DE19947623A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung eiens Doppelspulen-Magnetventils, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung eiens Doppelspulen-Magnetventils, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor

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Abstract

Eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen-Magnetventile (DS-HDEV1...DS-HDEV4) für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor fasst alle Löschaktivitäten aller Ventile auf einen gemeinsamen Löschpfad (S3, D, Z, L1) zusammen. Die Löschung wird jeweils durch das Öffnen der entsprechenden Low-Side-Schalter (Sn1, Sn2) ausgelöst. Ist der gemeinsame Schalter (S3) geschlossen, kommt es zum Diodenfreilauf, während bei geöffnetem Schalter (S3) eine Zenerlöschung eingeleitet wird. Sämtliche Low-Side-Schalter (S11-S42) und alle Treiber (TR) können zusammen mit der Streuerung (11), der Diagnose- und Stromregelung in einem Leistungs-IC (10) mit weniger als 5 W Verlustleistung zu vertretbaren Kosten integriert werden, wenn die Dioden (D11-D42) und der gemeinsame Schalter (S3) als diskrete Bauelemente ausgeführt sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zum einen eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen-Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, bei der bei jedem Doppelspulen-Magnetventil die einen Enden einer ersten Magnetspule und einer zweiten Magnetspule gemeinsam mit einer ersten Speisespannung und die anderen Enden der ersten und zweiten Magnetspule jeweils einzeln mit einem ersten und zweiten Low-Side-Schalter verbunden sind. Zum andern betrifft die Erfindung ein diese Ansteuerschaltung verwendendes Ansteuerverfahren.
Mit einer bekannten Ansteuerschaltung wird die Nadelbewegung eines Doppelspulenmagnetventils durch den Stromfluss durch zwei Magnetspulen und eine Feder gesteuert. Die vom Strom durch die erste Spule erzeugte Kraft wirkt der Feder und dem Benzindruck entgegen und öffnet das Ventil (SPAUF). Die vom Strom durch die zweite Spule (SPZU) erzeugte Kraft wirkt gleichsinnig zur Federkraft und zum Benzindruck und schließt das Ventil.
In der beiliegenden Fig. 1 ist in Form zweier Zeitdiagramme der Verlauf der durch die erste und zweite Magnetspule SPAUF und SPZU fließenden Ströme über der Zeit dargestellt.
Während einer Vorbereitungszeit TV werden beide Magnetspulen SPAUF und SPZU mit einem ähnlichen Stromverlauf bestromt, bis die Ströme IAUFV = IZUV erreicht sind. Dabei sind beide Low-Side-Schalter S1 und S2 (vergleiche Fig. 2) geschlossen. Solange IAUFV ≈ IZUV ist, kompensieren sich die Magnetkräfte der Spulen weitgehend und das Ventil bleibt geschlossen. Dann wird IZU auf Null gelöscht. Dies geschieht mit einer Zenerlöschung mit dem Low-Side-Schalter S2 in der Zeit TZ1. Damit entfällt die Schließkraft der zweiten Magnetspule SPZU, und der Strom IAUF durch die erste Magnetspule SPAUF öffnet das Ventil. IAUF wird nach Abschluss der Flugzeit TFlug auf den Haltestrom IAUFH abgeregelt. Dazu dient entweder eine Zenerlöschung mit dem Low-Side-Schalter S1 und offenem Schalter S3 in der Zeit TZ2 oder durch Diodenfreilauf über D1 bei geschlossenem Schalter S3. IAUFH ist so groß, dass die dadurch erzeugte Haltekraft größer als die Kraft der Feder ist. Nach Ablauf der Einspritzzeit Ti wird IAUF auf Null gelöscht. Dies geschieht durch Zenerlöschung über den Low-Side-Schalter S1 bei offenem Schalter S3 in der Zeit TZ3. Das Ventil wird durch die Federkraft geschlossen.
