WO2005010335A2 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben einer injektoranordnung sowie injektor - Google Patents

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WO2005010335A2
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valve
contact switch
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Hellmut Freudenberg
Christian Hoffmann
Manfred Weigl
Jörg WONESCH
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M65/00—Testing fuel-injection apparatus, e.g. testing injection timing ; Cleaning of fuel-injection apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a method for operating an injector arrangement for injecting fuel in an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the invention further relates to an injector that can be used for this purpose.
  • Circuit arrangements for operating an injector arrangement with one or more injectors each of which is formed from an electrically controllable actuator and a fuel valve which can be actuated by means of the actuator, the
  • Circuit arrangement is designed to selectively supply each of the injectors with a control voltage for controlling the actuator via a pair of lines consisting of a first line and a second line, the second line being connected to a ground of the motor vehicle at least during the control of the respective actuator known from DE 197 33 560 AI and DE 101 20 143 AI.
  • DE 34 45 721 AI describes an electrically controllable solenoid valve suitable as an injector of an injector arrangement for injecting fuel.
  • This known solenoid valve has a contact switch formed by a valve body and an associated valve seat, the switching state of which thus represents the position of the valve body relative to the valve seat.
  • a measuring voltage is supplied to the solenoid valve via a resistor and the the resulting voltage drop measured.
  • the valve is closed, a current flows through the resistor and creates a voltage drop. If, on the other hand, the valve is open, the electrical connection between the valve body and the valve seat is interrupted, so that the current flow and consequently the voltage drop across the resistor become zero.
  • each fuel valve has at least one contact switch, the switching state of which represents the position of a valve body relative to a valve seat, in a circuit arrangement or a method for operating the injector arrangement for fuel injection an internal combustion engine.
  • the information about the position of the valve body and thus the degree of valve opening obtained by means of the contact switch can advantageously be used, for example, for precise control of the fuel quantity to be injected.
  • contacts of such a contact switch are formed, for example, by the valve body and the valve seat of the respective fuel valve, then the times of the start of injection (switch opens) and end of injection (switch closes) can be determined and consequently the injection process and the injection quantity can be reconstructed more or less precisely.
  • the accuracy of the information can be increased by providing a plurality of contact switches on one and the same fuel valve, for example an additional contact switch which detects the degree of full opening of the valve.
  • one of the lines provided anyway for supplying the control voltage is also used for supplying the measurement voltage.
  • the detection of the switching state of the contact switch therefore does not require any additional effort in the area of the line arrangement between, for example, a control device and the injector arrangement arranged away therefrom.
  • This is made possible by using an AC voltage, which is coupled in as the measurement voltage from the circuit arrangement on a line leading to the injector arrangement and is decoupled again depending on the switching state of the contact switch in the area of the fuel valve.
  • the invention enables this valve position detection in a cost-effective manner in injection systems in which detection of the valve position and thus regulation of the injection process have so far been avoided in order to avoid the additional "wiring effort".
  • "common rail" diesel injection systems for series vehicles have hitherto generally only had a control in which the data for determining the injection rate and injection quantity are obtained from characteristic maps which are stored in a control device and are based on empirical values relating to the operating characteristics of the fuel valves used .
  • the advantages of such common rail systems can be retained and, moreover, regulation of the injection process can be implemented, so that in particular particularly small injection quantities can be set very precisely or even checked.
  • At least some of the components used to generate the control voltage are combined in a control unit which is provided for being arranged in the motor vehicle away from the injector arrangement.
  • those components which are used to generate and couple in the measurement alternating voltage can also advantageously be integrated in the control unit.
  • those components can advantageously be accommodated in such a control unit, by means of which the measurement of the valve position (switching state of the contact switch or contacts) is evaluated.
  • the measurement is evaluated in such a way that the amplitude of the measurement voltage is measured at some point on the line to which the measurement voltage is applied.
  • the measurement voltage amplitude can be conducted at the relevant line location via a suitable decoupling capacitor, which does not impair an control signal, which is essentially essentially a DC voltage.
  • the measurement voltage or its amplitude is measured at the coupling point or a circuit node electrically connected to this coupling point.
  • the circuit arrangement is designed as a control device with a line arrangement for connecting an injector arrangement arranged in the motor vehicle from the control device, the Coupling point is arranged in the area of the control unit and the decoupling point in the area of the injector arrangement.
  • piezo injectors in which the operation of the actuator is based on the piezoelectric effect, can in particular be used as injectors.
  • a simple construction of the contact switch results from the fact that contacts of the contact switch are formed by the valve body and the valve seat of the respective one
  • a contact switch can also be provided, the contacts of which are formed by the valve body and a valve body stop of the respective fuel valve arranged at a distance from the valve seat.
  • the contacts of the latter type With a contact switch of the latter type, the times at which the maximum degree of valve opening is reached (switch closes) and starts again from this maximum degree of opening can be detected (switch opens) for each injection process. With regard to extremely short activation times, the latter type of contact switch also makes it possible to detect whether the maximum valve opening degree is actually reached in the course of the injection process.
  • contact switches are provided on a valve, in the simplest case they can be arranged in a parallel and / or series arrangement in a decoupling path between the second line and the vehicle ground, so that the decoupling of one and the same measurement signal as a function of several switching states he follows. An example of this can be found in the exemplary embodiment described below.
  • Such coding could be implemented, for example, by providing the individual contact switches with different transition impedances (impedance between the two switch contacts when the switch is closed), be it due to the design or by arranging different impedances (e.g.
  • resistors in series connection with the individual contact switches.
  • coding could take place in such a way that a plurality of measuring voltages with different frequencies are coupled in and each contact switch is arranged for decoupling a special one of these measuring voltages, for example by arranging each contact switch in one of several decoupling paths, which are each designed only for decoupling one of the measuring voltages (Frequency selectivity).
  • a separate pair of lines is provided for each injector. This simplifies the circuit design in the area of the injector arrangement and advantageously leads to "decoupling" of the individual injectors both with regard to the control and also the detection of the contact switch switching states.
  • control voltage is generated in one part of the circuit arrangement and is used for the possibly several injectors, in that this control voltage is optionally (selectively) supplied to one of the injectors. Therefore, in one embodiment of the circuit arrangement for operating an injector arrangement with a plurality of injectors, it is provided that for each injector a separate A second line is provided and an injector selection switch is arranged between the coupling point and the coupling point of the second lines, by means of which each of the second lines can optionally be interrupted.
  • this arrangement of the selection switches between the coupling-in point and the coupling-out point has the particular advantage within the scope of the invention that the switching states are detected to a certain extent automatically ( due to the selection of control required anyway, the measurement voltage can only depend on the switching state of the injector actually selected. The injectors not selected can therefore not influence the measurement signal.
  • the coupling and decoupling of the measurement voltage is only active for periods in which the injector in question is selected by means of a selector switch arrangement, it is generally z. B. favorable to reduce corrosion effects in the area of the switch contacts, if the circuit arrangement is designed to couple the measuring voltage optionally in predetermined time periods in which a change in the switching state is to be expected. In particular, the activation of each measurement can take place periodically and at the same time begin with the periodic activation of the actuator.
