EP2635783A1 - Verfahren zum betreiben eines magnetischen schaltgliedes - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines magnetischen schaltgliedes

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EP2635783A1
EP2635783A1 EP11770739.8A EP11770739A EP2635783A1 EP 2635783 A1 EP2635783 A1 EP 2635783A1 EP 11770739 A EP11770739 A EP 11770739A EP 2635783 A1 EP2635783 A1 EP 2635783A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
current
switching element
auxiliary
electrical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11770739.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nestor Rodriguez-Amaya
Siegfried Ruthardt
Holger Rapp
Wolfgang Stoecklein
Bernd Berghaenel
Marco Beier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2635783A1 publication Critical patent/EP2635783A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
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    • F02D41/2429—Methods of calibrating or learning
    • F02D41/2438—Active learning methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/247—Behaviour for small quantities
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/1861—Monitoring or fail-safe circuits using derivative of measured variable

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, and an electrical circuit and a control and / or regulating device according to the independent claims.
  • Magnetic switching elements such as relays or solenoid valves - the latter in particular as injection valves of an internal combustion engine - are exposed to high demands during operation and are therefore frequently monitored. This can be done for example by an evaluation of voltages and / or currents of a coil of the magnetic switching element, or by means of sensors which convert physical variables into electrical quantities. To transfer these variables to a control unit or the like additional electrical lines are generally required, which means an increased effort.
  • the problem underlying the invention is achieved by a method according to claim 1 and by an electrical circuit and a control and / or regulating device according to the independent claims.
  • Advantageous developments are specified in subclaims.
  • Features which are important for the invention can also be found in the following description and in the drawings, wherein the features, both alone and in different combinations, can be important for the invention, without being explicitly referred to again.
  • the method according to the invention has the advantage that drive lines of the coil of the magnetic switching element, which are provided to actuate the magnetic switching element, can be used to transmit the signal of a sensor device in the direction of a driver circuit driving the coil.
  • the invention is based on the recognition that a magnetic switching element can basically have a current-energized and a non-energized state. In the energized state, the behavior of the magnetic
  • the coil has two connections and is correspondingly connected to two control lines. Then, in a maximum expansion state, up to four sensor devices can be connected to the coil, which are connected, for example, as two-pole each between one of the terminals of the coil and ground. In this case, in each case a pair of two sensor devices can be connected in parallel to each terminal of the coil, wherein the sensor devices of a pair are decoupled from each other via oppositely connected rectifiers (diodes) and thus dependent on a polarity of an auxiliary voltage and / or an auxiliary current, which in the
  • Measuring state at one and / or two terminals of the coil rest are distinguishable.
  • the described pairs of sensor devices with respect to the terminals of the coil can be differentiated metrologically.
  • the coil on the other hand, be distinguished between the up to four sensor devices. As a result, in this case, by means of a measurement of the electrical potentials at the
  • Connections of the coil and / or by measuring currents flowing in the terminals up to four sensor signals can be determined. It makes use of the invention that the applied auxiliary voltage or the applied auxiliary current have a defined reference to ground.
  • the auxiliary voltage is applied to the terminal of the coil via an ohmic resistance, so that a voltage divider is formed against the grounded sensor device (s).
  • a voltage divider is formed against the grounded sensor device (s).
  • the terminals of the coil are connected to auxiliary voltages or auxiliary currents with different polarities, at least two measuring states are thereby defined, one of the polarities being used in each of the measuring states.
  • the invention takes into account that the operation of a coil in addition to the actual control may include further switching operations, such as a deletion of a current flowing through the coil residual current. Therefore, not only corresponding switching elements are available in the drive circuit or can be easily supplemented to
  • At least one terminal of the coil to be decoupled substantially from the voltage source or current source driving the coil, but also the current flowing through the coil after the end of the coil
  • Triggering can be quickly reduced by means of a quick extinguishing to bring about the measurement state.
  • the coil in the measuring state optionally only at one of the terminals. Even then, an auxiliary voltage or an auxiliary current can be connected to the respectively disconnected terminal applied and the method can be performed, the finite ohmic resistance of the coil is included.
  • the drive lines connected to the terminals in the measurement state are also used to apply the auxiliary voltage and / or the auxiliary current to the at least one terminal of the coil for the first, and the second to at least to transmit an electrical potential and / or the at least one current flowing through the terminals in the direction of the driving voltage source and / or current source.
  • the drive lines of the coil which supply the drive power during operation, are also used for the at least one measurement state, so that additional measurement lines or the like are not required. As a result, significant costs are saved and wiring is simplified.
  • the inventive method is particularly useful when the magnetic switching element is a servo valve, for example, a fuel injection valve of an internal combustion engine or belongs to this, wherein from the sensor signal prevailing in a hydraulic control chamber of the servo valve pressure and from this in turn an opening and / or closing time of
  • Valve element of the fuel injection valve is determined. The for the
  • Closing time can thus be done via the existing drive lines of the coil, without additional measuring cables must be laid or seals and the like are needed.
  • An important embodiment of the method provides that the magnetic switching element is operated periodically, wherein it is energized in a first phase by means of a driver circuit by the coil of the magnetic switching element (solenoid valve) continuously or interrupted to the controlling
  • Voltage source and / or current source is switched, then in a second phase, the driving voltage source and / or current source is switched off by the coil and a current flowing through the coil residual current dissipates or is extinguished by means of electrical switching elements, and then produced in a third phase of the measurement state and the sensor signal is detected.
  • This can the method is applied to periodic operations, in particular to injectors and the short cycles occurring.
  • an electrical circuit for operating a magnetic switching element wherein the at least one sensor device is connected to at least one terminal of the coil, and wherein at least one measuring state can be produced, in which at least one terminal of the coil at least temporarily from one Mass and / or a coil driving the voltage source and / or current source is substantially decoupled, and wherein in the measuring state at least one auxiliary voltage and / or at least one auxiliary current is applied to at least one terminal of the coil and at least one sensor signal from at least one electrical potential and / or at least one potential difference at the terminals of the coil and / or at least one current flowing through the terminals of the coil can be determined.
  • Components or component groups which carry the auxiliary voltage or the auxiliary current to the coil, to be dimensioned so that they can not be damaged during the energization of the coil, and on the other hand, not adversely affect the energization.
  • a sensor of the sensor device may be a two-pole component, such as a piezoelectric element or a
  • Temperature-dependent heat resistance PTC / NTC.
  • optional components can be arranged, for example, the said rectifier (diodes) for using two polarities of the auxiliary voltage or the auxiliary current, but also series resistors or parallel elements, which can protect the sensor from overvoltages.
  • Output voltage of a DC-DC converter is derived.
  • higher auxiliary voltages can be applied to the coil in the measuring state than is possible, for example, by a vehicle battery. This allows the
  • a further embodiment provides that the component or a component of the component group is a force-sensitive transducer.
  • the force-sensitive converter is designed, for example, to determine a pressure prevailing in a hydraulic control chamber of an injection valve (servo valve).
  • the force-sensitive transducer is a piezoelectric element.
  • Figure 1 is a partial sectional view of a servo valve of a
  • Figure 2 is a timing diagram of a control room pressure and a stroke of a
  • Figure 3 is a timing diagram of the stroke of the valve needle and a coil current
  • Figure 4 shows a first embodiment of an electrical circuit for operating the servo valve of Figure 1;
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the electrical circuit
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the electrical circuit
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of the electrical circuit
  • Figure 8 shows a fifth embodiment of the electrical circuit
  • FIG. 9 shows a sixth embodiment of the electrical circuit
  • FIG. 10 shows a seventh embodiment of the electrical circuit
  • Figure 1 1 is an equivalent circuit diagram for determining sensor signals in the
  • FIG. 1 shows a partial sectional illustration of a servo valve 10 of a fuel injection valve of an internal combustion engine which is not further illustrated in detail.
