DE102020213203A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzeitpunkts eines Magnetventils - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzeitpunkts eines Magnetventils Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzeitpunkts (ts) eines Magnetventils, bei dem eine Magnetspule bestromt wird, um einen Magnetanker zur Freigabe einer Durchflussöffnung anzuheben, wobei für einen für einen Stromverlauf in der Magnetspule charakteristischen Signalverlauf (V) mehrere, jeweils voneinander verschiedene Zeitabschnitte (TA,1, TA,2) mit jeweils derselben, vorgegebenen zeitlichen Länge (Δt) bestimmt werden, wobei innerhalb eines jeden Zeitabschnitts (TA) jeweils ein minimaler (dl/dtmin) und ein maximaler Wert (dl/dtmax) des Signalverlaufs (V) und zugehörige Zeitpunkte (tmin, tmax) ermittelt werden und ein Produkt (FR) aus einer Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Wert und einer Differenz zwischen den zugehörigen Zeitpunkten (tmin, tmax) ermittelt wird, und wobei anhand der Zeitpunkte (tmin, tmax) des minimalen (dl/dtmin) und maximalen Werts (dl/dtmax) desjenigen Zeitabschnitts (TA,1), der einem maximalen Wert des Produkts (FR) entspricht, der Schaltzeitpunkt (ts) bestimmt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzeitpunkts eines Magnetventils sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Magnetventile umfassen eine Magnetspule und einen Magnetanker, der durch Bestromen der Spule - hierzu wird typischerweise eine bestimmte Spannung angelegt - angehoben bzw. angezogen wird und dadurch eine Durchflussöffnung freigibt. Eine typische Verwendung von Magnetventilen ist bei Kraftstoffinjektoren. Dort kann wird das Magnetventil üblicherweise dazu verwendet, eine Durchflussöffnung für Kraftstoff freizugegeben oder zu verschließen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzeitpunkts eines Magnetventils 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.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit der Bestimmung eines Schaltzeitpunkts eines Magnetventils, wie eingangs schon erläutert wurde. Die Kenntnis der Ansteuerzeitpunkte, die das Anlegen bzw. Wegschalten einer Spannung an die Magnetspule angeben, erlaubt in der Regel keine Rückschlüsse auf denjenigen Zeitpunkt, zu dem die Durchflussöffnung tatsächlich freigegeben wird - den Schaltzeitpunkt. Dies liegt z.B. daran, dass sich ein Stromfluss in der Magnetspule erst aufbauen muss, oder auch daran, dass der Widerstand, den der Magnetanker aufgrund des vorhandenen Fluids überwinden muss, variieren kann, z.B. je nach Druck oder Stärke der Feder im Magnetventil. Anhand des Stromverlaufs durch die Magnetspule hingegen kann der Schaltzeitpunkt erkannt werden, da die Bewegung des Ankers einen steileren Anstieg bzw. Knick im Stromverlauf zur Folge hat.
  • Zur Auswertung kann beispielsweise eine zweite zeitliche Ableitung des Stromverlaufs gebildet werden, da hiermit ein solcher Anstieg als Nullstelle gefunden werden kann. Ebenso kann lediglich die erste zeitliche Ableitung gebildet werden, in der dann ein Maximum im Verlauf gesucht wird. Dies bedeutet im Endeffekt aber ebenfalls eine zweite Differentiation des Stromverlaufs. Da beim Differenzieren eines Signals wie dem des Stromverlaufs aber Störungen im Signal bzw. Störungen, die das eigentliche Signal überlagern, ebenso differenziert werden, kann dies zu einer schlechten Qualität des letztlich auszuwertenden Signals und damit zu Fehlerkennungen führen. Ebenso gibt es bei einem solchen Vorgehen eine Vielzahl von Parametern, die eingestellt werden müssen, um ein möglichst genaues Ergebnis zu erhalten. Dies macht die Anwendung auf den konkreten Fall schwierig.
  • Im Rahmen der Erfindung wird nun vorgeschlagen, für einen für einen Stromverlauf in der Magnetspule charakteristischen Signalverlauf, hier kommt besonders bevorzugt die erste zeitliche Ableitung des Stromverlaufs in Betracht, mehrere, jeweils voneinander verschiedene Zeitabschnitte mit jeweils derselben, vorgegebenen zeitlichen Länge zu bestimmen. Die mehreren Zeitabschnitte werden zweckmäßigerweise derart bestimmt, dass Startzeitpunkte aufeinanderfolgender Zeitabschnitte jeweils um dieselbe Zeitdauer versetzt sind. Die zeitliche Länge der Zeitabschnitte ist bevorzugt aber länger als die genannte Zeitdauer, um die die Startzeitpunkte der Zeitabschnitte versetzt sind. Die Zeitabschnitte überlappen damit also. Außerdem ist es bevorzugt, wenn die Zeitabschnitte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Signalverlaufs, in dem z.B. die Schaltzeit erwartet wird, bestimmt werden. Denkbar ist damit z.B. einen Zeitabschnitt - der auch als Fenster bezeichnet werden kann - beginnend am vorgegebenen Bereich des Signalverlaufs immer um eine bestimmte Zeitdauer nach hinten zu verschieben.
