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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils
zur Mengensteuerung sowie einer Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung
einer Brennkraftmaschine mit einem Magnetventil zur Mengensteuerung
nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung eines Verfahrens zum
Betreiben eines Magnetventils zur Mengensteuerung sowie ein Computerprogramm-Produkt zur Durchführung des Verfahrens
auf einem Computer.
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Aus
der
DE 199 13 477 ist
bereits ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffzuführeinrichtung mit
einem Mengensteuerventil bekannt. Das Mengensteuerventil ist stromlos
offen und wird zum Schließen
mit einer konstanten Spannung – der
Batteriespannung – angesteuert,
wobei der Strom in charakteristischer Weise ansteigt. Nach dem Abschalten
der Spannung fällt
der Strom wiederum in charakteristischer Weise ab und das Ventil öffnet kurz
nach dem der Strom abgefallen ist.
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Aus
der
DE 102 01 453 ist
ein Verfahren der zum Betreiben eines Magnetventils für einen
Bremszylinder bekannt. Das offenbarte Magnetventil ist stromlos
offen und wird zum Schließen
mit einer konstanten Spannung angesteuert. Beim Erreichen eines
maximalen Anzugstroms wird die Spule des Magnetventils mit einer
gepulsten Spannung angesteuert, sodass der Strom durch die Spule
auf einen minimal zulässigen
Haltestrom abfällt.
Zum Öffnen
des Magnetventils wird die am Magnetventil anliegende Spannung abge schaltet,
wobei der Stromabfall ausgehend vom Haltestrom zeitlich schneller
erfolgt als bei einem vorliegenden maximalen Anzugstroms.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass zunächst
eine erste Spannung an eine Spule eines Magnetventils bis zu einem
ersten Zeitpunkt und anschließend
ein zweite Spannung, die im Wert kleiner ist als die erste Spannung,
angelegt wird. Die Umschaltung auf die zweite Spannung zum ersten
Zeitpunkt erfolgt vor Erreichen einer Endposition des Magnetventils.
Der besondere Vorteil dieses erfindungsgemäßen Vorgehens liegt darin,
dass mit der ersten angelegten Spannung der Spulenstrom und somit
auch die Magnetkraft rasch aufgebaut wird, wobei ein schneller Bewegungsbeginn
des Magnetventils erzielt wird. Durch das Umschalten auf einen zweiten
niedrigeren Spannungswert wird ein unnötiges Ansteigen des Spulenstromes
vermieden. Der erste Zeitpunkt kann sowohl vor als auch nach Erreichen
eines bestimmen Kraftwertes liegen, bei der sich der Magnetanker
in Bewegung setzt. Wichtig ist, dass durch die erfindungsgemäße Ansteuerung
ein sicheres Anziehen des Magnetankers sichergestellt ist. Prinzipiell
lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
sowohl auf stromlos geöffnete
als auch stromlos geschlossen Ventile anwenden. Durch Umschalten
auf eine zweite Spannung, die im Wert niedriger ist als die erste
Spannung wird vermieden, dass der Spulenstrom bei einer weiteren
Ansteuerung des Magnetventils einen maximal zulässigen Strom überschreitet.
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Durch
diese in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
erfindungsgemäße Vorrichtung
möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die zweite Spannung mindestens so groß ist, dass
sich die Bewegung des Magnetventils fortsetzt und somit ein sicheres
Schließen/Öffnen des
Magnetventils gewährleistet
ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zweite Spannung in
vorteilhafter Weise so gewählt,
dass der Strom durch die Spule und somit die auf das Magnetventil
einwirkende Kraft weiter ansteigt, wodurch die Zuverlässigkeit
der Schließbewegung/Öffnungsbewegung
weiter erhöht
wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird ab einem zweiten Zeitpunkt eine dritte Spannung an der Spule
des Magnetventils angelegt, die im Wert kleiner ist als die zweite
Spannung und gegenüber
der zweiten Spannung den Strom nicht weiter ansteigen lässt. So
wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass der Spulenstrom weiter
ansteigt und einen maximal zulässigen
Strom überschreitet.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
liegt ab einem dritten Zeitpunkt eine vierte Spannung an der Spule
des Magnetventils an, die im Wert kleiner ist als die dritte Spannung
und es stellt sich ein Strom ein, der mindestens so groß ist, dass in
vorteilhafter Weise eine Mindesthaltekraft des Magnetventils gewährleistet
ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird mindestens eine der an der Spule des Magnetventil anliegenden
Spannung durch Pulsweitenmodulation in ihrer effektiven Spannung
beeinflusst. Dies hat den Vorteil, dass alle Spannungen ausgehend
von einer Basisspannung allein durch Pulsweitenmodulation entsprechend
der gewünschten
Spannungshöhe
eingestellt werden können.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ist ein Vorrichtung zum Ansteuern eines Magnetventils vorgesehen,
insbesondere ein Steuergerät
in einem Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung das Magnetventil so
ansteuert, dass zunächst
eine erste Spannung an einer Spule eines Magnetventils anliegt bis
eine Bewegung des Magnetventils ausgelöst ist und anschließend eine
zweite Spannung, die im Wert kleiner ist als die erste Spannung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ist es vorgesehen, die Zeitpunkte an denen die Spannungen umgeschaltet
werden und die elektrischen Spannung in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, bspw.
