DE102010063009B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung einer Bewegung eines Kraftstoffinjektors mittels Erfassung und Auswertung einer magnetischen Hysteresekurve - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung einer Bewegung eines Kraftstoffinjektors mittels Erfassung und Auswertung einer magnetischen Hysteresekurve Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend
Erfassen eines Stromverlaufs durch eine Spule des Spulenantriebs,
Erfassen eines Spannungsverlaufs einer an der Spule anliegenden Spannung,
Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf,
Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit einer ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (110), welche für einen in einer ersten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist, und
Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns der Bewegung basierend auf dem Vergleich der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (110).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren, welche einen mit einer Ventilnadel mechanisch gekoppelten magnetischen Anker und einen, eine Spule aufweisenden Spulenantrieb zum Bewegen des magnetischen Ankers aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer Bewegung eines Kraftstoffinjektors, ein Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes einer Bewegung eines Kraftstoffinjektors sowie ein Verfahren zum Charakterisieren einer Bewegung eines Kraftstoffinjektors. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges.
  • Beim Betrieb insbesondere von direkt angetriebenen Kraftstoffinjektoren, welche einen mit einer Ventilnadel mechanisch gekoppelten magnetischen Anker und einen eine Spule aufweisenden Spulenantrieb zum Bewegen des magnetischen Ankers aufweisen, mit gleichen Strom/Spannungsparametern kommt es aufgrund von elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Toleranzen zu einem unterschiedlichen zeitlichen Öffnungs-/ und Schließverhalten der individuellen Kraftstoffinjektoren. Diese wiederum führt zu unerwünschten Injektor-individuellen Variationen in der Menge des tatsächlich eingespritzten Kraftstoffs.
  • Die relativen Einspritzmengenunterschiede von Kraftstoffinjektor zu Kraftstoffinj ektor vergrößern sich jedoch bei kürzer werdenden Einspritzzeiten und damit bei geringen Einspritzmengen. Für moderne Motoren ist es bereits wichtig und für zukünftige Motorengenerationen wird es in Anbetracht einer weiteren Reduzierung von Schadstoffemissionen noch wichtiger sein, dass auch bei geringen einzuspritzenden Kraftstoffmengen eine hohe Mengengenauigkeit gewährleistet werden kann. Eine hohe Mengengenauigkeit kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn das tatsächlich Bewegungsverhalten der Ventilnadel bzw. des magnetischen Ankers insbesondere während des Öffnungsvorgangs und des Schließvorgangs bekannt ist.
  • In der DE 600 30 611 T2 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer statischen Position eines Ankers einer elektronisch gesteuerten Elektromagneteinheit beschrieben, das Verfahren beinhaltet folgendes:
    • - Bereitstellen einer elektronisch gesteuerten Elektromagneteinheit mit einem ersten Stator und einer ersten Spule, die funktionsmäßig mit dem ersten Stator verbunden ist,
    • - einen zweiten Stator in einer zweiten Spule, die funktionsmäßig mit dem zweiten Stator verbunden ist, und
    • - einen Anker, der zum Ausführen einer Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Stator angeordnet ist, wobei der Anker einen Magnetkreis mit dem ersten und dem zweiten Stator und ihren zugeordneten Spulen definiert.
  • Es wird eine Flussänderungsrate eines Magnetkreises durch eine Rampenfunktion des Flusses bewirkt, der in einer im Allgemeinen linearen Weise über eine bestimmte Zeit hinweg jeder Spule zugeordnet wird. Es wird eine Normalposition des Ankers definiert, wobei der Strom in beiden Spulen im Wesentlichen gleich ist. Es wird eine Stromanstiegsgeschwindigkeit beobachtet in jeder der beiden Spulen, die von der Flussänderungsrate durch eine Rampenfunktion herrührt und ein Versatzwert jeder Stromanstiegsgeschwindigkeit registriert aus der Stromanstiegsgeschwindigkeit, wenn sich der Anker in der nominalen Position befindet und die statische Position des Ankers aus den Versatzwerten ermittelt.
  • Aus der DE 38 43 138 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorganes mit einer Erregerspule bekannt. Dieses Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - zur Bewegung des Ankers in eine betätigbare Stellung wird ein Strom oder eine Spannung an die Erregerwicklung gelegt, der Strom oder die Spannung wird vor Beginn der Bewegung des Ankers über einen Wert angehoben, bei dem der Anker in der betätigten Stellung verbleibt, und vor Beendigung der Bewegung des Ankers auf einen definierten Wert gesenkt, der ausreicht den Anker in der betätigten Stellung zu halten. Schließlich werden die zeitlichen Änderungen des Stroms oder der Spannung nach Einstellung des definierten Werts zur Erkennung des Endes der Ankerbewegung erfasst.
  • Die WO 2009/ 074 397 A1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einspritzventil mit einem elektrisch angesteuerten Aktor, wobei das Einspritzventil zumindest in einem Bereich einer Einspritzzeitdauer zwischen einer unteren Grenze und einer oberen Grenze einen nichtlinearen Verlauf der Beziehung zwischen Einspritzzeitdauer und Einspritzmenge aufweist. Aus einer erforderlichen Kraftstoffmasse wird eine Einspritzzeitdauer ermittelt und bei einer erforderlichen Einspritzzeitdauer im Bereich zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze eine Einspritzzeitdauer mit einem Wert außerhalb des Bereiches zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze ausgegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne einen zusätzlichen apparativen Aufwand das Bewegungsverhalten eines Kraftstoffinjektors zu charakterisieren. 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 Zeitpunkts des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) Erfassen eines Stromverlaufs durch eine Spule des Spulenantriebs, (b) Erfassen eines Spannungsverlaufs einer an der Spule anliegenden Spannung, (c) Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf, (d) Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve mit einer ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve, welche für einen in einer ersten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist, und (e) Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns der Bewegung basierend auf dem Vergleich der bestimmten magnetischen Hysteresekurve mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve.
  • Dem beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Bewegungsbeginns liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der im realen Betrieb eines Kraftstoffinjektors auftretende Hystereseverlauf in einem Hysteresediagramm zwischen zwei Grenz-Hysteresekurven, einer ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve und einer zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve bewegen wird. Dabei kann die erste vorgegebene magnetische Hysteresekurve die Magnetisierung bzw. die magnetische Flussdichte innerhalb der Spule bei einem ersten stationären geometrischen Zustand des Kraftstoffinj ektors beschreiben, welcher dann vorliegt, wenn der Kraftstoffinjektor in einer ersten Endposition fixiert ist und der Spulenantrieb eine erste Induktivität aufweist. In diesem Zusammenang wird davon ausgegangen, dass magnetische Streufelder, welcher ein Magnetfeld außerhalb der Spule verursachen, in der Regel in guter Näherung vernachlässigt werden können. In entsprechender Weise beschreibt die zweite vorgegebene magnetische Hysteresekurve die Magnetisierung bzw. die magnetische Flussdichte innerhalb der Spule bei einem zweiten stationären geometrischen Zustand des Kraftstoffinjektors, welcher dann vorliegt, wenn der Kraftstoffinjektor in einer zweiten Endposition fixiert ist und der Spulenantrieb eine zweite Induktivität aufweist, welche unterschiedlich zu der ersten Induktivität ist. Dabei kann die Induktivität des Spulenantriebs insbesondere durch die Größe eines Luftspaltes zwischen einem Anker des Spulenantriebs und einem Ankersitz bestimmt sein, wobei bei einem geschlossenen Kraftstoffinjektor der Luftspalt typischerweise maximal und bei einem geschlossenen Kraftstoffinjektor der Luftspalt typischerweise minimal ist.
  • Durch einen Vergleich der während eines Bewegungsvorgangs auftretenden magnetischen Hysteresekurve mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve kann somit der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem sich der Kraftstoffinjektor beginnt zu bewegen. Insbesondere kann der Beginn der Bewegung durch denjenigen Zeitpunkt definiert sein, zu dem sich die bestimmte magnetische Hysteresekurve beginnt von der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve zu unterscheiden, nachdem die bestimmte magnetische Hysteresekurve zu Beginn der Ansteuerung der Spule mit einem Strom und vor dem Beginn der Bewegung für eine gewisse Zeitdauer mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve zusammengefallen ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die magnetische Hysteresekurve für den in seiner ersten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor Injektor-individuell beispielsweise in einem Teststand bestimmt werden kann. Die entsprechenden Messdaten können dann in einer elektronischen Motorsteuerung hinterlegt werden.
  • Bei einigen Arten von Kraftstoffinj ektoren kann die Fixierung des Kraftstoffinjektors in seiner Schließposition beispielsweise mittels eines besonders hohen hydraulischen Kraftstoffdrucks erreicht werden, welcher trotz Beaufschlagung des Spulenantriebs mit einem geeigneten realen Ansteuersignal bzw. einem geeigneten eingestellten Stromprofil eine Öffnung des Kraftstoffinjektors verhindert. In diesem Fall spricht man von einem hydraulisch geklemmten Kraftstoffinjektor.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass auch eine mechanische Fixierung eines Kraftstoffinjektors in der Schließposition oder in der Öffnungsposition möglich ist. Eine mechanische Klemmung kann z.B. mittels Verschrauben, Schweißen, Klemmen etc. erreicht werden.
  • In diesem Dokument wird unter einer magnetischen Hysteresekurve insbesondere diejenige Funktion verstanden, welche die Magnetisierung bzw. die magnetische Flussdichte des Spulentriebs, ggf. unter Berücksichtigung von magnetischen Materialien des gesamten Kraftstoffinjektors, in Anhängigkeit des Magnetfeldes beschreibt, welches von der Spule erzeugt wird und welches in bekannter Weise lediglich von der Geometriee der Spule, insbesondere von der Windungsanzahl, und von der Stärke des durch die Spule fließenden Stromes bestimmt wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve ein Überprüfen, ob zu dem ermittelten Zeitpunkt des Beginns der Bewegung die Differenz zwischen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve und der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve größer ist als ein vorbestimmter erster Schwellenwert.
  • Anschaulich gesprochen kann dies bedeuten, dass als Beginn der Bewegung derjenige Zeitpunkt angenommen wird, zu dem der Unterschied zwischen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve und der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve größer wird als der vorbestimmte erste Schwellenwert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) Erfassen eines Stromverlaufs durch eine Spule des Spulenantriebs, (b) Erfassen eines Spannungsverlaufs einer an der Spule anliegenden Spannung, (c) Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf, (d) Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve mit einer zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve, welche für einen in einer zweiten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist, und (e) Ermitteln des Zeitpunkts des Endes der Bewegung basierend auf dem Vergleich der bestimmten magnetischen Hysteresekurve mit der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve.
  • Auch dem beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Bewegungsendes liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der im realen Betrieb eines Kraftstoffinjektors auftretende magnetische Hystereseverlauf in einem Hysteresediagramm zwischen der o.g. ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve und der o. g. zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve bewegen wird. Durch einen Vergleich der während eines Bewegungsvorgangs auftretenden magnetischen Hysteresekurve mit der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve kann somit der Zeitpunkt bestimmt werden, an dem eine Bewegung des Kraftstoffinjektors endet, so dass sich der Spulenantrieb in seiner entsprechenden Endposition befindet. Insbesondere kann das Ende des Bewegungsvorgangs durch denjenigen Zeitpunkt definiert sein, ab dem die bestimmte magnetische Hysteresekurve beginnt, mit der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve zusammen zu fallen, nachdem die bestimmte magnetische Hysteresekurve zu Beginn der Ansteuerung und vor dem Beginn der Bewegung für eine gewisse Zeitdauer mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve zusammengefallen ist und danach zwischen der ersten und der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve verlaufen ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die magnetische Hysteresekurve für den in der Endposition fixierten Kraftstoffinjektor Injektor-individuell beispielsweise in einem Testprüfstand bestimmt werden kann. Die entsprechenden Messdaten können dann in einer elektronischen Motorsteuerung hinterlegt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve mit der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve ein Überprüfen, ob zu dem ermittelten Zeitpunkt des Endes der Bewegung die Differenz zwischen der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve und der bestimmten magnetischen Hysteresekurve kleiner ist als ein vorbestimmter zweiter Schwellenwert.
  • Anschaulich gesprochen kann dies bedeuten, dass als Ende der Bewegung derjenige Zeitpunkt angenommen werden kann, zu dem der Unterschied zwischen der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve und der bestimmten magnetischen Hysteresekurve kleiner als der vorbestimmte zweite Schwellenwert geworden ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf ein Integrieren des erfassten Spannungsverlaufs über die Zeit auf. Dies hat den Vorteil, dass mittels einer einfachen mathematischen Operation, welche in bekannter Weise auch durch eine geeignete elektronische Schaltung vorgenommen werden kann, eine Größe bestimmt werden kann, die zu der magnetischen Flussdichte B proportional ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die an den beiden Spulenanschlüssen anliegende Spannung direkt proportional zu der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses ist (U ~ dϕ/dt) ist, wobei sich der magnetische Fluss aus dem Flächenintegral über die magnetische Flussdichte ergibt (ϕ ~ ∫BdA). Unter der in guter Näherung zutreffenden Annahme, dass (a) die magnetische Flussdichte innerhalb der Spulenfläche Fläche A konstant ist und dass (b) sich die Fläche A zeitlich nicht ändert, gilt: ϕ ~ B.A. Durch eine zeitliche Integration ergibt sich damit folgender Zusammenhang: JU dt ~ ϕ ~ B.A. Somit kann durch eine zeitliche Integration der an der Spule des Spulenantriebs anliegenden Spannung eine Größe ermittelt werden, welche direkt proportional zu der magnetischen Flussdichte B ist. Da ferner das Magnetfeld einer Spule direkt proportional zu der Stärke des Stromflusses durch die Spule ist, kann somit auf einfache und effektive Weise die Magnetisierungskurve bzw. die magnetische Hysteresekurve des sich bewegenden Kraftstoffinjektors bestimmt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Bewegung eine Öffnungsbewegung ist, die erste Endposition eine Schließposition und die zweite Endposition eine Öffnungsposition. Alternativ ist die Bewegung eine Schließbewegung, die erste Endposition eine Öffnungsposition und die zweite Endposition eine Schließposition. Das beschriebene Verfahren kann somit sowohl für eine genaue Charakterisierung des Öffnungsvorgangs als auch für eine genaue Charakterisierung des Schließvorgangs eines Kraftstoffinjektors verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Charakterisieren einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns der Bewegung mittels des o.g. Verfahrens zum Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors und (b) Ermitteln des Zeitpunkts des Endes der Bewegung mittels des o.g. Verfahrens zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors.
  • Dem beschriebenen Charakterisierungsverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass basierend auf einer Kenntnis des Beginns und einer Kenntnis des Endes der Bewegung wertvolle Informationen über die Dynamik des gesamten Bewegungsvorgangs gewonnen werden können. Zusammen mit einer Kenntnis des an dem Kraftstoffinjektor anliegenden Kraftstoffdrucks können diese Informationen dann dazu verwendet werden, die Menge an Kraftstoff genau zu bestimmen, die während eines Einspritzvorgangs appliziert wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Ansteuerverfahren weist auf (a) Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer ersten Bewegung für einen ersten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors mittels des o.g. Verfahrens zum Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, (b) Ermitteln des Zeitpunkts des Endes der ersten Bewegung mittels des o.g. Verfahrens zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, (c) Anpassen des Beginns der elektrischen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors für einen im Vergleich zu dem ersten Einspritzvorgang späteren zweiten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt des Beginns der ersten Bewegung und (d) Anpassen des Stromverlaufs durch die Spule für den zweiten Einspritzvorgang basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt des Endes der ersten Bewegung.
