EP3224465A1 - Verfahren zum ermitteln des ankerhubs eines magnetaktors - Google Patents

Verfahren zum ermitteln des ankerhubs eines magnetaktors

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EP3224465A1
EP3224465A1 EP15787557.6A EP15787557A EP3224465A1 EP 3224465 A1 EP3224465 A1 EP 3224465A1 EP 15787557 A EP15787557 A EP 15787557A EP 3224465 A1 EP3224465 A1 EP 3224465A1
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EP
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magnetic
armature
curve section
curve
magnetic actuator
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EP15787557.6A
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Marco Beier
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
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    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the armature stroke of a magnetic actuator having at least one air gap and an armature, and also to a device suitable for carrying out such a method.
  • Such actuators can be used, for example, in diesel injection valves or fuel injectors, where the armature of the actuator is mechanically coupled to a valve needle of the injector and the armature stroke determines the opening and closing behavior of the injector and therefore the injection quantity metering.
  • the armature stroke may change during operation, which may also change the performance of the entire injection system. For example, if the armature stroke is too small, undesired throttling of the injection valve occurs, whereas if the armature stroke is too high, e.g. as a result of signs of wear, so-called
  • a method which serves for determining the time of the beginning of a movement of a coil drive aufwei- send fuel injector for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the method comprises the steps of detecting a current profile through a coil of the coil drive, detecting a voltage curve of a voltage applied to the coil, determining a magnetic hysteresis curve based on the detected current profile and the detected voltage curve, comparing the magnetic hysteresis curve with a first predetermined magnetic hysteresis curve characteristic of a fuel injector fixed in a first end position, and determining the time of commencement of the movement based on the comparing step.
  • the method with the features of claim 1 has the advantage that the armature stroke of a magnetic actuator with relatively low metrological and computational effort can be determined.
  • the method comprises the steps of determining a magnetic hysteresis curve of the magnetic actuator, selecting a curve section in the magnetic hysteresis curve embossed by a transition of the armature from a first stationary end position to a second stationary end position, determining the magnetic energy state of the magnetic actuator in the second stationary one End position of the armature on the basis of the curve of the selected curve section, generating a curve section in the interval of the selected curve section, the generated curve section simulates the magnetic actuator with the fixed in its first end position anchor to determine a corresponding magnetic energy state of the magnetic actuator, and the comparison of the two energy states of the magnetic actuator based on the curves of the selected curve section and the generated curve section in order to determine the armature stroke based thereon.
  • the method according to the invention is also advantageously suitable for magnetic actuators designed as injectors in order to continuously monitor or
  • the interlinked magnetic flux ⁇ is detected as a function of the current I through a coil of the magnetic actuator.
  • the chained magnetic flux is proportional to the integral
  • the generation of the curve section is effected by means of at least one polynomial, wherein the coefficients and the order of the polynomial are selected such that a smooth transition is achieved in each case at connection points of the magnetic hysteresis curve predetermined by interval boundaries of the selected curve section.
  • a smooth transition is to be understood as meaning that the function generating the curve section has continuous first derivatives at the transition points or interpolation points or boundary points to the detected hysteresis curve.
  • the generated curve section can be fitted without discontinuities in the connection points of the hysteresis curve.
  • the extrapolation interval for the at least one polynomial is decomposed into at least two subintervals, wherein the position of a node between the subintervals is determined by projecting a point of the selected curve section onto a coordinate axis, the point being approximately corresponds to an event where the armature reaches its second stationary end position.
  • This makes it possible to provide different polynomials in the subintervals.
  • the at least one polynomial is formed as a cubic spline function in the extrapolation interval predetermined by the interval boundaries of the selected curve segment.
  • An embodiment variant of the invention that is particularly easy to implement provides for selecting a curve section that is caused by a drop in the armature from its first stationary end position to its second stationary end position.
  • the drop motion of the armature in the hysteresis loop of the magnetic actuator is much more pronounced and identifiable than the opposite armature pull motion, since the latter typically runs into the magnetic saturation region of the hysteresis loop and is relatively weak due to the rather flat curve.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention is that the profile of the curve section generated by at least one polynomial in the first sub-interval has a constant slope, which is determined by means of a physical characteristic characterizing the Ankerhub the magnetic actuator and defined by the quotient ⁇ /,, where ⁇ a current intensity difference, which is defined by the difference between a current ⁇ by the magnetic actuator at the first stationary end position dropped anchor and a current I " by the magnetic actuator fixed in the first stationary end position anchor, while ⁇ one of the current intensity difference .DELTA. ⁇ assigned This physical parameter is on the one hand a theoretically deducible and on the other hand an experimentally obtainable auxiliary variable with which the coefficients of the polynomial in the first subinter vall be determined. To obtain this characteristic or auxiliary quantity, two series of measurements are sufficient, which are carried out once for each type of magnet actuator.
  • the entire cross-sectional area of the at least one air gap is taken into account by calculating the armature stroke Ah according to the following equation:
  • a suitable device for carrying out the method according to the invention comprises a signal generating means for driving the
  • Hysteresis curve of the controlled magnetic actuator and a computing and evaluation wherein the evaluation device is adapted to select a of a transition of the armature from a first stationary end position to a second stationary end position embossed curve portion in the magnetic hysteresis curve, for determining the magnetic energy state of the magnetic actuator in the second stationary end position of the armature on the basis of the curve of the selected curve section, for generating a curve section in the interval of the selected curve section, the generated curve section simulates the magnetic actuator with the fixed in its first end position armature to determine a corresponding magnetic energy state of the magnetic actuator, and for comparing the two energy states of the magnetic actuator based on the curves of the selected curve section and the generated curve section in order to determine the armature stroke based thereon stuffs.
  • Magnetaktors wherein the concatenated magnetic flux ⁇ is plotted as a function of the current I in symmetrical control of the magnetic circuit
  • 3A a diagram with ⁇ characteristic curves of two magnetic core materials differently sized air gaps as a function of the current I,
  • 3B is a graph with characteristics of two magnetic core materials, wherein the magnetic field B is plotted as a function of H, 4 shows the course of a physical parameter for a magnetic actuator designed in different material variants as a function of the concatenated magnetic flux ⁇ , FIG. 5 shows a flow chart with the essential method steps of the method according to the invention
  • FIG. 6 is a control diagram for the symmetrical control of a
  • Magnetaktors wherein the voltage or the current is plotted as a function of the time t
  • FIG. 7A is a driving diagram for one-sided driving of a magnetic actuator
  • FIG. 7B is a graph of a hysteresis characteristic of a magnetic actuator driven in accordance with the driving diagram of FIG. 7A.
  • FIG. 1 shows the course of the ⁇ characteristic curve of a magnetic circuit as a hysteresis loop 10 as a function of the current I.
  • the current I is plotted on the abscissa by the exciter coil of the magnetic circuit, while on the ordinate of the chained magnetic flux ⁇ is plotted.
  • the chained magnetic flux ⁇ is obtained by integration of the induced in a measuring coil of the magnetic circuit
  • the invention is based on the finding that movements of the armature relative to the air gap and thus the associated switching operations of the magnetic circuit or actuator manifest themselves on the curve of the hysteresis loop 10. Such armature movements are characterized by falling or tightening of the armature relative to the air gap of the actuator.
  • the switch operation of the actuator correspondingly associated with drop of the armature from the region of the air gap is impressed on a curve section of the hysteresis curve 10 and can be seen from a depression 11 in the course of the upper return curve branch 13 in the first quadrant of the diagram; a contrast opposite movement of the armature, so tightening the armature in the direction of the air gap manifests itself, for example, in the case of negative function values of ⁇ and I in the course of the upper returning curve branch 13 in the third quadrant of the diagram with reference to a curve with a slight slope 14 in the vicinity of the saturation region 15 ' .
  • 16 of the hysteresis loop 10 are in the course of the lower leading curve branch
  • Anchor drop movement and an anchor pulling movement can be seen.
  • the armature dropping off ie, an armature movement leading away from the air gap of the actuator, which occurs when the current intensity I is reduced starting from the saturation region 15 or 15 ' until a current threshold value denoted by reference numeral 17 is reached or undershot himself.
  • Air gap wherein the concatenated magnetic flux changes.
  • the hysteresis loop 10 thus shows in each case two anchor dropping movements and two anchor pulling movements, ie a total of four switching operations, which are characterized by local ⁇ changes.
  • Fig. 2 shows the upper or returning curve branch 13 of the hysteresis curve or ⁇ characteristic curve 10 of the magnetic circuit or magnetic actuator in the first quadrant of the diagram of Fig. 1.
