DE4341797A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

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

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektro­ magnetischen Verbrauchers ist aus der DE-OS 34 26 799 (US-A 4 653 447) bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung 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.

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 Magnetventils eine seiner beiden Entlagen 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 Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers der eingangs genannten Art eine Möglichkeit aufzuzeigen, bei der mit geringem Aufwand der Schaltzeitpunkt bestimmbar ist. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichne­ ten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrich­ tung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß der Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche läßt sich mit ge­ ringem Aufwand der Schaltzeitpunkt bestimmen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdia­ gramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Fig. 2 verschiedene über Zeit aufgetragene Signale und Fig. 3 ein Flußdiagramm.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich um eine Vorrichtung zur Ansteuerung elektromagnetischer Verbraucher, insbe­ sondere im Bereich der Kraftstoffzumessung bei einer Dieselbrenn­ kraftmaschine. Prinzipiell ist die beschriebene Vorrichtung im Zu­ sammenhang mit jeglichen elektromagnetischen Verbrauchern einsetz­ bar. Sie ist nicht auf die spezielle beschriebene Anwendung be­ schränkt.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen einzusetzen, insbesondere bei der Zumessung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftma­ schine. In diesem Fall kann in besonders vorteilhafter Weise ein Magnetventil zur Steuerung der Zumessung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine verwendet werden. Durch die Ansteuerung des Magnetventils wird der Einspritzbeginn, das Einspritzende und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge festgelegt.

Insbesondere bei kleinen Lasten und hohen Drehzahlen ist es erfor­ derlich, daß kleinste Einspritzmengen möglichst exakt zugemessen werden. Hierzu ist es wiederum erforderlich, daß der Zeitpunkt, zu dem der Anker des Magnetventils seine Endlage erreicht, bekannt ist. Dieser Zeitpunkt wird üblicherweise als Schaltzeitpunkt bezeichnet. Dieser Zeitpunkt kann durch die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Magnetventilstroms gewonnen werden.

In Fig. 1 ist die Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Es sind nur die wesentlichen Bauelemente eingezeichnet. Der Pluspol Ubat der Batterie steht über eine Reihen­ schaltung aus einem Verbraucher 100, insbesondere einem elektro­ magnetischen Verbraucher, einem Schaltmittel 110 und einer Meßein­ richtung 120 mit Masse in Verbindung.

Ferner steht der Pluspol der Batteriespannung Ubat mit der Kathode einer Diode 105 in Verbindung. Die Anode der Diode 105 steht mit dem Verbindungspunkt zwischen Verbraucher 100 und Schaltmittel 110 in Kontakt. Die Anode der Diode 105 ist mit der Kathode einer Z-Diode 108 verbunden. Die Anode der Z-Diode 108 steht mit Masse in Verbin­ dung.

Das Schaltmittel 110 wird von einer Endstufe 130 mit Steuersignalen beaufschlagt. Die beiden Anschlüsse des Meßmittels 120 sind mit ei­ ner Stromauswertung 135 verbunden. Die Stromauswertung 135 beauf­ schlagt einen Stromregler 140 mit einem Istwert II für den Strom. Der Stromregler beaufschlagt die Endstufe 130 und einen Filter 145 mit einem Signal Vtc. Der Filter 145 wiederum beaufschlagt ein Zeit­ fenster 150 mit einem Signal VCLP. Das Zeitfenster 150 leitet ein Signal CLP an eine Steuereinheit 155 weiter.

Die Steuereinheit 155 beaufschlagt das Zeitfenster 150 mit einem Signal CLPV. Desweiteren beaufschlagt die Steuereinheit 155 den Stromregler 140 mit einem Sollwert IS für den Strom. Die Steuerein­ heit 155 ist ferner mit der Endstufe 130 verbunden und übermittelt an diese die Signale CHIL und DRVO. Desweiteren ist die Endstufe 130 mit dem Stromregler 140 zur Übermittlung eines Signals verbunden. Die Steuereinheit 155 erfaßt die Signale von verschiedenen Sensoren 150 und beaufschlagt weitere Elemente 155 mit verschiedenen Signa­ len.

Die Anordnung des Verbrauchers, des Schaltmittels 110 und der Meß­ einrichtung 120 sind in der Fig. 1 nur beispielhaft angegeben. Sie können auch in anderer Reihenfolge angeordnet werden. So kann auch vorgesehen sein, daß das Meßmittel 120 zwischen dem Verbraucher 100 und dem Schaltmittel 110 angeordnet ist. Ist das Meßmittel 120 zwi­ schen dem elektromagnetischen Verbraucher 100 und dem Schaltmittel 110 bzw. zwischen dem elektromagnetischen Verbraucher 100 und dem Pluspol Ubat der Versorgungsspannung angeordnet, so können auch die Stromwerte nach dem Öffnen des Schaltmittels 110 erfaßt und ausge­ wertet werden.

