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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Steuerung einer magnetventilgesteuerten
Kraftstoffzumeßeinrichtung
insbesondere für eine
Dieselbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs.
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Eine solches Verfahren und eine solche
Einrichtung zur Steuerung einer magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumeßeinrichtung
ist aus dem SAE-Paper 85 05 42 bekannt. Dort wird eine Steuereinrichtung
für eine
Kraftstoffpumpe beschrieben, bei der eine elektronische Steuereinheit über eine
Leistungsendstufe ein der Kraftstoffpumpe zugeordnetes elektromagnetisch
betätigtes
Ventil steuert. Diese Steuereinheit bestimmt abhängig vom Betriebszustand der
Brennkraftmaschine die gewünschten
Zeitpunkte für
den Förderbeginn
und das Förderende
der Kraftstoffpumpe. Aus diesen gewünschten Zeitpunkten berechnet
die Steuereinheit die Ansteuerzeitpunkte für die Leistungsendstufe so,
daß das
elektromagnetische Ventil eine solche Stellung annimmt, daß die Kraftstoffpumpe
Kraftstoff fördert
bzw. die Förderung beendet.
Dabei erfolgt der Ansteuerimpuls eine gewisse Zeit vor dem gewünschten
Zeitpunkt, bei dem das elektromagnetische Ventil so betätigt werden soll,
daß der
Kraftstoff gefördert
bzw. die Förderung beendet
wird.
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Diese Verzögerung beruht auf den Schaltzeiten
der Magnetventile. Die Einschaltzeit gibt die Verzögerung zwischen
Ansteuerimpuls und dem Schließen
des Magnetventils an. Die Ausschaltzeit gibt die Verzögerung zwischen
Ansteuerimpuls und dem Öffnen
des Magnetventils an. Der Zeitpunkt bei dem das Magnetventil schließt bzw. öffnet wird
im folgenden als Schaltzeitpunkt bezeichnet. Aufgrund verschiedener
Ursachen, wie z.B. fertigungstechnischer Toleranzen oder hydraulischen
Effekten, Temperatureffekten, Änderungen
im Magnetventil oder der Ansteuerschaltung, sind die Schaltzeitpunkte
des Magnetventils Streuungen unterworfen. Der tatsächliche Schaltzeitpunkt
bei dem das Magnetventil öffnet
oder schließt,
weicht von den vorgegebenen Werten mehr oder weniger stark ab. Hieraus
resultieren unerwünschte
Abweichungen des Einspritzbeginns und der Einspritzmenge von den
gewünschten
optimalen Werten.
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Daher ist es erforderlich, daß die Ein und/oder
Ausschaltzeiten des Magnetventils genau erfaßt werden. Aus der
DE 34 26 799 A1 (
US 4 653 447 A )ist
eine Einrichtung bekannt, die die Schaltzeitpunkt und davon ausgehend
die Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten des Magnetventils erfaßt. Ausgehend
von dem zeitlichen Verlauf des Stromes durch das Magnetventil kann
der genaue Schaltzeitpunkt des Magnetventils erkannt werden. Angaben
dahingehend, wie dieser Schaltzeitpunkt erkannt wird, enthält diese
Entgegenhaltung nicht.
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Aus der
DE 38 43 138 A1 ist ein
weiteres Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines
Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans bekannt. Auch hier
wird der Schaltzeitpunkt des elektromagnetischen Ventils ausgehend
von dem Stromverlauf ermittelt. Hierzu ist vorgesehen, daß der Stromverlauf
mittels einer analogen Schaltung ausgewertet wird.
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Diese Verfahren sind sehr aufwendig
und teuer, da sie einen sehr hohen Schaltungstechnischen Aufwand
erfordern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
einem System zur Steuerung einer magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumeßeinrichtung
eine Möglichkeit
aufzuzeigen, die Schaltzeitpunkte und damit die Ein- und/oder Auschaltzeiten
des Magnetventils möglichst
einfach und kostengünstig
zu erfassen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
wird eine kostengünstige
und nur wenige Bauteile erfordernde Einrichtung zur Erfassung der
Schaltzeitpunkte des Magnetventils beschrieben.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert. Es
zeigen 1 ein Blockdiagramm
des erfindungsgemäßen Systems, 2 ein zeitlicher Verlauf des Stromes durch
das Magnetventil sowie den Hub der Magnetventilnadel, 3 eine detailliertere Darstellung
des zeitlichen Stromverlaufs 4 und 5 je ein Flußdiagramm
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
das erfindungsgemäße System schematisch
dargestellt. Es sind nur die wesentlichen Bauelemente eingetragen.
