EP4237675B1

EP4237675B1 - Verfahren zum ermitteln eines öffnungszeitpunkts eines injektors mit einem magnetventil, computerprogramm, steuergerät, verbrennungskraftmaschine und kraftfahrzeug

Info

Publication number: EP4237675B1
Application number: EP21806159.6A
Authority: EP
Inventors: Philipp Hackmann; Daniel Leineweber; Daniel AUGUST
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2024-12-11
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: CN116324149B; EP4237675A1; CN116324149A; DE102020213705A1; WO2022090395A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil sowie ein Computerprogramm, ein Steuergerät, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Kraftfahrzeug.
In Verbrennungskraftmaschinen werden Injektoren verwendet, um Kraftstoff direkt in einen Brennraum einzuspritzen. Dabei steuert ein Motorsteuergerät das in den Injektoren integrierte Schaltventil, wodurch eine Einspritzdüse öffnet und wieder schließt. Über eine Öffnungsdauer des Schaltventils kann die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt werden.
Bei einer elektrischen Ansteuerung von Magnetventilinjektoren kann es dazu kommen, dass ein Öffnen und Schließen dieser Ventile nur verzögert stattfindet. Der Verzug der einzelnen Injektoren unterliegt Toleranzen mit der Folge, dass die Injektoren unterschiedliche Öffnungsdauern bei gleicher Ansteuerdauer aufweisen. Daraus resultiert eine unerwünschte Ungleichverteilung der Kraftstoffmasse.
Die WO 2011/012518 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils eines Injektors. Das Magnetventil weist ein Ventilelement mit einer Ventilnadel auf und einen mittels eines Elektromagneten bewegbaren Anker. Das Magnetventil ist beispielsweise im stromlosen Zustand geschlossen. Nach dem Ansteuerbeginn des Elektromagneten beginnt - nach der Abhebeverzögerung - die Öffnungsbewegung des Ventilelements, welche durch einen Hubanschlag begrenzt ist. Der Hubanschlag wird dazu benutzt, um das Bewegungsende des Ventilelements zu ermitteln. Aus dem Ansteuerbeginn, dem Bewegungsende und der vorab bestimmten Bewegungszeit ("Flugzeit") des Ventilelements kann die Abhebeverzögerung ermittelt werden. Die Abhebeverzögerung entspricht einer Zeitspanne zwischen dem Beginn der Bestromung einer Ankerwicklung ("Ansteuerbeginn") und dem Abheben der Ventilnadel aus ihrem Sitz.
Die DE 10 2009 045 469 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, bei dem eine erste Verzugszeit ermittelt wird, die eine zeitliche Differenz charakterisiert zwischen einem Zeitpunkt einer ersten Änderung eines Ansteuersignals für das Ventil und einem Zeitpunkt einer mit der ersten Änderung des Ansteuersignals korrespondierenden ersten Betriebszustandsänderung des Ventils. Aus der ersten Verzugszeit wird geschlossen auf mindestens eine zweite Verzugszeit des Ventils, die eine zeitliche Differenz charakterisiert zwischen einem Zeitpunkt einer zweiten, von der ersten Änderung verschiedenen, Änderung des Ansteuersignals und einem Zeitpunkt einer mit der zweiten Änderung des Ansteuersignals korrespondierenden zweiten Betriebszustandsänderung des Ventils.
Die EP 2 685 074 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erfassen einer Öffnung eines elektromagnetisch betätigten Kraftstoffeinspritzventils, das durch Anlegen eines Ansteuersignals betätigt wird. Dabei wird eine Spulenspannung des Kraftstoffeinspritzventils überwacht ab dem Schlie-ßen des Einspritzventils und eine Länge eines Kurvensegments mit gleichem Vorzeichen von der zweiten Ableitung der Spulenspannung wird bestimmt. Wenn die Länge des Kurvensegments einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet, wird geschlussfolgert, dass das Einspritzventil geöffnet ist. Weiterer relevanter Stand der Technik findet sich in DE 10 2016 200743 A1 , EP 2 422 067 B1 , DE 10 2009 054588 A1 und EP 2 685 074 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil, ein verbessertes Computerprogramm, ein verbessertes Steuergerät, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Computerprogramm nach Anspruch 12, das Steuergerät nach Anspruch 13, die Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 14 und das Kraftfahrzeug nach Anspruch 15 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts eines Injektors mit einem Magnetventil. Das Verfahren umfasst:

Ermitteln eines Ankeraufprallzeitpunkts, zu dem ein Anker des Magnetventils auf eine Ventilnadel des Magnetventils anschlägt;
Ermitteln einer Öffnungsverzugszeit des Injektors, die einer Zeitspanne zwischen dem Ankeraufprallzeitpunkt und einem Öffnungszeitpunkt des Ventils entspricht; und
Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts des Injektors basierend auf dem Ankeraufprallzeitpunkt und der Öffnungsverzugszeit.

