DE102011087418B4

DE102011087418B4 - Bestimmung des Öffnungsverhaltens eines Kraftstoffinjektors mittels einer elektrischen Test-Erregung ohne eine magnetische Sättigung

Info

Publication number: DE102011087418B4
Application number: DE102011087418.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Hauser; Michael Koch; Robert Fromm; Gerd Rösel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: KR101913222B1; CN103958870B; US10487788B2; CN103958870A; WO2013079553A1; KR20140094652A; US20140345571A1; DE102011087418A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend – Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung (211, 221), welche im Vergleich zu einer elektrischen Standard-Erregung (210, 220), mit welcher die Spule im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, schwächer ist, so dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem sich der Spulenantrieb nicht in magnetischer Sättigung befindet, – Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe (I) der Spule, – Ermitteln eines ersten Zeitpunkts (t2'), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe (I), und – Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts (t2), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung (210, 220) seine Öffnungsposition erreichen würde, basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt (t2').

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, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogram zum Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Korrelation zwischen einem Test-Öffnungsverhalten und einem Standard-Öffnungsverhalten eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, bei dem u. a. das zeitliche Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens eines Kraftstoffinjektors zum Einsatz kommt.
In der Kraftfahrzeugtechnik ist es seit langem bekannt, Verbrennungsvorgänge in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch die Verwendung von Kraftstoffinjektoren zu optimieren. Bei entsprechenden Einspritz-Verbrennungsmotoren kann im Vergleich zu Verbrennungsmotoren, welche einen Vergaser aufweisen, eine deutlich bessere Mengengenauigkeit und ggf. auch eine bessere räumliche Verteilung des in den jeweiligen Verbrennungsraum oder Ansaugtrakt eingebrachten Kraftstoffs realisiert werden.
Kraftstoffinjektoren weisen üblicherweise eine Spule auf, welche bei einer Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, mit dem ein magnetischer Anker entgegen der Kraft einer rückstellenden Feder, von einer Schließposition in eine Öffnungsposition verschoben werden kann. An dem magnetischen Anker ist eine Ventilnadel angebracht, welche, wenn sich der magnetische Anker in der Schließposition befindet, eine Einspritzöffnung des Kraftstoffinjektors verschließt. Wenn sich der magnetische Anker in der Öffnungsposition befindet, dann ist die Einspritzöffnung von der Ventilnadel freigegeben und unter Druck stehender Kraftstoff kann durch die Einspritzöffnung abgegeben werden. Zum Schließen des Kraftstoffinjektors wird die Bestromung der Spule abgeschalten und so die magnetische Kraft auf den Anker eliminiert. Durch die verbleibende Kraft der rückstellenden Feder wird der Anker wieder in seine Schließposition gebracht.
Eine bekannte wirbelstromgetriebene Kopplung zwischen der Mechanik (Anker und Ventilnadel) und Magnetkreis (Spule) des Kraftstoffinjektors generiert in bekannter Weise ein Feedbacksignal, das auf der Bewegung der Mechanik beruht. Hierbei wird in dem ein ferromagnetisches Material aufweisenden Anker infolge der Bewegung der Ventilnadel und des Ankers ein geschwindigkeitsabhängiger Wirbelstrom induziert, welcher ebenfalls eine Rückwirkung auf den Magnetkreis verursacht. Somit wird in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers und der Ventilnadel in der Spule eine Spannung induziert, die dem Ansteuersignal überlagert ist.
Es ist ferner bekannt, dass dieser Effekt, bei dem die elektrische Grundgröße Spannung bzw. Strom mit einer durch die Bewegung der Ventilnadel aufgeprägten Signaländerung überlagert ist, derart weiterverarbeitet werden kann, dass die durch die Geschwindigkeit oder genauer durch die Änderung der Geschwindigkeit des Ankers verursachte elektrische Komponente separiert werden kann. Dabei wird insbesondere eine charakteristische Signalform im Spannungs- bzw. Stromsignal bzgl. des Zeitpunktes ihres Auftretens ausgewertet. Da die Geschwindigkeitsänderung zum Zeitpunkt des Erreichens der Endposition besonders groß ist, kann daraus der tatsächliche Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem der Anker bzw. die an dem Anker befestigte Ventilnadel die Öffnungsposition erreicht.
Zur Detektion eines charakteristischen Signalverlaufes beim Öffnungsvorgang sind grundsätzlich folgende Verfahren bekannt:

(A) Strommessung: Dies erfordert eine aktive Beeinflussung des Stromverlaufs um sicherzustellen, dass der Magnetkreis nicht in der Sättigung ist. Mit diesem Messverfahren ist ein Messsignal jedoch erst bei einer Vollaussteuerung, d. h. am mechanischen Anschlag der Ventilnadel detektierbar.
(B) Spannungsmessung: Dabei ist es erforderlich, dass die Spule unter Verwendung einer sog. Sample & Hold Ansteuerung mit einer Boost-Phase angesteuert wird. Trotzdem ist es in der Regel nicht möglich oder zumindest sehr schwierig, vor dem Hintergrund einer relativ großen Ansteuerspannung alle erforderlichen und typischerweise relativ schwachen Charakteristika in der an der Spule anliegenden Spannung zu erkennen und im Hinblick auf eine Analyse der Ankerbewegung auszuwerten.

Die Fertigung von Kraftstoffinjektoren ist mit Toleranzen behaftet. So können z. B. bei unterschiedlichen Kraftstoffinjektoren beim Öffnen und Schließen unterschiedliche Federkräfte und/oder unterschiedliche Führungsspiele (Reibung) auftreten, die wiederum zu unterschiedlichen Verzugszeiten und somit zu unterschiedlichen Einspritzmengen führen.
