DE102021201905A1

DE102021201905A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Zeitfensters zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors und Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102021201905A1
Application number: DE102021201905.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Stellmach; Danny Jaeger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Zeitfensters (F1, F2, F3, F4) zum Ansteuern eines Elektromagneten eines Kraftstoffinjektors für eine Einspritzung, wobei bei dem Kraftstoffinjektor, wenn der Elektromagnet angesteuert wird, ein Magnetanker angehoben wird, der dann eine Düsennadel (mitnimmt, die dabei eine verschlossene Einspritzöffnung freigibt, um eine Einspritzung vorzunehmen, und bei dem am Ende der Einspritzung die Düsennadel die Einspritzöffnung wieder verschließt und der Magnetanker zurückfällt, ein oder mehrmals wieder abprellt und nach Ende eines letzten Prellvorgangs zur Ruhe kommt, wobei in mehreren Messvorgängen jeweils nach einer ersten Einspritzung (E1) eine zweite Einspritzung vorgenommen wird, für die der Elektromagnet zu einem Zeitpunkt angesteuert wird, der eine vorgegebene Zeitdauer (Δt) nach Ende der ersten Einspritzung liegt, wobei ein erster der Messvorgänge mit einer vorgegebenen Zeitdauer und die nachfolgenden Messvorgänge mit geringerer Zeitdauer vorgenommen werden, wobei für jeden Messvorgang bestimmt wird, ob und/oder mit welcher Verzögerung die Düsennadel die Einspritzöffnung freigibt, und wobei das wenigstens eine Zeitfenster (F1,F2, F3, F4) anhand von Zeitdauern (Δt) bei Messvorgängen, bei denen die Düsennadel die Einspritzöffnung mit kürzerer als einer vorgegebenen Verzögerung freigibt, bestimmt wird, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftstoffinjektors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Zeitfensters zum Ansteuern eines Elektromagneten eines Kraftstoffinjektors für eine Einspritzung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu deren Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Bei Brennkraftmaschinen können Kraftstoffinjektoren verwendet werden, um Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher (sog. Rail) in die Brennkraftmaschine einzuspritzen. Je nach Betrieb kann, insbesondere bei Benzin-Motoren, vorgesehen sein, auch mehrere Einspritzungen hintereinander für einen Verbrennungszyklus vorzunehmen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen eines Zeitfensters zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu deren Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit Kraftstoffinjektoren, bei denen ein Elektromagnet angesteuert wird, wodurch ein Magnetanker angehoben wird, der dann, also erst kurze Zeit später, eine Düsennadel mitnimmt (bzw. anhebt), z.B. gegen eine Federkraft, wobei die Düsennadel dann eine verschlossene Einspritzöffnung freigibt, um eine Einspritzung vorzunehmen. Der Magnetanker nimmt die Düsennadel also nicht von Beginn an mit, vielmehr gibt es einen gewissen Ankerfreiweg, den der Anker zunächst überwinden muss, bevor er an der Düsennadel angreift. Nach der Einspritzung verschließt die Düsennadel die Einspritzöffnung dann wieder und der Magnetanker fällt entsprechend zurück. Aufgrund des erwähnten Ankerfreiwegs prallt der Magnetanker dann aber ein oder mehrmals wieder ab (sog. Ankerprellen), und zwar von einem Anschlag z.B. an der Düsennadel. Erst nach Ende eines letzten Prellvorgangs kommt der Magnetanker zur Ruhe.
Aufgrund dieses Ankerprellens ist es üblich, nach einer ersten Einspritzung für eine nächste, zweite Einspritzung solange zu warten, bis der Magnetanker in Ruhe ist, also nicht mehr prellt. Hierbei kann auch von einer sog. Pausenzeit gesprochen werden.