  • Innerhalb eines jeden Zeitabschnitts werden dann jeweils ein minimaler und ein maximaler Wert des Signalverlaufs und die zugehörigen Zeitpunkte ermittelt; hierzu wird dann ein Produkt aus einer Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Wert und einer Differenz zwischen den zugehörigen Zeitpunkten ermittelt. Als minimaler und maximaler Wert sind dabei insbesondere ein absoluter minimaler und maximaler Wert des Signalverlaufs innerhalb des Zeitabschnitts zu betrachten. Bei Betrachtung in einem kartesischen Koordinatensystem kann das Produkt als ein Flächeninhalt eines Rechtecks angesehen werden, bei dem der Punkt des minimalen Werts und der Punkt des maximalen Werts diagonal gegenüberliegen. Das Rechteck kann dann z.B. als ein Rechteck mit einer vertikalen Seitenlänge, die eine Differenz zwischen maximalem und minimalem Wert entspricht, und einer horizontalen Seitenlänge, die einem zeitlichen Abstand zwischen minimalem und maximalem Wert entspricht, angesehen werden. Hierbei ist es letztlich irrelevant, ob alle zu betrachtenden Zeitabschnitte vorab bestimmt und dann hinsichtlich des Produkts untersucht werden, oder ob zunächst immer ein Zeitabschnitt und gleich danach das Produkt bestimmt werden.
  • Anhand der Zeitpunkte des minimalen und maximalen Werts desjenigen Zeitabschnitts, der einem maximalen Wert des Produkts bzw. des Flächeninhalts entspricht, wird dann der Schaltzeitpunkt bestimmt. Bevorzugt wird der Schaltzeitpunkt dabei anhand eines Mittelwerts, z.B. eines arithmetischen Mittelwerts, der Zeitpunkte des minimalen und maximalen Werts bestimmt. Insbesondere wird der Schaltzeitpunkt sogar als der Mittelwert der Zeitpunkte des minimalen und maximalen Werts bestimmt. Wie sich herausgestellt hat, entspricht ein solcher Mittelwert sehr genau dem gesuchten Zeitpunkt.
  • In der Praxis wird der Schaltzeitpunkt eines Magnetventils oftmals auch über eine Verzugsdauer gegenüber dem Ansteuerzeitpunkt, d.h. demjenigen Zeitpunkt, zu dem die Spannung an die Magnetspule angelegt wird, angegeben.
  • Das vorgeschlagene Vorgehen mit der Ermittlung bestimmter Werte und eines Produkts oder Flächeninhalts ergibt im Ergebnis eine Suche nach dem größten Anstieg des Signalverlaufs, der auch mit dem Schaltzeitpunkt korreliert. Dies liegt insbesondere daran, dass die vertikale Seitenlänge des Rechtecks, die der Differenz zwischen maximalem und minimalem Wert entspricht, einen besonderen Beitrag zum Produkt liefert. Im Gegensatz zu Verfahren mit der Bestimmung einer zweiten zeitlichen Ableitung (bzw. zweier Differentiationen) ist hier aber keine weitere Differentiation nötig, d.h. wenn die erste zeitliche Ableitung des Stromverlaufs als Signalverlauf zugrunde gelegt wird, ist nur eine Differentiation des Stromverlaufs nötig. Die Qualität des zugrundeliegenden Signals wird damit weniger beeinträchtigt, was zu einem genaueren Ergebnis führt. Um einen positiven Anstieg des Signalverlaufs zu ermitteln, wie er sich entsprechend der physikalischen Zusammenhänge beim Betätigen des Magnetventils ergibt, sollte außerdem darauf geachtet werden, dass der maximale Wert zeitlich nach dem minimalen Wert liegt bzw. dass nur solche Konstellationen in Betracht gezogen werden.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass letztlich nur die zeitliche Länge der Zeitabschnitte als Parameter für das Verfahren vorgegeben bzw. gewählt werden muss. Da dieser für alle Zeitabschnitte derselbe ist, bleibt im Wesentlichen nur ein vorzugebender Parameter, was das Verfahren nochmals deutlich einfacher oder jedenfalls einfacher an einen konkreten Fall (mit einem konkreten Magnetventil oder einer konkreten Anwendung) anpassbar macht. Bei dieser zeitlichen Länge der Zeitabschnitte sollte darauf geachtet werden, dass sie maximal so groß bzw. lang ist, dass der schnellste Anstieg, der im Signalverlauf für den Schaltzeitpunkt erwartet wird (das kann z.B. anhand von Vergleichs- oder Testmessungen bestimmt werden) abgedeckt werden kann.
