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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorgabe eines Stroms in einem Magnetventil, insbesondere in einem Magnetventil-Injektor einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen mit einem sog. Common-Rail-System können Magnetventil-Injektoren zum Einsatz kommen. In diesen Systemen erfolgt das Einspritzen von Kraftstoff durch elektrische Ansteuerung eines Magnetventils, wodurch dieses entweder geöffnet oder geschlossen wird. Hierdurch stellen sich im Injektor Druckbedingungen ein, aufgrund derer eine federrückgestellte Düsennadel angehoben und damit der Einspritzvorgang eingeleitet wird. Der Förderbeginn wird dabei über den Öffnungszeitpunkt des Magnetventils festgelegt. Die Kraftstoffzumessung erfolgt zwischen dem Förderbeginn und dem auf das Ansteuerende des Magnetventils folgenden Schließzeitpunkt während eines als Förderdauer bezeichneten Zeitraums.
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Aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich der Einspritzmengen bei modernen Motoren ist es erforderlich, die jeweiligen Öffnungs- oder Schließzeitpunkte der Magnetventile möglichst genau einzuhalten, um die Menge des zugeführten Kraftstoffs präzise zu dosieren.
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Bei Magnetventil-Injektoren wird bislang während einer Entwicklungsphase ein Stromniveau (insbesondere für den Haltestrom) ermittelt und festgelegt, welches dann später als Sollwert beim Betrieb in der Brennkraftmaschine vorgegeben wird. Dazu wird der Sollwert bspw. in einem Steuergerät, insbesondere einem Motorsteuergerät, hinterlegt und bei der Ansteuerung eingeregelt. Der Injektor bleibt dann üblicherweise während der Dauer der Ansteuerung (Bestromung) geöffnet.
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Durch Alterungseffekte, Ablagerungen, insbesondere Kraftstoffablagerungen, erhöhte Kraftstoffviskosität, Sitzverschleiß und dergleichen kann ein Magnetkraftbedarf, um den Magnetventil-Injektor offen zu halten, jedoch während des Betriebs steigen. Da das Stromniveau jedoch als fester Sollwert hinterlegt ist, kann es dazu kommen, dass der Magnetventil-Injektor frühzeitig, d.h. noch während der Ansteuerung, schließt. Dies hat eine reduzierte Einspritzmenge zur Folge und beeinflusst damit das Laufverhalten der Brennkraftmaschine negativ.
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Aus der
DE 10 2007 058 230 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation eines Steuerstroms für ein Magnetsteuerventil bekannt, bei dem eine Abweichung einer Magnetkraft durch Einstellung des Stromniveaus des Steuerstroms kompensiert wird.
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Aus der
DE 10 2007 057 144 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines angepassten Steuersignals bspw. für magnetische Einspritzventile bekannt, bei dem das angepasste Steuersignal iterativ ermittelt wird.
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Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, die für das Offenhalten eines Magnetventils erforderliche Magnetkraft gezielt anzupassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich zur Vorgabe eines Stroms durch eine Magnetspule eines Magnetventils, wodurch insbesondere eine Regelung der Magnetkraft im Magnetventil möglich ist. Dabei wird mittels eines Sensors ein Schließzeitpunkt des Magnetventils erfasst und ein Sensorwert überwacht. Wenn ein vorzeitiges Schließen des Magnetventils anhand des überwachten Sensorwerts erkannt wird, wird der Strom durch die Magnetspule des Magnetventils daraufhin, zweckmäßigerweise bei einer nachfolgenden Ansteuerung, erhöht.
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Insbesondere finden Magnetventile in Magnetventil-Injektoren für Brennkraftmaschinen Verwendung. Eine gewünschte Soll-Öffnungszeit entspricht dabei bspw. einer errechneten Zeitdauer, während welcher Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll. Wird nun ein vorzeitiges Schließen erkannt, so wird der Strom im Magnetventil erhöht, was eine Erhöhung der Magnetkraft bedeutet. Insbesondere für nachfolgende Einspritzvorgänge bleiben das Magnetventil und damit der Magnetventil-Injektor weiterhin wie gewünscht offen.
