DE3729954A1 - Verfahren und einrichtung zum ansteuern von einspritzventilen - Google Patents
Verfahren und einrichtung zum ansteuern von einspritzventilenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Einrichtung zum Ansteuern von schaltenden Elektromagneten,
insbesondere in Einspritzventilen gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Patentansprüche.
Bei modernen Kraftfahrzeugen wird der Brennstoff über
elektrisch angesteuerte Einspritzventile dem Verbrennungs
raum des Motors zugeführt. Die Kraftstoffdosierung und die
Kennfeldzündung erfolgt hierbei über ein zentrales Rechner
system, das Systemdaten aus verschiedenen von Sensoren
gelieferten Meßwerten berechnet und entsprechende pulsbrei
tenmodulierte Steuersignale an einen Elektromagneten des
Ventils liefert. Als Sensoren dienen Luftmengenmesser,
Kühlwassertemperaturmesser, Lufteintrittstemperaturmesser,
die die Eintrittstemperatur der Luft am Eingang zu dem
Verbrennungsraum messen, Lufttemperaturmesser, Umdrehungs
markengeber, Drehzahlgeber und Drosselklappenschalter. Die
Zumischung des Kraftstoffes in den Luftstrom während des
Ansaugverfahrens des zugeordneten Zylinders bringt die
besten technischen Ergebnisse. Die kurzen, zur Verfügung
stehenden Zeiten und die erheblichen Totzeiten der Ein
spritzventile bei vorgegebenem maximalen Kraftstoffvolumen
zwingen zum Kompromiß, den Kraftstoff nicht in einmaligem
Vorgang als Paket, sondern in vier Teilvolumina unterteilt
bei jedem Takt der Verbrennungsmaschine abzuspritzen. Mit
diesem Kompromiß werden aber die Vorteile einer guten
Luft-Kraftstoff-Durchmischung eines Einspritzers wieder
weitgehend aufgehoben.
Bei einem Viertakt-Vierzylindermotor erfolgen zwei aufein
anderfolgende Zündvorgänge nach 180° Kurbelwellenumdrehung.
Die Öffnungszeit des Einspritzventiles zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen pro 180° Kurbelwel
lenumdrehung wird hierbei als Einspritzwinkel bezeichnet.
In diesem Zyklus werden auch die pulsbreitenmodulierten
Steuerimpulse vom Prozeßrechner abgegeben.
Bei der Kraftstoffdosierung mit Einspritzventilen in einem
solchen intermittierenden Betrieb sollte das Verhältnis
zwischen der Kraftstoffmenge und dem oben erwähnten
Tastverhältnis der pulsdauermodulierten Signale bzw. dem
Einspritzwinkel möglichst konstant sein. Wird die zudosier
te Kraftstoffmenge über der Motordrehzahl aufgetragen, mit
dem Tastverhältnis bzw. Einspritzwinkel als Parameter, so
sollten die Kennlinien im Idealzustand möglichst linear
verlaufen und für einen gegebenen Einspritzwinkel für alle
Motordrehzahlen den gleichen Wert für die zudosierte
Kraftstoffmenge aufweisen. Die Messungen, die mit bekannten
Einspritzventilen vorgenommen wurden, ergaben jedoch erheb
liche Abweichungen von diesem Idealverlauf. Die Kennlinien
fallen bei bekannten Einspritzventilen in Richtung zu
höheren Drehzahlen ab, wobei diese Kennlinien noch dazu
keinen linearen sondern einen unregelmäßigen Verlauf
zeigen.
Es sind zwar in der Zwischenzeit neue Einspritzventile auf
dem Markt, die keine Vorwiderstände mehr aufweisen. Dies
ist möglich, da die Wicklung der Elektromagnete aus einer
Art isoliertem Widerstandsdraht besteht. Der Vorwiderstand
ist daher in der Magnetwicklung integriert. Die mit solchen
Einspritzventilen durchgeführten Messungen ergaben einen
deutlich besseren Verlauf der Kennlinien: Die Kennlinien
zeigen einen lineareren Verlauf als diejenigen der vorher
erwähnten Einspritzventile und fallen gegen höhere Drehzah
len auch nicht so merklich ab. Gleichwohl sind auch diese
Kennlinien vom Idealverlauf entfernt.