  • the servo valve 10 is substantially rotationally symmetrical about one
  • a fixed to a (not shown) housing support plate 14 is shown in a central region, a magnetic switching member 16 is shown, and in a lower portion is a housing-fixed valve member 18 with a
  • valve needle valve piston 22 a force acting on a valve needle, not shown, of the fuel injection valve or firmly connected with such a valve needle valve piston 22 is shown.
  • the support plate 14 has in the region of the longitudinal axis 12 a support piston 24, with which a force-sensitive transducer 26 is operatively connected.
  • the force-sensitive transducer 26 is in turn supported in the direction of the longitudinal axis 12 on the support plate 14.
  • the non-positive converter 26 connecting lines 28 are exemplified.
  • the magnetic switching element 16 comprises a coil 30, which in a
  • Magnet core 32 is embedded, wherein the magnetic core 32 of a plate spring 34th is pressed against an annular anchor stop 36.
  • the armature stop 36 is in turn pressed by the diaphragm spring 34 by means of the magnetic core 32 against a diameter jump (no reference numeral) of a sleeve 38 fixed to the housing.
  • an armature bolt 40 mounted in a play-like manner along the longitudinal axis 12 but held radially, on which an armature 42 is displaceably arranged in the direction of the longitudinal axis 12.
  • a lower end region 44 of the armature 42 in FIG. 1 can rest on a sealing portion 46 of the valve piece 18 forming a valve seat.
  • the end region 44 forms a valve element of the servo valve 10 so far.
  • the magnetic switching element 16 is designed as the other elements of the servo valve 10 is substantially rotationally symmetrical, but only the right half in the drawing a sectional view is shown.
  • a guide diameter of the armature 42 and a seat diameter in the region of the sealing portion 46 are approximately equal.
  • the valve piece 18 defines the hydraulic control chamber 20 and the
  • Valve piston 22 The valve piston 22 is displaceable in the valve piece 18 in the direction of the longitudinal axis 12 and, as already mentioned above, with a valve element, not shown (nozzle or valve needle) fixedly coupled.
  • a valve element not shown (nozzle or valve needle) fixedly coupled.
  • this is connected via a discharge throttle 48 with a pressure chamber 50.
  • an inlet throttle 52 is arranged, through which the control chamber 20 can be fed with a high pressure fluid 54.
  • the fluid 54 is provided, for example, by a common-rail fuel system (not shown).
  • Anchor bolt 40 are arranged is connected to a high-pressure region, not shown.
  • the end portion 44 is pressed by a valve spring, not shown, against the sealing portion 46, the servo valve 10 is thus closed. Due to the pressure conditions in the control chamber 20, the valve piston 22 is pressed down in the drawing, so that the (not shown) valve needle closes. If the coil 30 is energized, the armature 42 by magnetic force in the direction of the magnetic core 32 against the
  • Control chamber 20 at low pressure, whereby the pressure in the control room decreases.
  • a high-pressure surface acts on the valve needle, which is likewise not shown, which is acted upon by the valve piston 22
  • the closing time of the fuel injection valve can be determined by evaluating the course of the force which the anchor bolt 40 exerts against the force-sensitive converter 26. By such a force or
  • the sensor signal can be determined by means of electrical circuits, as described below in FIGS. 4 to 11.
  • Figure 2 shows a temporal relationship between the pressure 60 in the control chamber 20 and the stroke 62 of the valve piston 22 and the associated valve needle.
  • the ordinate indicates the pressure 60 in the control chamber 20, and in a lower diagram, the ordinate plots the stroke 62 of the valve piston 22.
  • a stroke 62 of zero means a closed injection valve. Both diagrams have on the abscissa an equal time scale t.
  • FIG. 3 shows, in an upper time diagram, a stroke 63 of the armature 42 of FIG
  • Two-point controller clocked, with a mean current 11 sets. Between the time t2 and a time t3, the current I is further clocked, whereby a mean current 12 sets, which is smaller than the current 11. At time t3, the current I is turned off and reaches the value zero at a time t4.
  • the end portion 44 lifts off from the sealing portion 46 and arrives at the anchor stopper 36 at a time tc.
  • a time td begins as a result of the lack of magnetic force in the coil 30, the armature 42 from
  • Anchor stop 36 to fall off, and at the time tb he encounters again on the sealing portion 46.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of an electrical circuit 68 for controlling the coil 30 and for detecting the signals of the force-sensitive transducer 26, which generally also represents a sensor device 70.
  • the coil 30 has an upper terminal HS and a lower terminal LS.
  • a vertical dashed line represents two (not explicitly drawn)
  • Driver circuit 78 includes, inter alia, a voltage 80 of a vehicle battery, not shown, a DC voltage converter 82 fed therefrom, which builds up a boost voltage 86 on a capacitor 84, and diodes
  • the diode D1 is connected as a freewheeling diode.
  • the diodes D1 to D4 and the switches TS1 to TS4 are designed as semiconductor elements.
  • the capacitor 84 is dimensioned so that the boost voltage 86 remains approximately constant in all phases of the operation and in the present example is around 48 volts.
  • An area shown in the drawing of FIG. 4 on the left of the dashed line (driving lines 76) describes electrical components of the magnetic switching element 16 of the fuel injection valve, and an area of the fuel injector 76 on the right describes electrical components of a control and / or
  • Control device of an internal combustion engine, in which the
  • Fuel injector is used.
  • the coil 30 is energized by means of the driver circuit 78.
  • the switch TS1 closes the connection LS of the coil 30 to a mass 88 (vehicle mass).
  • the switch TS2 is also conductive, so that a current increase corresponding to the boost voltage 86 takes place in the coil 30.
  • the switches TS3 and TS4 are disabled.
  • the switch TS2 is blocked and a clocked energization of the coil 30 is performed by means of the switch TS3, similar to that shown in FIG. 3 between the times t1 and t3.
  • the switches TS1 and TS3 are disabled.
  • the current I flows substantially via the terminal LS of the coil 30, then via the diode D2, then via the capacitor 84 into a mass 90, which in has the potential of the mass 88, then via the diode D1 and then into the terminal HS of the coil 30.
  • the capacitor 84 has a comparatively high voltage (in the present example, about 48 volts), the electrical power is comparatively large and the time constant for Decay of the current I correspondingly small.
  • a measurement state is brought about in order to transmit or to determine a sensor signal generated by the force-sensitive converter 26.
  • the switches TS1 to TS3 are disabled and the switch TS4 is conductive.
  • Voltage divider which consists essentially of a Wderstand R4 and the force-sensitive transducer 26 and its electrically active device, a potential 92 at the terminal HS of the coil 30.
  • the occurring at the diode D4 and the switch TS4 voltage drops are in an evaluation of the potential 92nd taken into account.
  • auxiliary voltage 94 which is formed or supplied via the Wderstand R4 from the voltage 80. Since the potential 92 is transmitted to the control unit of the internal combustion engine via the drive lines 76 of the coil 30, the sensor signal of the force-sensitive converter 26 can be determined therefrom. However, the necessary electrical components are not shown in the drawing of Figure 4. From the determined sensor signal, the force acting on the force-sensitive transducer 26 and, therefrom, the pressure 60 prevailing in the control chamber 20 can be determined. The diodes D3 and / or D4 can be dispensed with, provided that the series switches TS3 or TS4 themselves have a corresponding blocking effect.
  • Embodiments of electrical circuits 68 are basically similar to the embodiment of electrical circuit 68 of FIG. 4. Therefore, essentially the respective differences will be described below.
  • the auxiliary voltage 94 is formed via the resistance R4 from a voltage 96 of a second DC voltage converter 98.
  • the voltage 96 is in this case greater than the voltage 80, whereby the scope of the electrical Circuit 68 may be extended or the resolution of the potential 92 can be improved.
  • a second sensor device 26b which is, for example, a temperature sensor, is connected to the connection LS of the coil 30.
  • the force sensitive transducer is designated 26a in FIG. Parallel to the switch TS1 a Wderstand R2 is connected.
