DE3722527A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur ansteuerung eines einspritzventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schal­ tungsanordnung zur Ansteuerung eines Einspritzven­ tils für eine Brennkraftmaschine, wobei die Magnet­ spule des Einspritzventils mit Hilfe eines Halblei­ terschalters derart getaktet an eine Betriebsspan­ nung angelegt wird, daß ein zum Öffnen bzw. zum Offenhalten des Ventils ausreichender Strom fließt.

Einspritzventile für Brennkraftmaschinen mit niedri­ gem Innenwiderstand werden mit einer sogenannten Stromregelung angesteuert. Um das Ventil zu öffnen, wird zunächst nach dem Einschalten solange abgewar­ tet bis der Strom durch die Magnetspule des Ventils einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Daraufhin wird der Strom abgeschaltet und in Abhängigkeit von der vorgesehenen Einspritzdauer eine getaktete Spannung angelegt.

Beim Abschalten des Einspritzventils sinkt der Strom infolge der Induktivität der Magnetspule nach einer Exponentialfunktion. Das Ventil schließt erst, wenn der Strom einen vom Offenhalten erforderlichen Min­ destwert unterschritten hat. Der Zeitraum zwischen dem Abschalten und dem Unterschreiten des Mindestwer­ tes ist jedoch davon abhängig, welcher Strom unmit­ telbar vor dem Abschalten fließt. Dieser ist jedoch infolge der getakteten Regelung nicht konstant, so daß sich bei konstanter Bestromungszeit durch zufäl­ lige Veränderungen bei der Taktung verschieden lange Öffnungszeiten ergeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine genaue und reproduzierbare Einspritzdauer zu ermög­ lichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der jeweils vorgesehenen Ein­ spritzdauer zwei Zeitabschnitte vorgesehen sind, daß innerhalb des ersten Zeitabschnitts eine getaktete Stromregelung erfolgt und daß während eines zweiten Zeitabschnitts ein kontinuierlicher Strom fließt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Vorteile der getakteten Stromregelung auf, wie beispielsweise geringe Wärmeverluste und einen steilen Anstieg des Stromes, und ermöglicht außerdem einen genau defi­ nierten Abschaltzeitpunkt und Abschaltstrom.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Dauer des zweiten Zeitab­ schnitts und/oder die Größe des Stroms vorgegeben sind. Dadurch ist eine Anpassung dieser Werte an die Eigenschaften des jeweiligen Ventiltyps möglich.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sieht vor, daß im Falle eines Defekts des Halbleiterschalters und/oder einer für den Halblei­ terschalter vorgesehenen Steuerschaltung der konti­ nuierliche Strom während der gesamten vorgesehenen Einspritzdauer fließt. Dadurch werden zusätzlich Notlaufeigenschaften ermöglicht.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsformerschaltung vorge­ sehen ist, welche über zwei Ausgänge zwei aneinander anschließende Impulse abgibt, deren Gesamtbreite der Breite eines Eingangsimpulses entspricht, daß der erste Ausgang der Impulsformerschaltung mit einer getakteten Regelschaltung verbunden ist, deren Aus­ gang an einen Steuereingang des Halbleiterschalters angeschlossen ist, und daß der zweite Ausgang der Impulsformerschaltung über eine Steuerschaltung, welche zur Vorgabe eines Stromes vorgesehen ist, mit dem Steuereingang eines Transistors verbunden ist und daß der Halbleiterschalter und die Kollektor- Emitter-Strecke des Transistors parallelgeschaltet sind.

Diese Schaltungsanordnung weist durch die Verwendung jeweils einer Endstufe für die getaktete Stromrege­ lung und für die Zuführung eines kontinuierlichen Stroms Notlaufeigenschaften auf.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Schal­ tungsanordnung ist vorgesehen, daß den Steuereingän­ gen des Halbleiterschalters und des Transistors je­ weils eine Treiberstufe vorgeschaltet ist.

