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Ethanolbetriebene Ottomotoren für Kraftfahrzeuge zeigen bei Temperaturen unterhalb von etwa 20 °C ein schlechtes Startverhalten. Dies ist darin begründet, dass die Verdunstungsrate von Ethanol unterhalb der Siedetemperatur von 78 °C stetig abnimmt und bei ca. 13 °C der Flammpunkt erreicht ist. Als Folge dessen bildet sich im Brennraum kein zündfähiges Luft-Kraftstoffgemisch mehr. Bekannte Abhilfemaßnahmen sind entweder die Zugabe von Benzin zum Kraftstoff (z. B. E85 = 85 % Ethanol 15 % Benzin) oder ein Anwärmen des Kraftstoffes während der Startphase des Motors, wobei eine Leistung von bis zu 1 kW benötigt wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Kraftstoffheizung ist die Erwärmung im Einspritzventil, wie sie aus der
DE 22 10 250 A bekannt ist. Dort ist in einem Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, die Heizwendel eines elektrischen Heizelementes auf einen Wärmeübertragungskörper, der Teil des Einspritzventilkörpers ist, zu wickeln, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Zur Steuerung der Heizleistung eines elektrischen Heizelements ist dort vorgeschlagen, als elektrischen Widerstand des stromdurchflossenen Materials einen Kaltleiter zu verwenden, um dessen besondere Temperaturabhängigkeit auszunutzen.
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Allerdings sind Materialien mit einem hohen Temperaturbeiwert in der Regel spröde und eignen sich nicht besonders gut zur Montage auf einen Ventilkörper. Metalle hingegen sind zumeist recht gut formbar, haben aber in der Regel einen recht kleinen Temperaturbeiwert. Aus diesem Grunde gestaltet sich eine präzise und kostengünstige Temperaturerfassung schwierig.
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Die
US 2010/0176759 A1 offenbart, dass ein Strom in eine Heizwicklung eingeprägt wird und die dadurch abfallende Spannung an der Heizwicklung ermittelt wird. Da ein Strom eingeprägt wird, ist die Spannung ein Maß für den Widerstand der Spule, dessen Wert ein Maß für die Temperatur der Spule sein soll. Die Temperatur wird bei der
US 2010/0176759 A1 also in bekannter Weise über den Widerstand der Heizwicklung bestimmt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine wesentlich kostengünstigere Temperaturerfassung bei einem mit einer Heizwicklung versehenen Kraftstoffeinspritzventil, die zur Temperaturregelung herangezogen werden kann, bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das für das Einspritzventil verwendete Material, auf das die Heizwicklung aufgewickelt wird, eine magnetische Eigenschaft aufweist, gemäß der die Sättigungsmagnetisierung mit steigender Temperatur sinkt und oberhalb der Curietemperatur bei 0 Tesla liegt. Dementsprechend sinkt der Betrag der im Magnetfeld gespeicherten Energie mit zunehmender Temperatur, was wiederum zu einer schnelleren Entmagnetisierung mit zunehmender Temperatur führt. Zwar handelt es sich bei der Heizwicklung der Erfindung um eine Widerstandsheizung, da jedoch der Widerstandsdraht auf den Kraftstoffeinspritzventilkörper gewickelt ist, weist er eine nennenswerte Induktivität auf, die sich aufgrund der temperaturabhängigen Sättigungsmagnetisierung ebenfalls mit der Temperatur ändert. Dadurch ändert sich die Zeit, die nach dem Abschalten der Energiezufuhr zur Heizwicklung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Grenzwerts durch den abnehmenden Strom durch die Heizwicklung verstreicht. Diese Zeit wird erfindungsgemäß erfasst und beispielsweise durch Vergleich mit in einer Tabelle niedergelegten Zeit-Temperatur-Paaren wird die Temperatur ermittelt und zur Regelung der Temperatur des Kraftstoffeinspritzventils verwendet.
