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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gasinjektors einer Brennkraftmaschine zur Vermeidung von Prellern bei einer Schließbewegung eines Ankers eines Magnetaktors.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund des gasförmigen, einzublasenden Mediums, beispielsweise Wasserstoff oder Methan oder dgl., ist für eine Einhaltung von exakten Einblasmengen eine verbesserte Regelung des Öffnungs- und Schließvorgangs des Gasinjektors notwendig. Beim Schließvorgang kommt es aufgrund einer fehlenden hydraulischen Dämpfung im Vergleich mit Injektoren für flüssige Kraftstoffe leicht zu sog. Schließprellern. Bei derartigen Schließprellern öffnet der Gasinjektor wieder, so dass eine zusätzliche Gasmenge eingeblasen wird, welche die definierte Einblasmenge erheblich vergrößert. Auch wird dadurch ein erhöhter Verschleiß am Dichtsitz sowie laute Geräusche, insbesondere bei Auftreten von mehreren Schließprellern in Reihe, erzeugt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gasinjektors einer Brennkraftmaschine zur Vermeidung von Schließprellern bei einem Schließvorgang eines Ankers eines Magnetaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat dabei den Vorteil, dass Schließpreller verlässlich vermieden werden können. Dadurch ergeben sich reduzierte Fehlmengen des einzublasenden Gases sowie ein deutlich verbessertes Geräuschverhalten des Gasinjektors. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei sehr robust und mit hoher Genauigkeit wiederholbar. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf einfache Weise ein Loslaufzeitpunkt des Ankers des Magnetaktors bestimmt werden kann, bei dem der Anker aus einer geöffneten Stellung in Richtung einer Schließstellung bewegt wird. Der Loslaufzeitpunkt des Ankers wird dabei ausschließlich basierend auf Spannungswerten des Magnetaktors bestimmt. Anschließend wird der Beginn des Bremsstroms ebenfalls ausschließlich basierend auf dem Spannungsverlauf des Magnetaktors festgelegt.
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Somit kann eine besonders einfache und trotzdem sehr präzise Bestimmung eines idealen Freigabezeitpunktes für den Bremsstrom des Magnetaktors zum Abbremsen des Ankers während der Schließbewegung erreicht werden. Dies kann insbesondere unter allen möglichen Betriebsbedingungen des Gasinjektors sichergestellt werden.
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Der Bremsstrom ist dabei eine zweite kurze Ansteuerung des Gasinjektors während der Schließbewegung des Ankers, um eine Einschlaggeschwindigkeit des Ankers an einem Ankeranschlag zu reduzieren.
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Gemäß der Erfindung kann der Zeitpunkt des Loslaufens des Ankers aus der geöffneten Position in Richtung der Schließposition ausschließlich aus dem Spannungsverlauf des Magnetaktors hergeleitet werden. Beim Schließvorgang des Ankers entsteht aufgrund der Bewegung des Ankers eine induzierte Spannung, welche am Spannungssignal eine Steigungsänderung hervorruft. Dies wird zur Bestimmung des Loslaufzeitpunkts und zum Festlegen des Beginns des Bremsstroms des Ankers verwendet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt wird der Loslaufzeitpunkt des Ankers anhand eines lokalen Maximums des Spannungsverlaufs der Spannung bestimmt, nachdem der Strom, z.B. durch ein Steuergerät, auf Null reduziert wurde, um den Schließvorgang des Gasinjektors einzuleiten.
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Alternativ wird der Loslaufzeitpunkt des Ankers mittels einer Differenz zwischen einem erfassten Spannungsverlauf und einem Spannungsverlauf einer gespeicherten Grundkurve, die bspw. aus Versuchen des Schließvorgangs ohne Ankerbewegung ermittelt wird, bestimmt.
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Vorzugsweise wird aus Redundanzgründen sowohl die Differenzkurve als auch das lokale Maximum des Spannungsverlaufs erfasst und für den Freigabezeitpunkt des Bremsstroms berücksichtigt.
