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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines
eine Ruhestellung und eine Arbeitsstellung aufweisenden Magnetventils,
insbesondere eines Injektor-Magnetventils einer Kraftstoff-Einspritzanlage,
wobei das Magnetventil derart ausgebildet ist, dass zumindest zum
schnellen Erreichen der Arbeitsstellung während einer Anzugsphase ein
hoher Anzugsstrom verwendet werden kann, während zum Aufrechterhalten
der Arbeitsstellung in einer Haltephase ein niedriger Haltestrom
ausreichend ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine
Vorrichtung mit zumindest einem eine Ruhestellung und eine Arbeitsstellung
aufweisenden Magnetventil, insbesondere einem Injektor-Magnetventil
einer Kraftstoff-Einspritzanlage,
und einer Magnetventilansteuereinrichtung, die dazu vorgesehen ist,
dem zumindest einen Magnetventil während einer Anzugsphase einen
hohen Anzugsstrom und während einer
Haltephase einen niedrigen Haltestrom zuzuführen.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 100 22 953
A1 ist eine Kraftstoff-Einspritzanlage bekannt, bei der
die Druckerzeugung und die Einspritzung entkoppelt ist. Der Einspritzdruck
wird unabhängig
von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt und steht in
einem Kraftstoffspeicher für
die Einspritzung bereit. Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge
werden in einem elektronischen Steuergerät berechnet und von einem Injektor
beziehungsweise einer Einspritzeinheit an jedem Motorzylinder über ein
angesteuertes Magnetventil umgesetzt.
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Die
vorliegende Erfindung kann beispielsweise im Zusammenhang mit der
Ansteuerung eines derartigen Magnetventils angewendet werden. Bei Injektor-Magnetventilen handelt
es sich in der Regel um Magnetventile, die in der Ruhestellung geschlossen
sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf derartige in
der Ruhestellung geschlossene Magnetventile beschränkt, sondern
kann auch im Zusammenhang mit Magnetventilen eingesetzt werden,
die in der Ruhestellung geöffnet
sind. Unabhängig
davon, ob das Magnetventil in der Ruhestellung geöffnet oder
geschlossen ist, ist unter der Ruhestellung diejenige Stellung des
Magnetventils zu verstehen, in der das Magnetventil nicht bestromt
wird. Entsprechend ist unter der Arbeitsstellung diejenige Stellung des
Magnetventils zu verstehen, in der das Magnetventil bestromt wird.
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Bei
den bekannten Verfahren zum Ansteuern eines eine Ruhestellung und
eine Arbeitsstellung aufweisenden Magnetventils, insbesondere eines
Injektor-Magnetventils einer Kraftstoff-Einspritzanlage, treten
jedoch unterschiedliche Probleme auf, die nachfolgend anhand der 1, 3 und 4 erläutert werden.
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1 zeigt
ein Stromprofil eines bekannten Ansteuerverfahrens, wobei der Ansteuerstrom
i(t) über
der Zeit t aufgetragen ist. Verschiedene Abschaltzeitpunkte sind
durch entsprechende Punkte dargestellt. Die Ansteuerdauer beginnt
dabei bei t = 0 und endet mit dem jeweiligen Abschaltzeitpunkt. 1 ist
zu entnehmen, dass während
eines Abschnitts B0 der Ansteuerdauer ein steiler Stromanstieg hervorgerufen
wird, dem eine Hochstromphase während
eines Zeitabschnitts B1 folgt. Der steile Stromanstieg und die anschliessende
Hochstromphase, die gemeinsam auch als Anzugsphase bezeichnet werden,
dienen dazu, ein schnelles Einschalten des Magnetventils zu erzielen,
das heisst einen schnellen Wechsel von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung.
Nach dem Einschalten des Magnetventils kann der Stromfluss während einer
Haltephase im Zeitabschnitt B3 reduziert werden, insbesondere um
die Verlustleistung zu reduzieren. Zwischen der Hochstromphase B1
und der Haltephase B3 tritt dabei eine Übergangsphase B2 auf, in der
der Strom vom hohen Anzugsstrom auf den niedrigen Haltestrom absinkt.
In 1 sind verschiedene Abschaltzeitpunkte A1 bis
A7 mit zugehörigen
Stromverläufen dargestellt.
Dabei kehrt das Magnetventil erst dann in die Ruhestellung zurück, wenn
der Strom nahezu Null ist. Beim Abschalten aus der Anzugsphase B1 wird
dieser Zustand wegen des höheren
Anfangsstroms später
erreicht als beim Abschalten aus der Haltephase B3. Dadurch verlängert sich
die Zeitspanne, in der das Ventil in der Arbeitsstellung verbleibt,
ungewollt. Beim Abschalten aus der Übergangsphase B2 ergibt sich
für alle
in dieser Übergangsphase
B2 liegenden Abschaltzeitpunkte A3 bis A5 ein identischer Stromverlauf,
das heisst, die Zeitspanne, in der sich das Magnetventil in der
Arbeitsstellung befindet, ändert
sich trotz Variation der Ansteuerdauer nicht. Diese beiden Effekte
führen
bei den bekannten Ansteuerverfahren zu einem nichtlinearen Zusammenhang
zwischen der Ansteuerdauer und der Zeitspanne, in der das Magnetventil
in der Arbeitsstellung verbleibt.
