DE102015209566B3 - Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren bei Mehrfacheinspritzungen - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Der Kraftstoffinjektor weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss über ein Schaltelement mit Erde/Masse verbindbar ist und wobei der zweite Anschluss mit Erde/Masse verbunden ist. Das Verfahren weist folgendes auf: (a) Ansteuern des Schaltelements, um den ersten Anschluss mit Erde/Masse zu verbinden, (b) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes und (c) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs mit einem Spannungspuls, um einen Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors einzuleiten, wobei eine Zeitdauer des Spannungspulses in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt wird. Des Weiteren werden eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Ansteuerns von Kraftstoffinjektoren, insbesondere ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm.
  • Bei Betrieb von Kraftstoffinjektoren mit Magnetspulenantrieb kommt es aufgrund elektrischer Toleranzen zu unterschiedlichen zeitlichen Öffnungsverhalten der einzelnen Injektoren und somit zu Variationen in der jeweiligen Einspritzmenge.
  • Die relativen Einspritzmengenunterschiede von Injektor zu Injektor und von Einspritzung zu Einspritzung vergrößern sich bei kürzer werdenden Einspritzzeiten und/oder elektrischen/hydraulischen Separationszeiten. Bisher waren diese relativen Mengenunterschiede klein und ohne praktische Bedeutung. Die Entwicklung in Richtung kleinerer und mehrerer Einspritzmengen und Einspritzzeiten pro Einspritzzyklus (Mehrfacheinspritzungen) führt nun dazu, dass der Einfluss der relativen Mengenunterschiede nicht mehr außer Betracht gelassen werden kann. Insbesondere bei kurz aufeinanderfolgenden Einspritzungen kann eine im Magnetspulenantrieb vorhandene Restmagnetisierung aus der vorhergehenden Einspritzung vorhanden sein, welche die nachfolgende Einspritzung beeinflussen kann.
  • In der internationalen Patentanmeldung WO 2011/023476 A1 wird beschrieben, die Injektorspannung des letzten Einspritzvorgangs vor einer nächsten Einspritzung zu ermitteln, um auf einen Vormagnetisierungszustand des Injektors zu schließen und in geeigneter Weise zu reagieren. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dies alternativ mittels einer definierten Versorgungsspannung durchzuführen und den damit verbundenen fließenden Strom als Maß für eine Restmagnetisierung zu erhalten.
  • In der DE 10 2013 207 152 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Ansteuern eines Spulenantriebes eines Einspritzventils einer Verbrennungskraftmaschine in einem nichtlinearen Betriebsbereich des Einspritzventils beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) Auswählen einer vorgegebenen Menge an Kraftstoff, welche in eine Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden soll, (b) Bestimmen einer elektrischen Ansteuerdauer des Spulenantriebs und einer Vormagnetisierung eines magnetischen Ankers des Spulenantriebs, wobei die Kombination aus bestimmter elektrischen Ansteuerdauer und bestimmter Vormagnetisierung zum Einspritzen der vorgegebenen Menge an Kraftstoff in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine führt und (c) elektrisches Ansteuern des Spulenantriebs mit der bestimmten elektrischen Ansteuerdauer und der bestimmten Vormagnetisierung.
  • Aus der DE 101 38 483 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere zur Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine bekannt. Der Verbraucher wird vor einer Ansteuerung mit einem Stromimpuls beaufschlagt. Ausgehend von einer Größe, die die Dauer des Stromimpulses charakterisiert, wird die Ansteuerung korrigiert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und einfache Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren bereitzustellen, mit der Mehrfacheinspritzungen mit hoher Präzision möglich sind.
  • 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 Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben, wobei der Kraftstoffinjektor einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss über ein Schaltelement mit Erde/Masse verbindbar ist und wobei der zweite Anschluss mit Erde/Masse verbunden ist. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Ansteuern des Schaltelements, um den ersten Anschluss mit Erde/Masse zu verbinden, (b) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes und (c) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs mit einem Spannungspuls, um einen Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors einzuleiten, wobei eine Zeitdauer des Spannungspulses in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt wird.
  • Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Verbinden der beiden Anschlüsse des Kraftstoffinjektors mit Erde/Masse, wenn eine Restmagnetisierung vorhanden ist, einen Stromfluss in der Spule des Magnetspulenantriebs bewirkt, wobei dieser Stromfluss von der vorhandenen Restmagnetisierung abhängig und somit für diese maßgeblich ist. Bei vorhandener Restmagnetisierung bewirken die damit verbundenen abklingenden Wirbelströme und deren abklingender magnetische Fluss durch Induktion und den Freilauf-Schluss der Anschlüsse einen Stromfluss in der Hauptwicklung des Magnetspulenantriebs. Durch Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Stromflusses (während einer kurzen Messphase vor der eigentlichen Ansteuerung des Kraftstoffinjektors) kann der Ausgangszustand des Kraftstoffinjektors hinsichtlich Restmagnetisierung somit erfasst, bei der nachfolgenden Ansteuerung berücksichtigt und eine präzise Einspritzmenge erreicht werden.
  • Mit anderen Worten werden beide Anschlüsse des Kraftstoffinjektors während einer der tatsächlichen Ansteuerung vorausgehenden Messphase mit Erde/Masse (d. h. einem Referenzpotenzial) verbunden. Der in diesem Freilaufzustand in Magnetspulenantrieb laufenden Strom wird erfasst und der zeitliche Verlauf wird gespeichert, zum Beispiel in Form einer Reihe von Abtastwerten. Nach dieser Messphase folgt die eigentliche Ansteuerung des Kraftstoffinjektors, um diesen zu öffnen. Dabei wird der Magnetspulenantrieb mit einem Spannungspuls, z. B. einem sogenannten Boostspannungspuls mit gegenüber der Bordnetzspannung deutlich erhöhter Spannung, beaufschlagt. Die Zeitdauer dieses Spannungspulses wird in Abhängigkeit vom erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt. Wenn es zum Beispiel festgestellt wird, dass eine gewisse Restmagnetisierung gegeben ist, kann die Zeitdauer des Spannungspulses in Vergleich mit dem Fall, wo keine Restmagnetisierung vorhanden ist, verkürzt werden.
  • Die Dauer der Messphase ist relativ zu der Dauer der nachfolgenden Boostphase sehr kurz, z. B. zwischen 5% und 20%. Bei Mehrfacheinspritzungen kann die Messphase somit während der Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen eingefügt werden, ohne dabei zusätzliche Zeit in Anspruch zu nehmen.
  • Der während der kurzen Messphase fließende Spulenstrom ist auch magnetfeldbildend und ermöglicht somit einen räumlich veränderten Abbau der Restmagnetisierung, die für den nachfolgenden Einspritzvorgang genutzt werden kann. Es ist bekannt, dass bei elektromagnetischen Injektoren mit leitfähigem Magnetmaterial zu Beginn und zum Ende der Bestromung der zur Kraft notwendigen Magnetfluss bei zylinderförmigem Aufbau aufgrund der Wirbelstromaktivität verzögert auf- und abbaut. Zu Beginn der Bestromung dringt der Fluss von außen nach innen ein. Zum Bestromungsende baut sich der Fluss von außen nach innen ab. Der Messprozess bewirkt einen räumlichen Umbau des Flussabbaus. Der neue meßbare Spulenstrom erzeugt einen neuen Flussaufbau von außen nach innen, was einer räumlichen Flussverteilung beim Bestromungsbeginn bewirkt und somit bei einer Mehrfacheinspritzung in vorteilhafter Form genutzt werden kann (Ähnlichkeitsprinzip).
  • Insgesamt wird eine präzise Berücksichtigung der Restmagnetisierung durch eine kurzzeitige Strommessung ohne zusätzliche Energiezufuhr ermöglicht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zweite Anschluss durch eine Diode mit Erde/Masse verbunden.