Der Injektor mit dem Magnetventil, auch Magnetventilinjektor genannt, wird zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine verwendet. Dabei wird der Injektor elektromagnetisch betätigt. Dazu weist der Injektor eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes auf, so dass die Spule als Elektromagnet verwendet werden kann. In einem Ruhezustand des Magnetventils, in dem die Spule nicht bestromt ist und somit kein Magnetfeld vorliegt, wird die Ventilnadel durch ein Vorspannelement, bspw. eine Feder, in einen Ventilsitz gedrückt und somit eine Ventilöffnung geschlossen, wodurch das Magnetventil in einer geschlossenen (Ventil-)Stellung gedrängt bzw. gehalten wird. Zum Öffnen des Magnetventils kann ein Strom an die Spule angelegt werden, wodurch das Magnetfeld erzeugt wird. Während dieser Öffnungsphase übersteigt die magnetische Kraft eine Vorspannkraft des Vorspannelements. Somit kann während der Öffnungsphase der an der Ventilnadel angeordnete Anker durch die magnetische Kraft derart bewegt werden, dass der Anker die Ventilnadel mitführt und gegen die Vorspannkraft bewegt. Dadurch wird die Ventilnadel aus dem Ventilsitz gehoben, die Ventilöffnung freigegeben und somit das Magnetventil geöffnet. Zum Schließen des Magnetventils wird der an der Spule anliegende Strom abgeschaltet, so dass kein Magnetfeld mehr vorliegt. Dadurch wird die Ventilnadel durch das Vorspannelement wieder in den Ventilsitz gedrückt und die Ventilöffnung versperrt, so dass sich das Magnetventil wieder in seiner geschlossenen Ventilstellung befindet.
Der Öffnungszeitpunkt des Injektors ist derjenige, an dem sich die Ventilnadel aus dem Ventilsitz hebt und die Ventilöffnung freilegt, so dass Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist. Mit anderen Worten, der Öffnungszeitpunkt ist der Zeitpunkt des initialen Abhebens der Ventilnadel aus dem Ventilsitz.
Mit dem Verfahren wird der Öffnungszeitpunkt des Injektors bzw. des Magnetventils bestimmt. Folglich wird an ein Ansteuerstrom zum Erzeugen des Magnetfelds der Spule angelegt, um die Öffnungsphase des Magnetventils zu beginnen.
Bei dem Verfahren wird der Ankeraufprallzeitpunkt ermittelt, zu dem der Anker auf die Ventilnadel anschlägt. Zur Erläuterung wird zunächst eine Anordnung des Ankers an der Ventilnadel beschrieben. Der Anker befindet sich in einem stromlosen Zustand der Spule in einer Ruhelage, in der er auf einem an der Ventilnadel angeordneten Ruhesitz anliegt. In einem bestromten Zustand der Spule hebt der der Anker aufgrund der magnetischen Kraft von dem Ruhesitz ab und bewegt sich in Richtung eines Ankeranschlags an der Ventilnadel. Der Anker ist also derart an der Ventilnadel angeordnet, so dass er zwischen dem Ruhesitz und dem Ankeranschlag bewegbar ist. Der Ankeraufprallzeitpunkt ist somit derjenige, zu dem der Anker (während der Öffnungsphase des Magnetventils) an dem Ankeranschlag der Ventilnadel anschlägt. Aus dem Ankeraufprallzeitpunkt kann ein Ankerfreiweg abgeleitet werden, der einer Bewegungsstrecke des Ankers aus der Ruhelage bis zum Aufprall an dem Hubanschlag der Ventil entspricht.
In dem Verfahren wird ferner die Öffnungsverzugszeit ermittelt, die der Zeitspanne zwischen dem Ankeraufprallzeitpunkt und dem Öffnungszeitpunkt des Magnetventils entspricht. Während der Öffnungsphase bewegt sich der Anker in Richtung des Ankeranschlags und schlägt schließlich dort an. Um die Ventilnadel aus dem Ventilsitz zu heben, muss die Vorspannkraft überwunden werden. Diese Öffnungsverzugszeit beschreibt die Dauer zwischen dem Aufprallen des Ankers auf dem Ankeranschlag bis zum tatsächlichen Öffnen des Magnetventils. Die Öffnungsverzugszeit hängt maßgeblich von der Vorspannkraft des Vorspannelements in dem Injektor. Ferner hängt die Öffnungsverzugszeit von der bestromten Spule erzeugten magnetischen Kraft ab. Anders ausgedrückt, die Öffnungsverzugszeit ist abhängig von einem elektromagnetischen Aktor des Injektors, der das Vorspannelement, die Spule, die Ventilnadel mit dem Ruhesitz und dem Ankeranschlag sowie den Anker umfasst.
In manchen Ausführungsformen kann der Einfluss des Vorspannelements bspw. mit einem Modell berücksichtigt werden. Dabei kann es sich um eine empirisches und/oder mathematisches Modell handeln. In anderen Ausführungsformen kann die Öffnungsverzugszeit mit einer konstanten Zeitspanne approximiert werden.
Ferner wird in dem Verfahren der Öffnungszeitpunkts des Magnetventils basierend auf dem Ankeraufprallzeitpunkt und der Öffnungsverzugszeit ermittelt. In manchen Ausführungsformen kann der Öffnungszeitpunkt bestimmt werden, indem auf dem Ankeraufprallzeitpunkt die Öffnungsverzugszeit aufaddiert wird.
Mit dem Verfahren kann der Öffnungszeitpunkt für einen Magnetventilinjektor vergleichsweise einfach und präzise ermittelt werden. Dabei berücksichtigt das Verfahren eine Bauweise und/ oder Dimensionierung der Elemente des Magnetventilinjektors, wie bspw. den elektromagnetischen Aktor, der von der Induktivität der Spule (die sich aus der Anzahl der Windungen der Spule, der Abmessung der Spule und ggf. einem von der Spule eingeschlossenen Material ergibt), dem Ankerfreiweg an der Ventilnadel, etc. abhängig sein kann.
In manchen Ausführungsformen kann der Ankeraufprallzeitpunkt unter Auswertung eines Spannungsverlaufs ermittelt werden. Mit dem Spannungsverlauf ist der Verlauf der an der Spule anliegenden Spannung gemeint. Der Spannungsverlauf kann über entsprechende Messtechnik besonders einfach und präzise erfasst werden. Dabei kann bspw. das Spannungsrohsignal erfasst werden. Folglich kann der Ankeraufprallzeitpunkt unter Auswertung des Spannungsverlaufs besonders einfach und präzise ermittelt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann das Auswerten des Spannungsverlaufs ein Auswerten einer ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs umfassen. Beim Öffnen des Injektors kann eine Änderung in dem Verlauf der ersten Ableitung des Spannungsverlaufs aufgrund einer Geschwindigkeitsveränderung und einer bewegten Masse des Ankers und/oder der Ventilnadel beobachtet werden. Somit kann der Ankeraufprallzeitpunkt vergleichsweise genau und einfach durch Auswerten der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs ermittelt werden.
In anderen Ausführungsformen kann der Ankeraufprallzeitpunkt einem Extremwert in der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs entsprechen. Beim Öffnen des Injektors flacht der Spannungsverlauf ab, wenn der Anker auf die Ventilnadel prallt und diese anschließend mitführt. Mit "Extremwert" ist gemeint, dass die erste zeitliche Ableitung ein Maximum oder ein Minimum zum Ankeraufprallzeitpunkt aufweist. Dabei sind das Maximum und das Minium ein maximaler bzw. minimaler Wert. Durch die Extremwertbestimmung kann der Ankeraufprallzeitpunkt rechnerisch und somit einfach bestimmt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann das Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts ferner umfassen:

Bestimmen eines Anfangszeitpunkts und eines Endzeitpunkts eines Auswertungszeitraums zum Auswerten der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs;
Bilden eines ersten Differenzenquotientenverlaufs über den Auswertungszeitraum basierend auf dem Anfangszeitpunkt;
Bilden eines zweiten Differenzenquotientenverlaufs über den Auswertungszeitraum basierend auf dem Endzeitpunkt; und
Bilden einer Hilfsfunktion, die einen Quotienten aus dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf oder eine Differenz zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf umfasst; und
Bestimmen eines Extremwerts in der Hilfsfunktion, wobei der Extremwert dem Ankeraufprallzeitpunkt entspricht.

Mit den obigen Schritten lässt ich ein knickartiger Steigungsabfall in der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs ermitteln. Dabei entspricht der Zeitpunkt des knickartigen Steigungsabfall dem Ankeraufprallzeitpunkt. Die obigen Schritte zum Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts resultieren aus der Annahme, dass die erste Ableitung des Spannungsverlaufs mittels zwei Geraden approximiert werden kann, nämlich eine erste Gerade vom Anfangszeitpunkt kommend und eine zweite Gerade vom Endzeitpunkt kommend. Dabei ist einerseits die Steigung der ersten Gerade so lange konstant bis der knickartiger Steigungsabfall ("Knick") beim Vorwärtsdurchgang überschritten wird. Dabei bedeutet "Vorwärtsdurchgang" die Betrachtung der ersten Gerade ausgehend vom Anfangszeitpunkt in Richtung des Endzeitpunkts. Andererseits ist die Steigung der zweiten Gerade so lange konstant bis der knickartige Steigungsabfall beim Rückwärtsdurchgang erreicht wird. Dabei bedeutet "Rückwärtsdurchgang" die Betrachtung der zweiten Gerade ausgehend vom Endzeitpunkt in Richtung des Anfangszeitpunkts. Um die Steigungsverläufe der ersten und zweiten Gerade miteinander zu vergleichen, können Differenzquotienten(-verläufe) für die erste und die zweite Gerade gebildet und ausgewertet werden.
Durch das Bestimmen des Auswertungszeitraums für das Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts können Zeiträume in dem Spannungsverlauf, in welchen ein Ankeraufprallzeitpunkt unplausibel ist, bereits im Vorfeld aussortiert werden. Somit kann das Verfahren ressourceneffizienter, bspw. auf einem Steuergerät, durchgeführt werden.
Ein Differenzenquotient beschreibt das Verhältnis der Veränderung einer ersten Größe zu der Veränderung einer zweiten Größe, wobei die erste Größe von der zweiten Größe abhängt. Der Differenzenquotient kann bspw. verwendet werden, um die Steigung einer linearen Funktion zu ermitteln. So kann zur Ermittlung eines Differenzenquotienten das Verhältnis zwischen einem Abstand von Messwerten, die zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt ermittelt werden, und einem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt ermittelt werden. Die Zeitpunkte können dabei beliebig gewählt werden. Im vorliegenden Fall kann der erste Zeitpunkt ein aktueller Zeitpunkt innerhalb des zugrundeliegenden Auswertungszeitraums sein, wobei der aktuelle Zeitpunkt stets ein aktueller Zeitschritt eines vorbestimmten zeitdiskreten Auswertungsrasters (Rechenraster) ist. Durch das Auswertungsraster werden die Messwerte zu (Mess-)Zeitpunkten ermittelt, die (im Wesentlichen) äquidistant voneinander entfernt sind. Der zweite Zeitpunkt kann konstant sein, z. B. kann der zweite Zeitpunkt der Anfangszeitpunkt oder der Endzeitpunkt des Auswertungszeitraums sein. Der Begriff "Differenzenquotient" schließt explizit positive wie negative Werte ein, d. h. geometrisch kann das zur Bestimmung eines Differenzenquotienten wohlbekannte Steigungsdreieck in Richtung der x-Achse (in der Regel eine Zeitachse) orientiert sein oder in entgegengesetzter Richtung der x-Achse.
Mit "Differenzenquotientenverlauf" ist der Verlauf des Differenzenquotienten über einen bestimmten Zeitraum gemeint. Gemäß den obigen Ausführungsformen wird der erste Differenzenquotientenverlauf über den Auswertungszeitraum gebildet und basiert auf dem Anfangszeitpunkt. Damit ist gemeint, dass der Differenzenquotient über den gesamten Auswertungszeitraum für jeden (Mess-)Zeitpunkt der Differenzenquotienten in Bezug zum Anfangszeitpunkt ermittelt wird. Entsprechendes gilt für den zweiten Differenzenquotientenverlauf.
Beispielsweise können der erste Differenzenquotientenverlauf und der zweite Differenzenquotientenverlauf wie folgt ermittelt werden: $l_{1} (t) = \frac{{(- 1)}^{n} * (U' (t_{A}) - U' (t))}{{(- 1)}^{m} * (t - t_{A})} bzw . l_{2} (t) = \frac{{(- 1)}^{n} * (U' (t) - U' (t_{E}))}{{(- 1)}^{m} * (t_{E} - t)}, mit n, m \in ℕ$
wobei