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Ein
weiteres Problem, das beispielsweise bei der Ansteuerung eines Injektor-Magnetventils einer Kraftstoff-Einspritzanlage
auftritt, wird nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert.
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3 zeigt
die eingespritzte Kraftstoffmenge QE in Abhängigkeit von der Ansteuerdauer
AD des Magnetventils, das in diesem Fall ein in der Ruhestellung
geschlossenes Magnetventil ist. Für einen gewissen Bereich der
Ansteuerdauer bleibt die eingespritzte Menge QE konstant und es
wird die minimal darstellbare Menge eingespritzt, wie dies durch
das Plateau P angedeutet ist. Verschiebt sich dieses Plateau P beispielsweise
aufgrund von Fertigungstoleranzen oder Verschleiss auf der Ansteuerdauer-Achse,
bleibt die eingespritzte Menge für
einen zuvor festgelegten Arbeitspunkt AP konstant. Das in 3 dargestellt
Plateau P kann beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen
oder Verschleiss auch bezüglich
der Höhe
variieren, wie dies in 4 dargestellt ist. In diesem
Fall weicht die eingespritzte Menge für einen bestimmten Arbeitspunkt
AP von der Idealmenge ab. Eine Korrektur der eingespritzten Menge
durch geringfügige
Verschiebung des Arbeitspunktes AP ist dabei nicht möglich.
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Nachteilig
beim Stand der Technik ist, dass sich ein nichtlinearer Zusammenhang
zwischen Ansteuerdauer und eingespritzter Menge ergibt. Dieser Zusammenhang
soll linearisiert werden.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemässe
Verfahren baut auf dem gattungsgemässen Stand der Technik dadurch auf,
dass zur Linearisierung des Verhältnisses
von Ansteuerdauer und der Zeitspanne, in der sich das Magnetventil
in der Arbeitsstellung befindet, und/oder zur Einstellung einer
vorherbestimmten Zeitspanne, in der sich das Magnetventil in der
Arbeitsstellung befindet, die Länge
der Anzugsphase verändert
wird. Dadurch werden die vorstehend erläuterten Probleme beseitigt.
Insbesondere kann jeder Ansteuerdauer eine unterschiedliche Zeitspanne zugeordnet
werden, in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet,
und im Zusammenhang mit einer Kraftstoff-Einspritzanlage ist es beispielsweise
möglich, über die
vorherbestimmte Ventilöffnungsdauer
die kleinste darstellbare eingespritzte Kraftstoffmenge zu erhöhen.
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Erfindungsgemäss ist ein
erster Ansteuermodus vorgesehen, in dem die Länge der Anzugsphase derart
gewählt
wird, dass alle Ventilabschaltzeitpunkte in die Haltephase fallen.
In diesem Fall wird stets aus gleichem Stromniveau abgeschaltet, wodurch
man einen linearen Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer und der
Zeitspanne erhält, in
der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet. Um sicherzustellen,
dass in dem ersten Ansteuermodus alle Ventilabschaltzeitpunkte in
die Haltephase fallen, muss die Anzugsphase gegebenenfalls verkürzt werden,
damit eine Haltephase erzwungen wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Ansteuermodus verwendet
wird, wenn die Zeitspanne, in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung
befinden soll, relativ lang ist. Im Zusammenhang mit Kraftstoff-Einspritzanlagen
kann eine derartige relativ lange Ventilöffnungsdauer insbesondere für die Kraftstoff-Haupteinspritzung
verwendet werden. Mit der Haupteinspritzung wird die Energie für die abgegebenen
Arbeit des Verbrennungsmotors eingebracht. Damit ist sie im Wesentlichen
für den
Drehmomentaufbau des Verbrennungsmotors verantwortlich. Um den Drehmomentverlauf
innerhalb von weiten Bereichen verändern zu können, wird die eingespritzte Kraftstoffmenge über die
Ventilöffnungsdauer
innerhalb von entsprechend großen
Bereichen verändert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise ein zweiter Ansteuermodus vorgesehen, in dem die
Länge der
Anzugsphase derart gewählt
wird, dass alle Ventilabschaltzeitpunkte in die Anzugsphase fallen.
Auch in diesem Fall kann ein linearer Zusammenhang zwischen der
Ansteuerdauer und der Zeitspanner erzielt werden, in der sich das Magnetventil
in der Arbeitsstellung befindet.