  • the curve branch 13 has - at current levels below saturation 15 - a curve portion 20 which is characterized by the drop of the armature from its end position on a magnetic core to an end position or rest position away from the magnetic core.
  • this energy state Ei can be determined by calculating the area between the course of the curve section 20 and the ⁇ -axis by integration within the interval limits delimiting the curve section 20, as will be explained in detail below.
  • This curve section 22 thus represents an energy state E 2 of the magnetic circuit or
  • This energy state E 2 can also be determined by calculating the area between the course of this extrapolated curve section 22 and the ⁇ -axis by integration within the interval limits delimiting the extrapolated curve section 22, as will be explained in detail below. Since the cross - sectional area of the air gap remains constant both in the lowered and in the attracted armature position, the difference between the two energy states Ei - E 2 is the
  • a function F is generated which is formed by at least one polynomial.
  • a smooth transition should be understood to mean that the function has continuous first derivatives at the transition points or interpolation points or boundary points to the detected hysteresis curve.
  • the approximation interval [K, P2] of the generated curve section is divided into two subintervals, wherein a first subinterval [K, PI] with a function Fl generated therein covers the range of relatively small current intensities from K to Pl (li, ⁇ ) while a second sub-interval [PI, P2] adjoins the first subinterval to higher current intensities and with a function F2 generated therein from the point Pl (li, ⁇ ) to the point P2 (l 2 , ⁇ 2 ) extends.
  • the two functions Fl and F2 are subfunctions of the function F.
  • the position of the node PI between the two subintervals results from the analysis of the selected curve section 20, because in the selected curve section 20 the point at the current value II marks the rest position of the armature in the fallen state, because the anchor at P2 a there incurring waste movement, which is superimposed by oscillations 27 due to Ankerprellvor réellen; These oscillations 27 are at least approximately decayed at the current value II.
  • the projection of this point in the curve of the selected curve section 20, where the oscillations have subsided 27 and thus the armature is in its rest position, on the horizontal coordinate axis thus determines the position of the node PI between the sub-intervals Fl and F2.
  • a polynomial of first order ie a straight line segment with constant slope
  • the physical characteristic variable AKG characterizing the armature stroke behavior of the magnet actuator which serves as a physical auxiliary variable for extrapolation in this sub-interval, has a good approximation a constant course, as otherwise illustrates the diagram shown in Fig. 4, and thus represents a measure of the slope ⁇ / ⁇ of the straight segment.
  • a polynomial is selected whose order and coefficients are so dimensioned that the respective slope of the function F2 at the subinterval boundaries PI, P2 coincides with the slopes there and a practically flowing course is achieved therebetween ,
  • the approximated function curve for the extrapolated curve section 22 is thus divided into the subfunctions Fl and F2. Because of the smooth transitions at the node PI between the two subintervals and at the boundary point P2, the first derivatives of the functions at point II are:
  • f is the function of the detected hysteresis curve in the curve connecting piece 24 at currents I> 12 to the saturation region 15, where the armature of the magnetic actuator is still in the tightened position.
  • P2 I2, ⁇ 2
  • the coefficients of the polynomials assigned to the subfunctions Fl and F2 are calculated or determined in order to generate the generated curve section 22 in the connection points K and P2 of the measured
  • Insert hysteresis curve 10 or adapt Preferably, the function F composed of the subfunctions Fl and F2 is designed as a cubic spline function in the two subintervals.
  • an iteration process is initialized in the first subinterval between K and PI, wherein the slope given by the physical characteristic AKG is inserted into the polynomial and then this starting value is varied until it is in the Interaction with the polynomial acting in the second subinterval, minimizing the deviations in the boundary points K and P2 and thereby allowing a continuous course of the generating function F over both subintervals - without discontinuities at the boundary points.
  • the curve of the selected curve section 20 is integrated within the limits of the first subinterval and on the other hand the course of the generated curve section 22 is integrated within the limits of the first subinterval, the respective integration via the Differential ⁇ takes place.
  • the first subinterval as the integration region for the two integrations, oscillations caused by armature bounce movements in the second subinterval of the selected curve section 20 are not considered in the calculation of the integrals and thus can not falsify the calculation.
  • a coordinate transformation or coordinate shift is performed such that the curve sections 20 and 22 pass through the coordinate zero point.
  • the two integrations are carried out to calculate the two energy states, whereupon the difference between the two integration results is formed, which, as the energy difference ⁇ , is a measure of the energy Ankerhub represents.
  • the air gap cross section of the magnetic actuator is additionally taken into account.
  • ⁇ is the magnetic energy difference between the energy states Ei and E 2 corresponding to the selected curve section 20 and the generated curve section 22, with n the number of windings of the coil of the
  • Magnetic actuator with ⁇ 0, the magnetic permeability, denoted by verk the concatenated magnetic flux and with Ai and A 2 cross-sectional areas of the air gap.
  • the magnetic permeability ⁇ 0 of the vacuum is at a value of 1.26 x 10 "6 ⁇ VSA rrf 1 defined.
  • Air gap cross-sectional areas Ai and A 2 has.
  • the magnetic energy density is given by the following equation:
  • Hi and h 2 denote the different heights of the air gap as a function of the anchor end position.
  • equation (VI) gives the above equation (I).
  • the integrand I designates the current profile of the function in the first subinterval, while the differential is designated.
  • 3A shows the characteristic curves for two different magnetic core materials of a magnetic circuit or magnetic actuator, each with different sized air gaps dl, d2 and d3, wherein the concatenated magnetic flux ⁇ is plotted as a function of the current I through the magnetic circuit.
  • the first magnetic core material is shown by dashed curves, while the second magnetic core material is shown by solid curves.
  • FIG. 3B shows a diagram in which the magnetic field B is plotted as a function of the magnetic field strength H for the two different magnetic core materials of the respective magnetic circuit of FIG. 3A, wherein the first magnetic core material is shown by a dashed curve, while FIG the second magnetic core material is shown by a solid curve. Thereafter, as H increases, the first magnetic core material has a lower B value and hence a lower energy density than the second magnetic core material.
  • H the first magnetic core material has a lower B value and hence a lower energy density than the second magnetic core material.
  • FIG. 4 shows the course of the physical parameter AKG as a function of the concatenated magnetic flux ⁇ for a magnet actuator or magnetic circuit designed as a magnet valve with armature in different variants, which comprise two different magnetic core materials and two anchor strokes determined by air gaps of different size.
  • the physical characteristic AKG is plotted in the unit AW ⁇ s ' 1 .
  • the abscissa shows the concatenated magnetic flux ⁇ in the unit V »s.
  • the AKG characteristics for the magnetic actuator formed with a first magnetic core material are shown in two dashed curves 28, 28 '
  • the AKG characteristics for the magnetic actuator formed with a second magnetic core material are shown in two solid curves 29, 29 '
  • the two lower characteristic curves 28, 29 differ from the two upper characteristic curves 28 ' , 29 ' in that the air gap in the two upper characteristic curves 28 ' , 29 ' is dimensioned to be greater in the lowered armature position than in the two lower characteristic curves 28, 29.
  • FIG. 5 shows a flowchart with the essential method steps of the method 100 according to the invention.
  • a first step 101 the first step 101.
  • Hysteresis loop ie the akt characteristic curve of the magnetic actuator measured by passing through the current and in each case the voltage U ind induced in a measuring coil is detected for each set current value in order to determine the jeweils values assigned to the set current values on the basis of the integral iUi nd dt - vote and store the total value pairs (I, ⁇ ) determined in a memory field.
  • nd U EI also the induced voltage of the excitation coil with Ui - R »l are formed
  • U Err denotes the excitation voltage.
  • a curve section is selected from the hysteresis loop thus detected, which is characterized by a transition of the armature, preferably by a drop motion of the armature out of the air gap, wherein the pairs of values (I.sub.1) lying in the interval of the selected curve section , ⁇ ) are extracted.
  • the magnetic energy Ei of the magnetic actuator is calculated on the basis of the course of the selected curve section.
  • a function is generated in the interval of the selected curve section, which simulates the magnetic actuator in an armature position in which the armature remains fixed in its first initial position, that is preferably fixed to the magnetic core.
  • a polynomial preferably a cubic spline function, is formed in the interval.
  • the magnetic energy E 2 of the magnetic actuator is calculated based on the course of the generated function.
  • the armature stroke is determined by means of the energy difference determined in the previous step 106 and the cross-sectional area of the air gap of the magnetic actuator.
