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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein
Verfahren zum Betreiben einer Injektoranordnung zum Einspritzen
von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Ferner
betrifft die Erfindung einen dazu verwendbaren Injektor.
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Schaltungsanordnungen
zum Betreiben einer Injektoranordnung mit einem oder mehreren Injektoren,
die jeweils aus einem elektrisch ansteuerbaren Aktuator und einem
mittels des Aktuators betätigbaren
Kraftstoffventil gebildet sind, wobei die Schaltungsanordnung dazu
ausgebildet ist, wahlweise jedem der Injektoren eine Ansteuerspannung
zum Ansteuern des Aktuators über
ein Leitungspaar bestehend aus einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung
zuzuführen,
wobei die zweite Leitung zumindest während der Ansteuerung des jeweiligen
Aktuators mit einer Masse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, sind
beispielsweise aus der
DE
197 33 560 A1 und der
DE 101 20 143 A1 bekannt.
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In
der
DE 34 45 721 A1 ist
ein als Injektor einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff geeignetes,
elektrisch ansteuerbares Magnetventil beschrieben. Dieses bekannte
Magnetventil weist einen von einem Ventilkörper und einem zugeordneten Ventilsitz
gebildeten Kontaktschalter auf, dessen Schaltzustand somit die Stellung
des Ventilkörpers relativ
zu dem Ventilsitz repräsentiert.
Zur Detektion des Schaltzustands dieses Ein-Aus-Schalters wird dem
Magnetventil über
einen Widerstand eine Messspannung zugeführt und der am Wi derstand entstehende
Spannungsabfall gemessen. Wenn das Ventil geschlossen ist, so fließt ein Strom über den
Widerstand und erzeugt einen Spannungsabfall. Wenn dagegen das Ventil
geöffnet
ist, so wird die elektrische Verbindung zwischen dem Ventilkörper und
dem Ventilsitz unterbrochen, so dass der Stromfluss und folglich
der Spannungsabfalls am Widerstand null wird.
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Weiter
ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung
schnell schaltender Einspritzventile bekannt (
DE 101 40 550 A1 ), bei
dem eine Düsennadel in
einem Ventilkörper
zwischen Anschlägen
bewegbar ist und wobei die Vorgaben der Bewegung der Düsennadel
aus der aktuell erfassten Position derselben ermittelt wird. Die
aktuelle Position des Ventilglieds wird über Sensorelemente erfasst.
Dort wird weiter angeregt, die von den Sensoren erzeugten hochfrequenten
Schwingungen direkt über
die Aktuatorenleitungen auszukoppeln.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb einer Injektoranordnung
zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs dahingehend zu verbessern, dass in einfacher Weise
eine zeitlich aufgelöste
Information über
den Ventilöffnungsgrad
jedes Ventils der Injektoranordnung gewonnen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach
Anspruch 12 und einen Injektor nach Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Für die Erfindung
wesentlich ist zunächst
die Verwendung eines oder mehrerer Injektoren, bei welchen jedes
Kraftstoffventil wenigstens einen Kontaktschalter aufweist, dessen Schaltzustand
die Stellung eines Ventilkörpers
relativ zu einem Ventilsitz repräsentiert,
bei einer Schaltungsanordnung bzw. einem Verfahren zum Betreiben
der Injektoranordnung zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine. Vorteilhaft
kann die mittels des Kontaktschalters gewonnene Information über die
Stellung des Ventilkörpers
und somit des Ventilöffnungsgrades
beispielsweise zur präzisen
Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge genutzt werden. Aufgrund
der wachsenden Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen hinsichtlich
Kraftstoffverbrauch, Abgasemission, Geräuschent wicklung, Leistung etc.
hat die Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge in der Praxis
enorm an Bedeutung gewonnen, da eine Steuerung zu unakzeptabel hohen
Einspritzmengenstreuungen führen
würde,
verursacht durch relativ große
Toleranzen bei serienmäßig gefertigten
Injektoren. Eine Kompensation dieser Streuungen im Rahmen einer
Einspritzregelung setzt jedoch eine ausreichend genaue Erfassung
bzw. Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Einspritzung voraus.
Geeignete Daten hierfür
liefert der im Rahmen der Erfindung verwendete Kontaktschalter.
