WO1992015779A1 - Einrichtung zur erfassung des einspritzbeginnzeitpunks bei einem einspritzventil - Google Patents

Einrichtung zur erfassung des einspritzbeginnzeitpunks bei einem einspritzventil Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for detecting the start of injection at an injection valve for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1
  • Such a device is known, for example, from German patent specification 28 05 175.
  • a mechanical-electrical motion sensor is provided, which generates an electrical signal corresponding to the stroke movement of the injection valve. 15 This signal is fed differentially to a threshold switch, the response of which marks the start of spraying.
  • the time at which the injection begins can be recognized more quickly and more accurately than when considering the undifferentiated sensor signal.
  • the device requires such a motion sensor for each injector under consideration. Due to the trend towards ever smaller injection valves, it is becoming increasingly difficult and expensive to provide such sensors.
  • the object of the invention is to simplify such a device and nevertheless to detect the start of injection very precisely.
  • an injection valve represents a series connection of an inductance and an ohmic resistor. After switching on, the current rises uniformly and is then only limited by the ohmic resistor. Finally, if the valve moves out of the rest position (start of movement), there is a change in inductance and thus a change in the current rise (change in the 1st derivative of the control current dJ / dt). A further significant change in the inductance results when the end position (end of movement) is reached.
  • these points in time are recognized by differentiating the current flowing through the injection valve twice.
  • This second derivative of the current only gives a positive value if the slope of the current - that is to say the first derivative - increases.
  • valve tolerances are irrelevant.
  • the device can be used equally well for any type of injection valve.
  • the influence of fluctuating supply Tension is irrelevant since the change in the rate of rise is considered in the evaluation.
  • Another advantage is the possibility of diagnosis by considering the period between valve actuation and valve movement. Extends e.g. this time period over a certain amount, either the valve properties have changed or the supply voltage is outside the specified tolerance. Short circuits or interruptions can also be detected.
  • FIG. 1 shows a simplified block diagram of the control of an injection valve and a device for detecting the start of injection
  • FIG. 2 shows the current profile at various points in the block diagram from FIG. 1.
  • an injection valve 2 is connected to a voltage U via a switch 1.
  • the injection valve il 2 is used for fuel injection into an internal combustion engine. Only one such injection valve 2 can be provided for a single-point injection or, in the case of multi-point injections, one injection valve 2 per cylinder. In the following exemplary embodiment, an injection valve 2 is assumed, and in the case of several injection valves, the same applies analogously to the others.
  • the current curve f shown in FIG. 2 is typical for low-resistance valves (Ri ⁇ 2 JU.
  • the switch 1 is an arbitrarily suitable switch, in particular a semiconductor switch such as a MOSFET.
  • the control of the switch 1 takes place from a motor control, not shown, which controls the switch via a measuring point A.
  • This signal at measuring point A is shown in FIG. 2 over time t.
  • the switch 1 is closed at a control time ta.
  • This current profile is shown for a measuring point B from FIG. 1 in FIG.
  • the actual movement of the valve only begins when the current has risen to such an extent that the force generated by it becomes greater than the counterforces (spring preload, fuel pressure, etc., friction of the injection valve 2).
  • this time of the beginning movement of the injection valve 2 is an injection start time tb, since only then can the fuel pass the injection valve 2.
  • the current is limited to a holding current at a changeover time th in order to reduce the power loss, ie the thermal load (the valve only needs to be held in the end position).
  • switch 1 is finally opened again, thus interrupting the current flow.
  • the injection valve 2 then returns to its closed rest position by spring force.
  • the device according to the invention for detecting the injection start time tb takes advantage of the effect already described that the slope of the current through the injection valve 2 changes at the injection start time tb.
  • the current through the injection valve 2 is fed via the measuring point B to a processing circuit 3.
  • the processing circuit 3 contains two differentiating stages 31, 32 and a threshold value stage 33 connected in series.
  • the differentiating stages 31, 32 are appropriately wired operational amplifiers and the threshold value stage 33 is a Schmitt trigger.