Der Pluspol UBat der Batterie steht über eine Reihenschaltung aus
einem Meßmittel 130,
einem elektromagnetischen Verbraucher 120 und einem Schaltmittel 110 mit
Masse in Verbindung. Eine Stromerfassung 140 steht mit den
beiden Ausgängen
der Meßmittel 130 in
Verbindung. Die Stromerfassung 140 beaufschlagt eine elektronische
Steuereinheit 100 mit einem Signal.
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Die elektronische Steuereinheit 100 steht
mit verschiedenen Sensoren 105 in Verbindung. Diese elektronische
Steuereinheit 100 beaufschlagt das Schaltmittel 110 mit
Ansteuersignalen.
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Die Anordnung der Meßeinrichtung 130,
des elektromagnetischen Verbrauchers 120 und des Schaltmittels 110 sind
in der 1 nur beispielhaft angegeben.
Sie können
auch in anderer Reihenfolge angeordnet werden. So kann auch vorgesehen
sein, daß die
Meßeinrichtung
zwischen dem Verbraucher 120 und dem Schaltmittel bzw.
zwischen dem Schaltmittel 110 und Masse angeordnet ist.
Ist die Meßeinrichtung 130 zwischen
dem elektromagnetischen Verbraucher 120 und dem Schaltmittel 110 bzw.
zwischen dem elektromagnetischen Verbraucher 120 und dem
Pluspol UBat angeordnet so können auch Stromwerte
nach öffnen
des Schaltmittels 110 erfaßt werden.
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Diese Einrichtung arbeitet nun wie
folgt. Die elektronische Steuereinheit 100 berechnet ausgehend
von den Signalen der Sensoren 105 Ansteuerimpulse zur Beaufschlagung
des Schaltmittels 110. Dieses Schaltmittel 110 ist
vorzugsweise als Feldeffekttransistor realisiert. Es sind auch andere
Realisierungen wie z.B. Transistoren, möglich. Durch die Betätigung des
Schaltmittels 110 wird der elektromagnetische Verbraucher 120 mit
Strom beaufschlagt. Der zeitliche Stromverlauf durch diesen elektromagnetischen
Verbraucher 120 ist in den 2 und 3 dargestellt.
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Bei dem elektromagnetischen Verbraucher handelt
es sich vorzugsweise um ein elektromagnetisches Ventil. Dieses enthält eine
bewegliche Ventilnadel, die abhängig
davon, ob ein Strom durch den Verbraucher fließt, unterschiedliche Positionen
einnimmt. Wird das Schaltmittel betätigt, so geht nach einer gewissen
Zeit die Ventilnadel in ihre neue Position über. Zu diesem Zeitpunkt, der
als Schaltzeitpunkt bezeichnet wird, weist der Stromverlauf einen Knick
auf. Dies bedeutet, der Stromanstieg ändert sich sehr schnell. Unmittelbar
vor und nach dem Knick verläuft
der Strom über
der Zeit nahezu linear.
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Der Stromverlauf zu dieser Zeit kann
in erster Näherung
mittels zweier Geraden beschrieben werden. Der Stromanstieg bzw
die Steigungen der beiden Geraden vor und nach dem Knick unterscheiden
sich erheblich. Im Knick ändert
sich der Stromanstieg bzw der differenzierte Stromverlauf wesentlich.
