DE102017209010B3

DE102017209010B3 - Verfahren zum Erkennen der Vorspannung einer Kalibrationsfeder eines magnetisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils

Info

Publication number: DE102017209010B3
Application number: DE102017209010.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Denk
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2037-05-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen der Vorspannung einer Kalibrationsfeder (2), die vorgesehen ist, eine Ventilnadel (1) eines magnetisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils gegen dessen Düsenöffnung (3) zu drücken, wobei durch Anlegen einer Spannung an eine Magnetspule (5) des Kraftstoffeinspritzventils durch den dadurch fließenden Strom (I) ein magnetischer Fluss (Ψ) in einemMagnetjoch (4), einem Magnetanker (6)und einem Gesamtluftspalt erzeugt wird, wodurch der Magnetanker (6) gegen die Kraft der Kalibrationsfeder (2) zum Magnetjoch (6) bewegt wird, wobei die in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ermittelten Werte des Stromes (I) und des magnetischen Flusses (Ψ) in einem Phasenraumdiagramm eine Kurve bilden, die während des Anliegens der Spannung erste Abschnitte aufweist, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms (I) und des magnetischen Flusses (Ψ) nahezu proportional ist, und zwischen diesen ersten Abschnitten bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg ein zweiter Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg zwei zweite Abschnitte liegen, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms und des magnetischen Flusses (Ψ) nahezu umgekehrt proportional ist, wobei ein Graph (G1, G2, G3) ermittelt wird, der bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg diesen zweiten Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg den zweiten von zwei zweiten Abschnitten der Kurve approximiert, wobei die Steigung des Graphen (G1, G2, G3) ermittelt wird, die ein Maß für die Vorspannung der Kalibrationsfeder (2) ist.

Description

In heutige Verbrennungsmotoren wird der Kraftstoff mit Hilfe von Einspritzventilen entweder in das Saugrohr oder direkt in den Verbrennungsraum der Zylinder eingespritzt. Dabei werden zumeist magnetisch betätigte Einspritzventile verwendet, bei denen eine Magnetspule von einem Strom durchflossen wird, wodurch von der Magnetspule ein Magnetfeld erzeugt wird, das über ein Magnetjoch und einen Magnetanker, der vom Magnetjoch durch einen Luftspalt beabstandet ist, geschlossen wird. Aufgrund des Magnetfeldes wird der Magnetanker gegen eine Federkraft zum Magnetjoch gezogen und nimmt dabei eine Ventilnadel mit, die im hydraulisch geschlossenen Zustand des Ventils aufgrund der Kraft einer Kalibrationsfeder und des hydraulischen Drucks des Kraftstoffes die Ventildüsenöffnung verschließt und im hydraulisch geöffneten Zustand aufgrund des zum Magnetjoch gezogenen Magnetankers die Ventildüsenöffnung freigibt.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Einspritzventils, bei der der Magnetanker einen Leerhubweg zurücklegt, bevor er die Ventilnadel zum Öffnen der Ventildüse mitnimmt. Es gibt alternativ auch Einspritzventile, bei denen kein Leerhubweg vorhanden ist sondern stattdessen der Magnetanker bereits im unbestromten Zustand aufgrund einer Federkraft an der Ventilnadel anliegt.
Bei dem in der 1 dargestellten Einspritzventil wird eine Ventilnadel 1 von einer Kalibrationsfeder 2 und aufgrund des hydraulischen Drucks des Kraftstoffs in den Ventilsitz 3 gedrückt, so dass durch diese Federkraft der Kalibrationsfeder 2 und zusätzlich durch die hydraulische Kraft des auf die Ventilnadel 1 wirkenden Kraftstoffdrucks das Ventil geschlossen gehalten wird. Die Ventilnadel 1 ist innerhalb eines Magnetjoches 4 beweglich gelagert, wobei in dem Magnetjoch 4 eine Magnetspule 5 angeordnet ist, die einen magnetischen Fluss im Magnetjoch 4 und im Anker 6 erzeugt, wenn sie bestromt wird.
Beabstandet zum Magnetjoch 4 liegt ein Magnetanker 6 auf einem mechanischen Anschlag 7 auf und wird dort durch eine Leerhubfeder 8 gehalten. Wenn die Magnetspule 5 bestromt wird, wird der Magnetanker 6 aufgrund des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes gegen die Kraft der Leerhubfeder 2 zum Magnetjoch 4 gezogen und nimmt nach Überwinden des Leerhubweges die Ventilnadel 1 mit, so dass das Ventil geöffnet wird.
