DE102015206729A1

DE102015206729A1 - Steuern eines Kraftstoffeinspritz-Magnetventils

Info

Publication number: DE102015206729A1
Application number: DE102015206729.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Hauser; Gerd Rösel; Markus Stutika
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Also published as: US20180030912A1; KR20170129814A; WO2016166142A1; US10533511B2; KR101980996B1; CN107429621A; CN107429621B

Abstract

Bereitgestellt ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Magnetventils, das eine Spule (3) und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, mit Hilfe dessen ein Verschlusselement (11) verschiebbar ist, um Kraftstoff (19) in einen Verbrennungsraum (23) einzuspritzen, wobei das Verfahren aufweist: Beaufschlagen der Spule (3) mit einer Spannung (84) gemäß einem ersten Spannungsverlauf, um einen ersten elektrischen Strom (81) durch die Spule (3) zu erzeugen; Bestimmen eines ersten Verlaufes (31, 37) in Abhängigkeit eines ersten magnetischen Flusses (Ψ) und des ersten Stroms (i); Erkennen, in dem ersten Verlauf, einer ersten Charakteristik zumindest eines ersten Verschiebungsanfangs (I), bei dem der Anker (9) das Verschlusselement (11) zu verschieben beginnt; Erzeugen eines zweiten Spannungsverlaufes und Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf, derart dass in einem zweiten Verlauf in Abhängigkeit eines zweiten magnetischen Flusses und eines zweiten Stroms, eine zweite Charakteristik eines zweiten Verschiebungsanfangs (I) ähnlicher einer Referenzcharakteristik ist als die erste Charakteristik.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Magnetventils zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Motor-Steuergerät, welches ausgebildet ist, ein Kraftstoffeinspritz-Magnetventil zu steuern.
Zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum, wie etwa einen Zylinder, kann ein Magnetventil bzw. ein Solenoid-Injektor verwendet werden. Solch ein Solenoid-Injektor (auch Spulen-Injektor genannt) weist eine Spule auf, welche bei Stromfluss durch die Spule ein Magnetfeld erzeugt, wodurch eine Magnetkraft auf einen Anker ausgeübt wird, so dass sich der Anker verschiebt, um ein Öffnen bzw. Schließen einer Düsennadel bzw. eines Verschlusselements zum Öffnen bzw. Schließen des Magnetventils zu bewirken. Weist das Magnetventil bzw. der Solenoid-Injektor einen sogenannten Leerhub zwischen Anker und Düsennadel bzw. zwischen Anker und Verschlusselement auf, so führt eine Verschiebung des Ankers nicht unmittelbar auch zu einer Verschiebung des Verschlusselements bzw. der Düsennadel, sondern erst nachdem eine Verschiebung des Ankers um die Größe des Leerhubs vollzogen worden ist.
Beim Anlegen einer Spannung an die Spule des Magnetventils wird durch elektromagnetische Kräfte der Anker in Richtung eines Polschuhs (pole piece) bewegt. Durch eine mechanische Kopplung (z.B. einen mechanischen Kontakt) bewegt sich nach Überwinden des Leerhubs ebenfalls die Düsennadel bzw. das Verschlusselement (während des Arbeitshubs oder Nadelhubs) und gibt, bei entsprechender Verschiebung, Einspritzlöcher zur Kraftstoffzufuhr in den Verbrennungsraum frei. Wenn weiter Stromfluss durch die Spule herrscht, bewegen sich Anker und Düsennadel bzw. Verschlusselement weiter, bis der Anker an den Polschuh anlangt bzw. anschlägt. Die Distanz zwischen dem Anschlag des Ankers an einen Mitnehmer des Verschlusselements bzw. der Düsennadel und dem Anschlag des Ankers an den Polschuh wird auch als Nadelhub bzw. Arbeitshub bezeichnet. Um das Ventil zu schließen, wird die an die Spule angelegte Erregerspannung abgeschaltet und die Spule kurzgeschlossen, so dass sich die magnetische Kraft abbaut. Der Spulenkurzschluss verursacht aufgrund des Abbaus des in der Spule gespeicherten magnetischen Feldes eine Umpolung der Spannung. Die Höhe der Spannung wird mit einer Diode begrenzt. Aufgrund einer Rückstellkraft, welche beispielsweise durch eine Feder bereitgestellt ist, werden die Düsennadel bzw. Verschlusselement einschließlich Anker in die Schließposition bewegt. Dabei werden der Leerhub und der Nadelhub in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen.
Der Zeitpunkt des Beginns der Nadelbewegung beim Öffnen des Magnetventils kann von der Größe des Leerhubs abhängig sein. Der Zeitpunkt des Anschlags der Nadel bzw. des Ankers am Polschuh ist abhängig von der Größe des Nadelhubs bzw. Arbeitshubs. Die Injektor-individuellen zeitlichen Variationen des Beginns der Nadelbewegung (Öffnen) und des Endes der Nadelbewegung (Schließen) können bei identischer elektrischer Ansteuerung unterschiedliche Einspritzmengen ergeben.
Nachdem der Anker zum Öffnen des Magnetventils den Leerhub überwunden hat (sofern ein Leerhub in dem betrachteten Magnetventil vorhanden ist), schlägt der Anker an den Polschuh an, welcher eine weitere Bewegung bzw. Verschiebung des Ankers in der Richtung zum Öffnen des Magnetventils verhindert. Bei diesem Anschlag kann der Anker elastisch zurückgestoßen werden und nachdem der Anker um einen bestimmten Verschiebungsweg zurückgestoßen worden ist, kann er wiederum an den Polschuh anschlagen. Auf diese Weise kann der Anker eine Prellbewegung durchführen, bei der er mindestens einmal von dem Polschuh zurückgestoßen wird, in eine Richtung zum Schließen des Magnetventils beschleunigt wird und dann wiederum aufgrund der noch vorhandenen Magnetkraft in Richtung zum Öffnen des Magnetventils beschleunigt und verschoben wird. Der Prellvorgang kann dabei ein oder mehrere Anschlagzustände des Ankers an den Polschuh umfassen.
Das Prellen bzw. die Prellbewegung kann für verschiedene Injektoren bzw. Magnetventile individuell verschieden ausgeprägt sein, z.B. hinsichtlich verschiedener Dämpfungen wegen mechanischer Abweichungen (hydraulischer Spalt), verschiedener Materialien, verschiedener elastischer Eigenschaften, verschiedener Massen der bewegten Teile insbesondere des Ankers usw. Somit können sich bei verschiedenen Magnetventilen bzw. Injektoren unterschiedlich ausgeprägte Mengenkennlinien ergeben, wenn während des Prellvorgangs der Injektor wieder geschlossen wird. Ein Schließvorgang kann dabei insbesondere davon abhängen, ob sich der Anker bei Beginn eines beabsichtigten Schließvorganges beispielsweise in Richtung zum Öffnen des Ventils oder in Richtung zum Schließen des Ventils bewegt.
