EP4237674A1 - Verfahren zum ermitteln eines schliesszeitpunkts eines injektors mit einem magnetventil, computerprogramm, steuergerät, verbrennungskraftmaschine und kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum ermitteln eines schliesszeitpunkts eines injektors mit einem magnetventil, computerprogramm, steuergerät, verbrennungskraftmaschine und kraftfahrzeug

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Publication number
EP4237674A1
EP4237674A1 EP21802281.2A EP21802281A EP4237674A1 EP 4237674 A1 EP4237674 A1 EP 4237674A1 EP 21802281 A EP21802281 A EP 21802281A EP 4237674 A1 EP4237674 A1 EP 4237674A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
voltage
derivative
coil
auxiliary function
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21802281.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Hackmann
Daniel Leineweber
Daniel AUGUST
Riheb WISLATI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP4237674A1 publication Critical patent/EP4237674A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2055—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit with means for determining actual opening or closing time
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/26—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using computer, e.g. microprocessor
    • F02D41/28—Interface circuits
    • F02D2041/286—Interface circuits comprising means for signal processing

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a closing time of an injector with a solenoid valve and a computer program, a control device, an internal combustion engine and a motor vehicle.
  • injectors are used to inject fuel directly into a combustion chamber.
  • An engine control unit controls the switching valve integrated in the injectors, which causes an injection nozzle to open and close again.
  • the quantity of fuel injected can be determined by way of an opening duration of the switching valve.
  • solenoid valve injectors When solenoid valve injectors are actuated electrically, opening and closing of these valves can only take place with a delay.
  • the delay of the individual injectors is subject to tolerances, with the result that the injectors have different opening times with the same activation times. This results in an undesirable uneven distribution of the fuel mass.
  • the voltage signal can be integrated until it reaches a threshold.
  • the threshold value is reached, this corresponds to the closing time of the injector.
  • DE 102009 032 521 A1 describes a method for determining a closing time of a valve having a coil drive.
  • a current flows through a coil the coil drive is switched off, so that the coil is de-energized and a time profile of a voltage induced in the de-energized coil is recorded.
  • the induced voltage is generated by decaying eddy currents in a magnetic circuit of the coil drive and by a movement of the magnet armature relative to the coil.
  • the recorded time profile of the induced voltage is evaluated and the closing time is determined based on the evaluated time profile.
  • the object of the present invention is to provide an improved method for determining a closing time of an injector with a solenoid valve, an improved computer program, an improved control device, an improved internal combustion engine and an improved motor vehicle.
  • a first aspect of the invention relates to a method for determining a closing time of a solenoid valve of an injector.
  • the closing time is determined by evaluating a logarithmic voltage ratio between a coil voltage and a reference value for the coil voltage.
  • the coil voltage is the voltage across a coil of the solenoid valve.
  • the injector with the solenoid valve (solenoid valve injector) is used for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the injector is actuated electromagnetically.
  • the injector has a coil for generating a magnetic field, so that the coil can be used as an electromagnet.
  • the magnetic force exceeds a biasing force of the biasing element.
  • the valve needle entrained (Magnetic) armature are moved by the magnetic force against a direction of the biasing force. This lifts the valve needle out of the valve seat, releases the valve opening and thus opens the solenoid valve.
  • the current applied to the coil is switched off so that there is no longer a magnetic field.
  • the valve needle is pressed back into the valve seat by the pretensioning element and the valve opening is blocked, so that the solenoid valve is again in its closed valve position.
  • the closing point in time of the injector is the point at which the valve needle is again arranged in the valve seat after the activation current has been switched off and blocks the valve opening, so that no fuel can be injected into the combustion chamber.
  • the coil voltage after switching off the control current corresponds to a voltage induced in the coil, which is generated, among other things, by a reduction in the magnetic field and by a movement of the magnet armature relative to the coil.
  • the coil voltage can be recorded using appropriate measurement technology. In this way, for example, the raw voltage signal can be recorded.
  • the reference value is also a voltage value.
  • the reference value is the voltage value at the measurement start time within a switch-off phase of the coil.
  • the switch-off phase begins after the control current has been switched off.
  • the reference value is the voltage value at the time of switch-off.
  • the switch-off point is the point at which the drive current is switched off.
  • the "logarithmic voltage ratio between the coil voltage and the reference value” means the logarithm of the quotient of the coil voltage divided by the reference value. In some embodiments, the natural logarithm may be used.
  • a signal-to-noise ratio for evaluating the coil voltage can be improved.
  • the turning point in the course of the logarithmic voltage ratio during the discharging process is thus easier to recognize.
  • the use of the logarithm enables a robust evaluation of the coil voltage, which can be carried out with comparatively little computing power.
  • a derivation of the logarithmic voltage ratio can be evaluated to determine the closing time.
  • derivation means the chronological derivation of the course over time of the logarithmic voltage ratio.
  • a second derivation of the logarithmic voltage ratio can be evaluated to determine the closing time.
  • the second derivative means the second derivative over time of the course over time of the logarithmic voltage ratio.
  • the closing point time may be when the second derivative of the logarithmic voltage ratio becomes zero for the first time. It has been found that when the second derivative of the logarithmic voltage ratio equals zero, that is also the inflection point in the voltage curve.
  • the inflection point of the voltage curve can thus be determined in a particularly simple and mathematical manner by discussing the curves of the time curve of the logarithmic voltage ratio.
  • the method may also include the following: determining that the dwell time is present when the second derivative of the logarithmic voltage ratio remains less than zero for a predetermined time (debounce period) after reaching the value zero.
  • the predetermined time can be from 10 to 50 microseconds (ps).
  • the predetermined time as the debounce period can be dependent on a time grid (measurement grid) of the detection of the raw voltage signal. In some examples, the debounce period can be greater than the time grid.
  • Reaching zero means any instant at which the second derivative of the logarithmic voltage ratio is equal to zero.
  • the closing time is determined or recognized as such if, after such a zero point has been detected, the second derivation remains less than zero at least for the predetermined time. This can ensure that noise caused by measurement inaccuracies in the time course of the logarithmic voltage ratio is not incorrectly recognized as the closing point.
  • the reference value of the voltage present at the coil can be at the measurement start time or switch-off time.
  • the second derivative of the logarithmic voltage ratio can be evaluated using an auxiliary function.
  • An extreme point of the auxiliary function can correspond to the closing time of the injector.
  • the voltage discharge curve of the coil (of the injector) after switching off the control current can be described with the following discharge function:
  • the exponent f(t) can be determined by rearranging the unloading function, resulting in:
  • auxiliary function S(t) is obtained by forming the time derivative of the exponent f(t).
  • a resolution of the detection of the voltage curve can be set with the time grid At.
  • the coil voltage II(t) is then correspondingly recorded at regular time intervals, the time pattern At.
  • the time grid At can be, for example, from 1 to 5 microseconds.
  • the voltage signal from the injector can thus be recorded with high resolution and stored in a control unit, for example.
