DE10057778A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Magnetventils - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb eines MagnetventilsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltanordnung zum Betrieb eines Magnetventils (MV), insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder eines Einlaß- oder Auslaßventils einer Brennkraftmaschine. Um eine möglichst einfache Ansteuerung des Magnetventils (MV) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass das Magnetventil (MV) in einem drei Phasen umfassenden Zyklus gesteuert beaufschlagt wird, wobei das Magnetventil (MV) in einer Anzugsphase zur Erzeugung eines Anzugsstroms für eine vorgegebene Zeitdauer (T¶-¶1) an eine erste Spannung (U¶-¶1) vorgegebener Höhe angeschlossen wird, in einer Haltephase zur Erzeugung eines Haltestroms an eine zweite Spannung (U¶-¶2) vorgegebener Höhe angeschlossen wird und in einer Abschaltphase von beiden Spannungen (U¶-¶1, U¶-¶2) getrennt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Magnetventils,
insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen
Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder
eines Einlaß- oder Auslaßventils einer Brennkraftmaschine.
Aus dem Stand der Technik ist die elektrohydraulische
Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine zur
nockenwellenfreien Betätigung der Gaswechsel-Ventile der
Brennkraftmaschine bekannt. Jedes Gaswechsel-Ventil einer
elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung hat zum
Öffnen und Schließen einen eigenen Steller. Der Steller
weist ein Stellglied auf, das im Inneren durch einen
hydraulischen Differenzialkolben in eine erste Kammer und
eine zweite Kammer unterteilt ist. Auf der Einlaßseite der
ersten Kammer ist ein erstes Magnetventil und auf der
Auslaßseite der ersten Kammer ein zweites Magnetventil
angeordnet. Bei der Betätigung der elektrohydraulischen
Gaswechsel-Ventilsteuerung werden drei Phasen
unterschieden:
In einer ersten Phase wird zunächst das zweite Magnetventil
geschlossen, unmittelbar danach wird das erste Magnetventil
geöffnet. Von der Versorgungsseite kann über das erste
Magnetventil Öl mit einem hohen Druck in die erste Kammer
des Stellgliedes fließen. Durch das geschlossene zweite
Magnetventil wird ein Abströmen des Öls aus der ersten
Kammer zu einem Tank hin verhindert. In der ersten Kammer
herrscht ein vergleichbarer Druck wie in der zweiten
Kammer. Die der ersten Kammer zugewandten Seite des
Differenzialkolbens hat eine wesentlich größere Wirkfläche
als die der zweiten Kammer zugewandte Seite. Eine
resultierende Kraft bewirkt eine Öffnungsbewegung des
Gaswechsel-Ventils.
In einer zweiten Phase wird das Gaswechsel-Ventil bei
Vollhub oder Teilhub statisch offen gehalten. Dazu wird das
erste Magnetventil geschlossen, so dass beide Magnetventile
für den Zulauf bzw. den Ablauf des Öls geschlossen sind.
In einer dritten Phase wird bei weiterhin geschlossenem
ersten Magnetventil das zweite Magnetventil geöffnet, so
dass das in die erste Kammer zugeflossene Öl wieder
abfließen kann. Der Druck in der ersten Kammer verringert
sich sehr stark gegenüber dem Druck in der zweiten Kammer,
und es kommt zu einer Schließbewegung des Gaswechsel-
Ventils.
Aus dem Stand der Technik ist es desweiteren bekannt,
mehrere Einlaß- und Auslaßventile je Zylinder einer
Brennkraftmaschine vorzusehen. Bei der 4-Ventiltechnik hat
bspw. jeder Zylinder zwei Einlaßventile und zwei
Auslaßventile für den Gaswechsel. Bei einem Steller je
Gaswechsel-Ventil und zwei Magnetventilen je Steller werden
demnach für jeden Zylinder acht Magnetventile benötigt. Bei
einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine ergeben sich somit
bereits 32 Magnetventile, die elektrisch angesteuert werden
müssen.
Zur elektrischen Ansteuerung der Magnetventile ist es aus
der DE 40 24 496 bekannt, an einem Magnetventil in einer
Anzugsphase eine Anzugsspannung und in einer anschließenden
Haltephase eine niedrigere Haltespannung anzulegen. Damit
der Haltestrom in der Haltephase einen bestimmten Grenzwert
nicht überschreitet, ist in dem Haltestromkreis ein
Stromfühlglied angeordnet, das die Höhe der Haltespannung
in Abhängigkeit von dem ermittelten Istwert des Haltestroms
und von einem Sollwert des Haltestroms einstellt.
Für jeden Stromregelkreis ist neben der Stromistwert-
Erfassung auch ein Stromregler notwendig. Dieser relativ
hohe Schaltungsaufwand für die Durchführung einer
Stromregelung müßte für jedes einzelne Magnetventil einer
elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung vorgesehen
werden. Dadurch würde sich ein enorm hoher
Schaltungsaufwand zur Betätigung einer elektrohydraulischen
Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine
ergeben.
