Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
eines elektromagnetischen Betätigungsorgans mit einer Aktivierungsspule
mit Spulenkern, einem Aktivierungsschalter zum Verbinden
und Trennen der Aktivierungsspule mit bzw. von einer Energiequelle und
einem beweglich gelagerten, ferromagnetischen Stellelement, das bei geschlossenem
Aktivierungsschalter durch das von der Aktivierungsspule
erzeugte Magnetfeld von einer Ruheposition in eine Aktivierungsposition
bewegbar ist. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben
einer solchen Schaltungsanordnung gerichtet.
Schaltungsanordnungen dieser Art werden beispielsweise in Kraftfahrzeugmotoren
verwendet. Das als Elektromagnet ausgebildete Betätigungsorgan
steuert dabei über die Bewegung des Stellelements den Einspritzvorgang
der Kraftstoffeinspritzpumpe. Der geringen Spannung von üblicherweise
12 Volt im Kraftfahrzeugbereich stehen dabei hohe Anforderungen
an die Dynamik des Einspritzvorganges gegenüber. Insbesondere bei
einem Dieselmotor, bei dem die Einspritzung des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum
unter hohem Druck erfolgt, sind neben einer schnellen
Ansprechgeschwindigkeit große Kräfte erforderlich.
Die Induktivität der verwendeten Spulen zu erhöhen, ist in der Regel nicht
möglich, da zwar die erzeugbare Kraft dadurch ebenfalls erhöht wird, die
Ladezeit für die Spulen und damit das Erreichen des Spulenstroms, ab
dem das Stellelement bewegt wird, jedoch weiter vergrößert wird, so daß
die Ansprechgeschwindigkeit unakzeptabel werden würde.
Eine Möglichkeit, die Ladezeit der Spule bis zum Erreichen der erforderlichen
Stromhöhe zu verringern könnte darin bestehen, die Induktivität
und den Widerstand der Spule zu verringern. Dies würde dazu führen,
daß nach Anlegen der Betriebsspannung an die Spule der Spulenstrom
deutlich schneller ansteigt und der erforderliche Stromwert in kürzerer
Zeit erreicht wird. Allerdings wird in diesem Fall der Spulenstrom letztlich
deutlich höhere Werte annehmen als sie für den Betrieb erforderlich sind,
so daß diese künstlich erhöhten Stromwerte durch separate Steuerschaltungen
wieder begrenzt werden müssen.
Gleiches gilt für die Möglichkeit, die an der Spule anliegende Spannung,
beispielsweise durch DC-DC-Konverter zu erhöhen. Zwar wird auch in
diesem Fall die Ansprechgeschwindigkeit des Systems erhöht, dies wird
jedoch wiederum durch eine Erhöhung des Spulenstromes auf unerwünscht
hohe Werte erreicht. Neben der in diesem Fall wiederum notwendigen
Strombegrenzung sind auch die erforderlichen DC-DC-Konverter
aufwendig, so daß diese Lösung auch aus Kostengründen nachteilig ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art anzugeben, mit der die Reaktionszeit des angesteuerten
elektromagnetischen Betätigungsorgans verringert wird, wobei die
Schaltungsanordnung gleichzeitig einfach und kostengünstig aufgebaut
sein soll. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen
Schaltungsanordnung angegeben werden.
Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Energiespeicherelement zur
Speicherung magnetischer Hilfsenergie vorgesehen ist, daß das Energiespeicherelement
für eine Übertragung der in dem Energiespeicherelement
gespeicherten Hilfsenergie auf die Aktivierungsspule mit dieser verbunden
ist und daß eine Steuereinheit vorgesehen ist, durch die der Zeitpunkt der
Energieübertragung steuerbar ist.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß magnetische
Hilfsenergie in einem Energiespeicherelement gespeichert wird, die
gespeicherte magnetische Hilfsenergie schlagartig der Aktivierungsspule
zugeführt wird und zumindest ab dem Zeitpunkt der Energiezufuhr die
Aktivierungsspule mit der Energiequelle über den Aktivierungsschalter
verbunden wird.