  • Equation (4) the auxiliary function S(t) can be expressed as follows:
  • An (absolute) maximum extreme value of the auxiliary function S(t) corresponds to the closing time of the injector. Furthermore, the auxiliary function S(t) increases monotonically up to the maximum extreme value. The closing time can thus be determined by searching for extreme values in the function S(t).
  • the first time derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) is used to search for the extreme value, with the following relationship applying:
  • Equation (6) shows that the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) corresponds to the second derivative of the logarithmic voltage ratio.
  • the derivative S'(t) can also be approximated with a slope triangle:
  • moving average values for the detected coil voltage can be used. This means that the sliding mean values are formed for the recorded coil voltage measurement values and the evaluations mentioned above are based on the sliding mean values of the voltage values. With moving averages for smoothing time series or data series, new data point sets are created that include average values of subsets of the same size as the original data point sets. With the sliding averages, a voltage signal can be generated that is less noisy than the raw voltage signal detected by detection devices. This makes the evaluation and thus the method for determining the closing time more robust.
  • the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) can correspond to the second derivative of the logarithmic voltage ratio.
  • the first derivative of the auxiliary function can be approximated according to equation (7).
  • the injector closing time may be when the first derivative of the auxiliary function is equal to or less than zero.
  • the auxiliary function S(t) has the property that it is a monotonically increasing function up to the closing time. Therefore, to determine the closing time, a search can be made for an end (time) point of the slope of the curve of the auxiliary function. The end point can be determined particularly easily by evaluating the first derivative of the auxiliary function S'(t).
  • the closing time is when the first derivative of the auxiliary function is equal to or less than zero for the first time.
  • the logarithmic voltage ratio can be evaluated over the entire measurement period during the discharge process of the coil.
  • the auxiliary function can also be evaluated over the entire measurement period.
  • the measurement period may correspond to the period of discharge of the coil.
  • a second aspect of the invention relates to a computer program which comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to execute a method according to one of the preceding claims.
  • the computer program can be stored on an electrical storage medium.
  • a third aspect of the invention relates to a control unit that is set up to carry out one of the methods described above.
  • a fourth aspect of the invention relates to an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine can have the injector described above and can be controlled via the above control unit.
  • the internal combustion engine is set up and designed to carry out one of the methods described above.
  • a fifth aspect of the invention relates to a motor vehicle with the control device described above.
  • the motor vehicle is set up and designed to carry out one of the methods described above.
  • 1a, 1b schematically a solenoid valve injector
  • FIG. 2 shows schematic diagrams for a voltage curve in the coil and for a control current curve
  • FIG. 3 schematically shows the voltage profile in the coil after the activation current has been switched off and a profile of an auxiliary function
  • FIG. 6 schematically shows a motor vehicle with a control unit according to an embodiment.
  • FIG. 1a schematically shows an exemplary solenoid valve injector (injector) 100 in a closed valve position and FIG. 1b shows the injector 100 in an open valve position.
  • the injector 100 has a solenoid valve that includes a valve needle 5 and a valve seat 15 .
  • the injector 100 has an electromagnetic actuator for actuating the solenoid valve, which includes a coil 1 , an armature 11 and a biasing element 13 .
  • the solenoid valve is a normally closed valve. This means that when the coil 1 is not energized, the valve needle 5 is arranged on the valve seat 15 in such a way that an injection opening 17 is closed by the valve needle 5 .
  • the prestressing element 13 is designed to hold the solenoid valve in the closed position.
  • the prestressing element 13 applies a prestressing force to the valve needle, so that the valve needle 5 is moved in the direction of the valve seat 15 and thus in the closing direction.
  • the biasing element 13 is designed as a spring.
  • the valve needle 5 has a resting seat 7 and an armature stop 9 for the armature 11, between which the armature 11 can be moved.
  • the rest seat 7 and the armature stop 9 thus define an armature lift or an armature free travel for the armature 11 relative to the valve needle 5.
  • the injector 1 also has a lift stop 3 which limits a lift of the valve needle 5 (valve lift). In the closed valve position, the armature 11 sits on the rest seat 7 and in the open valve position, the armature 11 rests against the armature stop 9 and the stroke stop 3 .
  • the armature 11 can be moved from the rest seat 7 to the armature stop 9 by applying a drive current I to the coil 1 by magnetic force.
  • the armature 11 is held on the armature stop 9 by the magnetic force, so that the armature 11 entrains the valve needle 5 against the prestressing force of the prestressing element 13 and thus lifts the valve needle 5 out of the valve seat 15 until the armature 11 strikes the stroke stop 3.
  • the injection opening 17 is uncovered, so that fuel can be injected through the injection opening 17 into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Fig. 2 shows a coil voltage diagram 20 for a time profile of the coil voltage U at the coil 1 and a drive current diagram 30 for a time profile of the drive current I at the coil 1.
  • the diagrams 20, 30 show the time profiles very schematically , where time is plotted on the horizontal axis and voltage or drive current I is plotted on the vertical axis.
  • the control current diagram 30 shows the application of the control current I at the control time h for opening the solenoid valve.
  • the course over time has a steep edge immediately after the activation time ti, so that the activation current I reaches a value for a boost current 31 at the time t2 comparatively quickly.
  • the time between h and t2 is also called the boost phase.
  • the drive current is I maximum and the voltage U falls minimally into the negative range.
  • the solenoid valve is in an open valve position in which a valve lift of the solenoid valve is at its greatest.
  • a booster voltage 21 to reach the steep edge is additionally applied to the injector 100 during the boost phase, so that the drive current I rises faster than when a battery voltage is applied.
  • the booster voltage 21 can, for example, be generated in a control unit and stored in a booster voltage memory, e.g. B. a capacitor can be stored.
  • the drive current I is reduced to a pull-in current value 33 from pull-in time t 2 .
  • injector 100 is supplied with battery voltage.
  • the holding current phase in which the drive current I is reduced to a holding current 35, begins from the holding time ts.
  • a hysteresis 37 can be observed in the current curve during the holding current phase, which extends from the holding time ts to the switch-off time t4.
  • the control current I is switched off at the switch-off time t4 and thus reaches the value zero. Consequently, the voltage U falls to a turn-off voltage 25, which corresponds to a negative maximum value of the voltage U. It is known that in the discharge curve of the voltage II, which is present after the switch-off time t4, a turning point 27 in the discharge curve is indicative of a closing time of the injector 100.
  • FIG. 3 shows a diagram 40 in which the time profile of the voltage U across the coil 1 from the switch-off time t 4 is shown.
  • a curve S for an auxiliary function S(t) is shown, which can be used to evaluate the voltage curve U.
  • the discharge curve of the voltage U can be described with the following function: As is known, the closing time can be determined by determining the turning point 27 in the voltage curve U.
  • auxiliary function S(t) is used instead of the voltage signal.
  • the auxiliary function S(t) is as follows:
  • a maximum 41 of the auxiliary function S(t) corresponds to the inflection point 27 of the voltage curve U.
  • the point in time of the maximum 41 corresponds to the turning point of the voltage curve II. It is thus possible to deduce the closing point in time of the injector by searching for extreme values in the auxiliary function S(t).
