DE10140550B4

DE10140550B4 - Verfahren zur Funktionsüberwachung schnellschaltender Einspritzventile

Info

Publication number: DE10140550B4
Application number: DE2001140550
Authority: DE
Inventors: Guenter Hoenig; Frank Miller; Hartmut Albrodt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: JP2003065178A; JP4149763B2; DE10140550A1

Abstract

Verfahren zur Lageerkennung und Lageregelung eines Ventilgliedes (54) eines Einspritzventils, welches in einem Gehäuse (53) zwischen Anschlägen (41, 42) bewegbar ist, wobei die Vorgaben der Bewegungen des Ventilgliedes (54) aus der aktuell erfassten Position des Ventilgliedes (54) ermittelt werden, mit nachfolgenden Verfahrensschritten:
• die aktuelle Position und die Anzugs-/Abfallbewegungen des Ventilgliedes (54) werden über Beschleunigungs-Sensorelemente (59) erfasst und an ein Steuergerät (57) übermittelt,
• ein das Ventilglied (54) betätigendes Stellelement (2, 55) wird über das Steuergerät (57) derart angesteuert, dass das Ventilglied (54) geschwindigkeits- und verschleißoptimiert bewegt wird,
• wobei der Anzugsstromverlauf (46) des Stellgliedes (2, 55) Halte- und Abschaltphasen (44; 47, 48) umfasst, deren Dauer und Zeitpunkte abhängig vom Signal des im Ventilkörper (53) im Bereich der Endanschläge (41, 42) angeordneten Beschleunigungs-Sensorelements (59) sind und wobei in Abschaltphasen (47, 48) des Anzugsstromverlaufes (46) Gegenimpulse (50, 51, 52) eingekoppelt werden.

Description

Technisches Gebiet
Bei an heutigen Kraftstoffeinspritzanlagen eingesetzten Kraftstoffinjektoren werden schnelle Schaltzeiten des Ventilgliedes angestrebt, um kurz hintereinander folgende Einspritzungen entsprechend des Verbrennungsfortschrittes im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können (Einspritzverlaufsformung). Neben der Anforderung schneller Schaltzeiten an Kraftstoffinjektoren ist eine Lageerkennung und Lageregelung des Ventilgliedes von Bedeutung, um die Zumessgenauigkeit und die Zumessgenauigkeitsbereiche der Kraftstoffmenge an die jeweilige Einspritzphase anzupassen. Sich ständige verschärfende Emissionsvorschriften in den USA und Europa an die Emissionen von Verbrennungskraftmaschinen führen zu erhöhten Anforderungen an bei diesen eingesetzten Kraftstoffversorgungssysteme.

Stand der Technik

Aus dem deutschen Patent 41 10 254 geht eine Steuerschaltung für ein Magnetventil hervor. Anschließend vom Magnetventil in hydraulischen Systemen wird die Bewegung einer Flüssigkeitsmenge unterbrochen. Erfolgt dieser Vorgang sehr schnell, wie bei ABS- und ASR-Regelvorgängen, entstehen durch abruptes Stoppen der Flüssigkeitssäule störende Geräusche. Für Abhilfe im Wege der Geräuschentwicklung kann gesorgt werden, in dem die Ansteuerspannung des Ventils kurz vor Erreichen der neuen Schaltstellung durch den Anker wenigstens einmal kurzzeitig unterbrochen wird, wobei neben einer einmaligen auch eine mehrmalige Unterbrechung grundsätzlich möglich ist.

EP 0 641 481 A1 bezieht sich ebenfalls auf eine Steuerschaltung für ein Magnetventil. Gemäß dieser Lösung wird eine Steuerung für ein Magnetventil vorgeschlagen, dass sich nach Erreichen eines bestimmten ersten Ansteuerstromwertes von seiner Schließstellung in seine Durchlassstellung und nach Erreichen eines bestimmten zweiten Ansteuerstromwer tes von seiner Durchlassstellung in seine Schließstellung verstellt und bei dem zusätzlich eine Beeinflussung des Ansteuerstromes erfolgt. Beim Umsteuern des Ventils in seine Durchlassstellung wird der Ansteuerstrom zuerst kurzzeitig gegenüber der Ansteuerdauer unter den ersten Ansteuerstromwert und danach in den Bereich zwischen dem ersten und zweiten Ansteuerstromwert gesteuert. Der Ansteuerstromwert kann auch kurzzeitig den Wert 0 annehmen. Mit dieser Maßnahme werden, insbesondere beim Einsatz an hydraulischen Systemen wie beispielsweise bei ABS-/ASR-Systemen, beim Schalten der dortigen hydraulischen Ventile Geräusche unterbunden.

Der Nachteil der aus EP 0 641 481 B1 bekannten Lösung ist darin zu erblicken, dass eine reine Stromerfassung im Steuergerät ohne die genaue Lage eines Ventils zu kennen, erfolgt. Zudem wird der Strom abhängig von Zeiten geregelt. Mit dieser bekannten Lösung erfolgt keine Selbsterzeugung der Hochsetzspannung für das Ventil; daneben erfahren die aus der Alterung der bewegbaren Komponente resultierenden über die Lebensdauer eines Kraftstoffinjektors beispielsweise zunehmenden Toleranzen keine Berücksichtigung, so dass sich ändernde Ventileigenschaften nicht oder kaum kompensieren lassen.

