-
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von elektromagnetisch angetriebenen Aktuatoren, welche eine mit einem Ansteuersignal beaufschlagbare Spule und einen relativ zur Spule beweglich gelagerten Anker aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, in einem Mess-Betriebsmodus zum Zwecke der Ermittlung eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Aktuators, wobei in einem Mess-Betriebsmodus Erkenntnisse über den Anschlagzeitpunkt gewonnen und diese Erkenntnisse in einem Serien-Betriebsmodus in Hinblick auf eine optimierte Ansteuerung des Aktuators verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des Aktuators eine Anschlagposition erreicht.
-
Elektromagnetisch angetriebene Aktuatoren können mit geringer Toleranz im sog. Vollhub-Betriebsmodus betrieben werden. Dies bedeutet, dass ein Anker des Aktuators zwischen einer Ausgangsposition und einer Endposition hin und her bewegt wird. Ausgangsposition und Endposition sind dabei typischerweise jeweils durch einen mechanischen Anschlag des Ankers an einem Gehäuse des Aktuators definiert. Am Beispiel eines Einspritzventils zur Kraftstoff-Einspritzung bedeutet dieser Betriebsmodus, dass eine Ventilnadel des Einspritzventils jeweils bis zu einer Maximalauslenkung bewegt wird. Eine Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt dann durch eine geeignete Anpassung der Zeitdauer des Einspritzvorgangs.
-
Um Schadstoffemissionen und/oder den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, ist es bei modernen Einspritzsystemen jedoch erforderlich, den Betrieb von Einspritzventilen auch bei kleinen Einspritzmengen möglichst genau zu beherrschen. Dies bedeutet, dass auch der sog. ballistische Betrieb eines Einspritzventils beherrscht wird. Unter dem ballistischen Betrieb eines Einspritzventils versteht man in diesem Zusammenhang eine Teilauslenkung des Ankers bzw. der Ventilnadel in einer durch elektrische und/oder konstruktive Parameter vorgegebenen nach Beendigung der elektromagnetischen Krafteinleitung auf den Anker freien d.h. parabelförmigen Flugbahn ohne Erreichen des Vollanschlages.
-
Im Gegensatz zum Vollhub-Betrieb ist der ballistische Betrieb eines Einspritzventils deutlich stärker toleranzbehaftet, da hier sowohl elektrische als auch mechanische Toleranzen den Öffnungsverlauf wesentlich stärker beeinflussen, als dies im Vollhub-Betrieb der Fall ist. Für den ballistischen Betriebsmodus eines Einspritzventils, allgemein eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators, können dabei folgende Toleranzen einzeln oder in Kombination miteinander auftreten:
- a) Öffnungstoleranz: Der Zeitpunkt, zu dem sich der Anker nach dem Beaufschlagen der Spule mit einem definierten elektrischen Ansteuerpuls aus seiner Ausgangsposition entfernt, hängt von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand (z.B. Temperatur) ab.
- b) Schließtoleranz: Der Zeitpunkt, zu dem der Anker nach einer Teilauslenkung wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt, hängt von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand ab.
- c) Hubtoleranz: Bei einer Teilauslenkung des Ankers hängt der erreichte Maximalhub ebenfalls von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand ab. Die Hubtoleranz führt zu einer individuellen Veränderung der parabelförmigen Flugbahn des Ankers mit der Möglichkeit einer ungewollten Abflachung bzw. Überhöhung der entsprechenden Auslenkungskurve.
-
Aus der
DE 10 2006 035 225 A1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung bekannt, welche eine Spule aufweist. Durch eine Auswertung von induzierten Spannungssignalen, welche durch externe mechanische Einflüsse verursacht werden, kann die tatsächliche Bewegung der Stellvorrichtung analysiert werden.
-
Aus der
DE 198 34 405 A1 ist ein Verfahren zur Schätzung eines Nadelhubs eines Magnetventils bekannt. Bei der Bewegung der Ventilnadel relativ zu einer Spule des Magnetventils werden die in der Spule induzierten Spannungen erfasst und mittels eines Rechenmodells mit dem Hub der Ventilnadel in Beziehung gesetzt. Zur Ermittlung des Kontaktzeitpunktes kann die zeitliche Ableitung dU/dt der Spulenspannung verwendet werden, da dieses Signal im Umkehrpunkt der Nadel- bzw. Ankerbewegung große Sprünge aufweist.
-
Aus der
DE 38 43 138 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans bekannt. Beim Abschalten des Schaltorgans wird ein Magnetfeld in dessen Erregerwicklung induziert, welches durch die Ankerbewegung verändert wird. Die darauf beruhenden zeitlichen Änderungen der an der Erregerwicklung anliegenden Spannung können dazu verwendet werden, um das Ende der Ankerbewegung zu erfassen.
