DE102016219888B3

DE102016219888B3 - Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit hydraulischem Anschlag

Info

Publication number: DE102016219888B3
Application number: DE102016219888.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Stutika; Gerd Rösel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: US20200049092A1; US10648420B2; KR20190057142A; WO2018069041A1; CN109952426B; CN109952426A; KR102168252B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (1) mit hydraulischem Anschlag bei einem vorbestimmten Kraftstoffdruck beschrieben, wobei der Kraftstoffinjektor (1) einen Magnetspulenantrieb mit einer Magnetspule (3) und einem beweglichen Anker (4) aufweist. Das Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen (520) des Magnetspulenantriebes mit einem ersten Stromprofil, um einen ersten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das erste Stromprofil einen ersten Haltestromwert aufweist, der die Stromstärke des während einer Haltephase durch die Magnetspule (3) fließenden Stromes vorgibt, (b) Bestimmen (530) eines ersten Flusswertes, der dem magnetischen Fluss in der Haltephase entspricht, (c) Bestimmen (540) eines ersten Kraftwertes basierend auf dem ersten Flusswert, wobei der erste Kraftwert einer in der Haltephase von Kraftstoff auf dem Anker (4) ausgeübten hydraulischen Kraft entspricht, (d) Bestimmen (550) einer Abweichung zwischen dem ersten Kraftwert und einem dem vorbestimmten Kraftstoffdruck entsprechenden optimalen Kraftwert, und C Beaufschlagen (520) des Magnetspulenantriebs des Kraftstoffinjektors (1) mit einem zweiten Stromprofil, um einen zweiten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das zweite Stromprofil einen zweiten Haltestromwert aufweist, der basierend auf dem ersten Haltestromwert und der bestimmten Abweichung derart bestimmt wurde, dass die in der Haltephase vom Kraftstoff auf dem Anker (4) ausgeübte hydraulische Kraft an dem optimalen Kraftwert angeglichen wird. Es werden ferner eine Motorsteuerung und ein Computerprogramm beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Betreibens von Kraftstoffinjektoren mit hydraulischem Anschlag. Spezifischer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit hydraulischem Anschlag bei einem vorbestimmten Kraftstoffdruck, insbesondere bei einem niedrigen Kraftstoffdruck, wobei der Kraftstoffinjektor einen Magnetspulenantrieb mit einer Magnetspule und einem beweglichen Anker aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Motorsteuerung zum Verwenden des Verfahrens sowie ein Computerprogramm zum Durchführen des Verfahrens.
Bei Kraftstoffinjektoren mit sogenanntem hydraulischem Anschlag entsteht beim Öffnen des Kraftstoffinjektors kein direkter Kontakt zwischen Anker und Polstück, da der Kraftstoff zwischen Anker und Polstück fließt und dabei eine der Magnetkraft entgegengesetzte hydraulische Kraft auf den Anker ausübt. Im offenen Zustand des Kraftstoffinjektors gleichen diese beiden Kräfte einander aus, so dass ein Spalt mit im Wesentlichen konstanter Breite zwischen Anker und Polstück vorhanden ist. Falls die hydraulische Kraft aber zu gering ist, zum Beispiel im Falle einer defekten Kraftstoffpumpe (Hochdruckpumpe), kann die notwendige Spaltbreite nicht aufrechterhalten werden und die Einspritzung von Kraftstoff wird nach sehr kurzer Zeit aufgrund des entsprechend hohen Druckabfalls im kleinen (bzw. im schlimmsten Falle geschlossenen) Spalt blockiert.
In der DE 10 2015 104 009 A1 ist ein elektromagnetisches Betätigungssystem beschrieben, das einen Aktor mit einer elektrischen Spule, einen Magnetkern und einen Anker umfasst. Das System umfasst ferner eine steuerbare Treiberschaltung zum selektiven Treiben von Strom durch die elektrische Spule hindurch. Ein Steuerungsmodul liefert einen Aktorbefehl an die Treiberschaltung, der das Treiben eines Stroms durch die elektrische Spule hindurch bewirkt, um den Anker zu betätigen.
Das Steuerungsmodul enthält ein Magnetkraft-Steuerungsmodul, das ausgestaltet ist, um den Aktorbefehl anzupassen, um eine Magnetkraft im Aktor auf ein bevorzugtes Kraftniveau konvergieren zu lassen.