l1t(): = erster Differenzenquotientenverlauf
l2(t): = zweiter Differenzenquotientenverlauf
t: = Zeitpunkt in dem Auswertungszeitraum
tA: = Anfangszeitpunkt des Auswertungszeitraums
tE: = Endzeitpunkt des Auswertungszeitraums
U'(t): = erste Ableitung des Spannungsverlaufs zum Zeitpunkt t
U'(tA): = erste Ableitung des Spannungsverlaufs zum Anfangszeitpunkt des Auswertungszeitraums
U'(tE): = erste Ableitung des Spannungsverlaufs zum Endzeitpunkt des Auswertungszeitraums

Ferner wird eine Hilfsfunktion gebildet. Dabei wird die Hilfsfunktion derart gebildet, dass der erste und der zweite Differenzenquotientenverlauf direkt miteinander verglichen werden können.
So kann die Hilfsfunktion den Quotienten (das Verhältnis) aus dem ersten und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf umfassen. In einem Beispiel kann die Hilfsfunktion dem Quotienten aus dem ersten und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf entsprechen. So kann der Hilfsfunktion beispielsweise der zweite Differenzenquotientenverlauf geteilt durch den ersten Differenzenquotientenverlauf sein oder umgekehrt. In weiteren Beispielen kann die Hilfsfunktion noch weitere Parameter umfassen. Wenn die Hilfsfunktion als Quotient gebildet wird, werden in manchen Beispielen der erste Differenzenquotientenverlauf und der zweiten Differenzenquotientenverlauf derart gebildet, dass die Hilfsfunktion stets positive Werte liefert. Alternativ kann die Hilfsfunktion auch derart gebildet werden, dass sie einen Betrag des Quotienten umfasst. Dazu kann die Hilfsfunktion bspw. einem Betrag des Quotienten von dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf entsprechen. Die Hilfsfunktion kann bspw. wie folgt gebildet werden: $a (t) = |\frac{l_{2} (t)}{l_{1} (t)}|$
mit

