DE69918932T2 - Voltage control circuit for electromagnetic Hubventilbetätigung in an internal combustion engine - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsreglerschaltung für das elektromagnetische Steuern der Ventile eines Verbrennungsmotors, und zwar vom im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Typ, und betrifft genauer eine Schaltung dieses Typs zum Rückgewinnen der in den Ventilaktivierungsspulen gespeicherten Energie – wie in der US-A -5 793 599 geoffenbart.The The present invention relates to a voltage regulator circuit for electromagnetic control the valves of an internal combustion engine, and that of the preamble of claim 1, and more specifically relates to a circuit of this type for recovering the energy stored in the valve activation coils - as in U.S. Patent No. 5,793,599.
Ein System für das elektromagnetische Steuern der Einlass- und Auslassventile eines Verbrennungsmotors umfasst für jedes Ventil zumindest eine jeweilige Aktivierungsspule, welche selektiv an einem Versorgungsschaltkreis angeschlossen werden kann. Dieser Schaltkreis versorgt jede Spule mit Betätigungsstrom, um das Ventil zu öffnen und/oder zu schließen.One System for the electromagnetic control of the intake and exhaust valves of a Internal combustion engine covers for each valve at least one respective activation coil, which can be selectively connected to a supply circuit. This circuit supplies each coil with actuating current to the valve to open and / or close.
Die wesentliche Bedingung beim Steuern der Einlass- und Auslassventile eines Motors ist die Präzision bei der Definition der Stellzeiten.The essential condition when controlling the intake and exhaust valves a motor is the precision in the definition of the positioning times.
Diese Präzision kann durch eine rasche Betätigung des Ventils erzielt werden, wobei es notwendig ist, dass die im Versorgungsschaltkreis verfügbaren Spannungen in ausreichendem Maße höher sind als die derzeit bei den meisten Fahrzeugen verfügbare Batteriespannung (12 Volt) und beispielsweise in einer Größenordnung von 42 Volt liegen.These precision can by a quick operation of the valve, whereby it is necessary that the in the Supply circuit available Tensions sufficiently are higher than the battery voltage currently available on most vehicles (12 Volts) and, for example, in the order of 42 volts.
Ebenso ist es notwendig, eine Schaltung zu verwenden, welche eine rasche Rückleitung und mögliche Rückgewinnung des Entladungsstroms sicherstellt, welcher für eine induktive Ladung wie z.B. die Ventilaktivierungsspule typisch ist, wodurch die Dissipation zu einem Erdleiter beschränkt wird.As well it is necessary to use a circuit which is a fast return and possible reclamation of the discharge current ensures which for an inductive charge such as e.g. the valve activation coil is typical, reducing the dissipation limited to a ground wire becomes.
Da die durch die Aktivierungsspule dargestellte Ladung eine hochinduktive Ladung ist, wird bevorzugt, dass die Stromrückleitung auch zusammen mit dem Zuleiten von Spannungen, die in ausreichendem Maße höher sind als die normale Batteriespannung, zu den Polklemmen der Spule stattfindet.There the charge represented by the activation coil is a highly inductive one Charge is, it is preferred that the current return also together with supplying voltages that are sufficiently higher than the normal battery voltage, to the pole terminals of the coil takes place.
Im Stand der Technik ist eine Schaltung zum Steuern einer induktiven Ladung im Allgemeinen und von Ventilaktivierungsspulen im Besonderen gebildet, und zwar unter der Maßgabe einer Zenerstromdiode, welche die Ladung mit einem Erdleiter verbindet, um die in der Ladung gespeicherte Energie abzuleiten.in the The prior art is a circuit for controlling an inductive Charge in general and valve activation coils in particular formed, under the condition a Zener current diode connecting the charge to a ground wire, to derive the energy stored in the charge.
Der größte Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass sie keine Rückgewinnung der verbrauchten Energie zum Steuern der Spulen zulässt. Da für jedes Ventil vorzugsweise zwei Aktivierungsspulen erforderlich sind und da die Gesamtanzahl der Ventile eines Motors groß ist (beispielsweise 4 Ventile pro Zylinder bei 4 oder mehr Zylindern), erreicht die abgeleitete Energie überdies Werte von Hunderten von Watt, wodurch sich weitere Probleme mit einer Wärmeabstrahlung und der Effizienz des Systems ergeben.Of the biggest disadvantage this solution is that there is no recovery the consumed energy allows to control the coils. There for each Valve preferably two activation coils are required and because the total number of valves of a motor is large (for example, 4 valves per cylinder with 4 or more cylinders), reaches the derived Energy, moreover Values of hundreds of watts, which causes more problems with a heat radiation and the efficiency of the system.