Die DE 198 28 672 A1 zeigt ein elektromagnetisches Kraftstoffeinspritzventil und ein Steuerverfahren hierfür. In dem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff durch Öffnen/Schließen eines Kraftstoffdurchflusswegs, das einen Ventilsitz, ein Ventilelement zum Öffnen/Schließen des zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilelement gebildeten Kraftstoffdurchflusswegs sowie eine Antriebseinheit mit wenigstens einer Spule zum Antreiben des Ventilelements enthält, enthält die Antriebseinheit eine erste Einrichtung zum Erzeugen einer magnetomotorischen Kraft, die die wenigstens eine Spule verwendet, sowie eine zweite Einrichtung zum Erzeugen einer magnetomotorischen Kraft, wobei die erste Einrichtung eine magnetomotorische Kraft mit einer höheren zeitlichen Änderungsrate als die zweite Einrichtung erzeugt und erhöht, wobei das Ventilelement mittels der zweiten Einrichtung unter Verwendung eines Stromflusses, der geringer als der Stromfluss durch die erste Einrichtung ist, geöffnet gehalten wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit hydraulischem Anschlag so zu betreiben, dass die obigen Probleme im Falle eines reduzierten Kraftstoffdrucks vermieden bzw. entgegengesteuert werden können, insbesondere so dass bei einem vorbestimmten Kraftstoffdruck eine optimale Einspritzung (im Sinne von minimalem Druckverlust im Injektor und somit maximaler Einspritzmenge) erzielt werden kann.
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 Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit hydraulischem Anschlag bei einem vorbestimmten Kraftstoffdruck beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist folgendes auf: (a) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebes mit einem ersten Stromprofil, um einen ersten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das erste Stromprofil einen ersten Haltestromwert aufweist, der die Stromstärke des während einer Haltephase durch die Magnetspule fließenden Stromes vorgibt, (b) Bestimmen eines ersten Flusswertes, der dem magnetischen Fluss in der Haltephase entspricht, (c) Bestimmen eines ersten Kraftwertes basierend auf dem ersten Flusswert, wobei der erste Kraftwert einer in der Haltephase von Kraftstoff auf den Anker ausgeübten hydraulischen Kraft entspricht, (d) Bestimmen einer Abweichung zwischen dem ersten Kraftwert und einem dem vorbestimmten Kraftstoffdruck entsprechenden optimalen Kraftwert, und (e) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs des Kraftstoffinjektors mit einem zweiten Stromprofil, um einen zweiten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das zweite Stromprofil einen zweiten Haltestromwert aufweist, der basierend auf dem ersten Haltestromwert und der bestimmten Abweichung derart bestimmt wurde, dass die in der Haltephase vom Kraftstoff auf den Anker ausgeübte hydraulische Kraft an den optimalen Kraftwert angeglichen wird.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die während der Haltephase von dem Kraftstoff auf den Anker ausgeübte hydraulische Kraft durch Schätzung der entgegengerichteten Magnetkraft basierend auf dem magnetischen Fluss bestimmt werden kann. Durch Vergleichen des so bestimmten Wertes der hydraulischen Kraft mit einem für den vorbestimmten Kraftstoffdruck optimalen Wert der hydraulischen Kraft, kann der im Stromprofil verwendete Haltestromwert angepasst werden, um die magnetische Kraft entsprechend anzupassen und damit die hydraulische Kraft an den optimalen Wert anzugleichen. Bei dem optimalen Wert entsteht eine Spaltbreite, die einen minimalen Druckverlust und somit einen maximalen Durchfluss bereitstellt.
In diesem Dokument bezeichnet ein „Kraftstoffinjektor mit hydraulischem Anschlag” insbesondere einen Kraftstoffinjektor, in dem der Kraftstoff durch einen Spalt zwischen Anker und Polstück fließt. Durch diesen Volumenstrom entsteht der „hydraulische Anschlag”, der die Ankerbewegung in Richtung des Polstücks gegen Ende eines Öffnungsvorgangs abbremst.
In diesem Dokument bezeichnet „Stromprofil” insbesondere einen vorbestimmten (zum Beispiel durch Regelung realisierten) zeitlichen Verlauf der Stromstärke des während eines Ansteuervorgangs durch die Magnetspule des Magnetspulenantriebes laufenden Stromes.
In diesem Dokument bezeichnet „Haltephase” insbesondere eine Phase, in welcher der Kraftstoffinjektor offen gehalten wird. Die Haltephase folgt üblicherweise nach einer Öffnungsphase und endet mit Übergang in eine Schließphase.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit einem ersten Einspritzvorgang bei dem vorbestimmten Kraftstoffdruck, in dem der Magnetspulenantrieb mit einem ersten Stromprofil beaufschlagt wird. Das erste Stromprofil weist einen ersten Haltestromwert auf, der die Stromstärke des während der Haltephase durch die Magnetspule fließenden Stromes vorgibt.
