DE4322199C2 - Verfahren und Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur An­ steuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß den Oberbe­ griffen der unabhängigen Ansprüche.

Ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ansteuerung eines elektro­ magnetischen Verbrauchers ist aus der DE 34 26 799 A1 (US 4 653 447 A) bekannt. Bei der dort beschriebenen Einrichtung werden die Schaltzeitpunkte und davon ausgehend die Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten des Magnetventils erfaßt. Ausgehend von dem zeitlichen Verlauf des Stroms durch das Magnetventil wird der genaue Schaltzeitpunkt des Magnetventils bestimmt.

Die DE 39 23 477 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung von Schaltmagneten, insbesondere von Elektromagneten für Stellglieder von Brennkraftmaschinen. Bei diesen soll der Energie- und der Materialbedarf erheblich herabgesetzt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Spulenstrom des Elektromagneten vor dem erwarteten Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche linear geregelt wird. Dabei wird das Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche dadurch erkannt, dass der Elektromagnet mit einem konstanten Strom beaufschlagt wird und der Auftreffzeitpunkt als Änderung der Spannung über der Magnetspule festgestellt wird. Einen Hinweis dahingehend, dass die Überprüfung während einer Freillaufphase erfolgt, enthält der Stand der Technik nicht.

Aus der DE 36 11 220 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird der Stromverlauf der angesteuerten Elektromagnete überwacht, wobei eine Auftrefferkennung durchgeführt wird. Ein kurzzeitiges Abfallen des Einschaltstromes signalisiert das Auftreffen des Ankers auf den Polflächen. Bei Ausbleiben des Auftreffsignals wird eine Startvorrichtung angesteuert, die das Gaswechselventil erneut in seine Arbeitsstellung bringt.

Solche Magnetventile werden vorzugsweise zur Steuerung der Ein­ spritzung von Kraftstoffen in Benzin und/oder Dieselmotoren einge­ setzt. Zur exakten Zumessung auch kleinster Einspritzmengen ist ins­ besondere der Schaltzeitpunkt von Interesse, bei dem der Anker des bestromten Magnetventils eine seiner beiden Endlagen erreicht.

Bei bekannten Systemen wird derart vorgegangen, daß in einem Zeit­ fenster innerhalb dem der Schaltzeitpunkt üblicherweise auftritt, der Stromverlauf ausgewertet und anhand dessen zeitlichen Verlaufs der Schaltzeitpunkt bestimmt wird.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers, der eingangs genannten Art eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit geringem Aufwand den Schaltzeitpunkt zu bestimmen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnenden Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, daß der Schaltzeitpunkt während der Freilaufphase ermittelt wird, ist keine Einrichtung zur Regelung der Spannung während des Zeitfensters erforderlich. Gleichzeitig wird die aufgebrachte Ver­ lustleistung gegenüber einer Einrichtung mit Spannungsregelung deut­ lich verringert.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockdia­ gramm der erfindungsgemäßen Einrichtung, die Fig. 2 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale, und Fig. 3 ein Flußdiagramm.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich um eine Einrichtung zum Schalten elektromagnetischer Verbraucher. Prinzi­ piell ist die beschriebene Einrichtungen im Zusammenhang mit jegli­ chen elektromagnetischen Verbrauchern einsetzbar, also nicht auf eine spezielle Anwendung eingeschränkt. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die erfindungsgemäße Einrichtung im Zusammenhang mit Brenn­ kraftmaschinen einzusetzen, insbesondere bei der Zumessung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Zu diesem Zweck kann dann in besonders vorteilhafter Weise ein Magnetventil zur Steuerung der Zumessung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine verwendet werden.

Hierbei ist es insbesondere bei kleinen Lasten erforderlich, daß kleinste Einspritzmengen möglichst exakt zugemessen werden. Hierzu ist es wiederum erforderlich, daß der Zeitpunkt, zu dem der Anker des bestromten Magnetventils eine Endlage erreicht, bekannt ist. Dieser Zeitpunkt wird üblicherweise mit begin of injection period (BIP) bezeichnet. Dieser Zeitpunkt wird durch die Auswertung des zeitliche Verlaufs des Magnetventilstroms gewonnen. Vorzugsweise wird der zeitliche Verlauf des Stroms bei konstanter Spannung bzw. der zeitliche Verlauf der Spannung bei konstantem Strom dahingehend ausgewertet, ob dieser Verlauf einen Knick bzw. eine wesentliche auswertbare Änderung des Differenzenquotienten der betrachteten Größe aufweist.