Ferner kann auch die Injektor-Ansteuerung (insbesondere die Ansteuerung des Magnetventils zum Öffnen des Magnetventils) in diesem Prellbereich bzw. während der Prellbewegung schwierig bzw. ungenau sein, da eine eindeutige Abhängigkeit von Ansteuerdauer (z.B. Dauer der Boost-Spannung und/oder Dauer eines Haltespannungs-Intervalls) und die Einspritzmenge nicht immer vorhanden sein muss. Zum Beispiel kann trotz zunehmender Ansteuerungsdauer (insbesondere zunehmender Dauer der Boost-Spannung und/oder zunehmender Dauer der Haltespannung während eines Spannungsprofils) die Einspritzmenge abnehmen.
Somit können sich in konventionellen Einspritz-Systemen, welche ein Magnetventil verwenden, Ungenauigkeiten hinsichtlich der gewünschten Einspritzmenge des Kraftstoffes und auch hinsichtlich des gewünschten zeitlichen Verhaltens des Einspritzens des Kraftstoffes ergeben.
In herkömmlichen Verfahren werden Einspritzzeiten, welche ein ausgeprägtes Prellverhalten zeigen, beim Ansteuern des Magnetventils vermieden. Damit können die Bereiche mit den negativen Auswirkungen des Prellverhaltens im Mengenkennfeld ausgeschlossen werden. Damit ist jedoch die Ansteuerung signifikanten Einschränkungen unterworfen, was negative Auswirkungen zum Betrieb des Verbrennungsmotors haben kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung, insbesondere ein Motor-Steuergerät, bereitzustellen, welches erlaubt, einen Einspritzvorgang, insbesondere hinsichtlich einer Einspritzmenge und eines zeitlichen Verlaufs des Einspritzens, gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ungenauigkeiten bzw. Unzuverlässigkeiten aufgrund eines Prellens in einem Magnetventil zu vermindern.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Magnetventils bereitgestellt, das eine Spule und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker aufweist, mit Hilfe dessen ein Verschlusselement verschiebbar ist, um Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einzuspritzen. Dabei umfasst das Verfahren Beaufschlagen der Spule mit einer Spannung gemäß einem ersten Spannungsverlauf, um einen ersten elektrischen Strom durch die Spule zu erzeugen, Bestimmen eines ersten Verlaufes in Abhängigkeit eines ersten magnetischen Flusses und des ersten Stroms, Erkennen, in dem ersten Verlauf, einer ersten Charakteristik zumindest eines ersten Verschiebungsanfangs, bei dem der Anker das Verschlusselement zu verschieben beginnt, Erzeugen eines zweiten Spannungsverlaufes und Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf, derart dass in einem zweiten Verlauf in Abhängigkeit eines zweiten magnetischen Flusses und eines zweiten Stroms, eine zweite Charakteristik eines zweiten Verschiebungsanfangs ähnlicher einer Referenzcharakteristik ist als die erste Charakteristik.
Das Verfahren kann von einem speziellen Steuergerät einer Werkstatt bzw. einer Herstellungsfabrik oder insbesondere auch von einem Motor-Steuergerät durchgeführt werden, welches in einem Fahrzeug zum normalen Fahrbetrieb eingebaut und eingesetzt wird. Das Verschlusselement kann z.B. als eine Nadel, insbesondere Düsennadel ausgebildet sein, welche an einem Ende eine Verschlusskugel trägt, welche in einem geschlossenen Zustand des Magnetventils in einem kegelförmigen Sitz anliegt und in einem geöffneten Zustand aus dem Sitz verschoben wird, so dass der Kraftstoff durch eine Öffnung in dem Sitz in den Verbrennungsraum gelangen kann.
Der erste Spannungsverlauf und der zweite Spannungsverlauf können dabei z.B. jeweils eine Boost-Phase umfassen, in der die Spannung einen relativ hohen Wert, z.B. zwischen 60V und 70V, insbesondere etwa 65V beträgt. Der Spannungsverlauf innerhalb der Boost-Phase kann z.B. im Wesentlichen ein Rechtecksignal oder auch ein Sägezahnsignal aufweisen. Nach der Boost-Phase kann sich sowohl in dem ersten Spannungsverlauf als auch in dem zweiten Spannungsverlauf eine Haltephase anschließen, in der die Spannung wesentlich niedriger ist als in der Boost-Phase, z.B. zwischen 6V und 14V liegt. Die Haltephase kann zeitlich länger sein (z.B. zwischen viermal so lang und 10mal so lang) als die Boost-Phase. Die Haltephase kann z.B. eine Dauer von 1 Millisekunde bis 2 Millisekunden haben. Die Haltephase kann wiederum in mehrere Phasen unterteilt sein, für die unterschiedliche mittlere Stromhöhen vorgegeben sind. Bei Erreichen dieser Stromhöhen wird die Spannung an- bzw. ausgeschaltet, so dass der Strom um diese Stromhöhe oszilliert. In der Schlußphase wird der Injektor von der Spannungsversorgung getrennt und kurzgeschlossen.
Das erste Spannungsprofil und das zweite Spannungsprofil können sich dabei in der Höhe der Boost-Phase, in der Dauer der Boost-Phase, in dem Profil der Boost-Phase (z.B. das Spannungsverlaufs-Profil während der Boost-Phase, z.B. ein alternierendes Rechtecksignal, ein Sägezahnsignal oder dergleichen) unterschieden. Ferner kann sich der erste bzw. der zweite Spannungsverlauf hinsichtlich einer Spannung während der Haltephase und auch hinsichtlich einer Dauer der Haltephase unterscheiden.
Das Anlegen der Spannung gemäß dem ersten Spannungsverlauf bzw. gemäß dem zweiten Spannungsverlauf erzeugt in der Spule einen entsprechenden Stromverlauf. Der entsprechende Stromverlauf führt zu einem Verlauf eines magnetischen Feldes, welches wiederum, neben den geometrischen Einflüssen die relative Positionierung von Anker, Verschlusselement, Mitnehmer und Polschuh beeinflusst.
Der erste Verlauf in Abhängigkeit eines ersten magnetischen Flusses und des ersten Stromes kann direkt von dem ersten magnetischen Fluss und dem ersten Strom oder von Größen abhängen, welche von dem ersten magnetischen Fluss und dem ersten Strom abgeleitet sind, z.B. Funktionen des ersten magnetischen Flusses bzw. des ersten Stromes sind. Der erste Verlauf kann dann analysiert bzw. evaluiert werden, um den ersten Verschiebungsanfang zu charakterisieren. Der erste Verlauf kann in Abhängigkeit des ersten magnetischen Flusses und des ersten Stroms kann z.B. einen Abschnitt enthalten, in welchem der Anker bereits an dem Verschlusselement bzw. einem mit dem Verschlusselement verbundenen Mitnehmer anliegt und diesen kontaktiert, ohne den Mitnehmer bzw. das Verschlusselement zu verschieben. In diesem Abschnitt wird somit keine Bewegung beobachtet, da zunächst eine steigende magnetische Kraft aufgebaut werden muss, um zumindest einer Kraft zu gleichen, welche aufgrund des Druckes des Kraftstoffes entgegenwirkt. Bei dem Verschiebungsanfang ist gerade ein Kräftegleichgewicht erreicht, bei dem die aufgrund des magnetischen Flusses gegebene Kraft der aufgrund des Kraftstoffdrucks wirkenden Kraft entgegengesetzt gleich ist.