Die Hauptbestandteile elektrischer Einspritzventile her
kömmlicher Art sind der Düsenteil mit dem Düsenstock, die
Wicklung des Elektromagneten, der magnetische Kern, der
Anker, die Rückholfeder sowie das Gehäuse mit Kraft
stoffleitungsanschlüssen. Am Eingang des Einspritzventiles
liegt permanent ein konstanter Kraftstoffdruck an, wobei
die Rückholfeder mit einer solchen Kraft gegen den
Düsenstock drückt, daß das Einspritzventil zuverlässig
geschlossen ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an
die Wicklung des Elektromagneten baut sich in diesem ein
magnetisches Feld zeitlinear auf, so daß zu einem bestimm
ten Zeitpunkt die Federkraft überwunden wird und der Anker
aus weichmagnetischem Werkstoff axial an den Kern des
Elektromagneten gezogen wird. Die Bewegungsstrecke des
Ankers und somit auch des damit verbundenen Düsenstockes
ist mechanisch durch eine Scheibe eingegrenzt. Der Strom in
der Wicklung des Elektromagneten steigt zeitlinear bis zur
Sättigung des Kernes weiter an und wird nun nur noch durch
den Vorwiderstand des Einspritzventiles bzw. den Widerstand
des Wicklungsdrahtes begrenzt. Die Feldstärke im Elektro
magneten ist hierbei proportional dem Produkt aus Strom und
Windungszahl geteilt durch die Länge des magnetischen
Weges.
Die Parameter für eine optimale Ansteuerung der Elektromag
neten haben hierbei diametralen Verlauf. Für eine vorgege
bene mechanische Kraft ist eine große Induktivität erfor
derlich, um den Strom niedrig zu halten und keine
aufwendigen Steuerschaltungen zu benötigen.
Mit größerwerdender Induktivität sinkt bei konstanter
Spannung aber die Stromanstiegsgeschwindigkeit und die
Totzeit bis zum Durchschaltestrom, die durch das Verhältnis
der Induktivität und des Widerstandes gegeben ist.
Es ist noch von besonderer Bedeutung, daß im Einschaltmo
ment der Anker vom Kern entfernt ist und daher aufgrund der
degressiven Felddichte als Funktion der Entfernung eine
erheblich höhere Feldstärke für die Bewegung des Ankers
erforderlich ist als im eingeschwungenen Zustand. Anderer
seits muß aber die magnetische Energie in der Wicklung des
Elektromagneten, die im Abschaltmoment ihr Maximum erreicht
hat, abgebaut werden. Erfolgt der Abbau schnell, so sind
hohe Spannungsspitzen die Folge. Erfolgt der Abbau ge
dämpft, findet durch die Gegen-EMK eine Ausschaltverzöge
rung statt. Die Einschaltverzögerung durch den zeitlinearen
Stromanstieg und die Ausschaltverzögerung durch die gespei
cherte magnetische Energie sind die beiden wesentlichen
Störparameter, die für nichtlineare Zusammenhänge bei der
Kraftstoffdosierung verantwortlich sind.
Die Problematik bei der Ansteuerung von geschalteten
Elektromagneten ist im obigen zwar nur im Zusammenhang mit
elektromagnetischen Einspritzventilen für Verbrennungsmo
tore geschildert worden. Jedoch treffen diese Überlegungen
insbesondere hinsichtlich der Einschalt- und Ausschaltver
zögerung für alle geschalteten Elektromagneten auch bei
anderen Anwendungsarten zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Einrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit
denen insbesondere die Einschalt- und Ausschaltverzögerung
von geschalteten Elektromagneten, insbesondere in elek
trisch angesteuerten Einspritzventilen so reduziert werden
können, daß die Schaltkennlinien möglichst optimal verlau
fen.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeich
nenden Merkmale in den unabhängigen Patentansprüchen
gelöst.
