Titel

Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils, insbesondere Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzanlage

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten

Patentansprüchen.

Bei Systemen zur Kraftstoffdirekteinspritzung in Kraftfahrzeugen wird die elektrische Ansteuerdauer von Magnetventilen (Injektoren) benutzt, um ein Maß für eine eingespritzte Kraftstoff menge zu erhalten. Dabei ist es wichtig, die

Öffnungszeit, das heißt, eine Zeitspanne zwischen einem Abheben einer Ventilnadel aus ihrem Sitz und einem Zurückfallen der Ventilnadel beim

Schließen des Magnetventils, möglichst genau zu bestimmen, um die

Zumessgenauigkeit der Kraftstoff menge zu erhöhen. Die DE 10 2004 016 554 B4 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventils in einem

Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine. Dabei werden eine Anzugsspannung (U_an) und eine Haltespannung (U_halt) in Abhängigkeit von Betriebsgrößen einer Hochdruckpumpe bestimmt. Offenbarung der Erfindung

Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, ein

Computerprogramm und ein elektrisches Speichermedium nach den

nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in

Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.

Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass der Abhebezeitpunkt des Ankers des Magnetventils und die auf den Ansteuerbeginn bezogene Abhebeverzögerung einfach bestimmt bzw. abgeschätzt werden können. Das Verfahren kann im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine angewendet werden, ohne in den ordnungsgemäßen Betrieb des Magnetventils einzugreifen. Auf diese Weise wird der Betrieb des Magnetventils verbessert, indem seine Zumessgenauigkeit erhöht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Magnetventil, welches ein

Ventilelement aufweist mit einer Ventilnadel und einem mittels eines

Elektromagneten bewegbaren Anker. Das Magnetventil ist beispielsweise im stromlosen Zustand geschlossen. Nach dem Ansteuerbeginn des

Elektromagneten beginnt - nach der Abhebeverzögerung - die

Öffnungsbewegung des Ventilelements, welche durch den Hubanschlag begrenzt ist. Der Hubanschlag wird dazu benutzt, um das Bewegungsende des

Ventilelements zu ermitteln. Aus dem Ansteuerbeginn, dem Bewegungsende und der vorab bestimmten Bewegungszeit ("Flugzeit") des Ventilelements kann erfindungsgemäß die Abhebeverzögerung ermittelt werden. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zu Grunde, dass die Dauer der Öffnungsbewegung im Vollhub des Ventilelements nur geringen Streuungen unterliegt, und zwar nicht nur zwischen einzelnen Betätigungen, sondern auch von einem Magnetventil zum anderen.

Allgemein bezeichnet man als Abhebeverzögerung eine Zeitspanne zwischen dem Beginn der Bestromung einer Ankerwicklung (Ansteuerbeginn) und dem

Abheben der Ventilnadel aus ihrem Sitz. Die Abhebeverzögerung ist unter anderem eine Funktion einer Ansteuerdauer des Magnetventils. Bei steigenden Ansteuerdauern verringert sich die Abhebeverzögerung zunächst, ab einer gewissen Ansteuerdauer (noch vor Beginn des Vollhubs des Ventilelements) ist sie weitgehend konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem für diesen Bereich, in dem die Abhebeverzögerung weitgehend konstant ist und nicht von der Ansteuerdauer abhängt, anwendbar. Es ist jedoch möglich, die so ermittelte Abhebeverzögerung auch auf einen Bereich kürzerer Ansteuerdauern zu übertragen. Dies geschieht beispielsweise durch die Erfassung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen der Abhebeverzögerung und der Ansteuerdauer.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht erforderlich, die

Ansteuerbedingungen des Magnetventils für einen Messbetrieb zu verändern und beispielsweise mit einer reduzierten ersten Ansteuerspannung (so genannte Boost-Spannung) zu arbeiten. Daher wird der Betrieb der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigt. Insbesondere kommt es auch nicht zu ungewollten

Einspritzungen von Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine. Ebenfalls ist die Erfindung nicht auf eine Anwendung zur Kraftstoffdirekteinspritzung beschränkt, sondern auch bei anderen Arten schaltbarer Magnetventile einsetzbar. Außerdem kann die Erfindung bei Magnetventilen mit und ohne einen so genannten Ankerfreiweg verwendet werden.