Wenn Kontakte eines solchen Kontaktschalters beispielsweise durch
den Ventilkörper
und den Ventilsitz des jeweiligen Kraftstoffventils gebildet sind,
so lassen sich bereits die Zeitpunkte des Einspritzbeginns (Schalter öffnet) und Einspritzendes
(Schalter schließt)
bestimmen und folglich der Einspritzverlauf und die Einspritzmenge mehr
oder weniger genau rekonstruieren. Die Genauigkeit der Informationen
lässt sich
hierbei steigern durch Vorsehen einer Mehrzahl von Kontaktschaltern an
ein und demselben Kraftstoffventil, beispielsweise eines den Vollöffnungsgrad
des Ventils detektierenden zusätzlichen
Kontaktschalters.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist des weiteren die besondere Art und Weise der Zuführung der Messspannung
zum Detektieren des Schaltzustands des Kontaktschalters. Beim Stand
der Technik (vgl. z. B.
DE
34 45 721 A1 ) waren zur Zufuhr der Messspannung zusätzlich zu
den existierenden Aktuatoransteuerleitungen weitere Leitungen vorgesehen. Selbst
wenn ein Kontakt des Kontaktschalters im Bereich der Injektoranordnung
mit der Fahrzeugmasse verbunden wird, so ist nach dieser bisherigen
Methode jeweils eine weitere Leitung pro Injektor für die Ankopplung
der Messspannung notwendig. Bei einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine
bedeutet dies, dass von einem üblicherweise
entfernt von der Injektoranordnung angeordneten Steuergerät mindestens vier
zusätzliche
Kabel samt entsprechenden Schnittstellen vorgesehen werden müssen, was
einen beträchtlichen
Mehraufwand bedeutet. Demgegenüber wird
gemäß der Erfindung
eine der ohnehin zur Zufuhr der Ansteuerspannung vorgesehene Leitung
zusätzlich
zur Zufuhr der Messspannung mitgenutzt. Die Detektion des Schaltzustands
des Kontaktschalters erfordert daher keinerlei Mehraufwand im Bereich
der Leitungsanordnung zwischen beispielsweise einem Steuergerät und der
davon entfernt angeordneten Injektoranordnung. Ermöglicht wird
dies durch Verwendung einer Wechselspannung, die als die Messspannung
von der Schaltungsanordnung an einer zur Injektoranordnung führenden
Leitung eingekoppelt wird und abhängig vom Schaltzustand des Kontaktschalters
im Bereich des Kraftstoffventils wieder ausgekoppelt wird.
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Unabhängig von
der Art und Anzahl verwendeter Kontaktschalter zur Detektion einer
Ventilstellung ermöglicht
die Erfindung diese Ventilstellungsdetektion in kostengünstiger
Weise bei Einspritzsystemen, bei welchen bislang zur Vermeidung
des zusätzlichen "Verkabelungsaufwands" auf eine Detektion
der Ventilstellung und somit eine Regelung des Einspritzvorgangs
verzichtet wurde. Beispielsweise "Common Rail"-Dieseleinspritzsysteme
für Serienfahrzeuge
besitzen bislang in der Regel lediglich eine Steuerung, bei welcher
die Daten für
die Festlegung der Einspritzrate und Einspritzmenge aus Kennfeldern
bezogen werden, die in einem Steuergerät gespeichert sind und auf
Erfahrungswerten betreffend die Betriebscharakteristik der eingesetzten
Kraftstoffventile beruhen. Mit der Erfindung können die Vorteile derartiger
Common-Rail-Systeme
beibehalten werden und darüber
hinaus eine Regelung des Einspritzvorgangs realisiert werden, so
dass insbesondere besonders kleine Einspritzmengen sehr genau eingestellt
bzw. sogar überprüft werden
können.
