Stand der Technik
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
eines Hydraulikventils, insbesondere eines Magnetventils oder eines Piezoventils zum
Zumessen einer in Brennräume einer Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
wobei das Ventil zum vollständigen Öffnen mit einem Betätigungsstrom oder einer Betätigungsspannung
beaufschlagt wird.
[0002] Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Hydraulikventil dient beispielsweise zum
Zumessen einer Kraftstoffmenge in die Brennräume einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine.
Das Hydraulikventil kann als ein Magnetventil oder als ein Ventil mit einem andersartigen,
beispielsweise einem piezoelektrischen, Aktor ausgebildet sein.
[0003] Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Steuerung eines
Hydraulikventils sind aus der DE-OS 196 46 052 bekannt. Dort wird eine Magnetspule
eines Magnetventils vor der eigentlichen Ansteuerung, die zur Einspritzung von Kraftstoff
führt, mit einem Vorbestromungswert beaufschlagt. Dieser Vorbestromungswert führt
zu einer Vormagnetisierung der Magnetspule des Magnetventils. Der Vorbestromungswert
ist so gewählt, dass er nicht ausreicht, das Magnetventil in eine geöffnete Stellung
zu bewegen. Beim tatsächlichen Ansteuerbeginn ist dann nur noch wenig zusätzliche
Energie, das heißt ein geringer Stromanstieg von dem Vorbestromungswert auf den Betätigungsstrom
und damit nur eine kurze Zeit notwendig, bis das Magnetventil beginnt sich zu öffnen.
Durch die Vorbestromung wird somit die Schaltzeit des Magnetventils stark verkürzt.
[0004] Ein weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung der eingangs genannten Art zur
Steuerung eines Hydrualikventils sind aus der DE 195 39 071 bekannt. Die dort beschriebene
Vorrichtung dient zur Ansteuerung eines Magnetventils, das zur Steuerung der Kraftstoffzumessung
in die Brennräume einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Mehrere Magnetventile
stehen jeweils über erste Schaltmittel mit einem ersten Anschluß einer Versorgungsspannung
und über gemeinsame zweite Schaltmittel mit dem zweiten Anschluß der Versorgungsspannung
in Verbindung. Desweiteren stehen die Magnetventile über weitere Schaltmittel mit
einem Boosterkondensator in Verbindung. Zur beschleunigten Betätigung der Magnetventile
wird die an dem Boosterkondensator anliegende Spannung an die Magnetventile angelegt.
Beim Öffnen der ersten Schaltmittel, das heißt insbesondere am Ende der Einspritzung
und/oder beim Übergang auf einen anderen Stromwert, wird die beim Abschalten freiwerdende
Energie in den Boosterkondensator umgeladen.
[0005] Durch die beschriebenen Maßnahmen der Vormagnetisierung der Magnetspule eines Magnetventils
und des Einsatzes eines Boosterkondensators zur Spannungsversorgung eines Magnetventils
werden die Schaltzeiten eines Magnetventils erheblich verkürzt. Solche schnellöffnenden
Hydraulikventile werden vorzugsweise bei direkteinspritzenden Benzin-Brennkraftmaschinen
eingesetzt. Bei diesen schnellöffnenden Hydraulikventilen wird der Ventilkörper beim
Öffnen des Ventils gewissermaßen aus dem Ventilsitz gerissen. Dabei tritt ein Vorstrahl
der einzuspritzenden Kraftstoffmenge ungehindert aus dem Hydraulikventil aus und gelangt
sehr weit in die Brennräume der Brennkraftmaschine (erhöhte Penetration des Vorstrahls).
Dadurch kann keine definierte Verteilung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen
erzeugt werden. Über die Lebensdauer eines Hydraulikventils kann es des weiteren zu
einem Klebeeffekt des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz kommen, so dass sich der Ventilkörper
beim Öffnen des Hydraulikventils zeitverzögert vom Ventilsitz abhebt. Dieser Klebeeffekt
führt über die Lebensdauer des Hydraulikventils zu einer Drift der einzuspritzenden
Kraftstoffmenge.
[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hydraulikventil derart
anzusteuern, dass die Penetration des Vorstrahls vermindert und eine Drift der einzuspritzenden
Kraftstoffmenge über die Lebensdauer des Hydraulikventils reduziert wird.
[0007] Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren zur Steuerung
eines Hydraulikventils der eingangs genannten Art vor, dass das Ventil zu Beginn einer
Öffnungsbewegung zunächst um einen Vorhub geöffnet und erst danach derart angesteuert
wird, dass es vollständig öffnet.
Vorteile der Erfindung
[0008] Erfindungsgemäß wird das Hydraulikventil also nicht abrupt vollständig geöffnet.
Vielmehr wird der Ventilkörper zunächst nur minimal um den Vorhub von dem Ventilsitz
angehoben. Dabei kann der in der Drallkammer des Hydraulikventils gespeicherte Kraftstoff
unter starken Wandreibungseinflüssen nur mit einem niedrigen Impuls austreten und
weist deshalb nur eine geringe Penetration des Vorstrahls auf.
[0009] Als weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zumeßbereich dadurch
erhöht, dass eine reduzierte Kraftstoffmenge bei um den Vorhub geöffnetem Hydraulikventil
durch diese hindurchfließt. Desweiteren kann davon ausgegangen werden, dass der Einfluß
von Glättungseffekten im Dichtsitzbereich des Hydraulikventils sich geringer auf die
Drift der einzuspritzenden Kraftstoffmenge über die Lebensdauer des Hydraulikventils
auswirkt.
[0010] Die Öffnung des Hydraulikventils um den Vorhub, d. h. die minimale Anhebung des Ventilkörpers
von dem Ventilsitz, läßt sich auf unterschiedliche Art und Weise realisieren. Zum
einen kann das Hydraulikventil entsprechend angesteuert werden, dass es nur um den
Vorhub öffnet. Alternativ kann auch der durch das Hydraulikventil fließende Volumenstrom
derart begrenzt werden, dass das Ventil nur um den Vorhub öffnet.
[0011] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zur Steuerung
eines Magnetventils vorgeschlagen, dass das Magnetventil durch einen von einem Vormagnetisierungsstrom
auf einen Vorbetätigungsstrom ansteigenden ansteigenden Ansteuerstrom vormagnetisiert
wird, wobei der Vormagnetisierungsstrom nicht ausreicht, das Magnetventil zu öffnen,
und der Vorbetätigungsstrom das Öffnen des Magnetventils um den Vorhub bewirkt. Gemäß
dieser Weiterbildung der Erfindung wird die Magnetspule des Magnetventils also nicht,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit einem konstanten Vormagnetisierungsstrom
vormagnetisiert. Vielmehr wird vorgschlagen, dass die Magnetspule von einem Ansteuerstrom
angesteuert wird, der ausgehend von dem Vormagnetisierungsstrom, der noch kein Öffnen
des Magnetventils bewirkt, auf den Vorbetätigungsstrom ansteigt, der das Öffnen des
Magnetventils um den Vorhub bewirkt.
[0012] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindug wird vorgeschlagen, dass der
Ansteuerstrom stufenförmig von dem Vormagnetisierungsstrom auf den Vorbetätigsstrom
ansteigt. Vorteilhafter weise steigt der Ansteuerstrom zweistufig von dem Vormagnetisierungsstrom
auf den Vorbetätigungsstrom an. Die erste Stufe des Ansteuerstroms entspricht somit
dem Vormagnetisierungsstrom, und die zweite Stufe des Ansteuerstroms entspricht dem
Vorbetätigungsstrom.
[0013] Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass der Ansteuerstrom rampenförmig von dem Vormagnetisierungsstrom auf den Vorbetätigungsstrom
ansteigt. Vorteilhafterweise steigt der Ansteuerstrom stetig von dem Vormagnetisierungsstrom
auf den Vorbetätigunggstrom an.
[0014] Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zur
Steuerung eines Ventils mit einem piezoelektrischen Aktor vorgeschlagen, dass das
Ventil durch eine Vorbetätigungsspannung vorangesteuert wird, die das Öffnen des Ventils
um den Vorhub bewirkt. Über einen entsprechenden Verlauf der Vorbetätigungsspannung
kann der piezoelektrische Aktor des Ventils derart angesteuert werden, dass das Ventil
zunächst um den Vorhub und erst danach vollständig öffnet.
[0015] Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
vorgeschlagen, dass der Volumenstrom, der durch das Ventil fließt, beim Öffnen des
Ventils um den Vorhub gedrosselt wird.
[0016] Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von
der Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils der eingangsgenannten Art vorgeschlagen,
dass die Vorrichtung Mittel zum Öffnen des Ventils um einen Vorhub zu Beginn der Öffnungsbewegung
des Ventils aufweist. Danach kann das Hydraulikventil dann durch Beaufschlagen des
Ventils-mit einem Betätigungsstrom oder einer Betätigungsspannung vollständig geöffnet
werden.
[0017] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass das Hydraulikventil als ein Magnetventil ausgebildet ist und die Mittel zum Öffnen
des Ventils um den Vorhub einen Ansteuerstrom, der von einem Vormagnetisierungsstrom
auf einen Vorbetätigungsstrom ansteigt, zum Vormagnetisieren des Magnetventils zur
Verfügung stellen, wobei der Vormagnetisierungsstrom nicht ausreicht, das Magnetventil
zu öffnen, und der Vorbetätigungsstrom das Öffnen des Magnetventils um den Vorhub
bewirkt.
[0018] Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass das Ventil einen piezoelektrischen Aktor aufweist und die Mittel zum Öffnen des
Ventils um den Vorhub eine Vorbetätigungsspannung zum Voransteuern des Ventils zur
Verfügung stellen, wobei die Vorbetätigungsspannung das Öffnen des Ventils um den
Vorhub bewirkt.
[0019] Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird
vorgeschlagen, dass die Mittel zum Öffnen des Ventils um den Vorhub den Volumenstrom
durch das Ventil drosseln.
Zeichnung
[0020] Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- den Stromverlauf und den Hubverlauf eines Magnetventils, das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform angesteuert wird; und
- Fig. 2
- den Stromverlauf und den Hubverlauf eines Magnetventils, das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform angesteuert wird.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0021] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hydraulikventils, insbesondere
eines Magnetventils zum Zumessen einer in Brennräume einer Brennkraftmaschine einzuspritzenden
Kraftstoffmenge. Das Hydraulikventil wird zum vollständigen Öffnen mit einem Betätigungsstrom
oder einer Betätigungsspannung beaufschlagt. Das Hydraulikventil kann bspw. als ein
Magnetventil oder als ein Ventil mit einem piezoelektrischen Aktor ausgebildet sein.
[0022] Durch ein abruptes Öffnen des Hydraulikventils kann der zugemessene Kraftstoff relativ
weit in die Brennräume der Brennkraftmaschine eindringen, d. h. es kommt zu einer
tiefen Penetration des Kraftstoff-Vorstrahls in die Brennräume. Dadurch wird eine
definierte Verteilung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen erschwert.
Außerdem kann es bei einem Öffnen des Hydraulikventils aufgrund von Kraftstoffablagerungen
oder Glättungen im Dauerbetrieb zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz zu einem
Klebeeffekt kommen, der bei einem abrupten Öffnen zu einer Drift der einzuspritzenden
Kraftstoffmenge über die Lebensdauer des Hydraulikventils führen kann.
[0023] In den Fig. 1a und 2a ist der Verlauf eines Ansteuerstroms i der Magnetspule eines
als Magnetventil ausgebildeten Hydraulikventils dargestellt. In den Fig. 1b und 2b
ist der Verlauf eines dem Ansteuerstrom i entsprechenden Hubs h des Ventilkörpers
des Hydraulikventils dargestellt. Um ein abruptes Öffnen des Hydraulikventils zu verhindern,
wird das Hydraulikventil zu Beginn einer Öffnungsbewegung (beim Übergang von Bereich
A zu Bereich B) nicht sofort mit dem vollen Betätigungsstrom i_B, sondern zunächst
mit einem Vorbetätigungsstrom i_VB beaufschlagt, der zu einer Öffnungsbewegung des
Hydraulikventils um einen Vorhub h_V führt. Der Vorhub h_V ist wesentlich kleiner
als der maximale Öffnungshub h_max des Hydraulikventils, der sich bei dem vollen Betätigungsstrom
i_B einstellt.
[0024] Erfindungsgemäß wird also zwischen den Bereich A, in dem die Magnetspule des Magnetventils
mit einem Vormagnetisierungsstrom i_VM beaufschlagt wird, der zu keiner Öffnungsbewegung
des Hydraulikventils führt (h=0), und dem Bereich C, in dem die Magnetspule mit dem
Betätigungstrom i_B beaufschlagt wird, der zu dem maximalen Öffnungshub h_max des
Hydraulikventils führt, noch ein Bereich B eingefügt, in dem das Hydraulikventil mit
dem Vorbetätigungsstrom i_VB beaufschlagt wird, der zu einem Öffnungshub h des Hydraulikventils
um den Vorhub h_V führt. Die erfindungsgemäße Ansteuerung des Hydraulikventils führt
zu einer Öffnungsbewegung mit einem von der geschlossenen Stellung zu dem Vorhub h_V
langsam ansteigenden Hub h. Ein abruptes Öffnen des Hydraulikventils und die damit
verbundenen Nachteile werden dadurch verhindert.
[0025] In Fig. 1a steigt der Ansteuerstrom i im Bereich B zweistufig an. Die erste Stufe
entspricht dem Vormagnetisierungsstrom i_VM und die zweite Stufe dem Vorbetätigungsstrom
i_VB. In Fig. 2a steigt der Ansteuerstrom i dagegen rampenförmig und stetig von dem
Vormagnetisierungsstrom i VM auf den Vorbetätigungsstrom i_VB an. Die dem Ansteuerstrom
i entsprechende Öffnungsbewegung des Hydraulikventils im Bereich B ist in beiden Fällen
langsam kontinuierlich ansteigend (vgl. Fig. 1b und 2b).
[0026] Bei einem durch einen piezoelektrischen Aktor betätigten Hydraulikventil entfällt
bauartbedingt eine Vormagnetisierung durch einen Vormagnetisierungsstrom. Statt dessen
wird bei einem Piezoventil eine Vorbetätigungsspannung angelegt, die ein Öffnen des
Hydraulikventils um den Vorhub bewirkt. Erst danach wird das Piezoventil mit der vollen
Spannung beaufschlagt, die ein vollständiges Öffnen des Hydraulikventils bewirkt.
1. Verfahren zur Steuerung eines Hydraulikventils, insbesondere eines Magnetventils oder
eines Piezoventils zum Zumessen einer in Brennräume einer Brennkraftmaschine einzuspritzenden
Kraftstoffmenge, wobei das Ventil zum vollständigen Öffnen (h_max) mit einem Betätigungsstrom
(i_B) oder einer Betätigungsspannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zu Beginn einer Öffnungsbewegung zunächst um einen Vorhub (h_V) geöffnet
und erst danach derart angesteuert wird, dass es vollständig öffnet.
2. Verfahren zur Steuerung eines Magnetventils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetventil durch einen von einem Vormagnetisierungsstrom (i_VM) auf einen
Vorbetätigungsstrom (i_VB) ansteigenden Ansteuerstrom (i) vormagnetisiert wird, wobei
der Vormagnetisierungsstrom (i_VM) nicht ausreicht, das Magnetventil zu öffnen, und
der Vorbetätigungsstrom (i_VB) das Öffnen des Magnetventils um den Vorhub (h_V) bewirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerstrom (i) stufenförmig
von dem Vormagnetisierungsstrom (i_VM) auf den Vorbetätigungsstrom (i_VB) ansteigt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerstrom (i) zweistufig
von dem Vormagnetisierungsstrom (i_VM) auf den Vorbetätigungsstrom (i_VB) ansteigt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerstrom (i) rampenförmig
von dem Vormagnetisierungsstrom (i_VM) auf den Vorbetätigungsstrom (i_VB) ansteigt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerstrom (i) stetig
von dem Vormagnetisierungsstrom (i_VM) auf den Vorbetätigungsstrom (i_VB) ansteigt.
7. Verfahren zur Steuerung eines Ventils mit einem piezoelektrischen Aktor nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch eine Vorbetätigungsspannung vorangesteuert
wird, die das Öffnen des Ventils um den Vorhub (h_V) bewirkt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom, der durch
das Ventil fließt, beim Öffnen des Ventils um den Vorhub (h_V) gedrosselt wird.
9. Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils, insbesondere eines Magnetventils
zum Zumessen einer in Brennräume einer Brennkraftmaschine einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
wobei die Vorrichtung Mittel zum Beaufschlagen des Ventils mit einem Betätigungsstrom
(i_B) oder einer Betätigungsspannung zum vollständigen Öffnen des Ventils (h_max)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Öffnen des Ventils um einen Vorhub (h_V) zu Beginn
der Öffnungsbewegung des Ventils aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil als
ein Magnetventil ausgebildet ist und die Mittel zum Öffnen des Ventils um den Vorhub
(h_V) einen Ansteuerstrom (i), der von einem Vormagnetisierungsstrom (i_VM) auf einen
Vorbetätigungsstrom (i_VB) ansteigt, zum Vormagnetisieren des Magnetventils zur Verfügung
stellen, wobei der Vormagnetisierungsstrom (i_VM) nicht ausreicht, das Magnetventil
zu öffnen, und der Vorbetätigungsstrom (i_VB) das Öffnen des Magnetventils um den
Vorhub (h_V) bewirkt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil einen piezoelektrischen
Aktor aufweist und die Mittel zum Öffnen des Ventils um den Vorhub (h_V) eine Vorbetätigungsspannung
zum Voransteuern des Ventils zur Verfügung stellen, wobei die Vorbetätigungsspannung
das Öffnen des Ventils um den Vorhub (h_V) bewirkt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Öffnen des
Ventils um den Vorhub (h_V) den Volumenstrom durch das Ventil drosseln.