DE102014203364B4

DE102014203364B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Ventils, insbesondere für ein Speichereinspritzsystem

Info

Publication number: DE102014203364B4
Application number: DE102014203364.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Anetsberger; Tet Kong Brian Chia; Walter Sassler
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: US20170009697A1; KR20160111519A; US10280867B2; DE102014203364A1; WO2015128187A1; CN106030096A; KR101789957B1; CN106030096B

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Druckabbauventils (10) für ein Speichereinspritzsystem, wobei das Ventil (10) eine Ventilöffnung (12) und ein Verschlusselement (13) aufweist, das zwischen einer ersten Endposition (Verschlussposition), in der es einen Verschluss der Ventilöffnung (12) bewirkt, und einer zweiten Endposition (Öffnungsposition), in der es die Ventilöffnung wenigstens teilweise freigibt, gegen die Kraft eines Rückstellfederelements (16) mittels eines elektromagnetischen Antriebs (14, 15) mit einer strombeaufschlagbaren Spule (15) und einem magnetisch antreibbaren Anker (14) antreibbar ist, wobei wenigstens einmal die Spule (15) mit einem definierten elektrischen Signal beaufschlagt wird, um den Anker (14) unter Einfluss der Rückstellfeder, insbesondere gegen die Kraft des Rückstellfederelements (16), zu bewegen, dass mittels eines Stromsensors der zeitliche Verlauf der Stromstärke (20, 21, 22) in der Spule (15) erfasst wird und dass aus dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke das Bewegungsprofil des Verschlusselements (13) bei dem definierten Stromsignal, insbesondere eine Öffnungs- oder Schließzeit, ermittelt wird, wobei die Spule (15) nacheinander mit mehreren verschiedenen elektrischen Signalen unterschiedlicher Intensität beaufschlagt und die Unterschiede der zeitlichen Stromverläufe (20, 21, 22) und der daraus ermittelten Bewegungsdaten des Ankers (14) erfasst und ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektromechanik, speziell der Technik von Hochdruckventilen. Sie befasst sich mit einem Verfahren zum Betrieb eines Ventils, speziell mit der Ansteuerung von Ventilen, sowie mit Vorrichtungen, die zur Ansteuerung dienen, und ist mit besonderem Vorteil bei Hochdruckventilen auf dem Gebiet von Common-Rail-Einspritzsystemen in der Automobiltechnik einsetzbar.
Im Folgenden wird als ein besonders attraktives Einsatzgebiet der Erfindung das Gebiet der Common-Rail-Einspritztechnik kurz umrissen. Die Erfindung ist jedoch auch auf anderen technischen Gebieten, in denen es auf eine möglichst effiziente Ansteuerung ankommt, mit Vorteil einsetzbar.
Aus der Automobiltechnik sind Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für Brennkraftmaschinen umfänglich bekannt. Als besonders effizient haben sich Hochdruckeinspritzsysteme mit Speichern erwiesen, in denen der einzuspritzende Kraftstoff unter einem Druck von vielen hundert Bar gespeichert und über Einspritzventile in Verbrennungsräume geleitet wird.
Zum Betrieb eines derartigen Hochdruckeinspritzsystems ist eine Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher erforderlich, die üblicherweise insbesondere eine Hochdruckpumpe mit einer Stellgröße ansteuert. Es sind zudem aus der Literatur sogenannte Druckabbauventile bekannt, die entweder in einzelne Einspritzventile integriert sind (z.B. DE 101 11 293 A1 ) oder allgemein bei der Beschreibung von Regelungssystemen für Speichereinspritzsysteme erwähnt werden (z.B. DE 10 2007 059 116 A1 ).
Aus der DE 3843138 A1 geht ein Verfahrung zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans hervor.
Die DE 3817770 A1 beschreibt eine Einrichtung zur getakteten Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils, die eine effektive Verwendung bei verschiedenen Ventilen mit möglichst effizienter Verwendung des Leitermaterials für das induktive Bauelement erlaubt, wobei auch mit geringen Durchschnittsbetriebsleistungen ein schnelles Ansprechen des Antriebs gewährleistet sein soll.
Die DE 3426799 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Regelung einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge für eine Brennkraftmaschine. Es wird hierzu eine elektrisch betätigbare Steuervorrichtung betrieben, die ein Magnetventil ansteuert. Zur Regelung der Kraftstoffmenge unter Berücksichtigung von Toleranzen und systematischen Verzögerungszeiten beim Ansprechen des Magnetventils werden die Schaltimpulse analysiert, die durch die magnetische Rückwirkung des Ventils beeinflusst sind.
Aus der DE 10 2012 204 252 B3 ist ein Druckabbauventil bekannt, das in ein Einspritzventil integriert ist.
