DE102021208757A1

DE102021208757A1 - Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Größe eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102021208757A1
Application number: DE102021208757.4A
Authority: DE
Inventors: Lars-Oliver Rack; Roland Kampleitner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer charakteristischen Größe ΔtA,Δh) eines Magnetventils mit Magnetspule und Magnetanker, wobei das Magnetventil zumindest für einen Teilhub des Magnetankers angesteuert wird, wobei innerhalb einer Schließ- oder Löschphase der Ansteuerung des Magnetventils eine oder mehrere Stützstellen (Us) einer elektrischen Ansteuergröße für die Magnetspule bestimmt werden, und wobei unter Verwendung eines Modells (M) des Magnetventils anhand der einen oder mehreren Stützstellen (Us) die wenigstens eine charakteristische Größe (ΔtA,Δh) bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer charakteristischen Größe 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. Ein typisches Einsatzgebiet von Magnetventilen ist in Kraftstoffinjektoren. Dort wird das Magnetventil üblicherweise dazu verwendet, eine Durchflussöffnung für Kraftstoff freizugegeben oder zu verschließen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer charakteristischen Größe 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 dem Bestimmen charakteristischer Größen eines Magnetventils, wie insbesondere eines erreichten Hubs des Magnetankers beim Ansteuern, einer Ausschaltzeit oder auch einer Einschaltzeit. Unter einer Ausschaltzeit ist dabei insbesondere die Zeitdauer zwischen Abschalten der Spannung von der Magnetspule bzw. Anlegen einer negativen Spannung (Beginn der sog. Löschphase) und dem tatsächlichen Erreichen des Ruheanschlags des Magnetankers zu verstehen. Entsprechend ist unter der Einschaltzeit insbesondere die Zeitdauer zwischen Anlegen der Spannung an die Magnetspule zu Beginn der Ansteuerung (Beginn der sog. Anzugs- oder Boostphase, ggf. auch als sog. Schnellerregungsphase bezeichnet) und dem tatsächlichen Erreichen des gewünschten Hubs des Magnetankers zu verstehen. Die Kenntnis solcher charakteristischen Größen ist für den möglichst genauen bzw. exakten Betrieb des Magnetventils nötig oder jedenfalls von Vorteil, insbesondere bei Verwendung als Servoventil in einem Kraftstoffinjektor, bei dem z.B. mittels des Magnetventils letztlich eine Düsennadel angehoben oder abgesenkt werden soll, um eine Einspritzöffnung freizugeben bzw. zu verschließen.
Erfolgt ein Schließen des Magnetventils einfach durch Abschalten der Spannung, kommt es während der Schließbewegung zu einer Induktion. Die Bewegung eines einteiligen Magnetankers (d.h. Magnetanker = Ventilkolben) wird bei Erreichen der unteren Endposition (Ruheanschlag) abrupt gestoppt, was zu einem Knick im Spannungssignal der induzierten Spannung führt. Mittels zeitlicher Ableitung kann dann z.B. der Zeitpunkt des Knicks ermittelt werden. Dieser Knick kann dann auf das Bestromungsende bezogen werden, woraus die Ausschaltzeit resultiert. Erfolgt ein Schließen des Magnetventils durch sog. Schnelllöschen mit anschließender Freilaufphase, ist während der Freilaufphase ein Strom messbar. Beim Erreichen der Endposition durch den Magnetanker bildet sich ein Strommaximum aus, das für die Ausschaltzeitdetektion verwendet werden kann. Davon abgesehen, dass diese Möglichkeiten die Auswertung mehrerer Betriebsphasen bei der Ansteuerung bzw. beim Betrieb des Magnetventils erfordern, funktionieren sie nur bei Magnetventilen mit einteiligen Magnetankern. Bei einem Magnetventil mit zweiteiligem Magnetanker (d.h. Magnetanker und Ventilkolben getrennt) tritt der erwähnte Knick im Spannungssignal der angelegten Spannung nicht auf oder ist jedenfalls nicht hinreichend genau zu erkennen.
Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, dass das Magnetventil zumindest für einen Teilhub des Magnetankers angesteuert wird und dass (anstatt eines ggf. nicht vorhandenen markanten Spannungsknickes) Stützstellen wie z.B.
Schwellwerte aus der Versorgungsspannung oder einer anderen charakteristischen Ansteuergröße der Magnetspule abgegriffen werden und diese dann als Eingangssignal für ein (mathematisches) Modell dienen. Der Ausgang des (mathematischen Modelles) liefert im Anschluss zumindest eine charakteristische Magnetventilgröße wie insbesondere Einschaltzeit, erreichte Hubhöhe und/oder Ausschaltzeit. Speziell für die charakteristischen Magnetventilgrößen Einschaltzeit und erreichte Hubhöhe wird das Verfahren insbesondere ausschließlich im Teilhub-Betrieb durchgeführt. Für die Ausschaltzeit ist eine Ansteuerung im Vollhub vorteilhaft.
Unter einem Teilhub ist dabei insbesondere zu verstehen, dass der Magnetanker nicht den maximal möglichen Hub erreicht, d.h. der Magnetanker erreicht nicht den (oberen) Anschlag. Dies kann erreicht werden, indem die Zeitdauer der Ansteuerung des Magnetventils entsprechend (typicherweise relativ kurz, z.B. zwischen 200 µs und 500 µs) gewählt wird. Letztlich wird die Zeitdauer aber von dem konkreten Magnetventil und dessen Einsatz abhängen. Bei Verwendung in einem Kraftstoffinjektor kann hierbei sogar erreicht werden, dass eine Düsennadel des Kraftstoffinjektors nicht öffnet, sodass auch kein Kraftstoff eingespritzt wird.
Dabei werden innerhalb einer Schließ- oder Löschphase bei der Ansteuerung des Magnetventils eine oder mehrere Stützstellen einer elektrischen Ansteuergröße für die Magnetspule bestimmt. Als Ansteuergröße kommt hier insbesondere die an der Magnetspule anliegende Spannung in Betracht, denkbar ist aber auch der durch die Magnetspule fließende Strom. Unter der Schließphase ist dabei diejenige Ansteuerphase des Magnetventils bzw. der Magnetspule zu verstehen, ab der die Versorgungsspannung der Magnetspule abgeschaltet oder insbesondere eine negative Spannung (bzw. eine gegenüber zuvor umgekehrt gepolte Spannung) angelegt wird, um den Strom in der Magnetspule möglichst schnell abzubauen. In letzterem Fall wird insbesondere auch von der sog. Löschphase gesprochen.
Die erwähnten Stützstellen geben dabei an, wann (nach welcher Zeitdauer) ein bestimmter (vorgegebener) Schwellwert der elektrischen Ansteuergröße (also z.B. der Spannung) erreicht wird, und zwar insbesondere nach bzw. ab Beginn der Schließ- bzw. Löschphase. Denkbar ist auch eine umgekehrte Definition, d.h., welchen Wert die elektrische Ansteuergröße nach einer bestimmten (vorgegebenen) Zeitdauer (nach bzw. ab Beginn der Löschphase) erreicht. Allgemein umfasst eine Stützstelle also insbesondere jeweils eine Zeitdauer, zu welcher die jeweilige elektrische Ansteuergröße einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, und/oder einen Wert der jeweiligen elektrischen Ansteuergröße zu einer vorgegebenen Zeitdauer. Die Zeitdauer ist vorzugsweise jeweils in Bezug zu einem Beginn der Schließ- bzw. Löschphase definiert. Es versteht sich, dass auch verschiedene Arten und Kombinationen von Stützstellen verwendet werden können, z.B. einmal für Spannung und einmal für Strom und/oder einmal für die Zeitdauer, nach der ein Schwellwert der Spannung bzw. des Stroms erreicht wird, und einmal ein Wert der Spannung oder des Stroms, der nach einer bestimmten Zeitdauer erreicht wird.