  • the frequency of the measurement voltage should not be too low. In one embodiment it is therefore provided that the frequency of the measuring voltage is at least ten times that in operation of the Injector arrangement for each injector is expected maximum drive frequency. For the application area of interest here, it is preferred if the frequency of the measuring voltage is at least 10 KHz, in particular at least 100 KHz.
  • the measurement voltage preferably has an essentially sinusoidal profile.
  • 1 is a partial equivalent circuit diagram of an injection system on an internal combustion engine
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a fuel valve used in the injection system
  • FIG. 3 shows two representations which show the temporal course of the valve position (FIG. 3 above) and an associated measurement signal amplitude (FIG. 3 below).
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of essential components of a circuit arrangement for operating an injector arrangement for injecting fuel in an internal combustion engine.
  • this internal combustion engine can have a plurality of cylinders, each with one or more injectors per cylinder, for the sake of clarity of the illustration, the circuit diagram is only designed with regard to the operation of one of these injectors.
  • This injector has a piezo actuator, which is shown at the top right in FIG. 1 by its capacitance Cpiezo and its series resistance Rpiezo.
  • the resistor R5 connected in parallel with this is arranged on the piezo element before it is installed in the injector and protects the piezo crystal from damage due to any electrostatic charge during assembly.
  • an expansion and contraction of the piezo crystal suitable for actuating a fuel valve can be controlled by loading and unloading the piezo element.
  • This control takes place by supplying a control voltage via a line pair consisting of a first line PL1 and a second line PL2.
  • this pair of lines PL1, PL2 connects the components combined in a control unit (FIG. 1 left) to the injector in question (FIG. 1 right), the second line PL2 within the control unit being activated via a switch S3 during the control of the piezo actuator shown and further connected to a ground connection GND of the motor vehicle via a coil L3 (shown with its series resistor R6).
  • a second line or ground line is also provided for the other injectors, not shown, in which a selection switch corresponding to switch S3 is arranged, by means of which the line can optionally be interrupted. The selection switch arrangement thus enables the drive voltage to be optionally supplied to each of the injectors.
  • first line PLl "high side"
  • this line could be used for all connected injectors.
  • a separate line for each injector pair i.e. also a separate first line.
  • the first lines (not shown in FIG. 1) leading to the injectors (not shown) branch off from a circuit node K1 in the control unit and lead to the respective injector via a coil corresponding to a coil L2 shown in FIG. 1.
  • the other injectors have the same structure as the injector shown by way of example in FIG. 1.
  • the piezo actuator Cpiezo is charged (activation) and discharged (deactivation) by means of the circuit part shown at the top left in FIG. 1.
  • the times for the activation and deactivation of each injector are determined in a manner known per se by an engine control part of the control unit.
  • a charging switch S1 and a discharging switch S2 are suitably controlled in order, in a manner known per se, to produce a so-called swinging stage for generating the control current to be passed on the line PL1.
  • Such a circuit arrangement is disclosed, for example, in DE 197 23 932 A1 operate.
  • Vdc in FIG. 1 denotes a DC voltage source (for example a DC / DC converter), which is provided to compensate for ohmic losses during these reversal processes.
  • the fuel valve which can be actuated by means of the piezo actuator has two contact switches S5, S6, the switching states of which are representative of the position of a valve body relative to a valve seat of the fuel valve.
  • These switches S5, S ⁇ shown on the right in FIG. 1 are designed as valve seat switches (S5) and as valve stop switches (S6), ie switch S5 is only closed when the valve body rests on the valve seat (fuel valve closed), and the switch S6 is only closed when the valve body is lifted off the valve seat and bears against a stop that limits its opening movement (fuel valve fully open).
  • the resistor R9 shown in FIG. 1 parallel to this contact switch arrangement S5, S6 models the insulation resistance, which in practice is not to be neglected.
  • the contact switch arrangement S5, S6 serves to decouple an AC voltage coupled in by the control device onto the second line PL2 depending on the switching states of the contact switches S5, S ⁇ .
  • a "decoupling point" K2 is provided in the course of the line PL2 in the area of the injector, from which a decoupling path runs to the vehicle ground GND, the impedance of which is dependent on the switching states.
  • the decoupling path consists of a series connection of a decoupling capacitor C4, a resistor R8 modeling a real series resistance and the contact switch arrangement S5, S6, R9 already mentioned.
  • AC voltage AC voltage
  • the AC voltage source Vrf supplies a high-frequency (z. B. 1 MHz), sinusoidal AC voltage with a suitably chosen amplitude, which, when the switch S4 is closed, reaches the coupling point K3 via the coupling capacitor C3 and thus on the line PL2.
  • the above-mentioned coil L3 (with an ohmic component R6) serves to prevent an AC short-circuit of the coupled-in measurement signal to ground or to implement a derivation path of relatively high impedance for the fed-in measurement signal at this point.
  • the coil L3 is to be dimensioned appropriately so that the injected AC voltage signal does not adversely affect the control of the piezo actuator, which is also implemented via line PL2.
  • the piezo actuator When the piezo actuator is activated, the alternating measurement signal voltage runs to a certain extent against the control current direction via line PL2 and is more or less (depending on the switching states of contact switches S5, S6) coupled out to vehicle ground GND in the area of the injector.
  • the contact switches S5, S6 can advantageously be implemented in a simple manner in that the valve body, for. B. a valve needle is electrically contacted and is connected via the decoupling capacitor C4 to the control line PL2, which leads to the injector anyway.
  • the valve body thus forms the upper connections in FIG. Closures of switches S5, S6.
  • the lower switch connections are then formed by the valve seat and a stop arranged away from the valve seat, which, as mentioned, are of course already connected to the vehicle ground GND.
  • Fig. 2 shows schematically in a sectional view some parts of a fuel valve 10 operated with the circuit arrangement of Fig. 1, namely a valve needle 12, a valve seat 14 against which a lower end of the valve needle 12 abuts when the valve is closed, and a stop ring
  • the valve 10 is normally closed (without activation of the piezo actuator) due to a difference in fuel pressure forces which act on the valve needle 12 on the one hand in the region of the valve needle tip and on the other hand in the region of an upper valve needle end. If the piezo actuator is actuated, the pressure in the region of the upper valve needle end is reduced (for example by opening a fuel return passage within the injector), as a result of which the pressure at the tip of the valve needle 12 maintains the excess weight, so that the valve needle 12 moves upward out of the valve seat 14 is moved.
  • the actuator is activated to close the valve, whereas the valve is opened passively (eg driven by fuel pressure).
  • valve seat 14 and the stop ring 16 are connected to the vehicle mass via the injector housing (not shown), whereas the Valve needle 12 is guided in a manner known per se in the injector housing and is electrically contacted, for example, via a tappet arrangement which extends through a central through opening 18 of the stop ring 16.
  • This electrical contacting of the valve needle 12 leads via the external coupling capacitor C4 (FIG. 1) to the control connection of the piezo actuator on the ground side.
  • the adaptation of the injector to be used in the context of the invention compared to a conventional injector essentially consists only in connecting the valve body to the ground-side connection of the valve actuator via a suitable impedance path containing at least one capacitor.
  • time t a typical course of the adjustment path s (FIG. 3 above) of the valve needle 12 for an injection process and the amplitude A (FIG. 3 below) of the injected AC voltage to be measured at the circuit node K3 -Messsignals.