  • Die Diode entspricht im Wesentlichen der bei vielen Kraftstoffinjektorsteuerschaltungen vorhandenen Freilaufdiode, die so angebracht ist, dass ein den Kraftstoffinjektorspule aufweisende Stromkreis während der Messphase niederohmig geschlossen wird.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Spannungspuls zu einem Zeitpunkt beendet, zu welchem die Stromstärke des durch den Magnetspulenantriebfließenden Stromes einen bestimmten Wert erreicht.
  • Mit anderen Worten wird die Zeitdauer der Spannungspuls in Abhängigkeit von dem Erreichen eines bestimmten Stromwert (auch Peakstrom genannt) gesteuert.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der bestimmte Wert in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt.
  • Mit anderen Worten wird der genaue Wert der Stromstärke, bei welchem der Boostspannungspuls beendet wird, basierend auf dem während der Messphase erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt.
  • Kurz gefasst wird der Peakstrom und damit die Zeitdauer der Boostphase in Abhängigkeit des gemessenen Stromverlaufs eingestellt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Schaltelement einen Transistor auf.
  • Der Transistor mag insbesondere ein sogenannter Lowside-Transistor sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden eine Steigung und/oder eine Amplitude der Stromstärke bei der Festlegung der Zeitdauer des Spannungspulses berücksichtigt.
  • Es ist qualitativ erkennbar, das die Höhe des messbaren Stroms proportional in Relation zur vorhandenen Restmagnetisierung steht, was ebenfalls für die Windungsanzahl gilt. Der Verlauf wird durch die elektromagnetische Zeitkonstante bestimmt, die von der Geometrie des Injektors und seinem magnetischen Gesamtwiderstand abhängt.
  • Die Anpassung der Zeitdauer des Spannungspulses bzw. des Peakstroms kann des Weiteren physikalische Systemparameter, wie zum Beispiel Kraftstofftemperatur, Magnetspulentemperatur, Abstand zum vorherigen Einspritzvorgang usw., berücksichtigen. Dies kann zum Beispiel durch Verwendung entsprechender Vorsteuerkennlinien bzw. -Felder oder eines Modells erfolgen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet ist.
  • Diese Motorsteuerung ermöglicht es in einfacher Weise eine sehr hohe Präzision bei Mehrfacheinspritzungen, d. h. kurz aufeinanderfolgenden Einspritzungen zu gewährleisten.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten/zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
  • 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, Blu-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/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 heruntergeladen 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 Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen 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 einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Teils einer Schaltung zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors gemäß einer Ausführungsform.
  • 2 zeigt eine grafische Darstellung eines beispielhaften Stromverlaufs gemäß einer Ausführungsform.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
  • 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm 100 eines Teils einer Schaltung zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors 110 gemäß einer Ausführungsform. Der Kraftstoffinjektor 110 weist Anschlüsse 112 (Lowside LS) und 114 (Highside HS) auf. Der Anschluss 112 ist mit einem Transistor 116 (Lowside-Transistor ILS) verbunden und dadurch mit Erde/Masse verbindbar. Der Anschluss 114 ist durch eine Diode 118 (Freilaufdiode DGND) mit Erde/Masse verbunden.
  • 2 zeigt eine grafische Darstellung 201 eines beispielhaften zeitlichen Stromverlaufs 231–234 gemäß einer Ausführungsform.
  • Die Darstellung 201 zeigt des Weiteren den zeitlichen Verlauf eines Kraftstoffmengeneintrages 240.
  • Mit Bezug auf die beiden 1 und 2 wird im Folgenden die erfindungsgemäße Ansteuerung des Kraftstoffinjektors erläutert. Im Betrieb wird der Transistor 116 so angesteuert, dass der Anschluss 112 mit Erde/Masse verbunden wird. Falls eine Restmagnetisierung im Kraftstoffinjektor 110 vorhanden ist, wird nun ein Strom 231, wie vom Pfeil 120 gezeigt, durch den Kraftstoffinjektor 110 fließen. Dieser Strom 231 wird über ein relativkurzes Intervall Ta von ca. 50–100 μs erfasst (Messphase) und ausgewertet, um den Magnetisierungszustand des Kraftstoffinjektors 110 zu ermitteln.
