DE10304083A1

DE10304083A1 - Antriebssystem für ein Einspritzventil und Verfahren zur Steuerung des Antriebssystems

Info

Publication number: DE10304083A1
Application number: DE10304083A
Authority: DE
Inventors: Min Canton Xu
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-01-22
Also published as: US20030140898A1; GB2386473B; US6766788B2; GB0300448D0; FR2835286A1; GB2386473A

Abstract

Gegenstand der Anmeldung ist ein Antriebssystem für ein Einspritzventil zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Einspritzventil weist eine Solenoidspule, eine Ankerspule, die im Bereich der Solenoidspule angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, den Kraftstofffluss in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zu steuern, und eine mit der Ankerspule verbundene Feder auf, die die Ankerspule in einer Schließposition hält, solange die von der stromdurchflossenen Solenoidspule auf die Ankerspule ausgeübte magnetische Kraft nicht ausreicht, um die Rückstellkraft der Feder zu überwinden. Weiterhin ist eine Stromsteuerschaltung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen Aufladestrom, einen Ventilöffnungsstrom und einen Haltestrom an die Solenoidspule anzulegen, und die mit einer Steuerung verbunden ist. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, Zeitpunkt und Dauer zu steuern, an dem und über die die genannten Ströme an die Solenoidspule angelegt werden. Schließlich ist eine mit der Stromsteuerschaltung verbundene Spannungsquelle vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung von Einspritzventilen für eine Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Einspritzmenge und der Einspritzrate des in eine Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Kraftstoffs.
Aus dem Stand der Technik bekannte Einspritzventile verwenden üblicherweise ein Solenoid, welches eine Ankerspule antreibt. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die Solenoidspule wird ein magnetisches Feld erzeugt, der die Ankerspule gegen die Kraft einer Rückstellfeder und den Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs anhebt und damit einen Kraftstofffluss erlaubt. Wird der Strom ausgeschaltet, kehrt die Ankerspule aufgrund der Federspannung in ihre Schließposition zurück, wodurch der Kraftstofffluss unterbrochen wird. Sowohl die Öffnungszeit als auch die Schließzeit eines Einspritzventil sind wichtige Parameter der Motorsteuerung. Kurze Öffnungs- und Schließzeiten vergrößern den Bereich, in dem ein linearer Zusammenhang zwischen Einspritzdauer und eingespritzter Kraftstoffmenge vorliegt. Kann dieser lineare Zusammenhang auch bei kurzen Einspritzdauern aufrechterhalten werden, so resultiert hieraus eine verringerte Lehrlaufdrehzahl, verbesserte Gleichlaufeigenschaften im Leerlauf, eine Kraftstoffersparnis beim Abbremsen, eine erhöhte Genauigkeit bei der Steuerung der Einspritzmenge bei niedriger Motorlast sowie eine Verringerung der Kohlenwasserstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine.
Bislang wurde versucht, die Ansprechgeschwindigkeit von Einspritzventilen dadurch zu verringern, dass der elektrische Widerstand der Solenoidspule verringert wurde, oder die an die Solenoidspule angelegte Spannung erhöht wurde. Jedoch führt eine Verringerung des Widerstands der Solenoidspule bei gleich bleibenden Spulenabmessungen zu einer Verringerung der magnetischen Stellkräfte, wodurch die Antriebseigenschaften der Solenoidspule verschlechtert werden. Eine Erhöhung der Antriebsspannung erfordert die Verwendung eines DC-DC-Konverters, wodurch die Kosten der Einspritzanlage erhöht werden. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Antriebsspannung zu einer Erhöhung der in der Antriebssteuerung erzeugten Abwärme. Dies hat zur Folge, dass die Steuerung nicht in andere elektronische Steuerungen integriert werden kann.