  • the output signal at a measuring point C from FIG. 1 therefore corresponds to the twice differentiated current through the injection valve 2.
  • the threshold value step means that minimal slope changes before the start of injection tb or interference do not take effect as long as the set threshold value is not reached.
  • the level of this threshold is application-specific. Since the second derivative corresponds to the change in the first derivative, that is to say the change in the slope of the current profile, as can be seen in FIG.
  • next threshold signal occurs at the start of injection tb. Further threshold signals follow at the switchover time th and at the switch-off time te.
  • the threshold signals are fed to a logic device 4.
  • the logic device 4 is a microcomputer with a corresponding input circuit. It recognizes the start of injection tb with the arrival of the second threshold signal after the activation time ta. A signal for the activation time ta is fed to the logic device 4 via the measurement point A or directly from the motor control unit which controls the switch 1. According to a preferred embodiment, the functions of the logic device 4 are integrated in the already existing engine control, in which case such a signal transmission is then omitted.
  • the device according to the invention also enables gentle and energy-saving operation of the injection valve 2.
  • the control current in injection valves is known to be large in order to ensure rapid opening.
  • this is associated with a strong bounce and a late switchover from the control current to a lower holding current results in an increased current requirement.
  • control current is extended by a certain factor of the time between valve actuation and valve movement and then switched over to holding current.
  • the factor is determined by tests, where values of 1/4 - 1/2 have proven to be particularly favorable.
  • the maximum control current is limited to approximately 4 amperes, so that an overload of the injection valve 2 is avoided in the event of any errors in connection with the switchover.
  • the logic device 4 also carries out a diagnostic function. On the one hand, it is checked whether the corresponding threshold signals occur in each activation cycle, i.e. from the activation time ta. To the switch-off time te. On the other hand, the period between the activation time ta and the injection start time tb is considered. For this purpose, a reference value is stored for this period of time, which may not be exceeded with a functional injection valve 2 and correct voltage U. By comparing the currently determined time period with this reference value, a defective injection valve 2 and / or an impermissible voltage U can be recognized.

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Abstract

Der Strom durch ein Einspritzventil (2) wird zweimal differenziert. Der Zeitpunkt, an dem das zweimalig differenzierte Signal zum zweitenmal nach einem Ansteuerzeitpunk (ta) auftritt ist der Einspritzbeginnzeitpunkt (tb).

Description

Einrichtung zur Erfassung des Einspritzbeginnzeitpunkts bei
5 einem Einspritzventil c
•^ Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung des Ein¬ spritzbeginnzeitpunkts bei einem Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff von Anspruch 1. 10
Eine solche Einrichtung ist zum Beispiel aus der deutschen Pa¬ tentschrift 28 05 175 bekannt. Dabei ist ein mechanisch-elek¬ trischer Bewegungsgeber vorgesehen, der ein der Hubbewegung des Einspritzventils entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. 15 Dieses Signal wird differenziert einem Schwellwertschalter zu¬ geführt, dessen Ansprechen den Spritzbeginn kennzeichnet.
Durch die Differentiation des Gebersignals kann dabei der Ein¬ spritzbeginnzeitpunkt schneller und genauer erkannt werden als 20 bei Betrachtung des nicht differenzierten Gebersignals.
Die Einrichtung erfordert einen solchen Bewegungsgeber für je¬ des betrachtete Einspritzventil. Bedingt durch den Trend zu immer kleiner werdenden Einspritzventilen wird es aber zuπeh- 25 mend schwieriger und teurer solche Geber vorzusehen.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde eine solche Einrichtung zu vereinfachen und trotzdem den Ein¬ spritzbeginnzeitpunkt sehr genau zu erfassen. 30
Die erfindungsgemäße Lösung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Gemäß der Erfindung wird kein spezieller Be- t wegungsgeber verwendet, sondern der Einspritzbeginnzeitpunkt
35 also die Bewegung des Ventils, wird aus dem Ansteuersignal für
'♦ das Einspritzventil selbst erkannt. Im Ruhezustand stellt ein Einspritzventil in erster Näherung eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und einem Ohmschen Widerstand dar. Nach dem Einschalten steigt daher der Strom gleichförmig an und wird danach nur durch den Ohmschen Wider- stand begrenzt. Bewegt sich schließlich das Ventil aus der Ruhe¬ lage (Bewegungsbeginn) ergibt sich eine Induktivitätsänderung und damit eine Änderung des Stromanstiegs (Änderung der 1. Ab¬ leitung des Ansteuerstromes dJ/dt). Eine weitere deutliche Än¬ derung der Induktivität ergibt sich bei Erreichen der Endstellun (Bewegungsende).