Demgemäß ist der Leitgedanke der Erfindung darin zu sehen,
mittels einer spezifischen Steuerschaltung ohne Änderung
oder Veränderung am durch den Elektromagneten geschalteten
Bauteil bauteilspezifische Parameter zu beeinflussen und
die beiden obengenannten Störparameter zu reduzieren bzw.
zu eliminieren und somit den Betrieb des Bauelementes im
zulässigen Kennlinienfeld sicherzustellen. Die Schaltkenn
linien zeigen annähernd den gewünschten horizontalen
Verlauf.
Der Elektromagnet beispielsweise eines Einspritzventils
wird in der Einschaltphase innerhalb eines definierten und
insbesondere von der Einschaltdauer unabhängigen und sehr
kurzen Zeitrahmens bewußt mit einem Anfangsimpuls hoher
Amplitude übersteuert, wobei wegen der kurzen Zeit der
Anfangsimpuls die Wicklungen des Elektromagneten thermisch
nicht überlastet werden. Der Anker bewegt sich auf diese
Weise sehr schnell in die andere Position, die z. B. die
Offenposition eines Einspritzventiles ist. Nach der Ein
schaltübersteuerung wird dem Elektromagneten nur eine für
ein sicheres Halten des Ankers notwendige Minimalenergie
zur Verfügung gestellt, was bevorzugt durch einen minimalen
und vorzugsweise konstanten Haltestrom geschieht.
Durch die Übersteuerung in der Einschaltphase wird die
Einschaltverzögerung um etwa eine Zehnerpotenz verbessert.
Liegt die Einschaltverzögerung z. B. herkömmlicher Ein
spritzventile bei etwa 2 msec, so werden gemäß der
Erfindung Werte zwischen 0,2 und 0,3 msec erreicht.
Die Einschaltübersteuerung erfolgt mit hohen Spannungen,
die für Einspritzventile in Kraftfahrzeugen zwischen 40 und
80 V liegen. Diese Spannungen sind in Bordnetzen von
Kraftfahrzeugen nicht erreichbar, so daß diese in separaten
Schaltungsstufen erzeugt werden müssen. Eine bevorzugte
Möglichkeit hierzu ist eine Wandlung der Bordnetzspannung
von üblicherweise 12 V auf den gewünschten Wert mit Hilfe
eines Transformators, wie er in der deutschen Patentanmel
dung P 35 46 410.0 beschrieben ist.
Ebenso wird mit einer Ansteuerung eines Elektromagneten
gemäß der Erfindung die Ausschaltverzögerung gesenkt, da
nur eine geringe magnetische Energie abgebaut werden muß.
Der Anfangsimpuls hoher Spannungsamplitude kann mit der in
Kraftfahrzeugen zur Verfügung stehenden Bordnetzspannung
prinzipiell auf mehrere Arten erzeugt werden. So wäre die
Erzeugung des Anfangsimpulses ähnlich zu realisieren wie
die Erzeugung des Zündimpulses. Diese Lösung ist jedoch
nicht zu empfehlen, da dann in einem entsprechenden
Impulstransformator primärseitig Ströme von ca. 20 Ampere
auftreten würden. Nachteilig sind dann auch die notwendigen
verstärkten Querschnitte der Versorgungsleitungen und
notwendige große Filterkapazitäten. Außerdem erfolgt hier
bei eine hohe elektromagnetische Störabstrahlung. Als
Leistungsschalter müßten Halbleiter verwendet werden, die
hohe Spitzenströme aushalten. Insgesamt ist eine kompli
zierte Ansteuerung mit hohem Schaltungsaufwand erforder
lich.
Ferner bestünde die Möglichkeit, Elektrolytkondensatoren zu
verwenden. Für derartige hohe Impulsleistungen sind jedoch
konventionelle und kostengünstige Kondensatoren nicht
vorhanden. Außerdem sind Elektrolytkondensatoren für derar
tige Impulsanwendungen nur bedingt tauglich, z. B. aufgrund
Ihres hohen Bauvolumens, ihres ungünstigen Temperaturver
haltens und schlechten elektrischen Schaltverhaltens auf
grund der Induktivität.
Bevorzugt wird daher mittels eines schnellen, einen
Transformator aufweisenden Wandlers ein Speicherkondensator
kontinuierlich auf einem hohen Ladezustand gehalten, der
über eine von der Steuerschaltung angesteuerte Schaltvor
richtung seine Ladung impulsartig an das Einspritzventil
abgibt. Als Leistungschalter wird hierbei ein Halbleiter
verwendet. Diese Lösung ist erheblich einfacher und
kostengünstiger als die oben erwähnten.