Charakterisieren zumindest dieses ersten Verschiebungsanfangs kann Rückschlüsse auf den Druck des Kraftstoffes erlauben. Ferner kann daraus ein voraussichtliches Prellverhalten prognostiziert werden und der zweite Spannungsverlauf kann derart bestimmt sein, dass das voraussichtliche Prellen vermindert wird. Indikativ dafür, dass das Prellverhalten vermindert ist bzw. eine Prellamplitude vermindert ist, kann eine zweite Charakteristik des zweiten Verschiebungsanfangs sein, welcher zum Vermindern des Prellens ähnlicher zu einer Referenzcharakteristik ist als die erste Charakteristik.
Zum Bestimmen der jeweiligen Charakteristiken kann nicht nur ein jeweiliger Verschiebungsanfang verwendet werden, sondern ein oder mehrere Abschnitte oder die Gesamtheit des jeweiligen Verlaufs, welcher in Abhängigkeit des jeweiligen magnetischen Flusses und des jeweiligen Stromes bestimmt ist, insbesondere repräsentiert durch eine Kurve in einem Koordinatensystem, welches den Strom durch die Spule und den magnetischen Fluss enthält.
Eine Steuerung des Magnetventils kann somit noch vor dem tatsächlichen Öffnen des Magnetventils durchgeführt werden, um somit möglichst frühzeitig in die Steuerung einzugreifen, um beim Öffnen eine definierte Kraftstoffmenge in den Verbrennungsraum einspritzen zu können.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Verbesserung des Prellverhaltens von Magnet-Injektoren mittels Auswertung des magnetischen Flusses und Strom bzw. Spannungsadaption erreicht werden.
Der erste Verlauf bzw. der zweite Verlauf kann durch eine erste Kurve bzw. eine zweite Kurve in einem Koordinatensystem repräsentierbar sein bzw. repräsentiert werden, in dem entlang einer Achse (z.B. der X-Achse) der Strom und entlang einer anderen Achse (z.B. der Y-Achse) der magnetische Fluss aufgetragen ist. Der magnetische Fluss kann dabei z.B. rechnerisch durch die gemessene Spannung und den gemessenen Strom unter Berücksichtigung des Ohm’schen Widerstands der Spule berechnet werden. Damit kann der erste Verlauf bzw. der zweite Verlauf in einfacher Weise bestimmt werden und insbesondere auch visualisiert und damit leicht auswertbar sein.
Die erste Charakteristik bzw. die zweite Charakteristik kann z.B. eine Steigung (dΨ/di) und/oder eine Position (d.h. Position von Strom bzw. Größe von Strom und Größe des magnetischen Flusses) auf der jeweiligen Kurve umfassen, insbesondere zumindest bei dem jeweiligen Verschiebungsanfang, ferner insbesondere entlang mindestens eines Abschnitts einer Öffnungsbewegung des Verschlusselements zwischen dem Verschiebungsanfang und einem Kontaktzustand, bei dem der Anker an einem Polschuh zur Beendigung der Öffnungsbewegung (erstmalig) anstößt. Dabei kann die Referenzcharakteristik zumindest eine Referenzsteigung und/oder eine Referenzposition umfassen. Die jeweiligen Charakteristiken können somit in einfacher Weise z.B. durch mathematische Kurvendiskussion bestimmt werden. Der jeweilige Kontaktzustand kann dabei das Ende der Öffnungsbewegung repräsentieren. Falls ein Prellen bei dem Ansteuern gemäß dem ersten Spannungsprofil auftreten sollte bzw. voraussichtlich auftreten würde, so kann der erste Kontaktzustand als das erste Anstoßen des Ankers an den Polschuh betrachtet werden. Es kann vorteilhaft sein, ein voraussichtlich auftretendes Prellen allein aufgrund der Charakteristik bei dem Verschiebungsanfang zu bestimmen, um somit noch vor Öffnen des Magnetventils steuernd eingreifen zu können, um den zweiten Spannungsverlauf derart zu gestalten, dass das voraussichtlich auftretende Prellen vermindert wird.
Der jeweilige Verschiebungsanfang kann als ein Punkt oder ein Bereich der Ψ-i-Kurve (magnetische Fluss gegen Strom aufgetragen) identifiziert werden, bei dem sich eine Steigung der jeweiligen Kurve ändert. Andere Möglichkeiten der Identifikation des jeweiligen Verschiebungsanfangs sind möglich.
Der jeweilige Kontaktzustand kann als ein Punkt oder Bereich (auf der Ψ-i-Kurve) identifizierbar sein, bei dem sich eine Steigung der jeweiligen Kurve ändert. Andere Verfahren zur Identifikation des Kontaktzustands sind möglich.
Damit können sowohl der Verschiebungsanfang als auch der Kontaktzustand zuverlässig aufgefunden werden.
Das Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf kann zeitlich vor dem ersten Kontaktzustand erfolgen, d.h. auch vor einem etwaigen Prellen. Insbesondere kann der zweite Spannungsverlauf eine andere, insbesondere verlängerte, verkürzte bzw. unterbrochene Dauer einer Boost-Phase aufweisen als der erste Spannungsverlauf. Die Dauer der Boost-Phase kann derart angepasst werden, dass ein Prellen, was bei Fortführung der Spannung gemäß dem ersten Spannungsverlauf auftreten würde, vermindert wird. Dabei kann z.B. der erste Verlauf zwischen dem Verschiebungsanfang und dem Kontaktzustand ausgewertet werden, um dann den zweiten Spannungsverlauf zu definieren. Zum Beispiel kann der Verschiebungsanfang, insbesondere der erste Verschiebungsanfang erkannt werden und es kann eine vorgegebene Ansteuerung/Vorsteuerung ab oder bei dem ersten Verschiebungsanfang durchgeführt werden (z.B. Stromwert bei dem Verschiebungsanfang zuzüglich einer definierten Stromdifferenz oder zuzüglich einer Verlängerung der Boost-Phase). Andere Modifikationen oder Anpassungen des zweiten Spannungsverlaufs sind möglich.
Das Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf kann zeitlich nach dem ersten Kontaktzustand erfolgen, insbesondere nach dem ersten Anschlagen jedoch noch vor einer etwaigen Prellbewegung. Dabei kann insbesondere der zweite Spannungsverlauf eine andere, insbesondere verlängerte oder verkürzte Dauer einer Boost-Phase als der erste Spannungsverlauf aufweisen oder er kann eine unterbrochene Boost-Phase aufweisen, welche durch mehrere Teil-Boost-Phasen gekennzeichnet ist, die jeweils durch eine Phase verminderter Spannung unterbrochen sind.
Zum Beispiel kann der erste Kontaktpunkt (insbesondere das erste Anschlagen des Ankers an den Polschuh) erkannt werden, während der erste Spannungsverlauf an die Spule angelegt wird. Nach Erkennen des ersten Kontaktpunktes kann eine Ausführung einer vorgegebenen Ansteuerung/Vorsteuerung bei dem ersten Kontaktpunkt vorgenommen werden (z.B. Stromwert bei dem ersten Kontaktpunkt zuzüglich einer definierten Stromdifferenz oder zuzüglich einer Verlängerung der Boost-Phase oder Unterbrechung der Boost-Phase mit anschließender Fortführung).
