DE19834405B4

DE19834405B4 - Verfahren zur Schätzung eines Nadelhubs eines Magnetventils

Info

Publication number: DE19834405B4
Application number: DE1998134405
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Becker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2018-07-31
Also published as: DE19834405A1; JP2000054897A

Abstract

Verfahren zur Schätzung des Hubes zwischen einem unteren und einem oberen Anschlag beweglichen Ventilnadel eines Magnetventils (1), dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bewegung der Ventilnadel relativ zu einer Spule (3) des Magnetventils (1) in der Spule (3) induzierte Spannungen erfasst und mittels eines Rechenmodells mit dem Hub der Ventilnadel auf der Grundlage folgender Gleichung in Beziehung gesetzt wird:

wobei d(t) der Schätzwert für die Breite eines Arbeitsluftspaltes bzw. des Hubes der Ventilnadel, U(t) die induzierte Spannung über die Spule (3) des Magnetventils (19), t₀ die Startzeit für die Integration der Spulenspannung, K eine Integrationskonstante, I ein eingestellter Spulenstrom, n die Windungsanzahl der Spule (3), G_W ein Wirbelstromkoeffizient, R_m der magnetische Widerstand von einem Anker (2), einem Führungsluftspalt (7) und einem magnetischen Rückschluss (4) des Magnetventils (1), und A die Fläche des Arbeitsluftspaltes ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Nadelhubs eines Magnetventils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Regelung einer Kraftstoffeinspritzung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
In Kraftstoffeinspritzpumpen werden zur genau dosierten Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum üblicherweise Magnetventile verwendet. Hierbei bewegt sich eine Nadel des Magnetventils im Magnetfeld einer sie umgebenden Spule entsprechend einer elektrischen Ansteuerung der Spule zwischen einem oberen und einem unteren Anschlag. Der obere Anschlag entspricht hierbei beispielsweise dem vollständig geöffneten, und der untere Anschlag dem vollständig geschlossenen Zustand des Ventils. Die Nadel kommt an ihren Anschlägen nicht unmittelbar zum Stillstand, sondern führt eine Prellbewegung aus, welche einer gedämpften Schwingung entspricht. Während des Prellens kommt es (beispielsweise im unteren Anschlag) zu einer ungewollten Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum, wodurch die Genauigkeit des Einspritzvorgangs eingeschränkt ist.

Aus der DE 43 08 811 ist ein Verfahren zur Steuerung einer magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumesseinrichtung bekannt, bei dem ein Schaltgerät eines elektromagnetischen Verbrauchers durch Detektion eines Knicks im zeitlichen Verlauf einer Größe, die dem Strom durch den elektromagnetischen Verbraucher entspricht, ermittelbar ist, wobei hierzu einzelne diskrete Werte der Größe zu vorgebbaren Zeitpunkten ausgewertet werden.

Die DE 34 26 799 C2 beschreibt eine Einrichtung zur Regelung der einer Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffmenge, mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe, die eine den Druck für die Einspritzung erzeugende Pumpvorrichtung sowie eine die Größen Spritzbeginn, Spritzdauer und Spritzende bestimmende, elektrisch betätigte Steuervorrichtung umfaßt, sowie mit Mitteln, die abhängig von dem Betriebsverhalten der Steuereinrichtung wenigstens eine der genannten Größen steuern oder regeln. Die Einrichtung weist ferner Mittel auf zum Erfassen des Betriebsverhaltens der Steuervorrichtung durch Auswertung des durch die Steuervorrichtung fließenden Stroms.

Keine dieser Druckschriften behandelt die Schwierigkeiten, die sich aus den oben beschriebenen Prellvorgängen bei der Bewegung einer Nadel eines Magnetventils ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Magnetventils, bei dem sich die durch Prellvorgänge der Nadel ergebenden Nachteile, wie insbesondere eine ungenaue Dosierung der Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum, wirksam vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Schätzung des Nadelhubs einer Nadel eines Magnetventils mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum mit den Merkmalen des Patentanspruches 5.