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In
einer Ausführungsform
ist wenigstens ein Teil der zur Erzeugung der Ansteuerspannung eingesetzten
Komponenten in einem Steuergerät
zusammengefasst, welches dazu vorgesehen ist, im Kraftfahrzeug von
der Injektoranordnung entfernt angeordnet zu werden. In diesem Fall
lassen sich in dem Steuergerät
auch vorteilhaft diejenigen Komponenten integrieren, welche zur
Erzeugung und Einkopplung der Mess-Wechselspannung eingesetzt werden. Schließlich können in
einem solchen Steuergerät vorteilhaft
diejenigen Komponenten untergebracht werden, mittels derer die Messung
der Ventilstellung (Schaltzustand des oder der Kontaktschalter)
ausgewertet wird. Eine solche Auswertung der Messung erfolgt in
einer einfachen Ausführungsform
dadurch, dass an irgendeiner Stelle der mit der Messspannung beaufschlagten
Leitung die Amplitude der Messspannung gemessen wird. Um durch diese
Messung nicht das Ansteuersignal zu beeinflussen, kann an der betreffenden
Leitungsstelle die Messspannungsamplitude über einen geeigneten Auskoppelkondensator geführt werden,
welcher für
ein insbesondere im Wesentlichen als Gleichspannung gebildetes Ansteuersignal
keine Beeinträchtigung
darstellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Messspannung bzw. deren Amplitude am Einkoppelpunkt oder
einem mit diesem Einkoppelpunkt elektrisch verbundenen Schaltungsknoten
gemessen.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung ausgebildet ist als Steuergerät mit einer
Leitungsanordnung zum Anschluss einer im Kraftfahrzeug von dem Steuergerät entfernt
angeordneten Injektoranordnung, wobei der Einkoppelpunkt im Bereich
des Steuergeräts
und der Auskoppelpunkt im Bereich der Injektoranordnung angeordnet
ist.
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Als
Injektoren können
insbesondere so genannte Piezo-Injektoren
verwendet werden, bei welchen die Funktionsweise des Aktuators auf
dem piezoelektrischen Effekt beruht.
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Eine
einfache Konstruktion des Kontaktschalters ergibt sich dadurch,
dass Kontakte des Kontaktschalters gebildet sind durch den Ventilkörper und
den Ventilsitz des jeweiligen Kraftstoffventils. Alternativ oder
zusätzlich
kann auch ein Kontaktschalter vorgesehen sein, dessen Kontakte gebildet
sind durch den Ventilkörper
und einen von dem Ventilsitz entfernt angeordneten Ventilkörperanschlag
des jeweiligen Kraftstoffventils. Mit einem Kontaktschalter der
letzteren Art lassen sich für
jeden Einspritzvorgang diejenigen Zeitpunkte detektieren, bei welchen der
maximale Ventilöffnungsgrad
erreicht wird (Schalter schließt)
und sich ausgehend von diesem maximalen Öffnungsgrad wieder beginnt,
zu verringern (Schalter öffnet).
Letztere Kontaktschalterart ermöglich
im Hinblick auf extrem kurze Ansteuerzeitdauern auch die Detektion
dahingehend, ob im Verlauf des Einspritzvorganges der Maximalventilöffnungsgrad überhaupt
erreicht wird.
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Wenn
an einem Ventil mehrere Kontaktschalter vorgesehen sind, so können diese
im einfachsten Fall in einer Parallel- und/oder Serienanordnung in einem Auskoppelpfad
zwischen der zweiten Leitung und der Fahrzeugmasse angeordnet werden, so
dass die Auskopplung ein und desselben Messsignals in Abhängigkeit
mehrerer Schaltzustände
erfolgt. Ein Beispiel hierfür
findet sich in dem unten noch beschriebenen Ausführungsbeispiel. Alternativ ist
es denkbar, bei mehreren Kontaktschaltern an ein und demselben Ventil
eine "Kodierung" der Signal auskopplung
vorzusehen, die beim Schalten eines bestimmten Kontaktschalters
die Identifizierung dieses Kontaktschalters erlaubt. Eine solche
Kodierung könnte
beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die einzelnen Kontaktschalter
mit verschiedenen Übergangsimpedanzen
(Impedanz zwischen den beiden Schalterkontakten im geschlossenen
Zustand des Schalters) vorgesehen werden, sei es konstruktionsbedingt
oder durch Anordnung verschiedener Impedanzen (z. B. Widerstände) in
Serienschaltung zu den einzelnen Kontaktschaltern. Alternativ oder
zusätzlich
könnte
eine Kodierung dergestalt erfolgen, dass mehrere Messspannungen
mit verschiedenen Frequenzen eingekoppelt werden und jeder Kontaktschalter
zur Auskopplung einer speziellen dieser Messspannungen angeordnet
wird, etwa durch Anordnung jedes Kontaktschalters in einem von mehreren
Auskoppelpfaden, die jeweils nur zur Auskopplung einer der Messspannungen
ausgebildet sind (Frequenzselektivität).
