WO1989002523A1 - Process and device for driving electromagnets, in particular in injection valves - Google Patents

Process and device for driving electromagnets, in particular in injection valves Download PDF

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WO1989002523A1
WO1989002523A1 PCT/DE1988/000538 DE8800538W WO8902523A1 WO 1989002523 A1 WO1989002523 A1 WO 1989002523A1 DE 8800538 W DE8800538 W DE 8800538W WO 8902523 A1 WO8902523 A1 WO 8902523A1
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electromagnet
voltage
pulse
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initial pulse
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PCT/DE1988/000538
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Gernot Sikora
Franz Altinger
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Gernot Sikora
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    • 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
    • F02D41/20—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
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    • F02D2041/2003—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils using means for creating a boost voltage, i.e. generation or use of a voltage higher than the battery voltage, e.g. to speed up injector opening
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/2003—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils using means for creating a boost voltage, i.e. generation or use of a voltage higher than the battery voltage, e.g. to speed up injector opening
    • F02D2041/2013—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils using means for creating a boost voltage, i.e. generation or use of a voltage higher than the battery voltage, e.g. to speed up injector opening by using a boost voltage source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2031—Control of the current by means of delays or monostable multivibrators

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling switching electromagnets, in particular in injection valves according to the preambles of the independent claims.
  • the fuel is supplied to the combustion chamber of the engine via electrically controlled injection valves.
  • the fuel metering and the map ignition take place here via a central computer system, which calculates system data from various measurement values supplied by sensors and supplies corresponding pulse-width-modulated control signals to an electromagnet of the valve.
  • Air flow meters, cooling water temperature meters, air inlet temperature meters, which measure the inlet temperature of the air at the entrance to the combustion chamber, air temperature meters, revolution markers, speed sensors and throttle clap switches serve as sensors.
  • the admixture of the fuel in the 'air flow during Ansaug vides the associated cylinder brings the best technical results.
  • the pulse-width modulated control pulses are also emitted by the process computer.
  • the ratio between the amount of fuel and the above-mentioned duty cycle of the pulse duration-modulated signals or the injection angle should be as constant as possible.
  • the characteristic curves should be as linear as possible in the ideal state and should have the same value for the metered fuel amount for all engine speeds for a given injection angle.
  • the main components of conventional electric injection valves are the nozzle part with the nozzle assembly, the winding of the electromagnet, the magnetic core, the armature, the return spring and the housing with force. material line connections.
  • the return spring pressing against the nozzle assembly with such a force that the injection valve is reliably closed.
  • the movement distance of the armature and thus of the associated nozzle assembly is mechanically limited by a disc.
  • the current in the winding of the electromagnet increases linearly until the core saturates and is now only limited by the series resistor of the injection valve 1 or the resistance of the winding wire.
  • the field strength in the electromagnet is proportional to the product of the current and the number of turns divided by the length of the magnetic path.
  • the parameters for optimal control of the electromagnets have a diametrical course.
  • a large inductance is required for a given mechanical force in order to keep the current low and not to require complex control circuits.
  • the armature is removed from the core in the switch-on moment and therefore, owing to the degressive field density as a function of the distance, a considerably higher field strength for the movement of the armature is required than in the steady state.
  • the magnetic energy in the winding of the electromagnet which reached its maximum at the moment of switching off, must be reduced. If the dismantling takes place quickly, high voltage peaks are the result. If the degradation is damped, the counter-EMF causes a switch-off delay.
  • the switch-on delay due to the time-linear current rise and the switch-off delay due to the stored magnetic energy are the two main disturbance parameters which are responsible for non-linear relationships in fuel metering.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device of the type in question, with which in particular the switch-on and switch-off delay of switched electromagnets, in particular in electrically controlled injection valves, can be reduced in such a way that the switching characteristics are as optimal as possible fen.
  • the guiding principle of the invention is to be seen in this, by means of a specific control circuit without change or change in the component switched by the electromagnet component 1 to see specific parameters and to reduce or eliminate the two above-mentioned interference parameters and thus to ensure the operation of the component in the permissible characteristic field.
  • the switching characteristics show approximately the desired horizontal displacement.
  • the electromagnet for example of an injection valve, is consciously overridden with an initial pulse of high voltage amplitude within a defined and, in particular, very short time frame, independent of the duty cycle, due to the short time of the initial pulse.
  • the windings of the electromagnet are not thermally overloaded.
  • the unregulated supply voltage is transformed to a regulated high voltage level, which generally corresponds to a multiple of the supply voltage.
  • the anchor moves very quickly in this way into the other position, which, for. B. it is the open position of an egg n Spritzventi 1.
  • the current rise is practically linear.
  • the switching movements of the armature can also be clearly reproduced over time.
  • the electromagnet is provided with only a minimum energy necessary for securely holding the armature, which is preferably done by a minimal and preferably constant holding current.
  • Overriding in the switch-on phase improves the switch-on delay by about a power of ten.
  • the switch-on override takes place with high voltages, which are between 40 and 80 V for injection valves in motor vehicles. These voltages cannot be reached in vehicle electrical systems, so that they have to be generated in separate circuit stages. A preferred way of doing this is to convert the vehicle electrical system voltage
  • the switch-off delay is reduced since only a small amount of magnetic energy has to be dissipated.
  • the initial pulse of high voltage amplitude can in principle be generated in several ways using the vehicle electrical system voltage available in motor vehicles.
  • the generation of the initial pulse would be similar to realizing the generation of the ignition pulse.
  • this solution is not recommended, since currents of approx. 20 amperes would then occur on the primary side in a corresponding pulse transformer.
  • the necessary reinforced cross sections of the supply lines and large filter capacities are also disadvantageous.
  • there is high electromagnetic interference radiation. Semiconductors that can withstand high peak currents would have to be used as circuit breakers. Overall, a complicated control with high circuit complexity is required.
  • electrolytic capacitors are only of limited suitability for such pulse applications, e.g. B. due to their high volume, their unfavorable Temperaturver ⁇ behavior and poor electrical switching behavior due to the inductance.
  • Favor 't is therefore held by means of a fast, a transformer having a transducer storage capacitor continuously on a high state of charge, to write a triggered by the control circuit Wegvor ⁇ direction its charge pulse-like manner to the injector.
  • a semiconductor is used as the circuit breaker. This solution is considerably simpler and less expensive than the ones mentioned above.
