VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES EINSPRITZVENTILS

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Komponente des Einspritzventils, insbesondere eine Ventilnadel, mittels eines elektromagnetischen Autors angetrieben wird.

Offenbarung der Erfindung

[0002] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Betriebsverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem präzise Informationen über einen Betriebszustand des Einspritzventils ohne die Verwendung von zusätzlicher, das Einspritzventil überwachender, Sensorik erhalten werden.

[0003] Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors eine die Beschleunigung einer beweglichen Komponente des elektromagnetischen Aktors, insbesondere eines Magnetankers des elektromagnetischen Aktors, charakterisierende Größe gebildet wird, und dass in Abhängigkeit der die Beschleunigung charakterisierenden Größe auf einen Betriebszustand des Einspritzventils geschlossen wird.

[0004] Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass in mehreren unterschiedlichen Betriebszuständen beziehungsweise Übergängen zwischen diesen Betriebszuständen eine die Beschleunigung einer beweglichen Komponente des elektromagnetischen Aktors, insbesondere des Magnetankers,
charakterisierende Größe einen den Betriebszustand beziehungsweise den Zustandsübergang kennzeichnenden Wert und/oder Zeitverlauf aufweist, so dass aus der erfindungsgemäßen Betrachtung der die Beschleunigung charakterisierenden Größe präzise Informationen über einen Betriebszustand des Einspritzventils erhalten werden können.

[0005] Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren, welche schwerpunktmäßig eine Auswertung einer Geschwindigkeit einer bewegbaren Komponente zum Gegenstand haben, ermöglicht das erfindungsgemäße beschleunigungsbasierte Verfahren vorteilhaft die Gewinnung von Informationen über einen Betriebszustand des Einspritzventils auch dann, wenn die Kraftübertragung von dem elektromagnetischen Aktor auf die Ventilnadel mittels eines komplexen Massensystems erfolgt, welches keine einfache, starre mechanische Kopplung zwischen dem Magnetanker und der Ventilnadel vorsieht.

[0006] Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen einzelner Komponenten eines die Ventilnadel und den Magnetanker enthaltenden Massensystems je nach Betriebszustand des Einspritzventils charakteristische Werte beziehungsweise Zeitverläufe für eine die Beschleunigung charakterisierende Größe, so dass hieraus vorteilhaft mit großer Präzision Rückschlüsse auf den Betriebszustand des Einspritzventils gezogen werden können.

[0007] Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Ventilnadel, bevorzugt in einer Schließrichtung der Ventilnadel, federkraftbeaufschlagt, der Magnetanker ist so mit der Ventilnadel verbunden, dass der Magnetanker bezogen auf eine Bewegungsrichtung der Ventilnadel mit einem nichtverschwindenden mechanischen Spiel relativ zu der Ventilnadel bewegbar ist, und aus einem charakteristischen Merkmal der die Beschleunigung des Magnetankers charakterisierenden Größe wird darauf geschlossen, dass sich der Magnetanker von der Ventilnadel löst.

[0008] Bei dieser erfindungsgemäßen Konfiguration kann besonders vorteilhaft das Auftreffen der Ventilnadel auf den ihr zugeordneten Ventilsitz (Schließzeitpunkt) festgestellt werden, weil sich hierbei der Magnetanker von der Ventilnadel unter Ausnutzung des vorhandenen mechanischen Spiels löst, was sich in einer entsprechenden Beschleunigungsänderung des Magnetankers niederschlägt. Diese Beschleunigungsänderung des Magnetankers ergibt sich bei der vorliegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens dadurch, dass nach dem Lösen des Magnetankers von der Ventilnadel die nach wie vor federkraftbeaufschlagte Ventilnadel keine Kraft mehr auf den Magnetanker ausübt. Der Magnetanker bewegt sich selbst demnach im Gegensatz zu der Ventilnadel zunächst in Schließrichtung weiter, allerdings fortan mit einer geringeren Beschleunigung. Herkömmliche, allein auf der Auswertung der Geschwindigkeit des Magnetankers beruhende Verfahren, erlauben bei der vorliegenden Konfiguration nicht die Erkennung des Schließzeitpunkts. Im Unterschied hierzu ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren unter Ausnutzung der die Beschleunigung des Magnetankers charakterisierenden Größe eine präzise Information darüber, wann der Magnetanker sich von der Ventilnadel löst beziehungsweise wann die Ventilnadel ihre Schließlage im Bereich des Ventilsitzes erreicht hat.

[0009] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird als elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors eine an einer Magnetspule des elektromagnetischen Aktors anliegende Aktorspannung verwendet, und die erste zeitliche Ableitung der Aktorspannung wird als die Beschleunigung des Magnetankers charakterisierende Größe gebildet. Beispielsweise kann hierbei vorteilhaft aus dem Auftreten eines lokalen Minimums der ersten zeitlichen Ableitung der Aktorspannung darauf geschlossen werden, dass sich der Magnetanker von der Ventilnadel löst.

[0010] Eine ganz besonders einfache und zuverlässige Auswertung der die Beschleunigung charakterisierenden Größe ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dann möglich, wenn ein durch die Magnetspule fließender Aktorstrom auf einen vorgebbaren Wert eingeprägt wird. Besonders vorteilhaft wird ein zeitlich konstanter Aktorstrom, weiter vorzugsweise auch ein verschwindender Aktorstrom, eingeprägt.

