DE19808780A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers sind aus der DE 195 39 071 bekannt. Dort wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines elektromagnetischen Verbrauchers beschrieben. Das Magnetventil wird zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine eingesetzt. Mehrere Verbraucher stehen jeweils über erste Schaltmittel mit einem ersten Anschluß einer Versorgungsspannung und über ein gemeinsames zweites Schaltmittel mit dem zweiten Anschluß der Versorgungsspannung in Verbindung. Desweiteren stehen die Verbraucher über ein Schaltmittel mit einem Boosterkondensator in Verbindung. Zum beschleunigten Einschalten wird die am Boosterkondensator anliegende Spannung an die Verbraucher angelegt. Beim Öffnen des ersten Schaltmittels, das heißt insbesondere am Ende der Einspritzung und/oder beim Übergang auf einen anderen Stromwert, wird die beim Abschalten freiwerdende Energie in den Boosterkondensator umgeladen.
Häufig reicht die beim Abschalten freiwerdende Energie nicht aus, um den Boosterkondensator auf eine ausreichend hohe Spannung aufzuladen, der für einen schnellen Schaltvorgang benötigt wird.
Aus der DE 29 06 B35 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum sicheren Schalten von elektromagnetischen Verbrauchern bekannt. Zum sicheren Schalten wird der Verbraucher vor der eigentlichen Ansteuerung mit einem Strom beaufschlagt, der so bemessen ist, daß er nicht zum Schalten des Verbrauchers führt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers der eingangs genannten Art einen möglichst schnellen Schaltvorgang des Verbrauchers erzielen zu können. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme kann die Schaltzeit des Magnetventils wesentlich verkürzt werden. Andererseits kann der Aufwand an Bauteilen verringert werden, da eine niederere Spannung am Boosterkondensator nötig ist, um eine entsprechende Schaltzeit zu erreichen. Oder es kann ein Kondensator mit einer geringeren Kapazität verwendet werden. Desweiteren wird die Verlustleistung in der Schaltung durch diese Maßnahme verringert.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 verschiedene über der Zeit aufgetragene Signale.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird bevorzugt bei Brenn­ kraftmaschinen eingesetzt. Dort wird die Kraftstoffzumessung mittels elektromagnetischer Ventile gesteuert. Diese elek­ tromagnetischen Ventile werden im folgenden als Verbraucher bezeichnet. Die Erfindung ist nicht auf diese Anwendung be­ schränkt, sie kann überall dort eingesetzt werden, wo schnell schaltende elektromagnetische Verbraucher benötigt werden.
In Fig. 1 sind die wesentlichsten Elemente der erfindungs­ gemäßen Einrichtung dargestellt. Bei der dargestellten Aus­ führungsform handelt es sich um eine Vierzylinderbrennkraft­ maschine. Hierbei ist jedem Verbraucher ein Einspritzventil und jedem Einspritzventil ein Zylinder der Brennkraftmaschi­ ne zugeordnet. Bei höheren Zylinderzahlen der Brennkraftma­ schine sind entsprechend mehr Ventile, Schaltmittel und Dioden vorzusehen.
Mit 100, 101, 102 und 103 sind vier Verbraucher dargestellt. Jeweils ein Anschluß der Verbraucher 100 bis 103 stehen über ein Schaltmittel 115, eine Diode 110 und einem Meßmittel 125 mit einer Spannungsversorgung 105 in Verbindung.
Die Diode 110 ist so angeordnet, daß sie mit ihrer Anode mit dem Schaltmittel 115 und mit ihrer Kathode mit den Verbrauchern (100 bis 103) in Verbindung steht. Bei dem Schaltmittel 115 handelt es sich vorzugsweise um einen Feldeffekttransistor.
Jeweils der zweite Anschluß der Verbraucher 100 bis 103 steht über jeweils ein zweites Schaltmittel 120, 121, 122 und 123 mit einem Widerstandsmittel 125 in Verbindung. Bei dem Schaltmittel 120 bis 123 handelt es sich ebenfalls vor­ zugsweise um Feldeffekttransistoren. Die Schaltmittel 120 bis 123 werden als Lowside-Schalter und das Schaltmittel 115 als Highside-Schalter bezeichnet. Der zweite Anschluß des Widerstandsmittels 125 steht mit dem zweiten Anschluß der Spannungsversorgung in Verbindung.