In einem alternativen Ansatz wurde versucht, dass Solenoid durch Anlegen eines Stroms magnetisch aufzuladen oder vorzumagnetisieren, der unter dem Strom liegt, der für eine Bewegung der Ankerspule erforderlich ist. Das Anlegen dieses "Auflade"-Stroms an die Solenoidspule verringert die erforderliche Zeit, um den Strom im Solenoid soweit zu erhöhen, dass das Einspritzventil in seinen Öffnungszustand übergeht. Manche Steuerungen beaufschlagen die Solenoidspule mit einem konstanten niedrigen Strom. Diese Vorgehensweise verringert zwar die Zeit, die zum Öffnen des Einspritzventils erforderlich ist, verringert aber gleichzeitig die wirksame Federkraft der Verschlussfeder und erhöht damit die Gefahr von Fehlöffnungen des Einspritzventils beispielsweise bei hohem Gegendruck, der während des Verbren nungsvorgangs im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine auftritt, oder bei dem Auftreten von Leckagen. Darüber hinaus erhöht diese Vorgehensweise den Energiebedarf der Steuerung.
Andere Vorrichtungen zur Magnetischen Aufladung des Solenoids legen anstelle eines kontinuierlichen Stroms einen Aufladestrompuls über eine begrenzte Zeit an das Solenoid an, bevor die eigentliche Öffnung des Einspritzventils erfolgen soll. Derartige Vorrichtungen erfordern häufig kostenintensive elektronische Schaltungen, die eine rückgekoppelte Steuerung des Aufladestrompulses ermöglichen und oftmals nicht dazu ausgelegt sind, den Strombedarf zu minimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung des Antriebssystems eines Magnetbetätigten Einspritzventils anzugeben, welches erlaubt, die Öffnungszeit des Einspritzventils zu minimieren und gleichzeitig den erforderlichen Energiebedarf zu reduzieren, wobei die Nachteile der vorgenannten Verfahren vermieden werden sollen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem für ein Einspritzventil anzugeben, welches es ermöglicht, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 4 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Spannungsquelle vorgesehen, die mit einer Stromsteuerschaltung zur Begrenzung des durch das Solenoid der Einspritzventil fließenden Stroms verbunden ist. Die Stromsteuerschaltung ist mit einer Motorsteuerung verbunden, die die zeitliche Abfolge und die Dauer der Steuerungsschritte bestimmt, die die Stromsteuerschaltung für jedes einzelne Einspritzventil ausführt. Die Stromsteuerschaltung bestimmt dabei die Strombegren zende Wellenform zur Ansteuerung der einzelnen Einspritzventile. Während der Steuerspannungspuls an die Solenoidspule angelegt wird, beginnt sich ein Stromfluss in der Spule aufzubauen, aus dem ein magnetisches Feld resultiert. Innerhalb des Einspritzventils ist eine Ankerspule angeordnet, die Teil des magnetischen Kreises des Solenoids ist. Diese Ankerspule ist durch einen schmalen axialen Luftspalt vom Rest des magnetischen Kreises des Solenoids getrennt. Durch das sich aufbauende magnetische Feld bewegt sich die Ankerspule in Richtung auf den Entgegengesetzten magnetischen Pol zu, um den Luftspalt zu schließen. Dabei steuert die Bewegung der Ankerspule die Bewegung der Ventilnadel der Einspritzventil, die die Menge des in dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Kraftstoffs bestimmt. Solange kein magnetisches Feld auf die Ankerspule einwirkt, wird die Ankerspule durch die Kraft einer Feder in einer Schließposition gehalten, in der kein Kraftstofffluss erfolgt.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Stroms für die Solenoidspule eines Einspritzventils bereitgestellt, wobei die Solenoidspule dazu dient, eine Ankerspule zu bewegen. Das Verfahren beruht darauf, dass an die Solenoidspule solange ein Aufladestrom angelegt wird, bis ein vorbestimmter Aufladestrom in der Spule erreicht ist und sich stabilisiert hat. Dabei ist dieser Aufladestrom so gewählt, dass das resultierende Magnetfeld nicht dazu ausreicht, die Ankerspule in Bewegung zu versetzen. Nachfolgend wird gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Ventilöffnungsstrom an die Solenoidspule angelegt, der größer ist als der Aufladestrom. Die Höhe dieses Ventilöffnungs-Stroms ist begrenzt, reicht jedoch in jedem Fall aus, um die Ankerspule des Einspritzventils über ihren vollen Weg zu bewegen. Anschließend wird ein Haltestrom an die Solenoidspule angelegt, der niedriger ist als der Ventilöffnungsstrom und niedriger als der Aufladestrom, der jedoch ausreicht, die Ankerspule in ihrer vollständig geöffneten Position zu halten. Schließlich wird gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens die Solenoidspule mit keinem Strom mehr beauf schlagt, sodass die Ankerspule in ihre geschlossene Position zurückkehren kann.
