EP1400684A2 - Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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EP1400684A2
EP1400684A2 EP03015410A EP03015410A EP1400684A2 EP 1400684 A2 EP1400684 A2 EP 1400684A2 EP 03015410 A EP03015410 A EP 03015410A EP 03015410 A EP03015410 A EP 03015410A EP 1400684 A2 EP1400684 A2 EP 1400684A2
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valve
width modulated
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Christopher Klatt
Ralf Heinrich
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for a pulse width modulated controllable electromagnetic regeneration valve for tank ventilation of a Motor vehicle, comprising a voltage source for supplying the magnetic coil of the regeneration valve with electrical energy, a control unit for Generation of pulse width modulated signals and a switching device via which the magnetic coil with the pulse width modulated signals of the control unit can be acted upon.
  • the armature In the energized State, the armature lifts the sealing element by the magnetic force of the coil against the spring force of the closing spring from the sealing seat and thereby gives the Flow opening free.
  • the valve In the de-energized state, the sealing element by the closing spring on the Sealing seat pressed, the valve is in closed position.
  • the control of the regeneration valve via the engine control, the according to the respective load state of the internal combustion engine each determined maximum meterable air-fuel mass flow and in a corresponding control signal converts.
  • the regeneration valve is doing in the Usually clocked (pulse width modulated) controlled and gives, depending on the from the motor control each predetermined duty cycle, different Dosage amounts discontinuously from. Under duty cycle is in this context the ratio between the total period of time, d. H. the period duration of the opened and closed valve, to the period of the opened valve understood.
  • the clocked regeneration valve in so-called proportional operation to operate.
  • the clock frequency will be chosen so high that the Valve can no longer follow the oscillating excitation and instead respectively remains in a position corresponding to the respective mean coil current.
  • a disadvantage of the known regeneration valves of the type described above is that it is both clocked and pulse width modulated proportional operation to an undesirable noise comes, so far could not be prevented yet.
  • the object of the invention is a circuit arrangement for an electromagnetic To provide a regeneration valve for tank ventilation of a motor vehicle, by means of which the noise development in both clocked and in the Reduce proportional operation significantly.
  • this means is a so-called freewheeling diode, the Magnet coil is connected in parallel.
  • the regeneration valve in the Wegunsan extract invention in proportional mode with a pulse frequency between 20 Hz and 200 Hz activated. It has been shown that in the commonly used clocked proportional valves, the valve characteristic (mass flow depending of pulse duration) with an increase of the pulse frequency steeper and becomes non-linear, which leads to a deterioration of the dosing accuracy. This behavior can be explained by the fact that on the one hand by the inductance the coil slows down the current buildup in the coil and the other the inertia of the mass to be moved is overcome. With increasing Pulse frequency is thus a higher coil current to open the valve gap required.
  • the pulse frequency is preferably in proportional operation about 50 Hz. It has been shown that this frequency is already sufficient, a quasi-proportional operation, in which always flows a coil current and thus the valve anchor does not strike to ensure.
  • the circuit arrangement according to the invention has the advantage that currently be left in motor vehicles existing control electronics What can be considered as a significant cost advantage, as a use of the Circuit arrangement in existing series nothing precludes.
  • the inventive Circuitry is for both the clocked as well as for can be used for proportional operation.
  • Fig. 1 shows the block diagram of the control of the regeneration valve.
  • the magnetic circuit of the valve is represented by the resistance R Sp and the inductance L Sp .
  • Parallel to this, the freewheeling diode D f used according to the invention is shown.
  • the power transistor, in which a diode D s is integrated for protection purposes, is controlled by control pulses of constant frequency and variable pulse width and thus switches the battery or vehicle electrical system voltage U b to the valve.
  • the control is usually via the engine control.
  • the pulse width modulated control of a solenoid valve and in particular in a motor vehicle is known per se and often described, which is why at this point not further discussed.
  • Fig. 2 shows an example of the course of the current in the magnetic coil at a Pulse frequency of 50 Hz in proportional mode and a) without freewheeling diode at a duty cycle of 20%, b) with freewheeling diode at a duty cycle of 20% and c) with a duty cycle of 90% with freewheeling diode.
  • the power dissipation with freewheeling diode is significantly slowed down.
  • the coil current is always greater than 0.
  • At a duty cycle of 20% a) without freewheeling diode is the behavior compared to the freewheeling diode b) is much rougher.
  • the anchor returns very quickly to the Resting back, which apparently due to the massive noise is. It is evident even in the embodiment with diode Very gentle closing behavior of the valve, the noise. is significantly reduced. With a duty cycle of 90% with freewheeling diode c) it does not come to closing the valve. This leads to a complete Freedom from noise.