  • FIG. 6 shows a diagram 30 with a voltage profile 31 and a current profile 32 for the symmetrical activation of a magnetic actuator by means of a signal generator, preferably designed as an electronic control unit, wherein the signal amplitude A is applied to the coil of the magnetic actuator
  • Voltage U and the current flowing through the coil I as a function of time t is shown.
  • the voltage is exemplified as a rectangular signal with a positive signal level + U E cu and a negative signal height -U E cu formed (ECU: electronic control unit), while adjusting for the current I a ramp-shaped course. Due to the almost exponential increase or decrease in the
  • FIG. 7A shows a diagram 40 with a voltage profile 41 and a current profile 42 for the one-sided control of a magnetic actuator by means of a signal generator, preferably designed as an electronic control unit, wherein the ordinate plots the signal amplitude A of the voltage and the current is while on the abscissa the time t is shown.
  • This control differs from the control shown in FIG. 6 in that only positive rectangular pulses with a signal level + U E cu for the voltage U and positive current ramps for the current I are provided.
  • the determination of the coil resistance R of the magnetic actuator takes place in the constant current range 42 ' .
  • This modified embodiment of the control is also suitable for determining the armature stroke in a magnetic actuator designed as an injection valve or injector.
  • the ⁇ characteristic as a function of the current I detected as a hysteresis curve in the case of single-sided control is restricted exclusively to the first quadrant and shown in FIG. 7B. Since the determination of
  • the leading branch 16 is obtained by increasing the current to the saturation region 15, wherein before the saturation region 15 is the current threshold at which the anchor suit occurs, while the returning branch results from the saturation region 15 by reducing the current, wherein the armature drop at a current threshold below the saturation region.
  • the extrapolated curve section 22 is calculated for the selected curve section.
  • the device intended for carrying out the method according to the invention comprises a signal generating device for driving the magnetic actuator and a detection device for determining a hysteresis curve 10 of the controlled magnetic actuator and a computing and evaluation device, wherein the computing and evaluation is designed to select one of a transition of the armature a first stationary end position in a second stationary stationary end position embossed curve portion 20 in the magnetic
  • Hysteresis curve 10 for determining the magnetic energy state of the magnetic actuator in the second stationary end position of the armature based on the course of the selected curve section 20, for generating a curve section 22 in the interval of the selected curve section 20, wherein the generated curve section 22, the magnetic actuator with the in its first end position fixed anchor simulated to a corresponding magnetic energy
  • the detection device is expediently designed as a current / voltage measuring device.
  • the computing and evaluation device preferably has a processor with at least one memory in which, on the one hand, the method according to the invention is stored as a computer program and, on the other hand, measurement data and calculated data are temporarily stored.
  • the computing and evaluation can be designed as a computer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Ankerhubs eines wenigstens einen Luftspalt und einen Anker aufweisenden Magnetaktors mit den Verfahrensschritten des Bestimmens einer magnetischen Hysteresekurve (10) des Magnetaktors, des Selektierens eines von einem Übergang des Ankers aus einer ersten stationären Endstellung in eine zweite stationäre Endstellung geprägten Kurvenabschnitts (20) in der magnetischen Hysteresekurve (10), des Bestimmens des magnetischen Energiezustands des Magnetaktors in der zweiten stationären Endstellung des Ankers anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts (20), des Erzeugens eines Kurvenabschnitts (22) im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts (20), wobei der erzeugte Kurvenabschnitt (22) den Magnetaktor mit dem in seiner ersten Endstellung fixierten Anker simuliert, um einen dazu korrespondierenden magnetischen Energiezustand des Magnetaktors zu bestimmen, und des Vergleichens der beiden Energiezustände des Magnetaktors basierend auf den Verläufen des selektierten Kurvenabschnitts (20) und des erzeugten Kurvenabschnitts (20), um darauf basierend den Ankerhub zu ermitteln.

Description

Verfahren zum Ermitteln des Ankerhubs eines Magnetaktors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Ankerhubs eines wenigstens einen Luftspalt und einen Anker aufweisenden Magnetaktors und ferner eine zum Durchführen eines derartigen Verfahrens geeignete Vorrichtung. Stand der Technik
Derartige Aktoren können beispielsweise in Dieseleinspritzventilen bzw. Kraftstoffinjektoren zum Einsatz kommen, wo der Anker des Aktors mit einer Ventilnadel des Injektors mechanisch gekoppelt ist und der Ankerhub das Öffnungs- und Schließverhalten des Injektors und mithin die Einspritzmengendosierung bestimmt. Der Ankerhub kann sich jedoch während des Betriebs ändern, wodurch sich auch die Performance des gesamten Einspritzsystems ändern kann. Beispielsweise kommt es bei zu kleinem Ankerhub zu einem unerwünschten Androsseln des Einspritzventils, wohingegen bei einem zu groß eingestellten Ankerhub, z.B. infolge von Verschleißerscheinungen, in verstärktem Maße sog.
Schließpreller auftreten, was die Ventilfunktion beträchtlich beeinträchtigen kann.
Aus der DE 10 2010 063 009 AI ist ein Verfahren bekannt, das zum Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufwei- senden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs dient. Dazu umfasst das Verfahren die Schritte des Erfassens eines Stromverlaufs durch eine Spule des Spulenantriebs, des Erfassens eines Spannungsverlaufs einer an der Spule anliegenden Spannung, des Bestimmens einer magnetischen Hysteresekurve basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem er- fassten Spannungsverlauf, des Vergleichens der magnetischen Hysteresekurve mit einer ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve, welche für einen in einer ersten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist, und des Ermitteins des Zeitpunkts des Beginns der Bewegung basierend auf dem Vergleichsschritt. Bei diesem Stand der Technik werden jedoch lediglich Beginn und Ende der Öffnungs- bzw. Schließbewegung eines Ankers des Kraftstoffinjektors ermittelt, wozu jeweils zwei unterschiedliche Hysteresekurven erfasst werden müssen, um daraus eine die Öffnungs- bzw. Schließbewegung charakterisierende Sollwertabweichung zu ermitteln.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Ankerhub eines Magnetaktors mit relativ geringem messtechnischen und rechnerischen Aufwand ermittelbar ist. Dazu umfasst das Verfahren die Schritte des Bestimmens einer magnetischen Hysteresekurve des Magnetaktors, des Selektierens eines von einem Übergang des Ankers aus einer ersten stationären Endstellung in eine zweite stationäre Endstellung geprägten Kurvenabschnitts in der magnetischen Hysteresekurve, des Bestimmens des magnetischen Energiezustands des Magnetaktors in der zweiten stationären Endstellung des Ankers anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts, des Erzeugens eines Kurvenabschnitts im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts, wobei der erzeugte Kurvenabschnitt den Magnetaktor mit dem in seiner ersten Endstellung fixierten Anker simuliert, um einen dazu korrespondierenden magnetischen Energiezustand des Magnetaktors zu bestimmen, und des Vergleichens der beiden Energiezustände des Magnetaktors basierend auf den Verläufen des selektierten Kurvenabschnitts und des erzeugten Kurvenabschnitts, um darauf basierend den Ankerhub zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft auch für als Injektoren ausgebildete Magnetaktoren, um den Ankerhub in solchen Injektoren und mithin die Performance des zugehörigen Einspritzsystems laufend zu kontrollieren bzw. überwachen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.
Gemäß einer bevorzugten und besonders einfach ausführbaren Ausgestaltung der Erfindung wird zum Vergleichen der beiden Energiezustände deren Differenz gebildet.
Vorzugsweise wird zum Bestimmen der magnetischen Hysteresekurve des Magnetaktors der verkettete magnetische Fluss ψ in Abhängigkeit vom Strom I durch eine Spule des Magnetaktors erfasst. Der verkettete magnetische Fluss ist proportional zum Integral |Uinddt und durch Messen der in einer Messspule des Magnetaktors induzierten Spannung und anschließende zeitliche Integration messtechnisch relativ einfach bestimmbar.
Die Erzeugung des Kurvenabschnitts erfolgt mittels wenigstens eines Polynoms, wobei die Koeffizienten und die Ordnung des Polynoms so gewählt werden, dass an durch Intervallgrenzen des selektierten Kurvenabschnitts vorgegebenen Anschlussstellen der magnetischen Hysteresekurve jeweils ein glatter Übergang erzielt wird. Unter einem glatten Übergang ist dabei zu verstehen, dass die den Kurvenabschnitt erzeugende Funktion an den Übergangsstellen bzw. Stützstellen bzw. Randpunkten zur erfassten Hysteresekurve stetige erste Ableitungen besitzt. Dadurch lässt sich der erzeugte Kurvenabschnitt ohne Diskontinuitäten in die Anschlussstellen der Hysteresekurve einpassen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Extrapolations- Intervall für das wenigstens eine Polynom in wenigstens zwei Teilintervalle zerlegt wird, wobei die Lage eines Knotens zwischen den Teilintervallen durch Projektion eines Punktes des selektierten Kurvenabschnitts auf eine Koordinatenachse bestimmt wird, wobei der Punkt etwa mit einem Ereignis korrespondiert, wo der Anker in seine zweite stationäre Endstellung gelangt. Dadurch ist es mög- lieh, unterschiedliche Polynome in den Teilintervallen vorzusehen. Außerdem ist es für den Vergleich der jeweiligen Energiezustände, die mit dem selektierten Kurvenabschnitt und dem erzeugten Kurvenabschnitt korrespondieren, zweckmäßig, in dem selektierten Kurvenabschnitt nur denjenigen Bereich zu berücksichtigen, bei dem sich der Anker in seiner Ruhestellung, d.h. in seiner zweiten stationären Endstellung befindet; diesem Bereich wird das entsprechend zugeordnete Teilintervall des erzeugten Kurvenbereichs gegenübergestellt, um aus dem Vergleich bzw. der Differenz zwischen den Kurvenverläufen den Ankerhub ermitteln zu können. Nach einer zweckmäßigen Ausführungsvariante der Erfindung wird das wenigstens eine Polynom im durch die Intervallgrenzen des selektierten Kurvenabschnitts vorgegebenen Extrapolationsintervall als kubische Spline- Funktion ausgebildet.
Eine besonders einfach zu realisierende Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass ein Kurvenabschnitt selektiert wird, der durch ein Abfallen des Ankers aus seiner ersten stationären Endstellung in seine zweite stationäre Endstellung geprägt ist. Die Abfallbewegung des Ankers ist in der Hystereseschleife des Magnetaktors deutlich markanter auszumachen und zu identifizieren als die dazu gegenläufige Ankeranzugbewegung, da die letztere typischerweise in den magnetischen Sättigungsbereich der Hystereseschleife hineinläuft und wegen des dort eher flachen Kurvenverlaufs nur relativ schwach ausgeprägt ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Verlauf des mittels wenigstens eines Polynoms erzeugten Kurvenabschnitts im ersten Teilintervall eine konstante Steigung aufweist, welche mittels einer das Ankerhubverhalten des Magnetaktors charakterisierenden und durch den Quotienten ΔΙ/ψ definierten physikalischen Kenngröße festgelegt wird, wobei ΔΙ eine Stromstärkendifferenz bezeichnet, die durch die Differenz definiert ist zwischen einem Strom Γ durch den Magnetaktor bei aus der ersten stationären Endstellung abgefallenem Anker und einem Strom I " durch den Magnetaktor bei in der ersten stationären Endstellung fixiertem Anker, während mit ψ ein der Stromstärkendifferenz ΔΙ zugeordneter verketteter magnetischer Fluss bezeichnet ist. Diese physikalische Kenngröße ist einerseits eine theoretisch herleitbare und andererseits eine experimentell gewinnbare Hilfsgröße, mit welcher die Koeffizienten des Polynoms im ersten Teilintervall ermittelbar sind. Zur Gewinnung dieser Kenn- bzw. Hilfsgröße genügen zwei Messreihen, die einmalig für jeden Magnetaktortyp durchgeführt werden.
Zum Ermitteln des Ankerhubs wird die gesamte Querschnittsfläche des wenigstens einen Luftspalts berücksichtigt, indem der Ankerhub Ah gemäß nachfolgender Gleichung berechnet wird:
wobei mit ΔΕ die magnetische Energiedifferenz zwischen den mit dem selektierten Kurvenabschnitt und dem erzeugten Kurvenabschnitt korrespondierenden Energiezuständen, mit n die Windungszahl der Spule des Magnetaktors, mit μ0 die magnetische Permeabilität des Vakuums, mit ψ der verkettete magnetische Fluss und mit Ai und A2 Querschnittsflächen des Luftspalts bezeichnet sind. Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst eine Signalerzeugungseinrichtung zum Ansteuern des
Magnetaktors und eine Detektionseinrichtung zum Bestimmen einer
Hysteresekurve des angesteuerten Magnetaktors sowie eine Rechen- und Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Selektieren eines von einem Übergang des Ankers aus einer ersten stationären Endstellung in eine zweite stationäre Endstellung geprägten Kurvenabschnitts in der magnetischen Hysteresekurve, zum Bestimmen des magnetischen Energiezustands des Magnetaktors in der zweiten stationären Endstellung des Ankers anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts, zum Erzeugen eines Kurvenabschnitts im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts, wobei der erzeugte Kurvenabschnitt den Magnetaktor mit dem in seiner ersten Endstellung fixierten Anker simuliert, um einen dazu korrespondierenden magnetischen Energiezustand des Magnetaktors zu bestimmen, und zum Vergleichen der beiden Energiezustände des Magnetaktors basierend auf den Verläufen des selektierten Kurvenabschnitts und des erzeugten Kurvenabschnitts, um darauf basierend den Ankerhub zu ermitteln.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
Fig. 1 den Verlauf einer Hysterese- Kennlinie eines Magnetkreises bzw.
Magnetaktors, wobei der verkettete magnetische Fluss ψ in Abhängigkeit vom Strom I bei symmetrischer Ansteuerung des Magnetkreises aufgetragen ist,
Fig. 2 einen Teil der Kennlinie von Fig. 1,
Fig. 3A ein Diagramm mit ψ-Kennlinien von zwei Magnetkernmaterialien unterschiedlich groß bemessene Luftspalte in Abhängigkeit vom Strom I,
Fig. 3B ein Diagramm mit Kennlinien von zwei Magnetkernmaterialien, wobei das magnetische Feld B in Abhängigkeit von H aufgetragen ist, Fig. 4 den Verlauf einer physikalischen Kenngröße für einen in unterschiedlichen Materialausführungsvarianten ausgebildeten Magnetaktor in Abhängigkeit vom verketteten magnetischen Fluss ψ, Fig. 5 ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 6 ein Ansteuerdiagramm zur symmetrischen Ansteuerung eines
Magnetaktors, wobei die Spannung bzw. der Strom in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist,
Fig. 7A ein Ansteuerdiagramm zur einseitigen Ansteuerung eines Magnetaktors, und Fig. 7B den Verlauf einer Hysterese- Kennlinie eines gemäß dem Ansteuerdiagramm von Fig. 7A angesteuerten Magnetaktors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fig. 1 zeigt zur Veranschaulichung des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens den Verlauf der ψ- Kennlinie eines Magnetkreises als Hysterese-Schleife 10 in Abhängigkeit vom Strom I. Dabei ist auf der Abszisse der Strom I durch die Erregerspule des Magnetkreises aufgetragen, während auf der Ordinate der verkettete magnetische Fluss ψ aufgetragen ist. Der verkettete magnetische Fluss ψ wird durch Integration der in einer Messspule des Magnetkreises induzierten
Spannung Uind über die Zeit t, also durch das Integral |Uinddt bestimmt. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass Bewegungen des Ankers relativ zum Luftspalt und somit die damit verknüpften Schaltvorgänge des Magnetkreises bzw. Aktors sich am Kurvenverlauf der Hystereseschleife 10 manifestieren. Derartige Ankerbewegungen sind durch Abfallen bzw. Anziehen des Ankers relativ zum Luftspalt des Aktors charakterisiert. So ist beispielsweise der mit Abfallen des Ankers aus dem Bereich des Luftspalts entsprechend verknüpfte Schaltvorgang des Aktors einem Kurvenabschnitt der Hysteresekurve 10 aufgeprägt und ist anhand einer Eindellung 11 im Verlauf des oberen rücklaufenden Kurven- zweigs 13 im ersten Quadranten des Diagramms ersichtlich; eine demgegenüber gegenläufige Bewegung des Ankers, also ein Anziehen des Ankers in Richtung des Luftspalts, manifestiert sich z.B. bei negativen Funktionswerten von ψ und I im Verlauf des oberen rücklaufenden Kurvenzweigs 13 im dritten Quadranten des Diagramms anhand eines mit geringer Steigung verlaufenden Kurvenstücks 14 in der Nähe zum Sättigungsbereich 15'. Aus Symmetriegründen sind im Ver- lauf des unteren vorlaufenden Kurvenzweigs 16 der Hystereseschleife 10 eine
Ankerabfallbewegung und eine Ankeranziehbewegung ersichtlich. Durch das Abfallen des Ankers, also einer vom Luftspalt des Aktors wegführenden Ankerbewegung, die dann erfolgt, wenn die Stromstärke I ausgehend von dem Sättigungsbereich 15 bzw. 15' verringert wird, bis ein mit Bezugsziffer 17 bezeichne- ter Stromschwellenwert erreicht oder unterschritten wird, vergrößert sich der
Luftspalt, wobei sich der verkettete magnetische Fluss ψ ändert. Durch ein Anziehen des Ankers, also eine luftspaltverkleinernde Ankerbewegung, die dann erfolgt, wenn die Stromstärke oder deren Betrag zum Sättigungsbereich 15 bzw. 15' hin erhöht wird, bis ein mit Bezugsziffer 19 bezeichneter Stromschwellenwert erreicht oder überschritten wird, verkleinert sich der Luftspalt, wobei sich ebenfalls der verkettete magnetische Fluss ψ ändert. Die Hystereseschleife 10 zeigt somit jeweils zwei Ankerabfallbewegungen und zwei Ankeranziehbewegungen, insgesamt also vier Schaltvorgänge, welche durch lokale ψ-Änderungen charakterisiert sind.