Kombinationen von Ansteuerungen nach Erkennen des Verschiebungsanfangs, zwischen dem Verschiebungsanfang und dem ersten Kontaktpunkt und einem ganzen Abschnitt zwischen dem Verschiebungsanfang und dem ersten Kontaktpunkt können zur Definition des zweiten Spannungsverlaufes herangezogen werden. Damit kann ein Prellen, was bei einem Anlegen der Spannung gemäß dem ersten Spannungsverlauf auftreten könnte, vermindert werden.
Ferner kann die jeweilige Charakteristik ferner in Abhängigkeit mindestens eines Abschnitts der jeweiligen Kurve jenseits des Kontaktzustands bestimmt sein (insbesondere jenseits eines jeweiligen ersten Anschlagens des Ankers an dem Polschuh), wobei der zweite Spannungsverlauf derart ausgebildet ist, dass der Abschnitt weniger alternierende Steigungen aufweist. Damit kann jedenfalls ein Prellvorgang zumindest verkürzt werden, indem nach Beginn des Prellvorgangs steuernd eingegriffen wird.
Zum Auffinden bzw. Definieren des zweiten Spannungsverlaufs kann insbesondere eine Simulation oder ein Austesten des Betriebs des Magnetventils erfolgen. Insbesondere können Trainingsdaten unter Zugrundelegung verschiedener Spannungsverläufe aufgenommen werden und die Spannungsverläufe bzw. die Test-Spannungsverläufe können hinsichtlich des Auftretens von Prellen charakterisiert werden. Insbesondere kann aus einer Analyse von Abschnitten der verschiedenen so erhaltenen Kurven eine Abhängigkeit zwischen einer Charakteristik gewisser Abschnitte der Kurve und einem (später auftretenden) Prellen bestimmt werden. Insbesondere kann somit eine Vorhersage eines etwaigen Prellens aufgrund von einer Analyse gewisser Abschnitte der Kurve vor dem Prellen getroffen werden.
Ferner kann das Verfahren Bereitstellen mindestens eines Referenzdatensatzes umfassen, wobei der Referenzdatensatz eine Referenzkurve von Strom und magnetischem Fluss bei hinreichend geringem Prellen des Ankers auf den Polschuh aufweisen kann. Der zweite Spannungsverlauf kann dann derart gestaltet werden, dass eine unter Zugrundelegung des zweiten Spannungsverlaufs erhaltene Kurve relativ ähnlich oder nahe bei der Referenzkurve liegt.
Selbstverständlich muss die Spannung gemäß dem ersten Spannungsverlauf nicht für das vollständige durch den ersten Spannungsverlauf definierte Zeitintervall angelegt werden. Stattdessen kann das Anlegen der Spannung gemäß dem ersten Spannungsverlauf an der jeweiligen Stelle (z.B. bei dem ersten Verschiebungsanfang, zwischen dem ersten Verschiebungsanfang und dem ersten Kontaktzustand) bzw. auch vorher unterbrochen werden und die Spannung kann gemäß dem zweiten Spannungsverlauf beginnend bei der Stelle, bei der der erste Spannungsverlauf unterbrochen wurde, fortgesetzt werden. In anderen Ausführungsformen wird ersten Spannungsverlauf vollständig durchlaufen und für einen weiteren Öffnungsvorgang des Ventils wird eine Spannung gemäß dem zweiten Spannungsverlauf an die Spule angelegt.
Es sollte verstanden werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Steuern eines Magnetventils erläutert, beschrieben, bereitgestellt oder angewendet worden sind, ebenso individuell oder in irgendeiner Kombination auf eine Vorrichtung, insbesondere Motor-Steuergerät, zum Steuern eines Magnetventils anwendbar sind gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und umgekehrt.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere Motorsteuergerät, zum Steuern eines Magnetventils bereitgestellt, das eine Spule und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker aufweist, mit Hilfe dessen ein Verschlusselement verschiebbar ist, um Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einzuspritzen. Dabei umfasst die Vorrichtung einen Treiber zum Beaufschlagen der Spule mit einer Spannung gemäß einem ersten Spannungsverlauf, um einen ersten elektrischen Strom durch die Spule zu erzeugen, und ein Bestimmungsmodul, welches zum Bestimmen eines ersten Verlaufes in Abhängigkeit eines ersten magnetischen Flusses und des ersten Stroms und zum Erkennen, in dem ersten Verlauf, einer ersten Charakteristik zumindest eines ersten Verschiebungsanfangs, bei dem der Anker das Verschlusselement zu verschieben beginnt, ausgebildet ist, wobei der Treiber ferner ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Spannungsverlaufes und Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf, derart dass in einem zweiten Verlauf in Abhängigkeit eines zweiten magnetischen Flusses und eines zweiten Stroms, eine zweite Charakteristik eines zweiten Verschiebungsanfangs ähnlicher einer Referenzcharakteristik ist als die erste Charakteristik.
Das Bestimmungsmodul kann z.B. eine arithmetisch/logische Einheit umfassen, einen elektronischen Speicher und eine Kommunikationsverbindung zu dem Treiber. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Das Verfahren kann dabei während eines normalen Fahrbetriebs durchgeführt werden. Der magnetische Fluss kann dabei den Anker und teilweise den Polschuh, der fix relativ zu der Spule ist, durchsetzen, und weiterhin Teile des Verschlusselements oder zumindest Teile eines Mitnehmers, welcher fest mit dem Verschlusselement verbunden ist.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem mit Hilfe der Ψ-i-Kurve die Injektor-Bewegung (insbesondere Bewegung des Verschlusselements) erkannt wird und die Ansteuerung derart modifiziert wird (von dem ersten Spannungsprofil zu dem zweiten Spannungsprofil), dass das Prellverhalten verringert wird. Dabei kann z.B. in der Ψ-i-Kurve die Nadelbewegung, z.B. Zustand I (Verschiebungsbeginn) und/oder Zustand II (Kontaktzustand) bestimmt werden und die dazugehörige Ansteuerung kann bezüglich einer Prellverminderung optimiert werden, z.B. durch Modifikation der Peak-Stromhöhe (bzw. Boost-Spannungshöhe) oder Unterbrechung der Ansteuerspannung (z.B. in der Boost-Phase). Zum Beispiel kann die gesamte Nadelbewegung zwischen dem Zustand I (Verschiebungsbeginn) und dem Kontaktzustand bzw. Zustand II erkannt werden und die Ansteuerung kann derart angepasst werden, so dass die Steigungen dΨ/di während der Bewegung für verschiedene Injektoren gleich sind (Anpassung an Sollwert bzw. Referenzkurve). Wird der Zustand I (Verschiebungsbeginn) in die Erkennung einbezogen, dann kann die Nadelbewegung bereits nach Beginn der Bewegung durch eine geeignete Ansteuerung auf eine prellminimierte Bahn gebracht werden, d.h. ein Regeleingriff kann bereits vor dem Prellvorgang erfolgen.