Dann wird der magnetische Fluss (erster Flusswert) zu einem Zeitpunkt in der Haltephase (durch Integration über ein dem Zeitpunkt vorausgehendes Zeitintervall) bestimmt und basierend auf diesem ersten Flusswert wird die in der Haltephase vom Kraftstoff auf den Anker ausgeübte hydraulische Kraft (erster Kraftwert) bestimmt. Dabei wird es genutzt, dass die hydraulische Kraft in der Haltephase genau so groß ist wie die entgegengerichtete Magnetkraft. Letztere ist im Wesentlichen proportional zum Quadrat des magnetischen Flusses und kann somit durch einfache Multiplikation mit einem Faktor aus dem Quadrat des bestimmten ersten Flusswertes bestimmt werden. Der zu verwendende Faktor hängt von mehreren Bedingungen ab und kann zum Beispiel aus einem im Steuergerät hinterlegten Kennfeld oder mittels eines Modells bestimmt werden.
Als nächstes wird dann die Abweichung (zum Beispiel die Differenz) zwischen dem bestimmten ersten Kraftwert und einem für den vorbestimmten Kraftstoffdruck optimalen Kraftwert bestimmt. Der optimale Kraftwert ist spezifischer der Wert der hydraulischen Kraft, bei der ein maximaler Volumenstrom von Kraftstoff fließt.
Basierend auf dem ersten Haltestromwert und der bestimmten Abweichung wird nun ein zweiter Haltestromwert für ein zweites Stromprofil bestimmt, so dass die hydraulische Kraft beim Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs mit diesem zweiten Stromprofil (in einem nachfolgenden zweiten Einspritzvorgang) an dem optimalen Kraftwert angeglichen wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der optimale Kraftwert, der dem vorbestimmten Kraftstoffdruck entspricht, basierend auf einem (zum Beispiel in einem Motorsteuergerät) gespeicherten Zusammenhang zwischen Kraftstoffdruck, hydraulischer Kraft und Injektordurchfluss (Volumenstrom) bestimmt.
Der gespeicherte Zusammenhang kann insbesondere als Kennfeld hinterlegt sein, wobei jede Kennlinie einen jeweiligen Zusammenhang zwischen Volumenstrom und hydraulischer Kraft für einen einzelnen aus einer Mehrzahl von Werten des Kraftstoffdrucks darstellt. Der optimale Kraftwert für einen gegebenen Wert des Kraftstoffdrucks ist dann die Kraft, bei der der Volumenstrom maximal ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bestimmen des ersten Flusswertes (insbesondere durch Berechnung) basierend auf einem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung an der Magnetspule, einem zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch die Magnetspule fließenden Stromes und dem elektrischen Widerstand der Magnetspule.
Die zeitlichen Verläufe von Spannung und Stromstärke werden in Verbindung mit dem Einspritzvorgang zum Beispiel als eine Reihe von einzelnen Werten abgetastet und abgespeichert.
Der elektrische Widerstand der Magnetspule kann basierend auf einem Referenzwert und einer gemessenen Temperatur der Magnetspule oder durch verschiedene Techniken im Betrieb gemessen oder ermittelt werden.
Der magnetische Fluss Ψ kann insbesondere mit der folgenden Formel berechnet werden: Ψ(t) = ∫ t / 0(U(t) – R·I(t))dt, wobei U(t) den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Magnetspule, I(t) den zeitlichen Verlauf der Spulenstrom und R den elektrischen Spulenwiderstand bezeichnen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zweite Haltestromwert größer als der erste Haltestromwert, wenn der erste Kraftwert kleiner als der optimale Kraftwert ist, und der zweite Haltestromwert ist kleiner als der erste Haltestromwert, wenn der erste Kraftwert größer als der optimale Kraftwert ist.
Mit anderen Worten wird eine zu kleine hydraulische Kraft durch Erhöhung des Haltestromes (und somit der Magnetkraft) kompensiert bzw. ihr entgegengewirkt und eine zu große hydraulische Kraft wird durch Reduktion des Haltestromes (und somit der Magnetkraft) kompensiert bzw. ihr entgegengewirkt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das erste Stromprofil einen ersten Peakstromwert auf und das zweite Stromprofil weist einen zweiten Peakstromwert auf, wobei der zweite Peakstromwert basierend auf dem ersten Peakstromwert und der bestimmten Abweichung so bestimmt wurde, dass das Angleichen der vom Kraftstoff auf den Anker ausgeübten hydraulischen Kraft an den optimalen Kraftwert unterstützt wird.