Weiterhin wird dann unter Verwendung eines Modells (z.B. eines mathematischen oder physikalischen Modells) des Magnetventils anhand der einen oder mehreren Stützstellen die wenigstens eine charakteristische Größe bestimmt. Ein solches Modell kann insbesondere auch auf einem künstlichen neuronalen Netz basieren, es kann sich um ein Maschinenlern-Modell handeln. Die Stützstellen dienen dabei als Eingang bzw. als Eingangsgrößen für das Modell. Denkbar wären auch noch weitere Eingangsgrößen von beispielsweise Betriebsparametern wie einem Kraftstoffdruck in einem Hochdruckspeicher, aus dem der Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt wird, oder einer Temperatur einer Brennkraftmaschine, für die der Kraftstoffinjektor verwendet wird. Anhand der wenigstens einen charakteristischen Größe kann dann z.B. eine künftige Ansteuerung des Magnetventils angepasst werden, z.B. auch bei der Verwendung im Kraftstoffinjektor. Ebenso kann dies z.B. für eine Bestimmung und/oder Anpassung der gewünschten Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Düsennadel des Kraftstoffinjektors verwendet werden.
Bei dem Vorgehen wird ausgenutzt, dass bei der Ansteuerung für einen Teilhub die Bewegung des Magnetankers einen besonders starken Einfluss auf die an dem Magnetventil angelegte Spannung hat, und zwar z.B. durch Änderung der Induktivität. Bereits mit einer Stützstelle kann eine akzeptable Prognosegüte der Zielgrößen (die charakteristischen Größen) erreicht werden. Akzeptabel bedeutet in diesem Falle insbesondere, dass das Prognose-Ergebnis ausreichend genau ist, um beispielsweise einen Belagsaufbau (Ablagerungen im Magnetventil) und damit ein verzögertes Öffnen zu detektieren.
Für eine Steigerung der Prognosegüte (Genauigkeit) wird vorgeschlagen, die Anzahl der Stützstellen von einer auf mehrere Stützstellen zu erhöhen. Es sollte dabei darauf geachtet werden, dass die Stützstellen untereinander wenig Korrelation haben. Dies reduziert die Dimension des Modelleingangs und führt in der Regel zu einem besseren Modell. Es hat sich gezeigt, dass ab ca. fünf Stützstellen keine Zunahme der Prognosegüte mehr zu erwarten ist.
Die Stützstellen (z.B. in Form von Zeitdauern) werden z.B. mittels eines nichtlinearen Modells („Multiple Regression“) oder alternativ mittels eines linearen Modells in die Zielgrößen überführt. Als zweckmäßig hat sich z.B. ein (künstliches) neuronales Netz (z.B. „Multi-Layer-Perceptron“) mit geringer Neuronen-Anzahl (ca. zehn) herausgestellt. Der Vorteil eines neuronalen Netzes ist hierbei die Semi-Parametrische-Modellbildung, d.h. die Bildung der Modellstruktur übernimmt das neuronale Netz. Das Modell schafft die Verknüpfung (mathematische Funktion) zwischen den skalaren Eingangsgrößen (Stützstellen) und der gesuchten Ausgangsgröße (Ausschaltzeit, erreichter Hub, Einschaltzeit). Dabei ist insbesondere kein analytisches Systemwissen notwendig. Durch Lerndaten (z.B. Einspritzsequenzen) wird das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Komponenten in eine mathematische Funktion mit Hilfe leistungsfähiger Optimierungsalgorithmen überführt.
