DE102009047453A1 - Magnetic valve i.e. injection valve, operating method for internal combustion engine, involves obtaining movement end information of armature and/or valve needle, where subsequent control of valve depends upon obtained information - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for operating a solenoid valve according to the preamble of
In der Patentschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, ein Computerprogramm und ein elektrisches Speichermedium nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.The problem underlying the invention is solved by a method according to
Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass eine Anschlagsgeschwindigkeit eines Magnetankers, bzw. einer Ventilnadel verringert wird, was zu einer verringerten Geräuschemission und geringerem Verschleiß führt. Das Verfahren ist auf viele Arten von schaltbaren Magnetventilen anwendbar und außerdem nicht auf Ventile zur Kraftstoffdirekteinspritzung beschränkt. Durch eine Verknüpfung von mechanischen und elektrischen Größen beim Betrieb des Magnetventils werden Informationen gewonnen, um das Magnetventil nachfolgend verändert – nämlich mit verringerter Anschlagsgeschwindigkeit – anzusteuern. Auf diese Weise wird die Ansteuerung des Magnetventils verbessert.An advantage of the method is that a velocity of attack of a magnet armature, or a valve needle is reduced, which leads to a reduced noise emission and less wear. The method is applicable to many types of switchable solenoid valves and is not limited to direct fuel injection valves. Through a combination of mechanical and electrical variables in the operation of the solenoid valve information is obtained to the solenoid valve subsequently changed - namely with reduced velocity attack - to control. In this way, the control of the solenoid valve is improved.
Ein Magnetventil, insbesondere ein Einspritzventil einer Kraftstoffeinspritzanlage weist ein Ventilelement auf, welches eine Ventilnadel und einen mittels eines Elektromagneten bewegbaren Ankers umfasst. Dabei wird eine Öffnungsbewegung des Ankers durch einen Hubanschlag begrenzt. Erfindungsgemäß wird eine Information über das Bewegungsende (Aufprallinformation) des Ankers und/oder der Ventilnadel am Ende einer Öffnungsbewegung gewonnen. Dies geschieht, indem Ströme und/oder Spannungen einer Ankerwicklung gemessen und ausgewertet werden. Diese Informationen werden dazu benutzt, eine Ansteuerung des Magnetventils im selben Zyklus oder in nachfolgenden Zyklen aufgrund der gewonnen Aufprallinformation zu modifizieren. Insbesondere wird der Vorgang des Öffnens des Magnetventils ausgewertet und eingestellt. Beispielsweise kann an die Ankerwicklung eine Spannung gelegt und der Strom der Ankerwicklung gemessen werden. Oder umgekehrt kann ein Strom in die Ankerwicklung geprägt werden, und die Spannung der Ankerwicklung bestimmt werden. Dieses Vorgehen ist auch möglich, wenn die Ansteuerung des Ankers einen rampenförmigen Verlauf von Spannungen oder Strömen beinhaltet.A solenoid valve, in particular an injection valve of a fuel injection system, has a valve element which comprises a valve needle and an armature which can be moved by means of an electromagnet. In this case, an opening movement of the armature is limited by a stroke stop. According to the invention, information about the end of movement (impact information) of the armature and / or the valve needle is obtained at the end of an opening movement. This is done by measuring and evaluating currents and / or voltages of an armature winding. This information is used to modify a drive of the solenoid valve in the same cycle or in subsequent cycles due to the obtained impact information. In particular, the process of opening the solenoid valve is evaluated and set. For example, a voltage can be applied to the armature winding and the current of the armature winding can be measured. Or conversely, a current can be embossed into the armature winding, and the voltage of the armature winding can be determined. This procedure is also possible if the activation of the armature involves a ramp-like course of voltages or currents.
Nachfolgend wird der Hubanschlag des Ankers bei einem Öffnen des Magnetventils auch als ein oberer Hubanschlag, und entsprechend bei einem Schließen auch als ein unterer Hubanschlag bezeichnet.Hereinafter, the stroke stop of the armature when opening the solenoid valve is also referred to as an upper stroke stop, and correspondingly when closing also as a lower stroke stop.
