DE4420282A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers ist aus der DE-OS 34 26 799 (US-A 4,653,447) bekannt. Bei der dort beschriebenen Ein­ richtung werden die Schaltzeitpunkte und davon ausgehend die Einschaltzeiten und Ausschaltzeiten des Magnetventils er­ faßt. Ausgehend von dem zeitlichen Verlauf des Stroms durch das Magnetventil wird der genaue Schaltzeitpunkt des Magnet­ ventils bestimmt.

Solche Magnetventile werden vorzugsweise zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoffen in Benzin- und/oder Dieselmo­ toren eingesetzt. Zur exakten Zumessung auch kleinster Ein­ spritzmengen ist insbesondere der Schaltzeitpunkt von Inter­ esse, bei dem der Anker des bestromten Magnetventils jeweils eine seiner beiden Endlagen erreicht.

Bei bekannten Systemen wird derart vorgegangen, daß in einem Zeitfenster, innerhalb dem der Schaltzeitpunkt üblicherweise auftritt, der Stromverlauf ausgewertet und anhand dessen zeitlichen Verlaufs der Schaltzeitpunkt bestimmt wird. Dabei wird die am Magnetventil anliegende Spannung auf einen be­ stimmten Wert eingeregelt. Es wird also eine konstante Magnetventilspannung zur Erzeugung eines stetigen Verlaufs des Magnetventilstroms bereitgestellt. Während dieser Phase, in der die Spannung geregelt wird, werden die beteiligten Schaltmittel der Regeleinrichtung je nach Spannungspegel mit einer zum Teil beträchtlichen Verlustleistung beaufschlagt, welche kurzfristig zu einer unerwünschten Erhöhung der Temperatur des Schaltmittels führt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfah­ ren und einer Einrichtung zur Ansteuerung eines elektroma­ gnetischen Verbrauchers, der eingangs genannten Art die Ver­ lustleistung zu reduzieren.

Vorteile der Erfindung

Mittels der erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtung er­ gibt sich der Vorteil, daß die Spannungsregelung während der BIP-Erkennung entfallen kann, dadurch verringert sich der Aufwand an Bauteilen erheblich. Während der BIP-Erkennungsphase, die auch als BIP-Fenster bezeichnet werden kann, wird die Verlustleistungsbeanspruchung des Schaltmittels erheblich vermindert. Der sich einstellende charakteristische Stromverlauf ermöglicht bei unterschiedli­ chen Typen von Magnetventilen, nach vorhergehender Bestim­ mung des jeweils notwendigen Tastverhältnisses, eine zuver­ lässige Auswertung des Stromverlaufs und damit eine exakte Erkennung des Schaltzeitpunktes.

Hinsichtlich der hydraulischen Kräfte und deren negativen Auswirkungen auf die Position des Ankers besteht die Mög­ lichkeit, durch die Vorgabe des Tastverhältnisses, das Stromniveau (Kraftniveau) beibehalten werden kann. Dies bie­ tet den Vorteil, daß das Schließverhalten optimal im Sinne der zur Verfügung stehenden Eingriffsmöglichkeiten gestalten werden kann. Die Bereitstellung eines geeigneten Tastver­ hältnis mit konstantem Schaltmuster stellt weder für einen Mikrorechner noch für eine gesonderte Hardware eine aufwen­ dige Aufgabe dar und kann daher hinsichtlich des Realisie­ rungsaufwandes als einfach bezeichnet werden. Desweiteren entfällt die Filterung des Signals.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Einrichtung, die Fig. 2 verschiedene über Zeit aufgetragene Signale, Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise und Fig. 4 eine detaillierte Darstellung ei­ nes Teiles der Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers. Prinzipiell ist die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren im Zusammenhang mit jeglichen elektromagnetischen Verbrauchern einsetzbar. Sie ist nicht auf die spezielle Anwendung beschränkt. Besonders vorteil­ haft ist es jedoch, die erfindungsgemäße Einrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit Brennkraftma­ schinen einzusetzen, insbesondere bei der Zumessung von Kraftstoff in einen Brennraum einer selbstzündenden Brenn­ kraftmaschine. Zu diesem Zweck wird in besonders vorteilhaf­ ter Weise ein Magnetventil zur Steuerung der Zumessung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine verwendet.

Hierbei ist es insbesondere bei kleinen Lasten erforderlich, daß kleinste Einspritzmengen möglichst exakt zugemessen wer­ den. Hierzu ist es wiederum erforderlich, daß der Zeitpunkt, zu dem der Anker des bestromten Magnetventils seine Endlage erreicht, bekannt ist. Dieser Zeitpunkt wird üblicherweise mit Beginn of Injection Period (BIP) bezeichnet. Dieser Zeitpunkt kann durch die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Magnetventilstroms gewonnen werden.