Mit anderen Worten wird der (zweite) Peakstromwert (das heißt die Stromstärke bei der ein Spannungspuls (zum Beispiel ein Boostspannungspuls) zum Öffnen des Kraftstoffinjektors beendet wird) des zweiten Stromprofils auch in Abhängigkeit der bestimmten Abweichung angepasst. Wenn der bestimmte erste Kraftwert zum Beispiel erheblich größer als der optimale Kraftwert ist, kann eine Reduktion des zweiten Peakstromwertes (relativ zu dem ersten Peakstromwertes) vorteilhaft sein, da somit die während des Öffnungsvorgangs ausgeübte Magnetkraft entsprechend reduziert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zusätzlich auch die Spannung des ersten Spannungspulses (Boostspannungspulses) angepasst werden, um eine verbesserte Einstellung der Magnetkraft (und somit auch der hydraulischen Kraft) zu erreichen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner folgendes auf: (a) Bestimmen eines zweiten Flusswertes, der dem magnetischen Fluss in der Haltephase entspricht, (b) Bestimmen eines zweiten Kraftwertes basierend auf dem zweiten Flusswert, wobei der zweite Kraftwert einer in der Haltephase von Kraftstoff auf den Anker ausgeübten hydraulischen Kraft entspricht, (c) Bestimmen einer Abweichung zwischen dem zweiten Kraftwert und dem optimalen Kraftwert, und (d) Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs des Kraftstoffinjektors mit einem dritten Stromprofil, um einen dritten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das dritte Stromprofil einen dritten Haltestromwert aufweist, der basierend auf dem zweiten Haltestromwert und der bestimmten Abweichung derart bestimmt wurde, dass die in der Haltephase vom Kraftstoff auf den Anker ausgeübte hydraulische Kraft an den optimalen Kraftwert angeglichen wird.
Mit anderen Worten wird es in diesem Ausführungsbeispiel überprüft, ob das zweite Stromprofil zu einer optimalen hydraulischen Kraft und somit zu einer optimalen Einspritzung (bei einer optimalen Spaltbreite mit minimalem Druckverlust und maximalem Durchfluss) führt. Falls eine Abweichung immer noch festgestellt wird, wird der Haltestrom für das dritte Stromprofil weiter angepasst. Die zusätzlichen Verfahrensschritte gemäß diesem Ausführungsbeispiel können insbesondere so oft wiederholt werden, bis keine (bedeutende) Abweichung zwischen dem bestimmten Kraftwert und dem optimalen Kraftwert festgestellt wird. Bei einer Änderung des Kraftstoffdrucks soll das Verfahren dann wieder durchgeführt werden, um eine optimale Funktion des Kraftstoffinjektors sicherzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug beschrieben, die zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele eingerichtet ist.
Diese Motorsteuerung ermöglicht in einfacher Weise, insbesondere durch Änderung eines Haltestromwertes eines Stromprofils, dass ein Kraftstoffinjektor mit hydraulischem Anschlag bei jedem (vorbestimmten) Wert des Kraftstoffdrucks optimal arbeiten und somit einspritzen kann.
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 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 nichtflüchtiger 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 klarwerden, 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 einen Kraftstoffinjektor mit hydraulischem Anschlag in einem geschlossenen Zustand.
2 zeigt den in 1 gezeigten Kraftstoffinjektor in einem geöffneten Zustand.
3 zeigt zeitliche Verläufe von Spannung und Stromstärke bei herkömmlichem Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit hydraulischem Anschlag.
4 zeigt jeweilige zeitliche Verläufe von der Einspritzrate eines Kraftstoffinjektors mit hydraulischem Anschlag bei herkömmlichem Betrieb in einem normalen Betriebszustand und in einem Betriebszustand mit einem Missverhältnis zwischen Magnetkraft und hydraulischer Kraft, zum Beispiel aufgrund eines reduzierten Kraftstoffdrucks und einer zu hohen Magnetkraft.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 zeigt eine Darstellung von einem Kennfeld, das in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
Die 1 zeigt einen Kraftstoffinjektor 1 mit hydraulischem Anschlag in einem geschlossenen Zustand. Der Kraftstoffinjektor 1 weist ein Gehäuse 2, eine Spule 3, einen beweglichen Anker 4, eine mit dem Anker mechanisch gekoppelte bzw. (zum Beispiel über einen Mitnehmer) koppelbare Düsennadel 5, ein Polstück 6 und eine Kalibrationsfeder 7 auf. In dem in der 1 abgebildeten Zustand ruht die Ventilnadel im Ventilsitz 8 und blockiert somit die Spritzlöcher 9. In diesem Zustand weist der Spalt 10 zwischen Anker 4 und Polstück folglich eine maximale Breite auf.