Fig. 2 zeigt den oberen bzw. rücklaufenden Kurvenzweig 13 der Hysteresekurve bzw. ψ-Kennlinie 10 des Magnetkreises bzw. Magnetaktors im ersten Quadranten des Diagramms von Fig. 1. Der Kurvenzweig 13 weist - bei Stromstärken unterhalb der Sättigung 15 - einen Kurvenabschnitt 20 auf, welcher vom Abfall des Ankers aus seiner Endstellung an einem Magnetkern hin zu einer Endstellung bzw. Ruhestellung weg vom Magnetkern geprägt ist. Dieser Kurvenabschnitt 20 erstreckt sich, wie anhand der charakteristischen Eindellung 11 ersichtlich ist, von einem Punkt P2(l2, Ψ2) der Hysteresekurve 10, welcher den Einsatz der Abfallbewegung des Ankers bei einem Strom l2 und einem magnetischen Fluss ψ2 markiert, bis hinunter zur I-Achse bei ψ = 0, also bis zu einem zur Koerzitiv- feldstärke äquivalenten Koordinatenpunkt K, und repräsentiert einen Energiezustand Ei des Magnetkreises bei aus dem Luftspalt abgefallener Stellung des Ankers. Dabei ist dieser Energiezustand Ei bestimmbar, indem die Fläche zwischen dem Verlauf des Kurvenabschnitts 20 und der ψ-Achse durch Integration inner- halb der den Kurvenabschnitt 20 begrenzenden Intervallgrenzen berechnet wird, wie im einzelnen nachfolgend noch erläutert wird. In Fig. 2 ist zudem ein mittels einer Approximation berechneter bzw. konstruierter Kurvenabschnitt 22 dargestellt, der von dem Punkt P2 über den Punkt PI bis hinunter zur I-Achse bei ψ = 0 verläuft und - anstelle der Eindellung 11 - den lo- kalen Kurvenverlauf der Hysterese für den hypothetischen Fall simuliert, dass der
Anker am Magnetkern, d.h. in angezogener Endstellung, festgehalten bzw. fixiert wird, so dass er nicht vom Magnetkern abfallen kann; dieser Kurvenabschnitt 22 repräsentiert somit einen Energiezustand E2 des Magnetkreises bzw.
Magnetaktors bei angezogener Endstellung des Ankers. Auch dieser Energiezu- stand E2 ist bestimmbar, indem die Fläche zwischen dem Verlauf dieses extrapolierten Kurvenabschnitts 22 und der ψ-Achse durch Integration innerhalb der den extrapolierten Kurvenabschnitt 22 begrenzenden Intervallgrenzen berechnet wird, wie im einzelnen nachfolgend noch erläutert wird. Da die Querschnittfläche des Luftspalts sowohl in abgefallener wie auch in angezogener Ankerstellung konstant bleibt, ist aus der Differenz der beiden Energiezustände Ei - E2 der
Ankerhub unter Berücksichtigung der Querschnittfläche des Luftspalts
ermittelbar. Um den Kurvenabschnitt 22 zwischen den Intervallgrenzen K und P2 mittels Extrapolation auszubilden, wird eine Funktion F erzeugt, die durch wenigstens ein Polynom gebildet wird. Dabei sind die Koeffizienten und die Ord- nung des Polynoms bzw. der Polynome so gewählt, dass an den die Intervallgrenzen bildenden Übergangsstellen zur erfassten Hysteresekurve 10, d.h. an dem Punkt P2 und an dem Punkt K bei ψ = 0 auf der negativen I-Achse, jeweils ein glatter Übergang existiert. Unter einem glatten Übergang ist dabei zu verstehen, dass die Funktion an den Übergangsstellen bzw. Stützstellen bzw. Rand- punkten zur erfassten Hysteresekurve stetige erste Ableitungen besitzt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Approximationsintervall [K, P2] des erzeugten Kurvenabschnitts in zwei Teilintervalle zerlegt, wobei ein erstes Teilintervall [K, PI] mit einer darin erzeugten Funktion Fl den Bereich relativ kleiner Stromstärken von K bis Pl(li, ψι) überdeckt, während ein zweites Teilin- tervall [PI, P2] sich zu höheren Stromstärken hin an das erste Teilintervall anschließt und sich mit einer darin erzeugten Funktion F2 von dem Punkt Pl(li, ψι) bis zum Punkt P2(l2, ψ2) erstreckt. Die beiden Funktionen Fl und F2 sind Teilfunktionen der Funktion F. Die Lage des Knotens PI zwischen den beiden Teilintervallen ergibt sich aus der Analyse des selektierten Kurvenabschnitts 20, denn im selektierten Kurvenabschnitt 20 markiert der Punkt beim Stromwert II die Ruhestellung des Ankers im abgefallenen Zustand, da der Anker bei P2 eine dort einsetzende Abfallbewegung ausführt, die von Oszillationen 27 aufgrund von Ankerprellvorgängen überlagert wird; diese Oszillationen 27 sind beim Stromwert II zumindest näherungsweise abgeklungen. Die Projektion dieses Punktes im Kurvenverlauf des selektierten Kurvenabschnitt 20, wo die Oszillationen 27 abgeklungen sind und mithin der Anker in seine Ruhestellung gelangt ist, auf die horizontale Koordinatenachse bestimmt somit die Lage des Knotens PI zwischen den Teilintervallen Fl und F2.
Für die Teilfunktion Fl im Teilintervall [K, PI] wird vorzugsweise ein Polynom erster Ordnung, also ein Geradensegment mit konstanter Steigung gewählt, da in diesem Intervallbereich, also bei relativ kleinen Strömen im Verhältnis zum Sättigungsbereich, die das Ankerhubverhalten des Magnetaktors charakterisierende physikalische Kenngröße AKG, die als physikalische Hilfsgröße zur Extrapolation in diesem Teilintervall dient, in guter Näherung einen konstanten Verlauf aufweist, wie im übrigen das in Fig. 4 dargestellte Diagramm veranschaulicht, und mithin ein Maß für die Steigung ΔΙ/Δψ des Geradensegments darstellt.
Für die Teilfunktion F2 im Teilintervall [PI, P2] wird ein Polynom gewählt, dessen Ordnung und Koeffizienten so bemessen werden, dass die jeweilige Steigung der Funktion F2 an den Teilintervallgrenzen PI, P2 mit den Steigungen dort übereinstimmt und dazwischen ein praktisch fließender Verlauf erzielt wird.