Ein derartiges Druckabbauventil ist für eine effiziente Regelung des Drucks im Speicher sehr nützlich, da die Hochdruckpumpe ausschließlich zum Druckaufbau verwendet werden kann und dabei Änderungen der Führungsgröße, beispielsweise bei einer Änderung des Betriebs des Verbrennungsmotors, gelegentlich ein schneller Druckabbau notwendig ist, der über die Einspritzventile allein nicht sinnvoll möglich ist. Die Folge wäre eine sogenannte harte Verbrennung, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors unerwünscht ist.
Um derart eine effiziente Druckabsenkung zu erlauben, ist es bekannt, in einem solchen Regelsystem auch ein magnetgesteuertes Druckabbauventil vorzusehen, das elektrisch ansteuerbar ist. Bei der Ansteuerung eines derartigen Ventils ist es wichtig, dass die Menge der durchgelassenen Flüssigkeit genau steuerbar ist, dadurch, dass das Ventil in sehr gut definierter Art öffenbar und schließbar ist. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass mittels eines elektromagnetischen Antriebs eine sehr schnelle Öffnung und Schließung erreichbar ist, so dass das Ventil praktisch zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand digital geschaltet werden kann, so dass ausschließlich die Zeitdauer der Öffnung über die durchgelassene Flüssigkeitsmenge entscheidet. Ein solcher Antrieb führt seinerseits zu hohen Beschleunigungswerten der mechanischen Teile des Ventils, also insbesondere eines Verschlusselements, das eine Ventilöffnung öffnet bzw. verschließt. Eine derart hohe Beschleunigung erzeugt wiederum einerseits Geräusche, die sich störend bemerkbar machen können, und Verschleiß im Bereich der Dichtflächen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Ventils zu schaffen, das einen geräuscharmen Betrieb mit zusätzlich möglichst geringem mechanischem Verschleiß des Ventils erlaubt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf ein Verfahren zum Betrieb eines Ventils, insbesondere eines Druckabbauventils für ein Speichereinspritzsystem, wobei das Ventil eine Ventilöffnung und ein Verschlusselement aufweist, das zwischen einer ersten Endposition, in der es einen Verschluss der Ventilöffnung bewirkt, und einer zweiten Endposition, in der es die Ventilöffnung wenigstens teilweise freigibt, gegen die Kraft eines Rückstellfederelements mittels eines elektromagnetischen Antriebs mit einer strombeaufschlagbaren Spule und einem magnetisch antreibbaren Anker antreibbar ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung dadurch gelöst, dass wenigstens einmal die Spule mit einem definierten elektrischen Signal beaufschlagt wird, um den Anker gegen die Kraft des Rückstellfederelements zu bewegen, dass mittels eines Stromsensors der zeitliche Verlauf der Stromstärke in der Spule erfasst wird und dass aus dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke das Bewegungsprofil des Verschlusselements bei dem definierten Stromsignal, insbesondere eine Öffnungs- oder Schließzeit, ermittelt wird, wobei die Spule nacheinander mit mehreren verschiedenen elektrischen Signalen unterschiedlicher Intensität beaufschlagt und die Unterschiede der zeitlichen Stromverläufe und der daraus ermittelten Bewegungsdaten des Ankers erfasst und ausgewertet werden.
Der Antrieb eines derartigen Ankers, der mit einem Verschlusselement des Ventils verbunden oder mit diesem wenigstens teilweise identisch sein kann, wird üblicherweise durch ein definiertes elektrisches Signal, beispielsweise einen Spannungsimpuls, bewirkt. Es ist auch üblich, einen derartigen Antrieb mit pulsweitenmodulierten Signalen anzusteuern.
Es ergibt sich, dass intensive Ansteuerungssignale ein schnelles Schalten ermöglichen, jedoch bisher solche Signale nicht bezüglich der erforderlichen Beschleunigung und des gesamten mechanisch/magnetischen Systems optimiert wurden. Die Steigerung der Signalintensität führt ab einem gewissen Punkt kaum noch zu einer weiteren Beschleunigung der bewegten Teile des Ventils, sondern zu einem Energieeintrag in das Magnetfeld der
Antriebsspule, mit dem bekannten Effekt, dass der Stromanstieg durch die Induktivität der Antriebsspule verlangsamt wird. Andererseits führt eine Senkung der Signalintensität zunächst nicht zu einer Verlangsamung des Antriebs, sondern lediglich zu einer Verringerung der magnetischen Energie, die in das Antriebssystem eingetragen wird. Eine detaillierte Betrachtung des in der Antriebsspule erzeugten Stroms auf ein elektrisches Signal hin ergibt, dass zunächst ein Stromanstieg bewirkt wird, dessen Steigung durch die Induktivität der Spule bestimmt wird, dass nach Durchlaufen eines Überschwingers/Maximums der Stromstärke beim Öffnen des Ventils bzw. beim Anschlag des bewegten Ankers bzw. des Verschlusselements am Ventilsitz ein Stromminimum durchlaufen wird und dass danach der Strom, der die Antriebsspule durchfließt, nur wenig wieder ansteigt, um in einen quasikonstanten Stromverlauf zu münden.
