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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prellervermeidung bei einem Magnetventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Magnetventile sind bekannt und werden vielfältig eingesetzt. Ein übliches Magnetventil umfasst ein Dichtelement, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und einen Strömungsweg eines Fluids freigeben und sperren kann. Das Ventilelement wird elektromagnetisch betätigt. Hierzu umfasst das Magnetventil einen Magnetanker, der mit dem Dichtelement gekoppelt ist. Durch eine Ventilfeder werden der Anker und hierdurch das Dichtelement in eine stromlose Endstellung gedrückt. In dieser Endstellung ist der Strömungsweg des Fluids entweder gesperrt (NC) oder geöffnet (NO).
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Durch eine elektrische Bestromung der Magnetspule, beispielsweise mittels einer sogenannten Hauptbestromung bzw. Hauptansteuerung, wird eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die den Anker mit dem Dichtelement entgegen der Kraft der Ventilfeder bewegt. Dies wiederum bewirkt, dass im Falle eines NC-Ventils die Strömung des Fluids freigegeben wird bzw. im Falle eines NO-Ventils die Strömung des Fluids gesperrt wird.
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Endet die Bestromung des Magnetventils, so wird durch die Magnetspule kein Magnetfeld mehr erzeugt, das den Anker in der betätigten Stellung des Magnetventils hält. Stattdessen überwiegt dann die Kraft der dem Magnetfeld entgegenwirkenden Ventilfeder. Diese wirkt derart auf den Anker, dass dieser sich von der Magnetspule wegbewegt. Dies wiederum bewirkt, dass das Ventil in die unbetätigte Normalstellung wechselt.
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Ein derartiges Magnetventil wird beispielsweise in einem Injektor für die Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Die Menge und der Zeitpunkt der Zumessungen des Fluids bzw. des Kraftstoffs erfolgt in Abhängigkeit von der Bestromung des Magnetventils. In vielen Anwendungsfällen sind möglichst kurze Abstände zwischen einzelnen Zumessungen erwünscht. Beispielsweise kann in einer Brennkraftmaschine eine besonders gleichmäßige und effiziente Verbrennung des zugemessenen Kraftstoffs durch sogenannte Voreinspritzungen erfolgen. Hierbei werden in sehr kurzen Zeitabständen geringe Kraftstoffmengen zugemessen. Dadurch wird insbesondere auch ein besonders ruhiger Lauf der Brennkraftmaschine erreicht.
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Das Ende der Bestromung des Magnetventils hat häufig zur Folge, dass einzelne Elemente der Ankergruppe in Schwingungen geraten. Außerdem kann der Anker bzw. das Dichtelement durch das Auftreffen auf einen Anschlag, wie beispielsweise Gegenpol oder Ventilsitz, zum Prellen neigen. Derartige Schwingungen oder Preller beeinträchtigen die Zumessgenauigkeit und Dynamik, da beispielsweise während des Prellens der Strömungsquerschnitt nicht klar definiert ist, bei NC-Ventilen ein ungewolltes Öffnen des Ventils stattfindet oder eine reproduzierbare Ausgangsbedingung für eine nachfolgende Bestromung nicht gegeben ist.
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Zur Vermeidung des Ankerprellens wird in der
DE 10 2006 043 677 A1 vorgeschlagen, eine Nachbestromung der Magnetspule durchzuführen, um den Anker beim Schließen abzubremsen. Dadurch sinkt jedoch die Dynamik des Ventils.