Erfindungsgemäß wird somit in einem bevorzugt als Hilfsspule ausgebildeten
Energiespeicherelement magnetische Hilfsenergie gespeichert, die
zum Schaltzeitpunkt der Aktivierungsspule schlagartig auf diese übertragen
wird. Durch diese schlagartige Übertragung steigt der Spulenstrom in
der Aktivierungsspule entsprechend schnell an, so daß der Schwellenwert
des Spulenstroms, der für die Bewegung des Stellelements erforderlich ist,
nach sehr kurzer Zeit überschritten ist. Nach Abbau der Hilfsenergie in
der Aktivierungsspule kann der Spulenstrom durch die Energiequelle, beispielsweise
die Kraftfahrzeugbatterie, in ausreichender Höhe geliefert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Energiespeicherelement
in Reihe mit der Aktivierungsspule geschaltet und über
einen Ladeschalter mit dem Bezugspotential verbindbar bzw. von diesem
trennbar. Während der Ladeschalter geschlossen ist, kann das Energiespeicherelement
von der Energiequelle mit Strom versorgt und mit der gewünschten
Energiemenge aufgeladen werden. Die entsprechenden Parameter,
wie beispielsweise Zeitkonstante, Induktivität usw. werden experimentell
ermittelt und so bemessen, daß die in dem Energiespeicherelement
gespeicherte Energie ausreichend ist, um nach der Übertragung auf
die Aktivierungsspule den gewünschten Schaltvorgang, d.h. das Bewegen
des Stellelements, auszulösen.
Zu diesem Zweck wird nach Erreichen der gewünschten Hilfsenergie bzw.
einer entsprechenden Zeit der Ladeschalter geöffnet, wodurch die in dem
Energiespeicherelement gespeicherte Hilfsenergie schlagartig auf die in
Reihe geschaltete Aktivierungsspule übertragen wird. Dabei ist lediglich
erforderlich, daß der Aktivierungsschalter, der zusammen mit der Aktivierungsspule
und der Energiequelle einen Stromkreis bildet, vor bzw. spätestens
bei Öffnen des Ladeschalters geschlossen wird, damit ein Stromfluß
durch die Aktivierungsspule möglich ist.
Bevorzugt können mehrere Energiespeicherelemente und/oder mehrere
Aktivierungsspulen vorgesehen sein. Insbesondere kann dabei die jeweils
in einem Energiespeicherelement gespeicherte Hilfsenergie auf mehrere,
parallel geschaltete Aktivierungsspulen übertragen werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an
der Verbindungsstelle zwischen dem Energiespeicherelement und der Aktivierungsspule
ein Kondensator zur Pufferung der bei der Energieübertragung
erzeugten hohen Spannung vorgesehen. Die durch die schlagartige
Energieübertragung entstehenden hohen Spannungen werden üblicherweise
in Wärme umgewandelt, was in den meisten Fällen unerwünscht
ist. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Kondensator werden
diese Spannungsspitzen gepuffert und die entsprechende Energie
wird praktisch verlustlos kontrolliert an die Aktivierungsspule übertragen.
Dabei ist es auch möglich, nur einen Teil der Spannungsspitzen zu puffern,
um auf diese Weise Kondensatoren mit geringeren Kapazitäten einsetzen
zu können, so daß das Ansprechverhalten der Schaltungsanordnung
durch die Kondensatoren nur unwesentlich verschlechtert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben; in diesen zeigen:
- Figur 1
- ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Schaltungsanordnung,
- Figur 2
- schematische Strom- bzw. Spannungsverläufe bei der
Verwendung der Schaltung nach Figur 1 und
- Figur 3
- weitere schematische Strom- bzw. Spannungsverläufe
bei der Verwendung einer Schaltung nach Figur 1.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Schaltungsanordnung 1
eingangsseitig über zwei Relais 2, 3 mit einer als Gleichspannungsquelle 4
ausgebildeten Energiequelle verbunden.