Im Folgenden wird regelmäßig der Fall betrachtet, dass der Öffnungsvorgang eines Ventils antriebsunterstützt erfolgt. An einigen Stellen wird explizit auf einen Schließvorgang verwiesen, der ebenfalls antriebsunterstützt erfolgen kann. Eine Rückstellfeder kann dabei wahlweise das Ventil ohne den Einfluss des Antriebs in einer Verschlussstellung halten. Die Erfindung ist jeweils sowohl auf eine Öffnungs- als auch auf eine Verschließbewegung anwendbar.
Im Betrieb ergeben sich in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Reibung usw., variable Bedingungen für den Betrieb eines Ventils und somit jeweils unterschiedliche Mindestbedingungen für die Signalstärke, die für ein sicheres und schnelles Schließen/Öffnen des Ventils notwendig ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann für ein bestimmtes elektrisches Ansteuersignal das aktuelle Verhalten des Ventils durch Überwachung der Stromstärke in der Antriebsspule ermittelt werden.
Daraufhin kann beispielsweise durch Vergleich mit Sollzeiten bestimmt werden, ob bei dem verwendeten Signal das Ventil ausreichend schnell schließt. Würde eine zu kurze Reaktionszeit ermittelt, so kann auch geschlossen werden, dass die Beschleunigung zu hoch ist und das Verschlusselement zu hart anschlägt. In diesem Fall könnte das Signal um einen definierten Betrag für den weiteren Betrieb des Ventils abgeschwächt werden. Liegt die Öffnungszeit, d.h. die vom Beginn des Öffnungssignals bis zum Anschlag des Verschließelements, in einem vorgegebenen Fenster, so kann das Signal für den weiteren Betrieb beibehalten werden.
Oft ist es allerdings schwierig, insbesondere zu hohe Signalintensitäten zu identifizieren, da die Öffnungszeit bei zu intensiven Signalen, die zu unerwünschten Geräuschen und Verschleiß führen, kaum noch verkürzt wird. Daher ist es vorteilhaft, dass die Spule nacheinander mit mehreren verschiedenen elektrischen Signalen beaufschlagt und die Unterschiede der zeitlichen Stromverläufe und der daraus ermittelten Bewegungsdaten des Ankers ausgewertet werden. Somit kann aktuell beim Betrieb des Ventils eine Reihe von verschiedenen Signalen mit unterschiedlichen Intensitäten getestet werden, um herauszufinden, welches die geringste Signalintensität ist, mit der eine unverzögerte Betätigung des Ventils bei minimaler Anschlagsgeschwindigkeit noch möglich ist.
Die Signale können beispielsweise dadurch variiert werden, dass das Spannungsniveau des angelegten Spannungssignals unterschiedlich gewählt wird. Üblicherweise wird bei Verwendung eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM-Signal) die Tastzeit, d.h. das Verhältnis der Schaltzeiten zwischen einem hohen Signalniveau und einem geringen Signalniveau entsprechend gesteuert. Beispielsweise kann mit einem PWM-Signal einer Tastzeit von 100%, d.h. einem durchgehend vollen Signal, gestartet werden, und diese kann stufenweise von Signal zu Signal um einige Prozent verringert werden. Derartige pulsweitenmodulierte Signale sind üblicherweise hochfrequent und werden in Form eines Rechteckimpulses erzeugt. Eine weitere Möglichkeit wäre es die Dauer der 100% PWM Phase kontinuierlich zu verringern bis die Öffnungszeit sich verschiebt.
Die Bewegungsdaten des Ventils können bei dem Testen verschiedener elektrischer Signale auf verschiedene Arten ermittelt werden. Beispielsweise kann die Zeit bis zum Anschlag des Verschlusselements akustisch oder optisch gemessen werden, wenn die zeitliche Lage des Ansteuersignals genau bekannt ist. Dies erfordert jedoch einen Messaufwand, der gerade im täglichen Betrieb bei einer Verbrennungskraftmaschine nicht immer sinnvoll ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, dass das zeitlich erste Minimum der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stroms ermittelt wird. Dabei kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Zeitraum zwischen dem Beginn der Beaufschlagung der Spule mit einem elektrischen Signal und dem Auftreten des ersten Minimums der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stroms ermittelt wird.