Erfindungsgemäß ist es nun möglich, in zuverlässiger Weise den Nadelhub bzw. das tatsächliche Bewegungsverhalten der Ventilnadel eines Magnetventils mit ausreichender Genauigkeit abzuschätzen, ohne am Ventil besondere Vorrichtungen zur direkten Messung des Nadelhubs vorsehen zu müssen. Durch die genaue Kenntnis des Nadelhubs während der erwähnten Prellvorgänge ist es in einfacher Weise möglich, eine genauere Dosierung von Kraftstoffeinspritzmengen durchzuführen, wodurch beispielsweise der Kraftstoffverbrauch oder die durch ein Kraftfahrzeug verursachte Umweltbelastung wirksam vermindert werden können.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der sich an den Patentanspruch 1 anschließenden Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise erfolgt die In-Beziehung-Setzung der induzierten Spanung und dem Hub wenigstens unter Berücksichtigung des Spulenstroms und wenigstens einer Konstanten. Der Spulenstrom ist in einfacher Weise meßbar bzw. angebbar, so daß sich insgesamt zuverlässige Schätzergebnisse ergeben.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Konstante Eigenschaften des Ventils berücksichtigt. Hierdurch ist eine individuelle Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an verschiedene Ventiltypen möglich.

Zweckmäßigerweise erfolgt die In-Beziehung-Setzung der induzierten Spannung und des Hubes unter Durchführung und Auswertung einer Integration der induzierten Spannung über die Zeit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die In-Beziehung-Setzung zwischen induzierter Spannung und Hub der Ventilnadel auf der Grundlage folgender Gleichung durchgeführt:

wobei d(t) der Schätzwert für die Breite eines Arbeitsluftspaltes bzw. des Nadelhubs, U(t) die induzierte Spannung über die Spule des Magnetventils (wobei der Spannungsabfall durch den Ohmschen Anteil bereits abgezogen ist), t₀ die Startzeit für die Integration der Spulenspannung, K eine Integrationskonstante, I ein eingestellter Spulenstrom, n die Windungsanzahl der Spule, G_W ein Wirbelstromkoeffizient, R_m der magnetische Widerstand von einem Anker, einem Führungsluftspalt und einem magnetischen Rückschluß des Magnetventils, μ₀ die magnetische Feldkonstante und A die Fläche des Arbeitsluftspaltes ist.

Diese Gleichung stellt ein besonders einfaches Modell zur Beschreibung einer Bewegung bzw. eines Hubes einer Ventilnadel durch induzierte Spannungsänderungen an einer Spule für eine stromgeregelte Ventilansteuerung dar. Hierbei wird von einem linearen Verhalten des Magnetkreises ausgegangen. Bei konstantem Spulenstrom gilt die Annahme der Linearität im allgemeinen nur für einen begrenzten Bereich des Nadelhubes. Es müssen daher für die Prellvorgänge im oberen bzw. unteren Anschlag der Ventilnadel unterschiedliche Modellparameter R_m und G_W angesetzt werden. Die Bestimmung dieser Parameter kann meßtechnisch oder durch Anwendung einer detaillierten Magnetfeldsimulation erfolgen. Bei einer meßtechnischen Bestimmung muß der Ventilnadel eine definierte und kontrollierte Bewegung aufgeprägt werden. Die hierbei induzierte Spannung am Ventil bzw. der Spule wird mit der Spannung, die sich aus einer Inversion der Gleichung (1) ergibt, verglichen. Die Parameter R_m und G_W können dann im Rahmen eines Parameterabgleichs bestimmt werden. Bei Verwendung einer Magnetfeldsimulation ist in ähnlicher Weise vorzugehen, wobei die Messungen durch die Simulationsergebnisse zu ersetzen sind.