[0011] Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Verwendung der Aktorspannung kann auch ein durch eine Magnetspule des elektromagnetischen Aktors fließender Aktorstrom verwendet werden, um hieraus die die Beschleunigung des Magnetankers charakterisierende Größe, vorliegend die erste zeitliche Ableitung des Aktorstroms, zu ermitteln.

[0012] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird aus dem Auftreten eines lokalen Maximums der ersten zeitlichen Ableitung des Aktorstroms darauf geschlossen, dass sich der Magnetanker von der Ventilnadel löst.

[0013] Alternativ oder ergänzend zu der vorstehend beschriebenen Betrachtung von lokalen Extrema der die Beschleunigung charakterisierenden Größe ist es ferner möglich, einen zeitlichen Verlauf der die Beschleunigung charakterisierenden Größe mit einem vorgegebenen Referenzverlauf zu vergleichen oder auch weitere Merkmale, wie beispielsweise einen Knick im zeitlichen Verlauf oder dergleichen zu identifizieren.

[0014] Eine besonders präzise Ermittlung des Betriebszustands des Einspritzventils ergibt sich wiederum dann, wenn - im Falle der Erfassung des Aktorstroms - eine an der Magnetspule des elektromagnetischen Aktors anliegende Aktorspannung auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere Null, eingeprägt wird, was durch eine entsprechende Ansteuerung einer das Einspritzventil ansteuernden Steuergeräteendstufe bewerkstelligt werden kann.

[0015] Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass eine erste elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors erfasst und einem Beobachterglied zugeführt wird, das den elektromagnetischen Aktor ohne Berücksichtigung der Rückwirkung einer Ankerbewegung auf elektrische Betriebsgrößen des elektromagnetischen Aktors nachbildet, wobei das Beobachterglied eine beobachtete zweite elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors ermittelt, dass die beobachtete zweite elektrische Betriebsgröße mit einer erfassten zweiten elektrischen Betriebsgröße verglichen wird, und dass die die Beschleunigung charakterisierende Größe in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ermittelt wird.

[0016] Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass das unter Verwendung des Beobachterglieds erhaltene Vergleichsergebnis signifikante Informationen über einen Betriebszustand des Einspritzventils aufweist und demnach vorteilhaft zur Ermittlung von Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkten des Einspritzventils verwendet werden kann.

[0017] Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren, wie z.B. aus der US 2008/148831 bekannt, welche alleine einen "elektrischen" Öffnungszeitpunkt beziehungsweise Schließzeitpunkt durch Auswertung der Ansteuergrößen des Einspritzventils beziehungsweise seines elektromagnetischen Stellglieds feststellen können, ermöglicht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren durch die Auswertung der die Beschleunigung charakterisierenden Größe die präzise Ermittlung eines tatsächlichen hydraulischen Öffnungs- beziehungsweise Schließzeitpunkts, bei dem die Ventilnadel von ihrem Schließsitz abhebt beziehungsweise wieder auf ihren Schließsitz auftrifft.

[0018] Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem elektronischen oder optischen Speichermedium abgespeichert sein kann, und das von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung z.B. für eine Brennkraftmaschine ausführbar ist.

[0019] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

[0020] In der Zeichnung zeigt:

Figur 1

eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren erfindungsgemäß betriebenen Einspritzventilen,

Figur 2a bis 2c

schematisch eine Detailansicht eines Einspritzventils aus Figur 1 in drei unterschiedlichen Betriebszuständen,

Figur 3

ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 4

einen zeitlichen Verlauf erfindungsgemäß betrachteter Betriebsgrößen des Einspritzventils,

Figur 5

einen weiteren zeitlichen Verlauf erfindungsgemäß betrachteter Betriebsgrößen des Einspritzventils,

Figur 6

ein einfaches elektrisches Ersatzschaltbild des elektromagnetischen Stellglieds des Einspritzventils gemäß Figur 2a,

Figur 7

ein mit dem Ersatzschaltbild gemäß Figur 6 korrespondierendes Blockdiagramm, und

Figur 8

ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Ermitteln einer Korrekturgröße unter Verwendung eines Beobachterglieds gemäß Figur 7.

[0021] Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Tank 12, aus dem ein Fördersystem 14 Kraftstoff in ein Common-Rail 16 fördert. An dieses sind mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritzventile 18a bis 18d angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 20a bis 20d einspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 22 gesteuert beziehungsweise geregelt, die unter anderem auch die Einspritzventile 18a bis 18d ansteuert.

[0022] Die Figuren 2a bis 2c zeigen schematisch das Einspritzventil 18a gemäß Figur 1 in insgesamt drei verschiedenen Betriebszuständen. Die weiteren in Figur 1 abgebildeten Einspritzventile 18b, 18c, 18d weisen eine entsprechende Struktur und Funktionalität auf.

[0023] Das Einspritzventil 18a 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 des Einspritzventils 18a verbunden, dass er bezogen auf eine in Figur 2a vertikale Bewegungsrichtung der Ventilnadel 28 mit einem nichtverschwindenden mechanischen Spiel relativ zu der Ventilnadel 28 bewegbar ist.

