DE102015219741B4

DE102015219741B4 - Präzise Bestimmung der Einspritzmenge von Kraftstoffinjektoren

Info

Publication number: DE102015219741B4
Application number: DE102015219741.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Hauser; Gerd Rösel; Markus Stutika
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: US10605191B2; WO2017063982A1; CN108138683B; KR102037015B1; US20180216560A1; KR20180063891A; DE102015219741A1; CN108138683A

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Einspritzmenge eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisendBestimmen (510) eines ersten Zeitpunktes, zu dem ein Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors beginnt,Bestimmen (520) eines zweiten Zeitpunktes, zu dem der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors endet,Berechnen (530) eines Modells basierend auf dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, das die Position einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors als Funktion der Zeit darstellt, undBerechnen (540) der Einspritzmenge basierend auf dem Modell und einer Relation zwischen der Position der Düsennadel und dem Durchfluss des Kraftstoffinjektors.

Description

Zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum, wie etwa einen Zylinder, kann ein Kraftstoffinjektor, wie zum Beispiel 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 Polstücks bzw. Polschuhs bewegt. Durch eine mechanische Kopplung (z.B. einen mechanischen Kontakt) bewegt sich nach Überwinden des Leerhubs ebenfalls die Düsennadel bzw. das Verschlusselement 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 das Polstück anlangt bzw. anschlägt. Die Distanz zwischen dem Anschlag des Ankers an einen Mitnehmer des Verschlusselements bzw. der Düsennadel und dem Anschlag des Ankers an das Polstück wird auch als Nadelhub bzw. Arbeitshub bezeichnet. Um den Kraftstoffinjektor 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.
Bei kurzen Einspritzzeiten beginnt der Schließvorgang bereits bevor der Anker an das Polstück anschlägt, die Nadelbewegung beschreibt somit eine ballistische Flugbahn.
Der Zeitpunkt des Beginns der Nadelbewegung beim Öffnen des Kraftstoffinjektors (auch OPP1 genannt) entspricht dem Beginn der Einspritzung und der Zeitpunkt des Endes der Nadelbewegung beim Schließen des Kraftstoffinjektors (auch OPP4 genannt) entspricht dem Ende der Einspritzung. Diese beiden Zeitpunkte bestimmen somit die hydraulische Dauer der Einspritzung. Injektor-individuelle zeitliche Variationen des Beginns der Nadelbewegung (Öffnen) und des Endes der Nadelbewegung (Schließen) können folglich bei identischer elektrischer Ansteuerung unterschiedliche Einspritzmengen ergeben.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Einspritzmenge häufig geschätzt durch Multiplizieren der hydraulischen Dauer mit einem angenommen konstanten Durchfluss. Bei kurzen Einspritzzeiten, zum Beispiel in Verbindung mit Mehrfacheinspritzungen, insbesondere in den Fällen, wo die Nadelbewegung eine ballistische Flugbahn beschreibt, können solche Schätzungen nicht die notwendige Präzision gewähren, um eine gleichmäßige Einspritzung durch mehrere Kraftstoffinjektoren einstellen zu können.
EP 1 617 065 B1 betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem umfassend einen Injektor und eine Steuervorrichtung. Der Injektor enthält eine Steuerkammer, die eine Nadel mit einem Druck darin antreibt. Die Steuervorrichtung bestimmt eine erforderliche Einspritzmenge in Übereinstimmung mit einem Betriebszustand eines Verbrennungsmotors und steuert eine vom Injektor eingespritzte Kraftstoffeinspritzmenge durch Steuern eines elektrischen Ventils darin. Die Steuervorrichtung bestimmt eine geometrische Form, die durch eine Zeitachse und eine Hubhöhenänderung der Nadel definiert ist. Die Steuervorrichtung unterteilt ferner die Hubhöhenänderung der Nadel während des Zeitraums vom Beginn der Aufwärtsbewegung der Nadel bis zum Beginn der Abwärtsbewegung der Nadel in eine Vielzahl von Abschnitten. Die Steuervorrichtung wertet dann die Hubhöhenänderung der Nadel in den mehreren Abschnitten auf der Grundlage einer physikalischen Gleichung aus.
EP 1 443 198 B1 betrifft Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Injektor zum Einspritzen eines Hochdruckkraftstoffs und einer Steuereinrichtung zum Bestimmen einer Anforderungseinspritzzeitabstimmung und einer Anforderungseinspritzmenge als Reaktion auf einen Betriebszustand einer Brennkraftmaschine, um den Injektor gemäß der Anforderungseinspritzzeitabstimmung und der Anforderungseinspritzmenge steuerbar zu öffnen und zu schließen.
DE 699 35 826 T2 betrifft ein Commonrail Brennstoffeinspritzsystem, aufweisend Injektoren zur Zerstäubung von Brennstoff in Verbrennungskammern eines Motors, eine Commonrail/Speicherleiste zur Speicherung von Brennstoff, der den Injektoren zuzuführen ist, eine Hochdruckbrennstoffpumpe zur Zufuhr von Brennstoff zu der Commonrail, Erfassungsmittel zur Überwachung von Motorbetriebsbedingungen, und eine Steuereinheit zur Einstellung der Brennstoffeinspritzung aus den Injektoren heraus nach Maßgabe von Signalen, welche von den Erfassungsmitteln übertragen werden.
DE 10 2013 226 849 B3 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor angesteuert wird, bei dem der dynamische Düsennadelhubverlauf bestimmt und geregelt wird. Einerseits werden die Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung während eines Einspritzvorgangs kontinuierlich erfasst und andererseits wird der dynamische Düsennadelhubverlauf anhand einer Modellstruktur für eine Düsennadelbewegung eines Einspritzventils rekonstruiert, woraus die SOLL-Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung abgeleitet werden. Die SOLL-Größen werden mit den IST-Größen verglichen, und die Abweichung zwischen beiden Größen wird minimiert.
DE 10 2010 041 880 A1 betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators. Das Verfahren weist auf ein Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuersignal, welches derart dimensioniert ist, dass der Anker lediglich eine teilweise Auslenkung aus seiner Ausgangsposition ohne Erreichen einer durch einen Anschlag definierten Endposition erfährt und nach einem Erreichen einer Umkehrposition wieder seine Ausgangsposition erreicht, wobei zumindest zwischen der Umkehrposition und der Ausgangsposition die Auslenkung des Ankers als Funktion der Zeit zumindest annähernd durch einen Abschnitt einer Parabel beschrieben wird, ein Bestimmen des Zeitpunkts, zu dem der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, ein Bestimmen der Geschwindigkeit, mit welcher der Anker wieder seine Ausgangsposition erreicht, und ein Ermitteln des zeitlichen Bewegungsverlaufs des Ankers unter Verwendung einer die Parabel beschreibenden mathematischen Gleichung basierend auf dem erfassten Zeitpunkt und der erfassten Geschwindigkeit.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren, eine verbesserte Motorsteuerung und ein Computerprogramm zum präzisen Bestimmen der Einspritzmenge eines Kraftstoffinjektors bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Einspritzmenge eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Bestimmen eines ersten Zeitpunktes, zu dem ein Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors beginnt, (b) Bestimmen eines zweiten Zeitpunktes, zu dem der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors endet, (c) Berechnen eines Modells basierend auf dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, das die Position einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors als Funktion der Zeit darstellt, und (d) Berechnen der Einspritzmenge basierend auf dem Modell und einer Relation zwischen der Position der Düsennadel und dem Durchfluss des Kraftstoffinjektors.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine präzise Ermittlung der Einspritzmenge basierend auf einem Modell, das die Position der Düsennadel als Funktion der Zeit darstellt, und einer Relation zwischen der Position der Düsennadel und dem Durchfluss des Kraftstoffinjektors erfolgen kann. Mit anderen Worten wird die Bewegung der Düsennadel während des Einspritzvorgangs modelliert und zusammen mit dem davon abhängigen Durchfluss berücksichtigt. Die Position der Düsennadel und die Geometrie der Düsenlöcher bestimmen die Größe der Öffnung des Kraftstoffinjektors und somit (zusammen mit weiteren Parameter, wie Druck, Temperatur etc.) den augenblicklichen Durchfluss des Kraftstoffinjektors.
In diesem Dokument bezeichnet „Einspritzvorgang“ insbesondere den Teil der Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors, in dem Kraftstoff tatsächlich eingespritzt wird.
In diesem Dokument bezeichnet „Modell“ insbesondere ein mathematisches Modell, das ein Verhalten eines physikalischen Systems darstellt.
In diesem Dokument bezeichnet „Einspritzmenge“ insbesondere die gesamte Kraftstoffmenge, die während eines einzelnen Einspritzvorgangs, das heißt zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, eingespritzt bzw. ausgegeben wird.
Das Bestimmen des ersten Zeitpunktes (Beginn der Einspritzung, auch OPP1 genannt) und des zweiten Zeitpunktes (Ende der Einspritzung, auch OPP4 genannt) können in verschiedener Art und Weise mit bekannten Verfahren gemäß dem Stand der Technik erfolgen, zum Beispiel basierend auf der wirbelstromgetriebenen Kopplung zwischen Mechanik und Magnetkreis, welche ein Feedbacksignal generiert, das auf der Bewegung der Mechanik beruht. Hierbei wird ein geschwindigkeitsabhängiger Wirbelstrom im Anker infolge der Bewegung der Düsennadel und des Ankers induziert, welcher ebenfalls eine Rückwirkung auf den elektromagnetischen Kreis verursacht. In Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit wird im Elektromagnet eine Spannung induziert, die dem Ansteuersignal überlagert ist.
Die Bestimmung der Zeitpunkte und die Berechnungen von Modell und Einspritzmenge können vorteilhafterweise in einem Motorsteuergerät unter Einsatz von geeigneten numerischen Verfahren erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Modell einen ersten Parameter und einen zweiten Parameter auf, wobei der erste Parameter einem linearen Teil der Funktion zugeordnet ist und der zweite Parameter einem quadratischen Teil der Funktion zugeordnet ist.
Mit anderen Worten weist das Modell eine Polynomfunktion zweiten (2.) Grades auf, die die Position der Düsennadel in Abhängigkeit der Zeit darstellt bzw. approximiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der erste Parameter des Modells basierend auf vorbestimmten Daten, insbesondere Simulationsdaten, und dem ersten Zeitpunkt berechnet.
Mit anderen Worten werden im Vorfeld hinterlegten Daten verwendet, zum Beispiel Simulationsdaten, die ein Zusammenhang zwischen dem ersten Parameter und dem ersten Zeitpunkt darstellt, zum Beispiel in Form einer Tabelle. Die Simulationsdaten können zum Beispiel unter Verwendung von Finite-Elemente-Methoden (FEM) erstellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der zweite Parameter basierend auf dem ersten Parameter und zumindest einem von dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt berechnet.
Mit anderen Worten wird zur Bestimmung des zweiten Parameters der schon zuvor bestimmte erste Parameter zusammen mit dem ersten und/oder zweiten Zeitpunkt verwendet. Insbesondere kann es hier ausgenutzt werden, dass die Funktion einen vorhersehbaren Wert, wie zum Beispiel null, bei dem ersten und/oder zweiten Zeitpunkt ergeben soll.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Modell die Funktion $y (t) = v_{y0} \cdot t - \frac{1}{2} \cdot g \cdot t^{2}$
auf, wobei y(t) die Position der Düsennadel, v_y0 den ersten Parameter, g den zweiten Parameter und t die Zeit bezeichnet.
Das Modell weist folglich eine Funktion y(t) auf, die eine allgemeine Bewegungsgleichung mit Anfangsgeschwindigkeit v_y0 und konstante Beschleunigung (Kräfte) g darstellt. Der erste Parameter v_y0 wird somit insbesondere durch Leerhub, Magnetkraft, Federkraft etc. zum ersten Zeitpunkt (Beginn der Nadelbewegung) beeinflusst, wobei der zweite Parameter g die Kräfte beschreibt, die während der Nadelbewegung auftreten, zum Beispiel Federkräfte, hydraulische Kräfte, Reibung, Dämpfung, magnetische Kräfte etc.
