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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils unter Berücksichtigung einer Größe.
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Stand der Technik
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Magnetventile sind bekannt und werden vielfältig eingesetzt. Ein übliches Magnetventil umfasst ein Dichtelement (auch als Ventilnadel bezeichnet), das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und einen Strömungsweg eines Fluids freigeben und sperren kann. Das Dichtelement 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 („Normalstellung“) 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. Ein solches Verfahren sowie eine dafür geeignete Ansteuerschaltung werden bespielsweise in der
DE 100 22 956 A1 beschrieben.
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Endet die Bestromung des Magnetventils, so baut sich das Magnetfeld, das den Anker in der betätigten Stellung des Magnetventils hält, ab. Danach überwiegt 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. Es ist bspw. aus der
DE 10 2009 002 483 A1 bekannt, aus dem Spannungs- oder Stromverlauf in der Magnetspule auf bestimmte Größen zu schließen, wie z.B. - bei einem NC-Ventil - Schließzeit und Schließzeitpunkt usw. (Es sei darauf hingewiesen, dass bei einem NO-Ventil entsprechende Öffnungsgrößen bestimmbar sind). Die gewonnenen Größen (Istwerte) werden beim Betrieb des Magnetventils berücksichtigt, bspw. für eine genauere Bemessung der Durchlassmenge usw. berücksichtigt. In der
DE 10 2009 002 593 A1 wird ein Verfahren zum Regeln einer Ist-Öffnungsdauer eines Ventils auf eine Soll-Öffnungsdauer beschrieben, so dass eine gewünschte Soll-Durchlassmenge erzielt wird. Dies wirkt sich positiv auf die Dosiergenauigkeit und bei einer Verwendung des Ventils als Einspritzventil bei Brennkraftmaschinen in der Folge positiv auf die Laufruhe und das Emissionsverhalten aus.
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Die
DE 100 22 956 A1 offenbart eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung von Magnetventilen für die Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine (Bänke I und II) weist erfindungsgemäß eine Nachladeschaltung (
1) auf, die eine Drosselspule (
110) in Reihe mit einer Diode (
112) und einem Speicherkondensator (
145) sowie einen parallel zur Reihenschaltung aus Diode (
112) mit dem Speicherkondensator (
145) geschalteten FET-Leistungstransistor (
113) aufweist. Die Magnetventile der einzelnen Bänke (I und II) werden während der Schnelllöschung mit einer von der Nachladeschaltung (
1) erzeugten Spannung abgeschaltet. Zur Minimierung des Einflusses der einen weiten Bereich umfassenden Batteriespannung (UBATT) wird während den Schnelllöschphasen der HS-FET (
115 bzw.
116) abgeschaltet.
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Die
DE 10 2009 002 593 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines mittels eines Aktors (
102,
104) betätigten Ventils (
100), insbesondere eines Einspritzventils (
100) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor (
102,
104) mit einer eine Ansteuerdauer (ET) aufweisenden Ansteuergröße (I) angesteuert wird. Erfindungsgemäß wird die Ansteuerdauer (ET) in Abhängigkeit eines Sollwerts (T) für eine Ventilöffnungsdauer (T) gebildet.
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Die
DE 10 2009 002 483 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils (
18a), insbesondere einer Brennkraftmaschine (
10) eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Komponente des Einspritzventils (
18a), insbesondere eine Ventilnadel (
28), mittels eines elektromagnetischen Aktors (
26,
30) angetrieben wird. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors (
26,
30) eine die Beschleunigung einer beweglichen Komponente des elektromagnetischen Aktors, insbesondere eines Magnetankers (
30) des elektromagnetischen Aktors, charakterisierende Größe gebildet, und es wird in Abhängigkeit der die Beschleunigung charakterisierenden Größe auf einen Betriebszustand des Einspritzventils (
18a) geschlossen.
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Die
DE 10 2007 045 575 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, bei dem während eines Betriebszyklus mindestens ein Einspritzvorgang erfolgt, wobei mindestens eine der nachfolgenden Maßnahmen ergriffen wird: - Vorkonditionieren eines Magnetkreises des mindestens einen Einspritzventils vor dem mindestens einen Einspritzvorgang, -kurzzeitiges Ansteuern des Einspitzventils durch einen Ankerbremsimpuls (
60) nach Beendigung des mindestens einen Einspritzvorgangs, - Entfernen von Energie aus dem Magnetkreis des mindestens einen Einspritzventils mit einer Gegenstromlöschung vor einem Einspritzvorgang, der dem mindestens einen Einspritzvorgang folgt. Weiterhin werden ein Steuergerät, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
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Aus der
DE 10 2010 000 898 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Übergang in die Normalstellung durch Gegenbestromung und dadurch hervorgerufenes Schnelllöschen des Magnetfelds in der Spule beschleunigt werden kann. Dabei wird eine entsprechende Nachansteuerung bzw. Nachbestromung durchgeführt, um das in der Magnetspule nach dem Abschalten der Hauptbestromung noch vorherrschende Magnetfeld, welches der Rückstellkraft entgegenwirkt, schnell abzubauen. Die Dosiergenauigkeit wird durch den Wegfall der ballistisch nicht voraussagbaren Preller verbessert, was das bei einer Verwendung des Ventils als Einspritzventil in Brennkraftmaschinen ebenfalls Emissionsverhalten positiv beeinflusst.
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Durch das Löschen des Magnetfelds wird jedoch der Strom- und Spannungsverlauf verändert und es ist nicht mehr möglich, daraus die oben genannten, mit dem Übergang verknüpften Größen (z.B. den Schließzeitpunkt) zu bestimmen. Eine Bestimmung der Ist-Öffnungsdauer und damit eine Regelung der Ist-Öffnungsdauer auf eine Soll-Öffnungsdauer wird dadurch erschwert oder ganz unmöglich. Dies wirkt sich negativ auf die Dosiergenauigkeit und bei Verwendung des Ventils als Einspritzventil in Brennkraftmaschinen negativ auf die Laufruhe und das Emissionsverhalten aus.
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Es ist wünschenswert, ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils anzugeben, bei dem die Vorteile beider Verfahren verknüpft werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft die Möglichkeit, die Vorteile, die mit der Schnelllöschung durch Gegenbestromung verknüpft sind, und die Vorteile, die mit der Erfassung und Auswertung des Strom- oder Spannungsverlaufs durch die Magnetspule während des Übergangs in die Normalstellung (Öffnen eines NO-Ventils und Schließen eines NC-Ventils) verknüpft sind, zu verbinden. Die Erfindung kommt vorzugsweise bei einer Verwendung des Magnetventils (insbesondere als Einspritzventil) in Brennkraftmaschinen zum Einsatz, wodurch insbesondere Dosiergenauigkeit und bspw. Laufruhe und Emissionsverhalten verbessert werden können.
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Im Einzelnen wird das Magnetventil in einem ersten Betriebsmodus, insbesondere kurzzeitig, ohne Gegenbestromung betrieben, so dass wenigstens eine mit dem Übergang in die Normalstellung verknüpfte Größe, insbesondere eine Übergangsdauer wie eine Öffnungs- oder Schließzeit und/oder ein Übergangszeitpunkt wie ein Öffnungs- oder Schließzeitpunkt, bestimmt werden kann. In einem zweiten Betriebsmodus wird das Magnetventil mit Gegenbestromung betrieben, um die dadurch möglichen Vorteile zu realisieren. Die im ersten Betriebsmodus bestimmte wenigstens eine Größe wird dann hier unter Einsatz einer geeigneten Korrektur mit einem Korrekturfaktor berücksichtigt, wobei der Korrekturfaktor beispielsweise vorbestimmt, einem Korrekturkennfeld entnommen oder mittels einer Korrekturfunktion berechnet ist. Eine Korrekturfunktion beschreibt einen Zusammenhang zwischen Korrekturfaktor und bestimmten Parametern, wie z.B. die Erzeugung des Gegenstroms kennzeichnenden Parametern (Magnetfeldabbau, Zeitdauer, Stromstärke, ...), von einer Temperatur und/oder einer Viskosität und/oder einem Druck eines durch das Magnetventil strömenden Fluids und/oder von den Schaltzeiten und Wiederholfrequenzen des Magnetventils. Die Korrektur kann beispielsweise die Multiplikation der zuvor bestimmten Größe mit dem zugehörigen Korrekturfaktor umfassen.
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Bevorzugte Größen, die im Rahmen der Erfindung berücksichtigt werden können, sind beispielsweise in der
2 der
DE 10 2009 002 593 A1 gezeigt. Insbesondere gehören zu den bevorzugten Größen Zeitpunkte, wie z.B. der Beginn und das Ende der elektrischen Ansteuerung und der Beginn und das Ende des Übergangs des Magnetventils in die Normalstellung oder die betätigte Stellung (der Zeitpunkt, bei dem die Ventilnadel sich zu öffnen beginnt, der Zeitpunkt, bei dem die Ventilnadel vollständig geöffnet ist, der Zeitpunkt, bei dem die Ventilnadel sich zu schließen beginnt, der Zeitpunkt, bei dem die Ventilnadel vollständig geschlossen ist) sowie Zeitdauern zwischen beliebigen dieser Zeitpunkte.
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Eine bevorzugte Berücksichtigung im Rahmen der Erfindung ist bspw. die Verwendung als Rückführgröße für eine Regelung oder die Verwendung als Eingangsgröße für eine Steuerung uvm.
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Ein Korrekturfaktor, ein Korrekturkennfeld und/oder eine Korrekturfunktion können beispielsweise von den die Erzeugung des Gegenstroms kennzeichnenden Parametern, der Temperatur, Viskosität und dem Druck des Fluids abhängen, das durch das Magnetventil strömt.
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Es kann vorgesehen sein, einen oder mehrere Korrekturfaktoren ventilindividuell - bspw. nach der Herstellung - zu ermitteln. Ebenso vorteilhaft kann vorgesehen, ventiltypische Korrektufaktoren zu verwenden (bspw. gemittelt über mehrere Exemplare desselben Typs). Ein Korrekturfaktor kann durch Messung der Größe mit und ohne Gegenbestromung und durch Vergleich der Messwerte bestimmt werden.
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Der eine oder die mehreren Korrekturfaktoren, Korrekturkennfelder und/oder Korrekturfunktionen können am Magnetventil gespeichert werden, bspw. in Form von Mustern, Strichcodes oder in elektronischem Speicher (wie z.B. Flashspeicher) usw. Die Korrekturfaktoren können dann besonders einfach in ein Motorsteuergerät eingegeben oder von diesem ausgelesen werden.
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Für unterschiedliche Größen können auch unterschiedliche Korrekturfaktoren vorgesehen sein. Bspw. kann sich eine Schließzeit anders verändern als eine Halteverzugszeit. In der folgenden Beschreibung wird als Größe im Wesentlichen auf die Schließzeit (d.h. die Zeitdauer vom Ende der Hauptansteuerung bis zum endgültigen Erreichen der Normalstellung) Bezug genommen. Dies ist jedoch nur beispielhaft, nicht einschränkend zu sehen. In
2 der
DE 10 2009 002 593 A1 ist dargestellt, dass sich die Schließzeit t
2 aus einer Halteverzugszeit t
21 und einer Schließflugzeit t
22 zusammensetzt. Die Schließzeit kann bestimmt werden aus der Zeitdifferenz zwischen dem Schließzeitpunkt t
s und dem Ende der Ansteuerung t
ET1. Der Schließzeitpunkt kann bspw. gemäß
DE 10 2009 002 483 A1 gemessen werden. Der Zeitpunkt t
ET1 des Endes der Ansteuerung ist im Steuergerät ohnehin bekannt.
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Ein Korrekturfaktor kann dann bspw. die Verkürzung der Schließzeit durch Gegenbestromung beschreiben. Typische Schließzeiten liegen zwischen 125 ms und 500 ms. Zugehörige Korrekturfaktoren liegen erfahrungsgemäß zwischen 5% und 30%.
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In bevorzugter Ausgestaltung werden nun im ersten Betriebsmodus Größen bestimmt und gespeichert, bspw. in einem Kennfeld, das wiederum bspw. vom Betriebspunkt des Magnetventils abhängig ist. Ein Betriebspunkt zeichnet sich durch eine oder mehrere der folgenden Größen aus: Temperatur, Viskosität, Druck des Fluids, Schaltzeiten und Wiederholfrequenzen des Magnetventils.
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Im zweiten Betriebsmodus wird dann die abgespeicherte Größe (ggf. betriebspunktabhängig) aus dem Kennfeld entnommen, entsprechend korrigiert und für den gewünschten Zweck (bspw. eine Reglung) verwendet. Es kann ebenso vorgesehen sein, dass die Größe bereits korrigiert gespeichert wird.
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Geeignete Schaltungen für eine erfindungsgemäß Ansteuerung eines Magnetventils weisen vorzugsweise aktive Schaltelemente (insbesondere FET) mit Inversdioden auf. Die Schaltelemente sind so verschaltet, dass sie im geöffneten Zustand (hochohmig) keine Gegenbestromung ermöglichen und die Inversdioden nur einen Stromfluss in Hauptstromrichtung erlauben. Sind sie hingegen geschlossen (niederohmig), erlauben sie einen Stromfluss entgegen der üblichen Hauptstromrichtung.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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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
- 1 zeigt beispielhaft schematisch ein erfindungsgemäß ansteuerbares Magnetventil.
- 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung für ein Magnetventil, die sich zur Durchführung der Erfindung eignet.
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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, wobei die Richtung jedoch nur beispielhaft ist.
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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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In 2 ist ein Schaltbild einer für die Durchführung der Erfindung geeigneten Ansteuerschaltung 100 für ein Magnetventil, insbesondere ein Magnetventil 1 gemäß 1, schematisch dargestellt. Die Ansteuerschaltung ist zur Ansteuerung von zwei Magnetventilen ausgebildet, deren Magnetspulen in der Figur mit 8 bezeichnet sind. Die Schaltung wird von einem Bordnetz 101 eines Kraftfahrzeugs gespeist.
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Den Magnetventilen ist insgesamt ein Highside-Schaltelement 102 sowie je ein Lowside-Schaltelement 103 zugeordnet. Weiterhin ist ein Highside-Schaltelement 104 für die sog. Boosterung vorgesehen. Bei den Schaltelementen 102 und 104 (optional auch 103) handelt es sich um Leistungs-MOSFETs mit Inversdiode.
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Zur Bereitstellung einer Boosterspannung ist ein Boosterkondensator 106 vorgesehen. Der Boostkondensator 106 wird über eine Diode 109 und eine hier nicht gezeichnetete weitere Nachladeschaltung geladen (wie allgemein bekannt). Zum Entkoppeln der Boosterspannung von der Bordnetzspannung sind Dioden 105 vorgesehen. Die Spannung am Boosterkondensator 106 ist höher als die Spannung des Bordnetzes 101. Für die sog. Boosterung werden die Schaltlemente 103 und 104 geschlossen (niederohmig) und es erfolgt ein schnellerer Stromaufbau im Magnetventil als mit Batteriespannung und damit ein schnelleres Öffnen der Ventilnadel.
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Zur Bereitstellung einer Gegenbestromung sind Schaltelemente 107, 108 vorgesehen, die als MOSFETs mit Invers-Diode ausgebildet sind. Bei geöffneten (hochohmig) Schaltelementen 107 und 108 sind deren Inversdioden aktiv und ermöglichen den Stromfluss in der üblichen Hauptstromrichtung ohne Gegenbestromung (insbesondere für Boosterung und Hauptbestromung). Werden die Schaltelemente 107 und 108 hingegen nach der Hauptbestromung geschlossen (niederohmig), so ist ein Stromfluss entgegen der Hauptstromrichtung möglich (sog. Gegenbestromung), um das Magnetfeld aktiv abzubauen.
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Ein weiteres Schaltelement 109 dient als Freilaufdiode, um bei der Gegenbestromung den Strom abzuführen.
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Die nachfolgende Beschreibung ist auf den Schließvorgang eines NC-Ventils gerichtet, also den Übergang von einer geöffneten Stellung (betätigte Stellung) des Magnetventils 1 in eine geschlossene Stellung (Normalstellung), wie sie in 1 dargestellt ist. Als Ist-Größe wird die Schließzeit erfasst und korrigiert. Die Ansteuerschaltung 100 wird von einem Steuergerät 200, insbesondere einem Motorsteuergerät, mit Speichervorrichtung 210 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betrieben.
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In einem ersten Betriebsmodus werden die Schaltelemente 107 und 108 beim Schließen des Ventils geöffnet (hochohmig), so dass die Inversdioden wirken und die Stromrichtung so festlegen, dass keine Gegenbestromung stattfindet. Zum Schließen des NC-Ventils werden alle Schaltelemente geöffnet und der Stromfluss der Spuleninduktivität treibt einen Strom durch die Inversdiode der Schaltelemente 107 weiter durch den Boosterkondensator 106 und zurück durch die Inversdiode des Schaltelements 108 in die Spulen 8. Es tritt keine Gegenbestromung auf. In diesem Betriebsmodus kann aus dem Stromverlauf beim Schließen des Magnetventils auf bestimmte Ist-Größen, wie hier auf die Schließzeit, geschlossen werden. Die bestimmte Schließzeit wird - vorzugsweise betriebspunktabhängig in einem Kennfeld - in der Speichervorrichtung 210 gespeichert und für nachfolgende Einspritzvorgänge in einem zweiten Betriebsmodus korrigiert verwendet.
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Um die Einspritzvorgänge an sich zu verbessern, wird die Ansteuerschaltung nun in einem zweiten Betriebsmodus so betrieben, dass für das Schließen der Magnetventile eine Gegenbestromung durchgeführt wird. Zu diesem Zweck werden für die Gegenbestromung die Schaltelemente 107 und 108 zum Abschaltzeitpunkt geschlossen (niederohmig), so dass sich der Boostkondensator 106 entlädt und ein Strom gegenläufig durch die Spulen 8 fließt.
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Durch die Gegenbestromung verkürzen sich die Schließzeiten, so dass die im ersten Betriebsmodus bestimmten Ist-Größen korrigiert werden müssen. Zu diesem Zweck entnimmt das Steuergerät 200 der Speichervorrichtung 210 die im ersten Betriebsmodus abgespeicherten Kenngrößen zusammen mit den vorab hinterlegten Korrekturfaktoren und verwendet diese für die Bestimmung der korrigierten Ist-Größe. Die korrigierte Ist-Größe wird vorzugsweise für die Steuerung einer Brennkraftmaschine (z.B. zur Regelung einer Einspritzmenge usw.) - verwendet.
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Beispielhafte Gegenstromverläufe können der
DE 10 2010 000 898 A1 entnommen werden, auf die an dieser Stelle ausdrücklich verwiesen wird.