Bei einer Ansteuerung des Elektromagneten für eine Einspritzung nach nur kurzer Zeit, noch vor dem Ende des Ankerprellens, sind typischerweise noch Restenergien (elektrische Wirbelströme) und Ankerbewegungen (hydraulische Dämpfung, Anker noch nicht in Ruheposition) aus der vorherigen Einspritzung zu berücksichtigen. Da sich mit kleiner werdenden Pausenzeiten die Zumesstoleranzen durch die vorher beschriebenen Effekte erhöhen, sollte die minimale Pausenzeit entsprechend lang gewählt werden. Abhängig von der Ankergeschwindigkeit und dem Geschwindigkeitsvektor kann es andernfalls zu einer ungenauen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors kommen. Es kann nicht mehr sichergestellt werden, dass die gewünschte Einspritzmenge ausgegeben wird.
Problematisch ist dies insbesondere dann, wenn mehrere Einspritzungen für denselben Verbrennungszyklus abgesetzt werden sollen. Z.B. muss beim Kaltstart und Warmlauf einer Brennkraftmaschine in der Regel mehr Kraftstoff in den Brennraum eingetragen werden als bei regulärem Betrieb, da nicht die gesamte Kraftstoffmenge an der Verbrennung teilnimmt. Ein Teil des Kraftstoffs schlägt sich an den kalten Zylinderwänden nieder. Deshalb ist eine Gemischanreicherung notwendig, um einen Lambdawert von eins im Abgas sicherzustellen (niedrigste Abgasemissionen durch beste Katalysatorwirkung). Diese zusätzliche Gemischanreicherung muss im definierten Einspritzfenster untergebracht werden. Ist dies nicht möglich, muss die Anzahl der Einspritzungen reduziert werden, was wiederum höhere Emissionen nach sich zieht.
Wie später in Bezug auf die Figuren noch näher erläutert werden soll, wird eine ggf. nötige Gemischanreicherung in der Regel komplett zur ersten Einspritzung (bei mehreren Einspritzungen) hinzugerechnet. Da das Einspritzfenster fest durch den Beginn der ersten und das Ende der letzten Einspritzung definiert ist, werden lediglich die Abstände zwischen der ersten und zweiten bzw. zweiten und dritten Einspritzung geringer. Hierbei kann es aber nun vorkommen, dass zwischen zwei Einspritzungen die vorstehend erwähnte, nötige Pausenzeit bis nach dem Ankerprellen nicht eingehalten werden kann. Es kommt damit zu einer sog. Pausenzeitverletzung und es resultieren daraus höhere Zumesstoleranzen, die wiederum in höheren Schwankungen im Lambdawert resultieren, wodurch wiederum die Emissionen ansteigen. Denkbar ist sogar, dass der Kraftstoffinjektor gar nicht öffnet und es zu Verbrennungsaussetzern kommt.
Im Rahmen der Erfindung lässt sich nun durch eine gezielte Ansteuerung des Kraftstoffinjektors bereits vor Ende des Ankerprellens die (minimal nötige) Pausenzeit absenken und bei der gleichen Gemischanreicherung eine Pausenzeitverletzung vermeiden. Wie sich herausgestellt hat, gibt es während des Ankerprellens Zeitfenster, in denen die Geschwindigkeit des Magnetankers null oder zumindest sehr klein ist und dass dann, wenn der Elektromagnet bzw. der Kraftstoffinjektor in einem solchen Zeitfenster angesteuert wird, die vorstehend erwähnten Restenergien und Ankerbewegungen keinen oder zumindest keinen nennenswerten Einfluss auf die Zumessgenauigkeit haben.
Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, dass beim Betrieb eines solchen Kraftstoffinjektors nach einer ersten Einspritzung eine zweite Einspritzung vorgenommen wird, für die der Elektromagnet zu einem Zeitpunkt angesteuert wird, der in einem Zeitfenster liegt, das vor dem Ende des letzten Prellvorgangs liegen. Das Zeitfenster ist bzw. wird dabei vorzugsweise jeweils derart gewählt, dass darin eine Geschwindigkeit des Magnetankers unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, insbesondere bei null, liegt.