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Dieser
zweite Ansteuermodus wird vorzugsweise verwendet, wenn die Zeitspanne,
in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befinden soll, relativ
kurz ist. Das schaltende Element im Magnetventil prallt nach der
Beschleunigungsphase mit großem
Impuls gegen einen Anschlag, wo die Bewegungsrichtung durch einen
elastischen Stoß umgekehrt
wird. Der Ausschaltvorgang kann dann durch Nutzung des beim Einschalten
aufgenommenen Impulses ver kürzt
werden. Im Zusammenhang mit Kraftstoff-Einspritzanlagen und einem in der Ruhestellung
geschlossenen Magnetventil kann dieser Effekt zur Darstellung kleinster
Einspritzmengen genutzt werden, wie sie beispielsweise bei der vorgenannten
Voreinspritzung auftreten. Bei einer derartigen Voreinspritzung
wird eine kleine Menge von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff,
in den Zylinder eingebracht, wobei die kleine Kraftstoffmenge eine
Vorkonditionierung des Brennraums bewirkt, den Wirkungsgrad der
Verbrennung verbessern kann und insbesondere folgende Effekte erzielt:
Der Kompressionsdruck wird durch eine Vorreaktion beziehungsweise
teilweise Verbrennung leicht angehoben, wodurch der Zündverzug
der Haupteinspritzung verkürzt
wird und der Verbrennungsdruckanstieg und die Verbrennungsdruckspitzen
verringert werden, was eine weichere Verbrennung ergibt. Diese Effekte verringern
das Verbrennungsgeräusch,
den Kraftstoffverbrauch und in vielen Fällen die Emission.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise ein dritter Ansteuermodus vorgesehen, in dem die
Länge der
Anzugsphase derart gewählt
wird, dass das Integral
einen vorherbestimmten Wert
hat, wobei t die Zeit, i(t) den Ventilsteuerstrom, t
0 einen
Ventileinschaltzeitpunkt und t
1 einen Zeitpunkt
angibt, zu dem der Ventilstrom i(t) nach dem Abschalten des Magnetventils wieder
den Wert Null hat. Der Wert des genannten Integrals beziehungsweise
die Fläche
unter dem Stromprofil ist maßgebend für den beim
Einschalten des Magnetventils aufgenommenen Impuls des schaltenden
Elements im Magnetventil. Dabei ergibt eine Verkürzung der Länge der Anzugsphase einen kleineren
Wert des Intergrals und aufgrund der Verringerung des beim Einschalten
des Magnetventils durch dessen schaltendes Element aufgenommenen Impulses
eine Vergrößerung der
kleinstmöglichen Zeitspanne,
in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet. Durch
eine derartige variable Anzugsphase im Stromprofil können beispielsweise Injektoren
von Kraftstoff-Einspritzanlagen mit einer zu geringen Kraftstoff-Einspritzmenge
im Arbeitspunkt zur Idealmenge hin korrigiert werden. Somit können Fertigungstoleranzen
und/oder der Verschleiß über die
Lebensdauer ausgeglichen werden. Werden die Fertigungsparameter
so angepasst, dass die kleinste darstellbare Kraftstoffmenge im
nicht-korrigierten Fall stets kleiner oder gleich der Idealmenge ist,
so sind alle Injektoren auf die Idealmenge hin korrigierbar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise ein vierter Ansteuermodus vorgesehen, in dem die
Länge beziehungsweise
die Dauer der Anzugsphase TA und die Länge beziehungsweise die
Dauer der Haltephase TH nach folgender Berechnungsvorschrift
bestimmt wird: TA = TAD – THmin,Wenn TA > TAmax,
dann TA := TAmax und
TH := TAD – TAmax
Wenn TA < TAmin,
dann TA := TAmin,
Wenn
TAmin < TA < TAmax, dann TH :=
THmin,
wobei TAD eine
gesamte Ansteuerdauer ist, THmin eine vorgegebene
minimale Dauer der Haltephase ist, TAmax eine
vor gegebene maximale Dauer der Anzugsphase ist und TAmin eine
vorgegebene minimale Dauer der Anzugsphase ist. Der vierte Ansteuermodus baut
auf dem Grundgedanken auf, dass, bis auf eine in bestimmten Fällen vorgesehene
Ausnahme, immer eine Haltephase stattfindet. Die vorgegebene minimale
Dauer der Haltephase THmin kann in diesem Zusammenhang
besonders vorteilhaft gerade so groß wie die Zeitspanne gewählt werden,
in der der Ventilstrom vom Anzugsniveau auf das Halteniveau abfällt. Dadurch
wird sichergestellt, dass, wenn sich das Magnetventil nur kurz in
der Arbeitsstellung befinden soll, die Anzugsphase zum sicheren
Betätigen des
Magnetventils nicht unnötig
verkürzt
wird. Wenn in Fällen,
in denen sich das Magnetventil nur kurz in der Arbeitsstellung befinden
soll, immer eine Haltephase vorgesehen wird, kann das eingangs erwähnte Plateau
vermieden werden. Wenn die Zeitspanne, in der sich das Magnetventil
in der Arbeitsstellung befindet, größer als die Anzugsphase ist,
wird die Haltephase in der Regel nicht an- oder abgeschaltet. Dadurch
gibt es in dem Algorithmus keine harten Umschaltvorgänge, die
Sprünge
verursachen.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit dem vierten Ansteuermodus kann das erfindungsgemäße Verfahren
vorsehen, dass TAmax die maximale Dauer der
Anzugsphase ist, deren Überschreiten
kein schnelleres Erreichen der Arbeitsstellung des Magnetventils
bewirkt.