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Besonders bevorzugt wird der Beginn des Bremsstroms anhand eines lokalen Minimums des Spannungsverlaufs bestimmt. Weiter bevorzugt wird eine maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers während des Schließvorgangs anhand dieses lokalen Minimums festgesetzt.
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Besonders bevorzugt wird der Beginn des Bremsstroms aus einer zeitlichen Differenz zwischen dem lokalen Maximum des Spannungsverlaufs und dem lokalen Minimum des Spannungsverlaufs bestimmt. Diese beiden Messgrößen können einfach und schnell bestimmt werden, wobei auch die zeitliche Differenz zwischen dem lokalen Maximum und dem lokalen Minimum des Spannungsverlaufs einfach bestimmt werden kann. Dadurch ist auch eine schnelle Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
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Weiter bevorzugt wird der Beginn des Bremsstroms aus einer Differenz und/oder einem Niveauunterschied der beiden Messgrößen, dem lokalen Maximum des Spannungsverlaufs und dem lokalen Minimum des Spannungsverlaufs, bestimmt. Diese Bestimmung des Beginns des Bremsstroms kann separat erfolgen oder als redundante Bestimmung des Beginns des Bremsstroms verwendet werden.
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Um eine besonders kostengünstige Lösung bereitzustellen, wird vorzugsweise der Beginn des Bremsstroms aus einem in einem Steuergerät des Gasinjektors hinterlegten Kennfeld basierend auf dem aus dem Spannungsverlauf bestimmten Loslaufzeitpunkt des Ankers bestimmt.
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Vorzugsweise wird der Beginn des Brennstroms simultan bei der Bestimmung des Spannungsverlaufs angepasst. Somit kann ggf. eine Korrektur innerhalb eines gleichen Zyklus für jede einzelne Einblasung bestimmt werden.
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Alternativ wird der Beginn des Bremsstroms als gleitender Mittelwert über eine vorbestimmte Anzahl von erfassten Spannungsverläufen angepasst. Somit ist es möglich, dass aus den vorhergehenden Spannungsverläufen der Loslaufzeitpunkt und der Beginn des Bremsstroms festgelegt werden.
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Die Länge des Bremsstroms wird vorzugsweise aus einem in einem Steuergerät hinterlegten Kennfeld in Abhängigkeit des Loslaufzeitpunkts des Ankers bestimmt.
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Besonders bevorzugt wird das Verfahren derart ausgeführt, dass der Spannungsverlauf des Magnetaktors ausschließlich in einem Übergangsbereich zwischen einem nicht ballistischen Bereich, in welchem der Anker in der Öffnungsstellung unbeweglich steht, und einen ballistischen Bereich, in welchem sich der Anker bewegt, bestimmt. Dadurch wird ein Rechenaufwand für das erfindungsgemäße Verfahren weiter reduziert, da insbesondere nicht der gesamte Spannungsverlauf ermittelt werden muss.
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Weiter bevorzugt wird eine Dauer des Bremsstroms des Magnetaktors in Abhängigkeit einer Rückstellbewegung des Ankers variiert. Dadurch kann eine optimale Dämpfung der Rückstellbewegung des Ankers zur Reduzierung der Rückstellgeschwindigkeit des Ankers erreicht werden und somit Schließpreller sicher vermieden werden.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät, welches eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Besonders bevorzugt führt das Steuergerät einen Regelkreis aus, um eine Einblasgenauigkeit des Gasinjektors durch Optimierung des Schließvorgangs zu verbessern.
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Ferner wird ein Computerprogramm mit einem Programmcode vorgeschlagen, welches Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem erfindungsgemäßen Steuergerät, abläuft.
