DE102009043124B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines an einem Direkteinspritzventil anliegenden Kraftstoffdruckes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines an einem Direkteinspritzventil anliegenden Kraftstoffdruckes Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Kraftstoffdruckes, welcher an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil anliegt, beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Erfassen einer in dem Spulenantrieb induzierten Spannung innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des Direkteinspritzventils umfasst, und (b) ein Ermitteln des Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten induzierten Spannung. Es wird ferner eine entsprechende Vorrichtung, ein Common-Rail-System, ein Kraftfahrzeug und Computerprogramm zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Vorfahren zum Ermitteln eines Kraftstoffdruckes, welcher an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil anliegt gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung, ein Common-Rail-System, ein Kraftfahrzeug und ein Computerprogramm zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes welcher an einem Direkteinspritzventil mit Spulenantrieb anliegt, gemäß den Ansprüchen 10, 11, 12 und 13.
  • Für den Betrieb moderner Verbrennungsmotoren und die Einhaltung strenger Emissionsgrenzwerte bestimmt eine Motorsteuerung über das sog. Zylinderfüllungsmodell die in einem Zylinder pro Arbeitsspiel eingeschlossene Luftmasse. Entsprechend der modellierten Luftmasse und dem gewünschten Verhältnis zwischen Luftmenge und Kraftstoffmenge (Lambda) wird der entsprechende Kraftstoffmengensollwert (MFF_SP) über ein Einspritzventil, welches in diesem Dokument auch als Injektor oder Direkteinspritzventil bezeichnet wird, eingespritzt. Damit kann die einzuspritzende Kraftstoffmenge so bemessen werden, dass ein für die Abgasnachbehandlung im Katalysator optimaler Wert für Lambda vorliegt. Für direkteinspritzende Ottomotoren mit innerer Gemischbildung wird der Kraftstoff mit einem Druck im Bereich von 40 bis 200 bar direkt in den Brennraum eingespritzt.
  • Hauptanforderung an das Einspritzventil ist neben Dichtheit gegen einen unkontrollierten Kraftstoffausfluss und der Strahlaufbereitung des einzuspritzenden Kraftstoffs auch eine zeitlich exakte Zumessung der vorgesteuerten Einspritzmenge. Insbesondere bei aufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotoren ist eine sehr hohe Mengenspreizung der geforderten Kraftstoffmenge erforderlich. So muss beispielsweise für den aufgeladenen Betrieb an der motorischen Volllast eine maximale Kraftstoffmenge MFF_max pro Arbeitsspiel zugemessen werden, wohingegen im leerlaufnahen Betrieb eine minimale Kraftstoffmenge MFF_min zugemessen werden muss. Die beiden Kenngrößen MFF_max u. MFF_min definieren dabei die Grenzen des linearen Arbeitsbereichs des Einspritzventils.
  • Für Direkteinspritzventile mit Spulenantrieb beträgt die Mengenspreizung, welche bei konstantem Kraftstoffdruck definiert ist als der Quotient zwischen der maximalen Kraftstoffmenge MFF_max und der minimalen Kraftstoffmenge MFF_min, ungefähr 15. Für zukünftige Motoren mit dem Fokus auf einer CO2-Reduktion wird der Hubraum der Motoren verkleinert und die Nennleistung des Motors über entsprechende Motorauflademechanismen beibehalten oder sogar angehoben. Somit entspricht die Anforderung an die maximale Kraftstoffmenge MFF_max mindestens den Anforderungen eines Saugmotors mit einem größeren Hubraum. Die minimale Kraftstoffmenge MFF_min wird jedoch über den leerlaufnahen Betrieb und der minimalen Luftmasse im Schubbetrieb des im Hubraum verkleinerten Motors bestimmt und somit verringert. Zusätzlich ermöglicht eine Direkteinspritzung eine Verteilung der gesamten Kraftstoffmasse auf mehrere Pulse, was z. B. in einem Katalysatorheizmodus durch eine sog. Gemischschichtung und einem späteren Zündzeitpunkt das Einhalten von verschärften Emissionsgrenzwerten ermöglicht. Für zukünftige Motoren wird sich aus den oben genannten Gründen eine erhöhte Anforderung sowohl an die Mengenspreizung als auch an die minimale Kraftstoffmenge MFF_min ergeben.
  • Bei bekannten Einspritzsystemen kommt es bei Einspritzung im Bereich minimaler Kraftstoffmenge zu einer signifikanten Abweichung der Einspritzmenge von der nominalen Einspritzmenge. Diese systematisch auftretende Abweichung ist im Wesentlichen auf Fertigungstoleranzen am Injektor, sowie auf Toleranzen der den Injektor ansteuernden Endstufe in der Motorsteuerung zurückzuführen. Weitere zusätzliche eingehende Einflussgrößen sind der Kraftstoffdruck, der Zylinderinnendruck während des Einspritzvorgangs, sowie mögliche Variationen der Versorgungsspannung.
  • Die elektrische Ansteuerung eines Direkteinspritzventils erfolgt üblicherweise über stromgeregelte Vollbrücken-Endstufen der Motorsteuerung. Eine Vollbrücken-Endstufe erlaubt es, das Einspritzventil mit einer Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs und alternativ mit einer Verstärkungsspannung zu beaufschlagen. Die Verstärkungsspannung wird häufig auch als Boostspannung (U_boost) bezeichnet und kann beispielsweise ca. 60 V betragen.
  • 5 zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil I (dicke durchgezogene Linie) für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb. 5 zeigt ferner die entsprechende Spannung U (dünne durchgezogene Linie), die an dem Direkteinspritzventil anliegt. Die Ansteuerung gliedert sich in folgende Phasen:
    • A) Pre-Charge-Phase: Während dieser Phase der Dauer t_pch wird durch die Brückenschaltung der Endstufe die Batteriespannung U_bat, welche der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs entspricht, an den Spulenantrieb des Einspritzventils angelegt. Bei Erreichen eines Stromsollwertes I_pch wird die Batteriespannung U_bat durch einen Zweipunktregler abgeschaltet, nach Unterschreiten einer weiteren Stromschwelle wird U_bat wieder eingeschaltet.