  • the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) can be approximately determined with:
  • FIG. 4 shows a method 200 for determining the closing time of injector 100 according to a first embodiment, which uses equations (5) and (7) above.
  • the method can be carried out by a control device 70 .
  • Method 200 begins with switching off drive current I at switch-off time t4.
  • a point in time t (time variable) is set to the switch-off point in time t4. This corresponds to the start time of the procedure. Furthermore, in 201 the measured voltage values II(t) or the voltage curve U for the measurement period are retrieved. In some embodiments, the measurement period can extend from the switch-off time t4 to the end time ts, with the end time ts corresponding to the last detection time for the voltage II(t).
  • the voltage curve U for the measurement period is determined by recording the voltage values II(t) in a time grid (resolution) At using appropriate measurement technology. Furthermore, sliding mean values from the recorded voltage values can also be used for the voltage values II(t).
  • the value of the auxiliary function S(t) at time t is determined using equation (5).
  • the voltage values II(t) and U(t+At) can be recorded at the corresponding times t and t+At using appropriate measurement technology.
  • equation (7) the value of the derivative S'(t) at time t is determined using equation (7). Inserting equation (5) into equation (7) for the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) results in the following relationship:
  • the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) corresponds to the second derivative of the logarithmic voltage ratio.
  • the function values of the first derivative S'(t) are stored with the corresponding points in time, e.g. B. in the control unit 70.
  • the method 200 runs through a loop 210, comprising 202, 203, 204, 205 and 206.
  • the loop 210 the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) is determined iteratively over the entire measurement period.
  • the closing time t C T of the injector 100 is determined.
  • a first maximum of the auxiliary function S′(t) can be determined for this purpose. Accordingly, it is determined at which point in time the first derivative S′(t) of the auxiliary function S(t) is equal to or less than zero for the first time. This point in time corresponds to the closing point in time t C T of the injector 100.
  • a debouncing condition can also be checked, in which the first Derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) must be equal to or less than zero for a predetermined debounce period Ate.
  • the method for determining the closing time tcT can thus be made more robust. If the debouncing condition is not met, i.e. the first derivative S'(t) of the auxiliary function S(t) is shorter than the predetermined debouncing period Ate equal to or less than zero, a search is made for the next maximum in the auxiliary function S(t) that Debounce condition met.
  • the closing time tcT corresponds to the time at which the first derivative S′(t) of the auxiliary function S(t) is equal to or less than zero for the first time and (optionally) satisfies the debounce condition. This ends the evaluation of the auxiliary function S(t) when the closing time t C T has been determined. As a result, the method in control unit 70 can be carried out in a resource-efficient manner.
  • the closing time t C T can be determined in 207 by searching for the global maximum of the auxiliary function S(t).
  • the corresponding point in time of the global maximum of the auxiliary function S(t) corresponds to the closing point in time tc-r.
  • the extreme value search is also based on the evaluation of the first derivation of the auxiliary function S'(t), with the evaluation taking place over the entire measurement period. This approach enables the closing time tci- to be determined in a comparatively robust manner, since the auxiliary function S′(t) is evaluated over the entire measurement period.
  • FIG. 5 shows a method 300 for determining the closing time of injector 100 according to a second specific embodiment, which uses equations (5) and (7) above.
  • the method can be carried out by the control device 70 .
  • Method 300 begins with switching off drive current I at switch-off time t4.
  • method 300 In method 300, 301, 302, and 303 are performed the same as 201, 202, and 203 of method 200.
  • the method proceeds to 305 .
  • the point in time t is incremented to the next measurement point in time t+At.
  • the method 300 traverses a loop 310 comprising 302, 303, 304 and 305.
  • the loop 310 is used to determine at which point in time t the first derivative of the auxiliary function S'(t) becomes equal to or smaller than zero for the first time.
  • the closing time tcT is set to the time t.
  • the closing time t C T is the time when the first derivative of the auxiliary function S'(t) is equal to or less than zero for the first time.
  • a plausibility point in time t 7 is retrieved.
  • the plausibility time t 7 indicates the latest possible plausible closing time at which the injector 100 may be closed.
  • the plausibility time t 7 depends on the design of the injector 100 and can therefore be, for example, from 1200 to 1800 microseconds after the activation time h.
  • the plausibility time t 7 is shown as an example in FIG. 3 at 1500 microseconds after the activation time ti.
  • the period of time between the closing time tcT (set in 306) and the plausibility time t 7 can form the debounce time Ate.
  • FIG. 6 schematically shows an exemplary control unit 70 that is set up to execute the methods/models described above.
  • the control unit 70 is arranged in a motor vehicle 80, shown schematically, and can control an internal combustion engine 79, shown schematically.
  • the control unit 70 includes a processor 72, a memory (electronic storage medium) 74 and an interface 78.
  • software (computer program) 76 is also stored in the memory 74, which is designed to carry out the procedure described above.
  • the processor 72 is configured to execute software 76 program instructions.
  • the interface 78 is also designed to receive and transmit data. For example, it can be an interface to a CAN bus of motor vehicle 80, via which control unit 70 receives signals and transmits control commands.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil, Computerprogramm, Steuergerät, Verbrennungskraftmaschine und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil sowie ein Computerprogramm, ein Steuergerät, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Kraftfahrzeug.
In Verbrennungskraftmaschinen werden Injektoren verwendet, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen. Dabei steuert ein Motorsteuergerät das in den Injektoren integrierte Schaltventil, wodurch eine Einspritzdüse öffnet und wieder schließt. Über eine Öffnungsdauer des Schaltventils kann die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt werden.
Bei einer elektrischen Ansteuerung von Magnetventilinjektoren kann es dazu kommen, dass ein Öffnen und Schließen dieser Ventile nur verzögert stattfindet. Der Verzug der einzelnen Injektoren unterliegt Toleranzen mit der Folge, dass die Injektoren unterschiedliche Öffnungsdauern bei gleichen Ansteuerdauern aufweisen. Daraus resultiert eine unerwünschte Ungleichverteilung der Kraftstoffmasse.
Es ist bekannt, ein (Roh-)Spannungssignal bei der Ansteuerung eines Injektors auszuwerten, um dessen Schließzeitpunkt zu bestimmen. Hierbei kann man durch die Konstruktion der Injektoren eine Art Wendepunkt beobachten, der zeitlich mit dem Schließen des Injektors zusammenfällt. Daher kann die erste oder zweite Ableitung des Spannungssignals betrachtet werden, um den Wendepunkt im Spannungssignal zu identifizieren. Da die zweite Ableitung verwendet wird, ist das Signal-Rausch-Verhältnis sehr klein. Deshalb muss entweder stark gefiltert werden oder eine gute Messtechnik verwendet werden, um ein möglichst rauschfreies Signal zu erhalten.
In einem alternativen Ansatz kann das Spannungssignal integriert werden, bis es einen Schwellwert erreicht. Wenn der Schwellschwert erreicht wird, entspricht dies dem Schließzeitpunkt des Injektors.