Um zu ermöglichen, dass der Entladungsstrom in den Aktivierungsspulen rasch abklingt und die darin gespeicherte Energie rückgewonnen wird, wodurch die Dissipation beschränkt wird, ist der Gegenstand der Erfindung eine Spannungsreglerschaltung für das elektromagnetische Steuern der Ventile eines Verbrennungsmotors mit den in den angeschlossenen Ansprüchen angeführten, charakteristischen Eigenschaften.Around to enable that the discharge current in the activation coils decays rapidly and the energy stored therein is recovered, whereby the Limited dissipation is the subject of the invention, a voltage regulator circuit for the electromagnetic control of the valves of an internal combustion engine with the characteristic properties listed in the attached claims.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Spannungsreglerschaltung mit einem kapazitiven Energiespeicherelement zu versehen, um von den Spulen einen Entladungsstrom zu empfangen und diesen Strom mittels eines Stromreglerschaltkreises in geregelter Weise zu einer Speisung (oder Batterie) zu übertragen.The inventive solution exists therein, the voltage regulator circuit with a capacitive energy storage element to receive a discharge current from the coils and this current by means of a current regulator circuit in regulated Way to a power supply (or battery) to transfer.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglich auch, dass das kapazitive Element durch dieselbe Stromreglerschaltung rasch aufgeladen wird, um die Polklemmen der Spulen mit einer Spannung zu versorgen, die in ausreichendem Maße höher ist als die Batteriespannung, ohne darauf zu warten, dass das kapazitive Element rein durch die Entladungsströme der Spulen aufgeladen wird.The solution according to the invention also makes it possible that the capacitive element by the same current regulator circuit is quickly charged to the pole terminals of the coils with a voltage which is sufficiently higher than the battery voltage, without waiting for the capacitive element to get in through the Discharge currents of Coils is charged.
Bei Anwendung der vorgeschlagenen Lösung ist es möglich, die an die Erde abgeleitete Energie durch die Schaltung zu begrenzen, wodurch eine größere Effizienz der Schaltung gewährleistet wird und vorteilhafterweise die Wirkung des Ventilantriebssystems auf den Energieausgleich des Fahrzeugs reduziert wird.at Application of the proposed solution Is it possible, to limit the energy dissipated to earth by the circuit, which gives greater efficiency guaranteed the circuit and advantageously the effect of the valve drive system is reduced to the energy balance of the vehicle.
Weitere charakteristische Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden spezifischen Beschreibung einer ihrer Ausführungsformen detaillierter erläutert, welche anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung, die ein Schaltdiagramm der erfindungsgemäßen Spannungsreglerschaltung zeigt.Further Characteristic features and advantages of the invention are in the following specific description of one of its embodiments explained in more detail, which set forth by way of non-limiting example is, with reference to the attached drawing, a circuit diagram of the voltage regulator circuit according to the invention shows.
Die
Spannungsreglerschaltung umfasst einen zwischen einem Knoten A und
einem Erdleiter angeordneten Speicherkondensator C und einen Stromreglerschaltkreis
Die
Stromreglerschaltung
Ein
im Allgemeinen mit
Um
die entsprechenden Ventile zu öffnen und
zu schließen,
können
diese Spulen
Genauer
im Detail betrachtet, umfasst die Stromreglerschaltung
Eine separat dargestellte Steuereinheit ist mit ECU bezeichnet. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein Eingangssignal, das die am Knoten A vorhandene Spannung VA anzeigt, zu empfangen und die Transistoren Q1 und Q2 an deren Gate-Elektroden zu steuern.A separately shown control unit is designated ECU. The control unit is adapted to generate an input signal indicating the presence at node A voltage V A, for receiving and Q1 and Q2 to control the transistors at their gate electrodes.
