WO2012123445A1 - Modifizierte elektrische ansteuerung eines aktuators zur bestimmung des zeitpunkts eines ankeranschlags - Google Patents

Modifizierte elektrische ansteuerung eines aktuators zur bestimmung des zeitpunkts eines ankeranschlags Download PDF

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    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of electromagnetically driven actuators, which have a coil acted upon by a drive signal and an armature movably mounted relative to the coil. More particularly, the present invention relates to a method of operating an actuator having (a) a coil and (b) a slidably mounted armature driven by a magnetic field generated by the coil in a measurement mode of operation for the purpose of determining a time the armature reaches its stop position after activation of the actuator. The present invention further relates to a method for operating such an actuator, wherein in one
  • Measurement operating mode gained knowledge about the attack time and this knowledge can be used in a series operation mode with regard to an optimized control of the actuator.
  • the present invention also relates to a device and a computer program for determining a time at which a displaceably mounted armature of a coil having an actuator after activation of the
  • Actuator reaches a stop position.
  • Electromagnetically driven actuators can be operated with low tolerance in the so-called full-stroke operating mode. This means that an armature of the actuator between a
  • Starting position and an end position is moved back and forth.
  • Starting position and end position are typically defined in each case by a mechanical stop of the armature on a housing of the actuator.
  • the example of a Einspritzven ⁇ TILs to the fuel injection this mode of operation means that a valve needle of the injection valve is moved up to a maximum deflection.
  • a variation of the injected fuel quantity is then carried out by a suitable adaptation of the duration of the injection process.
  • an injection valve In contrast to the full-stroke operation, the ballistic operation of an injection valve is subject to much greater tolerance, since both electrical and mechanical tolerances affect the opening process considerably more than is the case in full-stroke operation.
  • an electromagnetically driven armature of a a coil having the actuator can be used individually the following tolerances or occurring in combination with one another: a) opening Tolerance: The time at which the armature after powering the coil with a defined electrical drive pulse removed from its initial position depends on the electrical, magnetic and / or mechanical properties of the individual injection valve and / or its operating state (eg temperature).
  • Closing tolerance The time at which the armature returns to its starting position after a partial deflection depends on the electrical, magnetic and / or mechanical properties of the individual injection valve and / or its operating state.
  • stroke tolerance In a sectionauslenkung of the armature the maximum stroke achieved will also depend on the electrical, magneti ⁇ rule and / or mechanical properties of the individual injection valve and / or its operating condition. The stroke tolerance leads to an individual change of the parabolic flight path of the armature with the possibility of an unwanted flattening or elevation of the corresponding deflection curve. From DE 10 2006 035 225 AI is an electromagnetic
  • Stellvorraum known, which has a coil. By evaluating induced voltage signals, which are caused by external mechanical influences, the actual movement of the adjusting device can be analyzed.
  • an actuator having (a) a coil and (b) a slidably mounted armature driven by a magnetic field generated by the coil in a measurement mode of operation for determining a time; to which the armature after activation of the actuator its
  • Stop position reached based on an evaluation of the recorded time history of the magnitude of the current.
  • the method described is based on the finding that an actuator which is in operation can be operated at least temporarily in a specific measuring operating mode in which the actuator has at least a similar opening and possibly also closing behavior, as if the actuator were in a series mode.
  • Operating mode is operated with a regular control.
  • the measuring operating mode compared to the series operating mode can be characterized in particular by the fact that a voltage which is at least approximately constant over time is applied during a time window within which the (mechanical) stop of the armature is expected. For then the entire electrical measuring system of the actuator is in a defined and stable state, so that temporal changes in the current through the coil within the time window can not be artifacts but significant signs that are characteristic of the mechanical stop of the armature.
  • time-constant voltage may mean, in particular, that no timing is applied, in which a short first voltage pulse with a first voltage and a second voltage pulse with a second voltage are applied to the coil in chronological succession.
  • the second voltage can also be "zero", so that as a result only the first voltage in the form of temporally successive discrete voltage pulses is applied.
  • a voltage applied to the coil effectively u. a. determined by a duty cycle between (a) a first period of time at which the first voltage is applied and (b) a total period of time resulting from the sum of the first period of time and a second period of time to which no (or the second voltage) is created.
  • the effective voltage also depends substantially on the levels of the two voltages.
  • the described actuator may be an injector and, in particular, a fuel injection injector for a motor vehicle.
  • the injected fuel may be gasoline or a diesel fuel.
  • the Drive voltage signal in terms of its signal level and / or its time course dimensioned such that the expected time of the stop of the armature falls within the time window.
  • This has the advantage that the signal level and the time course of two principally different natural ⁇ properties of the driving signal can be adjusted in a suitable manner in order to reach the desired stable state of the electrical measurement system of the actuator.
  • the signal level or the voltage level may be varied independently of the time profile, in order to achieve the best possible Drive voltage signal in terms of (a) a stable state of the electrical measuring system within the time window and on (b) to obtain a movement behavior of the armature, which is as similar as possible to the movement behavior of the armature in a series operating mode with a regular actuator drive ,
  • the drive voltage signal has a reinforcement phase and a holding ⁇ phase, wherein (a) during the amplification phase, a Verstär ⁇ kung voltage is applied to the coil and (b) applying a holding voltage to the coil during the hold phase wherein the boost voltage is greater than the sustain voltage.
  • the holding voltage may in particular be that voltage which is provided by a battery of a motor vehicle.
  • the boost voltage is then a voltage that is excessive with respect to the battery voltage, which is e.g. is obtained in a known manner by means of an electrical (boost) circuit from the battery voltage.
  • the boost voltage is often referred to as boost voltage.
  • the use of a gain phase has at one
  • the amplification phase is terminated as soon as the current through the coil reaches a maximum current.
  • the maximum current is chosen such that the expected time of the stop of the armature falls within the time window.
  • the amplification phase is terminated by means of a voltage pulse with opposite polarity as compared to the amplification voltage. Furthermore, after the end of the voltage pulse, the holding phase follows.
  • This has the advantage that particularly stable conditions exist in the holding phase with regard to the voltage actually applied to the coil. This has the consequence that in the above-defined time window of the current through the coil will have a small gradient so that a particularly accurate Bestim ⁇ mung the timing of the stop of the armature is possible.
  • the time at which the armature reaches its stop position is determined by an extreme value of the intensity of the current through the coil detected within the time window. The extreme value can be a minimum in particular. This has the advantage that the timing of the armature stroke in a particularly simple manner can be ermit ⁇ telt.
  • the extreme value is in particular a local extreme value in comparison to the entire current profile. With respect to the time window, the extreme value may be a local or a global extreme value.
  • the method further comprises comparing the detected time profile of the magnitude of the current with a reference current profile. In this case, the determination of the time at which the armature reaches its stop position is based on an evaluation of the comparison of the detected time profile of the magnitude of the current with the reference current profile.
  • the comparison consists only of a simple difference formation (possibly with an additional scaling) between the detected time profile of the magnitude of the current and the reference current profile.
  • the described reference current profile which may be characteristic for a particular type of actuator or even for an individual actuator, may be e.g. be determined in a test stand.
  • the described reference current profile can be stored, for example, in an engine control of a motor vehicle.
  • the reference current waveform may be characteristic of a clamped actuator in which the armature is mechanically fixed in its home position and does not move relative to a housing of the actuator despite the application of the solenoid to the drive voltage signal.
  • the mechanical fixation can be achieved in particular in a test stand by a significantly increased fuel pressure in a Railsystem to which the actuator in question is connected.
