DE102012209967A1

DE102012209967A1 - Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils

Info

Publication number: DE102012209967A1
Application number: DE201210209967
Authority: DE
Inventors: Jiahang Jin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils (10), wobei ein Ventilelement (22) des Magnetventils (10) durch Federkraft in eine erste Position (11) und durch Magnetkraft in eine zweite Position (29) gebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird während eines Zeitraums ohne Bestromung ein Zeitintegral (80) unter Verwendung eines durch eine Magnetspule (14) des Magnetventils (10) fließenden Stroms (40) bzw. einer den Strom (40) charakterisierenden Größe ermittelt, wobei das Zeitintegral (80) mit mindestens einem Schwellwert (84) verglichen wird, und wobei aus dem Vergleich mit dem mindestens einen Schwellwert (84) auf einen Zustand des Magnetventils (10) geschlossen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Vom Markt her bekannt sind Magnetventile, bei welchen ein Ventilelement, insbesondere eine Ventilnadel, bewegt wird, um einen Öffnungsvorgang bzw. einen Schließvorgang des Magnetventils zu ermöglichen. Beispielsweise kann ein solches Magnetventil dazu verwendet werden, um eine wässrige Harnstofflösung dosiert in ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine einzubringen. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst beispielsweise einen SCR-Katalysator (SCR, engl. "selective catalytic reduction"). Dabei ist eine zuverlässige Funktion des Magnetventils von besonderer Bedeutung. So kann etwa das Ventilelement in einem Fehlerfall blockiert sein, wodurch das Magnetventil einen dauernd geöffneten oder dauernd geschlossenen Zustand aufweisen kann. Beides ist unerwünscht.
Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die DE 102 32 358 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Magnetventil, beispielsweise zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, besonders zuverlässig auf seine Funktion überwacht werden kann. Dazu wird ein Ventilelement, beispielsweise eine Ventilnadel des Magnetventils, auf seine Bewegung überprüft. Insbesondere können blockierte Zustände des Magnetventils vergleichsweise sicher ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert wenig oder sogar keine zusätzlichen Elemente und kann mit einem vergleichsweise geringen Software-Aufwand durchgeführt werden. Eine Ergänzung bestehender Software-Strukturen durch das erfindungsgemäße Verfahren ("Funktionsintegration") ist vergleichsweise einfach.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine Erkennung der Bewegung der Ventilnadel unabhängig von dem genauen Zeitpunkt der Bewegung erfolgen kann. Das Verfahren weist eine vergleichsweise große Robustheit auf, indem ein über eine Magnetspule des Magnetventils fließender Strom über einen längeren Zeitabschnitt nach dem Ende einer Bestromung ausgewertet wird. Das Verfahren umfasst eine zeitliche Integration des Stroms, welche einfach und mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann. Wegen der Integration erfordert eine zusätzliche Filterung des Stroms nur einen geringen Aufwand oder ist sogar entbehrlich. Weil das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Ende der Bestromung durchgeführt wird, sind entsprechend auch keine störenden impulsartigen Ansteuersignale (PWM, engl. "pulse width modulation") in dem Strom bzw. einer den Strom charakterisieren Größe vorhanden. Das Verfahren arbeitet besonders gut, wenn das Magnetventil eine vergleichsweise starke Vorspanneinrichtung, bspw. in Form einer Feder aufweist, welche die Ventilnadel in unbestromtem Zustand der Magnetspule in eine definierte Position bringen kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils, wobei ein Ventilelement des Magnetventils durch eine Vorspannkraft in eine erste Position und durch Magnetkraft in eine zweite Position gebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird während eines Zeitraums ohne (aktive) beispielsweise durch Ansteuerung einer Endstufe bewirkte Bestromung ein Zeitintegral (Summe der Werte über der Zeit) unter Verwendung eines durch eine Magnetspule des Magnetventils fließenden Stroms bzw. einer den Strom charakterisierenden Größe ermittelt. Die den Strom charakterisierende Größe kann beispielsweise eine Spannung sein, welche an einem zu der Magnetspule in Reihe geschalteten Messwiderstand abfällt. Das derart ermittelte Zeitintegral wird mit mindestens einem Schwellwert verglichen, und aus dem Vergleich mit dem mindestens einen Schwellwert wird auf einen Zustand des Magnetventils geschlossen.