    • B) Boost-Phase: An die Pre-Charge Phase schließt sich die Boost-Phase an. Dazu wird von der Endstufe die Verstärkungsspannung U_boost solange an den Spulenantrieb angelegt, bis ein Maximalstrom I_peak erreicht ist. Durch den schnellen Stromaufbau öffnet das Einspritzventil beschleunigt. Nach Erreichen von I_peak schließt sich bis zum Ablauf von t_1 eine Freilaufphase an, während dieser wiederum die Batteriespannung U_bat an den Spulenantrieb angelegt wird. Die Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung wird ab dem Beginn der Boost-Phase gemessen. Dies bedeutet, dass der Übergang in die Freilaufphase durch das Erreichen des vorgegebenen Maximalstroms I_peak getriggert wird. Die Dauer t_1 der Boost-Phase ist in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks fest vorgegeben.
    • C) Abkommutierungs-Phase: Nach Ablauf von t_1 folgt eine Abkommutierungs-Phase. Durch Abschalten der Spannung entsteht hier eine Selbstinduktionsspannung, welche im Wesentlichen auf die Boostspannung U_boost begrenzt wird. Die Spannungsbegrenzung während der Selbstinduktion setzt sich zusammen aus der Summe von U_boost, sowie den Vorwärtsspannungen einer Rekuperationsdiode und einer sog. Freilaufdiode. Die Summe dieser Spannungen wird im Weiteren als Rekuperationsspannung bezeichnet. Aufgrund einer differentiellen Spannungsmessung, welche der 5 zugrunde liegt, ist die Rekuperationsspannung in der Abkommutierungs-Phase negativ dargestellt.
  • Durch die Rekuperationsspannung entsteht ein Stromfluss durch die Spule, welcher das Magnetfeld vermindert. Die Abkommutierungs-Phase ist zeitgesteuert und hängt von der Batteriespannung U_bat und von der Dauer t_1 der Boost-Phase ab. Die Abkommutierungs-Phase endet nach Ablauf einer weiteren Zeitspanne t_2.
    • D) Halte-Phase: An die Abkommutierungs-Phase schließt sich die sog. Haltephase an. Hier wird wiederum über einen Zweipunktregler der Sollwert für den Haltestromsoll I_hold über die Batteriespannung U_bat eingeregelt.
    • E) Abschalt-Phase: Durch Abschalten der Spannung entsteht eine Selbstinduktionsspannung, welche, wie oben erläutert, auf die Rekuperationsspannung begrenzt wird. Dadurch entsteht ein Stromfluss durch die Spule, welcher nun das Magnetfeld abbaut. Nach Überschreiten der hier negativ dargestellten Rekuperationsspannung fließt kein Strom mehr. Dieser Zustand wird auch als ”open coil” bezeichnet. Aufgrund der ohmschen Widerstände des magnetischen Materials klingen die beim Feldabbau der Spule induzierten Wirbelströme ab. Die Abnahme der Wirbelströme führt wiederum zu einer Feldänderung in der Magnetspule und somit zu einer Spannungsinduktion. Dieser Induktionseffekt führt dazu, dass der Spannungswert am Injektor ausgehend vom Niveau der Rekuperationsspannung nach dem Verlauf einer Exponentialfunktion auf Null ansteigt. Der Injektor schließt nach Abbau der Magnetkraft über die Federkraft und die durch den Kraftstoffdruck verursachte hydraulische Kraft. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist also insgesamt eine Funktion des Ventilöffnungs- und Ventilschließverhaltens als auch des am Ventil anliegenden Kraftstoffdrucks.
  • Die DE 10 2008 040 244 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils, bei dem mindestens eine durch ein elektromagnetisches Steilglied betätigbare Komponente des Kraftstoffeinspritzventils einem Kraftstoffdruck ausgesetzt ist. Aus einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Stellglieds wird auf den Kraftstoffdruck geschlossen.
  • Die DE 10 2007 053 408 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Kraftstofftemperatur bei einem Common-Rail-Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, das mindestens ein Kraftstoffdruck- und/oder -durchfluss-Ventil aufweist, das mittels einer Spule gesteuert wird, wobei ein Wert für den elektrischen Widerstand der Spule bestimmt und daraus ein Wert für die Kraftstofftemperatur abgeleitet wird.
  • Die DE 100 14 737 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Raildrucks eines Einspritzventils mit einem spannungsgesteuerten piezoelektrischen Aktor, welcher mittels eines hydraulischen Kopplers eine Düsennadel betätigt. Durch den Druck im Hochdruckkanal wird über den hydraulischen Koppler ein Kopplerdruck aufgebaut, der in dem Aktor eine piezoelektrische Spannung induziert. Der entsprechende Spannungswert ist redundant zum Druckwert im Hochdruckkanal, der von einem Drucksensor gemessen wird, und kann zur Überwachung der Funktion des Drucksensors verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Verfahren, sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Ermitteln der Kraftstoffmenge sowie ein Common-Rail-System, ein Kraftfahrzeug und ein Computerprogramm anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Erfassen einer in dem Spulenantrieb induzierten Spannung innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des Direkteinspritzventils umfasst, und (b) ein Ermitteln des Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten induzierten Spannung. Erfindungsgemäß wird aus einem vorbekannten Kennfeld von Maxima von induzierten Spannungen und zugehörigen Kraftstoffdrücken der Kraftstoffdruck ermittelt.
  • Dem beschriebenen Verfahren zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein von der Bewegung des Mangenetankers durch Induktion verursachtes Spannungssignal in der Spule dazu verwendet werden kann, um den Bewegungsablauf des Magnetankers zu charakterisieren. Es wurde herausgefunden, dass der Bewegungsablauf des Magnetankers nämlich seinerseits von dem an dem Direkteinspritzventil anliegenden Kraftstoffdruck abhängig ist. Genauer gesagt hängt die an dem Magnetanker ansetzende resultierende Kraft, welche die Schließbewegung des Einspritzventils verursacht, von dem Kraftstoffdruck, von der Federkraft und von der Dynamik des Magnetfeldabbaus, welche insbesondere durch die von der Feldänderung induzierten Wirbelströme bestimmt wird, ab.
  • Der Spannungsverlauf der in der stromlosen Spule induzierten Spannung wird somit teilweise durch die Bewegung des Magnetankers und damit indirekt teilweise durch den Kraftstoffdruck hervorgerufen. Durch eine geeignete Auswertung des zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung kann zumindest in guter Näherung der Anteil der bewegungsinduzierten Spannung ermittelt werden, der auf der Relativbewegung zwischen Magnetanker und Spule basiert. Durch das Erfassen der induzierten Spannung werden also automatisch Informationen über den Bewegungsverlauf gewonnen, welche genaue Rückschlüsse über den anliegenden Kraftstoffdruck zulassen und damit dem Ermitteln des Kraftstoffdruckes dienen können. Hierzu kann sowohl der Verlauf der bewegungsinduzierten Spannung als auch der Schließzeitpunkt in der Abschalt-Phase dazu verwendet werden um den Kraftstoffdruck zu ermitteln.
