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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Als Magnetventil wird ein Ventil bezeichnet, das von einem Elektromagneten betätigt wird. Zum Betätigen, d. h. zum Öffnen und Schließen, eines solchen Magnetventils ist es daher erforderlich, dieses mit einem Strom anzusteuern. Dieser Ansteuerstrom bzw. der Verlauf des Ansteuerstroms sollte derart sein, dass ein sicheres und ggf. schnelles Betätigen des Magnetventils ermöglicht wird.
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Bei großen Öffnungsquerschnitten im Magnetventil müssen große Hübe des Schaltelements realisiert werden. Die beschleunigende Kraft beim Schließen wirkt über eine längere Zeit und bewirkt damit eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Schaltelements im Sitz. Durch den Impuls beim Schließen entstehen im Sitz hohe Kräfte und Flächenpressungen, die zu Beschädigungen führen. Damit ist das Ventil nicht für hohe Lebensdauer geeignet.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2004 003 417 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt. Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, ein Stellelement, bspw. ein Magnetventil, anzusteuern. Dieses Magnetventil bestimmt den Beginn und das Ende einer Einspritzung und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge. Das Magnetventil wird in einer ersten Phase mit einem ersten Stromwert und in einer zweiten Phase mit einem zweiten Stromwert beaufschlagt. Dabei ist in bestimmten Betriebspunkten der Stromwert in der zweiten Phase abhängig vom Betriebspunkt vorgebbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Anordnung gemäß Anspruch 6, ein Computerprogramm nach Anspruch 8 sowie ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das beschriebene Verfahren sieht vor, die Schließbewegung des Schaltelements in dem Magnetventil dahingehend zu beeinflussen, dass das Schaltelement mit geringerer Geschwindigkeit schließt.
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Mit dem vorgestellten Verfahren wird erreicht, die Auftreffgeschwindigkeit am Ende des Schließvorgangs zu reduzieren. Es wird somit eine alternative Bestromung vorgeschlagen, die den Verlauf der Magnetkraft während des Abschaltens dahingehend ändert, dass die Beschleunigungskraft, die auf das Schaltelement wirkt, reduziert wird.
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Es wird somit in der Haltephase in einem ersten Zeitraum ein erstes Stromniveau gewählt, das zumindest dem minimalen Stromniveau zum Offenhalten des Magnetventils entspricht, und in einem zweiten Zeitraum nach dem ersten Zeitraum wird ein Stromniveau gewählt, das höher ist als das erste Stromniveau und höher als das minimale Stromniveau zum Offenhalten des Magnetventils.
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Dies hat zur Folge, dass in der Löschphase, nachdem eine Magnetkraft, die auf das Schaltelement wirkt, eine Ventilfederkraft, die ebenfalls auf das Schaltelement wirkt, unterschreitet, eine Abbaurate der Magnetkraft eine Schließbewegung des Stellelements beeinflusst, wobei der Stromverlauf so gewählt wird, dass die Abbaurate reduziert wird.
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Bei dem Verfahren wird somit ein weiteres Stromniveau während einer bestimmten Dauer typischerweise unmittelbar vor dem geplanten Ende der Bestromung eingeführt, welches höher liegt, als der minimale Strom zum Offenhalten des Ventils gegen die Ventilfederkraft. Dies bewirkt einen langsameren Abbau der Magnetkraft in dem für das Schließen relevanten Bereich und damit eine geringere Beschleunigungskraft während des Schließens. Wird der höhere Haltestrom nicht während der gesamten Öffnungsdauer des Ventils eingestellt, so kann die Spule vor Überhitzung geschützt werden.
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Die vorgestellte Anordnung dient zur Durchführung des Verfahrens und ist bspw. in einem Steuergerät, wie bspw. einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs, integriert bzw. implementiert oder als solches ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten 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 eine Ausführung eines Magnetventils.
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2 zeigt Phasen der Bestromung eines Magnetventils nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt Phasen der Bestromung eines Magnetventils nach dem vorgestellten Verfahren.
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4 zeigt den Strom-, Kraft- und Hubverlauf nach dem Stand der Technik und gemäß dem vorgestellten Verfahren.
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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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In 1 ist eine Ausführung eines Magnetventils dargestellt, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist und bspw. in einem Common-Rail-Injektor zur Anwendung kommt. Die Darstellung zeigt eine Ventilfeder 12, eine Einstellscheibe 14 für die Ventilkraft, einen Elektromagneten 16, ein Schalt- bzw. Ventilelement 18, eine Einstellscheibe 20 für den Ankerhub, einen Ventilsitz 22, eine Magnetspule 26, eine Ventilspannschraube 28, eine Ankerplatte 30, ein Ventilstück 32 und einen Injektorkörper 34. Die Ankerplatte 30 ist Teil des Schaltelements 18. Das Ventilstück 32 ist durch die Ventilspannschraube 28 im Injektorkörper 34 fest eingespannt.
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Im Betrieb wird das Schaltelement 18 durch die Ventilfeder 12 in Schließrichtung belastet, so dass im Ventilsitz 22 eine ausreichend Flächenpressung entsteht, um ein Abfließen des innenliegenden Mediums zu unterbinden. Bei Aktivierung des Elektromagneten 16 entsteht eine der Ventilfeder 12 entgegengesetzte Kraft. Bei ausreichender Höhe des Stroms, mit dem der Elektromagnet 16 bestromt wird, ist die Magnetkraft höher als die Ventilfederkraft und das Magnetventil 10 öffnet. Bei Stromreduzierung oder -unterbrechung schließt das Magnetventil 10.
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Magnetventile in Common-Rail-Injektoren haben üblicherweise vier Phasen der Bestromung, wie diese in 2 dargestellt sind. Die Darstellung zeigt einen Graphen 50, an dessen Abszisse 52 die Zeit [μs] und an dessen Ordinate 54 der Strom [A] aufgetragen ist. Weiterhin ist ein Stromprofil bzw. ein Stromverlauf 56 eingetragen, das bzw. der den Verlauf des Stroms bei der Bestromung des Magnetventils wiedergibt. Dieser Stromverlauf 56 umfasst vier Phasen, die gekennzeichnet sind durch das jeweilige Stromniveau, nämlich:
- 1. einen hohen kurzzeitigen Booststrom IBoost 60 um schnell die Magnetkraft in dem Magnetkreis aufzubauen,
- 2. einen Anzugsstrom Ian 62, der genügend Magnetkraft bei hohem Anfangsluftspalt erzeugt, um den Anker bzw. das Schaltelement gegen eine Schließfeder in Richtung oberer Anschlag zu beschleunigen,
- 3. einen Haltestrom Ihalte 64, der ausreichend Magnetkraft bei niedrigem Restluftspalt erzeugt, um den Anker gegen die Ventilfeder im oberen Anschlag zu halten, und
- 4. ein Abschalten 66 des Stroms mit Schnelllöschung.
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Mit der entsprechend dem Stromverlauf 56 vorgenommenen Bestromung wird ein schnelles Öffnen des Schalt- bzw. Ventilelements durch einen schnellen Aufbau des Magnetfeldes erreicht. Durch die hohe Spannung in der Boost-Phase, bewirkt durch den Booststrom IBoost 60, werden Effekte, die den Magnetfeldaufbau verlangsamen, wie bspw. Wirbelströme, reduziert. Während der Haltestromphase, bewirkt durch den Haltestrom Ihalte 64, wird der Strom auf das nötige Minimum reduziert, um wenig Verlustwärme zu erzeugen und die Spule vor Überhitzung zu schützen. Die Schnelllöschung durch die Abschaltung 66 mit negativer Spannung an der Spule hat das Ziel, das Magnetfeld schnell abzubauen. Dies erfolgt analog zum Aufbau in der ersten Phase.
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Durch dieses Vorgehen werden die Beschleunigungskräfte beim Öffnen und Schließen, d. h. die Differenz zwischen Ventilfederkraft und Magnetkraft, maximiert. Dies führt zu hohen Geschwindigkeiten beim Öffnen und Schließen.
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Es wurde erkannt, dass bei großen Öffnungsquerschnitten im Schaltventil große Hübe des Schaltelements realisiert werden müssen. Die beschleunigende Kraft beim Schließen wirkt über eine längere Zeit und bewirkt damit eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Schaltelements im Sitz. Durch den Impuls beim Schließen entstehen im Sitz hohe Kräfte und Flächenpressungen, die zu Beschädigungen führen. Damit ist das Ventil nicht für hohe Lebensdauer geeignet.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, die Auftreffgeschwindigkeit am Ende des Schließvorgangs zu reduzieren. Um dies zu erreichen, wird eine alternative Bestromung vorgeschlagen, die den Verlauf der Magnetkraft während des Abschaltens dahingehend verändert, dass die Beschleunigungskraft, die auf das Schaltelement wirkt, reduziert wird. Dies wird durch eine Bestromung, wie diese beispielhaft in 3 dargestellt ist, erreicht.
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3 zeigt einen Graphen 150, an dessen Abszisse 152 die Zeit [μs] und an dessen Ordinate 54 der Strom [A] aufgetragen ist. Weiterhin ist ein Stromprofil bzw. ein Stromverlauf 156 eingetragen, das bzw. der den Verlauf des Stroms bei der Bestromung des Magnetventils gemäß einer Ausführung des vorgestellten Verfahrens wiedergibt. Dieser Stromverlauf 156 umfasst fünf Phasen, die gekennzeichnet sind durch das jeweilige Stromniveau, nämlich:
- 1. einen hohen kurzzeitigen Booststrom IBoost 160, um schnell die Magnetkraft in dem Magnetkreis aufzubauen,
- 2. einen Anzugsstrom Ian 162, der genügend Magnetkraft bei hohem
- Anfangsluftspalt erzeugt, um den Anker bzw. das Ventilelement gegen eine
- Schließfeder in Richtung oberer Anschlag zu beschleunigen,
- 3. einen ersten Haltestrom Ihalte1 164,
- 4. einen zweiten Haltestrom Ihalte2 166, und
- 5. ein Abschalten 168 des Stroms mit Schnelllöschung.
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In der Darstellung sind weiterhin drei Zeiträume durch Doppelpfeile verdeutlicht, nämlich t1 170, t2 172 und t3 174, dabei bezeichnet 172 den ersten Zeitraum der Haltephase und 174 den zweiten Zeitraum der Haltephase.
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Das vorgestellte Verfahren sieht somit die Einführung eines vierten Stromniveaus Ihalte2 166 während des zweiten Zeitraums t3 174 direkt vor dem geplanten Ende der Bestromung vor, welches höher als der minimale Strom zum Offenhalten des Ventils gegen die Ventilfederkraft Ihalte1 164 ist. Dies bewirkt einen langsameren Abbau der Magnetkraft im für das Schließen relevanten Bereich und damit eine geringere Beschleunigungskraft während des Schließens. Der höhere Haltestrom Ihalte2 166 wird nicht während der gesamten Öffnungsdauer des Ventils eingestellt, um die Spule vor Überhitzung zu schützen.
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Soll die Ansteuerdauer geändert werden, so kann hierzu die Dauer des ersten Zeitraums 172 variiert werden.
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Durch den höheren Haltestrom Ihalte2 > Ihalte1 entsteht eine höhere Magnetkraft und es wird mehr Feldenergie im Magnetkreis gespeichert.
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Der Stromverlauf 156 wird typischerweise durch die Zeitkonstante τ = L/R und durch den Startwert des Stroms bestimmt. Die Magnetkraft ist näherungsweise proportional zum Strom. Die relevante Phase für die Beschleunigung des Ventilelements beginnt, wenn die Magnetkraft unter die Ventilfederkraft sinkt, es wird hierzu auf 4 verwiesen.
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4 zeigt in einem ersten Graphen 200, an dessen Abszisse 202 die Zeit [μs] aufgetragen ist, Verläufe des Ventilhubs 210, der magnetischen Kraft Fmag 212 und des Stroms 214. Weiterhin sind in der Darstellung ein Niveau einer Federkraft FFeder 220, ein Zeitpunkt ta 222, ein Zeitpunkt tb 224, ein Zeitpunkt ts 226 sowie eine Kraftdifferenz 230, nämlich FFeder 220 – Fmag 212. Weiterhin ist ein Stromniveau Ihalte1 240 eingetragen.
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Weiterhin zeigt 4 in einem zweiten Graphen 300, an dessen Abszisse 302 die Zeit [μs] aufgetragen ist, Verläufe des Ventilhubs 310, der magnetischen Kraft Fmag 312 und des Stroms 314. Weiterhin sind in der Darstellung ein Niveau einer Federkraft FFeder 320, ein Zeitpunkt ta 322, ein Zeitpunkt tb 324, ein Zeitpunkt ts 326 sowie eine Kraftdifferenz 330, nämlich FFeder 320 – Fmag 312. Weiterhin ist ein Stromniveau Ihalte2 340 eingetragen.
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Die relevante Phase für die Beschleunigung des Ventilelements beginnt, wenn die Magnetkraft unter die Ventilfederkraft sinkt, im Zeitpunkt tb 224 bzw. 324. Der Strom fällt beim Abschalten zu Beginn schnell. Die Stromabbaurate sinkt über die Zeit bestimmt durch die Zeitkonstante. Im oberen Graphen 200 der 4 ist deutlich, dass die Stromabbaurate und damit die Magnetkraftabbaurate hoch ist, ab dem Zeitpunkt, an dem die Magnetkraft unter die Ventilfederkraft gesunken ist. Damit ist die Beschleunigungskraft, definiert durch die Kraftdifferenz 230 von Ventilfederkraft FFeder 220 zu aktueller Magnetkraft Fmag 212 während des Schließens des Ventilelements hoch. Das Ventil wird stark beschleunigt und trifft mit hoher Geschwindigkeit in den Sitz.
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Im unteren Graphen 300 der 4 ist der Verlauf dargestellt mit dem Stromverlauf 314 gemäß dem vorgestellten Verfahren. Die hohe Strom- und Magnetkraftabbaurate findet zeitlich vor dem Beginn des Ventilschließens (Zeitpunkt tb 324) statt. Nach Unterschreiten der Magnetkraft unter die Ventilfederkraft ist die Abbaurate gering und damit die Beschleunigungskraft 330 FFeder 320 – Fmag 312 ebenfalls gering. Das Ventilelement wird weniger stark beschleunigt und trifft mit einer geringeren Geschwindigkeit in den Sitz. Das Ventilelement und der Sitz werden weniger stark belastet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine zusätzliche Verlangsamung des Magnetkraftabbaus durch Löschen des Stroms über eine Diode erreicht. Dabei wird die Stromabschaltung am Ende der Zeitperiode t3 174 (siehe 3) ohne Schnelllöschung mit Abschaltung und Freilauf über eine Diode realisiert. Damit fällt der Strom im relevanten Bereich noch langsamer als in der oben beschriebenen Weise. Die Geschwindigkeit im Sitzeinschlag wird weiter reduziert. Die beiden Maßnahmen höherer Haltestrom und Löschung des Stroms über Freilaufdiode können miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004003417 A1 [0004]