der Brennkraftmaschine, der Hochdruckpumpe etc., in einem Kennfeld
abzulegen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ist es vorgesehen das erfindungsgemäße Verfahren und Vorgehen als
Computerprogramm-Produkt mit Programmcode auf einem maschinenlesbaren
Träger
abzuspeichern, wobei bei Ablauf des Programm auf einem Computer,
Recheneinheit, Steuergerät
etc. das Verfahren erfindungsgemäß ausgeführt wird.
In vorteilhafter Weise können als
maschinenlesbare Träger
auch Disketten, Speicherbausteine, Flash-Rom, optische Speicher, Festplatten
etc. eingesetzt werden.
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Zeichnungen
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
den Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 zeigt
schematisch eine Vorrichtung zu Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine;
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2 zeigt
schematisch verschiedene Funktionszustände einer Hochdruckpumpe mit
einem zugehörigen
Zeitdiagramm;
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3 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf des Hubs des Magnetventils und
deren darauf wirkenden Kraft nach Bestromung des Magnetventils;
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4 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf des Drucks in der Hochdruckpumpe;
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5 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf der an der Spule des Magnetventils
anliegenden Spannung;
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6 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf des durch die Spule fließenden Stroms;
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7 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung an der
Spule des Magnetventils für
eine bestimmte Ansteuerungsdauer;
Die Beschreibung bezieht
sich der Einfachheit halber im Wesentlichen auf ein stromlos offenes
Magnetventil, das erfindungsgemäße Vorgehen
ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt,
sondern umfasst insbesondere auch stromlos geschlossene Magnetventile.
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In 1 ist
beispielhaft eine Vorrichtung 10 zur Kraftstoffversorgung
einer Brennkraftmaschine gezeigt. Die Vorrichtung 10 weist
eine elektrische Kraftstoffpumpe 11 auf mit der Kraftstoff
aus einem Kraftstofftank 12 gefördert und über ein Kraftstofffilter 13 weitergepumpt
wird. Die Kraftstoffpumpe 11 ist dazu geeignet, einen Niederdruck
zu erzeugen. Zur Steuerung und/oder Regelung dieses Niederdrucks ist
ein Niederdruckregler 14 vorgesehen, der mit dem Ausgang
des Kraftstofffilter 13 verbunden ist, und über den
Kraftstoff wieder zum Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden
kann. An dem Ausgang des Kraftstofffilters 13 ist des Weiteren
eine Serienschaltung aus einem Mengensteuerventil 15 und
einer mechanischen Hochdruckpumpe 16 angeschlossen. Der
Ausgang der Hochdruckpumpe 16 ist über ein Überdruckventil 17 an
den Eingang des Mengensteuerventil 15 zurückgeführt. Der
Ausgang der Hochdruckpumpe 16 ist weiterhin mit einem Druckspeicher 18 verbunden,
an dem eine Mehrzahl von Einspritzungsventilen 19 angeschlossen
sind. Der Druckspeicher 18 wird häufig auch als Rail oder Common
Rail bezeichnet. Des Weiteren ist am Druckspeicher 18 ein
Drucksensor 20 angeschlossen.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung
dient im vorliegenden Beispiel dazu, die Einspritzungsventile 19 einer
vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit ausreichenden Kraftstoff
und notwendigen Kraftstoffdruck zu versorgen, sodass eine zuverlässige Einspritzung
und ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
ist.
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Die
Funktionsweise des Mengensteuerventil 15 und der Hochdruckpumpe 16 sind
in 2 im Einzelnen dargestellt. Das Mengensteuerventil 15 ist
als stromlos offenes Magnetventil aufgebaut und weist eine Spule 21 auf, über die
durch Anlegen oder Abschalten eines elektrischen Stroms bzw. einer
elektrischen Spannung das Magnetventil 22 geschlossen oder
geöffnet
werden kann. Die Hochdruckpumpe 16 weist einen Kolben 23 auf,
der von einem Nocken 24 der Brennkraftmaschine betätigt wird.