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass für
jeden Injektor ein separates Leitungspaar vorgesehen ist. Dies vereinfacht
die schaltungstechnische Konstruktion im Bereich der Injektoranordnung
und führt
vorteilhaft zu einer "Entkopplung" der einzelnen Injektoren
sowohl hinsichtlich der Ansteuerung als auch der Detektion der Kontaktschalter-Schaltzustände.
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Für eine einfache
Realisierung der Schaltungsanordnung ist es von Vorteil, wenn in
einem Teil der Schaltungsanordnung die Ansteuerspannung an einer
Stelle erzeugt wird und für
die gegebenenfalls mehreren Injektoren genutzt wird, indem diese
Ansteuerspannung wahlweise (selektiv) einem der Injektoren zugeführt wird.
Daher ist in einer Ausführungsform
der Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Injektoranordnung mit
mehreren Injektoren vorgesehen, dass für jeden Injektor eine se parate
zweite Leitung vorgesehen ist und zwischen dem Einkoppelpunkt und
dem Auskoppelpunkt der zweiten Leitungen jeweils ein Injektorauswahlschalter
angeordnet ist, mittels welchem wahlweise jede der zweiten Leitungen
unterbrochen werden kann. Wenngleich die Anordnung derartiger Auswahlschalter
im Hinblick auf die Ansteuerung von mehreren Injektoren an sich bekannt
ist, so besitzt diese Anordnung der Auswahlschalter jeweils zwischen
dem Einkoppelpunkt und dem Auskoppelpunkt im Rahmen der Erfindung
den besonderen Vorteil, dass hinsichtlich der Detektion der Schaltzustände gewissermaßen automatisch (aufgrund
der ohnehin notwendigen Ansteuerungsauswahl) die Messspannung nur
von dem Schaltzustand des tatsächlich
ausgewählten
Injektors abhängen
kann. Die nicht ausgewählten
Injektoren können somit
nicht das Messsignal beeinflussen.
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Unabhängig von
der Gestaltung, bei welcher die Einkopplung und Auskopplung der
Messspannung lediglich für
Zeitabschnitte aktiv ist, in welchen der betreffende Injektor mittels
einer Auswahlschalteranordnung ausgewählt ist, ist es ganz allgemein
z. B. zur Verringerung von Korrosionseffekten im Bereich der Schalterkontakte
günstig,
wenn die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, die Messspannung
wahlweise in vorbestimmten Zeitabschnitten einzukoppeln, in denen
ein Wechsel des Schaltzustands zu erwarten ist. Insbesondere kann
die Aktivierung jeder Messung periodisch erfolgen und jeweils zeitgleich
mit der periodischen Ansteuerung des Aktuators beginnen.
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Damit
das Messergebnis nicht nennenswert durch die Ansteuerung des betreffenden
Injektors beeinflusst wird, sollte die Frequenz der Messspannung nicht
zu gering gewählt
sein. In einer Ausführungsform
ist daher vorgesehen, dass die Frequenz der Messspannung mindestens
das Zehnfache der im Betrieb der Injektoranordnung für jeden
Injektor zu erwartenden Maximalansteuerfrequenz ist. Für den hier
interessierenden Anwendungsbereich ist es bevorzugt, wenn die Frequenz
der Messspannung mindestens 10 KHz, insbesondere mindestens 100
KHz beträgt.
Bevorzugt besitzt die Messspannung einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 ein
teilweises Ersatzschaltbild eines Einspritzsystems an einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines in dem Einspritzsystem verwendeten
Kraftstoffventils, und
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3 zwei
Darstellungen, die den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung (3 oben)
und einer zugeordneten Messsignalamplitude (3 unten)
zeigen.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild von wesentlichen Komponenten einer Schaltungsanordnung zum
Betreiben einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff
bei einer Brennkraftmaschine. Wenngleich diese Brennkraftmaschine
mehrere Zylinder mit jeweils einem oder mehreren Injektoren pro Zylinder
aufweisen kann, so ist der Klarheit der Darstellung halber das Schaltbild
lediglich im Hinblick auf den Betrieb eines dieser Injektoren ausgeführt.