Jedem Verbraucher 100 bis 103 ist eine Diode 130, 131, 132 und 133 zugeordnet. Der Anodenanschluß der Dioden steht je­ weils mit dem Verbindungspunkt zwischen Verbraucher und Lowside-Schalter in Kontakt. Der Kathodenanschluß steht mit einem Kondensator 145 sowie einem weiteren Schaltmittel 140 in Verbindung. Der zweite Anschluß des Schaltmittels 140 steht über eine Diode 142 mit den ersten Anschlüssen der Verbraucher 100 bis 103 in Kontakt. Bei dem Schaltmittel 140 handelt es sich ebenfalls vorzugsweise um einen Feldeffekttransistor. Dieses Schaltmittel 140 wird auch als Booster-Schalter bezeichnet. Der zweite Anschluß des Kondensators 145 steht ebenfalls mit dem zweiten Anschluß der Versorgungsspannung 105 in Verbindung.
Der Highside-Schalter 115 wird von einer Steuereinheit 160 mit einem Ansteuersignal AH beaufschlagt. Das Schaltmittel 120 wird von der Steuereinheit 160 mit einem Ansteuersignal AL1, das Schaltmittel 121 mit einem Ansteuersignal AL2, das Schaltmittel 122 mit einem Ansteuersignal AL3, das Schalt­ mittel 123 mit einem Ansteuersignal AL4 und das Schaltmittel 140 mit einem Ansteuersignal AC beaufschlagt.
Zwischen dem zweiten Anschluß der Spannungsversorgung 105 und dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 110 und den ersten Anschlüssen der Verbraucher 100 bis 103 ist eine Diode 150 geschaltet. Hierbei ist die Anode der Diode mit dem zweiten Anschluß der Spannungsversorgung 105 verbunden.
Mittels des Widerstandes 125 kann der durch den Verbraucher fließende Strom ermittelt werden.
Mit der dargestellten Anordnung ist eine Strommessung über den Strommeßwiderstand 125 nur möglich, wenn eines der Schaltmittel 120 bis 123 und einer der High-Side-Schalter (115, 140) geschlossen ist. Um den Strom auch bei geöffneten Lowside-Schaltern erfassen zu können, kann der Strommeßwiderstand auch an anderer Stelle angeordnet werden. Beispielsweise kann der zweite Anschluß des Kondensators 145 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Strommeßmittel 125 und dem Schaltmittel 120 bis 123 verbunden werden. In diesem Fall ist auch eine Strommessung bei gesperrtem Lowside-Schalter möglich. Ferner kann das Strommeßmittel zwischen der Spannungsversorgung und dem Highside-Schalter bzw. Im ersten oder zweiten Anschluß der Verbraucher an­ geordnet sein.
Anstelle des Widerstands 125 bzw. zusätzlich zu dem Widerstand 125 kann ein weiterer Widerstand 126 zwischen dem ersten Anschluß der Spannungsversorgung 105 und dem High­ side-Schalter 115 angeordnet sein. Mit diesem Widerstand 126 kann ebenfalls eine Strommessung erfolgen.
Der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltmittel 140 und dem Kondensator 145 steht mit Kathode einer weiteren Diode 180 in Kontakt. Die Anode der Diode 180 steht mit dem Verbindungspunkt zwischen einer Induktivität 170 und einem weiteren Schaltmittel 175 in Verbindung. Das Schaltmittel 175 wird auch als Ladeschalter bezeichnet. Ein zweiter Anschluß des weiteren Schaltmittels steht mit dem zweiten Anschluß des Kondensators 145 bzw. mit dem zweiten Anschluß der Versorgungsspannung 105 in Verbindung. Die Induktivität 170 steht ferner mit dem ersten Anschluß der Versorgungsspannung in Verbindung.
Die Induktivität 170, der Ladeschalter 175 und die Diode 180 bilden einen Spannungswandler. Anstelle dieser Elemente kann auch eine andere Ausgestaltung eines Spannungswandlers, insbesondere eines DC/DC Gleichspannungswandlers eingesetzt werden. Der Ladeschalter wird ebenfalls von der Steuereinheit 160 mit einem Ansteuersignal AS beaufschlagt.