  • a certain amount of energy is required to switch the electromagnet through quickly using the high voltage start pulse. Since a relatively high intermediate voltage is made available with the aid of the storage capacitor, only relatively small currents occur in the windings of the electromagnet, the values being between 2 to 4 times the continuous load current and no thermal excess due to the short-term nature of the initial pulse load on the winding of the electromagnet. Given a predetermined permissible charge on the storage capacitor, a considerably smaller capacitance is permissible, which is of the order of a few microfarads. Such capacitors are available inexpensively in a polypropylene design. This type of capacitor has an extremely good pulse behavior, so that overall better values can be achieved than with electrolytic capacitors. The capacitor is charged relatively slowly by the fast converter and then gives off its charge to the respective electromagnet when switched through.
  • a constant current source 1 e is preferably used to provide the low holding energy for the electromagnet. If several electromagnets are activated one after the other, e.g. B. the electromagnets of injectors of an engine, the converter, the switching device and the constant current source e can be used together for all injectors of an engine. A separate circuit breaker is then available for each injection valve. This solution simplifies the control circuit considerably, since a separate control circuit is not necessary for each injection valve.
  • these injection valves are not modified in terms of design, so that existing control circuits can also be converted in the sense of the invention.
  • the basic frequency of the egg ni spri z es i. H. the frequency at which the injection valve no longer opens despite a control signal has been raised significantly.
  • the amount of fuel added can be dispensed in a single cycle instead of in several portions as in the prior art.
  • ninjection valve 1 show a much better linear Course as those of conventionally controlled injection valves.
  • FIG. 1 shows a schematic block circuit diagram of a device according to the invention for controlling a plurality of injection valves
  • FIG. 2 shows diagrams for the control voltage, the current profile through an electromagnet of the injection valve and for the injection quantity, in each case plotted over time, on the one hand for conventional control and on the other hand for control of an injection valve 1 according to the invention;
  • 3 shows two characteristic diagrams for the injection quantity per time versus the speed of an internal combustion engine per minute with the injection angle as parameters, specifically a characteristic diagram for conventionally controlled and another characteristic diagram for injection valves 1 controlled according to the invention; 4a and b diagrams for the calculated errors in percent in the fuel metering with conventional control or control according to the invention of an injection valve 1.
  • the injection system has a plurality of electromagnetically actuated injection valves 2a to 2n, each with an electromagnet 3a to 3n, which are controlled with the aid of a computer 4 with control signals modulated by pulse duration, the computer using this control signal in a conventional manner on the basis of measured values calculated, which are delivered by several sensors.
  • the control signals of the computer 4 are fed via a pulse shaper 5 to a pulse source 6, the output pulses of which are fed via a circuit breaker 7a to 7n for each injector to the associated electromagnet 3a to 3n, between the feed lines to the respective electromagnets 3a to 3n, a filter network 17a to 17n is also provided in order to reduce peak values of the supplied signals.
  • the circuit breakers are controlled via a decoder 8, which in turn receives control signals from the computer 4.
  • a data converter 9 controlled by the computer 4 is also provided, which is connected to the pulse shaper 5 and the decoder 8.
  • the pulse source 6 is with an input terminal 10 to the voltage U of an electrical system of a motor vehicle and with another input terminal 11 to a basic potential, for. B. mass. With the input terminal 10 in a first branch of the pulse source 6 a direct voltage / Gl ei chwoodswandl er 12 and a pulse switch 13 and in another branch parallel to it a constant current source 14 connected. A filter capacitor or a capacitor arrangement 15 is also provided between the input terminals 10 and 11. A storage capacitor 16 is located between the basic potential connected to the input terminal 11 and a connection point between the converter 12 and the pulse switch 13.
  • the DC / DC voltage converter 12 converts the on-board voltage U from z. B. 12 V in a higher voltage of z. B. 80 V around.
  • a transformer with a primary winding of. 9 turns and a secondary winding of 72 turns are provided.
  • a demagnetization winding with 12 windings is also provided on the primary side.
  • the computer 4 outputs a control signal based on the measured values calculated by the sensors to the pulse shaper 5 and the data converter 9 and also a marking signal to the decoder 8.
  • the corresponding signal switches 7a to 7n of the individual injection valves are sent with the marking signal 2a to 2n and closed for the time period specified by the pulse-width-modulated control signal.
  • the pulse shaper 5 in turn controls the pulse switch 13, which thereby closes a predetermined time period, in this case 250 ⁇ sec.
  • the charge of the storage capacitor 16 is supplied to the electromagnetic 3a in a pulsed manner via the circuit breaker 7a during this period. Due to this short-term high voltage pulse, the respective injection valve becomes only one opened with a slight switch-on delay of approximately 0.25 msec.
  • a constant holding current is fed from the constant atom source 1 e 14 to the respective electromagnet 3a to 3n, which holds the injection valve in the open position. If the circuit breaker 7a is opened when the control signal drops, the injection valve is moved back into the closed position by a compression spring (not shown here), this taking place with only a slight delay.
  • a predetermined quantity of fuel determined by the duration of the control signal is injected from the injection valve.
  • FIG. 2 shows a signal diagram for conventional control of an injection valve on the left-hand side, and a signal diagram for control of the same injection valve 1es according to the invention on the right-hand side.
  • the top line a shows part of a pulse duration module of the control voltage supplied by the computer.
  • Line b for the conventional control shows that the current profile through the electromagnet increases linearly until the current reaches a value at which the armature of the electromagnet overcomes the force of the compression spring in the injection valve and the injection valve is thereby opened.
  • the delay time between the first edge of the control voltage and the start of the opening is approximately 2 msec.
  • the switching current then rises further and falls with the end flank of the control voltage. At this moment the closing movement of the armature begins, which is initiated by the compression spring of the injection valve 1.
  • the injection valve is completely closed again after a short delay. This cycle is repeated according to the course of the control voltage.
  • the sudden discharge of the storage capacitor 16 causes the current through the electromagnet of the respective injection valve to increase very rapidly and already reaches the switching current value after a delay time of approximately 0.25 msec, so that the injection valve is opened.
  • the opening process started shortly before, due to the high current values.
  • currents of up to 3 amperes flow in the primary winding of the respective electromagnet in the injection valve. Due to the short time duration of 250 microseconds, however, non-lead this to 'a thermal overloading of the winding.
  • the constant current source 14 supplies a small holding current which holds the armature of the respective electromagnet 3a to 3n in the open position of the valve.
  • this holding current is. much lower than the switching current required to initiate the switching of the valve. With the end flank of the control voltage then only needs . the magnetic energy in the electromagnet, which is also low due to the low holding current, is reduced, so that the valve is closed again after a very short delay.