In bevorzugten Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden verschiedene technische Mittel bereitgestellt, die dazu geeignet sind, die Solenoid-Anordnung des Einspritzventils mit einem für die Ankerspule des Einspritzventils geeigneten Aufladestrom, einem Ventilöffnungsstrom und mit einem Haltestrom zu beaufschlagen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sowie den Figuren und den Unteransprüchen. Dabei sollen alle für den Fachmann offensichtlichen Abwandlungen der Ausführungsbeispiele sowie des unter Schutz gestellten Gegenstands dieser Erfindung jedenfalls Gegenstand der Anmeldung sein.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden in Bezug auf die anhängende Zeichnung beschrieben. Dabei müssen die einzelnen Bauteile in den Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sein. Vielmehr soll die Zeichnung dazu dienen, dem Fachmann ein Verständnis der Grundlagen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. In der Zeichnung kennzeichnen identische Bezugszeichen dieselben Bauteile in unterschiedlichen Ansichten.
In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung, die dazu vorgesehen ist, die Solenoidspule eines Einspritzventils mit einem Aufladestrom im Sinne der vorliegenden Erfindung zu beaufschlagen,
2: eine schnittbildliche Darstellung des Spulenankers der Solenoidspule aus 1 gemäß der vorliegenden Erfindung,
3: ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4: ein I-t-Diagramm, welches den Verlauf des Solenoidspulenstroms über der Zeit für einen vollständigen Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5: ein Diagramm, welches die eingespritzte Kraftstoffmenge als Funktion an die Einspritzventil angelegten Spannungspulses angibt, wobei zum Vergleich die Werte eines erfindungsgemäß betriebenen Einspritzventils und eines Hochspannungseinspritzventils gezeigt sind.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr erläutert in Bezug auf eine Verbrennungskraftmaschine mit Einspritzventilen zur Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennräume der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Einspritzventile von Solenoidspulen betätigt werden.
1 zeigt schematisch ein Steuerungssystem 100 zur Steuerung des Stroms, mit dem die Solenoidspule 140 eines Einspritzventils beaufschlagt wird. Die erforderliche Spannung für die Solenoidspule 140 wird von einer Spannungsquelle 110 bereitgestellt. Vorzugsweise wird als Spannungsquelle eine 14 Volt-Niederspannungsquelle verwendet. Diese Spannung wird typischerweise von anderen Fahrzeugkomponenten verwendet. Jedoch ist es ohne weiteres möglich, andere Spannungen zu verwenden. Die Spannungsquelle 110 ist elektrisch mit einer Stromsteuerschaltung 120. Die Stromsteuerschaltung 120 ist dazu eingerichtet, zumindest drei verschiedene Ströme einstellen zu können:
- einen Aufladestrom,
- einen Spulenöffnungsstrom und
- - einen Haltestrom.
In einer bevorzugten Ausführungsform basiert die Stromsteuerschaltung auf einem Stromteiler. Die Stromsteuerschaltung 120 empfängt Steuersignale von einer Steuerung 130. Die Steuerung 130 ist Teil der Motorsteuerung. Die Steuerung 130 bestimmt, zu welchem Zeitpunkt und über welche Dauer welcher Strom an die Solenoidspule 140 angelegt werden soll. Gemäß der Steuersignale der Steuerung 130 beaufschlagt die Stromsteuerschaltung 120 dann die Solenoidspule 140. Aus dem sich ausbauenden Stromfluss in der Solenoidspule 140 resultiert eine magnetische Kraft auf der Ankerspule des Solenoids.
