Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Öffnungsverzugszeit eines Magnetventils. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Ansteuern mindestens eines Magnetventils in eine Einspritzanlage in einer Brennkraftmaschine.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät zur Ansteuerung eines Magnetventils, ablauffähig ist.

Magnetventile sind elektrisch betätigte Schaltventile, die in vielerlei Bereichen zur Zumessung von Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Beispielsweise werden in Brennkraftmaschinen durch Magnetventile gesteuerte Kraftstoffinjektoren eingesetzt, die die Zumessung des für eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine benötigten Kraftstoffs ermöglichen. Bei der Benzin-Direkteinspritzung und der Common-Rail-Einspritzung wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Für die Verbrennungsqualität und damit den Verbrauch sowie das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine ist die zugemessene Kraftstoffmenge von entscheidender Bedeutung. Die zugemessene Kraftstoffmenge wiederum ist von der Öffnungsdauer des Magnetventils abhängig. Die Öffnungsdauer wird über die auch als Bestromungsdauer bezeichnete Ansteuerdauer der in dem Magnetventil vorgesehenen Magnetventilspule eingestellt. Bei Common-Rail-Injektoren für die Diesel-Einspritzung ist das Magnetventil als Servo-Ventil ausgeführt und steuert eine nachgeschaltete Hochdruck-Hydraulik an, welche wiederum die Öffnungsund Schließbewegung der Düsennadel steuert. Bei der Benzin-Direkteinspritzung wird die Ventilnadel der Einspritzdüse direkt durch das Magnetventil angesteuert.

Die Öffnungsdauer entspricht der Ansteuerdauer des Magnetventils abzüglich der sogenannten Abhebeverzögerung und zuzüglich der sogenannten Schließdauer. Die Abhebeverzögerung beschreibt die Verzugszeit vom Ansteuerbeginn des Magnetventils bis zum Zeitpunkt des Öffnens; die Schließdauer beschreibt die Verzugszeit vom Ansteuerende bis zum Zeitpunkt des Schließens des Magnetventils.

Ist die Öffnungsdauer bekannt, so können geeignete Regelungsverfahren zum Einsatz kommen, um die Ansteuerdauer des Magnetventils optimal einzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Öffnungsverzugszeit bzw. einer Abhebeverzögerung eines Magnetventils zu schaffen, wobei die Öffnungsverzugszeit möglichst aktuell ist, so dass Exemplarstreuungen einerseits und beispielsweise Alterungserscheinungen andererseits berücksichtigt werden können und eine optimierte Kraftstoffzumessung ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 9 und 11 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Erfindungsgemäß wird in einer Messphase eine Ansteuerung der Magnetspule durchgeführt und es wird eine Differenz aus dem Beginn der Ansteuerung und aus dem Öffnungszeitpunkt des Magnetventils ermittelt. Für die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts in der Messphase wird eine Ansteuerung des Magnetventils durchgeführt. Während der Ansteuerung wird der Ansteuerstrom beobachtet. Wird eine Veränderung in dem Ansteuerstrom erkannt, so wird auf das Erreichen des Öffnungszeitpunktes geschlossen. Vorzugsweise wird in der Messphase eine zumindest annähernd konstante Ansteuerspannung an die Magnetspule angelegt. Dadurch ist ein sicheres Erkennen einer Veränderung in dem Ansteuerstrom gewährleistet, da die Veränderung nicht aus einer geänderten Ansteuerung resultiert, sondern aus dem Verhalten der Magnetspule selbst. Die vorgebbare Veränderung ist insbesondere eine Abflachung des Ansteuerstroms, die vorzugsweise durch Ermittlung eines Minimums des differenzierten Stromsignals ermittelt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht in einer weiteren Reduzierung der Exemplarstreuung der Einspritzmenge, da das erfindungsgemäße Verfahren individuell für jedes Magnetventil anwendbar ist. Erreicht wird dies durch Einbeziehen der toleranzbehafteten Öffnungsverzugszeit im Regelungsverfahren. Die Mengensteuerung bei der Zumessung der Kraftstoffmenge erfolgt dann durch Regelung der Öffnungsdauer. Durch Messung der Öffnungsverzugszeit in einer separaten Messphase kann die Ansteuerspannung des Magnetventils frei gewählt werden und ist nicht den Einschränkungen während eines normalen Betriebs der Brennkraftmaschine unterworfen. Die Messphase kann zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Betriebspunkten automatisch eingeleitet werden.