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Der Zeitpunkt bei dem sich die Ventilnadel bewegt
entspricht dem Zeitpunkt bei dem das elektromagnetische Ventil öffnet. Der
Zeitpunkt bei dem die Bewegung der Ventilnadel endet entspricht
dem Zeitpunkt bei dem das elektromagnetische Ventil schließt. Insbesondere
bei elektromagnetischen Ventilen, die zur Steuerung der einzuspritzenden
Kraftstoffmenge in Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt werden,
ist es nun erforderlich, daß dieser
Schaltzeitpunkt, bei dem sich die Ventilnadel bewegt, genau erfaßt wird.
Dieser Schaltzeitpunkt wird von der elektronischen Steuereinheit
ausgewertet um die Ein- und/oder Auschaltzeiten und damit auch die
Ansteuerimpulse präzise
bestimmen zu können.
Ungenaue Ansteuerimpulse verursachen Abweichungen von den optimalen
Werten für
die einzuspritzende Kraftstoffmenge bzw. für den Einspritzbeginn. Dies
wiederum kann unzulässige
Emissionen zur Folge haben.
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Zur Erfassung des Schaltzeitpunktes
sind die Meßmittel 130 und
die Stromerfassung 140 vorgesehen. Das Meßmittel 130 ist
vorzugsweise als ohmscher Widerstand 130 realisiert. Die
Stromerfassung 140 greift den Spannungsabfall an diesem Meßwiderstand 130 ab.
Der Spannungsabfall entspricht dem durch den Widerstand 130 fließenden Strom.
Die Stromerfassung 140 ist vorzugsweise als AD-Wandler
realisiert. An ihrem Ausgang steht dann ein dem Strom, der durch
das elektromagnetische Ventil fließt, proportionaler Zahlenwert
an.
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Die an dem elektromagnetischen Ventil
anliegende Spannung ist in 2c,
der durch das elektromagnetische Ventil 120 fließende Strom
I ist in 2b und die
Bewegung bzw. der Hub H der Ventilnadel ist in 2a über
der Zeit T aufgetragen.
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Zum Zeitpunkt TE wird das Schalttmittel 110 durchgesteuert.
Durch die Induktivität
des elektromagnetischen Ventils 120 steigt der Strom I
mit einer bestimmten Geschwindigkeit an. Nach einer gewissen Verzögerungszeit
beginnt die Ventilnadel sich zu bewegen. Zum Zeitpunkt TSE erreicht
sie dann ihre neue Endlage. Zu diesem Schaltzeitpunkt TSE ändert sich
die Steigung des Stromverlaufs über
der Zeit sehr stark. Dies bedeuted, der Stromverlauf weist zum Schaltzeitpunkt
TSE einen Knick auf. Dieser Knick wird durch den Zusammenbruch der
induzierten Erregerspannung verursacht.
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Zum Zeitpunkt TA wird das Schaltmittel 110 wieder
geöffnet.
Die Ventilnadel bewegt sich langsam wieder in Ihre ursprüngliche
Position zurück.
Diese erreicht sie zum Schaltzeitpunkt TSA. Auch zu diesem Punkt
weist der Stromverlauf einen Knick auf.
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Zu dem Zeitpunkt T1 wird der Stromwert
I1 gemessen. Aus einer im Steuergerät abgelegten Kennlinie kann
nun aus dem Strom Z1 ein Zeitraum vorausberechnet, der durch die
Zeitpunkte T2 und T3 definiert wird. In diesem Zeitraum zwischen
T2 und T3 liegt voraussichtlich der Schaltzeitpunkt TSE bei dem
die Ventilnadel ihre neue Endlage erreicht.
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Der vorausberechnete Zeitraum ist
vergrößert in 3 aufgetragen. In diesem
vorausberechneten Zeitraum wird zu vorgegebenen Zeitpunkten der
Strom, der durch das elektromagnetische Ventil 120 fließt, aus
dem AD-Wandler 140 in die elektronische Steuereinrichtung 100 ausgelesen.
Diese Zeitpunkte, die vorzugsweise vorgegebene gleiche Abstände aufweisen
sind in 3 mit senkrechten
Strichen mar kiert. Der Stromverlauf wird also nur an einzelnen diskreten
Zeitpunkten ermittelt. Eine kontinuierliche Stromerfassung ist also
nicht erforderlich. Es werden also nur sehr wenige Daten ausgewertet. Durch
diese Vorgehensweise kann ein erheblicher Bauteileaufwand eingespart
werden.