Erfindungsgemäß werden diese Zeitpunkte erkannt, indem der durch das Einspritzventil fließende Strom zweimal differenziert wird. Diese zweite Ableitung des Stroms gibt nur dann einen positiven Wert, wenn die Steigung des Stroms - also die erste Ableitung - zunimmt.
Dies ist zum erstenmal der Fall zum Ansteuerzeitpunkt und dann beim Auftreten der zuvor genannten Induktivitätsänderungen beim Bewegungsbegiπn und Bewegungsende. Bei niederohmigen Ventilen ergibt sich beim Bewegungsbeginn eine größere zweite Ableitung und bei hδherohmigen Ventilen beim Bewegungsende. Daher empfiehlt es sich bei niederohmigen Ventilen den Bewegungsbegiπn und bei höherohmigen Ventilen das Bewegungsende als Einspritz- beginnzeitpunkt zu detektieren. Diese Auswahl erfolgt durch die Wahl der Höhe eines Schwellwerts einer Schwellwertstufe, der das der zweiten Ableitung entsprechende Signal zugeführt wird. Auch Störeinflüsse und Nichtlinearitäten kommen durch diese Schwellwertstufe nicht zur Wirkung. Dementsprechend ist dann immer der Zeitpunkt nach dem Ansteuerzeitpunkt, an dem die Schwellwertstufe zum zweitenmal anspricht gleichbedeutend mit dem Einspritzbeginnzeitpunkt.
Durch die direkte Betrachtung des Stroms durch das Einspritz- ventil spielen Ventiltoleranzen keine Rolle. Die Einrichtung ist gleichermaßen gut für jede Art von Einspritzventil anzu¬ wenden. Auch der Einfluß durch schwankende Versorgungs- Spannungen spielt keine Rolle, da bei der Auswertung difj Änderung der Anstiegsgeschwindigkeit betrachtet wird.
Ein weiterer Vorteil ist die Diagnosemöglichkeit durch Be- trachtung des Zeitraums zwischen der Ventilansteuerung und der Ventilbewegung. Verlängert sich z.B. dieser Zeitraum über ein bestimmtes Maß, so haben sich entweder die Ventileigen¬ schaften verändert oder die Versorgungsspannung liegt außerhalb der vorgegebenen Toleranz. Kurzschlüsse bzw. Unterbrechungen können ebenso erkannt werden.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Ansteuerung eines Einspritzventils sowie eine Einrichtung zur Erfassung des Einspritzbeginnzeitpunkts und Figur 2 den Stromverlauf an verschiedenen Punkten des Block¬ schaltbilds aus Figur 1.
Beim Blockschaltbild der Figur 1 wi rd ein Einspritzventil 2 über einen Schalter 1 an eine Spannung U geschaltet . Das Ein¬ spritzvent il 2 dient zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brenn¬ kraftmaschine. Es kann dabei für eine Singlepoint-Einspritzung nur ein solches Einspritzventil 2 vorgesehen se in oder bei Mul- tipoint-Einspritzungen entsprechend jeweils ein Einspritzven¬ til 2 pro Zylinder . Im folgenden Ausführungsbeispiel wird von einem Einspritzventil 2 ausgegangen , wobei im Falle mehrerer Einspritzventile das gesagte jeweils analog für die anderen gilt . Der in Figur 2 dargestellte Stromverlau f ist typi sch für niederoh ige Venti le (Ri < 2 JU .