Insbesondere kann ein blockierter Zustand des Magnetventils, das heißt, eine beispielsweise mechanische Blockierung des Ventilelements, ermittelt werden. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich – beispielsweise mittels eines zweiten Schwellwerts – sogar zwischen einem geöffnet-blockierten und einem geschlossen-blockierten Zustand des Magnetventils zu unterscheiden. Im "geöffnet-blockierten" Zustand ist das Magnetventil im Wesentlichen offen und im "geschlossen-blockierten" Zustand ist das Magnetventil im Wesentlichen geschlossen. Außerdem kann das Magnetventil in einem Zwischenzustand zwischen "offen" und "geschlossen" blockiert sein. Dies ist ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennbar. Die Verwendung eines Zeitintegrals ermöglicht es, den über die Magnetspule fließenden Strom über ein längeres Zeitintervall zu ermitteln und auszuwerten, wobei eventuelle Störsignale mittels der Integration gefiltert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren entspricht sozusagen einer "Erkennungsfunktion", um den Zustand des Magnetventils zu ermitteln.
Das Verfahren erfolgt unter Verwendung der durch eine Bewegung des Ventilelements in der Magnetspule induzierten Spannung sowie einer daraus sich ergebenen Änderung des durch die Magnetspule fließenden Stroms. Insbesondere kann nach dem Ende der Bestromung aufgrund der Expansion der Vorspanneinrichtung ein Teil der gespeicherten Energie mittels der Magnetspule in elektrische Energie umgesetzt werden. Zugleich wird dabei die Induktivität der Magnetspule verändert, das heißt, im Allgemeinen vermindert, wobei sich das
Energiespeichervermögen der Magnetspule entsprechend reduziert. Dadurch kann die Magnetspule bei einem jeweils gleichen Strom weniger Energie speichern.
Allgemein ist die in einer Magnetspule gespeicherte Energie: W = 1/2·L·I²
Ein Teil der durch die Expansion der Vorspanneinrichtung freigesetzten Energie wird in einer der Magnetspule zugeordneten elektrischen Schaltung thermisch umgesetzt. Dabei wird der durch die Magnetspule fließende Strom zumindest zeitweise erhöht. Der sich über der Zeit ergebende Verlauf des Stroms kann integriert werden, woraus sich eine entsprechende Ladungsmenge ΔQ gemäß der folgenden Formel ergibt: ΔQ = ∫i(t)·dt
Eine Integration über das Quadrat des Stromverlaufs ist der umgesetzten Energie proportional, entsprechend der Formel:
E ∝ ∫i²(t)·dt , wobei das Symbol "∝" eine Proportionalität kennzeichnet.
Die Bewegung des Ventilelements erfolgt im Allgemeinen während und/oder nach der oben beschriebenen zumindest zeitweisen Erhöhung des Stroms. Dadurch kann der Strom gegebenenfalls sogar noch weiter ansteigen. Daher ist die Ladungsmenge ΔQ bei einem normal funktionierenden Magnetventil größer als bei einem blockierten Magnetventil. Dieser Unterschied kann durch die Verwendung einer Stromschwelle – in der nachfolgenden Formel als I_grenz bezeichnet – zusätzlich vergrößert werden, wie weiter unten noch beschrieben werden wird.
ΔQ =∫_t∊Ti(t)·dt , wobei bzw. solange i(t) > I_grenz.
Die gesamte Integrationszeit T entspricht einem vorgebbaren Zeitfenster nach dem Ende der Bestromung ("EIP-Fenster").
Die letztgenannte Formel lautet als Summenformel dargestellt:

Δt: = Zeitabstand zwischen jeweils zwei Abtastungen; und
i_dv(k): = mittels eines Offsetwertes I_OFFSET korrigierter Stromwert in der Magnetspule, entsprechend der Formel:
i_dv(k): = i_dv,MESS(k) – I_OFFSET, mit k = 1, 2, ..., 60; wobei
i_dv,MESS(k): = Messwert des noch nicht durch I_OFFSETkorrigierten Stroms in der Magnetspule.

Die durch die Integration bzw. Summierung ermittelte Ladungsmenge ΔQ wird anschließend mit einem Schwellwert ΔQ_GRENZ verglichen. Falls die ermittelte Ladungsmenge ΔQ den Schwellwert ΔQ_GRENZ überschreitet, so wird eine korrekte Bewegung des Ventilelements vermutet und somit auf ein normal funktionierendes Magnetventil geschlossen. Falls jedoch die ermittelte Ladungsmenge ΔQ den Schwellwert ΔQ_GRENZ unterschreitet, so wird das
Ventilelement als blockiert vermutet und entsprechend auf ein blockiertes Magnetventil geschlossen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist also zwei Schwellwerte auf, welche für die Ermittlung des Zustands des Magnetventils erforderlich sind, nämlich die Stromschwelle I_grenz und den Schwellwert ΔQ_GRENZ zur Bestimmung und Auswertung des Integrals bzw. der Summe.