Solche Einspritzventile sollen möglichst schnell geöffnet und auch wieder geschlossen werden und eine möglichst genaue vorbestimmte Zeit im geöffneten Zustand gehalten werden, so dass eine möglichst genau dossierte Kraftstoffmenge in den Verbrennungsmotor eingespritzt werden kann.
Die 2 zeigt typische Spannungs- und Stromverläufe an der Magnetspule eines magnetischen Einspritzventils, die dazu dienen, ein oben beschriebenes Einspritzventil möglichst schnell zu öffnen, eine definierte Zeit offen zu halten und schließlich wieder möglichst schnell zu schließen.
Hierzu wird in einer sogenannten Boostphase eine relativ hohe Spannung U_boost von derzeit etwa 65 V an die Magnetspule angelegt, wodurch der Strom in der Magnetspule relativ schnell auf einen Spitzenwert I_PK ansteigt. Nach dem Erreichen des Spitzenwerts I_PK durch den Strom wird die Spannung zunächst wieder abgeschaltet, wodurch der Stromfluss durch die Magnetspule abnimmt, um dann in einer ersten Haltephase Hold0 Phase auf einem ersten höheren Niveau I_HOLD0_HIGH, I_HOLD0-HYST mittels eines Zweipunktreglers eine gewisse Zeit gehalten zu werden und in einer zweiten Phase auf einem zweiten niederen Halteniveau I_HOLD1_HIGH, I_HOLD1-HYST über eine zweite Zeitdauer bis zum Abschalten gehalten zu werden. Das zweite niedere Niveau I_HOLD1_HIGH, I_HOLD1-HYST wird eingestellt, damit beim Abschalten der Schließvorgang schneller abläuft, da sich das Magnetfeld von diesem zweiten niederen Niveau I_HOLD1_HIGH, I_HOLD1-HYST aus schneller abbaut.
In der 3 ist der Öffnungsvorgang bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg in verschiedenen Phasen dargestellt. In der anfänglichen Ruhelage liegt der Magnetanker aufgrund der Federkraft der Leerhubfeder auf einem mechanischen Anschlag auf und die Ventilnadel wird aufgrund der Kalibrationsfederkraft und des auf die Ventilnadel wirkenden hydraulischen Kraftstoffdrucks in den Ventilsitz gedrückt, so dass das Kraftstoffeinspritzventil geschlossen ist (Ausgangslage).
Wenn die Magnetspule bestromt wird, wird zunächst ein Magnetfeld aufgebaut, ohne dass sich der Magnetanker bewegt. Wenn das Magnetfeld groß genug ist, die Kraft der Leerhubfeder zu überwinden, wird dann in einer Leerhubphase der Magnetanker zum Magnetjoch hin gegen die Kraft der Leerhubfeder beschleunigt und trifft auf die Ventilnadel (Leerhubphase). Dort verharrt der Magnetanker zunächst, bis das sich weiter verstärkende Magnetfeld ausreichend groß geworden ist, um den Magnetanker und die Ventilnadel zusammen gegen die Federkraft der Kalibrationsfeder und die hydraulische Kraft des Kraftstoffdruckes weiter zu dem Magnetjoch hin zu bewegen (Öffnungsbeginn, Öffnung).
Nachdem der Magnetanker am Magnetjoch angeschlagen hat endet die Bewegung des Magnetankers, und das Einspritzventil ist geöffnet. Da die Ventilnadel jedoch nicht fest mit dem Magnetanker verbunden ist, bewegt sich diese aufgrund ihrer Trägheit gegen die Kraft der Kalibrationsfeder noch ein Stückchen weiter, bis sich ihre Bewegung umkehrt und sie sich wieder zum Magnetanker hin bewegt, bis sie in ihrer Endlage verharrt. Damit ist der Öffnungsvorgang beendet (Endlage).
In der 3 sind ebenfalls der zeitliche Verlauf der Bewegungen des Magnetankers I und der Ventilnadel II sowie der statische Durchfluss des Kraftstoffes III über der Zeit aufgezeichnet.
Die 4 zeigt den Schließvorgang des Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg, wenn die Spannung an der Magnetspule abgeschaltet wird. Das Magnetfeld im Magnetjoch und im Magnetanker baut sich dann ab, wobei sich der Magnetanker aus der Ausgangslage zusammen mit der Ventilnadel aufgrund der Kraft der Kalibrationsfeder von dem Magnetjoch weg bewegt (Schließbeginn, Schließvorgang,), bis die Ventilnadel im Ventilsitz angekommen ist und die Kraftstoffeinspritzventildüse schließt (Schließende), wobei sich anschließend der Magnetanker aufgrund der Kraft der Leerhubfeder weiter bis zu seinem mechanischen Anschlag hin bewegt (Leerhub), bis er in seiner Endlage anlangt.