-
In der
DE 44 25 987 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung bei einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Der Verbraucher ist in Reihe mit einem Stromsteuermittel geschaltet, das mit einem Ansteuersignal beaufschlagbar ist. Das Ansteuermittel ist von einem Regelmittel vorgebbar. Zur Ermittlung des Schaltzeitpunktes des elektromagnetischen Verbrauchers ist ein Ausgangssignal des Regelmittels auswertbar.
-
Die
DE 44 20 282 A1 offenbart eine Ansteuerung eines Magnetventils zur Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine. Innerhalb eines Zeitfensters wird ein Schaltzeitpunkt des Magnetventils durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs einer Größe ermittelt, die dem Strom durch das Magnetventil entspricht. Während des Zeitfensters erfolgt eine getaktete Spannungssteuerung.
-
Aus der
DE 39 42 836 A1 ist ein Verfahren zur Bewegungs- und Ladezustandserkennung eines durch magnetische Wechselwirkung zwischen zwei Endpositionen beweglichen Bauteils eines induktiven elektrischen Verbrauchers bekannt. Dabei wird der gesamte zeitliche Verlauf des Ansteuerstroms 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.
-
In der
DE 43 41 797 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung bei einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Der Verbraucher ist in Reihe mit einem Schaltmittel geschaltet, das mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird. Zur Ermittlung eines Schaltzeitpunktes des elektromagnetischen Verbrauchers wird eine das Ansteuersignal charakterisierende Größe ausgewertet. Insbesondere wird die Impulslänge und die Periodendauer des Ansteuersignals ausgewertet. Der Schaltzeitpunkt wird erkannt, wenn sich die Impulslänge oder die Periodendauer ändert.
-
In der
DE 101 50 199 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltung zur Erkennung der Ankerlage eines Elektromagneten offenbart. Die Magnetspannung wird verglichen mit einer Referenzspannung. Die Referenzspannung wird von der Magnetspannung durch eine Filterung abgeleitet verwendet.
-
In der
DE 10 2008 041 528 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei wird zur Bewegung einer Ventilnadel eine mit der Ventilnadel gekoppelte elektromagnetische Betätigungsvorrichtung angesteuert. Eine elektrische Betriebsgröße der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung wird mindestens zeitweise ausgewertet und das Auswertungsergebnis zum Erkennen einer Funktionsstörung der Ventilnadel verwendet. Insbesondere wird eine Krümmung oder ein Verlauf der Krümmung der elektrischen Betriebsgröße mindestens während eines bestimmten Zeitintervalls ausgewertet.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromagnetisch angetriebenen eine Spule und einen verschiebbar gelagerten Anker aufweisenden Aktuator, welcher in Vollauslenkung betrieben wird, Kenntnisse über den genauen Zeitpunkt zu erlangen, zu dem der Anker des Aktuators nach einer Aktivierung seine Anschlagposition erreicht.
-
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 beschrieben ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird. Das beschriebene Verfahren weist auf
- - Betreiben des Aktuators in einem Serien-Betriebsmodus, wobei die Spule mit einem Serien-Ansteuer-Spannungssignal beaufschlagt wird, welches zum Zwecke einer Stromregelung zumindest zeitweise eine getaktete Spannung aufweist,
- - Betreiben des Aktuators in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht, wobei das Betreiben des Aktuators in dem Mess-Betriebsmodus aufweist,
- - Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuer-Spannungssignal, welches derart dimensioniert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in ein Zeitfenster fällt, in dem an die Spule eine zeitlich konstante und keine Taktung aufweisende Spannung angelegt wird,
- - Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms, welcher innerhalb des Zeitfensters durch die Spule fließt,
- - Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, basierend auf einer Auswertung des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stromes,
- - Anpassen des Serien-Ansteuer-Spannungssignals basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt und
- - Betreiben des Aktuators in einem angepassten Serien-Betriebsmodus, wobei die Spule mit dem angepassten Serien-Ansteuer-Spannungssignal beaufschlagt wird, welches zum Zwecke einer Stromregelung zumindest zeitweise eine getaktete Spannung aufweist.
-
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein im Betrieb befindlicher Aktuator zumindest zeitweise in einem bestimmten Mess-Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem der Aktuator ein zumindest ähnliches Öffnungs- und ggf. auch Schließverhalten aufweist, wie wenn der Aktuator in einem Serien-Betriebsmodus mit einer regulären Ansteuerung betrieben wird. Dabei kann sich der Mess-Betriebsmodus gegenüber dem Serien-Betriebsmodus insbesondere dadurch auszeichnen, dass während eines Zeitfensters, innerhalb dem der (mechanische) Anschlag des Ankers erwartet wird, eine zeitlich zumindest annähernd konstante Spannung angelegt ist. Dann befindet sich nämlich das gesamte elektrische Messsystem des Aktuators in einem definierten und stabilen Zustand, so dass zeitliche Änderungen in der Stromstärke durch die Spule innerhalb des Zeitfensters keine Artefakte sondern signifikante Anzeichen dafür sein können, welche charakteristisch für den mechanischen Anschlag des Ankers sind.
