DE102009045309B4 - Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines Ventils - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines mittels eines Aktors (26, 30) betätigten Ventils (18a), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor (26, 30) mit einer eine Ansteuerdauer (ET) aufweisenden Ansteuergröße (I) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit eines Sollwerts (t2*) für eine Schließverzugszeit (t2) des Ventils (18a) gebildet wird, die eine zeitliche Differenz zwischen einem Ende (tET1) der Ansteuerdauer (ET) und einem Schließzeitpunkt (ts) des Ventils (18a) charakterisiert, wobei ein Istwert (t2ist) der Schließverzugszeit (t2) ermittelt, insbesondere messtechnisch erfasst, wird, eine Regeldifferenz (Δt2, Δt) zwischen dem Sollwert (t2*) und dem Istwert (t2ist) für die Schließverzugszeit (t2) gebildet wird, und der Sollwert (ET*) für die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit der Regeldifferenz (Δt2) modifiziert wird.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mittels eines Aktors betätigten Ventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor mit einer eine Ansteuerdauer aufweisenden Ansteuergröße angesteuert wird.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.
• Verfahren und Steuergeräte der vorstehend genannten Art kommen beispielsweise bei Hochdruck-Einspritzventilen für eine Benzin-Direkteinspritzung zum Einsatz, bei denen eine Bewegung einer Ventilnadel beispielsweise durch das Bestromen eines Magnetkreises gesteuert wird. Der Magnetkreis ist Bestandteil eines elektromagnetischen Aktors, der unter Bestromung eine Magnetkraft auf die Ventilnadel ausübt. Gängige Typen von Hochdruckeinspritzventilen sind so ausgelegt, dass die Bestromung der Magnetspule des elektromagnetischen Aktors ein Öffnen des Einspritzventils, das heißt ein Abheben der Ventilnadel au ihrer Schließlage und ein anschließendes Halten der Ventilnadel an eine ihrer Öffnungslage entsprechenden Hubanschlag bewirkt. Mit dem Bestomungsende erfolgt zunächst in an sich bekannter Weise ein schneller Abbau der Magnetkraft, sodass eine die Ventilnadel in Schließrichtung federkraftbeaufschlagende Schließfeder die Ventilnadel au ihre Schließlage hin beschleunigt. Der Schließvorgang endet, wenn die Ventilnad ihrer Ventilsitz erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wirkt die Schließfederkraft nicht mehr beschleunigend auf die Ventilnadel, sondern allein als Dichtkraft, die die Ventilnadel auf Ihren Ventilsitz überträgt.
• Neben dem Flugverlauf der Ventilnadel und der Hubdrosselkurve des Ventils wird die bei dem vorstehend beschriebenen Ansteuervorgang eingespritzte Kraftstoffmenge hauptsächlich von einer Öffnungsdauer des Ventils bestimmt, also von dem Zeitintervall zwischen dem Abheben der Ventilnadel aus ihrer Schließlage und dem Wiedererreichen ihrer Schließlage.
• Üblicherweise ist aber die hydraulische Öffnungsdauer des Ventils nicht direkt in einem das Ventil steuernden Steuergerät bekannt, sondern lediglich eine Ansteuerdauer des die Ventilnadel antreibenden Aktors. Zwischen einem Beginn der Ansteuerdauer und dem tatsächlichen hydraulischen Öffnen des Einspritzventils liegt eine sogenannte Öffnungsverzugszeit, und zwischen einem Ende der Ansteuerdauer und dem tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt des Einspritzventils liegt die sogenannte Schließverzugszeit.
• Diese Verzugszeiten des Ventils sind nicht bekannt, sondern hängen vielmehr von Betriebs- und Einstellparametern des Ventils und weiteren Randbedingungen ab. Insbesondere bei sehr kurzen gewünschten Öffnungsdauern des Ventils, bei denen die Ventilnadel einen ihrer vollständigen Öffnungsposition entsprechenden Hubanschlag gar nicht erreicht, sondern vielmehr eine ballistische Trajektorie vollführt, ist die Zumessgenauigkeit der herkömmlichen Systeme unzureichend.
• Aus der DE 10 2007 062 279 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bekannt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge hängt von der Einspritzdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ab. Dabei wird als Regelgröße der zeitliche Abstand zwischen einem Ansteuerende und dem Ist-Einspritzende verwendet. Diese Größe, die einer Ventilelementschließdauer entspricht, wird durch Verschieben des Ansteuerbeginns so eingeregelt, dass die Differenz zwischen einem Ist-Einspritzende und einem Soll-Einspritzende minimal ist.
