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1. WO2010023104 - PROCÉDÉ PERMETTANT DE FAIRE FONCTIONNER UN DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT

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[ DE ]

Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Patentanspruchs.

Eine Diagnose von elektromagnetisch betriebenen Aggregaten (z.B. Einspritzvorrichtungen) beschränkt sich oftmals auf die Erfassung von elektrisch zu messenden Größen. Dadurch können Fehler wie Kurzschluss nach Masse, Fehler bei einer Bereitstellung einer

Versorgungsspannung oder Versorgungsspannungsunterbrechungen festgestellt werden. Eine Überwachung der mechanischen Bewegung der Ventilnadel ist nur mit relativ kostenintensiven Verfahren und Vorrichtungen, wie bspw. durch induktive Brückenschaltungen, durch kapazitive Wegaufnehmer oder durch Endschalter möglich.

Aus der DE 34 26 799 C2 ist eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung bekannt, bei der ein Magnetventil und eine Strommesseinrichtung vorgesehen sind, um ein Betriebsverhalten der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung durch Auswertung des durch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung fließenden Stroms zu ermitteln.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, das über die mechanische Funktion der Kraftstoff- Einspritzvorrichtung zuverlässig informiert und zudem kostengünstig ist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst, sowie durch ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine nicht oder nicht richtig schließende Ventilnadel, beispielsweise eine in offenem Zustand klemmende Ventilnadel als Ursache erkannt werden. Durch eine nicht schließende Ventilnadel kann Kraftstoff laufend, nicht ausreichend oder zumindest unkontrolliert in einen Brennraum eines Zylinders strömen. Dies beeinträchtigt beispielsweise eine zuvor exakt ermittelte Zusammensetzung eines Luft-/Kraftstoffgemisches, kann aber auch zu einem unerwünschten Drehmomentanstieg führen. Zwar kann zuviel oder zuwenig Kraftstoff im Brennraum über eine Verbrennungsdiagnose erkannt werden, allerdings ist dadurch die Ursache für die abweichende Kraftstoffmenge noch nicht bekannt. Dieser Informationsmangel wird durch die Erfindung behoben.

Das Verfahren basiert auf der Überlegung, dass durch eine fehlende Bewegung der elektromagnetisch betätigten Ventilnadel (über einen mit der Ventilnadel verbundenen Anker) im Fehlerfall eine somit nicht vorhandene Gegeninduktion in einer Magnetspule in einem Verlauf der elektrischen Betriebsgröße der elektromagentischen Betätigungseinrichtung erkannt werden kann. Die Bewertung des Verlaufs der Betriebsgröße kann in einer ohnehin zum Betreiben der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung notwendigen Steuer- und/oder Regeleinrichtung leicht und damit kostengünstig durchgeführt werden, insbesondere dann, wenn die Betriebsgröße und deren Soll-Verlauf der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bereits bekannt ist.

Deshalb wird weiter vorgeschlagen, dass eine Krümmung oder ein Verlauf der Krümmung der elektrischen Betriebsgröße mindestens während eines bestimmten Zeitintervalls ausgewertet wird. Dabei kann, um eine Last in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung möglichst gering zu halten, die Krümmung nur in einem möglichst klein bemessenen, vordefinierten Zeitintervall ausgewertet werden. Dies reduziert die aufzubringende Leistung und damit auch die Wärmeentwicklung in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung. Zudem kann der Verlauf der Krümmung bspw. durch Differenzierglieder leicht und damit kostengünstig ausgewertet werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn ein Ist- Verlauf der elektrischen Betriebsgröße mit einem Soll-Verlauf verglichen wird. Dies verlangt nur ein relativ grobes Prüfraster zum Verifizieren des Verlaufs der Betriebsgröße, was ebenfalls die Last in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung reduziert, und ist einfach zu programmieren.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die elektrische Betriebsgröße eine elektrische Spannung ist, die an einer Magnetspule der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung anliegt. An dem Verlauf der Spannung ist am einfachsten eine Rückwirkung der fehlenden mechanischen Bewegung der Ventilnadel durch eine fehlende Gegeninduktionsspannung, die einer Ansteuerspannung entgegen wirkt und überlagert ist, zu erkennen.