Ausgangsseitig sind an die Schaltungsanordnung 1 Aktivierungsspulen
L2, L2', L3, L3' (im folgenden auch Injektorspulen genannt) eines Kraftfahrzeugeinspritzsystems
angeschlossen. Über die Injektorspulen L2, L2',
L3, L3' wird beim Einspritzvorgang beispielsweise die Hydraulik eines Dieseleinspritzsystems
über eine nicht dargestellte Steuervorrichtung gesteuert.
Die Injektorspulen L2, L2', L3, L3' sind jeweils mit einer Seite über als
Transistoren ausgebildete Aktivierungsschalter T2, T2', T3, T3' mit Masse
verbunden. Die Aktivierungsschalter können dabei ebenfalls von der nicht
dargestellten Steuervorrichtung ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Die Spulen L2 und L2' bzw. L3 und L3' sind jeweils parallel zueinander
geschaltet und mit ihren gemeinsamen Verbindungspunkten 5, 6 jeweils
über Widerstände 7, 8 an Knotenpunkte 9, 10 innerhalb der Schaltungsanordnung
1 angeschlossen. Der Knotenpunkt 9 ist zum einen über einen
Kondensator C1 gegen Masse geschaltet, über eine Diode 11 mit einem
zwischen einer Ladespule L1 und einem als Transistor ausgebildeten Ladeschalter
T1 gelegenen Verbindungspunkt 12 verbunden sowie über eine
weitere Diode 13 und einen dazu parallel geschalteten Widerstand 14 über
das Relais 2 an der Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen.
Während das von dem Verbindungspunkt abgewandt liegende Ende der
Ladespule L1 ebenfalls über das Relais 2 mit der Gleichspannungsquelle 4
verbunden ist, ist der Ladeschalter T1 gegen Masse gelegt. Dabei kann der
Ladeschalter T1, wie bereits die Aktivierungsschalter T2, T2', T3, T3' über
die nicht dargestellte Steuervorrichtung ein- und ausgeschaltet werden.
Der zwischen dem Knotenpunkt 10 und dem Relais 3 dargestellte Schaltungsteil
entspricht vollständig dem soeben beschriebenen, zwischen dem
Knotenpunkt 9 und dem Relais 2 liegenden Schaltungsteil.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung 1 wird im folgenden anhand
der in Figur 2a) bis e) dargestellten Strom- bzw. Spannungsverläufe
naher beschrieben. Dabei zeigt Figur 2a) die jeweils an der Basis der Transistoren
T1, T1' anliegende Schaltspannung 15, Figur 2b) den in den Ladespulen
L1, L1' fließenden Ladestrom 16, Figur 2c) die an den Aktivierungsschaltern
T2, T2', T3, T3' anliegende Schaltspannung 17, Figur 2d)
den durch die Injektorspulen L2, L2', L3, L3' fließenden Injektorstrom 18
und Figur 2e) die an den Injektorspulen L2, L2', L3, L3' anliegende Injektorspannung
19.
Im Normalbetriebszustand, d.h. beispielsweise nach Einschalten der Zündung
eines entsprechenden Kraftfahrzeuges, sind die Relais 2, 3 geschlossen.
Die Ladeschalter T1, T1' werden durch die Steuervorrichtung in regelmäßigen
Abständen bzw. abhängig von der Motordrehzahl mit der impulsförmigen
Schaltspannung 15 beaufschlagt. Während der Ladezeit TL, die
durch die Breite des Pulses der Ladespannung 15 definiert ist, sind diese
Ladeschalter T1, T1' geschlossen, so daß in den Ladespulen L1, L1' der in
Figur 2b) dargestellte ansteigende Ladestrom 16 fließt. Die Induktivitäten
der Ladespulen L1, L1' sind dabei jeweils so gewählt, daß der Ladestrom
16 in kurzer Zeit sehr hoch wird und beispielsweise wie in Figur 2b) dargestellt,
während der Ladezeit TL 12 Ampere erreicht.