a(t): = Hilfsfunktion

Alternativ kann die Hilfsfunktion eine Differenz zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf umfassen. Beispielsweise kann die Hilfsfunktion der Differenz zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf entsprechen. Die Hilfsfunktion kann bspw. der zweite Differenzenquotientenverlauf minus dem ersten Differenzenquotienten sein oder umgekehrt.
Mit der Hilfsfunktion können der erste und der zweite Differenzenquotientenverlauf ausgewertet werden. So lässt sich anhand der Hilfsfunktion erkennen, zu welchem Zeitpunkt der Abstand zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf am größten ist. Zu diesem Zeitpunkt liegt dann in der Hilfsfunktion ein Extremwert vor. Der Ankeraufprallzeitpunkt entspricht dem Extremwert in der Hilfsfunktion. Mit anderen Worten, der Ankeraufprallzeitpunkt liegt dann vor, wenn die Hilfsfunktion den Extremwert aufweist. Je nachdem, wie die Hilfsfunktion gebildet ist, kann der Extremwert ein maximaler oder minimaler Wert sein. Somit kann der Ankeraufprallzeitpunkt (basierend auf der ersten zeitlichen Ableitung) rechnerisch und somit einfach bestimmt werden.
In anderen Ausführungsformen kann die Hilfsfunktion wie folgt gebildet sein: $a (t) = \frac{l_{2} (t)}{l_{1} (t)}$
mit $l_{1} (t) = \frac{U' (t_{A}) - U' (t)}{t - t_{A}}$
$l_{2} (t) = \frac{U' (t) - U' (t_{E})}{t_{E} - t}$
Die hier verwendeten Formelzeichen sind bereits oben beschrieben. Wird die Hilfsfunktion derart gebildet, entspricht der Ankeraufprallzeitpunkt einem Peak in Form eines Extremwertes.
In manchen Ausführungsformen kann der Spannungsverlauf den Verlauf der Spannung während einer Boostphase umfassen. Die Boostphase ist eine Phase während einer Öffnungsansteuerung des Magnetventils, in der eine hohe Spannung die sog. Boosterspannung, an dem Magnetventil angelegt wird, die bspw. bis zu 100 Volt betragen kann. Dadurch steigt der Strom in der Spule um ein Vielfaches steiler als beim Anlegen einer Batteriespannung. Der Ankeraufprallzeitpunkt fällt in diese Boostphase. In manchen Ausführungsformen kann das Auswerten des Spannungsverlaufs durchgeführt werden, wenn die Boostphase vorliegt. Somit kann das Verfahren bspw. auf einem Steuergerät besonders ressourceneffizient durchgeführt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann die Öffnungsverzugszeit mit einem Modell ermittelt werden, das ein Betriebsverhalten, insbesondere ein Öffnungsverhalten und ein Schließverhalten, des Magnetventils nachbildet. Wie oben erwähnt, hängt das Öffnungsverhalten (unter anderem) von dem elektromagnetischen Aktor des Injektors ab und maßgeblich von dem Vorspannelement des elektromagnetischen Aktors. Entsprechend hängt auch das Schließverhalten davon ab. Somit besteht eine starke Korrelation zwischen dem Öffnungsverhalten und dem Schließverhalten. So kann aus dem Schließverhalten des Magnetventils auf das Öffnungsverhalten des Magnetventils geschlossen werden. Da das Schließverhalten über bekannte Verfahren vergleichsweise einfach ermittelbar ist und das Öffnungsverhalten eine starke Korrelation zum Schließverhalten aufweist, kann über das oben erwähnte Betriebsverhalten-Modell die Öffnungsverzugszeit besonders einfach ermittelt werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Öffnungsverzugszeit in Abhängigkeit einer Schließverzugszeit des Injektors ermittelt werden. Anders ausgedrückt, die Öffnungsverzugszeit kann basierend auf der Schließverzugszeit ermittelt werden. Dabei ist die Schließverzugszeit diejenige, die zwischen dem Abschalten des Stroms an der Spule und dem Schließen des Magnetventils liegt. Da eine starke Korrelation zwischen dem Öffnungsverhalten und dem Schließverhalten des Magnetventils besteht, korreliert die Öffnungsverzugszeit ebenfalls stark mit der Schließverzugszeit.
In manchen Ausführungsformen kann die Öffnungsverzugszeit mit einem Öffnungsverzugszeitmodell ermittelt werden. In manchen Ausführungsformen kann das obige Betriebsverhaltensmodell das Öffnungsverzugszeitmodell umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das obige Betriebsverhaltensmodell das Öffnungsverzugszeitmodell sein. Das Öffnungsverzugszeitmodell kann bspw. eine Kennlinie oder ein Kennfeld sein. Das Öffnungsverzugszeitmodell ist derart aufgebaut, dass als Eingangsgröße die Schließverzugszeit eingeht und als Ausgangsgröße die Öffnungsverzugszeit für den Injektor hervorgeht. In manchen Ausführungsformen kann eine Öffnungsverzugszeitkennlinie verwendet werden, indem die Öffnungsverzugszeit über die Schließverzugszeit aufgetragen ist. Die Schließverzugszeit ist in der Regel besonders einfach mit Hilfe von Messtechnik und entsprechender Auswertung ermittelbar. Folglich kann unter Kenntnis der Schließverzugszeit mithilfe des Öffnungsverzugszeitmodells besonders einfach auf die Öffnungsverzugszeit geschlossen werden.
In manchen Ausführungsformen kann das Öffnungsverzugszeitmodell wie folgt bestimmt werden. In einem ersten Schritt wird für einen Injektor über eine Vielzahl von Versuchen die Schließverzugszeit des Injektors für verschiedene Ansteuerzeiten ermittelt. Eine Ansteuerzeit ist eine Zeitdauer der Bestromung der Spule. Zum Ermitteln der Schließverzugszeit können bereits bekannte Verfahren verwendet werden, wie bspw. die Auswertung einer zweiten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs an der Spule nach dem Abschalten des Ansteuerstroms. Im nächsten Schritt wird aus den Versuchsergebnissen eine mittlere Schließverzugszeit für den Injektor gebildet. Aus der mittleren Schließverzugszeit kann ein Vorspannkraftindikator (Vorspannelementmodell) für den Injektor abgeleitet werden, wobei der Vorspannkraftindikator zumindest einem Maß für die Vorspannkraft des Vorspannelements entspricht. Im nächsten Schritt wird am Prüfstand die Öffnungsverzugszeit des Injektors für verschiedene Ansteuerzeiten mit einer Vielzahl von Versuchen ermittelt und daraus eine mittlere Öffnungsverzugszeit gebildet. Die mittlere Schließverzugszeit und die mittlere Öffnungsverzugszeit können mit einem tatsächlichen Durchfluss des Injektors verglichen werden. Der tatsächlichen Durchfluss ist abhängig von der tatsächlichen Schließverzugszeit und der tatsächlichen Öffnungsverzugszeit. Durch den Vergleich der Mittelwerte für die Öffnungsverzugszeit und Schließverzugszeit mit dem tatsächlichen Durchfluss des Injektors kann der Zusammenhang zwischen der mittleren Öffnungsverzugszeit und der mittleren Schließverzugszeit angepasst werden. Dieser Zusammenhang kann schließlich in dem Öffnungsverzugszeitmodell abgelegt werden. Mit dem Öffnungsverzugszeitmodell kann somit die (mittlere) Öffnungsverzugszeit in Abhängigkeit der Vorspannkraft bzw. des Vorspannkraftindikators und der (mittleren) Schließverzugszeit ermittelt werden.
Das Vorgehen zum Bestimmen des Öffnungsverzugszeitmodells kann für verschiedene Injektoren durchgeführt werden, so dass das Modell eine Vielzahl von Injektoren abbilden kann.
Wie oben gezeigt, kann in manchen Ausführungsformen die Öffnungsverzugszeit abhängig sein von der Vorspannkraft des Vorspannelements des Magnetventils. Das Vorspannelement drängt das Magnetventil in die geschlossene Stellung.
In manchen Ausführungsformen kann die Vorspannkraft des Vorspannelements durch ein Vorspannelementmodell approximiert werden. Die Vorspannkraft kann über das Vorspannelementmodell besonders einfach zumindest näherungsweise ermittelbar werden. Dabei kann das Vorspannelementmodell bspw. mathematisch und/oder empirisch bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann, wie oben erwähnt, das Vorspannelementmodell aus der mittleren Schließverzugszeit abgeleitet werden. Das Vorspannelementmodell wird zum Ermitteln der Öffnungsverzugszeit verwendet. Durch das Vorspannelementmodell kann besonders einfach der Einfluss des Vorspannelements auf die Öffnungsverzugszeit berücksichtigt werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Öffnungsverzugszeit eine vorbestimmte konstante Zeitdauer sein. Die vorbestimmte konstante Zeitdauer kann injektorabhängig sein und durch Vorversuche am Prüfstand ermittelt werden. Die vorbestimmte konstante Zeitdauer kann in dem Steuergerät für die Verbrennungskraftmaschine hinterlegt sein. Dadurch ist die Verwendung der vorbestimmten Zeitdauer als Öffnungsverzugszeit besonders ressourceneffizient, da keine Berechnungen oder Auswertungen (in dem Steuergerät) zum Ermitteln der Öffnungsverzugszeit durchgeführt werden müssen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Öffnungszeitpunkts des Injektors. Das Verfahren gemäß dem weiteren Aspekt umfasst:

Auswerten der zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs, der während der Boostphase an dem Injektor anliegt, wobei das Auswerten der zeitlichen Ableitung ein Auswerten einer zweiten Ableitung des Spannungsverlaufs umfasst und der Öffnungszeitpunkt einem Extremwert der zweiten Ableitung entspricht, der während der Boostphase als zweiter Extremwert vorliegt.

