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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzventilen.
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Kraftstoffeinspritzventile
werden verwendet, um die Einspritzung von Kraftstoff während des
Betriebs eines Dieselmotors zu unterstützen. Ein Kraftstoffeinspritzventil
umfasst zwei Spulen: eine "Öffnungs-Spule" (Open Coil) und
eine "Schließ-Spule" (Close Coil). Um
Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen, ist es erforderlich, zuerst
die "Öffnungs-Spule" und danach die "Schließ-Spule" zu aktivieren.
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Bei
den gegenwärtig
verwendeten Konstruktionen umfasst jede Spule ein High-Side-Gate
und ein Low-Side-Gate. Der Einspritzventilstrom wird von einem an
Masse angeschlossenen Low-Side-Shunt überwacht.
Das an die Versorgungsspannung angeschlossene High-Side-Gate schaltet
aus, wenn der Spulenstrom des Einspritzventils einen gewünschten Wert
erreicht. Die in der Spule gespeicherte induktive Energie wird durch
eine Diode zu Masse abgeleitet. Der Low-Side-Shunt überwacht
diesen fallenden Strom, und wenn er einen vorgegebenen Pegel erreicht,
wird das High-Side-Gate wieder eingeschaltet, und der Spulenstrom
beginnt sich wieder zu erhöhen. Die
Messung des Stroms auf der Low-Seite und die Steuerung desselben
auf der High-Seite erfordern eine Pegelverschiebung entweder der
Eingänge
der Treiber oder der Sensorsignale. Außerdem haben bei Anwendungen,
die eine Überlappung
der Erregung der "Öffnungs-Spule" und der "Schließ-Spule" an demselben Zylinder
erfordern, das Messen auf der Low-Seite und die Zerhackung auf der
High-Seite ein System zur Folge (für einen Achtzylindermotor),
welches mindestens acht High-Side-Gates erfordert und die Verwendung
von Dreileiter-Einspritzventilen (bei denen die "Öffnungs-Spule" und die "Schließ-Spule" einen Leiter gemeinsam
benutzen) nicht gestattet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Verfahren und die Schaltung zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 8 definiert sind, bewirken, dass keine Notwendigkeit mehr
besteht, den Strom auf einer Seite zu steuern und ihn auf der anderen
Seite zu messen. Bei der vorliegenden Erfindung wird der zur Spule fließende Strom
erhöht
und dabei durch die Schaltung des Low-Side-Shunts überwacht.
Der Strom erhöht
sich so lange, bis er den vorgegebenen Schwellwert erreicht. Wenn
der vorgegebene Schwellwert erreicht worden ist, wird der Low-Side-Schalter ausgeschaltet,
und der Strom beginnt zu fallen. Anstatt während dieses Abfallens den
Strom zu messen, wird das Low-Side-Gate für eine vorgegebene Zeitdauer
ausgeschaltet. Wenn die vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, wird
das Low-Side-Gate wieder eingeschaltet, was zur Folge hat, dass
der Strom wieder zum vorgegebenen Wert hin ansteigt.
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Da
der fallende Strom nicht gemessen, sondern nur zeitlich gesteuert
wird, kann der Strom am Ende des zeitgesteuerten Zyklus höher oder
niedriger als gewünscht
sein. Dies wird durch den wachsenden Abschnitt des Zyklus kompensiert,
in dem der Strom gemessen wird. Falls zum Beispiel die Zeitdauer
zu lang war und ein Strom zu stark abgefallen ist, würde der
wachsende Strom länger
eingeschaltet, so dass er wieder einen ausreichend hohen Wert erreicht.
Ebenso wird, wenn die Zeitdauer zu kurz ist und dadurch bewirkt,
dass der Strom zu wenig fällt, der
wachsende Strom weniger lange eingeschaltet, so dass er wieder den
vorgegebenen Wert erreicht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in dem Maße leicht
ersichtlich, wie diese anhand der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten
ist, besser verständlich
wird, wobei:
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1 eine vereinfachte Prinzipdarstellung der
Steuerschaltung der Spulen eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine Prinzipdarstellung
der Steuerschaltung des Low-Side-Gates der "Öffnungs-Spule" von 1 ist;
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3 eine Prinzipdarstellung
der Steuerschaltung des Low-Side-Gates der "Schließ-Spule" von 1 ist;
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4 eine mögliche Anordnung der High- und
der Low-Side-Gates
von 1 zeigt, welche
in Verbindung mit der Steuerschaltung der vorliegenden Erfindung
verwendet werden könnte;
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5 eine Prinzipdarstellung
einer zweiten möglichen
Anordnung der High- und der Low-Side-Gates von 1 ist, welche in Verbindung mit der Steuerschaltung
der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist eine vereinfachte
Prinzipdarstellung der Steuerschaltung 20 der Spulen eines
Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden
Erfindung. Im Allgemeinen umfasst die Steuerschaltung 20 der
Spulen des Kraftstoffeinspritzventils einen Mikrocontroller 22,
welcher Steuersignale an die Steuerschaltung 24 der High-Side-Gates
sendet, welche wiederum Steuersignale an die High-Side-Gates 26 sendet.