Die Öffnungsverzugszeit wird aus der Differenz des Öffnungszeitpunkts des Magnetventils und dem Ansteuerbeginn ermittelt, wobei der Ansteuerbeginn bekannt ist und die Öffnungsverzugszeit erfindungsgemäß aus dem Stromverlauf des Ansteuerstroms des Magnetventils ermittelt wird. Hierzu wird ab dem Ansteuerbeginn eine weitestgehend konstante Spannung an die Magnetspule angelegt und der Ansteuerstrom des Magnetventils wird beispielsweise über einen sogenannten Mess-Shunt erfasst und beobachtet. Ein Mess-Shunt ist ein niederohmiger, elektrischer Widerstand, der auch als Nebenschlusswiderstand bezeichnet wird. Es wurde beobachtet, dass ab dem Zeitpunkt des Öffnens des Magnetventils der Stromverlauf des Ansteuerstroms abflacht. Diese Abflachung des Stromsignals wird erfindungsgemäß zum Erkennen des Öffnungszeitpunkts herangezogen.

Eine Erkennung der Abflachung des Stromsignals kann beispielsweise durch Ermittlung des Minimums des differenzierten Stromsignals ermittelt werden. Die Differenzierung und Ermittlung des Minimums kann dabei entweder teilweise oder ganz durch analoge Vorverarbeitung oder durch digitale Signalverarbeitung mittels eines Mikrocontrollers erfolgen.

Der Öffnungszeitpunkt des Magnetventils ist abhängig von der elektrischen Spannung des Ansteuerstroms, mittels dessen das Magnetventil angesteuert wird. Vorteilhafterweise wird deshalb der Öffnungszeitpunkt in einem oder mehreren Arbeitspunkten mit jeweils definierter Ansteuerspannung bestimmt. Aus jedem so ermittelten Öffnungszeitpunkt kann für weitere Ansteuerspannungen das Öffnungsverhalten beziehungsweise der Öffnungszeitpunkt extrapoliert werden.

Grundsätzlich kann die Messphase auch während einer normalen Ansteuerung des Magnetventils durchgeführt werden. Vorteilhafterweise wird hierbei jedoch eine zumindest annähernd konstante Ansteuerspannung gewählt, um ein sicheres Erkennen des Öffnungszeitpunktes zu gewährleisten.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung der Erfindung in Form eines Computerprogramms, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung einer Kraftstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine, ablauffähig ist, wobei das Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf einem elektronischen oder optischen Speichermedium abgespeichert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und die in der Beschreibung genannten Merkmale einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Figur 1

eine stark schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzanlage und einer Mehrzahl von Magnetventilen,

Figur 2a

eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Magnetventils in einem geschlossenen Betriebszustand,

Figur 2b

eine schematische Detailansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Magnetventils in einem geöffneten Betriebszustand,

Figur 3

eine schematisierte Darstellung des Strom-, Spannungs- und Ventilhubverlaufs eines Magnetventils,

Figur 4

eines schematische Darstellung eines exemplarischen Stromverlaufs, einer Ableitung des Stromverlaufs und des Nadelhubs für zwei unterschiedliche elektrische Spannungen des Ansteuerstromes,

Figur 5

ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die einen Kraftstoffvorratsbehälter 12 umfasst, aus dem mittels eines Fördersystems 14 Kraftstoff in eine Kraftstoffhochdruckleitung 16 gefördert wird. Die Hochdruckleitung 16 ist beispielsweise als Common-Rail ausgebildet. Die Hochdruckleitung 16 ist mit Magnetventilen 18 verbunden, die es ermöglichen, Kraftstoff direkt in den Magnetventilen 18 jeweils zugeordnete Brennräume 20 einzuspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 und insbesondere der Kraftstoffeinspritzanlage, die beispielsweise durch das Fördersystem 14, die Hochdruckleitung 16 und die Magnetventile 18 gebildet ist, wird von einer Steuerund Regeleinrichtung, beispielsweise einem Steuergerät 22, gesteuert beziehungsweise geregelt. Das Steuergerät 22 ermöglicht die Erfassung von Eingabewerten und die Bereitstellung von Ausgabewerten beziehungsweise die Ansteuerung von Aktoren, insbesondere die Ansteuerung der Magnetventile 18.

