungszeitpunkte ein klein wenig früher liegen.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, liegen die Öffnungszeitpunkte und folglich auch die Schließzeitpunkte bei unterschiedlichen Solenoidinjektoren bei unterschiedlichen Zeiten.
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Es wurde erkannt, dass die Abhängigkeit der Einspritzmenge von der Ableitung der Funktion, die die Schließzeitpunkte von der Ansteuerzeit TI beschreibt, gut korrelieren, so dass eine Gleichstellung der Einspritzmengen von einer Ermittlung dieser Funktionsableitung abhängig gemacht werden kann. Die 3 zeigt hierfür Kurven für gleiche Einspritzmengen jeweils für Wertepaare der Ableitung der Funktion, die den Schließzeitpunkt von der Ansteuerzeit TI beschreibt und der Ansteuerzeit TI.
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In erfindungsgemäßer Weise werden diese Wertepaare bestehend aus der Ansteuerzeit TI, Werten für die Ableitung dOPP4/dTI der Funktion, die die Abhängigkeit des Schließzeitpunkts von der Ansteuerzeit beschreibt (OPP4 = f(TI)) und den Einspritzmengen MFF als Wertetabellen in einem Speicher abgelegt.
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Während des Betriebs der Solenoidinjektoren wird nun regelmäßig der Schließzeitpunkt abhängig von der Ansteuerzeit TI ermittelt und aus der Differenz aufeinanderfolgender Werte näherungsweise der Wert für die Ableitung dOPP4/dTI ermittelt und als jeweils aktueller Wert abgespeichert. Abhängig von einer gewünschten Einspritzmenge kann nun aus den Wertetabellen aus dem aktuellen Wert für die Ableitung dOPP4/dTI die erforderliche Ansteuerzeit TI für einen jeweiligen Kraftstoffinjektor ermittelt werden und somit sichergestellt werden, dass unabhängig vom jeweiligen Kraftstoffinjektor und seinen individuellen Eigenschaften die gewünschte Kraftstoffmenge auch eingespritzt wird.