  • a method of operating an actuator with (a) a coil and (b) a slidably mounted armature which is one of the coil generated magnetic field comprises (a) operating the actuator in a series mode of operation, wherein the coil is supplied with a series drive voltage signal having a clocked voltage at least temporarily for the purpose of current regulation, and (b) operating the Actuator in a measuring mode of operation for determining a time at which the armature after activation of the actuator its
  • the described method is based on the finding that during operation of an internal combustion engine, for example, the actuator does not intermesh with the actuator
  • control voltage signal is applied, which at least in the above-defined time window allows a determination of the time at which the armature reaches (in the measurement operating mode) its stop position. Based on the determined time of the actual armature stop (in the measurement mode of operation), conclusions can then be drawn as to how the serial drive voltage signal may be adjusted in a subsequent series mode of operation, in order to achieve a desired opening behavior of the actuator to achieve optimized control of the coil.
  • the method described with this second aspect of the invention has the advantage that an actuator-individual adaptation for optimal control is possible. In this way, changes in the opening behavior of an actuator
  • the series drive voltage signal will typically be a signal that is optimized for a desired open and close behavior, in this document the drive voltage signal described above is also referred to as a modified drive voltage signal.
  • pulsed voltage is in particular to verste ⁇ hen that the applied voltage by a sequence of
  • successively short pulses between two different voltage levels varies discretely, so that as a result averaged over the time set an effective voltage which lies between the two voltage levels.
  • one of these voltage levels may also be "zero", and the value of the effective voltage results inter alia in a known manner, as also described above, from the Tastver ⁇ ratio.
  • the series withstand voltage may be, in particular, the low voltage provided by a battery of a motor vehicle.
  • Battery voltage excessive voltage which e.g. is obtained in a known manner by means of an electrical (boost) circuit from the battery voltage.
  • the series amplification voltage can thus also be referred to as a series boost voltage.
  • the series amplification phase is terminated as soon as the current through the coil reaches a series maximum current, wherein a maximum current for breaking off an amplification phase of the
  • a suitable (modifi ⁇ ed) control voltage signal can be realized in which on the one hand (a) the electrical control is strong enough modifi ⁇ ed to achieve a reliable determination of the timing of the armature stop, and at the electrical control over the series mode of operation is not as strongly modified to the other (b), as the knowledge acquired indication of the real ⁇ chen stop time can not be transferred to the series operating mode.
  • a device for determining a time at which a displaceably mounted armature of an actuator having a coil reaches a stop position after an activation of the actuator is described.
  • the device described has (a) means for applying a coil to the coil
  • Drive voltage signal which is dimensioned such that the expected time of the stop of the armature falls within a time window in which a time constant voltage is applied to the coil, and (b) a unit (bl) for detecting the time course of Amount of current flowing through the coil within the time window, and (b2) for determining the instant at which the armature reaches its stop position, based on an evaluation of the detected time history of the magnitude of the current.
  • the device described is based on the finding that an actuator can be operated in a limited hours ⁇ th measurement operating mode at least temporarily, in which it has a similar opening behavior as if it would be operated in a series mode of operation with a regular control.
  • a voltage that is at least approximately constant over time is applied to the coil. Then, in fact, the entire electrical measuring system of the actuator is in a defined and stable state, so that temporal changes in the current through the coil within said time window can not be artifacts but significant signs that are characteristic of the mechanical stop of the armature.
  • a computer program for determining a timing at which a displaceably mounted armature of a coil actuator having the following activation of the actuator reaches a stop ⁇ position.
  • the computer program is, when executed by a processor, adapted for controlling the method described vorste ⁇ starting to operate an actuator in a measurement mode of operation for determining a timing at which the armature after activation of the actuator its
  • FIGS. 1 a, 1 b and 1 c show the time profile (a) of the drive voltage and of the resulting drive current for a series drive of a fuel injector with a boost phase and a sustain phase, and (b) the resulting injection rate.
  • FIGS. 2 a, 2 b and 2 c show, for a measurement control of a fuel injector with a modified amplification phase and a modified holding phase, the time profile (a) of the corresponding drive voltage and of the resulting voltage
  • FIG. 3 a shows a comparison between the drive current shown in FIG. 2 b and a drive current which occurs when the same drive voltage is used in the case of a hydraulically blocked fuel injector.
  • FIG. 3b shows on an enlarged scale the difference between the two drive currents shown in FIG. 3a.
  • FIGS. 1 a, 1 b and 1 c show the time profile (a) of the drive voltage 100 and the resulting drive current 120 and (b) the resulting injection rate 140 for a series drive of a fuel injector with a boost phase and a sustain phase
  • the series drive corresponds to a known drive having a boost phase of a fuel injector.
  • this series control is used as a standard control, which, however, is replaced in the meantime by a measurement control in order to be able to accurately determine the time of the anchor stop after an activation of the fuel injector and, based on the knowledge gained with respect to the anchor stop, the following
  • the drive voltage 100 at the beginning of the drive in the time range between 0 ms and approximately 0.3 ms has a boost phase 102, with which a boost voltage in magnitude of approximately 60 V is applied to the coil of the fuel injector.
  • the drive current 120 starts to increase through the coil.
  • the slope of the rise depends in a known manner on the inductance of the coil of the Kraftstoffin ector.
  • the amplification phase is terminated.
  • the drive voltage 100 drops abruptly and the drive current 120 drops to a value of about 5 A.
  • the range between about 0.3 ms and 0.5 ms, in which due to the inductance of the coil, the drive current 120 decreases exponentially, is also as freewheeling phase 124
  • the drive current 120 does not fall below a current level of 5 A up to a point in time of approximately 0.75 ms.
  • the drop of the drive voltage 100 in the time range between about 0.35 ms and 0.45 ms to slightly negative values is a measurement artifact, and that in the entire time range of about 0.3 ms to 0.7 ms the actual voltage applied to the coil by the voltage timing 105 is at an approximately constant effective voltage level.
  • the injection rate 140 reaches its maximum value of approximately 12 mg / ms at approximately 0.5 ms at a time. It can be concluded that, according to the embodiment shown here, the armature of the fuel ⁇ injector reaches its mechanical stop at this time, which is represented by a dashed line 160.
  • the voltage clocking 105 provides for a "restless measurement environment" so that, for example, the actuation current 120 can not be evaluated as accurate as it only on elekt ⁇ innovative data necessary for determining the anchor stop 160 based.
  • the injection rate 140 can only be measured in a fuel meter reading. In real operation of the fuel injectors are appropriate
  • Anchor stop 160 at about 0.7 ms a further voltage timing 110 made, which has a lower effective (applied to the coil of the Kraftstoffinj ek ⁇ tors) due to a changed duty ⁇ ses voltage result.
  • this further tension ⁇ voltage timing 110 starts at about 0.75 ms and ends at about 1.45 ms.
  • the further voltage timing 110 in the exemplary embodiment shown results in a drive current 120 from C3. ⁇ 2 ⁇ 5 .A ..
  • the negative voltage pulse visible at approx. 0.7 ms (also referred to as negative boost voltage) is applied in this case in order to achieve a rapid decrease in the coil current (in the case shown, the coil current drops from approx. 5 A to approx. 2.5 A).
  • the electrical control of the fuel injector ends at about 1.45 ms, the electrical control of the fuel injector.
  • the corresponding switching off of the drive voltage 100 at the coil of the fuel injector ends at about 1.45 ms, the electrical control of the fuel injector.
  • Fuel injector a self-induction voltage. This in turn results in a current flow through the coil, which now degrades the magnetic field. After crossing one here negative shown recuperation of about 70 V flows no more power. This condition is also called "open coil”. Due to the ohmic resistances of the magnetic material of the armature, the eddy currents induced during the field breakdown of the coil sound off. The decrease of the eddy currents in turn leads to a field change in the coil and thus to a
  • Embodiment the coil of the fuel injector such driven that can be dispensed with a voltage timing.
