DE102010018290B4 - Elektrische Ansteuerung eines Ventils basierend auf einer Kenntnis des Schließzeitpunkts des Ventils - Google Patents

Elektrische Ansteuerung eines Ventils basierend auf einer Kenntnis des Schließzeitpunkts des Ventils Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor, das Verfahren aufweisend • Abschalten eines Stromflusses (400) durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, • Erfassen eines zeitlichen Verlaufs (410) einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, • Bestimmen des Schließzeitpunktes des Ventils basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (410) und • Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang basierend auf dem bestimmten Schließzeitpunkt, wobei das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs (410) der in der Spule induzierten Spannung mit einem Referenzspannungsverlauf (435) umfasst, welcher ermittelt wird, indem während einer Fixierung eines Magnetankers des Spulenantriebs in der geschlossenen Position des Ventils die in der stromlosen Spule induzierte Spannung erfasst wird, nachdem das Ventil wie im realen Betrieb elektrisch angesteuert wurde.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Spulenantrieben für ein Ventil, insbesondere für ein Direkteinspritzventil für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln einer Zeitdauer für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb auf- weisenden Ventils. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des genannten Verfahrens.
  • 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 bezeichnet wird, eingespritzt. Damit kann die einzuspritzende Kraftstoffmenge so bemessen werden, dass ein für die Abgas- nachbehandlung 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.
  • Die Druckschrift DE 103 56 858 A1 offenbart ein Betriebsverfahren für einen Piezoaktor eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: (a) Messung der anliegenden Spannung des Aktors während des Einspritzbetriebs, (b) Ermittlung einer Einspritzgröße, die das Einspritzverhalten wiedergibt, in Abhängigkeit von der gemessenen Betriebsgröße, (c) Vergleich des Verlaufs der Betriebsgröße mit einer gespeicherten Referenzkurve, und (d) Ermittlung der Einspritzgröße in Abhängigkeit von dem Vergleich.
  • Die Druckschrift DE 10 2006 002 893 B3 sieht vor, dass während einer Bewegung der Düsennadel hin zu ihrer Schließposition ein Freilauf-Betriebszustand gesteuert und ein Strom durch die Spule während des Freilaufs als Freilaufstrom erfasst wird. Es wird während der Bewegung der Düsennadel ein Bremsstrompuls eingeprägt.
  • Die Druckschrift DE 10 2005 032 087 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines indirekt angeriebenen Einspritzventils, mit einem Stellantrieb, mittels dessen eine Schaltstellung des Schaltventils einstellbar ist, und einer Düsennadel, deren Position abhängig von dem Druck in einem Steuerraum zwischen einer Schließposition und einer Offenposition einstellbar ist. Es wird eine Nadelschließzeitdauer ermittelt. Die Ansteuerzeitdauer des Stellantriebs wird abhängig von dieser Nadelschließzeitdauer angepasst.
  • Die Druckschrift DE 196 45 062 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung des Schließens einer Zylinderspulenvorrichtung mit zwei Zylinderspulen. Ein Haltestromsignals wird an der ersten Zylinderspule bereitgestellt und ein Zugstromsignal wird an der zweiten Zylinderspule bereitgestellt. Das Zugstromsignal weist eine Vielzahl von Stromspitzen mit zugehöriger Anstiegszeit auf. Die Anstiegszeiten werden gespeichert und das Haltestromsignal wird von der ersten Zylinderspule entfernt. Die Anstiegszeit jeder der Stromspitzen in der zweiten Zylinderspule wird gemessen und es wird bestimmt, wann diese Anstiegszeit gegenüber einer gespeicherten Anstiegszeit sich um einen vorbestimmten Betrag ändert. Wenn die Anstiegszeit einer Stromspitze im Wesentlichen zum selben Wert zurückkehrt, den die gespeicherte Anstiegszeit aufweist, wird dies als Schließposition angezeigt.
  • Die Druckschrift DE 196 11 885 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Schaltorgans. Ein erster Zeitpunkt und ein zweiter Zeitpunkt definieren ein Zeitfenster, innerhalb dessen der Spannungsverlauf ausgewertet wird, um einen Schaltzeitpunkt zu erkennen, bei dem der Anker eine neue Endposition annimmt. Das Zeitfenster wird vergrößert, wenn innerhalb des Zeitfensters kein zulässiger Schaltzeitpunkt erkannt wurde.
  • Die Druckschrift DE 101 50 199 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten. Die Magnetspannung wird mit einer Referenzspannung verglichen. Die verwendete Referenzspannung wird dadurch ermittelt, dass die Magnetspannung einer Filterung unterworfen wird.
  • Die Druckschrift DE 39 42 836 A1 offenbart ein Verfahren zur Bewegungs- und Lagezustandserkennung eines durch magnetische Wechselwirkung zwischen zwei Endpositionen beweglichen Bauteiles eines induktiven elektrischen Verbrauchers. Der gesamte zeitliche Verlauf des Ansteuerstromes wird in mehrere Zustände unterteilt. Durch die Auswertung dieser einzelnen Zustände ist eine umfangreiche Fehlerdiagnose sowie eine Einstellung von Betriebsparametern des induktiven elektrischen Verbrauchers auf Betriebsbedingungen möglich.
  • Die Druckschrift DE 38 43 138 A1 offenbart ein Verfahren zur Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans mit einer Erregerspule. Dabei wird zur Bewegung des Ankers in eine betätigbare Stellung eine Spannung an die Erregerwicklung gelegt und die Spannung vor Beginn der Bewegung des Ankers wird über einen Wert angehoben, bei dem der Anker in der betätigten Stellung verbleibt. Vor Beendigung der Bewegung des Ankers wird dieser auf einen definierten Wert gesenkt, der ausreicht, den Anker in der betätigten Stellung zu halten.
  • Die Druckschrift DE 34 26 799 A1 offenbart eine Einrichtung zur Regelung einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge. Die Einrichtung erfasst wenigstens den Einspritzbeginn und/oder das Einspritzende.
  • Hauptanforderung an das Einspritzventil ist neben Dichtheit gegen einen unkontrollierten Kraftstoffausfluss und der Strahlaufbereitung des einzuspritzenden Kraftstoffs auch eine exakte Zumessung einer vorgegebenen Soll-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. Dies bedeutet, dass für diese Einspritzmengen ein linearer Zusammenhang zwischen der elektrischen Ansteuerdauer (Ti) und der eingespritzten Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel (MFF) besteht.
