DE102009000132A1

DE102009000132A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems

Info

Publication number: DE102009000132A1
Application number: DE200910000132
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Ruben Schlueter; Jens Neuberg; Helerson Kemmer; Holger Rapp; Haris Hamedovic; Joerg Koenig; Anh-Tuan Hoang; Bernd Wichert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-15
Also published as: CN102272436B; WO2010079027A1; CN102272436A; EP2386021B1; EP2386021A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, bei dem Kraftstoff von einem elektromagnetisch betätigten Einspritzventil (1) in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt, und bei dem mindestens zweitweise die Bewegung eines Ventilelements (3) des Einspritzventils (1) durch einen elektromagnetischen Bremsimpuls (16) beeinflusst wird. Eine Schließverzugszeit des Einspritzventils (1) oder eine entsprechende Größe wird ermittelt und die ermittelte Schließverzugszeit oder die entsprechende Größe wird zur Bestimmung mindestens eines Parameters des Bremsimpulses (16) verwendet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
Vom Markt her sind Kraftstoffeinspritzsysteme für Kraftfahrzeuge bekannt, mit denen Benzin von Einspritzventilen direkt in jeweilige Brennräume eingespritzt wird. Solche Einspritzventile verfügen über ein Ventilelement (Ventilnadel), die von einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung, die im Wesentlichen eine Magnetspule und einen Magnetanker umfasst, betätigt wird. Bei sehr schnell schaltenden Einspritzventilen, wie sie z. B. zur Steuerung von Common-Rail-Einspritzventilen zur Dieseleinspritzung oder in Benzin-Direkteinspritzventilen vorkommen, verursacht das Ventilschließen ein wahrnehmbares Geräusch. Hauptursache hierfür ist das schnelle Einschlagen des Ventilelements in den zugehörigen Sitz des Einspritzventils. Die DE 101 48 218 A1 schlägt vor, zum Abbremsen des Ventilelements vor dem Erreichen des Ventilsitzes einen kurzen Bremsimpuls zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, bei dem das Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere beim Schließen des Einspritzventils, besonders geräuscharm arbeitet, ohne dass dies zu Lasten einer Zumessgenauigkeit des Einspritzventils geht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst, sowie durch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Der Bremsimpuls bewirkt den Aufbau einer bremsenden Kraft und ermöglicht so ein sanftes Aufsetzen des Ventilelements in den Sitz. Dabei resultiert der Bremsimpuls üblicherweise aus einem Bremsstromimpuls in der Magnetspule. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Einspritzventile eine unterschiedliche Schließdynamik (auf Grund von Exemplarstreuungen bspw. einer Schließfederkraft, eines Ventilnadelhubs oder eines Magnetkraftverlaufs) aufweisen und daher unterschiedlich auf den Bremsstromimpuls reagieren. So erfolgt der Aufbau des Bremsstromimpulses bei Einspritzventilen mit einer eher langen Schließverzugszeit noch bei vergleichsweise großem Ventilnadelhub und entsprechend geringer Ventilelementgeschwindigkeit. Bei Einspritzventilen mit einer geringen Schließverzugszeit zum Zeitpunkt des Bremskraftaufbaus weist das Ventilelement schon einen erheblichen Impuls (hohe Ventilelementgeschwindigkeit) auf und würde in Folge dessen bei gleichem Bremsstromimpuls nur gering abgebremst werden können. Außerdem kann die Schließverzugszeit vom Betriebspunkt der Einspritzventile abhängen. Dies alles beeinflusst die Ventilöffnungsdauer, was dazu führt, dass derselbe Bremsstromimpuls exemplarabhängig Schwankungen der Kraftstoff-Einspritzmenge verursachen kann.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schließgeschwindigkeit des Einspritzventils derart verändert, dass das Ventilelement zuverlässig und weitgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen und dem aktuellen Betriebspunkt mit reduzierter Geschwindigkeit am Ventilsitz des Kraftstoffeinspritzventils aufsetzen kann. Anstatt der Anwendung der Schließverzugszeit zur Ermittlung der Soll-Einspritzmenge ist auch die Anwendung anderer Betriebsgrößen denkbar, wie bspw. die Ventilöffnungsdauer oder eine elektrische Größe zum Betätigen des Ventilelements. Das Verfahren kann für einteilige und mehrteilige Magnetanker angewandt werden.