Neben dem Einsatz von Magnetventilen bei Fahrzeugbordsystemen wie z.B. dem ABS- oder dem ASR-System kommen Magnetventile auch mit Kraftstoffeinspritzsystemen mit Kraftstoffinjektoren zum Einsatz. Aus DE 195 39 071 A1 ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines elektromagnetischen Verbrauchers wie z.B. eines Magnetventils zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese umfasst ein erstes Schaltmittel, das zwischen einem ersten Anschluß einer Versorgungsspannung und einem ersten Anschluß wenigstens eines Verbrauchers angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner zweite Schaltmittel, die zwischen einem zweiten Anschluß eines zugeordneten Verbrauchers und dem zweiten Anschluß der Spannungsversorgung angeordnet sind. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, die die Schaltmittel derart ansteuern, dass wenigstens die beim Übergang von einem Anzugsstromwert auf einen Haltestromwert freiwerdende Energie in einem Speichermittel speicherbar ist. Die Speichermittel werden gemäß dieser Lösung bevorzugt als Kondensatoren ausgebildet.

Eine ähnlich gelagerte Lösung ist aus der DE 44 13 240 A1 bekannt, bei der die beim Abschalten eines elektromagnetischen Verbrauchers freiwerdende Energie in einen Kondensator umgeladen wird.

DE 31 33 703 A1 (US-A 4 467 634) bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem wenigstens ein Körperschallsensor zum Einsatz gelangt. Das Ausgangssignal des Körperschallsensors wird zwei Filterelementen zugeleitet, wobei der Ausgang des einen Filters als Notsignal und der Ausgang des weiteren Filters zur Erkennung von Störsignalen dient. Mittels dieser Einrichtung kann erkannt werden, ob bei der Brennkraftmaschine Klopfgeräusche, die auf eine unzulängliche Verbrennung hindeuten, auftreten oder nicht. Hinsichtlich einer Ermittlung der Betriebsparameter wie z.B. Einspritzbeginn, Einspritzende, Förderbeginn und Förderende sowie Verbrennungsbeginn lassen sich keine Daten gewinnen. DE 195 36 110 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. Gemäß des offenbarten Verfahrens, welches insbesondere an einer direkt einspritzenden Dieselbrennkraftmaschine zum Einsatz gelangt, wird wenigstens ein Körperschallsensor oder ein Klopfsensor mit zumindest einem ersten und einem zweiten Filtermittel eingesetzt, wobei die beiden Filtermittel unterschiedliche Übertragungsverhalten aufweisen. Das Ausgangssignal des Körperschallsensors oder des Klopfsensors ist den Filtermitteln zuführbar. Ausgehend von den Ausgangssignalen der Filtermittel sind wenigstens zwei die Verbrennung und/oder die Einspritzung in der Brennkraftmaschine charakterisierende Größen feststellbar. Bei diesen Größen handelt es sich hinsichtlich der Ausgangssignale des ersten Filtermittels um Signale, aus welchen eine Information über Einspritzbeginn und Einspritzende ableitbar ist, während ausgehend vom Ausgangssignal des zweiten Filters ein Signal abgeleitet werden kann, welches den Verbrennungsbeginn im Brennraum der direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine kennzeichnet.

DE 697 03 690 T2 bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur Steuerung der Magnetankerbewegung eines Brennstoffeinspritzventils. Eine elektromagnetische Spule wird selektiert, erregt und aberregt. Dies erfolgt in vorgegebenen Zeitspannen, abhängig von einem optimierten Ein-/Aus-Impulszug, während des Öffnungs- bzw. des Schließhubes eines Einspritzventilnadelelementes. Damit wird die Aufprallgeschwindigkeit des Einspritzventilnadelelementes in dessen vollständig geöffneter bzw. in dessen vollständig geschlossener Position gesteuert.

DE 198 05 455 A1 hat einen elektromagnetischen Aktuator mit magnetischer Auftreffdämpfung zum Gegenstand. Mittels Sensoren, die als Positonssensoren ausgebildet sein können, wird jeweils die Annäherung eines Ankers erfasst. Einem Elektromagneten wird ein Sensor zugeordnet, der die Änderung des magnetischen Flusses bei Annäherung des Ankers an die Polfläche erfasst, so dass durch eine Änderung des magnetischen Flusses oberhalb eines vorgebbaren Wertes ein Steuersignal ausgelöst wird, durch dass über ein Einschaltelement ein Stromkreis geschlossen wird, der die Wirkung einer Bremsspule aktiviert.

DE 196 23 698 A1 hat ein Verfahren zur Steuerung des Antriebes von Hubventilen an Kolbenkraftmaschinen zum Gegenstand. Gemäß dieses Verfahrens werden abhängig von der Erkennung des Auftreffzeitpunktes und/oder der Auftreffgeschwindigkeit eines Hubventils und/oder seines Ventilantriebes in Betrieb erzeugte Schwingungssignale erfasst. Abhängig von der Größe der erfassten Schwingungssignale wird der Ventilantrieb des Hubventils angesteuert. Zur Erfassung der Schwingungssignale können Schallsensoren, Kraftsensoren oder Verformungssensoren eingesetzt werden.

Den aus dem Stand der Technik bekannten und oben geschilderten Verfahren haftet der Nachteil an, dass es sich um reine Steuerungen mit überlagerter Korrektur ohne Rückmeldung zum eigentlichen Verlauf der Ventilbewegung handelt. Abweichungen, bedingt durch Fertigung sowie sich über die Lebensdauer einstellende Alterung führen dazu, dass diese Effekte sich auf die Kraftstoffzumessung auswirken. Anforderungen wie z.B. kürzere An- und Abfallzeiten unabhängig von Temperatur und Bordnetzspannung, größere Zumessungsbereiche hinsichtlich des Verhältnisses von maximaler zu minimaler Einspritzmenge sowie der gezielte Verlauf der Ventilbewegung zur Reduktion von Verschleiß und Korrosion lassen sich mit den Konzepten, die keine Rückmeldungsmöglichkeit bieten, nicht mehr realisieren. An Kraftstoffinjektoren höchst unerwünschte Umstände wie z.B. auftretende "Preller" beim Abschalten sowie ein Anzug mit undefinierten Folgezuständen können mit den skizzierten Verfahren nicht erfasst werden.

Darstellung der Erfindung

Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu erblicken, dass nunmehr eine Auswertung der Bewegung der Düsennadel im Injektorkörper möglich ist, wobei Sensoren unterschiedlicher Ausführungen im Bereich des Einspritzventils zum Einsatz kommen. Diesen ist eine schnelle Auswerteelektronik mit einer Ansteuerungsmöglichkeit nachgeordnet. Ferner ist ein Spannungspumpkreis im Ventil implementiert, womit zur Erzielung schneller Schaltzeiten die zusätzlich erforderliche Anzugsenergie unmittelbar im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bereitgestellt werden kann.

Mittels eines im Einspritzventil aufgenommenen Sensors kann die aktuelle Position desselben sofort erfaßt werden und diese Information an einen schnellen Echtzeitrechner oder alternativ direkt an das Steuergerät übermittelt werden. Dieses generiert ein entsprechendes Steuersignal und führt dieses dem Stellglied zu, so dass dessen Anschlagspositionen optimal hinsichtaich Geschwindigkeit und mechanischer Belastung angefahren werden können.

Der Einbau eines Beschleunigungs-, Lage- oder Klopfsensors erlaubt die Ermittlung der Ventilposition. Bei Einsatz von Beschleunigungs- oder Klopfsensor im Gehäusebereich zur Ermittlung der Endpositionen kann man durch diesen eine kurzzeitige Abschaltung des Anzugsstromes kurz vor dem Auftreffen des Ventilgliedes in einer seiner Anschlagspositionen vornehmen, so dass ein "Prellen" des Ventilkörpers und demzufolge undefinierte Ventilkörperzustände nicht auftreten können. Dauer und Zeitpunkt dieses Eingriffes sind abhängig von dem vorherigen Sensorsignal. Ein kurzzeitiges Einschalten des Anzugsstromes kurz vor dem Auftreffen kann erfolgen, sodass dadurch ebenfalls ein Prellen sowie undefinierte Zustände des Ventilkörpers unterbleiben. Auch der Zeitpunkt und die Dauer des kurzzeitigen Einschaltens des Anzugstromes sind bei diesem Eingriff abhängig von dem zuvor ermittelten Sensorsignal an dieser Position des Ventilkörpers. Da die Aufschlagsignale hochfrequent sind, kann die Einblendung direkt in das Ansteuerungssignal erfolgen, so dass keine zusätzlichen Signalleitungen erforderlich sind. Zur Ausblendung des Signals für die Weiterverarbeitung kann entweder ein kleiner Kondensator oder ein Kondensator und eine kleine Spulenanordnung zwischen einem als Kollektor fungierenden Transistor und den Ausgangspins eingebaut werden, so dass die Abschaltphase zur Auskopplung ausgenutzt werden kann.

Bei Verwendung eines Lagesensors z.B. eines Beschleunigungsaufnehmers oder einer Piezokeramik als Gegenlager zur Feder kann die genaue Lage der Nadel erkannt werden, mit sämtlichen möglichen Auswertungsvarianten für eine genaue Positionsvorgabe. Durch die mechanischen Endlagen, die jeweils angesteuert werden, lassen sich der Einfluß einer Temperaturdrift bzw. Alterungserscheinungen an den Bauteilen korrigieren. Zwischenwerte können z.B. für Halbhübe angefahren werden, wobei zunächst zur Eichung der Endwert angefahren und anschließend die korrekte Zwischenposition eingestellt werden kann. Da sich sowohl der Beginn von Anzugs- als auch Abfallbewegung erkennen lässt, können entsprechende Grenzwerte für beide Bereiche ermittelt werden. Der Sensor ließe sich bei geeigneter Einbaulage im Ventilkörper zur Analyse der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine heranziehen.

