Stand der Technik

Bei schnellschaltenden Magnetventilen, die beispielsweise für die Steuerung von Dieseleinspritzpumpen verwendet werden, ist es notwen¬ dig, den Öffnungs- und Schließzeitpunkt sowie das Öffnungsende der Ventilnadel möglichst genau einzuhalten, um die llenge des zugeführ¬ ten Kraftstoffs möglichst präzise zu bestimmen. Zur Ξrzielung beson¬ ders kurzer Abschaltseiten (Öffnen) wird dabei der Ξrregerstrom des elektromagnetisch betätigten Ventils ausgehend vom Haltestroawert möglichst schnell abgesenkt und zur Überwindung des nachteiligen magnetischen Klebens sogar kurzzeitig in den negativen Bereich hin¬ ein zwangsgesteuert. Die Erkennung des Schliβßzeitpunktes aus dem Strom- und/oder Spannungsverlauf am erregten Ventil i3t relativ ein- fach, da in diesem Jall eine große Geschwindigkeitsänderung der Ven¬ tilnadel mit relativ kleinem Luftspalt und starker Erregung des Mag¬ netkreises auftritt, aus der eine sicher auswertbare Induktionsände- rung resultiert. Die Auswertung des Öffnungsvorgangs ist demgegen¬ über wesentlich unsicherer, da ein Anschlag bei großem Luftspalt er¬ folgt und die Erregung wegen des Stromabbaues wesentlich geringer ist. Bei sehr schnell schaltenden Ventilen ist der 3rregungsstrca

vielfach bereits vor der einsetzenden lladelbewegung oder spätestens während derselben auf Null abgebaut, so daß eine Auswertung des Öff¬ nungsvorgangs anhand charakteristischer Strom- oder Spannungswerte überhaupt nicht mehr möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkaalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auch das Abschalt¬ verhalten des elektromagnetischen Ventils anhand des charakteristi¬ schen Strom- bzw. Spannungsverlaufs auf einfache Weise feststellbar ist, so daß die Funktionsabläufe der Brennkraftmaschine auch präzi¬ ser steuerbar sind.

In den ünteransprüchen werden Weiterbildungen des Verfahrens bzw. Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Zeichnung

Das Verfahren und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schai- tungsanordnungen sind anhand der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 3s zeigen Fi¬ gur 1 eine Kraftstoffeinspritzpuape in vereinfachter Darstellungs¬ weise, Figur 2 ein Ξrregungsstrom, ΞrregungsSpannung und Weg der Ventilnadel darstellendes Diagramm bei herkömmlicher Ansteuerung ei¬ nes Ventils, Figur 3 ein Diagramm, das den Ξrrege ^~ strσm, den Weg der Ventilnadel und den Verlauf der Ξrrsgerspannung jeweils als Funktion der Zeit bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, Figur 4 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchfüh- - rang des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 5 und Figur 6 weitere Diagramme der im Zusammenhang mit Figur 3 näher bezeichneten Art zur Erläuterung von Weiterbildungen der Erfindung ssowie Figur 7, Figur 8 und Figur 9 je eine Schaitungsanordnung zur Durchführung des er- findungsgeaäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in Figur 1 beispielsweise dargestellten Kraftstoffeinspritz¬ pumpe ist in einem Gehäuse 1 eine Buchse 2 angeordnet, in der ein Puapenkolben 3 eine hin- und hergehende und gleichzeitig rotierende Bewegung ausführt. Der Pumpenkolben 3 ist durch einen Nockentrieb 4 über eine Welle 5 angetrieben, welche synchron zu der Drehzahl der von der Einspritzpumpe mit Kraftstoff versorgten Brennkraftmaschine rotiert. Die Stirnfläche des Pumpenkolbens 3 und die Buchse 2 be¬ grenzen einen Pumpenarbeitsraum 6, der über einen Versorgungskanal 7 mit einem Saugraum 8 ia Gehäuse 1 der Kraftstoffeinspritzpumpe ver¬ bunden ist. Der Saugraum 8 wird beispielsweise über eine Förderpumpa 9 mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 10 versorgt. Aus dem Pumpenarbeitsraum 6 wird über eine Längs- und Verτeilemut 11 des Pumpenkolbens 3 der Kraftstoff bei entsprechender Drehstellung des Pumpenkolbens 3 zu Druckleitungen 12 verteilt, die über die Buchse 2 und das Gehäuse 1 zu Einspritzdüsen 13 an der Brennkraftmaschine führen. Vom Pumpenarbeitsraum 6 zweigt an einer durch den Pumpenkol¬ ben 3 nicht beeinflußbaren Stelle ein Ξntlastungskanal 16 ab, der andererseits auf die Saugseite des Pumpenkolbens 3 geführt ist und beispielsweise in den Versorgungskanal 7 mündet. In dem Entlastu gs- . kanal befindet sich ein Ventilsitz 17, mit dem eine Ventilnadel 13 zusammenarbeitet, die als Teil einer elektromagnetisch betätigbaren Steuervorrichtung 20, insbesondere eines elektromagnetischen Ventils dient und den Querschnitt des Ξntlastungskanals je nach Ansteuerung öffnet oder schließt. Die Ansteuerung der Steuervorrichtung 20 er¬ folgt durch ein elektronisches Steuergerät 21 in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebskenngrößen der Brennkraftma3chine, wie bei¬ spielsweise Last 22, Drehzahl 23, Temperatur 24 u.a. Durch die Steu¬ ervorrichtung 20 werden in bekannter Weise während des Förderhubs des P_-.peπko _ens 3 Beginn und Ende der Kraftstoffzufuhr durch die Kraft3tstoffpuape bestimmt. In nicht erregtem Zustand der Steuer¬ vorrichtung 20 ist beispielsweise die Ventilnadel 18 vom Ventil-

sitz abgehoben und damit der Entlastungskanal 16 geöffnet, so daß sich im Pumpenarbeitsraum 6 kein zur Öffnung der Einspritzdüsen 13 ausreichender Druck aufbauen kann. Durch Erregung der Steuervorrich¬ tung 20 wird die Ventilnadel 18 zum Ventilsitz 17 hin bewegt und verschließt .diesen. Daraufhin baut sich im Pumpenarbeitsraum 6 ein Druck auf und Krf ftstoff gelangt über die Verteilernut 11 zu den Einspritzdüsen 13. Die Ξntregung der Steuervorrichtung 20 i3t gleichbedeutend dem Förderende, da hierdurch der Ventilsitz 17 wie¬ der ganz geöffnet wird und ein Druckabfall im Pumpenarbeitsraum er¬ folgt.

Die in Figur 2, Figur 3, Figur 5 und Figur 6 dargestellten Diagramπe zeigen jeweils ausSchnittsweise, d.h. lediglich über einen bestimm¬ ten Zeitabschnitt, den zeitlichen Verlauf von Erregerstrom i, Erre¬ gerspannung u sowie den Weg w der Venτilnadel 18 des elektromagneti¬ schen Ventils. Das Diagramm nach Figur 2 zeigt diese Größen bei dem herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der Ξntregungszeit. -Aus der Darstellung des Stroπverlaufs i = i (t) geht deutlich hervor, daß der Erregerstrom zunächst auf einen dem Haltestrcm i„ entsorechen- den relativ hohen Wert eingestellt ist, dann aber zur Srzielung kur¬ zer Abschaitzsiten (öffnen) in einem steilen Kurvenverlauf sehr schnell abgebaut und zur Reduzierung des magnetischen Klecens sogar kurzzeitig in den negativen 3ereich zwangsgesteuert wird.

Im unteren Teil des Diagramms nach Figur 2 ist die entsprechende Er¬ rege-Spannung u = u (t) dargestellt. Der mittlere___3ereich des Dia¬ gramms nach Figur 2 zeigt weiter den Weg der Ventilnadel 18 als Funktion der Zeit t. Ein Vergleich der Stromkurve i ^~ i (t) mit der im mittleren Bereich des Diagramms nach Figur 2 dargestellten Wege¬ kurve läßt deutlich erkennen, daß der Strom i ausgehend vom Kalte¬ strom i bereits schon vor dem Öffnungsbeginn, der Vsntilna el auf Null abgebaut werden ist. Eine Kontrolle des ÖffnungsVorgangs etwa anhand charakteristischer Strom- und/oder Spannungs erte im Berei-h des elektromagnetischen Ventils ist daher nicht mehr möglich.

Anhand der Diagramme von Figur 3 werden die entsprechenden Kurven¬ verläufe bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Die Darstellung des Erregerstroms i = i (t) im' oberen 3ereich von Figur 3 läßt erkennen, daß der Strom i ausgehend vom relativ hohen " Nivau des Haltestroms i_. in einem steilen Kurvenverlauf sehr stark abgesenkt wird, jedoch nur bis zu einem von Null verschiedenen noch im αositiven Bereich liegenden Strom i- π., der für eine Zeit t_,1 aufrechterhalten wird. Der Wert des Stroms i- wird dabei derart niedrig gewählt, daß die daraus resultierende Magnetkraft geringer ist als die auf die Ventilnadel einwirkende Druckkraft. Aufgrund der durch den Strom i_ vorgegebenen konstanten Resterregung tritt je- doch durch die Gegeninduktion während der Bewegung der Ventilr.adel eine entsprechende Stromänderung auf, aus der durch Differenzieren Öffnungsbeginn und -ende auf relativ einfache Weise ermittelt werden können. Alternativ kann auch bei eingeprägtem Strom die entstehende Spannungsänderung ausgewertet werden. Voraussetzung für die Erken¬ nung des Öffnungsbeginns der Ventilnadel nach der zuvor beschriebe¬ nen Weise ist jedoch weiterhin, daß der Strom i zu diesem Zeitpunkt schon auf das niedrigere Niveau i_ abgebaut worden ist. Dies i≤t in der Praxis ohne weiteres realisierbar, da der Abbau der Magnet¬ kraft aufgrund des Einflusses von Wirbelströmen dem Stromabbau nur verzögert folgt. Erst nach Erreichen des Öffnungsendes, also nach¬ dem Zeitpunkt t_. wird der Strom i endgültig auf Null abgebaut. ώ

Im unteren Diagramm der Figur 3 ist wiederum der Spannungsveriauf u ^~ u (t) für dieses Ausführungsbeispiel dargestellt.

Das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren führt allerdings zu einer geringen Verlängerung der Öffnungszeit, die jedoch in der ?ra-. xis ohne weiteres in Kauf genommen werden kann, da durch die präzise Erkennung des ÖffnungsVerlaufs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auftretende Streuungen und Drifteinflüsse auf einfache Weise kompen¬ siert werden können. Wenn jedoch bei besonders hohen

Anforderungen an die Präzision gelegentlich auch noch die geringfü¬ gige Verlängerung der Öffnungsdauer vermieden werden soll, kann dies auf einfache Weise durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin¬ dung erreicht werden. Dies wird anhand der Diagramme von Figur 5 er¬ läutert. Gemäß dem oberen Diagramm der Figur 5 wird der Strom i = i (t) zur Einleitung des Öffnungsvorgangs der Ventilnadel sehr, schnell auf Null abgesenkt oder sogar kurzzeitig in den negativen Bereich umgesteuert, um dann wieder, während die Ventilnadel 18 sich schon in Bewegung gesetzt hat, auf einen bestimmten positiven Wert i_ angehoben zu werden. Da die Anhebung des Stroms i auf den Wert i_ zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Geschwindigkeit der Ven¬ tilnadel und der Luftspalt bereits relativ groß sind, ist der Ein¬ fluß dieser Maßnahme auf die Öffnungszeit vernachlässigbar gering. Die präzise Auswertung des Öffnugnsendes erfolgt in der zuvor schon beschriebenen Weise. Durch die verzögerte Anhebung des Stroms i auf den Wert i_ kann jetzt eine noch stärkere Resterregung gewählt werden, die wiederum auf vorteilhafte Weise zu einem größeren aus¬ wertbaren Nutz3ignal führt. In dem letztgenannten Ausführungsbei- spiel der Erfindung findet nur eine Auswertung des Öffnungsendes der Ventilnadel statt.

Für den Fall, da3 in bestimmten Anwendungsfällen auch noch Wert auf die präzise Auswertung des Öffnungsbeginns der Ventilnadel Wert ge¬ legt wird, bietet sich eine weitere Ausgestaltung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens an, die anhand der Diagramme von Figur 6 erläutert wird.

Der Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Aus ührungsbeispiel liegt im wesentlichen darin, daß der Strom i = i (t) ausgehend vom Niveau des Kaltestroms i„ zunächst wie im Ausführungsbeipsiel gemäß Figur 3 schnellstmöglich auf einen bestimmten positiven Restwert i_ ab- gesenkt, für eine Zeit lang auf diesem Niveau gehalten, danach auf Null oder ins Negative abgesenkt und schließlich wieder

auf einen höheren positiven Wert, beispielsweise das Niveau von i_ angehoben wird. Diese Maßnahmen stellen sicher, daß an der Erreger¬ spule der elektromagnetischen Einrichtung Strom- und/oder Spannungs¬ änderungen auftreten, die einer leichten Auswertung zugänglich sind.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Form eines Blockschaltbildes schematisch in Figur 4 darge¬ stellt. Über ein Kennfeld 40 und eine Endstufe 41 erfolgt die An¬ steuerung des elektromagnetischen Ventils 42. Über das der Endstufe 41 vom Kennfeld 40 zugeleitete Ansteuersignal 43 wird gleichseitig eine Auswerteschaltung 44 aktiviert, die sowohl die Schließbewegung als auch die Öffnungsbewegung des elektromagnetischen Ventils 42 er¬ faßt. Entsprechend der positiven oder negativen Flanke des Signals ist entweder die Zuordnung von Schließ- bzw. Öffnungs organg mög¬ lich. Besonders zweckmäßig ist eine Aktivierung der Auswerteschal¬ tung 44 nur innerhalb eines willkürlich vorgebbaren Zeitfen≤ters, um Störungseinflüsse zu vermindern. Die in der Auswerteschaltung 44 ausgewerteten Größen t-, t_, und t, werden dem Kennfeld 40 zu- geleitet und mit dort abgespeicherten Sollwerten verglichen. Bei festgestellten Abweichungen von den Sollwerten wird zur präzisen Be¬ messung der zugeführten Kraftstoffmenge die Öffnungsdauer des elek¬ tromagnetischen Ventils 42 über die Endstufe 41 entsprechend korri- - giert. Hierin bedeuten t-. die Ausschalttotzeit, also die Zeit¬ dauer, die von der Ausschaltimpulsflanke bis zum Öffnungsbeginn der Ventilnadel verstreicht; t, die Ausschaltzeit, also den Zeitablauf von der Ausschaltimpulsflanke bis zum Öffnungsende der Venτilnadel sowie t-_. die Ξinschaltzeit, d.h. die Zeitdauer von der Einschalt-

Impulsflanke bis zum Schließzeitpunkt der Ventilnadel.

In Figur 7, Figur 3 und Figur 9 sind Schaltungsanordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Schaltungsanordnung nach Figur 7 ermöglicht dabei eine Ansteuerung des elektromagnetischen Ventils 42 (MV) entsprechend dem anhand von

Figur 3 erläuterten Verfahren. Über den vom Kennfeld 40 abgegebenen Ansteuerimpuls 43 wird der Schalter S1 für die Dauer des Ansteuer- impulses geschlossen. Dadurch wird die Spannung U an das elektro- magnetische Ventil 42 gelegt, so daß dieses mit dem Haltestrom i„ beaufschlagt wird. Mittels der Anstiegsflanke des Ansteuerimpulses 43 erfolgt gleichseitig die Nullsetzung der Schmitt-Trigger TR1 und H2 sowie der Zähler 21 und Z2. Ein Filter F1 verhindert, daß sich die Abschaltflanke des Ansteuerimpulses 43 auf TR1 und TR2 sowie die Zähler Z1 und Z2 auswirkt. Ein weiteres Filter F2 unterdrückt die Anstiegsflanke des Ansteuerimpulses 43 und läßt nur die Abschalt¬ flanke des Ansteuerimpulses 43 passieren, die die bistabile Kipp¬ stufe K1 setzt. Das Ausgangssignal der bistabilen Kippstufe K1 schließt den Schalter S2 und legt die Spannung u_ (Resterregungs¬ spannung) an das elektromagnetische Ventil 42, das jetzt mit dem Resterregungsstrom i_ beaufschlagt wird. Gleichzeitig werden ein Schalter S3 und über eine weitere bistabile Kippstufe K2 die Zähler Z1 und Z2 aktiviert. Schalter. S3 spricht dabei erst nach einer vor _r gebbaren Totzeit t_ an. Diese Totzeit ist so gewählt, daß der Resterregungsstrom i_ nach ihrem Ablauf einen stationären Wert er¬ reicht hat. Über einen Differentiator D wird der das Magnetventil 42 beaufschlagende Strom i = i (t) differenziert. Ein 3ich daraus erge¬ bender positiver Schwellwert am Schwellwertschalter SW1 aktiviert den Schmitt-Trigger TR1, was zu einem Zurücksetzen der bistabiler. Kippstufe K2 und zu einem Stoppen des Zählers Z1 führt. Dieser Zäh¬ ler Z1 ermittelt die Ausschalttotzeit t_, also die Zeitdauer, die von der Ausschaltimpulsflanke bis zum Öffnungsbeginn der Ventilnadel 13 verstreicht. Wenn aus dem differenzierten Strom des elektromagne¬ tischen Ventils 42 ein negativer Schwellwert am Schwellwertschalter SW2 ansteht, wird der Schmitt-Trigger TS2 aktiviert, der seinerseits die bi3tabile Kippstufe Kl rücksetst und dadurch den Zähler Z2 stoppt. Zähler Z2 zeigt die Ausschaltzeit t, an. Gleichseitig wird Schalter 32 geöffnet und damit das elektromagnetische Ventil 42 ent-

Die Schaltungsanordnung nach Figur 8 ist geeignet zur Durchführαng des Verfahrens, das anhand der Diagramme von Figur 5 weiter oben er¬ läutert worden ist. Abweichend zur Wirkungsweise der zuvor beschrie¬ benen Schaltungsanordnung nach Figur 7 wird jetzt nur die Zeit t, ausgewertet. Die Resterrsgungssnannung u_ wird über den Schalter S2 dem elektromagnetischen Ventil 42 erst nach Ablauf eines Zeitin¬ tervalls τ _m zugeführt. Auch der von Dif erensierβr D differsn- zierte Strom des elektromagnetischen Ventils 42 wird den Elementen der Auswerteschaltung, nämlich dem Schwellwertschalter SW2, dem Schmitt-Trigger TR2, der bistabilen Kippstufe K1 und dem Zähler Z2 ,über den Schalter 3 erst nach Ablauf der Zeit t__ zugeleitet.

Die Schaitungsanordnung nach Figur 9 ermöglicht die Durchführung des anhand der Diagramme von Figur 6 beschriebenen Verfahrens. Die Be¬ stimmung von t_, verläuft dabei im wesentlichen entsprechend der Schaltungsanordnung gemäß Figur 7. Lediglich das Rücksetzen der bi¬ stabilen Kippstufe K1 erfolgt jetzt über den Schmitt-Trigger TR1. Mit dem Rücksetzimpuls wird nach Ablauf einer Verzögerαngszeit __ eine weitere bistabile Kippstufe K3 gesetzt, die über das ODER-j ied 0 Schalter S3 wieder schließt und über Schalter S4 die Resterre- gungsstannung U_ an das elektromagnetische Ventil 42 legt. Damit bei Abschalten der ersten Resterregungsspannung u_ ₁ durch Rückset¬ zen der bisτabilen Kippsτufe K1 der Zähler Z2 nicht angehalten wird, ist über eine weitere bistabile Kippstufe K4 eine Entkopplung vorge¬ sehen. Nach dem Ansprechen des Schmit -Triggers TR2 werden die bi¬ stabilen Ki_nstufen K4 und X3 wieder zurückgese zt.