  • Nach der Messphase Ta wird eine erhöhte Spannung (Boostspannung) beim Anschluss 114 eingeschaltet, um den Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors 110 einzuleiten. Die Zeitdauer dieses Spannungspulses wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Magnetisierungszustand festgelegt, so dass die Restmagnetisierung gegebenenfalls berücksichtigt und die vorgegebene Einspritzmenge erreicht wird. Diese Zeitdauer wird beispielsweise durch Verwendung eines dynamischen Peakstromwertes I2 indirekt festgelegt. Dabei wird der durch den Magnetspulenantrieb fließende Strom 232 gemessen und wenn dieser den gegebenen Peakstromwert I2 zum Zeitpunkt T2 erreicht, wird die Spannung am Anschluss 114 auf eine niedrigere Spannung (sogenannte Haltespannung) heruntergeschaltet, so dass der Kraftstoffinjektor 110 eine bestimmte Zeit lang offen bleibt. Der Peakstromwert I2 wird in Abhängigkeit von dem während der Messphase gemessenen Strom 231 festgelegt. Hier wird insbesondere die Steigung und/oder den maximalen Wert I1 des gemessenen Stromes 231 zur Festlegung des Peakstromwertes I2 verwendet.
  • Nach dem Zeitpunkt T2 fällt der Spulenstrom 233 während der Haltephase etwas ab und nach Ausschalten der Haltespannung fällt der Spulenstrom 234 steil ab.
  • Die Kurve 240 zeigt den Verlauf des Kraftstoffmengeneintrages pro Zeit. Die Kraftstoffmengeneintragsrate beginnt kurz vor dem Zeitpunkt T2 zu steigen und erreicht kurz vor Ende der Haltephase einen maximalen Wert, welcher eine Zeit lang gehalten wird. Danach fällt die Kraftstoffmengeneintragsrate 240 wieder ab.
  • Insgesamt wird eine Restmagnetisierung, die zum Beispiel aus einem kurz zuvor durchgeführten Einspritzvorgang stammt und noch nicht abgebaut ist, bei der nachfolgenden Einspritzung erfindungsgemäß berücksichtigt, um eine präzise Einspritzmenge zu erzielen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Schaltungsdiagramm
    110
    Kraftstoffinjektor
    112
    Anschluss
    114
    Anschluss
    116
    Transistor
    118
    Diode
    120
    Pfeil
    201
    Grafische Darstellung
    231
    Stromverlauf
    232
    Stromverlauf
    233
    Stromverlauf
    234
    Stromverlauf
    I1
    Stromwert
    I2
    Stromwert
    Ta
    Messintervall
    Ti
    Ansteuerzeit
    T2
    Zeitpunkt

Claims (8)

  1. Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, wobei der Kraftstoffinjektor einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss über ein Schaltelement mit Erde/Masse verbindbar ist und wobei der zweite Anschluss mit Erde/Masse verbunden ist, das Verfahren aufweisend Ansteuern des Schaltelements, um den ersten Anschluss mit Erde/Masse zu verbinden, Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der Stromstärke eines durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes und Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs mit einem Spannungspuls, um einen Öffnungsvorgang des Kraftstoffinjektors einzuleiten, wobei eine Zeitdauer des Spannungspulses in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt wird.
  2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Anschluss durch eine Diode mit Erde/Masse verbunden ist.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungspuls zu einem Zeitpunkt beendet wird, zu welchem die Stromstärke des durch den Magnetspulenantrieb fließenden Stromes einen bestimmten Wert erreicht.
  4. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der bestimmte Wert in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stromstärke festgelegt wird.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement einen Transistor aufweist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Steigung und/oder eine Amplitude der Stromstärke bei der Festlegung der Zeitdauer des Spannungspulses berücksichtigt werden.
  7. Motorsteuerung für ein Fahrzeug, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  8. Computerprogramm, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
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