Damit lässt sich nun die erwähnte Gemischanreicherung z.B. beim Kaltstart mit hohen Zumessgenauigkeiten vornehmen. Außerdem erlaubt dies geringere Pausenzeiten auch bei höheren Drehzahlen. Mit steigender Drehzahl erhöht sich auch die Winkelgeschwindigkeit. Eine geringere Pausenzeit bietet die Möglichkeit, eine Mehrfacheinspritzung auch bei Drehzahlen einzusetzen, bei denen bei längeren Pausenzeiten die Einspritzungen nicht mehr in dem Einspritzfenster hätten untergebracht werden können. Außerdem ist es möglich, die Anzahl der Einspritzungen zu erhöhen, da diese dann auch in das Einspritzfenster passen.
Hierzu sollte die Motorsteuergerätesoftware in die Lage versetzt werden, den Kraftstoffinjektor zum richtigen Zeitpunkt des Ankerprellens anzusteuern. Während einer Applikationsphase des Steuergeräts (Anpassung der Kalibrierparameter) sollte hierbei über verschiedene Injektorsätze herausgefunden werden, ob der Kraftstoffinjektor immer zur selben Zeit prellt. Damit wird herausgefunden, wann die Ankergeschwindigkeit bei null liegt und eine frühestmögliche Ansteuerung möglich ist. Weiterhin kann in der Steuergerätesoftware eine Möglichkeit zur Adaption dieses Wertes geschaffen werden, um Fertigungstoleranzen, Temperatur- und Kraftstoffeinflüsse zu berücksichtigen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine solche Adaption bzw. Bestimmung von Zeitfenstern während des Ankerprellens, in denen die erwähnte Ansteuerung vorgenommen werden kann. Die damit bestimmten Zeitfenster können dann bei der erwähnten Ansteuerung bzw. beim Betrieb des Kraftstoffinjektors verwendet werden.
Hierbei wird in mehreren Messvorgängen jeweils nach einer ersten Einspritzung eine zweite Einspritzung vorgenommen, für die der Elektromagnet zu einem Zeitpunkt angesteuert wird, der eine vorgegebene Zeitdauer nach Ende der ersten Einspritzung liegt. Bei der ersten Einspritzung kann es sich z.B. um eine Haupteinspritzung (also eine in der Regel längeren Einspritzung) handeln, bei der zweiten Einspritzung dann z.B. um eine ballistische (kurze) Einspritzung (d.h. ohne dass die Düsennadel im geöffneten Zustand anschlägt). Wenn nur eine Kleinstmenge in der zweiten Einspritzung abgesetzt wird, ist der Einfluss auf das Abgasergebnis und den Fahrkomfort minimiert. Das Ende der ersten Einspritzung kann z.B. als Ende der Ansteuerung (also insbesondere dem Wegnehmen einer angelegten Spannung) oder als Schließzeitpunkt der Düsennadel definiert sein. Ein erster der Messvorgänge wird dabei bei einer Pausenzeit mit einer vorgegebenen Zeitdauer und die nachfolgenden Messvorgänge werden dann bei Pausenzeiten mit jeweils geringerer Zeitdauer vorgenommen, z.B. wird die Zeitdauer der Pausenzeit mit jedem weiteren Messvorgang immer weiter reduziert, vorzugsweise diskret um immer denselben Wert. Denkbar ist aber auch, dass überhaupt nur vorbestimmte Bereiche oder Zeitfenster untersucht werden, z.B. solche, die aus einer früheren Adaption an demselben Injektor bekannt sind.
Mit jedem Messvorgang wird bestimmt, ob und/oder mit welcher Verzögerung (dies kann z.B. eine Verzugszeit gegenüber dem Ansteuerbeginn sein) die Düsennadel die Einspritzöffnung freigibt, also ob bzw. wie schnell die Düsennadel angehoben wird. Hierzu kann auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, die z.B. anhand der Strom- und/oder Spannungsverläufe Rückschluss darüber zulassen, ob oder wie lange die Einspritzöffnung freigegeben ist bzw. war. Auf diese Weise wird dann anhand von Zeitdauern bei Messvorgängen, bei denen die Düsennadel die Einspritzöffnung ausreichend schnell, also mit kürzerer als einer vorgegebenen Verzögerung freigibt, das wenigstens eine Zeitfenster bestimmt.