Aus den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik
ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Ansteuerung eines Magnetventils zu vereinfachen, ohne
dadurch die Funktionsfähigkeit des Magnetventils zu
beeinträchtigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend
von dem Verfahren zum Betrieb eines Magnetventils der
eingangs genannten Art vor, dass das Magnetventil in einem
drei Phasen umfassenden Zyklus gesteuert beaufschlagt wird,
wobei das Magnetventil in einer Anzugsphase zur Erzeugung
eines Anzugsstroms für eine vorgegebene Zeitdauer an eine
erste Spannung vorgegebener Höhe angeschlossen wird, in
einer Haltephase zur Erzeugung eines Haltestroms an eine
zweite Spannung vorgegebener Höhe angeschlossen wird und in
einer Abschaltphase von beiden Spannungen getrennt wird.
In der Anzugsphase soll der Anker des Magnetventils
möglichst schnell anziehen. Dies wird durch eine
Stromüberhöhung erreicht. Dazu wird die Magnetspule des
Magnetventils für eine vorgegebene Zeitdauer an die erste
Spannung angeschlossen. Die erste Spannung ist wesentlich
höher als bspw. eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs,
d. h. bspw. als die Spannung der Fahrzeugbatterie. Der
Betrieb des Magnetventils während der Anzugsphase mit der
hohen ersten Spannung wird deshalb auch als Boostbetrieb
bezeichnet. Aufgrund der hohen ersten Spannung ergibt sich
ein besonders schneller Aufbau des Anzugsstroms in der
Magnetspule. Die Zeitdauer ist derart vorgegeben, dass der
für ein schnelles und sicheres Anziehen des Ankers
notwendige Ankerstrom erreicht wird.
Während der Haltephase wird der angezogene Anker des
Magnetventils durch einen reduzierten, konstanten
Haltestrom gehalten. Aufgrund der Magnetfeldkennlinie
reicht für das Halten des Ankers eine wesentlich kleinere
Kraft und demzufolge ein kleinerer Strom als für den Anzug
des Ankers aus. Während der Haltephase ist die Magnetspule
des Magnetventils an die zweite Spannung vorgegebener Höhe
angeschlossen. Die zweite Spannung hat eine geringere Höhe
als die erste Spannung. Die Versorgung des Elektromagneten
durch die zweite Spannung gewährleistet einen konstanten
Haltestrom (unabhängig von Schwankungen der Spannung des
Bordnetzes) durch die Magnetspule.
In der Abschaltphase wird der Elektromagnet des
Magnetventils von beiden Spannungen getrennt. Infolge
dessen fließt durch den Elektromagneten nach einer
Abklingphase kein Strom mehr und der Anker kehrt in seine
Ausgangsposition zurück. Während der Abklingphase kann der
Strom auf unterschiedliche Arten (z. B. Diodenlöschung,
Zenerdiodenlöschung, R-C-Löschung) abgebaut werden. Zudem
kann die abgebaute Energie während der Abklingphase auf
unterschiedliche Arten zurückgewonnen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht keine Regelung,
sondern lediglich eine Steuerung des Stroms des
Magnetventils vor. Der Strom des Magnetventils ergibt sich
durch Anlegen einer Spannung vorgegebener Höhe an das
Magnetventil aufgrund des Spulenwiderstands der Magnetspule
des Magnetventils. Dies gilt sowohl in der Anzugsphase als
auch in der Haltephase des Magnetventils.
Erfindungsgemäß kann auf eine Stromerfassung, direkt über
ein Strommeßglied oder indirekt über einen Spannungsteiler,
der durch einen Meßwiderstand und den Spulenwiderstand der
Magnetspule des Magnetventils gebildet wird, und auf eine
Stromregelung mittels eines Stromreglers verzichtet werden.
Dadurch wird der Betrieb des Magnetventils entscheidend
vereinfacht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglich auf
einfache Weise ein exaktes Ansteuern sämtlicher
Magnetventile einer elektrohydraulischen Gaswechsel-
Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine. Eine
Stromregelung für jedes der Magnetventile ist bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren durch eine exakte zeitliche
Ansteuerung bei genau definierten Versorgungsspannungen
ersetzt.
Durch eine Spannungsnachführung können die Auswirkungen von
relevanten Änderungen in den Stromzweigen auf den durch die
Magnetspulen fließenden Strom kompensiert werden. Relevante
Änderungen in den Stromzweigen sind bspw. die Änderung des
Spulenwiderstands der Magnetspule eines Magnetventils
aufgrund von Temperaturänderungen in der Magnetspule. Eine
solche Temperaturkompensation stellt jedoch keine
Stromregelung, sondern lediglich eine adaptive
Stromsteuerung dar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Magnetventil
nicht, wie bei der Stromregelung, getaktet angesteuert.