  • the measurement voltage activation switch S4 is closed and the measurement voltage is thus coupled to the ground line PL2.
  • the measurement signal in the area of the injector is thus strongly coupled out again via the switch S5, so that the signal amplitude A measured at the node K3 assumes a relatively small value.
  • the selection switch S3 is already closed.
  • the piezo actuator is activated via the control line pair PL1, PL2 in order to open the initiation of the valve needle 12.
  • the valve needle 12 then lifts off the valve seat 14, so that the switch S5 opens.
  • the detection of this sudden increase allows the precise determination of the point in time (approximately t2) at which the valve 10 opens.
  • the valve 10 reaches its maximum opening position (s maximum), ie. H. the upper end of the valve needle 12 abuts the stop ring 16. This means that the stop switch S6 is now closed and the signal amplitude A suddenly drops again to a relatively small value.
  • the ohmic transition resistances of the contact switches S5, S6, this value can deviate from the value of the amplitude A during the interval from t1 to t2.
  • the piezo actuator is deactivated in order to initiate the valve closing process. Then the opens
  • the evaluation of the time course of the signal amplitude A thus allows the determination of a plurality of times (t2, t3, t4 and t5), from which the course of the valve body movement can be reconstructed very well.
  • very precise statements about the time course of the inputs injection rate and the injection quantity are made, which can be used as part of the engine control to optimize the operating properties of the internal combustion engine.
  • the switch S4 is finally opened again at a time t6.
  • This point in time t6 can be determined, for example, on the basis of the detection of the point in time t5, in particular can be defined lying shortly after this point in time T5.
  • the exemplary embodiment described realizes a simple and inexpensive way of detecting the valve needle position.
  • Measurement signal coupling required.
  • a complex and costly adaptation of the cabling between a control device and the injector arrangement can be avoided.
  • the use of an alternating voltage as a measurement signal minimizes the risk of electrolytic corrosion at the contact points on the valve body.
  • a sufficiently high measurement signal frequency can also meet the requirement for a sufficiently short response time for the detection.
  • the injection course and the total injection quantity can be determined in a relatively simple manner from the information obtained regarding injection start, injection course and injection end.
  • a preferred application of the invention is in the area of diesel injection systems with piezo injectors.
  • the invention allows the construction of a control of injection times and injection quantities and is particularly suitable for injection systems in which very small injection quantities are to be provided under certain operating conditions.

Abstract

Die Erfindung betrifft den Betrieb einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Mit der Erfindung soll der Betrieb einer Injektoranordnung dahingehend verbessert werden, dass in einfacher Weise eine zeitlich aufgelöste Information über den Öffnungsgrad von Injektor-Ventilen gewonnen werden kann. Wesentlich für die Erfindung ist eine besondere Art und Weise der Zuführung einer Messspannung zum Detektieren des Schaltzustands eines Ventil-Kontaktschalters. Hierzu wird eine der zur Zufuhr einer Injektor-Ansteuerspannung vorgesehene Leitung (PL2) zusätzlich zur Zufuhr der Messspannung mitgenutzt. Ermöglicht wird dies durch Verwendung einer Wechselspannung (Vrf), die als die Messspannung an der zur Injektoranordnung führenden Leitung (PL2) eingekoppelt (K3) wird und abhängig vom Schaltzustand des Kontaktschalters im Bereich des Kraftstoffventils wieder ausgekoppelt (K2) wird.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Injektoranordnung sowie Injektor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftf hrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen dazu ver- wendbaren Injektor.
Schaltungsanordnungen zum Betreiben einer Injektoranordnung mit einem oder mehreren Injektoren, die jeweils aus einem e- lektrisch ansteuerbaren Aktuator und einem mittels des Aktua- tors betätigbaren Kraftstoffventil gebildet sind, wobei die
Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, wahlweise jedem der Injektoren eine Ansteuerspannung zum Ansteuern des Aktuators über ein Leitungspaar bestehend aus einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung zuzuführen, wobei die zweite Leitung zumindest während der Ansteuerung des jeweiligen Aktuators mit einer Masse des Kraftfahrzeugs verbunden ist, sind beispielsweise aus der DE 197 33 560 AI und der DE 101 20 143 AI bekannt .
In der DE 34 45 721 AI ist ein als Injektor einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff geeignetes, elektrisch ansteuerbares Magnetventil beschrieben. Dieses bekannte Magnetventil weist einen von einem Ventilkörper und einem zugeordneten Ventilsitz gebildeten Kontaktschalter auf, dessen Schaltzustand somit die Stellung des Ventilkörpers relativ zu dem Ventilsitz repräsentiert. Zur Detektion des Schaltzustands dieses Ein-Aus-Schalters wird dem Magnetventil über einen Widerstand eine Messspannung zugeführt und der am Wi- derstand entstehende Spannungsabfall gemessen. Wenn das Ventil geschlossen ist, so fließt ein Strom über den Widerstand und erzeugt einen Spannungsabfall. Wenn dagegen das Ventil geöffnet ist, so wird die elektrische Verbindung zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz unterbrochen, so dass der Stromfluss und folglich der Spannungsabfalls am Widerstand null wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dahingehend zu verbessern, dass in einfacher Weise eine zeitlich aufgelöste Information über den Ventilöffnungsgrad jedes Ventils der Injektoranordnung gewonnen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 12 und einen Injektor nach Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Für die Erfindung wesentlich ist zunächst die Verwendung eines oder mehrerer Injektoren, bei welchen jedes Kraftstoffventil wenigstens einen Kontaktschalter aufweist, dessen Schaltzustand die Stellung eines Ventilkörpers relativ zu ei- nem Ventilsitz repräsentiert, bei einer Schaltungsanordnung bzw. einem Verfahren zum Betreiben der Injektoranordnung zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine. Vorteilhaft kann die mittels des Kontaktschalters gewonnene Information über die Stellung des Ventilkörpers und somit des Ven- tilöffnungsgrades beispielsweise zur präzisen Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge genutzt werden. Aufgrund der wachsenden Anforderungen an moderne Brennkraftmaschinen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Abgasemission, Geräuschent- Wicklung, Leistung etc. hat die Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge in der Praxis enorm an Bedeutung gewonnen, da eine Steuerung zu unakzeptabel hohen Einspritzmengenstreuungen führen würde, verursacht durch relativ große Toleranzen bei serienmäßig gefertigten Injektoren. Eine Kompensation dieser Streuungen im Rahmen einer Einspritzregelung setzt jedoch eine ausreichend genaue Erfassung bzw. Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Einspritzung voraus. Geeignete Daten hierfür liefert der im Rahmen der Erfindung verwendete Kon- taktschalter . Wenn Kontakte eines solchen Kontaktschalters beispielsweise durch den Ventilkörper und den Ventilsitz des jeweiligen Kraftstoffventils gebildet sind, so lassen sich bereits die Zeitpunkte des Einspritzbeginns (Schalter öffnet) und Einspritzendes (Schalter schließt) bestimmen und folglich der Einspritzverlauf und die Einspritzmenge mehr oder weniger genau rekonstruieren. Die Genauigkeit der Informationen lässt sich hierbei steigern durch Vorsehen einer Mehrzahl von Kontaktschaltern an ein und demselben Kraftstoffventil, beispielsweise eines den Vollöffnungsgrad des Ventils detektie- renden zusätzlichen Kontaktschalters.
