DE19947623C2 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ansteuerung eiens Doppelspulen-Magnetventils, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zum einen eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen-Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Ver­ brennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, bei der bei jedem Doppelspulen-Magnetventil die einen Enden einer er­ sten Magnetspule und einer zweiten Magnetspule gemein­ sam mit einer ersten Speisespannung und die anderen Enden der ersten und zweiten Magnetspule jeweils einzeln mit ei­ nem ersten und zweiten Low-Side-Schalter verbunden sind. Zum andern betrifft die Erfindung ein diese Ansteuerschal­ tung verwendendes Ansteuerverfahren.

Mit einer bekannten Ansteuerschaltung wird die Nadelbe­ wegung eines Doppelspulenmagnetventils durch den Strom­ fluss 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 (SP_AUF). Die vom Strom durch die zweite Spule (SP_ZU) erzeugte Kraft wirkt gleichsinnig zur Federkraft und zum Benzindruck und schließt das Ventil.

In der beiliegenden Fig. 1 ist in Form zweier Zeitdia­ gramme der Verlauf der durch die erste und zweite Magnet­ spule SP_AUF und SP_ZU fließenden Ströme über der Zeit dar­ gestellt.

Während einer Vorbereitungszeit T_V werden beide Ma­ gnetspulen SP_AUF und SP_ZU mit einem ähnlichen Stromver­ lauf bestromt, bis die Ströme I_AUFV = T_ZUV erreicht sind. Da­ bei sind beide Low-Side-Schalter S1 und S2 (vergleiche Fig. 2) geschlossen. Solange I_AUFV ≈ I_ZUV ist, kompensie­ ren sich die Magnetkräfte der Spulen weitgehend und das Ventil bleibt geschlossen. Dann wird I_ZU auf Null gelöscht. Dies geschieht mit einer Zenerlöschung mit dem Low-Side- Schalter S2 in der Zeit T_Z1. Damit entfällt die Schließkraft der zweiten Magnetspule SP_ZU, und der Strom I_AUF durch die erste Magnetspule SP_AUF öffnet das Ventil. I_AUS wird nach Abschluss der Flugzeit T_Flug auf den Haltestrom I_AUFH abgeregelt. Dazu dient entweder eine Zenerlöschung mit dem Low-Side-Schalter S1 und offenem Schalter S3 in der Zeit T_Z2 oder durch Diodenfreilauf über D1 bei geschlosse­ nem Schalter S3. I_AUFH ist so groß, dass die dadurch er­ zeugte Haltekraft größer als die Kraft der Feder ist. Nach Ablauf der Einspritzzeit T_i wird I_AUF auf Null gelöscht. Dies geschieht durch Zenerlöschung über den Low-Side-Schalter S1 bei offenem Schalter S3 in der Zeit T_Z3. 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 Magnet­ spule SP_AUF mit Zenerlöschung und Diodenfreilauf betrie­ ben 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 ge­ forderten Stromwerten, z. B. I_AUFV = 2 Ampere und I_AUFH = 1 Ampere, bei kostengünstig realisierbaren Schalterwider­ ständen der Leistungsschalter S1, S2 und S3 von R_DSON < 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 inte­ grierbare Endstufe zur Ansteuerung mehrerer Doppelspu­ len-Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffeinsprit­ zung so zu ermöglichen, dass eine kostengünstige Topologie und eine nach Verlustleistung orientierte Aufteilung insbe­ sondere für einen Mehrzylinderverbrennungsmotor mit Benzin-Direkteinspritzung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Ansteuer­ schaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspulen-Magnet­ ventile, insbesondere für die Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, da­ durch gelöst, dass die Ansteuerschaltung für alle Doppel­ spulen-Magnetventile einen gemeinsamen Lösch- und Frei­ laufpfad aufweist, dass der gemeinsame Lösch- und Frei­ laufpfad an jedem Doppelspulen-Magnetventil an den mit­ einander verbundenen Kathodenanschlüssen zweier gegen­ sinnig in Reihe geschalteter Dioden angeschlossen ist, deren Anodenanschlüsse jeweils an dem mit dem zugeordneten Low-Side-Schalter verbundenen Ende der ersten und zwei­ ten Magnetspule liegen, und dass dieser Lösch- und Frei­ laufpfad einen gemeinsamen Schalter aufweist, dessen eines Ende mit allen Kathodenanschlüssen der Dioden und dessen anderes Ende mit einer zweiten Speisespannung beauf­ schlagt ist, die mit der ersten Speisespannung galvanisch ge­ koppelt ist.

Eine derartige Ansteuerschaltung ermöglicht eine Inte­ gration aller Low-Side-Schalter und der Treiber (auch für den gemeinsamen Schalter) zusammen mit der Steuereinheit und einer Diagnoseeinheit und Stromregelung in einem Lei­ stungs-IC mit weniger als 5 W zu vertretbaren Kosten, wo­ bei die Chipfläche durch die Forderung für den realisierba­ ren Schalterwiderstand R_DSON bestimmt ist. Dabei sind die Dioden und der gemeinsame Schalter als diskrete Bauele­ mente ausgeführt.

