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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben eines Magnetventils und ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung für ein Magnetventil.
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Stand der Technik
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Bei Magnetventilen für Common-Rail-Injektoren ist für die Zumessgenauigkeit des Injektors u. a. die Genauigkeit der Schaltvorgänge, insbesondere des Abschaltvorgangs, von Bedeutung. Ein Magnetventil hat in einem derartigen Injektor die Aufgabe, die Öffnungsbewegung der Düsennadel zu steuern, indem es die Druckverhältnisse in einem oberhalb der Düsennadel angeordneten Steuerraum steuert.
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Ein Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventils ist aus der Druckschrift
DE 10 2007 003 211 A1 bekannt. Hierbei nimmt eine Ventilnadel eines elektromagnetischen Ventils unbestromt eine erste Position und bestromt eine zweite Position ein. Beim Übergang von der zweiten Position in die erste Position der Ventilnadel erfolgt ab einem vorgebbaren Zeitpunkt für eine bestimmte Zeitdauer eine Nachbestromung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Betreiben eines Magnetventils, die mindestens eine Komponente aufweist, die dazu ausgebildet ist, bei einem Schließvorgang des Magnetventils zumindest im Anschluss an den Schließzeitpunkt des Magnetventils einen abnehmenden zeitlichen Verlauf der Differenz zwischen einer in Öffnungsrichtung des Magnetventils orientierten Kraft und einer in Schließrichtung des Magnetventils orientierten Kraft zu erzeugen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung für ein Magnetventil, bei dem bei einem Schließvorgang des Magnetventils zumindest im Anschluss an den Schließzeitpunkt des Magnetventils ein abnehmender zeitlicher Verlauf der Differenz zwischen einer in Öffnungsrichtung des Magnetventils orientierten Kraft und einer in Schließrichtung des Magnetventils orientierten Kraft erzeugt wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Üblicherweise ist das Magnetventil als Bestandteil einer Einspritzdüse bzw. eines Injektors ausgebildet und mit einem Ventilelement zu öffnen und zu schließen, wobei das Ventilelement durch eine in Schließrichtung orientierte Kraft, die von mindestens einem Schließelement bereitgestellt wird, in einen Ventilsitz gedrückt wird, und wobei das Ventilelement durch eine von einer Magnetspule bereitgestellte Kraft, die der Kraft des mindestens einen Schließelements entgegenwirkt und in Öffnungsrichtung orientiert ist, geöffnet wird.
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Mit der Erfindung kann eine passive Prellerdämpfung durch ein Netzwerk bzw. eine Reihenschaltung mit einem Widerstand und einer Diode bereitgestellt werden.
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Mit der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Schaltung ist es u. a. möglich, das Prellen des Ventilelements stark zu verringern. Dadurch ergibt sich bei nur geringen zusätzlichen Kosten eine erhebliche Stabilisierung der Schaltvorgänge des Magnetventils.
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Die beschriebene Schaltung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Schaltung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Schaltung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Schaltung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen einzelner Komponenten der Schaltung oder der gesamten Schaltung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail einer Ausführungsform eines Magnetventils.
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2 zeigt ein Diagramm mit Betriebsparametern, die sich beim Stand der Technik bei einem Rückprellvorgang eines Magnetventils ergeben.
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3 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung.
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4 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung.
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5 zeigt ein erstes und ein zweites Diagramm mit Betriebsparametern, die sich bei einer ersten und einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Rückprellvorgang eines Magnetventils ergeben.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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Das in 1 schematisch dargestellte Detail eines Magnetventils 2 umfasst eine Magnetspule 4 mit einem Kern 6 sowie ein Ventilelement 8. Das Magnetventil 2 umfasst weiterhin ein als Schließfeder ausgebildetes Schließelement 10 sowie einen lediglich angedeuteten Dichtsitz 12 bzw. Ventilsitz. Eine konkrete Ausführung des Dichtsitzes 12 ist zur Realisierung der anhand der 3 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung üblicherweise nicht von Bedeutung.