Ferner sendet der Mikrocontroller 22 eine Vielzahl von
Steuersignalen an die Steuerschaltung 28 der Low-Side-Gates, welche wiederum
eine Steuerschaltung 30 des Low-Side-Gates der "Öffnungs-Spule" und eine Steuerschaltung 32 des Low-Side-Gates
der "Schließ-Spule" umfasst. Die Steuerschaltungen
der Low-Side-Gates
der "Öffnungs-Spule" und der "Schließ-Spule" 30, 32 senden eine
Vielzahl von Signalen zu den Low-Side-Gates 34. Bekanntlich
werden durch eine selektive Aktivierung der High-Side-Gates 26 und
der Low-Side-Gates 34 die
Spulen 35 des Kraftstoffeinspritzventils ein- und ausgeschaltet.
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Obwohl
weiter unten zwei mögliche
Anordnungen für
die High-Side-Gates 26 beschrieben
werden, bezieht sich die vorliegende Erfindung in erster Linie auf
die Funktionsweise der Low-Side-Gates 34 und insbesondere
auf die Steuerung der Low-Side-Gates 34 durch die Steuerschaltung 28 der Low-Side-Gates.
Zusätzliche
Einzelheiten, welche die Funktionsweise der Steuerschaltung 24 der High-Side-Gates
und andere mögliche
Anordnungen der High-Side-Gates 26 betreffen, sind ausführlich in der
Anmeldung mit der US-Seriennummer beschrieben, die an demselben
Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, deren Erwerber
und Erfinder identisch mit dem Erwerber und den Erfindern der vorliegenden
Anmeldung sind und welche hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme
einbezogen wird, so als ob sie im vorliegenden Dokument vollständig wiederholt
wäre. Natürlich könnte die
im vorliegenden Dokument beschriebene erfindungsgemäße Steuerung
der Low-Side-Gates stattdessen auch zur Steuerung der High-Side-Gates
verwendet werden. Der Mikrocontroller 22 ist so zu programmieren,
dass er die hier beschriebenen Funktionen ausführt. Fachleute sind vollkommen
in der Lage, eine solche Programmierung durchzuführen.
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Die 2 und 3 zeigen die Steuerschaltung 30 des
Low-Side-Gates der "Öffnungs-Spule" bzw. die Steuerschaltung 32 des
Low-Side-Gates der "Schließ-Spule" mit weiteren Einzelheiten.
Wie man sieht, sind die Steuerschaltung 30 des Low-Side-Gates
der "Öffnungs-Spule" und die Steuerschaltung 32 des
Low-Side-Gates der "Schließ-Spule" von ihrem Aufbau
her identisch. Deshalb werden die Bauteile in diesen Schaltungen 30, 32 mit
identischen Bezugszahlen bezeichnet, wobei der Zusatz "a" ein Bauteil in der Steuerschaltung 30 des
Low-Side-Gates der "Öffnungs-Spule" und der Zusatz "b" ein Bauteil in der Steuerschaltung 32 des
Low-Side-Gates der "Schließ-Spule" bezeichnet.
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Jede
Schaltung umfasst ein erstes UND-Gatter 40a, b, welches
ein Ausgangssignal erzeugt, das dem "geraden" Feldeffekttransistor (FET) (oder einem
anderen Typ von Schalter) zugeführt wird.
Ferner umfasst jede Schaltung ein zweites UND-Gatter 42a, b,
welches ein Ausgangssignal erzeugt, das dem "ungeraden" FET (oder einem anderen Typ von Schalter)
zugeführt
wird. Jede Steuerschaltung 30, 32 umfasst ferner
eine Zeitgeberschaltung, welche in diesem Falle vorzugsweise ein
Monoflop 44a, b ist. Das Monoflop 44a, b umfasst
bekanntlich eine bistabile Kippschaltung (Flipflop) 45a, b und eine
geeignete RC-Schaltung, die einen Widerstand 46a, b und
einen Kondensator 48a, b enthält, welche so gewählt sind,
dass sie dafür
sorgen, dass die erforderliche Zeitdauer abgelaufen ist, bevor das
Monoflop kippt. Natürlich
hängt die
zeitliche Steuerung von der speziellen Anwendung der vorliegenden
Erfindung ab.
