DE102009003977B3

DE102009003977B3 - Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb eines Ventils unter Verwendung eines Stromintegrals

Info

Publication number: DE102009003977B3
Application number: DE102009003977A
Authority: DE
Inventors: Johannes Beer; Stephan Bolz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: KR20110117141A; US20110273812A1; CN102272435A; WO2010079059A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) und ein Verfahren beschrieben, welche es erlauben für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb (110) durch eine Regelung basierend auf einem Stromintegral des Spulenantriebs (110) insbesondere während einer Boost-Phase eines Strom-Ansteuerprofils des Spulenantriebs (110) insbesondere die Puls zu Puls Variation der Menge an durch das Direkteinspritzventil eingespritzten Kraftstoff zu reduzieren. Es wird ferner ein Computerprogramm beschrieben, mit dem das genannte Verfahren durchgeführt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Ansteuerung von Spulenantrieben für ein Ventil, insbesondere ein Kraftstoff-Direkteinspritzventil für einen Motor eines Kraftfahrzeuges.
Für den Betrieb moderner Verbrennungsmotoren und die Einhaltung strenger Emissionsgrenzwerte bestimmt eine Motorsteuerung über das sog. Zylinderfüllungsmodell die in einem Zylinder pro Arbeitsspiel eingeschlossene Luftmasse. Entsprechend der modellierten Luftmasse und dem gewünschten Verhältnis zwischen Luftmenge und Kraftstoffmenge (Lambda) wird der entsprechende Kraftstoffmengensollwert (MFF_SP) über ein Einspritzventil eingespritzt. Damit wird erreicht, die einzuspritzende Kraftstoffmenge so zu bemessen, dass ein für die Abgasnachbehandlung im Katalysator optimaler Wert für Lambda vorliegt. Für direkteinspritzende Ottomotoren mit einer inneren Gemischbildung wird der Kraftstoff mit einem Druck im Bereich von 40 bis 200 bar direkt in den Brennraum eingespritzt.
Hauptanforderung an das Einspritzventil ist neben einer Dichtheit gegen einen unkontrollierten Kraftstoffausfluss und der Strahlaufbereitung des einzuspritzenden Kraftstoffs auch eine zeitlich exakte Zumessung der vorgesteuerten Einspritzmenge. Insbesondere bei aufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotoren ist eine sehr hohe Mengenspreizung der geforderten Kraftstoffmenge erforderlich. So muss beispielsweise für den aufgeladenen Betrieb an der motorischen Volllast eine maximale Kraftstoffmenge MFF_max pro Arbeitsspiel zugemessen werden, wohingegen im leerlaufnahen Betrieb eine minimale Kraftstoffmenge MFF_min zugemessen werden muss. Die beiden Kenngrößen MFF_max u. MFF_min definieren dabei die Grenzen des linearen Arbeitsbereichs des Einspritzventils. Dies bedeutet, dass für diese Einspritzmengen ein linearer Zusammenhang zwischen der Einspritzzeit (elektrische Ansteuerdauer (Ti)) und der eingespritzten Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel (MFF) besteht.
Für Direkteinspritzventile mit Spulenantrieb beträgt die Mengenspreizung, welche definiert ist als der Quotient zwischen der maximalen Kraftstoffmenge MFF_max und der minimalen Kraftstoffmenge MFF_min, ungefähr 15. Für zukünftige Motoren mit dem Fokus auf einer CO2-Reduktion wird der Hubraum der Motoren verkleinert und die Nennleistung des Motors über entsprechende Motorauflademechanismen beibehalten oder sogar angehoben. Somit entspricht die Anforderung an die maximale Kraftstoffmenge MFF_max mindestens den Anforderungen eines Saugmotors mit einem größeren Hubraum. Die minimale Kraftstoffmenge MFF_min wird jedoch über den leerlaufnahen Betrieb und der minimalen Luftmasse im Schubbetrieb des im Hubraum verkleinerten Motors bestimmt u. somit verringert. Folglich ergibt sich für zukünftige Motoren eine erhöhte Anforderung sowohl an die Mengenspreizung als auch an die minimale Kraftstoffmenge MFF_min. Bei Einspritzmengen kleiner der minimalen Kraftstoffmenge MFF_min kommt es jedoch sowohl zu einer unzulässigen Puls zu Puls Variation der Einspritzmenge als auch zu einer Variation der mittleren Einspritzmengen zwischen den verschiedenen Einspritzventilen eines Motors.
Die Kennlinie eines Einspritzventils definiert den Zusammenhang zwischen der eingespritzten Kraftstoffmenge MFF und der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung (MFF = f(Ti)). Die Invertierung dieser Beziehung Ti = g(MFF_SP) wird in der Motorsteuerung genutzt, um die Soll-Kraftstoffmenge (MFF_SP) in die erforderliche Einspritzzeit umzurechnen. Die in diese Berechnung zusätzlichen eingehenden Einflussgrößen wie Kraftstoffdruck, Zylinderinnendruck während des Einspritzvorgangs, sowie mögliche Variationen der Versorgungsspannung werden hier zur Vereinfachung weggelassen.
4a zeigt die Kennlinie eines Direkteinspritzventils. Dabei ist die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF in Abhängigkeit von der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung aufgetragen. Wie aus 4a ersichtlich, gibt es für Zeitdauern Ti größer als Ti_min einen in sehr guter Näherung linearen Arbeitsbereich. Dies bedeutet, dass die eingespritzte Kraftstoffmenge MFF direkt proportional zu der Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung ist. Für Zeitdauern Ti kleiner als Ti_min ergibt sich ein stark nicht lineares Verhalten. In dem dargestellten Beispiel ist Ti_min ungefähr 0,3 ms.
Die Steigung der Kennlinie im linearen Arbeitsbereich entspricht dem statischen Durchfluss des Einspritzventils, d. h. der Kraftstoffdurchflussrate, die bei vollständigem Ventilhub dauerhaft erreicht wird. Die Ursache für das nicht lineare Verhalten für Zeitdauern Ti kleiner als ungefähr 0,3 ms bzw. für Kraftstoffmengen MFF < MFF_min liegt insbesondere in der Trägheit eines Injektor-Federmassesystems sowie dem zeitlichen Verhalten beim Auf- u. Abbau des Magnetfeldes durch eine Spule, welches Magnetfeld die Ventilnadel des Einspritzventils betätigt. Durch diese dynamischen Effekte wird für Ti < Ti_min der vollständige Ventilhub nicht mehr erreicht. Dies bedeutet, dass das Ventil wieder geschlossen wird bevor die konstruktiv vorgegebene Endposition, welche den maximalen Ventilhub definiert, erreicht wurde.
