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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung wenigstens eines elektromagnetischen
Verbrauchers gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung wenigstens eines elektromagnetischen Verbrauchers
ist beispielsweise aus der
DE
100 34 458 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorgehensweise
wird der Verbraucher in einer sogenannten Boosterphase zu Beginn
der Ansteuerung mit einer gegenüber
der weiteren Ansteuerung erhöhten
Spannung beaufschlagt. Während
dieser Boosterphase wird der Verbraucher aus einer zweiten Spannungsquelle
mit der hohen Spannung beaufschlagt, worauf ein schneller Stromanstieg
erfolgt. In einer sich anschließenden
Anzugsphase bzw. einer anschließenden
Haltephase wird der Verbraucher aus der üblichen Versorgungsspannung
versorgt. Bei einem Fahrzeug handelt es sich bei der Versorgungsspannung
um die Batterie.
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Die Länge der Anzugsphase ist so
vorgegeben, dass das gewünschte
sichere Schalten des Ankers des Magnetventils eneicht wird. Durch
die Verwendung der höheren
Spannung in der Boosterphase wird ein schneller Anstieg des Injektorstroms
sichergestellt. Wird im Anschluss an die Boosterphase in der Anzugsphase
der Injektor mit der Bordnetzspannung betrieben, so hängt der
sich einstellende Strom direkt von der Höhe der Bordnetzspannung ab. Üblicherweise
erfolgt in der Anzugsphase eine Stromregelung. Die Höhe des sich
einstellenden Stroms ist eine direkte Funktion der Bordnetzspannung und
aller sich im Stromkreis befindlichen Widerstände, bestehend aus Kabelwiderstand,
Widerstand der elektronischen Bauteile im Steuergerät, Steckerwiderstände, Widerstand
der Injektorspule. Diese Widerstände
haben eine Abhängigkeit
von der Temperatur, der sie ausgesetzt sind. Bei ungünstigen
Bedingungen ist eine Stromregelung in der Anzugsphase nicht mehr
möglich,
da der gewünschte
Strom nicht mehr erreicht wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn
die Bordnetzspannung absinkt und/oder sich der Gesamtwiderstand
erhöht.
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Die Schaltzeit des Ankers im Injektor
ist wiederum eine Funktion des Stroms, der durch die Spule fließt. Sinkt
der Strom auf Grund der erniedrigten Bordnetzspannung oder der erhöhten Temperatur ab,
so wird das Schaltverhalten des Ankers verzögert. Dies wiederum wirkt sich
auf die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt aus. Damit ergeben
sich negative Veränderungen
in der Verbrennung und im Abgasverhalten.
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Wird ein solcher Verbraucher zur
Steuerung eines Kraftstoffzumess-Systems einer Brennkraftmaschine
verwendet, so kann es in bestimmten Betriebszuständen dazu kommen, dass die
Einspritzmenge und/oder der Einspritzzeitpunkt sich verändert.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Schaltverhalten
des Injektors stabilisiert und damit die Verbrennung und das Abgasverhalten
verbessert wird, wenn in der Anzugsphase der Verbraucher abhängig vom
Betriebszustand mit der ersten Spannungsversorgung oder mit einer
gegenüber
der zweiten Spannungsversorgung erhöhten Spannung verbindbar ist,
d.h. liegt ein Normalbetrieb vor, so wird der Verbraucher in der
Anzugsphase mit der normalen Bordnetzspannung verbunden. Liegen
bestimmte Betriebszustände
vor, in denen beispielsweise eine niedere Bordnetzspannung gegeben
ist, dies liegt beispielsweise bei tiefen Außentemperaturen vor, und/oder
ergeben sich erhöhte
Widerstandswerte der Bauelemente, beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen,
so wird in der Anzugsphase der Verbraucher mit der erhöhten Spannung
versorgt. Durch diese Vorgehensweise kann das Schaltverhalten des Injektors
auch bei veränderlicher
Bordnetzspannung oder veränderlichen
Widerstandswerten stabil betrieben werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.
