DE102007060771A1 - Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung (1), insbesondere für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen. Die Einspritzvorrichtung (1) umfasst eine Stromspule (7) und einen Magnetanker (5) zur Betätigung eines Ventilelements (3), welches mit einem Ventilsitz (4) zusammenarbeitet. Im Verfahren wird die Stromspule (7) während der Bewegung des Ventilelements (3) zeitweise kurzgeschlossen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine oder ein Subsystem einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des entsprechenden nebengeordneten Patentanspruchs.
  • Aus der DE 101 48 219 A1 ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bekannt, bei der ein ringförmiger Magnetanker im Gleitsitz auf einem Ventilelement aufgeschoben ist. Bei einem Beenden eines Schließvorgangs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wird der Magnetanker in Schließrichtung verzögert weiter- und anschließend entgegen der Schließrichtung zurückbewegt. Dabei kompensiert er dynamische Energie. Zum Verzögern des Magnetankers wird eine mit dem Gehäuse der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung verbundene Stromspule impulsartig bestromt und wirkt auf den Magnetanker. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuert dabei alle Funktionen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Bekannt ist ferner der Einsatz von Einspitzvorrichtungen bei SCR-Systemen (SCR = Selective Catalytic Reaction), bei denen zur Abgasnachbehandlung Harnstoff in das Abgasrohr einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen bzw. weiterzuentwickeln, bei dem die Einspritzvorrichtung zuverlässig arbeitet und mit geringem Kostenaufwand ein emissionsarmer und kraftstoffsparender Betrieb einer mit der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine bzw. einem entsprechenden Subsystem gewährleistet wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäße gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Lösungen sind in nebengeordneten Ansprüchen genannt, die eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm betreffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind ferner in Unteransprüchen aufgeführt. Wichtige Merkmale sind ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung enthalten, wobei diese Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen wichtig sein können, ohne dass hierauf explizit hingewiesen wird.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Bewegung des Ventilelements abgebremst werden kann, ohne dass die Spule mit zusätzlicher Energie bestromt wird. Somit ist der Wärmeeintrag in die Einspritzvorrichtung vergleichsweise gering, und es kann eine vergleichsweise einfache und preiswerte Endstufe zur Ansteuerung eingesetzt werden. Dennoch kann die Bewegung, insbesondere das Geschwindigkeitsprofil des Ventilelements so beeinflusst werden, dass ein emissionsarmer und kraftstoffsparender Betrieb einer Brennkraftmaschine oder eines Subsystems, in die die Einspritzvorrichtung eingebaut ist, ermöglicht wird.
  • Dem liegen folgende Überlegungen zu Grunde: Unter der Voraussetzung, dass das Ventilelement im Bereich der Stromspule einen Magnetanker (bspw. einen Dauermagnet oder einen Ferromagnet) aufweist, wird durch die Schließbewegung des Ventilelements in der Stromspule eine Induktionsspannung erzeugt, die eine auf das Ventilelement wirkende Kraft erzeugt, die in entgegengesetzter Richtung zur Bewegungsrichtung des Ventilelements wirkt und die hierdurch die Bewegung des Ventilelements abbremst. Die hierfür benötigten Einrichtungen sind bei üblichen Einspritzvorrichtung ohnehin vorhanden. Das Verfahren modifiziert lediglich die Steuerung der elektronischen Schalter zum Öffnen und Schließen der Einspritzvorrichtung durch das Ventilelement, die vorzugsweise in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung integriert sind.
  • In einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Stromspule während einer Schließbewegung des Ventilelements vor dem Auftreffen des Ventilelements auf den Ventilsitz kurzgeschlossen wird. Dies reduziert die Geschwindigkeit des Ventilelements unmittelbar vor dessen Auftreffen auf den Ventilsitz, was dort den Verscheiß reduziert, die Lebensdauer des Ventilelements und des Ventilsitzes erhöht und außerdem eine Reduzierung der Geräuschentwicklung in der Einspritzvorrichtung erzielt.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die magnetische Energie aus der Stromspule durch eine Schnelllöschung wenigstens im Wesentlichen entfernt und die Stromspule danach kurzgeschlossen wird. Während der Schnellöschphase baut sich die magnetische Energie, die von einem zuvor durchfließenden elektrischen Strom herrührt, in der Stromspule besonders schnell ab. Die Stromspule wird dadurch – physikalisch gesehen – in eine neutrale Position gebracht, die eine optimale Vorrausetzung für das Abbremsen des Magnetankers durch den Strom, der durch die Induktionsspannung hervorgerufen wird, schafft. Während dieser Bremsphase ist die Stromspule kurzgeschlossen.