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Weiterhin
kann insbesondere in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass TAmin die minimale Dauer der Anzugsphase ist,
nach deren Unterschreiten das Magnetventil nicht mehr zuverlässig in die
Arbeitsstellung wechselt.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit dem vierten Ansteuermodus kann das erfindungsgemäße Verfahren
weiterhin vorsehen, dass im Falle von TA < TAmin die
Haltephase TH auf Null verkürzt wird.
Dieser Fall stellt die vorstehend im Zusammenhang mit dem vierten
Ansteuermodus erwähnte
Ausnahme dar. Insbesondere um sehr kurze Zeitspannen zu erreichen,
in denen sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet,
kann es erforderlich sein, eine möglichst lange Anzugsphase zu
benutzen. Der vorliegende Ausnahmefall, bei dem die kurze Haltephase bis
auf Null verkürzt
ist, stellt sicher, dass die gesamte Ansteuerdauer für die Anzugsstromphase
zur Verfügung
steht, was in bestimmten Fällen
sinnvoll sein kann, beispielsweise um bei einer Kraftstoff-Einspritzanlage
kleinstmögliche
Einspritzmengen zu erzielen.
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Die
vorstehend erläuterten
vier unterschiedlichen Ansteuermodi können vom Fachmann gegebenenfalls
in geeigneter Weise kombiniert werden.
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Jede
Vorrichtung, die zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist, fällt
in den Schutzbereich der zugehörigen
Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass die Magnetventilansteuereinrichtung
die Länge
der Anzugsphase verändert,
um einen linearen Zusammenhang zwischen Ansteuerdauer und der Zeitspanne,
in der sich das zumindest eine Magnetventil in der Arbeitstellung
befindet, und/oder eine vorherbestimmte Zeitspanne zu erzielen,
in der sich das zumindest eine Magnetventil in der Arbeitsstellung
befindet. Auch durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die Eingangs
geschriebenen, beim Stand der Technik auftretenden Probleme beseitig.
Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung jeder Ansteuerdauer
eine unterschiedliche Zeitspanne zugeordnet werden, in der sich
das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet, und im Zusammenhang
mit einer Kraftstoff-Einspritzanlage und einem in der Ruhestellung
geschlossenen Magnetventil ist es beispielsweise möglich, über die
vorherbestimmte Ventilöffnungsdauer,
beziehungsweise über
das Verhältnis
von Anzugsphase und Haltephase, die kleinste darstellbare eingespritzte
Kraftstoffmenge zu verändern.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Magnetventilansteuereinrichtung
einen ersten Ansteuermodus aufweist, in dem die Länge der
Anzugsphase derart gewählt
ist, dass alle Ventilabschaltzeitpunkte in die Haltephase fallen. Ähnlich wie
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird in diesem Fall stets aus gleichem Stromniveau abgeschaltet,
wodurch man einen linearen Zusammenhang zwischen Ansteuerdauer und
der Zeitspanne erhält,
in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet. Um sicherzustellen,
dass in dem ersten Ansteuermodus alle Ventilabschaltzeitpunkte in
die Haltephase fallen, muss die Anzugsphase auch hier gegebenenfalls verkürzt werden,
damit eine Haltephase erzwungen wird.
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In
diesem Zusammenhang ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise
weiterhin vorgesehen, dass der erste Ansteuermodus verwendet wird,
wenn die Zeitspanne, in der sich das zumindest eine Magnetventil
in der Arbeitsstellung befinden soll, relativ lang ist. Im Zusammenhang
mit Kraftstoff-Einspritzanlagen und in der Ruhestellung geschlossenen
Magnetventilen kann eine derartige relativ lange Zeitspanne, in
der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet, insbesondere
für die Kraftstoff-Haupteinspritzung
verwendet werden, ähnlich
wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Mit der Haupteinspritzung wird, wie erwähnt, die Energie für die abgegebene
Arbeit des Verbrennungsmotors eingebracht. Damit ist sie im Wesentlichen
für den Drehmomentaufbau
des Verbrennungsmotors verantwortlich. Um den Drehmomentverlauf
innerhalb von weiten Bereichen verändern zu können, wird die eingespritzte
Kraftstoffmenge über
die Ventilöffnungsdauer
innerhalb von entsprechend großen
Bereichen verändert,
wie dies im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits erläutert wurde.