  • Bei dem vorbekannten Kennfeld kann es sich bevorzugt um ein eindimensionales Kennfeld handeln, bei dem einem erfassten induzierten Spannungswert jeweils ein Wert für den Kraftstoffdruck zugeordnet ist. Dieses Kennfeld kann bereits von einem Hersteller von Einspritzventilen oder Einspritzanlagen vorgegeben werden, wobei die Einspritzanlagen sowohl die Einspritzventile als auch die Steuerung der Einspritzventile aufweisen können. Das Kennfeld kann, wie im Folgenden noch beschrieben wird, auch experimentell durch einen Vergleich mit gemessenen Werten eines herkömmlichen Kraftstoffdrucksensors ermittelt werden.
  • Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass es online in einem Motorsteuergerät durchgeführt werden kann. So können z. B. Oszillationen des Kraftstoffdrucks in einem Rail dazu führen, dass sich an jedem Einspritzventil ein individuell unterschiedlicher Kraftstoffdruck einstellt. Auch kann die Position des Einspritzventils in einem Common-Rail-System über beschriebene Oszillation Auswirkungen auf den Kraftstoffdruck haben. Diese Abhängigkeiten können für jedes Einspritzventil erfasst und durch eine geänderte Ansteuerung kompensiert werden. Mit einem Kraftstoffdrucksensor der zentral für alle Einspritzventile eingerichtet ist, ist dies hingegen nicht möglich ist, da dieser sich im ”Rail” des Common-Rail-Systems befindet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein in dem Spulenantrieb erfasstes Maximum der induzierten Spannung zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes verwendet.
  • Diesem Ausführungsbeispiel liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Maximum für die induzierte Spannung, welches auf einfache Weise erfasst werden kann, abhängig ist vom Wert des anliegenden Kraftstoffdruckes. Das Maximum der induzierten Spannung tritt dabei zum Schließzeitpunkt auf, wenn Anker und Ventilnadel aufgrund des Auftreffens im Ventilsitz ihre größte Geschwindigkeitsänderung erfahren, d. h. zum mechanischen Schließzeitpunkt. Durch eine geeignete Auswertung kann auch hier ein Zusammenhang zwischen dem Maximum der induzierten Spannung und dem Wert des Kraftstoffdruckes hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass nur ein einzelner Wert für die induzierte Spannung erfasst werden muss und hieraus der Wert für den Kraftstoffdruck ermittelt werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass im Wesentlichen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Maximum der induzierten Spannung und dem Wert des Kraftstoffdrucks besteht.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Wert für den ermittelten Kraftstoffdruck, welcher an dem Direkteinspritzventil anliegt, als fiktiver Wert für einen weiteren Kraftstoffdruck verwendet, welcher an zumindest einem weiteren Direkteinspritzventil anliegt.
  • Für eine Motorsteuerung kann es vorteilhaft sein möglichst wenige elektronische Komponenten zu verwenden. Dies führt zu einer Verringerung der benötigten Rechenleistung und auch zu einer Verringerung der zu verbauenden elektronischen Komponenten selbst. Insbesondere kann auf den Kraftstoffdrucksensor verzichtet werden, der zentral für alle Einspritzventile eingerichtet ist, wie es bei einem herkömmlichen sogenannten Motor nach dem Common-Rail-Prinzip der Fall ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, das ferner aufweist (a) ein Erfassen einer weiteren induzierten Spannung, welche in einem weiteren Spulenantrieb eines weiteren Direkteinspritzventils induziert wird, innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des weiteren Direkteinspritzventils umfasst, und (b) ein Ermitteln eines weiteren Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten weiteren induzierten Spannung.
  • Dieses Ausführungsbeispiel mag vorteilhaft sein, um eine komplexe Motorsteuerung zu realisieren, welche die individuelle Anpassung der Ansteuerung einer Mehrzahl von Direkteinspritzventilen erlaubt, wobei die individuelle Ansteuerung auf aussagekräftigen Werten des Kraftstoffdruckes für jedes der Mehrzahl von Einspritzventilen beruht. Insbesondere können die Einspritzmengen für jedes der Direkteinspritzventile angepasst werden. Die auf individuellen Daten beruhende Anpassung einer Mehrzahl von Direkteinspritzventilen beruhende Ansteuerung kann dann zu einer Verringerung des Kraftstoffbedarfs, zu einer verbesserten Verbrennung des Kraftstoffs und/oder zu einer Verringerung des Schadstoffausstoßes führen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, welches ferner aufweist (a) ein Erfassen des Kraftstoffdrucks mittels eines Drucksensors, (b) ein Vergleichen des basierend auf der erfassten induzierten Spannung ermittelten Kraftstoffdrucks mit dem von dem Drucksensor erfassten Kraftstoffdruck, und, (c) falls der ermittelte Kraftstoffdruck von dem gemessenen Kraftstoffdruck um mehr als einem vorgegebenen Schwellwert abweicht, ein Ausgeben einer Fehlermeldung.
  • Für den Fall, dass auf einen gemeinsamen Kraftstoffdrucksensor zurückgegriffen werden soll, kann durch die zusätzliche Information welche über den Kraftstoffdruck eines einzelnen oder einer Mehrzahl von Direkteinspritzventilen erhalten wird, der Kraftstoffdrucksensor überwacht werden. Falls der ermittelte Kraftstoffdruck von dem durch den Kraftstoffdrucksensor gemessenen Kraftstoffdruck so stark abweicht, dass ein Schwellwert überschritten wird, kann eine im Anschluss daran erfolgende Fehlermeldung zu unterschiedlichen Maßnahmen führen. So kann z. B. bei einer Diskrepanz zwischen dem Druckwert des Kraftstoffdrucksensors und einem durch das beschriebene Verfahren ermittelten Druckwerts automatisch eine Nachkalibrierung des Kraftstoffdrucksensors erfolgen. Weiterhin kann, falls z. B. ein bestimmtes Einspritzventil die Fehlermeldung erzeugt, es sich ergeben, dass die Kraftstoffzufuhr für dieses Einspritzventil automatisch neu ausgelegt wird. Darüber hinaus kann auch über ein Terminal in einer Fahrgastzelle die Aufforderung zu einer Wartung des Fahrzeuges ausgegeben werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Kennfeld mittels eines Kalibrierverfahrens ermittelt wurde, welches aufweist (a) ein Betreiben des Direkteinspritzventils für verschiedene Kraftstoffdrücke, wobei für jeden Kraftstoffdruck eine induzierte Spannung gemessen wird, und (b) ein Speichern einer Mehrzahl von Wertepaaren, welche jeweils einen Druckwert und einen zugehörigen Spannungswert aufweisen.