  • Für Direkteinspritzventile mit Spulenantrieb beträgt die Mengenspreizung, welche bei konstantem Kraftstoffdruck als der Quotient zwischen der maximalen Kraftstoffmenge MFF_max und der minimalen Kraftstoffmenge MFF_min definiert ist, ungefähr 15. Für zukünftige Motoren mit dem Fokus auf einer Kohlendioxid-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 Einspritzmengen, die kleiner sind als MFF_min, 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 und damit auf Abweichungen vom nominalen Ansteuerstromprofil zurückzuführen.
  • Die elektrische Ansteuerung eines Direkteinspritzventils erfolgt typischerweise über eine stromgeregelte Vollbrücken-Endstufe. Unter den Randbedingungen einer Fahrzeuganwendung ist nur eine begrenzte Genauigkeit des Stromprofils, mit dem der Injektor beaufschlagt wird, erreichbar. Die dadurch auftretende Variation des Ansteuerstroms, sowie die Toleranzen am Injektor haben insbesondere im Bereich von MFF_min und darunter signifikante Auswirkungen auf die erreichbare Genauigkeit der Einspritzmenge.
  • Die Kennlinie eines Einspritzventils definiert den Zusammenhang zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge MFF und der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung sowie des Kraftstoffdrucks FUP (MFF = f(Ti, FUP)). Die Invertierung dieser Beziehung Ti = g(MFF_SP, FUP) wird in der Motorsteuerung genutzt, um die Soll-Kraftstoffmenge (MFF_SP) in die erforderliche Einspritzzeit umzurechnen. Die in diese Berechnung zusätzlichen eingehenden Einflussgrößen wie zum Beispiel der Zylinderinnendruck während des Einspritzvorgangs, Kraftstofftemperatur sowie mögliche Variationen der Versorgungsspannung werden hier zur Vereinfachung weggelassen.
  • 1a zeigt die Kennlinie eines Direkteinspritzventils. Dabei ist die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF in Abhängigkeit von der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung aufgetragen. Wie aus 1a ersichtlich, ergibt sich für Zeitdauern Ti größer als Ti_min ein in sehr guter Näherung linearer Arbeitsbereich. Dies bedeutet, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF direkt proportional zu der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung ist. Für Zeitdauern Ti kleiner als Ti_min ergibt sich ein stark nicht lineares Verhalten. In dem dargestellten Beispiel ist Ti_min ungefähr 0,5 ms.
  • Die Steigung der Kennlinie im linearen Arbeitsbereich entspricht dem statischen Durchfluss des Einspritzventils, d. h. der Kraftstoffdurchflussrate, die bei vollständigem Ventilhub dauerhaft erreicht wird. Die Ursache für das nicht lineare Verhalten für Zeitdauern Ti kleiner als ungefähr 0,5 ms bzw. für Kraftstoffmengen MFF < MFF_min liegt insbesondere in der Trägheit eines Injektor-Federmassesystems sowie dem zeitlichen Verhalten beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes durch eine Spule, welches Magnetfeld die Ventilnadel des Einspritzventils betätigt. Durch diese dynamischen Effekte wird in dem sog. ballistischen Bereich der vollständige Ventilhub nicht mehr erreicht. Dies bedeutet, dass das Ventil wieder geschlossen wird, bevor die konstruktiv vorgegebene Endposition, welche den maximalen Ventilhub definiert, erreicht wurde.
  • Um eine definierte und reproduzierbare Einspritzmenge zu gewährleisten, werden Direkteinspritzventile üblicherweise in ihrem linearen Arbeitsbereich betrieben. Derzeit ist ein Betrieb im nicht-linearen Bereich nicht möglich, da es aufgrund der oben erwähnten Toleranzen im Stromverlauf bzw. im Stromprofil und von mechanischen Toleranzen von Einspritzventilen (z. B. Vorspannkraft der Schließfeder, Hub der Ventilnadel, innere Reibung im Anker/Nadelsystem) zu einem signifikanten systematischen Fehler der Einspritzmenge kommt. Für einen zuverlässigen Betrieb eines Einspritzventils ergibt sich daraus eine minimale Kraftstoffmenge MFF_min pro Einspritzpuls, welche mindestens gegeben sein muss, um die gewünschte Einspritzmenge mengengenau realisieren zu können. In dem In 1a dargestellten Beispiel ist diese minimale Kraftstoffmenge MFF_min etwas kleiner als 5 mg.
  • 1b zeigt für den nicht-linearen Betriebsbeteich für verschieden starke relative Fehler im Stromprofil die jeweilige Abweichung der Einspritzmenge relativ zum nominalen Stromprofil (ΔI = 0%). Die verschiedenen relativen Fehler im Stromprofil betragen dabei –10%, –5%, –2,5%, +2,5%, +5% und +10%. Im nicht dargestellten linearen Bereich, der bei Ti = Ti_min = 0,5 ms beginnt, wirkt sich ein Fehler im Stromprofil nur schwach auf die Mengengenauigkeit aus. Ab Ti < Ti_min bzw. MFF < MFF_min steigt der Mengenfehler jedoch signifikant an. Insbesondere für Einspritzzeiten im ballistischen Bereich kommt es zu signifikanten Fehlern bei der Mengengenauigkeit.
  • 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. Die Verstärkungsspannung wird üblicherweise durch einen DC/DC-Wandler zur Verfügung gestellt.
  • 2 zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil I (dicke durchgezogene Linie) für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb. 2 zeigt ferner die entsprechende Spannung U (dünne durchgezogene Linie), die an den 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 2 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 den Wert ”Null” ansteigt. Der Injektor schließt nach Abbau der Magnetkraft über die Federkraft und die durch den Kraftstoffdruck verursachte hydraulische Kraft.
  • Die beschriebene Ansteuerung eines Einspritzventils hat den Nachteil, dass der genaue Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils bzw. des Injektor in der ”open coil” Phase nicht bestimmt werden kann. Da eine Variation der Einspritzmenge mit der daraus resultierenden Variation des Schließzeitpunktes korreliert, ergibt sich durch das Fehlen dieser Information insbesondere bei sehr geringen Einspritzmengen, die kleiner als MFF_min sind, eine beträchtliche Unsicherheit bzgl. der tatsächlich in den Brennraum eines Kraftfahrzeugmotors eingebrachten Kraftstoffmenge.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ansteuerung eines Einspritzventils dahingehend zu verbessern, dass insbesondere bei geringen bei Einspritzmengen eine größere Mengengenauigkeit erreicht werden kann.