Wenn der erste Parameter bekannt ist, kann der zweite Parameter analytisch berechnet werden. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Funktion y(t) gleich null sein muss zu dem zweiten Zeitpunkt (Ende der Einspritzung, OPP4): $g = \frac{2 \cdot v_{y 0}}{t (O P P 4) - t (O P P 1)} .$
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die Bewegung der Düsennadel während des Einspritzvorgangs im Wesentlichen eine ballistische Flugbahn dar.
In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich folglich um so kurze Einspritzzeiten, dass Anker und Düsennadel nicht auf das Polstück anschlagen. In diesem Falle ist das Modell durch die oben beschriebene Funktion y(t) komplett in dem Sinne, dass die gesamte Bewegung der Düsennadel während der Einspritzung durch die Funktion y(t) bestimmt ist.
Es soll bemerkt werden, dass die Funktion y(t) auch als Teil eines Modells verwendet werden kann, wenn Anker und Düsennadel das Polstück erreichen, das heißt, wenn die Nadelbewegung nur teilweise eine ballistische Flugbahn darstellt. In diesem Falle kann die Funktion y(t) zur Berechnung von Randbedingungen für weitere Modelle bzw. Modellteile verwendet werden.
Insgesamt ermöglichen die oben beschriebenen Verfahren eine einfache und präzise Bestimmung von Einspritzmengen bei der Ansteuerung von Kraftstoffinjektoren mit Magnetspulenantrieb. Die Verfahren sind für den ballistischen Betrieb besonders gut geeignet und können sowohl bei Kraftstoffinjektoren mit Leerhub als auch bei Kraftstoffinjektoren ohne Leerhub verwendet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors beschrieben. Das beschriebenen Verfahren weist folgendes auf: (a) Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen der Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors gemäß dem ersten Aspekt oder einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele und (b) Ansteuern des Kraftstoffinjektors basierend auf der bestimmten Einspritzmenge, wobei insbesondere eine Dauer zwischen dem Anlegen einer Boostspannung zum Öffnen des Kraftstoffinjektors und dem Anlegen einer Spannung zum Schließen des Kraftstoffinjektors vermindert oder vergrößert wird, wenn bestimmt ist, dass die Einspritzmenge größer oder kleiner als eine Referenzeinspritzmenge ist.
Mit diesem Verfahren kann durch Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt eine präzise Berechnung der genauen Einspritzmenge in einfacher und zuverlässiger Weise vorgenommen und zur Korrektur der Ansteuerung verwendet werden. Insbesondere kann die Einspritzmenge bei kurzen Einspritzzeiten, bei denen die Düsennadel eine ballistische Flugbahn beschreibt, mit hoher Präzision bestimmt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt, zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet ist.
Diese Motorsteuerung ermöglicht es durch Verwendung des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt, eine präzise Bestimmung der tatsächlichen Einspritzungsmenge der einzelnen Kraftstoffinjektoren in einfacher und zuverlässiger Weise zu erreichen und gegebenenfalls zu korrigieren.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt, 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.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.

1 zeigt eine Schnittansicht von einem Kraftstoffinjektor mit Magnetspulenantrieb.
2 zeigt eine Abbildung der Nadelposition als Funktion der Zeit bei ballistischem Betrieb eines Kraftstoffinjektors.
3 zeigt eine Abbildung des Zusammenhangs zwischen Einspritzbeginn (OPP1) und einem Modellparameter.
4 zeigt eine Abbildung der Relation zwischen Nadelposition und Injektordurchfluss.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
Die 1 zeigt eine Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors 100 mit Magnetspulenantrieb (Solenoid-Injektor). Der Injektor 100 weist insbesondere einen Magnetspulenantrieb mit Spule 102 und Anker 104 auf. Wenn die Spule 102 mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, bewegt sich der magnetische Anker 104 in Richtung des breiten Teils der Düsennadel 106 und drückt diese dann nach Überwindung des Leerhubs 114 (gegen die Kraft der Feder 110) gegen die von den Federn 110 und 132 ausgeübten Federkräfte nach oben bis der Anker 104 an den Polschuh 112 anschlägt. Nach Ende des Spannungspulses bewegen sich Anker 104 und Düsennadel 106 wieder nach unten zur Ausgangsposition an der Hydro-Disc 108 zurück.