Des Weiteren ist die Hochdruckpumpe 16 mit einem Ventil 25 versehen.
Zwischen dem Magnetventil 22, den Kolben 23 und
dem Ventil 25 ist ein Förderraum 26 der
Hochdruckpumpe 16 vorhanden.
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Mit
dem Magnetventil 22 kann der Förderraum 26 von einer
Kraftstoffzufuhr durch die elektrische Kraftstoffpumpe 11 und
damit von dem Niederdruck abgetrennt werden. Mit dem Ventil 25 kann
der Förderraum 26 von
dem Druckspeicher 18 und damit von dem Hochdruck abgetrennt
werden.
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Im
Ausgangszustand wie er in der 2 links
dargestellt ist, ist das Magnetventil 22 geöffnet und
das Ventil 25 geschlossen. Das geöffnete Magnetventil 22 entspricht
dem stromlosen Zustand der Spule 21. Das Ventil 25 wird
durch den Druck einer Feder oder entsprechendes geschlossen gehalten.
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In
der linken Darstellung der 2 ist der Saughub
der Hochdruckpumpe 16 dargestellt. Bei einer Drehbewegungen
des Nockens 24 in Richtung des Pfeils 27 bewegt
sich der Kolben 23 in Richtung des Pfeils 28.
Aufgrund des geöffneten
Magnetventil 22 strömt somit
Kraftstoff, der von der elektrischen Kraftstoffpumpe 11 gefördert worden
ist, in den Förderraum 26.
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In
der mittleren Darstellung der 2 ist der Förderhub
der Hochdruckpumpe 16 gezeigt, wobei jedoch die Spule 21 noch
stromlos und damit das Magnetventil 22 noch geöffnet ist.
Auf Grund der Drehbewegungen der Nocke 24 bewegt sich der
Kolben 23 in Richtung des Pfeils 29. Aufgrund
des geöffneten
Magnetventils 22 wird damit Kraftstoff aus dem Förderraum 26 zurück in Richtung
zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 11 gefördert. Dieser
Kraftstoff gelangt dann über
den Niederdruckregler 14 zurück in den Kraftstofftank 12.
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In
der rechten Darstellung der 2 ist – wie in
der mittleren Darstellung – weiterhin
der Förderhub der
Hochdruckpumpe 16 gezeigt. Im Unterschied zu der mittleren
Darstellung ist jedoch nunmehr die Spule 21 erregt und
damit das Magnetventil 22 geschlossen. Dies hat zur Folge,
dass durch die weitere Hubbewegung des Kolbens 23 im Förderraum 26 ein Druck
aufgebaut wird. Mit Erreichen des Druckes, welcher im Druckspeicher 18 herrscht,
wird das Ventil 25 geöffnet
und die Restmenge in den Druckspeicher gefördert.
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Die
Menge des zu dem Druckspeicher 18 geförderten Kraftstoffs hängt davon
ab, wann das Magnetventil 22 in seinen geschlossenen Zustand übergeht.
Je früher
das Magnetventil 22 geschlossen wird, desto mehr Kraftstoff
wird über
das Ventil 25 in den Druckspeicher 18 gefördert. Dies
ist in der 2 durch einen mit einem Pfeil
gekennzeichneten Bereich B dargestellt.
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Sobald
bei der rechten Darstellung der 2 der Kolben 23 seinen
maximalen Kolbenhub erreicht hat, kann von dem Kolben 23 kein
weiterer Kraftstoff über
das Ventil 25 in den Druckspeicher 18 gefördert werden.
Das Ventil 25 schließt.
Des weiteren wird die Spule 21 wieder stromlos gesteuert,
sodass das Magnetventil 22 wieder öffnet. Daraufhin kann der sich nunmehr
entsprechend der linken Darstellung der 2 in Richtung
des Pfeils 28 bewegende Kolben 23 wieder Kraftstoff
der elektrischen Kraftstoffpumpe in den Förderraum 26 ansaugen.
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In 3 ist
schematisch der zeitliche Verlauf des Hubs h_M des Magnetventils 22 und
die auf das Magnetventil 22 wirkenden Kraft F_M beim Unterspannungssetzen
der Spule 21 des Magnetventils 22 gezeigt. Sobald
eine elektrische erste Spannung U_1 ab dem Ansteuerbeginn t_0 an
der Spule 21 anliegt, baut sich ein Magnetfeld auf, das
auf den Anker des Magnetventils 22 mit einer elektromagnetischen
Kraft F_M wirkt. Dieser elektromagnetischen Kraft F_M steht einer
Federkraft F_f des betrachteten Mengensteuerventils 15 entgegen.