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Es zeigen
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1 ein
Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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2 ein
Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise
am Beispiel eines elektromagnetischen Verbrauchers in Form eines
Hochdruck-Einspritzventils beschrieben. Solche Magnetventile werden
insbesondere zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr in Brennkraftmaschinen
eingesetzt. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise
ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt, sie kann grundsätzlich bei
allen elektromagnetischen Verbrauchern, die zu Beginn der Ansteuerung
mit einer erhöhten
Spannung beaufschlagt werden, insbesondere um einen schnellen Schaltvorgang
zu erzielen, eingesetzt werden.
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Die wesentlichen Elemente einer entsprechenden
Vorrichtung sind in 1 als
Blockdiagramm dargestellt. Der elektromagnetische Verbraucher ist
mit 100 bezeichnet. Dieser steht über ein erstes Schaltmittel 110 mit
einer Versorgungsspannung 120 in Verbindung. Des weiteren
steht der Verbraucher 100 über ein Strommessmittel 130 mit
einem Masseanschluss 140 in Kontakt. Über ein zweites Schaltmittel 150 ist
der Verbraucher 100 ferner mit einer Spannungsquelle 160 verbunden.
Die Versorgungsspannung 120 wird im folgenden auch als zweite
Spannungsquelle und die Spannungsquelle 160 als erste Spannungsversorgung
bezeichnet.
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Das erste und das zweite Schaltmittel
wird von einer Steuerung 170 mit Ansteuersignalen beaufschlagt.
Des weiteren wird ein Ausgangssignal des Strommessmittels 130 der
Steuerung 170 zugeleitet.
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Das erste und das zweite Schaltmittel 110 bzw.
150 sind vorzugsweise als Halbleiterschalter insbesondere als Feldeffekt-Transistoren
ausgebildet. Neben den dargestellten Schaltmitteln können zusätzliche
Schaltmittel und/oder andere Bauteile, insbesondere zwischen dem
Verbraucher 100 und dem Masseanschluss, vorgesehen sein.
So kann beispielsweise eine Freilaufdiode vorgesehen sein. Bei der
Versorgungsspannung 120 handelt es sich bei der Anwendung
an einem Kraftfahrzeug vorzugsweise um die Fahrzeugbatterie.
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Die Spannungsquelle 160 ist
vorzugsweise als Kondensator ausgebildet, der auf eine gegenüber der
Versorgungsspannung erhöhte
Spannung aufgeladen werden kann. Zur Aufladung des Kondensators dient
vorzugsweise ein DC/DC-Wandler. Bei besonders vorteilhaften Ausgestaltungen
wird die beim Abschalten freiwerdende Energie des Verbrauchers 100 in
den Kondensator zurückgeführt. Der
Kondensator wird häufig
auch als sogenannter Boosterkondensator bezeichnet.
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Die Vorgehensweise ist nicht auf
die Verwendung eines Boosterkondensators beschränkt. Sie kann auch bei anderen
Ausgestaltungen von Spannungsquellen 160 verwendet.
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Das Strommessmittel 130 ist
vorzugsweise als ohm'scher
Widerstand ausgebildet, wobei dessen Spannungsabfall ein Maß für die durch
den Verbraucher 100 fließenden Strom darstellt. Die
Anordnung des Strommessmittels 130 ist nur beispielhaft
gewählt,
es kann auch zwischen dem Verbraucher 100 und dem ersten
und zweiten Schaltmittel angeordnet sein.
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Die Steuerung 170 beaufschlagt
das erste und das zweite Schaltmittel abhängig vom Betriebszustand der
Brennkraftmaschine und/oder dem durch den Verbraucher 100 fließenden Strom.
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Zu Beginn der Bestromung wird der
Verbraucher mit einer erhöhten
Spannung betrieben, die deutlich über der Versorgungsspannung
liegt. Diese erhöhte
Spannung wird von der ersten Spannungsversorgung 160 bereit
gestellt. Diese erste Phase wird üblicherweise als Boosterphase
bezeichnet. Durch die erhöhte
Spannung wird der Anstieg des Stroms, der durch den Verbraucher
fließt,
beschleunigt. Üblicherweise
endet die Boosterphase, wenn der gewünschte Boosterstrom IB erreicht
wird. Nach der Boosterphase folgt die sogenannte Anzugsphase. Während der
Anzugsphase erfolgt üblicherweise eine Stromregelung
auf den Anzugsstromwert. Dieser ist so bemessen, dass der Verbraucher
möglichst schnell
seine neue Endlage erreicht.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass während der
Anzugsphase wahlweise der Verbraucher mit der Versorgungsspannung 120 oder
mit der Spannungsquelle 160 verbunden wird. Diese Umschaltung
zwischen der Versorgungsspannung 120 und der Spannungsquelle 160 erfolgt
abhängig
von Betriebsparametern, die die Betriebskenngrößen des Verbrauchers beeinflussen.