  • Dem beschriebenen Ansteuerverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer zeitlichen Verschiebung des Beginns der Öffnungsbewegung für einen vorangegangenen Öffnungsvorgang der Beginn der elektrischen Ansteuerung für einen nachfolgenden Einspritz- bzw. Öffnungsvorgang beispielsweise relativ zu einer Kurbelwellenbewegung in geeigneter Weise zeitlich verschoben werden kann, so dass die Ventilöffnung genau dann stattfindet, wenn es insbesondere im Hinblick auf schädliche Schadstoffemissionen am günstigsten ist. Ferner kann eine ggf. vorhandene Verschiebung des Endes der Öffnungsbewegung bei einem vorangehenden Öffnungsvorgang durch eine geeignete Anpassung des Stromprofils ausgeglichen werden.
  • Das beschriebene Verfahren kann pulsindividuell durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors bei einer Änderung der Betriebsbedingungen zeitnah angepasst wird und somit ein optimales Einspritzverhalten gewährleistet werden kann.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die o.g. aufzuprägenden Korrekturen neben den Toleranzen des Kraftstoffinjektors zudem von physikalischen Systemparametern wie z.B. der Kraftstofftemperatur und dem Abstand zur vorherigen Einspritzungen abhängig sein können. Auch diese Systemparameter können in geeigneten Vorsteuerkennlinien bzw. Vorsteuerkennfeldern beispielsweise in einer elektronischen Motorsteuerung abgelegt oder durch ein Modell beschrieben werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) einen Stromregelungseinheit zum Beaufschlagen des Kraftstoffinjektors mit einem vorgegebenen zeitlichen Stromverlauf, (b) eine Steuerungs- und Messeinrichtung, welche mit der Stromregelungseinheit gekoppelt ist und welche eingerichtet ist (b1) zum Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer ersten Bewegung für einen ersten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors mittels des o.g. Verfahrens zum Ermitteln des Zeitpunkts des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, (b2) zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes der ersten Bewegung mittels des Verfahrens zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, (b3) zum Anpassen des Beginns der elektrischen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors für einen im Vergleich zu dem ersten Einspritzvorgang späteren zweiten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt des Beginns der ersten Bewegung und (b4) zum Anpassen des Stromverlaufs durch die Spule für den zweiten Einspritzvorgang basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt des Endes der ersten Bewegung.
  • Auch der beschriebenen Steuervorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl eine ggf. vorhandene zeitliche Verschiebung des Beginns einer der Öffnungsbewegung als auch eine ggf. vorhandene Verschiebung des Endes der Öffnungsbewegung bei nachfolgenden Einspritzvorgängen durch eine Anpassung des Beginns der elektrischen Ansteuerung bzw. durch eine Anpassung des Stromprofils kompensiert werden kann.
  • Zumindest einige der genannten Funktionalitäten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und insbesondere alle dieser Funktionalitäten können mittels eines Mikroprozessors realisiert werden. Der Mikroprozessor kann Teil einer elektronischen Motorsteuerung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges sein.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
  • Die Figur zeigt den Verlauf eines sich öffnenden Kraftstoffinjektors in einem magnetischen Hysteresediagramm.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
  • Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der zum Betrieb eines Kraftstoffinjektors, welcher einen Spulenantrieb aufweist und demzufolge auch als Spuleninjektor bezeichnet wird, benötigte Spulenstrom durch eine geeignete Stromregelungs-Hardwareeinheit zur Verfügung gestellt. Während des Einspritzbeginns wird dem Spuleninjektor gemäß den applizierten Stromregelungswerten eine mittels Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellte mittlere Spannung eingeprägt. Diese Spannung kann auch eine sog. Boostspannung (zeitlich begrenzt) sein. Die Boostspannung kann extern oder intern auf dem Motorsteuergerät erzeugt werden. Der sich einstellende zeitliche Stromverlauf durch die Spule des Spulenantriebs hängt von der Induktivität des Spuleninjektors ab. Dabei hemmt in bekannter Weise eine hohe Induktivität den zeitlichen Stromaufbau stärker als eine niedrige Induktivität.
