EP0306839A1

EP0306839A1 - Verfahren und Einrichtung zum Ansteuern von Elektromagneten, insbesondere in Einspritzventilen

Info

Publication number: EP0306839A1
Application number: EP88114289A
Authority: EP
Inventors: Gernot Sikora; Franz Altinger
Original assignee: Sikora Gernot Dipl-Ing
Priority date: 1987-09-07
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1989-03-15
Also published as: DE3729954C2; DE3729954A1; WO1989002523A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ansteuern von geschaltenen Elektromagneten (3a bis 3n) insbesondere in Einspritzventilen (2a bis 2n) für Verbrennungsmotoren. Um die Ansteuerung zu optimieren und insbesondere die Einschaltverzögerung zu reduzieren, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, einen kurzen Impuls mit hoher Spannung durch den Elektromagneten zu leiten, der so bemessen ist, daß keine thermischen Überlastungen auftreten. Anschließend wird nur eine geringe Halteenergie, z. B. ein konstanter Haltestrom, dem Elektromagneten (3a bis 3n) zugeführt. Mit einer solchen Ansteuerung kann die Einschaltverzögerung gegenüber herkömmlichen Ansteuerungen merklich herabgesetzt werden; außerdem ist auch die Ausschaltverzögerung geringer.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ansteuern von schaltenden Elektromagneten, insbesondere in Einspritzventilen gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Bei modernen Kraftfahrzeugen wird der Brennstoff über elektrisch angesteuerte Einspritzventile dem Verbrennungsraum des Motors zugeführt. Die Kraftstoffdosierung und die Kennfeldzündung erfolgt hierbei über ein zentrales Rechnersystem, das Systemdaten aus verschiedenen von Sensoren gelieferten Meßwerten berechnet und entsprechende pulsbreitenmodulierte Steuersignale an einen Elektromagneten des Ventils liefert. Als Sensoren dienen Luftmengenmesser, Kühlwassertemperaturmesser, Lufteintrittstemperaturmesser, die die Eintrittstemperatur der Luft am Eingang zu dem Verbrennungsraum messen, Lufttemperaturmesser, Umdrehungsmarkengeber, Drehzahlgeber und Drosselklappenschalter. Die Zumischung des Kraftstoffes in den Luftstrom während des Ansaugverfahrens des zugeordneten Zylinders bringt die besten technischen Ergebnisse. Die kurzen, zur Verfügung stehenden Zeiten und die erheblichen Totzeiten der Einspritzventile bei vorgegebenem maximalen Kraftstoffvolumen zwingen zum Kompromiß, den Kraftstoff nicht in einmaligem Vorgang als Paket, sondern in vier Teilvolumina unterteilt bei jedem Takt der Verbrennungsmaschine abzuspritzen. Mit diesem Kompromiß werden aber die Vorteile einer guten Luft-Kraftstoff-Durchmischung eines Einspritzers wieder weitgehend aufgehoben.
Bei einem Viertakt-Vierzylindermotor erfolgen zwei aufeinanderfolgende Zündvorgänge nach 180° Kurbelwellenumdrehung. Die Öffnungszeit des Einspritzventiles zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen pro 180° Kurbelwellenumdrehung wird hierbei als Einspritzwinkel bezeichnet. In diesem Zyklus werden auch die pulsbreitenmodulierten Steuerimpulse vom Prozeßrechner abgegeben.
Bei der Kraftstoffdosierung mit Einspritzventilen in einem solchen intermittierenden Betrieb sollte das Verhältnis zwischen der Kraftstoffmenge und dem oben erwähnten Tastverhältnis der pulsdauermodulierten Signale bzw. dem Einspritzwinkel möglichst konstant sein. Wird die zudosierte Kraftstoffmenge über der Motordrehzahl aufgetragen, mit dem Tastverhältnis bzw. Einspritzwinkel als Parameter, so sollten die Kennlinien im Idealzustand möglichst linear verlaufen und für einen gegebenen Einspritzwinkel für alle Motordrehzahlen den gleichen Wert für die zudosierte Kraftstoffmenge aufweisen. Die Messungen, die mit bekannten Einspritzventilen vorgenommen wurden, ergaben jedoch erhebliche Abweichungen von diesem Idealverlauf. Die Kennlinien fallen bei bekannten Einspritzventilen in Richtung zu höheren Drehzahlen ab, wobei diese Kennlinien noch dazu keinen linearen sondern einen unregelmäßigen Verlauf zeigen.
