DE102020213706A1

DE102020213706A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil, Computerprogramm, Steuergerät, Verbrennungskraftmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020213706A1
Application number: DE102020213706.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hackmann; Daniel LEINEWEBER; Daniel August; Riheb Wislati
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-05-05
Also published as: WO2022090397A1; CN116261624A; EP4237674A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Magnetventils eines Injektors, wobei der Schließzeitpunkt durch Auswerten eines logarithmischen Spannungsverhältnisses zwischen einer Spulenspannung und einem Bezugswert für die Spulenspannung ermittelt wird, wobei die Spulenspannung eine an einer Spule des Magnetventils anliegende Spannung ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil sowie ein Computerprogramm, ein Steuergerät, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Kraftfahrzeug.
In Verbrennungskraftmaschinen werden Injektoren verwendet, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen. Dabei steuert ein Motorsteuergerät das in den Injektoren integrierte Schaltventil, wodurch eine Einspritzdüse öffnet und wieder schließt. Über eine Öffnungsdauer des Schaltventils kann die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt werden.
Bei einer elektrischen Ansteuerung von Magnetventilinjektoren kann es dazu kommen, dass ein Öffnen und Schließen dieser Ventile nur verzögert stattfindet. Der Verzug der einzelnen Injektoren unterliegt Toleranzen mit der Folge, dass die Injektoren unterschiedliche Öffnungsdauern bei gleichen Ansteuerdauern aufweisen. Daraus resultiert eine unerwünschte Ungleichverteilung der Kraftstoffmasse.
Es ist bekannt, ein (Roh-)Spannungssignal bei der Ansteuerung eines Injektors auszuwerten, um dessen Schließzeitpunkt zu bestimmen. Hierbei kann man durch die Konstruktion der Injektoren eine Art Wendepunkt beobachten, der zeitlich mit dem Schließen des Injektors zusammenfällt. Daher kann die erste oder zweite Ableitung des Spannungssignals betrachtet werden, um den Wendepunkt im Spannungssignal zu identifizieren. Da die zweite Ableitung verwendet wird, ist das Signal-Rausch-Verhältnis sehr klein. Deshalb muss entweder stark gefiltert werden oder eine gute Messtechnik verwendet werden, um ein möglichst rauschfreies Signal zu erhalten.
In einem alternativen Ansatz kann das Spannungssignal integriert werden, bis es einen Schwellwert erreicht. Wenn der Schwellschwert erreicht wird, entspricht dies dem Schließzeitpunkt des Injektors.
Die DE 10 2009 032 521 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils. Dabei wird ein Stromfluss durch eine Spule des Spulenantriebs abgeschaltet, so dass die Spule stromlos ist und ein zeitlicher Verlauf einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung erfasst wird. Dabei wird die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt. Ferner wird der erfasste zeitliche Verlauf der induzierten Spannung ausgewertet und der Schließzeitpunkt basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil, ein verbessertes Computerprogramm, ein verbessertes Steuergerät, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Computerprogramm nach Anspruch 12, das Steuergerät nach Anspruch 13, die Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14 und das Kraftfahrzeug nach Anspruch 15 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Magnetventils eines Injektors. Der Schließzeitpunkt wird durch Auswerten eines logarithmischen Spannungsverhältnisses zwischen einer Spulenspannung und einem Bezugswert für die Spulenspannung ermittelt. Die Spulenspannung ist diejenige, die an einer Spule des Magnetventils anliegt.
Der Injektor mit dem Magnetventil (Magnetventilinjektor) wird zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine verwendet. Dabei wird der Injektor elektromagnetisch betätigt. Dazu weist der Injektor eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf, so dass die Spule als Elektromagnet verwendet werden kann. In einem Ruhezustand des Magnetventils, in dem die Spule nicht bestromt ist und somit kein Magnetfeld vorliegt, wird die Ventilnadel durch ein Vorspannelement, bspw. eine Feder, in einen Ventilsitz gedrückt und somit eine Ventilöffnung geschlossen. Dadurch wird das Magnetventil in einer geschlossenen (Ventil-)Stellung gedrängt bzw. gehalten. Zum Öffnen des Magnetventils kann ein Strom (Ansteuerstrom) an die Spule angelegt werden, wodurch das Magnetfeld erzeugt wird. Während dieser Öffnungsphase übersteigt die magnetische Kraft eine Vorspannkraft des Vorspannelements. Somit kann während der Öffnungsphase ein die Ventilnadel mitführender (Magnet-)Anker durch die magnetische Kraft gegen eine Richtung der Vorspannkraft bewegt werden. Dadurch wird die Ventilnadel aus dem Ventilsitz gehoben, die Ventilöffnung freigegeben und somit das Magnetventil geöffnet. Zum Schließen des Magnetventils wird der an der Spule anliegende Strom abgeschaltet, so dass kein Magnetfeld mehr vorliegt. Dadurch wird die Ventilnadel durch das Vorspannelement wieder in den Ventilsitz gedrückt und die Ventilöffnung versperrt, so dass sich das Magnetventil wieder in seiner geschlossenen Ventilstellung befindet.