  • the instantaneous value of the field strength is the relevant parameter for opening the injection valve 1.
  • This instantaneous value is a function of the time constant, ie the ratio ses between the inductance and the resistance as well as the supply voltage.
  • the switch-on delay is therefore a function of these three variables. While the supply voltage is a constant in a control according to the prior art, it is a variable according to the invention, with the aid of which the switch-on delay also becomes variable.
  • the values for the switch-on and switch-off delay can be optimized by appropriate dimensioning of the amplitude of the initial pulse and its duration.
  • the amount of injection in a conventional control system differs significantly from the course of the control voltage due to the long delay time when the injection valve 1 is switched on. Since the delay time when switching on is constant regardless of the course of the control voltage, it is obvious that there is no proportionality between the time course of the control voltage and the time course of the injection quantity. In contrast to this, according to the invention, the short delay time when switching on ensures an approximately optimal proportionality between the time course of the injection quantity and the control voltage.
  • a characteristic diagram for the flow rate per unit of time is plotted against the engine revolution per minute with the injection angle as a parameter in a conventional control and with broken lines in a control according to the invention Ei n Spritzventi 1 it shown. It can clearly be seen that with injection at angles of up to 144 °, the characteristic curves drop with conventional control in the direction of higher speeds and only with an injection wave your hand! rise from 162 ° above about 4000 revolutions per minute. The desired linear, horizontal course is not achieved. It can be seen that, however, this is approximately the case for all the characteristic curves in the case of a control according to the invention. The characteristic curves have good linearity, which gives the advantages mentioned above.
  • FIG. 4a shows the theoretically determined error in percent in fuel metering in a conventional control of an injection valve with a determined switch-on delay of 2 msec
  • FIG. 4b the error in percent in fuel metering when controlling the same injector according to the invention , each with the injection angle as a parameter.
  • This error is mainly due to the switch-on delay of the injection valve. It is seen that the error in a conventional An 'control even at low revolutions per minute considerable values which during this error tion at a erf ndungswashen Ansteue ⁇ is substantially smaller and assumes only for low injection angle to about 40 ° noticeable .Werte.

Abstract

A process and a device are disclosed for driving wired electromagnets (3a to 3n), in particular in injection valves (2a to 2n) for internal combustion engines. In order to optimize the drive, in particular reducing the starting delay, a short, high-voltage pulse is sent through the electromagnet, calculated to avoid thermal overloads. Afterwards the electromagnets (3a to 3n) are supplied only with minimal maintenance power, for example a constant holding current. This drive allows the starting delay to be considerably reduced in comparison with usual drives, the closing delay is considerably shorter as well.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM ANSTEUERN VON ELEKTROMAGNETEN, INSBESONDERE IN EINSPRITZVENTILEN METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING ELECTROMAGNETS, ESPECIALLY IN INJECTION VALVES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ansteuern von schaltenden Elektromagneten, insbesondere in Einspritzventilen gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method and a device for controlling switching electromagnets, in particular in injection valves according to the preambles of the independent claims.
Bei modernen Kraftfahrzeugen wird der Brennstoff -über elektrisch angesteuerte Einspritzventile dem Verbrennungs¬ raum des Motors zugeführt. Die Kraftstoffdosi erung und die Kennfeldzündung erfolgt hierbei über ein zentrales Rechner¬ system, das Systemdaten aus verschiedenen von Sensoren gelieferten Meßwerten berechnet und entsprechende pulsbrei- tenmodul ierte 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, Umdrehungs¬ markengeber, Drehzahlgeber und Drossel kl appenschalter. 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 Ein¬ spritzventile bei vorgegebenem maximalen Kraftstoffvol umen 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.In modern motor vehicles, the fuel is supplied to the combustion chamber of the engine via electrically controlled injection valves. The fuel metering and the map ignition take place here via a central computer system, which calculates system data from various measurement values supplied by sensors and supplies corresponding pulse-width-modulated control signals to an electromagnet of the valve. Air flow meters, cooling water temperature meters, air inlet temperature meters, which measure the inlet temperature of the air at the entrance to the combustion chamber, air temperature meters, revolution markers, speed sensors and throttle clap switches serve as sensors. The admixture of the fuel in the 'air flow during Ansaugverfahrens the associated cylinder brings the best technical results. The short, available times and the considerable idle times of the injection valves for a given maximum fuel volume make it necessary to compromise not to spray the fuel as a package in one single operation, but rather to divide it into four partial volumes with each cycle of the internal combustion engine. With this compromise, however, the advantages of good air-fuel mixing of an injector are largely eliminated.
Bei einem Viertakt-Vierzylindermotor erfolgen zwei aufein¬ anderfolgende Zündvorgänge nach 180° Kurbe wellenumdrehung. Die Öffnungszeit des Ei nspri tzventi 1 es zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen pro 180° Kurbelwel¬ lenumdrehung wird hierbei als Einspritzwinkel bezeichnet. In diesem Zyklus werden auch die pul sbrei tenmodul i erten Steuerimpulse vom Prozeßrechner abgegeben. Bei der Kraftstoffdosierung mit Einspritzventilen in einem solchen intermittierenden Betrieb sollte das Verhältnis zwischen der Kraftstoffmenge und dem oben erwähnten Tastverhäl nis der pul sdauer odul ierten Signale bzw. dem Einspritzwinkel möglichst konstant sein. Wird die zudosier¬ te 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 erheb¬ liche Abweichungen von diesem Idealverl auf. Die Kennlinien fallen bei bekannten Einspritzventilen in Richtung zu höheren Drehzahlen ab, wobei diese Kennlinien noch dazu keinen linearen sondern einen unregelmäßigen Verlauf zeigen.In a four-stroke four-cylinder engine, two successive ignition processes take place after a 180 ° crankshaft revolution. The opening time of the injection valve between two successive injection processes per 180 ° crankshaft revolution is referred to here as the injection angle. In this cycle, the pulse-width modulated control pulses are also emitted by the process computer. When metering fuel with injection valves in such an intermittent operation, the ratio between the amount of fuel and the above-mentioned duty cycle of the pulse duration-modulated signals or the injection angle should be as constant as possible. If the metered amount of fuel is plotted against the engine speed, with the pulse duty factor or injection angle as a parameter, the characteristic curves should be as linear as possible in the ideal state and should have the same value for the metered fuel amount for all engine speeds for a given injection angle. The measurements which were carried out with known injection valves, however, revealed considerable deviations from this ideal loss. In known injection valves, the characteristic curves drop in the direction of higher speeds, these characteristic curves not only showing a linear but an irregular course.