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Es ist wünschenswert, ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils anzugeben, bei dem ein Ankergrellen ohne negativen Einfluss auf die Ventildynamik verringert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung fußt im Wesentlichen auf der Erkenntnis, dass die Neigung zu Ankergrellen bei Magnetventilen durch einen besonders schnellen Abbau der Magnetkraft verringert werden kann, wodurch gleichzeitig die Dynamik des Ventils verbessert werden kann. Daher wird bevorzugterweise eine entsprechende Nachansteuerung bzw. Nachbestromung durchgeführt, um das in der Magnetspule nach dem Abschalten der Hauptbestromung noch vorherrschende Magnetfeld, welches der Rückstellkraft entgegenwirkt, schnell zu löschen. Im Stand der Technik ist hingegen die Auffassung verbreitet, dass die Neigung zu Ankergrellen nur durch langsames Schließen oder ein gezieltes Abbremsen vor dem Auftreffen an einen Anschlag zu verringern ist. Dadurch wird jedoch der Anwendungsbereich derartiger Ventile eingeschränkt, da der Schließvorgang verzögert wird. Die Dynamik sinkt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Reduzierung der Prellneigung ohne mechanischen Zusatzaufwand, wie z. B. Dämpfungselemente, Ankerfreiwegkonstruktionen u. ä., erzielt. Zusammen mit der Prellneigung wird auch die Bauteilbelastung reduziert. Die Dynamik des Ventils wird erhöht. Die Dosiergenauigkeit wird durch den Wegfall der ballistisch nicht voraussagbaren Preller verbessert. Aufgrund des ruhigeren Verhaltens des Schließelements, bspw. einer Ventilnadel, kann die nachfolgende Bestromung genauer und auch früher stattfinden. Die Geräuschentwicklung wird vermindert. Besonders vorteilhaft können auch bereits im Einsatz befindliche Ventile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
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Zum Erreichen der schnellen Löschung des Magnetfelds wird eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität angelegt, bis ein Gegenstrom fließt. Durch die entgegengesetzte Ansteuerung zur Gegenbestromung nach der Hauptbestromung erreicht man eine reduzierte oder gar verschwindende Restmagnetkraft zu dem Zeitpunkt, zu dem das Dichtelement eines NC-Ventils auf dem Ventilsitz auftrifft. Damit steht mehr resultierende Kraft in schließender Richtung zur Verfügung, die das Dichtelement schließt und geschlossen hält. Dies gilt umgekehrt natürlich genauso für den Anschlag von NO-Ventilen beim Öffnen. Die Gegenspannung wird zweckmäßigerweise solange angelegt, bis der Gegenstrom einen vorbestimmten Schwellwert erreicht. Der vorbestimmte Schwellwert wird anhand des zugrunde liegenden Ventils so bestimmt, dass er ein vermindertes oder verschwindendes Restmagnetfeld kennzeichnet. Der Strom durch die Magnetspule ist relativ leicht bestimmbar, wohingegen die Bestimmung des Restmagnetfeldes zusätzliche Sensoren und Auswerteschaltungen nötig machen würde. Ebenso können die Nachbestromung und deren Verlauf zeitlich gesteuert sein.
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Die größere treibende effektive Schließkraft (Differenz zwischen Rückstellkraft und Magnetkraft) führt während der kompletten Schließflanke zu einer größeren Beschleunigung. Da aber der zurückzulegende Hub unverändert bleibt, ist der Schließvorgang zwar eher beendet, die Endgeschwindigkeit ist jedoch nur leicht erhöht (d. h. der Impuls bleibt im Wesentlichen gleich). Dies ist weiter unten beispielhaft unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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Preller sind bei sonst gleichen Randbedingungen im Wesentlichen abhängig vom Impuls (also proportional zur Auftreffgeschwindigkeit) und der Kraft, die dem Preller entgegenwirkt. Da der Impuls, wie oben erläutert, mit und ohne Gegenbestromung nur unwesentlich unterschiedlich ist und gleichzeitig die Magnetkraft bei Gegenbestromung wesentlich geringer oder sogar Null ist, also die dem Preller entgegenwirkende resultierende Schließkraft größer ist, ergibt sich in Summe der Effekte eine reduzierte Prellneigung.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch und schaltungstechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, um ein Magnetventil erfindungsgemäß anzusteuern. Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist.
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Eine für die Erfindung geeignete Endstufenschaltung ist schaltungstechnisch dazu eingerichtet, eine Hauptbestromung und eine Nachbestromung gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren bereitzustellen. Insbesondere ist die Endstufenschaltung dazu in der Lage, eine Gegenbestromung bereitzustellen. Vorteilhafterweise ermöglicht die Endstufenschaltung die Messung des Stroms während der Nachbestromung.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt beispielhaft schematisch ein erfindungsgemäß ansteuerbares Magnetventil.