  • FIGS. 2 a, 2 b and 2 c show, for a measurement drive of a fuel injector with a modified amplification phase and a modified holding phase, the time profile (a) of the corresponding drive voltage 200 and the resulting voltage
  • the current plateau 226 represents the beginning of an exponential rise in the drive current 220, which increase is caused in a known manner by the inductance of the coil, to which a constant voltage is applied.
  • the skillful choice of a suitable (reduced) value for the maximum current 222, and in particular the use of the negative voltage pulse 204 ensures that this increase in the time window from about 0.35 ms to about 0.75 ms still remains so flat is that the current in this time window can be considered in good approximation as constant over time.
  • FIG. 3a shows a comparison between the drive current shown in Figure 2b, which is now designated by the reference numeral 320, and a drive current 320R which ector when using the same drive voltage in case of a hydraulically blocked Kraftstoffinj a ⁇ represents.
  • FIG. 3b shows on an enlarged scale the difference between the two drive currents 320 and 320R shown in FIG. 3a.
  • Measurement control have been created at least within the time window between about 0.35 ms and 0.75 ms, however, the measurement curve 320 of the drive current is so accurate that this minimum 321 can actually be detected with sufficiently high reliability.
  • the measurement curve 320 of the drive current can be compared with the above-mentioned reference drive current 320R, which characterizes Table is for an electrically charged with the drive voltage 200, but mechanically clamped anchor.
  • the comparison consists of a simple subtraction, the result of which is shown in FIG. 3b.
  • the corresponding curve 320D thus represents the difference between the drive current 320 and the reference drive current 320R. It can be clearly seen that the time of the armature stop 360 is now characterized by a significantly more pronounced minimum 321D. The timing of the armature stop 360 can thus be more accurate and more complete insbeson ⁇ determined with greater reliability.
  • the reference drive current 320R which may be characteristic of a particular type of fuel injector, or even for an individual fuel injector, for example, determined in a test stand and then be stored in a Motorsteue ⁇ tion of a motor vehicle. If then during operation of the motor vehicle described here
  • this reference drive current 320 R can be retrieved from a memory of the engine control and used for a reliable determination of the actual armature stop 360.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit einer Spule und einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts (260), zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht, beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuer-Spannungssignal (200), welches derart dimensioniert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt (260) des Anschlags des Ankers in ein Zeitfenster (206) fällt, in dem an die Spule eine zeitlich konstante Spannung angelegt wird, (b) ein Erfassen des zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stroms, welcher innerhalb des Zeitfensters (206) durch die Spule fließt, und (c) ein Ermitteln des Zeitpunkts (260), zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, basierend auf einer Auswertung des erfassten zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stromes. Es wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Aktuators beschrieben, wobei in einem Mess-Betriebsmodus Erkenntnisse über den Anschlagzeitpunkt gewonnen und diese Erkenntnisse in einem Serien-Betriebsmodus in Hinblick auf eine optimierte Ansteuerung des Aktuators verwendet werden können. Außerdem werden beschrieben eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker nach einer Aktuator-Aktivierung eine Anschlagposition erreicht.

Description

Beschreibung
Modifizierte elektrische Ansteuerung eines Aktuators zur Bestimmung des Zeitpunkts eines Ankeranschlags
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von elektromagnetisch angetriebenen Aktuatoren, welche eine mit einem Ansteuersignal beaufschlagbare Spule und einen relativ zur Spule beweglich gelagerten Anker aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, in einem Mess-Betriebsmodus zum Zwecke der Ermittlung eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht . Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Aktuators, wobei in einem
Mess-Betriebsmodus Erkenntnisse über den Anschlagzeitpunkt gewonnen und diese Erkenntnisse in einem Serien-Betriebsmodus in Hinblick auf eine optimierte Ansteuerung des Aktuators verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des
Aktuators eine Anschlagposition erreicht.
Elektromagnetisch angetriebene Aktuatoren können mit geringer Toleranz im sog. Vollhub-Betriebsmodus betrieben werden. Dies bedeutet, dass ein Anker des Aktuators zwischen einer
Ausgangsposition und einer Endposition hin und her bewegt wird. Ausgangsposition und Endposition sind dabei typischerweise jeweils durch einen mechanischen Anschlag des Ankers an einem Gehäuse des Aktuators definiert. Am Beispiel eines Einspritzven¬ tils zur Kraftstoff-Einspritzung bedeutet dieser Betriebsmodus, dass eine Ventilnadel des Einspritzventils jeweils bis zu einer Maximalauslenkung bewegt wird. Eine Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt dann durch eine geeignete Anpassung der Zeitdauer des Einspritzvorgangs. Um Schadstoffemissionen und/oder den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, ist es bei modernen Einspritzsystemen jedoch erforderlich, den Betrieb von Einspritzventilen auch bei kleinen Einspritzmengen möglichst genau zu beherrschen. Dies bedeutet, dass auch der sog. ballistische Betrieb eines Einspritzventils beherrscht wird. Unter dem ballistischen Betrieb eines Einspritzventils versteht man in diesem Zusammen¬ hang eine Teilauslenkung des Ankers bzw. der Ventilnadel in einer durch elektrische und/oder konstruktive Parameter vorgegebenen nach Beendigung der elektromagnetischen Krafteinleitung auf den Anker freien d.h. parabelförmigen Flugbahn ohne Erreichen des Vollanschlages .
Im Gegensatz zum Vollhub-Betrieb ist der ballistische Betrieb eines Einspritzventils deutlich stärker toleranzbehaftet, da hier sowohl elektrische als auch mechanische Toleranzen den Öffnungsverlauf wesentlich stärker beeinflussen, als dies im Vollhub-Betrieb der Fall ist. Für den ballistischen Betriebsmo¬ dus eines Einspritzventils, allgemein eines elektromagnetisch angetriebenen Ankers eines eine Spule aufweisenden Aktuators, können dabei folgende Toleranzen einzeln oder in Kombination miteinander auftreten: a) Öffnungstoleranz: Der Zeitpunkt, zu dem sich der Anker nach dem Beaufschlagen der Spule mit einem definierten elektrischen Ansteuerpuls aus seiner Ausgangsposition entfernt, hängt von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand (z.B. Temperatur) ab. b) Schließtoleranz: Der Zeitpunkt, zu dem der Anker nach einer Teilauslenkung wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt, hängt von den elektrischen, magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand ab. c) Hubtoleranz: Bei einer Teilauslenkung des Ankers hängt der erreichte Maximalhub ebenfalls von den elektrischen, magneti¬ schen und/oder mechanischen Eigenschaften des individuellen Einspritzventils und/oder von dessen Betriebszustand ab. Die Hubtoleranz führt zu einer individuellen Veränderung der parabelförmigen Flugbahn des Ankers mit der Möglichkeit einer ungewollten Abflachung bzw. Überhöhung der entsprechenden Auslenkungskurve . Aus der DE 10 2006 035 225 AI ist eine elektromagnetische
Stellvorrichtung bekannt , welche eine Spule aufweist. Durch eine Auswertung von induzierten Spannungssignalen, welche durch externe mechanische Einflüsse verursacht werden, kann die tatsächliche Bewegung der Stellvorrichtung analysiert werden.