Vorzugsweise wird der zeitliche Verlauf des Stroms bei kon­ stanter 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. Eine solche Einrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 42 238 891 bekannt.

In Fig. 1 sind schematisch wesentliche Elemente einer Ein­ richtung zur Steuerung einer magnetventilgesteuerten Kraft­ stoffzumeßeinrichtung dargestellt. Über ein Schaltmittel 110 ist ein elektromagnetischer Verbraucher 100 mit einer Span­ nungsversorgungseinrichtung (Ubat) verbunden. Das Schaltmit­ tel wird von einer Ansteuereinrichtung 120 angesteuert. Die Ansteuereinrichtung 120 kann wiederum mit einer Stromrege­ lung bzw. einer Tastverhältnisvorgabe 130 verbunden sein.

Der andere Anschluß des elektromagnetischen Verbraucher steht über einen Sensor 145 bzw. ein Stromerfassungsmittel mit Masse in Verbindung. Der Sensor 145 steht mit einer Aus­ werteschaltung 140 und diese mit der Spannungsregelung bzw. der Stromregelung 130 oder mit der Ansteuereinrichtung 120 in Verbindung. Desweiteren steuert die Ansteuereinrichtung 120 ein weiteres Schaltmittel 115, das zwischen dem Sensor 145 und der Auswertung 140 angeordnet ist, an.

Die Reihenfolge der Bauelemente in der Reihenschaltung be­ stehend aus dem Schaltmittel 110, dem Verbraucher 100 und dem Sensor 145 kann beliebig gewählt werden.

Als Schaltmittel werden vorzugsweise Transistoren, insbeson­ dere Feldeffekttransistoren, verwendet.

Die Arbeitsweise dieser Einrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 ist der Hub H der Magnetventilnadel bzw. des Ankers strichpunktiert, die am Verbraucher. 100 abfallende Spannung UM mit einer durchgezo­ genen Linie und der durch den Verbraucher 100 fließende Strom IM mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet.

Diese Signalverläufe sind in Fig. 2 über der Zeit t aufge­ tragen. Zu Beginn befindet sich der Anker des Magnetventils in seiner ersten Endlage X1. Der Strom IM nimmt den Wert 0 an und die am Magnetventil abfallende Spannung UM nimmt ebenfalls einen ersten Wert U1 an.

Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt T1 steuert die Ansteuerein­ richtung 120 das Schaltmittel 110 derart an, daß die Span­ nung einen zweiten Wert U2 annimmt. Dieser Wert liegt im Be­ reich der Batteriespannung Ubat. Gleichzeitig steigt der Strom IM über der Zeit an. Der Anker des Magnetventils zeigt vorerst keine Reaktion.

Dieser Zustand bleibt solange bestehen, bis der Strom durch das Magnetventil einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Dieser Schwellwert liegt im Bereich von einigen Ampere. Ist dieser Schwellwert erreicht, so erzeugt die Stromregelung 130 ein entsprechendes Signal und leitet dies an die An­ steuereinrichtung 120 weiter. Die Ansteuereinrichtung 120 steuert das Schaltmittel 110 so an, daß dieses wieder öff­ net. 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 vorgege­ benen Sollwert und erzeugt abhängig von dem Vergleichsergeb­ nis ein Signal zur Beaufschlagung der Ansteuereinrichtung 120. Die Ansteuereinrichtung 120 stellt durch Öffnen und Schließen des Schaltmittels 130 den Strom auf den Sollwert ein.

Dieser Sollwert liegt bei diesem Ausführungsbeispiel bei ca. 10 Ampere. In diesem Zeitabschnitt beginnt sich der Anker in Richtung seiner zweiten Endlage X2 zu bewegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 3 als Flußdia­ gramm dargestellt. In einem ersten Schritt werden ausgehend von verschiedenen Betriebsparametern 305 Zeitpunkte T2 und T3 vorgegeben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Werte T2 und T3 abhängig von Betriebskenngrößen, wie beispielsweise der Drehzahl, der eingespritzten Kraftstoffmenge oder ande­ rer Größen vorgegeben werden. Dies kann beispielsweise mit­ tels eines Kennfeldes erfolgen. Die Zeitpunkte T2 und T3 de­ finieren ein Zeitfenster, innerhalb dem der Schaltzeitpunkt BIP voraussichtlich auftritt.