  • the resistor R2 may optionally prevent a voltage shift caused by the diode D2 and is
  • the resistance R2 is designed to have a lower resistance
  • a diode can be connected in series with the resistor R2 (not shown). The first two phases, so the energization of the coil 30 and the
  • the voltage divider formed in the measuring state is essentially formed by the resistance R4 and a network connected thereto.
  • This network comprises the components 26a and 26b, as well as the coil 30 and the resistor R2. Because of the ohmic resistance of the coil 30, different potentials 94 and 102 can be correspondingly removed at the terminals HS and LS. Taking into account the network and the values of Wderacted R4 and R2 and the resistance of the coil 30, the sensor signals can be determined and from them their underlying
  • FIG. 7 shows a fourth electrical circuit 68 similar to that of FIG. 6.
  • a second auxiliary voltage 104 may be connected to the device by means of a resistor R5, a diode D5 and a switch TS5
  • Terminal LS of the coil 30 abut.
  • the network surrounding the coil 30 is slightly more complicated in the measuring state, however, potentials 92 and 102 can also be determined and from this the sensor signals and the their underlying physical parameters are determined in a similar way. It may be advantageous not to let the switches TS4 and TS5 become conductive at the same time, but successively or alternately, wherein the switching times may possibly be adapted to expected changes in the sensor signals. In this way, the influence of the ohmic resistance of the coil 30 can be better taken into account so that a more accurate determination of the sensor signals is made possible.
  • FIG. 8 shows a fifth electrical circuit 68 similar to FIG. 7. In contrast to FIG. 7, the components 26a and 26b are shown in FIG. 8.
  • a DC-DC converter 106 is fed from the voltage 80 and generates a negative DC voltage to the ground 88, which via a series circuit of a resistor R6, a diode D6 and a
  • Switch TS6 can be switched to the connection LS. As in the figure 7, the voltage 80 via the series circuit of the
  • Resistor R4 the diode D4 and the switch TS4 are switched to the connection HS.
  • a first measuring state is established, in which the switch TS4 passes.
  • the remaining switches TS1, TS2, TS3, TS6 and TS10 block.
  • a positive auxiliary voltage 94 which is positive relative to the ground 88, is produced at the terminal HS, for which reason the diode D72 conducts, and thus the component 26a substantially determines the auxiliary voltage 94 or the potential 92 together with the resistance R4. From the potential 92, the sensor signal determined by the component 26a can now be determined.
  • the switch TS4 is disabled and the switch TS6 conductive.
  • a negative auxiliary voltage 104 which is negative with respect to the ground 88, is produced at the terminal LS, for which reason the diode D26b conducts and the component 26b together with the resistor R6 substantially determines the auxiliary voltage 104 or the potential 102. From the potential 102, the sensor signal determined by the component 26b can now be determined. there it is important that the switch TS10 is disabled to prevent a short circuit of the negative auxiliary voltage 104 via the diode D1.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the electrical system similar to FIG.
  • the component groups with the component 26a and the diode D26a as well as the component 26b and the diode D26b are connected only to the terminal HS of the coil 30.
  • Auxiliary voltages are combined via a common resistor R64 and lead to the connection HS.
  • FIG. 10 shows an expansion of the electrical circuit 68 with a total of four sensor devices 26a-26d, which are each connected in series with diodes D26a-D26d.
  • the series circuits are paired to the terminals HS and
  • LS and the mass 88 switched.
  • the sensor devices 26 of each pair are decoupled from each other via the oppositely connected diodes D26a and D26b or D26c and D26d.
  • a first measurement state is established, in which the switch TS4 is conductive, but the remaining switches TS1, TS2, TS3, TS6, TS8, TS9 and TS10 are blocked.
  • the diodes D26a and D26d conduct, so that from the potentials 92 and 102 and with knowledge of the
  • Resistance of the coil 30, the resistance of the components 26a and 26d can be determined.
  • Resistance of the components 26b and 26c can be determined.
  • the switch TS9 may be conductive in the first measuring state instead of the switch TS4, and in the second measuring state the switch TS8 may be conductive instead of the switch TS6.
  • the electrical circuit 68 can detect the sensor signals or the values of the components 26a-26d according to the invention even without the branches with the switches TS8 and TS9, in particular if the resistance of the coil 30 is known.
  • FIG. 11 shows an equivalent circuit diagram corresponding to FIG. 6, whereby the resistances of the components 26a and 26b can be determined (ignoring the voltage drops across the diodes and the switches) given known values of the resistors R2 and R4 and the coil resistance RS.
  • the calculation rules to be used for this purpose are generally known.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines magnetischen Schaltgliedes (16) beschrieben, wobei mindestens ein Anschluss mindestens einer Sensoreinrichtung (70) an mindestens einen Anschluss (HS, LS) einer Spule (30) des magnetischen Schaltgliedes (16) geschaltet ist, und wobei mindestens ein Messzustand hergestellt wird, in dem mindestens ein Anschluss (HS, LS) der Spule (30) mindestens zeitweise von einer Masse (88) und/oder einer die Spule (30) ansteuernden Spannungsquelle (80, 86) und/oder Stromquelle im Wesentlichen entkoppelt ist, und wobei in dem Messzustand mindestens eine Hilfsspannung (94, 104) und/oder mindestens ein Hilfsstrom an mindestens einem Anschluss (HS, LS) der Spule (30) anliegt und mindestens ein Sensorsignal aus mindestens einem elektrischen Potenzial (92, 102) und/oder mindestens einer Potenzialdifferenz an den Anschlüssen der Spule (30) und/oder mindestens einem über die Anschlüsse der Spule (30) fließenden Strom ermittelt wird.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben eines magnetischen Schaltgliedes Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine elektrische Schaltung und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Magnetische Schaltglieder, wie etwa Relais oder Magnetventile - letztere insbesondere als Einspritzventile einer Brennkraftmaschine - sind im Betrieb hohen Anforderungen ausgesetzt und werden daher häufig überwacht. Dies kann beispielsweise durch eine Auswertung von Spannungen und/oder Strömen einer Spule des magnetischen Schaltglieds erfolgen, oder auch mittels Sensoren, welche physikalische Größen in elektrische Größen umsetzen. Zur Übertragung dieser Größen an eine Steuereinheit oder dergleichen sind im allgemeinen zusätzliche elektrische Leitungen erforderlich, welche einen erhöhten Aufwand bedeuten.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine elektrische Schaltung und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass Ansteuerleitungen der Spule des magnetischen Schaltgliedes, welche dazu vorgesehen sind, das magnetische Schaltglied zu betätigen, mit dazu verwendet werden können, das Signal einer Sensoreinrichtung in Richtung einer die Spule ansteuernden Treiberschaltung zu übertragen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein magnetisches Schaltglied grundsätzlich einen bestromten und einen unbestromten Zustand aufweisen kann. In dem bestromten Zustand wird das Verhalten des magnetischen
Schaltglieds im Wesentlichen von der an die Spule angelegten Spannung bzw. dem in die Spule fließenden Strom bestimmt, wogegen in dem unbestromten Zustand das Verhalten des magnetischen Schaltglieds beispielsweise von der Wirkung einer Rückstellfeder bestimmt wird. Daher sind die Ansteuerleitungen der Spule während des unbestromten Zustands funktionslos.
In dem unbestromten Zustand der Spule werden erfindungsgemäß deren Anschlüsse im Wesentlichen von der ansteuernden Spannungsquelle oder der ansteuernden Stromquelle sowie von der Masse mindestens zeitweise entkoppelt, die Spule also freigeschaltet. Somit stehen die an die Spule dauernd angeschlossenen Ansteuerleitungen zur Verfügung, um in einem Messzustand Signale von der Spule in Richtung der Ansteuerschaltung (Treiberschaltung) zu übertragen.