  • 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 einer Zeitdauer für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils beschrieben. Das Ventil ist insbesondere ein Direkteinspritzventil für einen Verbrennungsmotor. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, (b) ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, (c) ein Bestimmen des Schließzeitpunktes des Ventils basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf und (d) ein Ermitteln einer Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang basierend auf dem bestimmten Schließzeitpunkt.
  • Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignete Transformation der elektrischen Ansteuerdaten unter Einbeziehung des zuvor bestimmten Schließzeitpunktes das Ventil die Ansteuerung des Ventils verbessert werden kann. Dadurch kann insbesondere bei geringen Einspritzmengen eine größere Mengengenauigkeit erreicht werden.
  • Die Bestimmung des Schließzeitpunkts kann insbesondere auf dem Effekt beruhen, dass nach dem Abschalten des Stromflusses bzw. des Ansteuerstromes die Schließbewegung eines Magnetankers und einer damit verbundenen Ventilnadel des Spulenantriebs zu einer geschwindigkeitsabhängigen Beeinflussung der an der Spule anliegenden Spannung (Injektorspannung) führt. Bei einem spulengetriebenen Ventil kommt es nämlich nach dem Abschalten des Ansteuerstromes zu einem Abbau der Magnetkraft. Durch eine Federvorspannung und eine an dem Ventil anliegende hydraulische Kraft (verursacht z. B. durch einen Kraftstoffdruck) ergibt sich eine resultierende Kraft, welche den Magnetanker und die Ventilnadel in Richtung des Ventilsitzes beschleunigt. Unmittelbar vor dem Aufschlag auf den Ventilsitz erreichen Magnetanker und Ventilnadel ihre maximale Geschwindigkeit. Mit dieser Geschwindigkeit vergrößert sich dann auch der Luftspalt zwischen einem Kern der Spule und dem Magnetanker. Aufgrund der Bewegung des Magnetankers und der damit einhergehenden Luftspalterhöhung führt der remanente Magnetismus des Magnetankers zu einer Spannungsinduktion in der Spule. Die maximal auftretende Bewegungs-Induktionsspannung kennzeichnet dann die maximale Geschwindigkeit der Magnetnadel und damit den Zeitpunkt des mechanischen Schließens des Ventils.
  • Der Spannungsverlauf der in der stromlosen Spule induzierten Spannung wird somit zumindest teilweise durch die Bewegung des Magnetankers bestimmt. Durch eine geeignete Auswertung des zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung kann zumindest in guter Näherung der Anteil ermittelt werden, der auf der Relativbewegung zwischen Magnetanker und Spule basiert. Auf diese Weise werden automatisch auch Informationen über den Bewegungsverlauf gewonnen, welche genaue Rückschlüsse über den Zeitpunkt der maximalen Geschwindigkeit und damit auch über den Zeitpunkt des Schließens des Ventils zulassen.
  • Die Kenntnis des mechanischen Schließzeitpunktes erlaubt die Bestimmung einer sog. Injektorschließzeit Tclose, welche als die Zeitdifferenz zwischen dem Abschalten des Ansteuerstroms bzw. Injektorstroms und dem detektiertem Schließen des Ventils bzw. der Ventilnadel definiert ist.
  • Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass es online in einem Motorsteuergerät durchgeführt werden kann. Sollte sich beispielsweise durch die oben erwähnten Toleranzen des Einspritzventils und der Ansteuerelektronik das Ventilschließverhalten ändern, so wird bei dem beschriebenen Schließzeit-Punkt-Detektionsverfahren diese Änderung automatisch erkannt und kann durch eine geänderte Ansteuerung entsprechend kompensiert werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass es zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens nicht erforderlich ist, die gesamte Dynamik des Schließvorgangs des Ventils zu bestimmen. Zur Optimierung der Ventilansteuerung kann erfindungsgemäß lediglich der Schließzeitpunkt bestimmt werden. Dadurch werden die Anforderungen an die Rechenleistung eines Motorsteuergerätes in vorteilhafter Weise reduziert.
  • Es wird ferner darauf hingewiesen, dass sich die beschriebene Zeitdauer von einer bekannten Zeitdauer für die zeitliche Ansteuerung eines Einspritzventils dadurch unterscheidet, dass bei der beschriebenen Zeitdauer eine zuvor eingeholte Erkenntnis über den tatsächlichen Schließzeitpunkt des Ventils berücksichtigt ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Berechnen der zeitlichen Ableitung des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der stromlosen Spule induzierten Spannung auf. Der Schließzeitpunkt kann dabei durch ein lokales Minimum in der zeitlichen Ableitung des induzierten Spannungsverlaufs bestimmt sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das Berechnen auf ein Zeitintervall beschränkt sein kann, in dem der erwartete Schließzeitpunkt liegt. Dadurch kann der für das beschriebene Verfahren erforderliche Rechenaufwand auf einfache Weise reduziert werden.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung mit einem Referenzspannungsverlauf.
  • Der Referenzspannungsverlauf kann dabei derart gewählt sein, dass er den Anteil an der induzierten Spannung beschreibt, der durch abklingende Wirbelströme im Magnetkreis des Spulenantriebs verursacht wird. Dadurch können besonders genaue Informationen über die tatsächliche Bewegung des Magnetankers gewonnen werden. Das Vergleichen kann beispielsweise eine einfache Differenzbildung zwischen der in der Spule induzierten Spannung und dem Referenzspannungsverlauf umfassen.
  • Auch hier kann sich das Vergleichen auf ein Zeitintervall beschränken, in dem der erwartete Schließzeitpunkt liegt.
  • Erfindungsgemäß wird der Referenzspannungsverlauf ermittelt, indem während einer Fixierung eines Magnetankers des Spulenantriebs in der geschlossenen Position des Ventils die in der stromlosen Spule induzierte Spannung erfasst wird, nachdem das Ventil wie im realen Betrieb elektrisch angesteuert wurde.