Beim Schl ießen des Schalters 1 wird durch den einsetz enden Stromfluß das Einspritzventil 2 geöffnet . Der Schalter 1 ist ein beliebi ger geeigneter Schalter , insbesondere e in Halble i¬ terschalter wie ein MOSFET . Die Ansteuerung d es Schalters 1 erfolgt von einer nicht dargestellten Motorsteuerung aus , die den Schalter über e inen Meßpunkt A ansteuert . Dieses Signal im Meßpunkt A ist in Figur 2 über der Zeit t ge¬ zeigt. Zu einem Ansteuerzeitpunkt ta wird der Schalter 1 ge¬ schlossen. Dadurch steigt der Strom durch das Einspritzventil 2 von 0 beginnend mit konstanter Steigung an. Dieser Stromver- lauf ist für einen Meßpunkt B aus Figur 1 in Figur 2 eingezeich¬ net. Die eigentliche Bewegung des Ventils beginnt erst, wenn der Strom soweit angestiegen ist, daß die durch ihn erzeugte Kraft größer wird als die Gegenkräfte (Federvorspannung, Kraftstoff¬ druck etc., Reibung des Einspritzventils 2). Dieser Zeitpunkt der beginnenden Bewegung des Einspritzventils 2 ist in Figur 2 ein Einspritzbeginnzeitpunkt tb , da erst dann der Kraftstoff das Einspritzventil 2 passieren kann. Nach dem Öffnen des Ein¬ spritzventils 2 wird der Strom zu einem Umschaltzeitpunkt th auf einen Haltestrom begrenzt, um die Verlustleistung d.h. die thermische Belastung zu reduzieren (das Ventil braucht nur noch in der Endlage gehalten zu werden). Zu einem Abschaltzeitpunkt te schließlich wird der Schalter 1 wieder geöffnet und damit der Stromfluß unterbrochen. Das Einspritzventil 2 kehrt dann durch Federkraft in seine geschlossene Ruhelage zurück.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erfassen des Einspritzbe¬ ginnzeitpunkts tb macht sich den bereits beschriebenen Effekt zunutze, daß sich die Steigung des Stroms durch das Einspritz¬ ventil 2 zum Einspritzbeginnzeitpunkt tb ändert. Dazu wird der Strom durch das Einspritzventil 2 über den Meßpunkt B einer Aufbereitungsschaltung 3 zugeführt. Die Aufbereitungsschaltung 3 enthält hintereinander geschaltet zwei Differenzierstufen 31, 32 und eine Schwellwertstufe 33. Die Differenzierstufen 31, 32 sind entsprechend beschaltete Operationsverstärker und die Schwellwertstufe 33 ist ein Schmitt-Trigger. Das Ausgangssignal an einem Meßpunkt C aus Figur 1 entspricht daher dem zweimal differenzierten Strom durch das Einspritzventil 2. Durch die Schwellwertstufe kommen dabei minimale Steigungsänderungen vor dem Einspritzbeginnzeitpunkt tb oder Störeinflüsse nicht zur Wirkung, solange der eingestellte Schwellwert nicht erreicht wird. Die Höhe dieses Schwellwerts ist anwendungspezifisch. Da die zweite Ableitung der Änderung der ersten Ableitung, also der Änderung der Steigung des Stromverlaufs, entspricht, ergibt sich wie in Figur 2 ersichtlich im Meßpunkt C das erste Mal zu Ansteuerzeitpunkt ta ein i pulsförmiges Schwellsignal.
Die nächste Steigungsänderung und damit das nächste Schwellsi¬ gnal tritt zum Einspritzbeginnzeitpunkt tb auf. Weitere Schwell Signale folgen zum Umschaltzeitpunkt th und zum Abschaltzeit¬ punkt te.