Es sind zwar in der Zwischenzeit neue Einspritzventile auf dem Markt, die keine Vorwiderstände mehr aufweisen. Dies ist möglich, da die Wicklung der Elektromagnete aus einer Art isoliertem Widerstandsdraht besteht. Der Vorwiderstand ist daher in der Magnetwicklung integriert. Die mit solchen Einspritzventilen durchgeführten Messungen ergaben einen deutlich besseren Verlauf der Kennlinien: Die Kennlinien zeigen einen lineareren Verlauf als diejenigen der vorher erwähnten Einspritzventile und fallen gegen höhere Drehzahlen auch nicht so merklich ab. Gleichwohl sind auch diese Kennlinien vom Idealverlauf entfernt.
Die Hauptbestandteile elektrischer Einspritzventile herkömmlicher Art sind der Düsenteil mit dem Düsenstock, die Wicklung des Elektromagneten, der magnetische Kern, der Anker, die Rückholfeder sowie das Gehäuse mit Kraft stoffleitungsanschlüssen. Am Eingang des Einspritzventiles liegt permanent ein konstanter Kraftstoffdruck an, wobei die Rückholfeder mit einer solchen Kraft gegen den Düsenstock drückt, daß das Einspritzventil zuverlässig geschlossen ist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Wicklung des Elektromagneten baut sich in diesem ein magnetisches Feld zeitlinear auf, so daß zu einem bestimmten Zeitpunkt die Federkraft überwunden wird und der Anker aus weichmagnetischem Werkstoff axial an den Kern des Elektromagneten gezogen wird. Die Bewegungsstrecke des Ankers und somit auch des damit verbundenen Düsenstockes ist mechanisch durch eine Scheibe eingegrenzt. Der Strom in der Wicklung des Elektromagneten steigt zeitlinear bis zur Sättigung des Kernes weiter an und wird nun nur noch durch den Vorwiderstand des Einspritzventiles bzw. den Widerstand des Wicklungsdrahtes begrenzt. Die Feldstärke im Elektromagneten ist hierbei proportional dem Produkt aus Strom und Windungszahl geteilt durch die Länge des magnetischen Weges.
Die Parameter für eine optimale Ansteuerung der Elektromagneten haben hierbei diametralen Verlauf. Für eine vorgegebene mechanische Kraft ist eine große Induktivität erforderlich, um den Strom niedrig zu halten und keine aufwendigen Steuerschaltungen zu benötigen.
Mit größerwerdender Induktivität sinkt bei konstanter Spannung aber die Stromanstiegsgeschwindigkeit und die Totzeit bis zum Durchschaltestrom, die durch das Verhältnis der Induktivität und des Widerstandes gegeben ist.
Es ist noch von besonderer Bedeutung, daß im Einschaltmoment der Anker vom Kern entfernt ist und daher aufgrund der degressiven Felddichte als Funktion der Entfernung eine erheblich höhere Feldstärke für die Bewegung des Ankers erforderlich ist als im eingeschwungenen Zustand. Andererseits muß aber die magnetische Energie in der Wicklung des Elektromagneten, die im Abschaltmoment ihr Maximum erreicht hat, abgebaut werden. Erfolgt der Abbau schnell, so sind hohe Spannungsspitzen die Folge. Erfolgt der Abbau gedämpft, findet durch die Gegen-EMK eine Ausschaltverzögerung statt. Die Einschaltverzögerung durch den zeitlinearen Stromanstieg und die Ausschaltverzögerung durch die gespeicherte magnetische Energie sind die beiden wesentlichen Störparameter, die für nichtlineare Zusammenhänge bei der Kraftstoffdosierung verantwortlich sind.
Die Problematik bei der Ansteuerung von geschalteten Elektromagneten ist im obigen zwar nur im Zusammenhang mit elektromagnetischen Einspritzventilen für Verbrennungsmotore geschildert worden. Jedoch treffen diese Überlegungen insbesondere hinsichtlich der Einschalt- und Ausschaltverzögerung für alle geschalteten Elektromagneten auch bei anderen Anwendungsarten zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit denen insbesondere die Einschalt- und Ausschaltverzögerung von geschalteten Elektromagneten, insbesondere in elektrisch angesteuerten Einspritzventilen so reduziert werden können, daß die Schaltkennlinien möglichst optimal verlaufen.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale in den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Demgemäß ist der Leitgedanke der Erfindung darin zu sehen, mittels einer spezifischen Steuerschaltung ohne Änderung oder Veränderung am durch den Elektromagneten geschalteten Bauteil bauteilspezifische Parameter zu beeinflussen und die beiden obengenannten Störparameter zu reduzieren bzw. zu eliminieren und somit den Betrieb des Bauelementes im zulässigen Kennlinienfeld sicherzustellen. Die Schaltkennlinien zeigen annähernd den gewünschten horizontalen Verlauf.
Der Elektromagnet beispielsweise eines Einspritzventils wird in der Einschaltphase innerhalb eines definierten und insbesondere von der Einschaltdauer unabhängigen und sehr kurzen Zeitrahmens bewußt mit einem Anfangsimpuls hoher Spannungsamplitude übersteuert, wobei wegen der kurzen Zeit des Anfangsimpulses die Wicklungen des Elektromagneten thermisch nicht überlastet werden. Um die vorgegebene geringe Einschaltverzögerung zu erreichen, wird die ungeregelte Speisespannung auf ein geregeltes hohes Spannungsniveau hochtransformiert, das in der Regel dem Mehrfachen der Speisespannung entspricht. Der Anker bewegt sich auf diese Weise sehr schnell in die andere Position, die z. B. die Offenposition eines Einspritzventiles ist. Der Stromanstieg ist hierbei praktisch zeitlinear. Die Schaltbewegungen des Ankers sind auch im Zeitverlauf eindeutig reproduzierbar. Nach der Einschaltübersteuerung wird dem Elektromagneten nur eine für ein sicheres Halten des Ankers notwendige Minimalenergie zur Verfügung gestellt, was bevorzugt durch einen minimalen und vorzugsweise konstanten Haltestrom geschieht.
Durch die Übersteuerung in der Einschaltphase wird die Einschaltverzögerung um etwa eine Zehnerpotenz verbessert. Liegt die Einschaltverzögerung z. B. herkömmlicher Einspritzventile bei etwa 2 msec, so werden gemäß der Erfindung Werte zwischen 0,1 und 0,3 msec erreicht.
Die Einschaltübersteuerung erfolgt mit hohen Spannungen, die für Einspritzventile in Kraftfahrzeugen zwischen 40 und 80 V liegen. Diese Spannungen sind in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen nicht erreichbar, so daß diese in separaten Schaltungsstufen erzeugt werden müssen. Eine bevorzugte Möglichkeit hierzu ist eine Wandlung der Bordnetzspannung von üblicherweise 12 V auf den gewünschten Wert mit Hilfe eines Transformators, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 35 46 410.0 beschrieben ist.
Ebenso wird mit einer Ansteuerung eines Elektromagneten gemäß der Erfindung die Ausschaltverzögerung gesenkt, da nur eine geringe magnetische Energie abgebaut werden muß.
Der Anfangsimpuls hoher Spannungsamplitude kann mit der in Kraftfahrzeugen zur Verfügung stehenden Bordnetzspannung prinzipiell auf mehrere Arten erzeugt werden. So wäre die Erzeugung des Anfangsimpulses ähnlich zu realisieren wie die Erzeugung des Zündimpulses. Diese Lösung ist jedoch nicht zu empfehlen, da dann in einem entsprechenden Impulstransformator primärseitig Ströme von ca. 20 Ampere auftreten würden. Nachteilig sind dann auch die notwendigen verstärkten Querschnitte der Versorgungsleitungen und notwendige große Filterkapazitäten. Außerdem erfolgt hierbei eine hohe elektromagnetische Störabstrahlung. Als Leistungsschalter müßten Halbleiter verwendet werden, die hohe Spitzenströme aushalten. Insgesamt ist eine komplizierte Ansteuerung mit hohem Schaltungsaufwand erforderlich.