Vorzugsweise wird der Schwellwert ΔQ_GRENZ derart vorgegeben, dass er in etwa einem Mittelwert der Integrale bzw. Summen für das normal funktionierende und für das blockierte Magnetventil entspricht. Dadurch wird eine besonders sichere Unterscheidung zwischen beiden Zuständen ermöglicht. Als Formel ausgedrückt ergibt sich: ΔQ_GRENZ = 1/2·(ΔQ_MIN,GUT + ΔQ_MAX,BLCK), wobei
der Index "MIN, GUT" einer im Versuch ermittelten minimalen Ladungsmenge ΔQ für ein normal funktionierendes Magnetventil entspricht; und
der Index "MAX, BLCK" einer im Versuch ermittelten maximalen Ladungsmenge ΔQ für ein blockiertes Magnetventil entspricht.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Zeitintegral im Wesentlichen unmittelbar nach dem Ende einer Bestromung der Magnetspule ermittelt wird. Dadurch können Ansteuerimpulse der Magnetspule, mittels denen die Magnetspule zuvor (aktiv) bestromt wurde, das Verfahren nicht stören. Die Genauigkeit wird somit erhöht.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Zeitintegral unmittelbar nach dem Ende einer Schnelllöschung der Magnetspule ermittelt wird. In diesem Zustand des Magnetventils ist der in der Magnetspule fließende Strom vergleichsweise gering, so dass Änderungen des restlichen Stroms gut ermittelt und ausgewertet werden können. Dadurch wird die Genauigkeit des Verfahrens zusätzlich erhöht.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Beitrag zu dem Zeitintegral nur dann erfolgt, wenn der Strom eine Stromschwelle überschreitet. Vorzugsweise wird die Stromschwelle derart vorgegeben, dass ein erster zeitlicher Stromverlauf, welcher einem normal funktionierenden Zustand des Magnetventils entspricht, im Wesentlichen oberhalb der Stromschwelle liegt, und ein zweiter zeitlicher Stromverlauf, welcher einem blockierten Zustand des Magnetventils entspricht, im Wesentlichen unterhalb der Stromschwelle liegt. Dadurch wird die Unterscheidbarkeit der Zustände verbessert.
Die Genauigkeit des Verfahrens wird weiter verbessert, wenn das Zeitintegral ermittelt wird, indem ein Offsetwert von dem durch die Magnetspule fließenden Stroms subtrahiert wird. Der Offsetwert entspricht beispielsweise einem gemittelten Ruhestrom in der Magnetspule nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne nach dem Ende der aktiven Bestromung.
Das Verfahren ist besonders einfach anwendbar, wenn die erste Position eine Schließstellung und die zweite Position eine Offenstellung des Magnetventils ist.
Wenn die Magnetspule bestromt wird kann ein Anker des Magnetventils anziehen und das Magnetventil somit öffnen. Wenn die Magnetspule nicht (mehr) bestromt wird, kann die Ventilnadel mittels Federkraft betätigt werden und das Magnetventil somit schließen. In stromlosen Zustand des – normal funktionierenden – Magnetventils wird somit ein unerwünschtes Abfließen eines Mediums verhindert.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es ergänzend zu einer Auswertung eines Stromverlaufs vor und/oder während einer Bestromung der Magnetspule erfolgt. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem anderen, vorliegend nicht beschriebenen Verfahren, welches einen Öffnungsvorgang des Magnetventils während der Bestromung erkennen kann, auch kombiniert werden. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Ende der Bestromung werden diese anderen Verfahren, welche vor und/oder während der Bestromung durchgeführt werden, nicht behindert. Somit können zusätzliche, das Magnetventil charakterisierende Größen ermittelt werden, wodurch eine Diagnose verbessert wird.