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Auch
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist weiterhin vorgesehen, dass die Magnetventilansteuereinrichtung
einen zweiten Ansteuermodus aufweist, in dem die Länge der
Anzugsphase derart gewählt
ist, dass alle Ventilabschaltzeitpunkte in die Anzugsphase fallen.
Wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann dadurch ein linearer Zusammenhang zwischen der Ansteuerdauer
und der Zeitspanne erzielt werden, in der sich das Magnetventil
in der Arbeitsstellung befindet.
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In
diesem Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass
der zweite Ansteuermodus verwendet wird, wenn die Zeitspanne, in
der sich das zumindest eine Magnetventil in der Arbeitsstellung
befinden soll, relativ kurz ist. Wenn extrem kurze Zeitspannen,
in denen sich das zumindest eine Magnetventil in der Arbeitsstellung
befindet, erforderlich sind, kann die Ansteuerdauer wie erwähnt kürzer als die
Anstiegszeit der bewegten Teile im Magnetventil werden. Das schaltende
Element im Magnetventil prallt nach der Beschleunigungsphase mit
großem Impuls
gegen einen Anschlag, wo die Bewegungsrichtung durch einen elastischen
Stoß umgekehrt wird.
Der Ausschaltvorgang kann dann durch Nutzung des beim Einschalten
aufgenommenen Impulses verkürzt
werden. Im Zusammenhang mit Kraftstoff-Einspritzanlagen und in der
Ruhestellung geschlossenen Magnetventilen kann dieser Effekt zur Darstellung
kleinster Einspritzmengen genutzt werden, wie sie beispielsweise
bei der sogenannten Voreinspritzung auftreten. Bei einer derartigen
Voreinspritzung wird eine kleine Menge von Kraftstoff, insbesondere
von Dieselkraftstoff, in den Zylinder eingebracht, wobei die kleine
Kraftstoffmenge eine Vorkonditionierung des Brennraums bewirkt,
den Wirkungsgrad der Verbrennung verbessern kann und insbesondere
folgende Effekte erzielt: Der Kompressionsdruck wird durch eine
Vorreaktion beziehungsweise teilweise Verbrennung leicht angehoben,
wodurch der Zündverzug
der Haupteinspritzung verkürzt
wird und der Verbrennungsdruckanstieg und die Verbrennungsdruckspitzen
verringert werden, was eine weicher Verbrennung ergibt. Diese Effekte
verringern das Verbrennungsgeräusch,
den Kraftstoffverbrauch und in vielen Fällen die Emissionen, wie dies
bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurde.
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Zusätzlich oder
alternativ ist auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise
weiterhin vorgesehen, dass die Magnetventilansteuereinrichtung einen
dritten Ansteuermodus aufweist, in dem die Länge der Anzugsphase derart
gewählt
ist, dass das Integral
einen vorherbestimmten Wert
hat, wobei t die Zeit, i(t) den Ventilsteuerstrom, t
0 einen
Ventileinschaltzeitpunkt und t
1 einen Zeitpunkt
angibt, zu dem der Ventilstrom i(t) nach dem Abschalten des zumindest
einen Magnetventils wieder den Wert Null hat. Wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
gilt auch hier der folgende Zusammenhang: Der Wert des genannten Integrals
beziehungsweise die Fläche
unter dem Stromprofil ist maßgebend
für den
beim Einschalten des Magnetventils aufgenommenen Impuls des schaltenden
Elements im Magnetventil. Dabei ergibt eine Verkürzung der Länge der Anzugsphase einen kleineren
Wert des Integrals und aufgrund der Verringerung des beim Einschalten
des Magnetventils durch dessen schaltendes Element aufgenommenen Impulses
eine Vergrößerung der
kleinstmöglichen Zeitspanne,
in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet. Durch
eine derartige variable Anzugsphase im Stromprofil können beispielsweise Injektoren
von Kraftstoff-Einspritzanlagen, die in der Regel in der Ruhestellung
geschlossene Magnetventile verwenden, mit einer zu geringen Kraftstoff-Einspritzmenge im
Arbeitspunkt zur Idealmenge hin korrigiert werden. Somit können Fertigungstoleranzen und/oder
der Verschleiß über die
Lebensdauer ausgeglichen werden. Werden die Fertigungsparameter so
angepasst, dass die kleinste darstellbare Kraftstoffmenge im nicht korrigierten
Fall stets kleiner oder gleich der Idealmenge ist, so sind alle
Injektoren auf die Idealmenge hin korrigierbar.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Stromprofil, das bei einem bekannten Verfahren zum Ansteuern eines