Ferner bestünde die Möglichkeit, Elektrolytkondensatoren zu verwenden. Für derartige hohe Impulsleistungen sind jedoch konventionelle und kostengünstige Kondensatoren nicht vorhanden. Außerdem sind Elektrolytkondensatoren für derartige Impulsanwendungen nur bedingt tauglich, z. B. aufgrund Ihres hohen Bauvolumens, ihres ungünstigen Temperaturverhaltens und schlechten elektrischen Schaltverhaltens aufgrund der Induktivität.
Bevorzugt wird daher mittels eines schnellen, einen Transformator aufweisenden Wandlers ein Speicherkondensator kontinuierlich auf einem hohen Ladezustand gehalten, der über eine von der Steuerschaltung angesteuerte Schaltvorrichtung seine Ladung impulsartig an das Einspritzventil abgibt. Als Leistungschalter wird hierbei ein Halbleiter verwendet. Diese Lösung ist erheblich einfacher und kostengünstiger als die oben erwähnten.
Zum schnellen Durchschalten des Elektromagenten mit Hilfe des hohen Spannungsanfangsimpulses wird eine bestimmte Energie benötigt. Da mit Hilfe des Speicherkondensators eine relativ hohe Zwischenspannung zur Verfügung gestellt wird, treten in den Wicklungen des Elektromagneten nur relativ geringe Ströme auf, die Werte zwischen dem 2- bis 4-fachen des Dauerlaststromes betragen und wegen der Kurzzeitigkeit des Anfangsimpulses keine thermische Überlastung der Wicklung des Elektromagneten zur Folge haben. Bei einer vorgegebenen zulässigen Ladung am Speicherkondensator ist auch eine erheblich kleinere Kapazität zulässig, die sich in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrofarad bewegt. Solche Kondensatoren sind in einer Polypropylenausführung kostengünstig erhältlich. Dieser Typ von Kondensatoren hat ein extrem gutes Impulsverhalten, so daß insgesamt bessere Werte als mit Elektrolytkondensatoren zu erreichen sind. Der Kondensator wird durch den schnellen Wandler relativ langsam aufgeladen und gibt dann beim Durchschalten impulsartig seine Ladung an den jeweiligen Elektromagneten ab.
Bevorzugt wird für die Bereitstellung der niedrigen Halteenergie für den Elektromagneten eine Konstantstromquelle verwendet.
Werden mehrere Elektromagneten zeitlich nacheinander angesteuert, z. B. die Elektromagneten von Einspritzventilen eines Motors, so können der Wandler, die Schaltvorrichtung und die Konstantstromquelle für alle Einspritzventile eines Motors gemeinsam verwendet werden. Für jedes Einspritzventil ist dann ein separater Leistungsschalter vorhanden. Durch diese Lösung vereinfacht sich die Ansteuerschaltung wesentlich, da nicht für jedes Einspritzventil eine separate Ansteuerschaltung notwendig ist.
Unabhängig von der Realisierung der Ansteuerung der Einspritzventile werden diese Einspritzventile konstruktiv nicht verändert, so daß auch bestehende Ansteuerschaltungen im Sinne der Erfindung umgerüstet werden können.
Mit der Erfindung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht, und zwar unter anderem:
Die Eckfrequenz des Einspritzventiles, d. h. die Frequenz, bei der trotz eines Ansteuersignales das Einspritzventil nicht mehr öffnet, ist deutlich nach oben angehoben.
Der bei der Kraftstoffdosierung durch die Einschaltverzögerung bedingte Fehler wird erheblich herabgesetzt, so daß die Einspritzmenge bei allen in der Praxis auftretenden Einspritzwinkeln und Umdrehungen des Motors pro Minute im Vergleich zu herkömmlich angesteuerten Einspritzventilen wesentlich besser kontrolliert werden kann.
Die zudosierte Kraftstoffmenge kann in einem einzigen Zyklus abgegeben werden anstelle in mehreren Portionen wie beim Stand der Techik.