Aus der DE 198 34 405 AI ist ein Verfahren zur Schätzung eines Nadelhubs eines Magnetventils bekannt. Bei der Bewegung der Ventilnadel relativ zu einer Spule des Magnetventils werden die in der Spule induzierten Spannungen erfasst und mittels eines Rechenmodells mit dem Hub der Ventilnadel in Beziehung gesetzt. Zur Ermittlung des KontaktZeitpunktes kann die zeitliche Ablei¬ tung dU/dt der Spulenspannung verwendet werden, da dieses Signal im Umkehrpunkt der Nadel- bzw. Ankerbewegung große Sprünge aufweist .
Aus der DE 38 43 138 AI ist ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans bekannt. Beim Abschalten des Schaltorgans wird ein Magnetfeld in dessen Erregerwicklung induziert, welches durch die Ankerbewegung verändert wird. Die darauf beruhenden zeitli¬ chen Änderungen der an der Erregerwicklung anliegenden Spannung können dazu verwendet werden, um das Ende der Ankerbewegung zu erfassen . Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromagnetisch angetriebenen eine Spule und einen verschiebbar gelagerten Anker aufweisenden Aktuator, welcher in Vollauslenkung betrieben wird, Kenntnisse über den genauen Zeitpunkt zu erlangen, zu dem der Anker des Aktuators nach einer Aktivierung seine Anschlagposition erreicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Aus führungs formen der
vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird beschrieben ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine
Anschlagposition erreicht. Das beschriebene Verfahren weist auf
(a) Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuer-Spannungssignal , welches derart dimensioniert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in ein Zeitfenster fällt, in dem an die Spule eine zeitlich konstante Spannung angelegt wird,
(b) Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms, welcher innerhalb des Zeitfensters durch die Spule fließt, und
(c) Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Anker seine
Anschlagposition erreicht, basierend auf einer Auswertung des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stromes.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein im Betrieb befindlicher Aktuator zumindest zeitweise in einem bestimmten Mess-Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem der Aktuator ein zumindest ähnliches Öffnungs- und ggf. auch Schließverhalten aufweist, wie wenn der Aktuator in einem Serien-Betriebsmodus mit einer regulären Ansteuerung betrieben wird. Dabei kann sich der Mess-Betriebsmodus gegenüber dem Serien-Betriebsmodus insbesondere dadurch auszeichnen, dass während eines Zeitfensters , innerhalb dem der (mechanische) Anschlag des Ankers erwartet wird, eine zeitlich zumindest annähernd konstante Spannung angelegt ist. Dann befindet sich nämlich das gesamte elektrische Messsystem des Aktuators in einem definierten und stabilen Zustand, so dass zeitliche Änderungen in der Stromstärke durch die Spule innerhalb des Zeitfensters keine Artefakte sondern signifikante Anzeichen dafür sein können, welche charakteristisch für den mechanischen Anschlag des Ankers sind.
In diesem Zusammenhang kann der Begriff einer "zeitlich konstanten Spannung" insbesondere bedeuten, dass keine Taktung vorgenommen wird, bei der zeitlich aufeinander folgend jeweils ein kurzer erster Spannungspuls mit einer ersten Spannung und ein kurzer zweiter Spannungspuls mit einer zweiten Spannung an die Spule angelegt wird. Dabei kann insbesondere die zweite Spannung auch "Null" sein, so dass im Ergebnis lediglich die erste Spannung in Form von zeitlich aufeinander folgenden diskreten Spannungspulsen angelegt wird. Eine an der Spule effektiv anliegende Spannung wird u . a . bestimmt durch ein Tastverhältnis zwischen (a) einer ersten Zeitdauer, mit der die erste Spannung angelegt wird, und (b) einer GesamtZeitdauer, welche sich aus der Summe der ersten Zeitdauer und einer zweiten Zeitdauer ergibt, zu der keine (oder die zweite Spannung) angelegt wird. Selbstverständlich hängt die effektive Spannung auch wesentlich von den Niveaus der beiden Spannungen ab.
Bei dem beschriebenen Aktuator kann es sich um einen In ektor und insbesondere um einen Kraftstoff-Einspritzinjektor für ein Kraftfahrzeug handeln. Der eingespritzte Kraftstoff kann Benzin oder ein Dieselkraftstoff sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das
Ansteuer-Spannungssignal hinsichtlich seiner Signalhöhe und/oder seines zeitlichen Verlaufs derart dimensioniert, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in das Zeitfenster fällt. Dies hat den Vorteil, dass mit der Signalhöhe und dem zeitlichen Verlauf zwei prinzipiell verschiedene Eigen¬ schaften des Ansteuersignais in geeigneter Weise eingestellt werden können, um den gewünschten stabilen Zustand des elektrischen Messsystems des Aktuators zu erreichen. Dabei kann die Signalhöhe bzw. der Spannungspegel ggf. unabhängig von dem zeitlichen Verlauf variiert werden, um ein möglichst optimales Ansteuer-Spannungssignal im Hinblick auf (a) einen möglichst stabilen Zustand des elektrischen Messsystems innerhalb des Zeitfensters und auf (b) ein Bewegungsverhalten des Ankers zu erhalten, welches dem Bewegungsverhalten des Ankers in einem Serien-Betriebsmodus mit einer regulären Aktuator-Ansteuerung möglichst ähnlich ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Ansteuer-Spannungssignal eine Verstärkungsphase und eine Halte¬ phase auf, wobei (a) während der Verstärkungsphase eine Verstär¬ kungsspannung an die Spule angelegt wird und (b) während der Haltephase eine Haltespannung an die Spule angelegt wird, wobei die Verstärkungsspannung größer ist als die Haltespannung.
Die Haltespannung kann insbesondere diejenige Spannung sein, welche von einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Die Verstärkungsspannung ist dann eine gegenüber der Batteriespannung überhöhte Spannung, welche z.B. in bekannter Weise mittels einer elektrischen (Boost- ) Schaltung aus der Batteriespannung gewonnen wird. Die Verstärkungsspannung wird häufig auch als Boostspannung bezeichnet.
Die Verwendung einer Verstärkungsphase hat bei einem
Serienbetrieb in bekannter Weise den Vorteil, dass der Injektor mit hoher Energie aktiviert wird und der Anker somit zügig aus seiner Ausgangslage ausgelenkt wird. Auf diese Weise wird die Toleranz bezüglich des Öffnungsverhaltens von verschiedenen Aktuatoren desselben Typs reduziert und somit ein genauer definiertes Öffnungsverhalten und damit eine höhere Mengen¬ genauigkeit von eingespritztem Kraftstoff erreicht. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren zum Betreiben des Aktua- tors in einem Mess-Betriebsmodus zum Zwecke der Bestimmung des Zeitpunkt des Ankeranschlags hat die Verwendung der Verstär¬ kungsphase insbesondere den Vorteil, dass das An¬ steuer-Spannungssignal derart maßgeschneidert werden kann, dass das Öffnungsverhalten des Aktuators im Mess-Betriebsmodus sehr ähnlich zu dem Öffnungsverhalten des Aktuators in einem
Serien-Betriebsmodus sein kann. Damit ist das Ergebnis der beschriebenen Ermittlung des Zeitpunkts des Ankeranschlags im Mess-Betriebsmodus in guter Näherung auf den Serien-Betrieb übertragbar, bei dem der Aktuator typischerweise ebenfalls unter Verwendung einer Verstärkungsphase angesteuert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verstärkungsphase abgebrochen, sobald der Strom durch die Spule einen Maximalstrom erreicht. Dabei ist der Maximalstrom derart gewählt, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in das Zeitfenster fällt. Dies hat den Vorteil, dass ein geeignetes Ansteuer-Spannungssignal auf einfache Weise reali¬ siert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verstärkungsphase mittels eines Spannungspulses mit im Vergleich zu der Verstärkungsspannung umgekehrter Polarität abgebrochen. Ferner folgt nach dem Ende des Spannungspulses die Haltephase. Dies hat den Vorteil, dass in der Haltephase hinsichtlich der tatsächlich an der Spule anliegenden Spannung besonders stabile Verhältnisse vorliegen. Dies hat zur Folge, dass in dem oben definierten Zeitfenster der Strom durch die Spule einen geringen Gradienten aufweisen wird, so dass eine besonders genaue Bestim¬ mung des Zeitpunkts des Anschlags des Ankers möglich ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Zeitpunkt, zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, durch einen Extremwert der innerhalb des Zeitfensters erfassten Stärke des Stroms durch die Spule bestimmt. Der Extremwert kann insbesondere ein Minimum sein. Dies hat den Vorteil, dass der Zeitpunkt des Ankeranschlags auf besonders einfache Weise ermit¬ telt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Extremwert im Vergleich zu dem gesamten Stromverlauf insbesondere ein lokaler Extremwert ist. In Bezug auf das Zeitfenster kann der Extremwert ein lokaler oder auch ein globaler Extremwert sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms mit einem Referenzstromverlauf auf. In diesem Fall basiert das Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, auf einer Auswertung des Vergleichs des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms mit dem Referenzstromverlauf.