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Da aufgrund der Induktivität der Heizwicklung ein Freilaufkreis für den Abbau der in der Heizwicklung gespeicherten magnetischen Energie vorgesehen werden muss, kann in besonders vorteilhafter Weise die Spannung an der hierfür vorgesehenen Freilaufdiode zur Ermittlung des Zeitpunkts, zu dem der Strom durch die Heizwicklung nahezu 0 Ampere beträgt, herangezogen werden, da sich diese Spannung sehr sprunghaft ändert und damit leicht zu detektieren ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 einen Schaltplan für eine Vorrichtung zum Betreiben einer Heizwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem High-Side-Schalter,
- 2 einen Schaltplan für eine Vorrichtung zum Betreiben einer Heizwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem Low-Side-Schalter,
- 3 den Stromverlauf durch eine Heizwicklung nach dem Abschalten der Energie sowie die Spannungsverläufe an einer Freilaufdiode in Vorrichtungen gemäß der 1 und 2,
- 4 eine Spannungsdetektionsschaltung bei einer Vorrichtung gemäß 1 und
- 5 eine Spannungsdetektionsschaltung bei einer Vorrichtung gemäß 2.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Betreiben einer Heizwicklung für ein Kraftstoffeinspritzventil, bei dem eine mit einem Widerstandsdraht RL gebildete Heizwicklung, die aufgrund ihrer Wicklungseigenschaften eine Induktivität LL aufweist, über ein Schaltmittel T1 mit einer Versorgungsspannung Vbat, die beispielsweise von der Kraftfahrzeugbatterie geliefert wird, verbunden ist. Mit ihrem anderen Anschluss ist die Heizwicklung RL , LL über einen Strommesswiderstand R1 mit dem Masseanschluss bzw. dem negativen Potential der Versorgungsspannung Vbat verbunden. Da nach dem Abschalten der Energiezufuhr zur Heizwicklung RL , LL durch Öffnen des Schaltmittels T1 die in der Induktivität LL gespeicherte magnetische Energie abgebaut werden muss, ist parallel zur Heizwicklung RL , LL und dem in Serie geschalteten Strommesswiderstand R1 eine Freilaufdiode D1 verschaltet. Das Schaltmittel T1, die Freilaufdiode D1 und der Strommesswiderstand R1 sind üblicherweise in einem Steuergerät 1 angeordnet, das über Leitungen mit den Anschlüssen der um ein Kraftfahrzeugeinspritzventil gewickelten Heizwicklung RL , LL sowie über Leitungen mit der Kraftfahrzeugbatterie oder einer anderen Energiequelle verbunden ist.
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Das Schaltelement T1 weist einen Steueranschluss auf, der mit einem Steuersignal Control von einer nicht dargestellten Steuereinheit, die als Mikrocontroller ausgebildet sein kann, angesteuert wird. Am Strommesswiderstand R1 kann an einem dafür vorgesehenen Abgriff eine dem Strom durch die Heizwicklung RL , LL fließenden Strom proportionale Spannung I_sense abgegriffen werden. Ebenso kann an der Kathode der Freilaufdiode D1 die daran - gegenüber Bezugspotential - anliegende Spannung U_sense abgegriffen werden.
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Die Temperatur des Kraftstoffeinspritzventils muss auf einen Wert eingestellt werden, durch den einerseits gewährleistet ist, dass der eingespritzte Kraftstoff eine Temperatur aufweist, die für eine optimale Verbrennung geeignet ist und andererseits verhindert, dass der Kraftstoff Dampfblasen bildet. Dazu muss der Strom durch die Heizwicklung RL , LL gesteuert oder besser geregelt werden. Hierzu ist es erforderlich, die Temperatur zu ermitteln.
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Es hat sich gezeigt, dass der für Einspritzventile verwendete Stahl eine stark von der Temperatur abhängige Sättigungsmagnetisierung aufweist. Diese Materialeigenschaft führt dazu, dass auch die Induktivität LL der Heizwicklung RL , LL von der Temperatur abhängt. Dies führt nun dazu, dass der Strom durch die Heizwicklung RL , LL nach dem Abschalten der Energiezufuhr zur Heizwicklung aus der Spannungsversorgung Vbat über das Schaltmittel T1 nicht sofort aufhört zu fließen, sondern aufgrund des erforderlichen Abbaus der in der Heizwicklung gespeicherten magnetischen Energie und dem durch die Heizwicklung gebildeten R-L-Glied exponentiell abklingt. Dieser Stromverlauf kann mittels des Strommesswiderstandes R1 ermittelt werden und ist in der 3 in der unteren Kurve als dem Strom entsprechendes Signal I_sense dargestellt. Deutlich zu erkennen ist der typisch exponentiell abklingende Verlauf.
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Solange der Strom durch die Heizwicklung RL , LL fließt, liegt über der Freilaufdiode D1 eine Spannung von betragsmäßig ungefähr 0,7 bis 0,8 Volt an, die an der Kathode gegenüber Massepotential abgegriffen werden kann.