in der Ruhestellung geschlossenen Magnetventils eingesetzt wird,
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2 ein
Stromprofil, wie es sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, wenn
die Länge der
Anzugsphase derart gewählt
wird, dass alle Ventilabschaltzeitpunkte in die Haltephase fallen,
-
3 den
Zusammenhang von eingespritzter Kraftstoffmenge und Ansteuerdauer
eines Magnetventils gemäß dem Stand
der Technik,
-
4 eine
beispielsweise durch Fertigungstoleranzen oder Verschleiß bedingte
Abweichung der eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit
von der Ansteuerdauer des Magnetventils, gemäß dem Stand der Technik,
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5 Stromprofile,
die sich durch das erfindungsgemäße Verfahren
ergeben, wenn der Wert des Integrals über den Stromverlauf durch
Veränderung
der Länge
der Anzugsphase verändert
wird, um eine minimal darstellbare Kraftstoff-Einspritzmenge zu korrigieren,
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6 das
durch das Stromprofil gemäß 5 erzielte
Verhältnis
von eingespritzter Kraftstoffmenge und Ansteuerdauer des Magnetventils,
-
7 ein
bekanntes Stromprofil, insbesondere zur Erläuterung des vierten Ansteuermodus,
-
8 ein
Stromprofil, insbesondere zur Erläuterung des vierten Ansteuermodus,
bei dem die bestimmte Ansteuerdauer größer als eine vorgegebene maximale
Ansteuerdauer ist,
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9 ein
Stromprofil, insbesondere zur Erläuterung des vierten Ansteuermodus,
bei dem die Anzugsphase größer als
eine vorgegebene minimale Anzugsphase und kleiner als eine vorgegebene
maximale Anzugsphase ist,
-
10 ein
Stromprofil, insbesondere zur Erläuterung des vierten Ansteuermodus,
bei dem die Anzugsphase kleiner als eine vorgegebene minimale Anzugsphase
ist, und
-
11 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Obwohl
die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, bezieht sich die folgende
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
auf ein oder mehrere Magnetventile, die in der Ruhestellung geschlossen
sind, das heißt
die Zeitspanne, in der sich ein jeweiliges Magnetventil in der Arbeitsstellung
befindet, entspricht der Ventilöffnungsdauer.
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2 zeigt
ein Stromprofil, wie es sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ergibt, wenn die Länge
der Anzugsphase derart gewählt
wird, dass alle Ventilabschaltzeitpunkte in die Haltephase fallen. Gemäß der Darstellung
von 2 liegen die Ventilabschaltzeitpunkte A8, A9 und
A10 in einem Bereich B4, in dem nach einer erzwungenen kurzen Haltephase
abgeschaltet wird. Die Abschaltzeitpunkte A11 und A12 liegen in
einem Bereich B5, in dem aus einer Haltephase mit zunehmender Dauer
abgeschaltet wird. Da der Strom durch entsprechende Veränderung
der Länge
der Anzugsphase stets aus der Haltephase abgeschaltet wird, ist
die Zeitdauer zwischen Ende der Ansteuerdauer und Erreichen des Stromnullpunkts
für alle
Ansteuerdauern konstant und klein. Bei einer Streuung der Steilheit
der Abschaltflanken im Stromprofil ergibt sich im Bereich B4 eine
gegenüber
der Darstellung von 1 reduzierte Rückwirkung
auf die Ventilöffnungsdauer.
Weiterhin führt
eine Änderung
der Ansteuerdauer bei dem in 2 dargestellten
Stromprofil immer zu einer Änderung
der Ventilöffnungsdauer,
und zwar derart, dass der Zusam menhang zwischen Ansteuerdauer und Ventilöffnungsdauer
im gesamten Bereich der Ansteuerdauer linear ist. Die Länge der
Anzugsphase ist bei vorgegebener Ansteuerdauer im Vergleich zur Darstellung
von 1 vorzugsweise nur geringfügig verkürzt. Es ist von Vorteil, wenn
die Länge
der Anzugsphase deutlich länger
ist, als die mechanische Anstiegszeit des Magnetventils. Die anhaltend
hohe Magnetkraft verringert dann das Prellen bewegter Teile im Magnetventil
und sorgt für
eine definierte Lage dieser Teile beim Ausschalten des Magnetventils
nach kurzer Ansteuerdauer. Auf diese Weise können auch kurze Ventilöffnungsdauern
im Bereich der Prellphase mit guter Wiederholgenauigkeit dargestellt
werden. Die Stromprofile gemäß der Darstellung
von 2 werden vorzugsweise für längere Ventilöffnungsdauern
verwendet, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit Kraftstoff-Einspritzanlagen
für die
bereits erwähnte
Haupteinspritzung erforderlich sind.