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Das Magnetventil 2 ist, abhängig von einer Stellung des Ventilelements 8, relativ zu dem Dichtsitz 12 entweder geöffnet oder geschlossen. Zum Schließen des Magnetventils 2 ist vorgesehen, dass durch das Schließelement 10 eine in Schließrichtung orientierte Kraft 14 bzw. Schließkraft bereitgestellt wird, mit der das Ventilelement 8 in den Dichtsitz 12 gedrückt bzw. gepresst wird, so dass der Dichtsitz 12 verschlossen ist. Zum Öffnen des Ventilelements 2 ist vorgesehen, dass die Magnetspule 4 bestromt wird. Dadurch wird eine in Öffnungsrichtung orientierte Kraft 16 bzw. Magnetkraft bereitgestellt, die der in Schließrichtung orientierten Kraft 14 entgegenwirkt. Daraus ergibt sich, dass das Magnetventil 2 geöffnet wird. Bei einem Ende der Bestromung wird die Magnetkraft wieder abgebaut und das Ventilelement 8 durch seine Schließkraft, üblicherweise der Kraft 14 des vorgespannten Schließelements, wieder in den Dichtsitz 12 zurück bewegt und danach geschlossen.
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Das Ventilelement 8 weist üblicherweise einen Magnetanker auf. Dabei kann das Ventilelement 8 mit dem Magnetanker einstückig ausgeführt sein, aber auch aus mehreren, zusammengefügten Bauelementen bestehen und so eine Baugruppe bilden. Das Ventilelement 8 ist innerhalb des Magnetventils 2 üblicherweise von Kraftstoff, der unter geringem Druck steht, umgeben.
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In dem Diagramm aus 2 sind entlang einer vertikal orientierten Achse 20 ein Verlauf einer Magnetkraft 24, ein Verlauf eines Ventilhubs 26 eines Ventilelements relativ zu einem Dichtsitz eines Magnetventils sowie ein Verlauf einer Ventilgeschwindigkeit 28 während eines sich beim Stand der Technik ergebenden Prellvorgangs eines Magnetventils über einer horizontal orientierten Zeitachse 30 in der Einheit μs dargestellt.
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In der Regel weist das Ventilelement bei Erreichen des Dichtsitzes eine nicht unerhebliche kinetische Energie auf. Da es sich sowohl beim Dichtsitz als auch beim Ventilelement typscherweise um metallische und damit um elastische Bauteile handelt, wird diese Energie nach dem Auftreffen des Ventilelements in dem Dichtsitz bei einem Sitzkontakt 32 in elastische Verformungsenergie umgewandelt. Ist dies vollständig geschehen, werden die beiden Bauteile wieder zurück verformt. Dabei wird die elastische Verformungsenergie wieder in kinetische Energie rückgewandelt. Das Ventilelement verlässt bei einem ersten Prellen 34 den Dichtsitz nochmals, und zwar mit annähernd derselben Geschwindigkeit, mit der der Dichtsitz kurz zuvor erreicht wurde.
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Das Diagramm aus 2 zeigt somit einen typischen Rückprellvorgang nach dem Stand der Technik. Zum Zeitpunkt t = 0 liegt das Ansteuerende des Magnetventils, wobei ein Abbau eines Spulenstroms und damit der zuvor konstanten Magnetkraft 24 der Magnetspule beginnt. Das Diagramm aus 2 zeigt auch, dass die Magnetkraft im wesentlichen abgebaut ist, bevor das Ventilelement den Dichtsitz erstmalig erreicht.
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Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals, bis die kinetische Energie vollständig durch geringe Dämpfungseffekte aus einer Vorrichtung bzw. einem System, das die anhand von 1 beschriebenen Komponenten aufweist, entnommen wurde. Der beschriebene Vorgang wird als Prellen 34 bezeichnet. Da bei jedem erneuten Abheben des Ventilelements aus dem Dichtsitz der Dichtsitz geöffnet wird, hat dieses Prellen 34 erheblichen Einfluss auf die letztendlich vom Injektor eingespritzte Kraftstoffmenge.
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Da die Bauelemente des Magnetventils aus Metall bestehen und zudem hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzes gestellt werden, ist eine Prelldämpfung durch plastische Deformation bei Ankunft des Ventilelements im Ventilsitz bzw. Dichtsitz nicht geeignet. Eine gewisse Prelldämpfung kann erreicht werden, wenn sich während des Sitzkontakts aufgrund günstiger Strömungsverhältnisse im umgebenden Kraftstoff eine hydraulische Schließkraft aufbaut, die das Ventilelement beim erneuten Abheben stärker in Richtung Dichtsitz drückt, als dies beim Einschlagen der Fall ist. Derartige Verhältnisse sind aber schwer zu realisieren und zudem stark vom Zustand des umgebenden Mediums abhängig.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann das Prellen 34 reduziert werden, wenn während des Sitzkontakts 32 – also im Zeitintervall zwischen Erreichen und erneutem Verlassen des Dichtsitzes – eine zusätzliche Kraft in Schließrichtung aufgebaut wird. Derselbe Effekt kann erreicht werden, wenn während des Sitzkontakts eine zu Beginn noch bestehende Kraft in Öffnungsrichtung abgebaut wird.
