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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Einspritzventils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Ein solches Verfahren und ein solches Steuergerät ist jeweils aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, 25. Aufl., Friedrich Vieweg & Sohn Verlag, GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3, dort S. 616 und 617 bekannt. Nach dieser Referenz erfordern die bei der Benzin-Direkteinspritzung erforderlichen Kraftstoffdrücke spezielle Hochdruck-Einspritzventile, um den Kraftstoff zu dosieren und zu zerstäuben. Das Hochdruck-Einspritzventil weist unter anderem eine Spule und einen relativ zur Spule beweglichen Magnetanker auf, der mit einer Düsennadel verbunden ist. Ein Stromfluss in der Spule erzeugt ein Magnetfeld, das die Düsennadel von einem Sitz hebt und einen Einspritzquerschnitt freigibt, über den Kraftstoff dosiert wird. Beim Abschalten des Spulenstroms wird die Düsennadel durch eine Federkraft auf ihren Sitz gepresst und unterbricht den Einspritzvorgang. Bei nach innen öffnenden Nadelventilen unterstützt der Kraftstoffdruck den Schließvorgang. Bei der Öffnung wirkt der Kraftstoffdruck der Öffnungsrichtung entgegen, so dass die zum Öffnen des Einspritzquerschnitts benötigte magnetische Feldstärke und damit der erforderliche Spulenstrom auch vom Kraftstoffdruck abhängig ist.
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Aus der
DE 198 33 830 A1 und der
EP 1 396 630 A2 sind jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung wenigstens eines Magnetventils, das zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine dient, bekannt. Die Einspritzventile werden mit einem Stromverlauf angesteuert, der zunächst eine Anzugs- oder Boosterphase und später eine Haltephase enthält. Ferner zeigen diese Entgegenhaltungen, dass der Stromverlauf abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise dem Kraftstoffdruck verändert wird.
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Die
EP 1 286 034 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils. Bei dieser Einrichtung wird die Dauer der Anzugsphase derart gewählt, dass das Magnetventil sicher in seine Arbeitsstellung gelangt.
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Aus der
DE 100 14 228 A1 ist ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils bekannt. Dabei werden während der Ansteuerphase des Magnetventils mehrere Boosterimpulse nacheinander aktiviert, deren zeitliche Lage innerhalb der Ansteuerphase frei wählbar sind.
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Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2004 063 079 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei dieser Einrichtung wird in speziellen Betriebszuständen, bei denen ein hoher Kraftstoffdruck herrscht, von einem Standardwert auf einen erhöhten Wert oder eine längere Dauer des Boosterstroms umgeschaltet.
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Für das Öffnen und Offenhalten eines innen öffnenden Hochdruck-Einspritzventils bei einem Benzin-Direkteinspritzsystem wird beim Stand der Technik ein komplexes erstes Stromprofil verwendet. Das erste Stromprofil weist eine Boosterphase auf, in der das Hochdruck-Einspritzventil mit einem Boosterkondensator als erstem Ladungsspeicher verbunden wird. Der Boosterkondensator ist vor der Verbindung mit der Spule des Einspritzventils typischerweise auf eine Spannung von 50 - 90 V aufgeladen worden und liefert in der Boosterphase einen entsprechend hohen Boosterstrom, mit dem die Düsennadel schnell angehoben wird. Bei angehobener Düsennadel reicht ein geringer Spulenstrom aus, um das Einspritzventil geöffnet zu halten. Der geringere Spulenstrom wird in der Haltephase durch Verbinden der Spule mit einem zweiten Ladungsspeicher erzeugt, der eine kleinere Spannung bereitstellt. Eine Fahrzeugbatterie stellt ein Beispiel für einen zweiten Ladungsspeicher dar. Eine Steuerung des Haltestroms erfolgt durch Takten der Verbindung mit dem zweiten Ladungsspeicher.
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Der höchste Systemdruck wird bei Benzin-Direkteinspritzsystemen im Normalbetrieb durch ein Druckbegrenzungsventil nach oben begrenzt. Der durch das Druckbegrenzungsventil definierte Grenzwert des Kraftstoffdrucks wird zum Beispiel typischerweise bei einem Start eines heißen Verbrennungsmotors erreicht. Ein beim Abstellen heißer Verbrennungsmotor führt im Stillstand zu einer Aufheizung des Kraftstoffs und damit zu einem Anstieg des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffdruckspeicher bis zur Öffnung des Druckbegrenzungsventils. Dies führt beim Heißstart zu einem erhöhten Strombedarf in der Booster- und Haltephase. Beim Betätigen des Anlassers sinkt die Bordnetzspannung aufgrund des hohen Strombedarfs des Anlassers in Verbindung mit dem Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie ab, was den maximal möglichen Haltestrom in der Haltephase begrenzt.
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Die ungünstige Kombination des hohen Kraftstoffdrucks, gegen den das Einspritzventil mit erhöhtem Haltestrombedarf offen gehalten werden muss, mit dem durch die Belastung der Fahrzeugbatterie herabgesetzten Maximalwert des Haltestroms, kann dazu führen, dass der zur Verfügung stehende Maximalwert den Haltestrombedarf unterschreitet. Dann schließt das Einspritzventil unter Umständen zu früh, was zu einer unzureichenden Kraftstoffzumessung beim Start führen kann. Als Folge können Zündaussetzer auftreten. Im Extremfall kann es passieren, dass der Verbrennungsmotor nicht gestartet werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Vor diesem Hintergrund steht die Aufgabe der Erfindung in der Verbesserung des Startverhaltens eines Verbrennungsmotors.
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Technische Lösung
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und einem Steuergerät der jeweils eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des jeweils zugehörigen unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Durch den Verzicht auf die Haltephase, also durch den Verzicht auf Beiträge des zweiten Ladungsspeichers, wird der Strom beim Starten durch den ersten Ladungsspeicher und damit weitestgehend unabhängig von der Spannung im Bordnetz bereitgestellt. Bei einer Realisierung des ersten Ladungsspeichers als Boosterkondensator stellt dieser seinen Strombeitrag unabhängig von der Bordnetzspannung bereit, sofern er nur ausreichend aufgeladen ist. Die Einspritzung erfolgt in diesem Fall durch eine im Vergleich zu dem ersten Stromprofil längere Boosterphase des zweiten Stromprofils. Falls die Ladung des Boosterkondensators nicht zum Einspritzen der für eine Brennraumfüllung beim Start erforderlichen Kraftstoffmenge mit einer einzigen, zusammenhängenden Einspritzung ausreicht, kann der Kraftstoff auch durch mehrfaches Ansteuern des Einspritzventils mit dem zweiten Stromprofil eingespritzt werden. In den Pausen zwischen solchen einzelnen Teileinspritzungen kann der Boosterkondensator durch eine Ladeschaltung erneut aufgeladen werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale jeweils nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 einen Verbrennungsmotor als technisches Umfeld der Erfindung;
- 2 ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer Endstufe eines Steuergerätes zusammen mit einer Fahrzeugbatterie und einem Einspritzventil aus der 1.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Brennraum 12, in den Kraftstoff mit einem Einspritzventil 14 eingespritzt wird. Das Einspritzventil 14 ist hydraulisch mit einem Kraftstoffdruckspeicher 16 verbunden und wird von einem Steuergerät 18 mit einem Steuerstrom I betätigt. Bei ausreichend großem Steuerstrom I öffnet das Einspritzventil 14 einen Einspritzquerschnitt, über den Kraftstoff auf dem Kraftstoffdruckspeicher 16 in den Brennraum 12 eingespritzt wird. Für die Erzeugung des Steuerstroms I verarbeitet das Steuergerät 18 Signale verschiedener Sensoren, von denen in der 1 ein Temperatursensor 20, ein Kraftstoffdrucksensor 22 und ein Drehzahlsensor 24 dargestellt sind. Der Temperatursensor 20 erfasst eine Temperatur T des Verbrennungsmotors 10, beispielsweise die Temperatur eines Kühlmittels. Der Kraftstoffdrucksensor 22 erfasst den Kraftstoffdruck p im Kraftstoffdruckspeicher 16 und der Drehzahlsensor 24 erfasst eine Drehzahl n einer Kurbelwelle oder einer anderen Welle des Verbrennungsmotors 10.
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Der Verbrennungsmotor 10 besitzt einen Anlasser oder Starter 26, der elektrisch angetrieben wird. Dabei wird die elektrische Energie einer Fahrzeugbatterie 28 entnommen, die eine Bordnetzspannung auch bei abgestelltem Verbrennungsmotor 10 und damit stillstehendem Generator des Verbrennungsmotors 10 aufrechterhält. Der Starter 26 wird von einem Zündschloss 30 eingeschaltet, das dazu einen Anlassschalter 32 schließt. Die Fahrzeugbatterie 28 versorgt auch das Steuergerät 18 und die darin untergebrachten Endstufen mit elektrischer Energie.
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2 verdeutlicht die Bildung des Steuerstroms I innerhalb des Steuergeräts 18. Das Steuergerät 18 weist in der Ausgestaltung der 2 eine Endstufe 34 mit einem Boosterkondensator 36, einem High-Side-Schalter 38, einem Low-Side-Schalter 40, einem Boosterschalter 42, einer ersten Diode 44, einer zweiten Diode 46 und einer Ladeschaltung 48 auf, die eine dritte Diode 50, eine Ladeinduktivität 52 und einen Ladeschalter 54 aufweist. Der Boosterkondensator 36 stellt eine Ausgestaltung eines ersten Ladungsspeichers dar. Der erste Ladungsspeicher wird daher im Folgenden ebenfalls mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet. Die Endstufe 34 ist in der dargestellten Weise an die Fahrzeugbatterie 28 angeschlossen, die eine Ausgestaltung eines zweiten Ladungsspeichers repräsentiert. Der zweite Ladungsspeicher wird daher im Folgenden ebenfalls mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet. Das Einspritzventil 14 wird in der 2 vereinfacht als Induktivität dargestellt.
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Die Endstufe 34 wird von dem Block 56 gesteuert, der die übrigen Steuergerätefunktionen, wie Signalaufbereitung und Signalverarbeitung repräsentiert. Dabei erfolgt die Steuerung der Endstufe 34 und damit die Formung des Steuerstroms 1 durch koordinierte Ansteuerung der Schalter 38, 40, 42 und 54. In einer bevorzugten Ausgestaltung verarbeitet der Block 56 dabei insbesondere wenigstens eines der Signale p, D, n aus der 1.
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Im Folgenden wird kurz erläutert, wie der Block 56 im Zusammenwirken mit der Endstufe 34 ein Stromprofil mit einer Boosterphase und/oder einer Haltephase erzeugt. Bei geschlossenen Schaltern 38 und 40 fließt ein Strom durch die Induktivität 14 zur Masse des zweiten Ladungsspeichers 28, wobei der Stromfluss durch die Induktivität 14 ein Magnetfeld erzeugt. Ein Öffnen des Low-Side-Schalters 40 unterbricht den Stromfluss. Dadurch bricht das Magnetfeld zusammen, was in der Induktivität 14 einen Strom induziert, der über die Diode 46 den Boosterkondensator 36 auflädt. Der Boosterkondensator 36 wird ferner dann aufgeladen, wenn der Schalter 54 geöffnet wird, um einen Stromfluss durch die Ladeinduktivität 52 und über den Schalter 54 zur Masse der Fahrzeugbatterie 28 zu unterbrechen. In diesem Fall lädt der durch die Magnetfeldänderung in der Ladeinduktivität 52 erzeugte Strom den Boosterkondensator 36 über die Diode 50 auf.
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Da beim Zusammenbrechen der Magnetfelder in der Induktivität 14 oder der Ladeinduktivität 52 Spannungsspitzen auftreten, die größer als die von der Fahrzeugbatterie 28 bereitgestellte Bordnetzspannung sind, kann der Boosterkondensator 36 auf Spannungen aufgeladen werden, die wesentlich größer als die Bordnetzspannung sind. Wie eingangs erwähnt, liegen typische Spannungen eines aufgeladenen Boosterkondensators 36 in der beschriebenen Anwendung zwischen 50 und 90 Volt bei einer Bordnetzspannung von typischerweise 12 Volt.
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Wird der geladene Boosterkondensator 36 bei geschlossenen Schaltern 42 und 40 über die Diode 44, die Induktivität 14 und den Schalter 40 entladen, fließt ein entsprechend großer Entladestrom I, der eine hohe Magnetfeldstärke und eine hohe Einspritzventilöffnungskraft erzeugt. Die Stellung des Schalters 38 ist dabei nicht wesentlich. Aufgrund der hohen Spannung des Boosterkondensators 36 wird der Strom I durch die Einspritzventil-Induktivität 14 in dieser Boosterphase durch den Beitrag des Boosterkondensators 36 als erstem Ladungsspeicher dominiert. Der Schalter 38 kann also offen oder geschlossen sein.
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Um eine Haltephase zu realisieren, wird beim Stand der Technik der Boosterkondensator 36 durch Öffnen des Schalters 42 von der Induktivität 14 getrennt und der Schalter 38 wird bei geschlossenem Schalter 40 geschlossen. In diesem Fall fließt ein geringerer Haltestrom I über den Schalter 38, die Induktivität 14 und den Schalter 40, wobei der Strom I von der Spannung der Fahrzeugbatterie 28 als zweitem Ladungsspeicher getrieben wird. Wenn der resultierende Strom I größer ist als für das Offenhalten des Einspritzventils 14 erforderlich ist, kann der zeitliche Mittelwert der Stromstärke des Stroms I durch getaktetes Öffnen und Schließen des Low-Side-Schalters 40 reduziert werden. Das hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Boosterkondensator 36 bei offenem Schalter 40 jeweils über die Diode 46 nachgeladen wird.
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Im Ergebnis ergibt sich dann ein erstes Stromprofil 58, wie es in der 3 in qualitativer Form als Verlauf des Stroms I über der Zeit t dargestellt ist. Dabei entspricht der Zeitabschnitt 60 einer Boosterphase, und der Zeitabschnitt 62 entspricht einer Haltephase. Dieses erste Stromprofil 58 entspricht dem aus dem Stand der Technik bekannten Stromprofil. Eine solche Haltephase zeichnet sich dadurch aus, dass der Strom durch die Induktivität 14 während dieser Haltephase durch den zweiten Ladungsspeicher 28, in der Ausgestaltung der 2 also durch die Fahrzeugbatterie 28, ohne Beiträge des ersten Ladungsspeichers 36, das heißt des Boosterkondensators 36, geliefert wird.
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4 zeigt dagegen eine Ausgestaltung 64 eines zweiten Stromprofils, wie es bei einer Ausgestaltung der Erfindung erzeugt wird. Die Ausgestaltung 64 eines zweiten Stromprofils unterscheidet sich vom ersten Stromprofil 58 dadurch, dass das zweite Stromprofil 64 keine Haltephase 62 aufweist, in der ein Strom aus der Fahrzeugbatterie als zweitem Ladungsspeicher ohne Beiträge des ersten Ladungsspeichers geliefert wird. Stattdessen weist das zweite Stromprofil 64 eine längere Boosterphase 66 auf, wobei die Verlängerung durch eine Aneinanderreihung einzelner Boosterphasen 60.1, 60.2, 60.3 erzeugt wird. Bei der Ausgestaltung 64 eines zweiten Stromprofils sind vier Lade- und Entladephasen des Boosterkondensators 36 aneinander gereiht worden. Dabei erfolgt die Aneinanderreihung so, dass der Boosterschalter 42 beim Erreichen einer oberen Stromstärke I_o geöffnet und beim Erreichen einer unteren Stromstärke I_u oder nach Verstreichen einer Pausezeit 61.1, 61.2, 61.3, die bei einem Öffnen des Boosterschalters 42 beginnt, geschlossen wird. Dabei ist der Wert der unteren Stromstärke I_u und/oder der Pausezeit 61.1, 61.2, 61.3 so vorbestimmt, dass die dabei erzeugte Magnetkraft zum Offenhalten des Einspritzventils 14 ausreicht.
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Der Low-Side-Schalter 40 wird synchron mit dem Boosterschalter 42 geöffnet und geschlossen. Bei geöffnetem Boosterschalter 42 und geöffnetem Low-Side-Schalter 40 wird der Boosterkondensator als erster Ladungsspeicher 36 über die Diode 46 geladen, wobei die elektrische Energie aus dem zusammenbrechenden Magnetfeld der Einspritzventil-Induktivität 14 stammt. Zur Ergänzung ohmscher Verluste kann der Boosterkondensator 36 zeitlich parallel durch die Ladeschaltung 48 geladen werden. Im Vergleich mit dem ersten Stromprofil 58 aus der 3 zeichnet sich das Stromprofil 64 der 4 durch das Fehlen einer Haltephase aus, in der der Strom I von der Spannung der Fahrzeugbatterie als zweitem Ladungsspeicher 28 abhängig ist. Stattdessen ist das zweite Stromprofil 64 der 4 von der Bordnetzspannung und der Spannung der Fahrzeugbatterie 28 unabhängig.
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Falls die längere Boosterphase 66 des zweiten Stromprofils 64 nicht ausreicht, um die erforderliche Kraftstoffmenge abzusetzen, können mehrere zweite Stromprofile 64, 68, ... und damit mehrere Einspritzungen für eine Brennraumfüllung gesteuert werden, bis die erforderliche Kraftstoffmenge erreicht ist. Da der Strom in der Boosterphase 66 unabhängig von der Batteriespannung ist, kommt die unerwünschte Abmagerung der Brennraumfüllung beim Heißstart nicht vor. Im Normalbetrieb bei laufendem Motor ist der Einsatz von mehrfachen Boostpulsen der Boosterphasen 60.1, 60.2, ... für einzelnen Einspritzungen dadurch beschränkt, dass die zur Nachladung des Boosterkondensators 36 erforderliche Zeit bei höheren Drehzahlen nicht mehr zur Verfügung steht, weil der Abstand der Einspritzungen für verschiedene Brennraumfüllungen mit steigender Drehzahl abnimmt. Aufgrund der geringen Drehzahlen beim Start spielt diese Begrenzung bei der Erfindung jedoch keine Rolle.
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Nach dem Ende des Starts, das vom Steuergerät 18 zum Beispiel durch Auswerten des Drehzahlsignals n erkannt wird, wenn n einen Schwellenwert überschreitet, wird von dem zweiten Stromprofil 64 wieder auf das bekannte erste Stromprofil 58 umgesteuert. Dieser Schwellenwert wird auch als Startende-Drehzahl bezeichnet und liegt bei einigen hundert min-1. Entsprechend kann alternativ oder ergänzend die Batteriespannung oder Bordnetzspannung ausgewertet werden und beim Ansteigen der Batteriespannung oder Bordnetzspannung nach dem Ausschalten des Anlassers/Starters 26 vom zweiten Stromprofil 64 auf das erste Stromprofil 58 umgesteuert werden. Weiter alternativ oder ergänzend kann die Umsteuerung vom zweiten Stromprofil 64 auf das erste Stromprofil 58 dann erfolgen, wenn der Einspritzdruck p beim Start einer Druckschwellenwert unterschreitet, nachdem er durch die ersten Einspritzungen verringert worden ist.