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Für die Einspritzung
von kleinsten Kraftstoffmengen, wie sie beispielsweise bei der ebenfalls
bereits erwähnten
Voreinspritzung erforderlich sind, werden vorzugsweise Stromprofile
verwendet, wie sie sich mit Abschaltzeitpunkten A1, A2 und A3 gemäß der Darstellung
von 1 ergeben. In diesem Fall wird ausschließlich aus
der Anzugsphase abgeschaltet und die Haltephase entfällt.
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5 zeigt
Stromprofile, die sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben, wenn
der Wert des Integrals über
den Stromverlauf durch Veränderung
der Länge
der Anzugsphase verändert wird,
um eine minimal darstellbare Kraftstoff-Einspritzmenge zu korrigieren.
Gemäß der Darstellung von
5 wird
für einen
vorgegebenen Arbeitspunkt AP der Wert des Integrals
auf einen vorherbestimmten
Wert eingestellt, wobei t die Zeit, i(t) den Ventilsteuerstrom,
t
0 einen Ventileinschaltzeitpunkt und t
1 einen Zeitpunkt angibt, zu dem der Ventilstrom
i(t) nach dem Abschalten des Magnetventils wieder den Wert Null
hat. Der Wert dieses Integrals ist ein Maß für den beim Einschalten des Magnetventils
aufgenommenen Impuls. Der Ausschaltvorgang des Magnetventils kann,
wie erwähnt, durch
Nutzung dieses beim Einschalten aufgenommenen Impulses verkürzt werden.
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6 zeigt
das durch das Stromprofil gemäß
5 erzielte
Verhältnis
von eingespritzter Kraftstoffmenge und Ansteuerdauer des Magnetventils.
Dabei ist das erste Plateau P1 dem ersten Ende E1 der Anzugsphase
gemäß
5 zugeordnet,
das zweite Plateau P2 ist dem zweiten Ende E2 der Anzugsphase gemäß
5 zugeordnet
und das dritte Plateau P3 ist dem dritten Ende E3 der Anzugsphase
gemäß
5 zugeordnet.
Ein Vergleich der
5 und
6 zeigt,
dass eine Verringerung des Wertes des Integrals
zu einer Vergrößerung der
Höhe des
Plateaus führt, das
heißt
zu einer Vergrößerung der
eingespritzten Kraft stoffmenge QE. Die Erhöhung des Plateaus nimmt dabei
mit der Dauer der eingefügten
Haltephase zu, wobei die horizontale Verschiebung der korrigierten
Plateaus P2 und P3 eine Anpassung der Ansteuerdauer im Arbeitspunkt
erforderlich machen kann.
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Anhand
der 7 bis 10 wird nachfolgend auf ein
Ausführungsbeispiel
eingegangen, bei dem der vierte Ansteuermodus verwendet wird.
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Der
Stromverlauf gemäß 7 besteht
aus einer Anzugsphase TA, in der ein höherer Strom durch
einen Injektor geleitet wird, um ein schnelles Öffnen zu ermöglichen.
In der anschließenden
Haltephase TH wird der Strom abgesenkt,
um die Verlustleistung zu begrenzen. Die gesamte Ansteuerdauer des
Magnetventils ist dabei mit TAD bezeichnet.
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8 veranschaulicht
eine Definition einer maximalen Dauer der Anzugsphase TAmax,
deren Überschreiten
kein schnelleres Öffnen
des Magnetventils bewirkt, so wie die Definition einer minimalen Dauer
der Anzugsphase TAmin, nach deren Unterschreiten
das Magnetventil nicht mehr zuverlässig öffnet. In 8 ist
weiterhin eine Zeitspanne TSL veranschaulicht,
die dem Bereich B2 von 1 entspricht, das heißt der Stromverlauf ändert sich
nicht, wenn die Einspritzung während
TSL beendet werden soll. Bezogen auf den
vierten Ansteuermodus zeigt 8 den Fall,
wenn TA > TAmax ist, wobei in diesem Fall gilt TA = TAmax und TH = TAD – TAmax, wobei TA die Länge der
Anzugsphase, TH die Länge der Haltephase, TAD die Länge
der gesamten Ansteuerdauer, THmin eine vorgegebenen
minimale Dauer der Haltephase und TAmax eine
vorgegebenen maximale Dauer der Anzugsphase ist.
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Bezogen
auf den vierten Ansteuermodus zeigt 9 den Fall,
wenn TAmin < TA < TAmax ist,
das heißt
es wird TH = THmin gesetzt.
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Bezogen
auf den vierten Ansteuermodus veranschaulicht 10 den
Fall, wenn TA < TAmin ist, wobei
in diesem Fall TA = TAmin gesetzt
wird. Um eine kleinstmögliche
Einspritzmenge zu erzielen, kann es erforderlich sein, bei sehr
kurzen Einspritzungen eine möglichst
lange Anzugsphase zu benutzen. Bei Einspritzungen, die in ihrer
Gesamtdauer an der Grenze TAmin liegen ist
es bezogen auf die Darstellung von 10 möglich, die
kurze Haltephase THmin weiter bis zu Null
zu verkürzen.
