Die Erfindung geht aus von einem
elektronischen Steller für
ein Kraftfahrzeug, wobei der Steller steuerbare Stellmittel und
ein Stellglied aufweist. Bei einem derartigen elektronischen Steller
kann es sich beispielsweise um ein bekanntes Magnetventil oder um
einen bekannten Stellmotor oder um einen piezo-elektrischen Steller
handeln.
1 der
Zeichnung zeigt ein schematisches Blockschaltbild, in dem eine Mehrzahl
elektromagnetischer Steller verschaltet sind. Es wird an dieser
Stelle bereits darauf hingewiesen, dass die Ausrichtung der nachfolgenden
Beschreibung auf einen bzw. mehrere elektromagnetische Steller nur
beispielhaft ist und deshalb keine Einschränkung auf diese Art von Stellern
darstellt.
Eine Schaltung gemäß der 1 kann beispielsweise bei
einer elektrohydraulischen Steuerung der Einlass- und Auslassventile
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. In
diesem Fall sind für
eine vierzylindrige Brennkraftmaschine mit jeweils vier Ventilen
pro Zylinder insgesamt 32 elektromagnetische Steller erforderlich,
um die Einlass- und Auslassventile hydraulisch zu steuern. Jeder
dieser Steller muss dabei mit zwei unterschiedlich großen Spannungen
beaufschlagbar und unabhängig
von allen anderen Stellern ansteuerbar sein.
Bei der in der 1 dargestellten Schaltung 10 sind
eine Mehrzahl von elektromagnetischen Stellern 11 vorhanden.
Es wird darauf hingewiesen, dass in der 1 nur zwei derartige Steller 11 gezeigt sind,
dass – wie
vorstehend erläutert – die Anzahl
der Steller 11 jedoch auch wesentlich größer sein
kenn. Jeder der Steller 11 weist als Stellglied z.B. eine
Ventilnadel auf, die einen geöffneten
und einen geschlossenen Zustand einnehmen kann.
Sämtliche
Steller 11 sind an eine einzige Endstufe 12 angeschlossen.
Der Anschluss erfolgt dabei über
elektrische Leitungen 13, die aufgrund der relativ großen Ströme, mit
denen die Steller 11 beaufschlagt werden, einen relativ
großen
Querschnitt aufweisen müssen.
Weiterhin sind pro Steller 11 zwei Leitungen 13 erforderlich,
da die Steller 11 aufgrund eines erforderlichen, steuerbaren
Freilaufs nicht direkt an Masse angeschlossen werden können. Die Endstufe 12 ist über elektrische
Leitungen an Masse angeschlossen.
Für
jeden der Steller 11 enthält die Endstufe 12 eine
Mehrzahl elektronischer Bauelemente, die zur Ansteuerung des Stellers 12 erforderlich
sind. Dies sind insbesondere zwei Schalter 14, die jedem der
Steller 11 zugeordnet sind, und mit denen jeder der Steller 11 in
die beiden erwähnten
vorgegebenen Zustände
gesteuert werden kann.
Die Endstufe 12 wird mit
zwei Spannungen 15, 16 versorgt, einer sogenannten
Boosterspannung und einer Haltespannung. Mit Hilfe der Boosterspannung
ist es möglich,
einen der Steller 11 in einen der vorgegebenen Zustände zu überführen und
mit Hilfe der Haltespannung ist es dann möglich, den Steller 11 in
dem vorgegebenen Zustand zu halten.
Die Beaufschlagung der einzelnen
Steller 11 mit der Boosterspannung und der Haltespannung wird – wie bereits erwähnt wurde – mit Hilfe
der Schalter 14 gesteuert. Die Steuerung der einzelnen Steller 11 geschieht
dabei unabhängig
voneinander.
Zu diesem Zweck weist die Schaltung 10 ein Steuergerät 17 auf,
das über
eine Vielzahl von elektrischen Leitungen 18 mit sämtlichen
Schaltern 14 der Endstufe 12 verbunden ist.
Im Fall der eingangs erwähnten Verwendung der
Schaltung 10 im Zusammenhang mit einer elektrohydraulischen
Steuerung der Einlass- und Auslassventile einer Brennkraftmaschine
werden die Steller 11 insbesondere unmittelbar im Bereich
der Einlass- und Auslassventile angeordnet. Die Endstufe 12 wird üblicherweise
in örtlicher
Nähe zu
den Stellern 11 angeordnet, um die Länge der Leitungen 13 und
der dort auftretenden Spannungsverluste möglichst gering zu halten. Die
Kühlung
der Endstufe 12 ist üblicherweise
mit einem erheblichen Aufwand verbunden, da – wie bereits erwähnt wurde – die Endstufe
für eine
Mehrzahl von Stellern 11 zuständig ist, und da – wie ebenfalls
erwähnt
wurde – von
der Endstufe 12 relativ große Ströme geschaltet werden.