In Figur 2 ist schematisch ein in Figur 1 gezeigtes Magnetventil 18 vergrößert dargestellt. Das Magnetventil 18 weist einen elektromagnetischen Aktor auf, der eine Magnetspule 26 und einen mit der Magnetspule 26 zusammenwirkenden Magnetanker 30 besitzt. Der Magnetanker 30 ist so mit einer Ventilnadel 28 verbunden, dass er bezogen auf eine in Figur 2 vertikale Bewegungsrichtung der Ventilnadel 28 bewegbar ist. Eine Ventilfeder 36 übt eine Federkraft auf die Ventilnadel 28 aus, so dass diese in einem Ventilsitz 38 gehalten wird.

Eine Ansteuerung des Magnetventils 18 durch das Steuergerät 22 bewirkt eine Bestromung der Magnetspule 26, wodurch sich der Magnetanker 30 nach oben bewegt, so dass er unter Eingreifen in einen Anschlag die Ventilnadel 28 gegen die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt. Diese Situation ist in Figur 2b gezeigt. Dort kann nun Kraftstoff 42 von dem Magnetventil 18 in den Brennraum 20 eingespritzt werden.

In Figur 3 sind die Verläufe eines Ansteuerstroms 60, eines Ansteuerstroms 61 und eines Ventilhubs 62 des Magnetventils 18 dargestellt.

Die Ansteuerung des Magnetventils 18 beginnt in einem Zeitpunkt T0. In einem Zeitpunkt T1 erfolgt das Öffnen des Magnetventils 18. Die Zeitspanne zwischen T0 und T1 wird als Abhebeverzögerung beziehungsweise Öffnungsverzugszeit t₀₁ bezeichnet. Zu einem Zeitpunkt T2 ist das Magnetventil 18 geöffnet. Die Zeitspanne t₁₂ bezeichnet die Öffnungsdauer des Magnetventils 18.

In einem Zeitpunkt T4 endet die Ansteuerung des Magnetventils 18 und in einem Zeitpunkt T5 erfolgt der Schließvorgang des Magnetventils 18 mit einer Zeitverzögerung t₄₅. Die Zeitverzögerung t₄₅ entspricht der Differenz aus dem Zeitpunkt T5 und dem Zeitpunkt T4. In einem Zeitpunkt T6 ist das Magnetventil 18 geschlossen.

Die in Figur 3 dargestellte Situation zeigt einen normalen Betrieb des Magnetventils 18, beispielsweise während des Betriebs einer Brennkraftmaschine 10, um den bei der Verbrennung benötigten Kraftstoff 42 zuzumessen. Hierzu wird an das Magnetventil 18 zunächst in einer sogenannten Boost-Phase t₀₂ eine besonders hohe Spannung angelegt, um möglichst rasch einen Stromanstieg zu erreichen. In der sogenannten Batteriephase t₂₃ wird die Spannung des Ansteuerstroms reduziert; damit ist die Stromanstiegsphase beendet. Zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 wird das Magnetventil 18 durch einzelne Spannungsimpulse angesteuert, die ein Erhalten des Ansteuerstroms bewirken.

Die sogenannte Öffnungsdauer t₁₆ lässt sich damit folgendermaßen bestimmen: $${\mathrm{t}}_{\mathrm{16}}={\mathrm{t}}_{\mathrm{04}}-{\mathrm{t}}_{\mathrm{01}}+{\mathrm{t}}_{\mathrm{46}}\mathrm{.}$$

Dies bedeutet, dass die Öffnungsdauer t₁₆ sich aus der Ansteuerdauer t₀₄ bestimmen lässt, wobei von der Ansteuerdauer t₀₄ die Öffnungsverzugszeit t₀₁ subtrahiert wird und die Schließverzugszeit t₄₆ addiert wird.

Figur 4 zeigt exemplarisch zwei Stromverläufe 60a, 60b, Ableitungen 70a, 70b der Stromverläufe 60a, 60b und Nadelhubverläufe 80a, 80b während einer erfindungsgemäßen Messphase. Bei den Kurven 70a und 70b ist zu erkennen, dass die jeweils signifikanten lokalen Minima den Zeitpunkten T1a und T1b entsprechen, an denen eine Öffnung des Magnetventils 18 erfolgt.

