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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Moderne Brennkraftmaschinen verfügen über Kraftstoffinjektoren, mit denen Kraftstoff gezielt in Brennräume eingebracht werden kann. Für eine genaue Steuerung der Brennkraftmaschine müssen charakteristische Zeitpunkte der Einspritzvorgänge, insbesondere ein Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren, möglichst genau erfasst werden.
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Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen das Öffnen und Schließen direkt durch Magnetventile, Piezo-Aktoren oder dergleichen erfolgt, können zum Erfassen solcher charakteristischer Zeitpunkte oft die elektrischen Ansteuergrößen verwendet werden.
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Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen zunächst ein Servo-Ventil angesteuert wird, hingegen besteht kein direkter Zusammenhang zwischen den elektrischen Ansteuergrößen des Kraftstoffinjektors und den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkten des Einspritzventils. Daher werden bei solchen Kraftstoffinjektoren zusätzliche Sensoren, die bspw. den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum des Kraftstoffinjektors erfassen, verwendet.
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Systeme mit einem Sensor zum Erfassen von charakteristischen Zeitpunkten bei einem Einspritzvorgang bei den letztgenannten Kraftstoffinjektoren sind bspw. aus der
DE 10 2010 000 827 A1 oder der
DE 10 2010 063 681 A bekannt.
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In einem Kraftfahrzeug wird meist angestrebt, die Sensorleitung eines solchen Sensors zwischen Kraftstoffinjektor und Steuergerät sowie die üblicherweise miteinander verdrillten Ansteuerleitungen für den Kraftstoffinjektor mit geringem Abstand zueinander geometrisch parallel zu verlegen. Dadurch entstehen Koppelkapazitäten zwischen den Ansteuerleitungen und der Sensorleitung.
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Durch Überkopplungen beim Ansteuern der Kraftstoffinjektoren kann das Erkennen charakteristischer Zeitpunkte mittels der Sensoren jedoch gestört werden, wenn sich Schaltvorgänge im Steuergerät in zeitlicher Nähe zu diesen Zeitpunkten befinden. Dies ist insbesondere beim Öffnen von Servo-Ventilen der Fall.
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Es ist daher wünschenswert, bei solchen Kraftstoffinjektoren eine möglichst genaue Erfassung von charakteristischen Zeitpunkten von Einspritzvorgängen zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich zum Ermitteln eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorgangs eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine mittels eines Sensors, der dafür vorgesehen ist, ein Öffnen und/oder Schließen des Kraftstoffinjektors zu erfassen, wobei ein Signal des Sensors erfasst wird, wobei ein Signal einer den Sensor und dessen Verschaltung nachbildenden Ersatzschaltungsanordnung erfasst wird, wobei eine Differenz zwischen dem Signal des Sensors und dem Signal der Ersatzschaltungsanordnung gebildet wird, und wobei aus der Differenz auf den charakteristischen Zeitpunkt des Einspritzvorgangs geschlossen wird.
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Durch eine geeignete Ersatzschaltungsanordnung, die insbesondere die Kopplungskapazitäten zwischen Ansteuer- und Sensorleitungen beim Kraftstoffinjektor berücksichtigt, können die Störsignale, die aufgrund der Leitungsverlegung beim Ansteuern des Kraftstoffinjektors auf die Sensorleitung wirken, nachgebildet werden. Dazu können die Kopplungskapazitäten bspw. motor- und/oder fahrzeugspezifisch bestimmt oder gemessen werden. Durch die Differenzbildung können dann die Störsignale, zumindest zum Teil, aus dem Signal entfernt werden. Das übrigbleibende Signal eignet sich somit deutlich besser zur Bestimmung eines charakteristischen Zeitpunktes eines Einspritzvorganges als ein Signal mit Störsignalen, d.h. ein Signal, welches nur von dem Sensor stammt.
