[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Erkennen
eines Endes einer Bewegung eines Ventilkolbens in einem Ventil, insbesondere in einem
magnetisch bistabilen Solenoid-Ventil für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug.
[0002] An Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, werden hohe Anforderungen
gestellt. Die Schadstoffemissionen unterliegen gesetzlichen Bestimmungen und der Kunde
verlangt nach einem geringen Kraftstoffverbrauch und einem sicheren und zuverlässigen
Betrieb. Durch direktes Einspritzen des Kraftstoffs in die jeweilige Verbrennungskammer
der Brennkraftmaschine mit hohem Druck, z.B. mit über 2000 Bar bei Dieselkraftstoff
oder über 100 Bar bei Benzin, sowie gegebenenfalls durch Zuführen des Kraftstoffs
in mehreren Teileinspritzungen je Einspritzvorgang kann die Gemischaufbereitung verbessert
werden und so der Kraftstoffverbrauch und die Entstehung von Schadstoffemissionen
verringert werden. Die Anforderungen an die Präzision und Dynamik der Einspritzventile
sind daher hoch. Gefordert sind beispielsweise Ventilschaltzeiten von z.B. etwa 100
bis 500 Mikrosekunden, so dass bei dem hohen Kraftstoffdruck geringe Kraftstoffmengen,
z.B. wenige Mikrogramm, präzise eingespritzt werden können. Für Diesel-Pkw-Motoren
weisen die Einspritzventile dazu einen Piezoaktor zum Betätigen des Ventils auf. Jedoch
sind Einspritzventile mit Piezoaktor teuer. Einspritzventile, die einen Magnetaktor
aufweisen, erreichen jedoch die geforderten Ventilschaltzeiten nicht.
[0003] Für großvolumige und langsam laufende Diesel-Lkw-Motoren, beispielsweise ein Sechs-Zylinder-Motor
mit neun Litern Hubraum und einer Betriebsdrehzahl von maximal 1.800 Umdrehungen pro
Minute, sind die Anforderung an die Ventilschaltzeiten geringer. Um eine vorgegebene
Kraftstoffmenge präzise zumessen zu können, müssen eine Zeitdauer, während der das
Ventil geöffnet ist, und die Ventilschaltzeit möglichst präzise bekannt sein.
[0004] Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren
zum Erkennen eines Endes einer Bewegung eines Ventilkolbens in einem Ventil zu schaffen,
die bzw. das zuverlässig ist.
[0005] Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0006] Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren
zum Erkennen jeweils eines Endes einer Bewegung eines Ventilkolbens in mindestens
einem Ventil. Die Vorrichtung ist mit dem mindestens einen Ventil koppelbar. Die Vorrichtung
ist ausgebildet zum Erfassen einer ersten Größe, die repräsentativ ist für eine Induktionsspannung,
die durch die Bewegung des Ventilkolbens in einer Spule des Ventils induziert wird.
Die Vorrichtung ist ferner ausgebildet zum Ermitteln einer zweiten Größe, die repräsentativ
ist für eine erste Ableitung der ersten Größe nach der Zeit. Ferner ist die Vorrichtung
ausgebildet zum Erkennen des Endes der Bewegung des Ventilkolbens in dem Ventil, wenn
die erste Größe größer ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert und die zweite
Größe unter einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert fällt.
[0007] Durch das Berücksichtigen sowohl der ersten Größe als auch der zweiten Größe kann
das Erkennen besonders zuverlässig sein. Ist die erste Größe größer als der vorgegebene
erste Schwellenwert, dann kann dadurch sichergestellt werden, dass die Induktionsspannung
hinreichend groß ist und dass die Induktionsspannung insbesondere größer ist als ein
gegebenenfalls vorhandenes Rauschen oder gegebenenfalls vorhandene andere Störsignale.
Durch das Ende der Bewegung des Ventilkolbens weist die Induktionsspannung einen charakteristischen
Verlauf auf, insbesondere einen Knick, nach dem die Induktionsspannung gegenüber ihrem
vorherigen Verlauf schneller absinkt. Fällt die zweite Größe unter den vorgegebenen
zweiten Schwellenwert, kann dieser charakteristische Verlauf der Induktionsspannung
bei dem Ende der Bewegung des Ventilkolbens zuverlässig erkannt werden. Beispielsweise
ist die Vorrichtung ausgebildet zum Erzeugen eines Signals, um das Erkennen des Endes
des Ventilkolbens in dem Ventil zu signalisieren.
[0008] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der vorgegebene erste Schwellenwert
und/oder der vorgegebene zweite Schwellenwert abhängig von der ersten Größe vorgegeben.
Dies hat den Vorteil, dass das Erkennen des Endes der Bewegung des Ventilkolbens bei
unterschiedlich großer Induktionsspannung zuverlässig möglich ist. Die Induktionsspannung
ist z.B. unterschiedlich groß bei unterschiedlichen Ventilen oder bei unterschiedlichem
Verschleißzustand des mindestens einen Ventils.
[0009] In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der vorgegebene erste Schwellenwert
bzw. der vorgegebene zweite Schwellenwert nur dann abhängig von der ersten Größe vorgegeben
wird, wenn die erste Größe größer ist als ein vorgegebener dritter Schwellenwert.