Um schnellere Anzugs- und Abfallzeiten zu erzielen, ist eine entsprechende Pumpschaltung einsetzbar, wobei die Spuleninduktivität ausgenutzt wird. Die Umschaltung umfasst einen als Speicher dienenden Kondensator, Aufladedioden sowie Schaltelemente. Je nach Ansteuerung läßt sich die Kondensatorspannung zur Unterstützung von Anzug oder Abfall ausnutzen. Zusätzlich lassen sich Ventilgruppen zu Pumpen zusammenfassen, ferner kann die Zündspule zur Erzeugung von Beschleunigungsspannungen herangezogen werden. Dies kann über eine Verbindung mit einer Kippdiode erfolgen, mittels der der Spannungsbereich unterhalb des Durchschlagbereiches der Kippdiode zum Pumpen ausgenutzt werden kann; daneben kann die Zündspule zur Erzeugung von Beschleunigungsspannungen in Verbindung mit einer Pulszugzündung eingesetzt werden.

In Weiterbildung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens, können spezielle kostengünstige Werkstoffe eingesetzt werden wie z.B. keramische Piezofasern, die eine Kraft-/Signalumsetzung gewährleisten. Diese Werkstoffe lassen sich direkt im Bereich der Ventilspitze und am oberen Anschlag anbringen, so dass das Aufschlagen sofort ohne Zeitverlust weitergeleitet werden kann. Bei der Verwendung dynamischer Drucksensoren zur Erfassung der Endlagen lassen sich die zugehörigen hochfrequenten Schwingungen direkt über die Aktuatorleitungen auskoppeln. Abhängig von den erfassten Bewegungszeiten des Ventilkörpers innerhalb des Injektors, lassen sich Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Ventils, wie zunehmende Reibung erkennen und für eine Diagnose ausnutzen.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 Ein Schaltbild einer Schaltung zur Erzielung schnellerer Schaltzeiten,
2.1, 2.2, 2.3 die Schaltfolgen bei schnelleren Schaltzeiten,
3 eine Schaltungsvariante zur Erkennung des Auftreffens und des Abhebens einer Düsennadel,
4 die Prinzipskizze eines im Injektorkörper aufgenommenen Sensors und
5 und 6 die Positionen von als Piezokeramik ausgebildeten Sensorelementen bzw. eines Klopfsensors im Einspritzventil.
Ausführungsvarianten
Aus der Darstellung gemäß 1 geht eine Schaltung zur Erzielung schnellerer Schaltzeiten eines Einspritzventils näher hervor.
Der in 1 wiedergegebene Schaltungsaufbau 1 charakterisiert die Beschaltung einer Magnetspule 2 eines Einspritzventils. Mit U_Batt ist der Anschluß einer Spannungsquelle gekennzeichnet, der eine erste Diode 3 nachgeschaltet ist. Die Durchlassrichtung der ersten Diode 3 weist zur Magnetspule 2. Der Schaltungsaufbau 1 umfaßt ferner einen ersten Kondensator 5 dem ein erstes Tyristorelement 6 nachgeschaltet ist. Die Durchgangsrichtung des ersten Tyristorelementes 6 weist in Richtung der Magnetspule 2. In einem Nebenzweig 7 des Schaltungsaufbaus 1 ist ein weiteres, zweites Tyristorelement 8 aufgenommen.
Die an der Magnetspule 2 anliegende Spannung ist mit U_V bezeichnet, während der in der Magnetspule 2 fließende Spulenstrom I_V gekennzeichnet ist. Der Magnetspule 2 des Schaltungsaufbaus 1 ist eine zweite Diode 9 nachgeschaltet, deren Durchgangsrichtung auf den ersten Kondensator 5 gelegt ist, an welchem eine Kondensatorspannung U_K auftritt. Dem Austrittsende der Magnetspule 2 ist neben einer zweiten Diode 9 ein zweiter Kondensator 12a nachgeschaltet. Die Kondensatorspannung des zweiten Kondensators ist mit U_M bezeichnet. Der Magnetspule 2 ist darüber hinaus ein Haupttransistor 10 nachgeschaltet, dessen Transistorbasis mit Bezugszeichen 11 bezeichnet ist. Hinter dem Haupttransistor 10 liegt ein Messwiderstand R_M.
Der Figurensequenz der 2.1, 2.2 und 2.3 sind die Spannungs- bzw. Stromverläufe in den Schaltungskomponenten des Schaltungsaufbaus gemäß 1 im Detail zu entnehmen.
Während einer Pumpphase 20 des Schaltungsaufbaus 1 gemäß der Darstellung in 1 erfährt der Haupttransistor 10 eine erste, eine zweite sowie eine dritte Pulsphase 32, 33 bzw. 34, wobei zwischen den einzelnen Pulsphasen 32, 33 und 34 Pausen herrschen. Das Pulsphasen/Pulspausenverhältnis des Haupttransistors 10 kann über eine geeignete Ansteuerung der Transistorbasis 11 herbeigeführt und über eine Änderung der Beschaltung der Transistorbasis 11 auch verändert werden. Bezugszeichen 28 kennzeichnet das Ende der Pumpphase 20.
Unterhalb der zeitlichen Abfolgen der Pulsphasen 32, 33 bzw. 34 und der zwischen den Pulsphasen 32, 33 und 34 liegenden Pulspausen des Haupttransistors 10 sind über die Zeitachse der Verlauf der Kondensatorspannung im Kondensator 5 sowie in den Graphen gemäß der 2.2 der Spannungsverlauf der Magnetspule 2 und in 2.3 der Magnetspulenstrom I_V jeweils über die Zeitachse t aufgetragen. Die Anfangsspannung über dem Kondensator 5 entspricht der Batteriespannung U_Batt.
Während der ersten Pulsphase 32 des Haupttransistors 10 erfolgt ein Anstieg 37 des Spulenstromes zwischen Pulsbeginn 35 und Pulsende 36 der ersten Pulsphase 32 des Haupttransistors 10. An die erste Pulsphase 32 des Haupttransistors 10 schließt sich eine Pulspause an. Während der der ersten Pulsphase 32 nachgeordneten Pulspause erfolgt in der Magnetspule 2 ein Spulenstromabfall 38 bis zum darauffolgenden Pulsbeginn 35 der zweiten Pulsphase 33 des Haupttransistors 10. Während der Pulspause zwischen der ersten Pulsphase 32 und der zweiten Pulsphase 33 kommt es im 1. Kondensator 5 zu einem ersten Spannungsanstieg 23. Nach dem Pulsbeginn 35 der zweiten Pulsphase 33 verharrt die Kondensatorspannung 22 auf einem ersten Spannungsniveau 24, welches sich über die Dauer der zweiten Pulsphase 33 des Haupttransistors 10 nicht ändert. Nach Ende der zweiten Pulsphase 33 des Haupttransistors 10, während der ein Stromanstieg 37 in der