Der Kern der Erfindung liegt somit in der Nutzung eines gemeinsamen umschaltbaren Lösch- und Freilaufpfades für mehrere Ventilendstufen. Der gemeinsame Löschpfad er­ möglicht eine zentrale Strommessung für alle Ventilspulen und alle denkbaren Stromregelaufgaben, wie Haltestromre­ gelung, Vorbereitungsstrombegrenzung, Zenerlöschung auf Zielstromwert, Vorbereitungsstromadaption. Ferner ist eine nach Verlustleistung orientierte Aufteilung zwischen diskre­ ten Bauelementen und integrierter Schaltung erreicht. Eine Prioritätenlogik, die eine gemeinsame Nutzung des Lösch­ pfades ermöglicht, ist auch integrierbar, wobei bei Zenerlö­ schung alle anderen Ventile stromlos oder im Stromanstieg sind.

Ein die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung verwenden­ des Ansteuerverfahren zur Ansteuerung mehrerer Doppel­ spulen-Magnetventile, insbesondere für die Kraftstoffein­ spritzung in einen Verbrennungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Lö­ schung jedes Doppelspulen-Hochdruckeinspritzmagnetven­ tils durch Öffnen des jeweils zugeordneten Low-Side-Schal­ ters ausgelöst wird, so dass es bei geschlossenem gemeinsa­ men Schalter zum Diodenfreilauf kommt und bei geöffne­ tem gemeinsamen Schalter eine Zenerlöschung eingeleitet wird.

Eine Diodenfreilaufphase eines der anderen Doppelspu­ len-Hochdruckeinspritzmagnetventile wird durch eine Zen­ erlöschung unterbrochen, so dass während der Zenerung ei­ nes Ventils alle anderen im Freilauf befindlichen Ventilspu­ len, während der mit der ersten Magnetspule verbundene Low-Side-Schalter geschlossen ist, auf Stromanstieg umge­ schaltet 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 Ausfüh­ rungsbeispiel 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 be­ schriebenen 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 Doppel­ spulen-Magnetventile für einen Vierzylinderverbrennungs­ motor mit Benzin-Direkteinspritzung ansteuern kann.

Ausführungsbeispiel

Die in Fig. 3 dargestellte Ansteuerschaltung ist beispiel­ haft zur Ansteuerung von vier Doppelspulen-Magnetventi­ len DS-HDEV1, DS-HDEV2, DS-HDEV3 und DS-HDEV4 eingerichtet. Die einen Enden jeder ersten Magnetspule SP_AUF und der zweiten Magnetspule SP_ZU sind miteinander und alle zusammen gemeinsam mit der (ersten) Speisespan­ nung U_Batt verbunden, während die anderen Enden der er­ sten und zweiten Magnetspule SP_AUF und SP_ZU jeweils ein­ zeln 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 Ansteue­ rung der Schalter Sn1 und Sn2 mit den Treibern TR fließt ein Strom aus der Speisespannung U_Batt durch die Magnet­ spulen SP_AUF bzw. SP_ZU. Zum Abschalten dieses Stroms sind Löschaktivitäten notwendig.

Erfindungsgemäß sind alle Löschaktivitäten (Diodenfrei­ lauf 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 Anodenan­ schlüssen jeweils mit dem Anschluss der Magnetspulen SP_AUF und SP_ZU verbunden sind, der mit dem jeweiligen Low-Side-Schalter Sn1 und Sn2 in Verbindung steht.

Die Löschung wird jeweils durch das Öffnen der entspre­ chenden Low-Side-Schalter Sn1, Sn2 ausgelöst. Ist der ge­ meinsame Schalter S3 geschlossen, kommt es zum Dioden­ freilauf, 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 be­ stromt bzw. gelöscht, dann sind in der Stromanstiegsphase befindliche Ventile und unbestromte Ventile von den Lösch­ aktivitäten 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 SP_AUF und SP_ZU 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 R_Mess in Reihe zum gemeinsamen Schalter S3 und dem Anschluss einer zweiten Speisespan­ nung SG-U_Batt liegt, die mit der ersten Speisespannung U_Batt galvanisch verbunden ist. Von beiden Enden des Strom­ messwiderstands R_Mess führt eine Messleitung zu einer in einem Schaltungsblock 11 integrierten Strommess- und Re­ geleinheit, die ebenfalls für alle Ventile gemeinsam ist.

Die Erfindung schlägt vor, die Dioden D11-D42 und den gemeinsamen Schalter S3 als diskrete Bauelemente auszu­ führen. Dann können die Schalter S11-S42 und alle Treiber zusammen mit der im Block 11 enthaltenen Steuerungs-, Diagnose-, Strommess- und Regeleinheit in einem Lei­ stungs-IC mit weniger als 5 W Verlustleistung zu vertretba­ ren Kosten integriert werden. Dabei wird die Chipfläche durch die Forderung für den notwendigen Schalterwider­ stand R_DSON bestimmt.

Fig. 3 zeigt den gemäß dem obigen Vorschlag integrierba­ ren Abschnitt in einem gestrichelt gezeichneten und mit der Bezugszahl 10 versehenen Schaltungsblock. Eine Schnitt­ stelle 12A des Schaltungsblocks 11 kann eine SPI-Schnitt­ stelle, 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 Dia­ gnose- und Kurzschlussschutzeinheit im Schaltungsblock 11. 12D schließlich ist die Schnittstelle zur Versorgungs­ spannung des Schaltungsblocks 11.

Die oben beschriebene und in Fig. 3 dargestellte Schal­ tung nutzt einen gemeinsamen umschaltbaren Lösch- und Freilaufpfad für mehrere Ventilendstufen. Der gemeinsame Löschpfad ermöglicht eine zentrale Strommessung am Messwiderstand R_Mess im Löschpfad für alle Ventilspulen und alle denkbaren Stromregelaufgaben, wie Haltestromre­ gelung, 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 Vierzy­ lindermotor.

Claims (11)

1. Schaltung zur Ansteuerung mehrerer Doppelspu­ len-Magnetventile (DS-HDEV1 . . . DS-HDEV4), ins­ besondere zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbren­ nungsmotor, insbesondere im Kraftfahrzeug, bei der bei jedem Doppelspulen-Magnetventil (DS-HDEV) die einen Enden einer ersten Magnetspule (SP_AUF) und einer zweiten Magnetspule (SP_ZU) gemeinsam mit ei­ ner ersten Speisespannung (U_Batt) und die anderen En­ den der ersten und zweiten Magnetspule (SP_AUF, SP_ZU) jeweils einzeln mit einem ersten und zweiten Low- Side-Schalter (Sn1, Sn2) verbunden sind, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung für alle Doppelspulen-Magnetventile (DS-HDEV) einen ge­ meinsamen 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 je­ weils an dem mit den zugeordneten Low-Side-Schal­ tern (Sn1, Sn2) verbundenen Ende der ersten und zwei­ ten Magnetspule (SP_AUF, SP_ZU) liegen, und
dass der gemeinsame Lösch- und Freilaufpfad (S3, L1) einen gemeinsamen Schalter (S3) aufweist, dessen ei­ nes Ende mit allen Kathodenanschlüssen der Dioden (Dn1, Dn2) und dessen anderes Ende mit einer zweiten Speisespannung (SG-U_Batt) beaufschlagt ist, die mit der ersten Speisespannung galvanisch gekoppelt ist.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass dem gemeinsamen Schalter (S3) eine Reihenschaltung einer Zenerdiode (Z) mit einer Freilaufdiode (D) zwischen Drain und Source geschal­ tet 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 Messwi­ derstand (R_Meß) in Reihe zwischen dem anderen Ende des gemeinsamen Schalters (S3) und der zweiten Spei­ sespannung (SG-U_Batt) liegt.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang jeder Treiberschal­ tung (TR) mit einem Ansteuersignal von einer Steuer­ einheit 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 inte­ grierte 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 Speise­ spannungen (U_Batt) und SG-U_Batt) unterschiedlich sein können.

8. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Low-Side-Schalter (Sn1, Sn2) über die Treiberschal­ tungen (TR) von einem Schaltungsblock (11) erfolgt, der zur Synchronisation der Strombegrenzung, Zener­ löschung, der Adaption und Prioritätensteuerung aller Magnetspulen eingerichtet ist.

9. Ansteuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass dem Schaltungsblock (11) der Messspannungsabfall über dem Messwiderstand (R_Meß) zugeführt wird.

10. Verfahren zur Ansteuerung mehrerer Doppelspu­ len-Magnetventile (DS-HDEV1 . . . DS-HDEV4), ge­ kennzeichnet durch die Verwendung einer Ansteuer­ schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Löschung jeder Magnetspule (SP_AUF, SP_ZU) durch Öffnen des jeweils zugeordneten Low-Side-Schalters (Sn1, Sn2) ausgelöst wird, so dass es bei geschlosse­ nem gemeinsamen Schalter (S3) zum Diodenfreilauf kommt und bei geöffnetem gemeinsamen Schalter (S3) eine Zenerlöschung eingeleitet wird.

11. Ansteuerverfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, 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 (SP_AUF, SP_ZU), wäh­ rend der mit der ersten Magnetspule (SP_AUF) verbun­ dene Low-Side-Schalter (Sn1) geschlossen ist, auf Stromanstieg umgeschaltet werden, wodurch der Hal­ testrom erhöht wird, ohne die Funktion zu beeinträchti­ gen.