Das Verfahren ist besonders nützlich, wenn eine Betätigung des Magnetventils für eine Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine überwacht wird. Damit kann eine Blockierung des Magnetventils ("Dosierventil") erkannt und somit eine Verschlechterung von Abgaswerten frühzeitig verhindert werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer Steuerund/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine oder für ein Abgasnachbehandlungssystem durchgeführt. Die erforderlichen Verfahrensschritte können dabei besonders einfach mittels eines Computerprogramms durchgeführt werden. Es versteht sich, dass die Ermittlung des oben beschriebenen Zeitintegrals zu beliebigen Teilen mittels analoger und/oder digitaler Signalverarbeitung erfolgen kann.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Magnetventils in einem geschlossenen Zustand;
2 das Magnetventil der 1 in einem geöffneten Zustand;
3 eine Tabelle mit verschiedenen Zuständen des Magnetventils;
4 eine Energiebilanz des Magnetventils;
5 eine erste Darstellung eines durch eine Magnetspule des Magnetventils fließenden Stroms;
6 eine zweite Darstellung des durch die Magnetspule fließenden Stroms; und
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Magnetventils.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung einige Elemente eines Magnetventils 10 zur Einbringung eines Reduktionsmittels in ein nicht dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem einer (ebenfalls nicht dargestellten) Brennkraftmaschine. Das Magnetventil 10 der 1 befindet sich in einer ersten Position 11, was vorliegend einer Schließstellung des Magnetventils 10 entspricht. Eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 12 des Magnetventils 10 umfasst vorliegend eine Magnetspule 14 und einen Anker 16, der bei einer Bestromung in die Magnetspule 14 gezogen werden kann. Die möglichen Bewegungen des Ankers 16 sind durch einen Ruhesitz 18 sowie einen Hubanschlag 20 begrenzt. Die 1 zeigt eine Stellung des Magnetventils 10 bei nicht bestromter Magnetspule 14.
Vorliegend ist der Anker 16 starr mit einer Ventilnadel 22 ("Ventilelement") gekoppelt, welche an ihrem in der Zeichnung unteren Ende gegen einen Ventilsitz 24 angeschlagen ist. Auf den Anker 16 wirkt in der Zeichnung von oben eine auf Druck beanspruchte Schraubenfeder 26 ein und beaufschlagt die Ventilnadel 22 somit in Schließrichtung. Eine Auslassöffnung 28 des Magnetventils 10 ist bei auf dem Ventilsitz 24 aufliegender Ventilnadel 22 verschlossen und bei abgehobener Ventilnadel 22 geöffnet. Sonstige Elemente des Magnetventils 10, wie zum Beispiel Fluidkanäle sind nicht mit dargestellt. Alle Bewegungen geschehen in einer auf die 1 bezogenen vertikalen Richtung.
2 zeigt das Magnetventil 10 der 1 in einem bestromten Zustand der Magnetspule 14. Dabei ist der Anker 16 mittel Magnetkraft vom Ruhesitz 18 abgehoben und an den Hubanschlag 20 angezogen. Die mit dem Anker 16 starr gekoppelte Ventilnadel 22 ist gleichfalls von dem Ventilsitz 24 abgehoben. Das Magnetventil 10 der 2 befindet sich in einer zweiten Position 29, was vorliegend einer Offenstellung des Magnetventils 10 entspricht. Dabei wird ein Sprühstrahl 30 des Reduktionsmittels abgesetzt.
Es versteht sich, dass das Magnetventil 10 auch – anders als in den 1 und 2 dargestellt – einen so genannten Ankerfreiweg aufweisen kann, wobei der Anker 16 mittels eines Mitnehmers mit der Ventilnadel 22 gekoppelt ist. Weiterhin versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf das in den 1 und 2 gezeigte Magnetventil 10 zur Einbringung des Reduktionsmittels in das Abgasnachbehandlungssystem beschränkt ist. Vielmehr kann das nachfolgend noch näher beschriebene Verfahren zusammen mit einer Vielzahl von Ausführungsformen des Magnetventils 10 und in einer Vielzahl von Anwendungen durchgeführt werden.
3 zeigt eine Tabelle mit verschiedenen Zuständen des Magnetventils 10. In einer in der Zeichnung linken Spalte sind insgesamt sechs verschiedene Elemente bzw. Größen des Magnetventils 10 aufgelistet. In den rechts davon gezeigten drei weiteren Spalten wird ein jeweiliges Verhalten des Elements bzw. ein jeweiliger Zustand der Größe stichwortartig beschrieben. Diese drei weiteren Spalten beschreiben in der Zeichnung von links nach rechts jeweils einen Zustand des Magnetventils 10 bei normaler Funktion, bei einer Blockierung in geöffnetem Zustand und bei einer Blockierung in geschlossenem Zustand.
Die in der Tabelle verwendete Abkürzung "EIP" (engl. "end of injection pulse") bedeutet vorliegend ein Ende einer Bestromung der Magnetspule 14. Dies bewirkt bei einem normal funktionierendem Magnetventil 10 einen Übergang von dem in der 2 dargestellten geöffneten Zustand in den in der 1 dargestellten geschlossenen Zustand. Die in der Tabelle der 3 gezeigten sechs Zeilen beschreiben also das Verhalten der jeweiligen Elemente bzw. den Zustand der jeweiligen Größen im Zusammenhang mit einem Ende der Bestromung der Magnetspule 14.