Die in Fig. 2 gezeigte Ansteuerschaltung benötigt pro Ventil DS-HDEV drei Leistungsschalter, die beiden Low-Side- Schalter S1, S2, den Schalter S3 und die Diode D1. Der Leistungsschalter S3 wird benötigt, weil die erste Magnetspule SPAUF mit Zenerlöschung und Diodenfreilauf betrieben wird. Ferner ist für jeden Leistungsschalter S1, S2 und S3 je eine Treiberschaltung TR notwendig.
Diese Topologie ist für eine platz- und leistungssparende kostengünstige Integration nicht geeignet, weil bei den geforderten Stromwerten, z. B. IAUFV = 2 Ampere und IAUFH = 1 Ampere, bei kostengünstig realisierbaren Schalterwiderständen der Leistungsschalter S1, S2 und S3 von RDSON < 0,5 Ω die maximale Verlustleistung von 5 W eines Gehäuses einer integrierten Schaltung überschritten würde.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstig integrierbare Endstufe zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen-Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung so zu ermöglichen, dass eine kostengünstige Topologie und eine nach Verlustleistung orientierte Aufteilung insbesondere für einen Mehrzylinderverbrennungsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Ansteuerschaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen- Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, dadurch gelöst, dass die Ansteuerschaltung für alle Doppelspulen-Magnetventile einen gemeinsamen Lösch- und Freilaufpfad aufweist, dass der gemeinsame Lösch- und Freilaufpfad an jedem Doppelspulen-Magnetventil an den miteinander verbundenen Kathodenanschlüssen zweier gegensinnig in Reihe geschalteter Dioden angeschlossen ist, deren Anodenanschlüsse jeweils an dem mit dem zugeordneten Low- Side-Schalter verbundenen Ende der ersten und zweiten Magnetspule liegen, und dass dieser Lösch- und Freilaufpfad einen gemeinsamen Schalter aufweist, dessen eines Ende mit allen Kathodenanschlüssen der Dioden und dessen anderes Ende mit einer zweiten Speisespannung beaufschlagt ist, die mit der ersten Speisespannung galvanisch gekoppelt ist.
Eine derartige Ansteuerschaltung ermöglicht eine Integration aller Low-Side-Schalter und der Treiber (auch für den gemeinsamen Schalter) zusammen mit der Steuereinheit und einer Diagnoseeinheit und Stromregelung in einem Leistungs-IC mit weniger als 5 W zu vertretbaren Kosten, wobei die Chipfläche durch die Forderung für den realisierbaren Schalterwiderstand RDSON bestimmt ist. Dabei sind die Dioden und der gemeinsame Schalter als diskrete Bauelemente ausgeführt.
Der Kern der Erfindung liegt somit in der Nutzung eines gemeinsamen umschaltbaren Lösch- und Freilaufpfades für mehrere Ventilendstufen. Der gemeinsame Löschpfad ermöglicht eine zentrale Strommessung für alle Ventilspulen und alle denkbaren Stromregelaufgaben, wie Haltestromregelung, Vorbereitungsstrombegrenzung, Zenerlöschung auf Zielstromwert, Vorbereitungsstromadaption. Ferner ist eine nach Verlustleistung orientierte Aufteilung zwischen diskreten Bauelementen und integrierter Schaltung erreicht. Eine Prioritätenlogik, die eine gemeinsame Nutzung des Löschpfades ermöglicht, ist auch integrierbar, wobei bei Zenerlöschung alle anderen Ventile stromlos oder im Stromanstieg sind.
Ein die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung verwendendes Ansteuerverfahren zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen- Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Löschung jedes Doppelspulen-Hochdruckeinspritzmagnetventils durch Öffnen des jeweils zugeordneten Low-Side-Schalters ausgelöst wird, so dass es bei geschlossenem gemeinsamen Schalter zum Diodenfreilauf kommt und bei geöffnetem gemeinsamen Schalter eine Zenerlöschung eingeleitet wird.
Eine Diodenfreilaufphase eines der anderen Doppelspulen- Hochdruckeinspritzmagnetventile wird durch eine Zenerlöschung unterbrochen, so dass während der Zenerung eines Ventils alle anderen im Freilauf befindlichen Ventilspulen, während der mit der ersten Magnetspule verbundene Low-Side-Schalter geschlossen ist, auf Stromanstieg umgeschaltet werden, wodurch der Haltestrom kurzzeitig über den geplanten Sollwert ansteigt, ohne die Funktion "Halten" zu beeinträchtigen.
In der nachstehenden Beschreibung wird bezogen auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung sowie ein diese verwendendes Ansteuerverfahren beispielhaft für einen Vierzylinderverbrennungsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung beschrieben.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt anhand zweier Zeitdiagramme den bereits beschriebenen Stromverlauf während der Öffnungs- und Schließphase eines Doppelspulen-Magnetventils;
Fig. 2 zeigt schematisch in Form eines Blockschaltbilds die bereits beschriebene bislang übliche Ansteuerschaltung, mit der der in Fig. 1 gezeigte Stromverlauf realisierbar ist;
Fig. 3 zeigt schematisch in Form eines Blockschaltbilds eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung, die vier Doppelspulen-Magnetventile für einen Vierzylinderverbrennungsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung ansteuern kann.
Ausführungsbeispiel
Die in Fig. 3 dargestellte Ansteuerschaltung ist beispielhaft zur Ansteuerung von vier Doppelspulen- Magnetventilen DS-HDEV1, DS-HDEV2, DS-HDEV3 und DS-HDEV4 eingerichtet. Die einen Enden jeder ersten Magnetspule SPAUF und der zweiten Magnetspule SPZU sind miteinander und alle zusammen gemeinsam mit der (ersten) Speisespannung UBatt verbunden, während die anderen Enden der ersten und zweiten Magnetspule SPAUF und SPZU jeweils einzeln mit einem ersten und zweiten Low-Side-Schalter Sn1 und Sn2 (S11, S12; S21, S22; S31, S32 und S41 und S42) verbunden sind. Jeder Low- Side-Schalter Sn1 und Sn2 wird von einer dazugehörigen Treiberschaltung TR angesteuert. Alle Low-Side-Schalter Sn1 und Sn2 sind an den anderen Enden mit Massepotential verbunden. Durch die Ansteuerung der Schalter Sn1 und Sn2 mit den Treibern TR fließt ein Strom aus der Speisespannung UBatt durch die Magnetspulen SPAUF bzw. SPZU. Zum Abschalten dieses Stroms sind Löschaktivitäten notwendig.
Erfindungsgemäß sind alle Löschaktivitäten (Diodenfreilauf für die Stromregelung/Zenerlöschung) aller Ventile DS-HDEV1 bis DS-HDEV4 auf einen gemeinsamen Löschpfad (L1, S3) zusammengefasst.
Von dem Schalter S3 geht eine gemeinsame Leitung L1 zu den miteinander verbundenen Kathodenanschlüssen zweier Dioden Dn1 und Dn2, die mit ihren Anodenanschlüssen jeweils mit dem Anschluss der Magnetspulen SPAUF und SPZU verbunden sind, der mit dem jeweiligen Low-Side-Schalter Sn1 und Sn2 in Verbindung steht.
Die Löschung wird jeweils durch das Öffnen der entsprechenden Low-Side-Schalter Sn1, Sn2 ausgelöst. Ist der gemeinsame Schalter S3 geschlossen, kommt es zum Diodenfreilauf, ist S3 geöffnet, wird eine Zenerlöschung geschaltet. Die Zenerlöschung wird über den Schalter S3 mittels der Reihenschaltung aus Zenerdiode Z und Diode D zwischen Drain und Source des Schalters S3 ausgeführt.
Werden die Magnetspulen zeitlich unterschiedlich bestromt bzw. gelöscht, dann sind in der Stromanstiegsphase befindliche Ventile und unbestromte Ventile von den Löschaktivitäten nicht betroffen.
Eine Diodenfreilaufphase eines der anderen Ventile wird durch eine Zenerlöschung unterbrochen. Deshalb werden während der Zenerung eines Ventils alle anderen im Freilauf befindlichen Ventilspulen SPAUF und SPZU auf Stromanstieg umgeschaltet (Sn1 geschlossen). Diese Maßnahme erhöht den Haltestrom, ohne die Funktion, (das Geöffnethalten des Ventils) zu beeinträchtigen.
Fig. 3 zeigt ferner, dass dem gemeinsamen Schalter S3 ebenfalls eine Treiberschaltung TR zugeordnet ist und dass ein Messwiderstand RMess in Reihe zum gemeinsamen Schalter S3 und dem Anschluss einer zweiten Speisespannung SG-UBatt liegt, die mit der ersten Speisespannung UBatt galvanisch verbunden ist. Von beiden Enden des Strommesswiderstands RMESS führt eine Messleitung zu einer in einem Schaltungsblock 11 integrierten Strommess- und Regeleinheit, die ebenfalls für alle Ventile gemeinsam ist.
Die Erfindung schlägt vor, die Dioden D11-D42 und den gemeinsamen Schalter S3 als diskrete Bauelemente auszuführen. Dann können die Schalter S11-S42 und alle Treiber zusammen mit der im Block 11 enthaltenen Steuerungs-, Diagnose-, Strommess- und Regeleinheit in einem Leistungs-IC mit weniger als 5 W Verlustleistung zu vertretbaren Kosten integriert werden. Dabei wird die Chipfläche durch die Forderung für den notwendigen Schalterwiderstand RDSON bestimmt.
Fig. 3 zeigt den gemäß dem obigen Vorschlag integrierbaren Abschnitt in einem gestrichelt gezeichneten und mit der Bezugszahl 10 versehenen Schaltungsblock. Eine Schnittstelle 12A des Schaltungsblocks 11 kann eine SPI- Schnittstelle, eine Schnittstelle 12B eine CPU- Schnittstelle zu einer Zylinderselektlogik und einer Prioritätensteuerungslogik im Schaltungsblock 11 sein. Eine Schnittstelle 12C führt ein Notaussignal sowie ein Warnsignal zu bzw. von einer Diagnose- und Kurzschlussschutzeinheit im Schaltungsblock 11. 12D schließlich ist die Schnittstelle zur Versorgungsspannung des Schaltungsblocks 11.
Die oben beschriebene und in Fig. 3 dargestellte Schaltung nutzt einen gemeinsamen umschaltbaren Lösch- und Freilaufpfad für mehrere Ventilendstufen. Der gemeinsame Löschpfad ermöglicht eine zentrale Strommessung am Messwiderstand RMess im Löschpfad für alle Ventilspulen und alle denkbaren Stromregelaufgaben, wie Haltestromregelung, Vorbereitungsstrombegrenzung, Zenerlöschung auf Zielstromwert, Vorbereitungsstromadaption.
Die nach Verlustleistung orientierte Aufteilung zwischen diskreten Bauelementen und der integrierten Schaltung 10 ermöglicht eine kostengünstige Topologie zur Realisierung der erfindungsgemäßen Funktionen und eine integrierte Schaltung in einem Leistungs-IC 10 für einen mit Benzin- Direkteinspritzung arbeitenden Motor, z. B. einen Vierzylindermotor.

Claims (11)

1. Schaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen- Magnetventile(DS-HDEV1 . . . DS-HDEV4), insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, bei der bei jedem Doppelspulen-Magnetventil (DS-HDEV) die einen Enden einer ersten Magnetspule (SPAUF) und einer zweiten Magnetspule (SPZU) gemeinsam mit einer ersten Speisespannung (UBatt) und die anderen Enden der ersten und zweiten Magnetspule (SPAUF, SPZU) jeweils einzeln mit einem ersten und zweiten Low- Side-Schalter (Sn1, Sn2) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung für alle Doppelspulen-Magnetventile (DS-HDEV) einen gemeinsamen Lösch- und Freilaufpfad (S3, L1) aufweist,
dass der gemeinsame Lösch- und Freilaufpfad (S3, L1) an jedem Doppelspulen-Magnetventil (DS-HDEV) an den miteinander verbundenen Kathodenanschlüssen zweier gegensinnig in Reihe geschalteter Dioden (Dn1, Dn2) angeschlossen ist, deren Anodenanschlüsse jeweils an dem mit den zugeordneten Low-Side-Schaltern (Sn1, Sn2) verbundenen Ende der ersten und zweiten Magnetspule (SPAUF, SPZU) liegen, und
dass der gemeinsame Lösch- und Freilaufpfad (S3, L1) einen gemeinsamen Schalter (S3) aufweist, dessen eines Ende mit allen Kathodenanschlüssen der Dioden (Dn1, Dn2) und dessen anderes Ende mit einer zweiten Speisespannung (SG-UBatt) beaufschlagt ist, die mit der ersten Speisespannung galvanisch gekoppelt ist.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem gemeinsamen Schalter (S3) eine Reihenschaltung einer Zenerdiode (Z) mit einer Freilaufdiode (D) zwischen Drain und Source geschaltet ist.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Low-Side-Schalter (Sn1, Sn2) und der gemeinsame Schalter (S3) durch jeweils eine Treiberschaltung (TR) ansteuerbar sind.
4. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwiderstand (RMeß) in Reihe zwischen dem anderen Ende des gemeinsamen Schalters (S3) und der zweiten Speisespannung (SG-UBatt) liegt.
5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang jeder Treiberschaltung (TR) mit einem Ansteuersignal von einer Steuereinheit beaufschlagbar ist.
6. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Low-Side- Schalter (Sn1, Sn2) und Treiberschaltungen (TR) zusammen mit einer zentralen Steuereinheit als integrierte Leitungsschaltung (10) implementiert und die Dioden (Dn1-Dn4) und der gemeinsame Schalter (S3) als diskrete Bauelemente aufgeführt sind.
7. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannungen (UBatt) und SG-UBatt) unterschiedlich sein können.
8. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Low-Side- Schalter (Sni, Sn2) über die Treiberschaltungen (TR) von einem Schaltungsblock (11) erfolgt, der zur Synchronisation der Strombegrenzung, Zenerlöschung, der Adaption und Prioritätensteuerung aller Magnetspulen eingerichtet ist.
9. Ansteuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schaltungsblock (11) der Messspannungsabfall über dem Messwiderstand (RMeß) zugeführt wird.
10. Verfahren zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen- Magnetventile (DS-HDEV1 . . . DS-HDEV4), gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Löschung jeder Magnetspule (SPAUF, SPZU) durch Öffnen des jeweils zugeordneten Low-Side- Schalters (Sn1, Sn2) ausgelöst wird, so dass es bei geschlossenem gemeinsamen Schalter (S3) zum Diodenfreilauf kommt und bei geöffnetem gemeinsamen Schalter (S3) eine Zenerlöschung eingeleitet wird.
11. Ansteuerverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diodenfreilaufphase eines der anderen Doppelspulen-Magnetventile (DS-HDEV) durch eine Zenerlöschung unterbrochen wird, so dass während der Zenerung eines Ventils alle anderen im Freilauf befindlichen Ventilspulen (SPAUF, SPZU), während der mit der ersten Magnetspule (SPAUF) verbundene Low-Side-Schalter (Sn1) geschlossen ist, auf Stromanstieg umgeschaltet werden, wodurch der Haltestrom erhöht wird, ohne die Funktion zu beeinträchtigen.
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