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Die
Eingänge
der UND-Gatter 40a, b, 42a, b sind folgende. Erstens
empfangen die ersten UND-Gatter 40a, b Signale valve_select0 ("Ventil_wählen0") vom Mikrocontroller 22 (1). Dies zeigt einfach an,
ob derzeit ein "gerades" oder "ungerades" Einspritzventil
betätigt
wird. Folglich wird das Signal valve_select0 von Invertern 50a,
b invertiert, bevor es in die zweiten UND-Gatter 42a bzw. 42b eingespeist
wird.
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Zweitens
empfängt
jedes UND-Gatter 40a, b, 42a, b ein Eingangssignal,
das anzeigt, ob ein Kurzschluss erkannt worden ist, was das Ausschalten
der entsprechenden Gates bewirken würde. Drittens wird der Zeitablauf
der Impulse durch ein Signal forward_pulse (Vorwärts_Impuls) vom Mikrocontroller 22 (1) gesteuert (getrennt für die "Öffnungs-Spule" und die "Schließ-Spule"). Das Signal wird
auch zu sämtlichen
UND-Gattern 40a, b, 42a, b gesendet. Schließlich empfängt jedes
der UND-Gatter 40a, b, 42a, b ein Eingangssignal
von der Zeitgeberschaltung 44a bzw. 44b. Die Zeitgeberschaltung wird
durch ein Eingangssignal (OC_20A oder CC_20A) ausgelöst, welches
anzeigt, dass der durch die Spule fließende Strom einen vorgegebenen
Wert überschritten
hat (in diesem Falle 20 Ampere).
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Die
Funktionsweise der Zeitgeberschaltung 44a, b wird nachfolgend
mehr im Zusammenhang beschrieben. Wenn die Zeitgeberschaltung 44a durch
eine Meldung aktiviert wird, dass der Strom durch die entsprechende
Spule den vorgegebenen Wert überschritten
hat, wird die Schaltung 45a, b gesetzt, wobei sie den Ausgang
_Q schließt,
der beide UND-Gatter 40a, b, 42a, b ausschaltet,
wodurch er das entsprechende Low-Side-Gate ausschaltet. Das entsprechende
Low-Side-Gate ist ausgeschaltet, bis auf der Basis der RC-Schaltung 46a,
b, 48a, b die Zeitauslösung der Zeitgeberschaltung 44a,
b erfolgt und der Ausgang _Q High-Pegel annimmt, wodurch er
die UND-Gatter 40a, b, 42a, b wieder einschaltet und
das entsprechende Low-Side-Gate wieder einschaltet. Es ist anzumerken,
dass der durch die Spule fließende
Strom nicht gemessen wird, während das
Gate ausgeschaltet ist. Vielmehr wird das Gate einfach für eine vorgegebene
Zeitdauer ausgeschaltet.
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Die
Steuerschaltungen 30, 32 des Low-Side-Gates der "Öffnungs-Spule" bzw. der "Schließ-Spule", die in den 2 und 3 dargestellt sind,
können
mit vielen verschiedenen Anordnungen der Gates zum Steuern der Erregung
und Ausschaltung der Spulen verwendet werden. Zwei mögliche Beispiele
sind in den 4 und 5 dargestellt, es könnten jedoch
auch andere Anordnungen verwendet werden.
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4 zeigt eine Schaltung 80 der
Spulen von Kraftstoffeinspritzventilen, welche High-Side-Gates 26 und
Low-Side- Gates 34 enthält. Die Low-Side-Gates 34 würden durch
die Schaltung der 2 und 3 gesteuert. Die Schaltung 80 der
Spulen von Kraftstoffeinspritzventilen von 4 ist für einen Achtzylindermotor dargestellt,
wobei jeder Zylinder (A bis H) jeweils ein Einspritzventil (nicht
dargestellt), eine "Öffnungs-Spule" (O_A-H) und eine "Schließ-Spule" (CC_A-H) aufweist.
In dieser Schaltung 80 der Spulen von Kraftstoffeinspritzventilen
von 4 sind vier High-Side-Gates
Q1, Q5, Q9 und Q13 vorhanden, welche als Feldeffekttransistoren dargestellt
sind, bei denen es sich jedoch auch um andere Gates oder Schalter
handeln könnte.
Jedes High-Side-Gate
verbindet die Versorgungsspannung selektiv mit einem geraden und
einem ungeraden Paar von "Öffnungs-Spulen" und "Schließ-Spulen".
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Ebenso
sind die Low-Side-Gates Q17–20 auch
als Feldeffekttransistoren dargestellt, es könnten jedoch auch andere Typen
von Gates sein. In 4 verbindet
das Gate Q17 die ungeraden "Öffnungs-Spulen" selektiv mit Masse.