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Durch eine geeignete Schnittpunktinterpolation
kann der Schaltzeitpunkt aus den Wertepaaren, die aus den vorgegebenen
Zeitpunkten und den entsprechenden Stromwerten bestehen, berechnet
werden. Diese Berechnung erfolgt in der elektronischen Steuereinrichtung 100.
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Bei der Berechnung des Schaltzeitpunktes wird
wie folgt vorgegangen. Wenigstens zwei Zeitpunkte, bei denen die
Stromwerte erfaßt
werden sind so gewählt,
daß sie
vor dem Knick im Stromverlauf liegen. Wenigstens zwei weitere Zeitpunkte
sind so gewählt,
daß sie
nach dem Knick liegen. Die elektronische Steuereinheit berechnet
nun ausgehend von den zwei Wertepaaren, bestehend aus Zeitpunkt
und dem entsprechenden Stromwert, die Gleichungen der Geraden, die
durch jeweils zwei Wertepaare festgelegt wird. Eine der beiden Geraden
gibt dabei den Stromverlauf vor und eine Gerade den Stromverlauf nach
dem Knick wieder. Anschließend
wird der Schnittpunkt der beiden Geraden bestimmt. Der Zeitpunkt,
bei dem sich die beiden Geraden schneiden entspricht dem Schaltzeitpunkt.
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Es kann aber auch vorgesehen sein,
das die elektronische Steuereinheit ausgehend von den Wertepaaren
mittels einer entsprechenden Interpolation den Knick ausgehend von
dem Stromverlauf bestimmt.
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Die Berechnung des Schaltzeitpunktes
TSE erfolgt nun wie in 4 dargestellt.
In einem ersten Schritt 400 wird zu einem vorgebenen Zeitpunkt T1 nach
Betätigung
des Schaltmittels 110 der Stromwert I1 eingelesen. Dieser
Zeitpunkt hängt
vorteilhafterweise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Bei
kleinen Drehzahlen ist er später
als bei großen Drehzahlen,
da bei großen
Drehzahlen, die Zumessung während
eines kürzeren
Intervalls erfolgt.
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Ausgehend von dem Stromwert I1 werden dann
im Schritt 410 die Zeitpunkte T2 und T3 aus einem Kennfeld ausgelesen
bzw auf andere Weise bestimmt. Bei der Bestimmung dieser Zeitpunkte
T2 und T3 können
noch weitere Betriebskenngrößen wie
zum Beispiel die Drehzahl berücksichtigt
werden.
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Dieser Zeitraum, der durch die Zeitpunkte
T2 und T3 definiert ist, wird dann im Schritt 420 in gleich große Zeitintervalle
aufgeteilt, die durch die Zeitpunkte TK definiert sind. Zu diesen
Zeitpunkten TK werden dann jeweils die entsprechenden Stromwerte
IR aus dem A/D-Wandler 140 ausgelesen. Jeweils ein Zeitpunkt
TR und der entsprechende Stromwert IR bilden ein Wertepaar. Ein
solches Wertepaar ist beispielshaft in 3 eingezeichnet.
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Im Schritt 430 erfolgt dann die Berechnung der
beiden Geraden G1 und G2, die den Stromverlauf über der Zeit vor und nach dem
Knick wiedergeben. Der Schnittpunkt dieser beiden Geraden wird dann
im Schritt 440 bestimmt. Ausgehend von diesem Schnittpunkt ergibt
sich dann im Schritt 450 der Schaltzeitpunkt TSE. Dieser wird dann
zur Bestimmung der Schaltzeit des Magnetventils herangezogen. Der
so berechnete Schaltzeitpunkt TSE weicht nur unwesentlich von dem
tatsächlichen
Schaltzeitpunkt TI ab.
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Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ist. daß zu
vorgegebenen Zeitpunkten nur einzelne diskrete Stromwerte erfaßt werden. Ausgehend
von diesen einzelnen Wertepaaren berechnet die elektronische Steuereinheit
den Schaltzeitpunkt und damit auch die Öffnungszeit des Magnetventils.