In der Lernphase erfolgt die Modellbildung (das Lernen der Neuronen-Verbindungen) z.B. auf Basis von Prüfstands-Messwerten. Diese Messwerte sollten alle relevanten und im Feld erwartbaren Variationsparameter (Kraftstoffinjektor-, Steuergerät-, System-Toleranzen) abdecken. In der Funktionsphase wird dann z.B. im Fahrzeug das erlernte (vgl. Lernphase) neuronale Netz hinterlegt, das (zunächst z.B. die Ein- und/oder Ausschaltzeit und dann) die Einspritzmenge berechnet. Eine Anpassung (kontinuierliches Lernern) des neuronalen Netzes ist in der Funktionsphase nicht mehr nötig.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Magnetventilcharakterisierung auf Basis der Hubzeiten (Einschaltzeit, Ausschaltzeit). Das vorgeschlagene Verfahren liefert eine Ausschaltzeitdetektion z.B. aus der Spannungsversorgung für ein zweiteiliges Magnetventilkonzept, d.h. einen zweiteiligen Magnetanker (dort sind Anker und Ventilkolben nicht starr verbunden); grundsätzlich kann das Vorgehen aber auch bei einem einteiligen Magnetanker angewendet werden. Das Verfahren liefert die erreichte Hubhöhe und/oder eine Ein- bzw. Ausschaltschaltzeit bei kurzer elektrischer Bestromungsdauer (ein- sowie zweiteiliges Ankerkonzept). Eine alleinige Ausschaltzeitdetektion ist dabei insbesondere auch für jede beliebige Ansteuerdauer möglich.
Somit ist das Verfahren z.B. für Magnetventil-Schaltzeitkorrekturen (und damit eine Einspritzmengenkorrektur) und durch die gewonnene Kenntnis des Einschaltverhaltens des Magnetventils z.B. auch für Belagserkennung (steckende Nadeln), oder für Nadel-Auftreffgeschwindigkeits-Reduktion durch elektrisches Nachbestromen einsetzbar. Auf diese Weise können z.B. Ansteuerzeiten und/oder Ansteuerparameter für das Magnetventil oder einen Kraftstoffinjektor, in dem dieses eingesetzt ist, korrigiert oder angepasst werden. Dies kann z.B. regelmäßig während eines üblichen Betriebs erfolgen. Dies erlaubt z.B. eine besonders genaue Zumessung von Kraftstoff. Durch die Belagserkennung kann z.B. auch ein defektes oder nicht mehr hinreichend gut funktionierendes Magnetventil (z.B. in einem Kraftstoffinjektor) erkannt und dann ausgetauscht werden.
Ein besonderer Vorteil des im Rahmen der Erfindung verwendeten Teilhubs ist dabei, dass es dort zu einer Überlappung einer Öffnungsphase und einer Schließphase des Magnetventils kommt. Diese Überlappung führt dazu, dass die Schließphase in hohem Maße von der Öffnungsphase beeinflusst wird. Somit ist es ausreichend, z.B. das Spannungssignal ausschließlich in der Schließphase (bzw. Löschphase) zu detektieren, da in dieser Teilphase die Informationen der Öffnungs- und der Schließphase enthalten sind. Ein entscheidender Vorteil hierbei ist, dass in der Schließphase keine stark toleranzbehaftete Spannungshysterese mehr vorherrscht, deren Hysterese-Frequenz maßgeblich von der Versorgungsspannung (Batteriespannung) abhängig ist. Das vorgeschlagene Vorgehen kann somit unabhängig von der Versorgungsspannung, also z.B. in 12V- und auch in 24V-Bordspannungs-Systemen eingesetzt werden.
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. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. 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. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
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 einen Kraftstoffinjektor mit Magnetventil, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
2 bis 6 zeigen Spannungs-, Strom- und Hubverläufe bei Ansteuerung eines Magnetventils zur näheren Erläuterung der Erfindung.
7 zeigt verschiedene Diagramme zur näheren Erläuterung der Erfindung.
8 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kraftstoffinjektor 100 mit einem Magnetventil 110 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 110 umfasst dabei eine Magnetspule 112, an die über geeignete Anschlüsse (am Kraftstoffinjektor) eine Spannung bzw. Versorgungsspannung U angelegt werden kann, sodass darin ein Strom I fließt. Dies kann z.B. über eine als Steuergerät oder Motorsteuergerät ausgebildete Recheneinheit 150 erfolgen. Zudem umfasst das Magnetventil 110 einen zweiteiligen Magnetanker 114, der eine Ankerplatte 114.2 als eigentlichen Anker und einen Ankerbolzen 114.1 als Ventilkolben, die nicht starr miteinander verbunden sind. aufweist.
Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor 100 eine Düsennadel 120 auf, mittels welcher Durchflussöffnungen zum Einspritzen von Kraftstoff in eine nur schematisch angedeutete Brennkraftmaschine 140 bzw. dort einen Brennraum geöffnet werden können. Die Düsennadel 120 kann mittels des Magnetventils (indirekt, d.h. durch vom Magnetventil beeinflusste Druckverhältnisse) angehoben und abgesenkt werden.
In den 2 bis 6 sind Spannungs-, Strom- und Hubverläufe bei Ansteuerung eines Magnetventils zur näheren Erläuterung der Erfindung dargestellt. Dazu sind Spannung U, Strom I und Hub h jeweils über einer Zeit t aufgetragen.
In 2 ist auf der linken Seite eine Ansteuerung mit vollem Hub des Magnetankers, also mit relativ langer Ansteuerdauer gezeigt. Mit Beginn der Ansteuerung bzw. Bestromung der Magnetspule zum Zeitpunkt t=0 (die Zeit t ist hier in µs aufgetragen) beginnt die Öffnungsphase P₁. Hier wird zunächst eine verhältnismäßig hohe Versorgungspannung durch das Steuergerät bereitgestellt, die z.B. an Kontakten am Kraftstoffinjektor anliegen. Die hohe Spannung erzeugt im Magnetventil einen schnell ansteigenden Strom und damit einen schnellen Anstieg der magnetischen Energie. Ein Erreichen eines definierten Stromniveaus (hier der maximale gezeigte Stromwert) führt zum Beenden der Schnellerregungsphase.
In der folgenden sog. Chopperphase P₂ findet das Öffnen der Magnetventil-Nadel statt bzw. geht weiter und das Magnetventil wird dann offengehalten. Der Strom wird durch eine Zwei-Punkt-Regel-Strategie in gewissen Grenzen gehalten, damit das Magnetventil u.a. thermisch nicht beschädigt wird. Diese Zwei-Punkt-Regel-Strategie führt zu wechselnd sprunghaften Änderungen der Versorgungsspannung, die den Strom wechselnd steigen bzw. sinken lässt.
In der folgenden Schließ- bzw. hier Löschphase P₃ wird eine negative Versorgungsspannung an den Kraftstoffinjektor angelegt, was zu einem raschen Stromabbau führt und damit zum Einleiten des Schließvorgangs. Erreicht der Strom den Nulldurchgang, wird die Kontaktierung am Kraftstoffinjektor hochohmig abgeschlossen, was zu einem Abklingvorgang in der Spannungsversorgung führt. In der Öffnungsphase P₁ ist die Einschaltzeit Δt_E zu sehen, in der Schließ- bzw. hier Löschphase P₃ die Ausschaltzeit Δt_A.
Auf der rechten Seite von 2 ist eine Ansteuerung mit kurzer Ansteuerdauer zu sehen; die Chopperphase P₂ beginnt schon bei ca. 200 µs, die Löschphase P3 bei ca. 300 µs. Anhand der Verläufe ist insbesondere zu sehen, dass sich Öffnungs- und Löschphase letztlich überlappen. Diese Überlappung führt dazu, dass die Schließphase im hohen Maße von der Öffnungsphase beeinflusst wird. Somit ist es ausreichend, das Spannungssignal ausschließlich in der Schließphase zu detektieren, da in dieser Teilphase die Informationen der Öffnungs- und der Schließphase enthalten ist. Insbesondere ist hier auch zu sehen, dass der erreichte Hub Δh des Magnetankers nicht dem maximal möglichen Hub (wie auf der linken Seite zu sehen) entspricht.
Beim Magnetventil handelt es sich allgemein um einen Elektromagneten mit beweglichem Magnetanker (auch als Magnetventil-Nadel bezeichnet), der eine magnetisch/mechanische-Energiewandlung durchführt. Diese Energiewandlung wird durch physikalische Ereignisse wie Wirbelströme und Bewegungsinduktion (Ankerbewegung) beeinflusst. Resultat dieser Ereignisse sind Rückwirkungen auf die Versorgungsspannung und/oder den Versorgungsstrom. Diese Rückwirkung verändert dabei den Signalverlauf der Versorgungsspannung und/oder des Versorgungsstroms. Diese Veränderungen des zeitlichen Signalverlaufs (im speziellen durch die Ankerbewegung) werden genutzt, um die Zielgrößen Ausschaltzeit, erreichte Hubhöhe und ggf. Einschaltzeit zu ermitteln.
In 3 ist hierzu mit V₁ ein Verlauf der Spannung in der Schließ- bzw. Löschphase ohne Einwirkung durch bewegten Magnetanker gezeigt (als Referenz), mit V₂ hingegen ein Verlauf der Spannung in der Schließ- bzw. Löschphase mit einer Einwirkung bzw. Rückwirkung durch bewegten Magnetanker. Hier ist deutlich die Änderung des Signalverlaufs zu sehen. Dabei ist auch zu sehen, dass bei dem hier verwendeten, zweiteiligen Magnetanker kein oder zumindest kein deutlicher Knick im Spannungsverlauf V₂ vorhanden ist, der auf das Erreichen eines Anschlags hindeuten könnte, so sowie dies bei einem einteiligen Magnetanker typischerweise der Fall wäre.
Ebenso existiert grundsätzlich eine Rückwirkung des Anker-Schließvorgangs auf die Chopperphase. Daraus folgend wäre es naheliegend, die Löschphase für die Ausschaltzeit-Detektion und die Chopperphase für die Detektion der (maximal) erreichten Hubhöhe (bzw. Einschaltzeit) zu verwenden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird jedoch nur die Schließ- bzw. Löschphase für die Detektion der Ausschaltzeit und für die Detektion der erreichten Hubhöhe (bzw. Einschaltzeit) verwendet.
Die Verwendung von ausschließlich zeitlich kurzen elektrischen Ansteuerdauern (vgl. hierzu 2, rechts) ist ausreichend. Die maximale zeitliche Ausdehnung der elektrischen Ansteuerung wird z.B. so gewählt, dass das Magnetventil dabei nicht (bzw. nie) die volle Auslenkung (den maximal möglichen Hub des Magnetankers, vgl. 2 links) erreicht. Es wird also ausschließlich der Teilhub-Bereich verwendet.
Die Überlappung der Magnetventil-Öffnungsphase und der Magnetventil-Schließphase ist ein entscheidendes Merkmal. Diese Überlappung führt dazu, dass die Schließphase (Ausschaltzeit) in hohem Maße von der Öffnungsphase (maximal während des Ansteuervorgangs erreichte Hubhöhe bzw. Einschaltzeit; die Einschaltzeit korreliert mit der erreichten Hubhöhe) abhängig ist.
Hierzu sind in 4 mit V₃ und V₄ zwei Verläufe von Spannung U bzw. Hub h während der Schließ- bzw. Löschphase gezeigt, die verschiedene, erreichte Hubhöhen Δh₃ und Δh₄ sowie verschiedene Ausschaltzeiten (oder Ausschaltdauern) Δt₃ und Δt₄ aufweisen.
Durch die zeitlich geringe Bestromungsdauer ist es möglich, dass nur eine Magnetventil-Hubbewegung (Ankerbewegung) stattfindet, ohne dass sich bereits die Düsennadel des Kraftstoffinjektors bewegt. Dadurch können im Rahmen der Erfindung die gesuchten Größen detektiert werden, ohne dass dabei das Einspritzsystem eine Kraftstoffmenge freigibt (Kraftstoff in die Brennkraftmaschine einspritzt).
Weiterhin ist die Löschphase in deutlich geringerem Ausmaß von System-Toleranzen betroffen als die Chopperphase. Ein Beispiel hierfür ist, dass in der Löschphase keine stark toleranzbehaftete Spannungshysterese mehr vorherrscht, deren Hysterese-Frequenz maßgeblich von der Batteriespannung beeinflusst wird.