Beispielsweise weist die Spule zwei Anschlüsse auf und ist entsprechend an zwei Ansteuerleitungen angeschlossen. Dann können in einem maximalen Ausbauzustand bis zu vier Sensoreinrichtungen an die Spule angeschlossen sein, welche beispielsweise als Zweipole jeweils zwischen einen der Anschlüsse der Spule und Masse geschaltet sind. Dabei kann jeweils ein Paar von zwei Sensoreinrichtungen an jeden Anschluss der Spule parallel geschaltet sein, wobei die Sensoreinrichtungen eines Paares über gegensinnig geschaltete Gleichrichter (Dioden) voneinander entkoppelt sind und somit abhängig von einer Polarität einer Hilfsspannung und/oder eines Hilfsstroms, welche in dem
Messzustand an einem und/oder beiden Anschlüssen der Spule anliegen, unterscheidbar sind. Außerdem sind mittels des ohmschen Widerstands der Spule die beschriebenen Paare der Sensoreinrichtungen in Bezug auf die Anschlüsse der Spule messtechnisch unterscheidbar. Somit kann abhängig von der Polarität der anliegenden Hilfsspannung bzw. des Hilfsstroms einerseits, und unter
Berücksichtigung des ohmschen Wderstandes der Spule andererseits, zwischen den bis zu vier Sensoreinrichtungen unterschieden werden. Dadurch können in diesem Fall mittels einer Messung der elektrischen Potenziale an den
Anschlüssen der Spule und/oder durch Messung von in die Anschlüsse fließenden Strömen bis zu vier Sensorsignale ermittelt werden. Dabei macht es sich die Erfindung zunutze, dass die anliegende Hilfsspannung bzw. der anliegende Hilfsstrom einen definierten Bezug gegen Masse aufweisen.
Beispielsweise wird die Hilfsspannung über einen ohmschen Widerstand an den Anschluss der Spule gelegt, so dass ein Spannungsteiler gegen die an Masse geschaltete(n) Sensoreinrichtung(en) gebildet wird. Auf diese Weise können vorteilhaft bis zu vier Messleitungen und deren eventuelle Abschirmungen eingespart werden.
Werden - wie beschrieben - die Anschlüsse der Spule an Hilfsspannungen bzw. Hilfsströme mit verschiedenen Polaritäten gelegt, so werden dadurch mindestens zwei Messzustände definiert, wobei in jedem der Messzustände eine der Polaritäten verwendet wird.
Ferner berücksichtigt die Erfindung, dass das Betreiben einer Spule neben der eigentlichen Ansteuerung weitere Schaltvorgänge umfassen kann, wie beispielsweise ein Löschen eines durch die Spule fließenden Reststroms. Daher stehen in der Ansteuerschaltung nicht nur entsprechende Schaltglieder zur Verfügung oder können auf einfache Weise ergänzt werden, um
erfindungsgemäß mindestens einen Anschluss der Spule im Wesentlichen von der die Spule ansteuernden Spannungsquelle oder Stromquelle zu entkoppeln, sondern es kann auch der durch die Spule fließende Strom nach dem Ende der
Ansteuerung mittels einer Schnelllöschung rasch abgebaut werden, um den Messzustand herbeizuführen.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die Spule in dem Messzustand gegebenenfalls nur an einem der Anschlüsse freizuschalten. Auch dann kann an dem jeweils freigeschalteten Anschluss eine Hilfsspannung oder ein Hilfsstrom angelegt und das Verfahren durchgeführt werden, wobei der endliche ohmsche Widerstand der Spule eingerechnet wird.
Wie bereits eingangs erwähnt wurde, ist es besonders vorteilhaft, dass die in dem Messzustand an die Anschlüsse geschalteten Ansteuerleitungen außerdem dazu verwendet werden, zum ersten die Hilfsspannung und/oder den Hilfsstrom an den mindestens einen Anschluss der Spule zu legen, und zum zweiten das mindestens eine elektrische Potenzial und/oder den mindestens einen über die Anschlüsse fließenden Strom in Richtung der ansteuernden Spannungsquelle und/oder Stromquelle zu übertragen. Damit werden die Ansteuerleitungen der Spule, welche im Betrieb die Treiberleistung zuführen, auch für den mindestens einen Messzustand mit verwendet, so dass zusätzliche Messleitungen oder dergleichen nicht benötigt werden. Im Ergebnis werden erhebliche Kosten gespart und die Verdrahtung vereinfacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders nützlich, wenn das magnetische Schaltglied ein Servoventil beispielsweise eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine ist oder zu diesem gehört, wobei aus dem Sensorsignal ein in einem hydraulischen Steuerraum des Servoventils herrschender Druck und aus diesem wiederum ein Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt eines
Ventilelements des Kraftstoffeinspritzventils ermittelt wird. Die für das
Kraftstoffeinspritzventil wichtige Ermittlung des Öffnungs- und/oder
Schließzeitpunktes kann somit über die vorhandenen Ansteuerleitungen der Spule erfolgen, ohne dass zusätzliche Messleitungen verlegt sein müssen oder Abdichtungen und dergleichen benötigt werden.
Eine wichtige Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das magnetische Schaltglied periodisch betrieben wird, wobei es in einer ersten Phase mittels einer Treiberschaltung bestromt wird, indem die Spule des magnetischen Schaltglieds (Magnetventils) dauernd oder unterbrochen an die ansteuernde
Spannungsquelle und/oder Stromquelle geschaltet wird, danach in einer zweiten Phase die ansteuernde Spannungsquelle und/oder Stromquelle von der Spule abgeschaltet wird und ein durch die Spule fließender Reststrom abklingt oder mittels elektrischer Schaltglieder gelöscht wird, und danach in einer dritten Phase der Messzustand hergestellt und das Sensorsignal ermittelt wird. Dadurch kann das Verfahren auf periodische Vorgänge angewendet werden, insbesondere auf Einspritzventile und die dabei auftretenden kurzen Zyklen.
Weiterhin wird eine elektrische Schaltung zum Betreiben eines magnetischen Schaltgliedes gemäß dem beschriebenen Verfahren vorgeschlagen, wobei die mindestens eine Sensoreinrichtung an mindestens einen Anschluss der Spule geschaltet ist, und wobei mindestens ein Messzustand hergestellt werden kann, in dem mindestens ein Anschluss der Spule mindestens zeitweise von einer Masse und/oder einer die Spule ansteuernden Spannungsquelle und/oder Stromquelle im Wesentlichen entkoppelt ist, und wobei in dem Messzustand mindestens eine Hilfsspannung und/oder mindestens ein Hilfsstrom an mindestens einem Anschluss der Spule anliegt und mindestens ein Sensorsignal aus mindestens einem elektrischen Potenzial und/oder mindestens einer Potenzialdifferenz an den Anschlüssen der Spule und/oder mindestens einem über die Anschlüsse der Spule fließenden Strom ermittelt werden kann.
Beim Betrieb der elektrischen Schaltung kann es nützlich sein, in dem
Messzustand mittels mechanischer oder elektronischer Schalter die mindestens eine Hilfsspannung bzw. den mindestens einen Hilfsstrom nur zeitweise an die Anschlüsse der Spule zu schalten. Sofern die Hilfsspannung bzw. der Hilfsstrom in zwei Polaritäten angelegt werden, kann dies mittels zweier Messzustände zeitlich nacheinander erfolgen, wobei je Messzustand bis zu zwei Sensorsignale gleichzeitig ermittelt werden können. Wrd dagegen nur eine Polarität verwendet, so ist es möglich, die Hilfsspannung bzw. den Hilfsstrom ständig an die
Anschlüsse der Spule zu legen. Im letzten Fall ist es allerdings erforderlich, jene
Bauelemente oder Bauelementgruppen, welche die Hilfsspannung bzw. den Hilfsstrom an die Spule führen, so zu dimensionieren, dass diese zum einen während der Bestromung der Spule nicht beschädigt werden können, und zum andern die Bestromung nicht nachteilig beeinflussen.