Zur Ermittlung der Schließverzugszeit sind bereits unterschiedliche Verfahren bekannt. So kann bspw. der Zeitpunkt des tatsächlichen Schließens des Ventilelements durch Körperschallmessungen detektiert werden und anschließend mit dem Zeitpunkt eines Abschaltens eines Ansteuersignals zur Betätigung des Ventilelements verglichen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert somit das störende Geräusch beim Einschlagen des Ventilelements in den Sitz und gewährleistet die geforderte Zumessgenauigkeit.
Besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren ist, wenn der/die Parameter des Bremsimpulses eine zeitliche Lage, eine Dauer und/oder eine Amplitude ist/sind. So kann bspw. der Bremsstromimpuls bei Einspritzventilen mit kurzer Schließverzugszeit zeitlich näher am Ansteuerende liegen und mit einer höheren Amplitude in die Magnetspule des Einspritzventils eingeprägt werden als bei Einspritzventilen mit einer langen Schließverzugszeit. Die genannten Paramater bieten die Möglichkeit einer sehr exakten Auslegung des Bremsimpulses.
Um die geforderte Zumessgenauigkeit zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn unter Verwendung der Schließverzugszeit oder der entsprechenden Größe und des mindestens einen Parameters des Bremsimpulses eine Ventilöffnungsdauer oder eine entsprechende Größe ermittelt wird.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Ventilöffnungsdauer oder die entsprechende Größe abhängig von einer Soll-Einspritzmenge eingestellt wird. Damit ist es möglich, dass die durch den Bremsstromimpuls beeinflusste Ventilöffnungsdauer (oder der entsprechenden Größe) einem Regler zugeführt und mit einem bekannten Verfahren auf einen von der Soll-Einspritzmenge abhängigen Sollwert der Ventilöffnungsdauer eingestellt wird. Durch die Kombination des Ermittelns des geeigneten Bremsstromimpulses mit der Ventilöffnungsdauerregelung wird eine Rückwirkung des Bremsimpulses auf den Schließzeitpunkt vorteilhafterweise kompensiert und die Zumessgenauigkeit bleibt erhalten bzw. wird sogar noch verbessert.
Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung des Bremsimpulses besteht darin, dass eine positive Spannung an die Magnetspule des elektromagnetisch betätigten Einspritzventils angelegt wird. Hierdurch wird die während des Schließvorgangs bereits im Abklingen befindliche Magnetkraft zu einem von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung festgelegten Zeitpunkt wieder erhöht und dadurch eine Bremskraft für das Einspritzventil aktiv aufgebaut. Die positive Spannung kann dabei wahlweise aus dem Bordnetz oder von einem auf ein höheres Spannungsniveau aufgeladenen Boostkondensator abgegriffen werden.
Alternativ kann der Bremsimpuls auch erzeugt werden, indem die Magnetspule des elektromagnetisch betätigten Einspritzventils kurzgeschlossen wird. Das Kurzschließen entspricht schaltungstechnisch einem Freilauf der Endstufe der Steuer- und/oder Regeleinrichtung. Dabei kommutieren Wirbelströme aus dem Kern der Magnetspule und dem Magnetanker zurück in die Magnetspule. Es wird keine zusätzliche Magnetkraft aufgebaut, sondern der Kraftabbau wird ausgehend von einem momentan vorherrschenden Magnetkraftniveau erheblich verlangsamt. So ist bspw. die Wirkung des Bremsstroms auf die Ankerbewegung um so größer, je früher nach dem Ansteuerende die Magnetspule kurzgeschlossen wird.