In der DE 10 2009 045 307 A1 sind ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben eines Ventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Bei diesem Ventil wird ein elektromagnetischer Aktor mit einem Ansteuerstrom beaufschlagt, um eine Komponente des Ventils, insbesondere eine Ventilnadel anzutreiben. Das Verfahren weist dabei folgende Schritte auf:

– Durchführen mindestens einer Testansteuerung, während der Aktor mit einem vorgebbaren Ansteuerstrom beaufschlagt wird,
– Erfassen eines zeitlichen Verlaufs mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des Aktors während der Testansteuerung,
– Auswerten des erfassten zeitlichen Verlaufs auf das Vorhandensein eines einen vorgebbaren Betriebszustand und/oder eine vorgebbare Betriebszustandsänderung des Ventils charakterisierenden Merkmals,
– gegebenenfalls Wiederholen der Schritte des Durchführens, Erfassens, Auswertens, sofern das einen vorgebbaren Betriebszustand und/oder eine vorgebbare Betriebszustandsänderung des Ventils charakterisierende Merkmal nicht während des vorangehenden Schritts des Auswertens aufgefunden worden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine verbesserte Bestimmung des tatsächlichen Bewegungsverhaltens eines Kraftstoffinjektors die Genauigkeit in Bezug auf die tatsächlich eingespritzte Menge an Kraftstoff zu verbessern.
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 Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung, welche im Vergleich zu einer elektrischen Standard-Erregung, mit welcher die Spule im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, schwächer ist, so dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem sich der Spulenantrieb nicht in magnetischer Sättigung befindet, (b) ein Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe der Spule, (c) ein Ermitteln eines ersten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe, und (d) ein Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung seine Öffnungsposition erreichen würde, basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt.
Dem beschriebenen Verfahren zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine gezielt schwächere elektrische Erregung der Spule eines Spulenantriebs eines Kraftstoffinjektors im Rahmen einer sog. Test-Erregung der Verlauf einer elektrischen Größe, welche für das Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors und insbesondere für das tatsächliche Erreichen der Öffnungsposition unter dem Einfluss der im Vergleich zu einer Standard-Erregung schwächeren Test-Erregung charakteristisch ist, mit einer Genauigkeit gemessen werden kann, welche ausreichend ist, um den genauen (ersten) Zeitpunkt des Erreichens der Endposition (unter dem Einfluss der Test-Erregung) zu ermitteln. Dabei ist entscheidend, dass es unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung zum Zeitpunkt der Detektion zu keiner magnetischen Sättigung des Spulenantriebs kommt, da nur dann der erste Zeitpunkt mit einer ausreichend hohen Genauigkeit ermittelt werden kann.
Basierend aus dem ermittelten (ersten) Zeitpunkt kann beispielsweise durch einen Vergleich mit dem Verhalten eines Referenz-Kraftstoffinjektors, bei dem z. B. in einem Motormessstand unter vergleichbaren Bedingungen der zeitliche Unterschied zwischen dem ersten Zeitpunkt (Erreichen der Öffnungsposition bei der elektrischen Test-Erregung) und dem zweiten Zeitpunkt (Erreichen der Öffnungsposition bei der elektrischen Standard-Erregung) ermittelt wurde, der zu erwartende (zweite) Zeitpunkt des Erreichens der Öffnungsposition bei der elektrischen Standard-Erregung für den betreffenden Kraftstoffinjektor bestimmt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass es auch bei der beschriebenen Test-Erregung zu einer magnetischen Sättigung während des entsprechenden Stromverlaufes kommen kann. Entscheidend für das beschriebene Verfahren zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens ist jedoch, dass die Test-Erregung so schwach ist, dass es zum dem Zeitpunkt, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, eine magnetische Sättigung (noch) nicht vorliegt.
Die elektrische Test-Erregung und/oder die elektrische Standard-Erregung ist insbesondere ein zeitlicher Verlauf einer Erregung, welche eine an der Spule angelegte Spannung und/oder ein durch die Spule fließender Strom sein kann.
Unter dem Begriff ”schwächer” bzw. ”schwächere Erregung” kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das zeitliche Integral über die an der Spule anliegende Spannung und/oder das zeitliche Integral über den durch die Spule fließenden Strom kleiner ist als das entsprechende zeitliche Integral bei der Standard-Erregung.
Unter dem Ausdruck ”ohne eine magnetische Sättigung” kann in diesem Dokument insbesondere verstanden werden, dass die Magnetisierung eines magnetischen und insbesondere ferromagnetischen Elements wie beispielsweise eine Armatur oder ein sog. Anker des Spulenantriebs unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung magnetisch nicht in Sättigung kommt. Dies bedeutet, dass eine (weitere) Erhöhung der elektrischen Erregung der Spule zumindest zu einer gewissen (weiteren) Erhöhung der Magnetisierung des ferromagnetischen Elements führt.
Bei der Beaufschlagung des Kraftstoffinjektors mit der eine magnetische Sättigung vermeidenden Test-Erregung kann somit sichergestellt werden, dass am Ende der Bewegung des Ankers bzw. einer an dem Anker befestigten Ventilnadel des Kraftstoffinjektors die elektrische Größe so genau gemessen werden kann, dass ein Beitrag zu dieser Größe, welcher auf einer mit dem Erreichen der Öffnungsposition verbundenen starken Geschwindigkeitsänderung basiert, bestimmt werden kann.
Unter dem Begriff Öffnungsposition kann insbesondere eine Endposition einer im Kraftstoffinjektor verschiebbar gelagerten Ventilnadel des Kraftstoffinjektors verstanden werden. Diese Endposition kann insbesondere durch einen mechanischen Endanschlag definiert sein.
Die Begriffe ”erster Zeitpunkt” und ”zweiter Zeitpunkt” können insbesondere als relative Zeitangaben in Bezug zu einem bestimmten Charakteristikum der elektrischen Test-Erregung bzw. der elektrischen Standard-Erregung aufgefasst werden. Das Charakteristikum in der Test- bzw. der Standard-Erregung kann dabei jeder beliebige Zeitpunkt in dem entsprechenden zeitlichen Erregungsprofil sein. Insbesondere kann das Charakteristikum der Beginn einer sog. Boost-Phase sein, während der die Spule des Kraftstoffinjektors mit einer überhöhten Erregung beaufschlagt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrische Messgröße ein an der Spule des Spulenantriebs abgegriffener Strom.