Es können damit die Stromverläufe für verschiedene elektrische Signale verglichen werden, und es kann festgestellt werden, welche Signalintensitäten zu einer deutlichen zeitlichen Verzögerung des Anschlags, gemessen an der Lage des Stromminimums in der Antriebsspule, führen. Es kann dann das jeweils nächstintensivere/stärkere Signal für die Ansteuerung des Ventils gewählt werden, um die gewünschte Reaktionszeit des Ventils bei minimaler Erhöhung der kinetischen Energie beim Anschlag des Verschlusselements zu erreichen. Damit wird ein geräuscharmer und verschleißarmer Betrieb des Ventils ermöglicht.
Allgemein kann demnach vorgesehen sein, dass die Spule nacheinander mit elektrischen Signalen unterschiedlicher Intensität beaufschlagt und jeweils Bewegungsdaten des Ankers erfasst werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass die Intensität der elektrischen Signale von Signalbeaufschlagung zu Signalbeaufschlagung entweder monoton steigt oder sinkt und dass die Zeitdauern jeweils vom Beginn der Signalbeaufschlagung bis zum Durchlaufen des ersten Minimums der Stromstärke des die Spule durchfließenden Stroms erfasst und miteinander verglichen werden.
Um mit möglichst wenigen Testsignalen auszukommen und dennoch zu einem optimierten Ansteuersignal zu gelangen, kann weiter vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Intensitätsunterschiede zwischen den aufeinanderfolgenden und/oder in der Reihe der Signalintensitäten unmittelbar einander benachbarten elektrischen Signalen im Wesentlichen gleich sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jeweils Paare von Signalen, die in der Reihe der Signalintensitäten unmittelbar benachbart sind, bezüglich der erzielten Bewegungen des Ankers, insbesondere der Zeitdauern des zum Durchlaufen des ersten Stromminimums, miteinander verglichen werden und dass das Paar ermittelt wird, das die größte Differenz der Ankerbewegungen aufweist und dass dasjenige der beiden elektrischen Signale, das zu der zeitlich kürzeren Zeitdauer bis zum Erreichen des Stromminimums führt, ausgewählt wird.
Bei der Betrachtung der Bewegungsdaten des Ventils ist es sinnvoll, die verschiedenen Durchläufe nach der angewandten Signalintensität zu ordnen. Es ergibt sich, dass oberhalb einer bestimmten Signalstärke keine wesentliche Änderung der Ventilgeschwindigkeit, d.h. der Anschlagsgeschwindigkeit beim Anschlagen des Verschlusselements, und auch der Zeit zwischen dem Beginn des Ansteuersignals und dem Schließen des Ventils mehr erkennbar ist. Erst bei Unterschreiten einer bestimmten Signalschwelle ergibt sich, dass das Verschlusselement die Öffnungsposition oder die Verschlussposition, d.h. die Position der größtmöglichen Öffnung, nur noch verzögert erreicht. Ein weiteres Absenken der Signalintensität führt dazu, dass das Ventil nicht mehr verlässlich öffnet oder schließt. Es sind möglichst die zwei Signalverläufe in der Reihe der nach Signalintensitäten geordneten Signalverläufe zu identifizieren, zwischen denen der größte Unterschied in der Reaktion des Ventils besteht. Diese beiden Signale markieren die Signalintensität, die gerade noch zu einem zügigen Ventilöffnen oder Schließen führt, ohne eine unnötig hohe Anschlagsgeschwindigkeit zu erreichen. Das intensivere dieser beiden Signale sollte für den weiteren Betrieb des Ventils gewählt werden, da das schwächere der beiden Signale bereits zu einer Verzögerung der Systemantwort führt.
Daher kann im Betrieb des Ventils von Zeit zu Zeit, beispielsweise periodisch, das Ventil mit Testsignalen beaufschlagt werden, um jeweils das aktuell optimierte Ansteuersignal zu ermitteln. Es kann auch vorgesehen sein, dass im Betrieb bei jeder Betätigung des Ventils ein Monitoring der Öffnungszeit oder Verschließzeit über eine Strommessung erfolgt und bei einer Änderung der jeweiligen Zeit entsprechende Testsignale zur Nachführung der optimierten Signalstärke angewendet werden.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung kann vereinfacht für die Öffnungsbewegung dadurch umrissen werden, dass das Ventil durch eine Feder in Verschlussstellung gehalten und durch einen mit einer strombeaufschlagbaren Spule antreibbaren Anker geöffnet wird, dass die Spule nacheinander mit verschiedenen elektrischen Signalen beaufschlagt wird, deren Intensitäten von Signal zu Signal abnehmen, dass für jedes Signal durch eine Messung des die Spule durchfließenden Stroms eine Zeitdauer bis zum Anschlag des Verschlusselements in der Öffnungsstellung ermittelt wird und dass anhand einer signifikanten Zunahme der Zeitdauer das erste Signal ermittelt wird, das aufgrund seiner unzureichenden Intensität zu einem verzögerten Öffnungsvorgang des Ventils führt. Ein entsprechendes Verfahren kann auch für die Optimierung des Ventilverschlusses verwendet werden.