[0024] Dadurch ergibt sich ein zweiteiliges Massensystem 28, 30, welches den Antrieb der Ventilnadel 28 durch den elektromagnetischen Aktor 26, 30 bewirkt. Durch diese zweiteilige Konfiguration wird die Montierbarkeit des Einspritzventils 18a verbessert und ein unerwünschtes Zurückprellen der Ventilnadel 28 bei dem Auftreffen in ihrem Ventilsitz 38 wird verringert.

[0025] Bei der vorliegend in Figur 2a veranschaulichten Konfiguration wird das axiale Spiel des Magnetankers 30 auf der Ventilnadel 28 durch zwei Anschläge 32 und 34 begrenzt. Zumindest der in Figur 2a untere Anschlag 34 könnte jedoch auch durch einen Bereich des Gehäuses des Einspritzventils 18a realisiert sein.

[0026] Die Ventilnadel 28 wird von einer Ventilfeder 36 wie in Figur 2a abgebildet mit einer entsprechenden Federkraft gegen den Ventilsitz 38 im Bereich des Gehäuses 40 beaufschlagt. In Figur 2a ist das Einspritzventil 18a in seinem geöffneten Zustand gezeigt. In diesem geöffneten Zustand wird der Magnetanker 30 durch eine Bestromung der Magnetspule 26 in Figur 2a nach oben bewegt, so dass er unter Eingreifen in den Anschlag 32 die Ventilnadel 28 gegen die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt. Dadurch kann Kraftstoff 42 von dem Einspritzventil 18a in den Brennraum 20a (Figur 1) eingespritzt werden.

[0027] Sobald die Bestromung der Magnetspule 26 durch das Steuergerät 22 (Figur 1) beendet wird, bewegt sich die Ventilnadel 28 unter Einwirkung der von der Ventilfeder 36 ausgeübten Federkraft auf ihren Ventilsitz 38 zu und nimmt den Magnetanker 30 mit. Eine Kraftübertragung von der Ventilnadel 28 auf den Magnetanker 30 erfolgt hierbei wiederum durch den oberen Anschlag 32.

[0028] Sobald die Ventilnadel 28 ihre Schließbewegung mit dem Auftreffen auf dem Ventilsitz 38 beendet, kann sich der Magnetanker 30, wie in Figur 2b abgebildet, aufgrund des axialen Spiels in Figur 2b nach unten weiterbewegen, bis er, wie in Figur 2c veranschaulicht ist, an dem zweiten Anschlag 34 anliegt.

[0029] Erfindungsgemäß wird das nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm gemäß Figur 3 beschriebene Verfahren durchgeführt, um Informationen über einen Betriebszustand des Einspritzventils 18a zu erhalten.

[0030] In einem ersten Schritt 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors 26, 30 erfasst. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine an der Magnetspule 26 anliegende Aktorspannung oder auch um einen durch die Magnetspule 26 fließenden Aktorstrom handeln.

[0031] Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit der mindestens einen elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors 26, 30 eine die Beschleunigung einer beweglichen Komponente des elektromagnetischen Aktors 26, 30, insbesondere des Magnetankers 30 des elektromagnetischen Aktors, charakterisierende Größe gebildet, was in Schritt 110 erfolgt.

[0032] In Abhängigkeit der die Beschleunigung charakterisierenden Größe wird schließlich in dem Schritt 120 auf einen Betriebszustand des Einspritzventils 18a geschlossen.

[0033] Insbesondere kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren dazu verwendet werden, einen tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt zu ermitteln, zu dem die Ventilnadel 28 (Figur 2a) auf ihren Ventilsitz 38 trifft.

[0034] Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wird als elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors eine an der Magnetspule 26 anliegende Aktorspannung u verwendet, und als die Beschleunigung des Magnetankers 30 charakterisierende Größe wird die erste zeitliche Ableitung u̇ der Aktorspannung u gebildet und verwendet.

[0035] Figur 4 zeigt beispielhaft einen vereinfachten zeitlichen Verlauf eines Nadelhubs h der Ventilnadel 28 (Figur 2a) und einen entsprechenden Ausschnitt des zeitlichen Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung u̇ der Aktorspannung u.

[0036] Zu dem Zeitpunkt t0 wird die Ventilnadel 28 aus ihrer durch den Nadelhubwert h0 gekennzeichneten Ruhelage auf dem Ventilsitz 38 herausgehoben, was dadurch bewerkstelligt wird, dass die Magnetspule 26 entsprechend bestromt und der Magnetanker 30 in Figur 2a nach oben bewegt wird, wobei er unter Kraftübertragung über den Anschlag 32 die Ventilnadel 28 mitnimmt.

[0037] Zu dem Zeitpunkt t1 hat die Ventilnadel 28 ihren maximalen Nadelhub erreicht, und die Bestromung der Magnetspule 26 wird durch das Steuergerät 22 (Figur 1) beendet. Dadurch wirkt keine Magnetkraft mehr von der Magnetspule 26 auf den Magnetanker 30, so dass das die Ventilnadel 28 und den Magnetanker 30 aufweisende Massensystem unter Einwirkung der Federkraft der Ventilfeder 36 in Figur 2a nach unten bewegt wird. Figur 4 zeigt für t > t1 dementsprechend einen sich verringernden Nadelhub h. Bei der ab dem Zeitpunkt t1 einsetzenden Verringerung des Nadelhubs h ergibt sich ein im Wesentlichen exponentiell abklingender Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung u̇ der Aktorspannung u an der Magnetspule 26.