Durch den beschriebenen Vergleich des Strommesssignals mit dem Referenzstromverlauf kann eine besonders hohe Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung des Zeitpunkts des Ankeranschlags erreicht werden. Dies kann insbesondere daran liegen, dass Artefakte, welche sowohl in dem erfassten Strommesssignal als auch in dem Referenzstromverlauf vorkommen, auf einfache Weise eliminiert werden können. Bevorzugt besteht das Vergleichen lediglich aus einer einfachen Differenzbildung (ggf. mit einer zusätzlichen Skalierung) zwischen dem erfassten zeitlichen Verlauf der Stärke des Stromes und dem Referenzstromverlauf.
Der beschriebene Referenzstromverlauf, welcher für einen bestimmten Typ von Aktuator oder sogar für einen individuellen Aktuator charakteristisch sein kann, kann z.B. in einem Teststand ermittelt werden. Der beschriebene Referenzstromverlauf kann beispielsweise in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs hinterlegt sein.
Der Referenzstromverlauf kann charakteristisch sein für einen geklemmten Aktuator, bei dem der Anker in seiner Ausgangsposition mechanisch fixiert ist und sich trotz der Beaufschlagung der Spule mit dem Ansteuer-Spannungssignal relativ zu einem Gehäuse des Aktuators nicht bewegt. Die mechanische Fixierung kann insbesondere in einem Teststand durch einen deutlich erhöhten Kraftstoffdruck in einem Railsystem erreicht werden, an dem der betreffende Aktuator angeschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Betreiben des Aktuators in einem Serien-Betriebsmodus, wobei die Spule mit einem Serien-Ansteuer-Spannungssignal beaufschlagt wird, welches zum Zwecke einer Stromregelung zumindest zeitweise eine getaktete Spannung aufweist, und (b) ein Betreiben des Aktuators in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine
Anschlagposition erreicht. In dem Mess-Betriebsmodus wird das oben beschriebene Verfahren ausgeführt.
Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass während des laufenden Betriebs beispielsweise einer Brennkraft¬ maschine der Aktuator zwischenzeitlich nicht mit dem
Serien-Ansteuer-Spannungssignal sondern mit dem oben
beschriebenen Ansteuer-Spannungssignal beaufschlagt wird, welches zumindest in dem oben definierten Zeitfenster eine Ermittlung des Zeitpunkts ermöglicht, zu dem der Anker (in dem Mess-Betriebsmodus) seine Anschlagposition erreicht. Basierend auf dem ermittelten Zeitpunkt des tatsächlichen Ankeranschlags (in dem Mess-Betriebsmodus) können dann Rückschlüsse gewonnen werden, wie in einem nachfolgenden Serien-Betriebsmodus das Serien-Ansteuer-Spannungssignal ggf. angepasst werden kann, um in Hinblick auf ein gewünschtes Öffnungsverhalten des Aktuators eine optimierte Ansteuerung der Spule zu erreichen.
Das mit diesem zweiten Aspekt der Erfindung beschriebene Verfahren hat den Vorteil , dass eine Aktuator-individuelle Adaption für eine optimale Ansteuerung möglich ist. Auf diese Weise können Änderungen in dem Öffnungsverhalten eines Aktuators
beispielsweise infolge von Verschleiß und/oder besonderen Betriebsbedingungen kompensiert werden. Geänderte
Betriebsbedingungen können beispielsweise unterschiedliche Kraftstoffdrücke, eine unübliche Viskosität eines
einzuspritzenden Kraftstoffs und/oder unübliche Temperaturen sein . Da das Serien-Ansteuer-Spannungssignal typischerweise ein Signal sein wird, welches im Hinblick auf ein gewünschtes Öffnungs- und Schließverhalten optimiert ist, wird in diesem Dokument das oben beschriebene Ansteuer-Spannungssignal auch als modifiziertes Ansteuer-Spannungssignal bezeichnet.
Unter dem Begriff getaktete Spannung ist insbesondere zu verste¬ hen, dass die angelegte Spannung durch eine Folge von
aufeinanderfolgenden kurzen Pulsen zwischen zwei verschiedenen Spannungsniveaus diskret variiert, so dass sich im Ergebnis über die Zeit gemittelt eine effektive Spannung einstellt, welche zwischen den beiden Spannungsniveaus liegt. Wie vorstehend beschrieben, kann eines dieser Spannungsniveaus auch "Null" sein und der Wert der effektiven Spannung ergibt sich u.a. in bekannter Weise, wie ebenfalls vorstehend beschrieben, aus dem Tastver¬ hältnis .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das
Serien-Ansteuer-Spannungssignal eine Serien-Verstärkungsphase und eine Serien-Haltephase auf. Während der
Serien-Verstärkungsphase wird eine Serien-Verstärkungsspannung an die Spule angelegt und während der Serien-Haltephase wird eine Serien-Haltespannung an die Spule angelegt, wobei die
Serien-Verstärkungsspannung größer ist als die
Serien-Haltespannung. Auch hier kann die Serien-Haltespannung insbesondere die enige Spannung sein, welche von einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Die
Serien-Verstärkungsspannung ist dann eine gegenüber der
Batteriespannung überhöhte Spannung, welche z.B. in bekannter Weise mittels einer elektrischen (Boost- ) Schaltung aus der Batteriespannung gewonnen wird . Die Serien-Verstärkungsspannung kann somit auch als Serien-Boostspannung bezeichnet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Serien-Verstärkungsphase abgebrochen, sobald der Strom durch die Spule einen Serien-Maximalstrom erreicht, wobei ein Maximalstrom zum Abbrechen einer Verstärkungsphase des
Ansteuer-Spannungssignals kleiner ist als der Serien-Maximalstrom. Dies hat den Vorteil, dass für den
Mess-Betriebsmodus auf einfache Weise ein geeignetes (modifi¬ ziertes) Ansteuer-Spannungssignal realisiert werden kann, bei dem zum einen (a) die elektrische Ansteuerung stark genug modifi¬ ziert ist, um eine zuverlässige Ermittlung des Zeitpunkts des Ankeranschlags zu erreichen, und bei dem zum anderen (b) die elektrische Ansteuerung gegenüber dem Serien-Betriebsmodus nicht so stark modifiziert ist, als dass die über den tatsächli¬ chen Anschlagzeitpunkt gewonnenen Erkenntnisse nicht auf den Serien-Betriebsmodus übertragen werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des Aktuators eine Anschlagposition erreicht, beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Spule mit einem
Ansteuer-Spannungssignal, welches derart dimensioniert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt des Anschlags des Ankers in ein Zeitfenster fällt, in dem an die Spule eine zeitlich konstante Spannung angelegt wird, und (b) eine Einheit (bl) zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms, welcher innerhalb des Zeitfensters durch die Spule fließt, und (b2) zum Ermitteln des Zeitpunkts, zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, basierend auf einer Auswertung des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stromes.