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 Drehzah¬ len auch nicht so merklich ab. Gleichwohl sind auch diese Kennlinien vom Idealverlauf entfernt.In the meantime, there are new injection valves on the market that no longer have series resistors. This is possible because the winding of the electromagnets consists of a kind of insulated resistance wire. The series resistor is therefore integrated in the magnet winding. The measurements carried out with such injection valves showed a significantly better course of the characteristic curves: the characteristic curves show a more linear course than those of the previously mentioned injection valves and do not drop so noticeably towards higher speeds. Nevertheless, these characteristics are also removed from the ideal course.
Die Hauptbestandteile elektrischer Einspritzveπti le her¬ kömmlicher Art sind der Düsenteil mit dem Düsenstock, die Wicklung des Elektromagneten, der magnetische Kern, der Anker, die Rückholfeder sowie das Gehäuse mit Kraft- stoffleitungsanschl üssen . Am Eingang des Ei nsp'ritzventi 1 es 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 bestimm¬ ten 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 Ei nspritzventi 1 es bzw. den Widerstand des Wicklungsdrahtes begrenzt. Die Feldstärke im Elektro¬ magneten ist hierbei proportional dem Produkt aus Strom und Windungszahl geteilt durch die Länge des magnetischen Weges .The main components of conventional electric injection valves are the nozzle part with the nozzle assembly, the winding of the electromagnet, the magnetic core, the armature, the return spring and the housing with force. material line connections. At the entrance of the egg nsp ' ritzventi 1 there is a constant fuel pressure, the return spring pressing against the nozzle assembly with such a force that the injection valve is reliably closed. When an electrical voltage is applied to the winding of the electromagnet, a magnetic field builds up in a linear manner in this, so that the spring force is overcome at a certain point in time and the armature made of soft magnetic material is pulled axially to the core of the electromagnet. The movement distance of the armature and thus of the associated nozzle assembly is mechanically limited by a disc. The current in the winding of the electromagnet increases linearly until the core saturates and is now only limited by the series resistor of the injection valve 1 or the resistance of the winding wire. The field strength in the electromagnet is proportional to the product of the current and the number of turns divided by the length of the magnetic path.
Die Parameter für eine optimale Ansteuerung der Elektromag¬ neten haben hierbei diametralen Verlauf. Für eine vorgege¬ bene mechanische Kraft ist eine große Induktivität erfor¬ derlich, um den Strom niedrig zu halten und keine aufwendigen Steuerschaltungen zu benötigen.The parameters for optimal control of the electromagnets have a diametrical course. A large inductance is required for a given mechanical force in order to keep the current low and not to require complex control circuits.
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.With increasing inductance at constant voltage, however, the rate of current rise and the dead time to the through current decrease, which is given by the ratio of the inductance and the resistance.
Es ist noch von besonderer Bedeutung, daß im Einschaltmo¬ ment 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. Anderer¬ seits 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 ge¬ dämpft, findet durch die Gegen-EMK eine Ausschaltverzöge¬ rung statt. Die Ei nschaltverzδgerung durch den zeitlinearen Stromanstieg und die Ausschaltverzögerung durch die gespei¬ cherte magnetische Energie sind die beiden wesentlichen Störparameter, die für nichtlineare Zusammenhänge bei der Kraftstoffdosierung verantwortl ch sind.It is also of particular importance that the armature is removed from the core in the switch-on moment and therefore, owing to the degressive field density as a function of the distance, a considerably higher field strength for the movement of the armature is required than in the steady state. On the other hand, however, the magnetic energy in the winding of the electromagnet, which reached its maximum at the moment of switching off, must be reduced. If the dismantling takes place quickly, high voltage peaks are the result. If the degradation is damped, the counter-EMF causes a switch-off delay. The switch-on delay due to the time-linear current rise and the switch-off delay due to the stored magnetic energy are the two main disturbance parameters which are responsible for non-linear relationships in fuel metering.
Die Problematik bei der Ansteuerung von geschalteten Elektromagneten ist im obigen zwar nur im Zusammenhang mit elektromagnetischen Einspritzventilen für Verbrennungsmo- tore geschildert worden. Jedoch treffen diese Überlegungen insbesondere hinsichtlich der Einschalt- und AusschaTtver- zögerung für alle geschalteten Elektromagneten auch bei anderen Anwendungsarten zu.The problem with the control of switched electromagnets has only been described above in connection with electromagnetic injection valves for internal combustion engines. However, these considerations apply in particular with regard to the switch-on and switch-off delay for all switched electromagnets also in other types of application.
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 elek¬ trisch angesteuerten Einspritzventilen so reduziert werden können, daß die Schaltkennlinien möglichst optimal verlau¬ fen .The invention is based on the object of specifying a method and a device of the type in question, with which in particular the switch-on and switch-off delay of switched electromagnets, in particular in electrically controlled injection valves, can be reduced in such a way that the switching characteristics are as optimal as possible fen.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeich¬ nenden Merkmale in den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features in the independent patent claims.
Demgemäß ist der Leitgedanke der Erfindung darin zu sehen, mittels einer spezifischen Steuerschaltung ohne Änderung oder Veränderung am durch den Elektromagneten geschalteten Bauteil bautei 1 spezifi sehe Parameter zu beeinflussen und die beiden obengenannten Störparameter zu reduzieren bzw. zu eliminieren und somit den Betrieb des Bauelementes im zulässigen Kennlinienfeld sicherzustellen. Die Schaltkenn¬ linien zeigen annähernd den gewünschten horizontalen Verl auf.Accordingly, the guiding principle of the invention is to be seen in this, by means of a specific control circuit without change or change in the component switched by the electromagnet component 1 to see specific parameters and to reduce or eliminate the two above-mentioned interference parameters and thus to ensure the operation of the component in the permissible characteristic field. The switching characteristics show approximately the desired horizontal displacement.
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 ungere¬ gelte Speisespannung auf ein geregeltes hohes Spannungsni¬ veau hocht.ransformi ert, 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 Ei nspritzventi 1 es 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.The electromagnet, for example of an injection valve, is consciously overridden with an initial pulse of high voltage amplitude within a defined and, in particular, very short time frame, independent of the duty cycle, due to the short time of the initial pulse. the windings of the electromagnet are not thermally overloaded. In order to achieve the predetermined low switch-on delay, the unregulated supply voltage is transformed to a regulated high voltage level, which generally corresponds to a multiple of the supply voltage. The anchor moves very quickly in this way into the other position, which, for. B. it is the open position of an egg n Spritzventi 1. The current rise is practically linear. The switching movements of the armature can also be clearly reproduced over time. After the switch-on override, the electromagnet is provided with only a minimum energy necessary for securely holding the armature, which is preferably done by a minimal and preferably constant holding current.