  • Als weiterer Parameter wäre z.B. der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Zeitfenster denkbar, wenn dieser nicht entsprechend dem Abstand zweier Messpunkte, auf denen der Signalverlauf basiert, gewählt wird.
  • Bevorzugt wird das Magnetventil dabei zum Betätigen eines Kraftstoffinjektors verwendet, z.B. als Schaltventil. Damit lässt sich anhand der Schaltzeit letztlich wiederum auf einen Öffnungszeitpunkt des Kraftstoffinjektors schließen.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte 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.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch ein Magnetventil, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
    • 2 zeigt einen typischen Verlauf einer zeitlichen Ableitung eines Stroms in der Magnetspule eines Magnetventils zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 3 zeigt typische Verläufe von Größen bei Betätigung eines Magnetventils zur besseren Einordnung des Verlaufs aus 2.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist schematisch ein Magnetventil 100 gezeigt, das beispielhaft in einem Kraftstoffinjektor 101, verwendet wird und bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 100 weist einen Elektromagneten 110 mit einer Magnetspule 111 auf, die beispielsweise ringförmig ausgebildet sein kann. Bei Anlegen einer Spannung U, beispielsweise durch eine als Steuergerät ausgebildete ausführende Recheneinheit 180, fließt in der Magnetspule 111 der Strom I.
  • Weiterhin ist ein Magnetanker 120 vorgesehen, der zudem als Ventilnadel dient, mit dem eine Durchflussöffnung 150 verschlossen bzw. freigegeben werden kann. Weiterhin ist eine Feder 130 vorgesehen, die an dem Magnetanker 120 angreift und ohne Bestromung der Magnetspule 111 und somit ohne Magnetkraft den Anker 120 in bzw. gegen die Durchlassöffnung 150 drückt und diese verschließt. Die Feder 130 kann an ihrer dem Magnetanker abgewandten Seite an einer geeigneten Komponente des Magnetventils 100 in Anschlag sein.
  • Bei Bestromung der Magnetspule 111 wird eine Magnetkraft aufgebaut und der Magnetanker 120 wird gegen die Federkraft der Feder 130 angehoben und in Richtung der Magnetspule 111 bzw. des Elektromagneten 110 gezogen. Die Durchlassöffnung 150 wird dabei freigegeben. Bei entsprechender Bestromung der Magnetspule kann der Magnetanker 120 bis zum Anschlag 115 angehoben werden.
  • In 2 ist ein typischer Signalverlauf V einer zeitlichen Ableitung eines Stroms (bzw. eines Stromverlaufs in der Magnetspule eines Magnetventils zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist eine zeitliche Ableitung dl/dt über einer Zeit t aufgetragen. Hierzu sei angemerkt, dass grundsätzlich eine Differenz dl, also eine Differenz zweier aufeinander folgender Messwerte, für das vorgeschlagene Verfahren ausreichend sein kann und ein Skalierung der x-Achse beliebig ist.
  • In dem gezeigten Beispiel soll im Bereich zwischen einem Anfangszeitpunkt t'A und einem Endzeitpunkt t'E des Verlaufs V die Suche nach dem Schaltzeitpunkt durchgeführt werden, z.B., weil der Schaltzeitpunkt innerhalb dieses Bereichs erwartet wird. Hierzu werden mehrere Zeitabschnitte (oder Fenster oder Zeitintervalle) mit derselben zeitlichen Länge Δt bestimmt. Diese werden z.B. gleichmäßig und überlappend innerhalb des Bereichs t'A bis t'E verteilt. Beispielhaft sind zwei solche Zeitabschnitte TA,1 und TA,2 gezeigt, die einen Abstand Δt' bezüglich ihrer Startzeitpunkte haben.
  • In der Praxis kann der Signalverlauf V z.B. als eine Folge von Messpunkten (bzw. zeitlichen Ableitungen von Messpunkten) in einem Pufferspeicher vorliegen. Hierbei kann dann z.B. jeder Messpunkt (deren Abstände sich aus einer Abtastrate ergeben) als Startzeitpunkt eines Zeitabschnitts verwendet werden. Es versteht sich, dass auch nur jeder zweite, dritte oder vierte Messpunkt hierfür verwendet werden kann. Die zeitliche Länge wird dann als ein Vielfaches eines Abstands zweier Messpunkte voneinander gewählt werden können.
  • Es wird nun für jeden der Zeitabschnitte ein minimaler Wert und ein maximaler Wert des Verlaufs bestimmt. Nachfolgend soll dies anhand des Zeitabschnitts TA,2 erläutert werden. Dort liegen der minimale Wert (dl/dt)min beim Zeitpunkt tmin und der maximale Wert (dl/dt)max beim Zeitpunkt tmax. Es wird nun (im Rahmen einer Berechnung des Produkts) ein Rechteck R mit diagonalen Eckpunkten, die durch die Signalverlaufspunkte mit dem minimalen und dem maximalen Wert definiert sind, bestimmt, und dessen Flächeninhalt FR als das gewünschte Produkt ermittelt.
  • Auf diese Weise kann für jeden der Zeitabschnitte ein Wert des Produkts bzw. Flächeninhalts des Rechtecks erhalten werden. Dabei wird derjenige Zeitabschnitt als der gesuchte gewählt, für den der Wert des Flächeninhalts maximal ist. Dort wird der Schaltzeitpunkt ts dann anhand eines Mittelwerts der Zeitpunkte tmin und tmax des bestimmt.
  • Auf diese Weise kann der Schaltzeitpunkt ohne Bildung einer zweiten zeitlichen Ableitung bzw. ohne zwei Differentiation des zugrundeliegenden Signals des Stromverlaufs einfach und genau gefunden werden, ohne aber eine zu starke Beeinträchtigung der Qualität des Signals hinnehmen zu müssen.
  • In 3 sind typische Verläufe von Größen bei Betätigung eines Magnetventils über der Zeit t zur besseren Einordnung des Verlaufs aus 2 dargestellt, und zwar über einen längeren Zeitraum hinweg. Neben dem Signalverlauf V aus 2 (der dl/dt angibt) sind dies ein Spannungsverlauf U als ein Ansteuersignal des Magnetventils bzw. dessen Magnetspule, ein Stromverlauf I in der Magnetspule, ein Hubverlauf h einer Ventilnadel des Magnetventils sowie ein Verlauf FR des Produkts bzw. Flächeninhalts, wie es in Bezug auf 2 erläutert wurde.
  • Der Verlauf FR entspricht dabei einem Verlauf des Produkts, wenn die Zeitabschnitte entlang der x-Achse durchlaufen bzw. zeitlich nach hinten verschoben werden. Dabei ist zu sehen, dass der größte Wert des Produkts sehr genau den Schaltzeitpunkt ts des Magnetventils angibt, der letztlich genau mit dem Erreichen des größten Hubs übereinstimmt.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Schaltzeitpunkts (ts) eines Magnetventils (100), bei dem eine Magnetspule (111) bestromt wird, um einen Magnetanker (120) zur Freigabe einer Durchflussöffnung (150) anzuheben, wobei für einen für einen Stromverlauf in der Magnetspule (111) charakteristischen Signalverlauf (V) mehrere, jeweils voneinander verschiedene Zeitabschnitte (TA,1, TA,2) mit jeweils derselben, vorgegebenen zeitlichen Länge (Δt) bestimmt werden, wobei innerhalb eines jeden Zeitabschnitts (TA) jeweils ein minimaler (dl/dtmin) und ein maximaler Wert (dl/dtmax) des Signalverlaufs (V) und zugehörige Zeitpunkte (tmin, tmax) ermittelt werden und ein Produkt (FR) aus einer Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Wert und einer Differenz zwischen den zugehörigen Zeitpunkten (tmin, tmax) ermittelt wird, und wobei anhand der Zeitpunkte (tmin, tmax) des minimalen (dl/dtmin) und maximalen Werts (dl/dtmax) desjenigen Zeitabschnitts (TA,1), der einem maximalen Wert des Produkts (FR) entspricht, der Schaltzeitpunkt (ts) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schaltzeitpunkt (ts) anhand eines Mittelwerts, insbesondere eines arithmetischen Mittelwerts, der Zeitpunkte (tmin, tmax) des minimalen (dl/dtmin) und maximalen Werts (dl/dtmax) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schaltzeitpunkt (ts) als der Mittelwert der Zeitpunkte des minimalen (dl/dtmin) und maximalen Werts (dl/dtmax) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als der für den Stromverlauf charakteristische Signalverlauf (V) eine erste zeitliche Ableitung des Stromverlaufs verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Zeitabschnitte (TA„1, TA,2) derart bestimmt werden, dass Startzeitpunkte (tA) aufeinanderfolgender Zeitabschnitte jeweils um dieselbe Zeitdauer (Δt') versetzt sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorgegebene zeitliche Länge (Δt) ein Vielfaches der Zeitdauer (Δt') ist.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zeitabschnitte (TA) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Signalverlaufs (V) bestimmt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Magnetventil (100) zum Betätigen eines Kraftstoffinjektors (101) verwendet wird.
  9. Recheneinheit (180), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  10. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (180) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (180) ausgeführt wird.
  11. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.
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