Das Steuergerät 17 kann unabhängig von der
Endstufe 12 angeordnet werden, erfordert jedoch üblicherweise
eine Kühlung,
die bei der Anordnung z.B. innerhalb eines Kraftfahrzeugs
zu berücksichtigen
ist. Weiterhin sollte der Abstand des Steuergeräts 17 von der Endstufe 12 gering
gehalten werden, damit die Signale auf den Leitungen 18 störungsfrei übermittelt
werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen
elektronischen Steller zu schaffen, mit dem eine Vereinfachung der
Schaltung 10 der 1 möglich ist.
Bei einem elektronischen Steller
der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Steller aus einer Stelleinheit und einer integrierten Schaltung
gebildet ist, die fest miteinander verbunden sind und eine gemeinsame
Baueinheit bilden, wobei die Stelleinheit wenigstens die steuerbaren
Stellmittel und das Stellglied enthält, wobei die integrierte Schaltung
wenigstens eine Endstufe enthält,
und wobei die Endstufe dazu geeignet ist, einen steuerbaren Strom
den Stellmitteln der Stelleinheit zuzuführen.
Wie erläutert werden wird, weist der
erfindungsgemäße elektronische
Steller eine Reihe von Vorteilen unter anderem im Hinblick auf den
Verkabelungsaufwand und die Bauteilkosten auf.
Die Erfindung und deren Vorteile
sind dabei unabhängig
von der Realisierung der Erfindung im Zusammenhang mit einem elektromagnetischen Steller
oder einem elektromotorischen Steller oder einem piezo-elektrischen
Steller. Wesentlich ist, dass die Stelleinheit und die integrierte
Schaltung eine gemeinsame Baueinheit bilden. Ob die Stelleinheit
dabei elektromotorische, elektromagnetische oder piezo-elektrische
Stellmittel aufweist, ist – wie
gesagt – zweitrangig.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung ist der Steller, insbesondere die integrierte Schaltung
von einer Ummantelung insbesondere aus Kunststoff umgeben. Dies
bringt den Vorteil einer einfachen Verpackung des erfindungsgemäßen Stellers mit
sich.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in der nachfolgenden Figur der Zeichnung dargestellt
sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale
für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie
unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung.
2 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Stellers. Es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Erfindung in entsprechender Weise im
Zusammenhang mit einem elektromotorischen Steller, insbesondere
mit einem Elektromotor, oder im Zusammenhang mit einem piezo-elektrischen
Steller oder dergleichen realisiert werden kann.
In der 2 ist
ein elektromagnetischer Steller 20 dargestellt, der insbesondere
bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden
kann. Beispielsweise können
eine Mehrzahl der Steller 20 dazu verwendet werden, eine
elektrohydraulische Steuerung der Einlass- und Auslassventile einer
Brennkraftmaschine zu realisieren.
Es soll an dieser Stelle schon darauf
hingewiesen werden, dass der Steller 20 der 2 nicht dazu geeignet ist,
die gesamte Schaltung 10 der 1 zu
ersetzen. Hierzu sind, wie erläutert
werden wird, eine Mehrzahl der Steller 20 der 2 erforderlich. Ebenfalls
ist der Steller 20 der 2,
obwohl er dieselbe Bezeichnung trägt, nicht vergleichbar mit dem
Steller 11 der 1.
Wie erläutert
werden wird, geht der Funktionsumfang des Stellers 20 der 2 weit über den Steller 11 der 1 hinaus.
Der elektromagnetische Steller 20 weist
eine Stelleinheit 21 auf, die beispielsweise mit einer steuerbaren
Magnetspule und einer Ventilnadel versehen ist. Bei der Magnetspule
handelt es sich dabei um Stellmittel und bei der Ventilnadel um
ein Stellglied. Wenn überhaupt,
so ist die vorgenannte Stelleinheit 21 der 2 mit dem Steller 11 der 1 vergleichbar.
Weiterhin weist der Steller 20 eine
integrierte Schaltung 22 auf, die fest mit der Stelleinheit 21 verbunden
ist und eine gemeinsame Baueinheit mit dieser bildet.
Die integrierte Schaltung 22 ist
zumindest mit einer Endstufe 23 versehen. Gegebenenfalls
können zusätzlich eine
Steuereinheit 24, ein Buskoppler 25, ein Stromregler 26,
eine Gleichspannungswandlereinheit 27, eine Diagnoseeinheit 28 und
ein Oszillator 29 vorhanden sein.
Die Endstufe 23 enthält diejenigen
elektronischen Bauelemente, die für die Steuerung der Stelleinheit 21 erforderlich
sind. Dabei handelt es sich – ähnlich wie
bei der Endstufe 12 der 1 – um Schalter
und Dioden. Im Unterschied zur 1 ist
die Endstufe 23 der 2 jedoch
nur mit den Bauelementen versehen, die zur Steuerung einer einzigen Stelleinheit 21 erforderlich
sind.
Die Endstufe 23 wird mit
einer Versorgungsspannung UB versorgt. Die Gleichspannungswandlereinheit 27 ist
dazu vorgesehen, diejenigen weiteren Spannungen zur Verfügung zu
stellen, die für
den Betrieb der Bauelemente der Stelleinheit 21 erforderlich sind.
Die Gleichspannungswandlereinheit 2
7 ist dabei
ebenfalls an die Versorgungsspannung UB angeschlossen.
Die Schalter der Endstufe 23 werden
entweder direkt von der Steuereinheit 24 angesteuert oder – sofern
vorhanden – indirekt
von der Steuereinheit 24 über den Stromregler 26.
Die Endstufe 23 ist typischerweise über zwei Verbindungen 30 mit
der Stelleinheit 21 verbunden. In der 2 sind diese Verbindungen 30 als
Leitungen dargestellt. Dies muss jedoch nicht sein. Es ist möglich, dass
es sich bei diesen Verbindungen 30 um Schweiß- oder
Lötverbindungen
handelt, mit denen die Endstufe 23 direkt z.B. mit der
Magnetspule der Stelleinheit 21 verbunden ist.
Die Steuereinheit 24 wird über den
Buskoppler 25 mit Eingangssignalen versorgt. Hierzu ist
in der 2 eine Leitung 31 beispielhaft
dargestellt. Die Eingangssignale können beispielsweise von einem zentralen
Rechengerät
erzeugt und über
ein bidirektionales Bussystem dem Buskoppler 25 zugeführt sein.
Bei den Eingangssignalen handelt es sich dabei insbesondere um diejenigen
Signale, die für
die erwünschte
Ansteuerung des elektromagnetischen Stellers 20 erforderlich
sind.
Die Diagnoseeinheit 28 ist
dazu vorgesehen, Fehlfunktionen innerhalb der Endstufe 23 und
oder der Stelleinheit 21 zu erkennen und an die Steuereinheit 24 sowie
an den Buskoppler 25 zu melden. Zu diesem Zweck ist die
Diagnoseeinheit 28 mit der Endstufe 23, der Steuereinheit 24 und
mit dem Buskoppler 25 verbunden. Im Fehlerfall kann die
Steuereinheit 24 die Endstufe 23 abschalten. Ebenfalls
können
die Fehler von dem Buskoppler 25 an das bereits erwähnte zentrale
Rechengerät
weitergegeben werden.
Weiterhin kann die Endstufe 23 eine
Rückkopplung
zu dem Stromregler 26 – sofern
vorhanden – aufweisen.
Diese Rückkopplung
kann dabei zur Regelung des Stroms verwendet werden, der der Stelleinheit 21 und
dort insbesondere der Magnetspule zugeführt wird. Für eine derartige Stromregelung
ist es dabei zusätzlich
erforderlich, dass z.B. innerhalb der Endstufe 23 eine
Strommessung durchgeführt wird,
deren Ergebnis über
die Rückkopplung
an den Stromregler 26 gemeldet wird.
In der Steuereinheit 24 kann
eine digitale Ablaufsteuerung oder ein digitaler Mikroprozessor
oder ein Signalprozessor enthalten sein. Diese Einheiten können gegebenenfalls
auch die oben genannte Aufgabe der Stromregelung übernehmen.
Die Einheiten erfordern einen vorgegebenen Takt. Zu diesem Zweck
ist der Oszillator 29 vorgesehen, der diese und andere
Bauelemente des elektromagnetischen Stellers 20 mit einem
konstanten, vorgegebenen Takt versorgen kann. Alternativ kann auch
von extern ein Taktsignal eingespeist werden.
Der in der 2 dargestellte elektromagnetische Steller 20 erhält über die
Leitung 31 die zu seiner erwünschten Steuerung erforderlichen
Eingangssignale. Diese werden über
den Buskoppler 25 an die Steuereinheit 24 weitergegeben.
Dort werden aus den Eingangssignalen diejenigen Steuersignale erzeugt,
die für
die erwünschte
Steuerung erforderlich sind. Diese Steuersignale werden über den
Stromregler 26 der Endstufe 23 zugeführt. Dort
werden mit Hilfe der Steuersignale die vorhandenen Schalter beeinflusst, über die
der Strom zu der Stelleinheit 21 gesteuert wird. Mit Hilfe
des Stromreglers 26 kann dieser Strom dann zusätzlich auf
einen erwünschten Wert
geregelt werden. Der Strom bewirkt in der Stelleinheit 21,
dass dort z.B. die Ventilnadel innerhalb der Magnetspule in eine
erwünschten
Stellung bewegt wird. Dabei kann es sich z.B. um das Öffnen oder
das Schließen
des elektromagnetischen Stellers 20 handeln. Beispielsweise
innerhalb einer elektrohydraulischen Steuerung der Ventile einer
Brennkraftmaschine kann dann über
den elektromagnetischen Steller 20 das Öffnen oder Schließen eines Einlass-
oder Auslassventils veranlasst werden.
Wie bereits erwähnt wurde, bilden die Stelleinheit 21 und
die integrierte Schaltung 22 eine gemeinsame Baueinheit.
Diese ist insbesondere im Bereich der integrierten Schaltung 22 mit
einer Ummantelung 32 versehen, die beispielsweise aus Kunststoff
bestehen kann. Die Ummantelung 32 dient unter anderem der
Ableitung von Wärme
und damit der Kühlung
des elektromagnetischen Stellers 20.
Von dem elektromagnetischen Steller 20 ist eine
Masseleitung 33 nach außen geführt, die beispielsweise mit
der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verbunden werden kann.
Insgesamt sind bei dem elektromagnetischen
Steller 20 der 2 sämtliche
elektronischen Bauelemente in der integrierten Schaltung 22 enthalten.
Es ist somit keine Leiterplatte oder dergleichen vorhanden. Ebenfalls
sind keine sonstigen, zu dem elektromagnetischen Steller 20 gehörenden,
separaten elektronischen Bauteile vorhanden. Die integrierte Schaltung 22 ist
insoweit als monolithisch integrierter Baustein ausgeführt.
Durch den Zusammenbau der integrierten Schaltung 22 und
des Stellglieds 21 entsteht ein kompaktes Bauteil, das
einzig und allein mit der Versorgungsspannung UB, mit der Leitung 31 und
mit der Masseleitung 33 verbunden werden muss. Aufwendige
Verkabelungen, wie beispielsweise die Leitungen 13 bei
der Schaltung 10 der 1,
sind nicht vorhanden. Die mechanische Fixierung des gesamten Bauteils
erfolgt über
die Ummantelung 32.
Da von dem elektromagnetischen Steller 20 der 2 nur eine einzige Stelleinheit 21 geschaltet wird,
ist die dabei auftretende Wärme
geringer als im Falle der Schaltung 10 der 1. Aus diesem Grund ist bei dem elektromagnetischen
Steller 20 der 2 die
genannte Ummantelung 32 ausreichend, um die erforderliche
Kühlung
zu gewährleisten.
Im Vergleich zu der Schaltung der 1 ist es bei der Verwendung
des elektromagnetischen Stellers 20 der 2 einerseits erforderlich, eine Mehrzahl
dieser Steller 20, beispielsweise 32 Steller 20 im
Falle der eingangs erläuterten
elektrohydraulischen Ventilsteuerung zu verwenden. Andererseits kann
bei Verwendung der elektromagnetischen Steller 20 der 2 das bei der Schaltung
der 1 erforderliche
Steuergerät 17 mit
seinem erheblichen Bauteileaufwand entfallen. Die mit diesen Steuergerät 17 verbundenen
Kühl- und
Platzprobleme entfallen somit ebenfalls.
Insbesondere die bereits erwähnten Vereinfachungen
hinsichtlich der Verkabelung der elektromagnetischen Steller 20 der 2, wie auch der vorstehend
erläuterte
Entfall von aufwendigen Bauteilen, führen insgesamt zu wesentlichen
Kosteneinsparungen. Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Anzahl
der Verbindungsleitungen sowie die insgesamt im System erforderliche
Kabellänge
in 2 geringer ist. Dadurch
reduziert sich auch das Gewicht für das gesamte System.
Auch die Möglichkeit, dass die elektromagnetischen
Steller 20 der 2 dezentral
an ihrem Einsatzort montiert werden können, stellt einen Vorteil
gegenüber
der zentralen Schaltung 10 der 1 dar.