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Dieser
Injektor weist einen Piezoaktuator auf, der in 1 rechts
oben durch dessen Kapazität Cpiezo
und dessen Serienwiderstand Rpiezo dargestellt ist. Der parallel
dazu geschaltete Widerstand R5 ist an dem Piezoelement bereits vor
dessen Einbau in den Injektor angeordnet und schützt den Piezokristall vor einer
Beschädigung
durch eine etwaige elektrostatische Aufladung bei der Montage. In
an sich bekannter Weise kann durch Laden und Entladen des Piezoelements
ein zur Betätigung
eines Kraftstoffventils geeignetes Ausdehnen und Zusammenziehen
des Piezokristalls angesteuert werden. Diese Ansteuerung erfolgt
durch Zufuhr einer Ansteuerspannung über ein Leitungspaar bestehend
aus einer ersten Leitung PL1 und einer zweiten Leitung PL2.
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Dieses
Leitungspaar PL1, PL2 verbindet in einem Kraftfahrzeug die in einem
Steuergerät
zusammengefassten Komponenten (1 links)
mit dem betreffenden Injektor (1 rechts),
wobei während
der Ansteuerung des dargestellten Piezoaktuators die zweite Leitung
PL2 innerhalb des Steuergeräts über einen
Schalter S3 und weiter über
eine Spule L3 (eingezeichnet mit deren Serienwiderstand R6) mit
einem Masseanschluss GND des Kraftfahrzeugs verbunden wird. Auch
für die
weiteren, nicht dargestellten Injektoren ist jeweils eine zweite
Leitung bzw. Masseleitung vorgesehen, in welcher ein dem Schalter
S3 entsprechender Auswahlschalter angeordnet ist, mittels welchem
die Leitung wahlweise unterbrochen werden kann. Somit ermöglicht die
Auswahlschalteranordnung eine wahlweise Zufuhr der Ansteuerspannung
zu jedem der Injektoren.
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Was
die erste Leitung PL1 ("high
side") anbelangt,
so könnte
diese Leitung für
alle angeschlossenen Injektoren genutzt werden. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist jedoch vorgesehen, dass für
jeden Injektor ein separates Leitungs paar, also auch eine separate
erste Leitung, vorgesehen ist. Die in 1 nicht
dargestellten, zu den nicht dargestellten Injektoren führenden
ersten Leitungen zweigen innerhalb des Steuergeräts von einem Schaltungsknoten
K1 ab und führen
jeweils über
eine einer in 1 ersichtlichen Spule L2 entsprechenden
Spule zu dem jeweiligen Injektor. Die übrigen Injektoren besitzen
denselben Aufbau wie der in 1 rechts
beispielhaft dargestellte Injektor.
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Mittels
des in
1 links oben dargestellten Schaltungsteils wird
der Piezoaktuator Cpiezo über die
Leitung PL1 geladen (Aktivierung) und entladen (Deaktivierung).
Die Zeitpunkte für
die Aktivierung und Deaktivierung von jedem Injektor werden in an sich
bekannter Weise durch einen Motorsteurungsteil des Steuergeräts festgelegt.
Auf Grundlage dieser festgelegten Ansteuerungszeitpunkte werden
ein Ladeschalter S1 und ein Entladeschalter S2 geeignet angesteuert,
um in an sich bekannter Weise eine so genannte Umschwingendstufe
zur Erzeugung des auf die Leitung PL1 zu gebenden Ansteuerstroms
zu betreiben. Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise
in der
DE 197 23 932
A1 offenbart. Vereinfacht ausgedrückt wird die in einem Speicherkondensator
C1 gespeicherte elektrische Energie periodisch, nämlich zu
den gewünschten
Ansteuerzeitpunkten, über
einen Umladekondensator C2, eine Umschwingspule L1 und weiter über die
Leitung PL1 zu der Kapazität
Cpiezo übertragen.
Bei der Deaktivierung des Aktuators (Entladung von Cpiezo) schwingt
die im Piezoelement gespeicherte elektrische Energie wieder zurück und lädt den Umladekondensator
C2 wieder auf. Mit Vdc ist in
1 eine Gleichspannungsquelle
(z. B. DC/DC-Wandler) bezeichnet, welche zum Ausgleich von ohmschen
Verlusten bei diesen Umschwingvorgängen vorgesehen ist.