Dabei kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass das schwächste Signal, das bezüglich der erzielten Zeitdauer bis zum Anschlag des Verschlusselements als ausreichend ermittelt wird, für weitere Ventilöffnungs- und/oder Verschlussvorgänge reproduziert wird.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren zum Betrieb eines Ventils in der oben ausgeführten Weise auch auf ein Speichereinspritzsystem, bei dem das oben beschriebene Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann, mit einer druckaufbauenden Hochdruckpumpe die eine Einspritzflüssigkeit unter hohem Druck in einen Hochdruckraum fördert, sowie mit einem Druckabbauventil, das mit dem Hochdruckraum verbunden und mittels eines strombeaufschlagbaren Elektromagneten gegen die Kraft eines Rückstellfederelements öffenbar und/oder verschließbar ist, mit einer Signalerzeugungseinrichtung, die nacheinander die Erzeugung verschiedener elektrischer Signale mit unterschiedlichen Intensitäten bewirkt, sowie mit einem Stromsensor zur Messung des Stromstärkenverlaufs des eine Spule des Elektromagneten durchfließenden Stroms.
Bei einem derartigen Speichereinspritzsystem ist vorteilhaft zudem eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die aufgrund der Bestimmung der zeitlichen Lage von Stromstärkenminima die Öffnungszeiten und/oder Verschlusszeiten des Ventils bei elektrischen Signalen verschiedener Intensität miteinander vergleicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in mehreren Figuren gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

1 in einer Übersichtsdarstellung schematisch ein Speichereinspritzsystem mit einem Druckabbauventil,
2 schematisch den Aufbau eines Druckabbauventils,
3 ein Diagramm, in dem der Spulenstrom in der Antriebsspule des Druckabbauventils gegen die Zeit aufgetragen ist, sowie
4 ein Diagramm, in dem der Hub des Druckabbauventils gegen die Zeit aufgetragen ist.

1 zeigt ein Hochdruckeinspritzsystem für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine, die im Einzelnen nicht dargestellt ist. Das Einspritzsystem weist einen Hochdruckspeicher 1 auf, der mit vier Injektoren 2, 3, 4, 5 verbunden ist. Die einzelnen Injektoren 2, 3, 4, 5 weisen jeweils Einspritzventile auf, die in der 1 nur schematisch angedeutet sind.
Der Hochdruckspeicher 1 wird mittels einer Hochdruckpumpe 6 unter hohem Druck im Bereich von einigen hundert Bar mit einem Kraftstoff aus einem Kraftstoffreservoir 7 gespeist. Der Kraftstoff wird der Hochdruckpumpe 6 über eine Kraftstoffleitung 8 und einen Filter 9 zugeführt. Es findet eine im Einzelnen nicht näher dargestellte Regelung des Hydraulikdrucks im Hochdruckspeicher 1 statt, indem die der Hochdruckpumpe auf der Niederdruckseite zugeführte Kraftstoffmenge geregelt wird.
Um eine verbesserte Regelung des Drucks im Hochdruckspeicher, insbesondere in Situationen eines sinkenden Kraftstoffbedarfs, zu ermöglichen, ist ein Druckabbauventil 10 vorgesehen, das den Hochdruckspeicher 1 mit dem Niederdrucksystem, insbesondere dem Kraftstoffreservoir 7, verbindet. Bei geöffnetem Druckabbauventil 10 kann somit der Druck im Hochdruckspeicher 1 effizient und schnell abgebaut werden.
Das Druckabbauventil 10 sowie ein Element, das die Kraftstoffzufuhr zu der Hochdruckpumpe 6 steuert, sind vorteilhaft gemeinsam mit einem Drucksensor 25 an ein gemeinsames Regelungssystem 11 angeschlossen.
2 zeigt schematisch beispielhaft den Aufbau des Druckabbauventils 10. Dabei ist auf der linken Seite mit dem Bezugszeichen 1 der Hochdruckspeicher dargestellt, der mit einer Öffnung 12 des Druckabbauventils 10 verbunden ist. Die Öffnung 12 ist mittels eines Verschlusselements 13 verschließbar. Das Verschlusselement 13 ist mit einem Anker 14 eines Magnetantriebs verbunden, wobei der Anker 14 im Rahmen des Magnetantriebs mit einer diesen umgebenden Spule 15 zusammenwirkt. Im Ruhezustand, d.h., wenn die Spule 15 nicht mit einem Strom beaufschlagt ist, wird mittels einer Feder 16, die in einer Federführung 17 geführt ist, und der entsprechend wirkenden Federkraft der Anker 14 und mit ihm das Verschlusselement 13 gegen den Ventilsitz an der Öffnung 12 gedrückt, und somit wird das Druckabbauventil gegen den hydraulischen Druck 26 im Hochdruckspeicher 1 geschlossen. Es kann somit kein Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 1 austreten.