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Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm vorgeschlagen, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Gasinjektor einer Gasbrennkraftmaschine, welcher eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung, welche vier Diagramme übereinander zeigt, um das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu erläutern,
- 2 ein Längsschnitt durch einen Gasinjektor, welcher zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 die Erfindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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2 zeigt beispielhaft einen Gasinjektor 1 mit einem Magnetaktor. Der Magnetaktor umfasst eine Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen axial beweglichen Anker 2. Der Anker 2 ist mit einem Schließelement 4, insbesondere einer Ventilnadel, in Kontakt bringbar, um an einem Dichtsitz 5 einen Einblasquerschnitt freizugeben. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Rückstellelement des Gasinjektors. Das Schließelement 4 ist mittels einer Ventilfeder 7 in der in 2 gezeigten, geschlossenen Position gehalten.
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Wenn die Magnetspule 3 bestromt wird, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 2 in Richtung des Schließelements 4 bewegt (Pfeil 11). Dabei gelangt ein mit dem Anker 2 verbundener Ankerbolzen 9 zur Anlage mit dem Schließelement 4, sodass das Schließelement 4 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 7 am Dichtsitz 5 geöffnet wird. Der Anker 2 wird dabei bis zu einem Hubanschlag 6 für den Anker bewegt, was den vollständigen Öffnungszustand des Gasinjektors darstellt.
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Zum Schließen des Gasinjektors 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, sodass das Rückstellelement 8 den Anker 2 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurückstellt. Gleichzeitig stellt auch die Ventilfeder 7 das Schließelement 4 in die in 2 gezeigte, geschlossene Position zurück.
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1 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind zur Verdeutlichung der Erfindung vier Diagramme übereinander dargestellt, um die Abläufe und das Verständnis der Erfindung zu verbessern.
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Das obere Diagramm in 1 zeigt den dem Magnetaktor zugeführten Strom I über der Zeit t als Kurve A. Ausgehend vom Punkt Null, welcher den geschlossenen Zustand des Gasinjektors ohne Bestromung darstellt (I = 0) steigt der Strom nach einem Öffnungsbefehl für den Magnetaktor schnell an. Anschließend erfolgt ein im Wesentlichen Konstanthalten des Stroms I über die Zeit t, bis die Einblasung beendet werden soll (Punkt E) und der Strom für den Magnetaktor sehr schnell wieder bis auf Null abfällt. Dieser Zeitpunkt ist im oberen Diagramm von 1 mit t0 bezeichnet. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t0 und einem Zeitpunkt t1 wird ein Bremsstrom B aktiviert, um eine Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers vor einem Auftreffen auf einen Ankeranschlag zu reduzieren. In 1, im oberen Diagramm, wird der Bremsstrom bis zum Zeitpunkt t2 aufrechterhalten.
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In 1 zeigt das zweite Diagramm von oben den Spannungsverlauf der Spannung U über der Zeit t. Wie aus der Kurve C ersichtlich ist, steigt die Spannung zum Beginn des Öffnens des Gasinjektors schnell an und wird dann zum Offenhalten in einem engen Bereich aufrechterhalten. Zum Ansteuerende fällt die Spannungskurve C ins Negative (U << 0V) (Zeitpunkt t0).
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Das dritte Diagramm von oben zeigt ausgehend vom geöffneten Zustand bei ca. 3 ms der Zeit t einen Hub H des Gasinjektors über der Zeit t.
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Das unterste Diagramm von 1 zeigt den Leitungsdruck P über der Zeit t. Wie aus 1 ersichtlich ist, sinkt der Leitungsdruck P nach dem vollständigen Öffnen des Gasinjektors relativ stark ab und erhöht sich erst wieder nach dem vollständigen Schließen des Gasinjektors.
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Im Übergangsbereich des Ankers zwischen einem nicht ballistischen Bereich, in welchem sich der Anker nicht bewegt (Öffnungszustand des Ankers) und dem ballistischen Bereich des Ankers, in welchem der Anker sich aus dem Öffnungszustand in den Schließzustand bewegt, sind in den drei oberen Diagrammen für Strom I, Spannung U und Hub H des Gasinjektors drei alternative Kurven eingezeichnet.