Beim Anlegen einer Spannung an die Spule 3 wird durch elektromagnetische Kräfte der Anker 4 in Richtung Polstück 6 bewegt. Durch mechanische Kopplung bewegt sich ebenfalls die Düsennadel 5 und gibt die Einspritzlöcher 9 zur Kraftstoffzufuhr frei. Bei Kraftstoffinjektoren mit Leerhub findet die mechanische Kopplung zwischen Anker 4 und Düsennadel 5 erst statt, wenn der Anker 4 den Leerhub überwunden hat. Bei Kraftstoffinjektoren ohne Leerhub beginnt die Nadelbewegung gleichzeitig mit der Ankerbewegung. Dieser Zustand ist in der 2 gezeigt. Wie es der 2 entnommen werden kann, ist der Spalt 10 zwischen Anker 4 und Polstück 6 nun deutlich kleiner als in der 1 und die Düsennadel 5 ist dementsprechend mit einem Abstand zum Ventilsitz 8 positioniert. Innerhalb des Kraftstoffinjektors 1 gibt es nun einen Pfad für den Kraftstofffluss 11. Der Volumenstrom 11 muss durch den Spalt 10 zwischen Anker und Polstück 6 und seitlich am Anker 4 vorbei zu den Spritzlöchern 9.
Dadurch kommt es zu einem Druckabfall über den Anker 4, welcher eine (hydraulische) Kraft erzeugt, die der Magnetkraft entgegenwirkt. Je kleiner der Spalt 10 wird, desto höher der Druckabfall und somit desto höher die Kraft in Schließrichtung. Der Anker 4 bewegt sich also solange in Richtung Polstück 6 bis die Kraft durch den Druckabfall sich im Gleichgewicht mit der Magnetkraft befindet. Ist das der Fall, ist sozusagen der obere Anschlag erreicht. Zwischen Anker 4 und Polstück 6 besteht aber kein Kontakt, sondern durch den Volumenstrom 11 entsteht der hydraulische Anschlag.
Die Abbildung 30 in 3 zeigt zeitliche Verläufe von Spannung (U) 31, 32 und Stromstärke (I) 35 bei herkömmlichem Betreiben des Kraftstoffinjektors 1. Die Ansteuerung beginnt mit einer Boostphase, in welcher der Magnetspulenantrieb 3 mit einer Spannungspuls 31 mit Spannung U1 (Boostspannung) beaufschlagt wird, um den Anker 4 und die Düsennadel von dem Zustand in der 1 zu dem Zustand in der 2 zu bewegen. Der Spannungspuls 31 endet, wenn die Stromstärke 35 einen vorbestimmten Maximalwert (Peakstrom) IP erreicht. Danach wird eine etwas niedrigere Spulenstrom IH (auch als Haltestrom bezeichnet) durch Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs 3 mit einer Reihe von kleineren Spannungspulsen 32 für die Dauer der Einspritzung aufrechterhalten, damit der Kraftstoffinjektor 1 offen bleibt, das heißt in dem in der 2 gezeigten Zustand verbleibt. Der Haltestrom IH bezeichnet hier den mittleren Stromwert, der sich durch das Ein- und Abschalten entsprechend den Spannungspulsen 32 ergibt. Dieser Durchschnittsstrom IH führt zu einer entsprechenden mittleren Magnetkraft. Durch die Trägheit reagiert die Mechanik nicht auf das Ein- und Abschalten, so dass die Spannungspulse 32 keine Ankerbewegung verursachen.
Bei ungünstigem Verhältnis zwischen Magnetkraft und hydraulischer Kraft durch Druckabfall kann es passieren, dass durch einen zu hoch gewählten Strom (und somit zu hoher Magnetkraft) der Spalt 10 zwischen Anker 4 und Polstück 6 geschlossen wird bzw. der Druckabfall so hoch wird, dass kein Volumenstrom mehr für die Einspritzung zur Verfügung steht. Dieser Fall kann in einem Fahrzeug z. B. bei Ausfall der Hochdruckpumpe auftreten (sog. Low Pressure Limp Home). Somit steht nur noch der Vorförderdruck (bis ca. 10 bar) zur Verfügung. Der Injektor 1 ist typischerweise für Betrieb bei wesentlich höheren Drücken ausgelegt und somit ist die Auslegung des Magnetkreises zu stark für den Betrieb bei 5 bis 10 bar.