Zur (insbesondere initialen bzw. typenweiten) Bestimmung solcher Zeitfenster - bzw. der zulässigen Pausenzeitbereiche - können insbesondere sog. Grenzmuster (d.h. Exemplare mit gerade noch zulässigen Toleranzen) der Kraftstoffinjektoren verwendet werden. Solche Grenzmuster können z.B. speziell angefertigt oder aus einer Produktionscharge ausgesucht werden. Hierzu wurden Haupteinflussparameter wie Ankerfreiweg, Nadelhub, Schließfederkraft, Systemdruck und Viskosität des Kraftstoffs in einer Simulation betrachtet. Daraus wurde erkannt, dass es ausreichend und zweckmäßig ist, die Grenzmuster lediglich über den größten zulässigen Ankerfreiweg zu definieren.
Im Rahmen des vorgeschlagenen Vorgehens zum Bestimmen der Zeitfenster können in einem ersten Schritt die möglichen Pausenzeitbereiche an einem Motorprüfstand verifiziert werden. Dazu werden z.B. mehrere Sätze an Grenzmustern benötigt. An einem festen Betriebspunkt wird dann eine Zweifacheinspritzung (also die erwähnte erste und zweite Einspritzung) eingestellt, und zwar zunächst mit einer ausreichend großen Pausenzeit (die erwähnte, vorgegebene Zeitdauer für den ersten Messvorgang). Dies stellt einen Referenzpunkt bzgl. Gemischabweichungen etc. dar. Dann wird die Zeitdauer bzw. Pausenzeit sukzessive verringert. Im Bereich der unzulässigen Pausenzeiten wird erwartet, dass der Kraftstoffinjektor verzögert oder gar nicht öffnet. Dies resultiert in Gemischabweichungen (zu wenig Kraftstoff) oder Verbrennungsaussetzern. Im Bereich der zulässigen Pausenzeiten wird ein Verhalten ähnlich zum Referenzpunkt erwartet. Die somit ermittelten Pausenzeitbereiche werden als die erwähnten Zeitfenster dann z.B. in die Motorsteuerung übertragen und dienen als Startpunkte für die Adaption im Fahrzeug.
Damit die definierten Pausenzeitbereiche dann im Fahrzeug auch verwendet können, sollte eine erste Adaption bzw. Grundadaption, wie oben beschrieben, erfolgen. Erst danach sollte die Freigabe der erweiterten Pausenzeitbereiche erfolgen. Die Grundadaption kann automatisch gestartet werden, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, oder manuell. Zweckmäßigerweise sollte sie am Bandende der Brennkraftmaschinenherstellung das erste Mal durchgeführt werden. Es kann vorgesehen sein, im Rahmen der Grundadaption nur die bereits initial mittels z.B. Grenzmustern bestimmten Pausenzeiten zu überprüfen bzw. zu korrigieren. Alternativ ist denkbar, dass die gültigen Pausenzeitbereiche auch ohne vorbestimmte Bereiche gefunden werden. Es wird ebenfalls die o.g. Einspritzsequenz verwendet, jedoch wird die Pausenzeit im kompletten Bereich variiert, wie ebenfalls schon erwähnt. Begonnen wird dann z.B. bei einer ausreichend langen Pausenzeit; dann wird die Pausenzeit sukzessive verringert. Sobald detektiert wird, dass der Kraftstoffinjektor nicht mehr öffnet, ist die untere Grenze des aktuellen Bereichs definiert. Der nächste Bereich wird erst dann erkannt, wenn bei weiterer Reduzierung der Pausenzeit der Injektor wieder öffnet.
Die Adaption sollte zweckmäßigerweise bei verschiedenen Drücken und/oder Temperaturen wiederholt werden, um physikalische Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Weiterhin ist es zweckmäßig, die Adaption in regelmäßigen Abständen, z.B. nach x-tausend Einspritzungen zu wiederholen, um Alterungs- und Drifteffekte zu berücksichtigen.
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 und ausschnittsweise einen Kraftstoffinjektor, der im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, in verschiedenen Stellungen.