Bei einer anderen Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgese­ hen, daß der Halbleiterschalter von einem Transistor gebildet ist, der im ersten Zeitabschnitt von einer getakteten Steuerschaltung und im zweiten Abschnitt mit einer im wesentlichen konstanten Spannung ansteu­ erbar ist. Diese Schaltungsanordnung ist weniger aufwendig. Im Falle eines Ausfalls des Transistors ergeben sich jedoch keine Notlaufeigenschaften.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 den Verlauf des Stroms durch die Magnetspule eines Einspritzventils bei einem bekannten Verfahren,

Fig. 2 den Stromverlauf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens in detaillierterer Darstellung und

Fig. 5 Zeitdiagramme von bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 auftretenden Spannungen und Strömen.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Stromverlauf wird der Strom zum Zeitpunkt t 0 eingeschaltet und steigt nach einer Exponentialfunktion an. Nach einem durch Sättigungseigenschaften bedingten Knick erreicht der Strom bei t 1 seinen Höchstwert, worauf er durch eine an sich bekannte Regelschaltung abgeschaltet wird und exponential abnimmt. Durch diesen hohen ersten Stromanstieg wird ein sicheres Öffnen des Einspritz­ ventils erreicht. In der Folge wird durch die getak­ tete Regelung der Strom auf einen niedrigeren Wert, welcher zum Offenhalten des Ventils ausreicht, gehal­ ten. Dabei schwankt entsprechend der getakteten Regelung der Strom zwischen zwei Grenzwerten.

Wird der Strom zum Zeitpunkt ta abgeschaltet, so fällt er nach einer Exponentialfunktion unter einen Wert Is, bei welchem das Einspritzventil geschlossen wird. Bei dem als durchgezogene Linie dargestellten Stromverlauf erfolgt das Abschalten kurz vor dem unteren Wert der getakteten Regelung, so daß bald danach auch der Wert Is erreicht wird. Bei dem punk­ tiert gezeichneten Verlauf des Stroms wird jedoch in dem Moment abgeschaltet, wenn der Strom seinen Höchstwert erreicht hat. Es dauert deshalb wesent­ lich länger, bis der Strom unter den Wert Is fällt. Unterschiede zwischen der durchgezogenen und punk­ tierten Kurve können sich beispielsweise infolge von Temperatur- und Alterungseinflüssen ergeben.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Kurve wird der Strom durch die Magnetspule ebenfalls getaktet geregelt. Der Zeitabschnitt Tt ist um den Zeitabschnitt Ta kürzer als die vergleichbare Zeit gemäß Fig. 1. Wäh­ rend des zweiten Zeitabschnitts Ta, also während des letzten Teils der Bestromungszeit der Magnetspule, ist der Strom Ia konstant, so daß sich nach dem Abschalten bei ta unabhängig von den Verhältnissen während des Zeitabschnitts Tt ein konstanter Stromab­ fall und damit eine konstante Verzögerung des Schlie­ ßens des Ventils ergibt.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird über einen Eingang 1 einer Impulsformerschaltung 2 ein Eingangssignal zugeführt, dessen Impulsbreite der gewünschten Bestromungszeit entspricht. Die Impuls­ formerschaltung 2 verfügt über zwei Ausgänge 3, 4, an denen jeweils ein Impuls entsprechend dem ersten und dem zweiten Zeitabschnitt ansteht. Vom Ausgang 3 wird der dem ersten Zeitabschnitt entsprechende Impuls einer an sich bekannten Steuerschaltung 5 für eine getaktete Regelung zugeführt. An diese schließt sich eine Treiberschaltung 6 für eine Endstufe 7 an, bei welcher ein Transistor 8 in Reihe mit der Magnet­ spule 9 geschaltet ist. Einzelheiten dazu werden im Zusammenhang mit dem detaillierteren Schaltbild gemäß Fig. 4 später erläutert. Die Steuerschaltung erzeugt während des Impulses mit der Impulsbreite Ta zunächst einen breiten Impuls, um einen Strom zum Öffnen des Einspritzventils zu erzeugen, an welche sich schmalere Impulse anschließen, die während Tt einen Stromverlauf gemäß Fig. 2 zur Folge haben.