2 zeigt einen Schnitt durch das Solenoid und die Ankerspule. Die Solenoidspule 140 wird von der Stromsteuerschaltung 120 mit einem Strom beaufschlagt und erzeugt als Folge im mit 210 bezeichneten magnetischen Kreis ein magnetisches Feld. Im exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ankerspule 220 innerhalb des magnetischen Kreises 210 der Solenoid-Anordnung angeordnet, wobei ein schmaler Luftspalt 200 zum benachbarten Gegenpol verbleibt. In Reaktion auf den magnetischen Fluss 205, der sich innerhalb des magnetischen Kreises 210 aufbaut, bewegt sich die Ankerspule 220 nach oben, um den Luftspalt 200 gemäß der "Rechte Hand-Regel" zu schließen.
Die Ankerspule 220 ist durch eine Feder 230 in ihrer Schließstellung mechanisch vorgespannt. Die Feder 230 hält die Nadel 250 eines Nadelventils in Kontakt mit dem Ventilsitz 240 des Einspritzventils, um das Einspritzventil in seiner Schließstellung zu halten, wenn keine oder eine zu geringe magnetische Kraft auf die Ankerspule 220 ausgeübt wird, um das Einspritzventil zu öffnen. Daher muss die magnetische Kraft ausreichend hoch sein, um die mechanische Vorspannung der Feder 230, um die vom Kraftstoff ausgeübten Druckkräfte überwinden zu können. Die vom Kraftstoff ausgeübten Druckkräfte resultieren aus dem Druck, der vom Kraftstoff auf die Ankerspule 220 und die Nadel 250 ausgeübt wird, wenn sich die Nadel in ihrer geschlossenen Position befindet. Unterschreitet die magnetische Kraft die mechanische Rückstellkraft der Feder 230, so verschließt die Nadel 250 den Ventilsitz 240 des Einspritzventils und verhindert somit ein Ausströmen des Kraftstoffs in den Brennraum eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine 260.
3 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß 3 ist zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens kein Strom an die Solenoidspule 140 des Einspritzventils angelegt. Diese Ausgangssituation ist in 3 mit 310 bezeichnet. Im mit 320 bezeichneten nachfolgenden Verfahrensschritt wird ein Aufladestrom an die Solenoidspule 140 angelegt, wenn das Signal für einen Einspritzvorgang an die Strombegrenzerschaltung 120 gesendet wird, wie z. B. aus 1 ersichtlich ist. Der Aufladestrom ist geringfügig niedriger gewählt als der Strom, der eine Bewegung der Ankerspule 220 hervorruft, wobei die Ankerspule 220 aus 2 ersichtlich ist. Dabei muss der Aufladestrom jedoch in jedem Fall so gering gewählt werden, dass sichergestellt ist, dass ein fälschliches Öffnen des Einspritzventils nicht auftritt. Eine fälschliche Öffnung des Einspritzventils tritt auf, wenn sich die Ankerspule 220 bewegt, bevor der Ventilöffnungsstrom an die Solenoidspule 140 angelegt wird. In dem gezeigten exemplarisch zu verstehenden Ausführungsbeispiel wird der Aufladestrom vorteilhaft 0,1 Ampere kleiner gewählt als der Strom, der die Ankerspule 220 gemäß 2 in Bewegung versetzt. Der Aufladestrom sollte dabei solange angelegt bleiben, dass sich der Strom in der Solenoidspule 140 stabilisiert hat und eine zuverlässige Ventilöffnung erzielt werden kann. Im gezeigten exemplarisch zu verstehenden Ausführungsbeispiel weist die Solenoidspule 140 eine Impedanz von 0,17 Ohm auf. Bei Anlegen einer Spannung von 12 Volt an die Solenoidspule 140 sollte der Aufladestrom 2,8 Ampere betragen und für eine Aufladedauer von etwa 3 mm/sek. aufrechterhalten bleiben.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt 330 wird in dem Moment, an dem das Einspritzventil den Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders der Verbrennungskraftmaschine einspritzen muss, ein Ventilöffnungsstrom an die Solenoidspule 140 angelegt. Der Ventilöffnungsstrom ist dabei so groß gewählt, dass der resultierende Strom in der Solenoidspule 140 ausreicht, um den magnetischen Fluss über den Luftspalt 200 hinweg zu erhöhen und um eine Kraft auf die Ankerspule 320 auszuüben, die die Ankerspule 220 in Bewegung versetzt, so dass eine Öffnung zwischen der Nadel 250 und dem Ventilsitz 240 entsteht, durch die der Kraftstoff ausströmen kann. Dabei muss der Ventilöffnungsstrom eine magnetische Kraft hervorrufen, die größer ist als die Summe aus der Rückstellkraft der Feder 230 und der Druckkraft des Kraftstoffs.