Eine Ausgestaltung der elektrischen Schaltung sieht vor, dass die
Sensoreinrichtung ein elektrisches Bauelement oder eine elektrische
Bauelementgruppe ist. Damit kann die Sensoreinrichtung besonders vielfältig ausgeführt sein. Beispielsweise kann ein Sensor der Sensoreinrichtung ein zweipoliges Bauelement sein, etwa ein Piezoelement oder ein
temperaturabhängiger Wderstand (PTC/NTC). In Reihe oder parallel zu diesem Sensor können optional weitere Bauelemente angeordnet sein, beispielsweise die besagten Gleichrichter (Dioden) zur Verwendung zweier Polaritäten der Hilfsspannung bzw. des Hilfsstromes, aber auch Reihenwiderstände oder parallele Elemente, welche den Sensor vor Überspannungen schützen können.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hilfsspannung aus einer
Ausgangsspannung eines Gleichspannungswandlers abgeleitet ist. Damit können in dem Messzustand höhere Hilfsspannungen an der Spule anliegen, als es etwa durch eine Fahrzeugbatterie möglich ist. Dadurch kann die
Messgenauigkeit verbessert werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Bauelement bzw. ein Bauelement der Bauelementgruppe ein kraftempfindlicher Wandler ist. Der kraftempfindliche Wandler ist beispielsweise dazu ausgelegt, einen in einem hydraulischen Steuerraum eines Einspritzventils (Servoventils) herrschenden Druck zu ermitteln. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der kraftempfindliche Wandler ein Piezoelement ist.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine teilweise Schnittdarstellung eines Servoventils eines
Kraftstoffeinspritzventils mit einem magnetischen Schaltglied und einem
Ventilstück;
Figur 2 ein Zeitdiagramm eines Steuerraumdrucks und eines Hubs eines als
Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements des Servoventils von Figur 1 ;
Figur 3 ein Zeitdiagramm des Hubs der Ventilnadel und eines Spulenstroms;
Figur 4 eine erste Ausführungsform einer elektrische Schaltung zum Betreiben des Servoventils von Figur 1 ;
Figur 5 eine zweite Ausführungsform der elektrischen Schaltung; Figur 6 eine dritte Ausführungsform der elektrischen Schaltung; Figur 7 eine vierte Ausführungsform der elektrischen Schaltung;
Figur 8 eine fünfte Ausführungsform der elektrischen Schaltung;
Figur 9 eine sechste Ausführungsform der elektrischen Schaltung;
Figur 10 eine siebte Ausführungsform der elektrische Schaltung; und
Figur 1 1 ein Ersatzschaltbild zur Ermittlung von Sensorsignalen in der
elektrischen Schaltung nach Figur 6.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt eine teilweise Schnittdarstellung eines Servoventils 10 eines weiter nicht genauer dargestellten Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine. Das Servoventil 10 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine
Längsachse 12 ausgeführt. In einem oberen Bereich der Zeichnung ist eine an einem (nicht dargestellten) Gehäuse fest verankerte Abstützplatte 14 dargestellt, in einem mittleren Bereich ist ein magnetisches Schaltglied 16 dargestellt, und in einem unteren Bereich ist ein gehäusefestes Ventilstück 18 mit einem
hydraulischen Steuerraum 20 und einem auf eine nicht dargestellte Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils wirkenden oder mit einer solchen Ventilnadel fest verbundenen Ventilkolben 22 dargestellt.
Die Abstützplatte 14 weist im Bereich der Längsachse 12 einen Stützkolben 24 auf, mit dem ein kraftempfindlicher Wandler 26 wirkverbunden ist. Der kraftempfindliche Wandler 26 stützt sich wiederum in Richtung der Längsachse 12 an der Abstützplatte 14 ab. In der Zeichnung oberhalb des kraftschlüssigen Wandlers 26 sind Anschlussleitungen 28 beispielhaft dargestellt.
Das magnetische Schaltglied 16 umfasst eine Spule 30, welche in einen
Magnetkern 32 eingebettet ist, wobei der Magnetkern 32 von einer Tellerfeder 34 gegen einen ringförmigen Ankeranschlag 36 gedrückt wird. Der Ankeranschlag 36 wird seinerseits von der Tellerfeder 34 mittels des Magnetkerns 32 gegen einen Durchmessersprung (ohne Bezugszeichen) einer gehäusefesten Hülse 38 gedrückt. Entlang eines mittleren Bereichs der Längsachse 12 ist ein längs der Längsachse 12 spielbehaftet gelagerter aber radial gehaltener Ankerbolzen 40 angeordnet, auf dem ein Anker 42 in Richtung der Längsachse 12 verschiebbar angeordnet ist. Ein in Figur 1 unterer Endbereich 44 des Ankers 42 kann an einem einen Ventilsitz bildenden Dichtabschnitt 46 des Ventilstücks 18 aufliegen. Der Endbereich 44 bildet insoweit ein Ventilelement des Servoventils 10. Das magnetische Schaltglied 16 ist wie die übrigen Elemente des Servoventils 10 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt, dargestellt ist jedoch nur die in der Zeichnung rechte Hälfte einer Schnittansicht. Ein Führungsdurchmesser des Ankers 42 und ein Sitzdurchmesser im Bereich des Dichtabschnitts 46 sind in etwa gleich groß.
Das Ventilstück 18 umgrenzt den hydraulischen Steuerraum 20 und den
Ventilkolben 22. Der Ventilkolben 22 ist in dem Ventilstück 18 in Richtung der Längsachse 12 verschiebbar und ist, wie bereits oben erwähnt, mit einem nicht dargestellten Ventilelement (Düsen- oder Ventilnadel) fest gekoppelt. In der Zeichnung oberhalb des Steuerraums 20 ist dieser über eine Ablaufdrossel 48 mit einer Druckkammer 50 verbunden. In der Zeichnung rechts des Steuerraums 20 ist eine Zulaufdrossel 52 angeordnet, durch welche der Steuerraum 20 mit einem unter hohem Druck stehenden Fluid 54 gespeist werden kann. Das Fluid 54 wird beispielsweise von einem nicht gezeigten Common-Rail-Kraftstoffsystem zur Verfügung gestellt. Ein Fluidraum 56, in dem der Anker 42 und der
Ankerbolzen 40 angeordnet sind, ist mit einem nicht gezeigten Hochdruckbereich verbunden.
Solange die Spule 30 nicht bestromt ist, wird der Endbereich 44 durch eine nicht gezeigte Ventilfeder gegen den Dichtabschnitt 46 gedrückt, das Servoventil 10 ist also geschlossen. Aufgrund der Druckverhältnisse im Steuerraum 20 wird der Ventilkolben 22 in der Zeichnung nach unten gedrückt, so dass die (nicht dargestellte) Ventilnadel schließt. Wird die Spule 30 bestromt, so wird der Anker 42 durch magnetische Kraft in Richtung des Magnetkerns 32 gegen den
Ankeranschlag 36 bewegt. Hierdurch ergibt sich eine Verbindung des
Steuerraums 20 mit niedrigem Druck, wodurch der Druck im Steuerraum sinkt. Gleichzeitig wirkt eine nicht gezeigte Hochdruckfläche an der ebenfalls nicht gezeigten Ventilnadel, die von dem Ventilkolben 22 beaufschlagt wird, in
Öffnungsrichtung. Die entsprechende, in Öffnungsrichtung wirkende Kraft wird nun dominant, so dass sich der Ventilkolben 22 mit der Ventilnadel nach oben bewegt, also öffnet. Die Kraftstoff-Einspritzung beginnt. Zum Schließen wird die Bestromung der Spule 30 beendet. Durch die Ventilfeder wird der Endbereich 44 wieder gegen den Dichtbereich 46 gedrückt, das Servoventil schließt also, und das Abströmen von Fluid aus dem Steuerraum 20 wird beendet. Da weiterhin Fluid über die Zulaufdrossel 52 in den Steuerraum 20 nachströmt, werden der Ventilkolben 22 und mit ihm die Ventilnadel in Figur 1 nach unten in
Schließrichtung gedrückt. Die Kraftstoff-Einspritzung endet.