Der während des zweiten Zeitabschnitts auftretende Impuls mit der Impulsbreite Ta wird einer Schaltung 10 zugeführt, in welcher eine festgelegte Amplitude eingeführt wird. Das Ausgangssignal der Schaltung 10 wird über eine Treiberstufe 11 ebenfalls der End­ stufe 7 zugeführt. Es kann in der Endstufe 7 für die getaktete Regelung und für die Zuführung eines kontinuierlichen Stroms ein gemeinsamer Transistor vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, jeweils einen Transistor vorzusehen, wobei sich neben dem Nachteil des erhöhten Aufwandes der Vorteil ergibt, daß bei Ausfall der getakteten Stromregelung ein Not­ lauf mit Hilfe der kontinuierlichen Stromsteuerung möglich ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ist ein inte­ grierter Schaltkreis 14 vorgesehen, der speziell für eine getaktete Stromregelung ausgelegt ist. Geeig­ nete integrierte Schaltkreise sind beispielsweise unter der Bezeichnung LM 1949 von National Semicon­ ductors und unter der Bezeichnung L 583 von SGS Fairchild erhältlich. Einem Steuereingang der Schal­ tung 14 wird über einen Schutzwiderstand 15 vom Ein­ gang 16 der in Fig. 5a) gezeigte Ansteuerimpuls zuge­ führt. Die Schaltung 14 wird mit einer stabilisier­ ten Versorgungsspannung Uv versorgt, die dem Schal­ tungspunkt 17 zugeführt wird.

Als Halbleiterschalter dient ein Transistor 18, der in Reihe mit der Magnetspule 19 zwischen Masse und den positiven Pol 20 der Betriebsspannungsquelle ge­ schaltet ist. Zwischen dem Emitter des Transistors 18 und Masse ist ein Strommeßwiderstand 21 einge­ fügt. Über einen dafür vorgesehenen Ausgang 22 der Schaltung 14, einen Widerstand 23 sowie einen Trei­ bertransistor 24 wird der Transistor 18 in den lei­ tenden bzw. in den nichtleitenden Zustand gesteuert. Zwischen den Emitter des Transistors 18 und die Basis des Transistors 24 ist ein weiterer Widerstand 25 geschaltet. Der Kollektor des Transistors 18 und die Basis des Transistors 24 sind über eine Z-Diode 26 miteinander verbunden. Über einen Eingang 27 wird der Schaltung 14 die am Strommeßwiderstand 21 abfal­ lende Spannung zugeführt. In an sich bekannter Weise wird zu Beginn des Ansteuerimpulses der Transistor 18 in den leitenden Zustand geschaltet, worauf der Strom durch die Magnetspule 19 nach einer Exponen­ tialfunktion ansteigt.

Bei einem vorgegebenen Wert wird der Transistor 18 in den nichtleitenden Zustand geleitet, so daß der Strom durch die Magnetspule 19 wieder abfällt. Da der Strom zum Öffnen des Magnetventils größer als der Strom zum Offenhalten ist, wird zunächst ein höherer Stromwert vorgegeben. Damit der Strom nach dem ersten Maximum möglichst schnell wieder abfällt, wird eine Freilaufdiode 28 während des ersten Teils des Ansteuerimpulses abgeschaltet, die während eines zweiten Teils des ersten Zeitabschnitts Tt über einen Transistor 29 mit dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Dazu erhält die Basis des Transistors 29 von einem Ausgang 30 der Schaltung 14 über einen Spannungsteiler 31, 32 ein entsprechendes Signal. Während der darauffolgenden Zeit erfolgt die Stromregelung auf einen niedrigeren Wert, wobei kürzere Ansteuerimpulse (siehe Fig. 5b) entstehen.

Nach Beendigung des ersten Zeitabschnitts Tt gibt die Schaltung 14 über ihren Ausgang 33 und einen Widerstand 34 den in Fig. 5c dargestellten Impuls ab. Dieser wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 35 zugeführt, dessen invertierender Eingang über einen Spannungsteiler 36, 37 eine vorgegebene Spannung erhält. Der Opera­ tionsverstärker ist über einen Kondensator 38 und einen Widerstand 39 zur Vermeidung von Spannungsspit­ zen gegengekoppelt. Außerdem wird über einen Wider­ stand 40 dem invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers 35 der Spannungsabfall am Strommeßwider­ stand 21 zugeführt.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 35 ist über einen Spannungsteiler 41, 42 mit der Basis eines Treibertransitors 13 verbunden, der zusammen mit einem Transistor 44 als Darlington-Endstufe geschal­ tet ist. Widerstände 45, 46 verbinden die Basisan­ schlüsse der Transistoren 18 und 44 mit Massepoten­ tial.