  • Da hierbei eine Bewegung des Magnetankers unterbunden ist, charakterisiert der Referenzspannungsverlauf ausschließlich die durch abklingende Wirbelströme in dem Magnetanker in der Spule induzierte Spannung. Im realen Betrieb repräsentiert die Differenz zwischen dem zeitlichen Verlauf der in der stromlosen Spule induzierten Spannung und der derart bestimmten Referenzspannung somit in sehr guter Näherung den Bewegungsanteil der induzierten Spannung, der von der Relativbewegung zwischen dem Magnetanker und der Spule verursacht wird. Dadurch kann der Schließzeitpunkt mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Der Referenzspannungsverlauf kann beispielsweise durch Parameter eines mathematischen Referenzmodells beschrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Verfahren durch einen in geeigneter Weise programmierten Mikrocontroller durchgeführt werden kann. Es sind auf vorteilhafte Weise keine oder lediglich sehr geringe Änderungen an einer aus dem Stand der Technik bekannten Hardware für die elektrische Ansteuerung eines Ventils erforderlich.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Vergleichen (a) einer zeitlichen Ableitung des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung mit (b) einer zeitlichen Ableitung des Referenzspannungsverlaufs auf. Dabei kann beispielsweise die Differenz zwischen (a) der zeitlichen Ableitung des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung und (b) der zeitlichen Ableitung des Referenzspannungsverlaufs berechnet werden.
  • Der Schließzeitpunkt kann dann durch ein lokales Maximum oder durch ein lokales Minimum (je nach Vorzeichen der Differenzbildung) bestimmt sein. Auch hier kann sich die Auswertung, welche sowohl das Berechnen der beiden zeitlichen Ableitungen als auch die Differenzbildung umfasst, auf ein Zeitintervall beschränken, in dem der erwartete Schließzeitpunkt liegt. Gleiches kann für einen ggf. vorhandenen weiteren Schließzeitpunkt nach einem Prellvorgang gelten.
  • Der Referenzspannungsverlauf kann durch eine elektronische Schaltung nachgebildet sein. Eine derartige elektronische Schaltung kann verschiedene Komponenten oder Module wie beispielsweise ein Referenzgeneratormodul, eine Subtraktionsmodul und ein Auswertemodul aufweisen.
  • Das Referenzgeneratormodul kann beispielsweise ein Referenzsignal erzeugen, welches die durch die abklingenden Wirbelströme in der stromlosen Spule induzierte und exponentiell abklingende Spulenspannungzeitsynchron zum Stromabschaltvorgang der Spule nachbildet. Das Subtraktionsmodul dient der Differenzbildung von Spulenspannung und Referenzsignal, um den durch die abklingenden Wirbelströme induzierten Spannungsanteil des Spulensignals zu eliminieren. Dadurch verbleibt im Wesentlichen der bewegungsinduzierte Anteil der Spulenspannung. Das Auswertemodul kann das Maximum des bewegungsinduzierten Anteils der Spulenspannung erkennen, welches den Schließzeitpunkt des Injektors indiziert.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner ein Ansteuern des Ventils basierend auf der ermittelten Zeitdauer auf.
  • Die ermittelte Zeitdauer kann wie eine herkömmliche Zeitdauer für die zeitliche Ansteuerung eines Einspritzventils in einer Motorsteuerung als Kennfeld abgelegt werden. Ein Kennfeld kann neben der beschriebenen Zeitdauer für die elektrische Ansteuerung noch weitere Einflussgrößen wie zum Beispiel (a) ein Mengensollwert für die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs, (b) ein eingangsseitig an dem Ventil anliegender Kraftstoffdruck, (c) ein Zylinderinnendruck während der Einspritzung und/oder (d) die Temperatur des mit dem Ventil eingespritzten Kraftstoffs sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das beschriebene Verfahren parallel für verschiedene Einspritzventile eines Motors durchgeführt werden kann. Die verschiedenen Einspritzventile können dabei einem oder mehreren Zylindern zugeordnet sein. Im Falle der parallelen Ansteuerung von mehreren Einspritzventilen mittels einer Motorsteuerung können die entsprechenden Daten auch in mehreren Kennfeldern abgelegt sein, wobei jeweils ein Kennfeld einem Eispritzventil zugeordnet ist. Dadurch kann für jedes Eispritzventil eine individuelle Ansteuerung erfolgen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt das Ermitteln der Zeitdauer mittels einer iterativen Prozedur für eine Abfolge von verschiedenen Einspritzpulsen. Bei dieser Prozedur wird ein Korrekturwert für die Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt in Abhängigkeit von (a) einem Korrekturwert für die Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen vorhergehenden Einspritzvorgang und (b) einer Zeitdifferenz zwischen (b1) einer nominalen effektiven Zeitdauer für die elektrische Ansteuerung des Ventils, und (b2) einer individuellen effektiven Zeitdauer für die elektrische Ansteuerung des Ventils für den vorhergehenden Einspritzvorgang. Die individuelle effektive Zeitdauer ergibt sich hierbei aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der elektrischen Ansteuerung des Ventils für den vorhergehenden Einspritzvorgang und dem bestimmten Schließzeitpunkt für den vorhergehenden Einspritzvorgang.
  • Unter dem Begriff nominale effektive Zeitdauer ist dabei eine für den verwendeten Typ von Einspritzventil charakteristische Zeitdauer zu verstehen. Daher kann die nominale effektive Zeitdauer auch als die effektive Einspritzzeit eines baugleichen Einspritzventils verstanden werden, welche sich aus der Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung eines baugleichen Einspritzventils und der Schließzeit Tclose ergibt. Dabei ist die Schließzeit Tclose durch die Zeitdifferenz zwischen dem Abschalten des Ansteuerstroms und dem bestimmten Schließen des Ventils bzw. der Ventilnadel des baugleichen Einspritzventils definiert.
  • Die nominale effektive Zeitdauer kann im Vorfeld experimentell mittels einer typischen Injektorendstufe mit nominalem Verhalten und mittels eines baugleichen Einspritzventils mit nominalem Verhalten bestimmt werden. Die individuelle effektive Zeitdauer kann, wie oben beschrieben, basierend auf dem bestimmten Schließzeitpunkt für die elektrische Ansteuerung bestimmt werden.