Die Diode 105 dient als Freilaufkreis und stellt die einfachste Rea­ lisierung eines solchen Freilaufkreises dar. Sie kann ggf. durch an­ dere Schaltelemente wie beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Dioden oder durch eine Reihenschaltung aus Transistor und Diode er­ setzt werden. Entsprechendes gilt für die Z-Diode 108, sie dient als Löscheinrichtung und kann ggf. durch andere geeignete Bauelemente ersetzt bzw. ergänzt werden.

Bei dem Schaltmittel 110 handelt es sich vorzugsweise um einen Transistor, insbesondere um einen Feldeffekttransistor. Als Meßmit­ tel 120 kann im einfachsten Fall ein ohmscher Widerstand eingesetzt werden. In diesem Fall dient der Spannungsabfall am ohmschen Wider­ stand als Maß für den durch die Reihenschaltung aus Verbraucher 100 Schaltmittel 110 fließenden Strom.

Diese Vorrichtung soll nun am Beispiel einer Kraftstoffzumeßeinrich­ tung einer Brennkraftmaschine beschrieben werden. Die Steuereinheit 155 wertet die Signale verschiedener Sensoren 160 aus. Die Sensoren 160 erfassen beispielsweise die Drehzahl, die Fahrpedalstellung ver­ schiedene Temperatur- und Druckwerte sowie insbesondere bei fremdge­ zündeten Brennkraftmaschinen die Drosselklappenstellung. Ausgehend von diesen Sensorsignalen und Betriebskenngrößen berechnet die Steuereinheit 155 verschiedene Signale zur Ansteuerung verschiedener Stellglieder 165.

Unter anderem gibt die Steuereinheit 155 ein Singal DRVO vor, daß die Ansteuerdauer des Schaltmittels 110 festlegt. Bei der positiven Flanke des Signals DRVO schließt das Schaltmittel 110 und bei der negativen Flanke öffnet das Schaltmittel 110. Zwischen der positiven und der negativen Flanke des Signals regelt der Stromregler 140 den durch den Verbraucher fließende Strom, der vom Meßmittel 120 erfaßt wird, auf einen bestimmten Wert.

Während einer ersten Zeitphase Tlreg wird der Strom vorzugsweise auf einen höheren und in einer zweiten Phase auf eine niederen Wert ge­ regelt. Hierzu ermittelt die Stromauswertung 135 ausgehend vom Span­ nungsabfall am Widerstand 120 den Iststrom, der durch den Verbrau­ cher 100 fließt. Der Stromregler 140 vergleicht den Iststrom II mit dem Sollstrom IS. Ausgehend von diesem Vergleich erzeugt er ein An­ steuersignal Vtc zur Beaufschlagung der Endstufe 130, die dann ent­ sprechend das Schaltmittel 110 ansteuert.

Das Ausgangssignal des Stromreglers 140 wird desweiteren von dem Filter 145 verarbeitet. Dieser Filter erzeugt ein Spannungswert, der proportional zur Impulslänge des Ausgangssignals Vtc des Stromreg­ lers 140 ist.

Während sich der Anker des Magnetventils bewegt, wird in der Spule des Magnetventils eine Spannung induziert. Zum Schaltzeitpunkt er­ reicht der Anker seine neue Endlage und die Bewegung endet. Dies be­ wirkt, daß die induzierte Spannung verschwindet. Dies hat zur Folge, daß sich zu diesem Zeitpunkt der durch die Spule fließende Strom än­ dert. Somit ändert sich zum Schaltzeitpunkt die Impulslänge. Durch Auswerten der Impulslänge läßt sich der Schaltzeitpunkt ermitteln. Das Zeitfenster 150 läßt diese Auswertung nur innerhalb eines be­ stimmten Zeitbereichs nach der Ansteuerung des Magnetventils zu.

Zur weiteren Erläuterung der Beschreibung sei auf Fig. 2 verwiesen, in der verschiedene Signale über der Zeit aufgetragen sind.

In der ersten Zeile ist das Signal DRVO aufgetragen. Dieses Signal wird von der Steuereinheit 155 an die Endstufe 130 übermittelt.

In der zweiten Zeile ist das Signal CHIL, das ebenfalls von der Steuereinheit 155 an die Endstufe 130 übermittelt wird, aufgetragen. Während dieses Signal vorliegt, wird auf den zweiten Sollwert des Stroms geregelt.