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2 zeigt schematisch herkömmlicherweise und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auftretende Spannungs-, Strom-, Magnetkraft- und Hubverläufe bei einem Magnetventil.
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3 zeigt schematisch herkömmlicherweise und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auftretende Geschwindigkeits- und Hubverläufe bei einem Magnetventil.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist beispielhaft ein stromlos geschlossenes (NC) Magnetventil 1 dargestellt. Das Magnetventil 1 weist einen Ventilkörper 2 auf, in dem ein Ankerraum 3 ausgebildet ist. In dem Ankerraum 3 ist ein Anker 5 angeordnet. In dem Ankerraum 3 ist ferner eine Ventilfeder 7 angeordnet. Das Magnetventil 1 weist ferner eine Magnetspule 8 auf, die die Ventilfeder 7 ringförmig umschließt. Ein Magnetkreis 4 dient als Rückschluss. Ein hier als Ventilnadel 9 ausgebildetes Dichtelement ist mit dem Anker 5 verbunden. Das Ventil ist mit einem Zulauf 10 und einem Ablauf 11 ausgestattet.
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Wird an die Magnetspule 8 über nicht dargestellte elektrische Leitungen ein elektrischer Strom geführt, erfolgt eine sogenannte Bestromung des Magnetventils. Dadurch wird in der Magnetspule 8 ein Magnetfeld aufgebaut, das eine Bewegung des Ankers 5 nach oben entgegen der Kraft der Ventilfeder 7 bewirkt. Hierdurch hebt sich die Ventilnadel 9 aus dem Sitz und das Ventil öffnet.
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Bei einem Übergang von einem geöffneten Zustand des Magnetventils 1 in einen geschlossenen Zustand, wie er in 1 dargestellt ist, kommt es herkömmlicherweise zu einem Prellen der Ventilnadel 9 und dem damit verbundenen Anker 5, da die Ventilnadel 9 in ihrer Bewegung, die durch die Ventilfeder 7 veranlasst ist, gestoppt wird, wenn die Ventilnadel 9 am Ventilsitz aufschlägt.
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Anhand von 2 wird im Folgenden grob schematisch erläutert, wie bei einem Magnetventil gemäß 1 durch eine bevorzugte Bestromung ein Ankergrellen verringert werden kann. In 2 sind dazu vier Diagramme 200, 300, 400 und 500 abgebildet, die einen Spannungsverlauf U, einen zugehörigen Stromverlauf I, die sich daraus ergebende Magnetkraft F sowie den sich ergebenden Ventilhub z jeweils gegen die Zeit t auf der Abszisse zeigen.
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In dem Diagramm 200 sind ein herkömmlicher Spannungsverlauf 210 ohne Gegenbestromung sowie ein Spannungsverlauf 220 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung abgebildet. Die zugehörigen Stromverläufe sind mit 310 bzw. 320, die Kraftverläufe mit 410 bzw. 420 und die Hubverläufe mit 510 bzw. 520 bezeichnet. Es wird deutlich, dass der Hubverlauf 520, der sich durch Anwendung einer Ausgestaltung der Erfindung ergibt, weniger Prellen zeigt als der herkömmliche Hubverlauf 510.
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Zu einem Zeitpunkt t0 wird die Ansteuerung gestartet, indem bis zu einem Zeitpunkt t2 eine Anzugsspannung U0 angelegt wird. Nach einer Verzögerung bis t1, dem sog. Anzugsverzug, reagiert die Ventilnadel darauf und beginnt, sich zu heben, bis das Ventil zum Zeitpunkt t3 geöffnet ist. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t4 wird die angelegte Spannung auf UH1 und UH2 reduziert, um eine sog. Haltespannung bereitzustellen.