  • Anschaulich ausgedrückt wird bei dem beschriebenen Verfahren die Information ”Injektorschließzeit” genutzt, um die Abweichung der real eingespritzten Kraftstoffmenge von der über den Sollwert MFF_SP definierten nominalen einzuspritzenden Kraftstoffmenge zu erfassen und die elektrische Ansteuerdauer des Einspritzventils über einen Korrekturwert so anzupassen, dass die Abweichung von der nominalen Kraftstoffmenge minimiert wird. Durch dieses Verfahren kann insbesondere für Einspritzmengen, die kleiner sind als die minimale Kraftstoffmenge MFF_min, die Genauigkeit der Einspritzmenge deutlich verbessert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Zeitdifferenz zwischen der nominalen effektiven Zeitdauer und der individuellen effektiven Zeitdauer mit einem Wichtungsfaktor gewichtet. Dieser Wichtungsfaktor kann über ein Kennfeld von den aktuellen Betriebsbedingungen abhängen. Eine Ermittlung der Abhängigkeit kann offline auf Basis von experimentellen Untersuchungen erfolgen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zeitdauer für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor, beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Abschalteinheit zum Abschalten eines Stromflusses durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, (b) eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung und (c) eine Auswerteeinheit, eingerichtet (c1) zum Bestimmen des Schließzeitpunktes des Ventils basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf und (c2) zum Ermitteln einer Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang basierend auf dem bestimmten Schließzeitpunkt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zum Ermitteln einer Zeitdauer für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor, beschrieben. Das Computerprogramm ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des oben genannten Verfahrens eingerichtet.
  • Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramm 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. mittels 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.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
  • Weitere Vorteile und Merkmale 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.
  • 1a zeigt die Kennlinie eines bekannten Direkteinspritzventils, dargestellt in einem Diagramm, in dem die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF in Abhängigkeit von der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung aufgetragen ist.
  • 1b zeigt für verschieden starke Fehler im Stromprofil die jeweilige Abweichung der Einspritzmenge relativ zum nominalen Stromprofil.
  • 2 zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil und den entsprechenden Spannungsverlauf für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb.
  • 3a zeigt in Übereinstimmung mit 1b die Auswirkungen von Systemtoleranzen auf die Einspritzgenauigkeit in Abhängigkeit der Ansteuerdauer Ti.
  • 3b zeigt das Messergebnis aus 3a, wobei die Abszisse nach einer Transformation der Ansteuerdauer Ti hin zu einer effektiven Ansteuerdauer, bei der die gemessene Schließzeit des Injektors berücksichtigt ist.
  • 4a zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts basierend auf einer zeitlichen Ableitung des in der Spule induzierten Spannungsverlaufes.
  • 4b zeigt eine Detektion des Schließzeitpunkts unter Verwendung eines Referenzspannungsverlaufs, welches den Induktionseffekt in der Spule aufgrund des Abklingens von Wirbelströmen in dem Magnetanker charakterisiert.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zum elektrischen Ansteuern eines Ventils basierend auf einer Kenntnis des Schließzeitpunkts des Ventils.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
  • 3a zeigt in Übereinstimmung mit 1b die Auswirkungen von Systemtoleranzen auf die Einspritzgenauigkeit in Abhängigkeit der Ansteuerdauer Ti. Dargestellt ist die Auswirkung einer Variation des Stromprofils ausgehend von der nominalen Ansteuerung in je zwei Schritten hin zu höheren und niedrigeren Stromniveaus. Diese Variation über jeweils 5 verschiedene Stromniveaus wurde für einen ersten Injektor mit minimaler Toleranzlage und einen zweiten Injektor mit maximaler Toleranzlage durchgeführt. In Summe ergeben sich also so für jede Einspritzzeit 10 Messpunkte. Die Messpunkte für den ersten Injektor sind mit Dreiecken dargestellt, deren Spitze nach unten zeigt. Die Messpunkte für den zweiten Injektor sind mit Dreiecken dargestellt, deren Spitze nach oben zeigt. Man erkennt deutlich, dass für Ansteuerdauern Ti im ballistischen Bereich eine sehr große Mengenstreuung resultiert. Die beobachtete Variation erlaubt keinen stabilen und emissionsoptimierten Motorbetrieb im ballistischen Bereich.
  • 3b zeigt das Messergebnis aus 3a, wobei die Abszisse nach einer Transformation der Ansteuerdauer Ti hin zu einer effektiven Ansteuerdauer, bei der die gemessene Schließzeit des Injektors berücksichtigt ist, modifiziert ist. Auf der Ordinate ist wie bei 3a die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel (MFF) aufgetragen. Die verwendete Transformation ist durch die folgende Gleichung (1) beschrieben: Ti_eff = Ti + Tclose (1)
  • Ti_eff ist dabei die effektive Ansteuerdauer des Einspritzventils. Ti ist die verwendete elektrische Ansteuerdauer und Tclose ist die bestimmte Schließzeit des Injektors. Wie bereits oben beschrieben, ist die Schließzeit Tclose definiert als die Zeitdifferenz zwischen dem Abschalten des Ansteuerstroms und dem detektiertem Schließen des Ventils.
  • Wie aus der transformierten 3b ersichtlich, werden bei der Darstellung MET als Funktion von Ti_eff die in 3a beobachtbaren Mengenstreuungen in sehr guter Näherung eliminiert. Diesem Verhalten liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass insbesondere im ballistischem Bereich, die betrachteten systematischen Systemtoleranzen (Stromgenauigkeit der Injektor-Endstufe sowie mechanische Toleranzen des Injektors) das Schließen des Injektors und damit die gemessene Schließzeit Tclose beeinflussen. Da die Schließzeit Tclose mit dem Mengenverhalten korreliert, kann durch Einbeziehen dieser Information die Auswirkung von Mengenstreuungen weitgehend eliminiert werden.
  • Das in dieser Anmeldung beschriebene und für die Optimierung der Ventilansteuerung verwendete Schließzeitpunkt-Detektionsverfahren beruht auf folgenden physikalischen Effekten, die in der Abschalt-Phase eines Einspritzventils auftreten:
    • 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 2 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 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 den Wert ”Null” ansteigt. Die zeitliche Lage dieses Effektes ist in 2 mit ”III” gekennzeichnet.
    • 4. Unmittelbar vor dem Aufschlag der Ventilnadel in den Ventilsitzes 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 Spannungsinduktion in der Spule. Die auftretende maximale Induktionsspannung kennzeichnet die maximale Geschwindigkeit des Magnetankers (und auch der verbundenen Ventilnadel) und damit den Zeitpunkt des mechanischen Schließens der Ventilnadel. 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 2 mit ”IV” gekennzeichnet.
    • 5. Nach dem mechanischen Schließen der Ventilnadel erfolgt häufig 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 2 mit ”V” gekennzeichnet.
  • Das in dieser Anmeldung beschriebene Verfahren basiert nun darauf, aus dem induzierten Spannungsverlauf in der Abschalt-Phase den Schließzeitpunkt des Einspritzventils zu detektieren. Wie nachfolgend im Detail erläutert, kann diese Detektion mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt werden.
  • 4a zeigt verschiedene Signalverläufe am Ende der Halte-Phase und in der Abschalt-Phase. 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 400 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 410. Das Spannungssignal 410 ist in der Einheit 10 Volt dargestellt. Man sieht am Spannungssignal 410, 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 420 versehene Kurve stellt die zeitliche Ableitung des Spannungssignals 410 dar. In dieser Ableitung 420 ist der Schließzeitpunkt an einem lokalen Minimum 421 erkennbar. Nach dem Rückprellvorgang ist ein weiterer Schließzeitpunkt an einem weiteren Minimum 422 zu erkennen.
  • Auch wenn es zum Verständnis der Erfindung nur vergleichsweise wenig beägt, ist in 4a ferner einer Kurve 430 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 430 auf den Wert ”Null” ein.
  • Um die für die Durchführung des beschriebenen Schließzeitpunkt-Detektionsverfahrens erforderliche Rechenleistung zu reduzieren, kann die Bestimmung der Ableitung 420 auch lediglich innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls durchgeführt werden, welches den erwarteten Schließzeitpunkt enthält.
  • Definiert man beispielsweise ein Zeitintervall I mit der Breite 2Δt um den erwarteten Schließzeitpunkt tClose_Expected, so gilt für den tatsächlichen Schließzeitpunkt tClose: I = [tClose_Expected – Δt, tClose_Expected + Δt] (2) Umin = min{dU(t)/dt|t ∊ I} tclose = {t ∊ I|U(t) = Umin}
  • Wie oben bereits angedeutet kann dieser Ansatz erweitert werden, um das erneute Schließen des Ventils aufgrund einer prellenden Ventilnadel zu einem Zeitpunkt tClose_Bounce zu detektieren. Dazu definiert man ein Zeitintervall mit der Breite 2ΔtBounce um den Zeitpunkt tClose_Bounce_Expected des erwarteten Schließens nach dem ersten Prellvorgang. Der Zeitpunkt tClose_Bounce_Expected wird relativ zum Schließzeitpunkt tclose über tClose_Bounce_Expected festgelegt. IBounce = [tclose + tClose_Bounce_Expected – ΔtBounce, tclose + tClose_Bounce_Expected + ΔtBounce] (3) Umin_Bounce = min{dU(t)/dt|t ∊ IBounce} tclose_Bounce = {t ∊ IBounce|U(t) = Umin_Bounce}
  • 4b 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 4b ist ebenso wie in 4a das Ende der Halte-Phase und die Abschalt-Phase dargestellt. Der gemessene Spannungsverlauf 410, 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 4a.
  • Auch der Spulenstrom 400 ist im Vergleich zu 4a unverändert.
  • Idee ist es nun, den Anteil an dem Spannungssignal 410, 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 435 dargestellt. Durch eine Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen dem gemessenen Spannungsverlauf 410 und dem Referenzspannungssignal 435 kann man den Induktionseffekt aufgrund von abklingenden Wirbelströmen eliminieren. Das Differenzspannungssignal 440 charakterisiert somit den bewegungsbezogenen Induktionseffekt und ist ein direktes Maß für die Geschwindigkeit des Magnetankers und der Ventilnadel. Das Maximum 441 des Differenzspannungssignals 440 charakterisiert die maximale Magnetanker- bzw. Ventilnadel-Geschwindigkeit, welche unmittelbar vor dem Auftreffen der Nadel auf den Ventilsitz erreicht wird. Somit kann das Maximum 441 des Differenzspannungssignals dazu verwendet werden um den tatsächlichen Schließzeitpunkt zu bestimmen.
  • Als Beispiel wird im Folgenden ein einfaches phänomenologisches Referenzmodell angeführt. Das Referenzmodell kann online in der elektronischen Motorsteuerung gerechnet werden. Es sind jedoch auch andere physikalische Modellansätze denkbar.
  • Das Referenzmodell wird gestartet (t = 0) sobald oder nachdem die Selbstinduktionsspannung die Rekuperationsspannung nicht mehr übersteigt, jedoch vor Erreichen von tClose_Expected, und somit kein Strom mehr durch die Spule fließt. Die Spule befindet sich dann elektrisch im ”open coil” Betrieb. Der Referenzspannungsverlauf 435 wird für einen Referenzinjektor am Einspritzprüfstand bei einem Kraftstoffdruck, der größer ist als der maximale Öffnungsdruck, vermessen. Der Injektor wird dabei trotz elektrischer Ansteuerung hydraulisch in einer geschlossenen Position geklemmt. Der dabei gemessene Spannungsverlauf (nicht dargestellt, jedoch bis auf Modellungenauigkeiten identisch zu 435) in der Abschaltphase charakterisiert daher ausschließlich den durch exponentiell abklingende Wirbelströme induzierten Spannungsanteil.
  • Der bzw. die Modellparameter des Referenzmodells können anschließend im offline Betrieb so optimiert werden, dass eine möglichst gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Spannungsverlauf 435 erzielt wird. Dies kann in bekannter Weise über die Minimierung eines Gütemaßes durch ein Gradienten-Suchverfahren erreicht werden.
  • Allgemein ergibt sich für die modellierte Referenzspannung UINJ_MDL ein zeitabhängiges Modell mit den Parametern eines gemessenen Spannungsstartwertes UStart aus Abschaltphase, dem elektrischem Widerstand und dem Temperaturverhalten des magnetischen Materials RMAG_Material(ϑ) in dem die Wirbelströme fließen sowie dem Stromwert Ihold in der Haltephase zum Zeitpunkt des Abschaltens. Dieses kann mathematisch durch folgende Gleichung beschrieben werden: UINJ_MDL(t) = f(UStart, RMAG_Material(ϑ), Ihold) (4)
  • Eine einfache Realisierung kann durch folgendes Modell erreicht werden. Die Zeitkonstante mit den Abhängigkeiten Injektortemperatur ϑ und Ihold wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Kennfeld abgelegt. UINJ_MDL(t) = Ustart·[1 – exp{t/τ(ϑ, Ihold)}] (5)
  • Der Schließzeitpunkt ergibt sich wie oben aus der Bestimmung des lokalen Maximums der Spannungsdifferenz 440 zwischen dem Referenzmodell 435 und der gemessenen Induktionsspannung 410. Diese Auswertung kann wiederum im Zeitintervall I mit der Breite 2ΔtBounce um den erwarteten Schließzeitpunkt tClose_Expected stattfinden. I = [tClose_Expected – Δt, tClose_Expected + Δt] (6) Udiff_max = max{UINJ_MDL(t) – UINJ_MES(t)|t ∊ I} tclose = {t ∊ I|[UINJ_MDL(t) – UINJ_MES(t)] = Udiff_max}
  • Dabei steht UINJ_MES(t) für das gemessene Spannungssignal 410.
  • Wie bereits oben gezeigt, lässt sich der Algorithmus durch Definition eines geeigneten Beobachtungszeitintervalls erweitern, um das erneute Schließen des Injektors zum Zeitpunkt tClose_Bounce aufgrund einer prellenden Injektornadel zu detektieren.
  • Im Folgenden wird eine optimierte Sollwert-Bestimmung für die elektrische Ansteuerung eines Einspritzventils zur Verbesserung der Mengengenauigkeit beschrieben:
    Gemäß dem Stand der Technik wird die elektrische Ansteuerdauer Ti in einer Motorsteuerung als ein Kennfeld bzw. bei mehreren Einspritzventilen als ein Satz von verschiedenen Kennfeldern abgelegt. Zusätzlich zu dem sog. Kraftstoffmengensollwert MFF_SP und dem Kraftstoffdruck FUP werden als zusätzliche Einflussgrößen der während der Einspritzung anliegende Zylinderinnendruck PZyl und die Kraftstofftemperatur ϑKraftstoff berücksichtigt. Dies ist in Gleichung (7) beschrieben: Ti = f1(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff)(7)
  • In Vorbereitung zu dem in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren wird nun zusätzlich auch noch ein Kennfeld für den Sollwert Ti_eff_sp für die in Gleichung (1) definierte effektive Ansteuerdauer bzw. tatsächliche Einspritzdauer eingeführt. Diese Beziehung wird im Vorfeld anhand einer Injektorendstufe und eines Injektors mit nominalem Verhalten experimentell bestimmt. Dabei wird anhand von 3b der Wert Ti_eff_sp als Funktion von dem Sollwert MFF_SP, welcher die nominal einzuspritzende Kraftstoffmenge definiert, ermittelt. Der Sollwert Ti_eff_sp ergibt sich mit der folgenden Gleichung (8): Ti_eff_sp = f2(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff) (8)
  • Im Folgenden wird die Nutzung der anhand von Gleichung (8) definierten Führungsgröße Ti_eff_sp für einen geregelten Betrieb eines Einspritzventils zur Verbesserung der Mengengenauigkeit beschrieben:
    Zunächst wird unter Verwendung von Gleichung (8) das reale Mengenverhalten MFF durch die gemessene effektive Einspritzdauer Ti_eff bestimmt. Eine Abweichung von der nominalen Kraftstoffmenge MFF_SP wird über eine Abweichung von Ti_eff vom Nominalwert Ti_eff_sp erkannt.
  • 5 zeigt einen Algorithmus für einen geregelten Betrieb eines Einspritzventils. Der Algorithmus kann für jeden Injektor XInj individuell durchgeführt werden. Das den Algorithmus beschreibende Ablaufdiagramm beginnt mit einem Schritt 552 beim N-ten Einspritzpuls. Der Wert N wird im Folgenden als tiefgestellter Index verwendet.
  • Schritt 552:
  • In dem Schritt 552 werden Sollwerte für (A) die Ansteuerdauer TiN und (B) die nominale eff. Zeitdauer Ti_eff_spN ermittelt.
    • (A) Die Ansteuerdauer TiN für den N-ten Einspritzpuls ergibt sich dabei aus folgender Gleichung (9): TiN = f1(.) + fAdaption(.)N-1 (9) Dabei gilt f1(.) = f1(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff) (vgl. o. g. Gleichung (7)) und fAdaption(.)N-1 = fAdaption(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff, XInj)N-1
  • Das Adaptionskennfeld fAdaption wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in der Motorsteuerung online adaptiert. Bei einem neuen Einspritzsystem (N = 1), bei dem im nichtflüchtigem Speicher der Motorsteuerung noch keine Werte gespeichert sind, erfolgt keine Korrektur der Einspritzzeit, da noch keine Korrekturen gelernt wurden. Dies bedeutet, dass fAdaption den Wert Null hat.
    • (B) Der Sollwert für die nominale effektive Zeitdauer Ti_eff_spN für den N-ten Einspritzpuls ergibt sich aus der o. g. Gleichung (8): Ti_eff_spN = f2(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff)N (10)
  • Schritt 554:
  • In dem Schritt 554 wird basierend auf den bestimmten Werten für TiN und Ti_eff_spN der N-te Einspritzvorgang an Injektor XInj ausgeführt.
  • Schritt 556:
  • In dem Schritt 556 wird mit dem oben im Detail erläuterten Verfahren die Schließzeit TcloseN bestimmt bzw. gemessen.
  • Schritt 558:
  • In dem Schritt 558 wird für den jeweiligen Injektor die individuelle effektive Ansteuerdauer Ti_effN für den durchgeführten N-ten Einspritzvorgang berechnet. Dies erfolgt entsprechend der o. g. Gleichung (1): Ti_effN = TiN + TcloseN (11)
  • Schritt 560:
  • In dem Schritt 560 wird die Abweichung ΔTiN berechnet. Dabei gilt: ΔTiN = Ti_eff_spN – Ti_effN (12)
  • Schritt 562:
  • In dem Schritt 562 wird ein neuer Adaptionswert fAdaption(.)N für einen nächsten Einspritzvorgang berechnet. Der neue Adaptionswert fAdaption(.)N ergibt sich in rekursiver Weise aus der folgenden Gleichung (13): fAdaption(.)N = c·ΔTiN + fAdaption(.)N-1 (13)
  • Dabei gilt fAdaption(.)N = fAdaption(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff, XInj)N und fAdaption(.)N-1 = fAdaption(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff, XInj)N-1
  • Dies bedeutet, dass der Adaptionswert fAdaption in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen gelernt wird.