2 zeigt schematisch einen Hubverlauf des Magnetankers aus 1 nach einer Einspritzung.
3 zeigt schematisch mehrere Einspritzungen mit zeitlichen Abständen zueinander.
4 und 5 zeigen schematisch mögliche Zeitfenster für Einspritzungen bei Kraftstoffinjektoren, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren in bevorzugter Ausführungsform bestimmt werden.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kraftstoffinjektor 100 dargestellt, der im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, und zwar in verschiedenen Stellungen (a) bis (d). Der Kraftstoffinjektor 100 weist eine Düsennadel 110 auf, die mittels eines Magnetankers 125 angehoben werden kann, um eine Einspritzöffnung 140 freizugeben. Dazu muss die Düsennadel 110 gegen eine Federkraft der Feder oder Ventilfeder 130 angehoben werden. Hierzu wird ein Elektromagnet 120 angesteuert bzw. bestromt, z.B. indem mittels einer als Steuergerät ausgebildeten Recheneinheit 170 eine Spannung an den Elektromagneten angelegt wird.
Der Magnetanker 125 liegt zunächst an einem unteren Anschlag 114 der Düsennadel 110 an bzw. auf und wird dann, wie in Stellung (a) zu sehen, durch Magnetkraft angehoben. In Stellung (b) erreicht der Magnetanker 125 den oberen Anschlag 112 der Düsennadel 110 und nimmt diese mit, sodass die Einspritzöffnung 140 freigegeben wird. Nach Ende der Ansteuerung bzw. Bestromung fällt der Magnetanker 125, wie in Stellung (c) zu sehen, zurück, bis er wieder auf dem unteren Anschlag 114 auftrifft. Von dort prellt der Magnetanker aber dann wieder, typischerweise mehrmals, ab. Die Düsennadel gibt dabei aber die Einspritzöffnung normalerweise nicht mehr frei.
In 2 ist hierzu schematisch ein Hubverlauf des Magnetankers aus 1 nach einer Einspritzung gezeigt. Hierzu ist ein Hub h des Magnetankers über einer Zeit t aufgetragen. Dabei ist ein maximaler Ankerfreiweg mit Δh bezeichnet, welcher dem Abstand zwischen dem oberen Anschlag und der Oberseite des Ankers entspricht.
Zum Zeitpunkt t₀ soll die Ansteuerung bzw. Bestromung zu Ende sein, der Magnetanker fällt also zurück, bis er zum Zeitpunkt t₁ den unteren Anschlag erreicht, wie in Bezug auf die Stellungen (c) und (d) in 1 erläutert. Von dort prallt der Magnetanker aufgrund dessen Impulses wieder ab, während die Einspritzöffnung aber verschlossen bleibt. Im gezeigten Hubverlauf entspricht der Schließzeitpunkt der Düsennadel dem Schnittpunkt von h und Δh. Der Magnetanker bewegt sich nach dem ersten Abprallen bei t₁ nach oben, dreht dann wieder um und erreicht zum Zeitpunkt t₂ wieder den unteren Anschlag. Beispielhaft ist noch ein weiteres Abprallen gezeigt, bevor der Magnetanker zum Zeitpunkt t₃ dann wieder den unteren Anschlag erreicht und dann in Ruhe bleibt.
Mit Δh_w ist ein jeweils wirksamer oder effektiver Ankerfreiweg bezeichnet. Dieser stellt, ausgehend von der aktuellen Position des Magnetankers den verbleibenden Freiweg bis zum Erreichen des oberen Anschlags dar. Dabei ist zu sehen, dass dieser wirksame Ankerfreiweg während des Abprallens mitunter deutlich gegenüber dem maximalen Ankerfreiweg reduziert ist.