Die Abbildung 40 in der 4 zeigt die jeweiligen zeitlichen Verläufe 41 und 42 der Einspritzrate ROI bei herkömmlichem Betrieb (das heißt mit der in der 3 gezeigten Ansteuerung) des Kraftstoffinjektors 1 in einem normalen Betriebszustand (mit normalem Kraftstoffdruck) und in einem Betriebszustand mit reduziertem Kraftstoffdruck. Der zeitliche Verlauf 41 entspricht dem Normalzustand, in dem die Einspritzrate ROI ungefähr ab Ende der Boostphase bis zum Erreichen der Maximalrate Q ansteigt und dann erst am Ende der Ansteuerung wieder abfällt. Der zeitliche Verlauf 42 entspricht dagegen dem Zustand mit reduziertem Kraftstoffdruck. Hier steigt die Einspritzrate auch kurz an, fällt aber vor Erreichen der Maximalrate Q wieder ab und bleibt bis kurz vor dem Ende der Ansteuerung auf null, da der Spalt 10 aufgrund der hohen Magnetkraft relativ zu der hydraulischen Kraft geschlossen bzw. so klein wird, dass der Druckabfall im Spalt zu hoch wird. Erst wenn die Magnetkraft nach Abstellen des Haltestromes IH (vgl. 3) wieder gesunken ist, wird der Spalt 10 wieder kurzfristig geöffnet bzw. ausreichend groß, um einen Volumenstrom durchzulassen. Am Ende des Schließvorgangs sind die Einspritzlöcher 9 von der Düsennadel 5 geschlossen und die Breite des Spaltes 10 ist maximal. Es wird in diesem Falle folglich insgesamt erheblich weniger Kraftstoff eingespritzt und eine Weiterfahrt ist kaum möglich, weil die benötigte Kraftstoffmenge nicht geliefert werden kann.
Die 5 zeigt ein Flussdiagramm 500 eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lösung des obigen Problems durch Anpassung eines Stromprofils, insbesondere eines Haltestromwertes, damit eine optimale Funktion des Kraftstoffinjektors 1 erreicht werden kann.
Das Verfahren beginnt bei 510 mit dem Festlegen eines Stromprofils mit Haltestromwert zur Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 1 bei einem vorbestimmten bzw. gegebenen Kraftstoffdruck. Der Haltestromwert entspricht der Stromstärke des Stromes, der während einer Haltephase durch die Magnetspule 3 fließen soll.
Bei 520 wird der Magnetspulenantrieb des Kraftstoffinjektors 1 mit diesem (ersten) Stromprofil beaufschlagt, um einen (ersten) Einspritzvorgang durchzuführen und dadurch eine vorbestimmte Einspritzmenge einzuspritzen.
Bei 530 wird nun ein erster Wert des magnetischen Flusses in der Haltephase (das heißt zu einem Zeitpunkt nach einer gewissen Zeit in der Haltephase) bei der Ansteuerung mit dem (ersten) Stromprofil bestimmt. Dies erfolgt durch Berechnung mit der folgenden Formel: Ψ(t) = ∫ t / 0(U(t) – R·I(t))dt, wobei U(t) den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Magnetspule, I(t) den zeitlichen Verlauf der Spulenstrom und R den elektrischen Widerstand der Magnetspule 3 bezeichnen.
Bei 540 wird dann ein erster Wert der in der Haltephase vom Kraftstoff auf den Anker 4 ausgeübten hydraulischen Kraft F_H bestimmt. Spezifischer wird die entgegengerichtete auf den Anker 4 ausgeübte Magnetkraft F_M anhand des berechneten Flusswertes geschätzt, indem es angenommen wird, dass die Magnetkraft F_M proportional zum Quadrat des magnetischen Flusses Ψ² ist, das heißt –F_H = F_M ≅ k·Ψ².
Der zu verwendende Faktor k hängt von mehreren Bedingungen ab und kann zum Beispiel aus einem im Steuergerät hinterlegten (und auf Labormessungen basierenden) Kennfeld oder mittels eines Modells bestimmt werden.
Bei 550 wird eine Abweichung (zum Beispiel eine Differenz) zwischen dem bestimmten Wert der hydraulischen Kraft F_H und einem für den vorbestimmten Kraftstoffdruck optimalen Wert der hydraulischen Kraft bestimmt. Dieser optimale Wert wird weiter unten in Verbindung mit der 6 erläutert.