In dem vorliegenden exemplarisch zu verstehenden Ausführungsbeispiel ist die Induktivität der Solenoidspule 140 relativ niedrig gewählt, um auch bei Anlegen einer niedrigen Spannung einen schnellen Stromanstieg in der Solenoidspule 140 zu erzielen, der erforderlich ist, um eine schnelle Öffnung des Einspritzventils zu erzielen. Aufgrund dieser niedrigen Induktivität der Solenoidspule 140 kann der Sättigungsstrom in der Solenoidspule 140 grundsätzlich einige 100 Ampere betragen, was deutlich oberhalb des erforderlichen Stroms liegt, der für eine Bewegung der Ankerspule 220 in ihre vollständig geöffnete Position erforderlich ist. Dabei ist der Sättigungsstrom, der bei Anlegen einer festen Spannung maximal in der Solenoidspule 140 auftretende Strom. Dieser extrem hohe Maximalstrom hätte nicht nur keine positiven Auswirkungen auf die Öffnungseigenschaften des Einspritzventils, vielmehr hat er die negative Folge, dass die thermische Last im Einspritzsystem erhöht würde. Diese erhöhte thermische Last könnte beispielsweise zu einer Zerstörung der verwendeten elektrischen Schaltungen führen. Um einen übermäßigen Verbrauch elektrischer Energie zu vermeiden und eine Be schädigung der verwendeten elektronischen Schaltungen zu verhindern, ist die Strombegrenzerschaltung 130 so ausgelegt, dass der maximal durch die Solenoidspule 140 fließende Strom auf einen Wert begrenzt wird, der ausreicht, um die Ankerspule 220 in ihre vollständig geöffnete Position zu bewegen. Ist dieser Maximalstrom erreicht, wo wird dieser Strom für eine Voreingestellte Dauer gehalten, sodass sichergestellt ist, dass die Einspritzventil vollständig geöffnet ist und stets die gleiche Zeit geöffnet bleibt. Während dieser Haltezeit stellt sich ein Gleichgewicht des Stroms ein. Ohne ein solches Gleichgewicht kann der sich ergebende der Zusammenhang zwischen Einspritzdauer des Einspritzventils und der eingespritzten Kraftstoffmenge nicht linear sein. Dieser Zusammenhang wird in 5 näher erläutert.
In dem gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der von der Strombegrenzerschaltung 120 erlaubte Spitzenstrom in der Solenoidspule 140 8,0 Ampere, wobei dieser Spitzenstrom über eine Dauer von 0,4 mm/sek. aufrechterhalten wird.
Im nächsten Verfahrensschritt 340 wird – anschließend an das Anlegen des Ventilöffnungsstroms – ein Haltestrom angelegt. Dieser Haltestrom übt eine magnetische Kraft auf die Ankerspule 220 aus, die geringfügig größer ist als die Vorspannkraft der Feder 230. Der Haltestrom hält daher das Einspritzventil in seiner geöffneten Position. Dabei ist der Haltestrom jedoch sowohl niedriger als der Vorspannstrom als auch niedriger als der Ventilöffnungsstrom. Da der Haltestrom niedriger ist als der Aufladestrom und der Ventilöffnungsstrom erlaubt er eine kürzere Verschlusszeit des Einspritzventils. Darüber hinaus verringert er den Verbrauch an elektrischer Energie und verringert das, während des Schließvorgangs des Einspritzventils auftretende magnetische Haften bleiben. Dieses magnetische Haften bleiben tritt auf, wenn nach Abschalten des Stroms in der Solenoidspule 140 ein magnetisches Feld z.B. aufgrund der Suszeptibilität der Solenoidspule 140 verbleibt. Ein solches Verbleiben des magnetischen Feldes beeinflusst die erreichbare Verschlusszeit des Einspritzventils auf negative Weise. In jedem Fall muss der Haltestrom ausreichend hoch gewählt werden, um ein unbeabsichtigtes Schließen des Einspritzventils in der Zeit zu verhindern, in der der Haltestrom anliegt.
