DE19908899A1

DE19908899A1 - Elektromagnetventil

Info

Publication number: DE19908899A1
Application number: DE19908899A
Authority: DE
Inventors: Marc Timmermans
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: DE19908899B4

Abstract

Es wird ein Elektromagnetventil beschrieben, das einen durch eine Rückstellfeder in Richtung auf eine erste Endstellung (1) vorgespannten Anker (2), in der ein Stößel (4) eine erste Ventil-Schaltstellung einnimmt, aufweist und das sich insbesondere durch eine Ansteuerschaltung mit einer ersten Einrichtung auszeichnet, mit der durch Aktivierung das Elektromagnetventil mit einem Dämpfungsstrom beaufschlagt wird, der so gerichtet und bemessen ist, daß ein Anschlag des Ankers (2) an die erste Endstellung (1) gedämpft oder vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil mit einem durch eine Rückstellfeder in eine erste Endstellung vorge spannten Anker, in der ein Stößel eine erste Ventil- Schaltstellung einnimmt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektromagnetventile dieser Art sind bekannt und dienen zum Schalten verschiedener Medien zum Beispiel in hydraulischen Anlagen oder als Einlaß- und Auslaßventile zur Nockenwellen steuerung von Verbrennungsmotoren.

Zur Dämpfung von Anschlaggeräuschen des Ankers, der beim Schalten des Ventils durch die Rückstellfeder bzw. einen Er regerstrom zwischen einer ersten und einer zweiten Endstel lung hin- und herbewegt wird, sind verschiedene Maßnahmen be kannt. In der DE 43 44 440 wird zum Beispiel ein Elektroma gnetventil beschrieben, das zwischen einem sich jeweils in nerhalb und außerhalb des Magnetankers befindenden Druckmit telraum eine permanente Druckmittelverbindung aufweist, durch die über einen Fluidsstrom eine hydraulische Dämpfung der An kerbewegung erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektromagnet ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Anschlaggeräusche des Ankers auf einfache Weise weiter ver ringert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem solchen Elektromagnetven til gemäß Anspruch 1 dadurch, daß eine Ansteuerschaltung mit einer ersten Einrichtung vorgesehen ist, mit der durch Akti vierung das Elektromagnetventil mit einem Dämpfungsstrom be aufschlagt wird, der so gerichtet und bemessen ist, daß ein Anschlag des Ankers an die erste Endstellung gedämpft oder vermieden wird.

Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß an dem Ventil selbst keine konstruktiven Änderungen vorgenommen werden müssen. Dies hat zur Folge, daß die Lösung besonders kostengünstig zu realisieren ist und auch bei bereits vorhan denen Ventilen nachträglich noch realisiert werden kann, in dem diese mit der genannten Ansteuerschaltung ergänzt werden oder eine vorhandene Ansteuerschaltung entsprechend erweitert wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß eine individuelle Anpassung und Optimierung der Dämpfung der An kerbewegung an ein bestimmtes Ventil und seine Betriebspara meter wie Druck, Temperatur, Schaltgeschwindigkeit usw. ein fach und mit hoher Genauigkeit möglich ist, indem der Zeit punkt der Aktivierung sowie die Höhe und Dauer des ersten Er regerstroms durch entsprechende Schaltungsauslegung der er sten Einrichtung voreingestellt werden.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Er findung zum Inhalt.

Danach ist zum Beispiel der Stößel in der Weise mit dem Anker verbunden, daß er seine erste Ventil-Schaltstellung erreicht, bevor der Anker seine erste Endstellung einnimmt, und der Dämpfungsstrom ist so bemessen, daß der Anker nicht an die erste Endstellung anschlägt.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß keine Anschlagge räusche mehr auftreten und auch die mechanischen Belastungen des Ventils wesentlich geringer sind.

Weiterhin wird der Dämpfungsstrom vorzugsweise mit einer vor einstellbaren Zeitverzögerung aktiviert, nachdem der Stößel die erste Ventil-Schaltstellung eingenommen hat.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der aktive Hub des Stößels und damit die Schaltzeiten des Ventils nicht durch die Dämpfung der Ankerbewegung beeinträchtigt werden, da die se Dämpfung aufgrund der Zeitverzögerung erst dann eintritt, wenn der Stößel seine Hubbewegung abgeschlossen hat.

Das Ventil ist vorzugsweise ein durch PWM-Ströme gesteuertes Ventil, bei dem die Ansteuerschaltung eine zweite Einrichtung aufweist, mit der durch Aktivierung das Elektromagnetventil mit mindestens einem Erregerstrom beaufschlagt wird, mit dem der Anker in eine zweite Endstellung bewegt wird, in der der Stößel eine zweite Ventil-Schaltstellung einnimmt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein in Fig. 1B angedeutetes Ventil;

Fig. 3 einen typischen Verlauf der von der zweiten Ein richtung erzeugten Ströme;

Fig. 4 einen typischen Verlauf der von der ersten und zweiten Einrichtung erzeugten Ströme;

Fig. 5A bis 5C Diagramme der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers bei einem bekannten, drucklos betriebenen Ventil;

Fig. 6A bis 6C Diagramme der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers bei einem erfindungsgemä ßen, drucklos betriebenen Ventil;

Fig. 7A bis 7C Diagramme der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers bei einem bekannten, mit einem Druck von etwa 50 bar beaufschlagten Ventil;

Fig. 8A bis 8C Diagramme der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers bei einem erfindungsgemä ßen, mit einem Druck von etwa 50 bar beaufschlagten Ventil.

Die in den Fig. 1A und 1B gezeigte Ansteuerschaltung dient zum Erzeugen und Regeln der Schaltströme für ein Elektroma gnetventil durch Pulsbreitenmodulation (PWM-Schaltung). Zu diesem Zweck sind für eine erste, eine zweite und eine dritte Stromphase (siehe Fig. 3 und 4) jeweils ein erster, ein zweiter sowie ein dritter Schaltungszweig I1, f1; I2, f2; I3, f3 vorgesehen. Diese Schaltungszweige umfassen jeweils einen Differenzverstärker I1, I2, I3 mit jeweils einem nachgeschal teten Stromphasenglied (Zeitgeber) f1, f2, f3.

Die nichtinvertierenden Eingänge der Differenzverstärker sind jeweils über einen Eingangswiderstand sowie über den Schal tungspunkt C mit einem Spannungsabgriff entsprechend einem in einem Batteriekreis fließenden Strom (Fig. 1B) verbunden. Zwischen den rückgekoppelten invertierenden Eingängen und Masse liegt zur Einstellung eines maximalen Erreger- bzw. Dämpfungsstroms I1max, I2max bzw. I3max jeweils ein Trimmwi derstand Tr1, Tr2 bzw. Tr3.

Die Ausgänge der Stromphasenglieder f1, f2, f3 liegen jeweils an einem logischen NAND-Gatter N1, N2, N3 an. Weiterhin sind zwei Zeitphasenglieder (Zeitgeber) t1, t2 vorgesehen, wobei der Triggereingang des ersten Zeitphasengliedes t1 mit einem Impulseingang verbunden ist. Ein nichtinvertierender Ausgang des ersten Zeitphasengliedes t1 liegt an dem ersten NAND- Gatter N1 an, während ein invertierender Ausgang mit dem Triggereingang des zweiten Zeitphasengliedes t2 verbunden ist.

Ein nichtinvertierender Ausgang des zweiten Zeitphasengliedes t2 liegt an dem zweiten NAND-Gatter N2 an, während ein inver tierender Ausgang über ein erstes UND-Gatter U1 mit dem in vertierenden Ausgang des ersten Zeitphasengliedes t1 logisch verknüpft ist und der sich ergebende logische Wert an einen Eingang des dritten NAND-Gatters N3 geführt wird. Schließlich ist auch der Impulseingang mit jeweils einem weiteren An schluß der logischen NAND-Gatter verbunden.

Die Ausgänge der drei logischen NAND-Gatter sind über ein viertes NAND-Gatter N4 logisch miteinander verknüpft, dessen Ausgang A an der Basis des ersten Transistors T1 (Fig. 1B) anliegt.

Schließlich ist in Fig. 1A ein drittes Zeitphasenglied (Zeitgeber) t3 zur Erregerstrom-Abschaltsteuerung gezeigt, dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten logischen UND- Gatters U1 verbindbar ist, und dessen Ausgang über ein zwei tes logisches UND-Gatters U2 mit dem Impulseingang verknüpft und einer Schaltung A zur Erzeugung eines geeigneten logi schen Ansteuerpegels für einen zweiten Transistor T2 zu geführt wird. Der Ausgang dieser Schaltungseinheit A ist mit dem Basisanschluß des zweiten Transistors T2 (Fig. 1B) ver bunden.

Fig. 1B zeigt die Schaltung der Magnetspulen V des Elektro magnetventils, die in Reihe mit dem ersten Transistor T1 zwi schen den Anschlüssen Vbatt einer Batterie liegen. Der zweite Transistor T2 ist mit den Magnetspulen V zu einem Sekundär kreis verschaltet. Die Schaltungspunkte A, B, C sind jeweils mit den gleich benannten Punkten A, B, C in Fig. 1A verbun den.

Ein zur Ansteuerung durch die Schaltung gemäß den Fig. 1A und 1B geeignetes Elektromagnetventil ist in Fig. 2 gezeigt. Es handelt sich dabei um ein regelbares Einlaßventil für die Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Einlaßkanal P und einem Auslaßkanal A, einem hohlgebohrten Anker 2, einem mehrteiligen, hülsenförmigen Stößel 4, einer als Magnetkern wirkenden Hülse 3, einem Hülsenboden 1 und ei nem Ventilsitz 5. Eine Rückstellfeder 6 stützt sich koaxial zum Ventilsitz 5 an einer gehäusefesten, im Druckmittelstrom liegenden Einstellvorrichtung 7 des Ventils in Nähe des Aus laßkanals A ab. Das andere Ende der Rückstellfeder 6 ist im hülsenförmigen Endabschnitt des Stößels 4 fixiert. Ein weite rer Hülsenabschnitt des mehrteiligen Stößels 4 ist auf der von der Rückstellfeder 6 abgewandten Stirnfläche des Endab schnitts eingefügt und über Bohrungen in den vorbeschriebenen Stößelabschnitten in Richtung des Ankers 2 hydraulisch druck ausgeglichen. Der Stößel öffnet und schließt durch Ausführen eines "aktiven Hubes" das Ventil. Der Anker kann durch ent sprechende mehrteilige Verbindung mit dem Stößel einen zu sätzlichen "freien Hub" ausführen, nachdem der Stößel seine Endstellung erreicht hat. Dieser freie Hub des Ankers ist er forderlich, um den Anschlag des Ankers an dem Hülsenboden zu mindest zu dämpfen, ohne dadurch den aktiven Hub und die Schaltgeschwindigkeit des Ventils zu beeinträchtigen.

Ein bekannter Erregerstromverlauf, mit dem bisher bekannte Ventile angesteuert werden, ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei sind zwei Zeitphasen vorgesehen, deren Dauer (t1, t2) durch das erste bzw. zweite Zeitphasenglied t1, t2 bestimmt wird. Die erste Zeitphase (Phase 1) wird durch eine positive Flanke eines über den Impulseingang zugeführten Eingangsimpulses, der das erste Zeitphasenglied t1 triggert, eingeleitet. Zu nächst werden die Magnetspulen V über den ersten Transistor T1 mit einer Versorgungsbatterie (zum Beispiel eine Fahrzeug batterie) verbunden, so daß der Erregerstrom durch die Ma gnetspulen ansteigt. Erreicht dieser Strom den maximalen Wert Ilmax, so wird über den ersten Differenzverstärker I1 (Spannungsabgriff an Punkt C) das nachgeschaltete Strompha senglied f1 getriggert und dadurch über die logischen Gatter N1, N4 die Basis des ersten Transistors T1 so angesteuert, daß dieser sperrt und die Magnetspulen V von der Batterie ge trennt sind.

Im Anschluß daran fließt auf Grund der Gegeninduktion in den Magnetspulen V in dem durch den zweiten Transistor T2 gebil deten Sekundärkreis (Fig. 1B) ein langsam abfallender Strom, bis die durch das erste Stromphasenglied f1 vorgegebene Zeit dauer ("Nachlaufzeit") abgelaufen und ein dadurch bestimmter minimaler Erregerstrom I1min erreicht ist. (Alternativ dazu wäre es auch möglich, anstelle der Zeitdauer von f1 einen mi nimalen Strom I1min vorzugeben). Anschließend nimmt das erste Stromphasenglied f1 wieder seinen vorherigen Zustand ein, so daß über die genannten Logikgatter der erste Transistors T1 so angesteuert wird, daß die Magnetspulen V wieder mit dem Batteriekreis verbunden sind. Dieser Ablauf wiederholt sich so lange, bis die durch das erste Zeitphasenglied t1 vorgege bene Zeitdauer abgelaufen ist und dieses das zweite Zeitpha senglied t2 triggert.

Während der zweiten Zeitphase wiederholen sich diese Abläufe mittels des zweiten Schaltungszweiges I2, f2 (Phase 2) in gleicher Weise, jedoch mit anderen Parametern. Während in der ersten Zeitphase der mittlere Erregerstrom zum Beispiel etwa 10 A beträgt und die Zeitdauer des ersten Stromphasengliedes f1 so eingestellt ist, daß sich eine Differenz zwischen maxi malem und minimalem Erregerstrom von etwa 2 A ergibt, beträgt der mittlere Erregerstrom in der zweiten Zeitphase etwa 4,7 A, und die Zeitdauer des zweiten Stromphasengliedes f2 ist so eingestellt, daß sich eine Differenz zwischen maximalem und minimalem Strom von etwa 1 A ergibt.

Ein erfindungsgemäßer Stromverlauf ist in Fig. 4 gezeigt. Die erste und zweite Zeitphase ist im wesentlichen unverän dert und soll nicht noch einmal beschrieben werden. Nach Be endigung der zweiten Zeitphase wird durch das zweite Zeitpha senglied t2 das erste logische Gatter U1 durchgeschaltet und dadurch das dritte Zeitphasenglied t3 getriggert, sofern dies über den in Fig. 1A dargestellten Schalter EIN/AUS einge schaltet ist. Dadurch wird wiederum über das zweite logische Gatter U2 und die Logikpegelschaltung A der zweite Transistor T2 angesteuert, so daß der Strom durch die Magnetspulen sehr schnell auf Null abfällt. Das dritte Zeitphasenglied t3 ist zum Beispiel so eingestellt, daß die dritte Zeitphase etwa 0,35 ms dauert.

Im Anschluß daran sind die Magnetspulen V mittels des dritten Schaltungszweiges I3, f3 (Phase 3 in Fig. 1A) wieder mit dem Batteriekreis verbunden, bis ein durch die Spulen fließender Dämpfungsstrom einen Spannungsabfall erzeugt, der über den dritten Differenzverstärker T3 das dritte Stromphasenglied f3 triggert. Dieser maximale Wert I3max des Dämpfungsstroms be trägt zum Beispiel etwa 2,5 A. Das dritte Stromphasenglied steuert wiederum über die logischen Gatter den ersten Transi stor T1 an, so daß die Magnetspulen V vom Batteriekreis ge trennt werden und der Dämpfungsstrom durch den Sekundärkreis (zweiter Transistor T2) fließt. Da sich jedoch in dieser dritten Zeitphase der Anker aufgrund der Beaufschlagung durch die Rückstellfeder bewegt, steigt dieser Strom in den Spulen zunächst an.

Nach etwa 0,5 ms nimmt das dritte Stromphasenglied f3 wieder seinen vorherigen Zustand ein und die Magnetspulen V werden über den ersten Transistor T1 wieder mit dem Batteriekreis verbunden. Da der Dämpfungsstrom zuvor bereits angestiegen war, wird der maximale Dämpfungsstrom I3max in sehr kurzer Zeit wieder erreicht, so daß das dritte Stromphasenglied f3 wieder getriggert wird und sich der Ablauf wiederholt, bis der am Impulseingang (Fig. 1A) anliegende Eingangsimpuls ab fällt und mit einer nächsten ansteigenden Flanke des Ein gangsimpulses ein neuer Zyklus begonnen wird.

Die Länge dieses Eingangsimpulses erstreckt sich somit über einen vollständigen Ventil-Schaltvorgang und setzt sich zu sammen aus der ersten und zweiten Zeitphase, die die Öff nungszeit und die Haltezeit des Ventils darstellen und in ih rer Summe durch eine Nockenwellensteuerung bestimmt werden, der dritten Zeitphase (Pausenintervall t3), sowie der Dauer des Dämpfungsstroms, welcher der Ankerbewegung in die Endlage entgegenwirkt, während der das Ventil bereits wieder ge schlossen ist.

Die mittlere Höhe sowie die Dauer des Dämpfungsstroms sind für das geschaltete Ventil im wesentlichen konstant und wer den individuell ermittelt. Diese Größen hängen von verschie denen konstruktiven Faktoren, wie zum Beispiel dem Ventil- und Ankerhub, der Schaltgeschwindigkeit usw. ab. Im darge stellten Fall beträgt die Dauer des Pausenintervalls t3 sowie des Dämpfungsstroms I3 zusammen etwa 2 ms. Mit dieser Dimen sionierung wird ein Anschlag des Ankers 2 an den Hülsenboden 1 in wirksamer Weise verhindert, ohne daß der Schließ- und Öffnungsvorgang des Ventils verlangsamt wird, da zum Zeit punkt des Erzeugens des Dämpfungsstroms der Stößel 4 bereits seine Endstellung erreicht hat.

Dies wird auch anhand eines Vergleichs zwischen den in den Fig. 5 bis 8 dargestellten Meßergebnissen deutlich. In den Fig. 5A bis 8A stellt der Wertebereich oberhalb der Null linie bis zu der durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Position des Hülsenbodens den freien Hub des Ankers dar, wäh rend der Wertebereich unterhalb der Nulllinie den aktiven Hub des Stößels bezeichnet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Verhältnisse bei einem druck los betriebenen Ventil. Fig. 5A zeigt die Ankerposition hber der Zeit während des Öffnens und Schließens des Ventils. Die Fig. 5B und 5C zeigen die entsprechenden Verläufe der Ge schwindigkeit und der Beschleunigung des Ankers, und zwar je weils mit einer bekannten Ventilansteuerschaltung.

Die Fig. 6A bis 6C zeigen die Meßergebnisse bei dem glei chen Ventil mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. Aus Fig. 6A wird deutlich, daß der Anker im Gegensatz zu Fig. 5A den Hhlsenboden nicht erreicht, und daß ferner die Schließzeit des Ventils dadurch nicht beeinträchtigt wird. Im Hinblick auf die Ankergeschwindigkeit und die Ankerbeschleu nigung (Fig. 5B, 6B bzw. 5C, 6C) ist festzustellen, daß diese durch die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung jeweils verringert sind, so daß auf Grund der geringeren mechanischen Beanspruchungen auch die Lebensdauer des Ventils verlängert wird.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Meßwerte bei einem mit einem Druck von etwa 50 bar beaufschlagten Ventil. Während der An ker mit einer bekannten Ansteuerschaltung mit einer erhebli chen Kraft gegen den Hülsenboden schlägt (Fig. 7A), bleibt bei einem mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung unter Druck betriebenen Ventil (Fig. 8A) ein deutlicher Abstand zwischen beiden bestehen.

Ferner ist zu erkennen, daß auch in diesem Betriebsfall der aktive Hub des Stößels und die Schließzeit des Ventils nicht beeinträchtigt wird und die Ankergeschwindigkeit (Fig. 7B und 8B) sowie die Ankerbeschleunigung (Fig. 7C und 8C) je weils geringer sind, als bei einer bekannten Ansteuerung.

Bezugszeichenliste

I1, I2, I3 Differenzverstärker
f1, f2, f3 Stromphasenglieder
Tr1, Tr2, Tr3 Trimmwiderstände
t1, t2, t3 Zeitphasenglieder
A Logikpegelschaltung
N1, N2, N3, N4 NAND-Gatter
U1, U2 UND-Gatter
T1, T2 Transistoren
V Magnetspule

1

Hülsenboden (Endstellung)

2

Anker

3

Hülse

4

Stößel

5

Ventilsitz

6

Rückstellfeder

7

Einstellvorrichtung

Claims

1. Elektromagnetventil mit einem durch eine Rückstellfeder in Richtung auf eine erste Endstellung vorgespannten Anker, in der ein Stößel eine erste Ventil- Schaltstellung einnimmt, gekennzeichnet durch eine An steuerschaltung mit einer ersten Einrichtung, mit der durch Aktivierung das Elektromagnetventil mit einem Dämp fungsstrom beaufschlagt wird, der so gerichtet und bemes sen ist, daß ein Anschlag des Ankers (2) an die erste Endstellung (1) gedämpft oder vermieden wird.

2. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stößel (4) in der Weise mit dem Anker (2) verbunden ist, daß er seine erste Ventil- Schaltstellung erreicht, bevor der Anker seine erste Endstellung (1) einnimmt, und daß der Dämpfungsstrom so bemessen ist, daß der Anker nicht an die erste Endstel lung anschlägt.

3. Elektromagnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein durch Pulswei tenmodulation gesteuertes Ventil ist und die Ansteuerschaltung eine zweite Einrichtung aufweist, mit der durch Aktivierung das Elektromagnetventil mit min destens einem Erregerstrom beaufschlagt wird, mit dem der Anker in eine zweite Endstellung bewegt wird, in der der Stößel (4) eine zweite Ventil-Schaltstellung einnimmt.

4. Elektromagnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsstrom mit einer voreinstellbaren Zeitverzögerung aktiviert wird, nachdem der Stößel (4) die erste Ventil-Schaltstellung eingenom men hat.

5. Elektromagnetventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrich tung eine Schaltungseinheit aufweist, mit der der Dämp fungsstrom gemessen und bei Erreichen eines voreinge stellten Maximalwertes für eine voreingestellte Zeitdauer unterbrochen wird, während der der Dämpfungsstrom auf ei nen gewünschten Minimalwert abgefallen ist.

6. Elektromagnetventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil offen ist, wenn der Stößel (4) die erste Ventil-Schaltstellung einnimmt und daß das Ventil geschlossen ist, wenn der Stößel (4) die zweite Ventil-Schaltstellung einnimmt.