Um die Messung der Ψ-i-Kurven auch bei einer Standard-Ansteuerung des Magnetventils durchführen zu können, wird eine Konstruktion eines Injektors (bzw. Magnetventils, insbesondere Anker) vorgeschlagen, bei dem keine bzw. verringerte Wirbelströme auftreten. Bei einem solchen Injektor mit verringerten Wirbelströmen sind die Kurvenverläufe bei den Hubbewegungen deutlicher ausgeprägt, so dass eine Identifikation des Zustandes I (Verschiebungsanfang) und des Zustandes II (Kontaktzustand) vereinfacht sein kann. Hierbei kann eine Anpassung der Materialien und/oder der Geometrien vorgenommen werden. Insbesondere kann ein geschlitzter Anker oder ein Anker aus ferromagnetischen Schichten aufgebaut verwendet werden, welche elektrisch voneinander isoliert sind. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können den Ankeranschlag an den Polschuh bestimmen und eine zugehörige Modifikation des Ansteuerprofils zur Verringerung/Vermeidung von Prellvorgängen vornehmen. Vorteilhaft ist die Benutzung eines Injektors mit keinem bzw. geringem Wirbelstrom, damit die Ψ-i-Kurven bei Standard-Ansteuerung bestimmt werden können, also insbesondere in einem normalen Fahrbetrieb.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten eine Injektor-individuelle Ansteuerung zur Vermeidung von Prellvorgängen und damit verbundenen Unzulänglichkeiten in den Mengenkennlinien des Kraftstoffs. Damit ist ein Angleichen von Mengenkennlinien-Schieneninjektoren ermöglicht.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die illustrierten oder beschriebenen Ausführungsformen begrenzt.
1 illustriert in einer schematischen Schnittdarstellung ein Magnetventil, das gemäß einem Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gesteuert werden kann;
2 illustriert Graphen von Referenzdaten bzw. Zustandstrajektorien bzw. Messdaten eines zu steuernden Magnetventils gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 illustriert Graphen von Referenzdaten bzw. Zustandstrajektorien bzw. Messdaten eines zu steuernden Magnetventils gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
4 illustriert Mengenkennlinien für Injektoren mit und ohne Prellen gemäß dem Stand der Technik;
5 illustriert Graphen von Zustandstrajektorien, die durch verschiedene Ansteuerungsspannungsprofile erhalten sind;
6 illustriert Graphen zur Illustration einer Magnetventil-Ansteuerung bzw. Injektor-Ansteuerung; und
7A, B, C, D zeigen Graphen gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Das in 1 in schematischer Schnittdarstellung illustrierte Magnetventil 1 weist eine Spule 3 auf, an die eine Spannung angelegt werden kann, so dass ein Stromfluss durch die Spule 3 erfolgt, um ein Magnetfeld aufzubauen. Dabei zeigt das Magnetfeld im Wesentlichen in eine longitudinale Richtung 5 eines Führungszylinders 7. Das Magnetfeld wirkt auf einen ferromagnetischen Anker 9, welcher innerhalb des Führungszylinders 7 verschiebbar ist. Durch Verschiebung des Ankers 9 kann eine Düsennadel 11 bzw. ein Verschlusselement des Magnetventils 1 in der longitudinalen Richtung 5 verschoben werden, insbesondere durch Kontaktierung des Ankers 9 mit einem ringförmigen Mitnehmer 13, der fest mit dem Verschlusselement 11 verbunden ist.
In dem in 1 illustrierten geöffneten Zustand ist eine Verschlusskugel 15 aus einem kegelförmigen Sitz 17 zurückgezogen, so dass Kraftstoff 19 durch eine Öffnung 21 in dem Sitz in einen Verbrennungsraum 23 zur Verbrennung gelangen kann. In dem vollständig geöffneten Zustand liegt der Anker 9 an einem Polschuh 27 an, kann somit nicht weiter nach oben verschoben werden.
In einem in 1 nicht illustrierten geschlossenen Zustand des Magnetventils 1 ist der Anker 9 bei fehlendem Stromfluss durch die Spule 3 durch eine Rückstellfeder 25 nach unten verschoben, so dass auch der Mitnehmer 13 zusammen mit dem Verschlusselement 11 nach unten derart verschoben ist, dass die Verschlusskugel 15 dichtend an dem kegelförmigen Sitz 17 anliegt, so dass Kraftstoff 19 nicht in den Verbrennungsraum 23 gelangen kann. In diesem nach unten verschobenen Zustand des Ankers 9 hat der Mitnehmer 13 bzw. ebenso der Anker 9 zumindest einen Arbeitshub 12 zurückgelegt (währenddessen der Anker 9 und der Mitnehmer 13 in Kontakt sind) und optional auch einen zusätzlichen Leerhub 10, in dem zwischen dem Anker 9 und dem Mitnehmer 13 ein Spalt besteht.
1 zeigt ferner eine Vorrichtung 2 zum Steuern des Magnetventils 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dazu weist die Vorrichtung 2 einen Treiber 4 auf, der über eine Mess- und Steuerleitung 8 zum Beaufschlagen der Spule 3 mit einer Spannung gemäß verschiedenen Spannungsverläufen ausgebildet ist, um einen jeweiligen elektrischen Strom durch die Spule 3 zu erzeugen. Dazu weist die Vorrichtung 2 ein Bestimmungsmodul 6 auf, welches zum Bestimmen von Verläufen bzw. Kurven in Abhängigkeit von einem jeweiligen magnetischen Fluss und einem durch die Spule 3 fließenden Strom zu bestimmen, wie etwa die Ψ-i-Kurven, welche beispielsweise in den 2, 3 und 5 illustriert sind. Ferner ist das Bestimmungsmodul 6 ausgebildet, in dem ersten Verlauf eine erste Charakteristik zumindest eines ersten Verschiebungsanfangs, bei dem der Anker das Verschlusselement zu verschieben beginnt, zu erkennen. Das Bestimmungsmodul 6 ist weiterhin ausgebildet, zusammen mit dem Treiber 4 den ursprünglichen bzw. ersten Spannungsverlauf zu modifizieren bzw. einen zweiten Spannungsverlauf zu bestimmen, so dass eine Charakteristik des jeweiligen Verschiebungsanfangs ähnlicher einer Referenzcharakteristik ist als die ursprüngliche bzw. erste Charakteristik.