Zur Ermittlung der Schließverzugszeit ist bspw. die Detektion des Schließzeitpunktes nötig. Dabei kann der Schließzeitpunkt (oder die entsprechende Größe) ermittelt werden, indem der Schließzeitpunkt auf der Basis eines Verlaufs einer Spannung an der Magnetspule ermittelt wird. Der Bremsstromimpuls ist zum Zeitpunkt des Magnetankerschließens bereits beendet, so dass die Detektion des Schließzeitpunktes über den Verlauf der Spannung an der Magnetspule erfolgen kann, die zum Zeitpunkt des Magnetankerschließens noch wirksam und damit messbar ist.
Alternativ hierzu kann der Schließzeitpunkt (oder die entsprechende Größe) ermittelt werden, indem der Schließzeitpunkt auf der Basis eines Verlaufs des Stroms in der Magnetspule ermittelt wird, da der Bremsstrom zum Zeitpunkt des Schließens des Magnetankers noch wirksam und damit messbar ist.
In einer weiteren Alternative kann der Schließzeitpunkt (oder die entsprechende Größe) ermittelt werden, indem der Schließzeitpunkt unter Verwendung eines Streckenbeobachters ermittelt wird. Unabhängig von der Dauer des Bremsstromimpulses kann eine Bestimmung des Schließzeitpunkts über den Streckenbeobachter erfolgen, wobei der Streckenbeobachter eine erfasste elektrische Größe (z. B. die Magnetspulenspannung) mit einer anderen zu beobachtenden elektrischen Größe (z. B. Magnetspulenstrom) zumindest indirekt vergleicht und daraus Schlüsse über den Schließzeitpunkt ziehen kann.
Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff-Einspritzventils im Vertikalschnitt;
2 ein stark vereinfachter Strom- und Ventilnadelhubverlauf des Kraftstoff-Einspritzventils aus 1 mit und ohne Bremsimpuls; und
3 eine Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung
In 1 trägt ein Kraftstoff-Einspritzventil insgesamt das Bezugszeichen 1. Es kann bspw. in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Common-Rail zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eingebaut sein (nicht dargestellt). Es umfasst eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 2 und eine ein Ventilelement bildende Ventilnadel 3, die mit einem Ventilsitz 4 zusammenwirkt. Ein um die Ventilnadel 3 angeordnetes Federelement 5 drückt mit seiner Federkraft die Ventilnadel 3 in den Ventilsitz 4. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 2 umfasst einen Magnetanker 6, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Ventilnadel 3 fest verbunden ist, und eine Magnetspule 7. Die Magnetspule 7 wird durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 8 und eine nicht dargestellte Endstufe bestromt.
Für den Betrieb des elektromagnetischen Einspritzventils 1 wird durch Bestromen der Magnetspule 7 ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das einen magnetischen Werkstoff aufmagnetisiert. Dadurch wird der Magnetanker 6 angezogen, der die mit ihm verbundene Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 4 anhebt. So werden Austrittsöffnungen (nicht dargestellt) des Einspritzventils 1 freigegeben, durch die der Kraftstoff zu einer Einspritzung austreten kann. Der Vollständigkeit wegen sei erwähnt, dass die Ventilnadel und der Magnetanker auch zweiteilig ausgeführt sein kann (nicht dargestellt).
2 zeigt in einem oberen Diagramm einen zeitlichen Verlauf eines Ansteuerstroms I und in einem unteren Diagramm einen dadurch bewirkten Hub H der Ventilnadel 3. Der Verlauf des Ansteuerstroms I zeigt einen zunächst raschen Anstieg (vgl. Bezugszeichen 10) des Stroms I, der dann über einen gewissen Zeitraum konstant gehalten wird, um dann etwa um die Hälfte abzusinken (vgl. Bezugszeichen 12). Dieses Stromniveau wird bis zum Ende der Ansteuerdauer t_i gehalten. Am Ende der Ansteuerdauer t_i wird der Strom abgeschaltet (vgl. Bezugszeichen 14). Im Bereich des Abschaltens des Stroms I sind zwei Szenarien dargestellt, wobei das erste Szenario durch eine durchgezogene und das zweite Szenario durch eine gepunktete Linie dargestellt und um eine Zeitspanne t_v zeitlich nach vorne versetzt ist. In jedem Szenario beginnt in einem zeitlichen Abstand t_x vom Ansteuerende ein kurzer Stromimpuls 16 bzw. 16', d. h. die Zeit t_x bestimmt die zeitliche Lage des Stromimpulses 16 vom Ansteuerende. Die Amplitude, die zeitliche Position und die Länge des Strom- bzw. Bremsimpulses sind hier beispielhaft dargestellt und können im reellen Betrieb abhängig von einer Ventilverzugszeit variieren. Eine nähere Beschreibung hierzu folgt weiter hinten.
Im unteren Diagramm ist zu erkennen, dass die Ventilnadel 3 des Einspritzventils 1 nach dem Beginn der Ansteuerung erst nach einer gewissen Öffnungsverzugszeit t₁₁ abhebt (vgl. Bezugszeichen 18). Hat die Ventilnadel 3 nach Ablauf der Zeit t₁ ihren Maximalhub erreicht, genügt zum Halten dieses Niveaus ein geringerer Strom I. Wird der Ansteuerstrom I am Ende der Ansteuerdauer t_i abgeschaltet, beginnt sich die Ventilnadel 3 nach einer Schließverzugszeit t₂₁ zu senken (Bezugszeichen 20). Während der Senkbewegung 20 setzt der Stromimpuls 16 (Bremsstromimpuls) ein, der die Senkgeschwindigkeit der Ventilnadel 3 dadurch mindert, dass durch ihn eine magnetische Kraft erzeugt wird, die entgegen der Senkbewegung der Ventilnadel 3 wirkt. Die Ventilnadel 3 senkt sich dabei sanft in den Ventilsitz 4, was zu einer gewünschten Geräuschreduktion führt. Ein Schließzeitpunkt wird allerdings verschoben, d. h. eine Ventilöffnungsdauer T_op ist damit um die Zeit t_a verlängert.
Ohne den Stromimpuls 16 hätte die Bewegung der Ventilnadel 3 einen (idealisiert dargestellten) Verlaufähnlich der gestrichelten Linie 22. Die Einspritzung wäre in der vorgesehenen Ventilöffnungsdauer T_op beendet. Erfindungsgemäß wird die Verlängerungszeit t_a durch einen Regelkreis ausgeregelt, so dass trotz der Wirkung des Bremsstromimpulses 16 die Soll-Ventilöffnungsdauer T_op eingehalten werden kann.
3 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäße Verfahrens. Der dargestellte Ablauf ist individuell für jedes Einspritzventil eines Kraftfahrzeugs in der Steuer- und Regeleinrichtung 8 anzuwenden. Das Verfahren funktioniert folgendermaßen: Die Steuer- und Regeleinrichtung 8 ermittelt in Schritt 50 einen Ansteuerbeginn und ein Ansteuerende zu einer Soll-Ventilöffnungsdauer T_op des Einspritzventils 1. Anschließend wird in Schritt 60 die individuelle Schließverzugszeit t₂₁ des Einspritzventils 1 ermittelt. Die Schließverzugszeit t₂₁ wird von Exemplarstreuungen, bspw. einer Schließfederkraft, einem Ventilnadelhub oder einem Magnetkraftverlauf beeinflusst.
In Schritt 70 werden durch Auswertung der Schließverzugszeit t₂₁ die zeitliche Lage (Zeitpunkt), die Dauer und die Amplitude des Bremsstromimpulses 16 ermittelt. Zum Beispiel erfolgt der Bremsstromimpuls 16 bei einem Einspritzventil 1 mit einer eher langen Schließverzugszeit t₂₁ noch bei vergleichsweise großem Ventilnadelhub H und entsprechend geringer Ventilnadelgeschwindigkeit. Es genügt also ein Bremsstromimpuls 16 mit kleiner Amplitude und kleiner Dauer. Bei einem Einspritzventil 1 mit einer geringen Schließverzugszeit t₂₁ weist die Ventilnadel 3 schnell eine hohe Geschwindigkeit auf und würde in Folge dessen bei gleichem Bremsstromimpuls 16 nur gering abgebremst werden können. Deshalb ist hier ein Bremsstromimpuls 16 mit hoher Amplitude und langer Dauer nötig. Die Schließverzugszeit t₂₁ ist darüber hinaus von einem Betriebspunkt des Einspritzventils 1 abhängig. Außerdem wird die zeitliche Lage t_x des Bremsstromimpulses 16 vom Ansteuerende festgelegt.
Der Bremsstromimpuls 16 hat eine Verlängerung der Ventilöffnungsdauer T_op zur Folge (siehe Zeit t_a). Um dies zu kompensieren, wird in Schritt 80 die durch den Bremsstromimpuls 16 ausgelöste verlängerte Ventilöffnungsdauer (T_op + t_a) durch einen Regelkreis auf den zuvor ermittelten Sollwert ausgeregelt. Das Resultat der Ausregelung ist in 3 gepunktet dargestellt. Dabei wird das Ansteuerende der Ventilnadel 3 um die ermittelte Zeit t_v vorverlegt (siehe oberes Diagramm). Das bedeutet, dass das Ansteuersignal und somit die Ansteuerdauer t_i verkürzt wird (siehe Flanke 14'). Da der Bremsstromimpuls 16 im zuvor ermittelten zeitlichen Abstand t_x zum Ansteuerende folgt, ist der Bremsstromimpuls 16' ebenfalls vorverlegt. Die Ansteuerdauer t_x ist dabei derart verkürzt, dass das Schließende der Ventilnadel 3 genau auf den ermittelten Zeitpunkt der Soll-Ventilöffnungsdauer T_op fällt. Damit ist die geforderte Zumessgenauigkeit erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10148218 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, bei dem Kraftstoff von einem elektromagnetisch betätigten Einspritzventil (1) in mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt, und bei dem mindestens zeitweise die Bewegung eines Ventilelements (3) des Einspritzventils (1) durch einen elektromagnetischen Bremsimpuls (16) beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließverzugszeit des Einspritzventils (1) oder eine entsprechende Größe ermittelt und die ermittelte Schließverzugszeit oder die entsprechende Größe zur Bestimmung mindestens eines Parameters des Bremsimpulses (16) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Parameter des Bremsimpulses (16) eine zeitliche Lage, eine Dauer und/oder eine Amplitude ist/sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der Schließverzugszeit oder der entsprechenden Größe und des mindestens einen Parameters des Bremsimpulses (16) eine Ventilöffnungsdauer oder eine entsprechende Größe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilöffnungsdauer oder die entsprechende Größe abhängig von einer Soll-Einspritzmenge eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsimpuls (16) durch aktives Anlegen einer positiven Spannung an einer Magnetspule (7) des elektromagnetisch betätigten Einspritzventils (1) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsimpuls (16) durch Kurzschließen einer Magnetspule (7) des elektromagnetisch betätigten Einspritzventils (1) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließverzugszeit oder die entsprechende Größe auf der Basis eines Verlaufs einer Spannung an der Magnetspule (7) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließverzugszeit oder die entsprechende Größe auf der Basis eines Verlaufs des Stroms in der Magnetspule (7) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließverzugszeit unter Verwendung eines Streckenbeobachters ermittelt wird.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (8) einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (8) für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 programmiert ist.