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Damit kann also eine Erhöhung der Robustheit von Systemen, die Magnetventile umfassen, bspw. sog. Common-Rail-Systemen, unter extremen Bedingungen erreicht werden. Zudem kann eine Funktionalität in einem erweiterten Betriebsbereich, bspw. bei Ablagerungen im Bauteil, Verschleiß im Sitzbereich oder dergleichen gewährleistet werden.
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Als Sensor kann bspw. ein Sensor verwendet werden, der einen Druck eines Ventilraums, in dem sich das Magnetventil befindet, oder eine Stellung einer Ventilnadel überwacht. Dazu kann sich der Sensor bspw. in dem Ventilraum befinden. Die Bestimmung eines Schließzeitpunkts aus einem Ventilraumdruck ist beispielsweise in der
DE 10 2010 000 827 A1 beschrieben. Aus der Stellung der Ventilnadel geht der Schließzeitpunkt unmittelbar hervor. Auch kann der Schließzeitpunkt aus dem Spannungssignal an der Magnetspule ermittelt werden. Von diesem Spannungssignal kann auf eine Bewegung des Ankers rückgeschlossen werden.
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Vorzugsweise wird ein vorzeitiges Schließen des Magnetventils anhand des überwachten Sensorwerts erkannt, wenn der Sensorwert einen Sensorschwellwert erreicht oder überschreitet. Bei einsetzbaren Sensoren lässt sich ein Sensorschwellwert finden, der ein Schließen des Magnetventils anzeigt. Bei dem o.g. Drucksensor zeigt beispielsweise ein Nulldurchgang des Sensorsignals an, dass das Ventil geschlossen hat. Wird die Bewegung der Ventilnadel oder des Magnetankers überwacht, sind die die Endstellung anzeigende Sensorwerte relevant. Alternativ oder zusätzlich wird ein vorzeitiges Schließen des Magnetventils anhand des überwachten Sensorwerts erkannt, wenn ein zeitlicher Gradient eines zeitlichen Verlaufs des Sensorwerts einen Gradientenschwellwert erreicht oder überschreitet. Bei einsetzbaren Sensoren lässt sich ein Gradientenschwellwert finden, der ein Schließen des Magnetventils anzeigt. Bei dem o.g. Drucksensor zeigt beispielsweise eine nahezu sprunghafte Veränderung (d.h. hoher Gradient) des Sensorsignals an, dass das Ventil geschlossen hat. Wird die Bewegung der Ventilnadel oder des Magnetankers überwacht, liegt bei Erreichen der Endstellung meist ein Knick im Sensorsignal mit anschließendem geringem Gradienten vor. So kann ein vorzeitiges Schließen auf einfache Weise erkannt werden.
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Vorteilhafterweise wird der Strom durch die Magnetspule im Magnetventil nur bis zu einem Maximalwert erhöht. Damit können unerwünscht hohe Ströme vermieden werden und mögliche daraus entstehende Schäden bleiben aus.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Diagnosemeldung erstellt wird, wenn der Strom durch die Magnetspule im Magnetventil einen Diagnosewert (z.B. den Maximalwert) erreicht. Insbesondere kann die Diagnosemeldung auch abgespeichert werden, bspw. in einem geeigneten Speicherbereich eines Steuergeräts. Damit kann ein beschädigtes oder verunreinigtes Magnetventil schnell erkannt werden. Bei einem Werkstattbesuch kann somit gezielt das Magnetventil getauscht oder gereinigt werden.
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Vorzugsweise wird der Sensorwert während, insbesondere auch nur während, eines Zeitraums, in dem das Magnetventil angesteuert wird, überwacht. Dies ermöglicht eine gezielte Überwachung des Magnetventils hinsichtlich des Verhaltens in einer offenen Stellung. Zudem kann unnötiger Energieverbrauch zum Überwachen während Zeiten, in denen es nicht nötig ist, vermieden werden.
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Vorteilhafterweise wird der Strom durch die Magnetspule des Magnetventils in einem einem Ansteuervorgang, in dem das vorzeitige Schließen des Magnetventils angezeigt wurde, nachfolgenden Ansteuervorgang erhöht. Je nach Dauer der Auswertung und/oder nötiger Berechnungen kann bereits beim unmittelbar folgenden Ansteuervorgang oder aber auch erst mehrere Ansteuervorgänge später der Strom entsprechend erhöht werden. Bei der bevorzugten Verwendung als Kraftstoffinjektor entspricht ein Ansteuervorgang einem Einspritz- bzw. Injektionsvorgang.