Ein weiterer Vorteil bei dem Teilhub ist die lokal hohe Spannungs-Varianz in der Löschphase. Hierzu sind in 5 für verschiedene Ansteuerdauern, d.h. Zeitdauern, ab welchen die Löschphase beginnt, im oberen Diagramm Verläufe der Ansteuerspannung U gezeigt, im unteren Diagramm die zugehörigen Verläufe des erreichten Ankerhubs h, jeweils über der Zeit t in µs.
Bei einer Ansteuerdauer von ca. 90 µs (hierzu gehören die Verläufe V₅) sind Spannungsverlauf, Hub und Ausschaltzeit im Grunde unabhängig von den konkreten Systembedingungen. Vergleichbares gilt für eine Ansteuerdauer von ca. 540 µs (hierzu gehören die Verläufe V₇). Bei einer Ansteuerdauer von ca. 210 µs (hierzu gehören die Verläufe V₆) hingegen ist deutlich zu sehen, dass geringe Abweichungen der Systembedingungen wie z.B. Belagsbildung zu einer hohen Variation der maximal erreichten Hubhöhe führen und dadurch resultierend zu einer hohen Variation im Spannungssignal führen. Bei der dargestellten einer Ansteuerdauer von ca. 90 µs gibt es nur einen sehr geringen (minimalen) Magnetventilhub und somit wenig bis nahezu keine Rückwirkung der Ankerbewegung auf das Spannungssignal; somit ist auch keine Variation vorhanden.
Dieser Effekt wird nun ausgenutzt, indem im Spannungsverlauf geeignete Stützstellen erfasst werden. In 6 ist hierzu ein Spannungsverlauf gezeigt, bei dem in der Löschphase, insbesondere dann, wenn die Spannung wieder ansteigt und in Sättigung geht, mehrere Stützstellen Us gewählt werden. Wie durch einen Vergleich mit dem Verlauf V6 in 5 zu sehen ist, variieren z.B. die konkreten Spannungswerte zu den Zeiten der Stützstellen Us für verschiedene konkrete Systembedingungen; ebenso variieren die konkreten Zeiten, zu denen die Spannungswerte der Stützstellen Us erreicht werden. Wie weiterhin anhand von 5 zu erkennen ist, kann damit ein Bezug zu einer erreichten Hubhöhe, was zudem mit der Einschaltzeit korreliert, und zur Ausschaltzeit hergestellt werden. Eine erhöhte Öffnungsgeschwindigkeit des Ankers bzw. ein schnellerer Loslauf führen zu einer schnelleren (kürzeren) Einschaltzeit (Vollhub). Im Teilhub resultiert aus der erhöhten Öffnungsgeschwindigkeit des Ankers bzw. einem schnelleren Loslaufen eine gesteigerte Hubhöhe.
Das Modell kann beispielsweise auf nur einer Spannungs-Stützstelle basieren. Bereits mit einer Stützstelle kann eine akzeptable Prognosegüte der Zielgrößen erreicht werden. Akzeptabel bedeutet in diesem Fall, dass das Prognose-Ergebnis ausreichend genau ist, um beispielsweise Belagsaufbau und damit verzögertes Öffnen zu detektieren.
In 7 ist hierzu in den Diagrammen rechts jeweils eine Schwellwert-Stützstelle gezeigt, d.h. eine Zeitdauer t, hier in µs, zu welcher die jeweilige elektrische Ansteuergröße, hier Spannung, einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Im Diagramm rechts oben ist der Schwellwert U_S,1 bei -22V, im Diagramm rechts unten ist der Schwellwert U_S,2 bei -7V. Zudem ist der dabei erreichte Hub h des Magnetankers eingetragen. Im Diagramm links oben sind die beiden Schwellwerte U_S,1 und U_S,2 im Spannungsverlauf eingezeichnet. Daran ist zu sehen, dass anhand der Stützstellen z.B. auf den erreichten Hub und damit die Einschaltzeit geschlossen werden kann. Vergleichbares gilt für die Ausschaltzeit. Im Diagramm links unten ist ein Korrelationskoeffizient K, hier ein sog. Pearson-Korrelationskoeffizient, über der Spannung U gezeigt. Dieser ist ein Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zwischen zwei mindestens intervallskalierten Merkmalen, hier den Stützstellen.
