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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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 Rau schen 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Ventil,
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2 eine
Schaltungsanordnung für
ein Ansteuern des Ventils,
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3 ein
erstes Diagramm,
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4 ein
Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen eines Endes einer
Bewegung eines Ventilkolbens in dem Ventil,
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5 ein
zweites Diagramm,
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6 ein
drittes Diagramm,
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7 eine
erste Ausführungsform
der Vorrichtung und
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8 eine
zweite Ausführungsform
der Vorrichtung.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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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 (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.
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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.
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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.
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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.
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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 pulsweitenmo dulierte Steuersignal
entsprechend auch für die
zweite Spule L2 zu erzeugen.
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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.
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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 charakteristi schen 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.
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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.
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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.
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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 (5). Das
Signalisieren an dem Ausgang OUT erfolgt beispielsweise durch einen
Ausgangspuls P einer Ausgangsspannung UOUT.
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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.
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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 (3).
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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 (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.
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In 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 2.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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An
dem fünften
Knoten K5, also über
dem dreizehnten Widerstand R13 bzw. dem fünften Kondensator C5, wird
die vorgege bene 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.
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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.
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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 Vor richtung. Der Ausgang OUT ist über einen
vierzehnten Widerstand R14 mit dem Versorgungspotenzial USUP gekoppelt.
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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.
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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.
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8 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Vorrichtung, die der ersten Ausführungsform in 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.