Dabei können
die entsprechenden Betriebsparamter und/oder Betriebskenngrößen und/oder
andere Größen, die
diese charakterisieren verwendet werden. Besonders vorteilhaft werden
wenigstens die Bordnetzspannung und/oder ein Temperaturwert verwendet.
Vorzugsweise wird die Temperatur einer der Komponenten, wie beispielsweise
des Steuergeräts,
des Verbrauchers und/oder die Temperatur der Brennkraftmaschine
verwendet. Insbesondere ist vorgesehen, dass bei Temperaturen über einem
ersten Schwellwert S und unter einem zweiten Schwellenwert die Spannungsquelle 160 und
bei Temperaturen unter dem ersten Schwellwert oder über dem
zweiten Schwellenwert die Versorgungsspannung 120 gewählt wird.
Während
der Anzugsphase erfolgt dann durch Ansteuern des Schalters 110 bzw.
150 eine Stromregelung. Alternativ und/oder ergänzend kann überprüft werden, ob die Bordnetzspannung,
d.h. die Spannung an der Versorgungsspannung 120 kleiner als
ein Schwellwert ist. Ist dies der Fall, so wird ebenfalls die Spannungsquelle 160 verwendet.
Ist die Versorgungsspannung größer als
der Schwellwert, so wird die Versorgungsspannung 120 verwendet.
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Wird die Bestromung des Injektors
mit der höheren
Boosterspannung über
die normale Boosterzeit hinaus verlängert, so verschlechtert sich
die Energiebilanz des Systems, da die Erzeugung der höheren Boosterspannung
aus der Bordnetzspannung mit Leistungsverlusten verbunden ist. Um
die Verlustleistung zu begrenzen, wird bei einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
die Bestromungszeit mit der erhöhten
Boosterspannung auf eine Zeit TS begrenzt, mit der das gewünschte kurze Schaltverhalten
des Verbrauchers erreicht wird. D.h. es erfolgt nicht über die
gesamte Anzugsphase eine Stromregelung aus der höheren Boosterspannung. Die
Länge der
Bestromungszeit mit der höheren Boosterspannung
in der Anzugsphase wird aus einem Kennfeld als Funktion der Bordnetzspannung und/oder
der Temperatur der Komponenten bestimmt.
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In 2 ist
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
anhand eines Flussdiagramms dargestellt. In einem ersten Schritt
erfolgt eine Initialisierung eines Zeitzählers T auf den Wert Null.
In einem zweiten Schritt 210 erfolgt die Erfassung des Stromes I,
der durch den Verbraucher 100 fließt. Die sich anschließende Abfrage 220 überprüft, ob der
Strom I größer als
der Stromwert IB ist. Ist dies nicht der Fall, so wird der Boosterbetrieb
in Schritt 225 fortgesetzt, d.h. durch Ansteuern des Schaltmittels 150 wird
der Verbraucher mit der Spannungsquelle 160 verbunden.
Anschließend
wird in Schritt 230 der Zeitzähler T
um 1 erhöht.
An den Schritt 230 schließt
sich erneut die Messung des Stroms im Schritt 210 an.
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Erkennt die Abfrage 220,
dass der Strom größer als
der Wert IB ist, so endet die Boosterphase und es wird in die Anzugsphase übergegangen.