Ferner ist vorteilhaft, wenn die elektrische Betriebsgröße nur für einen Zeitbereich ausgewertet wird, in dem ein Auftreffen der Ventilnadel an einem Anschlag, insbesondere einem Ventilsitz, vermutet wird. Die zum Schließen der funktionsfähigen Ventilnadel anliegende Ansteuerspannung baut sich langsam ab. Eine in den Ventilsitz zurück fliegende (und somit sich bewegende) Ventilnadel mit Anker erzeugt in der Magnetspule die Gegeninduktionsspannung, die die sich abbauende Ansteuerspannung maßgeblich beeinflusst. Der größte Einfluss ist zu dem Zeitpunkt, in der die Nadel im Sitz ankommt und somit abrupt zum Stillstand kommt, vorhanden. Im Spannungssignal ist diese Phase als ein „Induktionsknick" zu sehen. Bei einer festsitzender Ventilnadel fehlt ein solcher Induktionsknick. Mit einer geeigneten Auswertung des Spannungsverlaufs lässt sich detektieren, ob der Induktionsknick vorhanden ist oder nicht. Somit kann leicht überwacht werden, ob der Schließvorgang der Ventilnadel regulär war.

Ein vorteilhafter Nebeneffekt des Verfahren ergibt sich darüber hinaus auch, wenn das Auswerteergebnis dann, wenn die Ventilnadel korrekt arbeitet, zum Erkennen eines Ist-Schließzeitpunkts der Ventilnadel verwendet wird. Die zeitliche Lage des Induktionsknicks kann hierbei als Ist-Schließzeitpunkt interpretiert werden, wobei der Ist-Schließzeitpunkt eine wichtige Betriebsgröße für die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist. Sollte der Induktionsknick merklich verschoben sein, lässt das auf Unregelmäßigkeiten in der Bewegung der Ventilnadel (z.B. durch Reibung oder Verschleiß oder Verkokung) schließen.

Ergänzend hierzu wird vorgeschlagen, dass bei der Ansteuerung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung der ermittelte Ist-Schließzeitpunkt berücksichtigt wird. Durch die Erfassung des Ist-Schließzeitpunktes kann auch Einfluss auf die Ansteuerung der Ventilnadel während eines Normalbetriebs genommen werden (z.B. durch eine Adaption oder das richtige Platzieren eines Bremsimpulses). Der Ist-Schließzeitpunkt kann leicht in die Steuerung und/oder Regelung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eingebunden werden. Dies senkt die Kosten, da auf eine zusätzliche Logik und/oder zusätzliche Einrichtungen zur Ermittlung des Ist-Schließzeitpunktes, wie z.B. ein Körperschallsensor verzichtet werden kann.

Kurzbeschreibung der Figur

Es zeigt:

Figur 1 eine Skizze eines Einspritzventils mit einer Ventilnadel und einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung; und

Figur 2 ein Diagramm mit Verläufen einer Ansteuerspannung der elektromagnetischen

Betätigungseinrichtung von Figur 1 bei korrekt und bei fehlerhaft arbeitender Ventilnadel.

Detaillierte Beschreibung

In Figur 1 trägt ein Einspritzventil insgesamt das Bezugszeichen 1. Es umfasst eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 2 und eine Ventilnadel 3, die mit einem

Ventilsitz 4 zusammenwirkt. Ein um die Ventilnadel 3 angeordnetes Federelement 5 drückt mit seiner Federkraft die Ventilnadel 3 in den Ventilsitz 4. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 2 umfasst einen Anker 6, der mit der Ventilnadel 3 fest verbunden ist, und eine Magnetspule 7. Die Magnetspule 7 wird durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 8 und eine nicht dargestellte Endstufe bestromt.

Für den Betrieb des elektromagnetischen Einspritzventils 1 wird durch Bestromen der Magnetspule 7 ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das einen magnetischen Werkstoff aufmagnetisiert. Dadurch wird der Anker 6 angezogen, der die mit ihm verbundene Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 4 anhebt. So werden Austrittsöffnungen (nicht dargestellt) des Einspritzventils 1 freigegeben, durch die der Kraftstoff zu einer Einspritzung austreten kann.

Figur 2 zeigt ein Diagramm mit Verläufen einer Ansteuerspannung bei einer funktionstüchtigen und bei einer fehlerhaft arbeitenden Ventilnadel 3. Die durchgezogene Linie zeigt dabei den Verlauf der Ansteuerspannung bei regulären Verhältnissen; die gestrichelte Linie zeigt den Spannungsverlauf bei einer in geöffnetem Zustand festsitzenden Ventilnadel 3.