  • Nachfolgend wird anhand von Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgastrakt (Subsystem);
  • 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung im Vertikalschnitt;
  • 3 eine Prinzipschaltung der Steuerung der Einspritzvorrichtung aus 1;
  • 4 ein Diagramm, in dem der Hub eines Ventilelements der Einspritzvorrichtung von 1 und die Bestromung einer Stromspule über der Zeit aufgetragen sind;
  • 5 eine Darstellung ähnlich 3 einer alternativen Ausführungsform; und
  • 6 eine Darstellung ähnlich 3 einer nochmals alternativen Ausführungsform.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 20, in deren Brennräume 22 Kraftstoff mittels Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 1a eingespritzt wird. Diese sind an ein Hochdruckrail 26 angeschlossen, welches von einer Kraftstoffversorgung 28 gespeist wird. Zu der Brennkraftmaschine 20 gehört als Subsystem auch ein Abgassystem 30, in dem in Strömungsrichtung gesehen nacheinander ein Oxidationskatalysator 32, ein Diesel-Partikelfilter 34 und ein SCR-Katalysator 36 (SCR = Selective Catalytic Reduction) angeordnet sind. Mit Letzterem werden Stickoxide im Abgas reduziert.
  • Unmittelbar stromaufwärts vom Oxidationskatalysator 32 ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 1b angeordnet, die ebenfalls an die Kraftstoffversorgung 28 angeschlossen ist und mittels der Kraftstoff in das Abgas eingespritzt werden kann. Eine solche Einspritzung erfolgt dann, wenn der Diesel-Partikelfilter 32 regeneriert werden soll. Stromaufwärts vom SCR-Katalysator 36 ist eine Harnstoff-Einspritzvorrichtung 1c angeordnet, die von einer Harnstoff-Versorgungseinrichtung 38 gespeist wird und zur Bildung von Ammoniak im Abgas dient, durch welches das Stickoxid im Abgas reduziert wird.
  • Die Einspritzvorrichtungen 1a–1c können prinzipiell ähnlich sein, und werden daher in ihrer Gesamtheit nachfolgend nur noch durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Einspritzvorrichtung 1 verfügt über ein nadelartiges Ventilelement 3, welches mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz 4 zusammenarbeitet. Das Ventilelement 3 weist in seinem oberen Bereich in 2 einen ringförmigen Magnetanker 5 auf (bei einer nicht gezeigten Ausführungsform kann auch ein ferromagnetischer Anker verwendet werden). In einem vorgegebenen Abstand zum Magnetanker 5 ist – in 2 etwas nach oben versetzt – eine ringförmige Stromspule 7 angeordnet. Über der in 2 oberen Stirnseite des Ventilelements 3 ist ein Federelement 8 positioniert, das mit seiner Federkraft das Ventilelement 3 in Schließrichtung zum Ventilsitz 4 hin drückt.
  • Das Ventilelement 3 wird vom Ventilsitz angehoben, indem ein elektrischer Strom durch die Stromspule 7 geschaltet wird. Durch die dadurch entstehende magnetische Energie wird eine Kraft in der Stromspule 7 erzeugt, die auf den Magnetanker 5 wirkt und diesen gegen die Federkraft des Federelements 8 anhebt, und zwar maximal bis in eine Position, in der Stromspule 7 und Magnetanker 5 bündig zueinander sind. Zum Absenken wird der elektrische Strom abgeschaltet, wodurch sich die Kraft in der Spule verringert. Das Federelement 8 drückt nun mit seiner Federkraft das Ventilelement 3 in den Ventilsitz 4. Kurz vor dem Auftreffen des Ventilelements 3 auf dem Ventilsitz 4 wird die Stromspule 7 kurzgeschlossen, wodurch auf den Magnetanker 5 und damit auch das Ventilelement 3 eine erhöhte Bremskraft wirkt, so dass das Ventilelement 3 mit verringerter Geschwindigkeit im Ventilsitz 4 auftrifft, wie weiter unten noch im Detail ausgeführt werden wird. Die Stromspule 7 wird durch eine Steuereinrichtung 12 angesteuert, die in der Einspritzvorrichtung 1 oder außerhalb der Einspritzvorrichtung 1 angeordnet sein kann.
  • Die Steuereinrichtung 12 umfasst eine Schaltung gemäß 3: Eine elektrische Spannung U, vorzugsweise die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs, liegt über einen elektronischen Schalter 9 (High Side Schalter) an der Stromspule 7 an. Die andere Seite der Stromspule 7 ist über einen elektronischen Schalter 10 (Low Side Schalter) geerdet. Die elektronischen Schalter 9 und 10 können z. B. als Feldeffekttransistor, bspw. einem MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor) in einem integrierten Schaltkreis der Steuereinrichtung 12 realisiert sein.
  • Zwischen Spannung U und der geerdeten Seite der Stromspule 7 ist eine Freilaufdiode 11 parallelgeschaltet, und zwar in der Weise, dass der Schalter 9 innerhalb der Parallelschaltung und der Schalter 10 außerhalb der Parallelschaltung liegen und die Sperrrichtung der Diode zur angelegten Spannung U zeigt. Die Freilaufdiode 11 dient auch zum Schutz von elektronischen Bauteilen vor einer Überspannung beim Abschalten der induktiven Gleichspannungslast in der Stromspule 7, wo bei schnellen Schaltvorgängen eine Spannungsspitze von einem Vielfachen der angelegten Spannung U erreicht werden kann. Ferner umfasst die Schaltung eine Zenerdiode 13, die parallel zur Spule 7 geschaltet ist.
  • Die Schaltung funktioniert im Wesentlichen in drei Prozessschritten. Hierzu wird auch auf 4 verwiesen. Diese zeigt im oberen Bereich ein Diagramm, in dem ein Hub H des Ventilelements 3 über der Zeit aufgetragen ist, und im unteren Bereich ein Diagramm, in dem ein Strom I, der durch die Spule 7 strömt, über der Zeit aufgetragen ist.
  • Zunächst, im ersten Schritt, wird das Ventilelement 3 zum Zeitpunkt t0 vom Ventilsitz 4 angehoben (Beginn einer Einspritzung). Hierzu werden die Schalter 9 und 10 geschlossen. Strom fließt durch die Stromspule 7 und baut in dieser ein Magnetfeld auf. Die daraus resultierende magnetische Energie hebt die Ventilnadel 3 über den Magnetanker 5 von Ventilsitz 4 ab (vergl. Bezugszeichen 6), da die Vorrichtung versucht, einen magnetischen Widerstand zu minimieren (ein Luftspalt zwischen Stromspule 7 und Magnetanker 5 wird minimiert). Wenn sich die Stromspule 7 und der Magnetanker 5 auf gleicher Höhe befinden, ist der Luftspalt minimal (Haltestrom in der Stromspule 7). Zum Zeitpunkt t1 schlägt das Ventilelement 3 an einem nicht dargestellten Anschlag an, die Öffnungsbewegung ist also abgeschlossen.
  • Im zweiten Schritt wird das Schließen des Ventilelements 3 vorbereitet. Hierzu werden zum Zeitpunkt t2 die Schalter 9 und 10 geöffnet, d. h. über die Stromspule 7 baut sich eine Löschspannung auf. Dabei baut sich die magnetische Energie in der Stromspule 7 und damit auch die auf den Magnetanker 5 wirkende Kraft ab ("Schnelllöschung"). Das Ventilelement 3 kann sich nun aufgrund der Federkraft des Federelements 8 auf den Ventilsitz 4 zu bewegen. Die Stromspule 7 kommt zum Zeitpunkt t3 in einen magnetisch neutralen Zustand.
  • Im dritten Schritt zum Zeitpunkt t4, in einem definierten zeitlichen Abstand vor dem gewünschten Auftreffen des Ventilelements 3 auf dem Ventilsitz 4 (Zeitpunkt t5), der entweder starr vorgegeben oder von einer oder mehreren Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine abhängen kann, schließt der Schalter 9, und der Schalter 10 bleibt geöffnet. Nun ist die Stromspule 7 kurzgeschlossen. Der Magnetanker 5 bewegt sich immer noch durch die zwischenzeitlich magnetisch neutrale Stromspule 7 und induziert in dieser jetzt eine Induktionsspannung. Gemäß dem physikalischen Gesetz zur Entstehung der Induktionsspannung (Lenzsche Regel) entsteht dabei ein Strom und hierdurch eine magnetische Kraft, die der Ursache (Magnetanker 5 bewegt sich mit Ventilelement 3 zum Ventilsitz 4 hin) entgegen wirkt, also den Magnetanker 5 (und damit auch das Ventilelement 3) in seiner Schließbewegung (vergl. Bezugszeichen 6) abbremst. Zum Zeitpunkt t5 schlägt das Ventilelement 3 am Ventilsitz 4 an, die Schließbewegung ist beendet.
  • Eine alternative Ausführungsform einer Schaltung zeigt 5, wobei solche Elemente, die funktionsäquivalent sind zu bereits beschriebenen Elementen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind. Bei der Schaltung von 5 sind gegenüber jener von 3 die Schalter 9 und 10 vertauscht. Die Freilaufdiode 11 und die Zenerdiode 13 sind parallel zur Spule 7, also einerseits zwischen Schalter 9 und Spule 7 und andererseits zwischen Schalter 10 und Spule 7 geschaltet. Eine weitere Alternative zeigt 6: Diese ist ähnlich zu jener von 3, jedoch ist die Zenerdiode 13 parallel zu der Spule 7 und zum Schalter 9 geschaltet. Die Freilaufdiode ist ersetzt durch einen Schalter 11, beispielsweise einen MOSFET.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10148219 A1 [0002]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (20) oder ein Subsystem (30) einer Brennkraftmaschine (20) in einem Kraftfahrzeug, bei dem ein Ventilelement (3) der Einspritzvorrichtung (1) mit einem Ventilsitz (4) zusammenarbeitet und durch Bestromen einer Stromspule betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bewegung des Ventilelements (3) die Stromspule (7) zeitweise kurzgeschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspule (7) während einer Schließbewegung des Ventilelements (3) vor dem Auftreffen des Ventilelements (3) auf den Ventilsitz (4) kurzgeschlossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Energie aus der Stromspule (7) durch eine Schnelllöschung wenigstens im Wesentlichen entfernt und die Stromspule (7) danach kurzgeschlossen wird.
  4. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (12) für eine Brennkraftmaschine (20) oder ein Subsystem (30) einer Brennkraftmaschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 programmiert ist.
  5. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 programmiert ist.
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