In den 5 und 6 ist im Unterschied zur Darstellung in den 3 und 4 noch der Bewegungsablauf des Magnetankers und der Ventilnadel bei einem Kraftstoffeinspritzventil ohne Leerhubweg dargestellt.
Dort liegt bereits in der Ausgangslage der Magnetanker aufgrund einer Federkraft an der Ventilnadel an, die jedoch durch die Kraft der Kalibrationsfeder und des hydraulischen Kraftstoffdrucks in den Ventilsitz gedrückt wird. Aufgrund des Bestromens der Magnetspule wird der Magnetanker zum Magnetjoch hin gezogen und nimmt die Ventilnadel gegen die Kraft der Kalibrationsfeder und des hydraulischen Kraftstoffdruckes mit, wodurch sich die Ventildüse öffnet.
In entsprechender Weise wird zum Schließen die Spannung von der Magnetspule weggenommen, wodurch sich das Magnetfeld im Magnetjoch und dem Magnetanker abbaut und aufgrund der Federkraft der Kalibrationsfeder die Ventilnadel wieder zurück in den Ventilsitz gedrückt und entsprechend der Magnetanker in seine Ausgangslage geführt wird.
Bei beiden Arten von Kraftstoffeinspritzventilen kann es vorkommen, dass die Kalibrationsfeder, die die Ventilnadel in ihrer Ruheposition hält und gegen deren Kraft die Ventilnadel zur Öffnung des Ventils bewegt werden muss, nicht vorgespannt ist, so dass sich die Öffnungs- und Schließzeiten verändern und sich damit die pro Öffnungs- und Schließzyklus eingespritzte Kraftstoffmenge verändert. Da sich ein Einspritzvorgang pro Zyklus verbrennungstechnisch auf mehrere Einspritzungen aufteilt und sich damit die einzelnen Einspritzvorgänge verkürzen, wirken sich solche Veränderungen der Öffnungs- und Schließzeiten immer stärker auf die relativen Veränderungen bezogen auf die Einspritzdauern aus.
Gemäß der DE 603 10 362 T2 wird bei einem Verfahren zum Einstellen der Federvorspannung in einer Dosiervorrichtung eine variable externe Vorspannkraft auf die Deckfläche der Federscheibe während des Montageprozesses der Dosiervorrichtung aufgebracht, die externe Vorspannkraft gemessen und die Manschette auf den Schraubteil am oberen Abschnitt der Ventilnadel gebördelt, um die Federeinrichtung in einer Arbeitsstellung zu blockieren, wenn eine vorgegebene Federvorspannung erreicht ist. Die Manschette wird vorteilhafterweise unter Verwendung eines Stanzwerkzeuges mit zwei parallelen scharfen Zähnen als Bördelwerkzeug auf die Ventilnadel gebördelt.
Die DE 32 28 955 C2 offenbart ein Verfahren zur Kontrolle des Betriebsverhaltens der Mechanismen eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder nebst Kolben, einem Einspritzventil und mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe durch Empfang und Umwandlung der vom gewählten beweglichen Element des zu kontrollierenden Mechanismus kommenden mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Signal, die mittels eines am Gehäuse dieses Mechanismus angeordneten Mittels zum Empfang und zur Umwandlung dieser Schwingungen durchgeführt werden. Dies erfolgt durch ein Trennen der dem gewählten beweglichen Element des zu kontrollierenden Mechanismus angehörenden Komponente aus dem gewonnenen elektrischen Signal, ein Messen der spektral-zeitlichen Parameter der empfangenen mechanischen Schwingungen mittels Auswertung der abgetrennten Komponente des elektrischen Signals sowie durch Ermittlung der gewünschten Betriebskennwerte des zu kontrollierenden Mechanismus anhand der gemessenen Parameter, wobei vor dem Messen der spektral-zeitlichen Parameter auf das gewählte bewegliche Element des zu kontrollierenden Mechanismus über das Gehäuse dieses Mechanismus mit kontinuierlichen künstlich erzeugten mechanischen Ultraschallschwingungen eingewirkt wird, die vom gewählten beweglichen Element des zu kontrollierenden Mechanismus kommenden mechanischen Ultraschallschwingungen, die infolge der Wechselwirkung zwischen den künstlich erzeugten mechanischen Ultraschallschwingungen und dem beweglichen gewählten Element entstehen und infolge der Bewegung dieses Elements moduliert sind, empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das Frequenzband der elektrischen Schwingungen wird mit der der Frequenz der einwirkenden künstlich erzeugten mechanischen Ultraschallschwingungen gleicher Trägerfrequenz abgetrennt, und die abgetrennte Trägerfrequenz des elektrischen Signals wird zur Gewinnung seiner NF-Modulationskomponente, die die Bewegung des gewählten beweglichen Elements gegenüber dem Gehäuse des zu kontrollierenden Mechanismus charakterisiert und das Informationssignal darstellt, demoduliert, und anschließend werden die spektral-zeitlichen Parameter der empfangenen mechanischen Ultraschallschwingungen mittels Auswertung des besagten Informationssignals gemessen, wobei mit künstlich erzeugten mechanischen Ultraschallschwingungen auf eine Einspritzventilfeder eingewirkt wird.