  • Zur Ermittlung des Kennfeldes kann es vorteilhaft sein eine Mehrzahl von Wertepaaren bestehend aus einem Spannungswert und einem Wert für den Kraftstoffdruck zu bestimmen. Bevorzugt soll die Ermittlung Werte für den Kraftstoffdruck aufweisen, welche sich für unterschiedliche Kraftstoffdrücke ergeben. Insbesondere können die zugrunde liegenden Kraftstoffdrücke den gesamten oder zumindest einen weiten Bereich von Betriebskraftstoffdrücken für einen Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzventilen umfassen. Das Kennfeld kann anhand eines Direkteinspritzventils in einem Messstand erhalten werden, d. h. ein für ein als Referenz dienendes Einspritzventil erhaltenes Kennfeld kann für alle Direkteinspritzventile des gleichen Typs Verwendung finden. Weiterhin kann für jedes Direkteinspritzventil gesondert das Kennfeld ermittelt werden. Nach dem Ermitteln des Kennfeldes erfolgt die Speicherung der Werte welche der Motorsteuerung zur Verfügung stehen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Direkteinspritzventil für verschiedene Kraftstoffdrücke unter vorgegeben konstanten Betriebsbedingungen betrieben.
  • Um zu verlässlichen Werten für das Kennfeld zu gelangen, ist es vorteilhaft konstante Betriebsbedingungen zu schaffen, weil dann der Zusammenhang zwischen der induzierten Spannung und dem Kraftstoffdruck einfach abzuleiten ist. Auch die Kalibrierung des Kraftstoffsensors und die Kalibrierung der Anlage ist in einem Fall besonders einfach auszuführen, wenn eine Vielzahl an Einflussfaktoren, welche die Ergebnisse verfälschen könnten, durch ihre konstante Beibehaltung ausgeschaltet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, wobei die konstanten Betriebsbedingungen definiert sind durch eine Beibehaltung (a) eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, (b) einer vorgegebenen Kühlwassertemperatur, (c) einer vorgegebenen Öltemperatur und/oder (d) einer vorgegebenen Temperatur für ein Steuergerät eines das Direkteinspritzventil aufweisenden Verbrennungsmotors.
  • Hierbei mag jedem der Werte aus der Gruppe des stöchiometrische Luftverhältnisses, der Kühlwassertemperatur, der Öltemperatur und der Temperatur des Steuergerätes eine bestimmte Bandbreite für den jeweiligen Wert zugeordnet sein. Die Kühlwassertemperatur mag insbesondere definiert sein als die Temperatur des Kühlwassers für den Verbrennungsmotor bzw. der Temperatur des Kühlwassers mit dem der Motorblock des Verbrennungsmotors gekühlt wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Anpassen der in dem Kennfeld gespeicherten Wertepaare durch eine Regressionskurve auf.
  • Eine Reihe von theoretischen mathematischen Modellen mag dazu verwendet werden, um die Verlässlichkeit der in dem Kennfeld gespeicherten Wertepaare zu erhöhen. So kann bekanntermaßen für n Wertepaare, welche als Punkte in einem zweidimensionalen Koordinatensystem eingetragen werden, ein Polynom n-1-ten Grades ermittelt werden, welches alle Punkte berührt. Insbesondere kann es sich bei der Regressionskurve auch um eine Regressionsgerade handeln. Eine Regressionskurve deren Parameter auf diese Weise definiert wurden bietet den Vorteil, dass für Zwischenwerte der induzierten Spannung auch Zwischenwerte für den Kraftstoffdruck ermittelt werden können. Ein weiterer Vorteil mag darin bestehen, dass nur wenige Parameter nichtflüchtig zu speichern sind um Zwischenwerte des Kraftstoffdruckes für Zwischenwerte der erfassten induzierten Spannung zu erhalten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Kraftstoffdruckes, welcher an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil anliegt, beschrieben. Die Vorrichtung weist auf (a) eine Erfassungseinheit zum Erfassen einer in dem Spulenantrieb induzierten Spannung innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des Direkteinspritzventils umfasst, und (b) eine Auswerteeinheit zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten Spannung und auf einem vorbekannten Kennfeld von Maxima von induzierten Spannungen und zugehörigen Kraftstoffdrücken.
  • Auch der beschriebenen Vorrichtung zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein von der Bewegung des Mangenetankers durch Induktion verursachtes Spannungssignal in der Spule dazu verwendet werden kann, um den Bewegungsablauf des Magnetankers zu charakterisieren. Die Auswerteeinheit kann von der durch den Bewegungsablauf des Magnetankers in der Spule hervorgerufenen Spannung ausgehend den Kraftstoffdruck ermitteln.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Common-Rail-System für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben. Das beschriebene Common-Rail-System weist auf (a) zumindest ein Direkteinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors, und (b) eine beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln eines Kraftstoffdrucks.
  • Direkteinspritzventile mit einem Spulenantrieb sind insbesondere für Common-Rail-System in Kraftfahrzeugen gebräuchlich, so dass die Ermittlung des Kraftstoffdrucks, welcher an einem Direkteinspritzventil anliegt, insbesondere für Common-Rail-Systeme anwendbar ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Ermitteln eines Kraftstoffdruckes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, ist zum Steuern des oben beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils eingerichtet.
  • Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
  • Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Bluray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
  • Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
  • Zusammenfassend kann ein Aspekt der Erfindung in der Erkenntnis gesehen werden, dass nach Abschalten des Ansteuerstromes die Schließbewegung des Magnetankers und der verbundenen Ventilnadel zu einer geschwindigkeitsabhängigen Beeinflussung der Injektorspannung führt. Insbesondere kann durch eine Auswertung der Injektorspannung nach Abschalten des Ansteuerstromes der mechanische Schließzeitpunkt der Ventilnadel bestimmt werden. Ein Effekt, der hierbei auftritt, besteht darin, dass es bei einem spulengetriebenen Einspritzventil nach dem Abschalten des Injektorstromes zu einem Abbau der Magnetkraft kommt. Eine resultierende Kraft, die sich aus der Federvorspannung und dem anliegenden Kraftstoffdruck ergibt, beschleunigt den Magnetanker und die Ventilnadel in Richtung eines Ventilsitzes. Dabei erreichen der Magnetanker und die Ventilnadel vor dem Aufschlag auf den Ventilsitz ihre maximale Geschwindigkeit. Mit dieser maximalen Geschwindigkeit vergrößert sich ein Luftspalt zwischen Spulenkern und Magnetanker. Aufgrund der Bewegung des Magnetankers und der damit einhergehenden Vergrößerung des Luftspalts führt der remanente Magnetismus des Magnetankers auf Grund von Bewegungsinduktion zu einer Spannung in der Injektorspule. Die maximale Änderung dieser Induktionsspannung an der Injektorspule, die durch die maximale Geschwindigkeitsänderung von Magnetanker und verbundener Ventilnadel verursacht wird tritt zum Zeitpunkt des mechanischen Schließens der Ventilnadel auf. Somit korreliert das Auftreten des Maximalwertes der bewegungsinduzierten Spannung mit dem mechanische Schließen des Einspritzventils.
  • Die Spannungshöhe der maximalen Induktionsspannung kann dazu genutzt werden, um den an dem Direkteinspriztventil anliegenden Kraftstoffdruck zu ermitteln, da die maximale Geschwindigkeit der Ventilnadel das Maximum der induzierten Spannung hervorruft und die maximale Geschwindigkeit abhängig ist vom Kraftstoffdruck. In einem Zeitintervall I, das einen erwarteten Schließzeitpunkt enthält, kann also das Maximum der Spannungsdifferenz ΔU_INJmax ermittelt werden, welches sich als Maximum einer Spannung für ein Referenzmodell minus der induzierten Spannung ergibt. ΔU_INJmax = max{UINJ_MDL(t) – UINJ_MES(t)|t ∊ I} (1) für I = [tClose_Expected – Δt, tClose_Expected + Δt] (2) und UINJ_MDL(t) = Ustart·[1 – exp{t/τ(ϑ, Ihold)}] (3).
  • Für UINJ_MDL(t) liegt ein einfaches Referenzmodell zugrunde, wobei der Wert Ustart durch den Wert von UINJ_MES(t) zum Zeitpunkt t = 0 definiert ist und eine Injektortemperatur ϑ und Ihold zusammen eine Zeitkonsante bilden.
  • Für beliebige Werte des erfassten Maximums der induzierten Spannung ΔU_INJmax soll im Betriebsverfahren ein entsprechender Kraftstoffdruck FUP angegeben bzw. ermittelt werden können. Ein allgemeiner und zunächst unbekannter Zusammenhang von ΔU_INJmax und FUP, FUP = f(ΔU_INJmax), (4) welcher für das Betriebsverfahren vorausgesetzt sein mag, mag deshalb vorab in einer Kalibrierungsmessung ermittelt werden.
  • Vor der Anwendung des Betriebsverfahrens mögen mit der Kalibrierungsmessung zunächst Wertepaare ermittelt werden, die sich für bestimmte vorgegebene und durch einen Drucksensor gemessene Drücke FUPn und entsprechenden gemessenen Maxima ΔU_INJmax_n ergeben. Ein Zusammenhang FUPn = f(ΔU_INJmax_n) (5) mag als Voraussetzung für die allgemeine Funktion (4) dienen.
  • Um die N beliebigen Wertepaare für vorgegebene Kraftstoffdrücke FUPn und erfassten Maxima ΔU_INJmax_n (1 ≤ n ≤ N) zu erhalten, bietet sich eine Offline-Kalibrierung an einem Referenzmodell an. Durch eine Labormessung an einem als Referenz dienenden Direkteinspritzventil können die Wertepaare vorab für alle hergestellten direkt einspritzenden Motoren verwendet werden.
  • Weiterhin kann eine individuelle Online-Kalibrierung erfolgen. Für jedes einzelne Direkteinspritzventil i kann das Wertepaar aus einem vorgegebenen Kraftstoffdruck, welcher mit dem Kraftstoffdrucksensor gemessen wird, FUP1 und erfassten Maxima ΔU_INJmax_i ermittelt werden um die Relation (5) zu erhalten.
  • Voraussetzung für beide Kalibrierungsmessungen mag sein, dass zumindest eine der nachfolgenden verschiedene Bedingungen erfüllt ist: (a) Der verwendete Kraftstoffdrucksensor funktioniert bestimmungsgemäß. (b) Die Verbrennung im Verbrennungsmotor erfolgt im homogenen Betrieb mit stöchiometrischem Luft-/Kraftstoffverhältnis im Teillastbereich annähernd stationär. (c) Im gewählten Betriebsbereich ist eine Variation des Kraftstoffdrucks emissionsneutral möglich. (d) Es erfolgt keine Mehrfach-Einspritzung und keine negative Injektorbestromung zur Beschleunigung des Injektorschließens. (e) Für Kühlwasser-, Öl- und Steuergerätetemperatur wird je ein Temperaturintervall für die Durchführung definiert, welches bei der Messung eingehalten wird.
  • Bei der Messung wird der Kraftstoffdruck (FUPn) bevorzugt konstant gehalten und von einem Anfangs-Sollwert FUPn_min bei 40 bar zu einem Maximalwert FUPn_max in Schritten von ΔFUP gesteigert. Als Maximalwert FUPn_max für den Kraftstoffdruck mag der Wert definiert sein, bei dem das Direkteinspritzventil noch problemlos betrieben werden kann. Bei jedem konstanten Kraftstoffdruck FUPn mag eine Vielzahl von Messungen erfolgen, über die gemittelt werden kann, so dass sich Mittelwerte FUPn_mean und ΔU_INJmax_n_mean für die Wertepaare berechnen und abspeichern lassen.
  • Nach der Kalibrierungsmessung mögen die Wertepaare aus FUPn_mean und ΔU_INJmax_n_mean als Kennfeldstützstellen auf ihren entsprechenden Achsen dienen. Für jede Stützstelle bzw. jedes Wertepaar kann eine Standardabweichung ermittelt werden. Die Werte für das Kennfeld mögen nicht-flüchtig abgespeichert werden und zur Ermittlung des Kraftstoffdrucks FUP dienen.
  • Wahlweise mag nach der Kalibrierungsmessung ein Polynomansatz angewendet werden, wie z. B. ein Polynomansatz 1. Ordnung.
  • Durch Anwenden der Methode der kleinsten Fehlerquadrate kann eine Regressionsgerade bestimmt werden für die gilt: FUP = x0 + x1·ΔU_INJmax (6)
  • Dabei können die Modellparameter x0 und x1 nicht-flüchtig abgespeichert werden.
  • Alle Kalibrierungsmessungen können individuell für jedes einzelne Direkteinspritzventil in einem Common-Rail-System ermittelt werden.
  • Die Kalibrierungsmessung kann also dafür verwendet werden, um als Grundlage für die Ermittlung des Kraftstoffdruckes zu dienen, welcher an einem beliebigen Direkteinspritzventil mit Spulenantrieb anliegt. Deshalb kann die Ermittlung des Kraftstoffdruckes aus der im Spulenantrieb des Direkteinspritzventils induzierten Spannung den Kraftstoffdrucksensor ersetzen. Wahlweise kann die Ermittlung des Kraftstoffdrucks FUP dazu dienen, eine Diagnose des Zustands des Common-Rail-Systems und/oder des Kraftstoffdrucksensors zu liefern. Dabei kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn der Betrag des vom Kraftstoffdrucksensor gemessenen Kraftstoffdrucks FUPSensor minus dem aus der induzierten Spannung ermittelten Kraftstoffdruck FUP einen Schwellwert überschreitet. D. h.: |FUPSensor – mean(FUPi_mean)| > Schwellwert (7)
  • Hierbei bezeichnet FUPi_mean den Mittelwert für ein bestimmtes Einspritzventil i über mehrere Einspritzzyklen. Die weitere Mittelwertbildung, mit der der Wert mean(FUPi_mean) berechnet wird, erfolgt über verschiedene Einspritzventile i. Der Schwellwert kann abhängig sein von einem Kraftstoffdrucksollwert, von einer Motordrehzahl und über eine angesaugte Luftmasse von einem Lastzustand des Verbrennungsmotors.
  • Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
  • 1 zeigt verschiedene Verläufe von Signalen, die am Ende der Halte-Phase und in der Abschalt-Phase an einem Einspritzventil anliegen.
  • 2 zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts unter Verwendung eines Referenzspannungsverlaufs, welches den Induktionseffekt in der Spule aufgrund des Abklingens von Wirbelströmen in dem Magnetanker charakterisiert.
  • 3 zeigt ein Diagramm aus dem eine Korrelation von gemessenen Kraftstoffdrücken FUP und gemessenen maximalen Spannungsdifferenzen ΔU_INJmax ersichtlich ist.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit einem ein Common-Rail-System aufweisenden Verbrennungsmotor.
  • 5 zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil und den entsprechenden Spannungsverlauf für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb.
  • Das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes beruht auf folgenden in der Abschalt-Phase eines Einspritzventils auftretenden physikalischen Effekten:
    • 1. Zunächst führt das Abschalten der Spannung an der Spule des Einspritzventils zu einer Selbstinduktionsspannung, welche durch die Rekuperationsspannung begrenzt wird. Die Rekuperationsspannung ist typischerweise dem Betrag nach etwas größer als die Boostspannung. Solange die Selbstinduktionsspannung die Rekuperationsspannung übersteigt, kommt es zu einem Stromfluss in der Spule und das Magnetfeld in der Spule wird abgebaut. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 5 mit ”I” gekennzeichnet.
    • 2. Bereits während des Abklingens des Spulenstromes kommt es zu einer Verminderung der Magnetkraft. Sobald die Federvorspannung und die hydraulische Kraft aufgrund des Druckes des einzuspritzenden Kraftstoffs die abnehmende Magnetkraft übersteigen, ergibt sich eine resultierende Kraft, welche den Magnetanker zusammen mit der Ventilnadel in Richtung des Ventilsitzes beschleunigt.
    • 3. Übersteigt die Selbstinduktionsspannung die Rekuperationsspannung nicht mehr, so fließt kein Strom mehr durch die Spule. Die Spule ist elektrisch im sog. ”open coil” Betrieb. Aufgrund der ohmschen Widerstände des magnetischen Materials des Magnetankers klingen die beim Feldabbau der Spule induzierten Wirbelströme exponentiell ab. Die Abnahme der Wirbelströme führt wiederum zu einer Feldänderung in der Spule und somit zu der Induktion einer Spannung. Dieser Induktionseffekt führt dazu, dass der Spannungswert an der Spule ausgehend vom Niveau der Rekuperationsspannung nach dem Verlauf einer Exponentialfunktion bis auf Null Volt ansteigt. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 5 mit ”III” gekennzeichnet.
    • 4. Unmittelbar vor dem Aufschlag der Ventilnadel in den Ventilsitz erreichen Magnetanker und Ventilnadel ihre maximale Geschwindigkeit. Mit dieser Geschwindigkeit vergrößert sich der Luftspalt zwischen Spulenkern und Magnetanker. Aufgrund der Bewegung des Magnetankers und der damit einhergehenden Luftspalterhöhung, führt der remanente Magnetismus des Magnetankers zu einer bewegungsinduzierten Spannung in der Spule. Die auftretende maximale Änderung der Induktionsspannung kennzeichnet die maximale Geschwindigkeitsänderung des Magnetankers (und auch der verbundenen Ventilnadel). Damit korreliert der Zeitpunkt des mechanischen Schließens der Ventilnadel mit dem Auftreten der maximalen bewegungsinduzierten Spannung. Dieser von Magnetanker und der damit verbundenen Ventilnadel-Geschwindigkeit verursachte Induktionseffekt ist dem Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme überlagert. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 5 mit ”IV” gekennzeichnet.
    • 5. Nach dem mechanischen Schließen der Ventilnadel erfolgt typischerweise ein Prellvorgang, bei dem die Ventilnadel noch einmal kurzzeitig aus der Schließposition ausgelenkt wird. Infolge der Federspannung und des anliegenden Kraftstoffdrucks wird die Ventilnadel jedoch wieder in den Ventilsitz gedrückt. Das Schließen des Ventils nach dem Prellvorgang ist in 5 mit ”V” gekennzeichnet.
  • Das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren basiert nun darauf, aus dem bewegungsinduzierten Spannungsverlauf in der Abschalt-Phase den am Einspritzventil anliegenden Kraftstoffdruck zu ermitteln. Wie im Detail erläutert wird setzt diese Ermittlung einige Auswertungen für den gemessenen induzierten Spannungsverlauf voraus.
  • 1 zeigt verschiedene Verläufe von Signalen, die am Ende der Halte-Phase und in der Abschalt-Phase an einem Einspritzventil anliegen. Der Übergang zwischen der Halte-Phase und der Abschalt-Phase erfolgt am Abschaltzeitpunkt, der durch eine vertikale gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Strom durch die Spule ist durch die mit dem Bezugszeichen 100 versehene Kurve in der Einheit Ampere dargestellt. In der Abschalt-Phase ergibt sich aus einer Überlagerung des Induktionseffektes aufgrund von Magnetanker- und Ventilnadel-Geschwindigkeit und dem Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme ein induziertes Spannungssignal 110. Das Spannungssignal 110 ist in der Einheit 10 Volt dargestellt. Man sieht am Spannungssignal 110, dass die Geschwindigkeit der Spannungserhöhung im Bereich des Schließzeitpunkts stark abnimmt, bevor die Geschwindigkeit der Spannungserhöhung aufgrund des Rückprellens von Ventilnadel und Magnetanker wieder zunimmt. Die mit dem Bezugszeichen 120 versehene Kurve stellt die zeitliche Ableitung des Spannungssignals 110 dar. In dieser Ableitung 120 ist der Schließzeitpunkt an einem lokalen Minimum 121 erkennbar. Nach dem Rückprellvorgang ist ein weiterer Schließzeitpunkt an einem weiteren Minimum 122 zu erkennen.
  • Auch wenn es zum Verständnis der Erfindung nur vergleichsweise wenig beiträgt, ist in 1 ferner einer Kurve 150 eingezeichnet, welche den Kraftstoffdurchfluss in der Einheit Gramm pro Sekunde dargestellt. Man erkennt, dass der gemessene Kraftstoffdurchfluss durch das Einspritzventil kurz nach dem detektierten Schließzeitpunkt von oben kommend sehr schnell abfällt. Der zeitliche Versatz zwischen – auf Basis der Auswertung der Ansteuerspannung – detektiertem Schließzeitpunkt und dem Zeitpunkt zu dem die gemessene Kraftstoffdurchflussrate das erste Mal den Wert Null erreicht, resultiert aus der begrenzten Messdynamik bei der Bestimmung des Kraftstoffdurchflusses. Ab einer Zeit von ca. 3,1 ms pendelt sich das entsprechende Messsignal 150 auf den Wert Null ein.
  • Um die für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung des Kraftstoffdruckes erforderliche Rechenleistung zu reduzieren, kann die Bestimmung der Ableitung 120 auch lediglich innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls durchgeführt werden, welches den erwarteten Schließzeitpunkt enthält.
  • 2 zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts unter Verwendung eines Referenzspannungsverlaufs, welches den Induktionseffekt in der Spule aufgrund des Abklingens von Wirbelströmen in dem Magnetanker charakterisiert. In 2 ist ebenso wie in 1 das Ende der Halte-Phase und die Abschalt-Phase dargestellt. Der gemessene Spannungsverlauf 110, welcher sich aus einer Überlagerung des Induktionseffektes aufgrund von Luftspalt- und der identischen Ventilnadel-Geschwindigkeit und dem Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme ergibt, ist derselbe wie in 1. Auch der Spulenstrom 100 ist im Vergleich zu 1 unverändert.
  • Idee ist es nun, den Anteil an dem Spannungssignal 110, welcher ausschließlich durch den Induktionseffekt aufgrund des Abklingens der Wirbelströme verursacht wird, durch ein Referenzmodell zu berechnen. Ein entsprechendes Referenzspannungssignal ist durch die Kurve mit dem Bezugszeichen 215 dargestellt. Durch eine Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen dem gemessenen Spannungsverlauf 110 und dem Referenzspannungssignal 215 kann man den Induktionseffekt aufgrund von abklingenden Wirbelströmen eliminieren. Das Differenzspannungssignal 230 charakterisiert somit den bewegungsbezogenen Induktionseffekt und ist ein direktes Maß für die Geschwindigkeit des Magnetankers und der Ventilnadel und damit ein Maß für die ansetzende Kraft, die den Magnetanker beschleunigt. Diese am Magnetanker ansetzende Kraft ist abhängig vom Kraftstoffdruck. Das Maximum 231 der Spannungsdifferenz ΔU_INJmax charakterisiert die maximale Magnetanker- bzw. Ventilnadel-Geschwindigkeit, welche unmittelbar vor dem Auftreffen der Nadel auf den Ventilsitz erreicht wird. Somit kann das Maximum 231 der Spannungsdifferenz ΔU_INJmax dazu verwendet werden um den tatsächlichen Schließzeitpunkt tclose zu bestimmen. Insbesondere kann, wie nachfolgend gezeigt wird das Maximum 231 der Spannungsdifferenz ΔU_INJmax zum tatsächlichen Schließzeitpunkt tclose dazu dienen den Kraftstoffdruck zu ermitteln.
  • Aus der Erfassung der bewegungsinduzierten Spannungen an der Spule, insbesondere aus den ermittelten Maxima von Spannungsdifferenzen ΔU_INJmax, kann der Kraftstoffdruck FUP ermittelt werden, der am Direkteinspritzventil anliegt.
  • 3 zeigt eine Korrelation für gemessene Kraftstoffdrücke FUP und Maxima der Spannungsdifferenzen ΔU_INJmax. Wie zu erkennen ist, liegen die gemessenen Wertepaare 352, gebildet aus dem variierten Kraftstoffdruck FUP und den Maxima der Spannungsdifferenzen ΔU_INJmax, nahezu exakt auf einer Regressionsgeraden 350. Die Regressionsgerade 350 kann also dazu verwendet werden, um für beliebige Werte von Maxima der Spannungsdifferenzen ΔU_INJmax in einem weiten Bereich den Kraftstoffdruck FUP anzugeben.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges 463 mit einem ein Common-Rail-System 460 aufweisenden Verbrennungsmotor 461. Das Kraftfahrzeug 463 weist zudem ein Kraftstoffzufuhrsystem und eine Steuereinheit 466 auf, die der Regelung der Zufuhr von Kraftstoff 476 dient. Die Pfeile in der 4 dienen der Verdeutlichung der Richtung des Flusses des Kraftstoffs 476.