Wird die Spule 15 mit einem elektrischen Signal beaufschlagt, so dass ein Strom fließt, so wird der Anker 14 durch die Magnetkraft in die Spule 15 hineingezogen und damit das Verschlusselement 13 von der Öffnung 12 gegen die Kraft der Feder 16 entfernt. Es kann dann aus dem Hochdruckspeicher 1 Kraftstoff durch die Öffnung 12 in den Ventilraum 18 und von dort über die Abflussleitung 19 in das Kraftstoffreservoir 7 abgeleitet werden. Das Druckabbauventil 10 ist derart konstruiert, dass es vorteilhaft als sogenanntes digitales Ventil betrieben werden kann. Das bedeutet, dass das Ventil im Wesentlichen nur in einer Öffnungsstellung und in einer Verschlussstellung betrieben wird, wobei die Öffnung 12 durch die Bewegung des Verschlusselements 13 sehr schnell verschlossen und freigegeben werden kann. Der Antrieb muss dabei so ausgestaltet werden, dass Zwischenstellungen, bei denen die Ventilöffnung 12 nur teilweise geöffnet ist, bei der Betrachtung und Berechnung von Durchflussmengen vernachlässigt werden können.
Entsprechend sind elektrische Signale zur Ansteuerung der Spule 15, mittels deren das Verschlusselement 13 angetrieben wird, derart auszuwählen oder zu gestalten, dass der Anker 14 möglichst schnell bewegt wird. Andererseits ist dabei zu berücksichtigen, dass das Anschlagen des Verschlusselements 13 am Ventilsitz im Bereich der Öffnung 12 und/oder am Anschlag 29 in der Öffnungsposition einerseits mechanischen Verschleiß hervorruft und andererseits Geräusche erzeugt, die gegebenenfalls unerwünscht sind.
Die Erfindung beschäftigt sich daher damit, geeignete Signalstärken für das elektrische Ansteuerungssignal der Spule 15 zu ermitteln. Es wird zu diesem Zweck jeweils zu Beginn des Betriebs oder auch während des Betriebs eine Serie von Testsignalen an die Spule 15 angelegt und jeweils das Verhalten des Ventils ermittelt. Hierzu wird konkret die Ansprechzeit, d.h. die Zeit vom Beginn des elektrischen Signals bis zum vollständigen Verschluss des Ventils oder bis zur vollständigen Öffnung, ermittelt. Dies geschieht über die Betrachtung des Spulenstroms, genauer des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms. Dieser hängt einerseits von Form und Intensität des elektrischen Signals, andererseits von der Induktivität der Spule und der Position des Ankers 14 und von der Steifheit und Wirkrichtung der Feder 16 ab.
Das Stromverhalten wird im Folgenden genauer anhand der 3 betrachtet.
In 3 sind drei Stromkurven 20, 21, 22 dargestellt, die sich bei unterschiedlich intensiven an die Spule 15 angelegten elektrischen Signalen ergeben und die jeweils den Stromverlauf in der Spule 15 wiedergeben. Es ergibt sich, dass zu Beginn beim Anlegen des elektrischen Signals zur Zeit t₁ an die Spule ein Stromanstieg erfolgt, der zunächst ausschließlich durch die Induktivität des Systems aus Spule und Anker und die Ankermasse bestimmt ist. Erst vom Zeitpunkt t₂ an ergeben sich Unterschiede, indem bei einem intensiveren Signal, gezeigt am Beispiel der Kurve 20, eine höhere Maximalstromstärke erreicht wird als in den Fällen eines weniger intensiven elektrischen Signals. Bei genauerer Betrachtung des gekoppelten elektrischen und mechanischen Systems und der dieses beschreibenden Differentialgleichung ergibt sich, dass nach einem Überschwingen der Stromstärke und dem Erreichen der Maximalgeschwindigkeit des Ankers bei dessen Anschlagen am Ventilsitz ein relatives Minimum der Stromstärke durchlaufen wird. Das Stromstärkenminimum ist in der Kurve 20 durch das Bezugszeichen 20a, in der Kurve 21 durch das Bezugszeichen 21a und in der Kurve 22 durch das Bezugszeichen 22a bezeichnet. Es ergibt sich bei Vergleich der Stromkurven 20 und 21, dass bei einer Reduktion der Signalstärke des an die Spule 15 angelegten Signals zunächst die erreichte Maximalstromstärke sinkt, jedoch der Zeitpunkt des Erreichens des Stromminimums 20a, 21a sich praktisch nicht verschiebt. Dies ist damit zu erklären, dass die mechanische Beschleunigung des Verschlusselements oberhalb einer bestimmten Signalstärke nicht weiter verändert wird und dass stärkere elektrische Signale lediglich zu einem stärkeren Energieeintrag in das Magnetfeld der Spule, jedoch nicht zu einer Erhöhung der kinetischen Energie des Ankers oder einer Verkürzung der Öffnungs-/Schließzeit des Ventils führen. Entsprechend kann die Signalstärke ein Stück weit abgesenkt werden, ohne dass sich die Verschlusszeit t₃ bzw. der Zeitraum zwischen Beginn des Signals t₁ und dem Erreichen der Endstellung des Verschlusselements t₃ verändert.