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache Weise die Vorspannung der Kalibrationsfeder ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäß wird bei einem Verfahren zum Erkennen der Vorspannung einer Kalibrationsfeder, die vorgesehen ist, eine Ventilnadel eines magnetisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils gegen dessen Düsenöffnung zu drücken,
wobei durch Anlegen einer Spannung an eine Magnetspule des Kraftstoffeinspritzventils durch den dadurch fließenden Strom ein magnetischer Fluss in einem Magnetjoch, einem Magnetanker und einem Gesamtluftspalt erzeugt wird, wodurch der Magnetanker gegen die Kraft der Kalibrationsfeder zum Magnetjoch bewegt wird,
wobei die in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ermittelten Werte des Stromes und des magnetischen Flusses in einem Phasenraumdiagramm eine Kurve bilden, die während des Anliegens der Spannung erste Abschnitte aufweist, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms und des magnetischen Flusses nahezu proportional ist, und zwischen diesen ersten Abschnitten bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg ein zweiter Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg zwei zweite Abschnitte liegen, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms und des magnetischen Flusses nahezu umgekehrt proportional ist,
ein Graph ermittelt, der bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg diesen zweiten Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg den zweiten von zwei zweiten Abschnitten der Kurve approximiert,
wobei die Steigung des Graphen ermittelt wird, die ein Maß für die Vorspannung der Kalibrationsfeder ist.
Es kann also nach der Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils die Vorspannung einer sich im Inneren des Kraftstoffeinspritzventils befindenden Kalibrationsfeder ermittelt werden.
Besonders einfach gelingt dies, wenn ein solcher Graph eine Gerade ist, wobei eine geringere Steigung ein Maß für eine große Vorspannung ist und umgekehrt.
In einem ersten Schritt wird aus der an der Magnetspule anliegenden Spannung, dem durch die Magnetspule fließenden Strom und aus dem Spulenwiderstand durch ein mathematisches Verfahren der im Kraftstoffeinspritzventil vorhandene magnetische Fluss ermittelt und Wertepaare des zu einem Zeitpunkt fließenden Stromes und des zu diesem Zeitpunkt herrschenden magnetischen Flusses gebildet. Dabei wird in vorteilhafter Weise eine Spannung von lediglich etwa 6 Volt oder weniger an die Magnetspule des Kraftstoffeinspritzventils angelegt, da hierdurch eine quasistationäre magnetische Flussausprägung bewirkt wird, bei der eine Verzögerung des Flussaufbaus durch im Magnetmaterial induzierte Wirbelströme vernachlässigt werden kann.
Diese Wertepaare aus Strom I und magnetischer Flussausprägung Ψ lassen sich im Phasenraum gemäß der 7 darstellen. Dort sind Verläufe aufgezeichnet, wie sie sich in einem Injektor mit Leerhubweg bei Anlegen einer Rechteckspannung ergeben, wobei sich die unterschiedlichen Kurven für Injektoren mit einer Kalibrationsfeder mit unterschiedlicher Vorspannung ergeben.
Im Folgenden soll zunächst der grundsätzliche Verlauf von Strom I und magnetischem Fluss Ψ betrachtet werden. Zu Beginn steigen Strom I und magnetischer Fluss Ψ etwa proportional zueinander an, bis die magnetische Kraft groß genug ist, um die Gegenkraft der Leerhubfeder 8 zu überwinden, woraufhin sich der Magnetanker 6 um den Leerhubweg bis zur Ventilnadel 1 bewegt. Hierbei verringert sich der Luftspalt, wobei der Strom I abnimmt, während der magnetische Fluss Ψ weiter zunimmt.