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Zum Zeitpunkt t4 soll das Ventil wieder geschlossen werden. Im Stand der Technik wird dazu die angelegte Spannung abgeschaltet, so dass die Ventilfeder das Ventil schließen kann. Nach einer Verzögerung bis t5, dem sog. Abfallverzug, reagiert die Ventilnadel darauf und beginnt, sich zu senken. Um den Schließvorgang zu beschleunigen, kann der Strom durch eine umgekehrt polarisierte Löschspannung U1 aktiv schnell auf 0 A gelöscht werden, wie es anhand der Graphen 210 und 310 dargestellt ist, hier bezeichnet als aktive Stromlöschung. In der Folge kommt es zu einem ausgeprägten Nachprellen, wie es anhand von Graph 510 deutlich wird.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch nach der Hauptansteuerung H (zwischen t0 und t4) eine Nachansteuerung N (zwischen t4 und t6) mit entgegengesetzter Polarität durchgeführt, um einen Gegenstrom in der Spule zu erzeugen, um das Restmagnetfeld zu entregen. Wie durch die Kurven 220, 320 und 420 beschrieben, wird die Löschspannung U1 angelegt, um die Magnetkraft F in der Magnetspule durch eine Gegenbestromung zu löschen. Der Abschluss der Entregung kann beispielsweise durch Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne oder anhand des durch die Spule fließenden Stroms erkannt werden. Wenn zu einem Zeitpunkt t6 ein Gegenstrom –IN durch die Magnetspule fließt, wird die Entregung beendet. Dies kann durch Anlegen einer weiteren Löschspannung U2 erfolgen, wie es in 2 zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 gezeigt ist. Die weitere Löschspannung U2 wird angelegt, um den Gegenstrom in der Magnetspule zu löschen.
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Vergleicht man die Kurven 410 und 420 miteinander, ist deutlich zu erkennen, dass bei Kurve 410 zum Schließzeitpunkt noch eine Magnetkraft wirkt, während die Magnetkraft bei Kurve 420 praktisch abgebaut ist.
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In 2 ist die Ansteuerung rein beispielhaft dargestellt. Zur Veranschaulichung zeigt sie einen im Wesentlichen rechteckigen Verlauf. In der Praxis wird die Ansteuerung jedoch an das zugrunde liegende Ventil so angepasst, dass zum Zeitpunkt des Auftreffens des Dichtelements auf dem Ventilsitz das Magnetfeld in der Spule möglichst verschwunden ist. Der Fachmann wird die Ansteuerung dem Einsatzzweck entsprechend wählen.
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Anhand von 3 werden im Folgenden grob schematisch die im Stand der Technik und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auftretenden Geschwindigkeiten der Ventilnadel erläutert. in 3 sind dazu zwei Diagramme 600 und 700 abgebildet, die einen Geschwindigkeitsverlauf v sowie den sich ergebenden Ventilhub z jeweils gegen die Zeit t auf der Abszisse zeigen. Der dargestellte Zeitabschnitt in 3 beginnt bei t5 und endet kurz nach dem Auftreffen der Ventilnadel in ihrer Anschlagposition zum Zeitpunkt t810 bzw. t820.
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In dem Diagramm 600 sind ein herkömmlicher Geschwindigkeitsverlauf 610 ohne Gegenbestromung sowie ein Geschwindigkeitsverlauf 620 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung abgebildet. Die zugehörigen Hubverläufe sind in dem Diagramm 700 mit 710 bzw. 720 bezeichnet, wobei Hubverlauf 710 zum Zeitpunkt t810 und Hubverlauf 720 zum Zeitpunkt t820 in die Anschlagposition z0 gelangt. z1 bezeichnet den Ausgangshub.
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Es wird zunächst deutlich, dass sich die während des Schließens auftretenden Geschwindigkeiten, wie sie durch die Geschwindigkeitsverläufe 610 und 620 dargestellt werden, nicht wesentlich unterscheiden. Vielmehr wird deutlich, dass die Ventilnadel zwar im erfindungsgemäßen Falle mit Gegenbestromung schneller beschleunigt, dadurch jedoch den Anschlag schneller erreicht und somit die Endgeschwindigkeiten v10 bzw. v20 nicht signifikant von einander abweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006043677 A1 [0007]