Bei einer erneuten Ansteuerung während des Ankerprellens kann abhängig von der Ankergeschwindigkeit und dem Geschwindigkeitsvektor nicht sichergestellt werden, dass die gewünschte Einspritzmenge ausgegeben wird. Dies ist z.B. bei einer Ansteuerung beginnend bei dem Zeitpunkt t₁ oder t₂ der Fall, da dort die Ankergeschwindigkeit sehr hoch in Öffnungsrichtung ist. Bei einer Ansteuerung kurz vor dem Zeitpunkt t₁ oder t₂ hingegen würde es zu einer regulären Öffnung der Düsennadel kommen.
Unabhängig davon wird die Düsennadel auch dann regulär geöffnet, wenn die Ansteuerung erst ab dem Zeitpunkt t₃ erfolgt, da ab dann der Magnetanker in Ruhe ist. Die Zeitdifferenz t₃-t₀ wird daher bisher als (minimale) Pausenzeit verwendet, die nach dem Ende der ersten Einspritzung gewartet werden muss, bis die nächste bzw. zweite Einspritzung bzw. Ansteuerung hierzu beginnen kann.
In 3 sind nun schematisch mehrere Einspritzungen E₁, E₂ und E₃ mit zeitlichen Abständen zueinander dargestellt. Dazu sind die Einspritzungen jeweils mit Anfang und Ende über einem Kurbelwellenwinkel φ aufgetragen.
In Abbildung (a) ist dabei zunächst ein regulärer Betrieb mit drei Einspritzungen gezeigt, wobei die erste Einspritzung E1 eine Haupteinspritzung ist. Mit Δt sind bisher verwendete, minimale Einspritzpausen gezeigt, die nach Ende einer Einspritzung abgewartet werden müssen, um eine neue Einspritzung zu beginnen. In dem gezeigten Beispiel wird die zugehörige Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl von 3.000 U/min betrieben, die Pausenzeit Δt beträgt 2ms. Hierzu sei angemerkt, dass sich die Einspritzungen nach dem Kurbelwellenwinkel richten, die Pausenzeit aber nicht. Insofern entspricht die Pausenzeit von 2ms hier z.B. einem Kurbelwellenwinkel von 36°, bei einer Drehzahl von z.B. 5.000 U/min wären dies aber schon 60°. Die Pausenzeit zwischen der zweiten und dritten Eispritzung könnte dann z.B. schon nicht mehr eingehalten werden.
Im Falle einer kalten Brennkraftmaschine findet am selben Betriebspunkt eine Gemischanreicherung von z.B. 50% statt. Diese wird komplett zur ersten Einspritzung E₁ hinzugerechnet, wie in Abbildung (b) zu sehen. Da das Einspritzfenster fest durch den Beginn der ersten und das Ende der letzten Einspritzung definiert ist, werden lediglich die Abstände zwischen der ersten und zweiten bzw. zweiten und dritten Einspritzung geringer. Es kommt zu einer Pausenzeitverletzung. Im gezeigten Beispiel in Abbildung (b) kann z.B. die Pausenzeit zwischen der zweiten und dritten Einspritzung nicht mehr eingehalten werden, zwischen der ersten und zweiten Einspritzung ist jedenfalls schon die Grenze erreicht.
Daraus resultieren höhere Zumesstoleranzen, die in höheren Schwankungen im Lambdawert im Abgas resultieren, wodurch die gasförmigen Emissionen ansteigen. Im schlimmsten Fall öffnet der Kraftstoffinjektor nicht und es kommt zu Verbrennungsaussetzern. Durch erfindungsgemäße Maßnahmen lässt sich jedoch die Pausenzeit absenken, so dass bei der gleichen Gemischanreicherung keine Pausenzeitverletzung mehr vorliegt. Dies ist in Abbildung (c) dargestellt. Dort ist wie in Abbildung (b) eine Gemischanreicherung vorgesehen, die Pausenzeit Δt' beträgt aber beispielhaft nur 1 ms.
In den 4 und 5 sind schematisch mögliche Zeitfenster für Einspritzungen bei Kraftstoffinjektoren dargestellt, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren in bevorzugter Ausführungsform bestimmt werden können.
