DE102008006706A1 - Verfahren zur Ansteuerung von Magnetventilen - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren und ein Steuergerät zur Ansteuerung von Magnetventilen vorgestellt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass zur Detektion eines Hubanschlags ein Strom zur Detektion eines Übergangs in einen passiven Schaltzustand aufgebaut wird, wobei in einem Magnetfeld des Magnetventils noch inhärent gespeicherte Energie zum Aufbau des Stroms genutzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verfahren und ein Steuergerät zum Ansteuern von Magnetventilen sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
  • Stand der Technik
  • Magnetventile werden bspw. für die Steuerung von Kraftstoffeinspritzpumpen eingesetzt. Bei diesen ist es notwendig, den Öffnungs- und Schließzeitpunkt sowie das Öffnungsende der Ventilnadel möglichst genau einzuhalten, um die Menge des zugeführten Kraftstoffs präzise bestimmen zu können.
  • Bei Magnetventilen beeinflusst die Bewegung des Ventilelements den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung der Erregerspule solcher Magnetventile. Dabei können aus dem Verlauf eines Spulenstroms bei konstanter Spannung oder aus dem Verlauf der Spulenspannung bei konstantem Spulenstrom Rückschlüsse auf den Hubverlauf des Ventilelements gezogen werden. Insbesondere schnelle Geschwindigkeitsänderungen des Ventilelements können gut detektiert werden. Diese schnellen Geschwindigkeitsänderungen treten bei Erreichen des Hubanschlags für den aktiven Schaltzustand des Ventils und bei Erreichen des Dichtsitzes, üblicherweise beim Übergang in den passiven Schaltzustand des Ventils, auf.
  • Verfahren zur Detektion solcher Anschlagereignisse sind bekannt. In der Druckschrift DE 36 09 599 A1 ist bspw. ein Verfahren zur Steuerung der Entregungszeit von elektromagnetischen Einrichtungen, insbesondere von elektromagnetischen Ventilen bei Brennkraftmaschinen, bekannt. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass der Erregungsstrom der elektromagnetischen Einrichtung ausgehend von einem Haltestrom entsprechenden hohen Wert innerhalb der Dauer eines für die Öffnung des Ventils vorgesehenen Zeitabschnitts zumindest zeitweilig auf einen unterhalb des Haltestromniveaus liegenden niedrigeren jedoch positiven Wert gesenkt wird.
  • Es ist zu beachten, dass bei Erreichen eines Anschlags im aktiven Schaltzustand die Spule des Ventils ohnehin bestromt ist und bei Erreichen des Anschlags für den passiven Schaltzustand, wobei dieser Anschlag der Dichtsitz des Ventils bildet, die Spule normalerweise stromlos ist.
  • Um das Anschlagereignis detektieren zu können, muss deshalb bei allen bekannten Verfahren vor dem Anschlagereignis nochmals aktiv ein Spulenstrom aufgebaut werden. Dies erfolgt entweder durch das kurzzeitige Anlegen einer Spannung, bspw. aus der Fahrzeugbatterie oder aus einem Kondensator, oder durch das Einprägen eines Stroms oder einer Spannung über eine linear geregelte Endstufe. In jedem Fall geht der nochmalige Aufbau des Stroms mit einer Energieentnahme aus dem Steuergerät einher und der Stromverlauf bzw. das erreichte Stromniveau ist von der Genauigkeit der von dem Steuergerät bereitgestellten Ansteuerspannungen abhängig.
  • Es wird daher angestrebt, den Aufbau des Stroms zur Detektierung des Hubanschlags im passiven Schaltzustand des Ventils ohne jegliche Energieentnahme aus dem Steuergerät zu erreichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ansteuerung von Magnetventilen und dabei zur Detektion eines Hubanschlags eines Magnetventils, bei dem ein Strom zur Detektion eines Übergangs in einen passiven Schaltzustand aufgebaut wird, wobei in einem Magnetfeld des Magnetventils noch inhärent gespeicherte Energie zum Aufbau des Stroms genutzt wird.