Insbesondere ist die Vorrichtung 2 ausgebildet, ein Verfahren zum Steuern eines Magnetventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Beim Ende des Öffnungsvorgangs prellt der Anker 9 beim Anschlag an den Polschuh 27. Dadurch kann der Anker elastisch zurückgestoßen werden und das Anschlagen und Zurückgestoßen werden kann wiederholt auftreten, so dass eine Prellbewegung von dem Anker ausgeführt werden kann. Die Prellbewegung führt zu Unsicherheiten und Ungenauigkeiten in einer Einspritzmenge des Kraftstoffes 19 in den Verbrennungsraum 23.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, das Prellen zu vermindern, indem Steuerungseingriffe in einen Spannungsverlauf oder in ein Spannungsprofil vorgenommen werden, gemäß dem die Spule 3 angesteuert wird. Dabei erfolgt eine Messung und Analyse des verketteten magnetischen Flusses Ψ. Dazu kann der verkettete magnetische Fluss Ψ aus dem Strom, welcher durch die Spule 3 fließt, die Spannung, welcher an der Spule 3 angelegt ist, und den Ohm’schen Widerstand der Spule 3 berechnet werden. Die gemessene Spannung u(t) besteht aus einem Ohm’schen Anteil (i(t)·R) und einem induktiven Anteil (u_int(t)). Die induktive Spannung berechnet sich dabei aus der zeitlichen Ableitung des verketteten magnetischen Flusses, wobei Ψ abhängig von der Stromänderung i(t) und dem Luftspalt x(t) ist. u(t) = i(t)R + u_ind = i(t)R + dΨ(i, x) / dt = i(t)R + ( dΨ(i, x) / di di / dt + dΨ(i, x) / dx dx / dt)
Bei langsamer Ansteuerung ist der „magnetische“ Anteil der Induktion durch Stromänderung gering. u_ind1 = dΨ(i, x) / di di / dt
Der „mechanische Teil der Induktion durch die Ankerbewegung beschreibt dann die Hübe (Leerhub und/oder Arbeitshub) des Magnetventils. u_ind2 = dΨ(i, x) / dx dx / dt
Durch Umstellen und Integration ist der verkettete mechanische Fluss in folgender Weise berechenbar: Ψ = ∫(u(t) – i(t)R)dt
2 illustriert einen Graphen 29 mit einer Zustandstrajektorie 31 während eines Anzugs (d.h. während eines Öffnungsvorganges) bzw. einer Trajektorie 33 während eines Abfalls (d.h. während eines Schließvorganges) des Magnetventils 1 (hier für den Fall mit Leerhub). Dabei ist auf einer Abszisse 30 der durch die Spule 3 fließende Strom i und auf der Ordinate 32 der gemäß der obigen Gleichung berechnete magnetische Fluss Ψ aufgetragen. Die Trajektorie 31 kann z.B. während eines Verfahrens zum Steuern des Magnetventils bestimmt werden, etwa durch Messung von Strom, Spannung und Berechnung des magnetischen Flusses wie oben erläutert. Aus einem Vergleich mit in 2 nicht illustrierten Referenzdaten bzw. Referenztrajektorien kann ein geeigneter Spannungsverlauf bestimmt werden, um Prellen zu vermindern. Durch die Punkte I‘, II‘, I, II sind in 2 charakteristische Zustände während des Öffnungsvorganges bezeichnet. Dabei erfolgt zwischen den Punkten I‘ und II‘ der Leerhub von 134 µm bis 90 µm, d.h. der Anzug des Ankers 9 im Leerhub. Zwischen den Punkten I (Verschiebungsanfang) und II (Kontaktzustand) erfolgt der Arbeitshub von 90 µm bis 0 µm, d.h. der Anzug des Ankers 9 im Arbeitshub. In dem Bereich II‘–I liegt der Anker am Mitnehmer 13 an.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird für ein Magnetventil ohne Leerhub (siehe 3 unten) oder mit Leerhub (2) der Bereich der Trajektorie 31 bei dem Punkt I und/oder bis Punkt II ausgewertet. Dabei ändert sich in dem Bereich I‘–II‘ eine Steigung der Trajektorie 31 gegenüber dem davor bzw. dahinter befindlichen Abschnitten. Ferner ändert sich in dem Abschnitt, zwischen den Punkten I und II die Steigung von einem positiven Wert auf einen negativen Wert.
In 2 ist z.B. für ein Magnetventil mit Leerhub in einem Bereich 34 nach dem zweiten Zustand II, an dem der Anker 9 erstmalig an den Polschuh 27 anschlägt, eine Wellenlinie erkennbar, welche das Prellen anzeigen kann. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können an einem gegebenen Magnetventil verschiedene Spannungen (z.B. gemäß den unten mit Bezug auf 6 geschriebenen Spannungsverläufen) angelegt werden und es können jeweils die Ψ-I-Kurven bestimmt und ausgewertet werden. Spannungsverläufe, welche kein Prellen, d.h. insbesondere keine Wellenlinien in dem Bereich 34 aufweisen, können als vorteilhaft gekennzeichnet werden und können zur tatsächlichen Ansteuerung des Magnetventils verwendet werden. Andere Spannungsverläufe, welche zu Schlangenlinien bzw. Wellenlinien bzw. Störungen in dem Bereich 34 Anlass geben, können davon ausgeschlossen werden, als Ansteurungs-Spannungsverläufe für das Magnetventil 1 zu dienen. Aus einer Menge von Trainingsdaten können Vorhersagen ausgehend von einem bestimmten Spannungsverlauf (z.B. Boost-Spannungshöhe, Boost-Spannungsdauer, Halte-Spannungshöhe, Halte-Spannungsdauer), wodurch ein etwaig auftretendes Prellen vorhergesagt werden könnte.
3 illustriert einen Graphen 35, welcher Trajektorien 37 und 39 während eines Anzugs bzw. eines Abfalls des Ankers 9 des Magnetventils 1 illustriert, in dem Fall, in dem das Magnetventil 1 keinen Leerhub aufweist. Da der Leerhub in der in 3 illustrierten Trajektorie 37 fehlt, fehlen die charakteristischen Punkte I‘ und II‘, die in 2 illustriert sind. Zwischen den Punkten I und II erfolgt der Arbeitshub von 50 µm bis 0 µm. Dabei weist die Trajektorie 37 an dem Punkt I einen Knick auf, bei dem sich eine positive Steigung in eine negative Steigung umkehrt.
4 illustriert einen Graphen, wobei auf einer Abszisse 60 eine Einspritzzeit TI in Millisekunden und auf einer Ordinate 62 die Einspritzmenge MF in Milligramm aufgetragen ist. Die Einspritzzeit kennzeichnet dabei die Zeitdauer, für wie lange das Einspritzventil geöffnet ist. Die Kurve 63 illustriert die Mengenkennlinie für ein Magnetventil, welches ein Prellen zeigt, und die Kurve 65 illustriert den Fall eines Einspritzventils, welches kein oder nur ein sehr geringes Prellen aufweist.
Für das Einspritzventil, welches nur ein sehr geringes Prellen aufweist (Kurve 65), ergibt sich ein fast linearer Zusammenhang zwischen der Einspritzzeit und der Einspritzmenge, jedenfalls für Einspritzzeiten, die größer sind als ein Schwellwert (ungefähr 0,3 ms), welcher durch Bezugsziffer 67 gekennzeichnet ist. Für das Magnetventil, welches Prellen aufweist (Kurve 63), gibt es in einem Bereich 69 geringer Einspritzzeiten eine starke Abweichung von einem linearen Verhalten, d.h. von einem linearen Zusammenhang zwischen der Einspritzzeit und der Einspritzmenge. Gemäß konventionellen Verfahren wird für derartige Magnetventile eine Einspritzzeit im Bereich 69 vermieden. Damit wäre es in dem Stand der Technik nicht möglich, relativ kurze Einspritzzeiten, insbesondere in einem Bereich zwischen etwa 0,3 ms und 0,4 ms zu vollziehen bzw. auszuführen, da eine monotone Steigung nicht gegeben ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmen den magnetischen Fluss in einem frühen Stadium während einer Öffnungsbewegung bzw. während eines Öffnungsvorganges des Magnetventils und greifen frühzeitig steuernd ein, indem die an die Spule angelegte Spannung derart eingestellt wird, dass ein voraussichtlich auftretendes Prellen vermindert wird.