  • Die Induktivität der Spule des Spulenantriebs hängt jedoch von der Geometrie und insbesondere von der räumlichen Verteilung bzw. Anordnung von ferromagnetischen Materialien des Spulenantriebs an. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Stellung des magnetischen Ankers des Spulenantriebs von Bedeutung. Demzufolge ändert sich im realen Betrieb des Kraftstoffinjektors die Induktivität der Spule in dem Zeitfenster zwischen dem Beginn der Öffnungsphase (= Anker/Nadelbewegungsbeginn) und dem Ende der Öffnungsphase (Anker/Nadelbewegungsende/Anschlag). Dieses Bewegungsverhalten lässt sich im magnetischen Hysteresediagramm als Verlauf zwischen zwei Grenz-Hysteresekurven beschreiben. Die jeweilige Grenz-Hysteresekurve kann mittels „fixierter“ Injektoren mit den Grenzen „Luftspalt immer maximal“ und „Luftspalt immer minimal“ durchfahren werden. Ein Injektor in der Öffnungsphase wird sich nun zwischen diesen beiden Grenz-Hysteresekurven bewegen.
  • Die einzige Figur zeigt den Verlauf eines sich öffnenden Kraftstoffinjektors in einem magnetischen Hysteresediagramm 100. Auf der Abszisse ist das Magnetfeld H in der Einheit A/m aufgetragen. Auf der Ordinate ist die magnetische Flussdichte in der Einheit Vs/m2 aufgetragen. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Magnetfeld (bei bekannter Spulengeometrie) durch eine einfache zeitabhängige Messung der Stromstärke bestimmt. Wie bereits oben dargelegt, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die magnetische Flussdichte B durch eine Integration der in der Spule induzierten Spannung über die Zeit bestimmt.
  • Mit dem Bezugszeichen 110 ist eine erste Grenz-Hysteresekurve eingezeichnet, welche für den in seiner Schließposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist. Dabei ist die Größe des Luftspalts maximal. Mit dem Bezugszeichen 120 ist eine zweite Grenz-Hysteresekurve eingezeichnet, welche für den in seiner geöffneten Position fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist. Dabei ist die Größe des Luftspalts minimal.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass von den beiden Grenz-Hysteresekurve 110 und 120 jeweils lediglich derjenige Teil dargestellt ist, der sich in dem magnetischen Hysteresediagramm 100 in dem ersten Quadranten befindet, bei dem sowohl das Magnetfeld H als auch die magnetische Flussdichte B größer als Null sind und bei dem sowohl H als auch B eine vorgegebene Richtung haben, welche das Vorzeichen von H und B bestimmt.
  • Auf der Abszisse ist die Koerzitivfeldstärke K eingezeichnet, welche für beide Grenz-Hysteresekurve 110 und 120 gleich ist. Auf der Ordinate sind die zwei Remanenzwerte R1 und R2 aufgetragen, wobei der größere Remanenzwert R2 der Grenz-Hysteresekurve 120 mit dem minimalen Luftspalt und der kleinere Remanenzwert R1 der Grenz-Hysteresekurve 110 mit dem maximalen Luftspalt zugeordnet ist. Aus Gründer der Übersichtlichkeit ist die sog. Neukurve, welche von dem Koordinatenursprung ausgeht, nicht aufgetragen.
  • Wie bereits oben beschrieben, liegt die tatsächliche Hysteresekurve des sich bewegenden, d.h. einen Öffnungsvorgang ausführenden Kraftstoffinjektors zwischen diesen beiden Grenz-Hysteresekurven 110 und 120. Wie aus der Figur ersichtlich, weist die tatsächliche Hysteresekurve verschiedene Teilabschnitte, einen ersten Teilabschnitt 130a, einen zweiten Teilabschnitt 130b und einen dritten Teilabschnitt 130c auf.
  • Solange die Öffnungsbewegung des Spuleninjektors noch nicht begonnen hat, verläuft die tatsächliche Hysteresekurve auf der ersten Grenz-Hysteresekurve 110. Der erste Teilabschnitt 130a liegt deshalb exakt auf der Grenz-Hysteresekurve 110. Sobald zu einem Zeitpunkt t1 (bei einem ersten Magnetfeld H1) die Öffnungsbewegung beginnt, wird sich die tatsächliche Hysteresekurve von der ersten Grenz-Hysteresekurve 110 abheben und in Richtung zu der zweiten Grenz-Hysteresekurve 120 verlaufen. Der zweite Teilabschnitt 130b der tatsächlichen Hysteresekurve verläuft deshalb zwischen den beiden Grenz-Hysteresekurven 110 und 120. Ab einem Zeitpunkt t2 (bei einem zweiten Magnetfeld H2), zu dem die Öffnungsbewegung beendet ist, verläuft die tatsächliche Hysteresekurve auf der zweiten Grenz-Hysteresekurve 120. Der dritte Teilabschnitt 130c liegt deshalb exakt auf der Grenz-Hysteresekurve 120. Der Unterschied zwischen den magnetischen Flussdichten der beiden Grenz-Hysteresekurven 110 und 120 zum Zeitpunkt t2 bzw. bei dem Magnetfeld H2 ist in dem magnetischen Hysteresediagramm 100 mit Δϕ bezeichnet.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Charakterisierung der Öffnungsbewegung anhand der beiden Zeiten t1 und t2 in analoger Weise auch für die Schließbewegung des Kraftstoffinjektors angewendet werden kann. In diesem Fall verläuft die tatsächliche Hysteresekurve (nicht dargestellt) ausgehend von der Grenz-Hysteresekurve 120 nach unten in die Grenz-Hysteresekurve 110. Der Zeitpunkt, ab dem der tatsächliche Hystereseverlauf die Grenz-Hysteresekurve 120 verlässt, kann dann als der tatsächliche Beginn der Schließbewegung angesehen werden. In entsprechender Weise kann dann der Zeitpunkt, ab dem der tatsächliche Hystereseverlauf in die Grenz-Hysteresekurve 110 einläuft, als das tatsächliche Ende der Schließbewegung angesehen werden.
  • Durch ein geeignetes Strom- und Spannungs-Messverfahren, z.B. mittels einer zeitlich diskreten (quasi kontinuierlichen) Abtastung des Strom/Spannungswertes über einen schnellen Analog/Digitalwandler, ist es somit möglich, den Beginn der Öffnungsphase und das Ende der Öffnungsphase zu ermitteln. Insbesondere durch ein geeignetes mathematisches Verfahren wie z.B. dem Auftrag einer zeitlich integrierten Spulenspannung über dem Spulenstrom und/oder durch einen Vergleich mit einer vorgegebenen Sollkurve kann die zeitabhängige Abweichung der Messwerte vom Sollwert ermittelt werden.
  • Durch die Kenntnis der Zeitpunkte t1 und t2 beider Ereignisse kann durch Anpassung der Bestromungsdauer die Einspritzmenge genauer eingestellt werden. Ist z.B. der Öffnungspunkt t1 zeitlich verschoben, so kann dies durch eine entsprechende Verschiebung des Strombeginns korrigiert werden. Ist z.B. der Endzeitpunkt t2 der Öffnungsbewegung zeitlich verschoben, so kann dies durch eine Anpassung des Stromprofils ausgeglichen werden. Eine solche Korrektur kann vorteilhafterweise pulsindividuell ausgeführt werden.
  • Da die entsprechenden aufzuprägenden Korrekturen neben den Injektor-Toleranzen außerdem von physikalischen Systemparametern wie z.B. der Kraftstofftemperatur, dem Abstand zur vorherigen Einspritzung, etc. abhängig sind, können die aufzuprägenden Korrekturen in geeigneten Vorsteuerkennlinien bzw. Vorsteuerkennfeldern abgelegt und/oder durch ein mathematisches Modell beschrieben werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    magnetisches Hysteresediagramm
    110
    Grenz-Hysteresekurve für geschlossenen Injektor (max. Luftspalt)
    120
    Grenz-Hysteresekurve für offenen Injektor (min. Luftspalt)
    130a
    Hysteresekurve (erster Teilabschnitt)
    130b
    Hysteresekurve (zweiter Teilabschnitt)
    130c
    Hysteresekurve (dritter Teilabschnitt)
    Δϕ
    Unterschied magnetische Flussdichte
    t1
    Beginn Öffnungsbewegung
    t2
    Ende Öffnungsbewegung
    H1
    Magnetfeld bei t1
    H2
    Magnetfeld bei t2
    K
    magnetische Koerzitivfeldstärke
    R1
    Remanenz bei max. Luftspalt
    R2
    Remanenz bei min. Luftspalt

Claims (9)

  1. Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend Erfassen eines Stromverlaufs durch eine Spule des Spulenantriebs, Erfassen eines Spannungsverlaufs einer an der Spule anliegenden Spannung, Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf, Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit einer ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (110), welche für einen in einer ersten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist, und Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns der Bewegung basierend auf dem Vergleich der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (110).