  • Von einem Tank 474 wird Kraftstoff 476 zu einer Niederdruckkraftstoffpumpe 472 geleitet und von einem Ausgang der Niederdruckkraftstoffpumpe 472 in einer Schleife über einen Niederdruckregler 470 zurück in den Kraftstofftank 474. Von einer weiteren Verzweigung am Ausgang der Niederdruckkraftstoffpumpe 472 wird der Kraftstoff 476 zu einem Volumenstromregelventil einer Hochdruckkraftstoffpumpe 468 geleitet. Der durch die Niederdruckkraftstoffpumpe 472 gelieferte Kraftstoffdruck beträgt typischerweise am Volumenstromregelventil der Hochdruckkraftstoffpumpe 468 3–5 bar. Über das Volumenstromregelventil wird der Hochdruckkraftstoffpumpe 468 die Menge an Kraftstoff 476 zugeführt, welche gewährleistet, dass Direkteinspritzventilen 462 in einem Verbrennungsraum die gewünschte Menge an Kraftstoff 476 bei einem gewünschten Kraftstoffdruck zur Verfügung steht.
  • Die Hochdruckkraftstoffpumpe 468 versorgt das Common-Rail-System 460, das in dieser Darstellung sechs Direkteinspritzventile 462 aufweist, mit Kraftstoff 476. Weiterhin ist das Common-Rail-System 460, welches als ein Bestandteil des Verbrennungsmotors 461 betrachtet werden kann, einen Drucksensor 464 auf, welcher den Druck im Common-Rail-System 460 sensiert. Der Drucksensor 464 ist mit einer Steuereinheit 466 verbunden. Die Steuereinheit 466 weist eine Erfassungseinheit 465 zur Erfassung von Signalen und eine Auswerteeinheit 467 zur Ausgabe von Steuersignalen auf. Weiterhin ist, wie in 4 gezeigt, jedes der Direkteinspritzventile 462 mit der in der Steuereinheit 466 befindlichen Erfassungseinheit 465 verbunden, so dass elektrische Signale von Spulenantrieben der Direkteinspritzventile 462 an die Steuereinheit 466 übertragen werden können, um von der Auswerteeinheit 467 ausgewertet zu werden. Auf diese Weise können geeignete Steuersignale an die Hochdruckkraftstoffpumpe 468 weitergegeben werden. Sowohl der durch den Drucksensor 464 sensierte Druck des Kraftstoffs 476 als auch die an den Spulenantrieben der Direkteinspritzventile 462 erfassten induzierten Spannungen können von der Steuereinheit 466 ausgewertet werden. Die Steuereinheit 466 kann dann an die Hochdruckkraftstoffpumpe 468 geeignete Steuersignale zur Versorgung des Common-Rail-Systems 460 mit Kraftstoff 476 weiterleiten.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines Kraftstoffdruckes, welcher an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil (462) anliegt, aufweisend: – Erfassen einer in dem Spulenantrieb induzierten Spannung innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des Direkteinspritzventils (462) umfasst, und – Ermitteln des Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten induzierten Spannung, wobei aus einem vorbekannten Kennfeld mit Maxima (231) von induzierten Spannungen und zugehörigen Kraftstoffdrücken der Kraftstoffdruck ermittelt wird.
  2. Verfahren nach dem Anspruch 1, wobei ein in dem Spulenantrieb erfasstes Maximum (231) der induzierten Spannung zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei ein Wert für den ermittelten Kraftstoffdruck, welcher an dem Direkteinspritzventil anliegt, als fiktiver Wert für einen weiteren Kraftstoffdruck verwendet wird, welcher an zumindest einem weiteren Direkteinspritzventil (462) anliegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner aufweisend: – Erfassen einer weiteren induzierten Spannung, welche in einem weiteren Spulenantrieb eines weiteren Direkteinspritzventils (462) induziert wird, innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des weiteren Direkteinspritzventils (462) umfasst, und – Ermitteln eines weiteren Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten weiteren induzierten Spannung.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, ferner aufweisend: – Erfassen des Kraftstoffdrucks mittels eines Drucksensors (464), – Vergleichen des basierend auf der erfassten induzierten Spannung ermittelten Kraftstoffdrucks mit dem von dem Drucksensor erfassten Kraftstoffdruck, und, – falls der ermittelte Kraftstoffdruck von dem gemessenen Kraftstoffdruck um mehr als einem vorgegebenen Schwellwert abweicht, Ausgeben einer Fehlermeldung.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kennfeld mittels eines Kalibrierverfahrens ermittelt wurde, welches aufweist: – Betreiben des Direkteinspritzventils (462) für verschiedene Kraftstoffdrücke, wobei für jeden Kraftstoffdruck eine induzierte Spannung gemessen wird, und – Speichern einer Mehrzahl von Wertepaaren (352), welche jeweils einen Druckwert und einem zugehörigen Spannungswert aufweisen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Direkteinspritzventil für verschiedene Kraftstoffdrücke unter vorgegeben konstanten Betriebsbedingungen betrieben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die konstanten Betriebsbedingungen definiert sind durch eine Beibehaltung – eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, – einer vorgegebenen Kühlwassertemperatur, – einer vorgegebenen Öltemperatur und/oder – einer vorgegebenen Temperatur für ein Steuergerät eines das Direkteinspritzventil (462) aufweisenden Verbrennungsmotors (461).
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner aufweisend: – Anpassen der in dem Kennfeld gespeicherten Wertepaare (352) durch eine Regressionskurve (350).
  10. Vorrichtung zum Ermitteln eines Kraftstoffdruckes, welcher an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil (462) anliegt, die Vorrichtung aufweisend: – eine Erfassungseinheit (465) zum Erfassen einer in dem Spulenantrieb induzierten Spannung innerhalb einer Zeitspanne, welche einen Schließzeitpunkt des Direkteinspritzventils umfasst, und – eine Auswerteeinheit (467) zum Ermitteln des Kraftstoffdruckes basierend auf der erfassten Spannung und auf einem vorbekannten Kennfeld von Maxima (231) von induzierten Spannungen und zugehörigen Kraftstoffdrücken.
  11. Common-Rail-System (460) für ein Kraftfahrzeug (463) mit einem Verbrennungsmotor (461), das Common-Rail-System (460) aufweisend: – zumindest ein Direkteinspritzventil (462) zum Einspritzen von Kraftstoff (476) in einen Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (461), und – eine Vorrichtung nach Anspruch 10.
  12. Kraftfahrzeug (463) mit einem Common-Rail-System (460) nach dem Anspruch 11.
  13. Computerprogramm zum Bestimmen eines Kraftstoffdruckes, welcher an einem einen Spulenantrieb aufweisenden Direkteinspritzventil (462) anliegt, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.
DE200910043124 2009-09-25 2009-09-25 Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines an einem Direkteinspritzventil anliegenden Kraftstoffdruckes Active DE102009043124B4 (de)

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