Durch die Übersteuerung in der Einschaltphase wird die Einschaltverzögerung um etwa eine Zehnerpotenz verbessert. Liegt die Einschaltverzögerung z. B. herkömmlicher Ein¬ spritzventile bei etwa 2 sec, 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 BordnetzspannungOverriding in the switch-on phase improves the switch-on delay by about a power of ten. Is the switch-on delay z. B. conventional injection valves at about 2 sec, values between 0.1 and 0.3 msec are achieved according to the invention. The switch-on override takes place with high voltages, which are between 40 and 80 V for injection valves in motor vehicles. These voltages cannot be reached in vehicle electrical systems, so that they have to be generated in separate circuit stages. A preferred way of doing this is to convert the vehicle electrical system voltage
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von üblicherweise 12 V auf den gewünschten Wert mit Hilfe eines Transformators, wie .r "tn -'d-er- deutschen Patentanmel¬ dung P 35 46 410.0 beschrieben ist.
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from usually 12 V to the desired value with the help of a transformer, as described in German patent application P 35 46 410.0.
Ebenso wird mit einer Ansteuerung eines Elektromagneten gemäß der Erfindung die Ausschaltverzögerung gesenkt, da nur eine geringe magnetische Energie abgebaut werden muß.Likewise, with a control of an electromagnet according to the invention, the switch-off delay is reduced since only a small amount of magnetic energy has to be dissipated.
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 real i si eren wi e 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 hier¬ bei eine hohe elektromagnetische Störabstrahlung . Als Leistungsschalter müßten Halbleiter verwendet werden, die hohe Spitzenströme aushalten. Insgesamt ist eine kompli¬ zierte Ansteuerung mit hohem Schaltungsaufwand erforder¬ lich.The initial pulse of high voltage amplitude can in principle be generated in several ways using the vehicle electrical system voltage available in motor vehicles. The generation of the initial pulse would be similar to realizing the generation of the ignition pulse. However, this solution is not recommended, since currents of approx. 20 amperes would then occur on the primary side in a corresponding pulse transformer. The necessary reinforced cross sections of the supply lines and large filter capacities are also disadvantageous. In addition, there is high electromagnetic interference radiation. Semiconductors that can withstand high peak currents would have to be used as circuit breakers. Overall, a complicated control with high circuit complexity is required.
Ferner bestünde die Möglichkeit, Elektrolytkondensatoren zu verwenden. Für derartige hohe Impulsleistungen sind jedoch konventionelle und kostengünstige Kondensatoren nicht vorhanden. Außerdem sind Elektrolytkondensatoren für derar¬ tige Impulsanwendungen nur bedingt tauglich, z. B. aufgrund Ihres hohen Bauvolumens, ihres ungünstigen Temperaturver¬ haltens und schlechten elektrischen Schaltverhaltens auf¬ grund der Induktivität. Bevorzug't wird daher mittels eines schnellen, einen Transformator aufweisenden Wandlers ein Speicherkondensator kontinuierlich auf einem hohen Ladezustand gehalten, der über eine von der Steuerschaltung angesteuerte Schaltvor¬ richtung 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.There would also be the possibility of using electrolytic capacitors. However, conventional and inexpensive capacitors are not available for such high pulse powers. In addition, electrolytic capacitors are only of limited suitability for such pulse applications, e.g. B. due to their high volume, their unfavorable Temperaturver¬ behavior and poor electrical switching behavior due to the inductance. Favor 't is therefore held by means of a fast, a transformer having a transducer storage capacitor continuously on a high state of charge, to write a triggered by the control circuit Schaltvor¬ direction its charge pulse-like manner to the injector. A semiconductor is used as the circuit breaker. This solution is considerably simpler and less expensive than the ones mentioned above.
Zum schnellen Durchschalten des Elektromagneten 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 Über¬ lastung der Wicklung des Elektromagenten zur Folge, haben. Bei einer vorgegebenen zulässigen Ladung am Speicherkonden¬ sator ist auch eine erheblich kleinere Kapazität zulässig, die sich in der Größenordnung von einigen wenigen Mikro¬ farad bewegt. Solche Kondensatoren sind in einer Polypropy¬ lenausführung 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.A certain amount of energy is required to switch the electromagnet through quickly using the high voltage start pulse. Since a relatively high intermediate voltage is made available with the aid of the storage capacitor, only relatively small currents occur in the windings of the electromagnet, the values being between 2 to 4 times the continuous load current and no thermal excess due to the short-term nature of the initial pulse load on the winding of the electromagnet. Given a predetermined permissible charge on the storage capacitor, a considerably smaller capacitance is permissible, which is of the order of a few microfarads. Such capacitors are available inexpensively in a polypropylene design. This type of capacitor has an extremely good pulse behavior, so that overall better values can be achieved than with electrolytic capacitors. The capacitor is charged relatively slowly by the fast converter and then gives off its charge to the respective electromagnet when switched through.
Bevorzugt wird für die Bereitstellung der niedrigen Halteenergie für den Elektromagneten eine Konstantstrom- quel 1 e verwendet . Werden mehrere Elektromagneten zeitlich nacheinander ange¬ steuert, z. B. die Elektromagneten von Einspritzventilen eines Motors, so können der Wandler, die Schaltvorrichtung und die Konstantstromquell e für alle Einspritzventile eines Motors gemeinsam verwendet werden. Für jedes Einspritzven¬ til ist dann ein separater Leistungsschalter vorhanden. Durch diese Lösung vereinfacht sich die Ansteuerschaltung wesentlich, da nicht für jedes Einspritzventil eine separate Ansteuerschaltung notwendig ist.A constant current source 1 e is preferably used to provide the low holding energy for the electromagnet. If several electromagnets are activated one after the other, e.g. B. the electromagnets of injectors of an engine, the converter, the switching device and the constant current source e can be used together for all injectors of an engine. A separate circuit breaker is then available for each injection valve. This solution simplifies the control circuit considerably, since a separate control circuit is not necessary for each injection valve.