In Fig. 1 sind schematisch wesentliche Elemente einer Einrichtung zur Steuerung einer magnetventilgesteuerten Kraftstoffzumeßeinrich­ tung dargestellt. Über ein Schaltmittel 110 ist ein elektromagneti­ scher Verbraucher 100 mit einer Spannungsversorgungseinrichtung (Ubat) verbunden. Das Schaltmittel 110 wird von einer Ansteuerein­ richtung 120 angesteuert. Die Ansteuereinrichtung 120 kann wiederum mit einer Stromregelung bzw. einer Spannungsregelung 130 verbunden sein.

Der andere Anschluß des elektromagnetischen Verbrauchers steht über einen Sensor 145 mit Masse in Verbindung. Der Sensor 145 steht mit einer Auswerteschaltung 140 und diese mit der Spannungsregelung bzw. Stromregelung 130 in Verbindung. Zur Reihenschaltung aus elektro­ magnetischem Verbraucher und Sensor 145 ist eine Freilaufeinrichtung 150 parallelgeschaltet. In der einfachsten Ausführungsform besteht diese Freilaufeinrichtung 150 aus einer entsprechend geschalteten Diode.

Die Reihenfolge der Bauelemente in der Reihenschaltung bestehend aus dem Schaltmittel 110, dem Verbraucher 100 und dem Sensor 145 kann auch anders gewählt werden. Wesentlich ist nur, daß der Sensor 145 so angeordnet ist, daß er auch bei geöffnetem Schaltmittel 110 un­ mittelbar mit dem Verbraucher elektrisch verbunden ist, und der in der Freilaufphase fließende Strom bzw. die anliegende Spannung von dem Sensor 145 gemessen werden kann.

Die Arbeitsweise dieser Einrichtungen wird im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 ist der Hub H der Magnetventilnadel strichpunktiert, die am Magnetventil abfallende Spannung U_M mit einer durchgezogenen Linie und der durch das Magnetventil fließende Strom I_M mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet. Diese Signalverläufe sind in Fig. 2 über der Zeit aufgetragen.

In Fig. 2a sind die Verhältnisse bei einer Einrichtung mit Span­ nungsregelung dargestellt. Diese Darstellung ist nur beispielhaft. Die zeitlichen Verläufe hängen stark von dem verwendeten Typ des Magnetventils sowie der anliegenden Spannung ab.

Zu Beginn befindet sich der Magnetventilanker in seiner ersten End­ lage X1. Der Strom I_M nimmt den Wert 0 an und die am Magnetventil abfallende Spannung U_M nimmt ebenfalls einen ersten Wert U1 an. Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt T1 schließt die Ansteuereinrichtung 120 das Schaltmittel 110. Dies hat zur Folge, daß die Spannung einen zweiten Wert U2 annimmt. Dieser Wert liegt im Bereich der Batterie­ spannung Ubat. Gleichzeitig steigt der Strom I_M über der Zeit an. Der Anker des Magnetventils zeigt vorerst keine Reaktion.

Dieser Zustand wird solange beibehalten, bis der Strom durch das Magnetventil einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Dieser Schwellwert liegt im Bereich von ca. 10 Ampere. Ist dieser Schwell­ wert erreicht, so erzeugt die Stromregelung 130 ein entsprechendes Signal und leitet dies an die Ansteuereinrichtung 120. Die Ansteuer­ einrichtung 120 steuert das Schaltmittel 110 so an, daß dieses wie­ der öffnet. Dies wiederum bewirkt ein Abfall des durch das Magnet­ ventil fließenden Stroms. Die Stromregelung 130 vergleicht den von dem Sensor 145 erfaßten Stromwert mit einem vorgegebenen Sollwert und erzeugt abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Signal zur Beaufschlagung der Ansteuereinrichtung 120.

Die Ansteuereinrichtung 120 stellt durch Öffnen und Schließen des Schaltmittels 110 den Strom bzw. die Spannung auf den Sollwert ein. Dieser Sollwert liegt bei diesem Ausführungsbeispiel bei ca. 10 Ampere. Ab dem Zeitpunkt, zu dem der Schwellwert erreicht ist und die Stromregelung aktiv ist bewegt sich der Anker in Richtung seiner zweiten Endlage X2.

Es wird ein Zeitfenster vorgegeben, das durch eine untere Grenze T2 und eine obere Grenze T3 definiert ist. Innerhalb diesem Zeitfenster tritt der Schaltzeitpunkt T_BIP voraussichtlich auf.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Grenzen T2 und T3 des Zeitfen­ sters abhängig von Betriebskenngrößen wie beispielsweise der Dreh­ zahl, der eingepritzten Kraftsoffmenge oder anderer Größen aus einem Kennfeld ausgelesen werden.

