DE4237706C2

DE4237706C2 - Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils

Info

Publication number: DE4237706C2
Application number: DE19924237706
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Ing Remele; Albrecht Dipl Ing Debelak; Andreas Schneider
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1992-11-07
Filing date: 1992-11-07
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2012-11-08
Also published as: DE4237706A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Magnetventilen, deren Anzugsdauer genau gesteuert werden muß, ist es erforderlich, den Aufschlagzeitpunkt, an dem der Anker der Spule des Magnetventils nach Einschalten des Stromes die durch einen Anschlag bestimmte Endstellung erreicht, eindeutig zu erkennen.

Aus der DE 26 12 914 A1 und der DE 27 06 436 C2 ist eine gattungsgemäße Einrichtung bekannt, bei der für die Bestimmung der Anzugsendstellung des Ankers des Magnetventils der zeitliche Verlauf des Erregerstromes der Spule bei konstant gehaltener Versorgungsspannung erfaßt wird. Die durch den Ankeraufschlag hervorgerufene Unstetigkeit im Verlauf des Erregerstromes wird in ein Signal für den Aufschlagzeitpunkt umgesetzt. Der Verlauf der Unstetigkeit des Erregerstromes im Aufschlagzeitpunkt ist jedoch nicht sehr ausgeprägt, so daß der tatsächliche Aufschlagzeitpunkt des Ankers nicht präzise bestimmbar ist. Da der Anker sich gegen den Druck des durch das Magnetventil gesteuerten Mediums bewegen muß, ist die Erkennbarkeit der Unstetigkeit des Erregerstromes noch weiter verschlechtert.

Die für die bekannte Einrichtung erforderliche konstante Versorgungsspannung führt bei hoher Betriebsspannung, wie z. B. die mit der Drehzahl wechselnde Spannung in Bordnetzen von Brennkraftmaschinen, zu großen Verlustleistungsspitzen in der Leistungsendstufe des Spannungsreglers. Die große Verlustleistungsschwankungen bewirken einen übermäßigen Wärmestreß der elektronischen Endstufenbauteile, deren Lebensdauer dadurch erheblich verkürzt wird, was zu unvorhersehbaren Betriebsstörungen führt.

Aus den DE 27 06 436 C2 und DE 35 03 289 A1 ist der prinzipielle Ablauf einer Magnetventilbestromung bekannt, wobei diese Druckschriften jedoch keinen Hinweis zur Lösung der vorstehend aufgezeigten Probleme geben.

Die DE 35 06 849 C1 behandelt den Überlastschutz eines pulsbreiten gesteuerten Ventils, geht aber ansonsten ebenfalls auf die vorstehend dargelegte Problematik der präzisen Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nicht ein.

Aus der DE 41 22 348 A1 ist eine Störungsdetektiervorrichtung für ein Magnetventil bekannt, bei der der durch die Wicklung fließende Strom qualitativ auf elektromagnetisch bedingte Änderungen hin überwacht wird. Tritt nach erfolgter Bestromung der Wicklung innerhalb einer vorgegebenen Zeitperiode keine Änderung des Überwachungssignals auf, dann wird dies als Vorliegen einer Störung gewertet und angezeigt. Dazu wird mittels eines Digitalrechners die zeitliche Änderung des analogen Überwachungssignals im Hinblick auf einen bei einer Störung auftretenden Vorzeichenwechsel verarbeitet. Ein Hinweis darauf, die Dedektiervorrichtung für eine genaue Aufschlagzeitpunkt-Erkennung einzusetzen ist nicht gegeben. Vielmehr ist diese Vorrichtung aufgrund meßtechnischer als auch zeitlicher Abweichungen für eine genaue Aufprallerkennung nicht geeignet.

Ein Verfahren zur Schaltkontrolle von Magnetventilen ist in der DE 39 36 939 A1 offenbart. Dort wird mittels einer Auswerteinheit nach dem Einschalten eines Ventils geprüft, ob die Anstiegsgeschwindigkeit des Spulenstroms in vorgegebenen Grenzen verläuft. Die damit erreichte Funktionskontrolle für Magnetventile beschränkt sich auf die Stromanstiegsphase und ist nicht geeignet den Ankeraufprallzeitpunkt zeitlich genau feststellbar anzuzeigen.

Bei einem aus der DE 37 30 523 A1 bekannten Verfahren und einer Einrichtung zur Detektion der Schaltzeiten von Magnetventilen wird mittels eines vom Strom durch die Magnetwicklung abgeleiteten Signals die Induktion der Wicklung überwacht. Dazu wird das Signal über eine zusätzliche Koppeleinrichtung mittels einer externen Energiequelle auf einen feststellbaren Pegel angehoben. Die hier aufgezeigte Einrichtung gestaltet sich jedoch schaltungstechnisch aufwendig und ist aufgrund der Signalverstärkung anfällig für Meßungenauigkeiten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils anzugeben, die eine exakte Bestimmung des Aufschlagzeitpunktes des Ankers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Das Tastverhältnis, das sich als ein Impulsmuster der Relation von Ein- und Ausschaltzeiten des getakteten Erregerstromes für die Spule des Magnetventils darstellt, ändert sich deutlich erkennbar bei Aufschlagen des Ankers und läßt sich auf einfache Weise auswerten. Daraus resultiert eine sehr geringe Streubreite für den erkannten Aufschlagzeitpunkt des Ankers, so daß die Anzugsdauer des Magnetventils sehr exakt steuerbar ist. Der Schaltungsaufwand der Einrichtung verringert sich gegenüber bekannten Anordnungen, da ein verlustleistungsbehaftetes Schaltungsteil zur Spannungskonstanthaltung bei der vorgeschlagenen Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung nicht notwendig ist und der Schaltungsteil für die digitale Aufschlagzeitpunkt-Erkennung einen einfachen Aufbau aufweist. Die Einrichtung ist sehr betriebssicher, weil die hohe Belastung der Bauteile für die Spannungskonstanthaltung entfällt.

Ein besonderer Vorteil liegt weiterhin darin, daß sich eine einfach realisierbare Regelschleife ergibt und durch die digitale Steuerung des Schalters dessen elektronische Bauteile eine sehr geringe Verlustleistung aufweisen, und daß das an sich für die Steuerung des elektronischen Schalters erzeugte Impulsmuster des Erregerstromes gleichzeitig, und zwar ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand, zur digitalen Aufschlagzeitpunkt-Erkennung verwendbar ist.

Die Genauigkeit der digitalen Aufschlagzeitpunkt-Erkennung wird insgesamt erheblich verbessert. Dabei ist der Algorithmus durch entsprechende Programmänderung unterschiedlichen Anwendungsfällen für Magnetventile anpaßbar.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 werden verschiedene Möglichkeiten für die Regelung des getakteten Erregerstromes aufgezeigt. Dabei ergeben sich noch die besonderen Vorteile, daß durch die vorgeschlagene Taktung des Erregerstromes mit konstanten Zeitabschnitten die Erkennbarkeit der Änderung des Tastverhältnisses im Aufschlagzeitpunkt verbessert ist.

Mit dem Merkmal des Anspruchs 4 wird die erfindungsgemäße Einrichtung dahingehend weiterentwickelt, daß das am Eingang der Schaltung angeordnete ständig wirksame LC-Glied ein Filter für die elektromagnetische Störstrahlung ist, die von der Taktung des Erregerstromes ausgeht.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich mit dem Merkmal von Anspruch 5.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Prinzipschaltbild der Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils;

Fig. 2 Hubkurve des Ankers der Spule des Magnetventils in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 3 Verlauf des getakteten Erregerstroms der Spule eines Magnetventils, der zwischen konstanten Stromwertpegeln geregelt wird, in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 4 Verlauf des Impulsmusters des getakteten Erregerstroms nach Fig. 3 in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 5 Hubkurve des Ankers der Spule des Magnetventils in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 6 Verlauf des getakteten Erregerstroms der Spule eines Magnetventils, der mit konstanter Ausschaltzeit geregelt wird, in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 7 Verlauf des Impulsmusters des getakteten Erregerstroms nach Fig. 6 in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 8 Verlauf des getakteten Erregerstroms der Spule eines Magnetventils, der mit konstanter Einschaltzeit geregelt wird, in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 9 Verlauf des Impulsmusters des getakteten Erregerstroms nach Fig. 8 in Abhängigkeit von der Zeit.

