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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors, der einen Spulenantrieb mit einer Magnetspule und einem Magnetanker umfasst, wobei der Magnetanker durch ein von der Magnetspule erzeugbares Magnetfeld entlang einer Längsachse bewegbar ist.
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Bei einem solchen Kraftstoffinjektor wird durch eine geeignete Erregung der Magnetspule ein Magnetfeld erzeugt, welches den Magnetanker des Spulenantriebs entlang der Längsachse (Verschiebeachse) bewegt. Mit dem Magnetanker ist eine Nadel des Kraftstoffinjektors verbunden, welche abhängig von ihrer Position eine Öffnung des Kraftstoffinjektors schließt oder zum Zwecke einer Kraftstoffeinspritzung für eine gewisse Zeit freigibt.
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In einer so genannten Verstärkungsphase wird der Spulenantrieb des Kraftstoffinjektors mit einer sog. Verstärkungsspannung beaufschlagt, um den Magnetanker möglichst schnell von seiner Schließposition in seine Öffnungsposition zu bewegen. Danach kann die Magnetspule des Spulenantriebs des Kraftstoffinjektors in einer sog. Haltephase mit einer im Vergleich zu der Verstärkungsspannung kleineren Haltespannung beaufschlagt werden, um den Magnetanker in seiner Öffnungsposition zu halten. Die Haltespannung wird in der Regel in Form von einer Vielzahl von Haltepulsen angelegt, so dass sich ein vorgegebener Haltestrom einstellt.
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Die Erzeugung der Spannung zum Antreiben des Spulenantriebs, welche hier als Verstärkungsspannung bezeichnet wird, wird mit einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) aus einer Versorgungsspannung erzeugt, die kleiner als die Verstärkungsspannung ist. Als Versorgungsspannung dient die von einer Batterie bereit gestellte Spannung im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Der Gleichspannungswandler umfasst einen Speicherkondensator zur Stützung der am Ausgang des Gleichspannungswandler bereit gestellten Spannung, wenn der an den Gleichspannungswandler angeschlossene Verbraucher, d.h. der Kraftstoffinjektor, kurzzeitig einen hohen Strom zieht. Der Ausgang des Gleichspannungswandlers ist mit dem Kraftstoffinjektor bzw. dessen Magnetspule, gekoppelt.
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Ein solches Ansteuerverfahren ist in der
DE 10 2007 027 989 A1 beschrieben. Dort soll außerdem, abhängig von der Temperatur des Kraftstoffes, bei tieferen Temperaturen die Bestromung der Magnetspule mit einer Spannung erfolgen, die zwischen der Verstärkungs- und der Haltespannung liegt.
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In der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2013 220 613 A1 ist ebenfalls ein solches Ansteuerverfahren beschrieben, bei dem außerdem abhängig von der Temperatur des Kraftstoffes oder dem Alterungszustand eines Kraftstoffeinspritzventils die Verstärkungsspannung auf eine Vorsteuerspannung erhöht wird, wobei der Zeitpunkt des Beginns der Erhöhung von der Temperatur abhängen kann.
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Die Kraft, um den Magnetanker zum Betätigen des Kraftstoffeinspritzventils zu bewegen, wird durch den durch die Magnetspule fließenden Strom und dieser durch die an der Magnetspule anliegende Spannung bestimmt. Die erforderliche Kraft wird jedoch durch die meist mittels einer Feder erzeugte Kraft, mit der die oben genannte Nadel des Kraftstoffeinspritzventils gegen die Einspritzöffnung gedrückt wird und die Masse der zu bewegenden Teile des Kraftstoffeinspritzventils sowie den Druck des Kraftstoffs, der sich im Kraftstoffeinspritzventil befindet und gegen die Öffnungsrichtung wirkt, bestimmt.
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Bei der Ansteuerung der Magnetspule wird zu Beginn versucht, den Stromwert schnell auf einen definierten Maximalwert zu bringen, damit sich der Magnetanker schnell von seiner Ruhelage aus bewegt.
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Das Gesamtsystem einschließlich einer den Gleichspannungswandler steuernden Steuereinheit, die zumeist mit einem Mikroprozessor realisiert ist, ist so ausgelegt, dass die Verstärkungsspannung ausreichend ist, den notwendigen Maximalstrom für den max. Nominaldruck des Kraftstoffs wiederkehrend sicherzustellen. Es wird grob davon ausgegangen, dass die Energie für einen einzelnen Maximalstrompuls aus dem Speicherkondensator des Gleichspannungswandlers entnommen werden kann und dieser schnell genug nachgeladen wird. Aus Wirkungsgrad - Kalibrations- und Kostengründen ist der Wert der Verstärkungsspannung und der Kapazitätswert des Speicherkondensators jedoch nicht auf einen für alle eintretenden Situationen geeigneten Wert definiert bzw. ausgelegt.
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Durch besondere Funktionsanforderungen im Gesamtsystem bzw. zur Verbesserung der Systemsicherheit ist es erforderlich, bei einem höheren Kraftstoffdruck als nominal definiert, den Kraftstoffinjektor öffnend zu betätigen. Ein solcher höherer Kraftstoffdruck kann z.B. dadurch auftreten, dass bei Nominaldruck die Einspritzung abgeschaltet wird und sich der Motor durch die vorhandene interne Wärme weiter aufheizt. Durch die Erhöhung der Temperatur dehnt sich der Kraftstoff aus, so dass der Kraftstoffdruck über den vorgegebenen Maximalwert ansteigen kann, da der Kraftstoff nicht abfließen kann. Eine andere mögliche Ursache kann der Ausfall der Kraftstoffdruck-Regelung sein; in diesem Fall kann die Hochdruckpumpe dem Kraftstoff-System den max. Kraftstoffdruck, der von ihr erzeugt werden kann, bereitstellen.
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Um den Kraftstoffinjektor auch bei einem Druck über dem max. Nominaldruck sicher öffnen zu können, bedarf es eines erhöhten Krafteintrages im Magnetkreis durch einen erhöhten Maximalstrom. Dieser erforderliche höhere Maximalstrom wird jedoch durch den vorgegebenen ohmschen Anteil des Kraftstoffinjektors und der vorgegeben Verstärkungsspannung und die Größe des Speicherkondensators begrenzt.
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DE 10 2007 023 898 offenbart ein Verfahren zum Kontrollieren eines Einspritzventils, bei dem das Einspritzventil während einer Haltephase, bei der das Einspritzventil offengehalten wird, mit einem Strom bestromt wird, der von einem Kondensator bereitgestellt wird.
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DE 198 33 830 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines Magnetventils, das zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine dient. Zu Beginn der Ansteuerung wird das Magnetventil mit einer gegenüber der weiteren Ansteuerung erhöhten Boosterspannung beaufschlagt. Die Energie oder die Leistung, mit der das Magnetventil zu Beginn der Ansteuerung beaufschlagt wird, ist abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine beeinflussbar.
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DE 10 2008 040 860 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung, die zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen ausgebildet ist und einen Boosterkondensator aufweist, der zum Austausch von elektrischer Energie mit Spulen der Einspritzventile ausgebildet ist, wobei der Boosterkondensator auf einer Spannung einer Batterie angebunden ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches eine Betätigung des Kraftstoffinjektors auch bei einem Kraftstoffdruck über dem maximalen Nominaldruck sicher ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird ein Verfahren zum Ansteuern eines mit einem Kraftstoff enthaltenden Kraftstoffsystem verbundenen Kraftstoffinjektors vorgeschlagen, der einen Spulenantrieb mit einer Magnetspule und einem Magnetanker umfasst, wobei der Magnetanker durch ein von der Magnetspule erzeugbares Magnetfeld entlang einer Längsachse bewegbar ist, bei dem die Magnetspule zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit einer Verstärkungsspannung beaufschlagt wird, um den Magnetanker von einer Schließposition in eine Öffnungsposition zu bewegen, wobei die Verstärkungsspannung von einem spannungsgeregelten Gleichspannungswandler aus einer im Vergleich kleineren Versorgungsspannung bereitgestellt wird, wobei der Gleichspannungswandler einen Speicherkondensator zur Stützung der am Ausgang des Gleichspannungswandlers bereit gestellten Spannung umfasst, wobei der Speicherkondensator des Gleichspannungswandlers vor dem vorgegebenen Zeitpunkt über die Verstärkungsspannung hinaus auf eine Vorsteuerspannung geladen wird, so dass die an der Magnetspule anliegende Spannung zu dem vorgegebenen Zeitpunkt höher als die Verstärkungsspannung ist, wenn der durch einen Drucksensor ermittelte Druck des Kraftstoffs im Kraftstoffsystem größer als ein im Normalbetrieb herrschender Druck ist.
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Durch die Erhöhung der Spannung am Speicherkondensator des Gleichspannungswandlers von der bei Nominaldruck ausreichenden Verstärkungsspannung auf eine höhere Vorsteuerspannung, ist es möglich, den Kraftstoffinjektor auch bei einem höheren Kraftstoffdruck sicher zu öffnen. Da diese Spannungserhöhung nicht andauernd erfolgt, sondern in erfindungsgemäßer Weise nur dann, wenn tatsächlich der Kraftstoffdruck erhöht ist, werden die davon betroffenen Bauteile nicht wesentlich überbelastet, so dass keine Bauteile mit höherer Spannungsfestigkeit verwendet werden müssen, wodurch die Kosten nicht erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Speicherkondensator während der gesamten Zeitdauer, während der der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoffsystem größer als ein im Normalbetrieb herrschender Druck ist, auf die Vorsteuerspannung geladen. Dies vermeidet ein ständiges Nachladen der Spannung am Speicherkondensator vor jedem Einspritzvorgang.
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In vorteilhafter Weise kann die Aufladung des Speicherkondensators durch den Gleichspannungswandler selbst erfolgen, indem seine Regelspannung entsprechend dem Kraftstoffdruck angepasst wird, wobei sich in vorteilhafter Weise die Vorsteuerspannung aus der Verstärkungsspannung und einer Differenzspannung ergibt, die von der Höhe des Drucks des Kraftstoffs abhängt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Steuergerät 10 zum Ansteuern eines Kraftstoffinjektors 30 für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Bei dem schematisch dargestellten Kraftstoffinjektor 30 handelt es sich um einen herkömmlichen Kraftstoffinjektor, welcher in bekannter Weise einen Spulenantrieb mit einer Magnetspule aufweist. Durch eine geeignete Erregung der Magnetspule wird ein Magnetfeld erzeugt, welches einen Magnetanker des Spulenantriebs entlang einer Längsachse (Verschiebeachse des Magnetankers) bewegt. Mit dem Magnetanker ist eine Nadel des Kraftstoffinjektors verbunden, welche abhängig von ihrer Position eine Öffnung des Kraftstoffinjektors schließt oder zum Zwecke einer Kraftstoffeinspritzung für eine gewisse Zeit freigibt.
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In einer so genannten Verstärkungsphase wird der Spulenantrieb des Kraftstoffinjektors zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, der von einer Motorsteuerung ermittelt wird, mit einer sog. Verstärkungsspannung beaufschlagt, um den Magnetanker gegen eine Federkraft, seine Massenträgheit und den Kraftstoffdruck im Inneren des Kraftstoffinjektors möglichst schnell von seiner Schließposition in seine Öffnungsposition zu bewegen. Danach kann die Magnetspule des Spulenantriebs des Kraftstoffinjektors in einer sog. Haltephase mit einer im Vergleich zu der Verstärkungsspannung kleineren Haltespannung beaufschlagt werden, um den Magnetanker in seiner Öffnungsposition zu halten. Die Haltespannung wird in der Regel in Form von einer Vielzahl von Haltepulsen angelegt, so dass sich ein vorgegebener Haltestrom einstellt. Für die vorliegende Erfindung wird diese Unterscheidung außer Acht gelassen.
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Die Verstärkungsspannung UDCDC, die eine Sollspannung darstellt, wird durch das Steuergerät 10 an Ausgangsanschlüssen 22, 24 bereitgestellt. Das Steuergerät 10 umfasst zu diesem Zweck einen Gleichspannungswandler 12, einen Speicherkondensator 14, einen Spannungsregler 16, eine Recheneinheit (Mikrocontroller) 18 sowie ein Schaltelement 20. Der Gleichspannungswandler 12 erzeugt aus einer Eingangsspannung U1 eine Ausgangsspannung U2. Die Eingangsspannung U1, zum Beispiel 12 V, wird durch einen nicht dargestellten Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Ausgangsspannung U2 entspricht der Spannung UDCDC des Gleichspannungswandlers 12 an seinen Ausgangsanschlüssen sowie den Ausgangsanschlüssen 22, 24 des Steuergeräts. Die Spannung UDCDC repräsentiert im Wesentlichen die oben erwähnte Verstärkungsspannung, deren Höhe von einer Spezifikation des Kraftstoffinjektors 30 abhängt. Die Verstärkungsspannung kann beispielsweise 65 V (=Sollspannung) betragen.
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Der Gleichspannungswandler 12 ist ausgangsseitig mit den beiden Anschlüssen des Speicherkondensators 14 und dem Kraftstoffinjektor 30 verschaltet. Für einen Fachmann ist klar, dass die Anschlüsse des Gleichspannungswandlers 12 hierbei mit dem Spulenantrieb, d.h. der Magnetspule, verbunden sind. Das Schaltelement 20 ist zwischen dem bereits erwähnten Ausgangsanschluss 22 und einem der Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers 12 verschaltet. Wenn der Kraftstoffinjektor 30 zum vorgegebenen Zeitpunkt zum Öffnen mit einer Spannung beaufschlagt werden soll, wird das Schaltelement 20 geschlossen. Andernfalls ist es geöffnet. Die Steuerung der Schaltstellung des Schaltelements 20 erfolgt durch die Recheneinheit 18.
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Die Aufgabe des Speicherkondensators 14 besteht darin, die am Ausgang des Gleichspannungswandlers 12 bereitgestellte Verstärkungsspannung UDCDC zu stützen, wenn der Kraftstoffinjektor 30 beim Einspritzvorgang zum Öffnen kurzzeitig einen hohen Strom zieht. Die zum Öffnen des Kraftstoffinjektors 30 notwendige Energie wird dem Speicherkondensator 14 entnommen, wodurch sich die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 22, 24 und damit am Knotenpunkt 26 absenkt.
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Der Spannungsregler 16 weist zwei Eingänge 16a und 16b auf. Der erste Eingang 16a ist mit dem Knotenpunkt 26 zwischen dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 12 und dem Speicherkondensator 14 verbunden. An diesem ersten Eingang 16a wird die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers 12 bzw. des Steuergeräts detektiert, um im Falle einer abfallenden Spannung UDCDC ein Nachladen des Speicherkondensators 14 zu bewirken, um die Verstärkungsspannung UDCDC wieder auf den Sollwert, d.h. in diesem Beispiel 65 V, zu regeln.
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Zusätzlich ist der zweite Eingang 16b mit der Recheneinheit 18 verbunden, welche eine Beeinflussung des Verhaltens des Gleichspannungswandlers 12 im Sinne einer Vorsteuerung ermöglicht.
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In erfindungsgemäßer Weise wird bei einem Kraftstoffdruck, der über dem Nominaldruck liegt und durch einen Drucksensor 28 ermittelt wird, der Speicherkondensator 14 durch den Gleichspannungswandler 12 über die Nenn-Verstärkungsspannung von 65 V aufgeladen, so dass der Speicherkondensator 14 eine Spannung von z.B. 68 V aufweist. Diese Spannung wird als Vorsteuerspannung bezeichnet. Der Drucksensor 28 ist im Beispiel der 1 im Inneren des Kraftstoffinjektors dargestellt, er kann jedoch ebenso in der Kraftstoffzuleitung des Kraftstoffsystems, beispielsweise im Rail, angeordnet sein.
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Die Differenzspannung, also die Differenz zwischen der Verstärkungs- und der Vorsteuerspannung, am Speicherkondensator 14 kann durch die Recheneinheit 18 in Abhängigkeit vom Druck des Kraftstoffs, beispielsweise proportional zum Wert des Differenzdrucks über dem Nominaldruck, eingestellt werden.
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Auf diese Weise kann sehr flexibel auf mögliche Überdrücke reagiert werden, ohne dass das gesamte System für höhere Spannungen zur Ansteuerung des Kraftstoffinjektors ausgelegt werden muss.