• Die DE 10 2005 002 242 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Dabei werden der Spritzbeginn und das Spritzende jeweils auf einen Sollwert geregelt.
• Offenbarung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung verbessert Verfahren und Steuergeräte der eingangs genannten Art dahingehend, dass eine präzisere Einspritzung möglich ist.
• Dies wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ansteuerdauer in Abhängigkeit eines Sollwerts für eine Schließverzugszeit des Ventils gebildet wird, die eine zeitliche Differenz zwischen einem Ende der Ansteuerdauer und einem Schließzeitpunkt des Ventils charakterisiert.
• Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Berücksichtigung des Sollwerts für die Schließverzugszeit eine präzisiere Zumessung eines einzuspritzenden Fluids ermöglicht, insbesondere auch in einem Betriebsbereich des Einspritzventils, in dem die Ventilnadel eine im Wesentlichen ballistische Trajektorie vollführt.
• Es ist vorgesehen, dass ein Istwert der Schließverzugszeit ermittelt, insbesondere messtechnisch erfasst, wird, dass eine Regeldifferenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert für die Schließverzugszeit gebildet wird, und dass der Sollwert für die Ansteuerdauer in Abhängigkeit der Regeldifferenz modifiziert wird.
• Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass unter Verwendung eines derartigen Regelkonzepts eine Präzision bei der Einspritzung eines Fluids insbesondere auch im ballistischen Betriebsbereich des Einspritzventils beziehungsweise seiner Ventilnadel wesentlich gesteigert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Regeldifferenz, in die auch der Istwert der Schließverzugszeit eingeht, besteht vorteilhaft die Möglichkeit, das Ansteuersignal, insbesondere die Ansteuerdauer, für den Betrieb des Ventils so zu modifizieren, dass auch zeitlich veränderlichen Schließverzugszeiten begegnet werden kann, insbesondere z.B. durch eine Veränderung der eigentlichen (Soll-)Ansteuerdauer des Ventils.
• Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann vorteilhaft zum Betreiben von Ventilen verwendet werden, bei denen eine durch den Aktor angetriebene Komponente, insbesondere eine Ventilnadel, infolge einer Ansteuerung mit der Ansteuergröße zumindest teilweise eine ballistische Trajektorie vollführt.
• Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Betriebsverfahren bei sogenannten direkt betriebenen Einspritzventilen anwendbar, bei denen ein Aktor, beispielsweise ein elektromagnetischer Aktor, direkt auf die Ventilnadel wirkt, wie es beispielsweise bei Benzin-Direkteinspritzsystemen häufig der Fall ist.
• Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist ferner auf solche Einspritzventile anwendbar, bei denen ein Aktor, beispielsweise ein elektromagnetischer Aktor, nicht direkt auf die Ventilnadel wirkt, sondern ein Antrieb der Ventilnadel beispielsweise mittels eines zwischen dem elektromagnetischen Aktor und der Ventilnadel angeordneten Steuerventils und einer entsprechenden hydraulischen Wirkungskette erfolgt. Solche Einspritzventile werden derzeit häufig in Common-Rail-Dieseleinspritzsystemen verwendet.
• Als ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 8 angegeben.
• Von besonderer Bedeutung ist ferner die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• 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.
• In der Zeichnung zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren erfindungsgemäß betriebenen Einspritzventilen,
• 2a bis 2c schematisch eine Detailansicht eines Einspritzventils aus 1 in drei unterschiedlichen Betriebszuständen,
• 3a ein Funktionsdiagramm zur Bildung einer Ansteuerdauer gemäß einem herkömmlichen Verfahren,
• 3b einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen eines herkömmlich betriebenen Einspritzventils,
• 4a ein Funktionsdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens,
• 4b ein Funktionsdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, und
• 5a, 5b, 5c verschiedene Betriebszustände eines ein Steuerventil aufweisenden Einspritzventils zur Ausführung des erfindungemäßen Betriebsverfahrens.
• Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Tank 12, aus dem ein Fördersystem 14 Kraftstoff in ein Verteilsystem 16 fördert, bei dem es sich beispielsweise um ein Common Rail handelt. 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.
• Die 2a bis 2c zeigen schematisch das Einspritzventil 18a gemäß 1 in insgesamt drei verschiedenen Betriebszuständen. Die weiteren in 1 abgebildeten Einspritzventile 18b, 18c, 18d weisen eine entsprechende Struktur und Funktionalität auf.
• 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 2a vertikale Bewegungsrichtung der Ventilnadel 28 mit einem nichtverschwindenden mechanischen Spiel relativ zu der Ventilnadel 28 bewegbar ist.
• 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.
• Bei der vorliegend in 2a veranschaulichten Konfiguration wird das axiale Spiel des Magnetankers 30 auf der Ventilnadel 28 durch zwei Anschläge 32 und 34 begrenzt. Zumindest der in 2a untere Anschlag 34 könnte jedoch auch durch einen Bereich des Gehäuses des Einspritzventils 18a realisiert sein.
• Die Ventilnadel 28 wird von einer Ventilfeder 36 wie in 2a abgebildet mit einer entsprechenden Federkraft gegen den Ventilsitz 38 im Bereich des Gehäuses 40 beaufschlagt. In 2a ist das Einspritzventil 18a in seinem geschlossenen Zustand gezeigt, in dem keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet.
• Um eine Kraftstoffeinspritzung zu bewirken, wird der Aktor 26, 30 über eine vorgebbare Ansteuerdauer hinweg mit einem Ansteuerstrom beaufschlagt. Durch diese Bestromung der Magnetspule 26 wird der Magnetanker 30 in 2b 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 (1) eingespritzt werden, vgl. 2c.
• Sobald die Bestromung der Magnetspule 26 durch das Steuergerät 22 (1) am Ende der vorgegebenen Ansteuerdauer beendet wird, bewegt sich die Ventilnadel 28 unter Einwirkung der von der Ventilfeder 36 ausgeübten Federkraft wieder 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.
• Wenn die Ventilnadel 28 ihre Schließbewegung mit dem Auftreffen auf dem Ventilsitz 38 beendet, kann sich der Magnetanker 30 aufgrund des axialen Spiels in 2c nach unten weiterbewegen, bis er an dem zweiten Anschlag 34 anliegt. Dies entspricht wieder dem in 2a abgebildeten Schließzustand des Einspritzventils 18a.
• Um besonders geringe Einspritzmengen zu erzielen, wird die Ansteuerdauer zur Bestromung des Aktors 26, 30 bevorzugt so kurz gewählt, dass die Ventilnadel 28 bzw. der sie in Öffnungsrichtung mitnehmende Magnetanker 30 gar nicht einen die Öffnungsbewegung begrenzenden oberen Hubanschlag erreicht, der vorliegend durch eine in 2c untere Stirnseite des im wesentlichen koaxial in der Magnetspule 26 angeordneten Eisenkerns 26a gebildet ist. Die Ventilnadel 28 bzw. der Magnetanker 30 vollführen dementsprechend eine ballistische Trajektorie während der Öffnung des Einspritzventils 18a. Vorliegend weist der Magnetanker 30 gemäß 2c in seinem oberen Umkehrpunkt einen nichtverschwindenden Hubabstand Δh von dem oberen Hubanschlag 26a auf.
• Im Vergleich zu einer Vollhub-Ansteuerung, bei der die Ventilnadel 28 bzw. der Magnetanker 30 zunächst sicher den oberen Hubanschlag 26a erreichen (d.h. Hubabstand Δh = 0), ergeben sich bei kurzen Ansteuerdauern im ballistischen Bereich (Umkehrpunkt bei Δh > 0) erhebliche Schwankungen insbesondere hinsichtlich einer Schließverzugszeit, die einen Zeitraum zwischen einem Ende der Ansteuerdauer und einem tatsächlichen Schließzeitpunkt des Ventils 18a charakterisiert. Das weiter unten unter Bezugnahme auf die 4a, 4b beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine bedeutende Steigerung der Präzision bei der Einspritzung geringer Kraftstoffmengen, die - im Gegensatz zu dem Vollhub-Bereich - einen ballistischen Betrieb des Einspritzventils 18a erfordern.
• 3b zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf der Betriebsgrößen Ansteuerstrom I, Hub h der Ventilnadel 28 (2a), wie er sich während eines Ansteuerzyklus im Rahmen einer Kraftstoffeinspritzung ergibt.
• Zunächst wird zu dem Zeitpunkt t_ET0 der elektromagnetische Aktor 26, 30 des Einspritzventils 18a bestromt, um ein Abheben des Magnetankers 30 und damit auch der Ventilnadel 28 aus Ihrem Ventilsitz 38 zu ermöglichen. Der Zeitpunkt t_ET0 definiert somit einen Beginn der durch das Ansteuersignal I definierten Ansteuerdauer ET des elektromagnetischen Aktors 26, 30 und damit auch des Einspritzventils 18a.
• 3a zeigt beispielhaft ein vereinfachtes Funktionsdiagramm zur Ermittlung der Ansteuerdauer ET des Ansteuersignals I (3b).