Der Schließzeitpunkt des Injektors ist derjenige, an dem die Ventilnadel nach dem Abschalten des Ansteuerstroms wieder in dem Ventilsitz angeordnet ist und die Ventilöffnung versperrt, so dass kein Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist.
Die Spulenspannung nach dem Abschalten des Ansteuerstroms entspricht einer in der Spule induzierten Spannung, die u.a. durch einen Abbau des Magnetfeldes und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zur Spule erzeugt wird. Die Spulenspannung kann durch entsprechende Messtechnik erfasst werden. Dabei kann bspw. das Spannungsrohsignal erfasst werden.
Der Bezugswert ist ebenfalls ein Spannungswert. In manchen Ausführungsformen ist der Bezugswert der Spannungswert zum Messstartzeitpunkt innerhalb einer Abschaltphase der Spule. Die Abschaltphase beginnt nach dem Abschalten des Ansteuerstroms. Anders ausgedrückt, der Bezugswert ist der Spannungswert zum Abschaltzeitpunkt. Der Abschaltzeitpunkt ist derjenige, an dem der Ansteuerstrom abgeschaltet wird.
Mit dem „logarithmischen Spannungsverhältnis zwischen der Spulenspannung und dem Bezugswert“ ist der Logarithmus des Quotienten aus der Spulenspannung geteilt durch den Bezugswert gemeint. In manchen Ausführungsformen kann der natürliche Logarithmus verwendet werden.
Indem das logarithmische Spannungsverhältnis anstatt eines Spulenspannungssignals verwendet wird, kann ein Signal-Rausch-Verhältnis für die Auswertung der Spulenspannung verbessert werden. Somit ist der Wendepunkt in dem Verlauf des logarithmischen Spannungsverhältnisses während des Entladevorgangs besser erkennbar. Ferner wird durch die Verwendung des Logarithmus eine robuste Auswertung der Spulenspannung ermöglicht, die mit vergleichsweise geringer Rechenleistung durchführbar ist.
In manchen Ausführungsformen kann eine Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts ausgewertet werden. Dabei ist mit Ableitung die zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses gemeint.
In weiteren Ausführungsformen kann eine zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts ausgewertet werden. Hier ist mit zweiter Ableitung die zweite zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses gemeint. Mithilfe der zweiten Ableitung kann das Krümmungsverhalten des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses besonders einfach ausgewertet werden. Dadurch kann nun ein Wendepunkt bzw. ein Zeitpunkt des Wendepunkts in dem zeitlichen Spannungsverlauf ermittelbar sein, der dem Schließzeitpunkt des Injektors entspricht.
So kann in manchen Ausführungsformen der Schließpunktzeitpunkt vorliegen, wenn die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum ersten Mal Null wird. Es hat sich herausgestellt, dass wenn die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses gleich null ist, auch der Wendepunkt in dem Spannungsverlauf vorliegt. Somit kann durch Kurvendiskussion des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses der Wendepunkt des Spannungsverlaufs besonders einfach und rechnerisch ermittelt werden.
Ferner kann das Verfahren in manchen Ausführungsformen auch folgendes umfassen: Feststellen, dass der Schließzeitpunkt vorliegt, wenn die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses nach dem Erreichen des Werts Null für eine vorbestimmte Zeit (Entprellzeitdauer) kleiner als Null bleibt. Dabei kann die vorbestimmte Zeit von 10 bis zu 50 Mikrosekunden (µs) betragen. Die vorbestimmte Zeit als Entprellzeitdauer kann dabei abhängig von einem Zeitraster (Messraster) der Erfassung des Spannungsrohsignals sein. So kann in manchen Beispielen die Entprellzeitdauer größer als das Zeitraster sein.
Mit „Erreichen des Werts Null“ ist jeder Zeitpunkt gemeint, an dem die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses gleich Null ist. Um das Ermitteln des Schließzeitpunkts basierend auf der Auswertung der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses robuster zu gestalten, wird der Schließzeitpunkt festgestellt bzw. als solcher erkannt, wenn nach dem Erkennen eines solchen Nullpunkts die zweite Ableitung zumindest für die vorbestimmte Zeit kleiner als Null bleibt. Damit kann sichergestellt werden, dass nicht ein durch Messungenauigkeiten entstehendes Rauschen in dem zeitlichen Verlauf des logarithmischen Spannungsverhältnisses fälschlicherweise als Schließpunkt erkannt wird.
Wie bereits oben beschrieben, kann in manchen Ausführungsformen der Bezugswert der an der Spule anliegenden Spannung zu dem Messstartzeitpunkt bzw. Abschaltzeitpunkt sein.