Alles in allem schlägt die Erfindung eine indirekte Bestimmung des

Abhebezeitpunkts des Ventilelements aus einem dem Abheben zeitlich nachfolgenden Ereignis vor. Damit kann eine Regelung jener Zeit, die das

Magnetventil tatsächlich geöffnet ist, also der Zeit zwischen dem Abheben des Ventilelements vom Ventilsitz bis zum Zurückfallen des Ventilelements in den Ventilsitz, genauer sein, wodurch die Mengenzumessgenauigkeit des

Magnetventils verbessert wird. Durch Gleichstellen der Öffnungsdauern können außerdem Exemplarstreuungen im mechanischen also auch im elektrischen

Kreis sowie in der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung kompensiert werden.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass als Bewegungsende ein Anschlagen des Ankers am Hubanschlag verwendet wird. Damit wird ein eindeutiges Kriterium benutzt, das zudem messtechnisch über den Spannungs- und/oder Stromverlauf besonders gut zu erfassen ist.

Ergänzend wird vorgeschlagen, dass als Bewegungsende ein Rückprallen der Ventilnadel auf den Anker verwendet wird. Dadurch wird eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit geschaffen, das Bewegungsende des Ankers zu definieren und zu erfassen. Dem liegt folgende Überlegung zu Grunde: Bei Magnetventilen, die mit einem Ankerfreiweg ausgestattet sind, kann die

Ventilnadel am Ende einer Ankerbewegung wegen ihrer mechanischen Trägheit ein geringes Stück über den Hubanschlag des Ankers hinaus schwingen. Durch die Rückstellkraft einer Feder wird sie anschließend zurück auf den Anker gedrückt, wo sie für den Rest der Öffnungszeit des Magnetventils verbleibt. Beim Rückprallen der Ventilnadel auf den Anker wird dieser kurz vom Anschlag abgehoben, was wiederum durch Auswerten des Strom- und/oder

Spannungssignals erfasst werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach anzuwenden, wenn als Bewegungszeit des Ventilelements eine konstante Größe verwendet wird. Damit wird eine Ermittlung des Abhebezeitpunktes beziehungsweise der

Abhebeverzögerung weniger rechenintensiv.

Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass als Bewegungszeit des Ventilelements eine von mindestens einer aktuellen Betriebsgröße der Kraftstoffeinspritzanlage abhängige Größe verwendet wird. Damit wird das Verfahren vielseitiger einsetzbar. Beispielsweise kann die aktuelle Betriebsgröße der Kraftstoffeinspritzanlage eine Ansteuerdauer des Magnetventils, eine

Temperatur, ein Kraftstoffdruck, etc. sein. Durch die Berücksichtigung der davon abhängigen Größe ist es möglich, das Verfahren beispielsweise auch bei verminderten Ansteuerdauern zu verwenden. Die Bestimmung der Größe kann etwa über einen funktionalen Zusammenhang erfolgen.

Das Verfahren wird verbessert, wenn die Bewegungszeit des Ventilelements bei einem bestimmten Betriebszustand des Kraftstoffsystems ermittelt wird, insbesondere unter Verwendung einer Schließverzugszeit bei einem Vollhub des Ventilelements. Ein Zusammenhang zwischen der Öffnungsbewegung und der Schließbewegung des Magnetventils ist durch die jeweils gleichen Wegstrecken der Ankerbewegung, die gleichen beteiligten Massen und die feststehenden Eigenschaften einer den Anker rückstellenden Feder gegeben. Daher kann die die Öffnung des Magnetventils charakterisierende Bewegungszeit durch eine Berücksichtigung der Schließverzugszeit genau und einfach ermittelt werden. Dabei wird die Schließverzugszeit in einer zur Abhebeverzögerung

vergleichbaren Weise definiert. Eine wichtige Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass im Schritt c) zunächst durch Subtrahieren der Bewegungszeit vom Bewegungsende ein Abhebezeitpunkt und dann durch Differenzbildung zwischen Abhebezeitpunkt und Ansteuerbeginn die Abhebeverzögerung ermittelt wird. Damit lässt sich das

Verfahren auch wie folgt beschreiben: Zunächst wird ein Ansteuerbeginn des Magnetventils und ein Bewegungsende des Ankers, beziehungsweise der Ventilnadel erfasst. Danach wird von dem Zeitpunkt des Bewegungsendes die Bewegungszeit des Ankers subtrahiert. Daraus ergibt sich der Abhebezeitpunkt des Ankers. Anschließend kann durch eine einfache Differenzbildung zwischen dem so ermittelten Abhebezeitpunkt und dem Ansteuerbeginn des Magnetventils die Abhebeverzögerung des Magnetventils bestimmt werden. Diese

Vorgehensweise benötigt wenig Rechenkapazität. Denkbar ist es ferner, eine ähnliche Prozedur auch auf den Schließvorgang des

Magnetventils anzuwenden. Dazu wird beispielsweise der Zeitpunkt erfasst, zu dem das Ventilelement in seinen Sitz zurück prallt. Von diesem Zeitpunkt wird eine bekannte oder geschätzte Ankerabfallzeit subtrahiert. Als Ergebnis erhält man einen Zeitpunkt, der den Beginn eines Schließvorgangs des Magnetventils charakterisiert.