• In einem ersten, beispielsweise mittels eines Kennfelds, realisierten Funktionsblock 201 wird bei einem herkömmlichen Betriebsverfahren in Abhängigkeit der Betriebsgrößen einzuspritzende Kraftstoffmenge Q_soll , Kraftstoffdruck p_ist die Ansteuerdauer ET für die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 26, 30 mit einem entsprechenden Strom I (3b) ermittelt.
• Als Störgrößen treten bei der Ansteuerung des Aktors 26, 30 (2a) des Einspritzventils 18a mit der auf herkömmliche Weise ermittelten, die Ansteuerdauer ET repräsentierenden, Ansteuergröße I die nachstehend näher beschriebenen Verzugszeiten t11, t2 zu der herkömmlich ermittelten Ansteuerdauer ET hinzu, sodass sich eine tatsächliche Öffnungszeit T_op = ET - t11 + t2 für das Einspritzventil 18a ergibt. Gegebenenfalls auftretende Toleranzen bei der Hochdruckhydraulik des Einspritzventils 18a sind in 3a durch den Funktionsblock 18a' symbolisiert. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ansteuerung mit dem realen Ansteuersignal Top und bei dem gegebenen Kraftstoffdruck p_ist ergibt sich bei dem herkömmlichen System die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge Qist am Ausgang des Funktionsblocks 18a', die in der Regel verschieden ist von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge Q_soll .
• 3b zeigt einen zeitlichen Verlauf der Nadelhubs h der Ventilnadel 28 ( 2a) wie er sich unter Ansteuerung mit dem Ansteuersignal I ergibt.
• Aufgrund der Massenträgheit, Reibungseffekte und weiterer Störeffekte beginnt die Ventilnadel 28 (2a) erst nach dem elektrischen Ansteuerbeginn T_ET0 , nämlich zu dem Zeitpunkt t_öff, mit ihrem Öffnungsvorgang, wobei Sie sich in 2b, 2c von unten nach oben, das heißt aus Ihrer Schließlage heraus, bewegt. Erst zu dem Zeitpunkt t_ET0 + t1 hat die Ventilnadel 28 wie aus 3b ersichtlich einen Soll-Nadelhub hsoll erreicht, der dem Ansteuersignal I entspricht. Aufgrund einer nichtverschwindenden Schließverzugszeit t2, die einem Zeitraum zwischen dem Ende t_ET1 der Ansteuerdauer ET und dem tatsächlichen hydraulischen Schließen zu dem Zeitpunkt t_s entspricht, wird auch nach dem Ende t_ET1 der Ansteuerdauer ET noch Kraftstoff durch das Einspritzventil 18a eingespritzt.
• Die Schließverzugszeit t2 ist - wie vorstehend bereits beschrieben - insbesondere für sehr kurze Ansteuerdauern ET nicht konstant Speziell bei dem rein ballistischen Betrieb, bei dem die Ventilnadel 28 während Ihres Öffnungsvorgangs nicht ihren eine maximale Öffnung repräsentierenden Hubanschlag 26a im Bereich des Eisenkerns erreicht, kann die Schließverzugszeit t2 äußerst unterschiedliche Werte annehmen, die unter anderem von den Bewegungsgrößen der Ventilnadel 28 vor dem Zeitpunkt t_ET1 , das heißt dem Ende der Ansteuerdauer ET, sowie von einer Schließfederkraft, Magnetkraft, Raildruck, Ansteuerdauer, Temperatur, Rücklauf-Gegendruck und/oder weiteren Größen abhängen.
• Erfindungsgemäß ist daher vorgeschlagen die Ansteuerdauer ET in Abhängigkeit eines Sollwertes t2* für die Schließverzugszeit t2 des Ventils 18a zu bilden, wobei die Schließverzugszeit t2 wie bereits beschrieben eine zeitliche Differenz zwischen dem Ende t_ET1 der Ansteuerdauer ET und dem tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt ts des Ventils 18a charakterisiert.
• 4a zeigt ein Funktionsdiagramm einer entsprechenden ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Mittels eines ersten Kennfelds KF1 wird in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge Q_soll und in Abhängigkeit von dem Kraftstoffdruck p_ist ein Sollwert ET* für die Ansteuerdauer ermittelt.
• Erfindungsgemäß wird der Sollwert ET* für die Ansteuerdauer mittels eines Korrekturwertes t_korr [n-1] korrigiert, was vorliegend durch eine Addition der Größe t_korr [n-1] zu dem Sollwert ET* mittels des Addierers a_1 erfolgt. Am Ausgang des Addierers a_1 liegt die erfindungsgemäß korrigierte Ansteuerdauer ET vor. Das Signal ET wirkt gemäß 4a auf den das Einspritzventil repräsentierenden Funktionsblock 18a.