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Dazu wird in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Abbau der Magnetkraft derart verlangsamt, dass bei Erreichen des Dichtsitzes noch eine nennenswerte Magnetkraft vorhanden ist und dass diese Magnetkraft während eines Zeitintervalls des Sitzkontakts einen nennenswerten negativen Gradienten aufweist. Dadurch ist die resultierende Kraft, mit der das Ventilelement nach Erreichen des Ventilsitzes abgebremst wird, höher als die Kraft, mit der es beim Rückfedern wieder beschleunigt wird. Folglich wird beim Rückfedern weniger Energie in kinetische Energie rückgewandelt, als dem Ventilelement beim Einschlagen entnommen wurde. Die Rückprellgeschwindigkeit ist somit kleiner als die Einschlaggeschwindigkeit.
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Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung 40 ist in 3 schematisch dargestellt. Die Schaltung 40 umfasst eine Magnetspule 42 eines Magnetventils, an der eine Spulenspannung 44 USpule anliegt. Parallel zu der Magnetspule 42 ist ein Dämpfungswiderstand 46 RDämpf geschaltet. Der Magnetspule 42 und dem Dämpfungswiderstand 46 RDämpf wird ein Strom 147 zugeführt.
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Die Schaltung 40 aus 3 umfasst weiterhin eine Freilaufdiode 48, eine Booster-Diode 50, ein als Highside-Schalter 52 ausgebildetes ein- und ausschaltbares Halbleiterventil, ein als Lowside-Schalter 54 ausgebildetes ein- und ausschaltbares Halbleiterventil sowie ein als Booster-Schalter 56 ausgebildetes ein- und ausschaltbares Halbleiterventil. Die genannten ein- und ausschaltbaren Halbleiterventile sind üblicherweise als Feldeffekttransistoren (FET), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektronik (IGBT, insulated-gate-biopolartransistor) oder ähnliche elektronische Bauteile ausgebildet. Außerdem umfasst die Schaltung 40 einen Booster-Kondensator 58 CBosst, der zur Bereitstellung einer Booster-Spannung 60 UBoost ausgebildet ist, sowie einen DC-DC- bzw. Gleichstromwandler 62. Die Schaltung 40 ist weiterhin an einer nicht gezeigten Batterie angeschlossen, die dazu ausgebildet ist, den Komponenten der Schaltung 40 eine Batteriespannung 62 UBatt bereitzustellen.
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Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung 70 ist in 4 schematisch dargestellt. Diese Schaltung 70 umfasst sämtliche Komponenten, wie die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung 44, die bereits anhand von 3 beschrieben ist. Zusätzlich weist die zweite Ausführungsform der Schaltung 70 eine Diode 72 auf, die in Reihe zu dem Dämpfungswiderstand 46 und somit ebenfalls parallel zu der Magnetspule 42 geschaltet ist.
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Realisiert wird der gewünschte Verlauf der Magnetkraft in einer Ausgestaltung der Erfindung durch Parallelschalten des Dämpfungswiderstands 46 zu der Magnetspule 42. Dadurch wird erreicht, dass der Spulenstrom am Ende der Ansteuerung nicht vollständig abgebaut wird, sondern dass er vielmehr in der aus Magnetspule 42 und Dämpfungswiderstand 46 gebildeten Masche weiterfließt und sich gegen den Spannungsfall am Dämpfungswiderstand 46 langsam abbaut. Dadurch wird auch ein langsamerer Abbau der Magnetkraft erreicht.