Um eine definierte und reproduzierbare Einspritzmenge zu gewährleisten, werden Direkteinspritzventile üblicherweise in ihrem linearen Arbeitsbereich betrieben. Daraus ergibt sich eine minimale Kraftstoffmenge MFF_min pro Einspritzpuls, welche mindestens gegeben sein muss, um die Einspritzmenge genau zu bestimmen. In dem In 4a dargestellten Beispiel ist diese minimale Kraftstoffmenge MFF_min etwas kleiner als 10 mg.
Die elektrische Ansteuerung eines Direkteinspritzventils erfolgt üblicherweise über stromgeregelte Vollbrücken-Endstufen der Motorsteuerung, die es erlauben, das Einspritzventil mit einer Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs und alternativ mit einer Verstärkungsspannung zu beaufschlagen. Die Verstärkungsspannung wird häufig auch als Boostspannung (Vboost) bezeichnet und kann beispielsweise ca. 60 V betragen.
4b zeigt ein typisches Strom-Ansteuerprofil für ein Direkteinspritzventil mit Spulenantrieb. Die Ansteuerung gliedert sich in folgende Phasen:

A) Pre-Charge-Phase: Während dieser Phase der Dauer t_pch wird durch die Brückenschaltung der Endstufe die Batteriespannung Vbat, welche der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs entspricht, an den Spulenantrieb des Einspritzventils angelegt. Bei Erreichen eines Stromsollwertes I_pch_sp wird die Batteriespannung Vbat durch einen Zweipunktregler abgeschaltet, nach Unterschreiten einer weiteren Stromschwelle wird Vbat wieder eingeschaltet. Dadurch ergibt sich während der Pre-Charge-Phase eine zeitliche Schwankung des Stroms, wobei der Maximalwert durch den Stromsollwert I_pch_sp definiert ist.
B) Boost-Phase: An die Pre-Charge Phase schließt sich die Boost-Phase an. Dazu wird von der Endstufe die Verstärkungsspannung Vboost solange an den Spulenantrieb angelegt, bis ein Maximalstrom I_peak erreicht ist. Durch den schnellen Stromaufbau öffnet das Einspritzventil beschleunigt. Nach Erreichen von I_peak schließt sich bis zum Ablauf von t_1 eine Freilaufphase an, während dieser wiederum die Batteriespannung Vbat an den Spulenantrieb angelegt wird. Die Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung wird ab dem Beginn der Boost-Phase gemessen. Dies bedeutet, dass der Übergang in die Freilaufphase durch das Erreichen des vorgegebenen Maximalstroms I_peak getriggert wird. Die Dauer t_1 der Boost-Phase ist in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks fest vorgegeben.
C) Abkommutierungs-Phase: Nach Ablauf von t_1 schließt sich eine Abkommutierungs-Phase an. Dabei wird das Magnetfeld des Injektors durch Anlegen einer negativen Verstärkungsspannung-Vboost schnell abgebaut. Die Abkommutierungs-Phase ist zeitgesteuert und hängt von der Batteriespannung Vbat und von der Dauer t_1 der Boost-Phase ab. Die Abkommutierungs-Phase endet nach Ablauf einer weiteren Zeitspanne t_2.
D) Halte-Phase: An die Abkommutierungs-Phase schließt sich die sog. Haltephase an. Hier wird wiederum über einen Zweipunktregler der Haltestromsollwert I_hold_sp über die Batteriespannung Vbat eingeregelt.
E) Abschalt-Phase: Durch Abschalten der Spannung entlädt sich die Spule über eine Freilaufdiode. Das Einspritzventil schließt über eine Federkraft, welche durch den an dem Einspritzventil anliegenden Kraftstoffdruck unterstützt wird.

Wie aus 4b ersichtlich, ist die Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung als die Zeit zwischen dem Start der Boost-Phase und dem Abschalten des Haltestroms definiert.
In der Praxis beruhen unerwünschte Schwankungen hinsichtlich der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge MFF neben möglichen Variationen des an dem Einspritzventil anliegenden Kraftstoffdrucks auch auf unerwünschte Variationen des in 4b dargestellten Stromprofils. Unerwünschte Variationen des Stromprofils führen insbesondere bei geringen Kraftstoffmengen zu einer großen Abweichung der eingespritzten Kraftstoffmenge vom Nominalwert. Dies gilt in besonderem Maße dann, wenn die Kraftstoffmengen MFF kleiner sind als die oben beschriebene minimale Kraftstoffmenge MFF_min.
Aus der DE 101 40 157 A1 ist Verfahren zum Ansteuern eines eine Ruhestellung und eine Arbeitsstellung aufweisenden Magnetventils bekannt. Das Magnetventil ist derart ausgebildet, dass 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. Zur Einstellung einer vorherbestimmten Zeitspanne, in der sich das Magnetventil in der Arbeitsstellung befindet, wird die Länge der Anzugsphase verändert. Dazu kann ein Ansteuermodus verwendet werden, in dem die Länge der Anzugsphase derart gewählt wird, dass ein Integral über den zeitlichen Verlauf des Ventilsteuerstroms einen vorbestimmten Wert annimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Stromprofil für ein Einspritzventil dahingehend zu verbessern, dass auch bei geringen Kraftstoffmengen ein reproduzierbares Einspritzverhalten insbesondere hinsichtlich von Schwankungen der tatsächlichen Einspritzmenge erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb eines Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist auf (a) ein erstes Schaltelement zum Koppeln des Spulenantriebs mit einer ersten Spannungsquelle, welche eine erste Versorgungsspannung bereitstellt, (b) ein zweites Schaltelement zum Koppeln des Spulenantriebs mit einer zweiten Spannungsquelle, welche eine zweite Versorgungsspannung bereitstellt, die größer ist als die erste Versorgungsspannung, (c) eine Strommesseinrichtung, welche mit dem Spulenantrieb gekoppelt ist und welche bei einem Stromfluss durch den Spulenantrieb ein Strommesssignal ausgibt, welches für den Stromfluss durch den Spulenantrieb indikativ ist, und (d) eine Steuereinrichtung, welche mit der Strommesseinrichtung und mit den beiden Schaltelementen gekoppelt ist und welche einen Integrator zum Bestimmen eines Stromintegrals aufweist, welches für das Integral über das Strommesssignal von einem Startzeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt indikativ ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass abhängig von dem Stromintegral der Schaltzustand von zumindest einem der beiden Schaltelemente steuerbar ist.
Der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Stromfluss durch den Spulenantrieb beson ders genau eingestellt werden kann, wenn als Ausgangsgröße für die Betätigung des ersten und/oder des zweiten Schaltelements nicht direkt der Stromfluss durch den Spulenantrieb sondern ein Integral über den Stromfluss verwendet wird. Dabei ist unter dem Begriff Stromfluss die Stromstärke eines durch den Spulenantrieb fließenden Stroms zu verstehen. Der Stromfluss ist üblicherweise eine zeitabhängige Größe, welche bei dem Spulenantrieb eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges zeitlich mit dem aktuellen Kurbelwellenwinkel korreliert ist.
Bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung wird das Stromintegral für die Betätigung des ersten und/oder des zweiten Schaltelements verwendet. Da das Stromintegral u. a. aufgrund der unterschiedlichen Spannungspegel der beiden Schaltelemente wiederum von der Stellung des ersten und/oder des zweiten Schaltelements abhängt, stellt das Stromintegral ein Rückkopplungssignal innerhalb einer rückkopplungsbehafteten Steuerung dar. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung weist somit zumindest innerhalb eines Zeitintervalls, welches durch den Startzeitpunkt und dem Endzeitpunkt definiert ist, einen geschlossenen Regelkreis auf. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann somit auch als Regelvorrichtung bezeichnet werden.
Die Strommesseinrichtung kann beispielsweise ein ohmscher Widerstand sein, welcher mit dem Spulenantrieb in Serie geschaltet ist.
Das Stromintegral kann innerhalb verschiedener Phasen des Strom-Ansteuerprofils für den Spulenantrieb gemessen und zur Steuerung bzw. zur Regelung der Spannungsbeaufschlagung des Spulenantriebs verwendet werden. Auch wenn die Zeitspanne zwischen Startzeitpunkt und Endzeitpunkt vergleichsweise kurz ist, stellt das Stromintegral im Vergleich zu dem einfachen Strommesssignal eine besonders verlässliche Rückkopplungsgröße dar.
Die Verwendung des Stromintegrals als Rückkopplungsgröße hat den Vorteil, dass bei einer Kraftstoffeinspritzung unerwünschte Puls zu Puls Variationen in Bezug auf die Menge des eingespritzten Kraftstoffs erheblich vermindert werden können. Dies gilt insbesondere dann, wenn lediglich eine besonders kleine Kraftstoffmenge eingespritzt werden soll, welche kleiner ist als eine minimale Kraftstoffmenge, die mit herkömmlichen, lediglich in einem linearen Arbeitsbereich betriebenen Einspritzventilen, in den Verbrennungsraum eines Motors appliziert werden kann. Ein mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung gesteuertes Einspritzventil kann somit auch kleinere Kraftstoffmengen mit einer hohen Mengengenauigkeit einspritzen.
Bevorzugt können die beiden Schaltelemente in einer zueinander korrelierten Weise angesteuert werden. Insbesondere kann es ausgeschlossen sein, dass sowohl das erste Schaltelement als auch das zweite Schaltelement gleichzeitig in einem geschlossenen Zustand sind. Dies hätte nämlich zur Folge, dass infolge eines ”Kurzschlussstroms” zwischen den beiden Spannungsquellen, welcher an dem Spulenantrieb vorbei fließt, eine der beiden Versorgungsspannungen zusammenbrechen würde. Selbstverständlich können zu einem bestimmten Zeitpunkt auch beide Schaltelemente im geöffneten Zustand vorliegen, so dass im Ergebnis keine der beiden Spannungsquellen mit dem Spulenantrieb gekoppelt ist.
Die Verwendung des Stromintegrals als, Rückkopplungsgröße hat ferner den Vorteil, dass Temperaturschwankungen zumindest annähernd kompensiert werden können, welche sich bei herkömmlich angesteuerten Direkteinspritzventilen negativ auf die jeweilige Einspritzmenge und insbesondere auf die Puls zu Puls Konstanz der Einspritzmenge von verschiedenen Einspritzvorgängen durch ein und dasselbe Einspritzventil auswirken. Dies gilt sowohl für das Einspritzventil als auch für eine elektrische Endstufe, mit der der Spulenantrieb des Einspritzventils angetrieben wird.
Erfindungsgemäß ist der Startzeitpunkt der Beginn einer Verstärkungsphase in einem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs. Die Verstärkungsphase kann insbesondere dann beginnen, wenn der Spulenantrieb durch ein Schließen des zweiten Schaltelements mit der zweiten Versorgungsspannung beaufschlagt wird. Dies bedeutet, dass der Zeitpunkt des Schließens des ersten Schaltelements mit der Startzeitpunk zum Bestimmen des Stromintegrals zusammenfällt.
Während der Verstärkungsphase, welche auch als sog. Boost-Phase bezeichnet werden kann, wird der Spulenantrieb kurzzeitig mit einem erhöhten Spulenstrom bestrieben. Der erhöhte Spulenstrom kann dabei so groß sein, dass er, sofern er für eine längere Zeitspanne aufrecht erhalten werden würde, zu einer Zerstörung des Spulenantriebs führen würde.
Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der Induktivität des Spulenantriebs mit dem Anlegen der zweiten Versorgungsspannung an den Spulenantrieb, welcher Zeitpunkt den Beginn der Verstärkungsphase markiert, selbstverständlich nicht sofort der erhöhte Spulenstrom erreicht wird. Der Spulenstrom wird vielmehr – ausgehend von einem Ausgangswert – annähernd linear in Richtung des erhöhten Spulenstroms ansteigen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Spulenstrom auch tatsächlich den erhöhten Spulenstrom erreicht. Insbesondere bei der Applizierung von lediglich sehr geringen Kraftstoffmengen kann nämlich die Kopplung des Spulenantriebs mit der zweiten Versorgungsspannung und ggf. auch mit der ersten Versorgungsspannung unterbrochen werden, bevor der erhöhte Spulenstrom durch den Spulenantrieb erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist ferner der Endzeitpunkt das Ende der Verstärkungsphase in dem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs. Das Ende der Verstärkungsphase fällt dabei nicht zwangsläufig mit einem Übergang des zweiten Schaltelements von einem geschlossenen in einen offenen Zustand zusammen. Dies kann insbesondere mit der bereits oben genannten Induktivität des Spulenantriebs zusammenhängen, welche dafür sorgt, dass ein einmal aufgebauter Spulenstrom nicht sofort zusammenbricht, wenn die Versorgungsspannung, die den Spulenstrom veranlasst hat, nicht mehr vorhanden ist.
Die zeitliche Dauer und damit das Ende der Verstärkungsphase kann deshalb dadurch definiert sein, dass der Spulenstrom während einer Spannungsbeaufschlagung des Spulenantriebs mit der ersten Versorgungsspannung oder mit der zweiten Versorgungsspannung größer wird als ein sogenannter Haltestromsollwert, welcher für eine konstante Öffnung des Einspritzventils während einer Haltephase sorgt. Dieser Haltestromwert kann beispielsweise mittels eines bekannten Zweipunktreglers, welcher mit der ersten Versorgungsspannung arbeitet, erzeugt werden.