Der Schließzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzventils kann ermittelt werden, indem der Verlauf der Kraft, die der Ankerbolzen 40 gegen den kraftempfindlichen Wandler 26 ausübt, ausgewertet wird. Durch eine solche Kraft bzw.
Kraftänderung wird in dem letzteren eine Spannung aufgebaut oder eine
Widerstandsänderung und somit ein Sensorsignal erzeugt. Das Sensorsignal kann mittels elektrischer Schaltungen, wie sie nachfolgend in den Figuren 4 bis 1 1 beschrieben werden, ermittelt werden.
Figur 2 zeigt einen zeitlichen Zusammenhang zwischen dem Druck 60 in dem Steuerraum 20 und dem Hub 62 des Ventilkolbens 22 bzw. der damit verbundenen Ventilnadel. In einem oberen Diagramm der Figur 2 ist an der Ordinate der Druck 60 in dem Steuerraum 20 aufgetragen, und in einem unteren Diagramm ist an der Ordinate der Hub 62 des Ventilkolbens 22 aufgetragen. Vorliegend bedeutet ein Hub 62 von null ein geschlossenes Einspritzventil. Beide Diagramme weisen auf der Abszisse einen zueinander gleichen Zeitmaßstab t auf.
Man erkennt, dass sowohl zu Beginn der Öffnungsbewegung des Ventilkolbens 22 in einem Zeitpunkt ta als auch am Ende der Schließbewegung in einem Zeitpunkt tb der Verlauf des Drucks deutlich sichtbare Veränderungen erfährt. Beim Öffnen zum Zeitpunkt ta ergibt sich ein plötzlicher Druckabfall, beim Schließen zum Zeitpunkt tb ein plötzlicher Druckanstieg. Der Druck 60 im Steuerraum 20 und im Druckraum 50 wirkt über den Ankerbolzen 40 auf den kraftempfindlichen Wandler 26, und kann somit in ein Sensorsignal umgewandelt werden, so dass die Veränderungen des Drucks 60 sich im Sensorsignal abbilden und somit für eine Ermittlung beispielsweise des Schließzeitpunktes ausgewertet werden können. Figur 3 zeigt in einem oberen Zeitdiagramm einen Hub 63 des Ankers 42 des
Servoventils 10 von Figur 1 und in einem unteren Zeitdiagramm einen
zugehörigen Strom I der Spule 30. Beide Diagramme weisen auf der Abszisse einen zueinander gleichen Zeitmaßstab t auf. Zu einem Zeitpunkt tO wird die Spule 30 des magnetischen Schaltgliedes 16 bestromt, worauf sich der Strom I bis zu einem Zeitpunkt t1 erhöht. Zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 wird der Strom I nach Art eines
Zweipunktreglers getaktet, wobei sich ein mittlerer Strom 11 einstellt. Zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 wird der Strom I weiter getaktet, wobei sich ein mittlerer Strom 12 einstellt, der kleiner ist als der Strom 11. Im Zeitpunkt t3 wird der Strom I abgeschaltet und erreicht zu einem Zeitpunkt t4 den Wert null.
Zu dem Zeitpunkt ta hebt der Endbereich 44 vom Dichtabschnitt 46 ab und trifft zu einem Zeitpunkt tc am Ankeranschlag 36 auf. Zu einem Zeitpunkt td beginnt als Folge der fehlenden Magnetkraft in der Spule 30 der Anker 42 vom
Ankeranschlag 36 abzufallen, und zu dem Zeitpunkt tb trifft er wieder auf dem Dichtabschnitt 46 auf.
Man erkennt, dass in einem Zeitraum ZR1 zwischen dem Zeitpunkt tO und dem Zeitpunkt t3 die Bestromung der Spule 30 zum Anziehen des Ankers 42, zu dem hierdurch möglichen Abströmen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 20 und in der Folge zum besagten Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils führt. Während eines Zeitraums ZR2 wird der in der Spule 30 noch fließende Strom mittels einer Schnelllöschung abgebaut. Anschließend vergeht ein weiterer Zeitraum ZR3, bis der Anker 42 im Zeitpunkt tb wieder auf dem Dichtabschnitt 46 auftritt, so dass kurz danach das Kraftstoffeinspritzventil wieder schließt. Somit kann bereits in dem Zeitraum ZR3 ein Messzustand beginnen, um die Spule 30 freizuschalten und das Schließen des Kraftstoffeinspritzventils mittels des kraftempfindlichen Wandlers 26 in einem auf den Zeitpunkt tb unmittelbar folgenden Zeitabschnitt (nicht dargestellt) zu detektieren. Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer elektrischen Schaltung 68 zur Ansteuerung der Spule 30 und zum Erfassen der Signale des kraftempfindlichen Wandlers 26, welcher allgemein auch eine Sensoreinrichtung 70 darstellt. Die Spule 30 besitzt einen oberen Anschluss HS und einen unteren Anschluss LS. Eine senkrechte gestrichelte Linie repräsentiert zwei (nicht explizit gezeichnete)
Ansteuerleitungen 76 zwischen den Anschlüssen HS und LS der Spule 30 des magnetischen Schaltglieds 16 und einer Treiberschaltung 78. Die
Treiberschaltung 78 umfasst unter anderem eine Spannung 80 einer nicht gezeigten Fahrzeugbatterie, einen daraus gespeisten Gleichspannungswandler 82, der an einem Kondensator 84 eine Boostspannung 86 aufbaut, sowie Dioden
D1 , D2 und D3, sowie Schalter TS1 , TS2 und TS3.
Die Diode D1 ist als Freilaufdiode geschaltet. Die Dioden D1 bis D4 sowie die Schalter TS1 bis TS4 sind als Halbleiterelemente ausgeführt. Der Kondensator 84 ist so dimensioniert, dass die Boostspannung 86 in allen Phasen des Betriebs in etwa konstant bleibt und vorliegend beispielhaft rund 48 Volt beträgt. Ein in der Zeichnung der Figur 4 links der senkrecht gestrichelten Linie (Ansteuerleitungen 76) dargestellter Bereich beschreibt elektrische Komponenten des magnetischen Schaltglieds 16 des Kraftstoffeinspritzventils und ein rechts der Ebene 76 dargestellter Bereich beschreibt elektrische Komponenten einer Steuer- und/oder
Regeleinrichtung (Steuergerät) einer Brennkraftmaschine, in der das
Kraftstoffeinspritzventil eingesetzt ist.
In einer ersten Phase ab dem Zeitpunkt tO (Figur 3) wird die Spule 30 mittels der Treiberschaltung 78 bestromt. Dazu schließt der Schalter TS1 den Anschluss LS der Spule 30 an eine Masse 88 (Fahrzeugmasse). Ebenfalls ist der Schalter TS2 leitend, so dass ein der Boostspannung 86 entsprechender Stromanstieg in der Spule 30 stattfindet. Die Schalter TS3 und TS4 sind gesperrt. Zu dem Zeitpunkt t1 der Figur 3 wird der Schalter TS2 gesperrt und mittels des Schalters TS3 eine getaktete Bestromung der Spule 30 durchführt, ähnlich, wie es in der Figur 3 zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 gezeigt ist.
In einer zweiten Phase ab dem Zeitpunkt t3 werden die Schalter TS1 und TS3 gesperrt. Daraufhin findet eine Schnelllöschung des Stromes I wie folgt statt: Der Strom I fließt im Wesentlichen über den Anschluss LS der Spule 30, danach über die Diode D2, danach über den Kondensator 84 in eine Masse 90, welche in etwa das Potenzial der Masse 88 aufweist, danach über die Diode D1 und danach in den Anschluss HS der Spule 30. Weil der Kondensator 84 eine vergleichsweise hohe Spannung aufweist (vorliegend beispielsweise in etwa 48 Volt) ist die elektrische Leistung vergleichsweise groß und die Zeitkonstante zum Abklingen des Stromes I entsprechend klein.