Das alternative Verfahren ist geeignet für Magnetventilinjektoren, die ohne einen Anker und/oder einen Ankerfreilauf ausgebildet sind.
Es wurde erkannt, dass während der Boostphase für das Öffnen des Magnetventils in der zweiten Ableitung des Spannungsverlaufs eine Doppelpeakstruktur vorliegt.
In dem alternativen Verfahren entspricht der Öffnungszeitpunkt dem Zeitpunkt, zu dem der zweite Extremwert in der zweiten Ableitung vorliegt. Somit ist der relevante zweite Extremwert der zweite Peak in der obigen Doppelpeakstruktur. Anders ausgedrückt, der zweite Extremwert entspricht dem (zeitlich gesehenen) zweiten Maximum in der zweiten Ableitung des Spannungsverlaufs während der Boostphase.
Wie oben erwähnt, kann der Spannungsverlauf an der Spule über geeignete Messtechnik erfasst werden. Somit kann die zweite Ableitung basierend auf dem Spannungsverlauf ermittelt werden. Mit dem alternativen Verfahren ist es möglich, durch die Extremwertbestimmung den Öffnungszeitpunkt rechnerisch und somit präzise bestimmt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Das Computerprogramm kann auf einem elektrischen Speichermedium abgespeichert sein.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, das eingerichtet ist, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine kann den oben beschriebenen Injektor aufweisen und kann über das obige Steuergerät gesteuert werden. Die Verbrennungskraftmaschine ist eingerichtet und ausgebildet, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit dem oben beschriebenen Steuergerät. Das Kraftfahrzeug ist eingerichtet und ausgebildet, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1a, 1b: schematisch einen Magnetventilinjektor;
Fig. 2: schematisch Diagramme für einen Ankerhub, für einen Ansteuerstrom und für einen Ventilhub;
Fig. 3: schematisch ein Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 4: schematisch Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungsverzugszeitmodells;
Fig. 5: schematisch zwei Verläufe für eine erste Ableitung eines Spannungsverlaufs;
Fig. 6: schematisch ein Verfahren zum Ermitteln eines Ankeraufprallzeitpunkts;
Fig. 7a-c: erklärende Beispiele für das Verfahren gemäß Fig. 6;
Fig. 8a, 8b: ein Beispiel für ein Ergebnis aus dem Verfahren gemäß Fig. 6;
Fig. 9a, 9b: ein Beispiel für ein weiteres Ergebnis aus dem Verfahren gemäß Fig. 6; und
Fig.10: schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 1a zeigt schematisch einen Magnetventilinjektor (Injektor) 100 in einer geschlossenen Ventilstellung und Fig. 1b zeigt den Injektor 100 in einer geöffneten Ventilstellung. Der Injektor 100 weist ein Magnetventil auf, das eine Ventilnadel 5 und einen Ventilsitz 15 umfasst. Der Injektor 100 weist einen elektromagnetischen Aktor zum Betätigen des Magnetventils auf, der eine Spule 1, einen Anker 11 und ein Vorspannelement 13 umfasst.
Das Magnetventil ist ein stromlos geschlossenes Ventil. Das heißt, dass in einem unbestromten Zustand der Spule 1 die Ventilnadel 5 derart an dem Ventilsitz 15 angeordnet ist, dass eine Einspritzöffnung 17 durch die Ventilnadel 5 geschlossen ist.
Dabei ist das Vorspannelement 13 dazu ausgebildet, das Magnetventil in der geschlossenen Stellung zu halten. Dafür beaufschlagt das Vorspannelement 13 die Ventilnadel mit einer Vorspannkraft, so dass die Ventilnadel in Richtung des Ventilsitzes 15 und somit in Schließrichtung bewegt wird. In dem gezeigten Beispiel ist das Vorspannelement 13 als Feder ausgebildet.
Die Ventilnadel 5 weist einen Ruhesitz 7 sowie einen Ankeranschlag 9 für den Anker 11 auf, zwischen denen der Anker 11 bewegbar ist. Der Ruhesitz 7 und der Ankeranschlag 9 definieren also einen Ankerhub oder einen Ankerfreiweg für den Anker 11 relativ zur Ventilnadel 5. Ferner weist der Injektor 1 einen Hubanschlag 3 auf, der einen Hub der Ventilnadel 5 (Ventilhub) begrenzt. In der geschlossenen Ventilstellung sitzt der Anker 11 auf dem Ruhesitz 7 und in der geöffneten Ventilstellung liegt der Anker 11 an dem Ankeranschlag 9 sowie dem Hubanschlag 3 an. Der Anker 11 kann durch Anlegen eines Ansteuerstroms I an der Spule 1 durch magnetische Kraft von dem Ruhesitz 7 zum Ankeranschlag 9 bewegt werden. Durch die magnetische Kraft wird der Anker 11 an dem Ankeranschlag 9 gehalten, so dass der Anker 11 die Ventilnadel 5 entgegen der Vorspannkraft des Vorspannelements 13 mitführt und somit die Ventilnadel 5 aus dem Ventilsitz 15 hebt bis der Anker 11 an dem Hubanschlag 3 anschlägt. Dadurch wird die Einspritzöffnung 17 freigelegt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzöffnung 17 in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Ansteuerstrom-Diagramm 20 für einen zeitlichen Verlauf des Ansteuerstroms I an der Spule 1, ein Ankerhub-Diagramm 30 für einen zeitlichen Verlauf des Ankerhubs und ein Ventilhub-Diagramm 50 für einen zeitlichen Verlauf des Ventilhubs. Dabei ist der Ankerhub der Hub des Ankers 5 zwischen dem Ruhesitz 7 und dem Ankeranschlag 9. Die Diagramme 20, 30, 50 stellen die zeitlichen Verläufe sehr schematisch dar.
Dabei zeigt das Ansteuerstrom-Diagramm 20 ein Anlegen des Ansteuerstrom I zum Ansteuerzeitpunkt 21 zum Öffnen des Magnetventils. Dabei weist der zeitliche Verlauf unmittelbar nach dem Ansteuerzeitpunkt 21 eine steile Flanke auf, so dass der Ansteuerstrom I vergleichsweise schnell einen entsprechenden Wert für eine Anzugsstromphase 22 (Anzugstrom) zum Anzugzeitpunkt 23 erreicht. Die Zeit zwischen dem Ansteuerzeitpunkt 21 und dem Anzugzeitpunkt 23 entspricht einer Boostphase während einer Öffnungsphase des Magnetventils. Die steile Flanke ermöglicht es, eine geringe Toleranz und eine hohe Reproduzierbarkeit der Kraftstoffeinspritzmenge zu erreichen. Die steile Flanke wird erreicht, indem eine sog. Boosterspannung an den Spulenbetrieb angelegt wird, bis der entsprechende Stromwert für die Anzugstromphase 22 erreicht wird. Zum Haltezeitpunkt 25 wird der Ansteuerstrom I von dem Anzugstrom auf einen Wert für eine Haltestromphase 24 (Haltestrom) abgesenkt. Zum Abschaltzeitpunkt 27 wird der Ansteuerstrom I abgeschaltet und erreicht dann zum Ansteuerendzeitpunkt 29 den Wert Null.
Das Ankerhub-Diagramm 30 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ankerhubs. Nachdem der Ansteuerstrom I zum Ansteuerzeitpunkt 21 angelegt wird, hebt sich der Anker 5 erst zum Ankerabhebzeitpunkt 31 von dem Ruhesitz 7 ab. Zwischen dem Anlegen des Ansteuerstroms I und dem Abheben des Ankers 5 liegt somit eine Abhebverzögerung 33 vor. Zum Ankeraufprallzeitpunkt 35 prallt der Anker 5 an dem Ankeranschlag 9 auf. Die Zeitspanne zwischen dem Ankerabhebzeitpunkt 31 und dem Ankeraufprallzeitpunkt 35 entspricht einer Flugzeit 37 des Ankers 5.
Nach dem Aufprall des Ankers 11 auf dem Ankeranschlag 9, wird der Anker 11 aufgrund der magnetischen Kraft der Spule 1 an dem Ankeranschlag 9 für eine Zeitspanne 39 gehalten. Der Ankerhub relativ zum Ruhesitz 7 verändert sich aufgrund des Ankeranschlags 9 nicht mehr und ist daher für die Zeitspanne 39 konstant. Nach Abschalten des Ansteuerstroms I zum Abschaltzeitpunkt 27 wird der Anker 11 nicht mehr durch die magnetische Kraft der Spule 1 an dem Ankeranschlag 9 gehalten. Folglich bewegt sich der Anker 11 zum Ankerrückfallzeitpunkt 41 wieder in Richtung des Ruhesitzes 7. Zwischen dem Abschalten des Ansteuerstroms I zum Abschaltzeitpunkt 27 und dem Ankerrückfallzeitpunkt 41 liegt eine Rückfallverzögerung 45 vor. Zum Ankerruhezeitpunkt 43 liegt der Anker 11 wieder an dem Ruhesitz 7 an.