  • Das vorgestellte Verfahren nutzt somit die Tatsache, dass zum Zeitpunkt des Verlöschens des Spulenstroms am Ende der Ansteuerung das Magnetfeld in dem Ventil noch nicht erloschen ist. Vielmehr führt der schnelle Stromabbau in der Spule dazu, dass sich im Kernmaterial und im Anker des Magnetventils Wirbelströme aufbauen, die so gerichtet sind, dass sie einem Abbau des ursprünglich vorhandenen Magnetfelds entgegenwirken. Bedingt durch den ohmschen Widerstand der Wirbelstrompfade wird in der Spule nun bei einem Spulenstrom null eine negative Spannung induziert, die sowohl ein Abklingen der Wirbelströme als auch ein Abklingen des noch vorhandenen Magnetfelds bewirkt.
  • In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zum Aufbau des Spulen- bzw. Sensorstroms nach einer kurzen Strompause in den Schaltzustand "Freilauf" geschaltet wird. Die Spulenspannung kann somit nicht länger negativ sein. Es wird statt dessen die Spannung null an die Spule angelegt. Folglich kommutiert ein großer Teil der Wirbelströme aus Kern und Anker zurück in die Spule. Das auf diese Weise erreichte Spulenstromniveau ergibt sich aus dem zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs im Magnetventil noch vorhandenen Magnetfeld. Dabei ist die Bezeichnung "Spannung null" eine Vereinfachung, da real der negative Spannungsabfall am Kabelbaum und am Freilaufpfad des Steuergeräts noch an der Spule anliegt. Dies ist aber ein unvermeidbarer, nicht gewollter Effekt.
  • Da von dem Steuergerät lediglich die Spannung null angelegt wird, erfolgt keine erneute Einspeisung von Energie in das Magnetventil und daher auch kein erneuter Magnetkraftanstieg. Zum Aufbau des Spulen- bzw. Sensorstroms wird lediglich die im Magnetfeld des Magnetventils noch inhärent gespeicherte Energie genutzt. Aufgrund der Tatsache, dass lediglich der Schaltzustand "Freilauf" zum Aufbau des Sensorstroms genutzt wird, ist der Stromaufbau unabhängig von der Versorgungsspannung oder der Spannung eines Speicherkondensators in dem Steuergerät.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Strompause zwischen Erlöschen des Ansteuerstroms und Schalten in den Freilauf auf null oder negativ gesetzt wird. Im ersten Fall wird unmittelbar bei Erreichen des Spulenstroms null in den Freilauf geschaltet. In einem anderen Fall wird bereits vor dem vollständigen Erlöschen des Ansteuerstroms auf Freilauf geschaltet und aus der fallenden Ansteuerstromflanke in den Sensorstromverlauf umgeschaltet.
  • Klingen die Wirbelströme in dem Magnetkreis zu schnell ab, so kann deren Abklingen durch das gezielte Einbringen von Wirbelstrompfaden in den Magnetkreis verlangsamt werden. Hierzu kann die Gestaltung der Ankerstirnfläche berücksichtigt werden. Es kann aber auch gezielt eine kurzgeschlossene Sekundärspule oder ein kurzgeschlossener Ring in das Spulenfenster des Magnetventils eingelegt werden. Somit wird erreicht, dass sich das zum Zeitpunkt des Sensorstromaufbaus vorhandene Magnetfeld und das Niveau des Sensorstroms erhöhen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat zumindest in einigen der aufgeführten Ausführungsformen den Vorteil, dass zum Aufbau des für die Anschlagdetektion erforderlichen Spulenstroms ein Energietransfer von dem Steuergerät zu dem Magnetventil nicht erforderlich ist. Folglich erfolgt auch keine Energieentnahme aus einem Speicherkondensator mit begrenztem Energieinhalt. Der Verlauf des Sensorstroms ist unabhängig von der Batteriespannung bzw. von der Spannung eines Speicherkondensators.