  • Der Wichtungsfaktor c kann über ein Kennfeld von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängen. Die Ermittlung der Abhängigkeit von c erfolgt bevorzugt offline auf Basis von experimentellen Untersuchungen. Dies bedeutet, dass folgendes gilt: c = f3(MFF_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff) (14)
  • Er wird bemerkt, dass eine direkte zeitdiskrete Regelung nicht durchgeführt werden kann, da die ermittelte Regelabweichung ΔTiN nur für die bei diesem Einspritzpuls auftretenden Betriebsbedingungen gültig ist. Aus diesem Grund ist eine Adaption in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen erforderlich.
  • Schritt 564:
  • In dem Schritt 564 wird der Index N auf den neuen aktuellen Index N + 1 geändert. Das Verfahren wird mit dem oben beschriebenen Schritt 552 weitergeführt.
  • Um bei jedem Motorstart jeden Einspritzimpuls mit einer sehr hohen Mengengenauigkeit von Beginn an auszuführen zu können, kann für jeden Injektor das Adaptionskennfeld fAdaption(MFFS_SP, FUP, PZyl, ϑKraftstoff, XInj) zylinderindividuell während des Nachlaufs der Motorsteuerung im nichtflüchtigem Speicher der Motorsteuerung gespeichert werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass es für den Betrieb mit Mehrfacheinspritzung erforderlich ist, dass die Adaption fAdaption nicht nur individuell für jeden Injektor, sondern auch individuell für jeden Einspritzpuls durchgeführt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 400
    Spulenstrom [A]
    410
    Spannungssignal [10 V]
    420
    zeitliche Ableitung Spannungssignal [V/ms]
    421
    lokales Minimum/Schließzeitpunkt
    422
    weiteres lokales Minimum/weiterer Schließzeitpunkt
    430
    Kraftstoffdurchfluss [g/s]
    435
    Referenzspannungssignal [10 V]
    440
    Differenzspannungssignal [V]
    441
    Maximum des Differenzspannungssignals
    552
    erster Schritt
    554
    zweiter Schritt
    556
    dritter Schritt
    558
    vierter Schritt
    560
    fünfter Schritt
    562
    sechster Schritt
    564
    siebter Schritt

Claims (8)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor, das Verfahren aufweisend • Abschalten eines Stromflusses (400) durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, • Erfassen eines zeitlichen Verlaufs (410) einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, • Bestimmen des Schließzeitpunktes des Ventils basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (410) und • Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang basierend auf dem bestimmten Schließzeitpunkt, wobei das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs (410) der in der Spule induzierten Spannung mit einem Referenzspannungsverlauf (435) umfasst, welcher ermittelt wird, indem während einer Fixierung eines Magnetankers des Spulenantriebs in der geschlossenen Position des Ventils die in der stromlosen Spule induzierte Spannung erfasst wird, nachdem das Ventil wie im realen Betrieb elektrisch angesteuert wurde.
  2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Berechnen der zeitlichen Ableitung (420) des erfassten zeitlichen Verlaufs (410) der in der stromlosen Spule induzierten Spannung aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Vergleichen (a) einer zeitlichen Ableitung (420) des erfassten zeitlichen Verlaufs der in der Spule induzierten Spannung mit (b) einer zeitlichen Ableitung des Referenzspannungsverlaufs aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend • Ansteuern des Ventils basierend auf der ermittelten Zeitdauer (TiN).
  5. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Ermitteln der Zeitdauer (TiN) mittels einer iterativen Prozedur für eine Abfolge von verschiedenen Einspritzpulsen erfolgt, bei welcher Prozedur ein Korrekturwert (fAdaption(.)N) für die Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang bestimmt wird in Abhängigkeit von (a) einem Korrekturwert für die Zeitdauer der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen vorhergehenden Einspritzvorgang und (b) einer Zeitdifferenz (ΔTiN) zwischen (b1) einer nominalen effektiven Zeitdauer (Ti_eff_spN) für die elektrische Ansteuerung des Ventils, und (b2) einer individuellen effektiven Zeitdauer (Ti_effN) für die elektrische Ansteuerung des Ventils für den vorhergehenden Einspritzvorgang, wobei sich die individuelle effektive Zeitdauer (Ti_effN) aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der elektrischen Ansteuerung des Ventils für den vorhergehenden Einspritzvorgang und dem bestimmten Schließzeitpunkt für den vorhergehenden Einspritzvorgang ergibt.
  6. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Zeitdifferenz (ΔTiN) zwischen der nominalen effektiven Zeitdauer und der individuellen effektiven Zeitdauer mit einem Wichtungsfaktor (c) gewichtet wird.
  7. Vorrichtung zum Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor, die Vorrichtung aufweisend • eine Abschalteinheit zum Abschalten eines Stromflusses (400) durch eine Spule des Spulenantriebs, so dass die Spule stromlos ist, • eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufs (410) einer in der stromlosen Spule induzierten Spannung, • eine Auswerteeinheit, eingerichtet zum Bestimmen des Schließzeitpunktes des Ventils basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf (410) und zum Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) der elektrischen Ansteuerung des Ventils für einen künftigen Einspritzvorgang basierend auf dem bestimmten Schließzeitpunkt, wobei das Bestimmen des Schließzeitpunktes ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs (410) der in der Spule induzierten Spannung mit einem Referenzspannungsverlauf (435) umfasst, und • eine Einrichtung zum Ermitteln des Referenzspannungsverlaufes (435), welche derart eingerichtet ist, dass während einer Fixierung eines Magnetankers des Spulenantriebs in der geschlossenen Position des Ventils die in der stromlosen Spule induzierte Spannung erfassbar ist, nachdem das Ventil wie im realen Betrieb elektrisch angesteuert wurde.
  8. Computerprogramm zum Ermitteln einer Zeitdauer (TiN) für eine elektrische Ansteuerung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Verbrennungsmotor, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
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