• Mittels eines zweiten Kennfelds KF2 wird aus den Eingangsgrößen Q_soll , p_ist ein Sollwert t2* für die Schließverzugszeit t2 erhalten. Gleichzeitig wird der Istwert t2ist der Schließverzugszeit t2 ermittelt, beispielsweise durch eine Messtechnik, die den zeitlichen Verlauf des Ansteuersignals I (3b) analysiert.
• Mithilfe des Addierers a_2 wird eine Regeldifferenz Δt2 = t2* - t2ist gebildet.
• Die Regeldifferenz Δt2 wird anschließend in dem Funktionsblock R11 mit einem vorgebbaren Korrekturfaktor K multipliziert, wobei ein bevorzugter Wertebereich für den Korrekturfaktor K zwischen 0 und 2 liegt, insbesondere zwischen 0 und 1.
• Der Funktionsblock R11 ist, ebenso wie der ihm nachgeordnete Addierer a_3 sowie der weitere, dem Addierer a_3 nachgeordnete und in 4a nicht näher bezeichnete Funktionsblock Bestandteil einer ersten erfindungsgemäßen Reglerstruktur R1, die in Abhängigkeit der Regeldifferenz Δt2 die Korrekturgröße t_korr[n-1] bildet.
• An dem Ausgang des Addierers a_3 liegt demzufolge ein Korrekturwert für einen nachfolgenden Einspritzzyklus des Einspritzventils 18a an, der sich wie folgt berechnet: $${\text{t}}_{\text{korr}}\left[\text{n}\right]={\text{t}}_{\text{korr}}\left[\text{n}-\text{1}\right]+\text{K}*\mathrm{\Delta }\text{t2}.$$

  
• Das bedeutet, die vorliegend betrachtete Reglerstruktur R1 ist als einfacher digitaler Regler mit Integralcharakteristik ausgebildet, was eine wenig aufwändige Implementierung des erfindungsgemäßen Prinzips ermöglicht Alternativ oder ergänzend können auch andere Reglerstrukturen verwendet werden, um die erfindungsgemäße Korrekturgröße t_korr[n] in Abhängigkeit der Regeldifferenz Δt2 zu bilden.
• Insbesondere sind auch Reglerstrukturen verwendbar mit Proportional-IntegralCharakteristik, Proportional-Charakteristik, oder auch nichtlineare Regler. Wesentlich für die Funktion des erfindungsgemäßen Prinzips ist die Bildung des Korrekturwerts in Abhängigkeit der Regeldifferenz Δt2.
• Der dem Addierer a_3 nachgeordnete und vorliegend nicht näher bezeichnete Funktionsblock weist einer besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge einen Takteingang auf, dem ein drehzahlsynchrones Taktsignal CLK zugeführt wird, so dass der erfindungsgemäß gebildete Korrekturwert ebenfalls drehzahlsynchron an den Addierer a_1 weitergegeben werden kann.
• Die in 4a veranschaulichte erfindungsgemäße Reglerstruktur ermöglicht vorteilhaft eine Regelung der Schließverzugszeit t2 des Einspritzventils 18a und damit eine besonders präzise Einspritzung auch geringer Kraftstoffmengen in einer ballistischen Betriebsart des Einspritzventils 18a.
• 4b zeigt ein Funktionsdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Ergänzung zu der bereits unter Bezugnahme auf 4a beschriebenen Grundstruktur weist das Ausführungsbeispiel gemäß 4b eine zweite Reglerstruktur R2 auf, welche eine Berücksichtigung des Sollwerts ET* für die Ansteuerdauer ET und der Ansteuerdauer ET selbst vorsieht. Hierzu werden die Größen ET*, ET durch vorliegend nicht näher bezeichnete Funktionsblöcke mit einem ersten Gewichtungsfaktor G1 und einem zweiten Gewichtungsfaktor G2 gewichtet, bevor sie über die Addierer a_21, a_22 dem Sollwert t2* für die Schließverzugszeit t2 beziehungsweise dem Istwert t2ist für die Schließverzugszeit t2 zugeschlagen werden.
• Der Addierer a_2 ermittelt anschließend eine zu der bereits vorstehend im Rahmen von 4a beschriebenen Regeldifferenz Δt2 vergleichbare Größe Δt, die als Eingangsgröße für die erfindungsgemäße Reglerstruktur R2 dient.
• Für die Eingangsgröße Δt gilt: $$\mathrm{\Delta }\text{t}=\left(\text{t2}*+\text{G1}*\text{ET}*\right)-\left({\text{t2}}_{\text{ist}}+\text{G2}*\text{ET}\right).$$

  
• Für die Gewichtungsfaktoren G1, G2 wird wiederrum ein Wertebereich von 0 bis etwa 1 vorgesehen.
• Sobald die in den 4a, 4b vorgesehenen Regelstrukturen R1, R2 einen eingeschwungenen Zustand erreicht haben, der durch eine verschwindende Regeldifferenz Δt2, Δt gekennzeichnet ist, kann über einen Updatepfad up das Kennfeld KF1 in Abhängigkeit der Korrekturgröße t_korr angepasst werden. In diesem Fall ist gleichzeitig der dem Addierer a_1 zugeführte Korrekturwert zu Null zu setzen, da die entsprechende Berücksichtigung des Korrekturwerts bereits durch die Adaption des Kennfelds KF1 erfolgt ist.
• Besonders bevorzugt wird der Wert des Korrekturfaktors K zwischen 0 und 1 gewählt In Ausnahmefällen ist auch eine Ausdehnung des Wertebereichs auf 0 < K < 2 möglich, wobei der Faktor K die Einschwinggeschwindigkeit des Regelkreises R1, R2 bestimmt.
• Für ein schnelles Einschwingverhalten ist ein Wert für K im Bereich von etwa 1 von Vorteil. Bei Bedarf kann die Robustheit des Regelkreises gegenüber Störsignalen durch Absenken des Faktors K erhöht werden. So kann beispielsweise mit einem Wert K = 0,5 eine gesteigerte Robustheit gegenüber Störsignalen erreicht werden, ohne nennenswerte Abstriche in der Regeldynamik des erfindungsgemäßen Reglers R1, R2 machen zu müssen. Im Falle einer Regelabweichung ist der erfindungsgemäße Regler R1, R2 bei Untersuchungen der Anmelderin nach bereits nur etwa 4 Arbeitsspielen des Einspritzventils 18a (2a) zu mehr als etwa 90 % eingeschwungen.
• Die erfindungsgemäßen Reglerstrukturen R1, R2 zeichnen sich durch eine besonders geringe Komplexität aus, die einen geringen Applikationsaufwand bedingt und die zur Robustheit des Systems beiträgt.
• Vorstehend ist unter Bezugnahme auf den in den 2a, 2b, 2c veranschaulichten Einspritzventiltyp, bei dem es sich um ein direkt betätigtes Einspritzventil 18a handelt, das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden.
• Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei nicht direkt angetriebenen Einspritzventilen, also beispielsweise bei solchen Einspritzventilen verwendet werden, bei denen ein elektromagnetischer Aktor eine Komponente eines Steuerventils betätigt, und bei denen eine im Wesentlichen hydraulische beziehungsweise mechanische Wirkungskette zwischen dem Steuerventil und der Ventilnadel besteht.
• 5a bis 5c zeigt eine Ausführungsform eines für die Kraftstoffeinspritzung vorgesehenen Einspritzventils 100 eines Diesel-Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine in verschiedenen Betriebszuständen eines Einspritzzyklus.
• 1a zeigt das Einspritzventil 100 in seinem Ruhezustand, in dem es nicht durch das ihm zugeordnete Steuergerät 22 angesteuert wird. Eine Magnetventilfeder 111 presst hierbei eine Ventilkugel 105 in einen hierfür vorgesehenen Sitz der Ablaufdrossel 112, sodass sich in dem Ventilsteuerraum 106 ein dem Raildruck entsprechender Kraftstoffdruck aufbauen kann, wie er auch im Bereich des Hochdruckanschlusses 113 herrscht.
• Der Raildruck steht auch in dem Kammervolumen 109 an, das die Ventilnadel 116 des Einspritzventils 100 umgibt. Die durch den Raildruck auf die Stirnfläche des Steuerkolbens 115 aufgebrachten Kräfte sowie die Kraft der Düsenfeder 107 halten die Ventilnadel 116 gegen eine öffnende Kraft, die an der Druckschulter 108 der Ventilnadel 116 angreift, geschlossen.
• 1b zeigt das Einspritzventil 100 in seinem geöffneten Zustand, den es unter Ansteuerung durch das Steuergerät 22 auf die folgende Weise ausgehend von dem in 5a abgebildeten Ruhezustand einnimmt Der vorliegend durch die in 5a bezeichnete Magnetspule 102 und den mit der Magnetspule 102 zusammenwirkenden Magnetanker 104 gebildete elektromagnetische Aktor 102, 104 wird durch das Steuergerät 22 mit einem ein Ansteuersignal bildenden Ansteuerstrom I beaufschlagt, um ein Öffnen des vorliegend als Steuerventil arbeitenden Magnetventils 104, 105, 112 zu bewirken. Die Magnetkraft des elektromagnetischen Aktors 102, 104 übersteigt hierbei die Federkraft der Ventilfeder 111 (5a), sodass der Magnetanker 104 die Ventilkugel 105 von Ihrem Ventilsitz abhebt und hiermit die Ablaufdrossel 112 öffnet.
• Mit dem Öffnen der Ablaufdrossel 112 kann nun Kraftstoff aus dem Ventilsteuerraum 106 in den gemäß 5b darüberliegenden Hohlraum, vergleiche die Pfeile, und über einen Kraftstoffrücklauf 101 zurück zu einem nicht abgebildeten Kraftstoffbehälter abfließen. Die Zulaufdrossel 114 verhindert einen vollständigen Druckausgleich zwischen dem im Bereich des Hochdruckanschlusses 113 anliegenden Raildruck und dem Druck in dem Ventilsteuerraum 106, sodass der Druck in dem Ventilsteuerraum 106 sinkt. Dies führt dazu, dass der Druck in dem Ventilsteuerraum 106 kleiner wird als der Druck in dem Kammenvolumen 109, der nach wie vor dem Raildruck entspricht. Der verringerte Druck in dem Ventilsteuerraum 106 bewirkt eine dementsprechend verringerte Kraft auf den Steuerkolben 115 und führt somit zum Öffnen des Einspritzventils 100, das heißt zu dem abheben der Ventilnadel 116 aus Ihrem Ventilnadelsitz im Bereich der Spritzlöcher 110. Dieser Betriebszustand ist in 5b veranschaulicht.
• Anschließend, das heißt nach dem Abheben aus dem Ventilnadelsitz, vollführt die Ventilnadel 116 primär unter Einwirkung der hydraulischen Kräften in dem Kammervolumen 119 und in dem Ventilsteuerraum 106 eine im Wesentlichen ballistische Trajektorie.
• Sobald der elektromagnetische Aktor 102, 104 (5a) zu einem Ende der Ansteuerdauer nicht mehr durch das Steuergerät 22 angesteuert wird, drückt die Ventilfeder 111 den Magnetanker 104 wie in 5c abgebildet nach unten, sodass die Ventilkugel 105 daraufhin die Ablaufdrossel 112 verschließt. Hierdurch kehrt sich die Bewegungsrichtung der Ventilnadel 116 um, sodass diese wieder in Ihrer Schließlage verbracht wird.
• Die Kraftstoffeinspritzung ist beendet, sobald die Ventilnadel 116 Ihren Ventilnadelsitz im Bereich der Spritzlöcher 110 erreicht und diese verschließt, vergleiche 5c.
• Auch für das in den 5a bis 5c abgebildete und vorstehend beschriebene Einspritzventil, das über ein Steuerventil 104, 105, 112 betätigt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren der Korrektur der Ansteuerdauer in Abhängigkeit eines Sollwertes für die Schließverzugszeit durchgeführt werden.
• Der elektromagnetische Aktor des Einspritzventils 100 kann beispielsweise mit einem Ansteuersignal I angesteuert werden, das einen zu dem in 3b gezeigten Verlauf vergleichbaren Verlauf aufweist.
• Dementsprechend ergeben sich auch bei dem Einspritzventil 100 Schließverzugszeiten. Im Gegensatz zu der Schließverzugszeit des unter Bezugnahme auf die 2a bis 2c beschriebenen Einspritzventils 18a umfasst die Schließverzugszeit bei dem Einspritzventil 100 gemäß 5a unter Umständen jedoch noch weitere vorliegend nicht näher erläuterte Zeitkomponenten, die sich durch verschiedene Zustandsänderungen bzw. sonstige Vorgänge der zwischen dem elektromagnetischen Aktor 102, 104 und der Ventilnadel 116 befindlichen elektromechanischen beziehungsweise hydraulischen Wirkungskette ergeben.
• Jedenfalls kann auch für das Einspritzventil 100 gemäß 5a eine Schließverzugszeit definiert werden, als diejenige Zeit zwischen dem Ende der Ansteuerdauer ET (3b) und einem tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt, zu dem die Ventilnadel 116 Ihre Schließlage im Bereich der Spritzlöcher 110 wieder einnimmt. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei dem Einspritzventil 100 gemäß 5a ist es erforderlich, den tatsächlichen hydraulischen Schließzeitpunkt zu bestimmen, was beispielsweise durch Beschleunigungs- und/oder Klopfsensoren oder dergleichen erfolgen kann, welche eine Detektion des Auftreffens der Ventilnadel 116 in Ihrer Schließlage im Bereich der Spritzlöcher 110 ermöglichen.
• Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch gesondert auf das Steuerventil 104, 105, 112 des in 5a abgebildeten Einspritzventils 100 angewandt werden, was beispielsweise dann zweckmäßig ist, wenn eine starke Korrelation zwischen den Zustandsänderungen des Steuerventils und der Ventilnadel 116 gegeben ist und demzufolge davon ausgegangen werden kann, dass eine erfindungsgemäße Regelung der Schließverzugszeit des Steuerventils allein bereits eine hinreichend genaue Einspritzung ermöglicht.
• Generell ist das erfindungsgemäße Prinzip zur Steigerung der Präzision bei der Fluidzumessung mittels insbesondere ballistisch betriebener Einspritzventile geeignet und nicht auf Kraftstoffeinspritzventile beschränkt. Stückstreuungen können durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ebenfalls sehr vorteilhaft kompensiert werden.
• Das erfindungsgemäße Regelprinzip ist vorteilhaft auch dann anwendbar, wenn ein Einspritzventil nur zeitweise, d.h. nur in manchen Betriebszyklen, ballistisch betrieben wird.
• Die Ermittlung der tatsächlichen Schließverzugszeit t2ist (4a) kann je nach Konfiguration des betreffenden Einspritzventils beispielsweise aus einem messtechnisch erfassten Zeitverlauf des Ansteuerstroms I (3b) und/oder einer an dem elektromagnetischen Aktor anliegenden Spannung erfolgen.
• Sensordaten separater Sensormittel wie z.B. Körperschallsensoren oder Beschleunigungssensoren können ebenfalls ausgewertet werden, um Informationen über einen tatsächlichen Betriebszustand von Komponenten 28, 105, 116 des Einspritzventils zu erhalten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines mittels eines Aktors (26, 30) betätigten Ventils (18a), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor (26, 30) mit einer eine Ansteuerdauer (ET) aufweisenden Ansteuergröße (I) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit eines Sollwerts (t2*) für eine Schließverzugszeit (t2) des Ventils (18a) gebildet wird, die eine zeitliche Differenz zwischen einem Ende (tET1) der Ansteuerdauer (ET) und einem Schließzeitpunkt (ts) des Ventils (18a) charakterisiert, wobei ein Istwert (t2ist) der Schließverzugszeit (t2) ermittelt, insbesondere messtechnisch erfasst, wird, eine Regeldifferenz (Δt2, Δt) zwischen dem Sollwert (t2*) und dem Istwert (t2ist) für die Schließverzugszeit (t2) gebildet wird, und der Sollwert (ET*) für die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit der Regeldifferenz (Δt2) modifiziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert (ET*) für die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit des Sollwerts (t2*) für die Schließverzugszeit (t2) modifiziert wird, um die Ansteuerdauer (ET) zu erhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Sollwert (t2*) für die Schließverzugszeit (t2) als auch der Sollwert (ET*) für die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit einer Soll-Einspritzmenge (Qsoll) und mindestens einer Betriebsgröße des Ventils (18a), insbesondere in Abhängigkeit eines Kraftstoffdrucks (pist), ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeldifferenz (Δt2) mit einem Rückkopplungsfaktor (K) multipliziert wird, der einen Wertebereich von K = 0 bis K = 2, insbesondere bis K = 1 aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Reglerstruktur (R1, R2) aus der Regeldifferenz (Δt2) eine Korrekturgröße zur Modifikation des Sollwerts (ET*) für die Ansteuerdauer (ET) gebildet wird, wobei die Reglerstruktur (R1, R2) insbesondere einen Regler mit Integralanteil aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung der Regeldifferenz (Δt) der Sollwert (ET*) für die Ansteuerdauer (ET), insbesondere um einen vorgebbaren Gewichtungsfaktor (G1) gewichtet, berücksichtigt wird, insbesondere durch Addition eines um den Gewichtungsfaktor (G1) gewichteten Sollwerts (ET*) zu dem Sollwert (t2*) für die Schließverzugszeit (t2).
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es verwendet wird zum Betreiben von Ventilen (18a), bei denen eine durch den Aktor (26, 30) angetriebene Komponente (28), insbesondere eine Ventilnadel, infolge einer Ansteuerung mit der Ansteuergröße (I) zumindest teilweise eine ballistische Trajektorie vollführt.
8. Steuergerät (22) zum Betreiben eines mittels eines Aktors (26, 30) betätigten Ventils (18a), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem Steuergerät (22) gemäß Anspruch 8. ausgeführt wird.
10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem Steuergerät (22) gemäß Anspruch 8. ausgeführt wird.

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