Die Erfassung der die Bewegung des Ankers und/oder der Ventilnadel bestimmenden Größen wird besonders einfach, wenn eine Information über eine Bewegung des Ankers, insbesondere über das Bewegungsende

(Aufprallinformation) des Ankers an dem Hubanschlag oder über das Rückprallen der Ventilnadel auf den Anker durch eine Auswertung der Ströme und/oder Spannungen einer Ankerwicklung gewonnen wird. Ein wichtiger Vorteil hierbei ist, dass zusätzliche Sensoren nicht erforderlich sind. Beispielsweise kann an die Ankerwicklung des Magnetventils eine Spannung gelegt und der in die

Ankerwicklung fließende Strom erfasst werden, oder es kann ein Strom in die

Ankerwicklung geprägt und die an der Ankerwicklung anliegende Spannung erfasst werden. Damit lassen sich insbesondere der Aufprall des Ankers auf den Hubanschlag, beziehungsweise der Rückprall der Ventilnadel auf den Anker, sicher bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vereinfacht, wenn die Schritte (a) bis (c) nur durchgeführt werden, wenn die Ansteuerdauer größer ist als ein Grenzwert. Dieser Grenzwert ist beispielsweise durch jene Länge der Ansteuerdauer definiert, ab der die Bewegungszeit des Ankers im wesentlichen konstant bleibt. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens verbessert.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein schematischer Schnitt durch ein Magnetventil in geschlossener

Stellung;

Figur 2 das Magnetventil nach Figur 1 in einer geöffneten Stellung; Figur 3 zwei Diagramme, wobei im oberen ein Ankerstrom und im unteren ein

Ankerhub des Magnetventils sehr schematisch über der Zeit aufgetragen sind; und

Figur 4 ein Diagramm, in dem der Hub einer Ventilnadel des Magnetventils über der Zeit aufgetragen ist.

Figur 1 zeigt schematisch einige Elemente eines Magnetventils 10, wie es als Einspritzventil in einem Injektor 1 1 zur Kraftstoff-Direkteinspritzung einer

Brennkraftmaschine verwendet werden kann. In Figur 1 ist das Magnetventil 10 geschlossen gezeigt, in Figur 2 geöffnet. Dargestellt ist ein Elektromagnet 13 mit einer Ankerwicklung 12 und einem Anker 14, der bei einer Bestromung in die Ankerwicklung 12 gezogen wird. Die Bewegung des Ankers 14 ist durch einen Ruhesitz 16 sowie einen Hubanschlag 18 begrenzt. Bei geschlossenem

Magnetventil 10 liegt der Anker 14 auf dem Ruhesitz 16 auf. Durch eine axiale Bohrung im Anker 14 ist eine Ventilnadel 20 geführt, welche an ihrem in der

Zeichnung oberen Ende fest mit einem scheibenförmigen Teller 22 verbunden ist. Auf diesen wirkt eine Schraubenfeder 24 ein und beaufschlagt die Ventilnadel 20 somit in Schließrichtung. Am in der Zeichnung unteren Ende des Injektors 1 1 ist ein Ventilsitz 26 angeordnet. Eine Auslassöffnung 28 ist bei am Ventilsitz 26 aufliegender Ventilnadel 20 verschlossen (Figur 1 ) und bei abgehobener Ventilnadel 20 geöffnet (Figur 2). Sonstige Elemente des Magnetventils 10, wie zum Beispiel Kraftstoffkanäle, sind nicht mit dargestellt. Alle Bewegungen geschehen in einer auf die Figur 1 bezogenen vertikalen Richtung. Symbolisch dargestellt ist weiterhin eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 27 mit einem

Computerprogramm 29 und einem elektrischen Speichermedium 31.

Figur 2 zeigt das Magnetventil 10 von Figur 1 in einer geöffneten Stellung. Die Ankerwicklung 12 ist bestromt und hält den Anker 14 am Hubanschlag 18 fest. Der Teller 22 und die Ventilnadel 20 werden vom Anker 14 mitgeführt und geben die Auslassöffnung 28 frei. Dabei wird eine Kraftstoffmenge 30 abgesetzt.