Die Abfrage 310 überprüft, ob der Zeitpunkt T2 bereits er­ reicht ist. Bei bekannten Systemen wird beim Zeitpunkt T2 auf eine Spannungsregelung übergegangen. Dies bedeutet, daß das Schaltmittel 110 durch geeignete Ansteuerung im linearen Bereich seiner Kennlinie betrieben wird und somit eine er­ hebliche Verlustleistungsbeanspruchung auftritt. Diese Ver­ lustleistung vermindert den Wirkungsgrad des elektronischen Einspritzsystems.

Um den Wirkungsgrad des Einspritzsystems zu erhöhen und die thermische Beanspruchung des Schaltmittels 110 zu vermin­ dern, wird ab dem Zeitpunkt T2 wie folgt vorgegangen. Inner­ halb des Zeitfensters wird zu einer getakteten Spannungs­ steuerung übergegangen. Hierzu wird von der Ansteuereinrich­ tung 120 bzw. von einem übergeordneten Mikrorechner im Schritt 320 ein Ansteuerimpulsmuster fester Frequenz und mit festem jedoch einstellbarem Tastverhältnis vorgegeben. Die­ ses Tastverhältnis wird so gewählt, daß sich in Verbindung mit der nahezu konstanten Batteriespannung eine in ihrem Mittelwert ebenfalls nahezu konstante Spannung UMV am Magnetventil einstellt.

Die Frequenz F bzw. die Periodendauer des Ansteuersignals werden so gewählt, daß die Auswerteschaltung ausreichend Zeit hat um die Berechnungen durchzuführen.

Im Schritt 330 werden die Schaltmittel 110 und 115 mit dem entsprechenden Ansteuersignal beaufschlagt. Im Schritt 335 erfaßt der Sensor 145 den durch den Verbraucher 100 fließen­ den Strom.

Der Mittelwert des Magnetventilstroms IM weist denselben Verlauf auf, wie bei Anliegen einer konstanten Spannung. Durch die getaktete Betriebsweise pendelt der Magnetventil­ strom jedoch um seinen Mittelwert. Diese Schwankungen er­ schweren die Auswertung des auf diese Weise erzeugten Strom­ verlaufs.

Zur Vermeidung von einer Nachfilterung des Stromverlaufes wird der Strom schaltsynchron ausgewertet. Das heißt, der Strom wird jeweils zu festen Zeitpunkten nach dem Einschal­ ten der Endstufe und/oder zu festen Zeitpunkten nach dem Ausschalten des Schaltmittels 110 erfaßt. Diese zeitdiskre­ ten Stromwerte werden dann der Auswertung 140 zugeführt. In der einfachsten Ausführungsform wird jeweils der Schalter 110 und 115 von der Ansteuerung 120 gleichzeitig ange­ steuert.

Unter Berücksichtigung, daß der Zeitverlauf des Stroms zwi­ schen dem Ein- und dem Ausschalten sich weitgehend linear verhält, kann der Differenzenquotient des Stromzeitverlaufs während des Zeitfensters auf einfache Weise aus den abgeta­ steten Stromwerten errechnet werden. Ausgehend von dieser Bestimmung des Differenzenquotienten werden mittels bekann­ ter Softwareauswerteverfahren die Schaltzeitpunkte berech­ net.

Erfindungsgemäß wird der Mittelwert der Magnetventilspannung durch Vorgabe eines festen Tastverhältnisses mit konstanter Periodendauer T zur Erzeugung eines hinsichtlich "BIP" aus­ wertbaren Stromverlaufs unter Einsparung einer Spannungsre­ gelung angesteuert.

Ab dem Zeitpunkt T2 fällt bei dieser Ausführungsform der Mittelwert des Stroms langsam ab. Diesem Abfall sind Ober­ schwingungen in ganzzahligen Vielfachen der Frequenzen des Ansteuersignals überlagert. Dabei setzt der Anker seine Be­ wegung in Richtung seiner neuen Endlage X2 fort.

Während sich der Anker bewegt, wird in der Spule des elektromagnetischen Verbrauchers eine Spannung induziert. Zum Schaltzeitpunkt TBIP erreicht der Anker seine neue End­ lage und die Bewegung endet. Dies bewirkt, daß die induzier­ te Spannung verschwindet. Dies hat zur Folge, daß der durch die Spule fließende Strom IM ab diesem Zeitpunkt eine andere Steigung aufweist. Diese Änderung im Stromverlauf wird mit­ tels der Auswerteschaltung 140 detektiert.

Hierbei ist es nicht zwingend, daß der Strom langsam ab­ fällt. Je nach Ausgestaltung weist der Strom beiderseits des Zeitpunktes TBIP einen stetig differenzierbaren Verlauf auf. Im Zeitpunkt TBIP ändert sich die Steigung, des über die Zeit aufgetragenen Stroms.