Das Ventilhub-Diagramm 50 zeigt schematisch den Verlauf des Ventilhubs des Magnetventils. Dabei ist ein Hub bzw. eine Auslenkung des Ventils 5 relativ zum Ventilsitz 15 gemeint. Zwischen dem Ankeraufprallzeitpunkt 35 und einem Öffnungszeitpunkt 51 des Magnetventils liegt eine Öffnungsverzugszeit 52 vor. Denn der Anker 11 prallt zum Ankeraufprallzeitpunkt 35 auf den Ankeranschlag 9 und führt die Ventilnadel 5 entgegen der Vorspannkraft des Vorspannelements 13 mit. Dabei muss der Anker 11 vor allem die Vorspannkraft des Vorspannelements 13 überwinden, bis es zu einem initialen Abheben der Ventilnadel 5 aus dem Ventilsitz 15 zum Öffnungszeitpunkt 51 erfolgt.
Zum Zeitpunkt 53 schlägt der Anker 11 an einem Hubanschlag 3 an, der einen maximalen Ventilhub für die Ventilnadel 5 und somit die geöffnete Ventilstellung darstellt. Nach dem Aufprall des Ankers 11 an dem Ankeranschlag 9 liegt also eine Öffnungsverzugszeit 52 vor, die die Ventilnadel 5 bis zum Erreichen des maximalen Ventilhubs erreicht. Das Magnetventil wird in dieser geöffneten Stellung für eine Zeitspanne 55 gehalten, um Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen.
Ferner ist aus dem Ventilhub-Diagramm 50 erkennbar, dass eine Schließverzugszeit 61 zwischen dem Abschalten des Ansteuerstroms I zum Ansteuerzeitpunkt 27 und ein Erreichen der geschlossenen Ventilstellung zum Ventilschließzeitpunkt 59 vorliegt. Nach dem Abschalten des Ansteuerstroms I nimmt auch das zuvor aufgebaute magnetische Feld kontinuierlich ab. Anschließend ist das magnetische Feld derart abgeschwächt, so dass das Vorspannelement 13 zum Zeitpunkt 57 die Ventilnadel 5 in Richtung des Ventilsitzes 15 bewegt bis sich das Magnetventil zum Ventilschließzeitpunkt 59 in der geschlossenen Ventilstellung befindet, also die Ventilnadel 5 die Einspritzöffnung 17 verschließt.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren 200 gemäß einer Ausführungsform, mit dem der Öffnungszeitpunkt 51 des Magnetventils ermittelt werden kann.
In 210 wird der Ankeraufprallzeitpunkt 35 ermittelt. Gemäß einer Ausführungsform kann der Ankeraufprallzeitpunkt 35 durch Auswerten der an der Spule 1 anliegenden Spannung ermittelt werden. Dabei kann die Spannung bzw. ein Spannungssignal an der Spule 1 mittels geeigneter Messtechnik erfasst werden. Gemäß einer Ausführungsform wird der Ankeraufprallzeitpunkt 35 ermittelt, indem die erste Ableitung des an der Spule 1 anliegenden zeitlichen Verlaufs der Spannung analysiert wird. Beispielsweise kann der Ankeraufprallzeitpunkt 35 dem Zeitpunkt entsprechen, zu dem ein Extremwert in der ersten Ableitung des Spannungsverlaufs vorliegt. Dabei kann relevante Extremwert der während der Boostphase zuerst auftretende Extremwert der Ableitung sein. Die Analyse des Spannungsverlaufs kann zumindest oder nur während der Boostphase (die zwischen dem Ansteuerzeitpunkt 21 und dem Anzugzeitpunkt 23 vorliegt) durchgeführt werden.
In 220 wird die Öffnungsverzugszeit 52 ermittelt. Eine Öffnungsbewegung (Öffnungsverhalten) und eine Schließbewegung (Schließverhalten) der Ventilnadel 5 und somit die Öffnungsverzugszeit 52 und die Schließverzugszeit 61 hängen maßgeblich von dem Vorspannelement 13 ab. Daher kann basierend auf der Schließverzugszeit 61 des Magnetventils die Öffnungsverzugszeit 52 des Magnetventils ermittelt werden. Zum Ermitteln der Öffnungsverzugszeit aus der Schließverzugszeit kann ein Öffnungsverzugszeitmodell verwendet werden, das unten mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben wird.
Die Schließverzugszeit 61 kann bestimmt werden, indem der Ventilschließzeitpunkt 59 und der Abschaltzeitpunkt 27 ermittelt werden. Der Abschaltzeitpunkt 27 kann durch Erfassen des Abschaltzeitpunkts des Ansteuerstroms I ermittelt werden. Der Ventilschließzeitpunkt 59 kann durch bekannte Verfahren ermittelt werden. Unter Kenntnis des Ventilschließzeitpunkts 59 und des Abschaltzeitpunkts 27 kann dann die Schließverzugszeit 61 bestimmt werden, die der Zeitspanne zwischen dem Abschaltzeitpunkts 27 und dem Ventilschließzeitpunkt 59 entspricht.
In manchen Ausführungsformen kann die in 220 ermittelte Öffnungsverzugszeit 52 eine vorbestimmte konstante Zeitdauer sein. Durch diesen Ansatz wird ein vorheriges Ermitteln der Schließverzugszeit 61 überflüssig, wodurch das Ermitteln der Öffnungsverzugszeit 52 besonders vereinfacht wird.
In 230 wird der Öffnungszeitpunkt 51 ermittelt basierend auf dem Ankeraufprallzeitpunkt 35 und der Öffnungsverzugszeit 52. Gemäß einer Ausführungsformen wird dazu die Öffnungsverzugs 52 auf den Ankeraufprallzeitpunkt 35 aufaddiert, um den Öffnungszeitpunkt 51 zu erhalten.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln des Öffnungsverzugszeitmodells 300.
In 310 wird die Schließverzugszeit 61 des Injektors 100 für verschiedene Ansteuerzeiten ermittelt. Dafür können Versuche an einem Prüfstand durchgeführt werden. Aus der Vielzahl von Schließverzugszeiten 61 für verschiedene Ansteuerzeiten wird eine mittlere Schließverzugszeit für den Injektor 100 gebildet.
In 320 wird aus der mittleren Schließverzugszeit ein Vorspannkraftindikator (Vorspannelementmodell) für den Injektor 100 abgeleitet, wobei der Vorspannkraftindikator zumindest einem Maß für die Vorspannkraft des Vorspannelements 13 entspricht.
In 330 wird die Öffnungsverzugszeit 52 des Injektors für verschiedene Ansteuerzeiten am Prüfstand ermittelt. Aus der Vielzahl von Öffnungsverzugszeiten 52 für verschiedene Ansteuerzeiten wird eine mittlere Öffnungsverzugszeit für den Injektor 100 gebildet.
In 340 werden die mittlere Schließverzugszeit und die mittlere Öffnungsverzugszeit mit einem tatsächlichen Durchfluss des Injektors 100 verglichen, um einen Zusammenhang zwischen der mittleren Öffnungsverzugszeit und der mittleren Schließverzugszeit anzupassen bzw. zu präzisieren.
In 350 wird der Zusammenhang zwischen der mittleren Öffnungsverzugszeit und der mittleren Schließverzugszeit in dem Öffnungsverzugszeitmodell abgelegt. Anders ausgedrückt, in 250 wird das Öffnungsverzugszeitmodell bestimmt bzw. erstellt. Mit dem Öffnungsverzugszeitmodell kann somit die (mittlere) Öffnungsverzugszeit in Abhängigkeit der Vorspannkraft bzw. des Vorspannkraftindikators und der (mittleren) Schließverzugszeit ermittelt werden.
Das Verfahren 300 kann für verschiedene Injektoren 100 durchgeführt werden, um mit dem Öffnungsverzugszeitmodell eine Vielzahl von Injektoren bzw. Schließverzugszeiten 61 abzubilden.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem die erste Ableitung des Spannungsverlaufs 71 gemäß einem ersten Beispiel gezeigt ist. Die erste Ableitung des Spannungsverlaufs 71 ist basierend auf einem (von einem Spannungssensor erfassten) Rohsignal der Spannung ermittelt und daher stark verrauscht. Folglich kann eine nachfolgende Auswertung des Rohsignals und somit der daraus ermittelten ersten Ableitung des Spannungsverlaufs 71 zu ungenauen Ergebnissen führen. Daher kann für nachfolgende Auswertungen das Rohsignal mittels entsprechenden Methoden geglättet werden. Beispielsweise kann mittels orthogonaler Polynome aus dem Rohsignal eine geglättete Kurve 73 der ersten Ableitung des Spannungsverlaufs ermittelt werden, die vergleichsweise weniger verrauscht und vergleichsweise glatt ist. Andere Methoden zur Glättung des Spannungsrohsignals sind ebenfalls möglich. Für eine nachfolgende Auswertung, bspw. in einem Steuergerät, kann geprüft werden, ob das gelieferte Spannungssignal, d.h. das Rohsignal, verwendet werden kann oder ob zuvor eine Glättung des Rohsignals oder der ersten zeitlichen Ableitung vorgenommen werden muss.
Fig. 6 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Block 210 aus dem Verfahren 200 gemäß Figur 4.