Am Schaltungseingang der Einrichtung zur Aufschlagzeitpunkt-Erkennung für Anker von Magnetventilen A, B . . . N ist eine Speicherdrossel L, ein Kondensator C, eine Diode D1 und ein von einem Digitalrechner DR ansteuerbarer elektronischer Schalter S1 angeordnet. Diese Bauteile dienen der Stromversorgung für die Magnetventile A, B . . . N.

Mit einem zweiten elektronischen Schalter S2, der vom Digitalrechner DR über eine Logikschaltung LS ansteuerbar ist, wird der den Magnetventilen A, B . . . N zufließende Strom ein- und ausgeschaltet, d. h. getaktet.

In Reihe mit den Magnetventilen A, B . . . N sind weitere elektronische Schalter SA, SB . . . SN angeordnet, die vom Digitalrechner DR ansteuerbar sind. Das Schließen eines Schalters SA, SB . . . SN bewirkt das Einschalten des Stromes für das jeweils zugeordnete Magnetventil A, B . . . N.

Bei geschlossenem Schalter S1 und offenem Schalter S2 fließt ein Strom durch die Speicherdrossel L. Nach dem öffnen des Schalters S1 behält der Drosselstrom die Richtung bei, und lädt den Kondensator C über Diode D1 auf eine Spannung auf, die höher ist als die Versorgungsspannung.

Das Schließen des Schalters S2 bewirkt eine Entladung des Kondensators C über die Spule eines der durch die Schalter SA, SB . . . SN eingeschalteten Magnetventile A, B . . . N. Aufgrund des hohen Potentials des Kondensators C ergibt sich ein rascher Erregerstrom-Anstieg in der Spule des zugeschalteten Magnetventils A, B . . . N. Etwa im Scheitelpunkt der Erregerstromkurve öffnet Schalter S2 und der Erregerstrom IR fällt ab. Durch den steilen Erregerstromanstieg ist der Anker schnell beschleunigt worden und befindet sich in Bewegung, hat die Anzugsendstellung AZ aber noch nicht erreicht. Der Verlauf des Ankerweges S ist in Fig. 2 und Fig. 5 dargestellt. Nach dem ersten Öffnen von Schalter S2, das vom Digitalrechner DR durch Ansteuern der Logikschaltung LS ausgelöst wird, setzt das Takten des Erregerstromes IR durch fortlaufendes Öffnen und Schließen des Schalters S2 ein. Gesteuert wird der elektronische Schalter S2 in dieser Phase durch das Ausgangssignal IM eines Komperators K. Das Ausgangssignal IM ist ein Impulsmuster der Ein- und Ausschaltzeiten des Erregerstromes IR, deren Relation als Tastverhältnis bezeichnet wird. Das Impulsmuster des Ausgangssignals IM wird im Komperator K durch Auswertung der an einem Meßwiderstand R abfallenden Spannung, die proportional dem Erregerstrom IR ist, gewonnen, wobei eine Umsetzung der analogen Meßwerte in digitale Impulse erfolgt.

Für die Taktung des Erregerstromes IR sind drei Varianten realisierbar. Allen drei Varianten ist gemeinsam, daß die Taktung des Erregerstromes IR erst beginnt, wenn der Anker nach dem ersten Einschalten des Erregerstromes IR bereits in Bewegung ist.