In einer dritten Phase ab dem Zeitpunkt t4 wird ein Messzustand herbeigeführt, um ein durch den kraftempfindlichen Wandler 26 erzeugtes Sensorsignal zu übertragen bzw. zu ermitteln. In dieser Phase sind die Schalter TS1 bis TS3 gesperrt und der Schalter TS4 ist leitend. Somit ergibt sich aus einem
Spannungsteiler, der im Wesentlichen aus einem Wderstand R4 sowie dem kraftempfindlichen Wandler 26 bzw. dessen elektrisch wirksamem Bauelement besteht, ein Potenzial 92 am Anschluss HS der Spule 30. Die an der Diode D4 und dem Schalter TS4 auftretenden Spannungsabfälle werden bei einer Auswertung des Potenzials 92 mit berücksichtigt. Das Potenzial 92
charakterisiert auch eine Hilfsspannung 94, welche über den Wderstand R4 aus der Spannung 80 gebildet bzw. zugeführt wird. Da über die Ansteuerleitungen 76 der Spule 30 das Potenzial 92 an das Steuergerät der Brennkraftmaschine übertragen wird, kann daraus das Sensorsignal des kraftempfindlichen Wandlers 26 ermittelt werden. Die dazu erforderlichen elektrischen Bauelemente sind in der Zeichnung der Figur 4 jedoch nicht mit dargestellt. Aus dem ermittelten Sensorsignal kann die auf den kraftempfindlichen Wandler 26 einwirkende Kraft und daraus der in dem Steuerraum 20 herrschende Druck 60 bestimmt werden. Die Dioden D3 und/oder D4 können entfallen, sofern die in Reihe liegenden Schalter TS3 bzw. TS4 selbst eine entsprechende Sperrwirkung aufweisen.
Die in den folgenden Figuren 5 bis 10 dargestellten alternative
Ausführungsformen von elektrischen Schaltungen 68 arbeiten grundsätzlich ähnlich wie die Ausführungsform der elektrischen Schaltung 68 der Figur 4. Daher werden nachfolgend im Wesentlichen die jeweiligen Unterschiede beschrieben.
Im Unterschied zu der Figur 4 wird bei der Ausführungsform von Figur 5 die Hilfsspannung 94 über den Wderstand R4 aus einer Spannung 96 eines zweiten Gleichspannungswandlers 98 gebildet. Die Spannung 96 ist vorliegend größer als die Spannung 80, wodurch der Anwendungsbereich der elektrischen Schaltung 68 gegebenenfalls erweitert bzw. die Auflösung des Potenzials 92 verbessert werden kann.
Im Unterschied zu der Figur 4 ist bei der Ausführungsform der Figur 6 am Anschluss LS der Spule 30 eine zweite Sensoreinrichtung 26b angeschlossen, welche beispielsweise ein Temperatursensor ist. Der kraftempfindliche Wandler ist in Figur 6 mit 26a bezeichnet. Parallel zu dem Schalter TS1 ist ein Wderstand R2 angeschlossen. Der Widerstand R2 kann gegebenenfalls eine durch die Diode D2 verursachte Spannungsverschiebung verhindern und ist
vergleichsweise hochohmig in Bezug auf die übrigen an der Spule 30
angeschlossenen Wderstände. Sofern aus funktionalen Gründen der Wderstand R2 niederohmiger ausgelegt wird, so kann in Reihe zu dem Widerstand R2 eine Diode geschaltet werden (nicht dargestellt). Die beiden ersten Phasen, also die Bestromung der Spule 30 und die
anschließende Schnelllöschung entsprechen denen der Figur 4. Der in der dritten Phase hergestellte Messzustand ermöglicht in der Figur 6 jedoch eine gleichzeitige Ermittlung zweier Sensorsignale, nämlich des kraftempfindlichen Wandler 26a und des Temperatursensors 26b.
Der in dem Messzustand gebildete Spannungsteiler wird im Wesentlichen aus dem Wderstand R4 und einem daran angeschlossenen Netzwerk gebildet. Dieses Netzwerk umfasst die Bauelemente 26a und 26b, sowie die Spule 30 und den Widerstand R2. Wegen des ohmschen Widerstandes der Spule 30 können an den Anschlüssen HS und LS entsprechend unterschiedliche Potenziale 94 und 102 abgenommen werden. Unter Berücksichtigung des Netzwerks und der Werte der Wderstände R4 und R2 sowie des Widerstands der Spule 30 können die Sensorsignale ermittelt und daraus die ihnen zugrunde liegenden
physikalischen Größen bestimmt werden.
Figur 7 zeigt eine vierte elektrische Schaltung 68 ähnlich zu jener von Figur 6. Im Unterschied zu jener der Figur 6 kann eine zweite Hilfsspannung 104 mittels eines Widerstandes R5, einer Diode D5 und eines Schalter TS5 an dem
Anschluss LS der Spule 30 anliegen. Dadurch ist in dem Messzustand das die Spule 30 umgebende Netzwerk geringfügig komplizierter, jedoch können ebenfalls Potenziale 92 und 102 ermittelt und daraus die Sensorsignale und die ihnen zugrunde liegenden physikalischen Größen in ähnlicher Weise bestimmt werden. Dabei kann es von Vorteil sein, die Schalter TS4 und TS5 nicht gleichzeitig leitend werden zu lassen, sondern nacheinander bzw. abwechselnd, wobei die Schaltzeitpunkte gegebenenfalls an zu erwartende Veränderungen der Sensorsignale angepasst sein können. Auf diese Weise kann der Einfluss des ohmschen Widerstands der Spule 30 besser berücksichtigt werden, so dass eine genauere Ermittlung der Sensorsignale ermöglicht wird.
Figur 8 zeigt eine fünfte elektrische Schaltung 68 ähnlich zu der Figur 7. Im Unterschied zu der Figur 7 sind die Bauelemente 26a und 26b durch jeweils in
Reihe geschaltete Dioden D26a und D26b zu Bauelementgruppen ergänzt.
Dabei sind die Dioden D26a und D26b in Bezug auf die Masse 88 gegensinnig geschaltet. Ein Gleichspannungswandler 106 wird aus der Spannung 80 gespeist und erzeugt eine gegen die Masse 88 negative Gleichspannung, welche über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R6, einer Diode D6 und einem
Schalter TS6 auf den Anschluss LS aufgeschaltet werden kann. Wie bereits in der Figur 7 kann die Spannung 80 über die Reihenschaltung aus dem
Widerstand R4, der Diode D4 und dem Schalter TS4 auf den Anschluss HS aufgeschaltet werden.
In der dritten Phase des Betriebs des magnetischen Schaltgliedes 16 bzw. des Einspritzventils wird ein erster Messzustand hergestellt, in welchem der Schalter TS4 leitet. Die übrigen Schalter TS1 , TS2, TS3, TS6 und TS10 sperren. Dabei entsteht am Anschluss HS eine gegenüber der Masse 88 positive Hilfsspannung 94, weshalb die Diode D72 leitet und so das Bauelement 26a zusammen mit dem Wderstand R4 die Hilfsspannung 94 bzw. das Potenzial 92 wesentlich bestimmt. Aus dem Potenzial 92 kann nun das durch das Bauelement 26a bestimmte Sensorsignal ermittelt werden. In einem darauf folgenden zweiten Messzustand wird der Schalter TS4 gesperrt und der Schalter TS6 leitend. Dabei entsteht am Anschluss LS eine gegenüber der Masse 88 negative Hilfsspannung 104, weshalb die Diode D26b leitet und so das Bauelement 26b zusammen mit dem Widerstand R6 die Hilfsspannung 104 bzw. das Potenzial 102 wesentlich bestimmt. Aus dem Potenzial 102 kann nun das durch das Bauelement 26b bestimmte Sensorsignal ermittelt werden. Dabei ist es wichtig, dass der Schalter TS10 gesperrt ist, um einen Kurzschluss der negativen Hilfsspannung 104 über die Diode D1 zu verhindern.