Figur 3 zeigt zwei übereinander liegende Zeitdiagramme. In einem oberen Diagramm ist beispielhaft ein Strom 34 der Ankerwicklung 12 ("Ankerstrom") dargestellt. In einem unteren Diagramm ist die zugehörige Kurve des Hubs 36 des Ankers 14 ("Ankerhub") des Magnetventils 10 dargestellt. Beide Diagramme sind auf ihrer Zeitachse "t" nicht skaliert, weisen jedoch einen gleichen zeitlichen Maßstab auf. Ausgehend von einem Ansteuerbeginn 38 im oberen Diagramm steigt der Strom

34 während einer ersten Ansteuerphase (Boost-Phase) steil und in etwa rampenförmig an. Nach Erreichen eines Höchstwertes 40 bleibt der Strom in etwa auf diesem Niveau. Zum Zeitpunkt 42 fällt der Strom ab bis auf ein

Stromniveau , welches einen Haltestrom 44 charakterisiert. Zum Zeitpunkt 46 wird der Strom 34 vermindert und erreicht zu einem Zeitpunkt 48 den Wert Null.

Wie aus dem unteren Diagramm ersichtlich ist, bleibt der Anker 14 unmittelbar nach dem Ansteuerbeginn 38 zunächst in Ruhe. Erst zum Zeitpunkt 50 erkennt man einen Ankerhub 36 in Richtung auf den Hubanschlag 18

("Öffnungsbewegung"). Der Hubanschlag 18 wird in der Figur 3 durch eine gestrichelte Linie charakterisiert. Bei Erreichen des Hubanschlags 18 ist zugleich ein Bewegungsende 52 des Ankers 14 erreicht. Etwa zum Zeitpunkt 48 fällt der Anker 14 von dem Hubanschlag 18 zurück und nimmt zum Zeitpunkt 54 seine Ausgangslage ein. Man erkennt, wie trotz der zum Ansteuerbeginn 38 einsetzenden Bestromung der Ankerwicklung 12 der Anker 14 verzögert abhebt. Die zeitliche Differenz zwischen dem Abhebezeitpunkt 50 und dem Ansteuerbeginn 38 wird als

Abhebeverzögerung 32 des Ankers 14 bezeichnet. Die Differenz zwischen dem Bewegungsende 52 und dem Abhebezeitpunkt 50 wird als Bewegungszeit 56 oder auch als "Flugzeit" des Ankers 14 bezeichnet.

Die Abhebeverzögerung 32 lässt sich ermitteln, indem zunächst vom Zeitpunkt 52 des Bewegungsendes die Bewegungszeit 56 subtrahiert wird, was den Abhebezeitpunkt 50 ergibt. Die Bewegungszeit 56 wird beispielsweise durch

Vorversuche bestimmt und ist im vorliegenden Fall eines so genannten Vollhubs des Ankers 14 genügend konstant. Anschließend führt eine Differenzbildung des nunmehr bekannten Abhebezeitpunkts 50 zum Ansteuerbeginn 38 zur

Abhebeverzögerung 32. Dies kann in der Folge für eine besonders genaue Steuerung und/oder Regelung des Magnetventils 10 verwendet werden, so dass beispielsweise Kraftstoff mit hoher Genauigkeit eingespritzt werden kann. Die Ermittlung der Abhebeverzögerung kann im Betrieb des Magnetventils immer wieder durchgeführt werden, so dass beispielsweise betriebszeitbedingte

Veränderungen erkannt und ausgeregelt werden können. Auch eine Diagnose der korrekten Funktion des Magnetventils 10 ist in Kenntnis der

Abhebeverzögerung möglich.

Der Ansteuerbeginn 38 und das Bewegungsende 52 werden durch eine

Auswertung der an der Ankerwicklung 12 anliegenden Spannung und des in die Ankerwicklung 12 fließenden Stromes bestimmt. In einer ähnlichen Weise ist - wie im rechten Teil beider Diagramme ersichtlich - auch das Abfallen des Ankers 14 verzögert. Dies wird durch eine Schließverzugszeit 58 charakterisiert.