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Das
mittels des Piezoaktuators betätigbare Kraftstoffventil
besitzt zwei Kontaktschalter S5, S6, deren Schaltzustände repräsentativ
für die
Stellung eines Ventilkörpers
relativ zu einem Ventilsitz des Kraftstoffventils sind. Diese in 1 rechts
eingezeichneten Schalter S5, S6 sind als Ventilsitzschalter (S5)
und als Ventilanschlagschalter (S6) ausgebildet, d. h. der Schalter
S5 ist nur geschlossen, wenn der Ventilkörper auf dem Ventilsitz aufliegt
(Kraftstoffventil geschlossen), und der Schalter S6 ist nur geschlossen,
wenn der Ventilkörper
vom Ventilsitz abgehoben ist und gegen einen dessen Öffnungsbewegung
begrenzenden Anschlag anliegt (Kraftstoffventil voll geöffnet).
Der in 1 parallel zu dieser Kontaktschalteranordnung
S5, S6 eingezeichnete Widerstand R9 modelliert den in der Praxis
nicht ganz zu vernachlässigenden
Isolationswiderstand.
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Die
Kontaktschalteranordnung S5, S6 dient dazu, eine von dem Steuergerät auf die
zweite Leitung PL2 eingekoppelte Wechselspannung in Abhängigkeit
von den Schaltzuständen
der Kontaktschalter S5, S6 auszukoppeln. Zu diesem Zweck ist im
Verlauf der Leitung PL2 im Bereich des Injektors ein "Auskoppelpunkt" K2 vorgesehen, von
welchem ein Auskoppelpfad zur Fahrzeugmasse GND hin verläuft, dessen
Impedanz abhängig
von den Schaltzuständen
ist. Im dargestellten Beispiel besteht der Auskoppelpfad aus einer
Serienschaltung eines Auskoppelkondensators C4, eines einen realen
Serienwiderstand modellierenden Widerstands R8 sowie der bereits
erwähnten
Kontaktschalteranordnung S5, S6, R9.
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Das
zur Detektion der Schaltzustände
verwendete Messsignal (Wechselspannung) wird im Verlauf der zweiten
Leitung PL2 im Bereich des Steuergeräts an einem Schaltungsknoten
K3 eingekoppelt. Zu diesem Zweck ist zwischen der Fahrzeugmasse
GND und diesem Einkoppelpunkt K3 eine Serienschaltung bestehend
aus einer Wechselspannungsquelle Vrf, einem Messsignalaktivierungschalter
S4, einem Einkoppelkondensator C3 und einem den ohmschen Anteil
der Impedanz des Kondensators C3 modellierenden Widerstands R7 angeordnet. Die
Wechselspannungsquelle Vrf liefert eine hochfrequente (z. B. 1 MHz),
sinusförmige
Wechselspannung mit einer geeignet gewählten Amplitude, die bei geschlossenem
Schalter S4 über
den Einkoppelkondensator C3 zum Einkoppelpunkt K3 und somit auf die
Leitung PL2 gelangt. Die oben bereits erwähnte Spule L3 (mit einem ohmschen
Anteil R6) dient dazu, einen Wechselstrom-Kurzschluss des eingekoppelten Messsignals
auf Masse zu verhindern bzw. an dieser Stelle einen Ableitungspfad
relativ hoher Impedanz für
das eingespeiste Messsignal zu realisieren. Die Spule L3 ist hierbei
geeignet zu dimensionieren, so dass das eingekoppelte Wechselspannungssignal
die ebenfalls über
die Leitung PL2 realisierte Ansteuerung des Piezoaktuators nicht
nachteilig beeinflusst. Bei angesteuertem Piezoaktuator läuft die wechselförmige Messsignalspannung
gewissermaßen
entgegen der Ansteuerstromrichtung über die Leitung PL2 und wird
im Bereich des Injektors über den
Auskoppelkondensator C4 wieder mehr oder weniger (abhängig von
den Schaltzuständen
der Kontaktschalter S5, S6) zur Fahrzeugmasse GND hin ausgekoppelt.
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Da
das Injektorgehäuse
aufgrund des Einbaus in der Brennkraftmaschine üblicherweise ohnehin elektrisch
mit der Fahrzeugmasse verbunden wird, können die Kontaktschalter S5,
S6 vorteilhaft in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass
der Ventilkörper,
z. B. eine Ventilnadel, elektrisch kontaktiert wird und über den
Auskoppelkondensator C4 mit der ohnehin zum Injektor führenden
Ansteuerleitung PL2 verbunden wird. Der Ventilkörper bildet somit die in 1 oberen
An schlüsse
der Schalter S5, S6. Die unteren Schalteranschlüsse werden dann von dem Ventilsitz
und einem vom Ventilsitz entfernt angeordneten Anschlag gebildet,
die wie erwähnt
naturgemäß bereits
mit der Fahrzeugmasse GND verbunden sind.