Der abgegriffene Strom kann insbesondere auch Anteile enthalten, welche in dem Elektromagneten aufgrund von zeitlich veränderlichen Wirbelströmen induziert werden, wobei diese Wirbelströme wiederum von der Geschwindigkeit der Armatur, des Ankers oder einer Ventilnadel des Kraftstoffinjektors relativ zu einem Gehäuse des Kraftstoffinjektors abhängen. Da die Öffnungsposition (einer Ventilnadel) eines Kraftstoffinjektors üblicherweise durch einen mechanischen Anschlag bestimmt ist, ergibt sich beim Erreichen dieser Öffnungsposition ein schlagartiges Abbremsen und somit eine große Geschwindigkeitsänderung. Diese große Geschwindigkeitsänderung führt wiederum zu starken Wirbelströmen, so dass der Beitrag der Stromänderung, welcher auf die Wirbelströme zurückgeht, entsprechend stark ist und in bekannter Weise detektiert und der tatsächliche Zeitpunkt des Erreichens der Öffnungsposition unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung ermittelt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bestimmen des zweiten Zeitpunkts zusätzlich basierend auf einem Kraftstoffdruck, welcher an dem Kraftstoffinjektor anliegt.
Da das tatsächliche Öffnungsverhalten häufig in nicht unerheblicher Weise von dem Kraftstoffdruck abhängt, welcher an dem Kraftstoffinjektor anliegt, kann durch eine Berücksichtigung des aktuellen Kraftstoffdruckes der zweite Zeitpunkt, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung seine Öffnungsposition erreichen würde, besonders genau bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen sowohl die Test-Erregung als auch die Standard-Erregung jeweils eine Boost-Phase auf. Ferner unterscheidet sich die Test-Erregung von der Standard-Erregung durch eine unterschiedliche zeitliche Länge der Boost-Phase.
Bevorzugt unterscheiden sich die beiden Erregungen lediglich hinsichtlich der Länge ihrer Boost-Phasen. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise zwischen den beiden verschiedenen Arten von Erregungen gewechselt werden kann. Eine aufwendige vollständige Umkonfiguration einer entsprechen Ansteuerendstufe ist damit nicht erforderlich, um im realen Betrieb des Kraftstoffinjektors von Zeit zu Zeit eine Test-Erregung zu generieren, anhand der dann das tatsächliche Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors unter dem Einfluss der Standard-Erregung bestimmt werden kann.
Unter dem Begriff Boost-Phase kann in diesem Zusammenhang jene Zeitspanne bei der Erregung der Spule verstanden werden, innerhalb der der zeitliche Gradient eines Energieeintrags in die Spule einen besonders hohen positiven Wert aufweist. Dabei basiert die Boost-Phase auf dem Anlegen einer sog. Boost-Spannung, welche durch eine geeignete elektrische Boost-Schaltung gegenüber einer durch eine Fahrzeugbatterie bereit gestellte Spannung erhöht ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bestimmen des zweiten Zeitpunkts basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt unter Verwendung von in einer Datenbank abgelegten Vergleichsdaten.
Die Vergleichsdaten können beispielsweise analytische und/oder tabellarisch abgelegte Kennlinien sein, welche für einen Referenz-Kraftstoffinjektor, welcher beispielsweise in einem Motor-Teststand genau vermessen wurde, den Zusammenhang zwischen den Zeitpunkten des Erreichens der Öffnungsposition unter dem Einfluss der Test-Erregung und den Zeitpunkten des Erreichens der Öffnungsposition unter dem Einfluss der Standard-Erregung beschreiben. Dabei kann dieser Zusammenhang auch in Abhängigkeit des an den Kraftstoffinjektor angelegten Kraftstoffdrucks und/oder in Abhängigkeit der Boost-Dauer bei der Test-Erregung und/oder bei der Standard-Erregung durch eine entsprechende Vielzahl an unterschiedlichen Kennlinien in der Datenbank abgelegt sein.
Das Erstellen der genannten Kennlinien und/oder, im Falle der Berücksichtigung von mehreren Abhängigkeiten, das Erstellen von ggf. mehrdimensionalen Kennflächen kann auf verschiedene Arten erfolgen. Neben der bereits oben erwähnten Bestimmung der Anschlagszeitpunkte mit einem instrumentierten Kraftstoffinjektor (in einem Motor-Teststand), welche Bestimmung durch eine Auswertung des an der Spule anliegenden elektrischen Signals und/oder durch eine explizite Messung von Einspritzratenverläufen mit jeweils einem Rückschluss auf die Bewegung der Ventilnadel erfolgen kann, ist auch eine Ermittlung der Anschlagszeitpunkte bzw. der Kennlinien durch geeignete Simulationen möglich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird basierend auf (a) dem ermittelten ersten Zeitpunkt, (b) den in der Datenbank abgelegten Vergleichsdaten und/oder (c) einer zeitlichen Länge für eine Boost-Phase der Test-Erregung dem Kraftstoffinjektor ein bestimmter Wert für eine Gegenkraft zugeordnet, welche beim Öffnen des Kraftstoffinjektors einer Magnetkraft, welche von dem Magnetfeld der erregten Spule auf einen beweglichen magnetischen Anker wirkt, entgegen wirkt.