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Abhängig von der Temperatur des Kraftstoffeinspritzventils wird nun der Strom durch die Heizwicklung RL , LL verschieden schnell abklingen, so dass die Zeit vom Abschalten der Energiezufuhr zur Heizwicklung RL , LL bis zum Erreichen eines vorgegebenen Wertes durch den Strom durch die Heizwicklung RL , LL als Maß für die Temperatur herangezogen werden kann. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, statt eines zusätzlichen Komparators die bereits vorhandene Freilaufdiode D1 zu verwenden, da die an ihr abfallende Spannung mit dem Erreichen des Stromes von nahezu 0 Ampere ziemlich abrupt von etwa -0,7 Volt auf 0 Volt zurückgeht.
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Dies ist in der 3 für die Spannung U_sense an der Kathode der Freilaufdiode D1 für verschiedene Temperaturen dargestellt. Dabei geht der Strom durch die Heizwicklung und damit auch die Spannung U_sense an der Freilaufdiode D1 umso schneller auf Null je höher die Temperatur ist. Gemäß der 3 ist der Strom bei Raumtemperatur nach etwa 165 µs abgeklungen, während er bei Erreichen bzw. Überschreiten der Curietemperatur des verwendeten Stahls nach bereits 20 µs abgeklungen ist.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführung einer Vorrichtung zum Betreiben einer Heizwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils, bei dem die Heizwicklung RL , LL direkt mit der Versorgungsspannung Vbat verbunden ist und über ein Schaltelement T1' mit dem Masseanschluss verbunden ist. In entsprechender Weise ist die Freilaufdiode D1' nicht gegen Massepotential sondern gegen das positive Potential der Versorgungsspannung Vbat verschaltet.
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Hier wird die an der Freilaufdiode D1' entstehende Spannung U_sense an deren Anode abgegriffen.
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Um die in erfindungsgemäßer Weise an den Freilaufdioden D1 bzw. D1' bei Stromfluss anliegenden Spannungen in einem Mikroprozessor verarbeiten zu können, ist es erforderlich, diese Spannungen in einen geeigneten Pegel umzuformen. Dazu dienen die in den 4 und 5 dargestellten Schaltungen zur Pegelwandlung. Der rechte Teil der 4 entspricht dabei der 1 und es sind gleiche Schaltungsbestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Steuergerät 1 weist außerdem ein zweites Schaltmittel T2 auf, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als npn-Bipolartransistor ausgebildet ist und dessen Laststrecke zwischen dem Massepotential und dem positiven Potential einer 5 Volt Versorgungsspannung über einen vierten Widerstand R4 verschaltet ist. Der Basisanschluss des zweiten Schaltelements T2 ist über einen zweiten Widerstand R2 mit dem positiven Potential der 5-Volt-Versorgungsspannung verbunden. Der Basisanschluss ist außerdem über einen dritten Widerstand R3 und eine in Flussrichtung gepolte zweite Diode D2 mit der Kathode der Freilaufdiode D1 verbunden. Am Kollektor des zweiten Schaltmittels T2 ist eine zwischen 0 Volt und 5 Volt variierende Spannung U_out abgreifbar.
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Wenn das Schaltmittel T1 eingeschaltet ist und entsprechend Strom aus der Versorgungsspannung Vbat durch die Heizwicklung RL , LL fließt, ist die Freilaufdiode D1 nicht leitend, so dass aufgrund des an ihrer Kathode anliegenden hohen Potentials die zweite Diode D2 sperrt und das zweite Schaltmittel T2 über den zweiten Widerstand R2 eingeschaltet ist und entsprechend die Ausgangsspannung U_out auf Massepotential liegt. Wird jedoch die Energiezufuhr zur Heizwicklung RL , LL unterbrochen, fließt, wie oben beschrieben, der abklingende Strom zum Abbau der in der Heizwicklung RL , LL gespeicherten magnetischen Energie durch die Freilaufdiode D1, wodurch das Potential an ihrer Kathode und damit auch an der Kathode der zweiten Diode D2 bei etwa -0,7 Volt liegt, wodurch das zweite Schaltmittel T2 ausgeschaltet wird und entsprechend die Ausgangsspannung U_out etwa den Wert der 5 Volt Versorgungsspannung annimmt. Wenn der Strom durch die Freilaufdiode abgeklungen ist, wird die Spannung an ihrer Kathode wieder ansteigen, so dass das zweite Schaltmittel T2 wieder eingeschaltet wird und entsprechend die Ausgangsspannung U_out wieder auf Massepotential liegt. Die Zeit, während der das zweite Schaltmittel T2 ausgeschaltet ist, kann nun in einfacher Weise von einem Mikrocontroller ermittelt werden und durch Nachsehen in einer Zeit-Temperartur-Paar-Tabelle die dazugehörende Temperatur der Heizwicklung ermittelt werden. Durch entsprechend gesteuertes Ein- und Ausschalten des Schaltmittels T1 kann hierdurch die Temperatur des Kraftstoffeinspritzventils geregelt werden.