Magnetspule 2 zu konstatieren ist, erfolgt ein zweiter Spannungsanstieg 25 im 1. Kondensator 5, während es in der Magnetspule 2 zu einem Stromabfall 38 kommt. Nach Ende der nach der zweiten Pulsphase 32 liegenden Pulspause bleibt die Spannung im 1. Kondensator 5 auf einem zweiten Spannungsniveau, welches mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnet ist. Die Spannung im 1. Kondensator 5 bleibt solange konstant, bis die dritte Pulsphase 34 zu ihrem Ende gekommen ist. Parallel zur dritten Pulsphase 34 des Haupttransistors 10 kommt es zu einem Stromanstieg 37 in der Magnetspule 2. Nach Abschluß der dritten Pulsphase 34 erfolgt in der sich anschließenden Pulspause des Haupttransistors 10 ein dritter Spannungsanstieg 27 des 1. Kondensator 5 auf eine Maximalspannung, die das Niveau der in der Spannungsquelle 4 herrschenden Spannung (Batteriespannung) wesentlich übersteigt.
Nach Abschluss der Pumpphase 20 steigt die Tyristorspannung an, woraufhin sich der 1. Kondensator 5 schlagartig entlädt und es zu einem starken Anstieg 39 des Spulenstromes I_V 46 kommt, wobei der Stromanstieg 39, d.h. die Stromverstärkung die selbst induzierte Stromverstärkung 29 erheblich über dem mit Bezugszeichen 31 gekennzeichneten Anzugsstromniveau liegt.
Der Abschaltvorgang mit einer Beschleunigung des Stromabbaus erfolgt ähnlich wie die Hochpumpphase, jedoch in Verbindung mit dem Tyristor 2 (8) und dem Tyristor 3 (13).
Der Figurensequenz 2.1, 2.2, 2.3 ist zu entnehmen, dass mit einer gemäß 1 beschaffenem Schaltungsaufbau eine Hochsetzspannung durch Ausnutzung der Spuleninduktivität der Magnetspule 2 erzeugt, ohne das zusätzliche Komponenten in der Schaltungsanordnung – abgesehen von den Tyristoren 6 bzw. 9 und dem 1. Kondensator 5 – erforderlich sind.
3 zeigt die Gegenüberstellung der Bewegung eines Ventilgliedes zwischen zwei Endlagen und den Verlauf eines über die Magnetspule initiierten Anzugsstromes eines Einspritzventils.
Der Ventilgliedweg, der durch Bezugszeichen 40 identifiziert ist, ist gemäß 3 über die Zeitachse aufgetragen. Das Ventilglied, z.B. die Düsennadel eines Einspritzventils, ist zwischen einem oberen Anschlag 41 und einem unteren Anschlag 42 im Ventilkörper bewegbar (vergleiche 4). Die Bewegung des Ventilglieds im Ventilkörper läßt sich im wesentlichen in drei Phasen einteilen. Während einer Anzugsphase 43 bewegt sich das Ventilglied in Richtung auf den oberen Anschlag 41. An die Anzugsphase 43 schließt sich eine mit Bezugszeichen 44 identifizierte Haltephase an, an welche sich wiederum eine Abschaltphase 45 anschließt, während der sich das Ventilglied vom oberen Anschlag 41 in Richtung auf den unteren Anschlag 42 zurückbewegt.
Unterhalb des in der 3 dargestellten Weg-/Zeitdiagramms ist der Verlauf des sich einstellenden Anzugsstromes 43, d.h. des Spulenstromes I_V in der Magnetspule 2 wiedergegeben. Durch Entladung des 1. Kondensators 5 nach Abschluß 28 der Pumpphase 20 (vergleiche Darstellung gemäß der 2.1, 2.2 und 2.3) wird ein Stromanstieg 39 des Spulenstromes 46, d.h. des Anzugstromes erreicht. Dadurch läßt sich eine schnelle Auffahrbewegung des Ventilglieds im Ventilkörper in Richtung auf den oberen Anschlag 41 erzielen. Würde der Anzugsstrom 46 bis zum Erreichen des oberen Anschlages 41 auf das Ventilglied einwirken, käme es zu einem Preller 49, welcher einerseits eine hohe mechani sche Materialbeanspruchung darstellt und andererseits undefinierte Zustände des Ventilglieds im Ventilkörper nach sich ziehen kann. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt ein kurzzeitiges Abschalten des Anzugstromes 46 vor Erreichen des oberen Anschlags 41 durch das Ventilglied, wobei das Erreichen des oberen Anschlages 41 durch das im Ventilkörper bewegbare Ventilglied durch ein oder mehrere Sensorelemente 59, die bevorzugt im Endlagenbereich des Hubwegsventilgliedes angeordnet sind, festgestellt wird. Während eines ersten Abschaltfensters 47 wird der Anzugsstrom 46 vor Erreichen des oberen Anschlages 41 durch das Ventilglied unterbrochen, wobei der Anzugsstrom 46 bei 47.1 abgeschaltet und nach Erreichen des oberen Anschlages bei 47.2 wieder eingeschaltet wird. Während der Haltephase 44 liegt der volle Anzugstrom 46 an und wird erst zu Beginn 48.1 eines weiteren Abschaltfensters 48 wieder unterbrochen.
Unterstützt durch eine im Ventilkörper eines Einspritzventils aufgenommene Rückstellfeder fährt das Ventilglied von seinem oberen Anschlag 41 in seinen unteren Anschlag 42. Diese während der Abschaltphase 45 erfolgende Bewegung wird somit von einem Rückstellelement unterstützt, so dass während der Dauer der Rückstellbewegung des Ventilgliedes der Anzugsstrom 46 im weiteren Abschaltfensters 48 abgeschaltet bleiben kann. Der Anzugsstrom 46 nimmt seinen Einschaltwert nach Ablauf des weiteren Abschaltfensters 48 bei Position 48.2 wieder ein.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist es ebenfalls möglich, dem Anzugsstrom 46 während der Abschaltphase 45 einen Gegenimpuls 50 aufzuprägen, der durch kurzes Ab- und Wiedereinschalten des Anzugsstromes 46 z.B. verwirklicht werden kann. Dadurch wird die im wesentlichen von einer Rückstellfeder erzeugte Rückstellbewegung des Ventilgliedes in seinen unteren Anschlag 42 durch entsprechende Bestromung 42 der Magnetspule 2 gedämpft, so dass ein materialschonendes sanftes Erreichen des zweiten, d.h. des unteren Anschlages 42 durch das Ventilglied im Ventilkörper möglich ist. Auch in diesem Falle können unerwünschte Schaltzustände durch Rückprellen des Ventilglieds von seinem unteren Anschlag 42 verhindert werden.