In der dritten Zeile ist der Strom I, der durch das Magnetventil fließt, aufgetragen. In der vierten Zeile ist der Hub H der Magnet­ ventilnadel eingezeichnet.

Die fünfte Zeile zeigt das Signal Vtc das dem Ausgangssignal des Stromreglers 140 entspricht. Dieses Signal entspricht ferner dem Schaltzustand des Schaltmittels 110. Bei niederem Signalwert ist der Schalter geöffnet, bei hohem Signalwert ist der Schalter geschlossen.

In der nächsten Zeile ist die gefilterte Impulslänge dieses Signales aufgetragen. Dieses Signal liegt lediglich intern im Filter 145 vor. Die siebte Zeile zeigt das Signal VCLP, das einen erhöhten Wert an­ nimmt, wenn die Frequenz einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

Das nächste Signal CLPV definiert mit seinem erhöhten Signalwert das Zeitfenster, innerhalb dem der Schaltzeitpunkt üblicherweise liegt. Dieses Signal wird von der Steuereinheit an das Zeitfenster 150 übermittelt. In der letzten Zeile ist das Signal CLP, dessen positi­ ve Flanke den Schaltzeitpunkt definiert, aufgetragen.

Erhält die Endstufe 130 eine positive Flanke des Signals DRVO, so steuert die Endstufe 130 das Schaltmittel 110 derart an, daß dieses schließt bzw. es gibt einen von Null verschiedenen Sollwert für den Strom I vor. Dies bedeutet, das Ausgangssignal Vtc des Stromreglers 140 nimmt einen erhöhten Wert an.

Innerhalb eines ersten Zeitraumes, bis das Signal CHIL einen höheren Wert annimmt, regelt der Stromregler 140 den durch das Magnetventil fließenden Strom auf einen von der Steuereinheit vorgegebenen Soll­ wert IS1 ein. Dieser Stromregler ist vorzugsweise als Zwei-Punkt-Regler realisiert. Der Zwei-Punkt-Regler öffnet das Schaltmittel 110, wenn eine obere Stromschwelle überschritten wird. Die untere Stromschwelle ist fließend und wird durch Deaktivieren des Schaltmittels für eine bestimmte Zeit TP erreicht. Dies bedeu­ tet, wenn der Stromwert überschritten wird, öffnet der Schalter und nach der vorgegebenen Zeit TP schließt der Schalter wieder. Der Strom I durch das Magnetventil pendelt zwischen einer vorgegebenen oberen Schwelle und einem unteren Wert.

Kurz vor Ende des Zeitraums Tlreg beginnt die Magnetventilnadel ihre Bewegung in Richtung ihrer neuen Endlage. Der Schaltzustand des Schaltmittels 110 bzw. das Ausgangssignal des Stromreglers wechselt zwischen seinem oberen und unteren Signalwert. Zu Beginn ist das Schaltmittel für eine relativ lange Zeit geschlossen. Während des ersten Zeitraums Tlreg wird die Ausschaltzeit TP so eingestellt, daß eine gewünschte Hysterese des Zwei-Punkt-Reglers erreicht wird.

Bei Vorliegen des Signals CPHIL wird der Sollwert, der der oberen Stromschwelle S1 entspricht, auf einen kleineren Wert abgesenkt. Der Sollwert S1 in der ersten Phase wird als Anzugsstrom und der Soll­ wert S2 in der zweiten Phase wird als Haltestrom bezeichnet. Die Ab­ senkung des Sollwerts für den Strom erfolgt nach dem sich die Magnetventilnadel in Bewegung gesetzt hat.

Dieser Zeitpunkt wird abhängig von verschiedenen Betriebsparametern von der Steuereinheit 155 abgeschätzt. Nachdem dieser Zeitpunkt er­ reicht ist, gibt die Steuereinheit 155 ein Signal CHIL mit positiver Flanke aus. Ab der positiven Flanke des Signals CHIL wird eine kon­ stante oder linear kleiner werdende Ausschaltzeit TP vorgegeben, so daß eine gewünschte Hysterese bzw. eine ausreichende Genauigkeit des Schaltzeitpunktes erreicht wird. Wird die Ausschaltzeit TP in Rich­ tung des zu erwartenden Schließzeitpunkt linear oder nichtlinear verkleinert, so läßt sich dadurch die Genauigkeit bzw. die Empfind­ lichkeit der Erkennung verbessern. Als Vorteil einer variablen Aus­ schaltzeit ergibt sich eine verminderte Verlustleistung des Schalt­ elements 110, da die höchste Schaltfrequenz erst in der Nähe des Schließzeitpunktes auftritt.