Zum schnellen Durchschalten des Elektromagneten mit Hilfe
des hohen Spannungsanfangsimpulses wird eine bestimmte
Energie benötigt. Da mit Hilfe des Speicherkondensators
eine relativ hohe Zwischenspannung zur Verfügung gestellt
wird, treten in den Wicklungen des Elektromagneten nur
relativ geringe Ströme auf, die Werte zwischen dem 2- bis
4-fachen des Dauerlaststromes betragen und wegen der
Kurzzeitigkeit des Anfangsimpulses keine thermische Über
lastung der Wicklung des Elektromagenten zur Folge haben.
Bei einer vorgegebenen zulässigen Ladung am Speicherkonden
sator ist auch eine erheblich kleinere Kapazität zulässig,
die sich in der Größenordnung von einigen wenigen Mikro
farad bewegt. Solche Kondensatoren sind in einer Polypropy
lenausführung kostengünstig erhältlich. Dieser Typ von
Kondensatoren hat ein extrem gutes Impulsverhalten, so daß
insgesamt bessere Werte als mit Elektrolytkondensatoren zu
erreichen sind. Der Kondensator wird durch den schnellen
Wandler relativ langsam aufgeladen und gibt dann beim
Durchschalten impulsartig seine Ladung an den jeweiligen
Elektromagneten ab.
Bevorzugt wird für die Bereitstellung der niedrigen
Halteenergie für den Elektromagneten eine Konstantstrom
quelle verwendet.
Werden mehrere Elektromagneten zeitlich nacheinander ange
steuert, z. B. die Elektromagneten von Einspritzventilen
eines Motors, so können der Wandler, die Schaltvorrichtung
und die Konstantstromquelle für alle Einspritzventile eines
Motors gemeinsam verwendet werden. Für jedes Einspritzven
til ist dann ein separater Leistungsschalter vorhanden.
Durch diese Lösung vereinfacht sich die Ansteuerschaltung
wesentlich, da nicht für jedes Einspritzventil eine
separate Ansteuerschaltung notwendig ist.
Unabhängig von der Realisierung der Ansteuerung der
Einspritzventile werden diese Einspritzventile konstruktiv
nicht verändert, so daß auch bestehende Ansteuerschaltungen
im Sinne der Erfindung umgerüstet werden können.
Mit der Erfindung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht,
und zwar unter anderem:
Die Eckfrequenz des Einspritzventiles, d. h. die Frequenz, bei der trotz eines Ansteuersignales das Einspritzventil nicht mehr öffnet, ist deutlich nach oben angehoben.
Die Eckfrequenz des Einspritzventiles, d. h. die Frequenz, bei der trotz eines Ansteuersignales das Einspritzventil nicht mehr öffnet, ist deutlich nach oben angehoben.
Der bei der Kraftstoffdosierung durch die Einschaltver
zögerung bedingte Fehler wird erheblich herabgesetzt, so
daß die Einspritzmenge bei allen in der Praxis auftretenden
Einspritzwinkeln und Umdrehungen des Motors pro Minute im
Vergleich zu herkömmlich angesteuerten Einspritzventilen
wesentlich besser kontrolliert werden kann.
Die zudosierte Kraftstoffmenge kann in einem einzigen
Zyklus abgegeben werden anstelle in mehreren Portionen wie
beim Stand der Techik.
Die Kennlinien eines gemäß der Erfindung angesteuerten
Einspritzventiles zeigen einen wesentlich besseren linearen
Verlauf als diejenigen herkömmlich angesteuerter Einspritz
ventile.