Q18 verbindet die ungeraden "Schließ-Spulen" mit Masse. Das Gate Q19
verbindet die geraden "Öffnungs-Spulen" selektiv mit Masse,
und das Gate Q20 verbindet die geraden "Schließ-Spulen" selektiv mit Masse. Folglich würde das
Gate Q17 den Ausgang des UND-Gatters 42A von 2 empfangen. Q18 würde den
Ausgang des UND-Gatters 42b von 3 empfangen. Das Gate Q19 würde den
Ausgang des UND-Gatters 40a von 2 empfangen, und das Gate Q20 würde den
Ausgang des UND-Gatters 40a von 2 empfangen.
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In
der Schaltung 80 wird das Signal OC_20A von 2, welches anzeigt, dass
der vorgegebene Wert des Stroms erreicht worden ist, von Komparatoren 66, 67 bereitgestellt,
welche die Spannung an Nebenschlusswiderständen 68 bzw. 69 für den Strom der "Öffnungs-Spulen" messen. Komparatoren 70, 71 und
Nebenschlusswiderstände 72, 73 liefern
die Meldung, dass der Strom durch die "Schließ-Spulen" den vorgegebenen Wert überschritten
hat. Ähnlich zeigen
der Komparator 74 zusammen mit dem Nebenschlusswiderstand 75 und
der Komparator 76 zusammen mit dem Nebenschlusswiderstand 77 das Vorliegen
eines Kurzschlusses an, zum Beispiel bei 30 Ampere oder mehr.
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Im
Betrieb werden die High-Side-Gates 26 und die Low-Side-Gates 34 selektiv
aktiviert, so dass sie ausgewählte
Spulen OC_A-H, CC_A-H aktivieren. Zum Beispiel wird, wenn der durch
die Spule OC_A fließende
Strom einen vorgegebenen Wert übersteigt,
wie durch den Komparator 66 ermittelt worden ist, die Zeitgeberschaltung 44a geschaltet, was
bewirkt, dass _Q Low-Pegel annimmt, wodurch das UND-Gatter 42a ausgeschaltet
wird, welches dadurch das Gate Q17 ausschaltet. Nachdem die RC-Schaltung 46a, 48a gekippt
ist, wird das Flipflop 45a gesetzt, was zur Folge hat,
dass _Q High-Pegel annimmt, wodurch das UND-Gatter 42a wieder
eingeschaltet wird, und ebenso das Low-Side-Gate Q17. Auf diese
Weise wird das Low-Side-Gate Q17 auf der Grundlage dessen, dass
der Strom einen vorgegebenen Wert übersteigt, ausgeschaltet und
nach einer vorgegebenen Zeitdauer wieder eingeschaltet. Die anderen
Low-Side-Gates funktionieren ähnlich.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Steuerung des durch die Spulen
fließenden
Stroms bereitgestellt, ohne dass der Strom auf einer Seite gesteuert
und auf der anderen Seite gemessen werden muss. Nachdem das Low-Side-Gate
ausgeschaltet worden ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht der Strom während
des Abfallens des Stroms gemessen, sondern die Aus-Zeit des Low-Side-Gates
wird so gesteuert, dass sie einer vorgegebenen Zeitdauer entspricht.
Wenn die Zeitgeberschaltung abläuft,
wird das Low-Side-Gate wieder eingeschaltet, was zur Folge hat,
dass der Strom wieder auf den vorgegebenen Wert ansteigt.
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Es
ist zu beachten, dass, da der fallende Strom nicht gemessen, sondern
nur zeitlich gesteuert wird, der Strom am Ende des zeitgesteuerten
Zyklus höher
oder niedriger als gewünscht
sein kann. Dies wird durch den wachsenden Abschnitt des Zyklus kompensiert,
in dem der Strom gemessen wird. Falls die Zeitdauer zu lang war
und ein Strom zu stark abgefallen ist, wird der wachsende Strom
länger
eingeschaltet, so dass er wieder ausreichend ansteigt. Ebenso wird,
wenn die Zeitdauer zu kurz ist und dadurch bewirkt, dass der Strom
zu wenig fällt,
der wachsende Strom weniger lange eingeschaltet, so dass er wieder
den vorgegebenen Wert erreicht.
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5 zeigt eine andere Steuerschaltung 90 der
Spulen eines Kraftstoffeinspritzventils, welche in Verbindung mit
der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte. Die Schaltung 90 beinhaltet
eine andere Anordnung der High-Side-Gates 26 und enthält doppelt
so viele von ihnen. Die Funktionsweise der Low-Side-Gates 34 ist
jedoch mit der identisch, welche oben unter Bezugnahme auf
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4 beschrieben wurde. Es
ist zu beachten, dass noch weitere Anordnungen der Spulen und Gates 26, 34 in
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnten.
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Entsprechend
der Bestimmungen der Patentgesetze und des Patentrechts werden die
oben beschriebenen beispielhaften Konfigurationen als eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung darstellend angesehen.