Bei 560 wird nun ein neues (zweites) Stromprofil bestimmt, indem insbesondere ein neuer (zweiter) Haltestromwert basierend auf der bei 550 bestimmten Abweichung und dem früheren (ersten) Haltestromwert bestimmt wird. Dabei ist das Ziel des neuen (zweiten) Stromprofils eine Angleichung der hydraulischen Kraft an dem oben erwähnten optimalen Wert, bei dem die Funktion des Kraftstoffinjektors optimal ist. Spezifischer wird der Haltestromwert erhöht (zum Beispiel mit einem festen Betrag oder in Abhängigkeit der Abweichung), wenn die hydraulische Kraft F_H (und damit auch die Magnetkraft F_M) geringer als der optimale Wert ist, und reduziert, wenn die hydraulische Kraft F_H (und damit auch die Magnetkraft F_M) größer als der optimale Wert ist. Ist die hydraulische Kraft F_H (und damit auch die Magnetkraft F_M) im Wesentlichen gleich dem optimalen Wert, wird der Haltestromwert nicht geändert.
Das Verfahren kehrt nun zu 520 zurück, indem der Magnetspulenantrieb mit dem neuen Stromprofil beaufschlagt wird. Die oben beschriebenen Schritte 530, 540, 550 und 560 werden als eine Schleife wiederholt, um ständig eine optimale Einspritzung durch den Kraftstoffinjektor sicherzustellen. Diese Schleife kann aber eventuell eingestellt werden, wenn die bestimmte Abweichung unter einem Schwellenwert liegt.
Die 6 zeigt eine Darstellung eines Kennfeldes 600, das in Verbindung mit dem oben in Verbindung mit 5 beschriebenen Verfahren 500 sowie mit weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Kennfeld 600 stellt einen Zusammenhang zwischen Kraftstoffdruck, Volumenstrom VS und hydraulischer Kraft F_H dar und weist spezifischer eine Reihe von Kennlinien 601, 602, 603, 604, 605, 606, 607 auf. Jede einzelne Kennlinie 601, 602, 603, 604, 605, 606, 607 definiert zusammengehörende Werte von Volumenstrom VS und hydraulischer Kraft F_H bei einem für die einzelne Kennlinie 601, 602, 603, 604, 605, 606, 607 bestimmten Kraftstoffdruck. In dem gezeigten beispielhaften Kennfeld 600 entsprechen die Kennlinien 601, 602, 603, 604, 605, 606, 607 einem Kraftstoffdruck von jeweils 5 bar, 10 bar, 15 bar, 20 bar, 50 bar, 150 bar und 250 bar.
Es kann dem Kennfeld 600 entnommen werden, dass besonders bei niedrigen Kraftstoffdrücken der Volumenstrom VS bei relativ geringen Kräften wieder abnimmt und sogar auf 0 geht. Typische Magnetkräfte von Kraftstoffinjektoren mit Magnetspulenantrieb liegen zwischen 60 N und 80 N. Insbesondere bei niedrigem Kraftstoffdruck (vgl. insbesondere die Kennlinien 601, 602, 603) kann die Magnetkraft folglich leicht zu groß werden und dabei den Volumenstrom abschneiden. Der optimale Wert der hydraulischen Kraft ist selbstverständlich derjenige Wert bei dem der Volumenstrom maximal ist.
Im oben in Verbindung mit der 5 beschriebenen Schritt 550 des Verfahrens 500 wird also zum Beispiel die dem vorliegenden (vorbestimmten) Kraftstoffdruck entsprechende Kennlinie 601, 602, 603, 604, 605, 606 oder 607 ausgewählt und es wird bestimmt, ob der berechnete Wert der hydraulischen Kraft F_H kleiner, gleich oder größer dem optimalen Wert ist. Bei 560 wird dann ein gegebenenfalls neuer Haltestromwert bestimmt, um die Abweichung zu reduzieren bzw. auf null zu bringen und dadurch die hydraulische Kraft an dem optimalen Wert anzugleichen.