In weiteren Ausführungsformen kann die Auswertung der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses mithilfe einer Hilfsfunktion durchgeführt werden. Dabei kann ein Extrempunkt der Hilfsfunktion dem Schließzeitpunkt des Injektors entsprechen. Dabei lautet die Hilfsfunktion wie folgt: $S (t) = \frac{d}{d t} l n \frac{U (t)}{U_{0}} = \frac{U' (t)}{U (t)}$
mit

U(t) = Spulenspannung zum Zeitpunkt t
U₀ = Bezugswert /Spulenspannung zum Messtartzeitpunkt bzw. Abschaltzeitpunkt

Die Herleitung der Hilfsfunktion für das Ermitteln bzw. Berechnen zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses wird im Folgenden beschrieben.
Die Spannungsentladekurve der Spule (des Injektors) nach dem Abschalten des Ansteuerstroms kann mit folgender Entladefunktion beschrieben werden: $U (t) = U_{0} * e^{f (t)}$
Der Exponent f(t) kann durch Umstellen der Entladefunktion bestimmt werden, so dass sich ergibt: $e^{f (t)} = \frac{U (t)}{U_{0}} \to f (t) = I n \frac{U (t)}{U_{0}}$
Durch das Bilden der zeitlichen Ableitung des Exponenten f(t) erhält man die obige Hilfsfunktion S(t). $S (t) = \frac{d}{d t} l n \frac{U (t)}{U_{0}} = \frac{U' (t)}{U (t)}$
Dabei kann die erste zeitliche Ableitung U'(t) der Entladefunktion mit einem Steigungsdreieck wie folgt approximiert werden: $U' (t) = \frac{U (t + Δ t) - U (t)}{(t + Δ t) - t} = \frac{U (t + Δ t) - U (t)}{Δ t}$
mit

t: = Zeitpunkt / Zeitvariable
Δt: = Zeitraster
U(t): = Spulenspannung zum Zeitpunkt t
U(t+Δt): = Spulenspannung zum Zeitpunkt t+Δt

Dabei kann mit dem Zeitraster Δt eine Auflösung der Erfassung des Spannungsverlaufs eingestellt werden. Die Spulenspannung U(t) wird dann entsprechend in regelmäßigen Zeitabständen, dem Zeitraster Δt, erfasst. Das Zeitraster Δt kann bspw. von 1 bis zu 5 Mikrosekunden groß sein. Somit kann das Spannungssignal des Injektors hochaufgelöst aufgezeichnet und bspw. in einem Steuergerät abgelegt werden.
Setzt man nun Gleichung (4) in Gleichung (1) ein, lässt sich die Hilfsfunktion S(t) wie folgt ausdrücken: $S (t) = \frac{U (t + Δ t) - U (t)}{U (t) * Δ t}$
Dabei entspricht ein (absoluter) maximaler Extremwert der Hilfsfunktion S(t) dem Schließzeitpunkt des Injektors. Ferner ist die Hilfsfunktion S(t) bis zum maximalen Extremwert monoton steigend. Somit kann man durch eine Extremwertsuche in der Funktion S(t) den Schließzeitpunkt ermittelt. Zur Extremwertsuche wird die erste zeitliche Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) verwendet, wobei folgender Zusammenhang gilt: $S' (t) = \frac{δ^{2}}{δ t^{2}} f (t) = \frac{δ^{2}}{δ t^{2}} I n \frac{U (t)}{U_{0}}$
Gleichung (6) zeigt, dass die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses entspricht.
Die Ableitung S'(t) kann ebenfalls mit einem Steigungsdreieck approximiert werden: $S' (t) = \frac{S (t + Δ t) - S (t)}{(t + Δ t) - t} = \frac{S (t + Δ t) - S (t)}{Δ t}$
In anderen Ausführungsformen können gleitende Mittelwerte für die erfasste Spulenspannung verwendet werden. Damit ist gemeint, dass die gleitende Mittelwerte für die erfassten Spulenspannungsmesswerte gebildet werden und die oben erwähnten Auswertungen basierend auf den gleitenden Mittelwerten der Spannungswerte erfolgen. Bei gleitenden Mittelwerten zum Glätten von Zeit- bzw. Datenreihen werden neue Datenpunktmengen erstellt, die Mittelwerte gleich großer Untermengen der ursprünglichen Datenpunktmengen umfassen. Mit den gleitenden Mittelwerten kann ein Spannungssignal erzeugt werden, das weniger verrauscht ist als das von Erfassungseinrichtungen erfasste Spannungsrohsignal. Dadurch wird die Auswertung und somit das Verfahren zum Ermitteln des Schließzeitpunkts robuster.
In manchen Ausführungsformen kann, wie oben zu Gleichung (6) bereits erwähnt, die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses entsprechen.
In anderen Ausführungsformen kann die erste Ableitung der Hilfsfunktion gemäß Gleichung (7) approximiert bzw. angenähert werden.