Die Kennlinien eines gemäß der Erfindung angesteuerten Einspritzventiles zeigen einen wesentlich besseren linearen Verlauf als diejenigen herkömmlich angesteuerter Einspritzventile.
Aufgrund der mit der Erfindung möglichen präzisen Kraftstoffdosierung wird die Leistung des Motors angehoben, der Verbrauch gesenkt, der Kraftstoff besser ausgenutzt und insbesondere auch eine wesentlich geringere Schadstoffemission als bisher erreicht. Gerade der letztgenannte Vorteil macht es möglich, die Schadstoffemission von Motoren auf so geringe Werte zu senken, die ansonsten nur mit anderen Hilfsmitteln, wie z. B. Katalysatoren erreichbar sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer Einrichtung gemäß der Erfindung zum Ansteuern von mehreren Einspritzventilen;
Fig. 2 Diagramme für die Steuerspannung, den Stromverlauf durch einen Elektromagneten des Einspritzventils und für die Einspritzmenge, jeweils aufgetragen über der Zeit, einerseits für eine herkömmliche Ansteuerung und andererseits für eine erfindungsgemäße Ansteuerung eines Einspritzventiles;
Fig. 3 zwei Kennliniendiagramme für die Einspritzmenge pro Zeit über der Drehzahl einer Brennkraftmaschine pro Minute mit dem Einspritzwinkel als Parameter, und zwar ein Kennliniendiagramm für herkömmlich angesteuerte und ein weiteres Kennliniendiagramm für erfindungsgemäß angesteuerte Einspritzventile;
Fig. 4a und b Diagramme für die errechneten Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei herkömmlicher Ansteuerung bzw. erfindungsgemäßer Ansteuerung eines Einspritzventiles.

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Einspritzsystems 1 für einen Verbrennungsmotor dargestellt. Das Einspritzsystem weist mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritzventile 2a bis 2n mit jeweils einem Elektromagneten 3a bis 3n auf, die mit Hilfe eines Rechners 4 mit pulsdauermodulierten Steuersignalen angesteuert werden, wobei der Rechner dieses Steuersignal in herkömmlicher Weise aufgrund von Meßwerten errechnet, die von mehreren Sensoren geliefert werden. Die Steuersignale des Rechners 4 werden über einen Impulsformer 5 einer Impulsquelle 6 zugeführt, deren Ausgangsimpulse über je einen Leistungsschalter 7a bis 7n für jedes Einspritzventil dem zugehörigen Elektromagneten 3a bis 3n zugeleitet werden, wobei zwischen den Zuführungsleitungen zu den jeweiligen Elektromagneten 3a bis 3n jeweils noch ein Filternetzwerk 17a bis 17n vorgesehen ist, um Spitzenwerte der zugeführten Signale abzubauen. Die Leistungsschalter werden über einen Decoder 8 angesteuert, der seinerseits Steuersignale vom Rechner 4 erhält. Ferner ist noch ein vom Rechner 4 angesteuerter Datenkonverter 9 vorgesehen, der mit dem Impulsformer 5 und dem Decoder 8 verbunden ist.
Die Impulsquelle 6 ist mit einer Eingangsklemme 10 an die Spannung U eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges und mit einer anderen Eingangsklemme 11 an ein Grundpotential, z. B. Masse, gelegt. Mit der Eingangsklemme 10 ist in einem ersten Zweig der Impulsquelle 6 ein Gleich spannungs/Gleichspannungswandler 12 und ein Impulsschalter 13 sowie in einem anderen Zweig parallel dazu eine Konstantstromquelle 14 verbunden. Zwischen den Eingangsklemmen 10 und 11 ist noch ein Filterkondensator oder eine Kondensatoranordnung 15 vorgesehen. Zwischen der mit der Eingangsklemme 11 verbundenen Grundpotentialleitung und einem Verbindungspunkt zwischen dem Wandler 12 und dem Impulsschalter 13 ist ein Speicherkondensator 16 gelegen.