Durch die Vermeidung der Taktung kann die
Schaltverlustleistung und die hochfrequente Abstrahlung
elektromagnetischer Wellen vermindert werden, wodurch sich
eine wesentlich bessere elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste Spannung durch
Spannungshochsetzung aus einer Bordnetzspannung abgeleitet
und stabilisiert wird. Die Bordnetzspannung entspricht
bspw. der Spannung einer Kraftfahrzeugbatterie. Zur
Spannungshochsetzung kann ein Spannungswandler,
insbesondere ein Gleichspannungswandler, eingesetzt werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite
Spannung durch Spannungsablenkung oder Spannungshochsetzung
aus einer Bordnetzspannung abgeleitet und stabilisiert
wird. Das Potenzial der zweiten Spannung liegt deutlich
unter dem Potenzial der ersten Spannung. Auch die
Spannungsabsenkung bzw. die Spannungshochsetzung kann bspw.
mittels eines Spannungswandlers, inbesondere eines
Gleichspannungswandlers, durchgeführt werden.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass für die
erste Spannung eine 42 Volt-Spannung, die in einem 42 Volt-
Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, und als
die zweite Spannung eine niedrigere Spannung, insbesondere
eine 12 Volt-Spannung oder eine 9 Volt-Spannung, die in dem
42 Volt-Bordnetz zur Verfügung steht, herangezogen wird.
Diese Weiterbildung bezieht sich auf ein 42 Volt-Bordnetz,
in dem üblicherweise auch eine niedrigere Spannung,
insbesondere eine 12 Volt-Spannung oder eine 9 Volt-
Spannung, zur Verfügung steht, die unmittelbar als zweite
Spannung herangezogen werden kann. Auf eine
Spannungsabsenkung einer Bordnetzspannung zum Erzeugen der
zweiten Spannung kann somit verzichtet werden. Dadurch
entsteht weniger Verlustleistung und es ergibt sich eine
geringere Wärmeentwicklung einer Endstufe zur Betätigung
des Magnetventils.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Spannungen derart
variiert werden, dass der resultierende Strom während der
Anzugsphase bzw. der resultierende Strom während der
Haltphase über alle Betriebspunkte konstant ist.
Selbstverständlich können beide Spannungen oder aber nur
eine der beiden Spannungen variiert werden. Auf diese Weise
können bspw. Spannungsänderungen aufgrund von
Temperaturschwankungen ausgeglichen werden.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur der Magnetspule des
Magnetventils erfaßt und werden die Spannungen an den
Temperaturgang des Spulenwiderstandes der Magnetspule
angepaßt. Für diese Temperaturkompensation kann die
Temperatur der Magnetspulen an einer repräsentativen Stelle
erfaßt werden. Zur Vereinfachung des Aufbaus einer
elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung einer
Brennkraftmaschine ist es denkbar, dass die Temperatur nur
an einem Magnetventil oder an einigen wenigen ausgewählten
Magnetventilen erfaßt wird. Durch die
Temperaturkompensation wird eine adaptive Stromsteuerung
ermöglicht.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass der durch eine
repräsentative Magnetspule des Magnetventils fließende
Strom erfaßt wird. Bei Abweichungen von einem gewünschten
Stromverlauf werden die Spannungen entsprechend angepaßt.
Der Strom kann auf beliebige Art erfaßt werden. Dazu sind
aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Möglichkeiten
bekannt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Magnetventil in der
Anzugsphase durch Schließen von zwei Schaltgliedern an die
erste Spannung angeschlossen wird. Durch eine geschickte
Reihenschaltung der Schaltglieder ergibt sich eine
Sicherheitsfunktion für das Magnetventil. Nur wenn beide
Schaltglieder geschlossen sind, kann das Magnetventil
anziehen, weil nur dann die hohe erste Spannung für den
Anzugsvorgang an dem Magnetventil anliegt. Dadurch wird
verhindert, dass bei einem defekten Schaltglied (permanent
geschlossen) oder bei einer fehlerhaften Ansteuerung eines
Schaltgliedes ein Magnetventil während eines kritischen
Zeitpunktes ungewollt aktiviert wird. Für ein öffnendes
Gaswechsel-Ventil wären bspw. die Zeitpunkte, in denen der
Zylinderkolben oben steht, ein kritischer Zeitpunkt. Ein
Öffnen des Gaswechsel-Ventils während dieses kritischen
Zeitpunktes könnte zu einer Kollision des Gaswechsel-
Ventils mit dem Zylinderkolben führen. Das könnte, ebenso
wie eine Kollision eines Gaswechsel-Ventils mit einem
anderen Gaswechsel-Ventil desselben Zylinders, zu einer
Beschädigung der Brennkraftmaschine führen.
Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird
ausgehend von der Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art außerdem vorgeschlagen, dass die
Schaltungsanordnung eine erste Spannung vorgebbarer Höhe,
eine zweite Spannung vorgebbarer Höhe und zwei
Schaltglieder zum Anlegen der ersten Spannung an das
Magnetventil in der Anzugsphase, zum Anlegen der zweiten
Spannung an das Magnetventil in der Haltephase und zum
Trennen des Magnetventils von beiden Spannungen in der
Abschaltphase aufweist.
Durch den Verzicht auf eine Stromregelung bei der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine wesentliche
Reduktion des Schaltungsaufwandes und der Schaltungskosten
durch Anwendung der Stromsteuerung erzielt werden. Der
Aufwand für die zentrale Bereitstellung der beiden
Spannungen ist deutlich geringer als der Aufwand für eine
Stromregelung für jedes zu betätigende Magnetventil. Durch
eine geringe Anzahl von Komponenten bei der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann zudem die
Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung
einen Spannungshochsetzsteller zum Ableiten der ersten
Spannung aus einer Bordnetzspannung und zum Stabilisieren
der ersten Spannung aufweist. Des weiteren wird
vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung einen
Spannungstiefsetzsteller oder einen
Spannungshochsetzsteller zum Ableiten der zweiten Spannung
aus einer Bordnetzspannung und zum Stabilisieren der
zweiten Spannung aufweist. Der Spannungshochsetzsteller und
der Spannungstiefsetzsteller sind bspw. als DC/DC-Wandler
ausgebildet. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist
somit zwei zentrale und unabhängige DC/DC-Wandler mit
stabiler Festspannung für die Versorgung der Magnetspule
des Magnetventils während der Anzugsphase und während der
Haltephase auf.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Schaltungsanordnung eine 42 Volt-Spannungsquelle, die in
einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung
steht, zum Erzeugen der ersten Spannung und eine weitere
Spannungsquelle, insbesondere eine 12 Volt-Spannungsquelle
oder eine 9 Volt-Spannungsquelle, die in dem 42 Volt-
Bordnetz zur Verfügung steht, zum Erzeugen der zweiten
Spannung aufweist. In einem 42 Volt-Bordnetz steht neben
einer 42 Volt-Spannungsquelle üblicherweise auch eine
weitere Spannungsquelle, insbesondere eine 12 Volt-
Spannungsquelle oder eine 9 Volt-Spannungsquelle, zur
Verfügung. Die Spannung der weiteren Spannungsquelle kann
unmittelbar als zweite Spannung herangezogen werden. Auf
den Einsatz eines Spannungstiefsetzstellers zum Erzeugen
der zweiten Spannung kann somit verzichtet werden. Dadurch
entsteht weniger Verlustleistung und es ergibt sich eine
geringere Wärmeentwicklung einer Endstufe zur Betätigung
des Magnetventils.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein erster
Anschluß des Magnetventils über das erste Schaltglied an
die erste Spannung und über eine erste Diode an die zweite
Spannung angeschlossen ist und dass ein zweiter Anschluß
des Magnetventils über Mittel zum Stromabbau und zur
Energierückgewinnung an die erste Spannung und über das
zweite Schaltglied an Masse angeschlossen ist. Die Mittel
zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung können beliebig
ausgebildet sein. Dem Fachmann sind dazu eine Vielzahl von
Möglichkeiten bekannt. Vorzugsweise sind die Mittel zum
Stromabbau und zur Energierückgewinnung als eine zweite
Diode ausgebildet. Durch die erste Diode wird die erste
Spannung von der zweiten Spannung entkoppelt. Die zweite
Diode dient dem Stromabbau in der Magnetspule des
Magnetventil und gleichzeitig der Energierückgewinnung,
nachdem die Magnetspule von beiden Spannungen getrennt
worden ist.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass ein erster Anschluß des
Magnetventils über das erste Schaltglied an die erste
Spannung und über das zweite Schaltglied und eine Diode an
die zweite Spannung angeschlossen ist und dass ein zweiter
Anschluß des Magnetventils an Masse angeschlossen ist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der
Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen
oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger
Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw.
Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichung. Es
zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betrieb eines Magnetventils gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betrieb eines Magnetventils gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Betrieb eines Magnetventils gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform; und
Fig. 4 einen Steller eines elektrohydraulisch
gesteuerten Gaswechsel-Ventils einer
Brennkraftmaschine, mit zwei Magnetventilen,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
angesteuert werden.
In Fig. 4 ist ein Steller für ein elektrohydraulisch
betätigbares Gaswechsel-Ventil 1 einer Brennkraftmaschine
in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Bei der elektrohydraulischen Ventilsteuerung entfällt zur
Ansteuerung der Gaswechsel-Ventile die Nockenwelle. Jedes
Gaswechsel-Ventil 1 hat zum Öffnen und Schließen einen
eigenen Steller 10. Der Steller 10 weist ein Stellglied 2
auf, in dem ein hydraulischer Differenzialkolben 3
verschiebbar gelagert ist. Durch den Differenzialkolben 3
wird das Innere des Stellgliedes 2 in eine obere Kammer 4
und eine untere Kammer 5 unterteilt. Die Flächendifferenz
zwischen der Oberseite und der Unterseite des
Differenzialkolbens 3 führt bei gleichem Druck in der
oberen Kammer 4 und der unteren Kammer 5 zu einer Bewegung
des Differenzialkolbens 3 in dem Stellglied 2 und zum
Öffnen des Gaswechsel-Ventils 1.
Dem Steller 10 wird von einer Versorgungsseite 8 Öl mit
einem hohen Druck zugeführt und über ein erstes
Magnetventil 6 in die erste Kammer 4 des Stellgliedes 2
geleitet. Aus der ersten Kammer 4 gelangt das Öl über ein
zweites Magnetventil 7 in einen Tank 9. Von der
Versorgungsseite 8 zweigt eine weitere Leitung 15 ab, die
in die zweite Kammer 5 des Stellgliedes 2 mündet und über
die Öl von der Vorsorgungsseite 8 mit einem hohen Druck in
die zweite Kammer 5 gelangt.
Die Ansteuerung des elektrohydraulisch betätigten
Gaswechsel-Ventils 1 erfolgt in drei Phasen:
In einer ersten Phase führt das Gaswechsel-Ventil 1 eine
Öffnungsbewegung aus. Hierzu wird zuerst das zweite
Magnetventil 7 geschlossen, um das Abströmen des Öls aus
der oberen Kammer 4 zu dem Tank 9 hin zu verhindern. Durch
Öffnen des ersten Magnetventils 6 wird Öl von der
Vorsorgungsseite 8 mit hohem Druck in die obere Kammer 4
des Stellgliedes 2 geleitet. Wegen der größeren Fläche an
der Oberseite im Vergleich zu der Unterseite des
Differenzialkolbens 3 ergibt sich eine nach unten
gerichtete resultierende Kraft an dem Differenzialkolben 3,
die zu einer Öffnungsbewegung des Gaswechsel-Ventils 1
führt.
In einer zweiten Phase wird das mit Voll- oder Teilhub
(bestimmt durch die Öffnungsdauer des ersten Magnetventils)
geöffnete Gaswechsel-Ventil 1 statisch offengehalten. Dazu
wird bei weiterhin geschlossenem zweiten Magnetventil 7
auch das erste Magnetventil 6 geschlossen. Während dieser
Phase sind also beide Magnetventile 6, 7, d. h. der Zulauf
und der Ablauf der oberen Kammer 4, geschlossen.
Während einer dritten Phase führt das Gaswechsel-Ventil 1
eine Schließbewegung aus. Hierzu wird das erste
Magnetventil 6 geschlossen gehalten und das zweite
Magnetventil 7 geöffnet, so dass das Öl aus der oberen
Kammer 4 abfließen kann. Über den Öldruck in der unteren
Kammer 5 wirkt eine schließende Kraft auf die Unterseite
des Differenzialkolbens 3, wodurch dieser nach oben bewegt
und das Gaswechsel-Ventil 1 geschlossen wird.
Bei einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung
weist jedes Gaswechsel-Ventil 1 zum Öffnen und Schließen
einen eigenen Steller 10 auf. Bei einer Brennkraftmaschine
mit 4-Ventiltechnik hat jeder Zylinder zwei Einlaßventile
und zwei Auslaßventile für den Gaswechsel. Demzufolge
werden für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine acht
Magnetventile 6, 7 benötigt. Dementsprechend sind für eine
elektrohydraulische Gaswechsel-Ventilsteuerung einer 4-
Zylinder-Brennkraftmaschine bereits 32 Magnetventile nötig,
die elektrisch angesteuert werden müssen.
Um die Ansteuerung von Magnetventilen, insbesondere von
Magnetventilen 6, 7 zur Betätigung einer
elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung einer
Brennkraftmaschine, zu vereinfachen, schlägt die Erfindung
vor, das Magnetventil 6; 7 in einem drei Phasen umfassenden
Zyklus anzusteuern. Eine Anzugsphase dient zur Erzeugung
eines Anzugsstroms. Während der Anzugsphase wird das
Magnetventil 6; 7 für eine vorgegebene Zeitdauer an eine
erste Spannung U_1 vorgegebener Höhe angeschlossen. Eine
Haltephase dient zur Erzeugung eines Haltestroms, der
kleiner als der Anzugsstrom ist. Während der Haltephase
wird das Magnetventil 6; 7 an eine zweite niedrigere
Spannung U_2 vorgegebener Höhe angeschlossen. Während einer
Abschaltphase wird das Magnetventil 6; 7 von beiden
Spannungen U_1, U_2 getrennt.
Erfindungsgemäß wird der durch die Magnetspule des
Magnetventils 6; 7 fließende Strom also nicht geregelt
sondern gesteuert. Der durch die Magnetspule fließende
Strom stellt sich in Abhängigkeit von dem Spulenwiderstand
der Magnetspule und von der anliegenden Spannung U_1; U_2
ein.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform dargestellt.
Das anzusteuernde Magnetventil ist mit dem Bezugszeichen MV
bezeichnet. Das Magnetventil MV ist bspw. ein Magnetventil
6; 7 einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung
(vgl. Fig. 4), ein Einspritzventil oder ein Einlaß- oder
ein Auslaßventil einer Brennkraftmaschine. Ein erster
Anschluß 20 des Magnetventils MV ist über ein erstes
Schaltglied S_1 an die erste Spannung U_1 und über eine
erste Diode D_1 an die zweiten Spannung U_2 angeschlossen.
Die erste Diode D_1 dient der Entkopplung der ersten
Spannung U_1 von der zweiten Spannung U_2. Ein zweiter
Anschluß 21 des Magnetventils MV ist über eine zweite Diode
D_2 an die erste Spannung U_1 und über ein zweites
Schaltglied S_2 an Masse angeschlossen. Die zweite Diode
D_2 dient dem Stromabbau in dem Magnetventil MV und
gleichzeitig der Energierückgewinnung beim Übergang von der
ersten Phase zu der zweiten Phase, nachdem das Magnetventil
MV von beiden Spannungen U_1, U_2 getrennt worden ist.
Statt der zweiten Diode D_2 können natürlich beliebige
andere Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung
eingesetzt werden (z. B. Zenerdiode, R-C-Schaltung). Des
weiteren ist es denkbar, dass die zweite Diode D_2 statt
wie in Fig. 1 dargestellt, parallel zu dem Magnetventil MV
angeordnet wird.
Die erste Spannung U_1 wird durch einen als
Gleichspannungswandler 22 ausgebildeten
Spannungshochsetzsteller aus einer Bordnetzspannung U_batt
abgeleitet und stabilisiert. Die zweite Spannung U_2 wird
von einem als Gleichspannungswandler 23 ausgebildeten
Spannungstiefsetzsteller oder Spannungshochsetzsteller
ebenfalls aus der Bordnetzspannung U_batt abgeleitet und
stabilisiert. Die zweite Spannung U_2 ist deutlich
niedriger als die erste Spannung U_1. Das erste Schaltglied
S_1 und das zweite Schaltglied S_2 werden von
Ansteuerschaltungen 24, 25 angesteuert (gestrichelte
Linie).
In der Anzugsphase des Magnetventils MV wird die
Magnetspule durch Schließen der Schaltglieder S_1, S_2 für
eine vorgegebene Zeitdauer T_1 an die Spannungsquelle U_1
gelegt. Die Zeitdauer T_1 ist so bestimmt, dass der
notwendige Anzugsstrom für ein schnelles und sicheres
Anziehen des Ankers des Magnetventils MV erreicht wird.
Beim Übergang in die Haltephase werden die Schaltglieder
S_1, S_2 geöffnet. Der Strom wird dann über die zweite
Diode D_2 so weit wieder abgebaut (Diodenfreilauf), bis das
Haltestromniveau erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt (Beginn
der zweiten Phase) wird dann das zweite Schaltglied S_2
wieder geschlossen. Dadurch übernimmt die zweite Spannung
U_2 die Versorgung der Magnetspule des Magnetventils MV und
gewährleistet einen konstanten Haltestrom. Die Diode D_1
ist notwendig, um einen Kurzschluß von der ersten Spannung
U_1 zu der zweiten Spannung U_2 bei geschlossenem ersten
Schaltglied S_1 zu vermeiden.
Während der Abschaltphase wird bei geöffnetem ersten
Schaltglied S_1 auch das zweite Schaltglied S_2 geöffnet.
Die Folge ist ein schneller Stromabbau durch
Stromrückspeisung über die zweite Diode D_2 auf die erste
Spannung U_1 (hohes Potenzial). Aufgrund der
Stromrückspeisung über die zweite Diode D_2 ist mit der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein besonders
energieschonender Betrieb des Magnetventils MV möglich.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 stellt zudem einen
erheblichen Sicherheitsgewinn gegenüber den aus dem Stand
der Technik bekannten Schaltungsanordnungen zum Betrieb
eines Magnetventils dar. Das Magnetventil MV kann nämlich
nur dann anziehen, wenn beide Schaltglieder S_1 und S_2
geschlossen sind. Ein fehlerhaftes, unerwünschtes Anziehen
des Magnetventils MV würde bspw. ein Öffnen des Gaswechsel-
Ventils 1 auch zu Zeitpunkten ermöglichen, in denen sich
der Kolben des Zylinders der Brennkraftmaschine in seinem
oberen Totpunkt befindet. Dies könnte zu einer Kollision
zwischen dem Gaswechsel-Ventil 1 und dem Kolben führen, was
zu einer Beschädigung der Brennkraftmaschine führen könnte.
Dasselbe gilt für eine Kollision zwischen zwei Gaswechsel-
Ventilen desselben Zylinders der Brennkraftmaschine.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Der erste Anschluss 20 des Magnetventils MV
ist über das erste Schaltglied S_1 an die erste Spannung
U_1 und über das zweite Schaltglied S_2 und eine Diode D_3
an die zweite Spannung U_2 angeschlossen. Die Diode D_3 hat
die Aufgabe, die erste Spannung U_1 von der zweiten
Spannung U_2 zu entkoppeln. Der zweite Anschluss 21 des
Magnetventils MV ist an Masse angeschlossen. Obwohl in Fig. 2
nicht dargestellt, könnten natürlich auch in dieser
Schaltungsanordnung geeignete Mittel zum Stromabbau und zur
Energierückgewinnung vorgesehen werden, bspw. in Form einer
weiteren Diode (nicht dargestellt), die parallel zu dem
Magnetventil MV angeordnet wird.
In der Anzugsphase wird der Anker des Magnetventils MV
durch Schließen des ersten Schaltgliedes S_1 angezogen.
Während des Übergangs in die Haltephase wird das erste
Schaltglied S_1 geöffnet. Nachdem der Strom auf den
Haltewert abgesunken ist, wird das zweite Schaltglied S_2
geschlossen. Dadurch übernimmt die zweite Spannung U_2 die
Versorgung des Magnetventils MV. Während der Abschaltphase
wird das zweite Schaltglied S_2 geöffnet. Bei dieser
Ausführungsform wird in der Anzugsphase nur das erste
Schaltglied S_1 bestromt. Das zweite Schaltelement S_2 wird
während dieser Zeit nicht bestromt und hat demzufolge auch
keine elektrische Verlustleistung.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform
dargestellt. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich
von der in Fig. 1 dargestellten dadurch, dass auf den
Einsatz eines Spannungshochsetzstellers 22 oder eines
Spannungstiefsetzstellers 23 zum Ableiten der ersten
Spannung U_1 bzw. der zweiten Spannung U_2 aus der
Bordnetzspannung U_batt verzichtet wird. Bei der
Schaltungsanordnung aus Fig. 3 könnten die Schaltglieder
S_1 und S_2 statt wie in Fig. 1 auch wie in Fig. 2
angeordnet sein.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung geht von
einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs aus. Das 42
Volt-Bordnetz weist eine 42 Volt-Spannungsquelle 26 und
eine als 12 Volt-Spannungsquelle ausgebildete weitere
Spannungsquelle 27 auf. Statt der 12 Volt-Spannungsquelle
könnte auch eine 9 Volt- oder eine beliebige andere
Spannungsquelle vorgesehen sein. Die 42 Volt-Spannung wird
hauptsächlich zur Energieversorgung von leistungsstarken
Assistenzsystemen (x-by-wire-Systemen) in dem Kraftfahrzeug
herangezogen. Kraftfahrzeugsysteme mit geringerer
Leistungsaufnahme werden von der weiteren Spannungsquelle
mit Energie versorgt.
Die 42 Volt-Spannung der 42 Volt-Spannungsquelle 26 wird
als erste Spannung U_1 und die 12 Volt-Spannung der
weiteren Spannungsquelle 27 als zweite Spannung U_2
herangezogen. Während der Anzugsphase liegt an dem
Magnetventil MV die 42 Volt-Spannung und während der
Haltephase die 12 Volt-Spannung an. Am Ende der Haltephase
wird die 12 Volt-Spannung dann abgeschaltet. Mit Hilfe der
Schaltglieder S_1 und S_2 wird von der 42 Volt-Spannung auf
die 12 Volt-Spannung umgeschaltet und die 12 Volt-Spannung
dann abgeschaltet. Beide 42 V- und 12 V-Kreise können
hinsichtlich Dynamik und Verlustleistung optimiert werden.
Statt wie in den vorangegangenen Figuren dargestellt,
könnte die Ansteuerung des Magnetventils MV auch über einen
Entladekondensator (nicht dargestellt) erfolgen, der über
eine Spannungsquelle U_batt, 26 oder 27 aufgeladen wird,
nach einem Ansteuersignal von der Spannungsquelle U_batt,
26 oder 27 getrennt wird und dann das Magnetventil MV in
einer Entladekurve mit Energie versorgt. Zu Beginn der
Ansteuerung während der Anzugsphase liefert der
Entladekondensator eine relativ hohe Spannung, bspw. eine
42 Volt-Spannung. Während der Haltephase ist die
Kondensatorspannung dann abgefallen und hat bspw. 12 Volt
oder 9 Volt erreicht. Mit dieser niedrigeren Spannung wird
das Magnetventil dann während der Haltephase angesteuert.
Zur Kompensation des Temperaturgangs des Spulenwiderstands
der Magnetspule des Magnetventils MV kann eine Anpassung
des Niveaus der Spannungen U_1 und U_2 an die
Spulentemperatur vorgenommen werden. Dazu könnte die
Temperatur der Magnetspulen an einer repräsentativen Stelle
erfaßt werden. Durch diese Temperaturkompensation wird eine
adaptive Steuerung des durch die Magnetspule fließenden
Stromes auf einen konstanten Wert während der Anzugsphase
bzw. während der Haltephase möglich. Alternativ könnte der
durch die Magnetspule des Magnetventils MV fließende Strom
erfaßt und die Spannungen U_1 und/oder U_2 an den
Stromverlauf angepaßt werden.
Claims (15)
1. Verfahren zum Betrieb eines Magnetventils (MV),
insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen
Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder
eines Einlaß- oder Auslaßventils einer Brennkraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (MV) in einem
drei Phasen umfassenden Zyklus gesteuert beaufschlagt wird,
wobei das Magnetventil (MV) in einer Anzugsphase zur
Erzeugung eines Anzugsstroms für eine vorgegebene Zeitdauer
(T_1) an eine erste Spannung (U_1) vorgegebener Höhe
angeschlossen wird, in einer Haltephase zur Erzeugung eines
Haltestroms an eine zweite Spannung (U_2) vorgegebener Höhe
angeschlossen wird und in einer Abschaltphase von beiden
Spannungen (U_1, U_2) getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Spannung (U_1) durch Spannungshochsetzung
aus einer Bordnetzspannung (U_batt) abgeleitet und
stabilisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Spannung (U_2) durch
Spannungsabsenkung oder Spannungshochsetzung aus einer
Bordnetzspannung (U_batt) abgeleitet und stabilisiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass für die erste Spannung (U_1) eine 42 Volt-Spannung,
die in einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur
Verfügung steht, und als die zweite Spannung (U_2) eine
niedrigere Spannung, insbesondere eine 12 Volt-Spannung
oder eine 9 Volt-Spannung, die in dem 42 Volt-Bordnetz zur
Verfügung steht, herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spannungen (U_1, U_2) derart
variiert werden, dass der resultierende Anzugsstromverlauf
bzw. der resultierende Haltestrom konstant sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur der Magnetspule des Magnetventils (MV)
erfaßt wird und die Spannungen (U_1, U_2) an den
Temperaturgang des Spulenwiderstandes der Magnetspule
angepaßt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der durch eine repräsentative Magnetspule des
Magnetventils (MV) fließende Strom erfaßt wird und die
Spannungen (U_1, U_2) bei Abweichungen von einem
gewünschten Stromverlauf entsprechend angepaßt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Magnetventil (MV) in der
Anzugsphase durch Schließen von zwei Schaltgliedern (S_1,
S_2) an die erste Spannung (U_1) angeschlossen wird.
9. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Magnetventils
(MV), insbesondere zur Betätigung einer
elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines
Einspritzventils oder eines Einlaß- oder Auslaßventils
einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schaltungsanordnung eine erste Spannung (U_1) vorgegebener
Höhe, eine zweite Spannung (U_2) vorgegebener Höhe und zwei
Schaltglieder (S_1, S_2) zum Anlegen der ersten Spannung
(U_1) an das Magnetventil (MV) in der Anzugsphase, zum
Anlegen der zweiten Spannung (U_2) an das Magnetventil (MV)
in der Haltephase und zum Trennen des Magnetventils (MV)
von beiden Spannungen (U_1, U_2) in der Abschaltphase
aufweist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen
Spannungshochsetzsteller (22) zum Ableiten der ersten
Spannung (U_1) aus einer Bordnetzspannung (U_batt) und zum
Stabilisieren der ersten Spannung (U_1) aufweist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen
Spannungstiefsetzsteller (23) oder einen
Spannungshochsetzsteller zum Ableiten der zweiten Spannung
(U_2) aus einer Bordnetzspannung (U_batt) und zum
Stabilisieren der zweiten Spannung (U_2) aufweist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine 42 Volt-
Spannungsquelle (26), die in einem 42 Volt-Bordnetz eines
Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, zum Erzeugen der ersten
Spannung (U_1) und eine weitere Spannungsquelle (27),
insbesondere eine 12 Volt-Spannungsquelle oder eine 9 Volt-
Spannungsquelle, die in dem 42 Volt-Bordnetz zur Verfügung
steht, zum Erzeugen der zweiten Spannung (U_2) aufweist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss (20) des
Magnetventils (MV) über das erste Schaltglied (S_1) an die
erste Spannung (U_1) und über eine erste Diode (D_1) an die
zweite Spannung (U_2) angeschlossen ist und dass ein
zweiter Anschluss (21) des Magnetventils (MV) über Mittel
zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung an die erste
Spannung (U_1) und über das zweite Schaltglied (S_2) an
Masse angeschlossen ist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mittel zum Stromabbau und zur
Energierückgewinnung als eine zweite Diode (D_2)
ausgebildet sind.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss (20) des
Magnetventils (MV) über das erste Schaltglied (S_1) an die
erste Spannung (U_1) und über das zweite Schaltglied (S_2)
und eine Diode (D_3) an die zweite Spannung (U_2)
angeschlossen ist und dass ein zweiter Anschluss (21) des
Magnetventils an Masse angeschlossen ist.
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