Der in der 1 gezeigte Solenoid-Injektor 100 weist mehrere Merkmale auf, die als solche bekannt sind und für die vorliegende Erfindung nur von geringfügiger Bedeutung sind und deshalb nicht detailliert beschrieben werden. Diese Merkmale umfassen insbesondere Ventilkörper 116, Integrierte Sitzführung 118, Kugel 120, Dichtung 122, Gehäuse 124, Kunststoff 126, Scheibe 128, Metallfilter 130 und Kalibrierungsfeder 132.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, die Bewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors, zum Beispiel des oben beschriebenen Kraftstoffinjektors 100, während des Einspritzvorgangs unter Verwendung eines Modells zu berechnen, um die tatsächliche Einspritzmenge mit hoher Präzision zu berechnen und bei nachfolgenden Ansteuerungen gegebenenfalls zu korrigieren. Die Modellbasierte Berechnung der Nadelbewegung, das heißt Nadelposition als Funktion der Zeit, wird im Folgenden für Einspritzungen beschrieben, die so kurz sind, dass Anker 104 und Düsennadel 106 nicht auf den Polschuh anschlagen. In diesem Falle beschreibt die Nadelbewegung im Wesentlichen eine ballistische Flugbahn. Dies heißt, dass die Nadelposition als Funktion der Zeit, wie es in der der 2 dargestellt ist, einer parabelförmigen Kurve 212 folgt und folglich mit einem Polynom zweiten Grades modelliert werden kann: $y (t) = v_{y0} \cdot t - \frac{1}{2} \cdot g \cdot t^{2} .$
Hier bezeichnen y(t) die Position der Düsennadel, v_y0 einen ersten Parameter des Modells, g einen zweiten Parameter des Modells und t die Zeit.
Erfindungsgemäß werden der erste und der zweite Parameter basierend auf den Zeitpunkten t_OPP1 und t_OPP4 bestimmt, wobei der erste Zeitpunkt t OPP1 dem Beginn der Nadelbewegung (und somit dem Beginn des eigentlichen Einspritzvorgangs) entspricht und der zweite Zeitpunkt t OPP4 dem Ende der Nadelbewegung (und somit dem Ende des eigentlichen Einspritzvorgangs) entspricht. Diese beiden Zeitpunkte werden vorzugsweise mit geeigneten Verfahren aus dem Stand der Technik bestimmt.
Insbesondere wird der erste Parameter v_y0 basierend auf einer Relation mit dem ersten Zeitpunkt t OPP1 bestimmt. Diese Relation ist vorzugsweise durch Simulation mittels Finite-Elemente-Methoden (FEM) ermittelt und in einem Datensatz, zum Beispiel als eine Tabelle, im Speicher des Motorsteuergerätes hinterlegt. Die 3 zeigt eine einer solchen durch Simulation bestimmen Relation, die als Kurve 312 dargestellt ist.
Der zweite Parameter g kann dann bestimmt werden, indem es genutzt wird, dass die Nadelposition zum Ende des Einspritzvorgangs (das heißt zum Zeitpunkt t_OPP4) gleich null sein muss (Ruheposition der Nadel): $g = \frac{2 \cdot v_{y 0}}{t_O P P 4 - t_O P P 1} .$
Falls die Zeitachse so definiert ist, dass t_OPP1=0, entfällt t OPP1 in der obigen Formel.
Das nun bestimmte Modell für die Nadelbewegung wird dann zusammen mit der Durchflusscharakteristik (das heißt die Relation zwischen Durchfluss und Nadelposition) des Kraftstoffinjektors verwendet, um die tatsächliche Einspritzmenge durch Integration des Durchflusses über die Einspritzdauer (von t_OPP1 bis t_OPP4) zu berechnen. Die 4 zeigt eine einer solchen Relation 412 zwischen Nadelposition und Injektordurchfluss.
Wenn die berechnete Einspritzmenge von der Sollmenge bzw. Referenzmenge abweicht, wird die Ansteuerung für den nachfolgenden Einspritzvorgang angepasst. Übersteigt die berechnete Einspritzmenge die Sollmenge kann die Dauer des Boostphase zum Beispiel entsprechend verkürzt werden.