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.Regardless of the implementation of the control of the injection valves, these injection valves are not modified in terms of design, so that existing control circuits can also be converted in the sense of the invention.
Mit' der Erfindung werden eine Reihe von Vorteilen erreicht, und zwar' unter anderem:With 'the invention a number of advantages are achieved, namely' the following:
Die Eckfrequenz des Ei nspri zventi 1 es , d. h. die Frequenz, bei der trotz eines Ansteuersignales das Einspritzventil nicht mehr öffnet, ist deutlich nach oben angehoben.The basic frequency of the egg ni spri z es, i. H. the frequency at which the injection valve no longer opens despite a control signal has been raised significantly.
Der bei der Kraftstoffdosi erung durch die Einschaltver¬ zögerung 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.The error in the fuel metering caused by the switch-on delay is considerably reduced, so that the injection quantity can be controlled much better in comparison with conventionally controlled injection valves at all injection angles and engine revolutions per minute that occur in practice.
Die zudosierte Kraftstoffmenge kann in einem einzigen Zyklus abgegeben werden anstelle in mehreren Portionen wie bei Stand der Techik.The amount of fuel added can be dispensed in a single cycle instead of in several portions as in the prior art.
Die Kennlinien eines gemäß der Erfindung angesteuerten Ei nspritzventi 1 es zeigen einen wesentlich besseren linearen Verlauf als diejenigen herkömmlich angesteuerter Einspritz- venti le.The characteristics of a driven according to the invention ninjection valve 1 show a much better linear Course as those of conventionally controlled injection valves.
Aufgrund der mit der Erfindung möglichen präzisen Kraft- stoffdosierung wird die Leistung des Motors angehoben, der Verbrauch gesenkt, der Kraftstoff besser ausgenutzt und insbesondere auch eine wesentlich geringere Schadstoff¬ emission 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 erreich¬ bar sind.Due to the precise fuel metering possible with the invention, the power of the engine is increased, the consumption is reduced, the fuel is better utilized and, in particular, a much lower pollutant emission is achieved than previously. It is precisely the latter advantage that makes it possible to reduce the pollutant emissions from engines to values that are otherwise only possible with other aids, such as. B. catalysts are achievable.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung ist in einem Ausfüh¬ rungsbeispiel anhand der- Zeichnung näher erläutert. In dieser "stel len dar:Further embodiments of the invention emerge from the subclaims. The invention is explained in more detail in an exemplary embodiment with reference to the drawing. In this " represent:
Fig. 1 ein schemati sches Blockschaltdiagramm einer Ein¬ richtung gemäß der Erfindung zum Ansteuern von mehreren Einspritzventilen;1 shows a schematic block circuit diagram of a device according to the invention for controlling a plurality of injection valves;
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 erfindungsge¬ mäße Ansteuerung eines Einspritzventi 1 es;2 shows diagrams for the control voltage, the current profile through an electromagnet of the injection valve and for the injection quantity, in each case plotted over time, on the one hand for conventional control and on the other hand for control of an injection valve 1 according to the invention;
Fig. 3 zwei Kennliniendiagramme für die Einspritzmenge pro Zeit über der Drehzahl einer Brennkraftma¬ schine pro Minute mit dem Einspritzwinkel als Parameter, und zwar ein Kennliniendiagramm für herkömmlich angesteuerte und ein weiteres Kennli¬ niendiagramm für erfindungsgemäß angesteuerte Ei nspritzventi 1 e; Fig. 4a und b Diagramme für die errechneten Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei herkömmlicher Ansteuerung bzw. erfindungsgemäßer Ansteuerung eines Ei nspritzventi 1 es .3 shows two characteristic diagrams for the injection quantity per time versus the speed of an internal combustion engine per minute with the injection angle as parameters, specifically a characteristic diagram for conventionally controlled and another characteristic diagram for injection valves 1 controlled according to the invention; 4a and b diagrams for the calculated errors in percent in the fuel metering with conventional control or control according to the invention of an injection valve 1.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Einspritzsystems 1 für einen Verbrennungsmotor dargestellt. Das Einspritzsy¬ stem weist mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritz¬ ventile 2a bis 2n mit jeweils einem Elektromagneten 3a bis 3n auf, die mit Hilfe eines Rechners 4 mit pulsdau- ermodul i erten Steuersignalen angesteuert werden, wobei der Rechner dieses Steuersignal in herkömmlicher Weise aufgrund von Meßwerten errechnet, die von mehreren Sensoren gelie¬ fert werden. Die Steuersignale des Rechners 4 werden über einen • Impul sformer 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 Zuführungs¬ leitungen 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.1 shows a block diagram of an injection system 1 for an internal combustion engine. The injection system has a plurality of electromagnetically actuated injection valves 2a to 2n, each with an electromagnet 3a to 3n, which are controlled with the aid of a computer 4 with control signals modulated by pulse duration, the computer using this control signal in a conventional manner on the basis of measured values calculated, which are delivered by several sensors. The control signals of the computer 4 are fed via a pulse shaper 5 to a pulse source 6, the output pulses of which are fed via a circuit breaker 7a to 7n for each injector to the associated electromagnet 3a to 3n, between the feed lines to the respective electromagnets 3a to 3n, a filter network 17a to 17n is also provided in order to reduce peak values of the supplied signals. The circuit breakers are controlled via a decoder 8, which in turn receives control signals from the computer 4. Furthermore, a data converter 9 controlled by the computer 4 is also provided, which is connected to the pulse shaper 5 and the decoder 8.
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/Gl ei chspannungswandl er 12 und ein Impulsschalter 13 sowie in einem anderen Zweig parallel dazu eine Konstantstromqelle 14 verbunden. Zwischen den Eingangsklem¬ men 10 und 11 ist noch ein Filterkondensator oder eine Kondensatoranordnung 15 vorgesehen. Zwischen der mit der Eingangsklemme 11 verbundenen Grundpotenti al 1 eitung und einem Verbindungspunkt zwischen dem Wandler 12 und dem Impulsschalter 13 ist ein Speicherkondensator 16 gelegen.The pulse source 6 is with an input terminal 10 to the voltage U of an electrical system of a motor vehicle and with another input terminal 11 to a basic potential, for. B. mass. With the input terminal 10 in a first branch of the pulse source 6 a direct voltage / Gl ei chspannungswandl er 12 and a pulse switch 13 and in another branch parallel to it a constant current source 14 connected. A filter capacitor or a capacitor arrangement 15 is also provided between the input terminals 10 and 11. A storage capacitor 16 is located between the basic potential connected to the input terminal 11 and a connection point between the converter 12 and the pulse switch 13.