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In der 5 ist eine entsprechende Pegelwandlerschaltung für eine Vorrichtung zum Betreiben der Heizwicklung RL , LL für ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Schalteelement T1', wie es in der 2 dargestellt ist, dargestellt. Der rechte Teil der Schaltung entspricht hier der 2, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet wurden.
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In ähnlicher Weise wie in der Schaltung der 4 wird das Ausgangssignal als Spannung an einen als npn-Bipolartransistor ausgebildetes drittes Schaltelement T3' abzugreifende Kollektorspannung gebildet, wobei der Kollektor des dritten Schaltelements T3' über einen fünften Widerstand R5' mit einer 5 Volt Versorgungsspannung verbunden ist. Der Basisanschluss des dritten Schaltelements T3' ist über einen vierten Widerstand R4' mit dem Kollektor eines als pnp-Bipolartransistor ausgebildeten zweiten Schaltelements T2' verbunden, dessen Emitter mit der Versorgungsspannung Vbat verbunden ist. Der Basisanschluss des zweiten Schaltelements T2' ist einerseits über einen zweiten Widerstand R2' mit dem Masseanschluss und über einen dritten Widerstand R3' sowie eine dazu in Serie geschaltete, in Sperrrichtung gepolte zweite Diode D2' mit der Anode der Freilaufdiode D1' verbunden. Solange die Freilaufdiode D1' keinen Strom führt, ist das zweite Schaltelement T2' aufgrund der Verbindung des Basisanschlusses über den zweiten Widerstand R2' mit Massepotential leitend, wodurch auch das dritte Schaltelement T3' leitend ist und die Ausgangsspannung U_out auf Massepotential liegt. Ist jedoch aufgrund des abklingenden Stromes durch die Heizwicklung RL , LL und den dadurch fließenden Strom durch die Freilaufdiode D1' an der Anode der Freilaufdiode D1' ein hohes Potential U_sense abgreifbar, so sperrt das zweite Schaltelement T2', wodurch auch das dritte Schaltelement T3' ausgeschaltet wird und die Ausgangsspannung U_out am Kollektor des dritten Schaltelements T3' das Potential der 5 Volt Spannungsversorgung annimmt. Dies dauert so lange, bis der Strom durch die Heizwicklung RL , LL abgeklungen ist und anschließend das Potential an der Anode der Freilaufdiode D1' einen Wert einnimmt, der zum Einschalten des zweiten Schaltelements T2' und entsprechend des dritten Schaltelements T3' führt.
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Die Dauer des Ausgangssignals U_out entspricht der Entmagnetisierungsdauer der Heizwicklungsinduktivität LL . Sie kann mit Hilfe eines Mikrocontrollers erfasst werden. Im Speicher dieses Mikrocontrollers kann in tabellarischer Form der zuvor messtechnisch ermittelte Zusammenhang von Temperatur des Kraftstoffeinspritzventils und Pulsdauer hinterlegt werden. Durch Vergleich von erfasster Zeitdauer mit diesen Tabellenwerten lässt sich so sehr genau auf die Temperatur schließen.
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Der auf diese Weise gewonnene Temperaturwert (Istwert) lässt sich nun durch Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert dazu verwenden, das Pulsperiodenverhältnis des Steuersignals Control für das Schaltmittel T1 bzw. das Schaltelement T1' so zu verändern, dass eine gewünschte Kraftstoffeinspritzventiltemperatur möglichst genau eingehalten wird.
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Durch die erfindungsgemäße Erfassung und Auswertung des Entmagnetisierungsvorganges ist es möglich, eine einfache, kostengünstige und genaue Temperaturerfassung für das Kraftstoffeinspritzventil zu realisieren. Dies erlaubt den Aufbau eines kostengünstigen Kraftstoffheizsystems mit Temperaturregelung.