Dies stellt die bereits erwähnte, in
einigen Fällen
vorteilhafte Ausnahme dar, bei der keine Haltephase stattfindet,
um die gesamte Ansteuerdauer sicher für die Anzugsstromphase zur Verfügung zu
haben.
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11 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Diese Vorrichtung umfasst auch eine Magnetventilansteuereinrichtung 100,
die auch zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. Die dargestellte Ausführungsform wird im Zusammenhang
mit einer Vierzylinderbrennkraftmaschine verwendet. Dabei ist jedem
Magnetventil 200, 201, 202, 203 ein
nicht dargestelltes Einspritzventil und jedem Einspritzventil ein nicht
dargestellter Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet. Jeweils
ein Anschluss der Magnetventile 200 bis 203 steht über ein
Schaltmittel 115 und eine Diode 110 mit einer
Spannungsversorgung 105 in Verbindung. Die Diode 110 ist
so angeordnet, dass sie mit ihre Anode mit dem Pluspol und mit ihrer
Katode mit dem Schaltmittel 115 in Verbindung steht. Bei
dem Schaltmittel 115 handelt es sich vorzugsweise um einen
Feldeffekttransistor. Jeweils der zweite Anschluss der Magnetventile 200 bis 203 steht über jeweils
ein zweites Schaltmittel 120, 121, 122 und 123 mit
einem Widerstandsmittel 125 in Verbindung. Bei dem Schaltmittel 120 bis 123 handelt
es sich vorzugsweise ebenfalls um einen jeweiligen Feldeffekttransistor.
Die Schaltmittel 120 bis 123 werden als Lowside-Schalter
und das Schaltmittel 115 als Highside-Schalter bezeichnet.
Der zweite Anschluss des Wiederstandsmittels 125 steht
mit dem zweiten Anschluss der Spannungsversorgung in Verbindung. Jedem
Magnetventil 200 bis 203 ist eine Diode 130, 131, 132 und 133 zugeordnet.
Der Anodenanschluss der Dioden steht jeweils mit dem Verbindungspunkt zwischen
Magnetventil und Lowside-Schalter in Kontakt. Der Katodenanschluss
steht mit einem Kondensator 145 sowie einem weiteren Schaltmittel 140 in Verbindung.
Der zweite Anschluss des Schaltmittels 140 steht mit den
ersten Anschlüssen
der Verbraucher 100 bis 103 in Kontakt. Bei dem
Schaltmittel 140 handelt es sich vorzugsweise ebenfalls
um einen Feldeffekttransistor. Dieses Schaltmittel 140 wird auch
als Booster-Schalter bezeichnet. Der zweite Anschluss des Kondensators 145 steht
ebenfalls mit dem zweiten Anschluss der Versorgungsspannung 105 in
Verbindung. Der Highside-Schalter 115 wird von einer Steuereinheit 160 mit
einem Ansteuersignal AH beaufschlagt. Das Schaltmittel 120 wird
von der Steuereinheit 160 mit einem Ansteuersignal AL1, das
Schaltmittel 121 mit einem Ansteuersignal AL2, das Schaltmittel 122 mit
einem Ansteu ersignal AL3, das Schaltmittel 123 mit einem
Ansteuersignal AL4 und das Schaltmittel 140 mit einem Ansteuersignal AC
beaufschlagt. Zwischen dem zweiten Anschluss der Spannungsversorgung 105 und
dem Verbindungspunkt zwischen dem Schaltmittel 115 und
den ersten Anschlüssen
der Magnetventile 200 bis 203 ist eine Diode 150 geschaltet.
Hierbei ist die Anode der Diode mit dem zweiten Anschluss der Spannungsversorgung 105 verbunden.
Mittels des Widerstandes 125 kann der durch die Magnetventile
fließende Strom
ermittelt werden. Dabei ist eine Strommessung über den Strommesswiderstand 125 nur
möglich,
wenn eines der Schaltmittel 120 bis 123 geschlossen
ist. Um den Strom auch bei geöffneten Lowside-Schaltern
erfassen zu können,
kann der Strommesswiderstand auch an anderer Stelle angeordnet werden.
Beispielsweise kann der zweite Anschluss des Kondensators 145 mit
dem Verbindungspunkt zwischen dem Strommessmittel 125 und
dem Schaltmittel 120 bis 123 verbunden werden.
In diesem Fall ist auch eine Strommessung bei gesperrtem Lowside-Schalter
möglich.
Ferner kann das Strommessmittel zwischen der Spannungsversorgung
und dem Highside-Schalter beziehungsweise zwischen dem Highside-Schalter
und den Verbrauchern angeordnet sein. Durch geeignete Programmierung
der Steuereinheit 160 können
die erfindungsgemäßen Stromprofile
verwirklicht werden.
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Die
vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
