DE4413240A1 - Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Es sind Vorrichtungen und Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers (100), insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoff­ menge, mittels einer Halbbrücke bekannt. Bei diesen Vorrich­ tungen wird die beim Abschalten freiwerdende Energie mittels Zenerdioden in Wärme umgesetzt und geht verloren.
Eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbraucher ist aus der DE-OS 37 02 680 bekannt. Dort wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagne­ tischen Verbrauchers beschrieben. Eine in Reihe zum Verbrau­ cher angeordnetes elektronisches Schaltelement ist durch ei­ nen Löschkreis überbrückbar. Dieser Löschkreis enthält einen Energiespeicher in Form eines Kondensators zur Aufnahme, der im Verbraucher gespeicherten Energie. Nachteilhaft bei die­ ser Schaltungsanordnung ist, daß sie bauteileaufwendig ist und zur Energiezwischenspeicherung einen voluminösen Konden­ sator erfordert, der ständig mindestens auf Versorgungsspan­ nung geladen ist. Neben dem Kondensator sind wenigstens zwei Seriendioden erforderlich.
Bei dieser Einrichtung wird bei jedem Schaltvorgang, die in dem Verbraucher gespeicherte Energie in einem Kondensator gespeichert. Diese zwischengespeicherte Energie wird bei der nächsten Ansteuerung in einen zweiten Verbraucher geleitet.
Ferner ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Verbrau­ chers aus der DE-OS-37 34 415 bekannt. Dort wird die beim Abschalten frei werdende Energie in einem Kondensator ge­ speichert. Beim Einschalten wird die gespeicherte Energie dem Verbraucher zugeführt. Hierzu sind gegenüber einer Ein­ richtung ohne Energierückführung wenigstens zwei weitere Schaltmittel erforderlich.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrich­ tung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers eine möglichst einfach aufgebaute Einrichtung bereitzustel­ len, mit der der Einschaltvorgang beschleunigt und der Ge­ samtenergieverbrauch minimiert wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist den Vorteil auf, daß sich eine verlustfreie Löschung ergibt. Desweiteren kann, durch die Wiederverwendung der beim Löschvorgang gespeicherten Energie beim Einschalten, der Stromanstieg vergrößert wer­ den. Dies führt wiederum dazu, daß sich die Magnetventil­ schaltzeit verringert. Diese Vorteile werden bei einem ge­ ringen Bauteileaufwand erreicht. Weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird nachstehend anhand den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der erfindungsge­ mäßen Einrichtung, Fig. 2 verschiedene über der Zeit aufge­ tragenen Signale und die Fig. 3 und 4 verbesserte Schal­ tungsanordnungen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird bevorzugt bei Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere bei selbstzündenden Brennkraft­ maschinen, eingesetzt. Dort wird die Kraftstoffzumessung mittels elektromagnetischer Ventile gesteuert. Diese elektromagnetischen Ventile werden im Folgenden als Verbrau­ cher bezeichnet. Die Erfindung ist aber nicht auf diese An­ wendung beschränkt, sie kann überall dort eingesetzt werden, wo schnell schaltende elektromagnetische Ventile benötigt werden.
Bei solchen Anwendungen legen der Öffnungs- und Schließzeit­ punkt eines Magnetventils den Einspritzbeginn bzw. das Ein­ spritzende fest.
Üblicherweise wird der Zeitraum zwischen der Ansteuerung des Magnetventils und dem tatsächlichen Öffnen bzw. Schließen des Magnetventils als Schaltzeit bezeichnet. Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen ist es wünschenswert, daß die Schaltzeit möglichst gering ist.
Zur Erzielung möglichst kleiner Schaltzeiten ist ein mög­ lichst schneller Kraftaufbau bzw. Kraftabbau im Verbraucher erforderlich. Ein solcher schneller Kraftaufbau bzw. Kraft­ abbau kann durch einen entsprechend schnellen Stromaufbau bzw. Stromabbau erzielt werden.