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In diesem Zusammenhang sei auch angemerkt, dass auf diese Weise eine iterative Erhöhung erfolgen kann, solange bis das Magnetventil nicht mehr vorzeitig schließt.
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Es ist auch von Vorteil, wenn ein Wert des Stroms, nachdem der Strom erhöht wurde, für nachfolgende Ansteuervorgänge als neuer Wert des Stroms hinterlegt wird. Bspw. ist dafür eine Abspeicherung in einem Steuergerät möglich. Damit kann für weitere Ansteuervorgänge, insbesondere auch nach einem Neustart, auf einen aktuellen Sollwert für den Strom zurückgegriffen werden. Ein solches nachführendes Anpassen einer Größe an veränderte Bedingungen wird üblicherweise als Adaption bezeichnet.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Ausschnitt eines mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform betreibbaren Magnetventil-Injektors.
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2 zeigt den Stromverlauf in einem Magnetventil und einen Spannungsverlauf eines Sensors.
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3 zeigt den Stromverlauf in einem Magnetventil und einen Spannungsverlauf eines Sensors mit Grenzwert und Maximalwert eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist beispielhaft ein Ausschnitt eines Magnetventil-Injektors dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Dabei sind innerhalb eines Injektorkörpers 1 ein Hochdruckraum 2 sowie ein Niederdruckraum 3 angeordnet. Diese beiden Räume sind voneinander durch ein Ventilstück 4 getrennt. Der Hochdruckraum 2 kommuniziert über einen Zulaufkanal 5 mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle für Kraftstoff, in der Regel ein sog. Common Rail. Der Niederdruckraum 3 ist über eine Rücklaufleitung 21 oder dergleichen mit einem Kraftstofftank oder dergleichen verbunden.
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Der Hochdruckraum 2 ist über nicht dargestellte Einspritzdüsen mit einem Brennraum einer ebenfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbindbar. Die Einspritzdüsen werden in bekannter Weise mittels einer Düsennadel gesteuert, von der in 1 nur das düsenferne Ende, welches als Plunger 6 ausgebildet ist, dargestellt ist. Der Plunger 6 ist verdrängerwirksam in einem im Ventilstück 4 angeordneten Steuerraum 7 angeordnet. Dieser Steuerraum 7 kommuniziert über eine Zulaufdrossel 8 mit dem Hochdruckraum 2 und über einen vorzugsweise gedrosselten Ablaufkanal 9 mit dem Niederdruckraum 3, wobei der Ablaufkanal 9 mittels einem als Steuerventil arbeitenden Magnetventil 10 gesteuert wird.
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Wenn der Ablaufkanal mittels des Steuerventils 10 abgesperrt wird und die Düsennadel sich in ihrer Schließlage befindet, stellt sich im Steuerraum 7 der gleiche Hochdruck wie im Hochdruckraum 2 ein, mit der Folge, dass der Plunger 6 in 1 nach abwärts gepresst und die damit verbundene Düsennadel in der die Einspritzdüsen absperrenden Schließlage gehalten wird. Wird der Ablaufkanal 9 mittels des Steuerventils 10 geöffnet, stellt sich im Steuerraum 7 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 2 verminderter Druck ein, und der Plunger 6 verschiebt sich zusammen mit der Düsennadel in 1 in Aufwärtsrichtung, das heißt, die Düsennadel wird in deren Offenlage gestellt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt wird.
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Das Steuerventil 10 besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper 11, der von einer Schließfeder 12, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 9 konzentrischen Sitz gespannt wird. Im Beispiel der 1 ist der Sitz als Planfläche ausgebildet, auf der der hülsenförmige Schließkörper 11 mit einer linienförmigen Ringkante aufsitzt. Grundsätzlich kann jedoch auch ein anders geformter Sitz vorgesehen sein.
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Der hülsenförmige Schließkörper 11 ist auf einer zur Längsachse 100 des Injektorkörpers 1 gleichachsigen Führungsstange 13 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 11 und dem Außenumfang der Führungsstange 13 als praktisch leckagefreier Drossel- bzw. Dichtspalt ausgebildet ist. Wenn der Schließkörper 11 die in 1 dargestellte Schließlage einnimmt, wird der innerhalb des Schließkörpers 11 gebildete Druckraum 14, welcher über den Ablaufkanal 9 mit dem Steuerraum 7 kommuniziert und dann dementsprechend gleichen Fluiddruck wie der Steuerraum 7 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 3 abgesperrt.