Die genannte Gegenkraft kann eine mechanische Gegenkraft sein, welche insbesondere von einer Kraft einer rückstellenden Feder des Kraftstoffinjektors verursacht wird. Diese Gegenkraft kann jedoch als weitere Komponente auch noch eine Reibungskraft sein, welche in einem Lager, insbesondere in einem Linearlager, entsteht, wenn sich der magnetische Anker (zusammen mit der Ventilnadel) in Richtung der Öffnungsposition bewegt. Da eine Reibungskraft stets antiparallel zu einer die Reibungskraft hervorrufenden Bewegung orientiert ist, trägt diese bei einem sich öffnenden Kraftstoffinjektor zusammen mit der Federkraft einer Rückstellfeder zu einer verlangsamten Öffnungsbewegung bei.
Die beschriebene Zuordnung eines bestimmten Wertes für eine derartige Federkraft hat den Vorteil, dass der jeweilige Kraftstoffinjektor auf unkomplizierte Weise klassifiziert werden kann. Dadurch wird eine besonders einfache und trotzdem genaue Zuordnung zwischen den beiden genannten Zeitpunkten möglich. Anschaulich gesprochen bedeutet dies, dass bei einer Kenntnis des ersten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, auf einfache und trotzdem genaue Weise der zweite Zeitpunkt bestimmt werden kann, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung seine Öffnungsposition erreichen würde.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Korrelation zwischen einem Test-Öffnungsverhalten und einem Standard-Öffnungsverhalten eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung, welche so schwach ist, dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem keine magnetische Sättigung des Spulenantriebs vorherrscht, (b) ein Messen des zeitlichen Verlaufs einer Test-Kraftstoff-Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor, (c) ein Ermitteln eines ersten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der Test-Kraftstoff-Durchflussrate, (d) ein Beaufschlagen der Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Standard-Erregung, welche so stark ist, dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors mit einer magnetischen Sättigung des Spulenantriebs erfolgt, (e) ein Messen des zeitlichen Verlaufs einer Standard-Kraftstoff-Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor, (f) ein Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlaufs der Standard-Kraftstoff-Durchflussrate, und (g) ein Bestimmen der Korrelation zwischen dem Test-Öffnungsverhalten und dem Standard-Öffnungsverhalten, wobei der ermittelte erste Zeitpunkt mit dem ermittelten zweiten Zeitpunkt verglichen wird.
Dem beschriebenen Verfahren zum Bestimmen einer Korrelation zwischen einem Test-Öffnungsverhalten und einem Standard-Öffnungsverhalten liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Vielzahl von derartig bestimmten Korrelationen Kennlinien bestimmt werden können, welche sich insbesondere für das oben beschriebene Verfahren zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors eignen, bei dem der zweite Zeitpunkt basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt unter Verwendung von in einer Datenbank abgelegten Vergleichsdaten erfolgt. Dabei stellen die Vergleichsdaten die Korrelation bzw. die durch eine Vielzahl von Korrelationen bestimmte Kennlinie dar.
Das hier beschriebene Korrelationsbestimmungsverfahren kann insbesondere mit einem bestimmten Referenz-Kraftstoffinjektor in einem Motor-Teststand durchgeführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn als Referenz-Kraftstoffinjektor ein Kraftstoffinjektor verwendet wird, der im Vergleich zu einer Vielzahl von anderen Kraftstoffinjektoren desselben Typs eine mittlere mechanische Gegenkraft beim Öffnungsvorgang aufweist. Ein derartiger Kraftstoffinjektor kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass unter gegebenen Bedingungen für verschiedene Kraftstoffinjektoren desselben Typs ein Kraftstoffinjektor ausgewählt wird, dessen Öffnungsverhalten ungefähr dem durchschnittlichen Öffnungsverhalten entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Dieses Verfahren weist auf (a) ein Bestimmen des zeitlichen Öffnungsverhaltens des Kraftstoffinjektors mit einem oben beschriebenen Verfahren, (b) ein Anpassen der elektrischen Ansteuerung für die elektrische Standard-Erregung des Kraftstoffinjektors basierend auf dem bestimmten zeitlichen Öffnungsverhalten, so dass mit einem Einspritzvorgang eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff injiziert wird.
Dem beschriebenen Ansteuerverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das oben erläuterte Verfahren zum Bestimmen des zeitlichen Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors dazu verwendet werden kann, (a) das zu erwartende tatsächliche Bewegungsverhalten eines Magnetankers bzw. einer mit dem Magnetanker mechanisch gekoppelten Ventilnadel des Kraftstoffinjektors unter dem Einfluss der Standard-Erregung zu bestimmen, (b) basierend auf dem bestimmten Bewegungsverhalten die tatsächliche Kraftstoff-Einspritzmenge zu ermitteln und (c) für einen nachfolgenden Einspritzvorgang unter dem Einfluss einer Standard-Erregung die elektrische Ansteuerung des Kraftstoffinjektors derart anzupassen, dass die Kraftstoff-Einspritzmenge möglichst genau einer für einen bestimmten Betriebszustand vorgegebenen Sollmenge entspricht. Die elektrische Ansteuerung der Spule erfolgt dabei insbesondere durch eine ggf. modifizierte Standard-Erregung, bei der, wie bereits oben beschrieben, sichergestellt ist, dass sich spätestens bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Öffnungsposition eine magnetische Sättigung des Spulenantriebs eingestellt hat.
Die beschriebene Anpassung der elektrischen Ansteuerung der Spule des Kraftstoffinjektors kann dabei insbesondere durch die oben im Detail erläuterte Korrelation zwischen dem Test-Öffnungsverhalten und dem Standard-Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors berechnet oder bestimmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Beaufschlagen der Spule des Spulenantriebs mit der elektrischen Standard-Erregung auf, wobei die angepasste elektrische Ansteuerung verwendet wird.