Das beschriebene Verfahren lässt sich vorteilhafterweise direkt in einer Motorsteuerung realisieren, zum Beispiel als Softwaremodul. Wie oben beschrieben, ermöglicht eine solche Motorsteuerung einen stabilen Motorbetrieb bei jedem Kraftstoffdruck (zum Beispiel auch bei erkanntem „low pressure limp home”). Ferner können Verbrennungsaussetzern bei sehr niedrigem Kraftstoffdruck vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffinjektor
2: Gehäuse
3: Spule
4: Anker
5: Düsennadel
6: Polstück
7: Kalibrationsfeder
8: Ventilsitz
9: Spritzloch
10: Spalt
11: Kraftstofffluss
30: Abbildung
31: Spannungspuls
32: Spannungspuls
35: Stromstärke
IP: Peakstrom
U1: Boostspannung
IH: Haltestrom
t: Zeit
40: Abbildung
41: Einspritzrateverlauf
42: Einspritzrateverlauf
Q: Einspritzrate
500: Flussdiagramm
510: Verfahrensschritt
520: Verfahrensschritt
530: Verfahrensschritt
540: Verfahrensschritt
550: Verfahrensschritt
560: Verfahrensschritt
600: Kennfeld
601: Kennlinie
602: Kennlinie
603: Kennlinie
604: Kennlinie
605: Kennlinie
606: Kennlinie
607: Kennlinie
VS: Volumenstrom
F_H: Hydraulische Kraft

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors (1) mit hydraulischem Anschlag bei einem vorbestimmten Kraftstoffdruck, wobei der Kraftstoffinjektor (1) einen Magnetspulenantrieb mit einer Magnetspule (3) und einem beweglichen Anker (4) aufweist, das Verfahren aufweisend Beaufschlagen (520) des Magnetspulenantriebes mit einem ersten Stromprofil, um einen ersten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das erste Stromprofil einen ersten Haltestromwert aufweist, der die Stromstärke des während einer Haltephase durch die Magnetspule (3) fließenden Stromes vorgibt, Bestimmen (530) eines ersten Flusswertes, der dem magnetischen Fluss in der Haltephase entspricht, Bestimmen (540) eines ersten Kraftwertes basierend auf dem ersten Flusswert, wobei der erste Kraftwert einer in der Haltephase von Kraftstoff auf den Anker (4) ausgeübten hydraulischen Kraft entspricht, Bestimmen (550) einer Abweichung zwischen dem ersten Kraftwert und einem dem vorbestimmten Kraftstoffdruck entsprechenden optimalen Kraftwert, und Beaufschlagen (520) des Magnetspulenantriebs des Kraftstoffinjektors (1) mit einem zweiten Stromprofil, um einen zweiten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das zweite Stromprofil einen zweiten Haltestromwert aufweist, der basierend auf dem ersten Haltestromwert und der bestimmten Abweichung derart bestimmt wurde, dass die in der Haltephase vom Kraftstoff auf den Anker (4) ausgeübte hydraulische Kraft an den optimalen Kraftwert angeglichen wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der dem vorbestimmten Kraftstoffdruck entsprechende optimale Kraftwert basierend auf einem gespeicherten Zusammenhang zwischen Kraftstoffdruck, hydraulischer Kraft und Injektordurchfluss bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des ersten Flusswertes basierend auf einem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung an der Magnetspule, einem zeitlichen Verlauf der Stromstärke des durch die Magnetspule fließenden Stromes und dem elektrischen Widerstand der Magnetspule erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Haltestromwert größer als der erste Haltestromwert ist, wenn der erste Kraftwert kleiner als der optimale Kraftwert ist, und wobei der zweite Haltestromwert kleiner als der erste Haltestromwert ist, wenn der erste Kraftwert größer als der optimale Kraftwert ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stromprofil einen ersten Peakstromwert aufweist und das zweite Stromprofil einen zweiten Peakstromwert aufweist, wobei der zweite Peakstromwert basierend auf dem ersten Peakstromwert und der bestimmten Abweichung so bestimmt wurde, dass das Angleichen der vom Kraftstoff auf den Anker (4) ausgeübten hydraulischen Kraft an den optimalen Kraftwert unterstützt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend Bestimmen eines zweiten Flusswertes, der dem magnetischen Fluss in der Haltephase entspricht, Bestimmen eines zweiten Kraftwertes basierend auf dem zweiten Flusswert, wobei der zweite Kraftwert einer in der Haltephase von Kraftstoff auf den Anker (4) ausgeübten hydraulischen Kraft entspricht, Bestimmen einer Abweichung zwischen dem zweiten Kraftwert und dem optimalen Kraftwert, und Beaufschlagen des Magnetspulenantriebs des Kraftstoffinjektors (1) mit einem dritten Stromprofil, um einen dritten Einspritzvorgang durchzuführen, wobei das dritte Stromprofil einen dritten Haltestromwert aufweist, der basierend auf dem zweiten Haltestromwert und der bestimmten Abweichung derart bestimmt wurde, dass die in der Haltephase vom Kraftstoff auf dem Anker (4) ausgeübte hydraulische Kraft an dem optimalen Kraftwert angeglichen wird.
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 6 durchzuführen.