Wesentlich für die Erfindung ist des weiteren die besondere Art und Weise der Zuführung der MessSpannung zum Detektieren des Schaltzustands des Kontaktschalters. Beim Stand der Tech- nik (vgl. z. B. DE 34 45 721 AI) waren zur Zufuhr der Messspannung zusätzlich zu den existierenden Aktuatoransteuerlei- tungen weitere Leitungen vorgesehen. Selbst wenn ein Kontakt des Kontaktschalters im Bereich der Injektoranordnung mit der Fahrzeugmasse verbunden wird, so ist nach dieser bisherigen Methode jeweils eine weitere Leitung pro Injektor für die An- kopplung der Messspannung notwendig. Bei einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine bedeutet dies, dass von einem üblicherweise entfernt von der Injektoranordnung angeordneten Steuergerat mindestens vier zusatzliche Kabel samt entsprechenden Schnittstellen vorgesehen werden müssen, was einen betrachtlichen Mehraufwand bedeutet. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung eine der ohnehin zur Zufuhr der Ansteuerspan- nung vorgesehene Leitung zusatzlich zur Zufuhr der Messspannung mitgenutzt. Die Detektion des Schaltzustands des Kontaktschalters erfordert daher keinerlei Mehraufwand im Bereich der Leitungsanordnung zwischen beispielsweise einem Steuergerat und der davon entfernt angeordneten Injektora- nordnung. Ermöglicht wird dies durch Verwendung einer Wechselspannung, die als die Messspannung von der Schaltungsanordnung an einer zur Injektoranordnung f hrenden Leitung eingekoppelt wird und abhangig vom Schaltzustand des Kontaktschalters im Bereich des Kraftstoffventils wieder ausgekop- pelt wird.
Unabhängig von der Art und Anzahl verwendeter Kontaktschalter zur Detektion einer Ventilstellung ermöglicht die Erfindung diese Ventilstellungsdetektion in kostengünstiger Weise bei Einspritzsystemen, bei welchen bislang zur Vermeidung des zusatzlichen "Verkabelungsaufwands" auf eine Detektion der Ventilstellung und somit eine Regelung des Einspritzvorgangs verzichtet wurde. Beispielsweise "Common Rail"- Dieseleinspritzsysteme für Serienfahrzeuge besitzen bislang in der Regel lediglich eine Steuerung, bei welcher die Daten für die Festlegung der Einspritzrate und Einspritzmenge aus Kennfeldern bezogen werden, die in einem Steuergerat gespeichert sind und auf Erfahrungswerten betreffend die Betriebscharakteristik der eingesetzten Kraftstoffventile beruhen. Mit der Erfindung können die Vorteile derartiger Common-Rail- Systeme beibehalten werden und darüber hinaus eine Regelung des Einspritzvorgangs realisiert werden, so dass insbesondere besonders kleine Einspritzmengen sehr genau eingestellt bzw. sogar überprüft werden können.
In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der zur Er- zeugung der Ansteuerspannung eingesetzten Komponenten in einem Steuergerät zusammengefasst, welches dazu vorgesehen ist, im Kraftfahrzeug von der Injektoranordnung entfernt angeordnet zu werden. In diesem Fall lassen sich in dem Steuergerät auch vorteilhaft diejenigen Komponenten integrieren, welche zur Erzeugung und Einkopplung der Mess-Wechselspannung eingesetzt werden. Schließlich können in einem solchen Steuergerät vorteilhaft diejenigen Komponenten untergebracht werden, mittels derer die Messung der Ventilstellung (Schaltzustand des oder der Kontaktschalter) ausgewertet wird. Eine solche Aus- wertung der Messung erfolgt in einer einfachen Ausführungsform dadurch, dass an irgendeiner Stelle der mit der Messspannung beaufschlagten Leitung die Amplitude der Messspannung gemessen wird. Um durch diese Messung nicht das Ansteu- ersignal zu beeinflussen, kann an der betreffenden Leitungs- stelle die Messspannungsamplitude über einen geeigneten Auskoppelkondensator geführt werden, welcher für ein insbesondere im Wesentlichen als Gleichspannung gebildetes Ansteuersig- nal keine Beeinträchtigung darstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Messspannung bzw. deren Amplitude am Einkoppelpunkt oder einem mit diesem Einkoppelpunkt elektrisch verbundenen Schaltungsknoten gemessen .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung ausgebildet ist als Steuergerät mit einer Leitungsanordnung zum Anschluss einer im Kraftfahrzeug von dem Steuergerät entfernt angeordneten Injektoranordnung, wobei der Einkoppelpunkt im Bereich des Steuergeräts und der Auskoppelpunkt im Bereich der Injektoranordnung angeordnet ist.
Als Injektoren können insbesondere so genannte Piezo- Injektoren verwendet werden, bei welchen die Funktionsweise des Aktuators auf dem piezoelektrischen Effekt beruht.
Eine einfache Konstruktion des Kontaktschalters ergibt sich dadurch, dass Kontakte des Kontaktschalters gebildet sind durch den Ventilkörper und den Ventilsitz des jeweiligen
Kraftstoffventils. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Kontaktschalter vorgesehen sein, dessen Kontakte gebildet sind durch den Ventilkörper und einen von dem Ventilsitz entfernt angeordneten Ventilkörperanschlag des jeweiligen Kraft- stoffventils. Mit einem Kontaktschalter der letzteren Art lassen sich für jeden Einspritzvorgang diejenigen Zeitpunkte detektieren, bei welchen der maximale Ventilöffnungsgrad erreicht wird (Schalter schließt) und sich ausgehend von diesem maximalen Öffnungsgrad wieder beginnt, zu verringern (Schal- ter öffnet) . Letztere Kontaktschalterart ermöglich im Hinblick auf extrem kurze Ansteuerzeitdauern auch die Detektion dahingehend, ob im Verlauf des Einspritzvorganges der Maxi- malventilöffnungsgrad überhaupt erreicht wird.
Wenn an einem Ventil mehrere Kontaktschalter vorgesehen sind, so können diese im einfachsten Fall in einer Parallel- und/oder Serienanordnung in einem Auskoppelpfad zwischen der zweiten Leitung und der Fahrzeugmasse angeordnet werden, so dass die Auskopplung ein und desselben Messsignals in Abhän- gigkeit mehrerer Schaltzustände erfolgt. Ein Beispiel hierfür findet sich in dem unten noch beschriebenen Ausführungsbeispiel. Alternativ ist es denkbar, bei mehreren Kontaktschaltern an ein und demselben Ventil eine "Kodierung" der Signal- auskopplung vorzusehen, die beim Schalten eines bestimmten Kontaktschalters die Identifizierung dieses Kontaktschalters erlaubt. Eine solche Kodierung könnte beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die einzelnen Kontaktschalter mit verschiedenen Übergangsimpedanzen (Impedanz zwischen den beiden Schalterkontakten im geschlossenen Zustand des Schalters) vorgesehen werden, sei es konstruktionsbedingt oder durch Anordnung verschiedener Impedanzen (z. B. Widerstände) in Serienschaltung zu den einzelnen Kontaktschaltern. Alternativ oder zusätzlich könnte eine Kodierung dergestalt erfolgen, dass mehrere Messspannungen mit verschiedenen Frequenzen eingekoppelt werden und jeder KontaktSchalter zur Auskopplung einer speziellen dieser Messspannungen angeordnet wird, etwa durch Anordnung jedes Kontaktschalters in einem von mehreren Auskoppelpfaden, die jeweils nur zur Auskopplung einer der Messspannungen ausgebildet sind (Frequenzselektivität) .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für jeden Injektor ein separates Leitungspaar vorgesehen ist. Dies ver- einfacht die schaltungstechnische Konstruktion im Bereich der Injektoranordnung und führt vorteilhaft zu einer "Entkopplung" der einzelnen Injektoren sowohl hinsichtlich der An- steuerung als auch der Detektion der Kontaktschalter- Schaltzustände .
Für eine einfache Realisierung der Schaltungsanordnung ist es von Vorteil, wenn in einem Teil der Schaltungsanordnung die Ansteuerspannung an einer Stelle erzeugt wird und für die gegebenenfalls mehreren Injektoren genutzt wird, indem diese Ansteuerspannung wahlweise (selektiv) einem der Injektoren zugeführt wird. Daher ist in einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Injektoranordnung mit mehreren Injektoren vorgesehen, dass für jeden Injektor eine se- parate zweite Leitung vorgesehen ist und zwischen dem Einkoppelpunkt und dem Auskoppelpunkt der zweiten Leitungen jeweils ein Injektorauswahlschalter angeordnet ist, mittels welchem wahlweise jede der zweiten Leitungen unterbrochen werden kann. Wenngleich die Anordnung derartiger Auswahlschalter im Hinblick auf die Ansteuerung von mehreren Injektoren an sich bekannt ist, so besitzt diese Anordnung der Auswahlschalter jeweils zwischen dem Einkoppelpunkt und dem Auskoppelpunkt im Rahmen der Erfindung den besonderen Vorteil, dass hinsicht- lieh der Detektion der Schaltzustände gewissermaßen automatisch (aufgrund der ohnehin notwendigen Ansteuerungsauswahl) die Messspannung nur von dem Schaltzustand des tatsächlich ausgewählten Injektors abhängen kann. Die nicht ausgewählten Injektoren können somit nicht das Messsignal beeinflussen.
Unabhängig von der Gestaltung, bei welcher die Einkopplung und Auskopplung der Messspannung lediglich für Zeitabschnitte aktiv ist, in welchen der betreffende Injektor mittels einer Auswahlschalteranordnung ausgewählt ist, ist es ganz allge- mein z. B. zur Verringerung von Korrosionseffekten im Bereich der Schalterkontakte günstig, wenn die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, die Messspannung wahlweise in vorbestimmten Zeitabschnitten einzukoppeln, in denen ein Wechsel des Schaltzustands zu erwarten ist. Insbesondere kann die Ak- tivierung jeder Messung periodisch erfolgen und jeweils zeitgleich mit der periodischen Ansteuerung des Aktuators beginnen .
Damit das Messergebnis nicht nennenswert durch die Ansteue- rung des betreffenden Injektors beeinflusst wird, sollte die Frequenz der Messspannung nicht zu gering gewählt sein. In einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Frequenz der Messspannung mindestens das Zehnfache der im Betrieb der Injektoranordnung für jeden Injektor zu erwartenden Maximalansteuerfrequenz ist. Für den hier interessierenden Anwendungsbereich ist es bevorzugt, wenn die Frequenz der Messspannung mindestens 10 KHz, insbesondere mindestens 100 KHz beträgt. Bevorzugt besitzt die Messspannung einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter be- schrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein teilweises Ersatzschaltbild eines Einspritzsystems an einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines in dem Einspritzsystem verwendeten Kraftstoffventils, und
Fig. 3 zwei Darstellungen, die den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung (Fig. 3 oben) und einer zugeordneten Messsignalamplitude (Fig. 3 unten) zeigen .
Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild von wesentlichen Komponen- ten einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine. Wenngleich diese Brennkraftmaschine mehrere Zylinder mit jeweils einem oder mehreren Injektoren pro Zylinder aufweisen kann, so ist der Klarheit der Darstellung halber das Schaltbild lediglich im Hinblick auf den Betrieb eines dieser Injektoren ausgeführt. Dieser Injektor weist einen Piezoaktuator auf, der in Fig. 1 rechts oben durch dessen Kapazität Cpiezo und dessen Serienwiderstand Rpiezo dargestellt ist. Der parallel dazu geschaltete Widerstand R5 ist an dem Piezoelement bereits vor dessen Einbau in den Injektor angeordnet und schützt den Piezokris- tall vor einer Beschädigung durch eine etwaige elektrostatische Aufladung bei der Montage. In an sich bekannter Weise kann durch Laden und Entladen des Piezoelements ein zur Betätigung eines Kraftstoffventils geeignetes Ausdehnen und Zu- sammenziehen des Piezokristalls angesteuert werden. Diese Ansteuerung erfolgt durch Zufuhr einer Ansteuerspannung über ein Leitungspaar bestehend aus einer ersten Leitung PLl und einer zweiten Leitung PL2.
Dieses Leitungspaar PLl, PL2 verbindet in einem Kraftfahrzeug die in einem Steuergerät zusammengefassten Komponenten (Fig. 1 links) mit dem betreffenden Injektor (Fig. 1 rechts), wobei während der Ansteuerung des dargestellten Piezoaktuators die zweite Leitung PL2 innerhalb des Steuergeräts über einen Schalter S3 und weiter über eine Spule L3 (eingezeichnet mit deren Serienwiderstand R6) mit einem Masseanschluss GND des Kraftfahrzeugs verbunden wird. Auch für die weiteren, nicht dargestellten Injektoren ist jeweils eine zweite Leitung bzw. Masseleitung vorgesehen, in welcher ein dem Schalter S3 ent- sprechender Auswahlschalter angeordnet ist, mittels welchem die Leitung wahlweise unterbrochen werden kann. Somit ermöglicht die Auswahlschalteranordnung eine wahlweise Zufuhr der Ansteuerspannung zu jedem der Injektoren.
Was die erste Leitung PLl ("high side") anbelangt, so könnte diese Leitung für alle angeschlossenen Injektoren genutzt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch vorgesehen, dass für jeden Injektor ein separates Leitungs- paar, also auch eine separate erste Leitung, vorgesehen ist. Die in Fig. 1 nicht dargestellten, zu den nicht dargestellten Injektoren führenden ersten Leitungen zweigen innerhalb des Steuergeräts von einem Schaltungsknoten Kl ab und führen je- weils über eine einer in Fig. 1 ersichtlichen Spule L2 entsprechenden Spule zu dem jeweiligen Injektor. Die übrigen Injektoren besitzen denselben Aufbau wie der in Fig. 1 rechts beispielhaft dargestellte Injektor.
Mittels des in Fig. 1 links oben dargestellten Schaltungsteils wird der Piezoaktuator Cpiezo über die Leitung PLl geladen (Aktivierung) und entladen (Deaktivierung) . Die Zeitpunkte für die Aktivierung und Deaktivierung von jedem Injektor werden in an sich bekannter Weise durch einen Motorsteu- rungsteil des Steuergeräts festgelegt. Auf Grundlage dieser festgelegten Ansteuerungszeitpunkte werden ein Ladeschalter Sl und ein Entladeschalter S2 geeignet angesteuert, um in an sich bekannter Weise eine so genannte Umschwingendstufe zur Erzeugung des auf die Leitung PLl zu gebenden Ansteuerstroms eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der DE 197 23 932 AI offenbart zu betreiben. Vereinfacht ausgedrückt wird die in einem Speicherkondensator Cl gespeicherte elektrische Energie periodisch, nämlich zu den gewünschten Ansteuerzeitpunkten, über einen Umladekondensator C2, eine Umschwingspule Ll und weiter über die Leitung PLl zu der Kapazität Cpiezo übertragen. Bei der Deaktivierung des Aktuators (Entladung von Cpiezo) schwingt die im Piezoelement gespeicherte elektrische Energie wieder zurück und lädt den Umladekondensator C2 wieder auf. Mit Vdc ist in Fig. 1 eine Gleichspannungsquelle (z. B. DC/DC-Wandler) bezeichnet, welche zum Ausgleich von ohmschen Verlusten bei diesen Umschwingvorgängen vorgesehen ist. Das mittels des Piezoaktuators betatigbare Kraftstoffventil besitzt zwei Kontaktschalter S5, S6, deren Schaltzustande repräsentativ für die Stellung eines Ventilkorpers relativ zu einem Ventilsitz des Kraftstoffventils sind. Diese in Fig. 1 rechts eingezeichneten Schalter S5, Sβ sind als Ventilsitzschalter (S5) und als Ventilanschlagschalter (S6) ausgebildet, d. h. der Schalter S5 ist nur geschlossen, wenn der Ven- tilkorper auf dem Ventilsitz aufliegt (Kraftstoffventil geschlossen) , und der Schalter S6 ist nur geschlossen, wenn der Ventilkorper vom Ventilsitz abgehoben ist und gegen einen dessen Offnungsbewegung begrenzenden Anschlag anliegt (Kraftstoffventil voll geöffnet) . Der in Fig. 1 parallel zu dieser Kontaktschalteranordnung S5, S6 eingezeichnete Widerstand R9 modelliert den in der Praxis nicht ganz zu vernachlässigenden Isolationswiderstand.
Die Kontaktschalteranordnung S5, S6 dient dazu, eine von dem Steuergerat auf die zweite Leitung PL2 eingekoppelte Wechselspannung in Abhängigkeit von den Schaltzustanden der Kontakt- Schalter S5, Sβ auszukoppeln. Zu diesem Zweck ist im Verlauf der Leitung PL2 im Bereich des Injektors ein "Auskoppelpunkt" K2 vorgesehen, von welchem ein Auskoppelpfad zur Fahrzeugmasse GND hin verlauft, dessen Impedanz abhangig von den Schaltzustanden ist. Im dargestellten Beispiel besteht der Auskop- pelpfad aus einer Serienschaltung eines Auskoppelkondensators C4, eines einen realen Serienwiderstand modellierenden Widerstands R8 sowie der bereits erwähnten Kontaktschalteranordnung S5, S6, R9.
Das zur Detektion der Schaltzustande verwendete Messsignal
(Wechselspannung) wird im Verlauf der zweiten Leitung PL2 im Bereich des Steuergeräts an einem Schaltungsknoten K3 eingekoppelt. Zu diesem Zweck ist zwischen der Fahrzeugmasse GND und diesem Einkoppelpunkt K3 eine Serienschaltung bestehend aus einer Wechselspannungsquelle Vrf, eines Messsignalakti- vierungschalters S4, eines Einkoppelkondensators C3 und eines den ohmschen Anteil der Impedanz des Kondensators C3 model- lierenden Widerstands R7 angeordnet. Die Wechselspannungsquelle Vrf liefert eine hochfrequente (z. B. 1 MHz), sinusförmige Wechselspannung mit einer geeignet gewählten Amplitude, die bei geschlossenem Schalter S4 über den Einkoppelkondensator C3 zum Einkoppelpunkt K3 und somit auf die Leitung PL2 gelangt. Die oben bereits erwähnte Spule L3 (mit einem ohmschen Anteil R6) dient dazu, einen Wechselstrom- Kurzschluss des eingekoppelten Messsignals auf Masse zu verhindern bzw. an dieser Stelle einen Ableitungspfad relativ hoher Impedanz für das eingespeiste Messsignal zu realisie- ren. Die Spule L3 ist hierbei geeignet zu dimensionieren, so dass das eingekoppelte Wechselspannungssignal die ebenfalls über die Leitung PL2 realisierte Ansteuerung des Piezoaktua- tors nicht nachteilig beeinflusst. Bei angesteuertem Piezoak- tuator läuft die wechseiförmige Messsignalspannung gewisser- maßen entgegen der Ansteuerstromrichtung über die Leitung PL2 und wird im Bereich des Injektors über den Auskoppelkondensator C4 wieder mehr oder weniger (abhängig von den Schaltzuständen der Kontaktschalter S5, S6) zur Fahrzeugmasse GND hin ausgekoppelt .
Da das Injektorgehäuse aufgrund des Einbaus in der Brennkraftmaschine üblicherweise ohnehin elektrisch mit der Fahrzeugmasse verbunden wird, können die Kontaktschalter S5, S6 vorteilhaft in einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass der Ventilkörper, z. B. eine Ventilnadel, elektrisch kontaktiert wird und über den Auskoppelkondensator C4 mit der ohnehin zum Injektor führenden Ansteuerleitung PL2 verbunden wird. Der Ventilkörper bildet somit die in Fig. 1 oberen An- Schlüsse der Schalter S5, S6. Die unteren Schalteranschlusse werden dann von dem Ventilsitz und einem vom Ventilsitz entfernt angeordneten Anschlag gebildet, die wie erwähnt naturgemäß bereits mit der Fahrzeugmasse GND verbunden sind.
Fig. 2 zeigt schematisch in einer Schnittansicht einige Teile eines mit der Schaltungsanordnung von Fig. 1 betriebenen Kraftstoffventils 10, nämlich eine Ventilnadel 12, einen Ventilsitz 14, gegen welchen ein unteres Ende der Ventilnadel 12 bei geschlossenem Ventil anliegt, sowie einen Anschlagring
16, gegen den ein oberer Umfangsrandabschnitt der Ventilnadel 12 bei Volloffnung des Ventils anschlagt.
Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist das Ventil 10 normalerweise (ohne Aktivierung des Piezoaktuators) geschlossen aufgrund einer Differenz von Kraftstoffdruckkraften, die einerseits im Bereich der Ventilnadelspitze und andererseits im Bereich eines oberen Ventilnadelendes auf die Ventilnadel 12 einwirken. Wird der Piezoaktuator angesteuert, so wird (beispielsweise durch Öffnung einer Kraftstoffrucklaufpassage innerhalb des Injektors) der Druck im Bereich des oberen Ventilnadelendes reduziert, wodurch der Druck an der Spitze der Ventilnadel 12 das Übergewicht erhalt, so dass die Ventilnadel 12 aus dem Ventilsitz 14 nach oben bewegt wird. Abwei- chend vom dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind selbstverständlich auch andere Ausfuhrungen möglich, bei denen der Ak- tuator zum Schließen des Ventils aktiviert wird, wohingegen die Öffnung des Ventils passiv erfolgt (z. B. vom Kraftstoffdruck getrieben) .
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ventil 10 sind der Ventilsitz 14 und der Anschlagring 16 über das nicht dargestellte Injektorgehäuse mit der Fahrzeugmasse verbunden, wohingegen die Ventilnadel 12 in an sich bekannter Weise davon isoliert im Injektorgehäuse geführt ist und beispielsweise über eine Stösselanordnung elektrisch kontaktiert ist, die sich durch eine zentrale Durchgangsöffnung 18 des Anschlagrings 16 hin- durch erstreckt. Diese elektrische Kontaktierung der Ventilnadel 12 führt über den Äuskoppelkondensator C4 (Fig. 1) an den masseseitigen Steueranschluss des Piezoaktuators. Die Anpassung des im Rahmen der Erfindung zu verwendenden Injektors gegenüber einem herkömmlichen Injektor besteht im Wesentli- chen lediglich darin, den Ventilkörper über einen geeigneten Impedanzpfad, enthaltend wenigstens einen Kondensator, mit dem masseseitigen Anschluss des Ventilaktuators zu verbinden.
Fig. 3 zeigt auf einer gemeinsamen Zeitachse (Zeit t) einen typischen Verlauf des Verstellwegs s (Fig. 3 oben) der Ventilnadel 12 für einen Einspritzvorgang sowie die dabei an dem Schaltungsknoten K3 zu messende Amplitude A (Fig. 3 unten) des eingekoppelten Wechselspannung-Messsignals.
Zu einem Zeitpunkt tl, welcher von der im Steuergerät befindlichen Motorsteuerung kurz vor der Aktivierung des Aktuators liegend festgelegt wird, wird der Messspannungaktivierungss- chalter S4 geschlossen und somit die Messspannung auf die Masseleitung PL2 eingekoppelt. Das Kraftstoffventil 10 ist hierbei noch geschlossen (s=0) , so dass der Ventilsitzschalter S5 geschlossen ist. Über den Schalter S5 wird somit das Messsignal im Bereich des Injektors wieder stark ausgekoppelt, so dass die am Knoten K3 gemessene Signalamplitude A einen relativ kleinen Wert annimmt. Hierbei ist der Auswahl- Schalter S3 bereits geschlossen.
Nun wird, zu einem Zeitpunkt t2, der Piezoaktuator über das Ansteuerleitungspaar PLl, PL2 aktiviert, um die Öffnungsbewe- gung der Ventilnadel 12 einzuleiten. Daraufhin hebt die Ventilnadel 12 vom Ventilsitz 14 ab, so dass der Schalter S5 öffnet. Dies führt zu einem sprunghaften Anstieg der Signalamplitude A. Die Erfassung dieses sprunghaften Anstiegs ges- tattet die genaue Bestimmung desjenigen Zeitpunkts (etwa t2) , zu welchem das Ventil 10 öffnet.
Zu einem Zeitpunkt t3 gelangt das Ventil 10 in dessen Maxi- malöffnungsstellung (s maximal) , d. h. das obere Ende der Ventilnadel 12 schlägt an dem Anschlagring 16 an. Dies bedeutet, dass der Anschlagschalter S6 nun geschlossen wird und die Signalamplitude A wieder sprunghaft auf einen relativ kleinen Wert sinkt. Abhängig von den Eigenschaften der Kontaktschalteranordnung, insbesondere der ohmschen Übergangswi- derstände der Kontaktschalter S5, S6, kann dieser Wert von dem Wert der Amplitude A während des Intervalls von tl bis t2 abweichen .
Zu einem Zeitpunkt t4 wird der Piezoaktuator deaktiviert, um den Ventilschließvorgang einzuleiten. Daraufhin öffnet der
Schalter Sβ wieder, so dass die Amplitude A nochmals auf einen relativ großen Wert ansteigt.
Zu einem Zeitpunkt t5 gelangt die Spitze der Ventilnadel 12 wieder in Kontakt mit dem Ventilsitz 14, so dass der Schalter S5 schließt und die Amplitude A wieder auf einen relativ kleinen Wert absinkt.
Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Signalamplitude A gestattet somit die Bestimmung einer Mehrzahl von Zeitpunkten (t2, t3, t4 und t5), aus welchen sich der Verlauf der Ventilkörperbewegung sehr gut rekonstruieren lässt. Demzufolge können sehr genaue Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Ein- spritzrate sowie der Einspritzmenge gemacht werden, welche im Rahmen der Motorsteuerung zur Optimierung von Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine herangezogen werden können.
Um die Messspannung nicht unnötig lange einzukoppeln bzw. deren nachteilige Wirkung auf die Kontaktschalter S5, S6 zu begrenzen, wird schließlich zu einem Zeitpunkt t6 der Schalter S4 wieder geöffnet. Die Festlegung dieses Zeitpunkts t6 kann beispielsweise basierend auf der Erfassung des Zeitpunkts t5 erfolgen, insbesondere kurz nach diesem Zeitpunkt T5 liegend festgelegt werden.
Das beschriebene Ausfuhrungsbeispiel realisiert eine einfache und kostengünstige Art zur Detektion der Ventilnadelstellung. Insbesondere ist am Injektor kein weiterer Anschluss zur
Messsignalankopplung erforderlich. Es kann eine aufwandige und kostenintensive Anpassung der Verkabelung zwischen einem Steuergerat und der Injektoranordnung vermieden werden. Die Verwendung einer Wechselspannung als Messsignal minimiert hierbei die Gefahr einer elektrolytischen Korrosion an den Kontaktstellen des Ventilkorpers . Durch eine genügend hohe Messsignalfrequenz kann zudem die Forderung nach einer ausreichend kurzen Antwortzeit der Detektion erfüllt werden. Durch die Verwendung des Ventilkörpers und Abschnitten eines Inektorgehauses als Kontaktschalter ist die Konstruktion des Injektors sehr einfach. Insbesondere sind keine besonderen, zusatzlichen Bauteile notig, welche die Dichtheit des Ventil nachteilig beeinflussen konnten.
In relativ einfacher Weise können aus den gewonnenen Informationen betreffend Einspritzbeginn, Einspritzverlauf und Einspritzende der Einspritzverlauf und die Gesamteinspritzmenge bestimmt werden. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt im Bereich von Dieseleinspritzsystemen mit Piezo- Injektoren. Die Erfindung erlaubt den Aufbau einer Regelung von Einspriztzeitpunkten und Einspritzmengen und eignet sich insbesondere auch für Einspritzsysteme, bei welchen unter bestimmten Betriebsbedingungen sehr kleine Einspritzmengen vorgesehen werden sollen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftma- schine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Injektoranordnung einen oder mehrere Injektoren aufweist, die jeweils aus einem elektrisch ansteuerbaren Aktuator (Cpiezo, Rpiezo) und einem mittels des Aktuators betätigbaren Kraftstoffventil (10) gebildet sind, wobei jedes Kraftstoffventil (10) wenigstens einen Kontakt- schalter (S5, Sβ) aufweist, dessen Schaltzustand die Stellung eines Ventilkörpers (12) relativ zu einem Ventilsitz (14) repräsentiert, wobei die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, wahlweise jedem der Injektoren eine Ansteuerspannung zum Ansteuern des Aktuators (Cpiezo, Rpiezo) über ein Leitungspaar bestehend aus einer ersten Leitung (PLl) und einer zweiten Leitung (PL2) zuzuführen, wobei die zweite Leitung zumindest während der Ansteuerung des jeweiligen Aktuators mit einer Masse (GND) des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, wahlweise jedem der Injektoren eine Messspannung zum Detektieren des Schaltzustands des Kontaktschalters (S5, Sβ) zuzuführen, wobei in der zweiten Leitung (PL2) eine Spule (L3) mit einem masseseitigen Spulenanschluss und einem injektor- seitigen Spulenanschluss (K3) angeordnet ist, wobei eine Wechselspannungsquelle (Vrf) in Serienschaltung mit einem Einkoppelkondensator (C3) zwischen der Kraftfahrzeugmasse (GND) und dem injektorseitigen Spulenanschluss (K3) angeordnet ist, um eine als die Messspan- nung dienende Wechselspannung an einem durch den injektorseitigen Spulenanschluss gebildeten Einkoppelpunkt auf die zweite Leitung (PL2) einzukoppeln, und wobei ein Auskoppelkondensator (C4) in Serienschaltung mit dem Kontaktschalter (S5, Sβ) zwischen dem injektorseitigen Ende (K2) der zweiten Leitung (PL2) und der Kraftfahrzeugmasse (GND) angeordnet ist, um die Wechselspannung an einem durch das injektorseitige Ende (K2) der zweiten Leitung (PL2) gebildeten Auskoppelpunkt von der zweiten Leitung in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Kontaktschalters (S5, Sβ) auszukoppeln.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ausgebildet als Steuergerät mit einer Leitungsanordnung (PLl, PL2) zum Anschluss einer im Kraftfahrzeug von dem Steuergerät entfernt angeordneten Injektoranordnung, wobei der Einkoppelpunkt (K3) im Bereich des Steuergeräts und der Auskoppelpunkt (K2) im Bereich der Injektoranordnung angeordnet ist .
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Injektoren als Piezoinjektoren ausgebildet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Kon- takte des Kontaktschalters (S5) gebildet sind durch den Ventilkörper (12) und den Ventilsitz (14) des jeweiligen Kraftstoffventils (10) .
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Kontakte des Kontaktschalters (Sβ) gebildet sind durch den Ventilkörper (12) und einen von dem Ventilsitz (14) entfernt angeordneten Ventilkörperanschlag (16) des jeweiligen Kraftstoffventils (10) .
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für jeden Injektor ein separates Leitungspaar (PLl, PL2) vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Betreiben einer Injektoranordnung mit mehreren Injektoren, wobei für jeden Injektor eine separate zweite Leitung (PL2) vorgesehen ist und zwischen dem Einkoppelpunkt (K3) und dem Auskoppelpunkt (K2) der zweiten Leitungen (PL2) jeweils ein Injektorauswahlschalter (S3) angeordnet ist, mittels welchem wahlweise jede der zweiten Leitungen (PL2) unterbrochen werden kann.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgebildet zur wahlweisen Einkopplung der Wechselspannung in vorbestimmten Zeitabschnitten (tl bis t6) , in denen ein Wechsel (t2, t3, t4, t5) des Schaltzustands zu erwarten ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Frequenz der Wechselspannung mindestens das Zehnfache der im Betrieb der Injektoranordnung für jeden Injektor zu erwartenden Maximalansteuerfrequenz ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Frequenz der Wechselspannung mindestens 10 KHz, insbesondere mindestens 100 KHz beträgt.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wechselspannung im Wesentlichen sinusförmig ist .
12. Verfahren zum Betreiben einer Injektoranordnung zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei die Injektoranordnung einen oder mehrere Injektoren aufweist, die jeweils aus einem elektrisch anstβuerbaren Aktuator (Cpiezo, Rpiezo) und einem mittels des Aktuators betätigbaren Kraftstoffventil (10) gebildet sind, wobei jedes Kraftstoffventil (10) wenigstens einen Kontakt- Schalter (S5, S6) aufweist, dessen Schaltzustand die Stellung eines Ventilkörpers (12) relativ zu einem Ventilsitz (14) repräsentiert, wobei wahlweise jedem der Injektoren eine Ansteuerspan- nung zum Ansteuern des Aktuators (Cpiezo, Rpiezo) über ein Leitungspaar bestehend aus einer ersten Leitung (PLl) und einer zweiten Leitung (PL2) zugeführt wird, wobei die zweite Leitung zumindest während der Ansteuerung des jeweiligen Aktuators mit einer Masse (GND) des Kraftfahr- zeugs verbunden ist, wobei jedem der Injektoren eine Messspannung zum Detektieren des Schaltzustands des Kontaktschalters zugeführt wird, wobei die Zufuhr der Ansteuerspannung über eine in der zweiten Leitung (PL2) angeordnete Spule (L3) mit einem masseseitigen Spulenanschluss und einem injektorseitigen Spulenanschluss (K3) erfolgt, wobei eine als die Messspannung dienende Wechselspannung an einem durch den injektorseitigen Spulenanschluss (K3) gebildeten Einkoppelpunkt auf die zweite Leitung (PL2) eingekoppelt wird unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle (Vrf) , die in Serienschaltung mit einem Einkoppelkondensator (C3) zwischen der Fahrzeugmasse (GND) und dem injektorseitigen Spulenanschluss (K3) angeordnet ist, und wobei die Wechselspannung an einem durch das injektorseitige Ende (K2) der zweiten Leitung (PL2) gebildeten Auskoppelpunkt von der zweiten Leitung in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Kontaktschalters (S5, S6) ausgekoppelt wird über einen Auskoppelkondensator (C4), der in Serienschaltung mit dem Kontaktschalter (S5, S6) zwischen dem injektorseitigen Ende (C4) der zweiten Leitung (PL2) und der Fahrzeugmasse (GND) angeordnet ist.
13. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Injektor aus einem elektrisch ansteuerbaren Ak- tuator und einem mittels des Aktuators betätigbaren Kraftstoffventil (10) gebildet ist, wobei das Kraftstoffventil wenigstens einen Kontaktschalter (S5, S6) aufweist, dessen Schaltzustand die Stellung eines Ventilkörpers (12) relativ zu einem Ventilsitz (14) repräsentiert, wobei der Injektor ein Anschlusspaar zur Zufuhr einer Ansteuerspannung zum Ansteuern des Aktuators aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Kontaktschalter (S5, Sβ) einerseits mit einem Masse- anschluss des Injektors und andererseits über einen Kondensator (C4) mit einem der beiden Ansteueranschlusse des Injektors elektrisch verbunden ist, um die Auskopplung einer an diesem Anschluss anliegenden Wechselspannung in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Kontaktschalters (S5, S6) zu ermöglichen.
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