Während des in Fig. 5c dargestellten Impulses arbei­ tet der Operationsverstärker 35 zusammen mit den Transistoren 43, 44 und den zugehörigen Widerständen als kontinuierliche Stromregelschaltung, so daß sich im Zeitabschnitt Ta ein konstanter Strom einstellt. Am Ende des Zeitabschnitts Ta springt die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers auf Massepotential, worauf der Ausgang eben­ falls Massepotential einnimmt und die Transistoren 43 und 44 nichtleitend werden. Damit dieser Strom durch die Magnetspule 19 möglichst schnell abklingt, wird von der Schaltung 14 die Freilaufdiode 28 wie­ der über den Transistor 29 abgeschaltet. Die darge­ stellten Vorgänge wiederholen sich mit jedem Ein­ spritzzyklus. Der sich ergebende Stromverlauf ist nochmals in Fig. 5d dargestellt.

Bei einer nicht in den Figuren dargestellten Ausfüh­ rungsform ist zur Steuerung ein Mikroprozessor vorge­ sehen, der auch weitere Aufgaben übernehmen kann. So kann beispielsweise durch Abfrage während des ersten Zeitabschnitts Tt festgestellt werden, ob die geta­ stete Stromregelung funktioniert. Fließt beispiels­ weise während des ersten Zeitabschnitts Tt kein Strom, so kann vom Mikroprozessor ein Impuls ausgege­ ben werden, der die kontinuierliche Stromregelung während der gesamten Impulsdauer des Eingangssignals aktiviert. Dadurch wird zwar im Transistor 44 eine höhere Leistung umgesetzt. Dieses kann jedoch bei entsprechender Dimensionierung für einen sogenannten Notlauf zugelassen werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine, wobei die Magnetspule des Einspritzventils mit Hilfe eines Halbleiterschal­ ters derart getaktet an eine Betriebsspannung ange­ legt wird, daß ein zum Öffnen bzw. zum Offenhalten des Ventils ausreichender Strom fließt, dadurch gekennzeichnet, daß während der jeweils vorgesehenen Einspritzdauer zwei Zeitabschnitte vorgesehen sind, daß innerhalb des ersten Zeitabschnitts eine getak­ tete Stromregelung erfolgt und daß während eines zweiten Zeitabschnitts ein kontinuierlicher Strom fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dauer des zweiten Zeitabschnitts und/­ oder die Größe des Stroms vorgegeben sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß im Falle eines Defekts des Halbleiterschal­ ters und/oder einer für den Halbleiterschalter vor­ gesehenen Steuerschaltung der kontinuierliche Strom während der gesamten vorgesehenen Einspritzdauer fließt.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Impulsformerschaltung (2) vorgesehen ist, welche über zwei Ausgänge (3, 4) zwei aneinader anschließende Impulse abgibt, deren Gesamtbreite der Breite eines Eingangsimpulses ent­ spricht, daß der erste Ausgang (3) der Impulsformer­ schaltung (2) mit einer getakteten Regelschaltung (5) verbunden ist, deren Ausgang an einen Steuerein­ gang des Halbleiterschalters (8, 18) angeschlossen ist, und daß der zweite Ausgang (4) der Impulsformer­ schaltung über eine Steuerschaltung (10), welche zur Vorgabe eines Stromes vorgesehen ist, mit dem Steuer­ eingang eines Transistors (8, 44) verbunden ist und daß der Halbleiterschalter (8, 18) und die Kollektor- Emitter-Strecke des Transistors (8, 44) parallelge­ schaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuereingängen des Halblei­ terschalters (18) und des Transistors (44) jeweils eine Treiberstufe (24, 43) vorgeschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (8) von einem Transistor gebildet ist, der im ersten Zeitab­ schnitt von einer getakteten Steuerschaltung und im zweiten Abschnitt mit einer im wesentlichen konstan­ ten Spannung ansteuerbar ist.