Auch der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Aktuator zumindest zeitweise in einem bestimm¬ ten Mess-Betriebsmodus betrieben werden kann, in dem er ein ähnliches Öffnungsverhalten aufweist, wie wenn er in einem Serien-Betriebsmodus mit einer regulären Ansteuerung betrieben werden würde. Erfindungsgemäß liegt während eines Zeitfensters, innerhalb dem der (mechanische) Anschlag des Ankers erwartet wird, an der Spule eine zeitlich zumindest annähernd konstante Spannung an. Dann befindet sich nämlich das gesamte elektrische Messsystem des Aktuators in einem definierten und stabilen Zustand, so dass zeitliche Änderungen in der Stromstärke durch die Spule innerhalb des genannten Zeitfensters keine Artefakte sondern signifikante Anzeichen dafür sein können, welche charakteristisch für den mechanischen Anschlag des Ankers sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben ein Computerprogramm zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des Aktuators eine Anschlag¬ position erreicht. Das Computerprogramm ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet zum Steuern des vorste¬ hend beschriebenen Verfahrens zum Betreiben eines Aktuators in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts, zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine
Anschlagposition erreicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände
beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungs- formen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Aus führungs form.
Figuren la, lb und lc zeigen für eine Serien-Ansteuerung eines Kraftstoffin ektors mit einer Verstärkungsphase und einer Halte¬ phase den zeitlichen Verlauf (a) der Ansteuerspannung und des resultierenden Ansteuerstroms und (b) der resultierenden Ein- spritzrate . Figuren 2a, 2b und 2c zeigen für eine Mess-Ansteuerung eines Kraftstoffin ektors mit einer modifizierten Verstärkungsphase und einer modifizierten Haltephase den zeitlichen Verlauf (a) der entsprechenden Ansteuerspannung und des resultierenden
Ansteuerstroms und (b) der resultierenden Einspritzrate.
Figur 3a zeigt einen Vergleich zwischen dem in Figur 2b dargestellten Ansteuerstrom und einem Ansteuerstrom, welcher sich bei Verwendung der gleichen Ansteuerspannung im Falle eines hydraulisch blockierten Kraftstoffin ektors einstellt.
Figur 3b zeigt in einem vergrößerten Maßstab die Differenz zwischen den beiden in Figur 3a dargestellten Ansteuerströmen .
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
Die Figuren la, lb und lc zeigen für eine Serien-Ansteuerung eines Kraftstoffinj ektors mit einer Verstärkungsphase und einer Halte¬ phase den zeitlichen Verlauf (a) der Ansteuerspannung 100 und des resultierenden Ansteuerstroms 120 und (b) der resultierenden Einspritzrate 140. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Serienansteuerung einer bekannten eine Boost-Phase aufweisenden Ansteuerung eines Kraftstoffinj ektors entspricht. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Serienansteuerung als Stan- dard-Ansteuerung verwendet, welche jedoch zwischenzeitlich durch eine Mess-Ansteuerung ersetzt wird, um nach einer Aktivierung des Kraftstoffinj ektors den Zeitpunkt des Ankeranschlags genau bestimmen zu können und um, basierend auf der gewonnenen Erkenntnis bzgl. des Ankeranschlags, die nachfolgende
Serien-Ansteuerung optimieren zu können.
Wie aus den Figuren la, lb und lc ersichtlich, weist in der Serien-Ansteuerung die Ansteuerspannung 100 zu Beginn der Ansteuerung im Zeitbereich zwischen 0 ms und ca. 0,3 ms eine Verstärkungsphase 102 auf, mit der eine BoostSpannung in der Höhe von ca. 60 V an die Spule des Kraftstoffinj ektors angelegt wird. Gleichzeitig beginnt der Ansteuerstrom 120 durch die Spule anzusteigen. Die Steilheit des Anstiegs hängt in bekannter Weise von der Induktivität der Spule des Kraftstoffin ektors ab. Bei Erreichen eines Maximalstromes 122, welcher gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 12,5 A beträgt, wird die Verstärkungsphase abgebrochen. Dabei fällt die Ansteuerspannung 100 schlagartig ab und der Ansteuerstrom 120 sinkt auf einen Wert von ca. 5 A. Der Bereich zwischen ca. 0,3 ms und 0,5 ms, in dem aufgrund der Induktivität der Spule der Ansteuerstrom 120 exponentiell absinkt, wird auch als Freilaufphase 124
bezeichnet .
Um eine zügige Bewegung des Ankers des Kraftstoffinj ektors hin zu seinem mechanischen Anschlag zu erreichen, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass bis zu einem Zeitpunkt bei ca. 0,75 ms der Ansteuerstrom 120 nicht unter einen Strompegel von 5 A fällt. Dies wird dadurch erreicht, dass im Bereich von ca. 0,3 ms bis ca. 0,7 ms eine Spannungstaktung 105 durchgeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Abfall der Ansteuerspannung 100 im Zeitbereich zwischen ca. 0,35 ms und 0,45 ms auf leicht negative Werte ein Messartefakt ist, und dass im gesamten Zeitbereich von ca. 0,3 ms bis 0,7 ms die tatsächliche an der Spule anliegende Spannung durch die Spannungstaktung 105 auf einen zumindest annähernd konstantem effektiven Spannungsniveau liegt.
Aus Figur lc ist ersichtlich, dass zu einem Zeitpunkt bei ca. 0,5 ms die Einspritzrate 140 ihren maximalen Wert von ca. 12 mg/ms erreicht. Daraus kann geschlossen werden, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Anker des Kraftstoff¬ injektors zu diesem Zeitpunkt, welcher durch eine gestrichelte Linie 160 dargestellt ist, seinen mechanischen Anschlag erreicht .
Wie aus Figur la ersichtlich, liegt bei der Serien-Ansteuerung der Zeitpunkt 160 des Ankeranschlags innerhalb eines Zeit¬ fensters, in dem die oben beschriebene Spannungstaktung 105 stattfindet. Die Spannungstaktung 105 sorgt jedoch für eine "unruhige Messumgebung", so dass beispielsweise der Ansteuer- strom 120 nicht so genau ausgewertet werden kann, wie es für eine Bestimmung des Ankeranschlags 160 basierend lediglich auf elekt¬ rischen Daten notwendig ist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Einspritzrate 140 lediglich in einem Kraftstoffin ektor-Messstand gemessen werden kann. Im realen Betrieb des Kraftstoffinj ektors sind entsprechende
Durchflussmessungen i.d.R. nicht möglich.
Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle noch kurz auf weitere Charakteristika der in den Figuren la und lb dargestell¬ ten elektrischen Serien-Ansteuerung des Kraftstoffinj ektors eingegangen: Um den elektrischen Energieeintrag in den Kraftstoffinj ektor nicht unnötig zu erhöhen, wird nach dem
Ankeranschlag 160 bei ca. 0,7 ms eine weitere Spannungstaktung 110 vorgenommen, welche infolge eines geänderten Tastverhältnis¬ ses eine geringere effektive (an der Spule des Kraftstoffinj ek¬ tors anliegende) Spannung zur Folge hat. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt diese weitere Span¬ nungstaktung 110 bei ca. 0,75 ms und endet bei ca. 1,45 ms. Wie aus Figur lb ersichtlich, führt die weitere Spannungstaktung 110 im gezeigten Ausführungsbeispiel zu einem Ansteuerstrom 120 von C3. · 2^5 .A..
Der bei ca. 0.7 ms ersichtliche negative Spannungspuls (auch bezeichnet als negative Boostspannung) wird in diesem Fall aufgebracht, um ein schnelles Absinken des Spulenstromes zu erreichen (im dargestellten Fall sinkt der Spulenstrom von ca. 5 A auf ca. 2.5 A ab) .
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel endet bei ca. 1,45 ms die elektrische Ansteuerung des Kraftstoffinj ektors. Wie aus Figur la ersichtlich, entsteht durch das entsprechende Abschalten der Ansteuerspannung 100 an der Spule des
Kraftstoffinj ektors eine Selbstinduktionsspannung. Daraus resultiert wiederum ein Stromfluss durch die Spule, welcher nun das Magnetfeld abbaut. Nach Überschreiten einer hier negativ dargestellten Rekuperationsspannung von ca. 70 V fließt kein Strom mehr. Dieser Zustand wird auch als "open coil" bezeichnet. Aufgrund der ohm' sehen Widerstände des magnetischen Materials des Ankers klingen die beim Feldabbau der Spule induzierten Wirbelströme ab. Die Abnahme der Wirbelströme führt wiederum zu einer Feldänderung in der Spule und somit zu einer
Spannungsinduktion. Dieser Induktionseffekt führt dazu, dass der Spannungswert an der Spule des Kraftstoffin ektors ausgehend vom Niveau der Rekuperationsspannung nach dem Verlauf einer Exponen- tialfunktion 115 auf Null ansteigt. Der Kraftstoffin ektor schließt nach Abbau der Magnetkraft über die Federkraft und die durch den Kraftstoffdruck verursachte hydraulische Kraft.
Das Ende der elektrischen Ansteuerung erkennt man in Figur lb daran, dass bei ca. 1,45 ms der Ansteuerstrom 120 auf einen Wert Null absinkt. Aus Figur lc ist ersichtlich, dass nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung (vgl. oben beschriebene Schließtoleranz) der Anker des Kraftstoffinj ektors bei ca. 1,75 ms beginnt zu schließen.
Um in dem Zeitfenster, in dem der Anschlag des Ankers des Kraftstoffinj ektors erwartet wird, möglichst gute Messbedingungen für eine genaue elektrische Analyse des Stromsignals des
Ansteuerstroms durch die Spule zu ermöglichen und um zumindest ein ähnliches Öffnungs- und ggf. auch Schließverhalten wie bei der Serien-Ansteuerung zu erreichen, wird gemäß dem nachfolgend anhand der Figuren 2a, 2b und 2c beschriebenen
Ausführungsbeispiel die Spule des Kraftstoffinj ektors derart angesteuert, dass auf eine Spannungstaktung verzichtet werden kann.
Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen für eine Mess-Ansteuerung eines Kraftstoffinj ektors mit einer modifizierten Verstärkungsphase und einer modifizierten Haltephase den zeitlichen Verlauf (a) der entsprechenden Ansteuerspannung 200 und des resultierenden
Ansteuerstroms 220 und (b) der resultierenden Einspritzrate 240. Der Zeitpunkt des Ankeranschlags ist mit der mit dem Bezugszei¬ chen 260 versehenen gestrichelten Linie illustriert. Wie aus einem Vergleich zwischen den Figuren 2b und lb ersichtlich, wird bei der im Vergleich zu der Serien-Ansteuerung modifizierten Mess-Ansteuerung ein geringerer Maximalstrom 222 gewählt, so dass die Verstärkungsphase 202 etwas früher abgebro¬ chen wird. Im Vergleich zu dem Maximalstrom 122, welcher bei der Serien-Ansteuerung ca. 12 A beträgt, liegt der Maximalstrom 222 der Mess-Ansteuerung lediglich bei ca. 10 A. Ferner wird zum Zeitpunkt des Endes der Verstärkungsphase 202 bei ca. 0,35 ms aktiv ein kurzer negativer Spannungspuls 204 an die Spule angelegt, um den Spulenstrom (hier ca. 10 A) zügig auf ein niedrigeres Niveau zu ziehen. Nach Umsetzung dieser beiden Maßnahmen (a) der Wahl eines etwas kleineren Maximalstroms 222 und (b) dem aktiven Herunterziehen des Stromes durch den kurzen negativen Spannungs- puls 204 kann nachfolgend, d.h. in einem Zeitfenster von ca. 0, 35 ms bis 0, 75 ms, in dem der Ankeranschlag erwartet wird, auf eine Spannungstaktung verzichtet werden. Als Folge erhält man ein ungetaktetes Spannungsplateau 206 sowie ein Stromplateau 226 mit einem im Vergleich zu dem in Figur lb dargestellten Stromverlauf 120 wesentlich glatteren Stromverlauf. Wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird, kann somit bei "ruhigen Messbedingungen" durch eine genaue Analyse des Stromplateaus 226 der Zeitpunkt, zu dem der Anker des Kraftstoffin ektors seinen mechanischen Anschlag erreicht, ermittelt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Stromplateau 226 den Beginn eines expo- nentiellen Anstiegs in dem Ansteuerstrom 220 darstellt, welcher Anstieg in bekannter Weise durch die Induktivität der Spule, an welche eine konstante Spannung angelegt ist, verursacht wird. Durch die geschickte Wahl eines geeigneten (reduzierten) Wertes für den Maximalstrom 222 sowie insbesondere durch die Verwendung des negativer Spannungspulses 204 wird jedoch erreicht, dass dieser Anstieg in dem Zeitfenster von ca. 0,35 ms bis ca. 0,75 ms noch so flach ist, dass der Strom in diesem Zeitfenster in guter Näherung als zeitlich konstant angesehen werden kann. Der Vollständigkeit halber wird an dieser Stelle noch kurz auf weitere Charakteristika der in den Figuren 2a und 2b dargestell¬ ten elektrischen Mess-Ansteuerung des Kraftstoffin ektors eingegangen: Bei einem Zeitpunkt von ca. 0,75 ms endet die elektrische Ansteuerung des Kraftstoffin ektors . In gleicher Weise wie bei der Serien-Ansteuerung führt das Abschalten der Ansteuerspannung 200 an der Spule des Kraftstoffinj ektors zu einer negativen Selbstinduktionsspannung und danach zu einem exponentiellen Anstieg der Ansteuerspannung auf den Wert Null. Bei dem Zeitpunkt von ca. 0,75 ms fällt der Spulenstrom 220 auf Null ab. Aus Figur 2c ist ersichtlich, dass nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung (vgl. oben beschriebene Schließtoleranz) der Anker des Kraftstoffinj ektors bei ca. 1 ms beginnt zu schließen .
Figur 3a zeigt einen Vergleich zwischen dem in Figur 2b dargestellten Ansteuerstrom, welcher nunmehr mit dem Bezugszeichen 320 gekennzeichnet ist, und einem Ansteuerstrom 320R, welcher sich bei Verwendung der gleichen Ansteuerspannung im Falle eines hydraulisch blockierten Kraftstoffinj ektors ein¬ stellt. Figur 3b zeigt in einem vergrößerten Maßstab die Differenz zwischen den beiden in Figur 3a dargestellten Ansteuer- strömen 320 und 320R.