Die Aktivierungsschalter T2, T2', T3, T3' sind während der Ladezeit TL offen,
da die Schaltspannung 17 während dieses Zeitabschnittes gleich Null
ist. Aufgrund der offenen Aktivierungsschalter T2, T2', T3, T3' ist der Injektorstrom
18 in den Injektorspulen L2, L2', L3, L3' während der Ladezeit
TL gleich Null, wie es in Figur 2d) dargestellt ist.
Aufgrund des ansteigenden Ladestrom 16 in den Ladespulen L1, L1' wird
während der Ladezeit TL in diesen Ladespulen L1, L1' eine Energie WL =
0,5 x L x i2 gespeichert, wobei L die jeweilige Induktivität der Spule und i
der jeweils durch die Spule fließende Strom ist.
Der Beginn sowie die Länge der Ladezeit TL wird so gewählt, daß am Ende
der Ladezeit TL, d.h. zum Zeitpunkt t1, in den Spulen L1 bzw. L1' ausreichend
Energie gespeichert ist, um einen Schaltvorgang durch die Spulen
L2, L2', L3, L3' auszulösen. Dazu werden zum Zeitpunkt t1, der beispielsweise
dem gewünschten Einspritzzeitpunkt bei einem Kraftfahrzeugmotor
entspricht, zum einen die Schaltspannung 17 aktiviert, so daß die Aktivierungsschalter
T2, T2', T3, T3' geschlossen werden, und nahezu gleichzeitig
die Schaltspannung 15 auf Null gesetzt, so daß die Ladeschalter T1, T1'
öffnen.
Durch das Öffnen der Ladeschalter T1, T1' werden die Ladespulen L1, L1'
abrupt entladen, so daß die in den Ladespulen L1, L1' gespeicherte Energie
auf die Aktivierungsspulen L2, L2', L3, L3' übertragen wird. Da die Aktivierungsspulen
L2, L2', L3, L3' nun über die Aktivierungsschalter T2,
T2', T3, T3' gegen Masse geschaltet sind, steigt entsprechend der steil abfallenden
Stromkurve 16 der Ladespulen L1, L1' der Injektorstrom 18 sehr
schnell an und überschreitet dabei innerhalb kurzer Zeit einen Schwellenwert
I0 von beispielsweise 3 Ampere, der zum Bewegen des Stellelements,
beispielsweise zum Ansteuern der Einspritzpumpe eines Dieselmotors,
überschritten werden muß. Entsprechend dem schnell ansteigenden
Injektorstrom 18 springt auch die Injektorspannung 19 sprunghaft
auf Werte von 100 bis 150 Volt an.
Ein höheres Ansteigen der Injektorspannung wird durch die Kondensatoren
C1, C1' verhindert, die als Pufferelemente so dimensioniert sind, daß
die gesamte übertragene Energie oder zumindest ein Großteil dieser Energie
in den Kondensatoren C1, C1' gespeichert werden kann.
Nach Übertragung der gesamten Energie von den Ladespulen L1, L1' auf
die Injektorspulen L2, L2', L3, L3' zum Zeitpunkt t2 wird der erreichte Injektorstrom
von 5 Ampere oder mehr von der Gleichspannungsquelle 4
geliefert, so daß bis zu einem Zeitpunkt t3 der Injektorstrom 18 im wesentlichen
konstant bleibt oder nur langsam abfällt.
Zum Zeitpunkt t3 wird die Schaltspannung 17 auf Null gesetzt, so daß die
Aktivierungsschalter T2, T2', T3, T3' öffnen und der Injektorstrom 18 exponentiell
abnimmt. Diese Abnahme des Injektorstroms 18 ist mit einer
entsprechenden negativen Zunahme der Injektorspannung 19 auf Werte
bis -180 Volt oder mehr verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Vorspeicherung von Hilfsenergie und Übertragung
dieser gespeicherten Hilfsenergie zum gewünschten Schaltzeitpunkt
auf die eigentlichen Aktivierungsspulen wird somit erreicht, daß der
für den Schaltvorgang erforderliche Schwellenwert des Injektorstroms wesentlich
schneller überschritten wird. Dabei ist eine separate Strombegrenzung
nicht erforderlich, da durch Öffnen der Ladeschalter L1, L1' der
Ladestrom 16 automatisch unterbrochen wird und der Aktivierungsstrom
18 in den Aktivierungspulen L2, L2', L3, L3' durch die Gleichspannungsquelle
4 auf dem gewünschten Niveau gehalten wird.