Erst wenn die elektromagnetischen Kraft F_M die Federkraft F_f überwindet, setzt
sich das Magnetventil 22 zu einem Bewegungs-Zeitpunkt t_B
in Bewegung. Im in 3 skizzierten Fall ist zeitgleich
zu diesem Bewegungs-Zeitpunkt t_B ein erster Zeitpunkt t_1 gesetzt,
bei dem die zunächst
anliegende erste Spannung U_1 auf eine niedrigere zweite Spannung
U_2 umgeschaltet wird.
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Die
zweite Spannung U_2 ist mindestens so hoch, dass sich die durch
das Anlegen der ersten Spannung U_1 initiierte Bewegung des Magnetventils
fortsetzt. Im dargestellten Fall ist eine zweite Spannung U_2 vorgesehen,
bei der mit zunehmender Ansteuerzeit der Spulenstrom und somit auch
die elektromagnetische Kraft F_M mit geringerer Steigung als bis
zum ersten Zeitpunkt t_1 ansteigt. Zu einem End-Zeitpunkt t_E befindet
sich das Magnetventil 22 in seiner Endposition. Bei einem
stromlos offenem Magnetventil ist das Magnetventil 22 zum End-Zeitpunkt
t_E vollständig
geschlossen und bei einem stromlos geschlossen Magnetventil vollständig offen.
Im skizzierten Ausführungsbeispiel
wird zeitgleich zum End-Zeitpunkt t_E ein zweiter Zeitpunkt t_2
gesetzt, ab dem die am Magnetventil anliegende elektromagnetische
Kraft F_M im Wesentlichen konstant gehalten und ab einem dritten
Zeitpunkt t_3 bspw. auf eine Mindesthaltekraft reduziert wird.
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Der
Bewegungs-Zeitpunkt t_B, bei dem sich das Magnetventil bei einer
bestimmten Ansteuerung in Bewegung setzt, und der End-Zeitpunkt
t_E sind prinzipiell für
ein jeweiliges Magnetventil bekannt. Es kann jedoch auch vorgesehen
sein, diesen Bewegungs-Zeitpunkt
t_B über
Sensoren bspw. direkt über die
Bewegung oder indirekt über
andere Größen zu bestimmen.
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Vorzugsweise
wird der erste Zeitpunkt t_1, bei dem von der ersten Spannung U_1
auf ein zweite Spannung U_2 umgeschaltet wird, so festgelegt, dass
die Zeitdauer mit der die Spule 21 des Magnetventils 22 mit
einer elektrischen ersten Spannung U_1 angesteuert wird mindestens
so lang ist, dass eine Bewegung des Magnetventils 22 ausgelöst wird.
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Je
nach Ausführungsform
kann dieser erste Zeitpunkt t_1 mit dem tatsächlichen Bewegungs-Zeitpunkt
t_B des Magnetventils übereinstimmen,
es kann jedoch auch vorgesehen sein, den ersten Zeitpunkt t_1 vor
oder nach dem tatsächlichen
Bewegungs-Beginn t_B zu legen. So ist es denkbar, den ersten Zeitpunkt
t_1 so früh
zu wählen,
dass sich zwar zum ersten Zeitpunkt t_1 das Magnetventil noch nicht
in Bewegung gesetzt hat, die Zeitdauer der Ansteuerung jedoch so
lang war, dass die in die Spule eingebrachte Energie ausreicht,
um das Magnetventil zu einem späteren
Zeitpunkt in Bewegung zu setzen. In diesem Fall wird die Bewegung
des Magnetventils zwar durch das Anlegen einer ersten Spannung U_1
bis zu einem ersten Zeitpunkt t_1 ausgelöst, die tatsächliche
Bewegung des Magnetventils erfolgt jedoch zu einem Bewegungs-Zeitpunkt
t_B der zeitlich hinter dem ersten Zeitpunkt t_1 liegt.
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Nachdem
auf zum ersten Zeitpunkt t_1 auf die zweite Spannung U_2 umgeschaltet
wurde ist eine Wartezeit Δts
vorgesehen nach der im Anschluss zum zweiten Zeitpunkt t_2 auf eine
dritte Spannung U_3 umgeschaltet wird. Die Wartezeit Δts ist in 3 so
bemessen, dass der zweite Zeitpunkt t_2 mit dem Erreichen der Endposition
des Magnetventils 22 zum End-Zeitpunkt t_E übereinstimmt.