Aus der in Vergleich zu Figur 2b vergrößerten Darstellung in Figur 3a ergibt sich, dass der Ankeranschlag zu einem Zeitpunkt auftritt, an dem der Ansteuerstrom 320 ein - wenn auch flaches - lokales Minimum 321 aufweist. Infolge der stabilen elektrischen Messbedingungen, die mit der vorstehend beschriebenen
Mess-Ansteuerung zumindest innerhalb des Zeitfensters zwischen ca. 0,35 ms und 0,75 ms geschaffen wurden, ist jedoch die Messkurve 320 des Ansteuerstroms so genau, dass dieses Minimum 321 tatsächlich mit ausreichend hoher Zuverlässigkeit detektiert werden kann.
Um die Detektionszuverlässigkeit weiter zu erhöhen, kann die Messkurve 320 des Ansteuerstroms mit dem oben erwähnten Refe- renz-Ansteuerstrom 320R verglichen werden, welcher charakteris- tisch ist für einen elektrisch mit der Ansteuerspannung 200 beaufschlagten, jedoch mechanisch geklemmten Anker. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Vergleichen aus einer einfachen Differenzbildung, dessen Ergebnis in Figur 3b dargestellt ist. Die entsprechende Kurve 320D stellt also die Differenz zwischen dem Ansteuerstrom 320 und dem Refe- renz-Ansteuerstrom 320R dar. Dabei ist klar ersichtlich, dass der Zeitpunkt des Ankeranschlags 360 nunmehr durch ein wesentlich deutlicher ausgeprägtes Minimum 321D charakterisiert ist. Der Zeitpunkt des Ankeranschlags 360 kann somit genauer und insbeson¬ dere mit größerer Zuverlässigkeit ermittelt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass während des Betriebs einer Brennkraftmaschine eine zwischenzeitliche mechanische Klemmung des Kraftstoffin ektors, beispielsweise durch das Anlegen eines überhöhten Kraftstoffdrucks, typischerweise nicht möglich ist. Allerdings kann der Referenz-Ansteuerstrom 320R, welcher für einen bestimmten Typ von Kraftstoffinj ektor oder sogar für einen individuellen Kraftstoffinj ektor charakteristisch sein kann, z.B. in einem Teststand ermittelt und dann in einer Motorsteue¬ rung eines Kraftfahrzeugs hinterlegt sein. Sofern dann während des Betriebs des Kraftfahrzeugs die hier beschriebene
Mess-Ansteuerung durchgeführt wird, dann kann dieser Refe- renz-Ansteuerstrom 320R aus einem Speicher der Motorsteuerung abgerufen werden und für eine zuverlässige Bestimmung des tatsächlichen Ankeranschlags 360 verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts (260, 360), zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht, das Verfahren aufweisend
Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuer-Spannungssignal (200), welches derart dimensioniert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt (260, 360) des Anschlags des Ankers in ein Zeitfenster (206) fällt, in dem an die Spule eine zeitlich konstante Spannung angelegt wird,
Erfassen des zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stroms, welcher innerhalb des Zeitfensters (206) durch die Spule fließt, und
Ermitteln des Zeitpunkts (260, 360) , zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, basierend auf einer Auswertung des erfassten zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stromes.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem
das Ansteuer-Spannungssignal (200) hinsichtlich seiner
Signalhöhe und/oder seines zeitlichen Verlaufs derart dimensio¬ niert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt (260, 360) des Anschlags des Ankers in das Zeitfenster (206) fällt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Ansteuer-Spannungssignal (200) eine Verstärkungsphase (202) und eine Haltephase (206) aufweist, wobei
- während der Verstärkungsphase (202) eine Verstärkungsspannung an die Spule angelegt wird und
- während der Haltephase (206) eine Haltespannung an die Spule angelegt wird, wobei die Verstärkungsspannung größer ist als die Haltespannung .
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem
die Verstärkungsphase (202) abgebrochen wird, sobald der Strom durch die Spule einen Maximalstrom (222, 322) erreicht, wobei der Maximalström (222, 322) derart gewählt ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt (260, 360) des Anschlags des Ankers in das Zeitfenster (206) fällt.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem die Verstärkungsphase (202) mittels eines Spannungspuls (204) mit im Vergleich zu der Verstärkungsspannung umgekehrter Polarität abgebrochen wird und nach dem Ende des Spannungspulses (204) die Haltephase (206) folgt.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Zeitpunkt (260, 360), zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, durch einen Extremwert (321), insbesondere durch ein Minimum (321), der innerhalb des Zeitfensters (206) erfassten Stärke des Stroms durch die Spule bestimmt ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend
Vergleichen des erfassten zeitlichen Verlaufs der Stärke des Stroms mit einem Referenzstromverlauf (320R), wobei das Ermitteln des Zeitpunkts (260, 360), zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, auf einer Auswertung des Vergleichs des erfassten zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stroms mit dem Referenzstromverlauf (320R) basiert.
8. Verfahren zum Betreiben eines Aktuators mit (a) einer Spule und (b) einem verschiebbar gelagerten Anker, welcher von einem von der Spule erzeugten Magnetfeld angetrieben wird, das Verfahren aufweisend
Betreiben des Aktuators in einem Serien-Betriebsmodus, wobei die Spule mit einem Serien-Ansteuer-Spannungssignal (100) beaufschlagt wird, welches zum Zwecke einer Stromregelung zumin¬ dest zeitweise eine getaktete Spannung (105) aufweist, und
Betreiben des Aktuators in einem Mess-Betriebsmodus zum Ermitteln eines Zeitpunkts (260, 360), zu dem der Anker nach einer Aktivierung des Aktuators seine Anschlagposition erreicht , wobei das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durgeführt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem das Serien-Ansteuer-Spannungssignal eine Serien-Verstärkungs¬ phase (102) und eine Serien-Haltephase (105, 110) aufweist, wobei - während der Serien-Verstärkungsphase (102) eine
Serien-Verstärkungsspannung an die Spule angelegt wird und - während der Serien-Haltephase (105, 110) eine
Serien-Haltespannung an die Spule angelegt wird, wobei die Serien-Verstärkungsspannung größer ist als die
Serien-HalteSpannung .
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem
die Serien-Verstärkungsphase (102) abgebrochen wird, sobald der Strom durch die Spule einen Serien-Maximalstrom (122) erreicht, wobei ein Maximalstrom (222, 322) zum Abbrechen einer
Verstärkungsphase (202) des Ansteuer-Spannungssignals (200) kleiner ist als der Serien-Maximalstrom (122) .
11. Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeitpunkts (260, 360) , zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des Aktuators eine Anschlagpo- sition erreicht, die Vorrichtung aufweisend
eine Einrichtung zum Beaufschlagen der Spule mit einem Ansteuer-Spannungssignal (200), welches derart dimensioniert ist, dass der zu erwartende Zeitpunkt (260, 360) des Anschlags des Ankers in ein Zeitfenster (206) fällt, in dem an die Spule eine zeitlich konstante Spannung angelegt wird, und
eine Einheit
(a) zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stroms, welcher innerhalb des Zeitfensters durch die Spule fließt, und
(b) zum Ermitteln des Zeitpunkts (260, 360), zu dem der Anker seine Anschlagposition erreicht, basierend auf einer Auswertung des erfassten zeitlichen Verlaufs (220) der Stärke des Stromes.
12. Computerprogramm zum Ermitteln eines Zeitpunkts (260, 360), zu dem ein verschiebbar gelagerter Anker eines eine Spule aufweisenden Aktuators nach einer Aktivierung des Aktuators eine Anschlagposition erreicht, wobei das Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Steuern des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
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