In manchen Ausführungsformen kann der Schließzeitpunkt des Injektors vorliegen, wenn die erste Ableitung der Hilfsfunktion gleich oder kleiner als Null ist. Die Hilfsfunktion S(t) hat die Eigenschaft, dass sie bis zum Schließzeitpunkt eine monoton steigende Funktion ist. Daher kann zum Ermitteln des Schließzeitpunkts nach einem End(zeit)punkt der Steigung der Kurve der Hilfsfunktion gesucht werden. Durch Auswerten der ersten Ableitung der Hilfsfunktion S'(t) kann der Endpunkt besonders einfach ermittelt werden. In manchen Ausführungsformen liegt der Schließzeitpunkt dann vor, wenn die erste Ableitung der Hilfsfunktion erstmalig gleich oder kleiner als Null wird.
In weiteren Ausführungsformen kann das Auswerten des logarithmischen Spannungsverhältnisses über den gesamten Messzeitraum während des Entladevorgangs der Spule erfolgen. Dadurch kann auch die Hilfsfunktion über den gesamten Messzeitraum ausgewertet werden. In manchen Ausführungsformen kann der Messzeitraum dem Zeitraum der Entladung der Spule entsprechen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen. Das Computerprogramm kann auf einem elektrischen Speichermedium abgespeichert sein.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, das eingerichtet ist, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine kann den oben beschriebenen Injektor aufweisen und kann über das obige Steuergerät gesteuert werden. Die Verbrennungskraftmaschine ist eingerichtet und ausgebildet, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit dem oben beschriebenen Steuergerät. Das Kraftfahrzeug ist eingerichtet und ausgebildet, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1a, 1b schematisch einen Magnetventilinjektor;
2 schematisch Diagramme für einen Spannungsverlauf in der Spule sowie für Verlauf eines Ansteuerstrom;
3 schematisch den Spannungsverlauf in der Spule nach dem Abschalten des Ansteuerstroms sowie einen Verlauf einer Hilfsfunktion;
4 ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform;
5 ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
6 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät gemäß einer Ausführungsform.

1a zeigt schematisch einen beispielhaften Magnetventilinjektor (Injektor) 100 in einer geschlossenen Ventilstellung und 1b zeigt den Injektor 100 in einer geöffneten Ventilstellung. Der Injektor 100 weist ein Magnetventil auf, das eine Ventilnadel 5 und einen Ventilsitz 15 umfasst. Der Injektor 100 weist einen elektromagnetischen Aktor zum Betätigen des Magnetventils auf, der eine Spule 1, einen Anker 11 und ein Vorspannelement 13 umfasst.
Das Magnetventil ist ein normalerweise geschlossenes Ventil. Das heißt, dass in einem unbestromten Zustand der Spule 1 die Ventilnadel 5 derart an dem Ventilsitz 15 angeordnet ist, dass eine Einspritzöffnung 17 durch die Ventilnadel 5 geschlossen ist.
Dabei ist das Vorspannelement 13 dazu ausgebildet, das Magnetventil in der geschlossenen Stellung zu halten. Dafür beaufschlagt das Vorspannelement 13 die Ventilnadel mit einer Vorspannkraft, so dass die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 15 und somit in Schließrichtung bewegt wird. In dem gezeigten Beispiel ist das Vorspannelement 13 als Feder ausgebildet.
Die Ventilnadel 5 weist einen Ruhesitz 7 sowie einen Ankeranschlag 9 für den Anker 11 auf, zwischen denen der Anker 11 bewegbar ist. Der Ruhesitz 7 und der Ankeranschlag 9 definieren also einen Ankerhub oder einen Ankerfreiweg für den Anker 11 relativ zur Ventilnadel 5. Ferner weist der Injektor 1 einen Hubanschlag 3 auf, der einen Hub der Ventilnadel 5 (Ventilhub) begrenzt. In der geschlossenen Ventilstellung sitzt der Anker 11 auf dem Ruhesitz 7 und in der geöffneten Ventilstellung liegt der Anker 11 an dem Ankeranschlag 9 sowie dem Hubanschlag 3 an. Der Anker 11 kann durch Anlegen eines Ansteuerstroms I an der Spule 1 durch magnetische Kraft von dem Ruhesitz 7 zum Ankeranschlag 9 bewegt werden. Durch die magnetische Kraft wird der Anker 11 an dem Ankeranschlag 9 gehalten, so dass der Anker 11 die Ventilnadel 5 entgegen der Vorspannkraft des Vorspannelements 13 mitführt und somit die Ventilnadel 5 aus dem Ventilsitz 15 hebt bis der Anker 11 an dem Hubanschlag 3 anschlägt. Dadurch wird die Einspritzöffnung 17 freigelegt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzöffnung 17 in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
2 zeigt ein Spulenspannung-Diagramm 20 für einen zeitlichen Verlauf der Spulenspannung U an der Spule 1 und ein Ansteuerstrom-Diagramm 30 für einen zeitlichen Verlauf des Ansteuerstroms I an der Spule 1. Die Diagramme 20, 30 stellen die zeitlichen Verläufe sehr schematisch dar, wobei die Zeit auf der horizontalen Achse und die Spannung bzw. der Ansteuerstrom I auf der vertikalen Achse aufgetragen sind.