In jedem Zumeßzyklus werden verschiedene Phasen unterschie­ den. In einer Phase 0, vor dem Zeitpunkt t1, der vor der Ansteuerung des Verbrauchers liegt, ist die Endstufe abgeschaltet. Die Ansteuersignale AC, AH und AL befinden sich auf niederem Potential. Dies bedeutet, daß der Highside-Schalter 115, die Lowside-Schalter 120 bis 123 und der Boosterschalter 140 den Stromfluß sperren. Durch die Verbraucher fließt kein Strom. Der Kondensator 145 ist auf seine maximale Spannung UC aufgeladen, die vorzugsweise höher als die Versorgungsspannung Ubat ist. Diese nimmt bei­ spielsweise einen Wert von ca. 80 Volt an, wohingegen die Spannung der Spannungsversorgung einen Wert von ca. 12 V an­ nimmt.
In einer ersten Phase zwischen den Zeitpunkten t1 und t2, die unmittelbar vor der eigentlichen Ansteuerung liegt und als Vorbestromungsphase bezeichnet wird, verbleibt das Ansteuersignal AC für den Boosterschalter 140 auf seinem Pegel, so daß der Schalter 140 weiter sperrt. Die Ansteuersignale AH und AL für den Highside-Schalter 115 und dem Verbraucher zugeordneten Lowside-Schalter werden auf hohen Pegel gesetzt, damit diese Schalter den Stromfluß freigeben. Somit fließt ein Strom von der Spannungsversorgung 105, den Highside-Schalter 115 über die Diode 110, den Verbraucher, den entsprechenden Lowside-Schalter, den Strommeßwiderstand 125 zurück zur Spannungsquelle 105. Durch Antakten des High-Side-Schalters wird der Strom, der mittels des Strommeßwiderstandes 125 erfaßt wird, auf einen vorgebbaren Wert für den Vorbestromungsstrom IV geregelt. Das heißt, bei Erreichen des Sollstroms IV für den Anzugsstrom wird der Highside-Schalter 115 so angesteuert, daß er sperrt. Bei Un­ terschreiten einer weiteren Schwelle wird er wieder freige­ geben.
Der Sollwert für den Vorbestromungsstrom IV ist gewählt, daß sich im Verbraucher ein Magnetfeld aufbaut, das aber noch nicht zum Schalten des Verbraucher ausreicht.
Bei gesperrten Highside-Schalter 115 wirkt ein Freilauf­ kreis. Der Strom fließt vom Verbraucher durch den Lowside-Schalter, den Widerstand 125 und die Freilaufdiode 150.
Die erste Phase endet, mit der eigentlichen Ansteuerung des Verbrauchers zum Zeitpunkt t2. Eine zweite Phase ist durch die Zeitpunkte t2 und t3 definiert. Die zweite Phase liegt zu Beginn der Ansteuerung und wird auch als Boosterphase bezeichnet. In dieser Phase wird der Lowside-Schalter angesteuert, der dem Verbraucher zugeordnet ist, der Kraft­ stoff zumessen soll. Dies bedeutet, daß in der Phase 1 das Signal AL einen hohen Pegel annimmt. Gleichzeitig nimmt das Ansteuersignal AC für den Boosterschalter 140 einen hohen Pegel an, das den Schalter 140 durchsteuert. Die Stellung des High-Side-Schalters ist ohne Bedeutung. In der Regel wird der Highside-Schalter 115 nicht angesteuert, dieser sperrt in der zweiten Phase.
Diese Ansteuerung der Schaltmittel bewirkt, daß vom Kondensator 145 über den Boosterschalter 140, den entsprechenden Verbraucher, den dem Verbraucher zugeordneten Lowside-Schalter und das Strommeßmittel 125 ein Strom fließt. In dieser Phase steigt der Strom I bedingt durch die hohe Spannung am Verbraucher sehr schnell an. Zu Beginn der eigentlichen Ansteuerung wird der Verbraucher mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt, die wesentlich größer als die Versorgungsspannung ist. Die Versorgungsspannung nimmt üblicherweise Werte um 12 oder 24 Volt und die erhöhte Spannung Werte von ca. 60 bis 100 Volt an. Die zweite Phase endet, wenn die am Kondensator 145 anliegende Spannung einen bestimmten Wert U2 unterschreitet, oder der Strom im Verbraucher einen definierten Wert erreicht hat.
Eine dritte Phase, die durch Zeitpunkte t3 und t4 definiert ist, wird als Anzugsstromphase bezeichnet. In dieser Phase wird der Einschaltstrom von dem Highside-Schalter 115 übernommen und der Booster inaktiviert. In der dritten Phase wird das Ansteuersignal für den Boosterschalter 140 zurück­ genommen, so daß der Schalter 140 sperrt. Die Ansteuersignale AH und AL für den Highside-Schalter 115 und dem Verbrau­ cher zugeordneten Lowside-Schalter werden auf hohen Pegel gesetzt, damit diese Schalter den Stromfluß freigeben. Somit fließt ein Strom von der Spannungsversorgung 105 über den Highside-Schalter 115, die Diode 110, den Verbraucher, den entsprechenden Lowside-Schalter, den Strommeßwiderstand 125 zurück zur Spannungsquelle 105. Durch Antakten des High- Side-Schalters kann der Strom, der mittels des Strommeß­ widerstandes 125 erfaßt wird, auf einen vorgebbaren Wert für den Anzugsstrom IA geregelt werden. Das heißt, bei Erreichen des Sollstroms IA für den Anzugsstrom wird der Highside-Schalter 115 so angesteuert, daß er sperrt. Bei Un­ terschreiten einer weiteren Schwelle wird er wieder freige­ geben.
Bei gesperrten Highside-Schalter 115 wirkt ein Freilauf­ kreis. Der Strom fließt vom Verbraucher durch den Lowside-Schalter, den Widerstand 125 und die Freilaufdiode 150.
Die dritte Phase endet, wenn von der Steuereinheit 160 das Ende der Anzugsphase erkannt wird. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn eine bestimmte Anzugszeit abgelaufen ist oder wenn eine Schaltzeitpunkterkennung erkennt, daß der Magnetventilanker seine neue Endlage erreicht hat. Erkennt die Schaltzeitpunkterkennung nicht innerhalb einer vorgege­ ben Zeit, daß der Magnetventilanker seine neue Endlage er­ reicht hat, so wird auf Fehler erkannt.
An die dritte Phase schließt sich eine vierte Phase an, die durch die Zeitpunkte t4 und t5 definiert ist, und auch als Haltestromregelung bezeichnet wird. Entsprechend wie in der dritten Phase bleibt das Ansteuersignal für den Lowside-Schalter auf seinem hohen Niveau, das heißt der dem Verbraucher zugeordnete Lowside-Schalter bleibt geschlossen. Durch Öffnen und Schließen des High-Side-Schalters 115 wird der Strom, der durch den Verbraucher fließt, auf den Soll­ wert IH für den Haltestrom eingeregelt. Bei; gesperrten Highside-Schalter 115 wirkt ein Freilaufkreis. Der Strom fließt vom Verbraucher durch den Lowside-Schalter, den Wi­ derstand 125 und die Freilaufdiode 150. Die Phase 4 ist be­ endet, wenn der Einspritzvorgang abgeschlossen ist. Der Sollwert IH für den Haltestrom ist so gewählt, daß er möglichst klein ist aber ausreicht um den Verbraucher in seiner Stellung zu halten.
Insbesondere beim Abschalten des Verbrauchers zum Zeitpunkt t5 erfolgt eine Schnellöschung. Beim Übergang zwischen dem Anzugsstroms in der Phase 3 und dem Haltestrom in Phase 4 kann ebenfalls eine Schnellöschung erfolgen. Bei der Schnellöschung wird der entsprechende Lowside-Schalter abgeschaltet und der Highside-Schalter 115 bleibt durchgesteuert. Dadurch fällt der Strom, der durch den Verbraucher fließt, schnell auf den Wert Null ab. Gleichzeitig steigt die Spannung U, die am Kondensator 145 anliegt an. Die beim Abschalten freiwerdende Energie wird dabei in den Kondensator 145, 146 umgeladen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Schnellöschung wird der High-Side-Schalter und der Low-Side-Schalter gesperrt.
In den Phasen zwei und drei erfolgt eine Stromregelung durch Antakten des High-Side-Schalters. Bei gesperrtem Highside-Schalter ist die Freilaufdiode 150 aktiv. In diesen Phasen fällt der Strom langsam ab. Dies führt zu einer ge­ ringeren Schaltfrequenz.
In einer fünften Phase zwischen den Zeitpunkten t5 und t6, ist die Endstufe inaktiv, das heißt, es erfolgt keine Kraftstoffzumessung. Dies bedeutet, das Ansteuersignal AC für den Booster-Schalter 140, das Ansteuersignal AH für den Highside-Schalter und das Ansteuersignal AL für die Lowside-Schalter nehmen alle niedriges Niveau an und alle Schalter sperren. Der Strom, der durch den Verbraucher fließt, bleibt auf 0.
In einer sechsten Phase nach der Ansteuerung, die durch die Zeitpunkte t6 und t7 definiert und auch als Ladephase bezeichnet ist, wird der Lade-Schalter 175 durch das Ansteuersignal AS in seinen leitenden Zustand gebracht. Dadurch wird ein Stromfluß in der Induktivität 170 initialisiert. Der Strom fließt von der Spannungsquelle 105 über den Schalter 175 und die Induktivität 170 in die Spannungsquelle 105. Nach einer vorgegebenen Zeit, die so gewählt ist, daß in die Induktivität ausreichend Energie eingespeichert ist, wird der Lade-Schalter so angesteuert, daß er öffnet. Dies bewirkt wiederum eine Schnellöschung der Induktivität 170 über die Diode 180 in den Kondensator 145. Dadurch steigt die am Kondensator 145 anliegende Spannung an. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Spannung am Kondensator 145 einen vorgegebenen Wert U1 erreicht. Alternativ kann auch vorgesehen sein, das eine vorgegebene Anzahl von Ansteuerung erfolgt oder daß der Ladeschalter 175 für eine vorgegebene Zeitdauer mit einem getakteten Signal mit vorgegebener Frequenz und Tastverhältnis angesteuert wird.
Der DC/DC-Wandler kann, da er zur Nachladung keine Verbraucher verwendet, jederzeit den Kondensator nachladen. Vorzugsweise ist aber vorgesehen, daß in der Boosterphase und der Anzugsphase, das heißt zwischen den Zeitpunkten t2 und t4, ist der DC/DC-Wandler nicht aktiv, da ansonsten sehr hohe Stromwerte auftreten können.
In der sich anschließenden siebten Phase zwischen den Zeitpunkten t7 und t8, werden alle Ansteuersignale zurückgenommen und alle Schalter in ihrem gesperrten Zustand gebracht. Diese Phase entspricht der Phase 0.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß die beim Abschalten freiwerdende Energie nicht in den Kondensator umgeladen wird, wobei dieser dann lediglich durch den Spannungswandler geladen wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Ansteuerung der Verbraucher mit einem Vorbestromungsstrom beaufschlagt und zu Beginn der Ansteuerung mit einer erhöhten Spannung beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Spannung wesentlich größer als eine Versorgungsspannung ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorbestromungswert so bemessen ist, daß er nicht zum Schalten des Verbrauchers ausreicht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Spannung von einem Kondensator bereitgestellt wird, der mittels der Verbraucher und/oder eines Spannungswandlers geladen wird.
5. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem ersten Schaltmittel, das zwischen einem Anschluß des Verbrauchers und einer Versorgungsspannung angeordnet ist, einem zweiten Schaltmittel, das einen Anschluß des Verbrauchers mit einer zweiten Spannungsquelle verbindet, die eine höhere Spannung als die Versorgungsspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die vor Beginn der Ansteuerung den Verbraucher mit einem Vorbestromungsstrom beaufschlagen und zu Beginn der Ansteuerung mit der zweiten Spannungsquelle verbinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zweiten Spannungsquelle um einen Spannungswandler handelt.
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