-
In diesem Zusammenhang kann der Begriff einer „zeitlich konstanten Spannung“ insbesondere bedeuten, dass keine Taktung vorgenommen wird, bei der zeitlich aufeinander folgend jeweils ein kurzer erster Spannungspuls mit einer ersten Spannung und ein kurzer zweiter Spannungspuls mit einer zweiten Spannung an die Spule angelegt wird. Dabei kann insbesondere die zweite Spannung auch „Null“ sein, so dass im Ergebnis lediglich die erste Spannung in Form von zeitlich aufeinander folgenden diskreten Spannungspulsen angelegt wird. Eine an der Spule effektiv anliegende Spannung wird u.a. bestimmt durch ein Tastverhältnis zwischen (a) einer ersten Zeitdauer, mit der die erste Spannung angelegt wird, und (b) einer Gesamtzeitdauer, welche sich aus der Summe der ersten Zeitdauer und einer zweiten Zeitdauer ergibt, zu der keine (oder die zweite Spannung) angelegt wird. Selbstverständlich hängt die effektive Spannung auch wesentlich von den Niveaus der beiden Spannungen ab.
-
Bei dem beschriebenen Aktuator kann es sich um einen Injektor und insbesondere um einen Kraftstoff-Einspritzinjektor für ein Kraftfahrzeug handeln. Der eingespritzte Kraftstoff kann Benzin oder ein Dieselkraftstoff sein.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Ansteuer-Spannungssignal hinsichtlich seiner Signalhöhe und/oder seines zeitlichen Verlaufs derart dimensioniert, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in das Zeitfenster fällt. Dies hat den Vorteil, dass mit der Signalhöhe und dem zeitlichen Verlauf zwei prinzipiell verschiedene Eigenschaften des Ansteuersignals in geeigneter Weise eingestellt werden können, um den gewünschten stabilen Zustand des elektrischen Messsystems des Aktuators zu erreichen. Dabei kann die Signalhöhe bzw. der Spannungspegel ggf. unabhängig von dem zeitlichen Verlauf variiert werden, um ein möglichst optimales Ansteuer-Spannungssignal im Hinblick auf (a) einen möglichst stabilen Zustand des elektrischen Messsystems innerhalb des Zeitfensters und auf (b) ein Bewegungsverhalten des Ankers zu erhalten, welches dem Bewegungsverhalten des Ankers in einem Serien-Betriebsmodus mit einer regulären Aktuator-Ansteuerung möglichst ähnlich ist.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Ansteuer-Spannungssignal eine Verstärkungsphase und eine Haltephase auf, wobei (a) während der Verstärkungsphase eine Verstärkungsspannung an die Spule angelegt wird und (b) während der Haltephase eine Haltespannung an die Spule angelegt wird, wobei die Verstärkungsspannung größer ist als die Haltespannung.
-
Die Haltespannung kann insbesondere diejenige Spannung sein, welche von einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Die Verstärkungsspannung ist dann eine gegenüber der Batteriespannung überhöhte Spannung, welche z.B. in bekannter Weise mittels einer elektrischen (Boost-)Schaltung aus der Batteriespannung gewonnen wird. Die Verstärkungsspannung wird häufig auch als Boostspannung bezeichnet.