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Vorzugsweise werden die Signale des Sensors und der Ersatzschaltungsanordnung zeitgleich erfasst. Damit können die beiden Signale direkt voneinander abgezogen werden und die Signalverarbeitung kann möglichst schnell erfolgen. Außerdem handelt es sich bei den Störsignalen durch die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors bei dem Sensor und bei der Ersatzschaltungsanordnung um dieselben Störsignale. Daraus resultiert ein besseres Signal als bei bspw. bei Verwendung unterschiedlicher Ansteuervorgänge, wenngleich die Störsignale dann immerhin noch vergleichbar sein können.
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Vorteilhafterweise werden für die Ersatzschaltungsanordnung ein eine Kapazität des Sensors nachbildender Kondensator und wenigstens ein eine durch eine Kopplung zwischen wenigstens einer Ansteuerleitung des Kraftstoffinjektors und einer Sensorleitung des Sensors hervorgerufenen Kapazität nachbildender Kondensator verwendet. Dazu können die Kopplungskapazitäten bspw. motor- und/oder fahrzeugspezifisch bestimmt oder gemessen werden und durch entsprechende Kondensatoren nachgebildet werden. Ebenso kann die Kapazität des Sensors injektorspezifisch oder injektortypspezifisch bestimmt werden. Diese Kondensatoren können dann mit einer im Übrigen vergleichbaren Beschaltung wie für den Sensor bspw. im Motorsteuergerät verwendet werden.
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Alternativ wird für die Ersatzschaltungsanordnung eine Verhältnisse einer Kapazität des Sensors und wenigstens einer durch eine Kopplung zwischen wenigstens einer Ansteuerleitung des Kraftstoffinjektors und einer Sensorleitung des Sensors hervorgerufenen Kapazität nachbildende Anordnung von Widerständen verwendet. Dies ermöglicht eine einfachere Beschaltung, während die Störsignale hinreichend genau nachgebildet und berücksichtigt werden können.
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Es ist von Vorteil, wenn der Kraftstoffinjektor und die Ersatzschaltungsanordnung mittels einer gemeinsamen Endstufe angesteuert werden. Bspw. können hierzu der Kraftstoffinjektor und die Ersatzschaltungsanordnung am selben High-Side-Ausgang einer Endstufe und/oder am selben Low-Side Ausgang einer Endstufe angeschlossen sein. Die Einkopplung der Störsignale bei der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors auf die Signalleitung des Sensors und die entsprechenden, nachgebildeten Signale werden dann gleichzeitig erzeugt. Eventuelle Potentialänderungen liegen dann bei einer Ansteuerung des Kraftstoffinjektors unmittelbar auch an der Ersatzschaltungsanordnung an.
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Vorzugsweise wird die Differenz mittels eines analogen Differenzverstärkers oder analog vor oder bei einer Weiterverarbeitung mittels eines gemeinsamen Analog-Digital-Wandlers oder digital nach Weiterverarbeitung mittels getrennter Analog-Digital-Wandler für die beiden Signale gebildet. Die genaue Ausführungsform kann bspw. je nach bereits vorhandener oder gewünschter Schaltungen oder Bauteile gewählt werden.
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Vorteilhafterweise wird als Sensor ein piezoelektrischer Sensor verwendet. Bei piezoelektrischen Sensoren handelt es sich um üblicherweise in solchen Kraftstoffinjektoren verwendete Sensoren. Als Sensoren sind jedoch bspw. auch piezoresistive oder induktive Sensoren verwendbar. Während piezoelektrische Sensoren bei einer mechanischen Anregung aktiv Ladung abgeben, verändern piezoresistive Sensoren dagegen ihren ohmschen Widerstand.
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Es ist von Vorteil, wenn der Kraftstoffinjektor ein Servo-Ventil, insbesondere ein Magnet-Servo-Ventil oder ein Piezo-Servo-Ventil umfasst. Wie bereits eingangs erwähnt, ist gerade bei Kraftstoffinjektoren, die mittels eines Servo-Ventils arbeiten, eine Erkennung von charakteristischen Zeitpunkten des Einspritzvorgangs schwierig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hier jedoch eine bessere Erkennung ermöglicht. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist jedoch auch vorteilhaft bei einem Kraftstoffinjektor ohne Servo-Ventil anwendbar.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor mit Magnetspule und zugehörigem Sensor.
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2a bis 2c zeigen Ersatzschaltbilder für einen Sensor und eine Sensorbeschaltung.
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3 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor mit zugehörigem Sensor.
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4a und 4b zeigen Ersatzschaltbilder für die Schaltungsanordnung gemäß 3.
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5 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit einem Kraftstoffinjektoren bzw. dessen Magnetspule und zugehörigem Sensor, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform durchführbar ist.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist beispielhaft eine Schaltungsanordnung für einen ersten Kraftstoffinjektor 110 mit einer ersten Magnetspule 115 und zugehörigem ersten Sensor 120 gezeigt. Der erste Kraftstoffinjektor 110 ist einer Brennkraftmaschine 100 zugeordnet. Die erste Magnetspule 115 dient als Magnetspule zur Ansteuerung eines Servo-Magnet-Ventils in dem ersten Kraftstoffinjektor 110.
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Der erste Sensor 120 ist dabei in dem ersten Kraftstoffinjektor 110 derart angeordnet, dass bspw. ein Druck in einem Steuerraum, der mittels des Servo-Magnet-Ventils geöffnet werden kann, erfasst werden kann.
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Die erste Magnetspule 115 ist mit zwei Ansteuerleitungen, einer High-Side-Leitung HS und einer Low-Side-Leitung LS an eine Endstufe 155 einer als Motorsteuergerät 150 ausgebildeten Recheneinheit angebunden. Die High-Side-Leitung HS und die Low-Side-Leitung LS sind jeweils über einen Kondensator (bspw. mit Kapazitäten von 4,7 nF für Low-Side und einem ganzzahligen Vielfachen von 4,7 nF für High-Side) an Masse angebunden.
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Der erste Sensor 120, bspw. ein piezoelektrischer Sensor mit einem Piezo-Element, ist über zwei Eingänge an das Motorsteuergerät 150 angebunden, wobei einer dieser Eingänge über das Gehäuse des ersten Kraftstoffinjektors 110 und die Brennkraftmaschine 100 mit dem Minuspol einer Fahrzeugbatterie 105 bzw. mit Masse verbunden ist. In dem Motorsteuergerät 150 ist der erste Sensor 120 zu einer ersten Eingangskapazität Cin parallel geschaltet, gefolgt von einer ersten Eingangsbeschaltung 160, einer positiven Spannung von bspw. +5 V und einem ersten Analog-Digital-Wandler 161.
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Die erste Eingangsbeschaltung 160 kann, wie gezeigt Widerstände und eine Kapazität aufweisen. Jedoch ist die genaue Ausgestaltung dieser Eingangsbeschaltung für die vorliegende Erfindung nicht relevant und soll daher nicht detaillierter beschrieben werden.
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Bei der in 1 gezeigten Anordnung bzw. Schaltung handelt es sich um eine solche, wie sie für herkömmliche Einspritzvorgänge und einer Erkennung von charakteristischen Zeiten solcher Einspritzvorgänge bereits genutzt wird.
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In 2a ist auf der rechten Seite ein Ersatzschaltbild für den ersten Sensor 120, der auf der linken Seite gezeigt ist, dargestellt. Der erste Sensor 120 kann demnach als Stromquelle iSens angesehen werden, die eine elektrische Ladung abgibt, die proportional zu einer Kraft F, die auf den ersten Sensor 120 wirkt, ist. Der Wert des Stroms beträgt dabei bspw. isens = d33·dF/dt. Dabei handelt es sich bei d33 um den relevanten piezo-elektrischen Koeffizienten und bei dF/dt um die Zeitableitung der Kraft F auf den Sensor. Diese elektrische Ladung lädt einen Kondensator mit der Eigenkapazität Csens des ersten Sensors 120.
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In 2b ist ein Ersatzschaltbild für den ersten Sensor und die zugehörige Sensorbeschaltung, die bereits in 1 gezeigt ist, dargestellt. Gegenüber der Schaltungsanordnung von erstem Sensor 120 und zugehöriger erster Eingangsbeschaltung 160 im Motorsteuergerät ist hier lediglich der erste Sensor 120 durch die in 2a gezeigte Ersatzschaltung ersetzt.
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Durch die Eingangskapazität Cin wird eine Leerlaufspannung dieser gezeigten Schaltungsanordnung um einen Faktor Csens/(Csens + Cin) abgesenkt. Hierbei ist anzumerken, dass die Eingangskapazität Cin auch weggelassen werden kann. In diesem Fall wäre der Wert Cin für die gezeigte Schaltung einfach auf Null zu setzen.
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In 2c ist eine weitere Vereinfachung des Ersatzschaltbildes aus 2b gezeigt. Die Stromquelle iSens ist in eine Spannungsquelle u1 mit einem Innenwiderstand, der durch C1 = Csens + Cin gebildet wird, transformiert. Dabei gilt U1 = d33·F/(Csens + Cin). Auf diese Weise ist die Schaltungsanordnung für den ersten Sensor 120 leichter verständlich.
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In 3 ist nun erneut die Schaltungsanordnung aus 1 gezeigt, wobei der Einfachheit halber anstatt des ersten Kraftstoffsensors 110 nur noch die für die Schaltungsanordnung relevante erste Magnetspule 115 dargestellt ist.
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Weiterhin sind nun Kapazitäten CHS und CLS eingetragen, die die Kopplung zwischen den High-Side- bzw. Low-Side-Leitungen HS bzw. LS und der Sensorleitung für den ersten Sensor 120 darstellen. Diese Kopplungen kommen bspw. durch die nahe beieinander liegende und insbesondere üblicherweise parallele Verlegung der meist verdrillten High-Side- und Low-Side-Leitungen und der Sensorleitung zustande. Diese Kopplungen, die sich über die gesamte Leitungslänge ausbilden, lassen sich durch die beiden gezeigten Kapazitäten CHS und CLS in der Schaltungsanordnung darstellen.
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In 4a ist ein Ersatzschaltbild für die aus der Schaltungsanordnung aus 3 für die Beschaltung des ersten Sensors 120 relevanten Teile gezeigt. Dabei sind die Kapazitäten CHS und CLS jeweils mit einer zugehörigen Spannungsquelle UHS und ULS, welche die von der Endstufe 155 aufgebrachten Spannungen an der ersten Magnetspule 115 darstellen, an die in 2c gezeigte Beschaltung angebunden.
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Sowohl die Schaltungsanordnung aus 3 als auch das Ersatzschaltbild aus 4a zeigen, dass nun dem eigentlichen Sensorsignal des ersten Sensors 120, nämlich der Spannungsquelle u1, Überkopplungen bzw. Störsignale aus den Potentialen uHS und uLS der High-Side- bzw. der Low-Side-Leitung gegen Masse überlagert sind.
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Diese Potentiale können im Motorsteuergerät bspw. zwischen den Werten Null, einer Boostspannung (üblicherweise zwischen 40 V und 50 V) geschaltet werden. Zusätzlich kann uHS auch den Wert der Batteriespannung annehmen. Durch diese Überkopplungen kann das Erkennen charakteristischer Zeitpunkte gestört werden, wenn sich Schaltvorgänge im Motorsteuergerät in zeitlicher Nähe zu diesen Zeitpunkten befinden. Dies ist insbesondere beim Öffnen des Servo-Ventils der Fall, da in großer zeitlicher Nähe hierzu das Boosten beendet wird und daher die Spannung uHS von der Boostspannung, d.h. zwischen 40 V und 50 V auf Null oder auf Batteriespannung springt.
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In 4b ist ein weiteres Ersatzschaltbild gezeigt, in dem die Kapazitäten C1, CHS und CLS zu einer Kapazität C2 = C1 + CHS + CLS zusammengefasst sind. Ebenso sind die zugehörigen Spannungen U1, UHS und ULS zu U2 = d·F/C2 + CHS·UHS/C2 + CLS·ULS/C2 zusammengefasst. Auf diese Weise kann die an den Eingängen des ersten Analog-Digital-Wandlers 161 anliegende Spannung einfach dargestellt werden.
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In 5 ist eine Schaltungsanordnung für einen Kraftstoffinjektor mit zugehörigem Sensor gezeigt, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform durchführbar ist.
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Die Schaltungsanordnung für die Magnetspule 115 und den Sensor 120 entspricht der Schaltungsanordnung aus 3. Weiterhin sind nun eine Ersatzschaltungsanordnung 220 und eine zweite Eingangsbeschaltung 260 gezeigt.
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Die Ersatzschaltungsanordnung 220 umfasst eine Kapazität C'HS, die an die High-Side-Leitung HS angebunden ist und eine Kapazität C'LS, die an die Low-Side-Leitung LS angebunden ist. Über die High-Side-Leitung HS bzw. die Low-Side-Leitung LS sind die Kapazitäten C'HS bzw. C'LS an die Endstufe 155 angebunden.
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Die zur Ersatzschaltungsanordnung 220 gehörige zweite Eingangsbeschaltung 260 kann bspw. genau so aufgebaut sein, wie die erste Eingangsbeschaltung 160 für die Magnetspule 115.
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Die Kapazitäten C'HS und C'LS sind den Kapazitäten CHS bzw. CLS, d.h. den Kopplungen zwischen High-Side- bzw. Low-Side-Leitung und der Sensorleitung des Sensors 120, nachgebildet. Im Idealfall sind die jeweiligen Kapazitäten sogar gleich, d.h. es gilt C'HS = CHS und C'LS = CLS. Die Werte für diese Kapazitäten können bspw. spezifisch für die Verlegung der Leitungen bzw. deren Längen in bzw. zu einem Motor bestimmt werden.
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Weiterhin umfasst die Ersatzschaltungsanordnung 220 eine Kapazität C'1, die der Kapazität des Sensors 120 zusammen mit der Eingangskapazität Cin vor der ersten Eingangsbeschaltung 160 nachgebildet ist. Im Idealfall gilt somit C'1 = Csens + Cin. Je nach Verhältnis der beiden Kapazitäten Csens und Cin kann jedoch auch eine der beiden Kapazitäten für C'1 unberücksichtigt bleiben. So kann bspw. bei Cin >> Csens auch C'1 = Cin verwendet werden.
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Bei einer Ansteuerung des Kraftstoffinjektors bzw. dessen Magnetspule 115 können nun Störungen in der Sensorleitung des Sensors 120 auftreten. Insbesondere bei Potentialänderungen auf der High-Side-Leitung HS, d.h. in der Spannung UHS der Magnetspule 115, oder auf der Low-Side-Leitung LS, d.h. in der Spannung ULS der Magnetspule 115, treten Störungen bei der Sensorleitung auf.
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Die Störungen, die bei der Sensorleitung aufgrund der Kopplung der Leitungen auftreten, werden bei der Ansteuerung der Magnetspule 115 ebenso auf die Ersatzschaltungsanordnung 220 geschaltet und über die zweite Eingangsbeschaltung 260 auf den gemeinsamen Analog-Digital-Wandler 162 gegeben, wie das Signal des Sensors 120. Dabei sind der Sensor 120 an einen nicht invertierenden und die Ersatzschaltungsanordnung 220 an einen invertierenden Eingang angeschlossen. Auf diese Weise wird die Differenz der beiden Signale bereits bei der Analog-Digital-Wandlung im Analog-Digital-Wandler 162 gebildet.
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Da die Kapazitäten CHS bzw. CLS und C'HS bzw. C'LS, wie oben erwähnt, jeweils vergleichbar bzw. sogar jeweils (annähernd) gleich sind, sind die beiden Störsignale (annähernd) identisch. Es kann somit das Störsignal bei dem Signal des Sensors 120 eliminiert werden und es bleibt ein deutliches Signal, das eine Information über einen charakteristischen Zeitpunkt des Einspritzvorgangs beim ersten Kraftstoffinjektor liefert, übrig.
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Alternativ zur gezeigten Schaltung können bspw. auch zwei separate Analog-Digital-Wandler verwendet werden, während die Differenz der Signale auf der digitalen Ausgangsseite dieser beiden Analog-Digital-Wandler gebildet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010000827 A1 [0005]
- DE 102010063681 A [0005]