In Fig. 1 sind die wesentlichsten Elemente der erfindungs­ gemäßen Einrichtung dargestellt. Mit 100 ist der anzusteu­ ernde Verbraucher bezeichnet. Ein erster Anschluß des Ver­ brauchers 100 steht mit einem Verknüpfungspunkt 105 und der zweite Anschluß mit einem Verknüpfungspunkt 110 in Verbin­ dung. Der Verknüpfungspunkt 100 ist über ein erstes Schalt­ mittel 115 mit dem Masseanschluß 120 verbunden. Der zweite Verknüpfungspunkt 110 steht mit der Kathode einer ersten Diode 125 in Kontakt. Die Anode der ersten Diode 125 liegt auf Massepotential.
Des weiteren steht der Verknüpfungspunkt 105 mit der Anode einer zweiten Diode 130 in Kontakt. Der Verknüpfungspunkt 110 steht über ein zweites Schaltmittel 135 mit der Kathode der zweiten Diode 130 in Kontakt.
Der Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten Diode 130 und dem Schaltmittel 135 steht zum einen mit der Kathode einer dritten Diode 140 und dem einen Anschluß eines Konden­ sators 145 in Kontakt. Der zweite Anschluß des Kondensators 145 und die Anode der dritten Diode 140 stehen mit einer Spannungsquelle in Verbindung, die diese mit Versorgungs­ spannung Ubat beaufschlagt.
Die Anordnung des Verbrauchers 100, der beiden Schaltmittel 115 und 135 sowie der ersten und zweiten Diode 125 und 130 wird üblicherweise als Halbbrücke bezeichnet.
Üblicherweise werden bei der Kraftstoffzumessung in Brenn­ kraftmaschinen mehrere Magnetventile benötigt. Gestrichelt ist eine Ausführungsform mit zwei Magnetventilen darge­ stellt. In diesem Fall ist die Kathode einer weiteren Diode 131 mit der Kathode der Diode 130 verbunden. Die Anode der weiteren Diode 131 steht mit einem Schaltmittel 116 und dem einen Anschluß des weiteren Verbrauchers 101 in Kontakt. Über das Schaltmittel 116 steht die Anode der Diode 131 und der eine Anschluß des Verbrauchers 101 mit Masse in Verbin­ dung. Der zweite Anschluß des Verbrauchers 101 ist mit der Kathode der Diode 125 bzw. mit dem Verknüpfungspunkt 110 kontaktiert.
In entsprechender Weise können noch weitere Verbraucher be­ schaltet werden.
Bei der Ansteuerung des Verbrauchers in dieser Schaltungsan­ ordnung mit charakteristischem Stromprofil kann man ver­ schiedene Phasen unterscheiden. In einer ersten Phase, die in der Regel lediglich beim ersten Einschalten, bei entlade­ nem Kondensator 145 auftritt, sind das erste Schaltmittel 115 und das zweite Schaltmittel 135 geschlossen und geben den Stromfluß durch den Verbraucher frei. In dieser Phase fließt der Strom über den Pfad bestehend aus der dritten, Diode 140, dem zweiten Schaltmittel 135, dem Verbraucher 100 und dem ersten Schaltmittel 115.
In einer zweiten Phase, die auch als Löschphase bezeichnet wird, sind das erste Schaltmittel 115 und das zweite Schalt­ mittel 135 in ihrem geöffneten Zustand. In dieser Phase fließt ein Strom über den Pfad bestehend aus der ersten Diode 125, dem Verbraucher 100, der zweiten Diode 130 und dem Kondensator 145. Während dieser Phase wird die im Ver­ braucher 100 gespeicherte Energie in den Kondensator 145 so­ wie der Spannungsquelle umgeladen. Ziel der Löschphase ist es, den durch den Verbraucher fließenden Strom in möglichst kurzer Zeit auf den Wert Null zu verringern.
In einer dritten Phase ist das erste Schaltmittel 115 und das zweite Schaltmittel 135 geschlossen und der Strom fließt durch den Pfad bestehend aus dem Kondensator 145, dem zwei­ ten Schaltmittel 135, dem Verbraucher 100 und dem ersten Schaltmittel 115. In dieser Phase wird die im Kondensator 145 gespeicherte Energie in den Verbraucher zurückgeführt sowie Energie aus der Spannungsquelle in den Verbraucher übertragen. Diese Phase wird auch als Anzugsphase bezeich­ net. Deren Ziel es ist, durch ein hohes Stromniveau die Schließzeit des Magnetventils möglichst gering zu halten.
