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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Ansteuern mindestens eines elektromagnetischen Verbrauchers.
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Stand der Technik
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Das vorgestellte Verfahren wird bspw. in einer Brennkraftmaschine eingesetzt, bei der die Kraftstoffzumessung mittels elektromagnetischer Ventile gesteuert wird. Diese elektromagnetischen Ventile stellen die elektromagnetischen Verbraucher dar. Bei diesen Ventilen legen der Öffnungs- und Schließzeitpunkt den Einspritzbeginn bzw. das Einspritzende des Kraftstoffs in den Zylinder fest.
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Bekannt sind Verfahren, bei denen mittels eines durch die externe Last, z.B. der Magnetspule eines Injektors, fließenden Ladestroms bzw. Rechargestroms und eines im Motorsteuergerät befindlichen Energiespeichers, wie bspw. eines Kondensators bzw. Boostkondensators, ein Spannungswandler (Batterie zu Boostspannung) realisiert wird. Die Höhe des Rechargestromes wird derzeit über den max. Raildruck und über die Batteriespannung definiert. Die Ausgangsspannung des Spannungswandlers, die sogenannte Boostspannung, beträgt üblicherweise ein Mehrfaches der Batteriespannung und wird auf einen konstanten Wert geregelt. Die mittels Rechargen erzeugbare mittlere Leistung des Spannungswandlers ist von der Batteriespannung, der für das Rechargen zur Verfügung stehenden Zeit und vom Rechargestromniveau abhängig.
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Um ein stabiles und von der Batteriespannung unabhängiges Schalten des Magnetventils zu gewährleisten, wird das Magnetventil in der ersten Phase seines Einschaltvorgangs mit Boostspannung beaufschlagt. Aus dieser Spannung und der Zeitdauer ergibt sich in Verbindung mit dem damit verbundenen Stromniveau, das sogenannte Booststromniveau, die für einen Schaltvorgang benötigte Boostenergie. Dies führt in Abhängigkeit der Anzahl der Bestromungen je Verbrennungszyklus, der Zylinderzahl und der Drehzahl des Motors zur erforderlichen Leistung des Spannungswandlers.
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Ziel ist, über den gesamten Betriebsbereich des Motors die für die Boostvorgänge erforderliche Leistung bereitzustellen.
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Aus der Druckschrift
DE 196 34 342 A1 ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens zweier elektromagnetischer Verbraucher bekannt. Als Verbraucher werden dabei insbesondere Magnetventile zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine betrachtet. Mit der beschriebenen Vorrichtung wird eine Möglichkeit aufgezeigt, bei der Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers den Nachladevorgang zu verkürzen. Hierzu ist wenigstens ein Verbraucher einer ersten Gruppe und wenigstens ein Verbraucher einer zweiten Gruppe zugeordnet. Weiterhin sind erste Schaltmittel, die jeweils zwischen einem ersten Anschluss einer Versorgungsspannung und einem gemeinsamen Anschluss der Verbraucher der Gruppe angeordnet sind, und zweite Schaltmittel, die jeweils zwischen einem zweiten Anschluss eines zugeordneten Verbrauchers und dem zweiten Anschluss der Spannungsversorgung angeordnet sind, vorgesehen. Jeder Gruppe ist wenigstens ein Speichermittel, bspw. ein Kondensator, zugeordnet, in dem die beim Öffnen eines der Schaltmittel der jeweiligen Gruppe freiwerdende Energie speicherbar ist. Außerdem sind Mittel vorgesehen, die die beim Öffnen eines der Schaltmittel freiwerdende Energie allen Speichermitteln zuführt.
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Es ist zu beachten, dass bei den derzeitigen Lösungen das Rechargestromniveau für den maximalen Raildruck definiert und im gesamten Betriebsbereich konstant gehalten wird. Dies hat den Nachteil, dass bei geringeren Raildrücken nicht die maximale mögliche Leistung des Spannungswandlers, die durch Rechargen erzeugt werden kann, abgerufen werden kann. Dies führt dazu, dass die mögliche Performance des Einspritzsystems, nämlich die Anzahl der Einspritzungen pro Segment, nicht voll ausgenützt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird nunmehr das Rechargestromniveau in Abhängigkeit des Raildrucks variiert. Dies bedeutet, dass bei geringen Raildrücken das Rechargestromniveau angehoben wird und das Speichermittel, üblicherweise ein Boostkondensator, schneller aufgeladen werden kann. Dies erfolgt bspw. im Startfall oder bei Mehrfacheinspritzungen. Somit kann in Abhängigkeit des Raildrucks immer die maximal mögliche Boostenergie zur Verfügung stehen. Auf diese Weise kann mindestens ein Verbraucher angesteuert werden.