Der approximierte Funktionsverlauf für den extrapolierten Kurvenabschnitt 22 teilt sich somit in die Teilfunktionen Fl und F2 auf. Wegen der glatten Übergänge am Knotenpunkt PI zwischen den beiden Teilintervallen und am Randpunkt P2 gilt für die ersten Ableitungen der Funktionen an der Stelle II:
Gleichung (1)
^ 2(/2) = ^/(/2) Gleichung (2)
dl dl
Dabei ist f die Funktion der erfassten Hysteresekurve im Kurvenanschlussstück 24 bei Stromstärken I > 12 zum Sättigungsbereich 15 hin, wo sich der Anker des Magnetaktors noch in angezogener Position befindet. Außerdem gilt an der oberen Intervallgrenze P2(I2, ψ2) und an der unteren Intervallgrenze K(IK, ψ=0):
F2 (12) = f (12) Gleichung (3) Fl (Ικ) = f (IK) Gleichung (4)
Mit diesen vier Gleichungen werden die Koeffizienten der den Teilfunktionen Fl und F2 zugeordneten Polynome berechnet bzw. festgelegt, um den erzeugten Kurvenabschnitt 22 in die Anschlussstellen K und P2 der gemessenen
Hysteresekurve 10 einzufügen bzw. anzupassen. Vorzugsweise ist die sich aus den Teilfunktionen Fl und F2 zusammensetzende Funktion F in den beiden Teilintervallen als kubische Spline- Funktion ausgebildet. Um zunächst die Koeffizienten des Polynoms in dem ersten Teilintervall zu ermitteln, wird ein Iterationsprozess im ersten Teilintervall zwischen K und PI initialisiert, wobei die durch die physikalische Kenngröße AKG vorgegebene Steigung in das Polynom eingesetzt wird und anschließend dieser Startwert solange variiert wird, bis sich im Zusammenwirken mit dem im zweiten Teilintervall wirkenden Polynom, eine Minimierung der Abweichungen in den Randpunkten K und P2 einstellt und dadurch ein kontinuierlicher Verlauf der erzeugenden Funktion F über beide Teilintervalle - ohne Diskontinuitäten an den Randpunkten - erzielen lässt. Um nun die Energiedifferenz ΔΕ als Maß für den Ankerhub zu ermitteln, wird einerseits der Verlauf des selektierten Kurvenabschnitts 20 in den Grenzen des ersten Teilintervalls integriert und andererseits der Verlauf des erzeugten Kurvenabschnitts 22 in den Grenzen des ersten Teilintervalls integriert, wobei die jeweilige Integration über das Differential άψ erfolgt. Durch die Festlegung des ersten Teilintervalls als Integrationsbereich für die zwei Integrationen bleiben aufgrund von Ankerprellbewegungen verursachte Oszillationen im zweiten Teilintervall des selektierten Kurvenabschnitts 20 bei der Berechnung der Integrale außer Betracht und können somit nicht die Berechnung verfälschen. Zum Ausführen der Integrationen wird sowohl für den selektierten Kurvenabschnitt 20 wie auch für den erzeugten Kurvenabschnitt 22 in einem vorherigen Schritt jeweils eine Koordinatentransformation bzw. Koordinatenverschiebung so durchgeführt, dass die Kurvenabschnitte 20 und 22 durch den Koordinatennullpunkt durchgehen. Danach werden die beiden Integrationen ausgeführt, um die beiden Energiezustände zu berechnen, worauf die Differenz zwischen den beiden Integrati- onsresultaten gebildet wird, die als Energiedifferenz ΔΕ ein Maß für den Ankerhub darstellt. Um dann den Ankerhub zu ermitteln, wird zusätzlich der Luftspaltquerschnitt des Magnetaktors berücksichtigt.
Generell wird der Ankerhub Ah gemäß nachfolgender Gleichung berechnet:
Ah = ,
wobei mit ΔΕ die magnetische Energiedifferenz zwischen den mit dem selektierten Kurvenabschnitt 20 und dem erzeugten Kurvenabschnitt 22 korrespondierenden Energiezuständen Ei und E2, mit n die Windungszahl der Spule des
Magnetaktors, mit μ0 die magnetische Permeabilität, mit ψ der verkettete magnetische Fluss und mit Ai und A2 Querschnittsflächen des Luftspalts bezeichnet sind. Die magnetische Permeabilität μ0 des Vakuums ist mit einem Wert von 1.26·10"6 VsA^rrf1 definiert.
Die Herleitung der obigen Gleichung sei beispielhaft anhand eines Magnetaktors erläutert, welcher als Topfmagnet ausgebildet ist, dessen Luftspalt zwei
Luftspaltquerschnittsflächen Ai und A2 aufweist. Die magnetische Energiedichte ergibt sich gemäß der nachfolgenden Gleichung:
E cc ^H - dB Gleichung (II),
Dabei ist mit H die magnetische Feldstärke bezeichnet, während mit B das Magnetfeld bezeichnet ist. Mit B= μ0 H und B = ψ /(n A) ergibt sich die nachfolgende Gleichung für die magnetische Energie E im Luftspalt:
Gleichung
(III).
Dabei bezeichnen hi und h2 die unterschiedlichen Höhen des Luftspalts in Abhängigkeit von der Ankerendstellung.
Wird der Anker um einen Ankerhub Ah zwischen seinen Endstellungen bewegt, so ergibt sich nachfolgende Gleichung:
Gleichung (IV)
Für die Energiedifferenz ergibt sich mithin gemäß nachfolgender Gleichung: AE Gleichung (V) Anders formuliert ergibt sich daraus die nachfolgende Gleichung:
AE ■(- + - λ ■Ah Gleichung (VI)
2 n ■ μ,
Die Umstellung der Gleichung (VI) ergibt dann die obige Gleichung (I). Die der Ermittlung des Ankerhubs zugrundeliegenden Integrationen werden durchgeführt, indem für den selektierten Kurvenabschnitt 20 und den erzeugten Kurvenabschnitt 22 jeweils das Integral /Ι·άψ im ersten Teilintervall berechnet wird, wobei sich das Integral von ψ= 0 bis zum ψ-Wert im Punkt PI erstreckt. Der Integrand I bezeichnet dabei den Stromverlauf der Funktion im ersten Teilinter- vall, während mit das Differential bezeichnet ist.
Anhand Fig. 3A, 3B und 4 sind die physikalischen Grundlagen veranschaulicht, auf denen das erfindungsgemäße Verfahren beruht. Fig. 3A zeigt die Kennlinienverläufe für zwei unterschiedliche Magnetkernmaterialien eines Magnetkreises bzw. Magnetaktors mit jeweils verschieden groß bemessenen Luftspalten dl, d2 und d3, wobei der verkettete magnetische Fluss ψ als Funktion des Stroms I durch den Magnetkreis aufgetragen ist. Das erste Magnetkernmaterial ist anhand von gestrichelten Kurven dargestellt, während das zweite Magnetkernmaterial anhand von durchgezogenen Kurven dargestellt ist. Dabei gilt für die verschieden groß bemessenen Luftspalte im jeweiligen Magnetkreis: dl > d2 > d3. Aufgrund der ψ- Kennlinien ist ersichtlich, dass, je größer der jeweilige Luftspalt ist, desto kleiner der verkettete magnetische Fluss ψ bei gleichem Strom I im Magnetkreis ist.
Fig. 3B zeigt ein Diagramm, bei dem für die zwei unterschiedlichen Magnetkernmaterialien des jeweiligen Magnetkreises bzw. Magnetaktors von Fig. 3A das magnetische Feld B in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H aufgetragen ist, wobei das erste Magnetkernmaterial anhand einer gestrichelten Kurve dargestellt ist, während das zweite Magnetkernmaterial anhand einer durchgezogenen Kurve dargestellt ist. Danach weist das erste Magnetkernmaterial mit zunehmendem H einen niedrigeren B-Wert und mithin eine geringere Energiedichte als das zweite Magnetkernmaterial auf. Mithin ist aus Fig. 3A und Fig. 3B ersichtlich, dass sich die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften der beiden Magnetkernmaterialien energetisch in den beiden dargestellten Kennlinien manifestieren.
Fig. 4 zeigt den Verlauf der physikalischen Kenngröße AKG in Abhängigkeit vom verketteten magnetischen Fluss ψ für einen als Magnetventil mit Anker ausgebildeten Magnetaktor bzw. Magnetkreis in unterschiedlichen Ausführungsvarianten, welche zwei unterschiedliche Magnetkernmaterialien und zwei durch unterschiedlich große Luftspalte festgelegte Ankerhübe umfassen. Auf der Ordinate ist die physikalische Kenngröße AKG in der Einheit AW^s'1 aufgetragen. Auf der Abszisse ist der verkettete magnetische Fluss ψ in der Einheit V»s aufgetragen.