Üblicherweise wird ab dem Zeitpunkt T2 von einer Stromregelung auf eine Spannungsregelung übergegangen. Dies bedeutet, die Spannungsre­ gelung 130 stellt die am Magnetventil abfallende Spannung auf einen vorgebbaren Spannungswert ein, der in der Größenordnung von ca. 4 bis 9 Volt liegt. Der Strom schwankt nun nicht mehr zwischen zwei Schwellwerten hin und her sondern fällt bei dieser Ausführungsform langsam ab. Dabei setzt der Anker seine Bewegung in Richtung seiner neuen Endlage X2 fort. Es ist nicht zwingend daß der Strom langsam abfällt. Je nach Ausgestaltung weist der Strom beiderseits des Zeitpunktes t_BIP einen stetig differenzierbaren Verlauf auf.

Während sich der Anker bewegt wird in der Spule des elektromagneti­ schen Verbrauchers eine Spannung induziert. Zum Schaltzeitpunkt T_BIP erreicht der Anker seine neue Endlage und die Bewegung endet. Dies bewirkt, daß die induzierte Spannung verschwindet. Dies hat zur Folge, daß der durch die Spule fließende Strom I_M eine andere Steigung aufweist. Diese Änderung im Stromverlauf wird mittels der Auswerteschaltung 140 detektiert. Nach Ende des Zeitfensters zum Zeitpunkt T3 wird wahlweise auf die Stromregelung übergegangen oder falls T3 gleich T4 der Schalter 110 geöffnet. Zum Zeitpunkt T4 wird der Schalter 110 geöffnet und die Ansteuerung des Magnetventils endet.

Als Schalter wird vorzugsweise ein Transistor verwendet. Bei dieser Art der Ansteuerung ist die Verlustleistungsbeanspruchung des Schal­ ters 110 während der Spannungsregelung sehr hoch. Zur Erhöhung des allgemeinen Wirkungsgrades des Einspritzsystems, sowie zur Reduktion der thermischen Beanspruchung des Schalters 110 ist eine Verminde­ rung dieser Verlustleistung wünschenswert.

Erfindungsgemäß wird nun wie folgt vorgegangen. Während der Schalter 110 geöffnet ist, ist die Freilaufeinrichtung 150 aktiv. Dies bedeu­ tet, bei geöffnetem Schalter 110 fließt ein Strom durch den Verbrau­ cher 100 über die Diode 150 sowie die Meßeinrichtung 145. Unter idealen Bedingungen, dies bedeutet, der ohmsche Widerstand des elektromagnetischen Verbrauchers 100 sowie die an der Diode 150 ab­ fallende Spannung sind 0 und der Anker bewegt sich nicht, fließt dieser Strom unverändert weiter. Unter realen Bedingungen, dies bedeutet, der ohmsche Widerstand des Verbrauchers ist ungleich 0 und an der Diode fällt eine Spannung in der Größenordnung von ca. einem Volt ab, weist der Stromverlauf eine negative Steigung auf, welche unter dem Einfluß der Bewegung, respektive der negativen induzierten Spannung, eine zusätzliche Verkleinerung erfährt.

Erreicht der Anker des Verbrauchers seine neue Endlage X2, so ent­ fällt die induzierte Spannung. Dies hat zur Folge, daß der Strom langsamer abfällt bzw. sogar ansteigt. Diese Änderung in der Stei­ gung des Stromverlaufs kann zur Erkennung des Schaltzeitpunktes T_BIP herangezogen werden.

Die entsprechenden Verhältnisse sind in Fig. 2b eingezeichnet. Bis zum Zeitpunkt T2 und ab dem Zeitpunkt T3 entsprechen die Signalver­ läufe denen der Fig. 2a. Erfindungsgemäß wird wie in Fig. 2b dar­ gestellt zum Zeitpunkt T2 der Schalter 110 geöffnet. Dies bewirkt, daß der Strom I_M durch das Magnetventil über der Zeit abfällt. Erreicht der Anker seine neue Endstellung X2, so fällt der Strom mit einer geringeren Steigung ab. Dieser Knick bzw. diese Änderung der ersten Ableitung des Stromverlaufs erkennt die Auswerteeinrichtung 140.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird anhand des Flußdiagramms der Fig. 3 erläutert. In einem ersten Schritt wird während der er­ sten Phase der Ansteuerung zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeit­ punkt T2 abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen ein durch die Zeitpunkte T2 und T3 definiertes Zeitfenster vorgegeben, innerhalb dem der Schaltzeitpunkt üblicherweise auftritt.