Aufgrund der mit der Erfindung möglichen präzisen Kraft
stoffdosierung wird die Leistung des Motors angehoben, der
Verbrauch gesenkt, der Kraftstoff besser ausgenutzt und
insbesondere auch eine wesentlich geringere Schadstoff
emission als bisher erreicht. Gerade der letztgenannte
Vorteil macht es möglich, die Schadstoffemission von
Motoren auf so geringe Werte zu senken, die ansonsten nur
mit anderen Hilfsmitteln, wie z. B. Katalysatoren erreich
bar sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor. Die Erfindung ist in einem Ausfüh
rungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In
dieser stellen dar:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer Ein
richtung gemäß der Erfindung zum Ansteuern von
mehreren Einspritzventilen;
Fig. 2 Diagramme für die Steuerspannung, den Stromverlauf
durch einen Elektromagneten des Einspritzventils
und für die Einspritzmenge, jeweils aufgetragen
über der Zeit, einerseits für eine herkömmliche
Ansteuerung und andererseits für eine erfindungsge
mäße Ansteuerung eines Einspritzventiles;
Fig. 3 zwei Kennliniendiagramme für die Einspritzmenge
pro Zeit über der Drehzahl einer Brennkraftma
schine pro Minute mit dem Einspritzwinkel als
Parameter, und zwar ein Kennliniendiagramm für
herkömmlich angesteuerte und ein weiteres Kennli
niendiagramm für erfindungsgemäß angesteuerte
Einspritzventile;
Fig. 4a
und b Diagramme für die errechneten Fehler in Prozent
bei der Kraftstoffdosierung bei herkömmlicher
Ansteuerung bzw. erfindungsgemäßer Ansteuerung
eines Einspritzventiles.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Einspritzsystems 1
für einen Verbrennungsmotor dargestellt. Das Einspritzsy
stem weist mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritz
ventile 2 a bis 2 n mit jeweils einem Elektromagneten 3 a bis
3 n auf, die mit Hilfe eines Rechners 4 mit pulsdau
ermodulierten Steuersignalen angesteuert werden, wobei der
Rechner dieses Steuersignal in herkömmlicher Weise aufgrund
von Meßwerten errechnet, die von mehreren Sensoren gelie
fert werden. Die Steuersignale des Rechners 4 werden über
einen Impulsformer 5 einer Impulsquelle 6 zugeführt, deren
Ausgangsimpulse über je einen Leistungsschalter 7 a bis 7 n
für jedes Einspritzventil dem zugehörigen Elektromagneten
3 a bis 3 n zugeleitet werden, wobei zwischen den Zuführungs
leitungen zu den jeweiligen Elektromagneten 3 a bis 3 n
jeweils noch ein Filternetzwerk 17 a bis 17 n vorgesehen ist,
um Spitzenwerte der zugeführten Signale abzubauen. Die
Leistungsschalter werden über einen Decoder 8 angesteuert,
der seinerseits Steuersignale vom Rechner 4 erhält. Ferner
ist noch ein vom Rechner 4 angesteuerter Datenkonverter 9
vorgesehen, der mit dem Impulsformer 5 und dem Decoder 8
verbunden ist.
Die Impulsquelle 6 ist mit einer Eingangsklemme 10 an die
Spannung U eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges und mit
einer anderen Eingangsklemme 11 an ein Grundpotential, z.
B. Masse, gelegt. Mit der Eingangsklemme 10 ist in einem
ersten Zweig der Impulsquelle 6 ein Gleich
spannungs/Gleichspannungswandler 12 und ein Impulsschalter
13 sowie in einem anderen Zweig parallel dazu eine
Konstantstromquelle 14 verbunden. Zwischen den Eingangsklem
men 10 und 11 ist noch ein Filterkondensator oder eine
Kondensatoranordnung 15 vorgesehen. Zwischen der mit der
Eingangsklemme 11 verbundenen Grundpotentialleitung und
einem Verbindungspunkt zwischen dem Wandler 12 und dem
Impulsschalter 13 ist ein Speicherkondensator 16 gelegen.
Der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 12 wandelt die
Bordspannung U von z. B. 12 V in eine höhere Spannung von
z. B. 80 V um. Hierzu ist in dem Wandler 12 ein
Transformator mit einer Primärwicklung von 9 Windungen und
einer Sekundärwicklung von 72 Windungen vorgesehen. Auf der
Primärseite ist noch eine Entmagnetisierungswicklung mit 12
Windungen vorgesehen.