Die Schraubenfeder 26 verändert bei normaler Funktion des Magnetventils 10 ihren Zustand von "gestaucht" in "vergleichsweise wenig gestaucht". Dagegen bleibt die Schraubenfeder 26 im geöffnet-blockierten Zustand dauernd gestaucht und im geschlossen-blockierten Zustand dauernd wenig gestaucht.
Die in der Schraubenfeder 26 gespeicherte Energie wird bei normal funktionierendem Magnetventil 10 beim Übergang von dem geöffneten in den geschlossenen Zustand kleiner. Dagegen weist die in der Schraubenfeder 26 gespeicherte Energie im geöffnet-blockierten Zustand bzw. im geschlossenblockierten Zustand einen jeweiligen unveränderten Wert auf.
Weiterhin erfolgt bei normal funktionierendem Magnetventil 10 eine Bewegung der Ventilnadel 22, wogegen im geöffnet-blockierten und im geschlossenblockierten Zustand des Magnetventils 10 jeweils keine solche Bewegung der Ventilnadel 22 erfolgt.
Weiterhin ist eine Induktivität der Magnetspule 14 vor dem Ende der Bestromung der Magnetspule 14 vergleichsweise groß, weil als Folge des an dem Hubanschlag 20 angezogenen Ankers 16 ein magnetischer Kreis des Magnetventils 10 im Wesentlichen "geschlossen" ist. Dies ergibt sich ebenso im geöffnet-blockierten Zustand des Magnetventils 10. Dagegen ist im geschlossenblockierten Zustand des Magnetventils 10 die Induktivität der Magnetspule 14 dauernd vergleichsweise klein.
Entsprechend wird die Induktivität der Magnetspule 14 bei einem normal funktionierenden Magnetventil 10 als Folge der Bewegung des Ankers 16 beim Übergang von dem bestromten in den unbestromten Zustand kleiner. Dagegen erfolgt in dem geöffnet-blockierten und in dem geschlossen-blockierten Zustand des Magnetventils 10 im Wesentlichen keine solche Änderung der Induktivität.
4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein Koordinatensystem mit einer Energiebilanz des Magnetventils 10 bzw. der Magnetspule 14. Diese Energiebilanz betrifft einen Übergang von einem bestromten zu einem unbestromten Zustand der Magnetspule 14. Dabei erfolgt eine Bewegung der Ventilnadel 22 bzw. des Ankers 16 vom geöffneten in den geschlossenen Zustand des Magnetventils 10.
In der Zeichnung sind von links nach rechts drei Säulen (a) bis (c) gezeichnet, welche jeweils ein normal funktionierendes Magnetventil 10, sowie ein geöffnetblockiertes Magnetventil 10 und ein geschlossen-blockiertes Magnetventil 10 charakterisieren. Eine Ordinate des Koordinatensystems beschreibt eine jeweilige Energie 32 des Magnetventils 10 bzw. der Magnetspule 14.
Vereinfacht kann gesagt werden, dass nach dem Ende der – durch eine elektrische Ansteuerschaltung bewirkten – Bestromung der Magnetspule 14 ein anschließend in der Magnetspule 14 fließender Strom 40 (siehe die 5) als Folge einer Bewegung der Ventilnadel 22 bzw. des Ankers 16 im Wesentlichen von drei Ursachen bestimmt wird:

– eine Restenergie in der Magnetspule 14, die somit einer elektrischen Energiequelle entspricht, entsprechend dem Bezugszeichen 34;
– einer aufgrund der Induktivitätsänderung bewirkten Energieänderung in der Magnetspule 14, entsprechend dem Bezugszeichen 36; und
– ein Teil der von der Schraubenfeder 26 abgegebenen Energie, wegen der Induktion während der Bewegung der Ventilnadel 22 bzw. des Ankers 16, entsprechend dem Bezugszeichen 38.