Der vorgegebene dritte Schwellenwert ist vorzugsweise so groß, dass dieser nicht durch
das Rauschen oder andere Störsignale der ersten Größe überschritten wird. Ferner ist
der vorgegebene dritte Schwellenwert vorzugsweise so klein, dass auch bei einer geringen
Induktionsspannung das Ende der Bewegung des Ventilkolbens zuverlässig erkannt werden
kann. Das Erkennen des Endes der Bewegung des Ventilkolbens kann so robust gegenüber
Rauschen und anderen Störsignalen und gegenüber unterschiedlich großen Induktionsspannungen
sein.
[0010] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung
einen ersten Impedanzwandler, dessen eingangsseitige Impedanz größer ist als dessen
ausgangsseitige Impedanz und dem eingangsseitig die Induktionsspannung zuführbar ist.
Ferner umfasst die Vorrichtung einen zweiten Impedanzwandler, dessen eingangsseitige
Impedanz kleiner ist als dessen ausgangsseitige Impedanz und der ausgangsseitig über
eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator mit einem Ausgang
des ersten Impedanzwandlers gekoppelt ist. Die erste Größe ist ausgangsseitig des
ersten Impedanzwandlers erfassbar. Ferner ist die zweite Größe ausgangsseitig des
zweiten Impedanzwandlers ermittelbar. Der Vorteil ist, dass eine solche Vorrichtung
sehr einfach und preisgünstig sein kann. Der erste und der zweite Impedanzwandler
können beispielsweise durch jeweils mindestens einen Transistor gebildet sein. Ferner
kann eine solche Vorrichtung sehr einfach als eine integrierte Schaltung besonders
preisgünstig ausgebildet werden.
[0011] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eingangsseitig ein
Tiefpassfilter vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass Rauschen und hochfrequente Störungen
vermindert werden können und dadurch das Erkennen des Endes der Bewegung des Ventilkolbens
besonders zuverlässig erfolgen kann.
[0012] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung
einen Spannungsteiler auf, der elektrisch zwischen einem Versorgungspotenzial und
einem Massepotenzial angeordnet ist und der als eine Reihenschaltung von mindestens
drei Widerständen ausgebildet ist und an dem jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden
Widerständen der vorgegebene erste Schwellenwert und der vorgegebene zweite Schwellenwert
abgreifbar sind. Der Vorteil ist, dass der vorgegebene erste Schwellenwert und der
vorgegebene zweite Schwellenwert durch einen solchen mehrstufigen Spannungsteiler
sehr einfach und präzise vorgegeben werden können und dazu nur wenige Bauelemente
erforderlich sind.
[0013] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung
ausgangsseitig einen ersten und einen zweiten Komparator, die jeweils einen Open-Collector-Ausgang
aufweisen. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, dass dem ersten Komparator an seinem
positiven Eingang die erste Größe und an seinem negativen Eingang der vorgegebene
erste Schwellenwert zugeführt wird. Dem zweiten Komparator wird an seinem negativen
Eingang die zweite Größe und an seinem positiven Eingang der vorgegebene zweite Schwellenwert
zugeführt. Der Open-Collector-Ausgang des ersten Komparators und der Open-Collector-Ausgang
des zweiten Komparators sind miteinander verbunden und bilden einen Ausgang der Vorrichtung.
Der Vorteil ist, dass nur wenige Bauelemente erforderlich sind und die Vorrichtung
so sehr einfach ist.
[0014] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung
eingangsseitig eine Schutzschaltung auf, die mindestens eine Diode und einen Widerstand
umfasst und die so ausgebildet ist, dass bei einem eingangsseitigen Überschreiten
einer Versorgungsspannung die Diode leitend wird und ein Stromfluss durch die Diode
durch den Widerstand begrenzt ist. Die Vorrichtung ist dadurch robust und einfach
und schützt die Vorrichtung zuverlässig vor einer eingangsseitigen Überspannung.
[0015] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
erläutert.
[0016] Es zeigen:
Figur 1 ein Ventil,
Figur 2 eine Schaltungsanordnung für ein Ansteuern des Ventils,
Figur 3 ein erstes Diagramm,
Figur 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen eines Endes einer Bewegung
eines Ventilkolbens in dem Ventil,
Figur 5 ein zweites Diagramm,
Figur 6 ein drittes Diagramm,
Figur 7 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung und
Figur 8 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung.
[0017] Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
[0018] Ein Ventil, z.B. ein Steuerventil für ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug, umfasst ein Ventilgehäuse 1, das eine Ausnehmung aufweist,
in der ein Ventilkolben 2 axial beweglich angeordnet ist (Figur 1). Das Ventil weist
einen Einlass 3 und zwei Auslässe 4 auf, die in dem Ventilgehäuse 1 ausgebildet sind.