Die Ausprägung der Ψ-I-Kurve bei verschiedenen Ansteuerungsspannungen (3V...18V) ist in der 5 durch Trajektorien 47 (Erregungsspannung 18V), 49 (Erregungsspannung 6V), 51 (Erregungsspannung 12V) und 53 (Erregungsspannung 3V) illustriert. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist es bei höheren Spannungen zunehmend schwieriger, die Zustände I und II zuverlässig zu detektieren, da nur geringe Steigungsänderungen auftreten. Bei z.B. einer Erregungsspannung von 18V kann es schwierig sein, den Zustand I zuverlässig zu detektieren. Daher kann eine Messung von Referenzkurven bzw. eine Messung zur Bestimmung eines Hubes bei relativ geringen Erregungsspannungen z.B. zwischen 3V und 12V durchgeführt werden. Die in 5 illustrierten Kurven 47, 49, 51 und 53 können Messdaten oder auch Referenzdaten repräsentieren.
6 illustriert drei Graphen 70, 72 und 74, die eine Ansteuerung eines Magnetventils gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung illustrieren.
Auf den Abszissen 76 ist dabei jeweils die Zeit in Mikrosekunden aufgetragen. Auf der Ordinate 78 des Graphen 70 ist die Größe der an die Spule 3 angelegten Spannung aufgetragen, auf der Ordinate 80 des Graphen 72 ist die Größe des Stromes durch die Spule 3 aufgetragen und auf der Ordinate 82 des Graphen 74 ist die Injektionsrate (d.h. Injektionsmenge pro Zeit) des Kraftstoffs aufgetragen, wenn das Magnetventil gemäß dem Spannungsprofil des Graphen 70 angesteuert wird.
Der Spannungsverlauf 84 in dem Graphen 70 der 6 umfasst eine Boost-Phase 85, eine Haltephase 87 und eine Absteuerphase 91. Während der Boost-Phase 85 wird eine Boost-Spannung von etwa 50V oder auch bis zu 65V zum Öffnen des Ventils 1 an die Spule 3 angelegt. Die Boost-Spannung wird für eine Zeitdauer von zwischen 300 μs und 600 μs aufrechterhalten. Insbesondere wird die Boost-Spannung solange aufrechterhalten, bis ein definierter Stromwert oder eine maximale zeitliche Dauer erreicht wird. In dieser Boost-Phase 85 erfolgt die Anker- bzw. Nadelbewegung und somit ist das Hubsignal in der Ψ-I-Kurve gering ausgeprägt. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn ein konventioneller Anker verwendet wird, welcher sehr hohe Wirbelströme bei relativ hohen Boost-Spannungen erzeugt.
In dem konventionellen Verfahren kann das Nadelprellen nur undeutlich erkannt werden und eine Anpassung der elektrischen Ansteuerung an die Nadelbewegung zur Verringerung des Prellens kann dabei schwierig sein.
Der Graph 72 zeigt mit einer Kurve 81 den Stromverlauf, welcher sich aufgrund des Spannungsprofils 84 in der Spule ergibt. Am Anfang der Boost-Phase 85 steigt der Strom 81 stark an und erreicht bei Ende der Boost-Phase ein Maximum. Während der Haltephase 87 nimmt der Strom ab, das Ventil wird jedoch in dieser Phase offengehalten und wird nach Vollenden der Absteuerphase 91 im Wesentlichen auf einen Nullwert geregelt. Jenseits der Phase 91 ist das Magnetventil geschlossen.
Die Kurve 83 des Graphen 74 zeigt die Injektionsrate in Abhängigkeit von der Zeit. Nach Vollendung der Boost-Phase 85 ist die Injektionsrate auf einen bestimmten Wert angestiegen, welcher abgesehen von geringen Schwankungen während der Haltephase 87 aufrechterhalten wird. Der mit Bezugsziffer 90 gekennzeichnete Zeitpunkt repräsentiert einen Zeitpunkt eines vollständigen Injektor-Öffnens.
Der Einspritz-Ratenverlauf 83 kann dabei eine hohe Übereinstimmung oder Korrelation mit der Nadelbewegung haben. Trotz vollständigem Öffnen des Injektors (Anker berührt Polschuh) wird die Ansteuerungsspannung aufrechterhalten und somit wird weiterhin die beschleunigende magnetische Kraft erhöht, was konventionell zu einem vermehrten Prellen führt. Die Prellvorgänge zwischen den einzelnen Injektoren können unterschiedlich sein, da die Injektoren zeitlich verschieden öffnen und somit die Kraftverläufe nach dem vollständigen Öffnen unterschiedlich sein können. Weiterhin können die Dämpfungseigenschaften der Injektoren verschieden aufgrund der jeweiligen Geometrie des Dämpfungsspalts sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben ein steuerndes Eingreifen durch Abändern der Spannungsverläufe, wie etwa des Spannungsverlaufes 84, welches in dem Graphen 70 der 6 illustriert ist. Mit Hilfe einer aufgenommenen Ψ-I-Kurve wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Injektor-Bewegung erkannt (insbesondere auch Online während eines Betriebs eines Fahrzeuges) und die Ansteuerung wird derart modifiziert, dass das Prellverhalten verringert wird. Hierzu kann z.B. in der Ψ-I-Kurve die Nadelbewegung (Zustand I und/oder Zustand II) bestimmt werden und die dazugehörige Ansteuerung bezüglich Prellen optimiert werden, z.B. durch Modifikation der Peak-Stromhöhe (des Stromes 81) oder Unterbrechung der Ansteuerungsspannung (Spannung 84, z.B. während der Boost-Phase 85, während der Haltephase 87 oder einer Kombination der beiden).
Zum Beispiel kann die gesamte Nadelbewegung zwischen dem ersten Zustand I und dem zweiten Zustand II erkannt werden (siehe z.B. 2 oder 3) und die Ansteuerung kann derart angepasst werden, so dass die Steigungen dΨ/di während der Bewegung für verschiedene Injektoren gleich sind (Anpassung an Sollwert bzw. Referenzkurve). Wird der erste Zustand I in die Erkennung einbezogen, dann kann die Nadelbewegung bereits nach Beginn der Bewegung durch eine geeignete Ansteuerung auf eine Prell-minimierte Bahn gebracht werden, d.h. ein Regeleingriff kann bereits vor dem Prellvorgang erfolgen. Ein derartiger Regeleingriff vor dem Prellen kann dabei z.B. ein Erkennen des ersten Zustandes I und Ausführung einer vorgegebenen Ansteuerung/Vorsteuerung vor bzw. beim ersten Zustand I umfassen (z.B. kann der Stromwert bei dem ersten Zustand I zuzüglich einer definierten Stromdifferenz oder zuzüglich einer Verlängerung der Boost-Phase angepasst bzw. eingestellt werden).