  • Weiterhin bewirkt, da keine Energie von dem Steuergerät zu dem Magnetventil übertragen wird, der Aufbau des Sensorstroms auch keinen Anstieg der Magnetkraft im Magnetventil. Da der Sensorstrom nicht aktiv von dem Steuergerät aufgebaut wird, ist eine Regelung oder Kontrolle des Sensorstromaufbaus durch das Steuergerät nicht erforderlich.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät dient zur Ansteuerung von Magnetventilen und ist dazu ausgelegt, vor dem Erreichen eines Anschlags für einen passiven Schaltzustand einen Spulenstrom aufzubauen, wobei zum Aufbau des Spulenstroms in einen Schaltzustand Freilauf geschaltet wird, so dass die Spannung an der Spule null wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer vorgestellten Einrichtung, ausgeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist zum Durchführen aller Schritte eines beschriebenen Verfahrens ausgebildet, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer vorgestellten Einrichtung, ausgeführt wird.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Schaltung einer Steuergerätendstufe nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt in einem Graphen den Verlauf des Sensorstroms.
  • 3 zeigt in einem Ersatzschaltbild den Magnetkreis eines schnellschaltenden Magnetventils.
  • 4 zeigt den Verlauf des Sensorstroms bei einem erfindungsgemäßen Sensorstromaufbau.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine Schaltung 10 einer üblichen Steuergeräteendstufe mit angeschlossenem Magnetventil (hier dargestellt durch die Spule 26) sowie die Strompfade, die sich in den verschiedenen Schaltzuständen einstellen, dargestellt. Die Schaltung umfasst einen DC/DC-Wandler 12, einen Speicherkondensator CBOOS 14, ein ein- und ausschaltbares Halbleiterventil bzw. Transistor, bspw. ein FET oder IGBT, TBOOS 16, eine Diode DBOOS 18, ein Transistor TLS 20, eine Diode DFr 22, ein Transistor THS 24 und eine Spule 26. Der Speicherkondensator CBOOS 14 ist auf die Spannung UBOOS 34 aufgeladen.
  • Der Abbau des Ansteuerstroms zum Ende der Ventilsteuerung erfolgt üblicherweise durch Schalten in den Schaltzustand "Schnellöschen". In diesem Schaltzustand erfolgt der Stromfluss über einen Anschluss 28 einer Batteriespannung UBAT 30 über den Transistor THS 24, die Spule 26, die Diode DBOOS 18, den Speicherkondensator CBOOS 14 nach Masse 32. Dabei ist lediglich der Transistor THS 24 leitend, alle anderen Transistoren sind gesperrt. An der Spule liegt dann die Spannung UBAT-UBOOS an. Alternativ können beim Schnellöschen auch alle Transistoren gesperrt werden. Der Stromfluss erfolgt dann vom Massepunkt 32 über die Diode DFr 22, die Spule 26, die Diode DBOOS 18 und den Speicherkondensator CBOOS 14 zurück zum Massepunkt 32. An der Spule 26 liegt in diesem Fall die Spannung-UBOOS an.
  • Bei Topologien ohne den Speicherkondensator CBOOS 14 entfällt der Transistor TBOOS 16 und die Diode DBOOS 18 ist statt an den Pluspol des Speicherkondensators 14 an den Pluspol 28 der Spannungsversorgung des Steuergeräts angeschlossen. Der Aufbau des zur Anschlagdetektion erforderlichen Sensorstroms erfolgt üblicherweise durch kurzzeitiges Anlegen der Kondensatorspannung (Schaltzustand "Boostern") oder der Batteriespannung (Schaltzustand "Treiben") an die Spule 26 des Magnetventils. Im ersten Fall wird hierbei dem Boosterkondensator CBOOS 14 zusätzliche Energie entnommen, die über den DC/DC-Wandler 12 wieder nachgeliefert werden muss und diesen folglich zusätzlich belastet.