Die Funktion des beschriebenen Einspritzsystem ist folgen
de:
Der Rechner 4 gibt ein anhand der von den Sensoren
berechneten Meßwerten pulsbreitenmoduliertes Steuersignal
an den Impulsformer 5 und den Datenkonverter 9 ab und
außerdem ein Markierungssignal an den Decoder 8. Mit dem
Markierungssignal werden die entsprechenden Leistungsschal
ter 7 a bis 7 n der einzelnen Einspritzventile 2 a bis 2 n
angesteuert und jeweils für die durch das pulsbreitenmodu
lierte Steuersignal vorgegebene Zeitdauer geschlossen. Der
Impulsformer 5 steuert seinerseits den Impulsschalter 13
an, der dadurch eine vorbestimmte Zeitdauer, in diesem
Falle von 250 µsec geschlossen wird. Die Ladung des
Speicherkondensators 16 wird während dieser Zeitspanne
impulsartig über den Leistungsschalter 7 a dem Elektromagne
ten 3 a zugeführt. Durch diesen kurzfristigen hohen Span
nungsimpuls wird das jeweilige Einspritzventil mit nur
einer geringen Einschaltverzögerung von etwa 0,25 msec
geöffnet. Im Anschluß an den hohen Spannungsimpuls wird von
der Konstantstromquelle 14 ein geringer Haltestrom dem
jeweiligen Elektromagneten 3 a bis 3 n zugeführt, der das
Einspritzventil in der Offenstellung hält. Wird bei Abfall
des Steuersignales der Leistungsschalter 7 a geöffnet, dann
wird das Einspritzventil durch eine hier nicht gezeigte
Druckfeder wieder in die Schließstellung bewegt, wobei
dieses mit nur einer geringen Verzögerung erfolgt. Während
der Offenstellung des jeweiligen Einspritzventiles 2 a und
2 n wird eine durch die Dauer des Steuersignales bestimmte
vorgegebene Kraftstoffmenge vom Einspritzventil abge
spritzt. Durch die Ansteuerung der Einspritzventile über
den Datenkonverter 9 und den Dekoder 8 wird sichergestellt,
daß Kraftstoff nur in denjenigen Zylinder des Motors
gespritzt wird, dessen Kolben sich im Ansaugtakt befindet.
Eine Abspritzung in mehreren Portionen, wie beim Stand der
Technik, kann vermieden werden, so daß die Vorteile der
Einspritzung voll genutzt werden.
In Fig. 2 ist auf der linken Seite ein Signaldiagramm für
eine herkömmliche Ansteuerung eines Einspritzventiles, auf
der rechten Seite ein Signaldiagramm für eine erfin
dungsgemäße Ansteuerung des gleichen Einspritzventiles
dargestellt. In der obersten Zeile a ist ein Teil eines
pulsdauermodulierten Zuges der vom Rechner gelieferten
Steuerspannung dargestellt. In Zeile b für die herkömmliche
Ansteuerung sieht man, daß der Stromverlauf durch den
Elektromagneten linear ansteigt, bis der Strom einen Wert
erreicht, an dem der Anker des Elektromagneten die Kraft
der Druckfeder in dem Einspritzventil überwindet und das
Einspritzventil dadurch geöffnet wird. Die Verzögerungszeit
zwischen der ersten Flanke der Steuerspannung bis zum
Beginn der Öffnung beträgt etwa 2 msec. Der Schaltstrom
steigt anschließend weiter an und fällt mit der Endflanke
der Steuerspannung ab. In diesem Moment beginnt die
Schließbewegung des Ankers, die durch die Druckfeder des
Einspritzventiles eingeleitet wird. Das Einspritzventil ist
nach einer kurzen Verzögerungszeit wieder vollständig
geschlossen. Dieser Zyklus wiederholt sich entsprechend dem
Verlauf der Steuerspannung.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung steigt durch die
schlagartige Entladung des Speicherkondensators 16 der
Strom durch den Elektromagneten des jeweiligen Einspritz
ventiles sehr schnell an und erreicht bereits nach einer
Verzögerungszeit von etwa 0,25 msec den Schaltstromwert, so
daß das Einspritzventil geöffnet wird. Der Öffnungsvorgang
hat bereits kurz davor eingesetzt, und zwar aufgrund der
hohen Stromwerte. Während des kurzen Impulses über 250 µsec
fließen in der Primärwicklung des jeweiligen Elektromagne
ten im Einspritzventil Ströme bis zu 3 Ampere. Aufgrund
der kurzen Zeitdauer von 250 µsec führen diese jedoch nicht
zu einer thermischen Überlastung der Wicklung. Nach Ende
dieses kurzen Stromimpulses wird durch die Konstantstrom
quelle 14 ein geringer Haltestrom geliefert, der den Anker
des jeweiligen Elektromagneten 3 a bis 3 n in der Offenstel
lung des Ventiles hält. Der Wert dieses Haltestromes ist
wesentlich geringer als der für die Einleitung der
Schaltung des Ventiles notwendige Schaltstrom. Mit der
Endflanke der Steuerspannung braucht dann nur die durch den
geringen Haltestrom ebenfalls geringe magnetische Energie
in dem Elektromagneten abgebaut werden, so daß das Ventil
nach einer sehr kurzen Verzögerungszeit wieder geschlossen
ist.