-
Die Verwendung einer Verstärkungsphase hat bei einem Serienbetrieb in bekannter Weise den Vorteil, dass der Injektor mit hoher Energie aktiviert wird und der Anker somit zügig aus seiner Ausgangslage ausgelenkt wird. Auf diese Weise wird die Toleranz bezüglich des Öffnungsverhaltens von verschiedenen Aktuatoren desselben Typs reduziert und somit ein genauer definiertes Öffnungsverhalten und damit eine höhere Mengengenauigkeit von eingespritztem Kraftstoff erreicht. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren zum Betreiben des Aktuators in einem Mess-Betriebsmodus zum Zwecke der Bestimmung des Zeitpunkt des Ankeranschlags hat die Verwendung der Verstärkungsphase insbesondere den Vorteil, dass das Ansteuer-Spannungssignal derart maßgeschneidert werden kann, dass das Öffnungsverhalten des Aktuators im Mess-Betriebsmodus sehr ähnlich zu dem Öffnungsverhalten des Aktuators in einem Serien-Betriebsmodus sein kann. Damit ist das Ergebnis der beschriebenen Ermittlung des Zeitpunkts des Ankeranschlags im Mess-Betriebsmodus in guter Näherung auf den Serien-Betrieb übertragbar, bei dem der Aktuator typischerweise ebenfalls unter Verwendung einer Verstärkungsphase angesteuert wird.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verstärkungsphase abgebrochen, sobald der Strom durch die Spule einen Maximalstrom erreicht. Dabei ist der Maximalstrom derart gewählt, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in das Zeitfenster fällt. Dies hat den Vorteil, dass ein geeignetes Ansteuer-Spannungssignal auf einfache Weise realisiert werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verstärkungsphase mittels eines Spannungspulses mit im Vergleich zu der Verstärkungsspannung umgekehrter Polarität abgebrochen. Ferner folgt nach dem Ende des Spannungspulses die Haltephase. Dies hat den Vorteil, dass in der Haltephase hinsichtlich der tatsächlich an der Spule anliegenden Spannung besonders stabile Verhältnisse vorliegen. Dies hat zur Folge, dass in dem oben definierten Zeitfenster der Strom durch die Spule einen geringen Gradienten aufweisen wird, so dass eine besonders genaue Bestimmung des Zeitpunkts des Anschlags des Ankers möglich ist.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Zeitpunkt, zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, durch einen Extremwert der innerhalb des Zeitfensters erfassten Stärke des Stroms durch die Spule bestimmt. Der Extremwert kann insbesondere ein Minimum sein. Dies hat den Vorteil, dass der Zeitpunkt des Ankeranschlags auf besonders einfache Weise ermittelt werden kann.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass der Extremwert im Vergleich zu dem gesamten Stromverlauf insbesondere ein lokaler Extremwert ist. In Bezug auf das Zeitfenster kann der Extremwert ein lokaler oder auch ein globaler Extremwert sein.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms mit einem Referenzstromverlauf auf. In diesem Fall basiert das Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, auf einer Auswertung des Vergleichs des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms mit dem Referenzstromverlauf.
-
Durch den beschriebenen Vergleich des Strommesssignals mit dem Referenzstromverlauf kann eine besonders hohe Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung des Zeitpunkts des Ankeranschlags erreicht werden. Dies kann insbesondere daran liegen, dass Artefakte, welche sowohl in dem erfassten Strommesssignal als auch in dem Referenzstromverlauf vorkommen, auf einfache Weise eliminiert werden können. Bevorzugt besteht das Vergleichen lediglich aus einer einfachen Differenzbildung (ggf. mit einer zusätzlichen Skalierung) zwischen dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stärke des Stromes und dem Referenzstromverlauf.
-
Der beschriebene Referenzstromverlauf, welcher für einen bestimmten Typ von Aktuator oder sogar für einen individuellen Aktuator charakteristisch sein kann, kann z. B. in einem Teststand ermittelt werden. Der beschriebene Referenzstromverlauf kann beispielsweise in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs hinterlegt sein.
-
Der Referenzstromverlauf kann charakteristisch sein für einen geklemmten Aktuator, bei dem der Anker in seiner Ausgangsposition mechanisch fixiert ist und sich trotz der Beaufschlagung der Spule mit dem Ansteuer-Spannungssignal relativ zu einem Gehäuse des Aktuators nicht bewegt. Die mechanische Fixierung kann insbesondere in einem Teststand durch einen deutlich erhöhten Kraftstoffdruck in einem Railsystem erreicht werden, an dem der betreffende Aktuator angeschlossen ist.
-
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass während des laufenden Betriebs beispielsweise einer Brennkraftmaschine der Aktuator zwischenzeitlich nicht mit dem Serien-Ansteuer-Spannungssignal sondern mit dem oben beschriebenen Ansteuer-Spannungssignal beaufschlagt wird, welches zumindest in dem oben definierten Zeitfenster eine Ermittlung des Zeitpunkts ermöglicht, zu dem der Anker (in dem Mess-Betriebsmodus) seine Anschlagposition erreicht. Basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt des tatsächlichen Ankeranschlags (in dem Mess-Betriebsmodus) können dann Rückschlüsse gewonnen werden, wie in einem nachfolgenden Serien-Betriebsmodus das Serien-Ansteuer-Spannungssignal ggf. angepasst werden kann, um in Hinblick auf ein gewünschtes Öffnungsverhalten des Aktuators eine optimierte Ansteuerung der Spule zu erreichen.
-
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass eine Aktuator-individuelle Adaption für eine optimale Ansteuerung möglich ist. Auf diese Weise können Änderungen in dem Öffnungsverhalten eines Aktuators beispielsweise infolge von Verschleiß und/oder besonderen Betriebsbedingungen kompensiert werden. Geänderte Betriebsbedingungen können beispielsweise unterschiedliche Kraftstoffdrücke, eine unübliche Viskosität eines einzuspritzenden Kraftstoffs und/oder unübliche Temperaturen sein.