Der Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 12 wandelt die Bordspannung U von z. B. 12 V in eine höhere Spannung von z. B. 80 V um. Hierzu ist in dem Wandler 12 ein Transformator mit einer Primärwicklung von 9 Windungen und einer Sekundärwicklung von 72 Windungen vorgesehen. Auf der Primärseite ist noch eine Entmagnetisierungswicklung mit 12 Windungen vorgesehen.
Die Funktion des beschriebenen Einspritzsystem ist folgende:
Der Rechner 4 gibt ein anhand der von den Sensoren berechneten Meßwerten pulsbreitenmoduliertes Steuersignal an den Impulsformer 5 und den Datenkonverter 9 ab und außerdem ein Markierungssignal an den Decoder 8. Mit dem Markierungssignal werden die entsprechenden Leistungsschalter 7a bis 7n der einzelnen Einspritzventile 2a bis 2n angesteuert und jeweils für die durch das pulsbreitenmodulierte Steuersignal vorgegebene Zeitdauer geschlossen. Der Impulsformer 5 steuert seinerseits den Impulsschalter 13 an, der dadurch eine vorbestimmte Zeitdauer, in diesem Falle von 250 µsec geschlossen wird. Die Ladung des Speicherkondensators 16 wird während dieser Zeitspanne impulsartig über den Leistungsschalter 7a dem Elektromagneten 3a zugeführt. Durch diesen kurzfristigen hohen Spannungsimpuls wird das jeweilige Einspritzventil mit nur einer geringen Einschaltverzögerung von etwa 0,25 msec geöffnet. Im Anschluß an den hohen Spannungsimpuls wird von der Konstantatromquelle 14 ein geringer Haltestrom dem jeweiligen Elektromagneten 3a bis 3n zugeführt, der das Einspritzventil in der Offenstellung hält. Wird bei Abfall des Steuersignales der Leistungsschalter 7a geöffnet, dann wird das Einspritzventil durch eine hier nicht gezeigte Druckfeder wieder in die Schließstellung bewegt, wobei dieses mit nur einer geringen Verzögerung erfolgt. Während der Offenstellung des jeweiligen Einspritzventiles 2a und 2n wird eine durch die Dauer des Steuersignales bestimmte vorgegebene Kraftstoffmenge vom Einspritzventil abgespritzt. Durch die Ansteuerung der Einspritzventile über den Datenkonverter 9 und den Dekoder 8 wird sichergestellt, daß Kraftstoff nur in denjenigen Zylinder des Motors gespritzt wird, dessen Kolben sich im Ansaugtakt befindet. Eine Abspritzung in mehreren Portionen, wie beim Stand der Technik, kann vermieden werden, so daß die Vorteile der Einspritzung voll genutzt werden.
In Fig. 2 ist auf der linken Seite ein Signaldiagramm für eine herkömmliche Ansteuerung eines Einspritzventiles, auf der rechten Seite ein Signaldiagramm für eine erfindungsgemäße Ansteuerung des gleichen Einspritzventiles dargestellt. In der obersten Zeile a ist ein Teil eines pulsdauermodulierten Zuges der vom Rechner gelieferten Steuerspannung dargestellt. In Zeile b für die herkömmliche Ansteuerung sieht man, daß der Stromverlauf durch den Elektromagneten linear ansteigt, bis der Strom einen Wert erreicht, an dem der Anker des Elektromagneten die Kraft der Druckfeder in dem Einspritzventil überwindet und das Einspritzventil dadurch geöffnet wird. Die Verzögerungszeit zwischen der ersten Flanke der Steuerspannung bis zum Beginn der Öffnung beträgt etwa 2 msec. Der Schaltstrom steigt anschließend weiter an und fällt mit der Endflanke der Steuerspannung ab. In diesem Moment beginnt die Schließbewegung des Ankers, die durch die Druckfeder des Einspritzventiles eingeleitet wird. Das Einspritzventil ist nach einer kurzen Verzögerungszeit wieder vollständig geschlossen. Dieser Zyklus wiederholt sich entsprechend dem Verlauf der Steuerspannung.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung steigt durch die schlagartige Entladung des Speicherkondensators 16 der Strom durch den Elektromagneten des jeweiligen Einspritzventiles sehr schnell an und erreicht bereits nach einer Verzögerungszeit von etwa 0,25 msec den Schaltstromwert, so daß das Einspritzventil geöffnet wird. Der Öffnungsvorgang hat bereits kurz davor eingesetzt, und zwar aufgrund der hohen Stromwerte. Während des kurzen Impulses über 250 µsec fließen in der Primärwicklung des jeweiligen Elektromagneten im Einspritzventil Ströme bis zu 3 Ampere. Aufgrund der kurzen Zeitdauer von 250 µsec führen diese jedoch nicht zu einer thermischen Überlastung der Wicklung. Nach Ende dieses kurzen Stromimpulses wird durch die Konstantstromquelle 14 ein geringer Haltestrom geliefert, der den Anker des jeweiligen Elektromagneten 3a bis 3n in der Offenstellung des Ventiles hält. Der Wert dieses Haltestromes ist wesentlich geringer als der für die Einleitung der Schaltung des Ventiles notwendige Schaltstrom. Mit der Endflanke der Steuerspannung braucht dann nur die durch den geringen Haltestrom ebenfalls geringe magnetische Energie in dem Elektromagneten abgebaut werden, so daß das Ventil nach einer sehr kurzen Verzögerungszeit wieder geschlossen ist.