Diese Werte werden dann von der elektronischen Steuereinheit 100 zur
Bestimmung der Ansteuerimpulse verwendet.
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Diese Vorgehensweise hat den Nachteil,
daß zur
Berechnung des Schaltzeitpunktes TSE sehr viel Rechenzeit benötigt wird.
Der Wert für
die Schaltzeit steht daher bei laufzeitkritischen Systemen erst
bei der nächsten
Zumessung zur Verfügung.
Um aber eine genaue Mengensteuerung zu ermöglichen, sollte die Schaltzeit
bei der Bestimmung des Einspritzendes berücksichtigt werden. Dies ist
bei dieser Vorgehensweise nicht möglich. Die Dynamik dieses System
ist nicht optimal. Um eine schnellere Bestimmung der Schaltzeit
zu ermöglichen
wird ein Verfahren gemäß 5 vorgeschlagen.
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In einem Initialisierungsschritt 500 wird
nach dem Einschalten der Einrichtung die Korrekturzeit auf Null
zurückgesetzt.
Im Schritt 502 wird zu einer vorgegebenen Zeitpunkt T1 nach dem
Ansteuern des Magnetventils der Strom I(T1) erfaßt. Dieser Schritt entspricht
dem Schritt 400 der 4.
Anschließend wird
aus einem Kennfeld ein geschätzter
Wert TSEP für
die Schaltzeit ausgelesen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß ein definierter
Zusammenhang F zwischen dem Stromwert I(T1) zu dem definierten Zeitpunkt
T1 nach der Ansteuerung des Magnetventils und dem Schaltzeitpunkt
besteht.
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Diese Bestimmung der Schaltzeit wird
als Stromextrapolation bezeichnet. Diese Vorgehensweise ist dynamisch
sehr genau, da sie nur sehr wenig Rechenzeit benötigt und daher der Wert für die Schaltzeit
für die
gleiche Zumessung zur Verfügung steht.
Sie weist aber den Nachteil auf, daß sie nur ungenaue aber wiederholbare
Werte für
die Schaltzeit liefert. Daher werden die so gewonnenen Werte TSEP
im Schritt 506 mit einem Korrekturwert korrigiert. Der Korrekturwert
wird vorzugsweise bei der vorhergehenden Zumessung ermittelt.
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Im Schritt 510 werden dann ensprechend
wie in Schrit 410 die Zeiten T2 und T3 bestimmt. Üblicherweise
entsprechen dies Zeitpunkte dem erwarteten Toleranzbereich für die geschätzte Schaltzeit TSEP.
In den Schritten 520, 530, 540 und 550 wird dann entsprechend wie
in den Schritten 420, 430, 440 und 450 der 4 die Schaltzeit TSEG berechnet. Im Schritt
560 wird dann ausgehend von der Differenz zwischen den beiden Werten
TSEG und TSEP für
die Schaltzeit der Korrekturwert DT bestimmt, der dann bei der nächsten Zumessung
verwendet wird. Bei der nächsten
Zumessung startet das Verfahren mit Schritt 502.
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Diese Vorgehensweise besitzt den
Vorteil, daß sich
ein dynamisch genauer Wert für
die Schaltzeit ergibt. Wobei ein geringer Teil der Berechnung während der
Einspritzung erfolgen muß.
Während der
Einspritzung kann Rechenzeit gespart werden.
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Die Vorgehensweisen nach 4 und 5 haben den Vorteil, daß keine
analoge Erfassung des Stromverlaufs und eine Differentiation des
Stromverlaufs und eine entsprechende Auswertung dieses differenzierten
Signals erforderlich ist. Es müssen
lediglich diskrete Wertepaare verarbeitet werden. Dadurch vereinfacht
sich das Verfahren und die hierzu erforderliche Einrichtung erheblich.
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In entsprechender Weise kann auch
bei der Bestimmung des Schließzeitpunktes
TSA des elektromagnetischen Ventils vorgegangen werden. Hierbei
wird dann entsprechend zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach Unterbrechung
der Spannungsversorgung zum elektromagnetischen Ventil eine Stromwert
erfaßt
und ein Zeitbereich, in dem der Knick voraussichtlich erfolgt ermittelt.