Wenn der Magnetanker 6 auf die Ventilnadel 1 trifft, ist wieder ein Zustand erreicht, in dem Strom I und magnetischer Fluss Ψ mit in etwa proportionalem Verhältnis zunehmen, bis die magnetische Kraft wiederum ausreicht, den Magnetanker 6 und die Ventilnadel 1 gegen die Kraft der Kalibrationsfeder 2 und den hydraulischen Druck des Kraftstoffs zu bewegen.
Dann ist der Verlauf wieder derart, dass der Strom I abnimmt, während der magnetische Fluss Ψ weiter zunimmt. Allerdings weist dieser Verlauf bei einer schwächer vorgespannten Kalibrationsfeder 2 eine größere negative Steigung auf, während er bei einer größeren Vorspannung eine geringere negative Steigung hat. Dies ist an den diesen Verlauf approximierenden Graphen G1, G2, G3 in der 7 zu erkennen.
Wenn der Magnetanker auf das Magnetjoch auftritt, ist wieder ein Zustand erreicht, in dem Strom I und magnetischer Fluss Ψ mit in etwa proportionalem Verhältnis zunehmen. Nach dem Abschalten der Spannung nehmen sowohl Strom I als auch magnetischer Fluss Ψ ab, bis sie schließlich zum Erliegen kommen.
Auf diese Weise können neu gefertigte Kraftstoffeinspritzventile vermessen und die Vorspannung gegebenenfalls nachjustiert werden. Es ist auch möglich, die im bestimmungsgemäßen Betrieb an das Kraftstoffeinspritzventil anzulegende elektrisch Spannung an die Vorspannung der Kalibrationsfeder anzupassen, um die Öffnungs- und Schließzeiten an die gewünschte Kraftstoffmenge möglichst gut anzupassen.
Das Verfahren lässt sich sowohl auf Kraftstoffeinspritzventile mit als auch ohne Leerhubweg anwenden. Bei einem Kraftstoffeinspritzventil ohne Leerhubweg würde sich der charakteristische Verlauf schon im ersten Abschnitt der Strom-Fluss-Kurve im Phasenraum mit negativer Steigung zeigen und die Steigung könnte dort aus einem den Verlauf approximierenden Graphen ermittelt werden.
Figurenliste

1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg nach dem Stand der Technik,
2 ein Spannungs- und Stromprofil nach dem Stand der Technik zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils,
3 einzelne Phasen beim Öffnen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg,
4 einzelne Phasen beim Schließen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils mit Leerhubweg,
5 einzelne Phasen beim Öffnen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils ohne Leerhubweg,
6 einzelne Phasen beim Schließen eines bekannten Kraftstoffeinspritzventils ohne Leerhubweg und
7 der aufgrund einer an ein Kraftstoffeinspritzventil mit Leerhubweg angelegten Spannung fließende Strom und der dadurch erzeugte magnetische Fluss in einem Phasenraumdiagramm.

Claims

Verfahren zum Erkennen der Vorspannung einer Kalibrationsfeder (2), die vorgesehen ist, eine Ventilnadel (1) eines magnetisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils gegen dessen Düsenöffnung (3) zu drücken, wobei durch Anlegen einer Spannung an eine Magnetspule (5) des Kraftstoffeinspritzventils durch den dadurch fließenden Strom (I) ein magnetischer Fluss (Ψ) in einem Magnetjoch (4), einem Magnetanker (6)und einem Gesamtluftspalt erzeugt wird, wodurch der Magnetanker (6) gegen die Kraft der Kalibrationsfeder (2) zum Magnetjoch (6) bewegt wird, wobei die in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ermittelten Werte des Stromes (I) und des magnetischen Flusses (Ψ) in einem Phasenraumdiagramm eine Kurve bilden, die während des Anliegens der Spannung erste Abschnitte aufweist, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms (I) und des magnetischen Flusses (Ψ) nahezu proportional ist, und zwischen diesen ersten Abschnitten bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg ein zweiter Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg zwei zweite Abschnitte liegen, in denen die zeitliche Veränderung des Stroms und des magnetischen Flusses (Ψ) nahezu umgekehrt proportional ist, wobei ein Graph (G1, G2, G3) ermittelt wird, der bei einem Kraftstoffinjektor ohne Leerhubweg diesen zweiten Abschnitt und bei einem Kraftstoffinjektor mit Leerhubweg den zweiten von zwei zweiten Abschnitten der Kurve approximiert, wobei die Steigung des Graphen (G1, G2, G3) ermittelt wird, die ein Maß für die Vorspannung der Kalibrationsfeder (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Graph (G1, G2, G3) eine Gerade ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine geringere Steigung des Graphen (G1, G2, G3) ein Maß für eine größere Vorspannung ist.