Wird dann die Signalintensität noch weiter abgesenkt, so reicht von einer bestimmten Signalstärke an abwärts die eingetragene Gesamtenergie nicht mehr aus, um das Verschlusselement 13 maximal zu beschleunigen. Dies zeigt sich bei Betrachtung der Kurve 22, bei der das Minimum 22a deutlich nach rechts verschoben ist. Das bedeutet, dass das Verschlusselement 13 in der Endstellung, z.B. am Ventilsitz, deutlich verlangsamt anschlägt. Damit ergibt sich, dass das Ventil streng genommen nicht mehr als digitales Ventil betrachtet werden kann, da das Verschlusselement sich über einen unzulässig großen Zeitraum in Positionen befindet, in denen es die Ventilöffnung teilweise verschließt. Andererseits ist der Anschlag des Verschlusselements 13 am Ventilsitz sehr weich, so dass das Ventil geräuscharm und verschleißarm schließt.
Wird eine Testreihe mit drei verschiedenen Signalstärken, wie in 3 dargestellt, durchgeführt, so ist der Schluss zu ziehen, dass die Kurve 22 ein für die Zwecke des Druckabbauventils unzureichend intensives Signal widerspiegelt, so dass nach Durchlaufen der Testreihe das nächst stärkere elektrische Signal, das der Kurve 21 zugeordnet ist, für den weiteren Betrieb ausgewählt wird.
Es kann bei der Testreihe auch eine größere Zahl von elektrischen Signalen angelegt und getestet werden, wobei die Differenzen zwischen den Signalstärken entsprechend der Genauigkeit, die für den Betrieb des Druckabbauventils gewünscht wird, zu wählen ist.
Die Intensität der angelegten elektrischen Signale wird üblicherweise durch eine angelegte Spannung bestimmt, die mittels einer Pulsweitenmodulation über ein einstellbares Tastverhältnis in einem entsprechend einstellbaren prozentualen Anteil der durchlaufenen Signalzeit anlegbar ist. Eine Testreihe kann beispielsweise mit einem 100% eingeschalteten Pulsweitenmodulationssignal beginnen und dann prozentweise oder in Schritten von einigen Prozent heruntergefahren werden, indem beispielsweise bei einem Testdurchlauf das Signal zu 95% oder 90% der durchlaufenen Zeit eingeschaltet ist.
In 4 ist in derselben Zeitskala wie in 3 der Hub s des Verschlusselements 13 gegenüber der Zeit t bei verschiedenen Signalen aufgetragen. Dabei ist in der Wegkurve 23 ein Hubverlauf dargestellt, der der Kurve 21 in 3 zugeordnet ist, während in der Wegkurve 24 ein Hubverlauf dargestellt ist, der der Kurve 22 in 3 zugeordnet ist. Es zeigt sich, dass bei der Wegkurve 23 der Weg bis zum Verschluss der Ventilöffnung 12 bzw. zum Erreichen der Endposition zur Zeit t₃ durchlaufen ist, d.h., das Ventil schließt zum Zeitpunkt t₃. Gemäß der Wegkurve 24, die eine als zu niedrig eingestufte Signalintensität widerspiegelt, wird das Ventil erst zum Zeitpunkt t₄ geschlossen.
