DE102021203773A1

DE102021203773A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils, Steuergerät, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102021203773A1
Application number: DE102021203773.9A
Authority: DE
Inventors: Oezguer Tuerker; Thomas Gann; Marco Beier; Fabian Fischer; Torsten Burock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils, bei dem zum Öffnen des Gasventils eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt wird und zum Schließen des Gasventils die Bestromung der Magnetspule beendet wird, so dass der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker gekoppeltes Ventilglied mittels Federkraft in einen Dichtsitz zurückgestellt wird. Erfindungsgemäß wird während des Schließens die Magnetspule nach Einhaltung einer Bestromungspause erneut bestromt, so dass eine Bremsphase eingeleitet wird, in der die Bewegung des Magnetankers und/oder des Ventilglieds gebremst wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Gasventil wird auch Gasdosierventil oder Gasinjektor genannt. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um einen gasförmigen Kraft- oder Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, handeln, der zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystems benötigt wird.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Gasventile zum Eindosieren gasförmiger Kraft- oder Brennstoffe sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Häufig werden sie elektromagnetisch angesteuert. In diesem Fall ist eine Magnetspule vorgesehen, die auf einen hin und her beweglichen Magnetanker einwirkt, der mit einem Ventilglied zum Öffnen und Schließen des Gasventils koppelbar ist oder selbst das Ventilglied ausbildet.
Aufgrund der bei Gasventilen fehlenden hydraulischen Dämpfung ist die Gefahr von Schließprellern besonders hoch. Das heißt, dass der Magnetanker oder das Ventilglied nach dem Einschlagen in einen Dichtsitz von dem Dichtsitz wieder abhebt und öffnet. Dies kann eine erhebliche Mehrmenge bei der Gasdosierung sowie einen starken Sitzverschleiß zur Folge haben. Ferner geht in der Regel eine unerwünschte Geräuschbildung damit einher.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils anzugeben, das nicht zu den genannten Nachteilen führt oder diese zumindest verringert. Insbesondere sollen eine hohe Dosiergenauigkeit sowie eine Verringerung der mechanischen Belastung des Dichtsitzes erreicht werden. Dabei sollen eine möglichst hohe Öffnungs- und Schließdynamik erhalten bleiben.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden eine elektronische Steuereinheit, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils wird zum Öffnen des Gasventils eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt und zum Schließen des Gasventils wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker gekoppeltes Ventilglied mittels Federkraft in einen Dichtsitz zurückgestellt wird. Erfindungsgemäß wird während des Schließens die Magnetspule nach Einhaltung einer Bestromungspause erneut bestromt, so dass eine Bremsphase eingeleitet wird, in der die Bewegung des Magnetankers und/oder des Ventilglieds gebremst wird.
Durch Abbremsen der Bewegung des Magnetankers und/oder des Ventilglieds werden Schließpreller vermieden, da die Einschlaggeschwindigkeit beim Schließen des Gasventils reduziert wird. Folglich steigt die Dosiergenauigkeit des Gasventils. Zugleich wird der Verschleiß im Bereich des Dichtsitzes verringert. Damit steigt die Robustheit des Gasventils.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass während der Bremsphase das Stromniveau im Wesentlichen konstant ist. Das Verfahren lässt sich somit einfach umsetzen. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Stromniveau während der Bremsphase unterhalb des Stromniveaus einer vorhergehenden Anzug- oder Haltephase beim Öffnen oder Offenhalten des Gasventils liegt. Denn die gewünschte Bremswirkung kann bereits mit wenig Strom bzw. bei geringer Stromhöhe erzielt werden. Das Verfahren kann somit energieeffizient durchgeführt werden. Vorzugsweise liegt der Bremsstrom deutlich unterhalb des Stromniveaus des Anzug- oder Haltestroms.
Der Anzugstrom in der Anzugphase dient dem Öffnen des Gasventils. An die Anzugphase schließt sich die Haltephase an, in der das Ventil mit Hilfe eines Haltestroms geöffnet gehalten wird. Der Anzugstrom ist höher als der Haltestrom, um die anfänglich hohe Öffnungskraft bereitzustellen. Optional kann der Anzugphase eine Boostphase zur Bereitstellung der anfänglich hohen Öffnungskraft vorausgehenden. In der vergleichsweise kurzen Boostphase wird das Stromniveau kurzzeitig stark angehoben, was die Dynamik des Gasventils beim Öffnen steigert.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass vor dem erneuten Bestromen der Magnetspule zum Abbremsen des Magnetankers und/oder des Ventilglieds eine Bestromungspause von mindestens 100 µs eingehalten wird. Das erneute Bestromen erfolgt dann sicher während des Schließens des Gasventils. Zugleich kann bis zum erneuten Bestromen eine hohe Schließdynamik beibehalten werden. Denn der Magnetanker und/oder das Ventilglied wird bzw. werden erst kurz vor dem Einschlagen abgebremst.
Bevorzugt wird die erneute Bestromung der Magnetspule während des Schließens vor dem Einschlagen des Magnetankers oder des Ventilglieds in den Dichtsitz beendet. Dadurch ist sichergestellt, dass der Magnetanker oder das Ventilglied den Dichtsitz erreicht und das Gasventil sicher schließt. Denn die Aufgabe des Bremsstroms besteht lediglich darin, die Einschlaggeschwindigkeit nicht aber das Einschlagen zu verhindern.
In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass nach Beenden der Bremsphase während des Schließens ein Sensorstrom zur Erkennung des Schließzeitpunkts des Gasventils aufgebaut wird. Um den Schließzeitpunkt zu erkennen, muss der Strom vor dem Einschlagen des Magnetankers oder des Ventilglieds in den Dichtsitz aufgebaut werden. Denn dann kann aus dem Verlauf des Sensorstroms bei konstanter Spannung der Schließzeitpunkt ermittelt werden, da die beim Einschlagen in den Dichtsitz abrupte Geschwindigkeitsänderung des Magnetankers und/oder Ventilglieds aus dem Stromverlauf ablesbar ist.
Der Sensorstrom kann aktiv aufgebaut werden, beispielsweise durch erneutes Bestromen der Magnetspule, oder passiv. Zum passiven Aufbauen des Sensorstroms kann insbesondere eine in einem Magnetfeld des Gasventils inhärent gespeicherte Energie genutzt werden. Denn am Ende der Bestromung der Magnetspule, das heißt zum Zeitpunkt des Verlöschens des Spulenstroms, ist das Magnetfeld noch nicht erloschen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich im Material des Magnetkerns und im Magnetanker Wirbelströme aufbauen, die dem Abbau des Magnetfelds entgegenwirken.
Unabhängig davon, ob der Sensorstrom aktiv oder passiv aufgebaut wird, ermöglicht er die Erkennung des Schließzeitpunkts. In Kenntnis des Schließzeitpunkts kann auch die Schließdauer ermittelt werden, so dass die Dosiergenauigkeit des Gasventils weiter steigt.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils vorgeschlagen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere können mit Hilfe des Steuergeräts die verfahrensgemäßen Bestromungsprofile realisiert werden. Ferner kann die Schließzeitpunkterkennung-- soweit vorhanden - zur Anpassung eines Bestromungsprofils genutzt werden.
Ferner wird ein Computerprogramm mit einem Programmcode beansprucht, der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem Steuergerät, abläuft. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils handeln.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm vorgeschlagen, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

1 Diagramm zur graphischen Darstellung des Stromverlaufs über einen Schaltzyklus und
2 Diagramm zur graphischen Darstellung des Stromverlaufs (a) und des Ankerhubs (b) über einen Schaltzyklus.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein erstes Bestromungsprofil zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. Über den dargestellten Schaltzyklus öffnet und schließt das Gasventil jeweils einmal.
Das Gasventil ist als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Das heißt, dass zum Öffnen des Gasventils eine Magnetspule bestromt werden muss. Bei bestromter Magnetspule wird ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Magnetkraft auf einen Magnetanker einwirkt, so dass dieser eine Hubbewegung ausführt, die zum Öffnen des Gasventils führt. Die Bestromung umfasst dabei die nachfolgenden drei Phasen:

- Phase A oder Boostphase, in der kurzeitig ein sehr hoher Strom angelegt wird, um die anfänglich hohe Öffnungskraft bereitzustellen,
- Phase B oder Anzugsphase, in der die Stromhöhe noch auf einem vergleichsweise hohen Niveau ist, um das vollständige Öffnen des Gasventils zu bewirken, und
- Phase C oder Haltephase, in der das Stromniveau gesenkt wird, da das Offenhalten des Gasventils eine geringere Kraft erfordert als das Öffnen.

An diese drei Phasen schließt sich eine Phase D an, in der keine Bestromung der Magnetspule erfolgt, sondern eine Bestromungspause eingehalten wird. Diese ist ausreichend lang gewählt, um das Schließen des Gasventils einzuleiten. Während des Schließens wird dann in einer Phase E die Magnetspule erneut bestromt, wobei das Stromniveau deutlich unter dem der Phasen A-C liegt. Denn der angelegte Strom hat lediglich die Aufgabe, den Magnetanker und ggf. ein mit dem Magentanker gekoppeltes Ventilglied vor dem Einschlagen in einen Dichtsitz abzubremsen, um die Einschlaggeschwindigkeit und damit die Gefahr von Schließprellern zu reduzieren. Phase E kann somit als Bremsphase bezeichnet werden. Um ein sicheres Schließen des Gasventils gewährleisten, wird die Bremsphase bzw. das Anlegen des Bremsstroms vor dem vollständigen Schließen des Gasventils beendet.
Der 2 ist ein weiteres Stromprofil zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zu entnehmen, wobei die Graphik 2a) den Strom I und die Graphik 2b) den Hub H des Magnetankers jeweils über die Zeit t zeigen.
Wie 2a) zeigt entspricht der Stromverlauf zumindest bis zur Phase E dem der 1. Kurz vor dem vollständigen Schließen des Gasventils wird dann aber noch ein Sensorstrom aufgebaut, mit dessen Hilfe der Schließzeitpunkt ts des Gasventils detektiert werden kann. Denn der Verlauf des Sensorstroms lässt das Ende des Ankerhubs H durch einen deutlichen Knick erkennen. In Kenntnis des Schließzeitpunkts t_S kann die Gasdosierung noch genauer ausgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils, bei dem zum Öffnen des Gasventils eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt wird und zum Schließen des Gasventils die Bestromung der Magnetspule beendet wird, so dass der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker gekoppeltes Ventilglied mittels Federkraft in einen Dichtsitz zurückgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens die Magnetspule nach Einhaltung einer Bestromungspause erneut bestromt wird, so dass eine Bremsphase eingeleitet wird, in der die Bewegung des Magnetankers und/oder des Ventilglieds gebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bremsphase das Stromniveau im Wesentlichen konstant ist und/oder unterhalb des Stromniveaus einer vorhergehenden Anzug- oder Haltephase beim Öffnen oder Offenhalten des Gasventils liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem erneuten Bestromen der Magnetspule eine Bestromungspause von mindestens 100 µs eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erneute Bestromung der Magnetspule während des Schließens vor dem Einschlagen des Magnetankers oder des Ventilglieds in den Dichtsitz beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beenden der Bremsphase während des Schließens ein Sensorstrom zur Erkennung des Schließzeitpunkts des Gasventils aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbauen des Sensorstroms eine in einem Magnetfeld des Gasventils inhärent gespeicherte Energie genutzt wird.
Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerprogramm mit einem Programmcode, der Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem Steuergerät, abläuft.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 8, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist.