Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines
elektromagnetischen Verbrauchers.
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Aus der DE 44 15 361 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines
elektromagnetischen Verbrauchers bekannt. Solche elektromagnetischen Verbraucher dienen
insbesondere zur Steuerung der Kraftstoffzumessung bei Brennkraftmaschinen. Hierbei
legt ein Magnetventil die Einspritzdauer und/oder den Einspritzbeginn fest.
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Bei Magnetventilen verstreicht üblicherweise zwischen dem Ansteuerzeitpunkt und der
Reaktion des Magnetventils eine gewisse Zeitspanne. Diese Zeitspanne wird
üblicherweise als Schaltzeit des Ventils bezeichnet. Diese Schaltzeit hängt von verschiedenen
Parametern ab. Solche Parameter sind beispielsweise die Spulenspannung und/oder die
Spulentemperatur und/oder der durch die Spule fließende Strom. Eine variable Schaltzeit des
Magnetventils hat wiederum eine variable Einspritzdauer und/oder einen variablen
Einspritzbeginn und damit eine sich unerwünscht ändernde eingespritzte Kraftstoffmenge zur
Folge.
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Aus der DE 195 13 878 (US 5 878 722) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Steuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers bekannt. Bei der dort beschriebenen
Vorgehensweise wird die Dauer der Ansteuerung des Magnetventils um eine
Abschaltverzugszeit der laufenden Einspritzung korrigiert. Diese Verzugszeit ist abhängig vom
Momentanwert des Stroms beim Abschaltvorgang vorgebbar.
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Desweiteren ist bekannt, dass beim Abschalten die mechanischen Schaltzeiten abhängig
von dem Abschaltstrom und der Abschaltspannung sind. Um den Einfluss
unterschiedlicher Abschaltströme wirklich gering zu halten, wird mit möglichst hoher Löschspannung
der Strom aus dem Verbraucher abkommutiert. Hierzu sind Bauelemente erforderlich, die
die entsprechende Spannungsfestigkeiten aufweisen. Diese Bauteile sind vergleichsweise
teuer.
Vorteile der Erfindung
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Dadurch, dass wenigstens eine Schaltzeit und/oder ein Korrekturwert ausgehend von
einem erfassten Stromwert ermittelt wird, kann eine sehr genaue Steuerung der
Kraftstoffzumessung insbesondere des Beginns der Kraftstoffzumessung und/oder der Dauer der
Kraftstoffzumessung erreicht werden. Darüber hinaus ergibt sich eine wesentliche
Kosteneinsparung gegenüber Systemen, die auf hohe Spannungsfestigkeiten ausgelegt sind,
dadurch, dass die Schaltzeit in Abhängigkeit der Löschspannung vorbestimmbar sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Einschaltzeit bei der Vorgabe des Beginns und die
Ausschaltzeit bei der Vorgabe der Dauer der Ansteuerung berücksichtigt wird. Anstelle
der Dauer der Ansteuerung kann auch das Ende der Ansteuerung vorgegeben werden. Bei
der Vorgabe des Endes sind die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit zu berücksichtigen.
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Besonders einfach und sicher ist die Auswertung, wenn die Schaltzeit ausgehend von
einem stationären Stromwert ermittelt wird und/oder ausgehend von einem Stromwert, der
unmittelbar vor dem Abschalten gemessen wird, ermittelt wird. Bei der Verwendung des
stationären Stromwerts kann eine Korrektur bei der selben Einspritzung erfolgen,
und/oder bei den nachfolgenden vorgenommen werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn ausgehend von dem
Stromwert eine Ventil-Kennlinie korrigiert wird. Dies bedeutet, es wird unmittelbar der
Zusammenhang zwischen Ansteuerdauer des Verbrauchers und der eingespritzten
Kraftstoffmenge korrigiert. Diese Korrektur erfolgt derart, dass unabhängig von dem Strom,
der durch den Verbraucher fließt, die Ansteuerdauer für den Verbraucher ausgegeben
wird, die erforderlich ist, um die gewünschte Kraftstoffmenge zuzumessen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass anstelle des
Stroms eine Löschspannung oder eine hieraus abgeleitete Größe ausgewertet wird. Bei
der Löschspannung handelt es sich bei der während des Abschaltvorgangs am
Verbraucher anliegenden Spannung. Diese Spannung wird vorzugsweise an dem Anschluß des
Verbrauchers erfaßt, der mit der Spannungversorgung in Verbindung steht.
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Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform, bei der Verfahren die Schaltzeit und/oder
der Korrekturwert ausgehend von einer Zeitdauer ermittelt wird, während der die
Löschspannung anliegt. Das heißt es wird die Zeitdauer ermittelt während der die
Löschspannung am Verbraucher anliegt. Vorzugsweise wird der Zeitpunkt ermittelt wird, bei dem
die Löschspannung unter einen Schwellenwert (TS) abfällt. Die Dauer der
Löschspannung entspricht dann dem Zeitabschnitt zwischen dem Abschalten des Verbrauchers und
dem Unterschreiten des Schwellenwerts.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform erläutert. Es zeigt Fig. 1 wesentliche Elemente der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, die Fig. 2 und 3 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale, die Fig. 3
eine Ventil-Kennlinie, die Fig. 5 wesentliche Elemente einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die Fig. 6 verschiedene über der Zeit
aufgetragene Signale.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Vorrichtung zur Steuerung der
einzuspritzenden Kraftstoffmenge in eine Brennkraftmaschine beschrieben. Sie ist aber nicht
auf diese Anwendung beschränkt. Sie kann immer dann eingesetzt werden, wenn die
Ansteuerdauer eines elektromagnetischen Verbrauchers zu steuern ist. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn die Ansteuerdauer eine Größe, wie beispielsweise den durch das
Magnetventil fließenden Volumenstrom eines Mediums festlegt.
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Mit 100 ist ein elektromagnetischer Verbraucher, insbesondere ein Magnetventil,
bezeichnet. Ein erster Anschluss des Magnetventils 100 steht mit einer
Versorgungsspannung Ubat in Verbindung. Ein zweiter Anschluss des Magnetventils steht über ein
Schaltmittel 110 sowie ein Strommessmittel 120 mit Masse 130 in Verbindung. Das
Schaltmittel 110, ist vorzugsweise als Transistor realisiert. Die beiden Anschlüsse des
Schaltmittels sind vorzugsweise über ein Spannungsbegrenzungsmittel 111 verbunden.
Bei dem Strommessmittel handelt es sich vorzugsweise um einen ohmschen Widerstand,
wobei der Spannungsabfall an dem ohmschen Widerstand zur Strommessung ausgewertet
wird.
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Das Schaltmittel 110 wird von einer Ansteuerlogik 115 mit einem Ansteuersignal
beaufschlagt. Der Spannungsabfall am Strommessmittel 120 wird von einer Stromerfassung
125 ausgewertet. Diese Stromerfassung beinhaltet unter anderem ein Analog/Digital-
Wandler und ein Register 126 zum speichern des Stromwerts. Die Bauelemente 110 bis
125 bilden die sogenannte Endstufe 140, die vorzugsweise als Endstufen IC ausgebildet
ist. Die Endstufe 140 steht vorzugsweise über eine Schnittstelle mit einer Steuereinheit
150 in Verbindung und überträgt über diese zumindestens den Wert des Stroms I an die
Steuereinheit 150. Von der Steuereinheit 150 wird ein Ansteuersignal T, das insbesondere
die Ansteuerdauer und/oder den Ansteuerbeginn festlegt, zur Endstufe, insbesondere zur
Ansteuerlogik 115, übertragen. Die Steuereinheit 150 beinhaltet unter anderem eine
Schaltzeitermittlung 152 die mit dem Register der Stromerfassung 125 verbunden ist.
Desweiteren beinhaltet die Steuereinheit 150 eine Ansteuerzeitvorgabe 154, die die
Ansteuerlogik 115 mit dem Ansteuersignal T beaufschlagt.
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Die Steuereinheit 150, insbesondere die Ansteuerzeitvorgabe 154, berechnet ausgehend
von verschiedenen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine und/oder
Umgebungsbedingungen das Ansteuersignal T. Dieses Ansteuersignal T beinhaltet die Information
bezüglich des Ansteuerbeginns und/oder der Ansteuerdauer des elektromagnetischen
Verbrauchers. Dieses Ansteuersignal T wird dann von der Ansteuerlogik 115 in Signale
zur Beaufschlagung des Schaltmittels 110 umgewandelt.
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Der durch den Verbraucher 100 fließende Strom I erzeugt am Strommesswiderstand 120
ein Spannungsabfall, der von der Stromerfassung 125 ermittelt wird. Ausgehend von dem
Spannungsabfall ermittelt die Stromerfassung den Stromwert I und schreibt diesen in das
Register 126. Die Schaltzeitermittlung 152 liest den Stromwert I aus dem SPI-Register
aus und bestimmt ausgehend von dem Stromwert I die Schaltzeiten TA. Die Schaltzeiten
TA werden von der Ansteuerzeitvorgabe 154 bei der Bestimmung des Ansteuersignals T
berücksichtigt.
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In Fig. 2 ist der Verlauf des Stromes beim Einschalten über der Zeit t aufgetragen.
Dabei sind drei Stromverläufe mit unterschiedlichen Endwerten des Stroms 11, 12 und 13
dargestellt. Zum Zeitpunkt te wird das Schaltmittel 110 geschlossen und der Stromfluss
durch den Verbraucher 100 beginnt. Aufgrund der Induktivität des Verbrauchers steigt
der Strom gemäß der Exponentialfunktion an. Nach einer gewissen Zeit beginnt sich die
Nadel des Magnetventils zu bewegen und die Induktivität des Verbrauchers ändert sich.
Erreicht die Magnetventilnadel ihre neue Endlage, d. h. das Magnetventil öffnet, weist der
Strom in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Knick auf. Ab diesem Zeitpunkt
steigt dann der Strom auf seinen Endwert I1, I2 oder I3 an. Der Zeitpunkt, bei dem das
Magnetventil öffnet ist jeweils mit t3, t2 bzw. t1 bezeichnet. Der Abstand zwischen dem
Einschaltzeitpunkt te und dem Öffnen des Magnetventils zum Zeitpunkt t3, t2 oder t1
wird üblicherweise als Schaltzeit insbesondere als Einschaltzeit bezeichnet. Bei großen
Strömen stellt sich vorzugsweise eine kleine Einschaltzeit ein. Bei kleineren Strömen
ergibt sich eine größere Einschaltzeit.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese Einschaltzeit abhängig ist vom Endwert des
Stromes. Erfindungsgemäß ist dieser Zusammenhang vorzugsweise als Kennfeld in der
Schaltzeitvorgabe 152 abgelegt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die
Stromerfassung bereits eine Umrechnung des Stroms in eine Schaltzeit vornimmt und anstelle des
Stroms eine Schaltzeit oder ein Korrekturwert an die Steuereinheit 150 übermittelt.
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In Fig. 3 ist der Verlauf des Nadelhubs h beim Abschalten d. h. beim Öffnen des
Schalters 110 zum Zeitpunkt ta aufgetragen. Hier sind ebenfalls drei stationäre Stromwerte
vorgegeben ausgehend von denen abgeschaltet wird. Ab dem Zeitpunkt ta fällt der Strom
gemäß einer Exponentialfunktion auf Null ab. Dies hat zur Folge, das sich die
Magnetventilnadel langsam in Richtung ihrer geschlossene Position bewegt. Abhängig von der
Stromhöhe und der Klammerspanung wird das Abschalten kürzer oder länger. Berührt die
Nadelhubkurve die Zeitachse zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3, so ist das Magnetventil
geschlossen. Bei einem hohen Strom ergibt sich eine lange Abschaltzeit, bei einem
kleinen Strom ergibt sich eine kürzere Abschaltzeit. Bei großen Strömen stellt sich
vorzugs-Weise eine große Abschaltzeit ein. Bei kleineren Strömen ergibt sich eine kleinere
Abschaltzeit.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Zusammenhang zwischen dem stationären
Endwert des Stromes vor dem Abschalten und der Schaltzeit besteht, dieser
Zusammenhang ist ebenso, wie die Einschaltzeit in der Schaltzeitvorgabe 152 vorzugsweise als
Kennfeld abgelegt.
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Vorzugsweise wird der Stromwert, der durch den Verbraucher fließt im
eingeschwungenen, statischen Zustand gemessen. Dies erfolgt vorzugsweise ca. 2 ms nach dem
Einschalten des Stromflusses, spätestens unmittelbar vor dem Abschalten des Verbrauchers.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn gleichzeitig die Versorgungsspannung Ubat gemessen
wird. Ausgehend von dem gemessenen Stromwert wird direkt der ohmsche Widerstand
des Verbrauchers bestimmt. Ausgehend von diesem kann auch auf die Temperatur des
Verbrauchers geschlossen werden. Damit sind die Haupt-Einflussgrößen auf die
Einschaltzeiten und die Abschaltzeiten bekannt und können somit kompensiert werden.
Hierzu werden vorzugsweise Kennfelder oder Berechnungsverfahren angewendet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit zur
Korrektur der Dauer der Kraftstoffzumessung verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn die Einschaltzeit zur Korrektur des Beginns der Kraftstoffzumessung und die
Ausschaltzeit zur Korrektur des Endes der Kraftstoffzumessung verwendet wird.
Vorzugsweise werden die, bei der vorangegangenen Einspritzung ermittelten Schaltzeiten, bei der
folgenden Kraftstoffzumessung verwendet. Bei einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenn mehrere gleichartige Verbraucher vorgesehen sind, wie
dies bei der Kraftstoffzumessung in der Regel der Fall, die Messung lediglich bei einem
Verbraucher erfolgt, da die weiteren Verbraucher den gleichen Umweltbedingungen, wie
beispielsweise Versorgungsspannung oder Temperatur, ausgesetzt sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Strom mehrmals während der Ansteuerung
gemessen wird und lediglich der höchste gemessene Strom bei einer Zumessung als Wert
verwendet wird.
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Üblicherweise umfaßt die Ansteuerzeitvorgabe eine Ventil-Kennlinie. In dieser Ventil-
Kennlinie ist der Zusammenhang zischen der gewünschten einzuspritzenden
Kraftstoffmenge QK und der Dauer ti des Ansteuersignals T abgelegt. Eine Ventil-Kennlinie ist
beispielhaft in Fig. 4 dargestellt. Eine idealisierte Kennlinie ist mit einer
durchgezogenen Linie eingezeichnet. Bis zu einer Mindestansteuerdauer ti0 erfolgt keine
Einspritzung. Ab der Mindestansteuerdauer steigt die Kraftstoffmenge steil an. Im weiteren
Verlauf besteht ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Zeit ti und der
eingespritzten Kraftstoffmenge QK.
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Abhängig von dem Strom I, der durch den Verbraucher fließt ergeben sich wie oben
dargestellt unterschiedliche Schaltzeiten. Diese haben zur Folge, dass sich bei
unterschiedlichen Strömen unterschiedliche Kennlinien ergeben. Erfindungsgemäß wurde erkannt,
dass die Stromabhängigkeit eine Parallelverschiebung der Kennlinie zur Folge hat.
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Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass der Stromwert entsprechend ermittelt und
ausgehend von diesem eine Korrektur der Ventil-Kennlinie erfolgt. Dies kann zum einen
derart realisiert sein, dass für unterschiedliche Stromwerte unterschiedliche Kennlinien in
der Ansteuerzeitvorgabe abgelegt und verwendet werden. Alternativ kann auch
vorgesehen sein, dass ein Korrekturwert ermittelt wird, mit dem die Ausgangsgröße und/oder die
Eingangsgröße des Kennfeldes korrigiert wird.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Die
Ausführungsform der Fig. 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 im
Wesentlichen darin, dass anstelle einer Stromerfassung 125 eine Spannungserfassung 128
vorgesehen ist, die die Spannung U, die am Verbindungspunkt zwischen dem
Verbraucher 100 und dem Schaltmittel 110 anliegt, erfasst. Diese Spannungserfassung 128 liefert
ein Signal t, das eine Zeitgröße darstellt, an die Schaltzeitermittlung 152.
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Die Spannungserfassung 128 ist in Fig. 5 detaillierter dargestellt. Das Spannungssignal
U gelangt zu einem Vergleicher 128a, an dessen zweiten Eingang ein Ausgangssignal TS
einer Schwellwertvorgabe 128b liegt. Der Zeitpunkt bei dem der Schwellenwert
überschritten wird und oder die Zeitdauer seit der Ansteuerung des Verbrauchers, wird in das
Register 126 eingetragen.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise dieser Ausgestaltung anhand der Fig. 6
beschrieben. In Fig. 6a ist der Verlauf des Stromes I, der durch den Verbraucher 100
fließt, während des Abschaltvorgangs aufgetragen. In Fig. 6b ist die dabei am
Verbraucher anliegende Spannung U über die entsprechende Zeit aufgetragen. In Fig. 6c ist der
Hub der Magnetventilnadel über der Zeit aufgetragen. Bis zu dem Zeitpunkt ta fließt der
stationäre Stromwert durch den Verbraucher. Zum Zeitpunkt ta endet die Ansteuerung
des Schaltmittels 110. Ab diesem Zeitpunkt fällt der Strom gemäß einer
Exponentialfunktion auf 0 ab. Dies hat zur Folge, dass ab einer gewissen Verzögerungszeit sich die
Magnetventilnadel in Richtung ihrer geschlossenen Position bewegt. Abhängig von der
Stromhöhe und der Klammerspannung U wird das Abschalten kürzer oder länger. Berührt
der Verlauf des Hubs der Magnetventilnadel zu den Zeitpunkten AT1, AT2 oder AT3 die
Zeitachse so ist das Magnetventil geschlossen.
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Gleichzeitig mit der Betätigung des Schaltmittels 110 steigt die Klammerspannung U auf
einen durch die Zenerdiode 111 bestimmten Wert. Sobald der Strom I auf 0 abgefallen
ist, fällt die Spannung U ebenfalls exponentiell ab. Dieser Zeitpunkt, ab dem die
Spannung abfällt, entspricht dem Zeitpunkt t1, t2 oder t3, bei dem der Strom I auf 0 abgefallen
ist. Zum Zeitpunkt, bei dem die Magnetventilnadel ihre Endposition erreicht hat, fällt die
Spannung auf die Batteriespannung UBat ab. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein
Zusammenhang besteht zwischen dem Zeitpunkt t1, t2, t3, bei dem die Spannung U
abfällt und dem Zeitpunkt AT1, AT2, AT3, bei dem das Magnetventil seine Endlage
erreicht.
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Erfindungsgemäß ist dieser Zusammenhang vorzugsweise als Kennfeld in der
Schaltzeitvorgabe 152 abgelegt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die
Spannungserfassung bereits eine Umrechnung der Zeitpunkte t1, t2, t3 in eine Schaltzeit vornimmt und
anstelle der Zeit, bei dem die Spannung abfällt, eine Schaltzeit oder ein Korrekturwert an
die Steuereinheit 150 übermittelt.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Zeitpunkt t1, t2 oder t3 dadurch ermittelt
wird, dass überprüft wird, ob die Spannung U unter einen Schwellwert TS, der von der
Schwellwertvorgabe 128b vorgegeben wird, abfällt. Dieser Zeitpunkt t1, t2 oder t3 wird
in dem Register 126 abgespeichert und an die Schaltzeitvorgabe 152 übergeben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass beim Abschalten eines elektromagnetischen
Verbrauchers die mechanische Abfallzeit At, d. h. die Zeit, bis der Verbraucher seine
Endlage erreicht, u. a. von den elektrischen Parametern wie der Höhe des
Abschaltstromes und der Induktivität abhängig. Diese Parameter gehen in die zeitliche Länge der
Abschaltspannung, d. h. in die Differenz zwischen dem Zeitpunkt ta und den Zeitpunkten t1,
t2 oder t3 ein. Die Abschaltspannung wird auch als Löschspannung bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird diese Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt ta und dem Zeitpunkt
t1, t2 oder t3 gemessen. Ausgehend von der Länge der Abschaltspannung wird dann auf
die mechanische Abschaltzeit At1, At2 oder At3 geschlossen. Dies erfolgt beispielsweise
mit dem in Fig. 5 dargestellten Kennfeld 152. Durch die Kenntnis der genauen
mechanischen Abschaltzeit kann die Genauigkeit bei der Ansteuerung der elektromagnetischen
Verbraucher deutlich verbessert werden. Durch die Reduzierung der Löschspannung, die
dadurch möglich ist, ergibt sich ein erheblicher Kostenvorteil.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die mechanische Abschaltzeit abhängig von den
elektrischen Größen, wie dem Strom im Abschaltfall, der Induktivität, der Höhe der
Löschspannung, dem Spulenwiderstand und/oder der Versorgungsspannung UBat ist.
Alle diese Größen gehen in die Länge der anstehenden Löschspannung im Abschaltfall
ein. Die Länge vom Abschaltzeitpunkt ta bis zum Erreichen der Triggerschwelle wird
erfindungsgemäß gemessen. Erfindungsgemäß wird aus dieser Zeitspanne, insbesondere
mittels eines Kennlinienfeldes, die mechanische Abschaltzeit bestimmt. Diese so
ermittelte Abschaltzeit At wird dann von der Ansteuerzeitbestimmung 154 zur Bestimmung
der Ansteuerzeit T entsprechend, wie bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1,
berücksichtigt.
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Durch diese erfindungsgemäße Vorgehensweise ist es möglich, die Löschspannung auf
niederere Werte zu reduzieren, wobei gleichzeitig die Streuungen bei den Abschaltzeiten
nicht erhöht werden. Dadurch treten erhebliche Kosteneinsparungen im Bereich der
Bauelemente ein, da diese nicht mehr auf entsprechend hohe Spannungen ausgelegt werden
müssen.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist generell auf elektromagnetische Verbraucher
anwendbar. Insbesondere kann sie bei Einspritzventilen oder anderen Magnetventilen, die
im Bereich der Kraftstoffzumessung oder im Bereich der Steuerung liegen, in
Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Da in der Regel alle Verbraucher, insbesondere alle Einspritzventile einer
Brennkraftmaschine, den gleichen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Batteriespannung,
der Motortemperatur, dem Kraftstoffdruck ausgesetzt sind, kann bei einer vereinfachten
Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Erfassung der Löschspannung und/oder des
Abschaltstroms nur bei einer der Endstufen eines Magnetventils erfolgt.