Die DE 102009 032 521 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen eines Schließzeitpunktes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils. Dabei wird ein Stromfluss durch eine Spule des Spulenantriebs abgeschaltet, so dass die Spule stromlos ist und ein zeitlicher Verlauf einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung erfasst wird. Dabei wird die induzierte Spannung durch abklingende Wirbelströme in einem Magnetkreis des Spulenantriebs und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zu der Spule erzeugt. Ferner wird der erfasste zeitliche Verlauf der induzierten Spannung ausgewertet und der Schließzeitpunkt basierend auf dem ausgewerteten zeitlichen Verlauf bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil, ein verbessertes Computerprogramm, ein verbessertes Steuergerät, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 , das Computerprogramm nach Anspruch 12, das Steuergerät nach Anspruch 13, die Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14 und das Kraftfahrzeug nach Anspruch 15 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts eines Magnetventils eines Injektors. Der Schließzeitpunkt wird durch Auswerten eines logarithmischen Spannungsverhältnisses zwischen einer Spulenspannung und einem Bezugswert für die Spulenspannung ermittelt. Die Spulenspannung ist diejenige, die an einer Spule des Magnetventils anliegt.
Der Injektor mit dem Magnetventil (Magnetventilinjektor) wird zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine verwendet. Dabei wird der Injektor elektromagnetisch betätigt. Dazu weist der Injektor eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf, so dass die Spule als Elektromagnet verwendet werden kann. In einem Ruhezustand des Magnetventils, in dem die Spule nicht bestromt ist und somit kein Magnetfeld vorliegt, wird die Ventilnadel durch ein Vorspannelement, bspw. eine Feder, in einen Ventilsitz gedrückt und somit eine Ventilöffnung geschlossen. Dadurch wird das Magnetventil in einer geschlossenen (Ventil-)Stellung gedrängt bzw. gehalten. Zum Öffnen des Magnetventils kann ein Strom (Ansteuerstrom) an die Spule angelegt werden, wodurch das Magnetfeld erzeugt wird. Während dieser Öffnungsphase übersteigt die magnetische Kraft eine Vorspannkraft des Vorspannelements. Somit kann während der Öffnungsphase ein die Ventilnadel mitführender (Magnet-)Anker durch die magnetische Kraft gegen eine Richtung der Vorspannkraft bewegt werden. Dadurch wird die Ventilnadel aus dem Ventilsitz gehoben, die Ventilöffnung freigegeben und somit das Magnetventil geöffnet. Zum Schließen des Magnetventils wird der an der Spule anliegende Strom abgeschaltet, so dass kein Magnetfeld mehr vorliegt. Dadurch wird die Ventilnadel durch das Vorspannelement wieder in den Ventilsitz gedrückt und die Ventilöffnung versperrt, so dass sich das Magnetventil wieder in seiner geschlossenen Ventilstellung befindet.
Der Schließzeitpunkt des Injektors ist derjenige, an dem die Ventilnadel nach dem Abschalten des Ansteuerstroms wieder in dem Ventilsitz angeordnet ist und die Ventilöffnung versperrt, so dass kein Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist.
Die Spulenspannung nach dem Abschalten des Ansteuerstroms entspricht einer in der Spule induzierten Spannung, die u.a. durch einen Abbau des Magnetfeldes und durch eine Bewegung des Magnetankers relativ zur Spule erzeugt wird. Die Spulenspannung kann durch entsprechende Messtechnik erfasst werden. Dabei kann bspw. das Spannungsrohsignal erfasst werden.
Der Bezugswert ist ebenfalls ein Spannungswert. In manchen Ausführungsformen ist der Bezugswert der Spannungswert zum Messstartzeitpunkt innerhalb einer Abschaltphase der Spule. Die Abschaltphase beginnt nach dem Abschalten des Ansteuerstroms. Anders ausgedrückt, der Bezugswert ist der Spannungswert zum Abschaltzeitpunkt. Der Abschaltzeitpunkt ist derjenige, an dem der Ansteuerstrom abgeschaltet wird.
Mit dem „logarithmischen Spannungsverhältnis zwischen der Spulenspannung und dem Bezugswert“ ist der Logarithmus des Quotienten aus der Spulenspannung geteilt durch den Bezugswert gemeint. In manchen Ausführungsformen kann der natürliche Logarithmus verwendet werden.
Indem das logarithmische Spannungsverhältnis anstatt eines Spulenspannungssignals verwendet wird, kann ein Signal-Rausch-Verhältnis für die Auswertung der Spulenspannung verbessert werden. Somit ist der Wendepunkt in dem Verlauf des logarithmischen Spannungsverhältnisses während des Entladevorgangs besser erkennbar. Ferner wird durch die Verwendung des Logarithmus eine robuste Auswertung der Spulenspannung ermöglicht, die mit vergleichsweise geringer Rechenleistung durchführbar ist. ln manchen Ausführungsformen kann eine Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts ausgewertet werden. Dabei ist mit Ableitung die zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses gemeint.
In weiteren Ausführungsformen kann eine zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts ausgewertet werden. Hier ist mit zweiter Ableitung die zweite zeitliche Ableitung des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses gemeint. Mithilfe der zweiten Ableitung kann das Krümmungsverhalten des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses besonders einfach ausgewertet werden. Dadurch kann nun ein Wendepunkt bzw. ein Zeitpunkt des Wendepunkts in dem zeitlichen Spannungsverlauf ermittelbar sein, der dem Schließzeitpunkt des Injektors entspricht.
So kann in manchen Ausführungsformen der Schließpunktzeitpunkt vorliegen, wenn die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum ersten Mal Null wird. Es hat sich herausgestellt, dass wenn die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses gleich null ist, auch der Wendepunkt in dem Spannungsverlauf vorliegt. Somit kann durch Kurvendiskussion des zeitlichen Verlaufs des logarithmischen Spannungsverhältnisses der Wendepunkt des Spannungsverlaufs besonders einfach und rechnerisch ermittelt werden.
Ferner kann das Verfahren in manchen Ausführungsformen auch folgendes umfassen: Feststellen, dass der Schließzeitpunkt vorliegt, wenn die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses nach dem Erreichen des Werts Null für eine vorbestimmte Zeit (Entprellzeitdauer) kleiner als Null bleibt. Dabei kann die vorbestimmte Zeit von 10 bis zu 50 Mikrosekunden (ps) betragen. Die vorbestimmte Zeit als Entprellzeitdauer kann dabei abhängig von einem Zeitraster (Messraster) der Erfassung des Spannungsrohsignals sein. So kann in manchen Beispielen die Entprellzeitdauer größer als das Zeitraster sein.
Mit „Erreichen des Werts Null“ ist jeder Zeitpunkt gemeint, an dem die zweite Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses gleich Null ist. Um das Ermitteln des Schließzeitpunkts basierend auf der Auswertung der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses robuster zu gestalten, wird der Schließzeitpunkt festgestellt bzw. als solcher erkannt, wenn nach dem Erkennen eines solchen Nullpunkts die zweite Ableitung zumindest für die vorbestimmte Zeit kleiner als Null bleibt. Damit kann sichergestellt werden, dass nicht ein durch Messungenauigkeiten entstehendes Rauschen in dem zeitlichen Verlauf des logarithmischen Spannungsverhältnisses fälschlicherweise als Schließpunkt erkannt wird.