Durch kurzzeitiges Ein- bzw. Abschalten des Anzugsstromes 46 kurz vor dem Erreichen der Anschläge 41, 42 kann ein Prellen eines Ventilgliedes innerhalb eines Ventilkörpers und sich demzufolge einstellende undefinierte Zustände des Ventilkörpers verhindert werden. Die beim Erreichen des oberen Anschlags 41 bzw. des unteren Anschlags 42 auftretenden Aufschlagsignale sind hochfrequent und können z.B. direkt in das Ansteuersignal eingeblendet werden, so dass keine zusätzlichen Signalleitungen erforderlich werden. Zur Ausblendung des Signals für eine Weiterverarbeitung in einem Steuergerät 57 (vergleiche Darstellung gemäß 4) bieten sich kapazitive Auskopplungsmöglichkeiten an z.B. durch Einbau einer Spule zwischen Transistor sowie einem Kondensator zum Ausblenden und den Ausgangspins, so dass die Abschaltphase zur Auskopplung ausgenutzt werden kann.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht die Prinzipskizze eines in einem Ventilkörper aufgenommenen Sensorelementes näher hervor.
In einem Ventilkörper 53 ist ein Ventilglied 54 in vertikale Richtung bewegbar aufgenommen. Bei dem Ventilglied 54 kann es sich um eine Düsennadel oder um einen Stößel eines Injektors oder dergleichen handeln. Die vertikale Hubbewegung des Ventilgliedes 54 relativ zum Ventilkörper 53 wird durch eine Magnetspule 2, 55 erzeugt. Die Magnetspule 2, 55 steht über eine Leitungsverbindung 56 mit einem hier nur schematisch angedeuteten Steuergerät 57 in Verbindung. Dem Ventilglied 54 bzw. dem Ventilkörper 53 sind Sensorelemente 59 zugeordnet, die sowohl in paralleler Lage 61 in bezug auf das Ventilglied 54 eingebaut werden können, als auch eine Einbauorientierung 60 quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 54 im Ventilkörper 53 annehmen können. Die Sensorelemente 59 stehen unabhängig von ihrer Einbaulage 60 bzw. 61 über eine Leitung 58 mit dem erwähnten Steuergerät 57 in Verbindung. Die Geometrie der Sensorelemente 59 – seien es Beschleunigungsaufnehmer, Piezokeramiken, Lagesensoren oder Klopfsensoren – ist so bemessen, das sie die kritischen Bewegungsbereiche, d.h. die Bereiche vor den Anschläge 41, 42 des Ventilglieds 54 im Ventilkörper 53 erfassen. Je nach Einbaulage 60 bzw. 6 kann der Erfassungsbereich der Bewegung des Ventilgliedes 54 einbaufallabhängig größer oder kleiner vorgewählt werden.
Das Sensorelement 59 kann in einer ersten Position, d.h. einer Querlage 60 z.B. an einem Federelement 62 im Inneren des Ventilkörpers 53 aufgenommen werden, wobei entweder eine bereits vorhandene Rückstellfeder als Aufnahme des Sensorelementes 59 dient oder eine Zusatzfeder hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit zusätzlich im Ventilkörper 53 eingebaut werden kann.
Mit dieser Lösung läßt sich eine genaue Lage des Ventilglieds 54 (z.B. eine Düsennadel) erkennen und eine genaue Positionsvorgabe ermitteln. Bei Einsatz eines Federelementes 62 können mögliche Zwischenwerte durch geeignete Bestromung der Magnetspule 2 bzw. 50 über Halbhübe angefahren werden, wobei zunächst zur Eichung ein Endwert angefahren wird und anschließend die gewünschte Zwischenposition eingestellt werden kann. Ferner läßt sich eine genau zeitliche Zuordnung zum Ansteuersignal vornehmen, so dass eine Diagnosemöglichkeit gegeben ist. Mittels einer Anordnung des Sensorelementes 59 an einem Federelement 62 können sich sowohl der Beginn der Anzugsbewegung bei einge schaltetem Anzugsstrom 46 als auch der Beginn der Abfallbewegung durch Abschalten des Anzugsstroms und Wirkung des Federelementes 62 erkennen lassen, so dass entsprechende Grenzwerte für Anzugs- und Abfallbereich ermittelt werden können.
Über die Anordnung der dem oberen Anschlag 41 bzw. dem unteren Anschlag 42 zugeordnete Endmagnete können definierte Rückzugskräfte eingeleitet werden, wobei der Hubbereich durch Einbau geeigneter Leitbleche beeinflussbar ist. Durch Endmagnete können starke Rückzugskräfte erzeugt werden, so dass eine hohe Beschleunigung und damit eine schnelle Bewegung des Ventilgliedes 54 innerhalb des Ventilkörpers 53 erzielt werden kann. Der mit der erfindungsgemäßen Beschaltung erreichbare Stromanstieg 39 des Anzugstroms 46 kann sich somit noch effektiver ausnutzen lassen.
Den 5 und 6 sind Positionen von als Piezokeramiken ausgebildeten Sensorelementen im Ventilkörper zu entnehmen.
5 zeigt die Anordnung eines Sensorelementes 59 oberhalb eines Federelementes 62. Die Signalleitung 58 verläuft seitlich aus dem Ventilkörper 53 hinaus. Die mit Bezugszeichen 64 bezeichnete Sensorposition entspricht der Sensorposition 60 des Sensorelementes 59 gemäß der Darstellung in 4. Das Ventilglied gemäß der Darstellung in 5 ist als eine in einem Ventilkörper 53 bewegbarer Düsennadel 54 ausgebildet. Die Betätigung der als Ventilglied fungierenden Düsennadel 54 erfolgt über eine Magnetspule 2, 55 die das Ventilglied 54 ringförmig umschließt.
In der Darstellung gemäß 6 ist ein Ventilkörper 53 wiedergegeben, in welchem das Ventilglied 54 durch eine in zwei Führungsabschnitten 65 geführte Düsennadel gegeben ist. Die Bezugszeichen 66 bezeichnen die Einbauorte von Beschleunigungsaufnehmern in Gestalt von Sensorelementen 59, die über eine Signalleitung 58 mit einem in 6 nicht dargestellten Steuergerät 57 (vergleiche Darstellung gemäß 4) in Verbindung stehen.
Das Steuergerät enthält vorzugsweise einen in Echtzeit arbeitenden Rechner, mit welchen die von den Sensorelementen 59 erfassten Beschleunigungs- bzw. Auftreffsignale unmittelbar in Ansteuersignale der Magnetspulen 2, 55 umgewandelt werden, so dass die Bewegung des Ventilgliedes 54 innerhalb des Ventilkörpers 53 abhängig von den zuvor aufgenommenen Sensorelementen 59 und abhängig von den zuvor eingenommenen Endlagen erfolgen kann.