Der Momentanwert der Feldstärke ist der relevante Parameter für das Öffnen des Einspritzventiles. Dieser Momentanwert ist eine Funktion der Zeitkonstante, d. h. des Verhältnis ses zwischen der Induktivität und dem Widerstand sowie der Versorgungsspannung. Die Einschaltverzögerung ist somit eine Funktion dieser drei Größen. Während die Versorgungsspannung bei einer Ansteuerung gemäß dem Stande der Technik eine Konstante ist, ist sie erfindungsgemäß eine Variable, mit deren Hilfe die Einschaltverzögerung ebenfalls variabel wird. Durch entsprechende Bemessung der Amplitude des Anfangsimpulses und dessen Dauer können die Werte für die Einschalt- und Ausschaltverzögerung optimiert werden.
In den letzten Zeilen c der Fig. 2 sieht man, daß die Einspritzmenge bei einer herkömmlichen Ansteuerung durch die hohe Verzögerungszeit bei der Einschaltung des Einspritzventiles wesentlich von dem Verlauf der Steuerspannung abweicht. Da die Verzögerungszeit bei der Einschaltung unabhängig von dem Verlauf der Steuerspannung konstant ist, ist einleuchtend, daß keine Proportionalität zwischen dem Zeitverlauf der Steuerspannung und dem Zeitverlauf der Einspritzmenge gegeben ist. Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung durch die geringe Verzögerungszeit bei der Einschaltung eine annähernd optimale Proportionalität zwischen dem Zeitverlauf der Einspritzmenge und der Steuerspannung gewährleistet.
In der Fig. 3 sind mit durchgezogenen Linien ein Kennliniendiagramm für die Durchflußmenge pro Zeiteinheit aufgetragen über der Motorumdrehung pro Minute mit dem Einspritzwinkel als Parameter bei einer herkömmlichen Ansteuerung und mit durchbrochenen Linien bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung desselben Einspritzventiles dargestellt. Man sieht deutlich, daß bei Einspritzwinkeln bis 144° die Kennlinien bei herkömmlicher Ansteuerung in Richtung auf höhere Drehzahlen abfallen und nur bei einem Einspritz winkel von 162° oberhalb von etwa 4000 Umdrehungen pro Minute ansteigen. Der gewünschte lineare, horizontale Verlauf wird nicht erreicht. Man sieht, daß dies jedoch für sämtliche Kennlinien bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung annähernd optimal der Fall ist. Die Kennlinien weisen eine gute Linearität auf, was die oben genannten Vorteile erbringt.
In Fig. 4a ist der theoretisch ermittelte Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei einer herkömmlichen Ansteuerung eines Einspritzventiles mit einer ermittelten Einschaltverzögerung von 2 msec dargestellt, in Fig. 4b der Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung desselben Einspritzventiles, jeweils mit dem Einspritzwinkel als Parameter. Dieser Fehler kommt im wesentlichen durch die Einschaltverzögerung des Einspritzventiles zustande. Man sieht, daß der Fehler bei einer herkömmlichen Ansteuerung bereits bei geringen Umdrehungen pro Minute beträchtliche Werte aufweist, während dieser Fehler bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung wesentlich kleiner ist und lediglich für geringe Einspritzwinkel bis etwa 40° merkliche Werte annimmt.