Im Vergleich zu einem normal funktionierendem Magnetventil 10 trägt bei einem geöffnet-blockierten oder einem geschlossen-blockierten Magnetventil 10 im Wesentlichen nur der erste der drei genannten Terme zur Energiebilanz bei. Dieser Zusammenhang wird in der 4 durch die besagten Säulen (a), (b) und (c) charakterisiert. Insbesondere ist bei dem geschlossen-blockierten Magnetventil 10 der durch das Bezugszeichen 34 bezeichnete Energieanteil der Säule (c) etwas kleiner als bei der Säule (b). Der Unterschied ergibt sich daraus, dass bei geschlossenem Magnetventil 10 entsprechend der 1 der Anker 16 nicht an dem Hubanschlag 20 angeschlagen ist und somit die Induktivität der Magnetspule 14 kleiner als in dem geöffneten Zustand des Magnetventils 10 nach der 2 ist.
5 zeigt ein erstes Diagramm mit zwei verschiedenen Zeitverläufen des durch die Magnetspule 14 fließenden Stroms 40. Dargestellt ist ein Koordinatensystem, dessen Abszisse mit der Zeit t und dessen Ordinate mit dem Strom 40 bemaßt sind. Dargestellt ist jeweils ein Zeitverlauf eines Stroms 40a eines normal funktionierenden Magnetventils 10 und eines Stroms 40b eines blockierten Magnetventils 10. Ein Stromniveau im linken oberen Bereich des Diagramms entspricht einem Haltestrom 41 des Magnetventils 10.
Der Strom 40 bzw. 40a bzw. 40b kann beispielsweise mittels eines zu der Magnetspule 14 in Reihe geschalteten – und im Allgemeinen vergleichsweise niederohmigen – Messwiderstands (engl. "shunt") ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Spannung an dem Messwiderstand mittels eines so genannten "Delta-Sigma-Wandlers" erfasst werden, wobei die Spannung anschließend in einem analogen Tiefpass gefiltert und nachfolgend einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt wird, um eine weitere Verarbeitung zu ermöglichen. Der Analog-Digital-Umsetzer ist beispielsweise ein direkt umsetzender Analog-Digital-Umsetzer (engl. FADC, "flash-analog-to-digital-converter").
Ein in der Zeichnung links gezeigter erster Zeitbereich 42 zwischen einem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 entspricht einer Bestromung der Magnetspule 14. Ein unmittelbar daran anschließender zweiter Zeitbereich 44 zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 entspricht einer so genannten Schnelllöschung, wobei ein wesentlicher Teil der der Magnetspule 14 während der Bestromung zugeführten elektrischen Energie wieder abgeführt wird. Zeitlich an die Schnelllöschung schließt ein erstes Fenster 46 ("EIP-Fenster", engl. "end of injection pulse") zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 an, in welchem vorliegend der jeweilige Zeitverlauf des Stroms 40a bzw. 40b ermittelt und danach ausgewertet wird. Das Fenster 46 umfasst also im Wesentlichen einen Bereich unmittelbar nach dem Ende der Bestromung bzw. der Schnelllöschung und ist durch die Zeitpunkte t2 und t3 sowie ergänzend durch einen erwarteten Amplitudenbereich 47 charakterisiert.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden insgesamt 60 Abtastwerte des Stroms 40 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 des ersten Fensters 46 ermittelt. Dabei beträgt ein zeitlicher Abstand zwischen jeweils zwei Abtastungen 20 µs, und die gesamte Messzeit umfasst entsprechend 1,2 ms. Vorzugsweise werden die 60 Abtastwerte vor der weiteren Verarbeitung in einem Datenpuffer zwischengespeichert.
In der Zeichnung rechts ist in dem Koordinatensystem ein zweites Fenster 48 ("Offset-Fenster") zwischen einem Zeitpunkt t4 und einem Zeitpunkt t5 dargestellt. In dem zweiten Fenster 48 sind die Ströme 40a und 40b im Wesentlichen auf einen konstanten Wert eingeschwungen, so dass ein Offsetwert 50 ("Ruhestrom") des Stroms 40a bzw. 40b ermittelt werden kann. Der Offsetwert 50 entspricht dabei einem gemittelten Wert des Ruhestroms in dem zweiten Fenster 48. Im Allgemeinen ist es ausreichend, den Offsetwert 50 nur gelegentlich zu ermitteln.
Der Strom 40a charakterisiert ein normal funktionierendes Magnetventil 10 und der Strom 40b charakterisiert ein blockiertes Magnetventil 10. Die Änderung der Energie in der Magnetspule 14 ist für das normal funktionierende Magnetventil 10 größer als für das blockierte Magnetventil 10, vergleiche dazu die obige Beschreibung zu der 4. Entsprechend ist der Strom 40a in dem ersten Fenster 46 – und auch darüber hinaus – größer als der Strom 40b. Dadurch können die beiden Zustände des Magnetventils 10 gut voneinander unterschieden werden, wie in der folgenden 6 noch näher erläutert werden wird.