In einer vierten Phase fließt der Strom über den Pfad beste­ hend aus der dritten Diode 140, dem zweitem Schaltmittel 135, dem Verbraucher 100 und dem erstem Schaltmittel 115. In dieser Phase wird die Verlustenergie von der Spannungsquelle bereitgestellt. Die dritte Diode 140 verhindert, daß sich der Kondensator 145 positiv auflädt.
In einer fünften Phase, der sogenannten Haltestromphase ver­ bleibt das zweite Schaltmittel 135 in seinem geschlossenen Zustand und das Schaltmittel 115 wird getaktet betrieben, dies bedeutet, es wird abwechselnd geöffnet und geschlossen. Diese erfolgt in der Regel derart, daß sich im zeitlichen Mittel ein bestimmter Stromwert einstellt. Während dieser Taktungsphase, in der zwischen Bestromen und Freilauf abge­ wechselt wird, verbleibt der Kondensator 145 in seinem ent­ ladenen Zustand. In der Haltestromphase, wird die Verlust­ leistung durch Absenken des Soll-Stromniveaus und durch das Takten reduziert.
Die Funktionsweise dieser Anordnung wird im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 sind verschiedene Signale über der Zeit aufgetragen. In der ersten Zeile ist ein Ansteuersignal für das zweite Schaltmittel 135 aufgetra­ gen, das die Ansteuerung des Magnetventils und damit den Be­ ginn und das Ende der Kraftstoffzumessung definiert. In der zweiten Zeile ist, der durch das Magnetventil fließende Strom, und in der dritten Zeile, die an der Kathode der Diode 140 gegen Masse anliegende Spannung, aufgetragen. Diese Spannung entspricht bei geschlossenem ersten Schalter 115 und zweitem Schalter 135, der über dem Magnetventil an­ liegenden Spannung.
In Fig. 2 sind ferner die verschiedenen Phasen dargestellt. Zum Zeitpunkt T1 gibt ein nicht dargestellte Ansteuerein­ heit, das in der ersten Zeile der Fig. 2 dargestellte Steu­ ersignal ab. Bei Vorliegen dieses Signals schließt das Schaltmittel 135. Bei Vorliegen des in der zweiten Zeile aufgetragenen Signals gibt das erste Schaltmittel 115 den Stromfluß frei.
Ist der Kondensator 145 bereits von einer früheren Löschpha­ se aufgeladen, so beginnt zum Zeitpunkt T1 die dritte Phase. Dies bedeutet, der in der dritten Zeile aufgetragene Strom I, der durch das Magnetventil fließt, steigt sinusförmig an. Gleichzeitig fällt die an der Kathode der dritten Diode 140 gegen Masse anliegende Spannung UK, die in der vierten Zeile dargestellt ist, cosinusförmig ab. Zum Zeitpunkt T2 endet diese dritte Phase.
Zum Zeitpunkt T2 ist die an der Kathode der dritten Diode 140 anliegende Spannung Uk bis auf einen Wert Ubat abgefal­ len. Dies bedeutet, der Kondensator 145 wird nicht mehr wei­ ter entladen, da die am Kondensator anliegende Spannung Uc den Wert Null annimmt. Des weiteren verhindert die dritte Diode 140 eine positive Aufladung des Kondensators 145.
Ab dem Zeitpunkt T2 bis zu dem Zeitpunkt T3 befindet sich die Einrichtung in der vierten Phase, in der die Versor­ gungsspannung die erforderliche Energie bereitstellt. Die an der dritten Diode 140 bzw. am Kondensator 140 anliegende Spannung bleibt auf dem Wert Null. Der Strom steigt während dieser Phase linear über der Zeit an, bis er seinen vorgege­ benen Anzugstromsollwert i₁ erreicht.
Abhängig von dem Typ des elektromagnetischen Verbrauchers 100 kann auch vorgesehen sein, daß in dieser Phase der Strom auf den Anzugstromsollwert i₁ entsprechend wie in der fünf­ ten Phase eingeregelt wird.