Mit diesem Ansteuerverfahren kann die Mengengenauigkeit des Kraftstoffinjektors insbesondere bei kleinen Mengen erheblich verbessert werden und damit ein wichtiger Beitrag für einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder für reduzierte Schadstoffemissionen geleistet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Beaufschlagen der Spule mit der elektrischen Test-Erregung und das Beaufschlagen der Spule mit der elektrischen Standard-Erregung innerhalb einer Zeitspanne von weniger als einer Minute und insbesondere innerhalb einer Zeitspanne von weniger als einer Sekunde durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass sich innerhalb einer derart kurzen Zeitspanne die Rahmenbedingungen für den Betrieb des Kraftstoffinjektors nicht oder zumindest nicht wesentlich ändern, so dass eine besondere genaue Anpassung der elektrischen Ansteuerung für die elektrische Standard-Erregung des Kraftstoffinjektors gewährleistet werden kann.
Insbesondere bleibt während einer derartig kurzen Zeitspanne die Betriebstemperatur des gesamten Kraftstoffinjektors konstant, so dass beispielsweise die elektrischen Parameter der Spule wie deren ohmscher Widerstand oder deren Induktivität zumindest annäherungsweise gleich bleibt. In diesem Zusammenhang wird erwähnt, dass die Induktivität der Spule von der exakten räumlichen Struktur der Spule abhängt, welche infolge einer thermischen Ausdehnung auch von der Temperatur abhängt. Wenn also die elektrischen Parameter der Spule bzw. des gesamten Spulenantriebs zumindest näherungsweise konstant bleiben, dann werden mit dem beschriebenen Verfahren automatisch mit einer besonders hohen Genauigkeit die mechanischen Injektor-zu-Injektor Toleranzen zum jeweiligen Mess- und Betriebszeitpunkt kompensiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass im realen Betrieb des Kraftstoffinjektors die beschriebene elektrische Test-Erregung nur vergleichsweise selten verwendet werden sollte. Dies liegt daran, dass ein Betrieb mit der elektrischen Test-Erregung nicht dauerhaft erfolgen kann, da die durch die schwächere Test-Erregung verringerte Öffnungsgeschwindigkeit des Kraftstoffinjektors in der Praxis zu einer deutlich geringeren Einspritzqualität (insbesondere Einspritzmengen-Verlauf) führt. Insbesondere können bei einer elektrischen Test-Erregung unerwünschte Zerstäubungen auftreten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung, welche insbesondere in oder mittels einer Motorsteuerung realisiert sein kann, weist auf (a) eine Erregungseinrichtung zum Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung, welche im Vergleich zu einer elektrischen Standard-Erregung, mit welcher die Spule im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, schwächer ist, so dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors ohne eine magnetische Sättigung des Spulenantriebs erfolgt, (b) eine Messeinrichtung zum Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe der Spule, und (c) eine Datenverarbeitungseinrichtung zum (c1) Ermitteln eines ersten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe, und zum (c2) Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung seine Öffnungsposition erreichen würde, basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt.
Auch der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine gezielt schwächere elektrische Erregung der Spule eines Spulenantriebs eines Kraftstoffinjektors im Rahmen einer sog. Test-Erregung der Verlauf einer elektrischen Größe, welche für das Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors unter dem Einfluss der schwächeren Test-Erregung charakteristisch ist, mit einer Genauigkeit gemessen werden kann, welche ausreichend ist, um den genauen (ersten) Zeitpunkt der Erreichens der Endposition (unter dem Einfluss der Test-Erregung) zu ermitteln. Dabei ist entscheidend, dass es unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung zu keiner magnetischen Sättigung des Spulenantriebs kommt, da in der Regel nur dann die elektrische Größe mit einer ausreichenden Genauigkeit gemessen werden kann, was wiederum die entscheidende Voraussetzung für eine genaue Ermittlung des ersten Zeitpunkts darstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das Computerprogramm ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors eingerichtet.
Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blue-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher oder Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen 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.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens eines Kraftstoffinjektors.
2 zeigt einen Vergleich zwischen einem Standard-Erregungsprofil und einem Test-Erregungsprofil.
3 zeigt Simulationsergebnisse für das Öffnungsverhalten von drei verschiedenen Kraftstoffinjektoren mit unterschiedlichen Federkräften in Abhängigkeit eines an dem jeweiligen Kraftstoffinjektor anliegenden Kraftstoffdrucks.
4 zeigt für zwei verschiedene Kraftstoffinjektoren Kennflächen für die Abhängigkeit des zeitlichen Öffnungsverhaltens (a) von einem an dem jeweiligen Kraftstoffinjektor anliegenden Kraftstoffdruck und (b) von einer Dauer einer Boost-Phase.
5 zeigt für drei verschiedene Dauern einer Boost-Phase die Kennlinien für zwei Kraftstoffinjektoren mit einer Federkraft von 15 N bzw. 25 N bezogen auf einen Referenz-Kraftstoffinjektor mit einer Federkraft von 20 N.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Die Vorrichtung 100 weist eine Erregungseinrichtung 102 zum Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung auf, welche im Vergleich zu einer elektrischen Standard-Erregung, mit welcher die Spule im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, schwächer ist, so dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem keine magnetische Sättigung des Spulenantriebs vorherrscht. Die Vorrichtung weist ferner eine Messeinrichtung 104 zum Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe der Spule und eine Datenverarbeitungseinrichtung 106 auf. Die Datenverarbeitungseinrichtung 106 dient (a) zum Ermitteln eines ersten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe, und (b) zum Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung seine Öffnungsposition erreichen würde, basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt.
2 zeigt einen Vergleich zwischen einem Standard-Erregungsprofil und einem Test-Erregungsprofil. Im oberen Diagramm ist eine an der Spule eines Kraftstoffinjektors anliegende Spannung U als Funktion der Zeit t, im mittleren Diagramm ist die Stärke eines entsprechenden durch die Spule fließenden Stromes I und im unteren Diagramm ist der resultierende zeitliche Verlauf des Hubs s einer Ventilnadel des Kraftstoffinjektors dargestellt.