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Mit dem vorgestellte Verfahren kann betriebspunktabhängig die Rechargeleistung unter den Gesichtspunkten einer max. möglichen Ausgangsleistung und der Minimierung des Einflusses auf den Injektor optimiert werden.
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Ohne ungewolltes Öffnen des Magnetventils ist eine Erhöhung der Leistung des Spannungswandlers und damit eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Einspritzsystems zu erzielen.
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Der durch den Rechargestrom verursachte Magnetkraftaufbau führt in Abhängigkeit der auf den Magnetanker, das bewegte Ventilelement, resultierenden Magnetkräfte zu Mikrobewegungen im Ventilsitz, die wiederum über Lebensdauer zu Verschleiß führen können. Durch ein fest definiertes Rechargestromniveau wird nun dieser Krafteintrag immer im gleichen Maße stattfinden.
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Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine Minimierung des durch das Rechargen verursachten Krafteintrages auf den Magnetanker und dadurch eine Reduzierung des Verschleißes zu erreichen. Daher kann ggf. auf den Einsatz zusätzlicher verschleißreduzierender Maßnahmen am Ventil verzichtet werden, was die Kosten verringert.
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Eine hierin dargestellte weitere Lösung des dargestellten Problems, die alternativ oder ergänzend durchgeführt werden kann, sieht vor, dass in Abhängigkeit der Drehzahl und der Anzahl der Einspritzungen die benötigte Boostenergie berechnet wird. In Abhängigkeit der Batteriespannung und der zur Verfügung stehenden Rechargezeit wird daraus das benötigte Rechargestromniveau abgeleitet. Da das Stromniveau bei den bisher bekannten Lösungen so definiert ist, dass auch unter Worst-Case-Bedingungen die erforderliche Leistung bereitgestellt werden kann, wird das mit diesen Lösungsansatz errechnete Stromniveau in den meisten Betriebspunkten kleiner sein. Dies führt dazu, dass im gesamten Betriebsbereich die durch das Rechargen verursachte Krafteinleitung auf ein Minimum reduziert wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einem Schaltbild eine Ausführungsform der beschriebenen Anordnung in einem ersten Betriebszustand.
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2 zeigt die Anordnung aus 1 in einem zweiten Betriebszustand.
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3 zeigt in zwei Graphen die Rechargeleistung in Abhängigkeit des Raildrucks.
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4 zeigt in zwei Graphen die Magnetkraft in Abhängigkeit der entnommenen Rechargeleistung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist in einem Schaltbild eine Ausführung einer Anordnung zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen, dargestellt.
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Die Darstellung zeigt einen ersten elektromagnetischen Verbraucher 12 und einen zweiten elektromagnetischen Verbraucher 14, nämlich ein erstes Magnetventil und ein zweites Magnetventil. Weiterhin sind ein Boost-Transistor 16, ein High-Side-Transistor 18, Batterie-Kondensatoren 20, eine Batterie 22, eine Speichereinheit 24, nämlich ein Boost-Kondensator, ein erster Low-Side-Transistor 26 und ein zweiter Low-Side-Transistor 28 dargestellt. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Stromverlauf 30 zum Ansteuern der Magnetventile 12 und 14. Die genannten Transistoren dienen als elektronische Schalter zum Ansteuern der Verbraucher (12, 14).
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In jedem Zumesszyklus werden unterschiedliche Phasen durchlaufen. In einer ersten Phase zu Beginn der Ansteuerung, die als Boosterphase bezeichnet wird, wird der Low-Side-Transistor 26 oder 28 angesteuert, der dem Magnetventil zugeordnet ist, das Kraftstoff zumessen soll. Außerdem wird der Boost-Transistor 16 angesteuert. Diese Ansteuerung bewirkt, dass vom Boost-Kondensator 24 ein Strom fließt. In dieser Phase steigt der Strom bedingt durch die hohe Spannung am Verbraucher sehr schnell an. Diese Phase endet, wenn die am Boost-Kondensator anliegende Spannung einen bestimmten Wert unterschreitet.
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In der nächsten Phase, die als Anzugsstromregelung bezeichnet wird, wird der Einschaltstrom von dem High-Side-Transistor 18 übernommen und der Boost-Transistor 16 deaktiviert.
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In der dritten Phase, die auch als erste Schnelllöschung bezeichnet wird, wird das Ansteuersignal für den entsprechenden Low-Side-Transistor 26 oder 28 zurückgenommen. Dies bewirkt, dass ein Strom von dem jeweiligen Verbraucher in den Boost-Kondensator fließt und die im Verbraucher gespeicherte Energie in den Boost-Kondensator umgeladen wird.