Im gezeigten exemplarisch zu verstehenden Ausführungsbeispiel hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Haltestrom um 0,1 Ampere höher gewählt wird als der Strom, bei dem das Einspritzventil in seinen geschlossenen Zustand übergeht. Der Haltestrom beträgt 1,4 Ampere und wird über eine Dauer von 0–6 mm/sek. aufrechterhalten, wobei die Dauer abhängt von dem Steuersignal, welches von der Steuerung 130 generiert wird.
Im letzten Verfahrensschritt 350 wird der an der Solenoidspule 140 anliegende Strom schnell und vollständig auf Null verringert. Diese plötzliche Verringerung des Stroms auf Null stellt ein schnelles Schließen des Einspritzventils sicher. Diese schnelle Verschlusszeit führt zu einer verbesserten Kraftstoffnutzung und zu einer verringerten Emission von Kohlenwasserstoffen.
Der Wert des Aufladestroms, der Wert des Maximalstroms und der Wert des Haltestroms sowie die jeweilige Dauer, über die die verschiedenen Ströme angelegt werden, werden vorbestimmt und sind in der Stromsteuerschaltung 120 gemäß 1 abgelegt. Dabei wird der Voreingestellte Verlauf des antreibenden Stroms vorzugsweise von dem Einspritzsignal, welches von der Steuerung 130 erzeugt wird, beeinflusst.
4 stellt den Verlauf des Stroms in der Solenoidspule über einen Einspritzzyklus hinweg grafisch dar. Vom Zeitpunkt T0–T1 fließt kein Strom durch die Solenoidspule 140. Zum Zeitpunkt T1 wird die Auflade-Spannung V_P angelegt, worauf der Strom in der Solenoidspule 140 allmählich ansteigt, wobei der Anstieg durch die Induktivität der Solenoidspule 140 bestimmt ist.
Nach einer gewissen Zeit erreicht der Strom in der Solenoidspule 140 den Gleichgewichtswert I_P des Aufladestroms. Im Zeitraum T1–T2 steigt der Aufladestrom an und erreicht einen stabilen Gleichgewichtswert, der geringfügig unter dem Strom liegt, der eine Bewegung der Ankerspule 220 gemäß 2 bewirken würde.
Im Zeitraum zwischen T2 und T3 steigt der Strom in der Solenoidspule 140 stark an, bis er den Maximalstrom I_M erreicht. In dieser Zeit bewegt sich die Ankerspule 220, so dass der Luftspalt 200 geschlossen wird. Gleichzeitig hebt sich die mit der Ankerspule 220 verbundene Nadel 250 von ihrem Ventilsitz 240, so dass Kraftstoff aus dem Einspritzventil ausströmen kann. Zum Zeitpunkt T3 erreicht der Strom in der Solenoidspule 140 seinen Maximalwert I_M und stabilisiert sich dort, wobei der Maximalwert I_M von der Stromsteuerschaltung 120 vorgegeben ist.
Zum Zeitpunkt T4 fällt der Strom in der Solenoidspule 140 rasch auf den Haltestrom I_H ab. Im Zeitraum von T4 bis T5 bleibt der Strom in der Solenoidspule 140 auf den Haltestrom I_H begrenzt. In diesem Zeitraum verbleibt die Ankerspule 220 in ihrer geöffneten Position und es erfolgt ein Kraftstofffluss in den Brennraum des Zylinders, wobei die eingespritzte Kraftstoffmenge über einen weiten Bereich proportional zur Dauer des Steuersignals ist.