Zum Anziehen der Ventilnadel 3 wird durch einen zuvor aufgeladenen Kondensator (nicht dargestellt) ein großer Spannungsimpuls, der einem Vielfachen der Batteriespannung entspricht, an eine Magnetspule 7 angelegt (Bezugszeichen 10), um die Ventilnadel 3 mit großer Kraft schnell von dem Ventilsitz 4 abzuheben. Dadurch wird die Einspritzung eingeleitet. Es folgt ein Spannungsimpuls mit Batteriespannung lediglich zum weiteren Öffnen der Ventilnadel 3 (Bezugszeichen 12). Danach erfolgt eine Schnelllöschung der Magnetkraft in der Magnetspule 7 (Bezugszeichen 14), indem eine wiederum große Spannung (in der Größenordnung des Impulses 10, jetzt aber in Gegenrichtung gepolt) an der Magnetspule 7 angelegt wird, um einen Magnetisierungsstrom aus der Magnetspule 7 "herauszuziehen". Es wird nämlich wegen des nun nicht mehr vorhandenen Luftspalts nur noch wenig Kraft zum Offenhalten des Ventilelements benötigt, wozu drei sequenziell folgende Spannungsimpulse (Bezugszeichen 16) mit Batteriespannung ausreichen. Die Spannungsimpulse beginnen, wenn ein Induktionsstrom eine Grenze unterschreitet, und enden, sobald er eine Grenze überschreitet. Es wird somit als "Energiesparmaßnahme" nur noch ein minimal notwendiger Strom durch die Magnetspule 7 geleitet.

Zum Schließen der Ventilnadel 3 wird der Strom, der die Magnetspule 7 durchfließt, abgeschaltet. Das elektromagnetische Feld baut sich ab und der magnetische Werkstoff wird entmagnetisiert. Mit dem Wegfall der Magnetkraft wird die Ventilnadel 3 durch die Federkraft des Federelements 5 in Richtung Ventilsitz 4 zurück bewegt. Zum möglichst schnellen Abbau des elektromagnetischen Feldes wird wieder eine Schelllöschung 18 (im Wesentlichen gemäß dem Impuls 14) an der Magnetspule 7 durchgeführt. Dabei wird die Magnetspule 7 vollständig entmagnetisiert. Die vorher an der Magnetspule 7 anliegende Ansteuerspannung baut sich langsam ab (Bezugszeichen 20). Die Richtung Ventilsitz 4 zurück "fliegende" (und somit sich bewegende) Ventilnadel 3 erzeugt in der Magnetspule 7 eine Gegeninduktionsspannung, die die sich abbauende Ansteuerspannung deutlich beeinflusst. Der größte Einfluss ist festzustellen in einem Zeitfenster T, in dem die Ventilnadel 3 auf dem Ventilsitz 4 auftrifft und somit abrupt zum Stillstand kommt. Im Spannungssignal ist dies als „Induktionsknick" 22 zu sehen. Anschließend baut sich der verbleibende Rest der Ansteuerspannung komplett ab.

Ist jedoch die Ventilnadel 3 durch einen Fehler in ihrer Bewegung gehemmt (bspw. durch Festsitzen in Öffnungsstellung, oder durch Festsitzen in Schließstellung), so entsteht durch die fehlende Bewegung der Ventilnadel 3 auch keine Gegeninduktionsspannung in der Magnetspule 7. Dies ist am deutlichsten zum geplanten Zeitpunkt des Auftreffens der

Ventilnadel 3 im Ventilsitz 4 beim Schließen der Ventilnadel 3 zu erkennen (Zeitfenster T). Die Ansteuerspannung U baut sich unbeeinflusst im Wesentlichen in Form einer e- Funktion ab. Der bei einer regulären Funktion des Ventilelements typische und signifikante Induktionsknick fehlt (Bezugszeichen 24). Technisch kann dies bspw. durch Anwendung eines Differenziergliedes erkannt werden, das in dem Zeitfenster T, indem bei regulärem Betrieb das Auftreffen der Ventilnadel im Ventilsitzerwartet wird, wirkt und eine Krümmung der Kurve analysiert. Eine erste Ableitung der Funktion würde nur bei regulärem Betrieb eine positive Steigung aufweisen; eine zweite Ableitung weist nur bei regulärem Betrieb eine Nullstelle auf.

Da die festsitzende Ventilnadel 3 auch in der Öffnungsbewegung blockiert ist, entsteht auch hier keine Gegeninduktionsspannung, der Stromverlauf nach dem ersten Aktivierungsimpuls 10 ist durch die fehlende Bewegung der Ventilnadel 3 verändert. Dies zeigt sich in einer zeitlichen Verschiebung von zwei der drei Halteimpulse 16 (gestrichelt gezeichnet).