[0038] Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die erste zeitliche Ableitung u̇ der Aktorspannung u bei dem Auftreffen der Ventilnadel 28 auf ihren Ventilsitz 38 ein lokales Minimum Mu aufweist, das eine deutlich erkennbare Abweichung von dem ansonsten exponentiell abklingenden zeitlichen Verlauf der ersten Ableitung u̇ darstellt.

[0039] Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergibt sich dieses lokale Minimum Mu dadurch, dass sich bei dem Auftreffen der Ventilnadel 28 auf ihren Ventilsitz 38 der Magnetanker 30 vermöge des nichtverschwindenden mechanischen Spiels von der Ventilnadel 28 löst und sich zunächst weiter in Schließrichtung, das heißt in Figur 2b nach unten, weiterbewegt, bevor er auf den Anschlag 34 trifft.

[0040] Das bedeutet, dass ab dem Zeitpunkt t = t2 nicht mehr die von der Ventilfeder 36 ausgeübte Federkraft über den Anschlag 32 auf den Magnetanker 30 wirkt, wodurch sich eine erfindungsgemäß ausgewertete Änderung der Beschleunigung des Magnetankers 30 ergibt.

[0041] Wie bereits vorstehend beschrieben, resultiert die zu dem Zeitpunkt t2 auftretende Änderung der Beschleunigung des Magnetankers 30 in einem Minimum Mu der ersten zeitlichen Ableitung u̇ der Aktorspannung u.

[0042] Dementsprechend kann unter Auswertung der ersten zeitlichen Ableitung u̇ durch das Steuergerät 22 (Figur 1) der tatsächliche hydraulische Schließzeitpunkt t2 des Einspritzventils 18a (Figur 2a) festgestellt werden.

[0043] Eine besonders präzise Detektion des lokalen Minimums Mu ist dann möglich, wenn in dem interessierenden Zeitbereich um den Schließzeitpunkt t2 herum ein durch die Magnetspule 26 fließender Aktorstrom auf einen vorgebbaren Wert, vorzugsweise einen konstanten Wert, insbesondere Null, eingeprägt wird.

[0044] Die zeitliche Ableitung u der Aktorspannung u kann zur Störungsunterdrückung und damit effizienteren Signalverarbeitung vor der Auswertung noch einer Filterung unterzogen werden, wobei es vorteilhaft sein kann, die Differentiation der Aktorspannung u und die Filterung des abgeleiteten Signals in einem Schritt vorzunehmen, z.B. durch Filterung des Spannungssignals u mittels eines Hochpassfilters.

[0045] Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann die die Beschleunigung des Magnetankers 30 charakterisierende Größe erfindungsgemäß auch in Abhängigkeit des durch die Magnetspule 26 fließenden Aktorstroms i gebildet werden. In diesem Fall wird als die Beschleunigung des Magnetankers 30 charakterisierende Größe die erste zeitliche Ableitung i̇ des Aktorstroms i verwendet.

[0046] Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Nadelhubs h, wie er bereits unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben worden ist. Zusätzlich zu dem Nadelhubverlauf h ist für den Zeitpunkt t2, zu dem die Ventilnadel 28 in ihrer Schließbewegung auf dem Ventilsitz 38 (Figur 2a) auftrifft, der Hubverlauf hA des Magnetankers 30 gestrichelt eingezeichnet, um zu verdeutlichen, dass sich der Magnetanker 30 nach dem Zeitpunkt t2 zunächst in Schließrichtung, das heißt in Figur 2b nach unten, weiterbewegt, bevor er auf den Anschlag 34 trifft.

[0047] Das Auftreffen des Magnetankers 30 auf dem Anschlag 34 erfolgt gemäß Figur 5 zu dem Zeitpunkt t3.

[0048] Figur 5 zeigt weiter schematisch einen Ausschnitt des zeitlichen Verlaufs der ersten zeitlichen Ableitung i des erfindungsgemäß betrachteten Aktorstroms i. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, weist die vorliegend als die Beschleunigung des Magnetankers 30 charakterisierende Größe verwendete erste zeitliche Ableitung i des Aktorstroms i ein lokales Maximum Mi beziehungsweise einen Knick zu dem Zeitpunkt t2 auf, zu dem die Ventilnadel 28 auf den Ventilsitz 38 auftrifft.

[0049] Daher kann das lokale Maximum Mi beziehungsweise der Knick zu dem Zeitpunkt t2 erfindungsgemäß als Kriterium für das tatsächliche hydraulische Schließen des Einspritzventils 18a analysiert und verwendet werden.

[0050] Eine besonders präzise Auswertung der ersten zeitlichen Ableitung i des Aktorstroms i ist wiederum dann möglich, wenn die an der Magnetspule 26 des elektromagnetischen Aktors 26, 30 anliegende Aktorspannung u auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere Null, eingeprägt wird.

[0051] Die zeitliche Ableitung i des Aktorstroms i kann zur Störungsunterdrückung und damit effizienteren Signalverarbeitung vor der Auswertung noch einer Filterung unterzogen werden, wobei es vorteilhaft sein kann, die Differentiation des Aktorstroms i und die Filterung des abgeleiteten Signals in einem Schritt vorzunehmen, z.B. durch Filterung des Stromsignals i mittels eines Hochpassfilters.