In 4 sind für drei unterschiedliche Muster von Injektoren Einspritzmengen der zweiten Einspritzung ein Volumenstrom Q über der Pausenzeit zwischen erster und zweiter Einspritzung aufgetragen. Daraus lassen sich zulässige Pausenzeitbereiche oder Zeitfenster F₁ bis F₄ ermitteln, in denen für diesen Typ von Injektor eine Einspritzung vorgenommen werden kann.
Im oberen Diagramm ist eine Simulation mit Nominalmustern innerhalb einer 4σ-Toleranz bzgl. der Streuung des Ankerfreiwegs Δh dargestellt. Darunter, im mittleren Diagramm, sind Nominalmuster mit 1σ-Toleranz dargestellt, in der sich statistisch gesehen 68% aller Kraftstoffinjektoren dieses Typs befinden. Im unteren Diagramm ist der Verlauf mit Grenzmustern dargestellt, die z.B. wie vorstehend beschrieben aufgebaut wurden.
Herkömmlicherweise wird für die Festlegung der minimalen Pausenzeit das Grenzmuster benutzt und als minimale Pausenzeit das Zeitfenster F₁ ganz rechts verwendet. Anhand der Messungen ist aber auch ersichtlich, dass es für alle Muster gültige Pausenzeitbereiche bzw. Zeitfenster F₂ bis F₄ gibt, in denen der Kraftstoffinjektor zuverlässig öffnet, und zwar auch unter Berücksichtigung möglicher Streuungen des Ankerfreiwegs über Exemplare hinweg.
In 5 ist die Situation aus 4 beispielhaft und schematisiert nochmals dargestellt, anhand der auch ein Vorgehen zum Bestimmen von Zeitfenstern zum Ansteuern des Elektromagneten im Rahmen der Erfindung erläutert werden soll. In dem Graph sind für einen Injektor erfolgreiche Einspritzungen („1“) über der Pausenzeit aufgetragen.
Wie in Bezug auf 2 und 4 schon erwähnt, kann bei Zeitdauern ab z.B. 2 ms, die nach Ende der vorhergehenden Einspritzung abgewartet wird, bis die nachfolgende Ansteuerung beginnt, sicher angenommen werden, dass die Düsennadel regulär öffnet. Ausgehend hiervon wird die Pausenzeit beispielsweise schrittweise reduziert und jedes Mal überprüft, z.B. über die Spannungsvermessung des Kraftstoffinjektors, ob das Ventil richtig bzw. wunschgemäß öffnet oder nicht. Sobald festgestellt wird, dass das Ventil nicht mehr richtig bzw. wunschgemäß öffnet, wird der vorherige noch zuverlässig öffnende Wert als untere Grenze für ein Zeitfenster F₁, F₂, F₃, F₄ festgelegt.
Alternativ zu einer kompletten Durchmessung der Pausenzeit können auch bereits vorbestimmte Bereiche (hier beispielhaft mit B₁ und B₂ symbolisiert) nachgemessen werden. Beispielweise wird zunächst der erste Bereich B1 geprüft. Ist beispielsweise darin die minimale Pausenzeit mit 2,00 ms vorbestimmt, wird bei der Adaption die Pausenzeit im Bereich B₁ von 2,20 ms bis 1,80 ms vermessen. Sobald festgestellt wird, z.B. über die Spannungsvermessung des Kraftstoffinjektors, dass das Ventil nicht mehr richtig bzw. wunschgemäß öffnet, wird ein noch zuverlässig öffnender Wert, hier beispielhaft 1,95 ms, als untere Grenze für den ersten Bereich bzw. das erste Zeitfenster F₁ festgelegt.
Anschließend erfolgt die Vermessung für die weiteren vorbestimmten Bereiche analog zum ersten Bereich. Beispielhaft ist nur noch der Bereich B₂ gezeigt. Somit ergeben sich auch hierdurch zylinderindividuelle Zeitfenster für Pausenzeiten, die hier - neben F₁ - mit F₂, F₃ und F₄ bezeichnet sind.
Auf diese Weise werden also Zeitfenster gefunden, in denen eine zweite Einspritzung nach einer ersten Einspritzung begonnen werden kann, bei der dann auch sichergestellt ist, dass die damit zugemessene Menge an Kraftstoff der gewünschten Menge entspricht.