Eine Serien-Erregung ist mit durchgezogenen Linien dargestellt, die mit den Bezugszeichen 210 und 220 versehen sind. Dabei zeigt die Linie 210 den Spannungsverlauf der Serien-Erregung und die Linie 220 zeigt den entsprechenden Stromverlauf der Serien-Erregung. Eine Testerregung ist zumindest in den Bereichen, wo sie sich von der Serien-Erregung unterscheidet, durch gestrichelte Linien dargestellt, die mit den Bezugszeichen 211 und 221 versehen sind. Dabei zeigt die Linie 211 den Spannungsverlauf der Test-Erregung und die Linie 221 zeigt den entsprechenden Stromverlauf bei dieser Serien-Erregung.
Wie aus 2 ersichtlich, unterscheidet sich gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Spannungsverlauf 211 der Test-Erregung lediglich in der Zeitdauer einer Boost-Phase von dem Spannungsverlauf 210 der Serien-Erregung. Innerhalb dieser Boost-Phase wird in bekannter Weise zum Zwecke eines möglichst schnellen Öffnens des Kraftstoffinjektors eine Boost-Spannung Uboost angelegt.
Die in dem mittleren Diagramm mittels einer Strichpunktlinie 225 dargestellte horizontale Linie illustriert die Grenze, ab der eine magnetische Sättigung auftritt. Im Bereich oberhalb dieser Sättigungsgrenze 225 liegt eine magnetische Sättigung vor, unterhalb dieser Sättigungsgrenze 225 kommt es zu keiner magnetischen Sättigung. Dies hat zur Folge, dass, wie aus dem unteren Diagramm von 2 ersichtlich, zum Zeitpunkt t2 des Erreichens des maximalen Ventilhubs smax, im Falle der Serien-Erregung eine magnetische Sättigung vorliegt (vgl. Verlauf 230 eines Nadelhubs bei der Serien-Erregung). Im Unterschied dazu liegt zu einem späteren Zeitpunkt t2' des Erreichens des maximalen Ventilhubs smax bei der Test-Erregung (vgl. Verlauf 231 eines Nadelhubs bei der Test-Erregung) keine magnetische Sättigung vor. Wie bereits oben im Detail erläutert, kann an dem mit dem Bezugszeichen 221a gekennzeichneten Punkt der Kurve 221 anhand einer genauen Analyse des an der Spule abgegriffenen Stroms das Erreichen der Öffnungsposition, welches dem Nadelhub smax entspricht, erkannt werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Erkennung des Erreichens der Öffnungsposition durch Beaufschlagen der Spule des Kraftstoffinjektors mit einer geeigneten Test-Erregung an mindestens einem Betriebspunkt, welcher durch einen bestimmten Kraftstoffdruck fup (fuel pressure) bestimmt ist und danach durch ein Übertragen des erkannten Wertes auf einen Betriebsbereich mit einer Standard-Erregung.
3 zeigt Simulationsergebnisse für drei verschiedene Kraftstoffinjektoren mit unterschiedlichen Federkräften F1, F2 und F3, wobei gilt: F1 < F2 < F3. Der Zeitpunkt t2 des Erreichens der Öffnungsposition (Nadelanschlag) ist in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks (fup) und der unterschiedlichen Federkräfte F1, F2 und F3 dargestellt. Die entsprechenden Kurven, welche Kennlinien darstellen, sind mit den Bezugszeichen 341, 342 und 343 gekennzeichnet. Wie aus 3 ersichtlich, werden durch die verschiedenen Federkräfte verschiedene Gegenkräfte simuliert. Diese Gegenkräfte können noch weitere veränderliche Komponenten wie z. B. Reibungskräfte enthalten.
Aus 3 ist ersichtlich, dass die stärkste Federkraft F3 die Öffnungsbewegung der Ventilnadel am stärksten hemmt, so dass sich für die Federkraft F3 die größten Werte für den jeweiligen Zeitpunkt t2 des Nadelanschlags ergeben.
Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass alle Kraftstoffinjektoren durch zumindest näherungsweise ähnliche Kurven beschrieben werden. Falls nun ein Punkt im fup – t2 Diagramm bekannt ist, dann kann auch auf alle anderen Punkte geschlossen werden. Dies kann z. B. durch tabellarisches Ablegen dieser Kurven 341, 342 und 343, welche Kennlinien darstellen, geschehen. Alternativ können diese Kennlinien 341, 342 und 343 auch durch eine geeignete Parametrisierung beschrieben werden.
Der Übertrag eines Detektionswertes für den Zeitpunkt t2 des Nadelanschlags von einem Testbetrieb mit einer Test-Erregung auf einen Normalbetrieb mit einer Standard-Erregung kann besonders genau sein, wenn eine entsprechende Kennlinientabelle noch um die Zeitdauer tboost der Boost-Phase erweitert wird. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zeitdauer tboost nämlich das wesentliche Merkmal zur Unterscheidung der Test-Erregung von der Standard-Erregung. Eine geringe Zeitdauer tboost entspricht einer Test-Erregung, eine längere Zeitdauer tboost entspricht einer Standard-Erregung.
4 zeigt für zwei verschiedene Kraftstoffinjektoren entsprechende Kennflächen für die Abhängigkeit des zeitlichen Öffnungsverhaltens (a) von dem an dem jeweiligen Kraftstoffinjektor anliegenden Kraftstoffdruck und (b) von der Zeitdauer tboost einer Boost-Phase. Der Kraftstoffdruck fup ist in der Einheit 10⁵ Hektopascal aufgetragen. Die Zeitdauer tboost ist in der Einheit 10^–4 Sekunden aufgetragen. Der Zeitpunkt t2 des Nadelanschlags ist ebenfalls in der Einheit 10^–4 Sekunden aufgetragen.
Die beiden Kraftstoffinjektoren unterscheiden sich in der Gegenkraft, welche insbesondere durch die Feder bei einer Öffnungsbewegung die Nadelbewegung hemmt bzw. verlangsamt. Auch hier kann durch Ablegen der Werte in Tabellen bzw. durch eine geeignete Parametrisierung der Flächen von einem Punkt auf alle anderen Punkte geschlossen werden.