  • Relevante Schaltzustände sind somit:
    Treiben THS 24, TLS 20 sind leitend; u = UBATT
    Boostern TBOOS 16, TLS 20 leitend; u = UBOOS
    Schnellöschen THS 24 leitend; u = UBATT – UBOOS < 0 solange i > 0 danach sperrt DBOOS 18
    Freilauf TLS 20 leitend; u = 0 solange i > 0 danach sperrt DFr
    Schnellöschen 2 alle Transistoren gesperrt, u = –UBOOS < 0, solange i > 0, danach sperren DBOOS 18 und DFr 22
  • Ein typischer Verlauf des Sensorstroms ab t 65 ≈ μs bei dieser Vorgehensweise ist in 2 dargestellt. In dieser Darstellung ist an einer Ordinate 50 der Strom gegenüber der Zeit (Abszisse 52) aufgetragen. Die Genauigkeit des eingestellten Sensorstroms hängt im Falle der Boosterung von der Genauigkeit der Boosterspannung ab und von der Genauigkeit, mit der das Steuergerät bei Erreichen einer Abschaltschwelle den Schaltzustand "Boostern" wieder beendet. Zudem erfolgt mit dem Aufbau des Sensorstroms ein erneuter Anstieg der Magnetkraft des Ventils, der zu einer geringfügigen Verzögerung des Schließvorgangs des Ventils führt.
  • Die Darstellung zeigt in einem ersten Bereich 54 ein Schnellöschen, bei dem der Messbereich der Spannung überschritten ist. Ein nochmaliges Boostern in einem zweiten Bereich 56 dient zum Aufbau des Sensorstroms, wobei der Messbereich der Spannung überschritten ist. Es erfolgt eine Energieentnahme aus dem Boosterkondensator CBOOS 14, ein sehr schneller Stromanstieg und ein erneuter Magnetkraftanstieg. In einem dritten Bereich 58 ist ein Knick im Stromverlauf zu erkennen, der den Schließzeitpunkt anzeigt.
  • Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass zum Zeitpunkt des Verlöschens des Spulenstroms am Ende der Ansteuerung das Magnetfeld im Ventil noch nicht verloschen ist. Vielmehr führt der schnelle Stromabbau in der Spule dazu, dass sich im Kernmaterial und im Anker des Magnetventils Wirbelströme aufbauen, welche so gerichtet sind, dass sie einem Abbau des ursprünglich vorhandenen Magnetfelds entgegen wirken. Aufgrund des ohmschen Widerstands der Wirbelstrompfade wird in die Spule nun bei Spulenstrom null eine negative Spannung induziert, die sowohl ein Abklingen der Wirbelströme als auch ein Abklingen des noch vorhandenen Magnetfelds bewirkt.
  • Ein vereinfachte Ersatzschaltbild des Magnetkreises unter Berücksichtigung dieser Wirbelstrompfade ist in 3 dargestellt. Die Darstellung zeigt einen ersten Strompfad 60, der eine Spule 62, deren Induktivität L in Abhängigkeit des variablen Luftspalts s des Magnetkreises festgelegt ist, und einen Reihenwiderstand RS 64 umfasst. Die magnetische Flussverkettung ψ beschreibt das Verhalten der Spule 62. Weiterhin ist ein Wirbelstrompfad 66 zu erkennen, der wiederum die Spule 62, eine Streuinduktivität Lσ* 68 und ein Streuwiderstand RW*. Für ein Schnellöschen werden alle Transistoren oder alle Transistoren außer THS 24 (in 3 nicht dargestellt) gesperrt, so dass der Strom i 72 schnell den Wert 0 annimmt.
  • Erfindungsgemäß wird nun zum Aufbau des Sensorstroms nach einer kurzen Strompause in den Schaltzustand "Freilauf" geschaltet. Die Spulenspannung uind 70 kann somit nicht länger negativ sein, sondern es wird die Spannung null an die Spule angelegt, In Folge dessen kommutiert ein großer Teil der Wirbelströme aus Kern und Anker zurück in die Spule 62. Das dabei erreichte Spulenstromniveau ergibt sich aus dem zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs im Magnetventil noch vorhandenen Magnetfeld. Da vom Steuergerät lediglich die Spannung null angelegt wird, erfolgt keine erneute Einspeisung von Energie in das Magnetventil und folglich auch kein erneuter Magnetkraftanstieg. Zum Aufbau des Sensorstroms wird lediglich die im Magnetfeld des Magnetventils noch inhärent gespeicherte Energie genutzt. Dadurch, dass lediglich der Schaltzustand "Freilauf" zum Sensorstromaufbau genutzt wird, ist der Stromaufbau absolut unabhängig von der Versorgungsspannung oder der Spannung eines Speicherkondensators im Steuergerät. Es wird auch keinerlei Energie aus einer Spannungsquelle im Steuergerät entnommen.