Die Berechnung des Schaltzeitpunktes TSA erfolgt entsprechend wie
die des Schaltzeitpunktes TSE.
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Kann im Schritt 440 kein Schnittpunkt
der beiden Geraden bestimmt werden, bzw. liegt der Schnittpunkt
außerhalb
des durch die zwei Zeitpunkte T2 und T3 definierten Zeitfenster,
so ist von einem Defekt im Bereich des Magnetventils auszugehen. Bei
sonst normalem Stromverlauf, dies bedeutet der Strom steigt nach
Anlegen der Spannung über
der Zeit an, ist das Magnetventil zwar elektrisch funktionsfähig aber
mechanisch defekt. Insbesondere tritt dieser Fall ein, wenn die
Magnetventilnadel nicht mehr beweglich ist. In diesem Fall wird
beim Aufschlagen der Magnetventilnadel in den Sitz keine Spannung
induziert. Kann der Knick nicht innerhalb einer bestimmten Zeit
nach Einschalten erkannt werden, so spricht dies ebenfalls für einen
mechanischen Defekt des Magnetventils.
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Entsprechend kann auch bei dem Verfahren gemäß 5 vorgegangen werden.
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Mittels einer einfachen Abfrage 460 im
Programmablauf, die überprüft, ob ein
zulässiger
Einschaltzeitpunkt ermittelt werden konnte, wird eine einfache Online-Diagnose
bereitgestellt. Diese Diagnose kann ohne Hardwareaufwand zusätzlich ein hardwaremäßigen Defekt
des Magnetventils sicher erkennen. Vorzugsweise erfolgt diese Abfrage 460 anschließend an
den Schrit 450 der 4 bzw.
anschließend
an den Schritt Schritt 550 der 5.
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Erkennt die Abfrage 460,
daß kein
Einschaltzeitpunkt ermittelt werden konnte, so wird im Schritt 470
eine Fehlermeldung abgegeben. Diese Fehlermeldung kann verschiedene
Auswirkungen besitzten. Zum einen kann vorgesehen sein, daß mittels geeigneter
Mittel, wie zum Beispiel einer Kontrollleuchte, der Fehler dem Fahrer
signalisiert wird, andererseits ist erforderlich, daß ein Notfahrbetrieb oder
eine Abschaltung der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
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Erkennt die Abfrage 460,
daß ein
Einschaltzeitpunkt ermittelt werden konnte, so arbeitet das Programm
mit Schritt 480 weiter.
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Zur Reaslisierung dieser Abfrage
stehen mehrere Möglichkeiten
zur Verfügung.
So kann überprüft werden,
ob die Steigungen des Stromverlaufs sich wesentlich ändert. Dies
bedeutet es wird überprüft, ob die
zweite Ableitung über
der Zeit des Stroms größer als
ein Schwellwert wird. Diese Überprüfung kann
auch derart erfolgen, indem abgefragt wird, ob die Differenz zwischen
den beiden Steigungen der beiden Geraden größer als ein Schwellwert ist.
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Als weitere Alternative kann diese
Abfrage überprüfen, ob
der berechnete Schnittpunkt der beiden Geraden außerhalb
des durch die Zeitpunkte T2 und T3 definierten Fensters liegt bzw.
ob die beiden Geraden nahezu parallel verlaufen. Dies ist der Fall, wenn
die Steigungen der beiden Geraden nahezu gleiche Werte annehmen,
bzw. wenn die Differenz zwischen den beiden Steigungen kleiner als
ein Schwellwert ist.
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Anstelle der Stromwerte können zur
Bestimmung der Einschaltzeit auch andere Größen ausgewertet werden. So
können
alle Signale verwendet werden, die beim Einschaltzeitpunkt einen
Knick in ihrem zeitlichen Verlauf aufweisen. So kann beispielsweise
die Taktfrequenz, mit der das Schaltmittel angesteuert wird, herangezogen
werden. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn eine Konstantstromregelung
vorgesehen ist.