Die in Figur 3 dargestellten Signalverläufe unterscheiden sich von den Signalverläufen
gemäß Figur 2 lediglich dadurch, daß die Schaltspannung
17 nicht erst zum Zeitpunkt T1, sondern bereits mit Einschalten der
Schaltspannung 15 aktiviert wird. Dadurch wird erreicht, daß während
der Ladezeit TL, in der der Ladestrom 16 in den Ladespulen L1, L1' auf 12
Ampere ansteigt, auch der Injektorstrom 18 in den Injektorspulen L2, L2',
L3, L3' entsprechend dem dargestellten Abschnitt 18' ansteigt. Aufgrund
der gewählten Dimensionierung der Induktivitäten der Injektorspulen L2,
L2', L3, L3' steigt der Injektorstrom 18' während der Ladezeit TL sehr viel
langsamer an als der Ladestrom 16, so daß am Ende der Ladezeit TL zum
Zeitpunkt t1 der Injektorstrom 18 einen Wert von unter 2 Ampere erreicht.
Dieser Wert ist nicht ausreichend, um den gewünschten Schaltvorgang,
beispielsweise den Einspritzvorgang, auszulösen.
Allerdings wird durch das vorzeitige Einschalten der Schaltapannung 17
ein Offset des Injektorstroms 18 erzeugt, so daß nach Abschalten der
Schaltspannung 15 der durch die Energieübertragung erzeugte Injektorstrom
18 zu diesem Offset addiert wird. Dadurch besitzt zum Zeitpunkt t2
der Injektorstrom 18 gegenüber dem Stromverlauf nach Figur 2 einen um
diesen Offset erhöhten Wert. Da auf diese Weise das Überschreiten des
Grenzstroms I0 etwas früher stattfindet als bei dem Stromverlauf gemäß
Figur 2, kann auf diese Weise die Ansprechgeschwindigkeit einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Schaltungsanordnung weiter verbessert werden.
Bezüglich des durch die Steuervorrichtung einzuhaltenden Timings ist lediglich
wesentlich, daß die Schaltspannung 17 so lange aktiv ist, daß die
abfallende Flanke des Ladestroms 16 vor der abfallenden Flanke der
Schaltspannung 17 auftritt und zusätzlich die Aktivierungszeit TA ausreichend
lang zum Anstoßen und Abschließen des angesteuerten Vorgangs,
beispielsweise der Kraftstoffeinspritzung, ist.
Bezugszeichenliste
- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Relais
- 3
- Relais
- 4
- Spannungsquelle
- 5
- Verbindungspunkt
- 6
- Verbindungspunkt
- 7
- Widerstand
- 8
- Widerstand
- 9
- Knotenpunkt
- 10
- Knotenpunkt
- 11
- Diode
- 12
- Verbindungspunkt
- 13
- Diode
- 14
- Widerstand
- 15
- Schaltspannung
- 16
- Ladestrom
- 17
- Schaltspannung
- 18
- Injektorstrom
- 19
- Injektorspannung
- L1
- Ladespule
- L1'
- Ladespule
- L2
- Injektorspule
- L2'
- Injektorspule
- L3
- Injektorspule
- L3'
- Injektorspule
- T1
- Ladeschalter
- T1'
- Ladeschalter
- T2
- Aktivierungsschalter
- T2'
- Aktivierungsschalter
- T3
- Aktivierungsschalter
- T3'
- Aktivierungsschalter
- C1
- Kondensator
- C1'
- Kondensator
- TL
- Ladezeit
- TA
- Aktivierungszeit