Dabei zeigt das Ansteuerstrom-Diagramm 30 ein Anlegen des Ansteuerstrom I zum Ansteuerzeitpunkt t₁ zum Öffnen des Magnetventils. Dabei weist der zeitliche Verlauf unmittelbar nach dem Ansteuerzeitpunkt t₁ eine steile Flanke auf, so dass der Ansteuerstrom I vergleichsweise schnell einen Wert für einen Booststrom 31 zum Zeitpunkt t₂ erreicht. Die Zeit zwischen t₁ und t₂ wird auch Boostphase genannt. Zum Zeitpunkt t₂ ist der Ansteuerstrom I maximal und die Spannung U fällt minimal in den negativen Bereich. Ferner befindet sich das Magnetventil zum Zeitpunkt t₂ in einer geöffneten Ventilstellung, in der ein Ventilhub des Magnetventils am größten ist.
Während der Boostphase lässt sich nach einem initialen steilen Anstieg eine Abflachung der Steigung des Ansteuerstroms I erkennen. Dies resultiert aus dem Aufprallen des Ankers 9 auf der Ventilnadel 5, so dass die Ventilnadel 6 aus dem Ventilsitz 15 gehoben wird und sich das Magnetventil öffnet. Eine Boosterspannung 21 zum Erreichen der steilen Flanke wird zusätzlich während der Boostphase an dem Injektor 100 angelegt, so dass der Ansteuerstrom I schneller ansteigt als beim Anlegen einer Batteriespannung. Die Boosterspannung 21 kann bspw. in einem Steuergerät erzeugt und in einem Boosterspannungsspeicher, z. B. ein Kondensator, gespeichert werden.
Nach der Boostphase wird der Ansteuerstrom I ab dem Anzugzeitpunkt t₂ auf einen Anzugstromwert 33 reduziert. In der Anzugstromphase, die sich vom Zeitpunkt t₂ bis zum Haltezeitpunkt t₃ erstreckt, wird der Injektor 100 mit der Batteriespannung versorgt. Ab dem Haltezeitpunkt t₃ beginnt die Haltestromphase, in der Ansteuerstrom I auf einen Haltestrom 35 abgesenkt wird. In dem gezeigten Beispiel kann während der Haltestromphase, die sich vom Haltezeitpunkt t₃ bis zum Abschaltzeitpunkt t₄ erstreckt, eine Hysterese 37 in dem Stromverlauf beobachtet werden.
Der Ansteuerstrom I wird zum Abschaltzeitpunkt t₄ abgeschaltet und erreicht somit den Wert Null. Folglich fällt die Spannung U auf eine Abschaltspannung 25, die einem negativen Maximalwert der Spannung U entspricht. Es ist bekannt, dass in der Entladungskurve der Spannung U, die nach dem Abschaltzeitpunkt t₄ vorliegt, ein Wendepunkt 27 in der Entladungskurve indikativ für einen Schließzeitpunkt des Injektors 100 ist.
Die 3 zeigt ein Diagramm 40, in dem der zeitliche Verlauf der Spannung U an der Spule 1 ab dem Abschaltzeitpunkt t₄ dargestellt. Zusätzlich ist eine Kurve S für eine Hilfsfunktion S(t) dargestellt, mit deren Hilfe man den Spannungsverlauf U auswerten kann.
Die Entladekurve der Spannung U kann mit folgender Funktion beschrieben werden: $U (t) = U_{0} * e^{f (t)}$
Bekannterweise kann durch ein Bestimmen des Wendepunkts 27 in der Spannungskurve U der Schließzeitpunkt bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein alternatives Vorgehen vorgeschlagen. Dabei wird statt dem Spannungssignal eine Hilfsfunktion S(t) verwendet. Die Hilfsfunktion S(t) lautet wie folgt: $S (t) = \frac{U (t + Δ t) - U (t)}{U (t) * Δ t}$
Dabei hat sich aus Messversuchen ergeben, dass ein Maximum 41 der Hilfsfunktion S(t) dem Wendepunkt 27 der Spannungskurve U entspricht. Anders ausgedrückt, der Zeitpunkt des Maximums 41 entspricht dem Wendepunkt der Spannungskurve U. Somit kann durch eine Extremwertsuche in der Hilfsfunktion S(t) auf den Schließzeitpunkt des Injektors geschlossen werden. Für die Extremwertsuche kann dabei die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) näherungsweise bestimmt werden mit: $S' (t) = \frac{S (t + Δ t) - S (t)}{Δ t}$
Die 4 zeigt ein Verfahren 200 zum Ermitteln des Schließzeitpunkts des Injektors 100 gemäß einer ersten Ausführungsform, das die obigen Gleichungen (5) und (7) verwendet. Das Verfahren kann von einem Steuergerät 70 durchgeführt werden.