Bei geringen Drehzahlen der Hochdruckpumpe 16 reicht es
aus, die Wartezeit Δts
so großzügig zu bemessen, dass
der zweite Zeitpunkt t_2 zeitlich hinter dem End-Zeitpunkt t_E des
Magnetventils 22 liegt, und so der zweite Zeitpunkt t_2
für eine
Vielzahl von Betriebsbedingungen unverändert beibehalten werden kann.
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Im
Hinblick auf den Betrieb von Hochdruckpumpen in einem hohen Drehzahlbereich
und den erforderlichen kurzen Ansteuerzeiten ist es jedoch angezeigt,
die Zeitpunkte t_1, 2, 3 bei denen die Spannungen umgeschaltet werden
möglichst
früh zu
setzen, um möglichst
kurze Ansteuerzeiten zu realisieren.
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4 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf des Drucks im Förderaum 26 der
Hochdruckpumpe 16 mit einem stromlos offenem Magnetventil 22.
Vor dem Erreichen der Endposition des Magnetventils herrscht bis
zum End-Zeitpunkt t_E bzw. zweiten Zeitpunkt t_2 im Förderraum 26 im
Wesentlichen ein konstanter Niederdruck, der durch die Kraftstoffpumpe 11 und
dem Niederdruckregler 14 erzeugt und eingestellt wird.
Nach dem Schließen
des Magnetventils 22 zum End-Zeitpunkt t_E komprimiert
der sich zum oberen Totpunkt bewegende Kolben 23 das Volumen
im Förderaum 26,
wodurch der Kraftstoffdruck ansteigt. Zu einem Druck-Zeitpunkt t_D
erreicht der Druck im Förderraum 26 einen
Haltedruck p_1. Die durch diesen Haltedruck p_1 auf das Magnetventil 22 ausgeübte Kraft
entspricht im Wesentlichen der Federkraft F_f. Die Druckkraft reicht prinzipiell
aus, um das Magnetventil auch ohne Ansteuerung im geschlossenen
Zustand zu halten, d.h. prinzipiell wäre es möglich zum Druck-Zeitpunkt t_D
die an der Spule 21 des Magnetventils 22 anliegende Spannung
abzuschalten. Um unter anderem jedoch eine hohe Betriebsicherheit
bzw. definierte Betriebszustände
zu gewährleisten,
ist es vorgesehen zum Druck-Zeitpunkt t_D einen dritten Zeitpunkt
t_3 vorzusehen, beim dem auf eine vierte Spannung U_4 umgeschaltet
wird und sich die anliegende elektromagnetische Kraft F_M auf eine
Sicherheitshaltekraft reduziert.
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Die
zu verschiedenen Zeiten an der Spule 21 des Magnetventils 21 anliegenden
Spannungen sind schematisch in 5 gezeigt
und in 6 die dazu korrespondierenden Spulenströme. Den
beiden Figuren ist zu entnehmen, dass zum Schließen des Magnetventils 22 eine
erste Spannung U_1 an die Spule 21 des Magnetventils 22 angelegt
wird. Im weiteren zeitlichen Verlauf wird nach einem ersten, zweiten
und dritten Zeitpunkt t_1, t_2, t_3 jeweils eine zweite, dritte
und vierte Spannung U_2, U_3, U_4 angelegt, wobei die jeweils nachfolgende
Spannung im Wert kleiner ist als die vorhergehende. Die zu den Spannungen
korrespondierenden Ströme,
wie sie die 6 zeigt, verhalten sich dementsprechend
in charakteristischer Weise. Beim Anlegen der ersten Spannung U_1
steigt der Strom rasch an, um dann bei Vorliegen der zweiten Spannung
U_2 zum Zeitpunkt t_1 mit einer geringeren Steigung anzusteigen, ab
dem Zeitpunkt t_2 verläuft
der Strom dann im Wesentlichen konstant und fällt nach dem dritten Zeitpunkt
t_3 in charakteristischer Weise auf einen im Wesentlichen konstanten
geringeren Wert ab.
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Wie
beschrieben wird zum Schließen
des Magnetventils 22 an die Spule 21 eine erste
Spannung U_1 angelegt. Der Spulenstrom steigt gemäß der bekannten
Beziehung I = U/R(1 – exp(-t·R/L) an, wobei
für die
beispielhaft betrachteten Zeiträume
der Exponential-Term in erster Näherung
vernachlässigt werden
kann. Der erste Stromanstieg entspricht di_1/dt (t=0) = U/L und
hängt somit
im Wesentlichen von der angelegten Spannung und der Induktivität der Spule
ab. Im Hinblick auf kurze Schaltzeiten sind somit sowohl hohe anliegende
Spannungen als auch geringe Induktivität der Spule 21 förderlich.