Alternativ oder in Kombination kann auch ein Regeleingriff nach dem Anschlag des Ankers an den Polschuh z.B. dadurch erfolgen, dass der zweite Zustand II erkannt wird und eine vorgegebene Ansteuerung/Vorsteuerung bei dem zweiten Zustand II ausgeführt wird (z.B. der Stromwert bei dem zweiten Zustand zuzüglich einer definierten Stromdifferenz oder zuzüglich einer Verlängerung der Boost-Phase oder Unterbrechung der Boost-Phase mit anschließender Fortführung).
Die 7A, B, C, D zeigen Graphen, die das Ankerverhalten für verschiedene Fälle illustrieren, wenn eine Ansteuerung gemäß Ausführungsformen der Erfindung: ohne Prellen (durchgezogen, Kurven gekennzeichnet mit `a`), mit Prellen (gepunktet, Kurven gekennzeichnet mit `b`) und mit soft landing (gestrichelt, Kurven gekennzeichnet mit `c`).
Das Prellen wird in der PSI-I-Kurve 92a, 92b, bzw. 92c in 7A erkannt. Um das Prellen zu Minimieren, wird die Dauer der Boostphase 85 des Anteuerprofile 84a, 84b, 84c für die folgenden Ansteuerungen verlängert und somit die Kraft auf den Anker während des Anschlags erhöht (siehe 7D).
Eine andere Lösung ist eine sogenannte ´weiche Landung´ (soft landing). Hier wird der Anker vor Erreichen des Polschuhs bereits abgebremst durch Verkürzung der Dauer der Boostphase und das Anschlagen erfolgt somit mit verringertem Impuls, was wiederum das Prellen vermindert bzw. verhindert.
Der Ankerhub ist in 7B gegen die Zeit für die verschiedenen Fälle als Kurven 94a, 94b, 94c dargestellt.
Der Strom ist in 7C gegen die Zeit für die verschiedenen Fälle als Kurven 96a, 96b, 96c dargestellt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Verwendung eines Injektors vorgeschlagen, bei dem keine bzw. verringerte Wirbelströme auftreten. In einem solchen Fall kann es möglich sein, die Ψ-I-Kurven auch bei einer Standardansteuerung (z.B. mit 65V Boost-Spannung) durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Magnetventils, das eine Spule (3) und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, mit Hilfe dessen ein Verschlusselement (11) verschiebbar ist, um Kraftstoff (19) in einen Verbrennungsraum (23) einzuspritzen, wobei das Verfahren aufweist: Beaufschlagen der Spule (3) mit einer Spannung (84) gemäß einem ersten Spannungsverlauf, um einen ersten elektrischen Strom (81) durch die Spule (3) zu erzeugen; Bestimmen eines ersten Verlaufes (31, 37) in Abhängigkeit eines ersten magnetischen Flusses (Ψ) und des ersten Stroms (i); Erkennen, in dem ersten Verlauf, einer ersten Charakteristik zumindest eines ersten Verschiebungsanfangs (I), bei dem der Anker (9) das Verschlusselement (11) zu verschieben beginnt, Erzeugen eines zweiten Spannungsverlaufes und Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf, derart dass in einem zweiten Verlauf in Abhängigkeit eines zweiten magnetischen Flusses und eines zweiten Stroms, eine zweite Charakteristik eines zweiten Verschiebungsanfangs (I) ähnlicher einer Referenzcharakteristik ist als die erste Charakteristik.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Verlauf bzw. der zweite Verlauf durch eine erste Kurve (31, 37) bzw. eine zweite Kurve in einem Koordinatensystem repräsentierbar ist, in dem entlang einer Achse der Strom (i) und entlang einer anderen Achse der magnetische Fluss (Ψ) aufgetragen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Charakteristik bzw. die zweite Charakteristik eine Steigung und/oder eine Position auf der jeweiligen Kurve, insbesondere zumindest bei dem jeweiligen Verschiebungsanfang (I), ferner insbesondere entlang mindestens eines Abschnitts einer Öffnungsbewegung des Verschlusselements zwischen dem Verschiebungsanfang (I) und einem Kontaktzustand (II), bei dem der Anker an einen Polschuh zur Beendigung der Öffnungsbewegung anstößt, umfasst und wobei die Referenzcharakteristik zumindest eine Referenzsteigung und/oder Referenzposition umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der jeweilige Verschiebungsanfang (I) als ein Punkt oder Bereich identifiziert wird, bei dem sich eine Steigung der jeweiligen Kurve ändert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei der jeweilige Kontaktzustand (II) als ein Punkt oder Bereich identifiziert wird, bei dem sich eine Steigung der jeweiligen Kurve ändert.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei das Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf zeitlich vor dem ersten Kontaktzustand (II) erfolgt und wobei insbesondere der zweite Spannungsverlauf eine andere, insbesondere verlängerte, verkürzte oder unterbrochene Dauer einer Boostphase (85) als der erste Spannungsverlauf aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei das Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf zeitlich nach dem ersten Kontaktzustand (II) erfolgt, wobei insbesondere der zweite Spannungsverlauf eine andere, insbesondere verlängerte oder verkürzte, Dauer einer Boostphase (85) als der erste Spannungsverlauf oder eine unterbrochene Boostphase (85) aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 7, wobei die jeweilige Charakteristik ferner in Abhängigkeit mindestens eines Abschnitts der jeweiligen Kurve jenseits des Kontaktzustand (II) bestimmt ist, wobei der zweite Spannungsverlauf derart ausgewählt ist, dass der Abschnitt (34) weniger alternierende Steigungen aufweist.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei zum Auffinden des zweiten Spannungsverlaufs insbesondere Simulation oder ein Ausprobieren des Betriebes des Magnetventils erfolgt, wobei das Verfahren insbesondere ferner aufweist: Bereitstellen mindestens eines Referenzdatensatzes (31, 37), umfassend eine Referenzkurve von Strom und magnetischem Fluss bei hinreichend geringem Prellen das Ankers auf den Polschuh.
Vorrichtung (2), insbesondere Motorsteuergerät, zum Steuern eines Magnetventils (1), das eine Spule (3) und einen durch Magnetkraft verschiebbaren Anker (9) aufweist, mit Hilfe dessen ein Verschlusselement (11) verschiebbar ist, um Kraftstoff (19) in einen Verbrennungsraum (23) einzuspritzen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Treiber (4) zum Beaufschlagen der Spule (3) mit einer Spannung (84) gemäß einem ersten Spannungsverlauf, um einen ersten elektrischen Strom (81) durch die Spule (3) zu erzeugen; ein Bestimmungsmodul (6), welches zum Bestimmen eines ersten Verlaufes in Abhängigkeit eines ersten magnetischen Flusses und des ersten Stroms; und zum Erkennen, in dem ersten Verlauf, einer ersten Charakteristik zumindest eines ersten Verschiebungsanfangs (I), bei dem der Anker (9) das Verschlusselement (11) zu verschieben beginnt, ausgebildet ist, wobei der Treiber (4) ferner ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Spannungsverlaufes und Beaufschlagen der Spule gemäß dem zweiten Spannungsverlauf, derart dass in einem zweiten Verlauf in Abhängigkeit eines zweiten magnetischen Flusses und eines zweiten Stroms, eine zweite Charakteristik eines zweiten Verschiebungsanfangs ähnlicher einer Referenzcharakteristik ist als die erste Charakteristik.