[0052] Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors 26, 30 erfasst und einem Beobachterglied zugeführt, das den elektromagnetischen Aktor 26, 30 ohne Berücksichtigung der Rückwirkung einer Ankerbewegung auf elektrische Betriebsgrößen des elektromagnetischen Aktors nachbildet, wobei das Beobachterglied eine beobachtete zweite elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors ermittelt. Die beobachtete zweite elektrische Betriebsgröße wird erfindungsgemäß mit einer erfassten zweiten elektrischen Betriebsgröße verglichen und die die Beschleunigung charakterisierende Größe wird in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ermittelt.

[0053] Figur 6 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des magnetischen Aktors 26, 30 (Figur 2a), wobei mit dem Bezugszeichen 46 ein Hauptstrompfad und mit dem Bezugszeichen 48 ein Wirbelstrompfad bezeichnet ist. Der Widerstand R_s repräsentiert hierbei einen Serienwiderstand der Magnetspule 26 (Figur 2a). Die induktiven Elemente L_h, L_o repräsentieren die jeweilige Induktivität des Hauptstrompfades 46 und des Wirbelstrompfades 48. Der Widerstand R_w* repräsentiert einen Ohmwiderstand des Wirbelstrompfads 48.

[0054] Durch den Hauptstrompfad fließt der Strom im, während durch den Wirbelstrompfad 48 der Strom i_w* fließt. Die Ströme i_m, i_w* ergeben zusammen den Ansteuerstrom i, mit dem der elektromagnetische Aktor 26, 30 durch das Steuergerät 22 beaufschlagt wird. An den Klemmen des elektromagnetischen Aktors 26, 30 liegt wie bereits beschrieben die Aktorspannung u an.

[0055] Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild, das die Funktion des vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 6 beschriebenen Ersatzschaltbilds realisiert.

[0056] Der Wirbelstrompfad 48 wird in dem Blockschaltbild gemäß Figur 7 durch einen nicht näher bezeichneten Integrierer mit der Zeitkonstante T_σ und ein ihm zugeordnetes Proportionalglied mit der Verstärkung K_Rw repräsentiert.

[0057] Der Hauptstrompfad 46 wird in dem Blockdiagramm gemäß Figur 7 durch den nicht näher bezeichneten Integrierer mit der Zeitkonstante T_h und ein diesem Integrierer zugeordnetes Proportionalglied mit der Verstärkung K_Rs repräsentiert.

[0058] Figur 8 zeigt eine Struktur des erfindungsgemäßen Beobachterglieds 56, dem eingangsseitig wie bereits beschrieben die Aktorspannung u zugeführt wird, und das an seinem Ausgang einen beobachteten Aktorstrom ib ausgibt. Durch den Addiererer 58 wird ein Vergleich zwischen dem beobachteten Aktorstrom ib und dem beispielsweise messtechnisch erfassten tatsächlichen Aktorstrom i durchgeführt, der auf das Vergleichsergebnis Δib führt. Das Vergleichsergebnis Δib wird wie aus Figur 8 ersichtlich dem Rückkoppelglied 60 zugeführt, das daraus eine Ausgangsgröße u_korr bildet, die über den Addierer 62 von der erfassten Aktorspannung u subtrahiert wird.

[0059] Das Rückkoppelglied 60 kann beispielsweise als Proportionalglied, als Proportional-Integral-Glied oder auch als Rückkoppelglied höherer Ordnung und/oder komplexerer Struktur ausgebildet sein.

[0060] Durch die Subtraktion der Ausgangsgröße u_korr erfolgt eine Nachführung des mittels des Beobachterglieds 56 beobachteten Stroms ib zu dem messtechnisch erfassten Strom i hin. Da der Unterschied zwischen dem realen elektromagnetischen Aktor 26, 30 und der in Figur 8 abgebildeten Nachbildung einer entsprechenden Regelstrecke in dem Beobachterglied 56 in einer fehlenden Rückwirkung der Ankerbewegung besteht, bildet die Ausgangsgröße u_korr exakt diese Rückwirkung nach, wobei diese Rückwirkung eine Proportionalität zu der Geschwindigkeit des Magnetankers 30 aufweist. Zu dem Zeitpunkt des Schließens des Einspritzventils 18a (Figur 2a) kommt es wie bereits beschrieben nicht zu einer abrupten Veränderung der Geschwindigkeit des Magnetankers 30, sondern nur der Ventilnadel 28.

[0061] Zu dem Zeitpunkt des Ventilschließens ergibt sich jedoch eine verhältnismäßig starke Änderung der ersten zeitlichen Ableitung der Ausgangsgröße u_korr.

[0062] Untersuchungen der Anmelderin zufolge wird der Gradient der Ausgangsgröße u_korr zu dem Schließzeitpunkt t2 (Figur 4) üblicherweise einem Vorzeichenwechsel unterworfen, wodurch es zu einem Extremum in dem zeitlichen Verlauf der Ausgangsgröße u_korr kommt. Dieses Extremum wird erfindungsgemäß detektiert und als Signal für den Schließzeitpunkt t2 des Einspritzventils 18a herangezogen.