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2 zeigt
schematisch in einer Schnittansicht einige Teile eines mit der Schaltungsanordnung von 1 betriebenen
Kraftstoffventils 10, nämlich eine
Ventilnadel 12, einen Ventilsitz 14, gegen welchen
ein unteres Ende der Ventilnadel 12 bei geschlossenem Ventil
anliegt, sowie einen Anschlagring 16, gegen den ein oberer
Umfangsrandabschnitt der Ventilnadel 12 bei Vollöffnung des
Ventils anschlägt.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Ventil 10 normalerweise (ohne Aktivierung des Piezoaktuators)
geschlossen aufgrund einer Differenz von Kraftstoffdruckkräften, die
einerseits im Bereich der Ventilnadelspitze und andererseits im
Bereich eines oberen Ventilnadelendes auf die Ventilnadel 12 einwirken.
Wird der Piezoaktuator angesteuert, so wird (beispielsweise durch Öffnung einer Kraftstoffrücklaufpassage
innerhalb des Injektors) der Druck im Bereich des oberen Ventilnadelendes reduziert,
wodurch der Druck an der Spitze der Ventilnadel 12 das Übergewicht
erhält,
so dass die Ventilnadel 12 aus dem Ventilsitz 14 nach
oben bewegt wird. Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel
sind selbstverständlich
auch andere Ausführungen
möglich,
bei denen der Aktuator zum Schließen des Ventils aktiviert wird,
wohingegen die Öffnung
des Ventils passiv erfolgt (z. B. vom Kraftstoffdruck getrieben).
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Bei
dem in 2 dargestellten Ventil 10 sind der Ventilsitz 14 und
der Anschlagring 16 über
das nicht dargestellte Injektorgehäuse mit der Fahrzeugmasse verbunden,
wohingegen die Ventilnadel 12 in an sich bekannter Weise
davon isoliert im Injektorgehäuse
geführt
ist und beispielsweise über
eine Stösselanordnung
elektrisch kontaktiert ist, die sich durch eine zentrale Durchgangsöffnung 18 des
Anschlagrings 16 hindurch erstreckt. Diese elektrische
Kontaktierung der Ventilnadel 12 führt über den Auskoppelkondensator
C4 (1) an den masseseitigen Steueranschluss des Piezoaktuators.
Die Anpassung des im Rahmen der Erfindung zu verwendenden Injektors
gegenüber
einem herkömmlichen
Injektor besteht im Wesentlichen lediglich darin, den Ventilkörper über einen
geeigneten Impedanzpfad, enthaltend wenigstens einen Kondensator,
mit dem masseseitigen Anschluss des Ventilaktuators zu verbinden.
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3 zeigt
auf einer gemeinsamen Zeitachse (Zeit t) einen typischen Verlauf
des Verstellwegs s (3 oben) der Ventilnadel 12 für einen
Einspritzvorgang sowie die dabei an dem Schaltungsknoten K3 zu messende
Amplitude A (3 unten) des eingekoppelten
Wechselspannung-Messsignals.
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Zu
einem Zeitpunkt t1, welcher von der im Steuergerät befindlichen Motorsteuerung
kurz vor der Aktivierung des Aktuators liegend festgelegt wird, wird
der Messspannungaktivierungsschalter S4 geschlossen und somit die
Messspannung auf die Masseleitung PL2 eingekoppelt. Das Kraftstoffventil 10 ist hierbei
noch geschlossen (s=0), so dass der Ventilsitzschalter S5 geschlossen
ist. Über
den Schalter S5 wird somit das Messsignal im Bereich des Injektors wieder
stark ausgekoppelt, so dass die am Knoten K3 gemessene Signalamplitude
A einen relativ kleinen Wert annimmt. Hierbei ist der Auswahlschalter S3
bereits geschlossen.
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Nun
wird, zu einem Zeitpunkt t2, der Piezoaktuator über das Ansteuerleitungspaar
PL1, PL2 aktiviert, um die Öffnungsbewe gung
der Ventilnadel 12 einzuleiten. Daraufhin hebt die Ventilnadel 12 vom Ventilsitz 14 ab,
so dass der Schalter S5 öffnet.