  • Die Strompause zwischen Verlöschen des Ansteuerstroms und Schalten in den Kreislauf kann auch zu null gesetzt oder negativ sein. Im ersten Fall wird unmittelbar beim Erreichen des Spulenstroms null in den Freilauf geschaltet, im anderen Fall wird bereits vor dem vollständigen Verlöschen des Ansteuerstroms auf Freilauf geschaltet und aus der fallenden Ansteuerstromflanke in den Sensorstromverlauf umgeschaltet. Klingen die Wirbelströme im Magnetkreis zu schnell ab, so kann deren Abklingen durch das gezielte Einbringen von Wirbelstrompfaden in den Magnetkreis verlangsamt werden. Hierzu kann die Gestaltung der Ankerstirnfläche herangezogen werden, es kann aber auch gezielt eine kurzgeschlossene Sekundärspule oder ein kurzgeschlossener Ring in das Spulenfenster des Magnetventils eingelegt werden. Dadurch erhöht sich das zum Zeitpunkt des Sensorstromaufbaus vorhandene Magnetfeld und das Niveau des Sensorstroms.
  • In 4 ist der Verlauf des Spulenstroms ab t ≈ 65 μs und der Spulenspannung bei erfindungsgemäßer Generierung des Sensorstroms gezeigt. Hierbei ist der Strom an einer Ordinate 80 gegenüber der Zeit (Abszisse 82) aufgetragen. Die Darstellung zeigt den Verlauf des Sensorstroms durch Umschalten in den Schaltzustand "Freilauf".
  • Auch hier ist in einem ersten Bereich 84 ein Schnellöschen zu erkennen, wobei der Messbereich der Spannung überschritten ist. In einem zweiten Bereich 86, etwa zwischen 25 und 50 μs sind alle Strompfade im Steuergerät gesperrt. Abklingende Wirbelströme induzieren eine negative Spulenspannung. Der Messbereich der Spannung ist die meiste Zeit überschritten. Zu einem Zeitpunkt 88 erfolgt ein Umschalten auf Freilauf zum Aufbau des Sensorstroms. Der Sensorstromaufbau wird dabei von den Wirbelströmen im Magnetkreis getrieben. Es erfolgt kein neuer Energieeintrag in den Magnetkreis und kein erneuter Magnetkraftanstieg. Es besteht keine Abhängigkeit des Sensorstroms von Spannungen im Steuergerät.
  • Zu einem Zeitpunkt 90 ist ein Knick im Stromverlauf zu erkennen, der den Schließzeitpunkt anzeigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3609599 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ansteuerung von Magnetventilen, wobei zur Detektion eines Hubanschlags eines Magnetventils ein Strom zur Detektion eines Übergangs in einen passiven Schaltzustand aufgebaut wird, wobei in einem Magnetfeld des Magnetventils noch inhärent gespeicherte Energie zum Aufbau des Stroms genutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Aufbau des Stroms nach einer kurzen Strompause in einen Schaltzustand "Freilauf" geschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Strompause auf null gesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Strompause auf einen negativen Wert gesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Gestaltung einer Ankerstirnfläche herangezogen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine kurzgeschlossene Sekundärspule in das Spulenfenster des Magnetventils eingelegt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein kurzgeschlossener Ring in das Spulenfenster des Magnetventils eingelegt wird.
  8. Steuergerät zur Ansteuerung von Magnetventilen, das ausgelegt ist, vor dem Erreichen eines Anschlags für einen passiven Schaltzustand einen Spulenstrom aufzubauen, wobei zum Aufbau des Spulenstroms in einen Schaltzustand Freilauf geschaltet wird, so dass die Spannung an der Spule zu null wird.
  9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in Steuergerät nach Anspruch 8, ausgeführt wird.
  10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem Steuergerät nach Anspruch 8, ausgeführt wird.
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