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Am Schließkörper 11 ist ein sternförmiger Magnetanker 15 einer Elektromagnetanordnung 16 angeordnet, die als Aktor zur Betätigung des Steuerventils 10 vorgesehen ist. Der Schließkörper 11 und der Magnetanker 15 können dabei als ein Bauteil oder auch als zwei Bauteile ausgebildet sein. Diese Elektromagnetanordnung 16 besitzt in bekannter Weise eine Magnetspule 17, die innerhalb einer zur Führungsstange 13 konzentrischen Elektromagnetanordnung mit einem ringförmigen Außenpol 18 und einem ringförmigen Innenpol 19 angeordnet ist. Wird die Magnetspule 17 mit einem Strom I bestromt, wird der Magnetanker 15 von den Polen 18 und 19 magnetisch angezogen, so dass der Schließkörper 11 gegen die Kraft der Schließfeder 12 von seinem Sitz abgehoben und das Steuerventil 10 geöffnet wird.
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Während der geschlossenen Phase der mit dem Plunger 6 verbundenen Düsennadel, d.h. bei geschlossenen Einspritzdüsen, ist das Steuerventil 10 geschlossen, und im Druckraum 14 sowie im Steuerraum 7 liegen gleiche Fluiddrücke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Düsennadel sinkt der Druck im Steuerraum 7 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Düsennadel und der damit einhergehenden Schließbewegung des Plungers 6 unter den Hochdruck im Zulaufkanal 5 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Düsennadel kommt es wegen des nun stillstehenden Plungers 6 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 7, wobei der Steuerraumdruck auf den Druck im Zulaufkanal 5 ansteigt.
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Der Magnetventil-Injektor weist weiterhin einen Sensor 20 auf, mittels dessen ein Schließzeitpunkt des Magnetventils 10 erfasst wird. Der Sensor 20 kann dabei bspw. als piezoelektrischer Sensor, der einen Ventilraumdruck vorliegend im Ventilraum 14 erfasst, ausgebildet sein und ein entsprechendes Signal mit einer Spannung U ausgeben, welche von einem Steuergerät erfasst wird.
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In 2 sind beispielhaft in einem Diagramm ein Verlauf des Stroms I in A durch die Magnetspule 17 des Magnetventils 10 und ein Verlauf des als Spannung U ausgebildeten Sensorwerts in V, die vom Sensor 20 ausgegeben wird, über der Zeit t in ms gezeigt. Die hier gezeigten Verläufe entsprechen einem regulären Verhalten des Magnetventils 10.
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Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, wird der Strom I zum Zeitpunkt t = 0,2 ms eingeschaltet, was an der Stromspitze (Einschaltspitze) erkennbar ist. Bis zu diesem Zeitpunkt liegt die Spannung U bei ca. 0,5 V, was einer Stellung des Magnetventils 10 im Ruhezustand (geschlossen) entspricht. Zum Zeitpunkt t = 0,2 ms wird der Strom I eingeschaltet, was durch einen sog. Boost-Strom (Einschaltspitze) bis ca. 13 A sichtbar ist. Dabei springt die Spannung U auf –4 V, was einer vollständig geöffneten Stellung des Magnetventils 10 entspricht.
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Der Strom I wird im Mittel auf einen Wert von 7,5 A, einem sog. Anzugsstrom, eingeregelt. Zum Zeitpunkt t = 0,6 ms wird der Strom I auf einen niedrigeren Wert von im Mittel 5,5 A, einem sog. Haltestrom, eingeregelt, bis der Strom I zum Zeitpunkt 1,1 ms abgeschaltet wird. Die Spannung U steigt in der Zeit von t = 0,2 ms bis t = 1,1 ms mit nahezu konstanter Steigung, d.h. konstantem Gradienten, von –4 V auf –1 V. Dies entspricht einem gleichmäßigen, langsamen Entladen des piezoelektrischen Sensors, das trotz geöffneten Magnetventils stattfindet. Zum Zeitpunkt t = 1,2 ms, mit Abschalten des Stroms I bzw. Ende der Ansteuerung, steigt die Spannung schlagartig, durch eine größere Steigung, d.h. einen größeren Gradienten, bis auf mehr als 4 V an. Dies zeigt eine schlagartige Druckänderung durch Schließen des Magnetventils 10 an.