Das Verfahren 200 beginnt mit dem Abschalten des Ansteuerstroms I zum Abschaltzeitpunkt t₄.
In 201 wird ein Zeitpunkt t (Zeitvariable) auf den Abschaltzeitpunkt t₄ gesetzt. Das entspricht dem Startzeitpunkt des Verfahrens. Ferner werden in 201 die Spannungsmesswerte U(t) bzw. die Spannungskurve U für den Messzeitraum abgerufen. In manchen Ausführungsformen kann sich der Messzeitraum vom Abschaltzeitpunkt t₄ bis zum Endzeitpunkt t₃ erstrecken, wobei der Endzeitpunkt t₃ dem letzten Erfassungszeitpunkt für die Spannung U(t) entspricht. Die Spannungskurve U für den Messzeitraum wird ermittelt, indem die Spannungswerte U(t) in einem Zeitraster(Auflösung) Δt durch entsprechende Messtechnik erfasst werden. Ferner können für die Spannungswerte U(t) auch gleitende Mittelwerte aus den erfassten Spannungswerten verwendet werden.
In 202 wird der Wert der Hilfsfunktion S(t) zum Zeitpunkt t mit der Gleichung (5) ermittelt. Wie oben erwähnt sind die Spannungswerte U(t) und U(t+Δt) zu den entsprechenden Zeitpunkten t und t+Δt durch entsprechende Messtechnik erfassbar.
In 203 wird der Wert der Ableitung S'(t) zum Zeitpunkt t mit der Gleichung (7) ermittelt. Dabei ergibt sich durch Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (7) für die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) folgender Zusammenhang: $S' (t) = \frac{U (t + Δ t + Δ t) - U (t + Δ t)}{U (t + Δ t) * Δ t} = \frac{U (t + 2 Δ t) - U (t + Δ t)}{U (t + Δ t) * Δ t}$
Wie aus Gleichung (6) ersichtlich, entspricht die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses.
In 204 werden die Funktionswerte der ersten Ableitung S'(t) mit den entsprechenden Zeitpunkten hinterlegt, z. B. in dem Steuergerät 70.
In 205 wird abgefragt, ob noch weitere Messpunkte für den Spannungsverlauf vorliegen. Dies kann bspw. dadurch realisiert werden, indem geprüft wird, ob der Zeitpunkt t, optional plus die vorbestimmte Zeitdauer Δt, vor dem Endzeitpunkt t_E liegt.
Ergibt die Abfrage aus 205, dass noch weitere Messpunkte vorliegen, geht das Verfahren zu 206, in dem der Zeitpunkt t auf den nächsten Messzeitpunkt t+Δt inkrementiert wird, so dass gilt: $t = t + Δ t$
Nach 206 durchläuft das Verfahren 200 eine Schleife 210, umfassend 202, 203, 204, 205 und 206. Mit der Schleife 210 wird die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) über den gesamten Messzeitraum iterativ ermittelt.
In 207 wird der Schließzeitpunkt t_CT des Injektors 100 ermittelt. In einer Ausführungsform kann dazu ein erstes Maximum der Hilfsfunktion S'(t) ermittelt werden. Demnach wird ermittelt, zu welchem Zeitpunkt die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null ist. Dieser Zeitpunkt entspricht dem Schließzeitpunkt t_CT des Injektors 100. Optional kann zusätzlich kann eine Entprellbedingung geprüft werden, bei der die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) für eine vorbestimmte Entprellzeitdauer Δt₆ gleich oder kleiner als Null sein muss. Durch die Entprellbedingung können Fehler aufgrund von Messungenauigkeiten und/oder Rauschen vermindert und somit das Verfahren zum Ermitteln des Schließzeitpunkts t_CT robuster gestaltet werden. Wenn die Entprellbedingung nicht erfüllt wird, also die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) kürzer als die vorbestimmte Entprellzeitdauer Δt₆ gleich oder kleiner Null ist, wird nach dem nächsten Maximum in der Hilfsfunktion S(t) gesucht, der die Entprellbedingung erfüllt. Somit entspricht der Schließzeitpunkt t_CT dem Zeitpunkt, an dem die erste Ableitung S'(t) der Hilfsfunktion S(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null ist und (optional) die Entprellbedingung erfüllt. Damit wird die Auswertung der Hilfsfunktion S(t) beendet, wenn der Schließzeitpunkt t_CT ermittelt worden ist. Dadurch kann das Verfahren in dem Steuergerät 70 ressourceneffizient durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsformen kann in 207 der Schließzeitpunkt t_CT ermittelt werden, indem nach dem globalen Maximum der Hilfsfunktion S(t) gesucht wird. Der entsprechende Zeitpunkt des globalen Maximums der Hilfsunktion S(t) entspricht dem Schließzeitpunkt t_CT. Die Extremwertsuche basiert ebenfalls auf der Auswertung der ersten Ableitung der Hilfsfunktion S'(t), wobei die Auswertung über den gesamte Messzeitraum erfolgt. Dieser Ansatz ermöglicht ein vergleichsweise robustes Ermitteln des Schließzeitpunkts t_CT, da die Hilfsfunktion S'(t) über den gesamtem Messzeitraum ausgewertet wird.