Zum Zeitpunkt T5 wird die Solenoidspule 140 sprunghaft stromlos geschaltet, sodass sich ein rasches Abfallen des Stroms in der Solenoidspule 140 ergibt. Zu diesem Zeitpunkt führt die Federkraft der Feder 230 dazu, dass sich die Ankerspule 220 zurück in ihre Ruhelage bewegt, so dass die Nadel 250 wieder in Kontakt mit dem Ventilsitz 240 gelangt, so dass das Einspritzventil wieder in seine Schließstellung übergeht, in der kein Kraftstofffluss mehr möglich ist.
5 stellt die aus dem Einspritzventil je Steuerpuls für das Einspritzven til austretende Kraftstoffmenge dar in Abhängigkeit von der Pulsdauer des Steuerpulses. Dabei gibt eine erste Kurve die Charakteristik eines Einspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung wieder und eine zweite Kurve die Charakteristik eines konventionellen Hochspannungseinspritzventils, welches nicht mit magnetischer Aufladung arbeitet. Beide Ventile zeigen im Bereich längerer Pulsdauern einen linearen Zusammenhang zwischen Pulsdauer und eingespritzter Kraftstoffmenge. Das konventionelle Hochspannungseinspritzventil zeigt jedoch einen raschen Abfall der eingespritzten Kraftstoffmenge bei kurzen Pulsdauern. Hingegen zeigt das Einspritzventil gemäß der vorliegenden Erfindung einen linearen Zusammenhang zwischen Pulsdauer und eingespritzter Kraftstoffmenge auch bei niedrigen Pulsdauern. Erst bei sehr kurzen Pulsdauern tritt auch bei dem erfindungsgemäßen Einspritzventil ein Abfall der eingespritzten Kraftstoffmenge gegenüber dem linearen Verlauf auf. Dieser vergrößerte lineare Bereich verbessert die Leistungsfähigkeit der Einspritzanlage im Leerlaufzustand und Niedriglastzustand der Verbrennungskraftmaschine und führt darüber hinaus zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emission von Kohlenwasserstoffen.
In der vorangegangenen Beschreibung wurden verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert und anhand der Figuren dargestellt. Alle Ausführungsbeispiele sind dabei exemplarisch zu verstehen. Dem Fachmann ergeben sich aus den nun folgenden Ansprüchen eine Vielzahl weiterer technischer Möglichkeiten, den Gegenstand der Erfindung zu realisieren. Aus diesem Grunde ist der Gegenstand der Erfindung nicht auf die vorangegangenen konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern soll auch alle Abwandlungen und Äquivalente umfassen, die sich dem Fachmann aus der Beschreibung und den Ansprüchen ergeben.

100: Steuerungssystem
110: Spannungsquelle
120: Stromsteuerschaltung
130: Steuerung
140: Solenoidspule
200: Luftspalt
210: magnetischer Kreis
220: Ankerspule
230: Feder
240: Ventilsitz
250: Nadel
260: Verbrennungskraftmaschine

Claims

Antriebssystem für ein Einspritzventil zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den folgenden Merkmalen: a. eine Solenoidspule (140), b. eine Ankerspule (220), die im Bereich der Solenoidspule (140) angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, den Kraftstofffluss in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zu steuern, c. eine mit der Ankerspule (220) verbundene Feder (230), die die Ankerspule in einer Schließposition hält, solange die von der Stromdurchflossenen Solenoidspule (140) auf die Ankerspule (220) ausgeübte magnetische Kraft nicht ausreicht, um die Rückstellkraft der Feder (230) zu überwinden, d. eine Stromsteuerschaltung (120), die dazu eingerichtet ist: i. einen Aufladestrom an die Solenoidspule (140) anzulegen, der kleiner ist als der Strom, der die Ankerspule (220) in Bewegung versetzt, bis der Aufladestrom einen Gleichgewichtswert I_A angenommen hat, ii. einen Ventilöffnungsstrom an die Solenoidspule (140) anzulegen, der wesentlich größer ist als der Strom, der die Ankerspule (220) in Bewegung versetzt, bis der eine voll- ständige Öffnung des Einspritzventil sicher erreicht ist, und iii. einen Haltestrom an die Solenoidspule (140) anzulegen, der größer ist als der Strom, bei dem die Ankerspule (220) durch die Rückstellkraft der Feder (230) wieder in ihre Schließposition zurückkehrt, bis die gewünschte Kraftstoffmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeströmt ist, e. eine Steuerung (130), die mit der Stromsteuerschaltung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, Zeitpunkt und Dauer zu steuern, an dem und über die die genannten Ströme an die Solenoidspule (140) angelegt wird, und f. eine mit der Stromsteuerschaltung (120) verbundene Spannungsquelle (110), die dazu vorgesehen ist, die von der Stromsteuerschaltung (120) benötigten Spannungen zu liefern, damit diese die vorgenannten Ströme bereitstellen kann.