Unter den Bedingungen des Betriebs wird die Spannungsreglerschaltung in einer anfänglichen Übergangsstufe durch die Steuereinheit (ECU) als Spannungserhöher betrieben, und zwar zum raschen Steigern der Spannung VA, bis eine Spannung erreicht ist, die der vorbestimmten Vergleichsspannung Vref entspricht, um eine Rückleitung von Strom bei Hochspannung zu ermöglichen.Under the conditions of operation, the voltage regulator circuit is operated in an initial transient stage by the control unit (ECU) as a voltage booster for rapidly increasing the voltage V A until a voltage corresponding to the predetermined reference voltage V ref is reached for a return of To enable electricity at high voltage.
Die Steuereinheit detektiert die am Knoten A vorhandene Spannung VA und steuert die Transistoren Q1 und Q2 dementsprechend. Liegt die Spannung VA unter dem vorbestimmten Wert Vref, so schaltet die Steuereinheit den Transistor Q1 ab und schaltet den Transistor Q2 ein, wodurch der Batterie durch den Induktor L Strom entzogen wird, und zwar hin zur Erde, und dabei der Induktor aufgeladen wird. Die Steuereinheit überwacht auch den im Transistor Q2 fließenden Strom und schaltet Q2 ab und Q1 ein, wenn dieser eine vorbestimmte Intensität erreicht, wodurch eine Entladung des Induktors L hin zum Speicherkondensator C ausgelöst wird, welcher folglich aufgeladen wird. Die Steuereinheit wiederholt daraufhin den Zyklus, bis die Spannung am Knoten A den vorbestimmten Wert Vref erreicht.The control unit detects the voltage V A present at the node A and drives the transistors Q1 and Q2 accordingly. If the voltage V A is below the predetermined value V ref , the control unit turns off the transistor Q1 and turns on the transistor Q2, whereby the current is withdrawn from the battery through the inductor L, towards the ground, thereby charging the inductor , The control unit also monitors the current flowing in the transistor Q2 and turns off Q2 and Q1 when it reaches a predetermined intensity, thereby causing a discharge of the inductor L to the storage capacitor C, which is consequently charged. The controller then repeats the cycle until the voltage at node A reaches the predetermined value V ref .
Im
stabilen Betrieb wird der Speicherkondensator C über das Rückführungsnetz
Wird der Speicherkondensator C durch den von den Spulen der Ventile kommenden Rückführungsstrom überlastet, so überschreitet die Spannung VA den vorbestimmten Vergleichswert Vref; die Steuereinheit (ECU) erkennt diesen Zustand und betreibt die Spannungsreglerschaltung als Spannungsabschwächer, um die Spannung VA auf einen Wert zurückzubringen, der so nahe wie möglich bei Vref liegt, wodurch ermöglicht wird, dass der Speicherkondensator C zur Batterie hin Strom freisetzt und die Batterie wiederauflädt.If the storage capacitor C is overloaded by the return current coming from the coils of the valves, then the voltage V A exceeds the predetermined comparison value V ref ; the control unit (ECU) recognizes this condition and operates the voltage regulator circuit as a voltage reducer to return the voltage V A to a value as close as possible to V ref , thereby allowing the storage capacitor C to release current to the battery and the power supply Battery recharges.
Solange
die am Knoten A detektierte Spannung größer als der vorbestimmte Wert
Vref ist, treibt die Steuereinheit den Transistor
Q2 in den Sperrzustand und den Transistor Q1 in den Durchlasszustand,
wodurch vom Speicherkondensator C durch den Induktor L Strom zur
Batterie
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist kein Stromsensor erforderlich, da die vorbestimmte Stromintensität, welche zum Umschalten der Transistoren Q1 und Q2 führt, und die Leitungszeiten der Transistoren durch die Steuereinheit analytisch berechnet werden können, und zwar ausschließlich auf Basis der Informationen in Bezug auf den Spannungswert am Knoten A, den Spannungswert VB und die Induktivität des Induktors L.In this preferred embodiment, no current sensor is required because the predetermined current intensity resulting in the switching of transistors Q1 and Q2 and the conduction time of the transistors can be calculated analytically by the control unit based solely on the information relating to the voltage value am Node A, the voltage value V B and the inductance of the inductor L.
Diese Lösung ist vorteilhaft, da sie beim Entladen der Spulen und folglich beim Wiederaufladen der Batterie eine größere Effizienz gewährleistet und eine Reduktion der Dimensionen der verwendeten Schaltung ermöglicht.These solution is advantageous because it during unloading of the coils and thus at Recharging the battery ensures greater efficiency and allows a reduction in the dimensions of the circuit used.
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