Die 5 zeigt ein Verfahren 300 zum Ermitteln des Schließzeitpunkts des Injektors 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform, das die obigen Gleichungen (5) und (7) verwendet. Das Verfahren kann von dem Steuergerät 70 durchgeführt werden.
Das Verfahren 300 beginnt mit dem Abschalten des Ansteuerstroms I zum Abschaltzeitpunkt t₄.
In dem Verfahren 300 wird 301, 302 und 303 das gleiche ausgeführt wie 201, 202 und 203 aus dem Verfahren 200.
In 304 wird geprüft, ob die erste Ableitung der Hilfsfunktion S'(t) kleiner oder gleich Null zum Zeitpunkt t ist.
Falls aus 304 hervorgeht, dass die erste Ableitung der Hilfsfunktion S'(t) nicht kleiner oder gleich Null zum Zeitpunkt t ist, geht das Verfahren zu 305 weiter. Wie in 206 aus dem Verfahren 200, wird in 305 der Zeitpunkt t auf den nächsten Messzeitpunkt t+Δt inkrementiert.
Nach 305 durchläuft das Verfahren 300 eine Schleife 310, umfassend 302, 303, 304 und 305. Mit der Schleife 310 wird ermittelt, zu welchem Zeitpunkt t die erste Ableitung der Hilfsfunktion S'(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null wird.
Falls aus 304 hervorgeht, dass die erste Ableitung der Hilfsfunktion S'(t) kleiner oder gleich Null zum Zeitpunkt t ist, geht das Verfahren 300 weiter zu 306.
In 306 wird der Schließzeitpunkt t_CT auf den Zeitpunkt t gesetzt. Anders ausgedrückt, der Schließzeitpunkt t_CT ist der Zeitpunkt, zu dem die erste Ableitung der Hilfsfunktion S'(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null ist.
In 307 wird ein Plausibilitätszeitpunkt t₇ abgerufen. Der Plausibilitätszeitpunkt t₇ gibt einen spätestmöglichen plausiblen Schließzeitpunkt an, zu dem ein Schließen des Injektors 100 erfolgen darf. Der Plausibilitätszeitpunkt t₇ ist von der Bauart des Injektors 100 abhängig und kann daher bspw. von 1200 bis zu 1800 Mikrosekunden nach dem Ansteuerzeitpunkt t₁ liegen. Der Plausibilitätszeitpunkt t₇ ist beispielhaft in 3 bei 1500 Mikrosekunden nach dem Ansteuerzeitpunkt t₁ eingezeichnet. In manchen Ausführungsformen kann die Zeitspanne von dem (in 306 gesetzten) Schließzeitpunkt t_CT und dem Plausibilitätszeitpunkt t₇ die Entprellzeitdauer Δt₆ bilden.
In 308 wird ermittelt, ob zwischen dem (aus 306 gesetzten) Schließzeitpunkt t_CT und dem Plausibilitätszeitpunkt t₇ ein weiteres Maximum in der Hilfsfunktion S(t) vorliegt, das größer ist als das Maximum der Hilfsfunktion S(t) zum Schließzeitpunkt t_CT. Falls (wie in 3 dargestellt), kein größeres Maximum zwischen dem Schließzeitpunkt t_CT und dem Plausibilitätszeitpunkt t₇ in der Hilfsfunktion S(t) vorliegt, so wird in 308 der Schließzeitpunkt t_CT als endgültiger Schließzeitpunkt t_CT festgestellt bzw. bestimmt. Falls jedoch ein größeres Maximum vorliegt, wird der Zeitpunkt t mit dem größere Maximum als der endgültige Schließzeitpunkt t_CT festgestellt bzw. bestimmt.
6 zeigt schematisch ein beispielhaftes Steuergerät 70, das eingerichtet ist, die oben beschriebenen Verfahren/Modelle auszuführen. Das Steuergerät 70 ist in einem schematisch dargestellten Kraftfahrzeug 80 angeordnet und kann eine schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine 79 steuern. Das Steuergerät 70 umfasst einen Prozessor 72, einen Speicher (elektronisches Speichermedium) 74 und eine Schnittstelle 78. Ferner ist in dem Speicher 74 auch eine Software (Computerprogramm) 76 hinterlegt, die dazu ausgelegt ist, die oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Der Prozessor 72 ist dazu ausgelegt, Programminstruktionen der Software 76 auszuführen. Die Schnittstelle 78 ist ferner dazu ausgelegt, Daten zu empfangen und auszusenden. Es kann sich bspw. um eine Schnittstelle zu einem CAN-Bus des Kraftfahrzeugs 80 handeln, über den das Steuergerät 70 Signale empfängt und Steuerbefehle aussendet.