-
Da das Serien-Ansteuer-Spannungssignal typischerweise ein Signal sein wird, welches im Hinblick auf ein gewünschtes Öffnungs- und Schließverhalten optimiert ist, wird in diesem Dokument das oben beschriebene Ansteuer-Spannungssignal auch als modifiziertes Ansteuer-Spannungssignal bezeichnet.
-
Unter dem Begriff getaktete Spannung ist insbesondere zu verstehen, dass die angelegte Spannung durch eine Folge von aufeinanderfolgenden kurzen Pulsen zwischen zwei verschiedenen Spannungsniveaus diskret variiert, so dass sich im Ergebnis über die Zeit gemittelt eine effektive Spannung einstellt, welche zwischen den beiden Spannungsniveaus liegt. Wie vorstehend beschrieben, kann eines dieser Spannungsniveaus auch „Null“ sein und der Wert der effektiven Spannung ergibt sich u.a. in bekannter Weise, wie ebenfalls vorstehend beschrieben, aus dem Tastverhältnis.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Serien-Ansteuer-Spannungssignal eine Serien-Verstärkungsphase und eine Serien-Haltephase auf. Während der Serien-Verstärkungsphase wird eine Serien-Verstärkungsspannung an die Spule angelegt und während der Serien-Haltephase wird eine Serien-Haltespannung an die Spule angelegt, wobei die Serien-Verstärkungsspannung größer ist als die Serien-Haltespannung. Auch hier kann die Serien-Haltespannung insbesondere diejenige Spannung sein, welche von einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Die Serien-Verstärkungsspannung ist dann eine gegenüber der Batteriespannung überhöhte Spannung, welche z.B. in bekannter Weise mittels einer elektrischen (Boost-)Schaltung aus der Batteriespannung gewonnen wird. Die Serien-Verstärkungsspannung kann somit auch als Serien-Boostspannung bezeichnet werden.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Serien-Verstärkungsphase abgebrochen, sobald der Strom durch die Spule einen Serien-Maximalstrom erreicht, wobei ein Maximalstrom zum Abbrechen einer Verstärkungsphase des Ansteuer-Spannungssignals kleiner ist als der Serien-Maximalstrom. Dies hat den Vorteil, dass für den Mess-Betriebsmodus auf einfache Weise ein geeignetes (modifiziertes) Ansteuer-Spannungssignal realisiert werden kann, bei dem zum einen (a) die elektrische Ansteuerung stark genug modifiziert ist, um eine zuverlässige Ermittlung des Zeitpunkts des Ankeranschlags zu erreichen, und bei dem zum anderen (b) die elektrische Ansteuerung gegenüber dem Serien-Betriebsmodus nicht so stark modifiziert ist, als dass die über den tatsächlichen Anschlagzeitpunkt gewonnenen Erkenntnisse nicht auf den Serien-Betriebsmodus übertragen werden können.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben ein Computerprogramm zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des Aktuators eine Anschlagposition erreicht. Das Computerprogramm ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet zum Steuern des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Betreiben eines Aktuators in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
- 1a, 1b und 1c zeigen für eine Serien-Ansteuerung eines Kraftstoffinj ektors mit einer Verstärkungsphase und einer Haltephase den zeitlichen Verlauf (a) der Ansteuerspannung und des resultierenden Ansteuerstroms und (b) der resultierenden Einspritzrate.
- 2a, 2b und 2c zeigen für eine Mess-Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors mit einer modifizierten Verstärkungsphase und einer modifizierten Haltephase den zeitlichen Verlauf (a) der entsprechenden Ansteuerspannung und des resultierenden Ansteuerstroms und (b) der resultierenden Einspritzrate.
- 3a zeigt einen Vergleich zwischen dem in 2b dargestellten Ansteuerstrom und einem Ansteuerstrom, welcher sich bei Verwendung der gleichen Ansteuerspannung im Falle eines hydraulisch blockierten Kraftstoffinjektors einstellt.
- 3b zeigt in einem vergrößerten Maßstab die Differenz zwischen den beiden in 3a dargestellten Ansteuerströmen.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
-
Die 1a, 1b und 1c zeigen für eine Serien-Ansteuerung eines Kraftstoffinj ektors mit einer Verstärkungsphase und einer Haltephase den zeitlichen Verlauf (a) der Ansteuerspannung 100 und des resultierenden Ansteuerstroms 120 und (b) der resultierenden Einspritzrate 140. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Serienansteuerung einer bekannten eine Boost-Phase aufweisenden Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors entspricht. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Serienansteuerung als Standard-Ansteuerung verwendet, welche jedoch zwischenzeitlich durch eine Mess-Ansteuerung ersetzt wird, um nach einer Aktivierung des Kraftstoffinjektors den Zeitpunkt des Ankeranschlags genau bestimmen zu können und um, basierend auf der gewonnenen Erkenntnis bzgl. des Ankeranschlags, die nachfolgende Serien-Ansteuerung optimieren zu können.