Zweckmäßigerweise wird als Startzeit ein Zeitpunkt t₀ eines Kontaktes der Ventilnadel mit dem oberen oder unteren Anschlag gewählt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Wert von d bekannt, so daß die Integrationskonstante K wie folgt bestimmt werden kann:

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, die Integrationskonstante K für wenigstens einen Kontaktzeitpunkt t₀ zu bestimmen. Insbesondere durch eine neue Bestimmung der Integrationskonstanten zu jedem Kontaktzeitpunkt ist es möglich, die Integration der Gleichung (1) zurückzusetzen und somit eine Aufintegration der Modellfehler auf die tatsächliche Nadelflugzeit zu beschränken.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt:
1 eine schematische Teilansicht eines Magnetventils,
2 ein Diagramm, in welchem die zeitliche Ableitung der induzierten Ventil- bzw. Spulenspannung während eines Prellvorgangs gegen die Zeit aufgetragen ist,
3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Anordnung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Verfahren,
4 ein Diagramm, in welchem ein Vergleich des erfindungsgemäßen geschätzten Nadelhubs mit einem simulierten Nadelhub für einen Prellvorgang im unteren Anschlag dargestellt ist, und
5 ein Diagramm, in welchem ein Vergleich des erfindungsgemäß geschätzten Nadelhubs mit einem simulierten Nadelhub für einen Prellvorgang im oberen Anschlag dargestellt ist.
In 1 ist zur Erläuterung der in Gleichung (1) aufgeführten Größen ein Teilbereich eines Magnetventils 1 dargestellt. Dieses weist einen Anker 2, eine Spule (welche nicht im einzelnen dargestellte Windungen besitzt) bzw. einen Wickelraum 3 und einen magnetischen Rückschluß 4 auf. Eine entsprechende Beaufschlagung der Spule 3 mit einem Spulenstrom führt in bekannter Weise zu einer Bewegung des Ankers 2 in den durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtungen. Hierbei ist der Anker 2 mit einem Führungselement 5 ausgebildet, welches einer gleichmäßigen Führung in einer entsprechenden Ausnehmung des Rückschlusses 4 dient. In starrer Verbindung mit dem Anker 2 ist eine (nicht dargestellte) Ventilnadel bzw. Ventilnadelspitze vorgesehen, welche in bekannter Weise die Öffnung bzw. das Schließen des Magnetventils 1 steuert. Der Anker 2, und somit auch die Ventilnadel, ist zwischen einem nicht dargestellten unteren Anschlag und einem ebenfalls nicht dargestellten oberen Anschlag hin- und herbewegbar. Der jeweilige (zeitabhängige) Abstand zwischen der Kante 6 des Rückschlusses 4 und der Unterkante des Führungselementes 5 ist als Breite des Arbeitsluftspalts bzw. Nadelhub d bezeichnet. Der Durchmesser des Arbeitsluftspaltes ist mit D bezeichnet. Aus diesem läßt sich die Fläche A des Arbeitsluftspaltes bestimmen. Zwischen Führungselement 5 und Rückschluß 4 ist ein Führungsluftspalt 7 ausgebildet.
Als Startzeit t₀ für die Integration entsprechend Gleichung (1) wird der Zeitpunkt des Kontaktes der Magnetnadel bzw. des Ankers 2 mit dem unteren (bzw. oberen) Anschlag gewählt. Zu diesem Zeitpunkt ist d bekannt und die Integrationskonstante kann entsprechend Gleichung (2) bestimmt werden. Zur Ermittlung des Kontaktzeitpunktes bietet es sich an, die zeitliche Ableitung dU/dt der Spulenspannung heranzuziehen, da dieses Signal im Umkehrpunkt der Nadel- bzw. Ankerbewegung große Sprünge aufweist, wie in 2 dargestellt ist. Dadurch ist es auch möglich, zu jedem Kontaktzeitpunkt während eines Prellvorgangs die Integrationskonstante neu zu bestimmen, und die Integration gemäß Gleichung (1) zurückzusetzen. Damit wird eine Aufintegration der Modellfehler auf die tatsächliche Nadelflugzeit beschränkt, was sich bei einem einfachen Modell, wie es durch Gleichung (1) gegeben ist, als vorteilhaft erweist.
Eine bevorzugte Realisierung des geschilderten Schätzverfahrens wird nun unter Bezugnahme auf 3 erläutert. Hierbei werden die in der Spule 3 des Magnetventils 1 auftretenden Spulenspannungen über einen A/D-Wandler 8 in einen Rechner 9 eingespeist, welcher mit einem Regelalgorithmus und Mitteln zur Implementierung von Gleichung (1) ausgestattet ist. Das gesamte Verfahren kann als Software realisiert werden. Alternativ hierzu sind elektronische Schaltungen denkbar, welche die notwendige Signalverarbeitung sehr schnell durchführen können. Der Rechner 9 ermittelt das Verhalten der Magnetnadel während eines Prellvorgangs entsprechend dem erfindungsgemäßen Schätzverfahren. In den 4 und 5 sind hierbei typischerweise erzielbare Schätzergebnisse bzw. Genauigkeiten dargestellt. Die gestrichelte Linie der 4 stellt den unter realistischen Bedingungen simulierten Hubverlauf im unteren Anschlag bei einem minimalen Arbeitsluftspalt von 100 μm dar. Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geschätzte Verlauf ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. In 4 sind die entsprechenden Kurven für den oberen Anschlag (maximaler Arbeitsluftspalt 500 μm) gezeigt.
Mit dem erfindungsgemäß geschätzten Hubverlauf der Ventilnadel während der Prellvorgänge ist es in einfacher Weise möglich, tatsächlich auftretende Einspritzmengen, welche von einem theoretischen Wert abweichen, zu bestimmen. Üblicherweise sind die tatsächlichen Einspritzmengen aufgrund des beschriebenen Prellverhaltens der Magnetventile etwas größer als die theoretischen Einspritzmengen. Der Rechner 9 ist in der Lage, die während eines Prellvorgangs tatsächlich auftretenden Ventilnadel-Anschläge bzw. "Preller" zu bestimmen, wodurch eine exakte Bestimmung des tatsächlich eingespritzten Kraftstoffs möglich ist. Hierdurch läßt sich das Magnetventil bei einem späteren Einspritzvorgang derart ansteuern, daß die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge der theoretischen angepaßt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Einspritzdauer des Magnetventils entsprechend verkürzt wird. In 3 ist dargestellt, wie der Rechner 9 zu diesem Zwecke einen die Ansteuerung des Magnetventils 1 steuernden Stromregler 10 mit einem Ansteuersignal I_soll beaufschlagt.