Wie bereits oben beschrieben, kann in manchen Ausführungsformen der Bezugswert der an der Spule anliegenden Spannung zu dem Messstartzeitpunkt bzw. Abschaltzeitpunkt sein.
In weiteren Ausführungsformen kann die Auswertung der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses mithilfe einer Hilfsfunktion durchgeführt werden. Dabei kann ein Extrempunkt der Hilfsfunktion dem Schließzeitpunkt des Injektors entsprechen. Dabei lautet die Hilfsfunktion wie folgt: mit ll(t) = Spulenspannung zum Zeitpunkt t
Uo = Bezugswert /Spulenspannung zum Messtartzeitpunkt bzw. Abschaltzeitpunkt
Die Herleitung der Hilfsfunktion für das Ermitteln bzw. Berechnen zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses wird im Folgenden beschrieben.
Die Spannungsentladekurve der Spule (des Injektors) nach dem Abschalten des Ansteuerstroms kann mit folgender Entladefunktion beschrieben werden:
Der Exponent f(t) kann durch Umstellen der Entladefunktion bestimmt werden, so dass sich ergibt:
Durch das Bilden der zeitlichen Ableitung des Exponenten f(t) erhält man die obige Hilfsfunktion S(t). Dabei kann die erste zeitliche Ableitung ll’(t) der Entladefunktion mit einem Steigungsdreieck wie folgt approximiert werden: mit t = Zeitpunkt / Zeitvariable
At = Zeitraster ll(t) = Spulenspannung zum Zeitpunkt t
U(t+At) = Spulenspannung zum Zeitpunkt t+At
Dabei kann mit dem Zeitraster At eine Auflösung der Erfassung des Spannungsverlaufs eingestellt werden. Die Spulenspannung ll(t) wird dann entsprechend in regelmäßigen Zeitabständen, dem Zeitraster At, erfasst. Das Zeitraster At kann bspw. von 1 bis zu 5 Mikrosekunden groß sein. Somit kann das Spannungssignal des Injektors hochaufgelöst aufgezeichnet und bspw. in einem Steuergerät abgelegt werden.
Setzt man nun Gleichung (4) in Gleichung (1) ein, lässt sich die Hilfsfunktion S(t) wie folgt ausdrücken:
Dabei entspricht ein (absoluter) maximaler Extremwert der Hilfsfunktion S(t) dem Schließzeitpunkt des Injektors. Ferner ist die Hilfsfunktion S(t) bis zum maximalen Extremwert monoton steigend. Somit kann man durch eine Extremwertsuche in der Funktion S(t) den Schließzeitpunkt ermittelt. Zur Extremwertsuche wird die erste zeitliche Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) verwendet, wobei folgender Zusammenhang gilt:
Gleichung (6) zeigt, dass die erste Ableitung S’(t) der Hilfsfunktion S(t) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses entspricht. Die Ableitung S‘(t) kann ebenfalls mit einem Steigungsdreieck approximiert werden:
In anderen Ausführungsformen können gleitende Mittelwerte für die erfasste Spulenspannung verwendet werden. Damit ist gemeint, dass die gleitende Mittelwerte für die erfassten Spulenspannungsmesswerte gebildet werden und die oben erwähnten Auswertungen basierend auf den gleitenden Mittelwerten der Spannungswerte erfolgen. Bei gleitenden Mittelwerten zum Glätten von Zeit- bzw. Datenreihen werden neue Datenpunktmengen erstellt, die Mittelwerte gleich großer Untermengen der ursprünglichen Datenpunktmengen umfassen. Mit den gleitenden Mittelwerten kann ein Spannungssignal erzeugt werden, das weniger verrauscht ist als das von Erfassungseinrichtungen erfasste Spannungsrohsignal. Dadurch wird die Auswertung und somit das Verfahren zum Ermitteln des Schließzeitpunkts robuster.
In manchen Ausführungsformen kann, wie oben zu Gleichung (6) bereits erwähnt, die erste Ableitung S’(t) der Hilfsfunktion S(t) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses entsprechen.
In anderen Ausführungsformen kann die erste Ableitung der Hilfsfunktion gemäß Gleichung (7) approximiert bzw. angenähert werden.
In manchen Ausführungsformen kann der Schließzeitpunkt des Injektors vorliegen, wenn die erste Ableitung der Hilfsfunktion gleich oder kleiner als Null ist. Die Hilfsfunktion S(t) hat die Eigenschaft, dass sie bis zum Schließzeitpunkt eine monoton steigende Funktion ist. Daher kann zum Ermitteln des Schließzeitpunkts nach einem End(zeit)punkt der Steigung der Kurve der Hilfsfunktion gesucht werden. Durch Auswerten der ersten Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t) kann der Endpunkt besonders einfach ermittelt werden. In manchen Ausführungsformen liegt der Schließzeitpunkt dann vor, wenn die erste Ableitung der Hilfsfunktion erstmalig gleich oder kleiner als Null wird.
In weiteren Ausführungsformen kann das Auswerten des logarithmischen Spannungsverhältnisses über den gesamten Messzeitraum während des Entladevorgangs der Spule erfolgen. Dadurch kann auch die Hilfsfunktion über den gesamten Messzeitraum ausgewertet werden. In manchen Ausführungsformen kann der Messzeitraum dem Zeitraum der Entladung der Spule entsprechen. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen. Das Computerprogramm kann auf einem elektrischen Speichermedium abgespeichert sein.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, das eingerichtet ist, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine kann den oben beschriebenen Injektor aufweisen und kann über das obige Steuergerät gesteuert werden. Die Verbrennungskraftmaschine ist eingerichtet und ausgebildet, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit dem oben beschriebenen Steuergerät. Das Kraftfahrzeug ist eingerichtet und ausgebildet, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1a, 1b schematisch einen Magnetventilinjektor;
Fig. 2 schematisch Diagramme für einen Spannungsverlauf in der Spule sowie für Verlauf eines Ansteuerstrom;
Fig. 3 schematisch den Spannungsverlauf in der Spule nach dem Abschalten des Ansteuerstroms sowie einen Verlauf einer Hilfsfunktion;
Fig. 4 ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 5 ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
Fig. 6 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 1a zeigt schematisch einen beispielhaften Magnetventilinjektor (Injektor) 100 in einer geschlossenen Ventilstellung und Fig. 1b zeigt den Injektor 100 in einer geöffneten Ventilstellung. Der Injektor 100 weist ein Magnetventil auf, das eine Ventilnadel 5 und einen Ventilsitz 15 umfasst. Der Injektor 100 weist einen elektromagnetischen Aktor zum Betätigen des Magnetventils auf, der eine Spule 1 , einen Anker 11 und ein Vorspannelement 13 umfasst. Das Magnetventil ist ein normalerweise geschlossenes Ventil. Das heißt, dass in einem unbestromten Zustand der Spule 1 die Ventilnadel 5 derart an dem Ventilsitz 15 angeordnet ist, dass eine Einspritzöffnung 17 durch die Ventilnadel 5 geschlossen ist.