In 410 wird der Anfangszeitpunkt t_A und der Endzeitpunkt t_E des Auswertungszeitraums zum Auswerten der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs bestimmt. Dabei kann, wie oben beschrieben, die erste zeitliche Ableitung basierend auf dem Spannungsverlauf gemäß einem Rohsignal verwendet werden oder basierend auf einer geglätteten ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs.
In 420 wird ein erster Differenzenquotientenverlauf l₁ über den Auswertungszeitraum basierend auf dem Anfangszeitpunkt t_A gebildet.
In 430 wird ein zweiter Differenzenquotientenverlauf l₂ über den Auswertungszeitraum basierend auf dem Endzeitpunkt t_E gebildet.
In 440 wird eine Hilfsfunktion a(t) gebildet, die einen Quotienten aus dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf umfasst. Alternativ kann die Hilfsfunktion a(t) eine Differenz zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf umfassen.
In 450 wird die Hilfsfunktion ausgewertet, indem ein Extremwert in der Hilfsfunktion a(t) ermittelt wird. Der Extremwert entspricht dann dem Ankeraufprallzeitpunkt.
Fig. 7a-c zeigen Diagramme, die zur Herleitung des Verfahrens zum Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts 400 dienen. Wie aus Fig. 5 erkennbar ist, zeigt die erste Ableitung basierend auf dem Rohsignal 71 einen knickartigen Abfall 75 auf. Die erste Ableitung des Spannungsverlaufs 71 lässt sich in einen Bereich vor dem knickartigen Abfall 75 (links vom knickartigen Abfall 75) und in einen Bereich nach dem knickartigen Abfall 75 (rechts vom knickartigen Abfall 75) aufteilen. Entsprechendes gilt für die geglättete Kurve 73 für die erste Ableitung des Spannungssignals.
In den beiden Bereichen kann die erste Ableitung des Spannungsverlaufs 71 durch lineare Funktionen angenähert werden. Beispielsweise können für den linken Bereich 77 und den rechten Bereich 79 folgende Funktionen verwendet werden. $\begin{matrix} f_{1} (t) = m_{1} * t + n_{1} & bzw . & f_{2} (t) = m_{2} * t + n_{2} \end{matrix}$
Dabei sind f₁(t) die erste lineare Funktion für den linken Bereich, f₂(t) die zweite lineare Funktion für den rechten Bereich, m₁ und m₂ die entsprechenden Steigungen der aus den Funktionen resultierenden Geraden sowie n₁ und n₂ die Ordinatenabschnitte (oder auch Verschiebungskonstante) der Geraden.
Fig. 7a zeigt eine beispielhafte Annäherungsfunktion f(t) für eine beispielhafte erste Ableitung eines Spannungsverlaufs (der sich von dem Spannungsverlauf aus Fig. 5 unterscheidet) durch die linearen Funktionen f₁(t), f₂(t). Dabei ist die Annäherungsfunktion f(t) für einen Auswertungszeitraum zwischen dem (ausgewählten) Anfangszeitpunkt t_A und dem (ausgewählten) Endzeitpunkt t_E dargestellt. Die beispielhafte Annäherungsfunktion f(t) lautet wie folgt: $f (t) = {\begin{matrix} 65 - 0,3 * t, & f ü r t \leq 20 \\ 77 - 0,8 * t, & f ü r t > 20 \end{matrix}$
Betrachtet man nun einen linken Bereich zwischen dem Anfangszeitpunkt t_A und einem Knick 81 bzw. dem Knickzeitpunkt, so gilt folgendes: $\begin{matrix} \frac{f (t_{A}) - f (t)}{t - t_{A}} \approx - m_{1} & und & \frac{f (t) - f (t_{E})}{t_{E} - t} \leq - m_{2} \end{matrix}$
Betrachtet man einen rechten Bereich zwischen dem Knick 81 und dem Endzeitpunkt t_E, so gilt folgendes: $\begin{matrix} \frac{f (t_{A}) - f (t)}{t - t_{A}} \geq - m_{1} & und & \frac{f (t) - f (t_{E})}{t_{E} - t} \approx - m_{2} \end{matrix}$
Fig. 7b zeigt die obigen Zusammenhänge der Steigungen mi, m₂ für den linken und den rechten Bereich, indem ein erster Differenzenquotientenverlauf l₁ und ein zweiter Differenzenquotientenverlauf L₂ dargestellt werden, wobei gilt: $l_{1} = \frac{f (t_{A}) - f (t)}{t - t_{A}}$
$l_{2} = \frac{f (t) - f (t_{E})}{t_{E} - t}$
Aus Fig. 7b ist ersichtlich, dass der Knick 81 in der Annäherungsfunktion f(t) zu dem Zeitpunkt t vorkommt, bei der Abstand zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf l₁ und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf l₂ am größten ist. Dieser Zeitpunkt t des größten Abstands zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf l₁ und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf l₂ kann bspw. ermittelt werden, indem eine Hilfsfunktion a(t) wie folgt gebildet wird: $a (t) = \frac{l_{2} (t)}{l_{1} (t)}$
Alternativ kann die Hilfsfunktion a(t) auch als Differenz zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf l₁ und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf l₂ gebildet werden.
Da die erste Ableitung des Spannungsverlaufs und somit die Annäherungsfunktion f(t) kontinuierlich abnimmt, weisen die Geraden der linearen Funktionen f₁(t), f₂(t) eine negative Steigung und somit m₁, m₂ einen negativen Wert auf. Folglich ist in der Kurve der Hilfsfunktion a(t), die in Fig. 7c dargestellt ist, ein (positiver) Peak 87 zu sehen, wobei dieser Peak 87 dem Ankeraufprallzeitpunkt 35 entspricht. Mit anderen Worten, der Zeitpunkt des Peaks 87 entspricht dem Ankeraufprallzeitpunkt 35.
Somit kann mit der Hilfsunktion a(t) ein knickartiger Abfall in der ersten Ableitung des Spannungsverlaufs ermittelt werden. Folglich kann auch ein Zeitpunkt des knickartigen Abfalls und somit der Ankeraufprallzeitpunkt rechnerisch und somit einfach ermittelt werden.
Fig. 8a und 8b zeigen eine beispielhafte Auswertung eines Spannungsverlaufs gemäß einem zweiten Beispiel. Dabei ist eine geglättete Kurve 93 für die erste Ableitung des Spannungsverlaufs gemäß dem zweiten Beispiel und die entsprechende Hilfsfunktion a(t) dargestellt. Es ist zu sehen, dass die geglättete Kurve 91 zum Zeitpunkt t= 250 µs (Mikrosekunden) einen knickartigen Abfall 93 aufweist und die Hilfsfunktion a(t) zum selben Zeitpunkt t= 250 µs einen Peak (Maximum) 95 aufweist.
Fig. 9a zeigt ein Diagramm, in dem eine erste zeitliche Ableitungen für einen Spannungsverlauf gemäß einem dritten Beispiel dargestellt ist. Es ist zu sehen, dass auf einem ersten knickartigen Abfall 101 ein Abflachen der des Verlaufs 103 folgt. Auf das Abflachen 103 folgt wiederum ein zweiter knickartiger Abfall 105.
Fig. 9b zeigt ein Diagramm mit einer Hilfsfunktion a(t), die für den in Diagramm aus Fig. 9a gezeigten Spannungsverlauf gebildet wird. Dabei weist die Hilfsfunktion a(t) einen ersten Peak (Maximum) 113 auf, der dem ersten knickartigen Abfall 101 zuordenbar ist, und einen zweiten Peak 115, der dem zweiten knickartigen Abfall 105 zuordenbar ist. Der Ankeraufprallzeitpunkt 35 entspricht dem ersten Peak 113. Mit anderen Worten, um den Ankeraufprallzeitpunkt 35 mithilfe der Hilfsfunktion a(t) zu ermitteln, kann in manchen Ausführungsformen nur der erste Peak (Maximum) 113 ermittelt werden, der innerhalb des Auswertungszeitraums zwischen dem Anfangszeitpunkt t_A und dem Endzeitpunkt t_E auftritt. Alternativ dazu kann in anderen Ausführungsformen der Auswertungszeitraum derart gewählt werden, dass nur ein Peak auftritt.
Fig. 10 zeigt schematisch ein beispielhaftes Steuergerät 170, das eingerichtet ist, die oben beschriebenen Verfahren/Modelle auszuführen. Das Steuergerät 170 ist in einem schematisch dargestellten Kraftfahrzeug 180 angeordnet und kann eine schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine 179 steuern. Das Steuergerät 170 umfasst einen Prozessor 172, einen Speicher (elektronisches Speichermedium) 174 und eine Schnittstelle 178. Ferner ist in dem Speicher 174 auch eine Software (ein Computerprogramm) 176 hinterlegt, die dazu ausgelegt ist, die oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Der Prozessor 172 ist dazu ausgelegt, Programminstruktionen der Software 176 auszuführen. Die Schnittstelle 178 ist ferner dazu ausgelegt, Daten zu empfangen und auszusenden. Es kann sich bspw. um eine Schnittstelle zu einem CAN-Bus des Kraftfahrzeugs 180 handeln, über den das Steuergerät 170 Signale empfängt und Steuerbefehle aussendet.