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In 3 sind beispielhaft in einem Diagramm ein Verlauf des Stroms I in A durch die Magnetspule 17 des Magnetventils 10 und ein Verlauf des als Spannung U ausgebildeten Sensorwerts in V, die vom Sensor 20 ausgegeben wird, über der Zeit t in ms gezeigt. Zusätzlich sind ein Sensorschwellwert Umax, ein Gradientenschwellwert U'max sowie ein Maximalwert Imax gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Die hier gezeigten Verläufe entsprechen einem Betrieb des Magnetventils 10, bei dem das Magnetventil 10 vorzeitig schließt.
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Die Verläufe von Strom I und Spannung U entsprechen bis zum Einschalten des Stroms I zum Zeitpunkt t = 0,2 ms denen aus 2. An der Unregelmäßigkeit im Verlauf der Spannung U bei t = 0,5 ms ist zu erkennen, dass der Magnetanker 15 soweit abgefallen ist, dass das Magnetventil 10 schließt bzw. weniger weit geöffnet ist, als erforderlich wäre. Weiterhin ist zu sehen, dass die Spannung U bereits vor dem Ende der Ansteuerung steil ansteigt. Dies zeigt wiederum die schlagartige Druckänderung durch – hier nun vorzeitiges da vor dem Ende der Ansteuerung stattfindendes – Schließen des Magnetventils 10 an. Der Grund hierfür liegt in möglichen Ablagerungen im Magnetventil 10 oder in anderen eingangs erwähnten Effekten, die bewirken, dass eine erhöhte Magnetkraft erforderlich wäre, um das Magnetventil 10 bzw. den Magnetanker 15 offen zu halten.
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Erfindungsgemäß kann nun, sobald die Spannung U den Sensorschwellwert Umax, der insbesondere den Wert Null aufweist, vorzeitig überschreitet, der Strom I im Magnetventil 10 vom Steuergerät erhöht werden, sodass die von der Magnetspule 17 erzeugte Magnetkraft in einem nachfolgenden Einspritzvorgang wieder ausreicht, um den Magnetanker 15 und somit das Magnetventil 10 offen zu halten.
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Weiterhin ist ein Gradientenschwellwert U'max eingezeichnet, der vorliegend in etwa der Steigung der Spannung U entspricht, wie sie beim langsamen, gleichmäßigen Entladen des piezoelektrischen Sensors auftritt. Beim Schließen des Magnetventils 10 wird dieser Gradientenschwellwert U'max überschritten, wodurch vorliegend, alternativ oder zusätzlich zum Schwellwert Umax, ein vorzeitiges Schließen erkennbar ist.
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Hierzu sei angemerkt, dass ein Erhöhen des Stroms I sowohl ein Erhöhen des Anzugsstroms bei gleichbleibender Zeitdauer des Anzugsstroms als auch eine Erhöhung des Haltestroms, zumindest für eine Anfangszeit, bedeuten kann. Insbesondere kann der Haltestrom bis auf die Höhe des Anzugsstroms erhöht werden, was gleichbedeutend mit einer Verlängerung der Zeitdauer des Anzugsstroms ist.
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Weiterhin wird der Strom I jedoch nur solange erhöht, bis ein Maximalwert Imax erreicht wird. Damit wird eine Überbeanspruchung des Magnetventils 10, insbesondere der Magnetspule 17, verhindert, was zu Schädigungen am Magnetventil 10 und möglicherweise auch an den Zuleitungen führen würde.
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Sollte der Strom I bis zu einem Diagnosewert (beispielsweise bis zum Maximalwert Imax) erhöht werden müssen, wird zudem eine Diagnosemeldung, bspw. in Form eines Fehlerspeichereintrags, erzeugt und abgespeichert. Somit kann bspw. bei einem Werkstattaufenthalt gezielt das Magnetventil 10 ersetzt oder repariert oder aber auf andere mögliche Ursachen geschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007058230 A1 [0006]
- DE 102007057144 A1 [0007]
- DE 102010000827 A1 [0013]