Ferner sind in dem Ventilgehäuse 1 Abflüsse 5 ausgebildet. Der Einlass 3 ist beispielsweise
mit einem nicht dargestellten Fluidreservoir koppelbar, aus dem dem Ventil ein Fluid,
z.B. Hydrauliköl oder Motoröl, zugeführt werden kann. Die Auslässe 4 münden beispielsweise
in einen nicht dargestellten Steuerraum, an den z.B. ein Hydraulikstempel angrenzt,
der abhängig von einem Fluiddruck in dem Steuerraum bewegbar ist zum Öffnen und Schließen
des Einspritzventils.
[0019] Abhängig von einer axialen Position des Ventilkolbens 2 in der Ausnehmung des Ventilgehäuses
1 ist entweder der Einlass 3 hydraulisch über Nuten 8, die in dem Ventilkolben 2 und
dem Ventilgehäuse 1 ausgebildet sind, mit den Auslässen 4 gekoppelt oder sind die
Auslässe 4 mit den Abflüssen 5 gekoppelt. Durch die Abflüsse 5 kann das Fluid aus
dem Steuerraum abfließen.
[0020] Das Ventil weist eine erste Kappe 6 und eine zweite Kappe 7 auf, die jeweils an einem
axialen Ende des Ventils angeordnet sind. Die erste Kappe 6 und die zweite Kappe 7
begrenzen einen Hub des Ventilkolbens 2 in dem Ventilgehäuse 1. Angrenzend an die
erste Kappe 6 ist eine erste Spule L1 und angrenzend an die zweite Kappe 7 ist eine
zweite Spule L2 angeordnet. Durch ein geeignetes Bestromen der ersten Spule L1 bzw.
der zweiten Spule L2 kann ein Magnetfeld so aufgebaut werden, dass der Ventilkolben
2 durch dieses angezogen wird und gegen die durch die erste Kappe 6 bzw. die zweite
Kappe 7 gebildete Hubbegrenzung bewegt wird. Vorzugsweise sind die erste Kappe 6 und
die zweite Kappe 7 so ausgebildet, dass auch nach einem Beenden des Bestromens der
ersten Spule L1 bzw. der zweiten Spule L2 durch ein entsprechendes Magnetisieren der
ersten Kappe 6 bzw. der zweiten Kappe 7 ein Remanenzmagnetfeld erhalten bleibt. Der
Ventilkolben 2 kann so seine aktuelle Position an der ersten Kappe 6 bzw. der zweiten
Kappe 7 beibehalten, bis der Ventilkolben 2 durch das Bestromen der jeweils gegenüberliegenden
Spule zu der dieser zugeordneten Kappe gezogen wird. Das Ventil bildet somit ein magnetisch
bistabiles Solenoid-Ventil. Das Ventil kann jedoch auch anders ausgebildet sein.
[0021] Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die ausgebildet ist zum Ansteuern des Ventils.
Die Schaltungsanordnung weist eine Steuereinrichtung 9 auf, die beispielsweise ein
pulsweitenmoduliertes Steuersignal erzeugt, das einem ersten Schalter SW1 zugeführt
wird. Der erste Schalter SW1 ist elektrisch zwischen einem positiven Potenzial einer
Batteriespannung UBAT und einem ersten Anschluss der ersten Spule L1 angeordnet. Die
Batteriespannung UBAT beträgt beispielsweise etwa 24 Volt. Ferner ist der erste Schalter
SW1 und der erste Anschluss der ersten Spule L1 über eine in Sperrrichtung angeordnete
erste Diode D1 mit einem negativen Potenzial der Batteriespannung UBAT gekoppelt,
das als ein Massepotenzial GND bezeichnet ist.
[0022] Ein zweiter Anschluss der ersten Spule L1 ist über einen zweiten Schalter SW2 mit
dem Massepotenzial GND gekoppelt. Der zweite Schalter SW2 ist vorgesehen für ein Auswählen
des Ventils, wenn weitere Ventile durch die Steuereinrichtung 9 angesteuert werden
können. Ferner ist der zweite Anschluss der ersten Spule L1 über eine in Sperrrichtung
geschaltete zweite Diode D2 mit dem positiven Potenzial der Batteriespannung UBAT
gekoppelt. Der erste Schalter SW1, der zweite Schalter SW2, die erste Diode D1 und
die zweite Diode D2 sind entsprechend für die zweite Spule L2 vorgesehen. Die Steuereinrichtung
9 ist vorzugsweise ausgebildet, das pulsweitenmodulierte Steuersignal entsprechend
auch für die zweite Spule L2 zu erzeugen.
[0023] Die erste Spule L1 und die zweite Spule L2 werden vorzugsweise so abwechselnd bestromt,
dass der Ventilkolben 2 in die jeweils andere axiale Position an der ersten Kappe
6 bzw. der zweiten Kappe 7 bewegt wird. Vorzugsweise wird die jeweils unbestromte
Spule genutzt, um die Bewegung des Ventilkolbens 2 in dem Ventilgehäuse 1 zu erfassen.
Dadurch, dass die erste Kappe 6 und die zweite Kappe 7 oder auch das Ventilgehäuse
1 oder der Ventilkolben 2 magnetisiert sind, kann durch das Bewegen des Ventilkolbens
2 durch das vorherrschende Magnetfeld eine Induktionsspannung in der ersten Spule
L1 und in der zweiten Spule L2 induziert werden. Diese Induktionsspannung ist in der
jeweils unbestromten Spule besonders einfach erfassbar.
[0024] Figur 3 zeigt ein erstes Diagramm, in dem ein Verlauf eines elektrischen Stroms I
durch die erste Spule L1 bzw. die zweite Spule L2 bei dem Bestromen dargestellt ist.
Das Bestromen der jeweiligen Spule beginnt zu einem Startzeitpunkt t0 durch das Einschalten
des der jeweiligen Spule zugeordneten ersten Schalters SW1 und zweiten Schalters SW2.
Der elektrische Strom I steigt an, bis ein vorgegebener Strom erreicht ist. Dann wird
der Strom I durch abwechselndes Ein- und Ausschalten des ersten Schalters SW1 in einem
vorgegebenen Bereich gehalten. Mit einem Beginn der Bewegung des Ventilkolbens durch
das vorherrschende Magnetfeld wird in der jeweils unbestromten Spule die Induktionsspannung
induziert. Diese kann in Form einer ersten Größe UIND erfasst werden, die repräsentativ
ist für diese Induktionsspannung. Schlägt der Ventilkolben 2 zu einem ersten Zeitpunkt
t1 gegen die durch die erste Kappe 6 bzw. die zweite Kappe 7 gebildete Hubbegrenzung,
dann zeigt die erste Größe UIND einen charakteristischen Verlauf in Form eines Knicks
B. Der Knick B wird verursacht durch das Ende der Bewegung des Ventilkolbens. Da die
Induktionsspannung nach dem ersten Zeitpunkt t1 nicht weiter induziert wird, fällt
die erste Größe UIND nach dem Zeitpunkt t1 schneller als vor dem ersten Zeitpunkt
t1. Das Ende der Bewegung des Ventilkolbens kann somit durch ein Erkennen des Knicks
B in dem Verlauf der ersten Größe UIND erkannt werden.
[0025] Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen des Endes der Bewegung
des Ventilkolbens in dem Ventil. Die Vorrichtung weist einen Eingang IN auf, über
den der Vorrichtung die Induktionsspannung oder die erste Größe UIND zuführbar ist.
Eine Schutzschaltung 10 ist eingangsseitig der Vorrichtung vorgesehen, um die Vorrichtung
vor einer zu großen Eingangsspannung an dem Eingang IN zu schützen und so ein Beschädigen
der Vorrichtung zu verhindern. Die Schutzschaltung 10 ist gekoppelt mit einem Puffer
11, der beispielsweise als ein erster Impedanzwandler ausgebildet ist. Die Vorrichtung
kann so beispielsweise hochohmig mit der ersten Spule L1 bzw. der zweiten Spule L2
oder weiteren Spulen in gegebenenfalls vorgesehenen weiteren Ventilen gekoppelt sein.
Ausgangsseitig des Puffers 11 kann die erste Größe UIND abgegriffen werden.
[0026] Der Puffer 11 ist mit einem Differenzierer 12 gekoppelt, der eine erste Ableitung
der ersten Größe UIND nach der Zeit bildet und ausgangsseitig eine zweite Größe UDERIV
bereitstellt, die repräsentativ ist für die erste Ableitung der ersten Größe UIND
nach der Zeit. Ferner ist in der Vorrichtung ein Referenzerzeuger 13 vorgesehen, der
einen vorgegebenen ersten Schwellenwert THR1 und einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert
THR2 erzeugt und vorgibt.
[0027] Ein erster Vergleicher 14 ist vorgesehen zum Vergleichen der ersten Größe UIND mit
dem vorgegebenen ersten Schwellenwert THR1. Ein zweiter Vergleicher 15 ist vorgesehen
zum Vergleichen der zweiten Größe UDERIV mit dem vorgegebenen zweiten Schwellenwert
THR2. Ausgangsseitig sind der erste Vergleicher 14 und der zweite Vergleicher 15 über
ein Und-Glied 16 logisch miteinander verknüpft. Ein Ausgang OUT der Vorrichtung ist
gebildet durch einen Ausgang des Und-Glieds 16. An dem Ausgang OUT wird das Erkennen
des Endes der Bewegung des Ventilkolbens signalisiert, wenn die erste Größe UIND größer
ist als der vorgegebene erste Schwellenwert THR1 und die zweite Größe UDERIV unter
den vorgegebenen zweiten Schwellenwert THR2 fällt (Figur 5). Das Signalisieren an
dem Ausgang OUT erfolgt beispielsweise durch einen Ausgangspuls P einer Ausgangsspannung
UOUT.
[0028] Der Ausgangspuls P kann beispielsweise einer nicht dargestellten Steuereinheit zugeführt
werden, die ausgebildet ist, das Ventil abhängig von dem zweiten Zeitpunkt t2, der
durch den Ausgangspuls P markiert ist, so anzusteuern, dass z.B. eine vorgegebene
Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Es kann jedoch ebenso ein dem Blockschaltbild entsprechendes
Verfahren vorgesehen sein, z.B. in Form eines Programms, das durch die Steuereinheit
ausgeführt wird.
[0029] Figur 5 zeigt einen Verlauf der zweiten Größe UDERIV, des vorgegebenen zweiten Schwellenwerts
THR2 und der Ausgangsspannung UOUT. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 fällt die zweite
Größe UDERIV unter den vorgegebenen zweiten Schwellenwert THR2 und löst den Ausgangspuls
P in der Ausgangsspannung UOUT aus, wenn gleichzeitig die erste Größe UIND größer
ist als der vorgegebene erste Schwellenwert THR1 (Figur 3).
[0030] Abhängig von dem vorgegebenen zweiten Schwellenwert THR2 ist der Ausgangspuls P,
der zu dem zweiten Zeitpunkt t2 auftritt, verzögert gegenüber dem Auftreten des Knicks
B zu dem ersten Zeitpunkt t1 (Figur 6). Die Vorrichtung kann jedoch so ausgebildet
sein, dass diese Verzögerung weitgehend konstant ist und so der erste Zeitpunkt t1,
also das Ende der Bewegung des Ventilkörpers in dem Ventil, zuverlässig ermittelt
werden kann.
[0031] In Figur 7 ist eine erste Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung
ist ausgebildet zum Erkennen des jeweiligen Endes der Bewegung des Ventilkolbens in
sechs Ventilen, die in zwei Bänken zu je drei Ventilen elektrisch miteinander gekoppelt
sind. Die Ventile werden vorzugsweise sequentiell und ohne Überlappung bzgl. ihrer
Ansteuerung angesteuert. Eine solche Vorrichtung ist vorzugsweise jeweils für die
erste Spule L1 und für die zweite Spule L2 vorgesehen. Werden die Ventile überlappend
angesteuert, dann sind gegebenenfalls weitere Vorrichtungen vorzusehen. Die der zweiten
Ventilbank zugeordneten Elemente der Vorrichtung weisen Bezugszeichen mit einem zusätzlichen
Strich auf und entsprechen jeweils den der ersten Ventilbank zugeordneten Elementen.
Die Vorrichtung ist nachfolgend erläutert mit Bezug auf die erste Spule L1 gemäß Figur
2.
[0032] Der Eingang IN der Vorrichtung ist elektrisch mit der zweiten Diode D2 und dem zweiten
Schalter SW2 gekoppelt. Der Eingang IN ist ferner über einen ersten Widerstand R1
und eine in Sperrrichtung angeordneten dritten Diode D3 mit einem Versorgungspotenzial
USUP gekoppelt, das beispielsweise etwa 5 Volt gegenüber dem Massepotenzial GND beträgt.
Der erste Widerstand R1 und die dritte Diode D3 sind elektrisch mit einem Knoten K1
gekoppelt, der wiederum mit einem Basisanschluss eines ersten Transistors T1 und über
einen ersten Kondensator C1 mit dem Massepotenzial GND gekoppelt ist. Der Eingang
IN ist ferner über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Massepotenzial GND gekoppelt.
Die erste Spule L1 entlädt sich über den zweiten Widerstand R2. Der exponentielle
Spannungsabfall nach dem ersten Zeitpunkt t1 wird durch den zweiten Widerstand R2
beeinflusst. Der erste Widerstand R1 weist beispielsweise einen Widerstandswert von
etwa 10 Kiloohm auf, der zweite Widerstand R2 weist beispielsweise einen Widerstandswert
von etwa 500 Ohm auf.
[0033] Der erste Widerstand R1 und die dritte Diode D3 bilden die Schutzschaltung 10. Ist
eine Spannung zwischen dem Eingang IN und dem Massepotenzial GND größer als die Summe
einer Spannung zwischen dem Versorgungspotenzial USUP und dem Massepotenzial GND und
einer Durchlassspannung der dritten Diode D3, dann wird die dritte Diode D3 leitend.
Ein Stromfluss durch die dritte Diode D3 wird dann durch den ersten Widerstand R1
begrenzt. Ferner bildet der erste Widerstand R1 mit den Widerständen R1' und R2' einen
Spannungsteiler, der die Spannung zwischen dem Knoten K1 und dem Massepotenzial GND
gegenüber der Spannung zwischen dem Eingang IN und dem Massepotenzial GND verringert.
Dadurch ist die Vorrichtung geschützt gegen Überspannungen an dem Eingang IN. Ferner
ist durch den ersten Widerspannung R1 und den ersten Kondensator C1 ein Tiefpassfilter
gebildet, der vorzugsweise so ausgebildet ist, dass Rauschen und andere Störsignale
an dem Knoten K1 weitgehend unterdrückt sind.
[0034] Der Puffer 11 ist durch den ersten Transistor T1 gebildet, der als Kollektorschaltung
beschaltet ist. Ein Kollektoranschluss des ersten Transistors T1 ist mit dem Massepotenzial
GND verbunden und ein Emitteranschluss des ersten Transistors T1 ist über einen dritten
Widerstand R3 mit dem Versorgungspotenzial USUP gekoppelt. Der Emitteranschluss des
ersten Transistors T1 bildet einen Knoten K2, an dem die erste Größe UIND niederohmig
bereitgestellt wird. Die Kollektorschaltung des ersten Transistors T1 weist eine eingangsseitige
Impedanz auf, die größer ist als deren ausgangsseitige Impedanz. Der erste Transistor
T1 bildet somit den ersten Impedanzwandler.
[0035] Der Differenzierer 12 ist gebildet durch einen zweiten Kondensator C2 und einen vierten
Widerstand R4, die eine Reihenschaltung bilden, und einen zweiten Transistor T2 sowie
einen fünften, sechsten, siebten und achten Widerstand R5, R6, R7, R8, die zur Arbeitspunkteinstellung
des zweiten Transistors T2 dienen. Der zweite Transistor T2 ist als Basisschaltung
beschaltet. Ein Emitteranschluss des zweiten Transistors T2 ist über den fünften Widerstand
R5 mit dem Versorgungspotenzial USUP gekoppelt und ein Kollektoranschluss des zweiten
Transistors T2 ist über den sechsten Widerstand R6 mit dem Massepotenzial GND gekoppelt.
Ferner ist ein Basisanschluss des zweiten Transistors T2 über den siebten Widerstand
R7 mit dem Versorgungspotenzial USUP gekoppelt und über den achten Widerstand R8 mit
dem Massepotenzial GND gekoppelt. Die Reihenschaltung aus dem zweiten Kondensator
C2 und dem vierten Widerstand R4 ist elektrisch zwischen dem zweiten Knoten K2 und
dem Emitteranschluss des zweiten Transistors T2 angeordnet. Der zweite Transistor
T2 bildet durch seine Basisschaltung einen zweiten Impedanzwandler, dessen eingangsseitige
Impedanz kleiner ist als dessen ausgangsseitige Impedanz.
[0036] Eine Eckfrequenz des Differenzierers 12 ist im Wesentlichen durch 1 / (2 * π * R4
* C2) gegeben und beträgt beispielsweise etwa 200 kHz. Eine Spannungsverstärkung des
zweiten Transistors T2 ist gegeben durch ein Verhältnis des sechsten Widerstands R6
und des vierten Widerstands R4.
[0037] An dem Kollektoranschluss des zweiten Transistors T2 kann die zweite Größe UDERIV
ermittelt werden. Dazu ist der Kollektoranschluss des zweiten Transistors T2 mit einem
Basisanschluss eines dritten Transistors T3 gekoppelt, der als Kollektorschaltung
beschaltet ist. Der dritte Transistor T3 bildet somit einen dritten Impedanzwandler,
dessen eingangsseitige Impedanz größer ist als dessen ausgangsseitige Impedanz. Ein
Kollektoranschluss des dritten Transistors T3 ist mit dem Massepotenzial GND gekoppelt
und ein Emitteranschluss des dritten Transistors T3 ist über einen neunten Widerstand
R9 mit dem Versorgungspotenzial USUP gekoppelt.
[0038] Elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial USUP und dem Massepotenzial GND ist
ein mehrstufiger Spannungsteiler angeordnet, der den Referenzerzeuger 13 bildet und
der aus einer Reihenschaltung eines zehnten, elften, zwölften und dreizehnten Widerstands
R10, R11, R12, R13 gebildet ist. Der zehnte Widerstand R10 ist elektrisch zwischen
dem Versorgungspotenzial USUP und einem Knoten K3 angeordnet. Der Knoten K3 ist über
einen dritten Kondensator C3 mit dem Emitteranschluss des dritten Transistors T3 gekoppelt.
Der elfte Widerstand R11 ist zwischen dem dritten Knoten K3 und einem vierten Knoten
K4 angeordnet und der zwölfte Widerstand R12 ist zwischen dem vierten Knoten K4 und
einem fünften Knoten K5 angeordnet. Der dreizehnte Widerstand R13 ist zwischen dem
fünften Knoten K5 und dem Massepotenzial GND angeordnet. An dem Knoten K3 kann die
zweite Größe UDERIV abgegriffen werden. Der Knoten K4 ist über einen vierten Kondensator
C4 mit dem Massepotenzial GND gekoppelt. Entsprechend ist der fünfte Knoten K5 über
einen fünften Kondensator C5 mit dem Massepotenzial GND gekoppelt.
[0039] An dem fünften Knoten K5, also über dem dreizehnten Widerstand R13 bzw. dem fünften
Kondensator C5, wird die vorgegebene erste Schwellenspannung THR1 abgegriffen. Die
vorgegebene erste Schwellenspannung THR1 weist vorzugsweise etwa einen Wert auf, der
halb so groß ist, wie ein zu erwartender maximaler Betrag der ersten Größe UIND. Entspricht
der maximale Betrag beispielsweise dem Versorgungspotenzial USUP von 5 Volt, dann
beträgt die vorgegebene erste Schwellenspannung THR1 bevorzugt etwa 2,5 Volt. Die
vorgegebene zweite Schwellenspannung THR2 wird zwischen dem dritten Knoten K3 und
dem vierten Knoten K4, also über dem elften Widerstand R11, abgegriffen. Der vorgegebene
erste Schwellenwert THR1 und der vorgegebene zweite Schwellenwert THR2 sind somit
abhängig von einer Dimensionierung des Spannungsteilers vorgegeben.
[0040] Die Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Komparator COMP1 und einen zweiten Komparator
COMP2. Der erste Komparator COMP1 ist eingangsseitig mit seinem positiven Eingang
mit dem zweiten Knoten K2 gekoppelt und mit seinem negativen Eingang mit dem fünften
Knoten K5 gekoppelt. Der erste Komparator COMP1 bildet somit den ersten Vergleicher
14, der die erste Größe UIND mit dem vorgegebenen ersten Schwellenwert THR1 vergleicht.
Entsprechend ist der zweite Komparator COMP2 mit seinem negativen Eingang mit dem
dritten Knoten K3 und mit seinem positiven Eingang mit dem vierten Knoten K4 gekoppelt.
Der zweite Komparator COMP2 bildet somit den zweiten Vergleicher 15, der die zweite
Größe UDERIV mit dem vorgegebenen zweiten Schwellenwert THR2 vergleicht.
[0041] Vorzugsweise weisen der erste Komparator COMP1 und der zweite Komparator COMP2 jeweils
einen Open-Collector-Ausgang auf. Dadurch kann das Und-Glied 16 sehr einfach durch
Verbinden der jeweiligen Ausgänge des ersten Komparators COMP1 und des zweiten Komparators
COMP2 realisiert werden. Die verknüpften Open-Collector-Ausgänge des ersten Komparators
COMP1 und des zweiten Komparators COMP2 bilden so den Ausgang OUT der Vorrichtung.
Der Ausgang OUT ist über einen vierzehnten Widerstand R14 mit dem Versorgungspotenzial
USUP gekoppelt.
[0042] Tritt der Knick B in dem Verlauf der ersten Größe UIND auf, dann fällt das Potenzial
an dem dritten Knoten K3. Da das Potenzial an dem vierten Knoten K4 durch die Ladung
auf dem vierten Kondensator C4 gestützt ist, kann das Potenzial an dem dritten Knoten
K3 für eine kurze Zeitdauer, z.B. für wenige zehn Mikrosekunden, unterhalb des Potenzials
des vierten Knotens K4 fallen und somit ausgangsseitig des zweiten Komparators COMP2
einen positiven Impuls etwa für die Zeitdauer des Unterschreitens hervorrufen. Ist
gleichzeitig das Potenzial an dem zweiten Knoten K2 größer als das an dem fünften
Knoten K5, dann wird an dem Ausgang OUT der Ausgangspuls P erzeugt.
[0043] Der Spannungsteiler aus dem zehnten, elften, zwölften und dreizehnten Widerstand
R10, R11, R12, R14 kann auch aus nur drei Widerständen gebildet sein, wenn die zweite
Größe UDERIV anstatt an dem dritten Knoten K3 an dem Emitteranschluss des dritten
Transistors T3 abgegriffen wird und der zehnte und der elfte Widerstand R10, R11 zu
einem Widerstand zusammengefasst werden. Auf den vierten und den fünften Kondensator
C4, C5 kann dann verzichtet werden.
[0044] Figur 8 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, die der ersten Ausführungsform
in Figur 7 entspricht. Jedoch ist der zehnte Widerstand R10 unterteilt in einen ersten
Unterwiderstand R10a und einen zweiten Unterwiderstand R10b. Ein sechster Knoten K6
ist elektrisch zwischen dem ersten Unterwiderstand R10a und dem zweiten Unterwidertand
R10b ausgebildet. Ferner ist eine vierte Diode D4 mit ihrem Katodenanschluss mit dem
sechsten Knoten K6 gekoppelt und mit ihrem Anodenanschluss mit dem zweiten Knoten
K2 gekoppelt. Dadurch ist ein Potenzial an dem sechsten Knoten K6 und auch an dem
dritten Knoten K3 und dem vierten Knoten K4 abhängig von dem Potenzial an dem zweiten
Knoten K2, wenn die erste Größe UIND, also das Potenzial an dem zweiten Knoten K2,
größer ist als ein vorgegebener dritter Schwellenwert. Der vorgegebene dritte Schwellenwert
ist durch ein entsprechendes Dimensionieren des ersten Unterwiderstands R10a sowie
des zweiten Unterwiderstands R10b, des elften Widerstands R11, des zwölften Widerstands
R12 und des dreizehnten Widerstands R13 vorgegeben. Vorzugsweise ist der dritte Schwellenwert
so vorgegeben, dass dieser größer ist als gegebenenfalls in der ersten Größe UIND
vorhandenes Rauschen oder vorhandene andere Störsignale, jedoch so klein ist, dass
der Knick B in dem Verlauf der ersten Größe UIND auch dann zuverlässig erkannt werden
kann, wenn die erste Größe UIND nur einen geringen Betrag aufweist. Der Vorteil ist,
dass durch ein Verändern des Potenzials an dem vierten Knoten K4 abhängig von dem
Potenzial an dem zweiten Knoten K2 der vorgegebene zweite Schwellenwert abhängig von
der ersten Größe UIND angepasst wird, da zu erwarten ist, dass die zweite Größe UDERIV
bei dem Auftreten des Knicks B abhängig von dem Betrag der ersten Größe UIND mehr
oder weniger weit abfällt. Dadurch kann der Knick B weitgehend unabhängig von dem
Betrag der ersten Größe UIND zuverlässig erkannt werden. Ferner kann bei geeigneter
Dimensionierung die Verzögerung zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 des Auftretens des
Knicks B und dem Ausgangspuls P zu dem zweiten Zeitpunkt t2 weitgehend konstant sein.
Das Ende der Bewegung des Ventilkolbens 2 kann so besonders präzise ermittelt werden.
Der vorgegebene dritte Schwellenwert beträgt beispielsweise etwa zwei bis drei Volt.
1. Vorrichtung zum Erkennen jeweils eines Endes einer Bewegung eines Ventilkolbens in
mindestens einem Ventil, wobei die Vorrichtung mit dem mindestens einen Ventil koppelbar
ist und ausgebildet ist
- zum Erfassen einer ersten Größe (UIND), die repräsentativ ist für eine Induktionsspannung,
die durch die Bewegung des Ventilkolbens in einer Spule des Ventils induziert wird,
- zum Ermitteln einer zweiten Größe (UDERIV), die repräsentativ ist für eine erste
Ableitung der ersten Größe (UIND) nach der Zeit, und
- zum Erkennen des Endes der Bewegung des Ventilkolbens in dem Ventil, wenn die erste
Größe (UIND) größer ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert (THR1) und die zweite
Größe (UDERIV) unter einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert (THR2) fällt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die so ausgebildet ist, dass der vorgegebene erste Schwellenwert
(THR1) und/oder der vorgegebene zweite Schwellenwert (THR2) abhängig von der ersten
Größe (UIND) vorgegeben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die so ausgebildet ist, dass der vorgegebene erste Schwellenwert
(THR1) bzw. der vorgegebene zweite Schwellenwert (THR2) nur dann abhängig von der
ersten Größe (UIND) vorgegeben wird, wenn die erste Größe (UIND) größer ist als ein
vorgegebener dritter Schwellenwert.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen ersten Impedanzwandler
umfasst, dessen eingangsseitige Impedanz größer ist als dessen ausgangsseitige Impedanz
und dem eingangsseitig die Induktionsspannung zuführbar ist, und einen zweiten Impedanzwandler
umfasst, dessen eingangsseitige Impedanz kleiner ist als dessen ausgangsseitige Impedanz
und der eingangsseitig über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator
mit einem Ausgang des ersten Impedanzwandlers gekoppelt ist, und die erste Größe (UIND)
ausgangsseitig des ersten Impedanzwandlers erfassbar ist und die zweite Größe (UDERIV)
ausgangsseitig des zweiten Impedanzwandlers ermittelbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eingangsseitig ein Tiefpassfilter
aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen Spannungsteiler aufweist,
der elektrisch zwischen einem Versorgungspotenzial (USUP) und einem Massepotenzial
(GND) angeordnet ist und der als eine Reihenschaltung von mindestens drei Widerständen
ausgebildet ist und an dem jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden Widerständen
der vorgegebene erste Schwellenwert (THR1) und der vorgegebene zweite Schwellenwert
(THR2) abgreifbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ausgangsseitig einen ersten
und einen zweiten Komparator (COMP1, COMP2) umfasst, die jeweils einen Open-Collector-Ausgang
aufweisen, und die so ausgebildet ist, dass dem ersten Komparator (COMP1) an seinem
positiven Eingang die erste Größe (UIND) und an seinem negativen Eingang der vorgegebene
erste Schwellenwert (THR1) zugeführt wird und dem zweiten Komparator (COMP2) an seinem
negativen Eingang die zweite Größe (UDERIV) und an seinem positiven Eingang der vorgegebene
zweite Schwellenwert (THR2) zugeführt wird und der Open-Collector-Ausgang des ersten
Komparators (COMP1) und der O-pen-Collector-Ausgang des zweiten Komparators (COMP2)
miteinander verbunden sind und einen Ausgang (OUT) der Vorrichtung bilden.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eingangsseitig eine Schutzschaltung
aufweist, die mindestens eine Diode und einen Widerstand umfasst und die so ausgebildet
ist, dass bei einem eingangsseitigen Überschreiten einer Versorgungsspannung die Diode
leitend wird und ein Stromfluss durch die Diode durch den Widerstand begrenzt ist.
9. Verfahren zum Erkennen eines Endes einer Bewegung einer Ventilnadel in einem Ventil,
bei dem
- eine erste Größe (UIND) erfasst wird, die repräsentativ ist für eine Induktionsspannung,
die durch die Bewegung der Ventilnadel in einer Spule des Ventils induziert wird,
- eine zweite Größe (UDERIV) ermittelt wird, die repräsentativ ist für eine erste
Ableitung der ersten Größe (UIND) nach der Zeit, und
- das Ende der Bewegung des Ventilkolbens in dem Ventil erkannt wird, wenn die erste
Größe (UIND) größer ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert (THR1) und die zweite
Größe (UDERIV) unter einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert (THR2) fällt.