Der Gleichspannungs/Gl eichspannungswandl er 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 Entmagneti si eru gswicklung mit 12 Windungen vorgesehen.The DC / DC voltage converter 12 converts the on-board voltage U from z. B. 12 V in a higher voltage of z. B. 80 V around. For this purpose, a transformer with a primary winding of. 9 turns and a secondary winding of 72 turns are provided. A demagnetization winding with 12 windings is also provided on the primary side.
Die Funktion des beschriebenen Einspritzsystem ist folgen¬ de:The function of the injection system described is as follows:
Der Rechner 4 gibt ein anhand der von den Sensoren berechneten Meßwerten pul sbreitenmodul i ertes Steuersignal an den Impulsformer 5 und den Dateπkonverter 9 ab und außerdem ein Markierungssignal an den Decoder 8. Mit dem Markierungssignal werden die entsprechenden Leistungsschal¬ ter 7a bis 7n der einzelnen Einspritzventile 2a bis 2n angesteuert und jeweils für die durch das pul sbreitenmodu- lierte 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 Elektromagne¬ ten 3a zugeführt. Durch diesen kurzfristigen hohen Span¬ nungsimpuls wird das jeweilige Einspritzventil mit nur einer geringen Einschaltverzögerung von etwa 0,25 msec geöffnet. Im Anschluß an den hohen Spannungsimpuls wird von der Konstantatromquel 1 e 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 Ei nspri tzventi 1 es 2a und 2n wird eine durch die Dauer des Steuersignales bestimmte vorgegebene Kraftstoffmenge vom Einspritzventil abge¬ spritzt. 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.The computer 4 outputs a control signal based on the measured values calculated by the sensors to the pulse shaper 5 and the data converter 9 and also a marking signal to the decoder 8. The corresponding signal switches 7a to 7n of the individual injection valves are sent with the marking signal 2a to 2n and closed for the time period specified by the pulse-width-modulated control signal. The pulse shaper 5 in turn controls the pulse switch 13, which thereby closes a predetermined time period, in this case 250 μsec. The charge of the storage capacitor 16 is supplied to the electromagnetic 3a in a pulsed manner via the circuit breaker 7a during this period. Due to this short-term high voltage pulse, the respective injection valve becomes only one opened with a slight switch-on delay of approximately 0.25 msec. Following the high voltage pulse, a constant holding current is fed from the constant atom source 1 e 14 to the respective electromagnet 3a to 3n, which holds the injection valve in the open position. If the circuit breaker 7a is opened when the control signal drops, the injection valve is moved back into the closed position by a compression spring (not shown here), this taking place with only a slight delay. During the open position of the respective injection valve 2a and 2n, a predetermined quantity of fuel determined by the duration of the control signal is injected from the injection valve. By controlling the injection valves via the data converter 9 and the decoder 8, it is ensured that fuel is only injected into the cylinder of the engine whose piston is in the intake stroke. Spraying in several portions, as in the prior art, can be avoided, so that the advantages of the injection are fully exploited.
In Fig. 2 ist auf der linken Seite ein Si gnal di agra m für eine herkömmliche Ansteuerung eines Einspri zventi 1 es , auf der rechten Seite ein Si gnal di agramm für eine erfin¬ dungsgemäße Ansteuerung des gleichen Einspritzventi 1es dargestellt. In der obersten Zeile a ist ein Teil eines pul sdauermodul i erten 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 Stεuerspannung ab. In diesem Moment beginnt die Schließbewegung des Ankers, die durch die Druckfeder des Einspritzventi 1 es eingeleitet wird. Das Einspritzventil ist nach einer kurzen Verzδgerungszeit wieder vollständig geschlossen. Dieser Zyklus wiederholt sich entsprechend dem Verlauf der Steuerspannung.2 shows a signal diagram for conventional control of an injection valve on the left-hand side, and a signal diagram for control of the same injection valve 1es according to the invention on the right-hand side. The top line a shows part of a pulse duration module of the control voltage supplied by the computer. Line b for the conventional control shows that the current profile through the electromagnet increases linearly until the current reaches a value at which the armature of the electromagnet overcomes the force of the compression spring in the injection valve and the injection valve is thereby opened. The delay time between the first edge of the control voltage and the start of the opening is approximately 2 msec. The switching current then rises further and falls with the end flank of the control voltage. At this moment the closing movement of the armature begins, which is initiated by the compression spring of the injection valve 1. The injection valve is completely closed again after a short delay. This cycle is repeated according to the course of the control voltage.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung steigt durch die schlagartige Entladung des Speicherkondensators 16 der Strom durch den Elektromagneten des jeweiligen Einspritz- ventiles 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 Elektromagne¬ ten 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 Konstantstrom- quelle 14 ein geringer Haltestrom geliefert, der den Anker des jeweiligen Elektromagneten 3a bis 3n in der Offenstel¬ lung 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 Steuer.spannung 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 i st.In the control according to the invention, the sudden discharge of the storage capacitor 16 causes the current through the electromagnet of the respective injection valve to increase very rapidly and already reaches the switching current value after a delay time of approximately 0.25 msec, so that the injection valve is opened. The opening process started shortly before, due to the high current values. During the short pulse over 250 μsec, currents of up to 3 amperes flow in the primary winding of the respective electromagnet in the injection valve. Due to the short time duration of 250 microseconds, however, non-lead this to 'a thermal overloading of the winding. At the end of this short current pulse, the constant current source 14 supplies a small holding current which holds the armature of the respective electromagnet 3a to 3n in the open position of the valve. The value of this holding current is. much lower than the switching current required to initiate the switching of the valve. With the end flank of the control voltage then only needs . the magnetic energy in the electromagnet, which is also low due to the low holding current, is reduced, so that the valve is closed again after a very short delay.
Der Momentanwert der Feldstärke ist der relevante Parameter für das Öffnen des Ei nspritzventi 1 es . 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 Versorgungs¬ spannung 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.The instantaneous value of the field strength is the relevant parameter for opening the injection valve 1. This instantaneous value is a function of the time constant, ie the ratio ses between the inductance and the resistance as well as the supply voltage. The switch-on delay is therefore a function of these three variables. While the supply voltage is a constant in a control according to the prior art, it is a variable according to the invention, with the aid of which the switch-on delay also becomes variable. The values for the switch-on and switch-off delay can be optimized by appropriate dimensioning of the amplitude of the initial pulse and its duration.