Claims

1. Verfahren zum Ansteuern von mit hoher Frequenz schaltenden Elektromagneten, insbesondere in Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren, wobei zum Schalten des Elektromagneten dieser mit einem aus einer Speisespannung einer Gleichspannungsquelle erzeugten Signal beaufschlagt wird, das aus einem Anfangsimpuls und einem sich daran anschließenden, im wesentlichen eine sichere Haltekraft für einen Anker des Elektromagneten gewährleistenden Haltesignal zusammengesetzt ist und die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Speisespannung oberhalb der für einen Dauerbetrieb des Elektromagneten zulässigen Betriebsspannung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsimpuls als Spannungsimpuls durch Hochtransformieren der Speisespannung erzeugt wird und hinsichtlich der Amplitude derart bemessen ist, daß eine vorgegebene Schaltzeit des Elektromagneten erreicht wird, daß dieser Anfangsimpuls geschaltet dem Elektromagneten zugeführt wird, und daß dem Elektromagneten als Haltesignal ein Stromsignal mit konstanter Amplitude zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsimpuls durch Hochtransformieren der ungeregelten Speisespannung auf eine geregelte höhere Spannung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Anfangsimpulses zusätzlich so bemessen ist, daß der Stromverlauf im Elektromagneten während des Anfangsimpulses im wesentlichen zeitlinear ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltesignal dem Elektromagneten bereits während des Anfangsimpulses zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsimpuls und das Haltesignal gleichzeitig beginnen.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Schalten eines einen Anker aufweisenden Elektromagneten, insbesondere zur Betätigung eines Ventilkörpers zum Öffnen und Schließen eines Einspritzventiles, mit einer Gleichspannungsquelle, die eine Speisespannung größer als die Betriebsspannung des Elektromagneten zur Verfügung stellt, und mit einer Steuerschaltung, die den Elektromagneten mit der Gleichspannungsquelle gesteuert so verbindet, daß zunächst ein kurzzeitiger Anfangsimpuls und anschließend ein im wesentlichen eine sichere Haltekraft für den Elektromagneten gewährleistetes Haltesignal an den Elektromagneten abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (10) mit einer Impulsquelle (6) verbunden ist, die eine die Speisespannung hochtransformierende Spannungsquelle (12) zur Bereitstellung eines hohen Spannungsniveaus und eine Konstantstromquelle (14) zur Bereitstellung des Haltesignales aufweist, und daß von der Steuerschaltung (4, 5, 6, 9) betätigbare Schalter (13, 7a bis 7n) vorgesehen sind, um zunächst kurzzeitig die Spannungsquelle (12) mit dem hohen Spannungsniveau und dann die Konstantstromquelle (14) mit dem Elektromagneten (3a bis 3n) zu verbinden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsquelle (6) in einem ersten Zweig einen mit der die Speisespannung zur Verfügung stellenden Gleichspannungsquelle (U) verbundenen Gleichspannungs/Gleichspannungswandler (12) mit einem parallel geschalteten Speicherkondensator (16) und eine von der Steuerschaltung (4, 5, 8, 9) betätigbare Schaltvorrichtung (13) sowie in einem zweiten, dazu parallelen Zweig die Konstantstromquelle (14) aufweist, und daß die beiden Zweige über einen gemeinsamen, von der Steuerschaltung (4, 5, 8, 9) angesteuerten Leistungsschalter (7a bis 7n) mit dem Elektromagneten (3a bis 3n) verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehreren, zeitlich aufeinanderfolgend geschalteten Elektromagneten (3a bis 3n) für sämtliche Elektromagneten eine gemeinsame Impulsquelle (6) vorgesehen ist, die von der Steuerschaltung (4, 5, 8, 9) mit jeweils einem Elektromagneten (3a bis 3n) gesteuert wird.