1: Schaltungsaufbau
2: Magnetspule
3: erste Diode
4: Anschlussspannungsquelle
5: erster Kondensator
6: erstes Tyristorelement
7: Nebenzweig
8: zweites Tyristorelement
9: zweite Diode
10: Haupttransistor
11: Transistorbasis
12a: zweiter Kondensator
12b: Spule
13: drittes Tyristorelement
U_Batt: Batteriespannung
U_V: Spulenspannung
I_V: Spulenstrom
U_K: Kondensator
U_M: Meßspannung
R_M: Meßwiderstand
20: Pumpphase
21: Tyristorsteuerspannung 1
22: Kondensatorspannungsverlauf
23: erster Spannungsanstieg
24: erstes Spannungsniveau
25: zweiter Spannungsanstieg
26: zweites Spannungsniveau
27: dritter Spannungsanstieg
28: Pumpphasenende
29: Anzugsphase
30: Spannungsspitze
31: Anzugsstrom
32: erster Pulsphase Transistor
33: zweiter Pulsphase Transistor
34: dritter Pulsphase Transistor
35: Pulsbeginn
36: Pulsende
37: I_V-Anstieg
38: I_V-Abfall
39: Stromanstieg
40: Ventilgliedweg
41: oberer Anschlag
42: unterer Anschlag
43: Anzugsphase
44: Haltephase
45: Abschaltphase
46: Anzugsstromverlauf
47: erstes Abschaltfenster
47.1: Abschaltbeginn
47.2: Abschaltende
48: weiteres Abschaltfenster
48.1: Abschaltbeginn
48.2: Abschaltende
49: Prellerverlauf
50: Gegenimpuls
51: Low-Level-Gegenimpuls
52: High-Level-Gegenimpuls
53: Ventilkörper
54: Ventilglied (Düsennadel)
55: Magnetspule
56: Anschluß
57: Steuergerät
58: Leitung
59: Sensorelement
60: erste Einbauposition
61: weitere Einbauposition
62: Rückstellfederelement
63: Anschlußstutzen
64: Sensorposition
65: Nadelführung
66: Beschleunigungssensorposition
67: Aufschlagimpuls bei Gegensteuerung

Claims

Verfahren zur Lageerkennung und Lageregelung eines Ventilgliedes (54) eines Einspritzventils, welches in einem Gehäuse (53) zwischen Anschlägen (41, 42) bewegbar ist, wobei die Vorgaben der Bewegungen des Ventilgliedes (54) aus der aktuell erfassten Position des Ventilgliedes (54) ermittelt werden, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: • die aktuelle Position und die Anzugs-/Abfallbewegungen des Ventilgliedes (54) werden über Beschleunigungs-Sensorelemente (59) erfasst und an ein Steuergerät (57) übermittelt, • ein das Ventilglied (54) betätigendes Stellelement (2, 55) wird über das Steuergerät (57) derart angesteuert, dass das Ventilglied (54) geschwindigkeits- und verschleißoptimiert bewegt wird, • wobei der Anzugsstromverlauf (46) des Stellgliedes (2, 55) Halte- und Abschaltphasen (44; 47, 48) umfasst, deren Dauer und Zeitpunkte abhängig vom Signal des im Ventilkörper (53) im Bereich der Endanschläge (41, 42) angeordneten Beschleunigungs-Sensorelements (59) sind und wobei in Abschaltphasen (47, 48) des Anzugsstromverlaufes (46) Gegenimpulse (50, 51, 52) eingekoppelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der aktuellen Position des Ventilgliedes (54) mittels eines dessen Lage sensierenden Sensorelements (59) erfolgt, welches an einem Federelement (62) im Ventilkörper (63) aufgenommen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Anzugsstrom (46) durch das Steuergerät (57) derart gesteuert wird, dass ein kurzzeitiges Abschalten des Anzugsstroms (46) vor dem Auftreffen des Ventilgliedes (54) in dessen oberen Anschlag (41) nach einer Anzugsphase (43) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Anzugsstroms (46) durch das Steuergerät (57) derart gesteuert wird, dass ein kurzzeitiges Einschalten des Anzugsstroms (46) vor dem Auftreffen des Ventilgliedes (54) in dem unteren Anschlag (42) während der Abschaltphase (45) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein weiteres Abschaltfenster (48) des Anzugsstroms (46) über die durch die Dauer der Rückstellbewegung des Ventilgliedes durch das Federelement (62) gegebene Schaltphase (45) erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des weiteren Abschaltfensters (48) des Anzugstroms (46) diesem ein in Blockform (51, 52) generierter Gegenimpuls (50) überlagert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Anzugsstromverlauf (46) generierende Magnetspule (2) über einen Schaltungsaufbau (1) derart ansteuerbar ist, dass während der Pulsphasen (32, 33, 34) eines Haupttransistors (10) die Spannung (22) eines oder mehrerer Kondensatoren (5, 12) erhöht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Kondensator (5) des Schaltungsaufbaus (1) die Erhöhung der Kondensatorspannung (22) über das Niveau der Spannung der Spannungsquelle (4) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ende (28) einer Pumpphase (20) ein Abfall der Kondensatorspannung (22) nach einer letzten Spannungserhöhungsphase (27) zur Erhöhung des Stromanstieges (39) des Anzugsstromes I_V (46) der Magnetspule (2, 55) genutzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (59) in paralleler Lage (61) zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (54) im Ventilkörper (53) aufgenommen sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (59) in senkrechter Lage (10) bezogen auf die Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (54) im Ventilkörper (53) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (59) einem Federelement (63) im Ventilkörper (53) zugeordnet und quer in einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (54) orientierten Einbaulage (60) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (59) keramische Piezofasern enthalten, die der Kraftwirkung an den Anschlägen (41, 42) entsprechende Signale zur Steuerung des Ventilgliedes (54) durch das Stellglied (2, 55) erzeugen.