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 Ein- spritzventi 1 es wesentlich von dem Verlauf der Steuerspan¬ nung 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 the last lines c of FIG. 2 it can be seen that the amount of injection in a conventional control system differs significantly from the course of the control voltage due to the long delay time when the injection valve 1 is switched on. Since the delay time when switching on is constant regardless of the course of the control voltage, it is obvious that there is no proportionality between the time course of the control voltage and the time course of the injection quantity. In contrast to this, according to the invention, the short delay time when switching on ensures an approximately optimal proportionality between the time course of the injection quantity and the control voltage.
In der Fig. 3 sind mit durchgezogenen Linien ein Kennli¬ niendiagramm für die Durchflußmenge pro Zeiteinheit aufge¬ tragen über der Motorumdrehung pro Minute mit dem Ein¬ spritzwinkel als Parameter bei einer herkömmlichen Ansteu¬ erung und mit durchbrochenen Linien bei einer erfindungsge¬ mäßen Ansteuerung desselben Ei nspritzventi 1 es dargestellt. Man sieht deutlich, daß bei Einspri zwinkeln bis 144° die Kennlinien bei herkömmlicher Ansteuerung in Richtung auf höhere Drehzahlen abfallen und nur bei einem Einspritz- winke! 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 Ansteue¬ rung annähernd optimal der Fall ist. Die Kennlinien weisen eine gute Linearität auf, was die oben genannten Vorteile erbri ngt .In Fig. 3 with solid lines a characteristic diagram for the flow rate per unit of time is plotted against the engine revolution per minute with the injection angle as a parameter in a conventional control and with broken lines in a control according to the invention Ei n Spritzventi 1 it shown. It can clearly be seen that with injection at angles of up to 144 °, the characteristic curves drop with conventional control in the direction of higher speeds and only with an injection wave your hand! rise from 162 ° above about 4000 revolutions per minute. The desired linear, horizontal course is not achieved. It can be seen that, however, this is approximately the case for all the characteristic curves in the case of a control according to the invention. The characteristic curves have good linearity, which gives the advantages mentioned above.
In Fig. 4a ist der theoretisch ermittelte Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei einer herkömmlichen An¬ steuerung eines Einspritzventi 1 es mit einer ermittelten Einschaltverzögerung von 2 msec dargestellt, in Fig. 4b der Fehler in Prozent bei der Kraftstoffdosierung bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung desselben EinspritzventiTes, jeweils mit dem Einspritzwinkel als Parameter. Dieser Fehler kommt im wesentlichen durch die Einschaltverzögerung des Einsprltzventi les zustande. Man sieht, daß der Fehler bei einer herkömmlichen An'steuerung bereits bei geringen Umdrehungen pro Minute beträchtliche Werte aufweist, während dieser Fehler bei einer erf ndungsgemäßen Ansteue¬ rung wesentlich kleiner ist und lediglich für geringe Einspritzwinkel bis etwa 40° merkliche .Werte annimmt. 4a shows the theoretically determined error in percent in fuel metering in a conventional control of an injection valve with a determined switch-on delay of 2 msec, in FIG. 4b the error in percent in fuel metering when controlling the same injector according to the invention , each with the injection angle as a parameter. This error is mainly due to the switch-on delay of the injection valve. It is seen that the error in a conventional An 'control even at low revolutions per minute considerable values which during this error tion at a erf ndungsgemäßen Ansteue¬ is substantially smaller and assumes only for low injection angle to about 40 ° noticeable .Werte.

Claims

Patentansprüche Claims
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.Method for controlling high-frequency switching electromagnets, in particular in injection valves for internal combustion engines, the switching of the electromagnet being acted upon by a signal generated from "a supply voltage of a DC voltage source, consisting of an initial pulse and a subsequent, essentially safe holding force for an armature of the electromagnet ensuring the holding signal is composed and the supply voltage supplied by the DC voltage source is above the operating voltage permissible for continuous operation of the electromagnet, characterized in that the initial pulse is generated as a voltage pulse by transforming up the supply voltage and is dimensioned in terms of its amplitude, that a predetermined switching time of the electromagnet is reached, that this initial pulse is switched is supplied to the electromagnet and that a current signal with a constant amplitude is supplied to the electromagnet as a hold signal.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsimpuls durch Hochtransfo'rmieren der ungeregelten Speisespannung auf eine geregelte höhere Spannung erzeugt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the initial pulse is generated by Hochtransfo'rmieren the unregulated supply voltage to a regulated higher voltage.
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.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the amplitude of the initial pulse "is additionally dimensioned such that the current profile in the electromagnet during the initial pulse is substantially linear.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltesignal * dem Elektromagneten bereits während des Anfangsimpulses zugeführt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the stop signal * is supplied to the electromagnet already during the initial pulse.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsimpuls und das Haltesignal gleichzeitig beginnen.5. The method according to claim 4, characterized in that the initial pulse and the hold signal start simultaneously.
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.6. Device for carrying out the method according to one of the preceding claims for switching an electromagnet having an armature, in particular for actuating a valve body for opening and closing an injection valve, with a DC voltage source which provides a supply voltage greater than the operating voltage of the electromagnet, and with a control circuit that connects the electromagnet with the Controlled DC voltage source connects so that first a brief initial pulse and then a substantially secure holding force for the electromagnet is given a stop signal to the electromagnet, characterized in that the DC voltage source (10) is connected to a pulse source (6), the one Feed voltage highly transforming voltage source (12) for providing a high voltage level and a constant current source (14) for providing the hold signal, and that of. of the control circuit (4, 5, 6, 9) actuable switches (13, 7a to 7n) are provided in order to first briefly switch the voltage source (12) with the high voltage level and then the constant current source (14) with the electromagnet (3a to 3n) connect to.
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. 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. Device according to claim 6, characterized in that the pulse source (6) in a first branch comprises a direct voltage / direct current converter (12) connected to the direct voltage source (u) providing the supply voltage, with a storage capacitor (16) connected in parallel and one from the control circuit (4, 5, 8, 9) actuable switching device (13) and in a second, parallel branch, the constant current source (14), and that the two branches via a common control circuit (4, 5, 8, 9) controlled circuit breakers (7a to 7n) are connected to the electromagnet (3a to 3n). Device according to claim 6 or 7, characterized in that when a plurality of electromagnets (3a to 3n) connected in succession are used, a common pulse source (6) is provided for all electromagnets, which is generated by the control circuit (4, 5, 8, 9) is controlled with one electromagnet (3a to 3n) each.
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