Dies führt
zu einem sprunghaften Anstieg der Signalamplitude A. Die Erfassung
dieses sprunghaften Anstiegs gestattet die genaue Bestimmung desjenigen
Zeitpunkts (etwa t2), zu welchem das Ventil 10 öffnet.
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Zu
einem Zeitpunkt t3 gelangt das Ventil 10 in dessen Maximalöffnungsstellung
(s maximal), d. h. das obere Ende der Ventilnadel 12 schlägt an dem Anschlagring 16 an.
Dies bedeutet, dass der Anschlagschalter S6 nun geschlossen wird
und die Signalamplitude A wieder sprunghaft auf einen relativ kleinen
Wert sinkt. Abhängig
von den Eigenschaften der Kontaktschalteranordnung, insbesondere
der ohmschen Übergangswiderstände der
Kontaktschalter S5, S6, kann dieser Wert von dem Wert der Amplitude
A während
des Intervalls von t1 bis t2 abweichen.
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Zu
einem Zeitpunkt t4 wird der Piezoaktuator deaktiviert, um den Ventilschließvorgang
einzuleiten. Daraufhin öffnet
der Schalter S6 wieder, so dass die Amplitude A nochmals auf einen
relativ großen
Wert ansteigt.
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Zu
einem Zeitpunkt t5 gelangt die Spitze der Ventilnadel 12 wieder
in Kontakt mit dem Ventilsitz 14, so dass der Schalter
S5 schließt
und die Amplitude A wieder auf einen relativ kleinen Wert absinkt.
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Die
Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude A gestattet
somit die Bestimmung einer Mehrzahl von Zeitpunkten (t2, t3, t4
und t5), aus welchen sich der Verlauf der Ventilkörperbewegung sehr
gut rekonstruieren lässt.
Demzufolge können sehr
genaue Aussagen über
den zeitlichen Verlauf der Ein spritzrate sowie der Einspritzmenge
gemacht werden, welche im Rahmen der Motorsteuerung zur Optimierung
von Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine herangezogen werden
können.
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Um
die Messspannung nicht unnötig
lange einzukoppeln bzw. deren nachteilige Wirkung auf die Kontaktschalter
S5, S6 zu begrenzen, wird schließlich zu einem Zeitpunkt t6
der Schalter S4 wieder geöffnet.
Die Festlegung dieses Zeitpunkts t6 kann beispielsweise basierend
auf der Erfassung des Zeitpunkts t5 erfolgen, insbesondere kurz
nach diesem Zeitpunkt T5 liegend festgelegt werden.
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Das
beschriebene Ausführungsbeispiel
realisiert eine einfache und kostengünstige Art zur Detektion der
Ventilnadelstellung. Insbesondere ist am Injektor kein weiterer
Anschluss zur Messsignalankopplung erforderlich. Es kann eine aufwändige und kostenintensive
Anpassung der Verkabelung zwischen einem Steuergerät und der
Injektoranordnung vermieden werden. Die Verwendung einer Wechselspannung
als Messsignal minimiert hierbei die Gefahr einer elektrolytischen
Korrosion an den Kontaktstellen des Ventilkörpers. Durch eine genügend hohe Messsignalfrequenz
kann zudem die Forderung nach einer ausreichend kurzen Antwortzeit
der Detektion erfüllt
werden. Durch die Verwendung des Ventilkörpers und Abschnitten eines
Inektorgehäuses
als Kontaktschalter ist die Konstruktion des Injektors sehr einfach.
Insbesondere sind keine besonderen, zusätzlichen Bauteile nötig, welche
die Dichtheit des Ventil nachteilig beeinflussen könnten.
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In
relativ einfacher Weise können
aus den gewonnenen Informationen betreffend Einspritzbeginn, Einspritzverlauf
und Einspritzende der Einspritzverlauf und die Gesamteinspritzmenge
bestimmt werden. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt im
Bereich von Dieseleinspritzsystemen mit Piezo-Injektoren. Die Erfindung erlaubt den
Aufbau einer Regelung von Einspriztzeitpunkten und Einspritzmengen
und eignet sich insbesondere auch für Einspritzsysteme, bei welchen
unter bestimmten Betriebsbedingungen sehr kleine Einspritzmengen vorgesehen
werden sollen.