Wird die Ansteuerung mit der Test-Erregung zeitnah an verschiedenen Betriebspunkten ausgeführt, dann kann davon ausgegangen werden, dass sich die Betriebstemperatur des Kraftstoffinjektors nicht verändert hat. In diesem Fall sind die elektrischen Parameter des Spulenantriebs wie z. B. der ohmsche Widerstand der Spule und die Induktivität der Spule (keine thermische Ausdehnung) gleichbleibend und nur die mechanischen Toleranzen werden gemessen. Dadurch können elektrische Einflüsse und mechanische Einflüsse auf das Öffnungsverhalten des Kraftstoffinjektors voneinander getrennt werden.
5 zeigt für drei verschiedene Dauern tboost einer Boost-Phase die Kennlinien für zwei Kraftstoffinjektoren mit einer Federkraft von 15 N bzw. 25 N bezogen auf einen Referenz-Kraftstoffinjektor mit einer Federkraft von 20 N. Auf der Abszisse ist der Kraftstoffdruck in der Einheit 10⁵ Hektopascal aufgetragen. Auf der Ordinate ist in der Einheit 10^–4 Sekunden der Unterschied Δt zwischen (a) der Öffnungszeit t2 des Kraftstoffinjektors mit der Federkraft 15 N (linke Seite) bzw. mit der Federkraft 25 N (rechte Seite) und (b) der Öffnungszeit t2 des Referenz-Kraftstoffinjektors mit der Federkraft 20 N aufgetragen.
Mit den Bezugszeichen 451a und 451b sind die entsprechenden Verläufe von Δt für eine Erregung mit einer Zeitdauer tboost von 415 μs (= 415 × 10^–6 Sekunden) dargestellt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht eine Zeitdauer tboost von 415 μs einer elektrischen Standard-Erregung. Mit den Bezugszeichen 452a und 452b sind die entsprechenden Verläufe von Δt für eine Erregung mit einer Zeitdauer tboost von 300 μs dargestellt. Mit den Bezugszeichen 453a und 453b sind die entsprechenden Verläufe von Δt für eine Erregung mit einer Zeitdauer tboost von 280 μs dargestellt.
Da gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Injektor mit einer Federkraft bzw. mit einer Gegenkraft von 20 N als Referenz-Kraftstoffinjektor definiert ist, können anhand der charakteristischen Verläufe von Kennlinien die Federkräfte von abweichenden Kraftstoffinjektoren bestimmt werden. Dies kann wie nachfolgend beschrieben erfolgen:

(1) Zunächst wird bei der Beaufschlagung des betreffenden Kraftstoffinjektors mit einer Test-Erregung der Zeitpunkt t2' des Nadelanschlags anhand einer genauen Auswertung des an der Spule des Kraftstoffinjektors abgegriffenen Stroms bestimmt. (2) Danach wird aus einer hinterlegten Tabelle der entsprechende Wert für den Referenz-Kraftstoffinjektor bei der gleichen Test-Erregung abgelesen. (3) Dann wird die Differenz Δt aus dem bestimmten Wert t2' und dem entsprechenden Wert für den Referenz-Kraftstoffinjektor berechnet. (4) Ferner wird der aktuelle Kraftstoffdruck fup gemessen. (5) Mit dem gemessenen Kraftstoffdruck fup und dem berechneten Wert für die Differenz Δt ist ein Punkt in dem linken bzw. dem rechten Diagramm von 5 definiert. (6) Nach Durchführung der Detektion an mehreren Betriebspunkten wird dann diejenige in einer Datenbank abgelegte Kurve gesucht, welche durch diese Punkte verläuft. Diese Kurve ist dann ein Maß für die Gegenkraft der Feder (und Reibung) des betreffenden Kraftstoffinjektors.

Zusammenfassend bleibt festzustellen:

(A) Mit dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren kann unter dem Einfluss einer Test-Erregung der Zeitpunkt t2' des Erreichens der Öffnungsposition (Nadelanschlag) eines Kraftstoffinjektors an mindestens einem Betriebspunkt, welcher u. a. durch den Kraftstoffdruck bestimmt sein kann, erkannt werden.
(B) Unter Verwendung dieses erkannten Zeitpunktes t2' kann auf den Nadelanschlag geschlossen werden, welcher sich unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung ergeben würde.
(C) Da damit der Zeitpunkt des Nadelanschlags bei der Standard-Erregung bekannt ist, kann durch eine geeignete Regelstrategie das Öffnungsverhalten aller Kraftstoffinjektoren in einem Verbrennungsmotor gleichgestellt werden.
(D) Dadurch kann eine verbesserte Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren beispielsweise im Hinblick auf eine gewünschte lineare Abhängigkeit zwischen (i) der Zeitdauer der Erregung der Spule des betreffenden Kraftstoffinjektors und (ii) der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge erreicht werden.

Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zum Bestimmen des zeitlichen Öffnungsverhaltens eines Kraftstoffinjektors
102: Erregungseinrichtung
104: Messeinrichtung
106: Datenverarbeitungseinrichtung
210: Spannungsverlauf einer Serien-Erregung
211: Spannungsverlauf einer Test-Erregung
220: Stromverlauf einer Serien-Erregung
221: Stromverlauf einer Test-Erregung
221a: Erregungszustand mit der Möglichkeit einer Erkennung des Erreichens der Öffnungsposition
225: Sättigungsgrenze
230: Nadelhub bei Serien-Erregung
231: Nadelhub bei Test-Erregung
I: durch Spule fließender Strom
s: Hub der Ventilnadel
t: Zeit
t2': Zeitpunkt des Erreichens des maximalen Ventilhubs im Falle der Test-Erregung
t2: Zeitpunkt des Erreichens des maximalen Ventilhubs im Falle der Serien-Erregung
smax: maximaler Ventilhub
t: Zeit
U: an Spule anliegenden Spannung
Uboost: Boost-Spannung
341: Kennlinie für erste Federkraft F1
342: Kennlinie für zweite Federkraft F2
343: Kennlinie für dritte Federkraft F3
fup: Kraftstoffdruck
451a/b: Unterschied Δt hinsichtlich der Öffnungszeit (Zeitpunkt des Nadelanschlags) für zwei verschiedene Kraftstoffinjektoren für eine Boost-Dauer von 415 μs
452a/b: Unterschied Δt hinsichtlich der Öffnungszeit (Zeitpunkt des Nadelanschlags) für zwei verschiedene Kraftstoffinjektoren für eine Boost-Dauer von 300 μs
453a/b: Unterschied Δt hinsichtlich der Öffnungszeit (Zeitpunkt des Nadelanschlags) für zwei verschiedene Kraftstoffinjektoren für eine Boost-Dauer von 280 μs

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend – Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung (211, 221), welche im Vergleich zu einer elektrischen Standard-Erregung (210, 220), mit welcher die Spule im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, schwächer ist, so dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem sich der Spulenantrieb nicht in magnetischer Sättigung befindet, – Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe (I) der Spule, – Ermitteln eines ersten Zeitpunkts (t2'), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe (I), und – Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts (t2), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung (210, 220) seine Öffnungsposition erreichen würde, basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt (t2').
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die elektrische Messgröße ein an der Spule des Spulenantriebs abgegriffener Strom (I) ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des zweiten Zeitpunkts (t2) zusätzlich basierend auf einem Kraftstoffdruck (fup) erfolgt, welcher an dem Kraftstoffinjektor anliegt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sowohl die Test-Erregung (211, 221) als auch die Standard-Erregung (210, 220) jeweils eine Boost-Phase aufweisen und wobei sich die Test-Erregung (211, 221) von der Standard-Erregung (210, 220) durch eine unterschiedliche zeitliche Länge (tboost) der Boost-Phase unterscheidet.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des zweiten Zeitpunkts (t2) basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt (t2') unter Verwendung von in einer Datenbank abgelegten Vergleichsdaten erfolgt.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei basierend auf (a) dem ermittelten ersten Zeitpunkt (t2'), (b) den in der Datenbank abgelegten Vergleichsdaten und/oder (c) einer zeitlichen Länge (tboost) für eine Boost-Phase der Test-Erregung (211, 221) dem Kraftstoffinjektor ein bestimmter Wert für eine Gegenkraft zugeordnet wird, welche beim Öffnen des Kraftstoffinjektors einer Magnetkraft, welche von dem Magnetfeld der erregten Spule auf einen beweglichen magnetischen Anker wirkt, entgegen wirkt.
Verfahren zum Bestimmen einer Korrelation zwischen einem Test-Öffnungsverhalten und einem Standard-Öffnungsverhalten eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend – Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung (211, 221), welche so schwach ist, dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem keine magnetische Sättigung des Spulenantriebs vorherrscht, – Messen des zeitlichen Verlaufs einer Test-Kraftstoff-Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor, – Ermitteln eines ersten Zeitpunkts (t2'), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung (211, 221) seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der Test-Kraftstoff-Durchflussrate, – Beaufschlagen der Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Standard-Erregung (210, 220), welche so stark ist, dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors mit einer magnetischen Sättigung des Spulenantriebs erfolgt, – Messen des zeitlichen Verlaufs einer Standard-Kraftstoff-Durchflussrate durch den Kraftstoffinjektor, – Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t2), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung (210, 220) seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlaufs der Standard-Kraftstoff-Durchflussrate, und – Bestimmen der Korrelation zwischen dem Test-Öffnungsverhalten und dem Standard-Öffnungsverhalten, wobei der ermittelte erste Zeitpunkt (t2') mit dem ermittelten zweiten Zeitpunkt (t2) verglichen wird.
Verfahren zum Ansteuern eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend – Bestimmen des zeitlichen Öffnungsverhaltens des Kraftstoffinjektors gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, – Anpassen der elektrischen Ansteuerung (U, I) für die elektrische Standard-Erregung (210, 220) des Kraftstoffinjektors basierend auf dem bestimmten zeitlichen Öffnungsverhalten, so dass mit einem Einspritzvorgang eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff injiziert wird.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend – Beaufschlagen der Spule des Spulenantriebs mit der elektrischen Standard-Erregung (210, 220), wobei die angepasste elektrische Ansteuerung verwendet wird.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Beaufschlagen der Spule mit der elektrischen Test-Erregung (211, 221) und das Beaufschlagen der Spule mit der elektrischen Standard-Erregung (210, 220) innerhalb einer Zeitspanne von weniger als einer Minute und insbesondere innerhalb einer Zeitspanne von weniger als einer Sekunde durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Bestimmen des Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, die Vorrichtung (100) aufweisend – eine Erregungseinrichtung (102) zum Beaufschlagen einer Spule des Spulenantriebs mit einer elektrischen Test-Erregung (211, 221), welche im Vergleich zu einer elektrischen Standard-Erregung (210, 220, mit welcher die Spule im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors beaufschlagt wird, schwächer ist, so dass ein Erreichen einer Öffnungsposition des Kraftstoffinjektors zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem keine magnetische Sättigung des Spulenantriebs vorherrscht, – eine Messeinrichtung (104) zum Messen des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Größe (I) der Spule, und – eine Datenverarbeitungseinrichtung (106) zum Ermitteln eines ersten Zeitpunkts (t2'), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Test-Erregung (211, 221) seine Öffnungsposition erreicht, basierend auf dem gemessenen zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe (I), und zum Bestimmen eines zweiten Zeitpunkts (t2), zu dem der Kraftstoffinjektor unter dem Einfluss der elektrischen Standard-Erregung (210, 220) seine Öffnungsposition erreichen würde, basierend auf dem ermittelten ersten Zeitpunkt (t2').
Computerprogramm zum Bestimmen eines Öffnungsverhaltens eines einen Spulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.