[0063] Durch eine entsprechende Parametrierung des Rückkoppelglieds 60 (Figur 8) kann das Übertragungsverhalten zwischen der Geschwindigkeit des Magnetankers 30 und der Ausgangsgröße u_korr beeinflusst werden. Insbesondere kann hierdurch eine Filterung von Störsignalen durchgeführt werden, wodurch sich eine noch präzisere Auswertung ergibt.

[0064] Das unter Bezugnahme auf die Figuren 6, 7, 8 beschriebene Verfahren arbeitet vorteilhaft unabhängig von einem tatsächlichen Aktorstrom i, einer Aktorspannung u oder einer Einprägung einer oder beider dieser Größen und insbesondere auch unabhängig von einem gegebenenfalls vorhandenen Wirkzusammenhang zwischen den beiden Größen u, i.

[0065] Anstelle der Ausgangsgröße u_korr des Rückkoppelglieds 60 kann auch eine innere Größe des Rückkoppelglieds 60 zur Detektion des Schließzeitpunkts t2 (Figur 4) verwendet werden. Sofern das Rückkoppelglied 60 beispielsweise als Proportional-Integral-Glied ausgebildet ist, kann anstelle der Ausgangsgröße u_korr beispielsweise auch allein der Integralanteil der Rückkoppelgröße verwendet werden.

[0066] Sofern weniger hohe Anforderungen an die Signifikanz des Ausgangssignals u_korr hinsichtlich des Schließzeitpunkts t2 gestellt werden, kann der Streupfad 48 des in Figur 6 abgebildeten Ersatzschaltbilds auch vernachlässigt werden, wodurch sich eine einfachere Auswertung ergibt.

[0067] Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, mehrere unterschiedliche Wirbelstrompfade mit jeweils abweichender Kommutierungsinduktivität zu der Magnetspule 26 zu berücksichtigen. Hierzu können in dem Blockdiagramm gemäß Figur 7 zusätzlich zu dem Hauptstrompfad 48 weitere Strompfade parallel geschaltet werden, die jeweils über unterschiedliche Integrator- und Rückkoppelglied-Parameter verfügen können.

[0068] Darüber hinaus ist es auch möglich, nichtlineare Zusammenhänge zwischen den betrachteten Größen in dem erfindungsgemäß verwendeten Beobachterglied 56 (Figur 8) zu berücksichtigen, wodurch Sättigungs- und Hystereseeffekten eines realen magnetischen Kreisen beziehungsweise elektromagnetischen Aktors 26, 30 Rechnung getragen werden kann.

[0069] Neben der Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zur Schließzeitdetektion bei solchen Einspritzventilen 18a, die ein komplexes Massensystem 28, 30 zur Ventilbetätigung aufweisen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Schließzeitdetektion bei herkömmlichen Einspritzventilen mit einer starren Kopplung zwischen dem elektromagnetischen Aktor und der Ventilnadel.

[0070] Das unter Bezugnahme auf Figur 8 beschriebene Beobachterglied 56 kann sowohl digital als auch analog ausgeführt sein und wird bevorzugt in einer Recheneinheit des Steuergeräts 22 (Figur 1) implementiert.

[0071] Neben der präzisen Detektion des Schließzeitpunkts t2 (Figur 4) ermöglicht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren auch die Erkennung anderer Betriebszustände beziehungsweise Zustandsübergänge des Einspritzventils 18a (Figur 2a), die mit einer entsprechend charakteristischen Änderung der Beschleunigung des Magnetankers 30 einhergehen.

[0072] Alternativ oder ergänzend zu der vorstehend beschriebenen Betrachtung von lokalen Extrema der die Beschleunigung charakterisierenden Größen ist es ferner möglich, einen zeitlichen Verlauf der die Beschleunigung charakterisierenden Größen mit einem vorgegebenen Referenzverlauf zu vergleichen oder auch weitere Merkmale, wie beispielsweise einen Knick im zeitlichen Verlauf oder dergleichen, zu identifizieren.

[0073] Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäß erhaltenen Informationen zur Regelung eines Betriebs der Einspritzventile 18a, ...18d verwendet.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils (18a) einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Ventilnadel (28) des Einspritzventils (18a) mittels eines elektromagnetischen Aktors (26, 30) angetrieben wird, und in Abhängigkeit mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors (26, 30) eine die Beschleunigung eines Magnetankers (30) des elektromagnetischen Aktors, charakterisierende Größe gebildet wird, und in Abhängigkeit der die Beschleunigung charakterisierenden Größe auf einen Betriebszustand des Einspritzventils (18a) geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (28), bevorzugt in einer Schließrichtung der Ventilnadel, federkraftbeaufschlagt ist, dass der Magnetanker (30) so mit der Ventilnadel (28) verbunden ist, dass der Magnetanker (30) bezogen auf eine Bewegungsrichtung der Ventilnadel (28) mit einem nichtverschwindenden mechanischen Spiel relativ zu der Ventilnadel (28) bewegbar ist, und dass aus einem charakteristischen Merkmal der die Beschleunigung des Magnetankers (30) charakterisierenden Größe darauf geschlossen wird, dass sich der Magnetanker (30) von der Ventilnadel (28) löst.

2. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors (26, 30) eine an einer Magnetspule (26) des elektromagnetischen Aktors (26, 30) anliegende Aktorspannung (u) verwendet wird, und dass als die Beschleunigung des Magnetankers (30) charakterisierende Größe die erste zeitliche Ableitung (u̇) der Aktorspannung (u) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Auftreten eines lokalen Minimums (Mu) der ersten zeitlichen Ableitung (u̇) der Aktorspannung (u) darauf geschlossen wird, dass sich der Magnetanker (30) von der Ventilnadel (28) löst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Magnetspule (26) fließender Aktorstrom (i) auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere Null, eingeprägt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors (26, 30) ein durch eine Magnetspule (26) des elektromagnetischen Aktors (26, 30) fließender Aktorstrom (i) verwendet wird, und dass als die Beschleunigung des Magnetankers (30) charakterisierende Größe die erste zeitliche Ableitung (t) des Aktorstroms (i) gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Auftreten eines lokalen Maximums (Mi) der ersten zeitlichen Ableitung (t) des Aktorstroms (i) darauf geschlossen wird, dass sich der Magnetanker (30) von der Ventilnadel (28) löst.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Magnetspule (26) des elektromagnetischen Aktors (26, 30) anliegende Aktorspannung (u) auf einen vorgebbaren Wert, insbesondere Null, eingeprägt wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste elektrische Betriebsgröße (u) des elektromagnetischen Aktors (26, 30) erfasst und einem Beobachterglied (56) zugeführt wird, das den elektromagnetischen Aktor (26, 30) ohne Berücksichtigung der Rückwirkung einer Ankerbewegung auf elektrische Betriebsgrößen (u, i) des elektromagnetischen Aktors (26, 30) nachbildet, wobei das Beobachterglied (56) eine beobachtete zweite elektrische Betriebsgröße (ib) des elektromagnetischen Aktors (26, 30) ermittelt, dass die beobachtete zweite elektrische Betriebsgröße (ib) mit einer erfassten zweiten elektrischen Betriebsgröße (i) verglichen wird, und dass die die Beschleunigung charakterisierende Größe (ukorr) in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses (Δib) ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste zeitliche Ableitung (u̇) der Aktorspannung (u) und/oder die erste zeitliche Ableitung (t) des Aktorstroms (i), insbesondere vor einer weiteren Auswertung, einer Filterung durch ein Filterglied unterzogen wird, wobei eine Bildung der ersten zeitlichen Ableitung (u̇,t) und die Filterung bevorzugt in einem Schritt erfolgen, beispielsweise mittels einer Hochpassfilterung.

10. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.

11. Elektronisches oder optisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (22) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 abgespeichert ist.

12. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (22) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

Claims

1. Method for operating an injection valve (18a) of an internal combustion engine (10) of a motor vehicle, in which a valve needle (28) of the injection valve (18a) is driven by means of an electromagnetic actuator (26, 30), and a variable which characterizes the acceleration of a magnet armature (30) of the electromagnetic actuator is formed as a function of at least one electrical operating variable of the electromagnetic actuator (26, 30), and an operating state of the injection valve (18a) is determined as a function of the variable which characterizes the acceleration, characterized in that spring force is preferably applied to the valve needle (28) in a closing direction of the valve needle, in that the magnet armature (30) is connected to the valve needle (28) in such a way that the magnet armature (30) can be moved relative to the valve needle (28) with a non-diminishing mechanical play in relation to a direction of movement of the valve needle (28), and in that from a characteristic feature of the variable which characterizes the acceleration of the magnetic armature (30) it is determined that the magnetic armature (30) becomes detached from the valve needle (28).

2. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an actuator voltage (u) which is applied to a solenoid (26) of the electromagnetic actuator (26, 30) is used as an electrical operating variable of the electromagnetic actuator (26, 30), and in that the first time derivative (u̇) of the actuator voltage (u) is formed as variable which characterizes the acceleration of the magnetic armature (30).

3. Method according to Claim 2, characterized in that from the occurrence of a local minimum (Mu) of the first time derivative (u̇) of the actuator voltage (u) it is determined that the magnetic armature (30) becomes detached from the valve needle (28).

4. Method according to Claim 3, characterized in that an actuator current (i) which flows through the solenoid (26) is impressed on a predefined value, in particular zero.

5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an actuator current (i) which flows through a solenoid (26) of the electromagnetic actuator (26, 30) is used as an electrical operating variable of the electromagnetic actuator (26, 30), and in that the first time derivative (t) of the actuator current (i) is formed as variable which characterizes the acceleration of the magnet armature (30).

6. Method according to Claim 5, characterized in that from the appearance of a local maximum (Mi) of the first time derivative (t) of the actuator current (i) it is determined that the magnet armature (30) becomes detached from the valve needle (28).

7. Method according to Claim 6, characterized in that an actuator voltage (u) which is applied to the solenoid (26) of the electromagnetic actuator (26, 30) is impressed on a predefinable value, in particular zero.

8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a first electrical operating variable (u) of the electromagnetic actuator (26, 30) is acquired and is fed to an observer element (56) which models the electromagnetic actuator (26, 30) without taking into account the reaction of an armature movement on electrical operating variables (u, i) of the electromagnetic actuator (26, 30), wherein the observer element (56) obtains an observed second electrical operating variable (ib) of the electromagnetic actuator (26, 30), in that the observed second electrical operating variable (ib) is compared with an acquired second electrical operating variable (i), and in that the variable (ukorr) which characterizes the acceleration is obtained as a function of the comparison result (Δib).

9. Method according to one of Claims 3 to 8, characterized in that the first time derivative (u) of the actuator voltage (u) and/or the first time derivative (t) of the actuator current (i) is subjected to filtering by a filter element, in particular before a further evaluation, wherein formation of the first time derivative (u, t) and the filtering are preferably carried out in one step, for example by means of a high-pass filtering.

10. Computer program, characterized in that it is programmed for use in a method according to one of the preceding claims.

11. Electronic or optical storage medium for an open-loop and/or closed-loop control device (22) of an internal combustion engine (10), characterized in that a computer program for use in a method in Claims 1 to 10 is stored in said storage medium.

12. Open-loop and/or closed-loop control device (22) for an internal combustion engine (10), characterized in that it is designed for use in a method according to one of Claims 1 to 10.

Revendications

1. Procédé de mise en fonctionnement d'une soupape d'injection (18a) d'un moteur à combustion interne (10) d'un véhicule automobile, dans lequel un pointeau de soupape (28) de la soupape d'injection (18a) est entraîné au moyen d'un actionneur électromagnétique (26, 30), et une grandeur caractérisant l'accélération d'une armature (30) de l'actionneur électromagnétique est établie en fonction d'au moins un paramètre électrique de l'actionneur électromagnétique (26, 30), et un état de fonctionnement de la soupape d'injection (18a) est déduit en fonction de la grandeur caractérisant l'accélération, caractérisé en ce que le pointeau de soupape (28) est soumis à une force de ressort, de préférence dans une direction de fermeture du pointeau de soupape, en ce que l'armature (30) est reliée au pointeau de soupape (28) de manière à ce que l'armature (30) soit mobile par rapport à une direction de mouvement du pointeau de soupape (28) avec un jeu mécanique non amorti par rapport au pointeau de soupape (28), et en ce qu'il est déduit, à partir d'une caractéristique de la grandeur caractérisant l'accélération de l'armature (30), que l'armature (30) se sépare du pointeau de soupape (28).

2. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une tension d'actionneur (u) appliquée à une bobine d'induction (26) de l'actionneur électromagnétique (26, 30) est utilisée en tant que paramètre électrique de l'actionneur électromagnétique (26, 30), et en ce que la dérivée première par rapport au temps (ü) de la tension d'actionneur (u) est établie en tant que grandeur caractérisant l'accélération de l'armature (30).

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est déduit, à partir de l'apparition d'un minimum local (Mu) de la dérivée première par rapport au temps (ü) de la tension d'actionneur (u), que l'armature (30) se sépare du pointeau de soupape (28).

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un courant d'actionneur (i) passant à travers la bobine d'induction (26) est fixé à une valeur pouvant être prédéterminée, notamment zéro.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un courant d'actionneur (i) passant à travers une bobine d'induction (26) de l'actionneur électromagnétique (26, 30) est utilisé en tant que paramètre électrique de l'actionneur électromagnétique (26, 30), et en ce que la dérivée première par rapport au temps (ï) du courant d'actionneur (i) est établie en tant que grandeur caractérisant l'accélération de l'armature (30).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est déduit, à partir de l'apparition d'un maximum local (Mi) de la dérivée première par rapport au temps (ï) du courant d'actionneur (i), que l'armature (30) se sépare du pointeau de soupape (28).

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une tension d'actionneur (u) appliquée à la bobine d'induction (26) de l'actionneur électromagnétique (26, 30) est fixée à une valeur pouvant être prédéterminée, notamment zéro.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un premier paramètre électrique (u) de l'actionneur électromagnétique (26, 30) est détecté et est délivré à un élément observateur (56) qui représente l'actionneur électromagnétique (26, 30) sans prise en compte de la rétroaction d'un mouvement de l'armature sur des paramètres électriques (u, i) de l'actionneur électromagnétique (26, 30), dans lequel l'élément observateur (56) détermine un deuxième paramètre électrique observé (ib) de l'actionneur électromagnétique (26, 30), en ce que le deuxième paramètre électrique observé (ib) est comparé à un deuxième paramètre électrique détecté (i), et en ce que la grandeur caractérisant l'accélération (ukorr) est déterminée en fonction du résultat de la comparaison (Δib).

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la dérivée première par rapport au temps (ü) de la tension d'actionneur (u) et/ou la dérivée première par rapport au temps (ï) du courant d'actionneur (i), notamment avant une autre évaluation, est soumise à un filtrage par un élément filtrant, dans lequel un calcul de la dérivée première par rapport au temps (ü,ï) et le filtrage s'effectuent de préférence en une étape, par exemple au moyen d'un filtrage passe-haut.

10. Programme d'ordinateur, caractérisé en ce qu'il est programmé pour une utilisation dans un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.

11. Support de stockage électronique ou optique destiné à un dispositif de commande et/ou de régulation (22) d'un moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce qu'un programme d'ordinateur destiné à une utilisation dans un procédé selon les revendications 1 à 10 est stocké sur celui-ci.

12. Dispositif de commande et/ou de régulation (22) destiné à un moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce qu'il est réalisé pour une utilisation dans un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.

Zeichnung