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Der Dämpfungswiderstand 46 kann in einer Endstufe integriert werden, kann aber auch in einer Ausführungsform der Erfindung am Magnetventil und dort wiederum besonders vorteilhaft in einem Steckerelement des Magnetventils angeordnet werden. Hierbei kann analog zum Vorgehen bei einem Ableitwiderstand, der bspw. bei einem Piezo-Injektor verwendet wird, der Dämpfungswiderstand 46 zwischen den Kontaktfahnen des Steckers angeordnet und anschließend umspritzt werden. Der Dämpfungswiderstand 46 kann auch bereitgestellt werden, indem als Umspritzungsmaterial oder als Kunststoffmaterial des Steckerelements ein leitfähiger Kunststoff verwendet wird, wie dies als Ersatz für einen diskreten Ableitwiderstand im Piezo-Injektor möglich ist.
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In der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform der Schaltung 70 beschränkt die Diode 72 die Wirkung des Dämpfungswiderstands 46 auf die Abschaltphase eines Magnetkreises, der die Magnetspule 42 umfasst. Somit kann u. a. verhindert werden, dass der Dämpfungswiderstand 46 auch den Aufbau der Magnetkraft zu Beginn der Ansteuerung verlangsamt. Zusätzlich kann durch die Diode 72 vermieden werden, dass während des Aufbaus der Magnetkraft für einen Stromfluss durch den Dämpfungswiderstand 46 zusätzliche Energie aus dem Boosterkondensator 58 oder aus der Batterie entnommen werden muss.
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Somit ist der Dämpfungswiderstand 46 ohne Funktion, solange die an der Magnetspule 42 angelegte Spannung größer als eine Grenzspannung von bspw. –0,8 V ist, dies gilt typischerweise für die gesamte Ansteuerdauer. Erst beim Abschalten des Magnetfelds entfaltet der Dämpfungswiderstand seine gewünschte Wirkung.
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In 5a ist ein Diagramm mit Betriebsparametern eines Magnetventils dargestellt, die sich bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Prellvorgang des Magnetventils ergeben. Hier ist ebenfalls eine vertikal orientierte Achse 22 über einer horizontal orientierten Zeitachse 30 aufgetragen. Das Diagramm zeigt einen Verlauf einer Magnetkraft 80, einen Verlauf eines Ventilhubs 82 eines Ventilelements des Magnetventils und somit einen Abstand des Ventilelements von dem Ventilsitz des Magnetventils. Außerdem zeigt das Diagramm einen Verlauf für eine Geschwindigkeit 84 des Ventilelements sowie Zeitintervalle zur Andeutung eines Sitzkontakts 86 und ein erstes Prellen 88 bei einem ersten Wert für einen Dämpfungswiderstand.
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Ein weiteres Diagramm mit einem Verlauf einer Magnetkraft 90, einem Verlauf eines Ventilhubs 92 und einem Verlauf einer Ventilgeschwindigkeit 94 sowie mit Zeitintervallen für einen Sitzkontakt 96 und ein erstes Prellen 98 ist in 5b gezeigt. In diesem Fall werden die genannten Betriebsparameter durch einen zweiten Wert eines zu der Magnetspule parallel geschalteten Dämpfungswiderstands beeinflusst.
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Die in den 5a und 5b gezeigten Verläufe von Magnetkraft 80, 90, Ventilhub 82, 92 und Ventilgeschwindigkeit 84, 94 ergeben sich bei zwei verschiedenen Werten des Dämpfungswiderstands und ansonsten unveränderten Verhältnissen gegenüber 2. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Magnetkraft 80, 90 während des Sitzkontakts 86, 96 einem nennenswerten Abbau unterliegt, wodurch die Rückprellgeschwindigkeit gegenüber der Einschlaggeschwindigkeit abgesenkt wird. Insgesamt sinkt die kinetische Energie des Ventilelements zu Beginn des ersten Prellens 88, 98 durch den Dämpfungswiderstand um bis zu 64%.
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Die geringere Prelldauer und Prellhöhe gegenübendem Stand der Technik (2) sind deutlich zu sehen.
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Es ist auch zu sehen, dass bereits die Einschlaggeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik geringer ist und dass zudem beim Verlassen des Dichtsitzes die Geschwindigkeit um ca. 5% geringer ist als die Einschlaggeschwindigkeit. Dies erscheint zwar zunächst gering, bedeutet aber eine Verringerung der kinetischen Energie des Ventilelements während des Sitzkontakts um 10% und kann zusammen mit der Dämpfungswirkung der das Ventilelement umgebenden Hydraulik das Prellen insgesamt so weit vermindern, dass die nachteiligen Auswirkungen des Prellvorgangs auf die Zumessgenauigkeit vollständig und robust vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007003211 A1 [0003]