Antriebssystem für ein Einspritzventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (110) eine Spannung liefert, die im Wesentlichen der Bordspannung des Kraftfahrzeugs entspricht.
Antriebssystem für ein Einspritzventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerspule (220) innerhalb der Solenoidspule (140) angeordnet ist.
Verfahren zur Steuerung eines Magnetbetätigten Einspritzventils mit einer Solenoidspule (140) und einer Ankerspule (220), wobei die Ankerspule (220) eine Öffnungs- und eine Schließstellung aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Anlegen eines Auflade-Stroms an die Solenoidspule, der kleiner ist als der Strom, der die Ankerspule (220) in Bewegung versetzt, bis der Aufladestrom einen Gleichgewichtswert I_A angenommen hat, b) Anlegen eines Ventilöffnungs-Stroms an die Solenoidspule (140), der wesentlich größer ist als der Strom, der die Ankerspule (220) in Bewegung versetzt, bis die Ankerspule vollständig in ihren Öffnungszustand übergegangen ist, c. Anlegen eines Haltestroms an die Solenoidspule (140), der größer ist als der Strom, bei dem die Ankerspule (220) durch die Rückstellkraft der Feder (230) wieder in ihre Schließposition zurückkehrt, bis die gewünschte Kraftstoffmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeströmt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltestrom kleiner ist als der Auflade-Strom und der Ventilöffnungs-Strom.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c. ein Schritt d. ausgeführt wird, bei dem die Solenoidspule (140) stromlos geschaltet wird, so dass die Ankerspule (220) in ihre Schließstellung zurückkehrt.
Vorrichtung zur Steuerung des Erregerstroms an einer Solenoidspule (140) eines Einspritzventils, wobei das Magnetfeld der Solenoidspule (140) eine Ankerspule (220) antreibt, die eine Öffnungs- und eine Schließstellung aufweist, mit den folgenden Merkmalen: a. ein Mittel zum Anlegen eines Auflade-Stroms an die Solenoidspule, der kleiner ist als der Strom, der die Ankerspule (220) in Bewegung versetzt, bis der Aufladestrom einen Gleichgewichtswert I_A angenommen hat, und b. ein Mittel zum Anlegen eines Ventilöffnungs-Stroms an die Solenoidspule (140), der wesentlich größer ist als der Strom, der die Ankerspule (220) in Bewegung versetzt, bis die Ankerspule voll- ständig in ihren Öffnungszustand übergegangen ist.
Vorrichtung zur Steuerung des Erregerstroms an einer Solenoidspule (140) eines Einspritzventils gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Anlegen eines Haltestroms an die Solenoidspule (140) vorgesehen ist, der größer ist als der Strom, bei dem die Ankerspule (220) durch die Rückstellkraft der Feder (230) wieder in ihre Schließposition zurückkehrt, bis die gewünschte Kraftstoffmenge in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingeströmt ist.
Vorrichtung zur Steuerung des Erregerstroms an einer Solenoidspule (140) eines Einspritzventils gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel vorgesehen ist, um die Solenoidspule (140) stromlos zu schalten.