Die Abfrage 340 überprüft, ob der Zeitpunkt T3 erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so wird der Verbraucher in den Schritten 330 weiter angesteuert und der Strom in Schritt 335 erfaßt.

Zur Verdeutlichung verschiedener Werte ist in Fig. 4 ein Ausschnitt der Fig. 2 detaillierter dargestellt. In Teilfi­ gur a ist der Strom IM durch den Verbraucher und in Teilfi­ gur b die Spannung UM über der Zeit t aufgetragen. Mit T ist die Periodendauer des Ansteuersignal bezeichnet. Mit T_g ist die Zeitdauer bezeichnet, in der der Verbraucher eingeschal­ tet ist. Mit T₀ ist die Zeitdauer bezeichnet, in der der Verbraucher ausgeschaltet ist. Mit T_A ist die Zeit bezeich­ net, zu der der Meßwert des Stroms erfaßt wird.

Zur Auswertung des Stromverlaufs wird üblicherweise der Differenzenquotient des Stromverlaufs während des BIP-Fen­ sters benötigt.

Der Differenzenquotient kann auf einfache Weise aus den ab­ getasteten Stromwerten errechnet werden. Die Stromwerte wer­ den zu einem festen vorgebbaren Zeitpunkt T_A nach dem Ein­ schalten abgetastet, so kann diese Berechnung vorzugsweise gemäß der folgenden Formel erfolgen.

Δi/T = (i_u(k+1)-i_u(k))/T.

Bei dem Wert i_u(k+1) handelt es sich um den aktuellen Ab­ tastwert für den Strom zum Zeitpunkt (k+1) und bei dem Wert i_u(k) um den Abtastwert für den Strom zum Zeitpunkt (k). Der Zeitpunkt k liegt dabei zeitlich vor dem Zeitpunkt (k+1). Alternativ können die Stromwerte auch zu einem festen vor­ gebbaren Zeitpunkt T_A nach dem Ausschalten abgetastet wer­ den. In diesem Fall gilt eine entsprechende Formel.

Ausgehend von dieser Bestimmung des Differenzenquotienten gönnen nun mit Hilfe bekannter Auswerteverfahren die weite­ ren Berechnungen zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes erfol­ gen.

Auf Grund der getakteten Ansteuerung im BIP-Fenster kann die Verlustleistung erheblich reduziert werden. Auf Grund der zeitsynchronen Abtastung der Stromwerte wird die Auswertung des Stromverlaufs nicht beeinträchtigt. Im Gegenteil die zur Erkennung des Schaltzeitpunkts erforderliche Information, läßt sich einfach und mit geringem Aufwand gewinnen.

Erkennt die Abfrage 340, daß der Zeitpunkt T3 erreicht ist, so wird in Schritt 350 wahlweise auf die Stromregelung über­ gegangen oder falls T3 = T4 ist, der Schalter 110 geöffnet. Zum Zeitpunkt T4 wird der Schalter 110 geöffnet und die An­ steuerung des Magnetventils endet.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ver­ brauchers, der ein bewegliches Element umfaßt, insbesondere eines Magnetventils zur Kraftstoffzumessung in eine Brenn­ kraftmaschine, wobei innerhalb eines Zeitfensters ein Schaltzeitpunkt durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs ei­ ner Größe, die dem Strom durch den elektromagnetischen Ver­ braucher entspricht, ermittelbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß während des Zeitfensters eine getaktete Spannungs­ steuerung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher mit einer Spannung, die eine vorgebbare Fre­ quenz und ein vorgebbares Tastverhältnis aufweist, ansteuer­ bar ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß diskrete Stromwerte auswertbar sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stromwerte synchron zur An­ steuerung auswertbar sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stromwerte zu einem festen vorgebbaren Zeit nach dem Einschalten oder Ausschalten ab­ tastbar sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ausgehend von Stromwerten ein Differenzenquotient gemäß der Formel Δi/T = (i_u(k+1)-i_u(k))/Tberechenbar ist, wobei es sich bei dem Wert i_u(k+1) um den Stromwert zum Zeitpunkt (k+1), bei dem Wert i_u(k) um den Stromwert zum Zeitpunkt (k) und bei T um die Periodendauer des Ansteuersignals handelt.

7. Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, der ein bewegliches Element umfaßt, insbeson­ dere eines Magnetventils zur Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine, mit Mitteln, die innerhalb eines Zeit­ fensters ein Schaltzeitpunkt durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs einer Größe, die dem Strom durch den elektromagne­ tischen Verbraucher entspricht, ermitteln, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die während des Zeit­ fensters eine getaktete Spannungssteuerung durchführen.