6 zeigt ein zweites und zu der 5 ähnliches Diagramm mit praktisch ermittelten Zeitverläufen von durch die Magnetspule 14 fließenden Strömen 40. Der in der 6 dargestellte Zeitbereich entspricht in etwa dem Zeitbereich der 5 zwischen den Zeitpunkten t1 und t4. Ergänzend ist in dem Diagramm der 6 eine Stromschwelle 52 eingetragen sowie ein Zeitintervall 54, in welchem der Strom 40 die Stromschwelle 52 jeweils überschreitet. Die Stromschwelle 52 entspricht der weiter oben beschriebenen Stromschwelle I_grenz.
Die Ströme 40 sind als Folge von in einer Mehrzahl von Messungen statistisch verteilter Unregelmäßigkeiten auf verschiedene einzelne Zeitverläufe aufgeteilt. Dabei sind drei Fälle unterscheidbar: Erstens Ströme 40a für ein normal funktionierendes Magnetventil 10, zweitens Ströme 40b1 für ein geöffnetblockiertes Magnetventil 10, und drittens Ströme 40b2 für ein geschlossenblockiertes Magnetventil 10.
Vorliegend wird ein Verfahren zum Betreiben des Magnetventils 10 wie folgt durchgeführt:
Es wird der Strom 40 in einem Zeitraum ohne Bestromung – also während des erstens Fensters 46 – fortlaufend ermittelt. Solange der Strom 40 die Stromschwelle 52 überschreitet, wird eine Differenz zwischen dem Strom 40 und der Stromschwelle 52 mittels eines Zeitintegrals 80 (siehe 7) aufsummiert. Dies ist in der Zeichnung durch das Zeitintervall 54 gekennzeichnet. Solange der Strom 40 die Stromschwelle 52 nicht überschreitet, erfolgt kein Beitrag zu dem Zeitintegral 80, das heißt, ein jeweiliger Wert des Zeitintegrals 80 bleibt konstant. Die Summierung erfolgt somit nichtlinear in Abhängigkeit von der Stromschwelle 52.
Man erkennt, dass bei einem normal funktionierenden Magnetventil 10 das derart ermittelte Zeitintegral 80 einen vergleichsweise großen positiven Wert aufweist. Dagegen weist das Zeitintegral 80 bei einem blockierten Magnetventil 10 den Wert Null auf, da die Ströme 40b1 bzw. 40b2 die Stromschwelle 52 während des ersten Fensters 46 nicht überschreiten.
Ergänzend zu der Stromschwelle 52 kann eine weitere Stromschwelle (nicht dargestellt) verwendet werden, um den Zustand eines geöffnet-blockierten Magnetventils 10 von dem Zustand eines geschlossen-blockierten Magnetventils 10 zu unterscheiden. Diese weitere Stromschwelle ist in der 6 jedoch nicht mit dargestellt.
7 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben des Magnetventils 10. Vorzugsweise wird das Flussdiagramm mittels eines Computerprogramms abgearbeitet, welches beispielsweise auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine oder eines Abgasnachbehandlungssystems gespeichert ist. In einem Startblock 60 beginnt die in der 7 dargestellte Prozedur ("Erkennungsfunktion", um auf den Zustand des Magnetventils 10 zu schließen).
Eine Zählvariable "k" wird von dem Startblock 60 auf einen Anfangswert von k = 1 gesetzt. In einem folgenden Abfrageblock 62 wird geprüft, ob diese Zählvariable k einen Grenzwert von k = 60 überschritten hat. Falls dies zutrifft, wird zu einem Block 64 weiter unten in der Zeichnung verzweigt. Falls dies nicht zutrifft, wird zu einem folgenden Block 66 verzweigt, in welchem ein Zwischenspeicher ("EIP-Puffer"), der zumindest während des ersten Fensters 46 fortlaufend ermittelte Werte des Stroms 40 speichert, mit jedem neuen Wert der Zählvariablen k ausgelesen wird.
In einem folgenden Subtrahierer 68 wird von jedem der durch die Zählvariable k bestimmten Wert des Stroms 40 der Offsetwert 50 subtrahiert und somit ein korrigierter Stromwert 70 ermittelt. Der korrigierte Stromwert 70 entspricht dem weiter oben beschriebenen korrigierten Stromwert i_dv(k). In einem folgenden Abfrageblock 72 wird der korrigierte Stromwert 70 mit der Stromschwelle 52 verglichen. Falls der korrigierte Stromwert 70 die Stromschwelle 52 überschreitet, so wird zu einem folgenden Block 74 verzweigt. Andernfalls wird in einem Block 76 die Zählvariable k um den Wert "1" erhöht und danach wieder zu dem Abfrageblock 62 verzweigt.