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Hieran schließt sich eine weitere Phase an, die auch als Haltestromregelung bezeichnet wird. Durch Öffnen und Schließen des High-Side-Transistors 18 wird der Strom, der durch den Verbraucher fließt, auf den Sollwert für den Haltestrom eingeregelt.
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In der anschließenden Phase, die auch als Schnelllöschung bezeichnet wird, wird der entsprechende Low-Side-Transistor 26 oder 28 abgeschaltet und der High-Side-Transistor 18 durchgesteuert. In dieser Phase fällt der Strom, der durch den Verbraucher fließt, ebenfalls schnell auf den Wert Null ab.
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In der nächsten Phase ist die Endstufe inaktiv, es erfolgt somit keine Kraftstoffzumessung. In der darauffolgenden Phase, die auch als Nachtaktung bezeichnet wird, wird der High-Side-Transistor 18 wieder leitend gemacht. Durch Schließen eines Low-Side-Transistors 26 oder 28 wird ein Stromfluss in einem der Verbraucher initialisiert. Bei Erreichen eines Sollwerts für den Strom, der so gewählt ist, dass das Magnetventil noch nicht reagiert, wird der Low-Side-Transistor 26 oder 28 so angesteuert, dass er öffnet. Dies bewirkt eine Schnelllöschung. Dadurch steigt die am Boost-Kondensator anliegende Spannung an.
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Sobald der Strom einen bestimmten Wert unterschreitet, wird der Low-Side-Transistor 26 oder 28 wieder aktiviert. Im weiteren Verlauf steigt die Spannung am Boost-Kondensator nur sehr gering an. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Spannung am Boost-Kondensator schrittweise wieder das angestrebte Spannungsniveau erreicht. Dieser Vorgang, der als Rechargen bezeichnet wird, ist in den 1 und 2 verdeutlicht.
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Bei dem Rechargevorgang ist es nunmehr vorgesehen, dass der Rechargestrom mit einem vorgebbaren Stromniveau eingestellt wird, wobei das Stromniveau in Abhängigkeit eines Raildrucks variiert wird. Zum Einstellen wird bspw. eine Software eingesetzt. Somit ist die Anordnung 10 dazu ausgebildet, das Stromniveau in Abhängigkeit eines Raildrucks zu variieren.
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Dabei ist in 1 mit einer gestrichelten Linie 40 der Strompfad verdeutlicht, der im Verlauf 30 durch Abschnitte 42 und 44 mit positiver Steigung gekennzeichnet ist. In 2 ist mit einer gestrichelten Linie 50 der Strompfad verdeutlicht, der im Verlauf 30 durch Abschnitte 52 und 54 mit negativer Steigung gekennzeichnet ist.
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1 und 2 zeigen somit die Strompfade 40 und 50 während der Ladungspulse, wenn die Speichereinheit 24, nämlich der Boost-Kondensator, geladen wird. Während der Abschnitte 42 und 44 mit positiver Steigung wird der erste Verbraucher 12 mit der Batteriespannung betrieben. Während der Abschnitte 52 und 54 mit negativer Spannung wird die Energie der Spule des ersten Verbrauchers 12 zu dem Boost-Kondensator übertragen.
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Aufgrund der Tatsache, dass sowohl der Raildruck als auch die Recharge-Pulse eine öffnende Wirkung auf das Magnetventil 12 haben, sollte das Recharge-Stromniveau möglichst gering sein.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird hierzu das Rechargestromniveau in Abhängigkeit des Raildrucks variiert. Dabei kann dies kontinuierlich oder auch in vorgegebenen zeitlichen Abständen erfolgen. Es ist auch denkbar, dass die zeitlichen Abstände in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter gewählt werden, wobei auch der Einsatz einer adaptiven Steuerung vorgesehen sein kann.
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In 3 ist in zwei Diagrammen die Rechargeleistung in Abhängigkeit des Raildrucks gezeigt, wenn das Rechargestromniveau mit abnehmenden Raildruck erhöht wird.
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In einem ersten Diagramm 60 ist an einer Ordinate 62 die Rechargeleistung in W über dem Raildruck in bar an einer Abszisse 64 aufgetragen. Ein zweites Diagramm 70 zeigt das Recharge-Stromniveau in A an einer Ordinate 72 über dem Raildruck in bar an einer Abszisse 74 aufgetragen.
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4 zeigt in zwei Diagrammen die Magnetkraft in Abhängigkeit der entnommenen Rechargeleistung. Dabei ist in einem ersten Diagramm 80 die Magnetkraft in N an einer Ordinate 82 über der Rechargeleistung in W an einer Abszisse 84 aufgetragen. In einem zweiten Diagramm 90 ist an einer Ordinate 92 das Recharge-Stromniveau in A über der Rechargeleistung in W an einer Abszisse 94 aufgetragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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