-
Wie aus den 1a, 1b und 1c ersichtlich, weist in der Serien-Ansteuerung die Ansteuerspannung 100 zu Beginn der Ansteuerung im Zeitbereich zwischen 0 ms und ca. 0,3 ms eine Verstärkungsphase 102 auf, mit der eine Boostspannung in der Höhe von ca. 60 V an die Spule des Kraftstoffinjektors angelegt wird.
-
Gleichzeitig beginnt der Ansteuerstrom 120 durch die Spule anzusteigen. Die Steilheit des Anstiegs hängt in bekannter Weise von der Induktivität der Spule des Kraftstoffinjektors ab. Bei Erreichen eines Maximalstromes 122, welcher gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 12,5 A beträgt, wird die Verstärkungsphase abgebrochen. Dabei fällt die Ansteuerspannung 100 schlagartig ab und der Ansteuerstrom 120 sinkt auf einen Wert von ca. 5 A. Der Bereich zwischen ca. 0,3 ms und 0,5 ms, in dem aufgrund der Induktivität der Spule der Ansteuerstrom 120 exponentiell absinkt, wird auch als Freilaufphase 124 bezeichnet.
-
Um eine zügige Bewegung des Ankers des Kraftstoffinjektors hin zu seinem mechanischen Anschlag zu erreichen, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass bis zu einem Zeitpunkt bei ca. 0,75 ms der Ansteuerstrom 120 nicht unter einen Strompegel von 5 A fällt. Dies wird dadurch erreicht, dass im Bereich von ca. 0,3 ms bis ca. 0,7 ms eine Spannungstaktung 105 durchgeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Abfall der Ansteuerspannung 100 im Zeitbereich zwischen ca. 0,35 ms und 0,45 ms auf leicht negative Werte ein Messartefakt ist, und dass im gesamten Zeitbereich von ca. 0,3 ms bis 0,7 ms die tatsächliche an der Spule anliegende Spannung durch die Spannungstaktung 105 auf einen zumindest annähernd konstantem effektiven Spannungsniveau liegt.
-
Aus 1c ist ersichtlich, dass zu einem Zeitpunkt bei ca. 0,5 ms die Einspritzrate 140 ihren maximalen Wert von ca. 12 mg/ms erreicht. Daraus kann geschlossen werden, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Anker des Kraftstoffinjektors zu diesem Zeitpunkt, welcher durch eine gestrichelte Linie 160 dargestellt ist, seinen mechanischen Anschlag erreicht.
-
Wie aus 1a ersichtlich, liegt bei der Serien-Ansteuerung der Zeitpunkt 160 des Ankeranschlags innerhalb eines Zeitfensters, in dem die oben beschriebene Spannungstaktung 105 stattfindet. Die Spannungstaktung 105 sorgt jedoch für eine „unruhige Messumgebung“, so dass beispielsweise der Ansteuerstrom 120 nicht so genau ausgewertet werden kann, wie es für eine Bestimmung des Ankeranschlags 160 basierend lediglich auf elektrischen Daten notwendig ist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Einspritzrate 140 lediglich in einem Kraftstoffinjektor-Messstand gemessen werden kann. Im realen Betrieb des Kraftstoffinjektors sind entsprechende Durchflussmessungen i.d.R. nicht möglich.
-
Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle noch kurz auf weitere Charakteristika der in den 1a und 1b dargestellten elektrischen Serien-Ansteuerung des Kraftstoffinjektors eingegangen: Um den elektrischen Energieeintrag in den Kraftstoffinjektor nicht unnötig zu erhöhen, wird nach dem Ankeranschlag 160 bei ca. 0,7 ms eine weitere Spannungstaktung 110 vorgenommen, welche infolge eines geänderten Tastverhältnisses eine geringere effektive (an der Spule des Kraftstoffinjektors anliegende) Spannung zur Folge hat. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt diese weitere Spannungstaktung 110 bei ca. 0,75 ms und endet bei ca. 1,45 ms. Wie aus 1b ersichtlich, führt die weitere Spannungstaktung 110 im gezeigten Ausführungsbeispiel zu einem Ansteuerstrom 120 von ca. 2,5 A.
-
Der bei ca. 0.7 ms ersichtliche negative Spannungspuls (auch bezeichnet als negative Boostspannung) wird in diesem Fall aufgebracht, um ein schnelles Absinken des Spulenstromes zu erreichen (im dargestellten Fall sinkt der Spulenstrom von ca. 5 A auf ca. 2.5 A ab).