Bei der ersten Variante erfolgt das Ein- und Ausschalten des Erregerstromes IR bei Erreichen eines jeweils festgelegten unteren und oberen Stromwertes IR_ein, IR_aus (Fig. 3). Das daraus resultierende Impulsmuster des Ausgangssignales IM ist in Fig. 4 dargestellt.

Bei der zweiten Variante erfolgt das Schalten des Erregerstromes IR mit konstanter Ausschaltzeit ta (Fig. 6), d. h. bei Erreichen eines maximalen Stromwertes IR_aus wird Schalter S2 für eine konstante Ausschaltzeit ta geöffnet. Das daraus resultierende Impulsmuster des Ausgangssignales IM ist in Fig. 7 dargestellt.

Bei der dritten Variante erfolgt das Schalten des Erregerstromes IR mit konstanter Einschaltzeit te (Fig. 8), d. h. bei Erreichen eines minimalen Stromwertes IR_ein wird Schalter S2 für eine konstante Einschaltzeit te geöffnet. Das daraus resultierende Impulsmuster des Ausgangssignales IM ist in Fig. 9 dargestellt.

Ersichtlich ist bei allen drei Varianten in Fig. 4, Fig. 7 und Fig. 9, daß sich in der Umgebung des eingezeichneten Aufschlagzeitpunktes AZ das Aufschlagen des Ankers in einer deutlichen Änderung der Tastverhältnisse abbildet. Die Ursache dieser Änderung ist die in der Anzugsendstellung sich verändernde induzierte Spannung der Spule des Magnetventils A, B . . . N.

Ein Freilaufkreis, der wenigstens eine Freilaufdiode D2 aufweist, ist den Magnetventilen A, B . . . N parallel zugeschaltet und jeweils für das gerade eingeschaltete Magnetventil A, B . . . N wirksam.

Das aus Speicherdrossel L und Kondensator C bestehende LC-Glied, das ständig, d. h. ohne Abschaltbarkeit, die Versorgungsenergie des nachfolgenden Schaltungsteiles liefert, vermindert in vorteilhafter Weise leitungsgebundene, aus der Stromtaktung resultierende elektromagnetische Störungen.

Claims

1. Einrichtung zur Aufschlagszeitpunkt-Erkennung für den Anker eines Magnetventils, dessen Spule mit getaktetem und zwischen konstanten Stromwertpegeln (IR_ein, IR_aus) geregeltem Erregerstrom (IR) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (IM) eines Komparators (K), das ein Impulsmuster des getakteten Erregerstroms (IR) ist, einen den Erregerstrom (IR) schaltenden, elektronischen Schalter (S2) steuert und die bei Aufschlag des Ankers eintretende Änderung des Tastverhältnisses des Erregerstroms (IR) unmittelbar zur Berechnung des Aufschlagzeitpunktes herangezogen wird, indem das Ausgangssignal gleichzeitig einem Digitalrechner zugeführt wird, der einen programmierbaren Algorithmus zur Erkennung und Berechnung des Aufschlagzeitpunktes aus dem Ergebnis der Impulsmusterauswertung über mehrere Impulspausenverhältnisse aufweist.

2. Einrichtung zur Aufschlagszeitpunkt-Erkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der getaktete Erregerstrom (IR) mit konstantem Stromwertpegel (IR_ein) und konstanter Einschaltzeit geregelt wird.

3. Einrichtung zur Aufschlagszeitpunkt-Erkennung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der getaktete Erregerstrom (IR) mit konstantem Stromwertpegel (IR_aus) und konstanter Ausschaltzeit geregelt wird.

4. Einrichtung zur Aufschlagszeitpunkt-Erkennung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die beschleunigte Erre gung des Magnetventils (A, B . . . N) ein ständig im Versorgungs kreis zugeschaltetes LC-Glied (L, C) angeordnet ist.

5. Einrichtung zur Aufschlagszeitpunkt-Erkennung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine für alle zuge ordneten Magnetventile (A, B . . . N) wirksame Freilaufdiode (D2) angeordnet ist.