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Mit
zunehmender Dauer der Ansteuerung der Spule steigt sowohl der Spulenstrom
I als auch die auf das Magnetventil 22 wirkende elektromagnetische
Kraft F_M; d.h. je schneller der Strom ansteigt, desto schneller
erhöht
sich die anliegende Kraft F_M, desto früher beginnt die Schließbewegung
und umso schneller schließt
das Magnetventil 22.
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Sobald
das Magnetventil 22 zum ersten Zeitpunkt t_1 sich in Bewegung
setzt, ist ein weiterer schneller Stromanstieg bzw. Kraftanstieg
nicht mehr notwendig. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, den Stromanstieg
zu verlangsamen. Ab dem ersten Zeitpunkt t_1 wird die Spule 21 mit
einer zweiten Spannung U_2 versorgt, die im Wert kleiner ist als
die erste Spannung U_1. Die zweite Spannung U_2 ist dabei so bemessen,
dass der Strom I weiter ansteigt. Der zur zweiten Spannung U_2 korrespondierende zweite
Stromanstieg di_2/dt ist kleiner als der zur höheren ersten Spannung U_1 korrespondierende
erste Stromanstieg di_1/dt. Der zweite Stromanstieg di_2/dt bzw.
die dazugehörige
zweite Spannung U_2 ist vorzugsweise so bemessen, dass bis zu einem späteren zweiten
und/oder dritten Zeitpunkt t_2, t_3 der maximal zulässige Spulenstrom
des Magnetventils 22 nicht überschritten wird.
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Zum
zweiten Zeitpunkt t_2 ist, wie schon beschrieben, das Magnetventil 22 geschlossen.
Ein weiterer Anstieg der auf das Magnetventil 22 wirkenden
elektromagnetischen Kraft F_M verbessert insofern den sicheren Verschluss
des Magnetventils nicht. Erfindungsgemäß ist daher kein weiterer Stromanstieg
bzw. Anstieg der elektromagnetischen Kraft F_M vorgesehen. Zu diesem
Zweck wird die an der Spule 21 anliegende Spannung weiter
auf die dritte Spannung U_3 abgesenkt, die so bemessen ist, dass der
Spulenstrom I im Wesentlichen nicht weiter ansteigt.
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Im
weiteren zeitlichen Verlauf erreicht der Druck p zum dritten Zeitpunkt
t_3 im Förderraum 26 einen
Druck p_1, bei dem davon ausgegangen werden kann, dass das Magnetventil 22 im
Wesentlichen allein schon durch Kraft des aufgebauten Drucks verschlossen
gehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird die auf das Magnetventil 22 wirkende
elektromagnetisch Kraft F_M durch eine weitere Reduzierung der Spannung
auf eine vierte Spannung U_4 verringert. Durch Anlegen der vierten
Spannung U_4 fällt der
korrespondierende Spulenstrom I in charakteristischer Weise auf
einen im Wesentlichen konstanten Haltestrom ab.
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Exemplarisch
ist in 7 in schematischer Weise eine Ansteuerung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Ansteuerdauer/-zeit ta und dem zeitlichen Verlauf von
Strom und Spannung an der Spule 21 des Magnetventils 22 gezeigt.
Die Ansteuerung des Magnetventils 22 beginnt zum Zeitpunkt
t_0 und endet kurz nach dem zweiten Zeitpunkt t_2 zum Zeitpunkt
ta. Ab dem Zeitpunkt t_0 liegt die erste Spannung U_1 an und wird, wie
beschrieben zum ersten und zweiten Zeitpunkt t_1, t_2 jeweils auf
die zweite und dritte Spannung U_2, U_3 reduziert. Der Stromverlauf
verhält
sich entsprechend, indem zuerst der Strom rasch und dann mit flacher
Steigung ansteigt und ab dem zweiten Zeitpunkt t_2 im Wesentlichen
konstant bleibt. Zum Ende der Ansteuerdauer ta wird die anliegende
dritte Spannung U_3 abgeschaltet und der Strom fällt in charakteristischer Weise
ab.
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Ab
Unterschreiten eines bestimmten Stromwerts wird der Einfachheit
halber angenommen, dass die Spule 21 stromlos ist und keine
wesentliche elektromagnetische Kraft F_M mehr am Magnetventil 22 anliegt,
sodass bei entsprechender Druckabnahme im Förderraum 26 das Magnetventil 22 öffnet. Die
relevante Zeit zur Löschung
des magnetischen Feldes ergibt sich im Wesentlichen aus der bekannten
Beziehung I = I_max·exp(t·R/L).