Wie in Figur 1 ersichtlich werden die Schwellsignale einer Logikeinrichtung 4 zugeführt. Die Logikeinrichtung 4 ist ein Microcomputer mit entsprechender Eingangsbeschaltung. Sie er¬ kennt den Einspritzbeginnzeitpunkt tb mit Eintreffen des zwei- ten Schwellsignals nach dem Ansteuerzeitpunkt ta. Ein Signal für den Ansteuerzeitpunkt ta wird der Logikeinrichtung 4 dabei über den Meßpunkt A oder direkt von der den Schalter 1 an¬ steuernden Motorsteuerung zugeleitet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Funktionen der Logikeinrichtung 4 in der bereits vorhandenen Motorsteuerung integriert, wobei dann eine solche Signalübermittlung entfällt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht weiterhin einen schonenden und stromsparenden Betrieb des Einspritzventils 2. Einerseits soll der Asteuerstrom bei Einspritzventilen bekannt¬ lich öglist groß sein, um eine schnelle Öffnung zu gewähr¬ leisten. Andererseits ist damit ein starkes Anschlagprellen verbunden und durch eine späte Umschaltung vom Ansteuerstrom auf einen niedrigeren Haltestrom ergibt sich ein erhöhter Strom- bedarf.
Über das genaue Erkennen des Einspritzbeginnzeitpunkts kann nun ein günstiger Kompromiß zwischen Ansteuerstrom und Haltestrom gefunden werden. So wird der Ansteuerstrom nach dem Erkennen des Einspritzbeginnzeitpunkts noch um einen bestimmten Faktor der Zeit zwischen der Ventilansteuerung und der Ventilbewegung verlängert und dann auf Haltestrom umgeschaltet. Der Faktor wird durch Versuche ermittelt, wobei sich Werte von 1/4 - 1/2 als besonders günstig erwiesen haben. Der maximale Ansteuer¬ strom wird auf ungefähr 4 Ampere begrenzt, so daß bei even¬ tuellen Fehlern im Zusammenhang mit der Umschaltung eine Über- lastung des Einspritzventils 2 vermieden wird.
Die Logikeinrichtung 4 führt außerdem eine Diagnosefunktion durch. Dabei wird einerseits geprüft, ob pro Ansteuerzyklus, also vom Ansteuerzeitpunkt ta .bis zum Abschaltzeitpunkt te jeweils die entsprechenden Schwellsignale auftreten. Anderer¬ seits wird der Zeitraum zwischen dem Ansteuerzeitpunkt ta und dem Einspritzbeginnzeitpunkt tb betrachtet. Dafür wird für diesen Zeitraum ein Referenzwert abgespeichert, der bei einem funktionsfähigen Einspritzventil 2 und ordnungsgemäßer Spannung U nicht überschritten werden darf. Durch Vergleich des aktuell ermittelten Zeitraums mit diesem Referenzwert kann ein mangel¬ haftes Einspritzventil 2 und/oder eine unzulässige Spannung U erkannt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Erfassung des Einspritzbeginnzeitpunkts bei einem Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Differenziereinrichtung (31,32) vorgesehen ist, der der Strom durch das Einspritzventil (2) zugeführt ist und die ein Ausgangssignal entsprechend dessen zweiter Ableitung abgibt, daß eine Schwellwertstufe (33) das Ausgangssignal erhält, die ein Schwellsignal erzeugt, wenn das Ausgangssignal einen Schwellwert übersteigt und daß die Einrichtung den Einspritzbeginnzeitpunkt (tb) erkennt, wenn nach einem Ansteuerzeitpunkt (ta) des Einspritzventils (2) das Schwellsignal zum zweiten Mal auftritt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Differenziereinrichtung (31,32) zwei hintereinander geschaltete als Differenzierer beschaltete Operationsverstärker aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schwellwertstufe (33) ein Schmitt-Trigger ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung nach Erkennung des Einspritzbeginnzeit¬ punkts (tb) den dabei fließenden erhöhten Ansteuerstrom um einen bestimmten Faktor der Zeit zwischen dem Ansteuerzeitpunkt (ta) und dem Einspritzbeginnzeitpunkt (tb) verlängert und den Strom dann auf einen gegenüber dem Ansteuerstrom niedrigeren Haltestrom zurücknimmt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Faktor 1/4 - 1/2 ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung den maximalen Ansteuerstrom auf einen wähl¬
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