Dabei ist das Vorspannelement 13 dazu ausgebildet, das Magnetventil in der geschlossenen Stellung zu halten. Dafür beaufschlagt das Vorspannelement 13 die Ventilnadel mit einer Vorspannkraft, so dass die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 15 und somit in Schließrichtung bewegt wird. In dem gezeigten Beispiel ist das Vorspannelement 13 als Feder ausgebildet.
Die Ventilnadel 5 weist einen Ruhesitz 7 sowie einen Ankeranschlag 9 für den Anker 11 auf, zwischen denen der Anker 11 bewegbar ist. Der Ruhesitz 7 und der Ankeranschlag 9 definieren also einen Ankerhub oder einen Ankerfreiweg für den Anker 11 relativ zur Ventilnadel 5. Ferner weist der Injektor 1 einen Hubanschlag 3 auf, der einen Hub der Ventilnadel 5 (Ventilhub) begrenzt. In der geschlossenen Ventilstellung sitzt der Anker 11 auf dem Ruhesitz 7 und in der geöffneten Ventilstellung liegt der Anker 11 an dem Ankeranschlag 9 sowie dem Hubanschlag 3 an. Der Anker 11 kann durch Anlegen eines Ansteuerstroms I an der Spule 1 durch magnetische Kraft von dem Ruhesitz 7 zum Ankeranschlag 9 bewegt werden. Durch die magnetische Kraft wird der Anker 11 an dem Ankeranschlag 9 gehalten, so dass der Anker 11 die Ventilnadel 5 entgegen der Vorspannkraft des Vorspannelements 13 mitführt und somit die Ventilnadel 5 aus dem Ventilsitz 15 hebt bis der Anker 11 an dem Hubanschlag 3 anschlägt. Dadurch wird die Einspritzöffnung 17 freigelegt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzöffnung 17 in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Spulenspannung-Diagramm 20 für einen zeitlichen Verlauf der Spulenspannung U an der Spule 1 und ein Ansteuerstrom-Diagramm 30 für einen zeitlichen Verlauf des Ansteuerstroms I an der Spule 1. Die Diagramme 20, 30 stellen die zeitlichen Verläufe sehr schematisch dar, wobei die Zeit auf der horizontalen Achse und die Spannung bzw. der Ansteuerstrom I auf der vertikalen Achse aufgetragen sind.
Dabei zeigt das Ansteuerstrom-Diagramm 30 ein Anlegen des Ansteuerstrom I zum Ansteuerzeitpunkt h zum Öffnen des Magnetventils. Dabei weist der zeitliche Verlauf unmittelbar nach dem Ansteuerzeitpunkt ti eine steile Flanke auf, so dass der Ansteuerstrom I vergleichsweise schnell einen Wert für einen Booststrom 31 zum Zeitpunkt t2 erreicht. Die Zeit zwischen h und t2 wird auch Boostphase genannt. Zum Zeitpunkt t2 ist der Ansteuerstrom I maximal und die Spannung U fällt minimal in den negativen Bereich. Ferner befindet sich das Magnetventil zum Zeitpunkt t2 in einer geöffneten Ventilstellung, in der ein Ventilhub des Magnetventils am größten ist.
Während der Boostphase lässt sich nach einem initialen steilen Anstieg eine Abflachung der Steigung des Ansteuerstroms I erkennen. Dies resultiert aus dem Aufprallen des Ankers 9 auf der Ventilnadel 5, so dass die Ventilnadel 6 aus dem Ventilsitz 15 gehoben wird und sich das Magnetventil öffnet. Eine Boosterspannung 21 zum Erreichen der steilen Flanke wird zusätzlich während der Boostphase an dem Injektor 100 angelegt, so dass der Ansteuerstrom I schneller ansteigt als beim Anlegen einer Batteriespannung. Die Boosterspannung 21 kann bspw. in einem Steuergerät erzeugt und in einem Boosterspannungsspeicher, z. B. ein Kondensator, gespeichert werden.
Nach der Boostphase wird der Ansteuerstrom I ab dem Anzugzeitpunkt t2 auf einen Anzugstromwert 33 reduziert. In der Anzugstromphase, die sich vom Zeitpunkt t2 bis zum Haltezeitpunkt ts erstreckt, wird der Injektor 100 mit der Batteriespannung versorgt. Ab dem Haltezeitpunkt ts beginnt die Haltestromphase, in der Ansteuerstrom I auf einen Haltestrom 35 abgesenkt wird. In dem gezeigten Beispiel kann während der Haltestromphase, die sich vom Haltezeitpunkt ts bis zum Abschaltzeitpunkt t4 erstreckt, eine Hysterese 37 in dem Stromverlauf beobachtet werden.
Der Ansteuerstrom I wird zum Abschaltzeitpunkt t4 abgeschaltet und erreicht somit den Wert Null. Folglich fällt die Spannung U auf eine Abschaltspannung 25, die einem negativen Maximalwert der Spannung U entspricht. Es ist bekannt, dass in der Entladungskurve der Spannung II, die nach dem Abschaltzeitpunkt t4 vorliegt, ein Wendepunkt 27 in der Entladungskurve indikativ für einen Schließzeitpunkt des Injektors 100 ist.
Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm 40, in dem der zeitliche Verlauf der Spannung U an der Spule 1 ab dem Abschaltzeitpunkt t4 dargestellt. Zusätzlich ist eine Kurve S für eine Hilfsfunktion S(t) dargestellt, mit deren Hilfe man den Spannungsverlauf U auswerten kann.
Die Entladekurve der Spannung U kann mit folgender Funktion beschrieben werden: Bekannterweise kann durch ein Bestimmen des Wendepunkts 27 in der Spannungskurve U der Schließzeitpunkt bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein alternatives Vorgehen vorgeschlagen. Dabei wird statt dem Spannungssignal eine Hilfsfunktion S(t) verwendet. Die Hilfsfunktion S(t) lautet wie folgt:
Dabei hat sich aus Messversuchen ergeben, dass ein Maximum 41 der Hilfsfunktion S(t) dem Wendepunkt 27 der Spannungskurve U entspricht. Anders ausgedrückt, der Zeitpunkt des Maximums 41 entspricht dem Wendepunkt der Spannungskurve II. Somit kann durch eine Extremwertsuche in der Hilfsfunktion S(t) auf den Schließzeitpunkt des Injektors geschlossen werden. Für die Extremwertsuche kann dabei die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) näherungsweise bestimmt werden mit:
Die Fig. 4 zeigt ein Verfahren 200 zum Ermitteln des Schließzeitpunkts des Injektors 100 gemäß einer ersten Ausführungsform, das die obigen Gleichungen (5) und (7) verwendet. Das Verfahren kann von einem Steuergerät 70 durchgeführt werden.
Das Verfahren 200 beginnt mit dem Abschalten des Ansteuerstroms I zum Abschaltzeitpunkt t4.
In 201 wird ein Zeitpunkt t (Zeitvariable) auf den Abschaltzeitpunkt t4 gesetzt. Das entspricht dem Startzeitpunkt des Verfahrens. Ferner werden in 201 die Spannungsmesswerte ll(t) bzw. die Spannungskurve U für den Messzeitraum abgerufen. In manchen Ausführungsformen kann sich der Messzeitraum vom Abschaltzeitpunkt t4 bis zum Endzeitpunkt ts erstrecken, wobei der Endzeitpunkt ts dem letzten Erfassungszeitpunkt für die Spannung ll(t) entspricht. Die Spannungskurve U für den Messzeitraum wird ermittelt, indem die Spannungswerte ll(t) in einem Zeitraster(Auflösung) At durch entsprechende Messtechnik erfasst werden. Ferner können für die Spannungswerte ll(t) auch gleitende Mittelwerte aus den erfassten Spannungswerten verwendet werden. In 202 wird der Wert der Hilfsfunktion S(t) zum Zeitpunkt t mit der Gleichung (5) ermittelt. Wie oben erwähnt sind die Spannungswerte ll(t) und U(t+At) zu den entsprechenden Zeitpunkten t und t+At durch entsprechende Messtechnik erfassbar.
In 203 wird der Wert der Ableitung S‘(t) zum Zeitpunkt t mit der Gleichung (7) ermittelt. Dabei ergibt sich durch Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (7) für die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) folgender Zusammenhang:
Wie aus Gleichung (6) ersichtlich, entspricht die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses.
In 204 werden die Funktionswerte der ersten Ableitung S‘(t) mit den entsprechenden Zeitpunkten hinterlegt, z. B. in dem Steuergerät 70.
In 205 wird abgefragt, ob noch weitere Messpunkte für den Spannungsverlauf vorliegen. Dies kann bspw. dadurch realisiert werden, indem geprüft wird, ob der Zeitpunkt t, optional plus die vorbestimmte Zeitdauer At, vor dem Endzeitpunkt tE liegt.
Ergibt die Abfrage aus 205, dass noch weitere Messpunkte vorliegen, geht das Verfahren zu 206, in dem der Zeitpunkt t auf den nächsten Messzeitpunkt t+At inkrementiert wird, so dass gilt: t = t + At (9)
Nach 206 durchläuft das Verfahren 200 eine Schleife 210, umfassend 202, 203, 204, 205 und 206. Mit der Schleife 210 wird die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) über den gesamten Messzeitraum iterativ ermittelt.
In 207 wird der Schließzeitpunkt tCT des Injektors 100 ermittelt. In einer Ausführungsform kann dazu ein erstes Maximum der Hilfsfunktion S‘(t) ermittelt werden. Demnach wird ermittelt, zu welchem Zeitpunkt die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null ist. Dieser Zeitpunkt entspricht dem Schließzeitpunkt tCT des Injektors 100. Optional kann zusätzlich kann eine Entprellbedingung geprüft werden, bei der die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) für eine vorbestimmte Entprellzeitdauer Ate gleich oder kleiner als Null sein muss. Durch die Entprellbedingung können Fehler aufgrund von Messungenauigkeiten und/oder Rauschen vermindert und somit das Verfahren zum Ermitteln des Schließzeitpunkts tcT robuster gestaltet werden. Wenn die Entprellbedingung nicht erfüllt wird, also die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) kürzer als die vorbestimmte Entprellzeitdauer Ate gleich oder kleiner Null ist, wird nach dem nächsten Maximum in der Hilfsfunktion S(t) gesucht, der die Entprellbedingung erfüllt. Somit entspricht der Schließzeitpunkt tcT dem Zeitpunkt, an dem die erste Ableitung S‘(t) der Hilfsfunktion S(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null ist und (optional) die Entprellbedingung erfüllt. Damit wird die Auswertung der Hilfsfunktion S(t) beendet, wenn der Schließzeitpunkt tCT ermittelt worden ist. Dadurch kann das Verfahren in dem Steuergerät 70 ressourceneffizient durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsformen kann in 207 der Schließzeitpunkt tCT ermittelt werden, indem nach dem globalen Maximum der Hilfsfunktion S(t) gesucht wird. Der entsprechende Zeitpunkt des globalen Maximums der Hilfsunktion S(t) entspricht dem Schließzeitpunkt tc-r. Die Extremwertsuche basiert ebenfalls auf der Auswertung der ersten Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t), wobei die Auswertung über den gesamte Messzeitraum erfolgt. Dieser Ansatz ermöglicht ein vergleichsweise robustes Ermitteln des Schließzeitpunkts tci-, da die Hilfsfunktion S‘(t) über den gesamtem Messzeitraum ausgewertet wird.
Die Fig. 5 zeigt ein Verfahren 300 zum Ermitteln des Schließzeitpunkts des Injektors 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform, das die obigen Gleichungen (5) und (7) verwendet. Das Verfahren kann von dem Steuergerät 70 durchgeführt werden.
Das Verfahren 300 beginnt mit dem Abschalten des Ansteuerstroms I zum Abschaltzeitpunkt t4.
In dem Verfahren 300 wird 301 , 302 und 303 das gleiche ausgeführt wie 201 , 202 und 203 aus dem Verfahren 200.
In 304 wird geprüft, ob die erste Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t) kleiner oder gleich Null zum Zeitpunkt t ist.
Falls aus 304 hervorgeht, dass die erste Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t) nicht kleiner oder gleich Null zum Zeitpunkt t ist, geht das Verfahren zu 305 weiter. Wie in 206 aus dem Verfahren 200, wird in 305 der Zeitpunkt t auf den nächsten Messzeitpunkt t+At inkrementiert. Nach 305 durchläuft das Verfahren 300 eine Schleife 310, umfassend 302, 303, 304 und 305.
Mit der Schleife 310 wird ermittelt, zu welchem Zeitpunkt t die erste Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null wird.
Falls aus 304 hervorgeht, dass die erste Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t) kleiner oder gleich Null zum Zeitpunkt t ist, geht das Verfahren 300 weiter zu 306.
In 306 wird der Schließzeitpunkt tcT auf den Zeitpunkt t gesetzt. Anders ausgedrückt, der Schließzeitpunkt tCT ist der Zeitpunkt, zu dem die erste Ableitung der Hilfsfunktion S‘(t) zum ersten Mal gleich oder kleiner als Null ist.
In 307 wird ein Plausibilitätszeitpunkt t7 abgerufen. Der Plausibilitätszeitpunkt t7 gibt einen spätestmöglichen plausiblen Schließzeitpunkt an, zu dem ein Schließen des Injektors 100 erfolgen darf. Der Plausibilitätszeitpunkt t7 ist von der Bauart des Injektors 100 abhängig und kann daher bspw. von 1200 bis zu 1800 Mikrosekunden nach dem Ansteuerzeitpunkt h liegen. Der Plausibilitätszeitpunkt t7 ist beispielhaft in Fig. 3 bei 1500 Mikrosekunden nach dem Ansteuerzeitpunkt ti eingezeichnet. In manchen Ausführungsformen kann die Zeitspanne von dem (in 306 gesetzten) Schließzeitpunkt tcT und dem Plausibilitätszeitpunkt t7 die Entprellzeitdauer Ate bilden.
In 308 wird ermittelt, ob zwischen dem (aus 306 gesetzten) Schließzeitpunkt tcT und dem Plausibilitätszeitpunkt t7 ein weiteres Maximum in der Hilfsfunktion S(t) vorliegt, das größer ist als das Maximum der Hilfsfunktion S(t) zum Schließzeitpunkt tc-r. Falls (wie in Fig. 3 dargestellt), kein größeres Maximum zwischen dem Schließzeitpunkt tcT und dem Plausibilitätszeitpunkt t7 in der Hilfsfunktion S(t) vorliegt, so wird in 308 der Schließzeitpunkt tcT als endgültiger Schließzeitpunkt tcT festgestellt bzw. bestimmt. Falls jedoch ein größeres Maximum vorliegt, wird der Zeitpunkt t mit dem größere Maximum als der endgültige Schließzeitpunkt tCT festgestellt bzw. bestimmt.
Fig. 6 zeigt schematisch ein beispielhaftes Steuergerät 70, das eingerichtet ist, die oben beschriebenen Verfahren/Modelle auszuführen. Das Steuergerät 70 ist in einem schematisch dargestellten Kraftfahrzeug 80 angeordnet und kann eine schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine 79 steuern. Das Steuergerät 70 umfasst einen Prozessor 72, einen Speicher (elektronisches Speichermedium) 74 und eine Schnittstelle 78. Ferner ist in dem Speicher 74 auch eine Software (Computerprogramm) 76 hinterlegt, die dazu ausgelegt ist, die oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Der Prozessor 72 ist dazu ausgelegt, Programminstruktionen der Software 76 auszuführen. Die Schnittstelle 78 ist ferner dazu ausgelegt, Daten zu empfangen und auszusenden. Es kann sich bspw. um eine Schnittstelle zu einem CAN-Bus des Kraftfahrzeugs 80 handeln, über den das Steuergerät 70 Signale empfängt und Steuerbefehle aussendet.
Bezugszeichenhste
Spule
Hubanschlag
Ventilnadel
Ruhesitz
Ankeranschlag
Anker
Vorspannelement
Ventilsitz
Einspritzöffnung
Spulenspannung-Diagramm
Boosterspannung
Batteriespannung
Abschaltspannung
Wendepunkt
Ansteuerstrom-Diagramm
Booststrom
Anzugstrom
Haltestrom
Hysterese
Diagramm für Entladespannung und Hilfsfunktion
Maximum der Hilfsfunktion
Schleife
Steuergerät
Prozessor
Speicher (elektronisches Speichermedium)
Schnittstelle
Schnittstelle
Verbrennungskraftmaschine
Kraftfahrzeug
Injektor
Verfahren
Setzen des Zeitpunkts/der Zeitvariable und Abrufen der Spannungsmesswerte
Ermitteln der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
Ermitteln der ersten Ableitung der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t 204 Hinterlegen der Funktionswerte der ersten Ableitung
205 Abfrage für weitere Messpunkte
206 Inkrementieren des Zeitpunkts t auf nächsten Messzeitpunkt
207 Ermitteln des Schließzeitpunkts
210 Schleife
300 Verfahren
301 Setzen des Zeitpunkts/der Zeitvariable und Abrufen der Spannungsmesswerte
302 Ermitteln der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
303 Ermitteln der ersten Ableitung der Hilfsfunktion zum Zeitpunkt t
304 Abfrage, ob erste Ableitung der Hilfsfunktion gleich oder kleiner als Null
305 Inkrementieren des Zeitpunkts t auf nächsten Messzeitpunkt
306 Setzen des Schließzeitpunkts
307 Abrufen des Plausibilitätszeitpunkts
309 Feststellen bzw. Bestimmen des Schließzeitpunkts
I Ansteuerstrom
S Hilfsfunktion
At Zeitraster/vorbestimmte Zeitdauer
Ate Entprellzeitdauer h Ansteuerzeitpunkt t2 Zeitpunkt t3 Haltezeitpunkt Abschaltzeitpunkt t5 Endzeitpunkt der Spannungserfassung tcT Schließzeitpunkt t? Plausibilitätszeitpunkt
U Spulenspannung

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Ermitteln eines Schließzeitpunkts (ter) eines Magnetventils eines Injektors (100), wobei der Schließzeitpunkt (ter) durch Auswerten eines logarithmischen Spannungsverhältnisses zwischen einer Spulenspannung und einem Bezugswert für die Spulenspannung ermittelt wird, wobei die Spulenspannung (II) eine an einer Spule (1) des Magnetventils anliegende Spannung ist. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine Ableitung (S‘(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts (tc-r) ausgewertet wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine zweite Ableitung (S‘(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum Ermitteln des Schließzeitpunkts (tc-r) ausgewertet wird. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schließpunktzeitpunkt (ter) vorliegt, wenn die zweite Ableitung (S‘(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses zum ersten Mal Null wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend:
Feststellen, dass der Schließzeitpunkt (ter) vorliegt, wenn die zweite Ableitung (S‘(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses nach dem Erreichen des Werts Null für eine vorbestimmte Zeit (Ate) kleiner als Null bleibt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Bezugswert (Uo) eine an der Spule anliegenden Spannung zu einem Messstartzeitpunkt (t4) ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, die Auswertung der zweiten Ableitung (S‘(t)) des logarithmischen Spannungsverhältnisses mithilfe einer Hilfsfunktion (S(t)) durchgeführt wird, wobei ein Extrempunkt der Hilfsfunktion dem Schließzeitpunkt (tc-r) des Injektors (100) entspricht und die Hilfsfunktion (S(t)) wie folgt lautet: mit
U(t) = Spulenspannung zum Zeitpunkt t
Uo = Spulenspannung zum Zeitpunkt to Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Ableitung der Hilfsfunktion (S‘(t)) der zweiten Ableitung des logarithmischen Spannungsverhältnisses entspricht. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Ableitung der Hilfsfunktion (S‘(t)) wie folgt approximiert wird: wobei
S(t) = Hilfsfunktion t = Zeitpunkt
At = Zeitraster Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schließzeitpunkt (tCT) vorliegt, wenn die erste Ableitung der Hilfsfunktion (S‘(t)) gleich oder kleiner als Null ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei gleitende Mittelwerte für die erfasste Spulenspannung (II) verwendet werden. Computerprogramm (76), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen. Steuergerät (70), das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen. Verbrennungskraftmaschine (79) mit einem Steuergerät (70) nach Anspruch 13, wobei die Verbrennungskraftmaschine eingerichtet und ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen. Kraftfahrzeug (80) mit einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14, wobei das Kraftfahrzeug (80) eingerichtet und ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
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