  2. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (110) ein Überprüfen umfasst, ob zu dem ermittelten Zeitpunkt (t1) des Beginns der Bewegung die Differenz zwischen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) und der ersten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (110) größer ist als ein vorbestimmter erster Schwellenwert.
  3. Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunkts (t2) des Endes einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend Erfassen eines Stromverlaufs durch eine Spule des Spulenantriebs, Erfassen eines Spannungsverlaufs einer an der Spule anliegenden Spannung, Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf, Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit einer zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (120), welche für einen in einer zweiten Endposition fixierten Kraftstoffinjektor charakteristisch ist, und Ermitteln des Zeitpunkts (t2) des Endes der Bewegung basierend auf dem Vergleich der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (120).
  4. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Vergleichen der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) mit der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (120) ein Überprüfen umfasst, ob zu dem ermittelten Zeitpunkt (t2) des Endes der Bewegung die Differenz zwischen der zweiten vorgegebenen magnetischen Hysteresekurve (120) und der bestimmten magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) kleiner ist als ein vorbestimmter zweiter Schwellenwert.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei das Bestimmen einer magnetischen Hysteresekurve (130a, 130b, 130c) basierend auf dem erfassten Stromverlauf und dem erfassten Spannungsverlauf aufweist Integrieren des erfassten Spannungsverlaufs über die Zeit.
  6. Verfahren nach einen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegung eine Öffnungsbewegung ist, die erste Endposition eine Schließposition ist und die zweite Endposition eine Öffnungsposition ist, oder wobei die Bewegung eine Schließbewegung ist, die erste Endposition eine Öffnungsposition ist und die zweite Endposition eine Schließposition ist.
  7. Verfahren zum Charakterisieren einer Bewegung eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns der Bewegung mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, soweit auf Anspruch 1 rückbezogen und Ermitteln des Zeitpunkts (t2) des Endes der Bewegung mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3, 4, 5 und 6, soweit auf Anspruch 3 rückbezogen.
  8. Verfahren zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns einer ersten Bewegung für einen ersten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, soweit auf Anspruch 1 rückbezogen Ermitteln des Zeitpunkts (t2) des Endes der ersten Bewegung mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3, 4, 5 und 6, soweit auf Anspruch 3 rückbezogen Anpassen des Beginns der elektrischen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors für einen im Vergleich zu dem ersten Einspritzvorgang späteren zweiten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt (t1) des Beginns der ersten Bewegung und Anpassen des Stromverlaufs durch die Spule für den zweiten Einspritzvorgang basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt (t2) des Endes der ersten Bewegung.
  9. Vorrichtung zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, die Vorrichtung aufweisend einen Stromregelungseinheit zum Beaufschlagen des Kraftstoffinjektors mit einem vorgegebenen zeitlichen Stromverlauf, eine Steuerungs- und Messeinrichtung, welche mit der Stromregelungseinheit gekoppelt ist und welche eingerichtet ist - zum Ermitteln des Zeitpunkts (t1) des Beginns einer ersten Bewegung für einen ersten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, soweit auf Anspruch 1 rückbezogen - zum Ermitteln des Zeitpunkts des Endes (t2) der ersten Bewegung mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3, 4, 5 und 6, soweit auf Anspruch 3 rückbezogen - zum Anpassen des Beginns der elektrischen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors für einen im Vergleich zu dem ersten Einspritzvorgang späteren zweiten Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt (t1) des Beginns der ersten Bewegung und - zum Anpassen des Stromverlaufs durch die Spule für den zweiten Einspritzvorgang basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt (t2) des Endes der ersten Bewegung.
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