Claims

Verfahren zur Schätzung des Hubes zwischen einem unteren und einem oberen Anschlag beweglichen Ventilnadel eines Magnetventils (1), dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bewegung der Ventilnadel relativ zu einer Spule (3) des Magnetventils (1) in der Spule (3) induzierte Spannungen erfasst und mittels eines Rechenmodells mit dem Hub der Ventilnadel auf der Grundlage folgender Gleichung in Beziehung gesetzt wird:
wobei d(t) der Schätzwert für die Breite eines Arbeitsluftspaltes bzw. des Hubes der Ventilnadel, U(t) die induzierte Spannung über die Spule (3) des Magnetventils (19), t₀ die Startzeit für die Integration der Spulenspannung, K eine Integrationskonstante, I ein eingestellter Spulenstrom, n die Windungsanzahl der Spule (3), G_W ein Wirbelstromkoeffizient, R_m der magnetische Widerstand von einem Anker (2), einem Führungsluftspalt (7) und einem magnetischen Rückschluss (4) des Magnetventils (1), und A die Fläche des Arbeitsluftspaltes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die In-Beziehung-Setzung zwischen der induzierten Spannung und dem Hub unter Durchführung und Auswertung einer Integration der induzierten Spannung über die Zeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Startzeit t₀ ein Zeitpunkt des Kontaktes der Ventilnadel mit dem oberen oder unteren Anschlag gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Integrationskonstante K für wenigstens einen Kontaktzeitpunkt t₀ bestimmt wird.
Verfahren zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum unter Verwendung einer ein Magnetventil (1) aufweisenden Einspritzpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Einspritzvorgang eine theoretisch erwünschte Menge Kraftstoff unter Berücksichtigung der Größen Spritzbeginn, Spritzdauer, Spritzende und Spritzleistung des Magnetventils (1) in den Brennraum eingespritzt wird, wobei der Nadelhub einer zwischen einem unteren und einem oberen Anschlag beweglichen Ventilnadel des Magnetventils (1) zur Bestimmung ihres Prellverhaltens in den Anschlägen nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 geschätzt wird, und während eines späteren Einspritzvorgangs eine unter Berücksichtigung des Prellverhaltens der Ventilnadel modifizierte Menge Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.