Magnetventile zur Kraftstoffeinspritzung sind beispielsweise in zwei Gruppen unterteilbar. Eine erste Gruppe besitzt ein fest verbundenes System aus Anker und Ventilnadel, das heißt, beide Elemente sind nur gemeinsam bewegbar. Bei einer zweiten Gruppe ist die Bewegung der Ventilnadel nur teilweise zwingend an die Bewegung des Magnetankers gekoppelt, so dass bei einer Öffnungsbewegung des Magnetventils der Anker gegen einen Hubanschlag bewegt wird, die Ventilnadel jedoch ein Stück über diesen Anschlagpunkt hinaus schwingen kann und anschließend mittels Federkraft wieder auf den Anker zurückprallt. Insbesondere verändert die Bewegung des Magnetankers das von der Ankerwicklung erzeugte Magnetfeld. Daher lässt sich beispielsweise ein Aufprall des Ankers auf den Hubanschlag über eine Auswertung eines Ankerstromes oder einer Ankerspannung bestimmen. Somit wird eine schlagartige Änderung der Ankerbewegung messbar. Aus den erhaltenen elektrischen Signalen kann daher auf den Zeitpunkt und die Stärke des Ankeraufpralls rückgeschlossen werden.Solenoid valves for fuel injection can be subdivided, for example, into two groups. A first group has a fixed system of armature and valve needle, that is, both elements are only movable together. In a second group, the movement of the valve needle is only partially necessarily coupled to the movement of the magnet armature, so that during an opening movement of the solenoid valve, the armature is moved against a stroke stop, but the valve needle can swing beyond this stop point and then again by spring force rebounding on the anchor. In particular, the movement of the magnet armature changes the magnetic field generated by the armature winding. Therefore, for example, an impact of the armature on the stroke stop can be determined by evaluating an armature current or an armature voltage. Thus, a sudden change in the armature movement becomes measurable. From the obtained electrical signals can therefore be deduced the time and strength of the anchor impact.
Bei Magnetventilen, bei denen die Ventilnadel teilweise unabhängig vom Anker beweglich ist (so genannter Ankerfreiweg), lässt sich eine weitere Information nutzen. Je nach einer Anschlagsgeschwindigkeit des Ankers an den oberen Hubanschlag schwingt die Ventilnadel über den oberen Hubanschlag hinaus und wird schließlich von einer Feder auf den Anker zurück gedrückt. Im Augenblick des Aufprallens der Ventilnadel auf den Anker erfährt dieser einen mechanischen Impuls und wird ein geringes Stück in eine Gegenrichtung bewegt, bevor er wieder durch das Magnetfeld an den oberen Hubanschlag gezogen wird. Die Bewegung des Ankers sowie die auftretende Beschleunigung führen zu einer Veränderung des Magnetfeldes der Ankerwicklung und daraus folgend zu Änderungen der elektrischen Signale an der Ankerwicklung. Die auf diese Weise erhaltenen Aufprallinformationen des Ankers sowie der Ventilnadel werden gemeinsam oder alternativ benutzt, um die Ansteuerung der Ankerwicklung nachfolgend zu verändern. Diese Veränderung kann den restlichen Verlauf eines aktuellen Öffnungs- und Schließzyklus des Magnetventils betreffen, und/oder nachfolgende Öffnungs- und Schließzyklen.In solenoid valves, where the valve needle is partially movable independently of the armature (so-called anchor free travel), can use a further information. Depending on a velocity of the anchor to the top Stroke stop swings the valve needle beyond the upper stroke stop and is finally pushed back onto the anchor by a spring. At the moment of impact of the valve needle on the armature, this undergoes a mechanical impulse and is moved a small distance in an opposite direction, before being pulled again by the magnetic field to the upper stroke stop. The movement of the armature and the acceleration occurring lead to a change in the magnetic field of the armature winding and consequent changes in the electrical signals at the armature winding. The thus obtained impact information of the armature and the valve needle are used together or alternatively, to subsequently change the control of the armature winding. This change may relate to the remaining course of a current opening and closing cycle of the solenoid valve, and / or subsequent opening and closing cycles.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Änderung der Ansteuerung nur so weit erfolgt, dass noch eine Aufprallinformation erhalten werden kann. Auf diese Weise bleibt das erfindungsgemäße Verfahren kontrollierbar. Der Hubanschlag des Ankers bzw. das Rückprallen der Nadel auf den Anker erzeugen Veränderungen in den elektrischen Signalen der Ankerwicklung. Diese Veränderungen fallen umso schwächer aus, je geringer die Geschwindigkeit des Ankers, bzw. der Ventilnadel wird. Deshalb ist es nicht möglich, die Geschwindigkeit, mit welcher der obere Hubanschlag erreicht wird, beliebig abzusenken. Weil nämlich das Merkmal in den elektrischen Signalen der Ankerwicklung mit abnehmender Aufprallgeschwindigkeit ebenfalls kleiner wird und schließlich verschwindet, kann ein im Grenzfall sehr langsames Auftreffen des Ankers auf den oberen Hubanschlag nicht mehr von einem nicht vollständigen Öffnen des Magnetventils unterschieden werden. Daher wird eine erste Einschaltphase (Boost-Phase) wenigstens so stark ausgelegt, dass der Aufprall des Ankers auf den oberen Hubanschlag in den Signalen der Ankerwicklung noch erkennbar ist. Spätestens dann, wenn weder der Aufprall des Ankers auf den oberen Hubanschlag noch der Rückprall der Ventilnadel auf den Anker erkennbare elektrische Signale liefern, wird die Ansteuerung der Ankerwicklung nicht weiter vermindert, sondern statt dessen wieder leicht erhöht. Dies betrifft insbesondere Modifikationen der Ansteuerung, die aus einer Beobachtung mehrerer voran gegangener Öffnungs- und Schließzyklen abgeleitet werden.Furthermore, it is proposed that a change in the control takes place only so far that an impact information can still be obtained. In this way, the inventive method remains controllable. The stroke stop of the armature or the rebounding of the needle onto the armature produce changes in the electrical signals of the armature winding. These changes are all the weaker, the lower the speed of the armature, or the valve needle is. Therefore, it is not possible to arbitrarily lower the speed with which the upper stroke stop is reached. Because the characteristic in the armature winding electrical signals also decreases with decreasing impact velocity and eventually disappears, a very slow impact of the armature on the upper stroke stop can no longer be distinguished from incomplete opening of the solenoid valve. Therefore, a first switch-on (boost phase) is designed at least so strong that the impact of the armature on the upper stroke stop in the signals of the armature winding is still recognizable. At the latest when neither the impact of the armature on the upper stroke stop nor the rebound of the valve needle to the armature detectable electrical signals, the control of the armature winding is not further reduced, but instead slightly increased again. This relates in particular to modifications of the drive, which are derived from observation of several preceding opening and closing cycles.
Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt besonders vorteilhaft, wenn die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers am Hubanschlag und/oder der Ventilnadel am Anker sukzessive reduziert wird, bis sie einen Grenzwert erreicht. Dies ist steuerungstechnisch einfach zu realisieren. Der Grenzwert kann beispielsweise bedeuten, dass gerade noch eine verwertbare Aufprallinformation erhalten werden kann. Ergänzend kann es sinnvoll sein, den Zeitpunkt eines Ansteuerbeginns des Magnetventils mit zu erfassen. Auf diese Weise lässt sich ein Zeitverzug zwischen dem Ansteuerbeginn und dem Zeitpunkt des oberen Hubanschlags des Ankers bestimmen. Diese Größe ergibt eines zusätzliche Möglichkeit, um das Betriebsverhalten des Magnetventils zu beurteilen.The inventive method is particularly advantageous if the impact velocity of the armature on the stroke stop and / or the valve needle at the anchor is successively reduced until it reaches a limit. This is easy to implement in terms of control engineering. The limit value may mean, for example, that just a usable impact information can still be obtained. In addition, it may be useful to detect the time of a control start of the solenoid valve with. In this way, a time delay between the control start and the time of the upper stroke stop of the armature can be determined. This size provides an additional way to assess the performance of the solenoid valve.
Ergänzend oder alternativ wird vorgeschlagen, dass ein Überschwingen der Ventilnadel nach dem Aufprall des Ankers am Hubanschlag sukzessive reduziert wird, bis es einen Grenzwert erreicht. Dies ist steuerungstechnisch einfach zu realisieren.Additionally or alternatively, it is proposed that an overshoot of the valve needle after the impact of the armature on the stroke stop is successively reduced until it reaches a limit. This is easy to implement in terms of control engineering.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine nachfolgende Ansteuerung von einem vorhergehenden Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt des Aufpralls des Ankers am Hubanschlag und dem Zeitpunkt des Aufpralls der Ventilnadel am Anker abhängt. Es wird also eine Art iteratives Verfahren vorgeschlagen, welches den Betrieb des Magnetventils laufend optimieren kann. Auch kann aufgrund mehrerer voran gegangener Öffnungs- und Schließzyklen beispielsweise eine gemittelte Information erhalten werden, welche zu einer veränderten Voreinstellung für nachfolgende Öffnungs- und Schließzyklen verwendet wird. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert.An embodiment of the invention provides that a subsequent activation of a preceding period of time between the time of impact of the armature on the stroke stop and the time of impact of the valve needle at the anchor depends. It is therefore proposed a kind of iterative method, which can optimize the operation of the solenoid valve continuously. Also, due to several preceding opening and closing cycles, for example, averaged information can be obtained which is used for an altered presetting for subsequent opening and closing cycles. This improves the reliability of the method according to the invention.
Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass der Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt des Aufpralls des Ankers am Hubanschlag und dem Zeitpunkt des Aufpralls der Ventilnadel am Anker sukzessive reduziert wird, bis er einen Grenzwert erreicht. Das Überschwingen der Ventilnadel hängt in Stärke und Dauer (so genannte Flug- oder Überhubzeit) von der Ansteuerung der Ankerwicklung ab. Die Ansteuerung kann in einzelnen Schritten verändert werden, um den Grenzwert möglichst genau anzunähern. Insbesondere kann eine Kenntnis diese Zeitraums dazu verwendet werden, um die Geräuschemission des Magnetventils schrittweise weiter zu reduzieren.Furthermore, the inventive method provides that the period between the time of impact of the armature on the stroke stop and the time of impact of the valve needle at the armature is successively reduced until it reaches a limit. The overshoot of the valve needle depends on the strength and duration (so-called flight or overtravel) from the control of the armature winding. The control can be changed in individual steps to approximate the limit as closely as possible. In particular, a knowledge of this period can be used to gradually reduce the noise emission of the solenoid valve on.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet besser, wenn die Ansteuerung eine Phase mit vergleichsweise niedrigem Stromniveau aufweist, welches dazu dient, die Ventilnadel in der geöffneten Position zu halten, und dass das Stromniveau, die Ansteuerdauer und/oder der Ansteuerbeginn dieser Phase von der Aufprallinformation abhängt. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass das Magnetventil in einer ersten Ansteuerphase eine besonders hohe Energie benötigt, um den Anker zu beschleunigen und gegen den oberen Hubanschlag zu drücken. Für einen Rest des Öffnungsintervalls hingegen wird nur eine vergleichsweise niedrige Halteenergie benötigt. Dabei ist es günstig, die Höhe dieser Halteenergie (Stromniveau) von einer zuvor erhaltenen Aufprallinformation abhängig zu machen. Bei einer zu frühen oder zu starken Zuführung von Halteenergie (Wiederbestromung) kann die Anschlagsgeschwindigkeit des Ankers am oberen Hubanschlag ansteigen, bei einer zu späten oder zu schwachen Wiederbestromung kann es zu einem Zurückfallen und erneuten Anschlagen des Ankers kommen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, dass die Ankerwicklung weder unnötig belastet wird noch die Gefahr besteht, dass der Anker von seinem oberen Hubanschlag zurückfällt und das Ventil zumindest teilweise von der erreichten Öffnungsposition abkehrt.The inventive method works better when the drive has a phase with a comparatively low current level, which serves to keep the valve needle in the open position, and that the current level, the drive duration and / or the start of this phase depends on the impact information. It is based on the consideration that the solenoid valve in a first activation phase requires a particularly high energy to accelerate the armature and press against the upper stroke stop. For a remainder of the opening interval, however, only a comparatively low holding energy is needed. It is favorable, the amount of this holding energy (current level) of a previously obtained impact information to make dependent. Too early or too strong a supply of holding energy (Wiederbestromung), the velocity of attack of the anchor at the upper stroke stop may increase, too late or too weak re-energization may lead to a falling back and re-striking the anchor. The inventive measures it is achieved that the armature winding is not unnecessarily burdened nor the risk that the armature falls from its upper stroke stop and the valve at least partially turns away from the reached opening position.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine optimale Ansteuerung auf der Basis vorher erfasster Informationen extrapoliert wird. Dadurch wird es mittels messungsbasierter Extrapolationen möglich, optimale Ansteuerungen zu erzeugen, die einerseits zwar keine Aufprallinformation mehr liefern, andererseits aber noch ein sicheres Öffnen und Offenhalten des Magnetventils bewirken. Wie aus der Mathematik und der Technik bekannt, werden bei Extrapolationen zwei oder mehr Mess- beziehungsweise Funktionswerte aus einem gesicherten Intervall benutzt, um einen Verlauf für ein nicht gesichertes Intervall abzuschätzen. Im erfindungsgemäßen Verfahren bedeutet das nicht gesicherte Intervall einen Bereich ohne genügende Aufprallinformationen.An embodiment of the method provides that an optimal control is extrapolated on the basis of previously acquired information. As a result, it is possible by means of measurement-based extrapolations to produce optimum control systems which on the one hand no longer provide any impact information but on the other hand still effect a safe opening and keeping the solenoid valve open. As is known in mathematics and engineering, extrapolations use two or more measurement or function values from a saved interval to estimate a history for an unsecured interval. In the method according to the invention, the unsecured interval means an area without sufficient impact information.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be explained with reference to the drawings. In the drawing show:
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.The same reference numerals are used for functionally equivalent elements and sizes in all figures, even in different embodiments.
Am in der Zeichnung unteren Ende des Injektors
Bei Bestromung der Ankerwicklung
Man erkennt, dass die Bewegung der Ventilnadel
Zum Zeitpunkt
Zunächst zum Verlauf gemäß der Kurven
Nun zu den Kurven
Der dritte Verlauf des Stroms
Erreicht wird dieses Verhalten dadurch, indem in einem ersten Schritt eine Bestromung ähnlich der Kurve
Abhängig von der gewonnenen Information wird das Ansteuersignal in einem dritten Schritt so geändert, dass die Stärke des Aufpralls etwas abnimmt. Dieses Verfahren wird für nachfolgende Ansteuerungen solange wiederholt, bis die Stärke des Anschlagens des Ankers am Anschlag
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