Erfindungsgemäß weist außerdem die Steuereinrichtung einen Komparator zum Vergleichen des Stromintegrals mit zumindest einem Stromintegral-Referenzwert auf. Der Stromintegral-Referenzwert kann dabei derart bemessen sein, dass das Stromintegral diesen Stromintegral-Referenzwert erreicht, bevor ein vorbestimmter Spitzenstrom erreicht wird. Der vorbestimmte Spitzenstrom kann beispielsweise ein Stromwert sein, der bei einer herkömmlichen Ventil-Ansteuerstrategie im Falle einer relativ großen Einspritzmenge zu einem Entkoppeln des Spulenantriebs von der zweiten Versorgungsspannung führt.
Der Stromintegral-Referenzwert kann auch so groß sein, dass das Stromintegral diesen Stromintegral-Referenzwert erreicht, nachdem der oben genannte vorbestimmte Spitzenstrom erreicht wird. Bei Erreichen des Referenzwertes kann beispielsweise eine sogenannte Freilaufphase innerhalb der Verstärkungsphase abgebrochen und/oder eine Abschaltphase außerhalb der Verstärkungsphase begonnen werden. Die Freilaufphase kann dabei dadurch bestimmt sein, dass innerhalb der Verstärkungsphase bei einer Beaufschlagung des Spulenantriebs mit der ersten Versorgungsspannung ein Strom durch den Spulenantrieb fließt, welcher größer ist als der oben beschriebene Haltestromsollwert. Die Abschaltphase zeichnet sich dadurch aus, dass beide Schaltelemente im geöffneten Zustand sind, so dass der Spulenantrieb weder mit der ersten noch mit der zweiten Versorgungsspannung beaufschlagt ist und sich der Spulenstrom über Freilaufdioden in die zweite Versorgungsspannung entladen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste Versorgungsspannung eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs. Die Bordnetzspannung kann dabei die Ladeschlussspannung einer Batterie des Kraftfahrzeuges sein, welche durch die Nennspannung der Batterie bestimmt wird. Bei einer typischen Batterie-Nennspannung von beispielsweise 12 Volt kann die Bordnetzspannung beispielsweise 14 Volt betragen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Versorgungsspannung eine Verstärkungsspannung. Die Verstärkungsspannung, welche auch als Boost-Spannung bezeichnet werden kann, kann beispielsweise in bekannter Weise mittels einer DC/DC Spannungswandlung aus der ersten Versorgungsspannung generiert sein. Die Verstärkungsspannung kann beispielsweise einen Pegel von 60 Volt aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Komparator derart eingerichtet, das Stromintegral mit einem ersten Stromintegral-Referenzwert zu vergleichen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der Wert der minimalen Einspritzmenge genau eingestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Steuereinrichtung einen weiteren Komparator zum Vergleichen des Strommesssignals mit zumindest einem Strommesssignal-Referenzwert auf. Dies hat den Vorteil, dass die Steuereinrichtung den Schaltzustand von dem ersten und/oder dem zweiten Schaltelement nicht nur in Abhängigkeit des Stromintegrals sondern zusätzlich auch noch in Abhängigkeit von dem aktuell gegebenen Strommesssignals steuern kann.
Der Strommesssignal-Referenzwert kann beispielsweise ein vorbestimmter Spitzenstrom sein, der bei einer herkömmlichen Ventil-Ansteuerstrategie im Falle einer relativ großen Einspritzmenge innerhalb der Verstärkungsphase zu einem Entkoppeln des Spulenantriebs von der zweiten Versorgungsspannung führt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest ein Teil der Steuereinrichtung mittels eines Mikrocontrollers realisiert. Der Teil der Steuereinrichtung kann dabei der Integrator, der Komparator und/oder der weitere Komparator sein.
Der Mikrocontroller kann ein programmierbarer Prozessor sein, so dass der Teil der Steuereinrichtung mittels eines Computerprogramms, d. h. mittels einer Software realisiert werden kann. Der Mikrocontroller kann jedoch auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Integrator mittels aktiver elektronischer Bauelemente realisiert. Dies hat den Vorteil, dass die Strommesseinrichtung mittels eines kleinen ohmschen Widerstandes realisiert sein kann, welcher auf vorteilhafte Weise eine größere Verlustleistung bei der Strommessung vermeidet. Der mit einem kleinen Widerstandswert verbundene Nachteil eines kleinen Strommesssignals kann dadurch vermieden werden, dass zumindest ein aktives elektronisches Bauelement für eine Verstärkerschaltung verwendet wird, welche die am Widerstand abfallende Spannung verstärkt. Dies bedeutet, dass das Integral von einem verstärkten Strommesssignal gemessen wird, so dass die Genauigkeit der Integration erheblich verbessert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Integrator einen oder zwei Operationsverstärker auf. Dies hat den Vorteil, dass ein leistungsfähiger Integrator auf besonders einfache Weise realisiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Integrator mittels einer diskreten Schaltung von Bauelementen realisiert. Die für die diskrete Schaltung verwendeten Bauelemente sind dabei insbesondere passive Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren und/oder aktive Bauelemente wie Bipolartransistoren. Dies bedeutet, dass für die beschriebene Verstärkerschaltung keine integrierten Bausteine wie beispielsweise Operationsverstärker oder spezifische ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Bausteine verwendet werden. Dadurch kann der Integrator auf besonders kostengünstige Weise realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb eines Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Messen eines Stromflusses durch den Spulenantrieb mittels einer Strommesseinrichtung, (b) ein Ausgeben eines Strommesssignals von der Strommesseinrichtung, welches für den Stromfluss durch den Spulenantrieb indikativ ist und (c) ein Zuführen des Strommesssignals zu einer Steuereinrichtung, welche mit einem ersten Schaltelement und mit einem zweiten Schaltelement gekoppelt ist. Dabei ist das erste Schaltelement zum Koppeln des Spulenantriebs mit einer ersten Spannungsquelle vorgesehen, welche eine erste Versorgungsspannung bereitstellt und das zweite Schaltelement ist zum Koppeln des Spulenantriebs mit einer zweiten Spannungsquelle vorgesehen, welche eine zweite Versorgungsspannung bereitstellt, die größer ist als die erste Versorgungsspannung. Das beschriebene Verfahren weist ferner auf (d) ein Bestimmen eines Stromintegrals mittels eines der Steuereinrichtung zugeordneten Integrators, wobei das Stromintegral für das Integral über das Strommesssignal von einem Startzeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt indikativ ist, und (e) ein Steuern des Schaltzustandes von zumindest einem der beiden Schaltelemente in Abhängigkeit von dem Stromintegral mittels der Steuereinrichtung. Erfindungsgemäß ist der Startzeitpunkt der Beginn und der Endzeitpunkt ist das Ende einer Verstärkungsphase in einem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner ein Vergleichen des Stromintegrals mit zumindest einem Stromintegral-Referenzwert mittels eines Komparator der Steuereinrichtung auf.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Stromfluss durch den Spulenantrieb besonders genau eingestellt werden kann, wenn als Ausgangsgröße für die Betätigung des ersten und/oder des zweiten Schaltelements ein Integral über den Stromfluss verwendet wird, welcher innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls durch den Spulenantrieb fließt. Das Stromintegral stellt dabei ein Rückkopplungssignal für eine rückkopplungsbehaftete Steuerung dar, so dass das erfindungsgemäße Steuerverfahren eine Regelung mittels eines geschlossenen Regelkreises beschreibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass auch besonders kleine Einspritzmengen, welche kleiner sind als die minimalen Einspritzmengen herkömmlicher Ansteuerverfahren für Einspritzventile, mit einer hohen Genauigkeit und mit einer hohen Reproduzierbarkeit dosiert werden können. Mit dem beschriebenen Verfahren kann der Arbeitsbereich eines Direkteinspritzventils, welches bisher zuverlässig nur in seinem linearen Arbeitsbereich betrieben werden kann, auf den nichtlinearen Arbeitsbereich ausgeweitet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb eines Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Das Computerprogram ist, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach dem vorangehenden Anspruch eingerichtet.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist die Erwähnung eines solchen Computerprogramm gleichbedeutend mit der Erwähnung eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren und um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blu-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Regeln des Stromflusses durch einen Spulenantrieb eines Direkteinspritzventils, wobei als Rückkopplungsgröße ein Stromintegral des Spulenantriebs verwendet wird, welches von einem mittels eines Mikroprozessors realisierten Integrators ermittelt wird.