Die 5 zeigt ein Flussdiagramm, das das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Einspritzmenge eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors 100 für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges zusammenfasst.
Im Schritt 510 wird der Zeitpunkt t_OPP1 (erster Zeitpunkt) bestimmt, zu dem ein Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors beginnt. Dann wird im Schritt 520 der Zeitpunkt t OPP4 (zweiter Zeitpunkt) bestimmt, zu dem der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors endet.
Im Schritt 530 wird ein Modell (zum Beispiel mit den oben erwähnten Parametern v_y0 und g) berechnet, das die Position y(t) der Düsennadel 106 des Kraftstoffinjektors 100 als Funktion der Zeit darstellt.
Basierend auf dem errechneten Modell und einer charakteristischen Relation zwischen der Position der Düsennadel und dem Durchfluss des Kraftstoffinjektors wird dann im Schritt 540 die präzise Einspritzmenge berechnet.
Das oben beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mittels Software in einem Motorsteuergerät durchgeführt. Somit kann die tatsächliche Einspritzmenge eines Kraftstoffinjektors ohne Einsatz von zusätzlicher Hardware präzise ermittelt und gegebenenfalls zur Korrektur der Ansteuerung verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Kraftstoffinjektor
102: Spule
104: Anker
106: Düsennadel
108: Hydro-Disc
110: Feder
112: Polschuh
114: Leerhub
116: Ventilkörper
118: Integrierte Sitzführung
120: Kugel
122: Dichtung
124: Gehäuse
126: Kunststoff
128: Scheibe
130: Metallfilter
132: Kalibrierungsfeder
210: Abbildung
212: Kurve
t_OPP1: Zeitpunkt
t_OPP4: Zeitpunkt
310: Abbildung
312: Kurve
vy0: Modellparameter
410: Abbildung
412: Kurve
510: Verfahrensschritt
520: Verfahrensschritt
530: Verfahrensschritt
540: Verfahrensschritt

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Einspritzmenge eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend Bestimmen (510) eines ersten Zeitpunktes, zu dem ein Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors beginnt, Bestimmen (520) eines zweiten Zeitpunktes, zu dem der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors endet, Berechnen (530) eines Modells basierend auf dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, das die Position einer Düsennadel des Kraftstoffinjektors als Funktion der Zeit darstellt, und Berechnen (540) der Einspritzmenge basierend auf dem Modell und einer Relation zwischen der Position der Düsennadel und dem Durchfluss des Kraftstoffinjektors.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Modell einen ersten Parameter und einen zweiten Parameter aufweist, wobei der erste Parameter einem linearen Teil der Funktion zugeordnet ist und der zweite Parameter einem quadratischen Teil der Funktion zugeordnet ist.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Parameter des Modells basierend auf vorbestimmten Daten, insbesondere Simulationsdaten, und dem ersten Zeitpunkt berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der zweite Parameter basierend auf dem ersten Parameter und zumindest einem von dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Modell die Funktion $y (t) = v_{y0} \cdot t - \frac{1}{2} \cdot g \cdot t^{2}$
aufweist, wobei y(t) die Position der Düsennadel, v_y0 den ersten Parameter, g den zweiten Parameter und t die Zeit bezeichnet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegung der Düsennadel während des Einspritzvorgangs im Wesentlichen eine ballistische Flugbahn darstellt.
Verfahren zum Ansteuern eines einen Magnetspulenantrieb aufweisenden Kraftstoffinjektors, das Verfahren aufweisend Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen der Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und Ansteuern des Kraftstoffinjektors basierend auf der bestimmten Einspritzmenge, wobei insbesondere eine Dauer zwischen dem Anlegen einer Boostspannung zum Öffnen des Kraftstoffinjektors und dem Anlegen einer Spannung zum Schließen des Kraftstoffinjektors vermindert oder vergrößert wird, wenn bestimmt ist, dass die Einspritzmenge größer oder kleiner als eine Referenzeinspritzmenge ist.
Motorsteuerung für ein Fahrzeug, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Computerprogramm, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.