Für eine Steigerung der Prognosegüte (Genauigkeit) können insbesondere mehrere Stützstellen verwendet werden. Es sollte dabei darauf geachtet werden, dass die Stützstellen untereinander wenig Korrelation haben. Dies reduziert die Dimension des Modelleingangs und führt in der Regel zu einem besseren Modell.
In 8 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Stützstellen Us, z.B. in Form von Zeitdauern, werden einem Modell M, z.B. einem nichtlinearen Modell, zugeführt und in die Zielgrößen, z.B. die Ausschaltzeit Δt_A und den erreichten Hub Δh, überführt. Zudem können weitere Betriebsparameter P, wie vorstehend schon erwähnt, als Eingang für das Modell M berücksichtigt werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer charakteristischen Größe (Δt_E, Δt_A, Δh) eines Magnetventils (110) mit Magnetspule (112) und Magnetanker (114), wobei das Magnetventil (110) zumindest für einen Teilhub des Magnetankers (114) angesteuert wird, wobei innerhalb einer Schließ- oder Löschphase (P₃) der Ansteuerung des Magnetventils (110) eine oder mehrere Stützstellen (Us) einer elektrischen Ansteuergröße (U, I) für die Magnetspule (112) bestimmt werden, und wobei unter Verwendung eines Modells (M) des Magnetventils (110) anhand der einen oder mehreren Stützstellen (Us) die wenigstens eine charakteristische Größe (Δt_E, Δt_A, Δh) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine charakteristische Größe ausgewählt ist aus: einer erreichen Hubhöhe (Δh) des Ankers (114), einer Ausschaltzeit (Δt_A) des Magnetventils (110) und einer Einschaltzeit (Δt_E) des Magnetventils (110), insbesondere jeweils in Abhängigkeit von der elektrischen Ansteuergröße (U, I).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die eine oder wenigstens eine der mehreren Stützstellen (Us) jeweils eine Zeitdauer umfasst, zu welcher die jeweilige elektrische Ansteuergröße (U, I) einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, und/oder wobei die eine oder wenigstens eine der mehreren Stützstellen (Us) jeweils einen Wert der jeweiligen elektrischen Ansteuergröße (U, I) zu einer vorgegebenen Zeitdauer umfasst, wobei die Zeitdauer vorzugsweise jeweils in Bezug zu einem Beginn der Schließ- bzw. Löschphase (P₃) definiert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Ansteuergröße ausgewählt ist aus: einer Spannung (U), die an die Magnetspule (112) angelegt wird, und einem Strom (I), der durch die Magnetspule (112) fließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Modell (M) des Magnetventils (110) auf einem künstlichen neuronalen Netz basiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Magnetanker (114) des Magnetventils zweiteilig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Magnetventil (110) in einem Kraftstoffinjektor (100) mit einer Düsennadel (120) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Magnetventil (110) zum Bestimmen der wenigstens einen charakteristischen Größen (Δt_E, Δt_A, Δh) derart angesteuert wird, dass die Düsennadel (120) nicht öffnet.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei unter Verwendung des Modells (M) des Magnetventils anhand einer oder mehrerer Größen oder Stützstellen (Us) wenigstens eines Betriebsparameters (P) die wenigstens eine charakteristische Größe (Δt_E, Δt_A, Δh) bestimmt wird, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter (P) ausgewählt ist aus: einem Kraftstoffdruck in einem Hochdruckspeicher, aus dem der Kraftstoffinjektor mit Kraftstoff versorgt wird, und einer Temperatur einer Brennkraftmaschine, für die der Kraftstoffinjektor verwendet wird.
Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.