Zum dem Zeitpunkt T3 erreicht die Einrichtung die fünfte Phase, die sogenannte Taktungsphase. In dieser Phase wird durch Öffnen und Schließen des ersten Schaltmittels 115 der Strom, der durch den Verbraucher fließt, auf einen vorgebba­ ren Haltestromsollwert i₂ eingeregelt.
Vorzugsweise wird hier ein Zweipunktregler eingesetzt, der den durch den Verbraucher fließenden Strom mit einem vorgeb­ baren Wert vergleicht. Überschreitet der Strom einen oberen Wert, so öffnet lediglich das Schaltmittel 115. Unterschrei­ tet der Strom einen unteren Wert, so öffnet das Schaltmittel 115. Dies führt dazu, daß der Strom in dieser fünften Phase zwischen dem oberen und dem unteren Wert hin und her pen­ delt. In dieser fünften Phase bleibt das zweite Schaltmittel 135 geschlossen, daher findet keine Energieumladung zwischen Kondensator 140 und Verbraucher 100 statt.
An die Taktungsphase schließt sich ab dem Zeitpunkt T4 die zweite Phase an. Zum Zeitpunkt T4 enden, die in der ersten und zweiten Zeile der Fig. 2 aufgetragenen Ansteuersignale. Dies bedeutet, daß beide Schaltmittel geöffnet werden. Dies hat zur Folge, daß der Strom sinusförmig abnimmt. Gleichzei­ tig steigt die Spannung Uk am Kondensator 145 bzw. an der Kathode der dritten Diode 140 auf einen Wert UD oberhalb der Versorgungsspannung Ubat an. Dies bedeutet, der Kondensator wird wieder aufgeladen.
Erfindungsgemäß bilden der Kondensator 145 und der Verbrau­ cher 100 einen Schwingkreis, bei dem die Energie in der zweiten Phase vom Verbraucher in die Spannungsquelle und den Kondensator 145 und in der dritten Phase aus der Spannungs­ quelle und dem Kondensator 145 in den Verbraucher umgeladen wird. Während der Taktung in der fünften Phase erfolgt keine Umladung zwischen dem Verbraucher und dem Kondensator.
Hieraus ergibt sich der Vorteil daß bei Beginn und Ende der Bestromung des Verbrauchers in den Phasen zwei und drei sich eine schnelle Änderung des durch den Verbraucher fließenden Stroms ergibt, was zu sehr kurzen Schaltzeiten des Verbrau­ chers führt. Dadurch, daß zusätzlich zum Kondensator 145 auch die Spannungsquelle einen Teil des Schwingkreises bil­ det, verkürzt sich die Löschphase und die Anzugsphase und damit auch die Schaltzeiten zusätzlich. Dadurch ergibt sich bei gleicher Schaltzeit eine kleinere Bauform.
Neben den verkürzten Ein/Ausschaltzeiten treten keine Ener­ gieverluste durch den Löschvorgang auf. Die beim Löschvor­ gang in den Kondensator zurückgeführte Energie wird beim Einschalten zurückgewonnen.
Diese Vorteile ergeben sich im wesentlichen durch die erfin­ dungsgemäßen Kombination einer Halbbrücke und einem geeignet geschalteten energiespeichernden Element sowie der Diode 140. Dieses energiespeichernde Element 145 ist in Reihe zwi­ schen der Versorgungsspannung und der Halbbrücke geschaltet.
In der Regel ist die Selbstentladung des Kondensators 145 sehr gering. Lediglich beim in Gang setzen kann der Fall eintreten, daß der Kondensator teilentladen ist. Dies führt dazu, daß beim Bestromen des Verbrauchers dieser erste Stromaufbau langsamer erfolgt. Um diesen Nachteil zu beheben wird die in Fig. 3a dargestellte weitere Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen.
Neben den bereits in Fig. 1 beschriebenen Bauelementen, die gleich wie in Fig. 1 bezeichnet sind, ist ein weiteres Schaltmittel 200 zwischen der Versorgungsspannung und dem Kondensator 145 angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen diesem Schaltmittel 200 steht ein zusätzliches Schaltmittel 220 mit Masse in Verbindung. Um den Kondensator aufzuladen, werden die Schaltmittel 135 und 115 geöffnet, das zusätzli­ che Schaltmittel 220 geschlossen und das weitere Schaltmit­ tel 200 ebenfalls geöffnet. Dadurch wird der Kondensator auf Versorgungsspannung aufgeladen, so daß für den ersten Strom­ aufbau nach längerem Stillstand zusätzliche Energie zur Be­ schleunigung des Stromaufbaus zur Verfügung steht.
In Fig. 3b ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Neben den bereits in Fig. 3a gezeigten Elementen ist zwi­ schen dem zusätzlichen Schaltmittel 220 und dem weiteren Schaltmittel 200 eine Induktivität 210 angeordnet. Diese Schaltung besitzt den Vorteil, daß der Kondensator durch den aus Induktivität 210 und Kondensator 145 gebildeten Schwing­ kreis auf eine Spannung aufgeladen wird, die der doppelten Versorgungsspannung entspricht.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Ne­ ben den bereits in Fig. 1 beschriebenen Bauelementen, die gleich wie in Fig. 1 bezeichnet sind, ist ein weiteres Schaltmittel 200 zwischen der Versorgungsspannung und dem Kondensator 145 angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen diesem Schaltmittel 200 und dem Kondensator 145 steht mit dem Verbindungspunkt zwischen Diode 130, Verbraucher 100 und Schaltmittel 115 in Kontakt.
Ferner steht der Verbindungspunkt 110 über ein Schaltmittel 400 mit Masse in Verbindung.
Um den Kondensator 145 aufzuladen, werden die Schaltmittel 135 und 115 geöffnet, die Schaltmittel 200 und 400 geschlos­ sen. Dadurch wird der Kondensator auf eine Spannung, die der doppelten Versorgungsspannung entspricht aufgeladen. Bei dieser Ausführungsform übernimmt der Verbraucher 100 die Aufgaben der Drossel 210.
Bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft, daß eine ent­ sprechende Aufladung des Kondensators, wie bei der Einrich­ tung gemäß Fig. 3b möglich ist, wobei aber keine zusätzli­ che Drossel benötigt wird.
Die Schaltmittel sind vorzugsweise als Transistoren, insbe­ sondere als Feldeffekttransistoren, realisiert. Die Schalt­ mittel werden von einer nicht dargestellten Steuereinheit mit Ansteuersignalen beaufschlagt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers (100), insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, mittels ei­ ner Halbbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Halbbrücke und einer Spannungungsquelle (Ubat) ein energie­ speicherndes Element (145) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als energiespeicherndes Element (145) ein Kondensator ver­ wendet wird.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem energiespeichernden Ele­ ment (145) eine Diode (140) geschaltet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem energiespeichernden Element (145) und der Spannungsquelle ein weiteres Schaltmittel (200) angeordnet ist.
5. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ver­ brauchers (100), insbesondere eines Magnetventils zur Steue­ rung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, mittels einer Halbbrücke dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel der Halbbrücke so ansteuerbar sind, daß ein zwischen der Halb­ brücke und einer Spannungsquelle Ubat angeordnetes energie­ speicherndes Element (145) und/oder eine Spannungsquelle mit dem Verbraucher (100) Energie austauschen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Phase (Löschphase) Energie vom Verbraucher (100) in das energiespeichernde Element (145) und/oder die Spannungsquelle überführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Phase das erste Schalt­ mittel (115) und das zweite Schaltmittel (135) derart ansteu­ erbar ist, daß sich ein Stromfluß in einem Pfad bestehend aus einer ersten Diode (125), dem Verbraucher (100), einer zweiten Diode (130) und dem energiespeichernden Element (145) und/oder der Spannungsquelle einstellt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dritten Phase Energie vom ener­ giespeichernde Element (145) und/oder der Spannungsquelle in den Verbraucher (100) überführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dritten Phase das erste Schalt­ mittel (115) und das zweite Schaltmittel (135) derart an­ steuerbar sind, daß sich ein Stromfluß in einem Pfad beste­ hend aus dem energiespeichernden Element (145), dem zweiten Schaltmittel (135), dem Verbraucher (100) und dem ersten Schaltmittel (115) über eine Diode (140) einstellt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (200, 220) derart angesteu­ ert werden, daß das energiespeichernde Element (145) in ei­ ner Phase mit Energie aus der Spannungsquelle beaufschlagt wird.
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