Die sich zur Ansteuerdauer ta ergebenden Löschzeit ΔtL_1 ist in 7 entsprechend
eingezeichnet.
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Ab
dem ersten Zeitpunkt t_1 ist mit gepunkteter Linie schematisch ein
erhöhter
Stromverlauf dargestellt, der sich ohne Spannungsreduzierung bei einer
beibehaltenen ersten Spannung U_1 einstellen würde. Wenn im vorliegenden Fall
davon ausgegangen wird, dass zum Abschaltzeitpunkt ta der erhöhte Stromverlauf
noch nicht zur Zerstörung
der Spule geführt
hat, so ist der 7 leicht zu entnehmen, dass die
Löschzeit ΔtL_x bei
einem erhöhten
Strom deutlich länger
ist als die Löschzeit ΔtaL, die
sich bei dem erfindungsgemäß geringeren
Strom einstellt.
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Durch
das erfindungsgemäße Vorgehen
ist es möglich,
dass Magnetventil 22 und insbesondere ein Mengensteuerventil
im Hinblick auf kurze Ansteuerzeiten bei hohen Drehzahlen der Hochdruckpumpe zu
optimieren. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, das Einlassventil
nur lose am Magnetstößel anliegen
zu lassen, wobei über
eine zusätzliche
Vorrichtung im Förderraum 26 eine
Feder auf das Einlassventil/Magnetventil 22 drückt. Dadurch
kann der Stößelhub deutlich
kleiner ausgeführt
werden, was wiederum dazu beiträgt,
die für
hohe Drehzahlen erforderlichen kurzen Schalt-/Ansteuerzeiten zu
erzielen. Eine weitere Maßnahmen
ist der Einsatz einer niederohmigen Spule mit reduzierter Windungszahl,
was zu einem schnellen Stromanstieg bzw. schnellen Anstieg der elektromagnetischen
Kraft führt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist es vorgesehen, mindestens eine der an der Spule 21 des Magnetventils 22 anliegenden
Spannung U_1, 2, 3, 4 durch Puls-Weiten-Modulation (PWM) einzustellen. Durch Ändern der
Puls- und Pausenzeiten ist es so möglich, beispielsweise ausgehend
von einer ersten Betriebsspannung, die effektive Spannung der weiteren
Spannungen so einzustellen, dass ein erfindungsgemäßer Strom- bzw. Kraftverlauf
zu den gewünschten
Zeitpunkten vorliegt. So kann beispielsweise als erste Spannung
U_1 die Bordnetzspannung gewählt
sein und alle weiteren Spannungen werden durch entsprechende Puls-Weiten-Modulation
erfindungsgemäß reduziert.
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Im
normalen Betrieb der Hochdruckpumpe ist es, wie auch in 2 gezeigt,
vorgesehen, das Mengensteuerventil 15 während des Förderhubs anzusteuern, insbesondere
sollte gewährleistet
sein, dass das Mengensteuerventil 15 zum Beginn des Saughubs
offen ist. Die Ansteuerung des Mengensteuerventils 15 endet
typischerweise zwischen dem zweiten und dritten Zeitpunkt t_2, t_3.
Das Mengensteuerventil 15 ist nach der der Ansteuerzeit
nachfolgenden Löschzeit
wieder geöffnet.
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Eine
Ansteuerung über
den dritten Zeitpunkt t_3 hinaus tritt üblicherweise nur bei sehr geringen Drehzahlen,
wie sie beispielsweise beim Start der Brennkraftmaschine vorliegen,
auf. Durch das Umschalten auf einen geringen Haltestrom wird die
Belastung der Spule 21 des Magnetventils 22 insbesondere
beim Start reduziert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist es denkbar, die Zeitpunkte und notwendigen elektrischen Spannungen
in Abhängigkeit
von Betriebsgrößen in einem
Kennfeld abzulegen, sodass beispielsweise über ein Steuergerät, Steuerelement
oder einer Recheneinheit zu jeder vorliegenden Betriebsbedingung
eine passende Ansteuerung des Mengensteuerventils 15 aus
dem Kennfeld entnommen werden kann. Als typische Betriebsgrößen kommen
beispielsweise in Frage, die Motordrehzahl nmot und dementsprechend
die Drehzahl n_hdp der Hochdruckpumpe, der notwendige Förderbeginn
bzw. Ansteuerzeitpunkt, die vorliegenden Batterie-/Betriebsspannung
U_Bat, U_Bet, die Betriebstemperatur T_M des Magnetventils sowie
weitere Größen.