Im Block 74 werden Werte des korrigierten Stromwerts 70 entsprechend der Zählvariablen k numerisch integriert. Dabei wird zum Zeitpunkt t2, also am Anfang des ersten Fensters 46, mittels einer Anfangsbedingung 78 ein zu bildendes Zeitintegral 80 auf Null gesetzt. Das Zeitintegral 80 integriert die korrigierten Stromwerte 70 über der Zeit t und weist somit eine Dimension "Strom mal Zeit" entsprechend einer Ladung Q auf. Der Wert des Zeitintegrals 80 bzw. der Wert der Ladung Q wird an den folgenden Block 64 übermittelt.
Der Block 64 wird von dem Abfrageblock 62 angesteuert, wenn die Zählvariable k den Grenzwert von k=60 überschritten hat. Dann übermittelt der Block 64 den Wert der Ladung Q an einen Abfrageblock 82, in welchem geprüft wird, ob die Ladung Q einen vorgebbaren Schwellwert 84 überschritten hat. Falls dies zutrifft, so wird daraus geschlossen, dass eine Bewegung des Ankers 16 bzw. der Ventilnadel 22 entdeckt wurde. Das Magnetventil 10 kann also als "normal funktionierend" bewertet werden, vergleiche dazu die Beschreibung zu 6. Danach wird zu einem ersten Endeblock 86 verzweigt. Der Schwellwert 84 entspricht dem weiter oben beschriebenen Schwellwert ΔQ_GRENZ.
Falls die Ladung Q den Schwellwert 84 jedoch nicht überschritten hat, so wird daraus geschlossen, dass keine (ausreichende) Bewegung des Ankers 16 bzw. der Ventilnadel 22 erfolgte. Das Magnetventil 10 kann in diesem Fall als "blockiert" bewertet werden. Danach wird zu einem zweiten Endeblock 88 verzweigt. In den Endeblöcken 86 bzw. 88 endet die in der 7 dargestellte Prozedur. Das so ermittelte Ergebnis des Verfahrens kann anschließend an eine Diagnoseeinrichtung (OBD, engl. "on board diagnosis") übermittelt werden, so dass bei einem blockierten Magnetventil 10 eventuelle Gegenmaßnahmen durchgeführt werden können.
Das in den 1 bis 7 beschriebene Verfahren und insbesondere die Ermittlung des Zeitintegrals 80 erfolgen im Wesentlichen nach dem Ende der aktiven Bestromung der Magnetspule 14. Dadurch ist es möglich, das Verfahren ergänzend zu einer Auswertung eines Stromverlaufs vor und/oder während einer Bestromung der Magnetspule 14 durchzuführen. Somit können auch zusätzliche Informationen über den Zustand des Magnetventils 14 ermittelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10232358 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils (10), wobei ein Ventilelement (22) des Magnetventils (10) durch eine Vorspannkraft in eine erste Position (11) und durch Magnetkraft in eine zweite Position (29) gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Zeitraums ohne Bestromung ein Zeitintegral (80) unter Verwendung eines durch eine Magnetspule (14) des Magnetventils (10) fließenden Stroms (40) bzw. einer den Strom (40) charakterisierenden Größe ermittelt wird, und dass das Zeitintegral (80) mit mindestens einem Schwellwert (84) verglichen wird, und dass aus dem Vergleich mit dem mindestens einen Schwellwert (84) auf einen Zustand des Magnetventils (10) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintegral (80) im Wesentlichen unmittelbar nach dem Ende einer Bestromung der Magnetspule (14) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintegral (80) unmittelbar nach dem Ende einer Schnelllöschung der Magnetspule (14) ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beitrag zu dem Zeitintegral (80) nur dann erfolgt, wenn der Strom (40) eine Stromschwelle (52) überschreitet.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintegral (80) ermittelt wird, indem ein Offsetwert (50) von dem durch die Magnetspule (14) fließenden Strom (40) subtrahiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position (11) eine Schließstellung und die zweite Position (29) eine Offenstellung des Magnetventils (10) ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ergänzend zu einer Auswertung eines Stromverlaufs vor und/oder während einer Bestromung der Magnetspule (14) erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigung des Magnetventils (10) für eine Einspritzung eines Reduktionsmittels in ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine überwacht wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu programmiert ist, ein Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.