Bezugszeichenliste

1: Spule
3: Hubanschlag
5: Ventilnadel
7: Ruhesitz
9: Ankeranschlag
11: Anker
13: Vorspannelement
15: Ventilsitz
17: Einspritzöffnung
20: Spulenspannung-Diagramm
21: Boosterspannung
23: Batteriespannung
25: Abschaltspannung
27: Wendepunkt
30: Ansteuerstrom-Diagramm
31: Booststrom
33: Anzugstrom
35: Haltestrom
37: Hysterese
40: Diagramm für Entladespannung und Hilfsfunktion
41: Maximum der Hilfsfunktion
50: Schleife
70: Steuergerät
72: Prozessor
74: Speicher (elektronisches Speichermedium)
76: Schnittstelle
78: Schnittstelle
79: Verbrennungskraftmaschine
80: Kraftfahrzeug
100: Injektor
200: Verfahren
201: Setzen des Zeitpunkts/der Zeitvariable und Abrufen der Spannungsmesswerte
202: Ermitteln der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
203: Ermitteln der ersten Ableitung der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
204: Hinterlegen der Funktionswerte der ersten Ableitung
205: Abfrage für weitere Messpunkte
206: Inkrementieren des Zeitpunkts t auf nächsten Messzeitpunkt
207: Ermitteln des Schließzeitpunkts
210: Schleife
300: Verfahren
301: Setzen des Zeitpunkts/der Zeitvariable und Abrufen der Spannungsmesswerte
302: Ermitteln der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
303: Ermitteln der ersten Ableitung der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
304: Abfrage, ob erste Ableitung der Hilfsfunktion gleich oder kleiner als Null
305: Inkrementieren des Zeitpunkts t auf nächsten Messzeitpunkt
306: Setzen des Schließzeitpunkts
307: Abrufen des Plausibilitätszeitpunkts
309: Feststellen bzw. Bestimmen des Schließzeitpunkts
I: Ansteuerstrom
S: Hilfsfunktion
Δt: Zeitraster/vorbestimmte Zeitdauer
Δt6: Entprellzeitdauer
t1: Ansteuerzeitpunkt
t2: Zeitpunkt
t3: Haltezeitpunkt
t4: Abschaltzeitpunkt
t3: Endzeitpunkt der Spannungserfassung
tCT: Schließzeitpunkt
t7: Plausibilitätszeitpunkt
U: Spulenspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009032521 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts (t_CT) eines Magnetventils eines Injektors (100), wobei der Schließzeitpunkt (t_CT) durch Auswerten eines logarithmischen Spannungsverhältnisses zwischen einer Spulenspannung und einem Bezugswert für die Spulenspannung ermittelt wird, wobei die Spulenspannung (U) eine an einer Spule (1) des Magnetventils anliegende Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Ableitung (S'(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts (t_CT) ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine zweite Ableitung (S'(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts (t_CT) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schließpunktzeitpunkt (t_CT) vorliegt, wenn die zweite Ableitung (S'(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum ersten Mal Null wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend: Feststellen, dass der Schließzeitpunkt (t_CT) vorliegt, wenn die zweite Ableitung (S'(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses nach dem Erreichen des Werts Null für eine vorbestimmte Zeit (Δt₆) kleiner als Null bleibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Bezugswert (U₀) eine an der Spule anliegenden Spannung zu einem Messstartzeitpunkt (t₄) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, die Auswertung der zweiten Ableitung (S'(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses mithilfe einer Hilfsfunktion (S(t)) durchgeführt wird, wobei ein Extrempunkt der Hilfsfunktion dem Schließzeitpunkt (t_CT) des Injektors (100) entspricht und die Hilfsfunktion (S(t)) wie folgt lautet: $S (t) = \frac{d}{d t} l n \frac{U (t)}{U_{o}} = \frac{U' (t)}{U (t)}$
mit U(t) = Spulenspannung zum Zeitpunkt t U₀ = Spulenspannung zum Zeitpunkt t₀
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Ableitung der Hilfsfunktion (S'(t)) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Ableitung der Hilfsfunktion (S'(t)) wie folgt approximiert wird: $S' (t) = \frac{S (t + Δ t) - S (t)}{Δ t}$
wobei S(t) = Hilfsfunktion t = Zeitpunkt Δt = Zeitraster
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schließzeitpunkt (tCT) vorliegt, wenn die erste Ableitung der Hilfsfunktion (S'(t)) gleich oder kleiner als Null ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei gleitende Mittelwerte für die erfasste Spulenspannung (U) verwendet werden.
Computerprogramm (76), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
Steuergerät (70), das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Verbrennungskraftmaschine (79) mit einem Steuergerät (70) nach Anspruch 13, wobei die Verbrennungskraftmaschine eingerichtet und ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Kraftfahrzeug (80) mit einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14, wobei das Kraftfahrzeug (80) eingerichtet und ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.