Die AKG-Kennlinien für den mit einem ersten Magnetkernmaterial ausgebildeten Magnetaktor sind anhand von zwei gestrichelten Kurven 28, 28' dargestellt, während die AKG- Kennlinien für den mit einem zweiten Magnetkernmaterial ausgebildeten Magnetaktor anhand von zwei durchgezogenen Kurven 29, 29 ' darge- stellt sind. Die beiden unteren Kennlinien 28, 29 unterscheiden sich von den beiden oberen Kennlinien 28', 29 ' dadurch, dass bei den beiden oberen Kennlinien 28', 29 ' der Luftspalt in abgefallener Ankerstellung größer bemessen ist als bei den beiden unteren Kennlinien 28, 29. Die physikalische Kenngröße AKG ist durch die Beziehung AKG = ΔΙ / ψ definiert, wobei die Stromstärkendifferenz ΔΙ festgelegt ist durch die Differenz zwischen dem Strom durch den Magnetaktor in aus dem Luftspalt abgefallener Stellung des Ankers und dem Strom I " durch den Magnetaktor in einer Ankerstellung, bei welcher der Anker im Luftspalt fixiert ist, somit für die Stromstärkendifferenz ΔΙ = - I " gilt. Zur Gewinnung der einzelnen AKG-Kennlinien wird jeweils einerseits die Hystereseschleife des
Magnetaktors mit frei beweglichem Anker und andererseits die Hystereseschleife des Magnetaktors mit im Luftspalt fixiertem Anker gemessen und aufgezeichnet bzw. gespeichert, worauf in der ersten Hystereseschleife ein Kurvenbereich selektiert wird, der typischerweise durch ein Abfallen des Ankers aus dem Luftspalt charakterisiert ist, und die diesem Kurvenbereich zugeordneten und als Werte- paare abgespeicherten Messwert = I...N aus der Messreihe extra¬ hiert werden, um mit Messwerten I...N aus der zweiten gemesse¬ nen Hystereseschleife verglichen zu werden, wobei die Messwerte l "(i))i = 1...M denjenigen Kurvenbereich der zweiten Hystereseschleife repräsentieren, welcher in demselben Quadranten und bei identischen ψ-Werten wie der Kur- venbereich der ersten Hystereseschleife liegt (i bezeichnet die von 1 bis N laufende Laufvariable); beim Vergleichen erfolgt eine Differenzbildung derart, dass für jedes ψ(ί) die jeweilige Differenz ΔΙ, aus den Werten l '(i) und l "(i) der beiden einander zugeordneten Wertetabellen Wi und W2 gebildet wird, so dass die Werte ΔΙ, = l '(i) - l "(i) für i = 1...N ermittelt werden, die in einer Wertetabelle Al(i))i = I...N abgelegt werden, um daraus die das Ankerhubverhalten eines
Magnetaktors charakterisierende physikalische Kenngröße AKG zu ermitteln, die dann als Kennlinienfeld AKG(i) = ΔΙ(ί) / ψ(ί) für alle i=l ...N bereitsteht. Aus dem Verlauf der vier AKG-Kennlinien 28, 28', 29, 29' in Fig. 4 ist ersichtlich, dass der Ankerhub auch bei unterschiedlichen Magnetkernmaterialien durch eine gleiche Kenngröße AKG abgebildet wird. Ferner verläuft die Kenngröße AKG bei nicht zu hohen magnetischen Flüssen ψ für unterschiedliche Magnetkernmaterialien und gleiche Luftspaltdimensionen annähernd konstant, wobei erst bei relativ hohen magnetischen Flüssen ψ ein allmähliches Absinken der Kenngröße AKG erfolgt.
Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten des er- findungsgemäßen Verfahrens 100. In einem ersten Schritt 101 wird die
Hystereseschleife, d.h. die ψ-Kennlinie des Magnetaktors gemessen, indem der Strom durchgefahren und dabei zu jedem eingestellten Stromwert jeweils die in einer Messspule induzierte Spannung Uind detektiert wird, um anhand des Integrals iUinddt den jeweils eingestellten Stromwerten zugeordnete ψ-Werte zu be- stimmen und die dabei insgesamt ermittelten Wertepaare (I, ψ) in einem Speicherfeld abzulegen. Alternativ kann die induzierte Spannung auch aus der Erregerspule mit Uind = U EI - R»l gebildet werden, wobei UErr die Erregerspannung bezeichnet. In einem daran anschließenden Schritt 102 wird aus der derart er- fassten Hystereseschleife ein Kurvenabschnitt selektiert, der durch einen Über- gang des Ankers geprägt ist, vorzugsweise durch eine Abfallbewegung des Ankers aus dem Luftspalt, wobei die im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts liegenden Wertepaare (I, ψ) extrahiert werden. In einem weiteren Schritt 103 wird die magnetische Energie Ei des Magnetaktors anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts berechnet. In einem daran anschließenden Schritt 104 wird in dem Intervall des selektierten Kurvenabschnitts eine Funktion erzeugt, die den Magnetaktor in einer Ankerstellung simuliert, in welcher der Anker in seiner ersten Ausgangsstellung fixiert bleibt, also vorzugsweise am Magnetkern fixiert bleibt. Dazu wird gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Polynom, vorzugsweise eine kubische Spline- Funktion, in dem Intervall gebildet. In einem weiteren Schritt 105 wird anhand des Verlaufs der erzeugten Funktion die magnetische Energie E2 des Magnetaktors berechnet. In einem unmittelbar daran an- schließenden Schritt 106 wird die Differenz der beiden Energiezustände ΔΕ = Ei - E2 bestimmt, die als ein Maß für den Ankerhub dient. In einem Schritt 107 wird schließlich der Ankerhub mittels der im vorherigen Schritt 106 bestimmten Energiedifferenz und der Querschnittsfläche des Luftspalts des Magnetaktors ermit- telt.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm 30 mit einem Spannungsprofil 31 und einem Stromprofil 32 zur symmetrischen Ansteuerung eines Magnetaktors mittels eines vorzugsweise als elektronische Steuereinheit ausgebildeten Signalgenerators, wo- bei die Signalamplitude A der an der Spule des Magnetaktors anliegenden
Spannung U und des durch die Spule fließenden Stroms I als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Die Spannung ist beispielhaft als Rechtecksignal mit einer positiven Signalhöhe +UEcu und einer negativen Signalhöhe -UEcu ausgebildet (ECU: electronic control unit), während sich für den Strom I ein rampenförmiger Verlauf einstellt. Aufgrund des annähernd exponentiellen Anstiegs bzw. Abfalls der
Stromrampe während des positiven bzw. negativen Spannungssignals ergibt sich jeweils ein Konstantstrombereich 32 ', der zur Bestimmung des Spulenwiderstands R dient, welcher für die Berechnung von Uind ohne Messspule verwendet wird. Um nun den Ankerhub eines als Einspritzventil bzw. Injektor ausgebildeten Magnetaktors zu bestimmen, ohne dabei die Einspritzzyklen zu stören, erfolgt die
Ansteuerung eines derartigen Magnetaktors gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm kurz vor dem Starten des zugeordneten Verbrennungsmotors und zwar in der Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Zündung und dem Start des Verbrennungsmotors. Dadurch wird sichergestellt, dass während der Mes- sung bzw. Erfassung der Hysterese des Magnetaktors und der nachfolgenden
Bestimmung des Ankerhubs keine unerwünschten Effekte bzw. messtechnischen Artefakte auftreten können, indem während der Messphase keine Kraftstoffeinspritzung erfolgt und das Einspritzventil praktisch drucklos ist. Die Ankerbewegung potentiell beeinflussende Störfaktoren werden mithin eliminiert. In Diagno- segeräten ist auch eine l(t)-Vorgabe möglich; in diesem Fall ergibt sich dann U(t) aus l(t).
Fig. 7A zeigt ein Diagramm 40 mit einem Spannungsprofil 41 und einem Stromprofil 42 zur einseitigen Ansteuerung eines Magnetaktors mittels eines vorzugs- weise als elektronische Steuereinheit ausgebildeten Signalgenerators, wobei auf der Ordinate die Signalamplitude A der Spannung und des Stroms aufgetragen ist, während auf der Abszisse die Zeit t dargestellt ist. Diese Ansteuerung unterscheidet sich von der in Fig. 6 dargestellten Ansteuerung darin, dass lediglich positive Rechteckimpulse mit einer Signalhöhe +UEcu für die Spannung U und positive Stromrampen für den Strom I vorgesehen sind. Die Bestimmung des Spulenwiderstands R des Magnetaktors erfolgt im Konstantstrombereich 42'.
Auch diese abgewandelte Ausführungsform der Ansteuerung ist für die Bestimmung des Ankerhubs bei einem als Einspritzventil bzw. Injektor ausgebildeten Magnetaktor geeignet. Die bei einseitiger Ansteuerung als Hysteresekurve er- fasste ψ- Kennlinie in Abhängigkeit vom Strom I ist ausschließlich auf den ersten Quadranten beschränkt und in Fig. 7B dargestellt. Da die Bestimmung der ψ-
Werte durch zeitliche Integration der induzierten Spannung Uind erfolgt, bleibt bei einseitiger Ansteuerung mit positiven Spannung- und Stromsignalen die Integrationskonstante dieser Integration unbestimmt, so dass die Kurve sowohl für den vorlaufenden wie auch den rücklaufenden Zweig durch den Koordinatennullpunkt geht, in Realität jedoch um den Remanenzmagnetisierungswert verschoben die
Ordinate schneidet. Der vorlaufende Zweig 16 ergibt sich durch Erhöhen des Stroms bis in den Sättigungsbereich 15, wobei vor dem Sättigungsbereich 15 der Stromschwellenwert liegt, bei dem der Ankeranzug erfolgt, während sich der rücklaufende Zweig ausgehend vom Sättigungsbereich 15 durch Reduktion des Stroms ergibt, wobei der Ankerabfall bei einem Stromschwellenwert unterhalb des Sättigungsbereichs erfolgt. Der extrapolierte bzw. konstruierte Kurvenabschnitt 22 ist für den selektierten Kurvenabschnitt berechnet.
Die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Vorrichtung umfasst eine Signalerzeugungseinrichtung zum Ansteuern des Magnetaktors und eine Detektionseinrichtung zum Bestimmen einer Hysteresekurve 10 des angesteuerten Magnetaktors sowie eine Rechen- und Auswerteeinrichtung, wobei die Rechen- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Selektieren eines von einem Übergang des Ankers aus einer ersten stationären Endstellung in eine zwei- te stationäre Endstellung geprägten Kurvenabschnitts 20 in der magnetischen
Hysteresekurve 10, zum Bestimmen des magnetischen Energiezustands des Magnetaktors in der zweiten stationären Endstellung des Ankers anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts 20, zum Erzeugen eines Kurvenabschnitts 22 im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts 20, wobei der erzeugte Kurvenabschnitt 22 den Magnetaktor mit dem in seiner ersten Endstellung fixierten Anker simuliert, um einen dazu korrespondierenden magnetischen Energie- zustand des Magnetaktors zu bestimmen, und zum Vergleichen der beiden Energiezustände des Magnetaktors basierend auf den Verläufen des selektierten Kurvenabschnitts 20 und des erzeugten Kurvenabschnitts 22, um darauf basierend den Ankerhub zu ermitteln. Die Detektionseinrichtung ist zweckmäßigerwei- se als Strom-/Spannungsmessgerät ausgebildet. Vorzugsweise weist die Rechen- und Auswerteeinrichtung einen Prozessor mit wenigstens einem Speicher auf, in welchem einerseits das erfindungsgemäße Verfahren als Computerprogramm abgelegt ist und andererseits Messdaten und gerechnete Daten zwischengespeichert sind. Alternativ kann die Rechen- und Auswerteeinrichtung als Rechner ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln des Ankerhubs eines wenigstens einen Luftspalt und einen Anker aufweisenden Magnetaktors mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve (10) des Magnetaktors,
- Selektieren eines von einem Übergang des Ankers aus einer ersten stationären Endstellung in eine zweite stationäre Endstellung geprägten Kurvenabschnitts (20) in der magnetischen Hysteresekurve (10),
- Bestimmen des magnetischen Energiezustands des Magnetaktors in der zweiten stationären Endstellung des Ankers anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts (20),
- Erzeugen eines Kurvenabschnitts (22) im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts (20), wobei der erzeugte Kurvenabschnitt (22) den Magnetaktor mit dem in seiner ersten Endstellung fixierten Anker simuliert, um einen dazu korrespondierenden magnetischen Energiezustand des Magnetaktors zu bestimmen,
- Vergleichen der beiden Energiezustände des Magnetaktors basierend auf den Verläufen des selektierten Kurvenabschnitts (20) und des erzeugten Kurvenabschnitts (22), um darauf basierend den Ankerhub zu ermitteln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen der beiden Energiezustände deren Differenz gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeu- gung des Kurvenabschnitts (22) mittels wenigstens eines Polynoms erfolgt, wobei die Koeffizienten und die Ordnung des Polynoms so gewählt werden, dass an durch Intervallgrenzen des selektierten Kurvenabschnitts (20) vorgegebenen Anschlussstellen (K, P2) der magnetischen Hysteresekurve (10) jeweils ein glatter Übergang erzielt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Intervall für das wenigstens eine Polynom in wenigstens zwei Teilintervalle zerlegt wird, wobei die Lage eines Knotens (PI) zwischen den Teilintervallen durch Projektion eines Punktes des selektierten Kurvenabschnitts (20) auf eine Koordinatenachse bestimmt wird, wobei der Punkt etwa mit einem Ereignis korrespondiert, wo der
Anker in seine zweite stationäre Endstellung gelangt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des mittels wenigstens eines Polynoms erzeugten Kurvenabschnitts (22) im ersten Teilintervall eine konstante Steigung aufweist, welche mittels einer das Ankerhubverhalten des Magnetaktors charakterisierenden und durch den Quotienten ΔΙ/ψ definierten physikalischen Kenngröße festgelegt wird, wobei ΔΙ eine Stromstärkendifferenz bezeichnet, die durch die Differenz definiert ist zwischen einem Strom durch den Magnetaktor bei aus der ersten stationären Endstellung abgefallenem Anker und einem Strom I " durch den Magnetaktor bei in der ersten stationären Endstellung fixiertem Anker, während mit ψ ein der Stromstärkendifferenz ΔΙ zugeordneter verketteter magnetischer Fluss bezeichnet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Polynom im durch die Intervallgrenzen des selektierten Kurvenabschnitts (20) vorgegebenen Extrapolationsintervall als kubische Spline- Funktion ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiezustand des jeweiligen Kurvenabschnitts (20, 22) bestimmt wird, indem eine Integration über den Verlauf des jeweiligen Kurvenbereichs (20, 22) innerhalb der Intervallgrenzen des ersten Teilintervalls durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der magnetischen Hysteresekurve (10) des Magnetaktors der verkettete magnetische Fluss ψ in Abhängigkeit vom Strom I durch eine Spule des Magnetaktors erfasst wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurvenabschnitt (20) selektiert wird, der durch ein Abfallen des Ankers aus seiner ersten stationären Endstellung in seine zweite stationäre Endstellungge- prägt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Ankerhubs die gesamte Querschnittsfläche des wenigstens einen Luftspalts berücksichtigt wird, indem der Ankerhub Ah gemäß nachfolgender Gleichung berechnet wird:
wobei mit ΔΕ die magnetische Energiedifferenz zwischen den mit dem selektierten Kurvenabschnitt (20) und dem erzeugten Kurvenabschnitt (22) korrespondierenden Energiezuständen, mit n die Windungszahl der Spule des Magnetaktors, mit μ0 die magnetische Permeabilität des Vakuums, mit ψ der verkettete magnetische Fluss und mit Ai und A2 Querschnittsflächen des Luftspalts bezeichnet sind.
11. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend eine Signalerzeugungseinrichtung zum Ansteuern des Magnetaktors und eine Detektionseinrichtung zum Bestimmen einer
Hysteresekurve (10) des angesteuerten Magnetaktors sowie eine Rechen- und Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zum Selektieren eines von einem Übergang des Ankers aus einer ersten stationären Endstellung in eine zweite stationäre Endstellung geprägten Kurvenabschnitts (20) in der magnetischen Hysteresekurve (10), zum Bestimmen des magnetischen Energiezustands des Magnetaktors in der zweiten stationären Endstellung des Ankers anhand des Verlaufs des selektierten Kurvenabschnitts (20), zum Erzeugen eines Kurvenabschnitts (22) im Intervall des selektierten Kurvenabschnitts (20), wobei der erzeugte Kurvenabschnitt (22) den Magnetaktor mit dem in seiner ersten Endstellung fixierten Anker simuliert, um einen dazu korrespondierenden magnetischen Energiezustand des Magnetaktors zu bestimmen, und zum Vergleichen der beiden Energiezustände des Magnetaktors basierend auf den Verläufen des selektierten Kurvenabschnitts (20) und des erzeugten Kurvenabschnitts (22), um darauf basierend den Ankerhub zu ermitteln.
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