2a zeigt einen mittels zweier Operationsverstärker realisierten Integrator.
2b zeigt einen mittels diskreter Bauelemente realisierten Integrator.
3a zeigt einen Komparator, welcher das Stromintegral des Spulenantriebs mit einem Referenzwert vergleicht und, wenn das Stromintegral den Referenzwert überschreitet, eine Änderung des Schaltzustands der in 1 dargestellten Schaltelemente T2 und T3 veranlasst.
3b zeigt verschiedene zeitliche Spannungsverläufe, welche bei der Erfassung des Stromintegrals des Spulenantriebs und bei der Regelung des Stromflusses durch den Spulenantrieb berücksichtigt werden.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass in der Zeichnung die Bezugszeichen von gleichen oder von einander entsprechenden Komponenten identisch sind oder sich lediglich in ihrer ersten Ziffer voneinander unterscheiden.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Regeln des Stromflusses durch einen Spulenantrieb 110 eines Direkteinspritzventils. Das Direkteinspritzventil ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Regelvorrichtung 100 ist mit zwei Spannungsquellen koppelbar, wobei eine erste Spannungsquelle eine erste Versorgungsspannung Vbat und die zweite Spannungsquelle eine zweite Versorgungsspannung Vboost bereitstellt. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die erste Versorgungsspannung Vbat einer Bordnetzspannung bzw. einer Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs. Die zweite Versorgungsspannung Vboost ist eine Verstärkungs- bzw. eine Boostspannung, welche beispielsweise mittels einer herkömmlichen DC-DC Konvertierung aus der ersten Versorgungsspannung Vbat erzeugt werden kann.
Der Spulenantrieb 110 ist über ein als Transistor ausgebildetes erstes Schaltelement T1 mit der ersten Versorgungsspannung Vbat und über ein ebenfalls als Transistor ausgebildetes zweites Schaltelement T2 mit der zweiten Versorgungsspannung Vboost koppelbar. Ein als Transistor ausgebildetes drittes Schalt element T3 verbindet den Spulenantrieb 110 mit einer Strommesseinrichtung R1. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strommesseinrichtung ein einfacher ohmscher Widerstand R1. Sofern der Transistor T3 aktiviert d. h. in einem niederohmigen Zustand ist, fließt somit durch die Strommesseinrichtung R1 der gleiche Strom wie durch den Spulenantrieb 110. Dabei fällt an dem Widerstand R1 gegenüber dem Massepotential GND ein Spannung Isense ab, welche direkt proportional zu dem aktuellen Stromfluss durch den Spulenantrieb 110 ist. Die Spannung Isense wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als Strommesssignal bezeichnet.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Strommesssignal Isense einem Analog zu Digital Wandler 120 zugeführt, welcher mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz digitale Signale, die dem jeweiligen Strommesssignal Isense entsprechen, an einen Mikroprozessor 130 übergibt. Der Mikroprozessor 130, weist einen Integrator 140 und einen dem Integrator 140 nachgeschalteten Komparator 150 auf. Der Integrator 140 bildet ein Stromintegral, welches für das Integral über das Strommesssignal Isense von einem vorgegebenen Startzeitpunkt bis zu einem vorgegebenen Endzeitpunkt indikativ ist. Sobald das Stromintegral einen vorgegebenen Referenzwert überschreitet, liefert der Komparator 150 ein Ausgangssignal, welches den Mikroprozessor 130 dazu veranlasst, die beiden Schaltelemente T1 und T2 so zu betätigen, dass der Stromfluss durch den Spulenantrieb 110 in geeigneter Weise verändert wird. Aus diesem Grund kann der Mikroprozessor auch als Steuereinrichtung 130 bezeichnet werden.
Das Stromintegral stellt innerhalb der Vorrichtung 100 eine Rückkopplungsgröße dar, welche von dem Strommesssignal Isense abhängt und über die Betätigung der Schaltelemente T1 und T2 den Stromfluss durch den Spulenantrieb 110 regelt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Regelvorrichtung 100 genauer erläutert. Dabei wird zunächst eine herkömmliche Ansteuerung des Spulenantriebs 110 beschrieben, bei welcher der Spulenstrom durch einen Vergleich mit einem oder mehreren Grenzwerten und durch ein entsprechendes Schalten der Schaltelemente T1, T2 und T3 geregelt wird, bei welcher eine Bestimmung des Stromintegrals jedoch nicht vorgesehen ist. Dabei wird auch auf das in 4b dargestellte zeitliche Stromprofil mit seinen unterschiedlichen Phasen Bezug genommen.
Während der Pre-Charge Phase t_pch wird der Spulenantrieb 110 über das Schaltelement T1, die Diode D1 und das Schaltelement T3 mit der Batteriespannung Vbat verbunden. Der durch die Induktivität der Spule des Spulenantriebs 110 mit der Zeit ansteigende Strom wird als Spannungsabfall Isense am Widerstand R1 gemessen und mit einem ersten Grenzwert verglichen. Überschreitet der Strom den ersten Grenzwert, so wird T1 ausgeschaltet und der Stromfluss durch die Spule des Spulenantriebs 110 wird über eine Freilaufdiode D2 abgebaut. Dieser Stromabbau wird zusätzlich getrieben durch die mit der Lenz'schen Regel beschriebene elektromotorische Gegenkraft der Spuleninduktivität. Der Stromabbau setzt sich fort, bis ein zweiter Grenzwert des Stromes erreicht ist. Daraufhin schaltet das Schaltelement T1 wieder ein, worauf der Spulenstrom abermals ansteigt. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, so dass während der Pre-Charge-Phase ein mittlerer Strom I_pch fließt.