-
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel endet bei ca. 1,45 ms die elektrische Ansteuerung des Kraftstoffinjektors . Wie aus 1a ersichtlich, entsteht durch das entsprechende Abschalten der Ansteuerspannung 100 an der Spule des Kraftstoffinjektors eine Selbstinduktionsspannung. Daraus resultiert wiederum ein Stromfluss durch die Spule, welcher nun das Magnetfeld abbaut. Nach Überschreiten einer hier negativ dargestellten Rekuperationsspannung von ca. 70 V fließt kein Strom mehr. Dieser Zustand wird auch als „open coil“ bezeichnet. Aufgrund der ohm'schen Widerstände des magnetischen Materials des Ankers klingen die beim Feldabbau der Spule induzierten Wirbelströme ab. Die Abnahme der Wirbelströme führt wiederum zu einer Feldänderung in der Spule und somit zu einer Spannungsinduktion. Dieser Induktionseffekt führt dazu, dass der Spannungswert an der Spule des Kraftstoffinjektors ausgehend vom Niveau der Rekuperationsspannung nach dem Verlauf einer Exponentialfunktion 115 auf Null ansteigt. Der Kraftstoffinjektor schließt nach Abbau der Magnetkraft über die Federkraft und die durch den Kraftstoffdruck verursachte hydraulische Kraft.
-
Das Ende der elektrischen Ansteuerung erkennt man in 1b daran, dass bei ca. 1,45 ms der Ansteuerstrom 120 auf einen Wert Null absinkt. Aus 1c ist ersichtlich, dass nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung (vgl. oben beschriebene Schließtoleranz) der Anker des Kraftstoffinjektors bei ca. 1,75 ms beginnt zu schließen.
-
Um in dem Zeitfenster, in dem der Anschlag des Ankers des Kraftstoffinjektorserwartet wird, möglichst gute Messbedingungen für eine genaue elektrische Analyse des Stromsignals des Ansteuerstroms durch die Spule zu ermöglichen und um zumindest ein ähnliches Öffnungs- und ggf. auch Schließverhalten wie bei der Serien-Ansteuerung zu erreichen, wird gemäß dem nachfolgend anhand der 2a, 2b und 2c beschriebenen Ausführungsbeispiel die Spule des Kraftstoffinjektors derart angesteuert, dass auf eine Spannungstaktung verzichtet werden kann.
-
Die 2a, 2b und 2c zeigen für eine Mess-Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors mit einer modifizierten Verstärkungsphase und einer modifizierten Haltephase den zeitlichen Verlauf (a) der entsprechenden Ansteuerspannung 200 und des resultierenden Ansteuerstroms 220 und (b) der resultierenden Einspritzrate 240.
-
Der Zeitpunkt des Ankeranschlags ist mit der mit dem Bezugszeichen 260 versehenen gestrichelten Linie illustriert.
-
Wie aus einem Vergleich zwischen den 2b und 1b ersichtlich, wird bei der im Vergleich zu der Serien-Ansteuerung modifizierten Mess-Ansteuerung ein geringerer Maximalstrom 222 gewählt, so dass die Verstärkungsphase 202 etwas früher abgebrochen wird. Im Vergleich zu dem Maximalstrom 122, welcher bei der Serien-Ansteuerung ca. 12 A beträgt, liegt der Maximalstrom 222 der Mess-Ansteuerung lediglich bei ca. 10 A. Ferner wird zum Zeitpunkt des Endes der Verstärkungsphase 202 bei ca. 0,35 ms aktiv ein kurzer negativer Spannungspuls 204 an die Spule angelegt, um den Spulenstrom (hier ca. 10 A) zügig auf ein niedrigeres Niveau zu ziehen. Nach Umsetzung dieser beiden Maßnahmen (a) der Wahl eines etwas kleineren Maximalstroms 222 und (b) dem aktiven Herunterziehen des Stromes durch den kurzen negativen Spannungspuls 204 kann nachfolgend, d.h. in einem Zeitfenster von ca. 0,35 ms bis 0,75 ms, in dem der Ankeranschlag erwartet wird, auf eine Spannungstaktung verzichtet werden. Als Folge erhält man ein ungetaktetes Spannungsplateau 206 sowie ein Stromplateau 226 mit einem im Vergleich zu dem in 1b dargestellten Stromverlauf 120 wesentlich glatteren Stromverlauf. Wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird, kann somit bei „ruhigen Messbedingungen“ durch eine genaue Analyse des Stromplateaus 226 der Zeitpunkt, zu dem der Anker des Kraftstoffinjektors seinen mechanischen Anschlag erreicht, ermittelt werden.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Stromplateau 226 den Beginn eines exponentiellen Anstiegs in dem Ansteuerstrom 220 darstellt, welcher Anstieg in bekannter Weise durch die Induktivität der Spule, an welche eine konstante Spannung angelegt ist, verursacht wird. Durch die geschickte Wahl eines geeigneten (reduzierten) Wertes für den Maximalstrom 222 sowie insbesondere durch die Verwendung des negativer Spannungspulses 204 wird jedoch erreicht, dass dieser Anstieg in dem Zeitfenster von ca. 0,35 ms bis ca. 0,75 ms noch so flach ist, dass der Strom in diesem Zeitfenster in guter Näherung als zeitlich konstant angesehen werden kann.
-
Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle noch kurz auf weitere Charakteristika der in den 2a und 2b dargestellten elektrischen Mess-Ansteuerung des Kraftstoffinjektors eingegangen: Bei einem Zeitpunkt von ca. 0,75 ms endet die elektrische Ansteuerung des Kraftstoffinjektors. In gleicher Weise wie bei der Serien-Ansteuerung führt das Abschalten der Ansteuerspannung 200 an der Spule des Kraftstoffinjektors zu einer negativen Selbstinduktionsspannung und danach zu einem exponentiellen Anstieg der Ansteuerspannung auf den Wert Null. Bei dem Zeitpunkt von ca. 0,75 ms fällt der Spulenstrom 220 auf Null ab. Aus 2c ist ersichtlich, dass nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung (vgl. oben beschriebene Schließtoleranz) der Anker des Kraftstoffinjektors bei ca. 1 ms beginnt zu schließen.
-
3a zeigt einen Vergleich zwischen dem in 2b dargestellten Ansteuerstrom, welcher nunmehr mit dem Bezugszeichen 320 gekennzeichnet ist, und einem Ansteuerstrom 320R, welcher sich bei Verwendung der gleichen Ansteuerspannung im Falle eines hydraulisch blockierten Kraftstoffinjektors einstellt. 3b zeigt in einem vergrößerten Maßstab die Differenz zwischen den beiden in 3a dargestellten Ansteuerströmen 320 und 320R.
-
Aus der in Vergleich zu 2b vergrößerten Darstellung in 3a ergibt sich, dass der Ankeranschlag zu einem Zeitpunkt auftritt, an dem der Ansteuerstrom 320 ein - wenn auch flaches - lokales Minimum 321 aufweist. Infolge der stabilen elektrischen Messbedingungen, die mit der vorstehend beschriebenen Mess-Ansteuerung zumindest innerhalb des Zeitfensters zwischen ca. 0,35 ms und 0,75 ms geschaffen wurden, ist jedoch die Messkurve 320 des Ansteuerstroms so genau, dass dieses Minimum 321 tatsächlich mit ausreichend hoher Zuverlässigkeit detektiert werden kann.
-
Um die Detektionszuverlässigkeit weiter zu erhöhen, kann die Messkurve 320 des Ansteuerstroms mit dem oben erwähnten Referenz-Ansteuerstrom 320R verglichen werden, welcher charakteristisch ist für einen elektrisch mit der Ansteuerspannung 200 beaufschlagten, jedoch mechanisch geklemmten Anker. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Vergleichen aus einer einfachen Differenzbildung, dessen Ergebnis in 3b dargestellt ist. Die entsprechende Kurve 320D stellt also die Differenz zwischen dem Ansteuerstrom 320 und dem Referenz-Ansteuerstrom 320R dar. Dabei ist klar ersichtlich, dass der Zeitpunkt des Ankeranschlags 360 nunmehr durch ein wesentlich deutlicher ausgeprägtes Minimum 321D charakterisiert ist. Der Zeitpunkt des Ankeranschlags 360 kann somit genauer und insbesondere mit größerer Zuverlässigkeit ermittelt werden.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass während des Betriebs einer Brennkraftmaschine eine zwischenzeitliche mechanische Klemmung des Kraftstoffinjektors, beispielsweise durch das Anlegen eines überhöhten Kraftstoffdrucks, typischerweise nicht möglich ist. Allerdings kann der Referenz-Ansteuerstrom 320R, welcher für einen bestimmten Typ von Kraftstoffinjektor oder sogar für einen individuellen Kraftstoffinjektor charakteristisch sein kann, z.B. in einem Teststand ermittelt und dann in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs hinterlegt sein. Sofern dann während des Betriebs des Kraftfahrzeugs die hier beschriebene Mess-Ansteuerung durchgeführt wird, dann kann dieser Referenz-Ansteuerstrom 320R aus einem Speicher der Motorsteuerung abgerufen werden und für eine zuverlässige Bestimmung des tatsächlichen Ankeranschlags 360 verwendet werden.