Nach Durchlaufen einer entsprechenden Testreihe kann somit bei dem Druckabbauventil eine Signalstärke eingestellt werden, die unter Beibehaltung der optimierten Verschlusszeit des Ventils einen minimalen Geräuschpegel im Betrieb und einen ebenfalls minimierten Verschleiß gewährleistet.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Druckabbauventils (10) für ein Speichereinspritzsystem, wobei das Ventil (10) eine Ventilöffnung (12) und ein Verschlusselement (13) aufweist, das zwischen einer ersten Endposition (Verschlussposition), in der es einen Verschluss der Ventilöffnung (12) bewirkt, und einer zweiten Endposition (Öffnungsposition), in der es die Ventilöffnung wenigstens teilweise freigibt, gegen die Kraft eines Rückstellfederelements (16) mittels eines elektromagnetischen Antriebs (14, 15) mit einer strombeaufschlagbaren Spule (15) und einem magnetisch antreibbaren Anker (14) antreibbar ist, wobei wenigstens einmal die Spule (15) mit einem definierten elektrischen Signal beaufschlagt wird, um den Anker (14) unter Einfluss der Rückstellfeder, insbesondere gegen die Kraft des Rückstellfederelements (16), zu bewegen, dass mittels eines Stromsensors der zeitliche Verlauf der Stromstärke (20, 21, 22) in der Spule (15) erfasst wird und dass aus dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke das Bewegungsprofil des Verschlusselements (13) bei dem definierten Stromsignal, insbesondere eine Öffnungs- oder Schließzeit, ermittelt wird, wobei die Spule (15) nacheinander mit mehreren verschiedenen elektrischen Signalen unterschiedlicher Intensität beaufschlagt und die Unterschiede der zeitlichen Stromverläufe (20, 21, 22) und der daraus ermittelten Bewegungsdaten des Ankers (14) erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich erste Minimum (20a, 21a, 22a) der Stromstärke des durch die Spule (15) fließenden Stroms ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum zwischen dem Beginn der Beaufschlagung der Spule (15) mit einem elektrischen Signal und dem Auftreten des ersten Minimums (20a, 21a, 22a) der Stromstärke des durch die Spule (15) fließenden Stroms ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der elektrischen Signale von Signalbeaufschlagung zu Signalbeaufschlagung entweder monoton steigt oder sinkt und dass die Zeitdauern jeweils vom Beginn der Signalbeaufschlagung bis zum Durchlaufen des ersten Minimums (20a, 21a, 22a) der Stromstärke des die Spule (15) durchfließenden Stroms erfasst und miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsunterschiede zwischen den aufeinanderfolgenden und/oder in der Reihe der Signalintensitäten unmittelbar einander benachbarten elektrischen Signalen im Wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Paare von Signalen, die in der Reihe der Signalintensitäten unmittelbar benachbart sind, bezüglich der erzielten Bewegungen des Ankers (14), insbesondere der Zeitdauern des zum Durchlaufen des ersten Stromminimums (20a, 21a, 22a), miteinander verglichen werden und dass das Paar ermittelt wird, das die größte Differenz der Ankerbewegungen aufweist und dass dasjenige der beiden elektrischen Signale, das zu der zeitlich kürzeren Zeitdauer bis zum Erreichen des Stromminimums führt, ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) durch eine Feder (16) in Verschlussstellung gehalten und durch einen mit einer strombeaufschlagbaren Spule (15) antreibbaren Anker (14) geöffnet wird, dass die Spule (15) nacheinander mit verschiedenen elektrischen Signalen beaufschlagt wird, deren Intensitäten von Signal zu Signal abnehmen, dass für jedes Signal durch eine Messung des die Spule durchfließenden Stroms eine Zeitdauer bis zum Anschlag des Verschlusselements (13) in der Öffnungsstellung ermittelt wird und dass anhand einer signifikanten Zunahme der Zeitdauer das erste Signal ermittelt wird, das aufgrund seiner unzureichenden Intensität zu einem verzögerten Öffnungsvorgang des Ventils führt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das schwächste Signal, das bezüglich der erzielten Zeitdauer bis zum Anschlag des Verschlusselements (13) als ausreichend ermittelt wird, für weitere Betätigungsvorgänge reproduziert wird.
Speichereinspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe (6), die eine Einspritzflüssigkeit unter hohem Druck in einen Hochdruckspeicher (1) fördert, sowie mit einem Druckabbauventil (10), das mit dem Hochdruckspeicher (1) verbunden und mittels eines strombeaufschlagbaren Elektromagneten (14, 15) gegen die Kraft eines Rückstellfederelements (16) öffenbar und/oder verschließbar ist, mit einer Signalerzeugungseinrichtung, die nacheinander die Erzeugung verschiedener elektrischer Signale mit unterschiedlichen Intensitäten bewirkt, sowie mit einem Stromsensor zur Messung des Stromstärkenverlaufs (20, 21, 22) des eine Spule (15) des Elektromagneten durchfließenden Stroms, und mit einer Auswerteeinrichtung, die aufgrund der Bestimmung der zeitlichen Lage von Stromstärkeminima (20a, 21a, 22a) des die Spule (15) des Elektromagneten (14, 15) durchfließenden Stroms die Verschlusszeiten und/oder Öffnungszeiten des Ventils für elektrische Signale verschiedener Intensität miteinander vergleicht.