Der Vorteil der elektrischen Schaltung in Figur 8 im Unterschied zu der Figur 7 ist es, dass der Widerstand der Spule 30 für die Ermittlung der Sensorsignale unerheblich ist. Daraus folgend kann die Genauigkeit der Ermittlung deutlich verbessert werden, insbesondere, falls die Spule 30 nur einen Widerstand von wenigen Ohm aufweist. Figur 9 zeigt eine zu der Figur 8 ähnliche Ausführungsform der elektrischen
Schaltung 68. Im Unterschied zu der Figur 8 sind die Bauelementgruppen mit dem Bauelement 26a und der Diode D26a sowie dem Bauelement 26b und der Diode D26b nur an den Anschluss HS der Spule 30 angeschlossen. Ebenso sind die Bauelementgruppen R4, D4, TS4 und R6, D6, TS6 zum Anlegen der
Hilfsspannungen über einen gemeinsamen Widerstand R64 zusammengelegt und führen auf den Anschluss HS.
Figur 10 zeigt einen Ausbau der elektrischen Schaltung 68 mit insgesamt vier Sensoreinrichtungen 26a-26d, welche jeweils mit Dioden D26a-D26d in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltungen sind paarig an die Anschlüsse HS bzw.
LS und der Masse 88 geschaltet. Dabei sind die Sensoreinrichtungen 26 eines jeden Paares über die gegensinnig geschalteten Dioden D26a und D26b beziehungsweise D26c und D26d voneinander entkoppelt. In der dritten Phase des Betriebs wird ein erster Messzustand hergestellt, in welchem der Schalter TS4 leitend ist, die übrigen Schalter TS1 , TS2, TS3, TS6, TS8, TS9 und TS10 jedoch sperren. In der Folge leiten die Dioden D26a und D26d, so dass aus den Potenzialen 92 und 102 und mit Kenntnis des
Widerstands der Spule 30 der Wderstand der Bauelemente 26a und 26d bestimmt werden kann.
Danach wird ein zweiter Messzustand hergestellt, in welchem der Schalter TS6 leitend ist, die übrigen Schalter TS1 , TS2, TS3, TS4, TS8, TS9 und TS10 jedoch sperren. In der Folge leiten die Dioden D26b und D26c, so dass aus den
Potenzialen 92 und 102 und mit Kenntnis des Wderstands der Spule 30 der
Widerstand der Bauelemente 26b und 26c bestimmt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann in dem ersten Messzustand an Stelle des Schalters TS4 der Schalter TS9 leitend sein und in dem zweiten Messzustand kann an Stelle des Schalters TS6 der Schalter TS8 leitend sein. Durch eine Benutzung beider Alternativen kann es gegebenenfalls möglich sein, den Widerstand der Spule 30 zu ermitteln. Es sei angemerkt, dass insbesondere bei bekanntem Wderstand der Spule 30 die elektrische Schaltung 68 auch ohne die Zweige mit den Schaltern TS8 und TS9 die Sensorsignale bzw. die Werte der Bauelemente 26a-26d erfindungsgemäß ermitteln kann.
Figur 1 1 zeigt ein Ersatzschaltbild passend zu der Figur 6, womit (unter Vernachlässigung der Spannungsabfälle an den Dioden und den Schaltern) bei bekannten Werten der Widerstände R2 und R4 sowie des Spulenwiderstandes RS die Widerstände der Bauelemente 26a und 26b ermittelt werden können. Die hierfür anzuwendenden Rechenregeln sind allgemein bekannt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines magnetischen Schaltgliedes (16), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anschluss mindestens einer
Sensoreinrichtung (70) an mindestens einen Anschluss (HS, LS) einer Spule (30) des magnetischen Schaltgliedes (16) geschaltet ist, und dass mindestens ein Messzustand hergestellt wird, in dem mindestens ein Anschluss (HS, LS) der Spule (30) mindestens zeitweise von einer Masse (88) und/oder einer die Spule (30) ansteuernden Spannungsquelle (80, 86) und/oder Stromquelle im Wesentlichen entkoppelt ist, und dass in dem Messzustand mindestens eine Hilfsspannung (94, 104) und/oder mindestens ein Hilfsstrom an mindestens einem Anschluss (HS, LS) der Spule (30) anliegt und mindestens ein Signal mindestens eines Sensors (26) aus mindestens einem elektrischen Potenzial (92, 102) und/oder mindestens einer Potenzialdifferenz an den Anschlüssen (HS, LS) der Spule (30) und/oder mindestens einem über die Anschlüsse (HS, LS) der Spule (30) fließenden Strom ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Messzustand an die Anschlüsse (HS, LS) geschaltete Ansteuerleitungen (76) dazu verwendet werden, zum ersten die Hilfsspannung (94, 104) und/oder den Hilfsstrom an den mindestens einen Anschluss (HS, LS) der Spule (30) zu legen, und zum zweiten das mindestens eine elektrische Potenzial (92, 102) und/oder den mindestens einen über die Anschlüsse (HS, LS) fließenden Strom in Richtung der ansteuernden Spannungsquelle (80, 86) und/oder Stromquelle zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Schaltglied (16) ein Servoventil (10) eines
Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine ist oder zu diesem gehört, und dass aus dem Sensorsignal ein in einem hydraulischen Steuerraum (20) herrschender Druck (60) und aus diesem wiederum ein Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt (tb) eines Ventilelements des Kraftstoffeinspritzventils ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Schaltglied (16) periodisch betrieben wird, wobei es in einer ersten Phase (ZR1) mittels einer Treiberschaltung (78) bestromt wird, indem die Spule (30) des magnetischen Schaltglieds (16) dauernd oder unterbrochen an die ansteuernde Spannungsquelle (80, 86) und/oder Stromquelle geschaltet wird, danach in einer zweiten Phase (ZR2) die ansteuernde Spannungsquelle (80, 86) und/oder Stromquelle von der Spule (30) abgeschaltet wird und ein durch die Spule (30) fließender Reststrom abklingt oder mittels elektrischer Schaltglieder gelöscht wird, und danach in einer dritten Phase (ZR3) der Messzustand hergestellt und das Sensorsignal ermittelt wird.
Elektrische Schaltung (68) zum Betreiben eines magnetischen Schaltgliedes (16) gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensoreinrichtung (70) an mindestens einen Anschluss (HS, LS) der Spule (30) geschaltet ist, und dass mindestens ein Messzustand hergestellt werden kann, in dem mindestens ein Anschluss (HS, LS) der Spule (30) mindestens zeitweise von einer Masse (88) und/oder einer die Spule (30) ansteuernden
Spannungsquelle (80, 86) und/oder Stromquelle im Wesentlichen entkoppelt ist, und dass in dem Messzustand mindestens eine Hilfsspannung (94, 104) und/oder mindestens ein Hilfsstrom an mindestens einem Anschluss (HS, LS) der Spule (30) anliegt und mindestens ein Sensorsignal aus mindestens einem elektrischen Potenzial (92, 102) und/oder mindestens einer
Potenzialdifferenz an den Anschlüssen der Spule (30) und/oder mindestens einem über die Anschlüsse der Spule (30) fließenden Strom ermittelt werden kann.
Elektrische Schaltung (68) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (70) ein elektrisches Bauelement (26) oder eine elektrische Bauelementgruppe ist. Elektrische Schaltung (68) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung (94, 104) aus einer
Ausgangsspannung (96) eines Gleichspannungswandlers (98; 106) abgeleitet ist.
Elektrische Schaltung (68) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement bzw. ein Bauelement der
Bauelementgruppe ein kraftempfindlicher Wandler (26; 26a) ist.
9. Elektrische Schaltung (68) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kraftempfindliche Wandler (26) ein Piezoelement ist.
10. Steuer- und/oder Regeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu programmiert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen und/oder eine elektrische Schaltung (68) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 zu betreiben.
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