Anschließend wird ein Zeitzähler im Schritt 310 erhöht. Solange der Zeitzähler die untere Grenze T2 des Zeitfensters noch nicht über­ schritten hat, erfolgt eine Stromregelung. Erkennt die Abfrage 320, daß der Zeitzähler die untere Grenze T2 des Zeitfensters erreicht hat, so wird im Schritt 330 der Schalter 110 so angesteuert, daß er öffnet. Anschließend wird in Schritt 340 die Auswerteeinrichtung 140 aktiviert, damit diese den Schaltzeitpunkt T_BIP erkennt. Im Schritt 350 bestimmt die Auswerteeinrichtung 140 den Schaltzeit­ punkt.

Dies bedeutet, daß der Schaltzeitpunkt innerhalb eines Zeitfensters ermittelt wird, in dem die am Verbraucher abfallende Spannung an­ nähernd konstant ist.

Erkennt die Abfrage 360, daß der Zeitzähler die zweite Schwelle des Zeitfensters T3 überschreited, so wird im Schritt 370 wieder auf ei­ ne normale Stromregelung übergegangen. Solange der Zeitzähler die zweite Schwelle noch nicht überschritten hat wird der Zeitzähler im Schritt 380 erhöht und es erfolgt erneut die Abfrage 360.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß sobald ein Schaltzeitpunkt erkannt wurde wieder auf Stromregelung übergegangen wird.

Erfindungsgemäß wird also während des Zeitfensters, innerhalb dem voraussichtlich der Schaltzeitpunkt T_BIP auftritt, von einer Stromregelung abgesehen und der Schalter 110 geöffnet. Während die­ ser Phase erfolgt durch Auswerten des Stromverlaufs die Schaltzeit­ punkterkennung. Die Auswertung des Schaltzeitpunktes ist im wesent­ lichen bekannt.

Die Vorgehensweise, daß die Schaltzeitpunkterkennung in der Phase erfolgt, in der der Freilaufkreis aktiv ist, bietet unter anderem den Vorteil, daß keine Spannungsregelung erforderlich ist. Dies re­ duziert den Bauteileaufwand erheblich. Die Verlustleistungsbeanspru­ chung des Schalters 110 während des Zeitfensters ist erheblich ge­ ringer. Der sich einstellende charakteristische Stromverlauf bietet auch bei unterschiedlichsten Magnetventiltypen, mit den damit ver­ bundenen stark unterschiedlichen elektrischen als auch mechanischen Parametern, die Möglichkeit einer zuverlässigen und robusten Auswer­ tung und damit Schaltzeitpunkterkennung. Ein unter realen Bedingun­ gen fallendes Stromniveau während des Zeitfensters ermöglicht auf­ grund der geringen gespeicherten Energie des Magnetkreises beim Ab­ schalten des Magnetventils eine schnellere Umkehrung der Bewegungs­ richtung des Ankers, was sich insbesondere im Hinblick auf kurze Einspritzdauern im Vergleich zum bisherigen vorteilhaft auswirkt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, der ein bewegliches Element umfaßt, insbesondere eines Magnetventils einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei ein Schalt­ zeitpunkt, bei dem das bewegliche Element eine Endlage erreicht, durch Detektion eines Knicks im zeitlichen Verlauf einer Größe, die dem Strom durch den elektromagnetischen Verbraucher entspricht, er­ mittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltzeitpunkt wäh­ rend einer Freilaufphase ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeit­ fenster vorgebbar ist, innerhalb dem der Schaltzeitpunkt voraus­ sichtlich liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeit­ fenster abhängig von Betriebskenngrößen vorgebbar ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß innerhalb des Zeitfensters ein Freilaufkreis da­ durch aktivierbar ist, daß ein Schaltmittel, das in Reihe zu dem Verbraucher geschaltet ist, geöffnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaltzeitpunkt anhand einer Änderung der Steigung des Stromverlaufs erkannt wird.

6. Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers der ein bewegliches Element umfaßt, insbesondere eines Magnet­ ventils einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit Mitteln, die einen Schaltzeitpunkt, bei dem das bewegliche Element eine End­ lage erreicht, durch Detektion eines Knicks im zeitlichen Verlauf einer Größe, die dem Strom durch den elektromagnetischen Verbraucher entspricht, ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Schaltzeitpunkt während einer Freilaufphase ermitteln.