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Wie aus dem zweiten Diagramm von oben der Spannung U über der Zeit t ersichtlich ist, kann ein Beginn eines Loslaufzeitpunkts L des Ankers in Schließrichtung ausschließlich basierend auf dem Spannungsverlauf C des Magnetaktors bestimmt werden. Nach dem Zeitpunkt t0, in welchem aufgrund des Öffnungsimpulses eines Steuergeräts ein Befehl zum Schließen des Gasinjektors erfolgt ist, verharrt die Spannung U eine kurze Zeit auf dem Löschspannungsniveau (U << 0V) und steigt dann langsam bis zum Niveau Null an. Dieses Maximum bestimmt den Loslaufzeitpunkt L des Ankers für die Schließbewegung.
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In dem Spannungsverlauf ist eine Grundkurve G in gestrichelter Weise eingezeichnet, welche den Spannungsverlauf ohne Ankerbewegung verdeutlicht. Die Grundkurve G kann bspw. durch Laborversuche oder dergleichen ermittelt werden.
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Wie anhand des Spannungsverlaufs C in 1 ersichtlich ist, ändert sich zu Beginn des Loslaufzeitpunkts L die Spannung U aufgrund der Bewegung des Ankers und wird reduziert. Hierbei ist ein Minimum M im Spannungsverlauf im weiteren Zeitverlauf ersichtlich, bei dem der Anker während der Schließbewegung seine höchste Geschwindigkeit aufweist. Hier sind in 1 schematisch drei Verläufe dargestellt, wobei der Pfeil R das langsamere Ventilschließen der drei unterschiedlichen Spannungsverläufe kennzeichnet. Entsprechend ist im dritten Diagramm von 1 der Ventilhub zeitlich nach hinten verschoben, sodass der Schließzeitpunkt des Gasinjektors zeitlich weiter nach hinten verlegt wird (Pfeil S in 1).
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, beginnt der Beginn des Bremsstroms zum Zeitpunkt t1, an welchem der Spannungsverlauf C Beginn des Schließens das lokale Minimum M erreicht hat, in welchem auch die Ankergeschwindigkeit am höchsten ist. Es ist dabei zu beachten, dass der Spannungsverlauf C nach der Einschaltung des Bremsstroms sprunghaft ansteigt (U>0 V). Dieser Sachverhalt wurde in 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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Es sei angemerkt, dass die maximale Ankergeschwindigkeit auch durch eine Differenzkurve zwischen der Grundkurve G und dem erfassten Spannungsverlauf C bestimmt werden kann.
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Somit kann durch die zweite Messgröße des lokalen Minimums M des Spannungsverlaufs C eine Schließgeschwindigkeit des Gasinjektors bestimmt werden. Mit zunehmender Schließgeschwindigkeit erfolgt der Spannungsabbau dabei schneller. Der Umkehrpunkt des lokalen Minimums M wird damit früher erreicht. Die Ventilgeschwindigkeit kann entweder durch eine zeitliche Messung einer Messgröße Δt oder der Messgröße der Spannung ΔU zu zwei Zeitpunkten ermöglicht werden. Dabei können beide Messgrößen Δt und ΔU mit einem Sollwert, welcher bspw. in einem Steuergerät hinterlegt ist, verglichen werden und bei einer Abweichung kann ein Korrekturwert anhand eines im Steuergerät hinterlegten Korrekturkennfeldes bestimmt werden. Eine Korrektur des Beginns des Bremsstroms kann dabei entweder im gleichen Zyklus, sogenannte simultane Korrektur, bei der für jede einzelne Einblasung ein neuer Korrekturwert bestimmt wird, oder langsam als gleitender Mittelwert, der aus mehreren Messzyklen bestimmt wird, erfolgen.
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Somit kann die Erfindung insbesondere im Übergangsbereich um den Loslaufzeitpunkt des Ankers relativ genau bei reduziertem Aufwand erfassen.
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Es sei angemerkt, dass das Verfahren bspw. auch dann möglich ist, wenn der Spannungsverlauf C nur im Bereich um den Loslaufzeitpunkt L herum bestimmt wird. Hierdurch können insbesondere eine Berechnungszeit und auch Kosten aufgrund eines reduzierten Aufwands reduziert werden.