Die Bewegungszeit 56 kann nicht nur - wie vorliegend - als konstant angesetzt sein, sondern auch durch eine aktuelle Betriebsgröße der

Kraftstoffeinspritzanlage ganz oder teilweise bestimmt sein. Beispielsweise kann eine an der Ankerwicklung 12 anliegende Ansteuerspannung benutzt werden, um daraus eine Ansteuerdauer der Ankerwicklung 12 zu ermitteln. Aus dieser kann eine alternative Bewegungszeit 56, beispielsweise über einen funktionalen Zusammenhang, abgeleitet werden. Sofern die ermittelte Ansteuerdauer kleiner ist als ein vorgebbarer Grenzwert, kann optional eine Bestimmung der

Bewegungszeit 56 und damit der Abhebeverzögerung 32 unterbleiben.

Nicht dargestellt ist in der Figur 3 ein vorüber gehender rückläufiger Ankerhub 36 kurz nach dem Bewegungsende 52 als Folge eines Rückpralls der Ventilnadel 20 auf den Anker 14 nach einem möglichen Überschwingen der Ventilnadel 20 über den Hubanschlag 18 hinaus. Dieser Fall tritt nur dann auf, wenn Anker 14 und Ventilnadel 20 nicht starr miteinander verbunden sind. Er ist nachfolgend in der Figur 4 erläutert.

Figur 4 zeigt ein Zeitdiagramm einer Auslenkung 60 der Ventilnadel 20 des Magnetventils 10 während der Öffnungsphase. Von einem nachfolgend beschriebenen Überschwingen abgesehen, entspricht die Auslenkung 60 der Ventilnadel 20 einem in der Figur 4 nicht dargestellten Ankerhub 36. Die Abszisse kennzeichnet die Zeitachse 62, die Ordinate kennzeichnet die

Auslenkung bzw. den Hub 60. Links unten im Diagramm, in der Nähe des Koordinatenursprungs, ist der Ansteuerbeginn 38 des Magnetventils 10 eingetragen. Davon ausgehend zeigt ein in etwa geradliniger und steil ansteigender Verlauf der die Auslenkung 60 beschreibenden Kurve eine erste Bewegungsphase des Magnetventils 10. Eine gestrichelte waagerechte Gerade

64 im oberen Teil des Diagramms kennzeichnet den Hubanschlag 18 des Ankerhubs 36. Das erstmalige Erreichen (Pfeil 65) des Hubanschlags 18 erfolgt zu einem Zeitpunkt 66. Man erkennt, dass die Bewegung der Ventilnadel 20 sich aufgrund der

Massenträgheit über den Hubanschlag 18 fortsetzt, danach aufgrund der Kraft der einwirkenden Schraubenfeder 24 umkehrt und zu einem Zeitpunkt 68 auf den Anker 14 zurück prallt (Pfeil 70). Dabei überträgt sich die Bewegungsenergie der zurück prallenden Ventilnadel 20 impulsartig auf den Anker 14, so dass nachfolgend beide um ein geringes Maß vom Hubanschlag 18 zurück fallen, bis der Anker 14 und die Ventilnadel 20 im weiteren Verlauf 72 durch magnetische Kraft erneut gegen den Hubanschlag 18 gedrückt werden. Damit ist die

Öffnungsbewegung der Ventilnadel 20 beendet. Etwa zu einem Zeitpunkt 74 endet eine Öffnungsphase des Magnetventils 10, wobei die Bestromung der Ankerwicklung 12 verändert oder abgeschaltet wird, so dass sich ein Schließen des Magnetventils 10 ergibt. Wie oben dargelegt wurde, prallt der Anker 14 zum Zeitpunkt 65 auf den

Hubanschlag 18 auf, woraus sich eine starke negative Beschleunigung des Ankers 14 ergibt, was eine Veränderung der Spannungen und/oder Ströme der Ankerwicklung 12 zur Folge hat. Ebenso wird der Anker 14 - getrieben durch die zurück prallende Ventilnadel 20 - zum Zeitpunkt 68 wiederum negativ

beschleunigt, woraus sich ebenfalls eine Veränderung der Spannungen und/oder Ströme der Ankerwicklung 12 einstellt. Wie aus der Figur 4 ersichtlich, ist dieser zweite Beschleunigungsvorgang des Ankers 14 etwas schwächer ausgeprägt. Ein Differenzmaß 76 beschreibt eine "Flugzeit" oder "Überhubzeit" der

Ventilnadel 20, während der sie vom Anker 14 abhebt und über den

Hubanschlag 18 hinaus schnellt.

Dabei kann entweder der Zeitpunkt 66, an dem der Anker 14 auf den

Hubanschlag 18 prallt, als ein Bewegungsende 52 (Aufprallinformation) definiert sein, oder alternativ der Zeitpunkt 68, an dem ein Rückprall der Ventilnadel 20 auf den Anker 14 stattfindet.