Zu Beginn der Einschaltphase der elektrischen Ansteuerung Ti wird das Schaltelement T1 ausgeschaltet und der Spulenantrieb 110 wird nun über das geschlossene Schaltelement T2 mit der erhöhten Spannung Vboost verbunden. Dadurch erreicht man einen möglichst raschen Stromaufbau innerhalb des Spulenantriebs und somit eine drastische Beschleunigung des Einschaltverhaltens des Einspritzventils.
Während des Anlegens der erhöhten Spannung Vboost verhindert die Diode D1 einen Stromfluss über die nicht dargestellte parasitäre Substratdiode von dem als MOSFET ausgebildeten ersten Schaltelement T1 in das Spannungsniveau Vbat. Zugleich wird die Ausschaltschwelle auf einen wesentlich höheren, dritten Grenzwert angehoben. Der dritte Grenzwert ist der Maximalstrom I_peak.
In der Folge erhöht sich der Spulenstrom weiter, bis der dritte Grenzwert bzw. der Maximalstrom I_peak erreicht ist. Dann wird das zweite Schaltelement T2 ausgeschaltet und das erste Schaltelement T1 eingeschaltet, so dass sich der Spulenantrieb 110 zunächst nach Vbat entlädt bis ein vierter Grenzwert erreicht ist. Damit ist die Verstärkungsphase beendet.
Danach schaltet auch das erste Schaltelement T1 aus (Beginn der Abkommutierungs-Phase) und die Entladung des Spulenantriebs 110 erfolgt nun über die Freilaufdiode D2 und die Rekuperationsdiode D3, bis ein fünfter Grenzwert unterschritten wird. Dann wird in der Haltephase – wie in der Pre-Charge-Phase – durch periodisches Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements T1 ein mittlerer Haltestrom I_hold in dem Spulenantrieb 110 für die Zeitdauer der Haltephase t_hold eingestellt. Die vollständige Entladung des Spulenantriebs 110 erfolgt nach dem Ausschalten der beiden Schaltelemente T1 und T2 über die Freilaufdiode D2 und über die Rekuperationsdiode D3 im Rahmen der Abschaltphase.
Bei der in dieser Anmeldung beschriebenen Schaltung wird das Stromintegral Integral_I bestimmt und zur Steuerung des Ausschaltpunktes bei der Einspritzung von kleinsten Kraftstoffmengen verwendet. Wie bereits oben beschrieben, wird das Stromintegral durch eine zeitliche Integration des Strommesssignals Isense bestimmt. Um das Stromintegral in geeigneter Weise bei der Ansteuerung der verschiedenen Schaltelemente zu verwenden, sind die unter den nachfolgenden Punkten 2) und 3) beschriebenen Änderungen beim Ablauf der Betätigung des Spulenantriebs 110 erforderlich:

1) Die Pre-Charge-Phase (t_pch), die Boost-Phase (t_1) und ggf. auch die Abkommutierungs-Phase (t_2) können wie gewohnt ablaufen.
2) Die Boost-Phase (t_1) und ggf. auch die Abkommutierungs-Phase (t_2) müssen bei Erreichen eines vorgegebenen Referenzwertes für das Stromintegral abgebrochen werden.
3) Bei der Einspritzung von kleinsten Kraftstoffmengen gibt es keine Haltephase (t_hold). Vielmehr wird bei Erreichen des eingestellten Referenzwertes unmittelbar die Entladung des Spulenantriebs 110 eingeleitet. Dabei sind die Schaltelemente T1, T2 und T3 ausgeschaltet.

Wie aus 1 ersichtlich, wird das Strommesssignal Isense (über den Analog zu Digital Wandler 120) dem Integrator 140 zugeführt. Der Integrator 140 stellt dann ein Ausgangssignal Integral_I zur Verfügung, welches mittels des Komparators 150 mit einem weiteren, sechsten Grenzwert verglichen wird. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt sowohl die Integration als auch der Vergleich unter der Verwendung von digitalen Daten. Wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, kann selbstverständlich auch ein analoges Signal integriert und ein Spannungspegel, welche dem Stromintegral entspricht, mit einer Referenzspannung verglichen werden.
Bei Erreichen des sechsten Grenzwertes wird die aktuelle Betätigung des Spulenantriebs 110 unterbrochen und die Abschalt-Phase eingeleitet. Der Wert des sechsten Grenzwertes kann durch die Betriebssoftware der Regelvorrichtung 100 veränderlich sein, um so die gewünschte Einspritzmenge regeln zu können.
Der Einfluss einer Variation des Stromprofils für Kraftstoffmengen MFF, die kleiner sind als die minimale Kraftstoffmenge MFF_min, lässt sich durch einen zusätzlichen Regler für das Stromintegral während der Boost-Phase kompensieren. Dieser Regler kann für die Boost-Phase den Sollwert des Stromintegrals gemäß verschiedener Kennfelder KF_Setpoint_Integral_I_x (x = 1, 2, 3) über eine Anpassung der Zeit t_1 der Boost-Phase einstellen. Das Stromintegral ergibt dabei sich aus folgender Gleichung:
Dabei ist I(t) die zeitabhängige Stromstärke durch den Spulenantrieb. t_Start_Boost ist der Zeitpunkt des Beginns der Boost-Phase, t_End_Boost ist der Zeitpunkt des Endes der Boost-Phase.
Die Sollwerte KF_Setpoint_Integral_I_x (x = 1, 2, 3) können beispielsweise als Kennfelder in einem Speicher abgelegt werden.
Damit kann sich bei Berücksichtigung des Stromintegrals folgende Ansteuerstrategie für den Spulenantrieb ergeben:

A) Pre-Charge-Phase: Die Pre-Charge-Phase kann genauso ablaufen wie bei einer herkömmlichen Stromregelung ohne Berücksichtigung des Stromintegrals während der Boost-Phase. Im Falle einer Mehrfacheinspritzung kann die Pre-Charge-Phase auch entfallen.
B) Boost-Phase: Abhängig von der gesamten Zeitdauer Ti der elektrischen Ansteuerung ergeben sich folgende Fallunterscheidungen: B1) Ti > t_1 + t_2 (es gibt eine Haltephase) oder t_1 < Ti < t_1 + t_2 (es gibt keine Haltephase, das Einspritzventil wird innerhalb der Abkommutierungs-Phase abgeschaltet): 1) Wenn die Stromstärke I durch den Spulenantrieb den Maximalstrom I_peak erreicht, dann beginnt die Freilaufphase. Dieses Verhalten unterscheidet sich nicht von einer herkömmlichen Stromregelung ohne Berücksichtigung des Stromintegrals. 2) Wenn das Integral_I(t_End_Boost) gleich groß ist wie ein erster Sollwert KF_Setpoint_Integral_I_1(I_peak, Kraftstoffdruck), dann ist t_1 = t_End_Boost, die Freilaufphase wird beendet und das Strom-Ansteuerprofil wird mit der Abschalt-Phase fortgesetzt. B2) Ti = t_1: Hier sind zwei Fälle B2i) und B2ii) zu unterscheiden: B2i) Ti > t_peak, wobei t_peak der Zeitpunkt des Erreichens des Maximalstroms I_peak ist. Dies bedeutet, dass der Maximalstrom I_peak auch tatsächlich erreicht wird: 1) Nach Erreichen von I_peak schließt sich eine Freilaufphase an. 2) Wenn das Integral_I(t_End_Boost) gleich groß ist wie ein zweiter Sollwert KF_Setpoint_Integral_I_2(Ti, I_peak, Kraftstoffdruck), dann ist t_1 = t_End_Boost, die Freilaufphase wird beendet und das Strom-Ansteuerprofil wird mit der Abschalt-Phase fortgesetzt. B2ii) Ti < t_peak: Dies bedeutet, dass die Abschalt-Phase beginnt, bevor der Strom durch den Spulenantrieb I_peak erreicht.

Wenn das Integral_I(t_End_Boost) gleich groß ist wie ein dritter Sollwert KF_Setpoint_Integral_I_3(Ti, I_peak, Kraftstoffdruck), dann ist t_1 = t_End_Boost und das Strom-Ansteuerprofil wird mit der Abschalt-Phase fortgesetzt.

C) Abkommutierungs-Phase: Sofern die Abkommutierungs-Phase durchgeführt wird, ergeben sich keine Änderungen gegenüber einer herkömmlichen Stromregelung ohne Berücksichtigung des Stromintegrals.
D) Halte-Phase: Sofern die Halte-Phase durchgeführt wird, ergeben sich keine Änderungen gegenüber einer herkömmlichen Stromregelung ohne Berücksichtigung des Stromintegrals.
E) Abschalt-Phase: Für die Abschalt-Phase ergeben sich ebenfalls keine Änderungen gegenüber einer herkömmlichen Stromregelung ohne Berücksichtigung des Stromintegrals.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Vermeidung einer übermäßigen Verlustleistung für den Widerstand R1 ein möglichst geringer Wert gewählt. Demzufolge liegt auch der Spannungsabfall an R1, welcher mit dem Strommesssignal Isense identisch ist, im Bereich von wenigen 100 mV.
Dieser geringe Wert kann jedoch eine einfache analoge Signalintegration erschweren. Dies gilt jedenfalls dann, wenn der entsprechende analoge Integrator lediglich einen Kondensator und einen Widerstand aufweist. Eine hinreichende Genauigkeit der Integration wird nämlich nur dann gewährleistet, wenn der Endwert des Integrationsvorgangs wesentlich kleiner ist als die zu integrierende Eingangsspannung.
Eine analoge Integratorschaltung mit aktiven Bauelementen (Transistoren, Operationsverstärkern) kann diese Beschränkung vermeiden. Hierbei sind zwei bevorzugte Ausführungsformen vorstellbar, die in den 2a (Integrator mit Operationsverstärker) und 2b (Integrator mit diskreter Transistorstromquelle) dargestellt sind.
2a zeigt einen analogen Integrator 240, welcher zwei Operationsverstärker, einen ersten Operationsverstärker 242 und einen zweiten Operationsverstärker 244 aufweist. Die Spannung Isense wird zunächst über den Widerstand R2 dem als Inverter verschalteten Operationsverstärker 242 zugeführt. Sind die beiden Widerstände R2 und R3 gleich groß, so liegt der Ausgangspegel des Operationsverstärkers 242 bei -Isense.
Diese Spannung wird nun über den Widerstand R4 dem als invertierenden Integrator verschalteten zweiten Operationsverstärker 244 zugeführt. Hat Isense nun einen (positiven) Spannungswert, dann ist die Spannung am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 242 negativ. Durch den Widerstand R4 wird nun ein Strom fließen, der auch durch den Kondensator C1 fließt. Entsprechend steigt die Ausgangsspannung Integral_I des zweiten Operationsverstärkers 244 mit der Zeit an und entspricht dem zeitlichen Integral von Isense.
Mit dem als Schalter arbeitenden Transistor T4 wird der Kondensator C1 vor Beginn der Integrationsphase kurzgeschlossen, um so einen definierten Anfangszustand (0 V) von Integral_I zu erhalten. Der Transistor T4 kann ebenfalls von der in 1 dargestellten Ansteuerschaltung betätigt werden.
2b zeigt einen analogen Integrator 240, welcher mittels diskreter Bauelemente realisiert ist. Ein Transistor T6 bildet zusammen mit einem Widerstand R7 eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Zur Kompensation der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors T6 ist ein PNP-Transistor T5 als Emitterfolger vorgeschaltet. Dessen (positive) Basis-Emitter-Schwellspannung gleicht die (negative) Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors T6 weitgehend aus, wobei mit Hilfe eines Widerstandes R5 der Emitterstrom des Transistors T5 in geeigneter Weise beeinflusst werden kann.
Der Kollektorstrom des Transistors T6 ist somit im Wesentlichen durch den Wert der Spannung Isense und durch den Wert des Widerstandes R7 bestimmt. Der Kollektorstrom des Transistors T6 fließt auch durch den Transistor T7, welcher zusammen mit einem Transistor T8 einen Stromspiegel bildet. Die Widerstände R6 und R8 dienen zum Ausgleich etwaiger Toleranzen der Basis-Emitter-Schwellspannungen der Transistoren T7 und T8.
Der Kollektorstrom des Transistors T8 entspricht im Wesentlichen dem Kollektorstrom des Transistors T6. Hat Isense nun einen positiven Spannungswert, wird ein dazu proportionaler Strom durch den Kondensator C1 fließen und diesen laden. In der Folge steigt die Spannung von Integral_I entsprechend dem zeitlichen Integral von Isense.
Mit dem als Schalter arbeitenden Transistor T4 wird der Kondensator C1 vor Beginn der Integrationsphase kurzgeschlossen, um so einen definierten Anfangszustand (0 V) von Integral_I zu erhalten. Auch hier kann der Transistor T4 von der in 1 dargestellten Ansteuerschaltung betätigt werden.