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Des
Weiteren kann es vorgesehen sein, die Umschaltung zwischen den verschiedenen
Spannungen nicht in Schritten, sondern kontinuierlich vorzunehmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist es vorgesehen, den Stromanstieg ab dem ersten Zeitpunkt t_1
bis zum Zeitpunkt t_3 fortzuführen,
wobei ein maximaler Strom jedoch nie überschritten wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist es vorgesehen, nachdem das Magnetventil 22 zum Zeitpunkt
t_2 geschlossen ist und der Druck im Förderraum 26 ansteigt,
die elektromagnetische Kraft F_M, bzw. Strom und Spannung, im Gegenzug
zum ansteigenden Druck, kontinuierlich auf eine Mindesthaltekraft
abzusenken.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist es vorgesehen, zunächst,
wie bereits unter 3 bis 7 beschrieben,
eine hohe erste Spannung U_1 an die Spule 21 des Magnetventils 22 anzulegen
und, sobald die Schließbewegung
des Magnetventils zu einem ersten Zeitpunkt t_1 beginnt, eine zweite
niedrigeren Spannung U_2 anzulegen. Die zweite Spannung U_2 ist
so gewählt,
dass der Strom zwar nicht weiter ansteigt aber die auf das Magnetventil 22 wirkende
elektromagnetische Kraft F_M ausreicht, um die Schließbewegung
des Magnetventils 22 fortzusetzen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist es vorgesehen, eine hohe erste Spannung U_1 an die Spule 21 des
Magnetventils 22 anzulegen und vor Beginn der Schließbewegung
des Magnetventils zu einem ersten Zeitpunkt t_1 eine zweite niedrigere
Spannung U_2 anzulegen. Die zweite Spannung U_2 ist so gewählt, dass
der weitere Magnetkraftaufbau der Kraft F_M ausreicht, das Magnetventil 22 sicher
zu schließen.
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In
einem möglichen
Ausführungsbeispiel
ist die zweite Spannung im Wesentlichen gleich mit der dritten Spannung
U_3, die erfindungsgemäß nach dem
vollständigen
Verschließen
des Magnetventils 22 zum Zeitpunkt t_2 gewählt wird.
Durch ein derartiges Vorgehen kann in vorteilhafte Weise auf ein
Umschalten der Spannungen zum zweiten Zeitpunkt t_2 verzichten werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist es vorgesehen, die zweite Spannung t_2 so zu wählen, dass
der sich einstellende Strom I im Wert größer ist als der sich zur dritten
Spannung t_3 einstellende Strom I.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist es vorgesehen, die Ansteuerung des Magnetventils stromgesteuert
vorzunehmen, und die zu den jeweiligen Zeitpunkten t_0, 1, 2, 3
4 zu wählenden
Spannung von einem vorgegeben Stromanstieg abhängig zu machen.
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Prinzipiell
können
die physikalischen Zeitpunkte wie der Bewegungs-Zeitpunkt t_B, der End-Zeitpunkt
t_E und der Druck-Zeitpunkt bspw. durch direktes oder indirektes
Messen als auch durch Modellierung oder Emulationen ermittelt werden.
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Die
Umschaltzeitpunkte, also der erste, zweite und dritte Zeitpunkt
t_1, 2, 3 und auch der Ansteuerungsbeginn t_0 werden zwar in Anlehnung
an die physikalischen Gegebenheiten und Betriebsbedingungen bestimmt,
die Umschaltzeitpunkte müssen
jedoch nicht zwangläufig
mit bestimmten Ereignissen bspw. den physikalischen Zeitpunkten übereinstimmen.
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Insbesondere
ist es auch denkbar, die Wartezeit Δts je nach Anwendungsfall bspw.
wegzulassen, so dass der erste Zeitpunkt t_1 mit dem zweiten Zeitpunkt
t_2 zusammenfällt
und somit nach dem Anlegen der ersten Spannung U_1 gleich die dritte Spannung
U_3. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Wartezeit Δts so bemessen
ist, dass der zweite Zeitpunkt t_2 mit dem dritten Zeitpunkt t_3 übereinstimmt
und somit nach Anlegen der zweiten Spannung U_2 gleich die vierte
Spannung U_4 folgt. Natürlich
können
auch alle Zwischenzeitpunkte realisiert werden.
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Selbstverständlich sind
die Ausführungsformen/-beispiele
nicht auf das einzelne Beispiel beschränkt, sondern bilden auch in
beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung.