DE10104754A1

DE10104754A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils

Info

Publication number: DE10104754A1
Application number: DE2001104754
Authority: DE
Inventors: Arthur Schneider; Gerhard Schreck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils (1), insbesondere eines Schaltventils, welches mindestens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand besitzt. Bei einem Schaltvorgang werden eine Spulenanordnung (2) und eine Ankereinrichtung (3) des Ventils (1) durch Beaufschlagen der Spuleanordnung (2) mit einer elektrischen Schaltfunktion (U, I) von einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung relativ zu einander bewegt. Die Schaltfunktion (U, I) jedes Schaltvorgangs wird durch Schaltparameter definiert. Es wird vor dem Schaltvorgang gegebenenfalls zumindest ein aktueller Wert eines Zustandsparameters der Spulenanordnung (2) ermittelt. Ferner werden vor dem Schaltvorgang in Abhängigkeit zumindest vom aktuellen Wert des Zustandsparameters der Spulenanordnung (2) Schaltparameter und/oder eine durch Schaltparameter definierte aktuelle Schaltfunktion (U, I) ermittelt. Durch Beaufschlagen der Spulenanordnung (2) mit der aktuellen Schaltfunktion (U, I) wird dann der aktuelle Schaltvorgang ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In technischen Anwendungen werden seit langem Ventile und/oder Hähne benutzt, um den Fluss fluider - also flüssiger oder gasförmiger - Medien in technischen Anlagen oder dergleichen zu steuern und/oder zu regeln. Oft steht dabei eine Vielzahl von Ventilen und/oder Hähnen über Leitungs- oder Rohrsysteme miteinander in Wechselwirkung. Es kommt dabei insbesondere auch darauf an, dass die Ventile und/oder Hähne zu einem wohldefinierten gewünschten und geplanten Zeitpunkt schalten und dabei in wohldefinierter Art und Weise von einem mechanische Zustand in einen wohl definierten anderen mechanischen Zustand übergehen und damit als Folge den Fluss des zu steuernden fluiden Mediums auf vorhersehbare und/oder reproduzierbare Art und Weise ändern.

In der Regel werden die verwendeten Ventile oder Hähne durch Steuersignale beeinflusst und geschaltet. Häufig vergeht vom Zeitpunkt der Steueraktion oder Abgabe des Steuersignals bis zum Abschluss der tatsächlichen Schalttätigkeit im angesprochenen Ventil oder Hahn eine gewisse Zeit, die als Ansprechtotzeit oder Totzeit der Zustandsänderung des Ventils oder Hahns bezeichnet wird.

Um diese Totzeiten möglichst gering zu halten, wurden die Mechanik und die Schaltmechanismen bei Ventilen und Hähnen verbessert. Besonders kurze Schaltzeiten und Ventiltotzeiten und auch hohe Ansprechempfindlichkeiten besitzen sogenannte elektromagnetische Ventile, Schaltventile oder Hähne. Bei diesen elektromagnetischen Ventilen werden die Steuersignale, die letztlich den Schaltvorgang auslösen, über elektromagnetische Schaltfunktionen - insbesondere über entsprechende Strom- oder Spannungspegel - realisiert.

Ein übliches elektromagnetisches Schaltventil ändert seinen Schaltzustand bei Beaufschlagung mit einer entsprechenden Schaltfunktion z. B. dadurch, dass durch die Schaltfunktion eine Spulenanordnung im Schaltventil angeregt wird, wodurch die Spulenanordnung ein Magnetfeld erzeugt, durch welches eine Wechselwirkung mit einem magnetischen Anker erzeugt wird, so dass der Anker und die Spulenanordnung des Ventils mittels elektromagnetischer Wechselwirkung und der dadurch entstehenden Wechselwirkungskräfte relativ zueinander bewegt werden, wodurch zumindest ein Flusskanal des Ventils oder Hahns in seinem Durchflussquerschnitt geändert werden kann.

Nachteilig bei derartigen elektromagnetischen oder elektromagnetisch gesteuerten Ventilen oder Hähnen ist, dass die mit dem elektromagnetischen Schaltsignal oder mit der elektromagnetischen Schaltfunktion beaufschlagten Spulenanordnungen aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Zustands- und Betriebsparameter der Spulenanordnung vom Betrieb und von den Umgebungsparametern keine ausreichend reproduzierbaren Schaltzeiten oder Totzeiten aufweisen, so dass ein vorhersagbares Verhalten bei einer Anordnung mit elektromagnetischen Ventilen oder Hähnen nur bedingt möglich ist.

Ändern sich z. B. die Spulenwiderstände aufgrund sich ändernder Umgebungstemperaturen oder auch durch den Betriebs- oder Steuerstrom des Ventils, so können sich die Ventiltotzeiten verlängern, weil die entsprechenden Schaltflanken der Betriebs- oder Steuerspannung, mit welcher die Spulenanordnung des Ventils beaufschlagt wird, aufgrund des mit der Temperatur steigenden elektrischen Widerstandes der Spulenanordnung erst zu einem späteren Zeitpunkt in der Spulenanordnung zu einem ausreichenden Ansprechstrom, mithin erst später zu einer entsprechenden magnetischen Flussdichte führt, wodurch eine Verzögerung im Schaltverhalten resultiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils zu schaffen, bei welchem auf besonders zuverlässige und doch einfache Art und Weise die tatsächlichen Schaltzeiten des Ventils gesteuert werden können.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils, welches mindestens einen ersten und einen zweiten Schaltzustand aufweist, werden bei einem Schaltvorgang in herkömmlicher Weise eine Spulenanordnung und eine Ankereinrichtung des Ventils durch beaufschlagen der Spulenanordnung mit einer elektromagnetischen Schaltfunktion zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung relativ zueinander bewegt, wobei die Schaltfunktion jedes Schaltvorgangs durch entsprechende Schaltparameter definiert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht nun vor, dass vor einem Schaltvorgang gegebenenfalls zumindest ein aktueller Wert eines Zustandsparameters der Spulenanordnung ermittelt wird. Ferner werden vor jedem Schaltvorgang in Abhängigkeit zumindest vom aktuellen Wert des Zustandsparameters der Spulenanordnung Schaltparameter und/oder eine durch Schaltparameter definierte aktuelle Schaltfunktion bestimmt. Des weiteren wird dann durch beaufschlagen der Spulenanordnung mit der aktuellen Schaltfunktion der aktuelle Schaltvorgang ausgeführt.

Eine Kernidee des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils besteht also darin, dass durch Ermittlung des aktuellen Zustands der Spulenanordnung vor Betätigung des Schaltvorgangs das zukünftige Schaltverhalten und somit auch die zu erwartende Ansprechtotzeit des elektromagnetischen Ventils bestimmt und/oder geplant wird. Durch Bestimmung der entsprechenden Schaltparameter in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand der Spulenanordnung oder des Ventils kann somit einer Verzögerung oder einem Anwachsen der Ansprechtotzeit vorgebeugt oder entgegengewirkt werden. Der tatsächliche Schaltvorgang wird dann auf der Grundlage einer Schaltfunktion realisiert, bei deren Bestimmung der aktuelle Zustand der Spulenanordnung oder des elektromagnetischen Ventils und die gewünschte Schaltzeit bereits eingeflossen sind, so dass dadurch z. B. eine bestimmte Ansprechtotzeit des elektromagnetischen Ventils nicht überschritten werden muss.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die elektrische Impedanz Z, der Ohmsche Widerstand R, der elektrische Ansprechstrom I_S, die Temperatur T der Spulenanordnung und/oder dergleichen als aktuelle Zustandsparameter bzw. deren aktuelle Werte bestimmt und/oder verwendet werden. Dadurch wird erreicht, dass alle nur denkbaren Einflüsse des Betriebs des elektromagnetischen Ventils oder auch der Umgebung, welche potentiell zu einer Veränderung der Ventiltotzeit oder der Schaltzeit des elektromagnetischen Ventils führen können, erfassbar und somit ausgleichbar sind.

Die elektrische (komplexe) Impedanz Z oder der Ohmsche Widerstand R der Spulenanordnung sind in der Regel abhängig von der Temperatur T der Spulenanordnung. Die Temperatur T der Spulenanordnung wird zum einen durch die Umgebungstemperatur - nämlich der Umgebung im weiteren Sinne aber auch des durch das Ventil hindurchfließenden Mediums - bestimmt. In der Regel steigt mit steigender Temperatur T der Spulenanordnung auch deren elektrische Impedanz Z und deren Ohmscher Widerstand R an, so dass bei einem vorgegebenen bestimmten Wert der Schaltspannung U gemäß dem Ohmschen Gesetz U = R I ein im Vergleich zu einer geringeren Umgebungstemperatur geringerer Erregungsstrom I in der Spulenanordnung zur Verfügung steht. Ein geringerer Erregungsstrom I hat aufgrund der Proportionalität zwischen elektrischem Erregungsstrom I und magnetischem Fluss Φ auch ein geringeres magnetisches Feld zur Folge. Insgesamt wird somit bei einem gegebenen Verlauf einer Schaltspannung U erst zu einem späteren Zeitpunkt t_S der für einen Schaltvorgang notwendige Ansprechstrom I_S und damit das entsprechende magnetische Feld in der Spulenanordnung erreicht, wodurch sich eine Verzögerung Δt_S des Schaltvorgangs gegenüber einer gewünschten oder geplanten Schaltzeit t₀ ergibt. Es ist gerade diese Verzögerung Δt_S - nämlich die Ansprechtotzeit Δt_S - die durch die Vorabbestimmung der entsprechenden Zustands- und Betriebsparameter zumindest teilweise unterdrückt oder ausgeglichen werden kann.

In vorteilhafter Weise werden als Schaltfunktionen insbesondere die Schaltspannung U und/oder der Schaltstrom I verwendet, wobei beide Größen über die elektrische Impedanz Z und insbesondere den elektrischen Widerstand R der Spulenanordnung miteinander funktional verknüpft sind.

Dabei wird insbesondere für einen Schaltvorgang als Schaltfunktion eine Schaltspannung bevorzugt, welche in ihrem zeitlichen Verlauf im wesentlichen zumindest abschnittsweise einer Rampenfunktion, einer Sprungfunktion oder dergleichen entspricht. Eine Rampen- oder Sprungfunktion sieht in ihrem zeitlichen Verlauf den Übergang von einem bestimmten Wert der Schaltfunktion - hier der Spannung - auf einen anderen bestimmten Wert vor, und zwar gerade in Form einer Rampe oder in Form eines Sprunges oder dergleichen. Dabei ist insbesondere ein zeitlicher Verlauf der Schaltspannung U(t) - kurz mit U bezeichnet - mit

vorteilhaft, wobei t die Zeit, t₀ die gewünschte oder geplante Schaltzeit, U₀ die maximale Schaltspannung, U_S die Ansprechspannung des Ventils und t_F der Anstiegszeitpunkt der Schaltspannung U bedeuten. In der praktischen Anwendung heißt das, bei t₀ und t_F die Rampe der Schaltspannung U beginnt bzw. endet. Dabei wird von einer bestimmten Anfangsspannung - hier z. B. Null - ausgehend, eine bestimmte andere Spannung U₀ eingestellt, wobei im Übergang vom Anfangswert zum Endwert U₀ diejenige Ansprechspannung U_S erreicht wird, welche über das Ohmsche Gesetz U_S = R I_S mit dem Ansprechstrom I_S in funktionalem Zusammenhang steht. Der Ansprechstrom I_S ist gerade derjenige Erregungsstrom in der Spulenanordnung, welcher zu einem magnetischen Fluss Φ führt, der ausreichend ist, die Ankereinrichtung des Ventils zu bewegen und damit den Schaltvorgang auszulösen.

Aufgrund der vorgenannten Zusammenhänge ist es also notwendig, den Ansprechstrom I_S und den Ohmschen Widerstand R der Spulenanordnung zu kennen, um die maximale Schaltspannung U₀ oberhalb der entsprechenden Ansprechspannung U_S des Ventils wählen zu können.

Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für einen Schaltvorgang als Schaltfunktion eine Schaltspannung U verwendet, welche in ihrem zeitlichen Verlauf im wesentlichen einer Rampenfunktion mit

für t_F < t < t₀ entspricht, wobei t die Zeit, t₀ der gewünschte oder geplante Schaltzeitpunkt, U₀ die maximale Schaltspannung und t_F der Anstiegszeitpunkt der Schaltspannung U bedeuten. Hierdurch wird erreicht, dass die Schaltspannung U zwischen den Zeitpunkten t₀ und t_F linear ansteigt. Dies ist eine besonders zweckmäßige und einfach zu realisierende Schaltfunktion oder Schaltflanke.

Als Ansprechtotzeit Δt_S des Ventils bezeichnet man diejenige Zeit, die vom gewünschten Schaltzeitpunkt t₀ verstreicht, bis das Ventil zum tatsächlichen Schaltzeitpunkt t_S tatsächlich schaltet, bis also die Ansprechspannung U_S und mithin der Ansprechstrom I_S für das elektromagnetische Ventil erreicht sind. Die Ansprechtotzeit ist also definiert zu

Δt_S = t_S - t₀. (3)

Um diese Ansprechtotzeit Δt_S anzupassen, ist es vorteilhafterweise beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den Zustandsparametern, insbesondere vorm Ohmschen Widerstand R der Spulenanordnung des Ventils für einen Schaltvorgang für die Schaltspannung U eine entsprechende maximale Schaltspannung U₀ gewählt wird, wobei insbesondere

gilt und wobei Δt_F die Anstiegszeitdauer der Schaltspannung U

Δt_F = t_F - t₀ (5)

vom Anfangswert zum Maximalwert U₀ und I_S der Ansprechstrom des Ventils bedeuten. Grundsätzlich sind bei diesem Vorgehen zunächst der Ohmsche Widerstand R und der Ansprechstrom I_S der Spulenanordnung oder des elektromagnetischen Ventils als Zustands- und Betriebsparameter zu ermitteln.

Eine Steuereinrichtung gibt beim Betrieb, d. h. beim Schaltvorgang, eine bestimmte Steilheit des Schaltsignals, insbesondere in Form der Anstiegszeitdauer Δt_F, vor. Soll nun der tatsächliche Schaltzeitpunkt t_S des Ventils zeitlich nicht später als zur Ansprechtotzeit Δt_S von t₀ ausgehend liegen, so muss als maximale Schaltspannung U₀ der in Formel (4) angegebene Zusammenhang ausgewertet werden. Es wird dadurch erreicht, dass trotz Erhöhung des Widerstandes R der Spulenanordnung oder des elektromagnetischen Ventils durch gleichzeitige Erhöhung oder Anpassung der maximalen Schaltspannung U₀ die Ventiltotzeit oder Ansprechtotzeit Δt_S nicht verschlechtert oder verlängert wird.

Statt der Erhöhung der maximalen Schaltspannung U₀ kann bei einer Veränderung des Ohmschen Widerstandes R der Spulenanordnung oder des Ventils auch der Beginn der Schaltfunktion zeitlich vorverlegt werden, so dass praktisch eine avancierte Schaltfunktion verwendet wird. Dabei ist es von Vorteil, dass in Abhängigkeit von den Zustandsparametern, insbesondere vom Ohmschen Widerstand R, der Spulenanordnung des Ventils für einen Schaltvorgang die Schaltspannung U zu einem gegenüber einem gewünschten Beginn t₀ um eine definierte Zeitspanne Δt_V vorverlegten Schaltzeitpunkt t_V angewandt wird, insbesondere gemäß

um die Ansprechtotzeit Δt_S des Ventils anzupassen, wobei Δt_F die Anstiegszeitdauer der Schaltspannung U und I_S der Ansprechstrom des Ventils bedeuten. Das bedeutet, dass bei bekannten Parametern Δt_F, I_S, R und U₀, wobei in der Regel nur R veränderlich ist, Δt_S gemäß Formel (7) so gewählt werden kann, dass das tatsächliche Schalten zwischen t₀ und t_S erfolgt.

Um den Ohmschen Widerstand R der Spulenanordnung zu bestimmen, ist es vorgesehen, dass als aktueller Zustandsparameter der Spulenanordnung des Ventils deren Temperatur T ermittelt wird. Aus der Temperatur T und einem vorgegebenen Zusammenhang R = R(T) zwischen der Temperatur T und dem Ohmschen Widerstand R wird der aktuelle Wert des Ohmschen Widerstands R der Spulenanordnung ermittelt. Dabei ist vorzugsweise der Zusammenhang zwischen der Temperatur T und dem Ohmschen Widerstand R der Spulenanordnung als Eichkurve vorgesehen, wobei selbstverständlich die Materialeigenschaften der Spulenanordnung und/oder des Ventils bekannt sind.

Somit können durch Temperaturmessung und durch Nachschlagen in einer Tabelle oder Eichkurve der aktuelle Wert des Ohmschen Widerstands R der Spulenanordnung bestimmt und über die bereits diskutierten Zusammenhänge zwischen Widerstand R und Ansprechtotzeit Δt_S entsprechende Vorkehrungen zur Kompensation der Ansprechtotzeit Δt_S getroffen werden.

Statt des Ausnutzens des Temperatur-Widerstand-Zusammenhangs R = R(T), kann auch der Ohmsche Widerstand R der Spulenanordnung oder elektromagnetischen Ventils direkt ermittelt werden.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass als aktueller Zustandsparameter der Spulenanordnung des Ventils deren Ohmscher Widerstand R ermittelt wird, und zwar indem vor einem Schaltvorgang die Spulenanordnung mit einem, insbesondere gegenüber dem Schaltstrom I_S kleinen, Vorstrom I_v vorbeaufschlagt, die korrespondierende Vorspannung U_V ermittelt und der Ohmsche Widerstand R als Quotient der Vorspannung U_V und des Vorstroms I_V gemäß R = U_V/I_V bestimmt wird. Dabei ist es insbesondere auch vorteilhaft, wenn als Vorstrom I_V ein Wert gewählt wird, der gerade unterhalb des Schaltstroms I_S liegt. Dann nämlich wird erreicht, dass durch die Ohmschen Verluste in der Spulenanordnung die Spulenanordnung selbst bereits auf eine bestimmte Temperatur T gebracht wird, die sich dann durch weitere Steigerung des Schaltstroms auf den Wert des Ansprechstroms I_S oder darüber hinaus auf das Maximum I₀ = U₀/R in der Regel nicht nennenswert verändert.

Es ist ferner insbesondere vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den Zustandsparametern, insbesondere vom Ohmschen Widerstand R der Spulenanordnung des Ventils für einen Schaltvorgang als Schaltfunktion eine Schaltspannung U gewählt wird, bei welcher vor einem gewünschten Schaltzeitpunkt t₀ die Spulenanordnung des Ventils mit einer gegenüber einer Ansprechspannung U_S des Ventils kleineren elektrischen Vorspannung U_V vorbeaufschlagt wird, so dass die Spulenanordnung einen unterhalb des Ansprechstroms I_S liegenden Vorstrom I_V erfährt, insbesondere gemäß

U_V ≦ U_S = R.I_s. (8)

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigen

Fig. 1A, 1B eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines elektromagnetisches Ventils in einem ersten und einem zweiten Schaltzustand, welche durch Anwendung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden,

Fig. 2A, 2B Diagramme der zeitlichen Verläufe der Schaltspannung bzw. des Schaltstroms bei Anwendung eines herkömmlichen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils,

Fig. 3A, 3B Diagramme der zeitlichen Verläufe der Schaltspannung bzw. des Schaltstroms bei Anwendung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils,

Fig. 4A, 4B Diagramme der zeitlichen Verläufe der Schaltspannung und des Schaltstroms bei Anwendung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils und

Fig. 5A, 5B Diagramme der zeitlichen Verläufe der Schaltspannung und des Schaltstroms beim Anwenden eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils.

Die Fig. 1A und 1B zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht ein elektromagnetisches Ventil 1 in einem ersten Schaltzustand bzw. in einem zweiten Schaltzustand, welche durch Anwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Ventils erreicht werden.

Das elektromagnetische Ventil 1 der Fig. 1A und 1B weist ein Gehäuse 7 auf, in welches ein entsprechender Durchflusskanal oder -bereich 5 für das fluide Medium eingearbeitet ist. Der Durchflusskanal 5 ist mittels eines Sperrelements 10 verschließbar. Das Sperrelement 10 ist als Teil einer Ankereinrichtung 3 des Ventils 1 ausgebildet.

In dem in Fig. 1A gezeigten ersten Schaltzustand des elektromagnetischen Ventils 1 verschließt das Verschlusselement 10 den Flusskanal 5. Dies geschieht dadurch, dass die Ankereinrichtung 3 durch Federelemente 4 gegen die vordere Gehäusewand 7a gedrückt wird und sich dort gegen diese abstützt, wodurch das Verschlusselement 10 den Flusskanal 5 versperrt und ihn mittels der Dichtung 6, welche ebenfalls im Gehäuse 7 des Ventils 1 integriert ausgebildet ist, dicht abschließt.

In dem in Fig. 1B gezeigten Schaltzustand des Ventils 1 ist die ebenfalls im Gehäuse 7 des Ventils 1 angeordnete Spulenanordnung 2 mit einer entsprechenden elektromagnetischen Schaltfunktion beaufschlagt worden. Dadurch hat sich insbesondere auch im Bereich 3a, dem Spulenzwischenraum, ein entsprechendes Magnetfeld ausgebildet durch welches die Ankereinrichtung 3, welche selbst permanent magnetisch ausgebildet ist, in den Spulenzwischenraum 3a hineingezogen wird, wobei die Federelemente 4 entsprechend zusammengedrückt werden.

Beim Abschalten der elektromagnetischen Schaltfunktion von der Spulenanordnung 2 fällt das magnetische Feld in der Spulenanordnung 2 ab und die elastischen Kräfte der Federelemente 4 treiben die Ankereinrichtung 3 in die in Fig. 1A gezeigte Stellung zurück, wobei der zuvor vom Sperrelement 10 freigegebene Flusskanal 5 abermals verschlossen wird.

Die Fig. 2A und 2B zeigen in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Schaltspannung U(t) bzw. des Schaltstroms I(t) bei einem herkömmlichen Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils.

Der gewünschte Schaltzeitpunkt t₀ ist hier und im folgenden - nämlich auch den Fig. 3a bis 5b - der Einfachheit halber immer als Zeitnullpunkt gewählt worden. Bis zum Zeitpunkt t₀ hat die Schaltspannung U(t) - im folgenden kurz U genannt - den Wert Null. Entsprechend weist der Schaltstrom I(t) - im folgenden kurz mit I bezeichnet - ebenfalls den Wert Null auf.

Beginnend mit dem Zeitpunkt t₀ wird der Spulenanordnung 2 eine linear ansteigende Schaltspannung U aufgeprägt, wobei der Anstieg durch die Anstiegszeit Δt_F definiert ist - siehe Formel (5) - mit t₀ beginnt und mit dem Anstiegszeitpunkt t_F endet, bei welchem die Schaltspannung U ihren maximalen Wert U₀ erreicht. Entsprechend verläuft auch der Schaltstrom I zwischen dem Zeitpunkt t₀ für die Anstiegsdauer oder - seit Δt_F bis zum Anstiegszeitpunkt t_F in etwa linear, beginnend mit dem Wert Null und endend mit dem maximalen Schaltstrom I₀ = U₀/R.

Zum Zeitpunkt t_S - dem tatsächlichen Schaltzeitpunkt - erreicht die Schaltspannung U einen bestimmten Wert U_S, bei welchem sich gemäß I_S = U_S/R gerade der Ansprechstrom I_S der Spulenanordnung 2 des Ventils 1 einstellt. Demzufolge schaltet zum Zeitpunkt t_S das Ventil 1, entsprechend werden U_S und I_S Schaltspannung bzw. Schaltstrom genannt. Die Zeitdauer von t₀ bis zum Schaltzeitpunkt t_S wird Ventiltotzeit, Schalttotzeit oder Ansprechtotzeit Δt_S genannt.

In den Diagrammen der Fig. 3A und 3B werden der zeitliche Verlaufe der Schaltspannung U(t) bzw. des Schaltstroms I(t) für die Anwendung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Kurven S1, S3 bzw. S2, S4 schematisch dargestellt.

Die Kurve S1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Schaltspannung U, wie er bereits in der Fig. 2A dargestellt ist. Unter normalen Umständen würde der Verlauf gemäß Kurve S1 zu einem zeitlichen Verlauf des Schaltstroms I führen, wie er in der Fig. 3B mit der Kurve S2 veranschaulicht wird.

Erhöht sich aufgrund bestimmter Einflüsse - z. B. Temperaturanstieg in der Spulenanordnung 2 - der Ohmsche Widerstand R der Spulenanordnung 2, so wird anstelle des mit der Kurve S2 gezeigten Verlaufs des Schaltstroms I tatsächlich der in Kurve S4 gezeigte Verlauf des Schaltstroms I erreicht. Das bedeutet, dass der für den Verlauf S4 gefundene tatsächliche Schaltzeitpunkt t'_S später liegt als der ursprüngliche tatsächliche Schaltzeitpunkt t_S des ursprünglichen Verlaufs S2 des Schaltstroms. Dies liegt am Absinken des maximalen Schaltstroms vom Wert I₀ auf den Wert I'₀. Dadurch vermindert sich die Steilheit der Schaltflanke des Schaltstroms I und der Ansprechstrom I_S wird eben erst zum späteren Zeitpunkt t'_S erreicht.

Um diese Verzögerung t'_S-t_S zu vermeiden wird in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils die maximale Schaltspannung vom Wert U₀ auf einen höheren Wert U'₀ geändert, so dass sich der in Fig. 3A gezeigte Verlauf der S3 ergibt. Dieser neue Verlauf S3 für die Schaltspannung U kann durch Wahl der neuen maximalen Schaltspannung U'₀ so gewählt werden, dass Verschiebung der tatsächlichen Schaltzeit zum späteren Zeitpunkt t'_S hin und damit eine Erhöhung der Ansprechtotzeit nicht erfolgt, sondern dass sich für den Schaltstrom I z. B. wieder der in Fig. 3B gezeigte Verlauf S2 ergibt mit dem ursprünglichen Schaltzeitpunkt t_S. Es sind aber auch andere Verläufe für U' oder I' denkbar, bei welchen eine Verzögerung des Schaltzeitpunktes vermieden wird. Damit wird erreicht, dass trotz Erhöhung des Ohmschen Widerstandes R der Spulenanordnung 2 durch gleichzeitiges Erhöhen der maximalen Schaltspannung auf den Wert U'₀ der tatsächliche Schaltzeitpunkt des Ventils bei t_S verbleibt und sich folglich die Ansprechtotzeit Δt_S nicht erhöht.

Durch weitere Erhöhung der maximalen Schaltspannung auf einen Wert jenseits von U'₀ kann natürlich auch eine Verschiebung der tatsächlichen Schaltzeit t_S weiter zum gewünschten Schaltzeitpunkt t₀ hin erreicht werden.

Die Diagramme der Fig. 4A und 4B zeigen den zeitlichen Verlauf der Schaltspannung U und bzw. des Schaltstromes I bei der Anwendung eines anderen Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens und illustrieren dabei die Möglichkeiten der Verringerung der Ventiltotzeit Δt_S durch Verwendung einer avancierten Schaltspannung U(t).

In der Fig. 4A ist mit der Kurve S1 der ursprüngliche zeitliche Verlauf der Schaltspannung U - wie er auch in der Fig. 2A gezeigt ist - dargestellt. Entsprechend zeigt die Fig. 4B mit der Kurve S2 den zur Schaltspannung U(t) gehörigen Schaltstrom I(t), welcher vom gewünschten Schaltzeitpunkt t₀ ausgehend nach der Ansprechtotzeit Δt_S zum tatsächlichen Schaltpunkt t_S den Wert des Ansprechstroms I_S erreicht, so dass das Ventil zum Zeitpunkt t_S schaltet.

Soll dieser tatsächliche Schaltzeitpunkt t_S weiter auf den gewünschten Schaltzeitpunkt t₀ hin vorverlegt werden, so kann dies dadurch erreicht werden, dass anstelle des in Kurve S1 in Fig. 4A gezeigten Verlaufs der mit der Kurve S3 in Fig. 4A gezeigte Verlauf für die Schaltspannung U verwendet wird. Gegenüber dem Verlauf S1 beginnt der Verlauf S3 nicht beim Zeitpunkt t₀ mit dem Spannungsanstieg, sondern beim Zeitpunkt t_V, welcher gegenüber dem ursprünglich gewünschten Schaltzeitpunkt t₀ um eine Zeitspanne Δt_V vorverlegt ist. Entsprechend findet auch der Anstieg des Schaltstroms I um dieselbe Zeitspanne Δt_V gegenüber dem ursprünglichen Zeitpunkt t₀ vorverlegt statt, so wie das mit dem Verlauf der Kurve S4 in Fig. 4B gezeigt ist.

Zum Zeitpunkt t'_S erreicht die Schaltspannung U des Verlaufs S3 den Wert Ansprechspannung U_S, bei welchem der Schaltstrom I gerade den Wert des Ansprechstroms I_S erreicht, das Ventil schaltet also beim neuen tatsächlichen Schaltzeitpunkt t'_S. Dieser neue tatsächliche Schaltzeitpunkt t'_S ist gegenüber dem ursprünglichen tatsächlichen Schaltzeitpunkt t_S ebenfalls um die Zeitspanne Δt_V vorverlegt. Die maximal erreichten Schaltspannungen und Schaltströme U₀ und I₀ bleiben bei dieser Vorgehensweise unverändert, es wird ausschließlich der Beginn der Schaltfunktion vorverlegt.

Die Diagramme der Fig. 5A und 5B zeigen den zeitlichen Verlauf von Schaltspannung U bzw. Schaltstrom I für ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils.

Mit dem Verlauf der Kurve S1 in Fig. 5A ist der ursprünglich auch in Fig. 2A beschriebene zeitliche Verlauf der Schaltspannung U dargestellt. Der Verlauf S2 in Fig. 5B zeigt den entsprechenden Verlauf des Schaltstroms I.

Eine Vorverlegung des tatsächlichen Schaltzeitpunktes t_S des Ventils auf den ursprünglich gewünschten Zeitpunkt t₀ hin, und zwar auf einen neuen tatsächlichen Schaltzeitpunkt t'_S < t_S, kann erreicht werden, indem gemäß dem zeitlichen Verlauf S3 in Fig. 5A die Schaltspannung nicht beim Wert Null beginnt (wie bei S1), sondern bei einem vorgegebenen Wert U_V < U_S, welcher also unterhalb der Ansprechspannung U_S liegt. Wie mit dem Verlauf S4 in Fig. 5B gezeigt ist, beginnt dann der Schaltstrom I vor t₀ ebenfalls einen von Null verschiedenen Vorstrom I_V welcher unterhalb des Ansprechstroms I_S der Spulenanordnung bzw. des elektromagnetischen Ventils liegt mit I_V = U_V/R

Wird nun ab dem Zeitpunkt t₀ der Wert der Schaltspannung U mit der ursprünglichen Steigung des Verlaufs S1 aus Fig. 5A auf den Wert der maximalen Schaltspannung U₀ geregelt, so wird bereits beim vorverlegten neuen tatsächlichen Schaltzeitpunkt t'_S der Wert der Ansprechspannung U_S und mithin beim Schaltstrom der entsprechende Ansprechstrom I_S erreicht, das Ventil schaltet früher.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Ventil

2

Spulenanordnung

3

Ankereinrichtung

3

a Spulenzwischenraum

4

Federelement

5

Flusskanal

6

Dichtung

7

Gehäuse

7

a Gehäusewand

10

Sperrelement
t Zeit
t₀

gewünschter Schaltzeitpunkt
t_S

tatsächlicher Schaltzeitpunkt
t_F

Anstiegszeitpunkt
Δt_S

Ansprechtotzeit
Δt_F

Anstiegszeit
U Schaltspannung
U₀

Maximalwert der Schaltspannung
U_S

Ansprechspannung
I Schaltstrom
I₀

Maximalwert des Schaltstroms
I_S

Ansprechstrom
Φ magnetischer Fluss
B magnetische Flussdichte

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Ventils (1), insbesondere eines Schaltventils, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Schaltzustand, bei welchem bei einem Schaltvorgang eine Spulenanordnung (2) und eine Ankereinrichtung (3) des Ventils (1) durch Beaufschlagen der Spulenanordnung (2) mit einer elektrischen Schaltfunktion (U, I) von einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung relativ zu einander bewegbar sind und bei welchem die Schaltfunktion (U, I) jedes Schaltvorgangs durch Schaltparameter definiert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass vor einem Schaltvorgang gegebenenfalls zumindest ein aktueller Wert eines Zustandsparameters der Spulenanordnung (2) ermittelt wird,
dass vor dem Schaltvorgang in Abhängigkeit zumindest vom aktuellen Wert des Zustandsparameters der Spulenanordnung (2) Schaltparameter und/oder eine durch Schaltparameter definierte aktuelle Schaltfunktion (U, I) ermittelt wird und dass durch Beaufschlagen der Spulenanordnung (2) mit der aktuellen Schaltfunktion (U, I) der aktuelle Schaltvorgang ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als aktuelle Zustandsparameter die elektrische Impedanz (Z), der Ohmsche Widerstand (R), der elektrische Ansprechstrom (I_S), die Temperatur (T) der Spulenanordnung (2) oder dergleichen bestimmt und/oder verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltfunktion die Schaltspannung (U) und/oder der Schaltstrom (I) verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Schaltvorgang als Schaltfunktion eine Schaltspannung (U) verwendet wird, welche in ihrem zeitlichen Verlauf im wesentlichen zumindest abschnittsweise einer Rampenfunktion, Sprungfunktion oder dergleichen entspricht, insbesondere mit
wobei t die Zeit, t₀ der gewünschte Schaltzeitpunkt, U₀ die maximale Schaltspannung, U_S die Ansprechspannung des Ventils (1) und t_F der Anstiegszeitpunkt der Schaltspannung (U) bedeuten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Schaltvorgang als Schaltfunktion eine Schaltspannung (U) verwendet wird, welche in ihrem zeitlichen Verlauf im wesentlichen einer Rampenfunktion mit
für t_F < t < t₀ entspricht, wobei t die Zeit, t₀ der gewünschte Schaltzeitpunkt, U₀ die maximale Schaltspannung und t_F der Anstiegszeitpunkt der Schaltspannung (U) bedeuten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Zustandsparametern, insbesondere vom Ohmschen Widerstand (R), der Spulenanordnung (2) des Ventils (1) für einen Schaltvorgang für die Schaltspannung (U) eine entsprechende maximale Schaltspannung (U₀) gewählt wird, insbesondere gemäß
um die Ansprechtotzeit (Δt_S) des Ventils (1) anzupassen, wobei Δt_F die Anstiegszeitdauer der Schaltspannung (U) und I_S der Ansprechstrom des Ventils (1) bedeuten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Zustandsparametern, insbesondere vom Ohmschen Widerstand (R), der Spulenanordnung (2) des Ventils (1) für einen Schaltvorgang die Schaltspannung (U) zu einem gegenüber einem gewünschten Schaltzeitpunkt (t₀) um eine definierte Vorzeitspanne (Δt_V) vorverlegten Schaltzeitpunkt (t_V) angewandt wird, insbesondere gemäß
um die Ansprechtotzeit (Δt_S) des Ventils (1) anzupassen, wobei Δt_F die Anstiegszeitdauer der Schaltspannung (U) und I_S der Ansprechstrom des Ventils (1) bedeuten.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass als aktueller Zustandsparameter der Spulenanordnung (2) des Ventils (1) deren Temperatur (T) ermittelt wird und dass aus der Temperatur (T) und einem, insbesondere als Eichkurve, vorgegebenen Zusammenhang zwischen Temperatur (T) und Ohmschem Widerstand (R) der aktuelle Wert des Ohmschen Widerstands (R) der Spulenanordnung (2) ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aktueller Zustandsparameter der Spulenanordnung (2) des Ventils (1) deren Ohmscher Widerstand (R) ermittelt wird, indem vor einem Schaltvorgang die Spulenanordnung (2) mit einem, insbesondere gegenüber dem Schaltstrom (I_S) kleinen, Vorstrom (I_V) vorbeaufschlagt, die korrespondierende Vorspannung (U_V) ermittelt und der Ohmsche Widerstand (R) als Quotient aus Vorspannung (U_V) und Vorstrom (I_V) bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Zustandsparametern, insbesondere vom Ohmschen Widerstand (R), der Spulenanordnung (2) des Ventils (1) für einen Schaltvorgang als Schaltfunktion eine Schaltspannung (U) gewählt wird, bei welcher vor einem gewünschten Schaltzeitpunkt (t₀) die Spulenanordnung (2) des Ventils (1) mit einer gegenüber einer Ansprechspannung (U_S) des Ventils (1) kleineren elektrischen Vorspannung (U_V) vorbeaufschlagt wird, so dass die Spulenanordnung (2) einen unterhalb des Ansprechstroms (I_S) liegenden Vorstrom (I_V) erfährt, insbesondere gemäß U_V < U_S = R I_S.