3a zeigt einen Komparator 350, welcher das Stromintegral Integral_I des Spulenantriebs mit dem oben genannten sechsten Grenzwert vergleicht. Wenn das Stromintegral Integral_I den sechsten Grenzwert überschreitet, dann veranlasst der Komparator eine Änderung der Schaltzustände der in 1 dargestellten Schaltelemente T2 und T3.
3b zeigt verschiedene zeitliche Spannungsverläufe, welche bei der Erfassung des Stromintegrals des Spulenantriebs und bei der Regelung des Stromflusses durch den Spulenantrieb berücksichtigt werden. Bei einem hohen Signalwert an T2, T3, T4 ist der jeweilige Transistor bzw. das jeweilige Schaltelement eingeschaltet (niederohmiger Zustand), bei einem niedrigen Signalwert ist der jeweilige Transistor bzw. das jeweilige Schaltelement ausgeschaltet (hochohmiger Zustand).
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Dies gilt insbesondere für eine Kombination der in den 1, 2a, 2b und 3a dargestellten Komponenten. Auch wenn in 1 die Signalauswertung mittels des Mikrocontrollers 130 in digitaler Weise erfolgt, so kann die Funktionalität des Integrators 140 und/oder des Komparators 150 auch durch analoge Schaltungen, wie in den 2a, 2b und 3a dargestellt, realisiert werden.
Zusammenfassend bleibt festzustellen: Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, welche es erlauben für ein Direkteinspritzventil mit einem Spulenantrieb (110) durch eine Regelung basierend auch einem Stromintegral des Spulenantriebs (110) insbesondere während einer Boost-Phase eines Strom-Ansteuerprofils des Spulenantriebs (110) insbesondere die Puls zu Puls Variation der Menge an durch das Direkteinspritzventil eingespritzten Kraftstoff zu reduzieren. Es wird ferner ein Computerprogramm beschrieben, mit dem das genannte Verfahren durchgeführt werden kann.

Claims

Vorrichtung zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb (110) eines Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, die Vorrichtung (100) aufweisend • ein erstes Schaltelement (T1) zum Koppeln des Spulenantriebs (110) mit einer ersten Spannungsquelle, welche eine erste Versorgungsspannung (Vbat) bereitstellt, • ein zweites Schaltelement (T2) zum Koppeln des Spulenantriebs (110) mit einer zweiten Spannungsquelle, welche eine zweite Versorgungsspannung (Vboost) bereitstellt, die größer ist als die erste Versorgungsspannung (Vbat), • eine Strommesseinrichtung (R1), welche mit dem Spulenantrieb (110) gekoppelt ist und welche bei einem Stromfluss durch den Spulenantrieb (110) ein Strommesssignal (Isense) ausgibt, welches für den Stromfluss durch den Spulenantrieb (110) indikativ ist, und • eine Steuereinrichtung (130), welche mit der Strommesseinrichtung (R1) und mit den beiden Schaltelementen (T1, T2) gekoppelt ist und welche einen Integrator (140, 240) zum Bestimmen eines Stromintegrals aufweist, welches für das Integral über das Strommesssignal (Isense) von einem Startzeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt indikativ ist, wobei die Steuereinrichtung (130) derart eingerichtet ist, dass abhängig von dem Stromintegral der Schaltzustand von zumindest einem der beiden Schaltelemente (T1, T2) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet dass – der Startzeitpunkt der Beginn einer Verstärkungsphase (t_1) in einem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs (110) ist, – der Endzeitpunkt das Ende der Verstärkungsphase (t_1) in dem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs (110) ist und – die Steuereinrichtung (130) ferner einen Komparator (150, 350) zum Vergleichen des Stromintegrals mit zumindest einem Stromintegral-Referenzwert aufweist.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die erste Versorgungsspannung eine Bordnetzspannung (Vbat) eines Kraftfahrzeugs ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Versorgungsspannung eine Verstärkungsspannung (Vboost) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei der Komparator (150, 350) eingerichtet ist, das Stromintegral mit einem ersten Stromintegral-Referenzwert zu vergleichen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (130) einen weiteren Komparator zum Vergleichen des Strommesssignals mit zumindest einem Strommesssignal-Referenzwert aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Steuereinrichtung mittels eines Mikrocontrollers (130) realisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Integrator (240) mittels aktiver elektronischer Bauelemente realisiert ist.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Integrator (240) einen oder zwei Operationsverstärker (242, 244) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Integrator (240) mittels einer diskreten Schaltung von Bauelementen realisiert ist.
Verfahren zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb (110) eines Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, das Verfahren aufweisend • Messen eines Stromflusses durch den Spulenantrieb (110) mittels einer Strommesseinrichtung (R1), • Ausgeben eines Strommesssignals (Isense) von der Strommesseinrichtung (R1), welches für den Stromfluss durch den Spulenantrieb (110) indikativ ist, • Zuführen des Strommesssignals (Isense) zu einer Steuereinrichtung (130), welche mit einem ersten Schaltelement (T1) und mit einem zweiten Schaltelement (T2) gekoppelt ist, wobei – das erste Schaltelement (T1) vorgesehen ist zum Koppeln des Spulenantriebs (110) mit einer ersten Spannungsquelle, welche eine erste Versorgungsspannung (Vbat) bereitstellt, und wobei – das zweite Schaltelement (T2) vorgesehen ist zum Koppeln des Spulenantriebs (110) mit einer zweiten Spannungsquelle, welche eine zweite Versorgungsspannung (Vboost) bereitstellt, die größer ist als die erste Versorgungsspannung (Vbat), • Bestimmen eines Stromintegrals mittels eines der Steuereinrichtung (130) zugeordneten Integrators (140, 240), wobei das Stromintegral für das Integral über das Strommesssignal (Isense) von einem Startzeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt indikativ ist, und • Steuern des Schaltzustandes von zumindest einem der beiden Schaltelemente (T1, T2) in Abhängigkeit von dem Stromintegral mittels der Steuereinrichtung (130), dadurch gekennzeichnet dass – der Startzeitpunkt der Beginn einer Verstärkungsphase (t_1) in einem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs (110) ist, – der Endzeitpunkt das Ende der Verstärkungsphase (t_1) in dem zeitlichen Strom-Ansteuerprofil des Spulenantriebs (110) ist und – das Verfahren ferner ein Vergleichen des Stromintegrals mit zumindest einem Stromintegral-Referenzwert mittels eines Komparators (150, 350) der Steuereinrichtung (130) aufweist.
Computerprogramm zum Steuern des Stromflusses durch einen Spulenantrieb (110) eines Ventils, insbesondere eines Direkteinspritzventils für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, wobei das Computerprogram, wenn es von einem Prozessor (130) ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach dem vorangehenden Anspruch eingerichtet ist.