Zum Zeitpunkt, bei dem sich die Magnetventilnadel ihrer Endlage nähert, ändert sich die Impulslänge des Signals Vtc schlagartig. Be­ trachtet man nun die Impulslänge des Signals Vtc, so erkennt man zum Schaltzeitpunkt eine plötzliche Änderung bzw. Anstieg der Impulslän­ ge. Sobald die gefilterte Impulslänge den Schwellwert S übersteigt, so besitzt das Signal VCLP eine positive Flanke. Um Fehlerkennungen zu verhindern, wird durch das Signal VCLP nur zwischen der positiven und der negativen Flanke des Signals CLPV als zulässig erkannt.

Bei der zulässigen positiven Flanke des Signals VCLP wird eine posi­ tive Flanke des Signals CLP an die Steuereinheit 155 übermittelt. Diese positive Flanke kennzeichnet den Schaltzeitpunkt des Magnet­ ventils. Auf Grund von Signalverzögerungen liegt die Flanke um die Verzögerungszeit Td nach dem eigentlichen Schaltzeitpunkt. Diese Verzögerungszeit Td ist eine Funktion des Filters und der Schalt­ frequenz zum Schließzeitpunkt und wird von der Steuereinheit 155 be­ rücksichtigt.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Periodendaueränderung durch einen Zwei-Punkt-Regler mit oberer und unterer Schwelle auszu­ werten, wenn der Strom im Magnetventil 100 direkt meßbar ist. We­ sentlich ist, daß eine den Schaltzustand des Schaltmittels 110 charakterisierende Größe ausgewertet wird. Ändert sich das Ansteuer­ signal des Schaltmittels bzw. die Ausgangsgröße des Stromreglers 140, so entspricht der Zeitpunkt der Änderung dem Schaltzeitpunkt des elektromagnetischen Verbrauchers.

Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf das Flußdiagramm gemäß Fig. 3 verwiesen. Sobald die positive Flanke des Signals DRVO auftritt, beginnt das Programm mit Schritt 100. Hier erfolgt die Stromregelung durch den Stromregler 140 auf einen ersten Sollwert IS1.

Die anschließende Abfrage 310 überprüft, ob das Signal CHIL vor­ liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird weiterhin Schritt 300 abge­ arbeitet. Liegt dieses Signal vor, so folgt Schritt 320. In Schritt 320 regelt der Stromregler 140 den Strom auf den zweiten Sollwert IS2 ein.

Die sich anschließende Abfrage 330 überprüft, ob das Signal CLPV vorliegt. Ist dies nicht der Fall, so setzt das Programm mit Schritt 320 fort. Liegt das Signal CLPV vor, so folgt Schritt 340. Hier wird für TP ein konstanter Wert vorgegeben. Anschließend wird an Schritt 350 wird aus dem Signal Vtc die Impulslänge ermittelt und gefiltert. Die Abfrage 360 überprüft, ob das gefilterte Signal Vtc größer als eine Schwelle S ist. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt wieder Schritt 350 andernfalls, wenn die Impulslänge größer als eine Schwelle S ist, wird das Signal CLP ausgegeben.

An Stelle der Regelung des Stroms, der durch den Verbraucher fließt, kann auch vorgesehen sein, daß die am Verbraucher abfallende Span­ nung geregelt wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Beeinflussung der Kraftstoffzu­ messung bei einer Dieselbrennkraftmaschine, wobei der Verbraucher in Reihe mit einem Schaltmittel geschaltet ist, und das Schaltmittel mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird, wobei das Ansteuersignal von einem Mittel zur Regelung vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung eines Schaltzeitpunktes des elektromagnetischen Verbrauchers eine das Ansteuersignal charakterisierende Größe ausge­ wertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulslänge oder die Periodendauer des Ansteuersignals ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltzeitpunkt erkannt wird, wenn sich die Impulslänge oder die Periodendauer ändert.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltzeitpunkt erkannt wird, wenn die Ände­ rung der Impulslänge oder der Periodendauer einen Schwellwert über­ schreitet.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitfenster vorgebbar ist innerhalb dem der Schaltzeitpunkt erkannt wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal von einem Mittel zur Regelung des Stroms durch den Verbraucher vorgebbar ist.

7. Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers, insbesondere eines Magnetventils zur Beeinflussung der Kraft­ stoffzumessung bei einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem zu dem Verbraucher in Reihe geschalteten Schaltmittel, wobei das Schaltmit­ tel mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß Mittel vorgesehen sind, die zur Ermittlung eines Schalt­ zeitpunktes des elektromagnetischen Verbrauchers eine das Ansteuer­ signal charakterisierende Größe auswerten.