In dem Schritt 240 werden relevante Betriebsparameter,
wie beispielsweise ein oder mehrere Temperaturwerte TW und/oder
die Versorgungsspannung U erfasst. Die sich anschließende Abfrage 250 überprüft, ob ein
bestimmter Betriebszustand vorliegt. Beispielsweise überprüft die Abfrage 250,
ob die Wassertemperatur TW größer als
ein Schwellwert ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 255 auf
einen Betrieb mit der Versorgungsspannung 120 übergegangen, d.h.
durch Ansteuern des Schalters 110 wird der Strom, der durch
den Verbraucher fließt,
auf einen bestimmten Sollwert, der dem Anzugsstrom entspricht, eingeregelt.
Dies erfolgt so lange, bis der Anker des Verbrauchers seine neue
Endlage erreicht hat. Hat der Anker seine neue Endlage erreicht,
oder kurz vorher, wird in die Haltestromphase übergegangen. Dabei kann vorgesehen
sein, dass nach einer festen Zeit, oder wenn ein Signal vorliegt,
das anzeigt, dass der Anker seine neue Position erreicht hat, die
Anzugsphase beendet wird.
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Erkennt die Abfrage 250,
dass die Wassertemperatur den Schwellwert nicht überschritten hat bzw. erkennt
die Abfrage 250, dass die Spannung U unter einem Schwellwert
ist, so wird ab Schritt 260 der Verbraucher mit der Spannungsquelle 160 verbunden.
D.h. der Schalter 150 wird im Sinne einer Stromregelung
angesteuert. Anschließend
in Schritt 265 wird der Zeitzähler
T um 1 erhöht.
Die sich anschließende
Abfrage 270 überprüft, ob die
Zeit größer als
ein Schwellwert TS ist. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt erneut
der Schritt 260. Ist dies der Fall, so wird auf den Schritt 255,
auf die Beaufschlagung mit der normalen Versorgungsspannung, übergegangen.
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Durch den Zeitzähler T, der in Schritt 200
initialisiert, in Schritt 265 erhöht wird, und die Abfrage 270,
ob der Zeitzähler
größer als
ein Schwellwert TS ist, wird gewährleistet,
dass der Betrieb in der Anzugsphase mit der Spannungsquelle 160 nur
für eine vorgegebene
Zeit TS erfolgt. Diese vorgegebene Zeit TS wird vorzugsweise in
Schritt 240 abhängig
von Betriebsparametern vorgegeben. Dabei wird vorzugsweise bei tiefen
Temperaturen und hohen Spannungen ein kleiner Schwellwert und bei
hohen Temperaturen und bei kleinen Spannungen ein größerer Wert
vorgegeben.
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In der dargestellten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Zeitdauer TS, während der der Verbraucher mit
der ersten Spannungsversorgung verbunden ist, bereits mit Beginn
der Boosterphase startet. Alternativ kann auch vorgesehen sein,
dass dies Zeitmessung erst im Anschluss an die Abfrage 250 beginnt.
Dies bedeutet der Schritt 230 entfällt.
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Mittels der Abfrage 250 wird
abhängig
vom Betriebszustand, wie insbesondere einem Temperaturwert TW und/oder
der Versorgungsspannung U, zwischen einem Betrieb mit der Versorgungsspannung 120 und
einer erhöhten
Spannung 160 umgeschaltet. Diese Umschaltung gilt nur für die Anzugsphase
und bei einer bevorzugten Ausführungsform nur
für eine
vorgegebene Zeitdauer TS.
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Bei einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein,
dass während
der Anzugsphase der Verbraucher nicht mit der ersten Spannungsversorgung
verbindbar ist, sondern dass eine weitere Spannungsversorgung vorgesehen
ist, die eine gegenüber
der zweiten Spannungsversorgung erhöhte Spannung bereitstellt.
Dies bedeutet in der Haltephase wird der Verbraucher mit der zweiten
Spannungsversorgung beaufschlagt. In der Boosterphase wird der Verbraucher
mit einer ersten Spannungsversorgung beaufschlagt. In der Anzugsphase
kann der Verbraucher mit einer dritten Spannungsversorgung beaufschlagt werden.
Diese dritte Spannungsversorgung liefert eine Spannung, die höher ist
als die zweite Spannungsversorgung. Vorzugsweise wird als dritte
Spannungsversorgung die zweite Spannungsversorgung verwendet. Dies
ist aber nicht zwingend erforderlich.