Bezugszeichenliste

1: Spule
3: Hubanschlag
5: Ventilnadel
7: Ruhesitz
9: Ankeranschlag
11: Anker
13: Vorspannelement
15: Ventilsitz
17: Einspritzöffnung
20: Ansteuerstrom-Diagramm
21: Ansteuerzeitpunkt
22: Anzugstromphase
24: Haltestromphase
25: Haltezeitpunkt
27: Abschaltzeitpunkt
29: Ansteuerendzeitpunkt
30: Ankerhub-Diagramm
31: Ankerabhebzeitpunkt
33: Abhebverzögerung
35: Ankeraufprallzeitpunkt
37: (Anker)Flugzeit
39: Zeitspanne maximaler Ankerhub
41: Ankerrückfallzeitpunkt
43: Ankerruhezeitpunkt
45: Rückfallverzögerung
50: Ventilhub-Diagramm
51: Öffnungszeitpunkt
52: Öffnungsverzugszeit
53: Zeitpunkt des Ankeraufprall auf Hubanschlag
55: Zeitspanne maximaler Ventilhub
57: Bewegungsstart der Ventilnadel in Richtung Ventilsitz
59: Ventilschließzeitpunkt
61: Schließverzugszeit
71: erste Ableitung eines ersten Spannungsverlaufs
73: geglätteter Verlauf der ersten Ableitung des ersten Spannungsverlaufs
75: knickartiger Abfall
81: Knick
91: erste Ableitung eines zweiten Spannungsverlaufs
93: knickartiger Abfall
95: Peak(Maximum)
101: erster knickartiger Abfall
103: Abflachen von Verläufen von ersten Ableitungen von Spannungsverläufen
105: zweiter knickartiger Abfall
111: erster Peak (Maximum)
115: zweiter Peak (Maximum)
170: Steuergerät
172: Prozessor
174: Speicher (elektronisches Speichermedium)
176: Software
178: Schnittstelle
179: Verbrennungskraftmaschine
180: Kraftfahrzeug
100: Injektor
200: Verfahren zum Ermitteln des Öffnungszeitpunkts
210: Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts
220: Ermitteln der Öffnungsverzugszeit
230: Ermitteln des Öffnungszeitpunkts
300: Verfahren zum Bestimmen/Erstellen des Öffnungsverzugszeitmodells
310: Ermitteln der mittleren Schließverzugszeit
320: Ermitteln des Vorspannelementmodells
330: Ermitteln der mittleren Öffnungsverzugszeit
340: Vergleich mit dem tatsächlichen Durchfluss des Injektors
350: Erstellen des Öffnungsverzugszeitmodells
400: Verfahren zum Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts
410: Bestimmen von Anfangszeitpunkt und Endzeitpunkt eines Auswertungszeitraums
420: Bilden eines ersten Differenzenquotientenverlaufs
430: Bilden eines zweiten Differenzenquotientenverlaufs
440: Bilden einer Hilfsfunktion
450: Ermitteln eines Extremwerts der Hilfsfunktion
a(t): Hilfsfunktion
l1: erster Differenzenquotientenverlauf
l2: zweiter Differenzenquotientenverlauf
tA: Anfangszeitpunkt des Auswertungszeitraums
tE: Endzeitpunkt des Auswertungszeitraums

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts (51) eines Injektors (100) mit einem Magnetventil mittels eines Steuergerätes, umfassend:
- Ermitteln eines Ankeraufprallzeitpunkts (35), zu dem ein Anker (11) des Magnetventils auf eine Ventilnadel (5) des Magnetventils anschlägt;

- Ermitteln einer Öffnungsverzugszeits (52) des Injektors (100), die einer Zeitspanne zwischen dem Ankeraufprallzeitpunkt (35) und einem Öffnungszeitpunkt (51) des Magnetventils entspricht; und

- Ermitteln eines Öffnungszeitpunkts (51) des Injektors basierend auf dem Ankeraufprallzeitpunkt (35) und der Öffnungsverzugszeit (52).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ankeraufprallzeitpunkt (35) unter Auswertung eines Spannungsverlaufs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Auswerten des Spannungsverlaufs ein Auswerten einer ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Ankeraufprallzeitpunkt (35) einem Extremwert in der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ermitteln des Ankeraufprallzeitpunkts ferner umfasst:
- Bestimmen eines Anfangszeitpunkts und eines Endzeitpunkts eines Auswertungszeitraum zum Auswerten der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs;

- Bilden eines ersten Differenzenquotientenverlaufs über den Auswertungszeitraum basierend auf dem Anfangszeitpunkt;

- Bilden eines zweiten Differenzenquotientenverlaufs über den Auswertungszeitraum basierend auf dem Endzeitpunkt; und

- Bilden einer Hilfsfunktion, die einen Quotienten aus dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf oder eine Differenz zwischen dem ersten Differenzenquotientenverlauf und dem zweiten Differenzenquotientenverlauf umfasst; und

- Bestimmen eines Extremwerts in der Hilfsfunktion, wobei der Extremwert dem Ankeraufprallzeitpunkt entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Hilfsfunktion (a(t)) wie folgt gebildet wird: $a (t) = \frac{l_{2} (t)}{l_{1} (t)}$
mit $l_{1} (t) = \frac{U' (t_{A}) - U' (t)}{t - t_{A}}$
$l_{2} (t) = \frac{U' (t) - U' (t_{E})}{t_{E} - t}$
wobei
t = Zeitpunkt in dem Auswertungszeitraum

t_A = Anfangszeitpunkt des Auswertungszeitraums

t_E = Endzeitpunkt des Auswertungszeitraums

U'(t) = erste Ableitung zum Zeitpunkt t

U'(t_A) = erste Ableitung zum Anfangszeitpunkt des Auswertungszeitraums

U'(t_E) = erste Ableitung zum Endzeitpunkt des Auswertungszeitraums
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Spannungsverlauf den Verlauf der Spannung während einer Boostphase umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Öffnungsverzugszeit (52) mit einem Modell ermittelt wird, das ein Betriebsverhalten, insbesondere ein Öffnungsverhalten und ein Schließverhalten, des Magnetventils nachbildet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Öffnungsverzugszeit (52) in Abhängigkeit einer Schließverzugszeit (61) des Injektors (100) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Öffnungsverzugszeit (52) mit einem Öffnungsverzugszeitmodell ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Öffnungsverzugszeit (52) eine vorbestimmte konstante Zeitdauer ist.
Computerprogramm (176), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch ein Steuergerät dieses veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
Steuergerät (170), das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Verbrennungskraftmaschine mit einem Steuergerät (179) nach Anspruch 13, wobei die Verbrennungskraftmaschine (179) eingerichtet und ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Kraftfahrzeug (180) mit einer Verbrennungskraftmaschine (179) nach Anspruch 14, wobei das Kraftfahrzeug (180) eingerichtet und ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.