In der Messphase ist eine konstante Ansteuerspannung des Ventils gewählt. Dies muss auch dann sichergestellt sein, wenn die Messphase während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt, da sonst ein sicheres Erkennen des Öffnungszeitpunkts aus dem Stromverlauf nicht möglich ist.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ist nicht in allen Betriebsbereichen sichergestellt, dass während einer normalen Ansteuerung der Magnetventile 18 beim Ende der Stromanstiegsphase, also der Boost-Phase t₀₂ der Öffnungszeitpunkt T1 tatsächlich erreicht ist. Die Boost-Phase bei normaler Ansteuerung der Magnetventile 18 kann nicht beliebig verlängert werden bis der Öffnungszeitpunkt T1 des Magnetventils 18 sicher erreicht ist, da das Magnetventil 18 durch die hierfür notwendige hohe Energieeinkopplung mit zu hoher Geschwindigkeit an dem oberen Ventilanschlag aufschlagen würde. Vorzugsweise wird deshalb eine Messung des Öffnungszeitpunkts T1 nur in ausgewählten Betriebsbereichen durchgeführt. Alternativ oder ergänzend hierzu können die Messungen in einer separaten Messphase durchgeführt werden. Während einer solchen Messphase können dann geeignete Ansteuerspannungen gewählt werden, die vorteilhafterweise unter den Ventilansteuerspannungen liegen, die während des normalen Ansteuerns, also beispielsweise während normaler Einspritzungen verwendet werden. Durch die geringere Ansteuerspannung während der Messphase verlängert sich die gemessene Öffnungsverzugszeit t₀₁. Diese wird anschließend deshalb in die bei einer Betriebsansteuerspannung sich ergebende Öffnungsverzugszeit umgerechnet. Da die tatsächliche Öffnungsverzugszeit erheblich kleiner ist als die gemessene Öffnungsverzugszeit, wirken sich Messungenauigkeiten nur in stark abgeschwächter Form auf die tatsächliche Ansteuerung aus.

Vorzugsweise wird während der separaten Messphase eine Echtzeitsignalauswertung des Stromverlaufs durchgeführt. Sobald der Öffnungszeitpunkt T1 detektiert wird, wird die Messphase unverzüglich abgebrochen. Dadurch kann das Einspritzen einer unerwünschten Kraftstoffmenge vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Wird eine niedrige Ansteuerspannung gewählt, so wird die Öffnungsgenauigkeit der Ventilnadel 28 reduziert, wodurch die eventuell ungewollt eingespritzte Kraftstoffmenge 42 auf ein für die Brennkraftmaschine 10 nicht relevantes Maß reduziert wird.

In Figur 5 ist ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren beginnt in einem Schritt 100, in dem die Messphase begonnen wird. Insbesondere erfolgt hier eine Ansteuerung des Magnetventils 18 mittels des Ansteuerstroms 60. In einem Schritt 101 wird der Ansteuerstrom 60 erfasst und beobachtet. In dem Schritt 101 wird beispielsweise die Ableitung 70a, 70b des erfassten Ansteuerstroms 60 gebildet.

In einem Schritt 102 wird geprüft, ob eine Änderung des Ansteuerstroms 60 vorliegt, die das Erreichen des Öffnungszeitpunkts T1 anzeigt. Hierzu wird beispielsweise der Verlauf der Ableitung 70a, 70b des Ansteuerstroms 60 daraufhin untersucht, ob ein lokales Minima vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so wird in dem Schritt 101 weiter überwacht.

Wird jedoch in dem Schritt 102 das Vorliegen des Öffnungszeitpunkts T1 detektiert, so wird in einem Schritt 103 der ermittelte Öffnungszeitpunkt in einem geeigneten Kennfeld abgespeichert, gegebenenfalls nach Kompensation von Effekten, die aus einer gering gewählten Ansteuerspannung in der Messphase resultieren. In einem Schritt 104 werden aus den ermittelten Öffnungszeitpunkten für weitere Arbeitspunkte Öffnungszeitpunkte extrapoliert und ebenfalls in das Kennfeld abgespeichert.