Der Momentanwert der Feldstärke ist der relevante Parameter
für das Öffnen des Einspritzventiles. Dieser Momentanwert
ist eine Funktion der Zeitkonstante, d. h. des Verhältnis
ses zwischen der Induktivität und dem Widerstand sowie der
Versorgungsspannung. Die Einschaltverzögerung ist somit
eine Funktion dieser drei Größen. Während die Versorgungs
spannung bei einer Ansteuerung gemäß dem Stande der Technik
eine Konstante ist, ist sie erfindungsgemäß eine Variable,
mit deren Hilfe die Einschaltverzögerung ebenfalls variabel
wird. Durch entsprechende Bemessung der Amplitude des
Anfangsimpulses und dessen Dauer können die Werte für die
Einschalt- und Ausschaltverzögerung optimiert werden.
In den letzten Zeilen c der Fig. 2 sieht man, daß die
Einspritzmenge bei einer herkömmlichen Ansteuerung durch
die hohe Verzögerungszeit bei der Einschaltung des Ein
spritzventiles wesentlich von dem Verlauf der Steuerspan
nung abweicht. Da die Verzögerungszeit bei der Einschaltung
unabhängig von dem Verlauf der Steuerspannung konstant ist,
ist einleuchtend, daß keine Proportionalität zwischen dem
Zeitverlauf der Steuerspannung und dem Zeitverlauf der
Einspritzmenge gegeben ist. Im Gegensatz dazu wird gemäß
der Erfindung durch die geringe Verzögerungszeit bei der
Einschaltung eine annähernd optimale Proportionalität
zwischen dem Zeitverlauf der Einspritzmenge und der
Steuerspannung gewährleistet.
In der Fig. 3 sind mit durchgezogenen Linien ein Kennli
niendiagramm für die Durchflußmenge pro Zeiteinheit aufge
tragen über der Motorumdrehung pro Minute mit dem Ein
spritzwinkel als Parameter bei einer herkömmlichen Ansteu
erung und mit durchbrochenen Linien bei einer erfindungsge
mäßen Ansteuerung desselben Einspritzventiles dargestellt.
Man sieht deutlich, daß bei Einspritzwinkeln bis 144° die
Kennlinien bei herkömmlicher Ansteuerung in Richtung auf
höhere Drehzahlen abfallen und nur bei einem Einspritz
winkel von 162° oberhalb von etwa 4000 Umdrehungen pro
Minute ansteigen. Der gewünschte lineare, horizontale
Verlauf wird nicht erreicht. Man sieht, daß dies jedoch für
sämtliche Kennlinien bei einer erfindungsgemäßen Ansteue
rung annähernd optimal der Fall ist. Die Kennlinien weisen
eine gute Linearität auf, was die oben genannten Vorteile
erbringt.
In Fig. 4a ist der theoretisch ermittelte Fehler in Prozent
bei der Kraftstoffdosierung bei einer herkömmlichen An
steuerung eines Einspritzventiles mit einer ermittelten
Einschaltverzögerung von 2 msec dargestellt, in Fig. 4b der
Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei einer
erfindungsgemäßen Ansteuerung desselben Einspritzventiles,
jeweils mit dem Einspritzwinkel als Parameter. Dieser
Fehler kommt im wesentlichen durch die Einschaltverzögerung
des Einspritzventiles zustande. Man sieht, daß der Fehler
bei einer herkömmlichen Ansteuerung bereits bei geringen
Umdrehungen pro Minute beträchtliche Werte aufweist,
während dieser Fehler bei einer erfindungsgemäßen Ansteue
rung wesentlich kleiner ist und lediglich für geringe
Einspritzwinkel bis etwa 40° merkliche Werte annimmt.
Claims (9)
1. Verfahren zum Ansteuern von schaltenden Elektromagne
ten, insbesondere in Einspritzventilen für Verbren
nungsmotoren, wobei zum Schalten des einen Anker
aufweisenden Elektromagneten diesem ein Signal bestimm
ter Zeitdauer zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Signal zusammengesetzt ist aus einem kurzzei
tigen Spannungsanfangsimpuls mit hoher Amplitude und
einem sich daran unmittelbar anschließenden, die
Restdauer des Signales einnehmenden Haltesignal niedri
ger Amplitude, daß die hohe Amplitude des Anfangsimpul
ses oberhalb eines Wertes liegt, mit dem eine Dauerbe
lastung des Elektromagneten möglich ist, und die
niedrige Amplitude einen im wesentlichen eine sichere
Haltekraft für den Anker gewährleistenden Wert auf
weist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bereits während des Anfangsimpulses das Haltesignal
dem Elektromagneten zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anfangsimpuls und das Haltesignal gleichzeitig
beginnen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromagneten als
Haltesignal ein Stromsignal konstanter Amplitude zuge
führt wird.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorhergehenden Ansprüche zum Schalten eines einen
Anker aufweisenden Elektromagneten, insbesondere zur
Betätigung eines Ventilkörpers zum Öffnen und Schließen
eines Einspritzventiles, mit einer elektrischen Energie
quelle für den Elektromagneten, einer Steuerschaltung,
die die Energiequelle geschaltet für eine bestimmte
Zeitdauer mit dem Elektromagneten verbindet, dadurch
gekennzeichnet, daß die Energiequelle (6) ein erstes
hohes Energieniveau und ein zweites niedriges Energie
niveau zur Verfügung stellt, und daß eine mit der
Steuerschaltung (4, 7 a bis 7 n) verbundene Schaltvorrich
tung (13) vorgesehen ist, um zunächst kurzfristig die
Energiequelle mit dem hohen Energieniveau und unmittel
bar anschließend für den Rest der Zeitdauer die
Energiequelle mit dem niedrigen Niveau mit dem Elektro
magneten (3 a bis 3 n) zu verbinden.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Energiequelle (6) zur Bereitstellung des ersten
hohen Energieniveaus einen Speicherkondensator (16)
aufweist, der über die Schaltvorrichtung (13) mit dem
Elektromagneten (3 a bis 3 n) verbindbar ist, und daß die
Energiequelle (6) zur Bereitstellung des zweiten niedri
gen Energieniveaus eine Konstantstromquelle (14) auf
weist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Energiequelle (6) über einen von der Steuer
schaltung (4) angesteuerten Leistungsschalter (7 a bis
7 n) mit dem Elektromagneten (3 a bis 3 n) verbindbar ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Energiequelle (6) eine Gleich
spannungsquelle (U) und in einem ersten Zweig einen
Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (12) mit einem
parallel geschalteten Speicherkondensator (16) und die
Schaltvorrichtung (13) sowie in einem zweiten dazu
parallelen Zweig eine Konstantstromquelle (14) auf
weist, und daß die beiden Zweige über einen gemeinsa
men, von der Steuerschaltung (4) angesteuerten Lei
stungsschalter (7 a bis 7 n) mit dem Elektromagneten (3 a
bis 3n) verbunden sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehreren,
zeitlich aufeinanderfolgend geschalteten Elektromagne
ten (3 a bis 3 n) für sämtliche Elektromagneten eine
gemeinsame Energiequelle (6) vorgesehen ist, die
von der Steuerschaltung (4, 7 a bis 7 n) mit jeweils
einem Elektromagneten (3 a bis 3 n) gesteuert verbindbar
ist.
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