Dieses Verfahren wird bevorzugt bei verschiedenen Drücken und/oder Temperaturen wiederholt, um die physikalischen Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Weiterhin sollte die Adaption in regelmäßigen Abständen, z.B. nach x-tausend Einspritzungen, wiederholt werden, um Alterungs- und Drifteffekte zu berücksichtigen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen wenigstens eines Zeitfensters (F_1, F₂, F₃, F₄) zum Ansteuern eines Elektromagneten (120) eines Kraftstoffinjektors (100) für eine Einspritzung, wobei bei dem Kraftstoffinjektor (100), wenn der Elektromagnet (120) angesteuert wird, ein Magnetanker (125) angehoben wird, der dann eine Düsennadel (110) mitnimmt, die dabei eine verschlossene Einspritzöffnung (140) freigibt, um eine Einspritzung vorzunehmen, und bei dem am Ende der Einspritzung die Düsennadel (110) die Einspritzöffnung (140) wieder verschließt und der Magnetanker (125) zurückfällt, ein oder mehrmals wieder abprellt und nach Ende (t₃) eines letzten Prellvorgangs zur Ruhe kommt, wobei in mehreren Messvorgängen jeweils nach einer ersten Einspritzung (E₁) eine zweite Einspritzung (E₂) vorgenommen wird, für die der Elektromagnet (120) zu einem Zeitpunkt angesteuert wird, der eine vorgegebene Zeitdauer (Δt) nach Ende der ersten Einspritzung (E₁) liegt, wobei ein erster der Messvorgänge mit einer vorgegebenen Zeitdauer und die nachfolgenden Messvorgänge mit geringerer Zeitdauer vorgenommen werden, wobei für jeden Messvorgang bestimmt wird, ob und/oder mit welcher Verzögerung die Düsennadel (110) die Einspritzöffnung (140) freigibt, und wobei das wenigstens eine Zeitfenster (F₁, F₂, F₃, F₄) anhand von Zeitdauern (Δt) bei Messvorgängen, bei denen die Düsennadel (110) die Einspritzöffnung mit kürzerer als einer vorgegebenen Verzögerung freigibt, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitdauern (Δt) für die nachfolgenden Messvorgänge mit jedem weiteren Messvorgang immer weiter reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitdauern (Δt) für die nachfolgenden Messvorgänge mit jedem weiteren Messvorgang diskret um immer denselben Wert reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitdauern (Δt) für die nachfolgenden Messvorgänge nur innerhalb vorgegebener Bereiche (B₁, B₂) ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Zeitfenster (F₁, F₂, F₃, F₄) individuell für verschiedene Drücke und/oder Temperaturen bestimmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (100), bei dem ein Elektromagnet (120) angesteuert wird, wodurch ein Magnetanker (125) angehoben wird, der dann eine Düsennadel (110) mitnimmt, die dabei eine verschlossene Einspritzöffnung (140) freigibt, um eine Einspritzung vorzunehmen, und bei dem am Ende der Einspritzung die Düsennadel (110) die Einspritzöffnung (140) wieder verschließt und der Magnetanker (125) zurückfällt, ein oder mehrmals wieder abprellt und nach Ende (t₃) eines letzten Prellvorgangs zur Ruhe kommt, wobei nach einer ersten Einspritzung (E₁) eine zweite Einspritzung (E₂) vorgenommen wird, für die der Elektromagnet (120) zu einem Zeitpunkt angesteuert wird, der in einem Zeitfenster (F₂, F₃, F₄) liegt, das vor dem Ende (t₃) des letzten Prellvorgangs liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Zeitfenster (F₂, F₃, F₄) derart gewählt wird, dass darin eine Geschwindigkeit des Magnetankers (125) unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, insbesondere bei null, liegt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Zeitfenster (F₂, F₃, F₄) oder die mehreren Zeitfenster (F₂, F₃, F₄) jeweils gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bestimmt wird oder bestimmt worden ist.
Recheneinheit (170), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (170) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (170) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.