  • circuit arrangement according to the invention does not only in proportional mode at high pulse frequencies to a significant noise reduction leads, but due to the slow current reduction after a pulse even in clocked operation.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs beschrieben, welche eine Spannungsquelle zur Versorgung der Magnetspule des Regenerierventils mit elektrischer Energie, eine Steuereinheit zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale sowie eine Schalteinrichtung über welche die Magnetspule mit den pulsweitenmodulierten Signalen der Steuerteuereinheit beaufschlagbar ist, umfasst. Gemäß der Erfindung sind Mittel zur Unterdrückung hoher Induktionsspannungen der Magnetspule vorgesehen. Durch diese Maßnahme läßt sich die Geräuschentwicklung beim Betrieb des Regenerierventils sowohl im getakteten als auch im Proportionalbetrieb erheblich reduzieren. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Spannungsquelle zur Versorgung der Magnetspule des Regenerierventils mit elektrischer Energie, eine Steuereinheit zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale sowie eine Schalteinrichtung über welche die Magnetspule mit den pulsweitenmodulierten Signalen der Steuereinheit beaufschlagbar ist.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die in der Tankanlage eines Kraftfahrzeugs befindlichen flüchtigen Kraftstoffdämpfe aufzufangen und zu speichern und schließlich dosiert dem Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs zuzuführen. Als Einrichtung zum Auffangen und Speichern der Kraftstoffdämpfe wird in der Regel ein Aktivkohlebehälter verwendet. Aktivkohle bindet (absorbiert) den Kraftstoffdampf und gibt ihn bei entsprechender Belüftung wieder frei. Im Fahrbetrieb wird daher durch den Motor Frischluft durch den Aktivkohlebehälter gesaugt, die den Kraftstoff aufnimmt und dem Motor zuführt. Die Zudosierung des Luft-Kraftstoffgemischs erfolgt über ein sogenanntes Regenerierventil. Bei einem Regenerierventil handelt es sich üblicherweise um ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil, das eine Magnetspule, einen Anker mit Dichtelement, einen Dichtsitz sowie eine Rückstellfeder (Schließfeder) umfasst. Im bestromten Zustand hebt der Anker durch die Magnetkraft der Spule das Dichtelement gegen die Federkraft der Schließfeder vom Dichtsitz ab und gibt dadurch die Durchflussöffnung frei. Das Ventil befindet sich in seiner Öffnungsposition. Im unbestromten Zustand wird das Dichtelement durch die Schließfeder auf den Dichtsitz gepresst, das Ventil befindet sich in Schließposition.
Die Ansteuerung des Regenerierventils erfolgt über die Motorsteuerung, die entsprechend dem jeweiligen Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine den jeweils maximal zudosierbaren Luft-Kraftstoff-Massenstrom ermittelt und in ein entsprechendes Steuersignal umsetzt. Das Regenerierventil wird dabei in der Regel getaktet (pulsweitenmoduliert) angesteuert und gibt, abhängig von dem von der Motorsteuerung jeweils vorgegebenen Tastverhältnis, unterschiedliche Dosiermengen diskontinuierlich ab. Unter Tastverhältnis wird in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen der Gesamtperiodendauer, d. h. der Periodendauer des geöffneten und geschlossenen Ventils, zur Periodendauer des geöffneten Ventils verstanden.
Um die oszillierende Bewegung des Magnetankers mit dem Dichtelement zwischen der Öffnungs- und Schließposition, was verschiedene Nachteile mit sich bringt, zu vermeiden, ist es auch bekannt, beispielsweise aus der WO 99/06893, das getaktete Regenerierventil im sogenannten Proportionalbetrieb zu betreiben. Hierbei wird die Taktfrequenz so hoch gewählt werden, dass das Ventil der oszillierenden Anregung nicht mehr folgen kann und stattdessen jeweils in einer Position verharrt, die dem jeweiligen mittleren Spulenstrom entspricht.
Nachteilig an den bekannten Regenerierventilen der oben beschriebenen Art ist, dass es sowohl im getakteten als auch im pulsweitenmodulierten Proportionalbetrieb zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung kommt, die bisher noch nicht verhindert werden konnte.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung für ein elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mittels welcher sich die Geräuschentwicklung sowohl im getakteten als auch im Proportinalbetrieb erheblich reduzieren lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Schaltungsanordnung mit allen Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung sind bei einer Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs, welche eine Spannungsquelle zur Versorgung der Magnetspule des Regenerierventils mit elektrischer Energie, eine Steuereinheit zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale sowie eine Schalteinrichtung, über welche die Magnetspule mit den pulsweitenmodulierten Signalen der Steuereinheit beaufschlagbar ist, umfasst, Mittel zur Unterdrückung hoher Induktionsspannungen an der Magnetspule vorgesehen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei diesen Mitteln um eine sogenannte Freilaufdiode, die der Magnetspule parallel geschaltet wird.
Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass sich bei Parallelschaltung einer Freilaufdiode zur Magnetspule eine erhebliche Reduzierung der Ventilgeräusche erzielen lässt. Der Einsatz von Freilaufdioden ist in der Ventiltechnik an sich bekannt und dient üblicherweise dazu, die den Spulenstrom steuernden Leistungsschalter vor den beim Schalten des Ventils auftretenden hohen Induktionsspannungen zu schützen. Ebenso ist bekannt, dass diese Maßnahme zu einer unerwünschten Verlängerung der Spulenreaktionszeit führt. Die DE 196 52 391 sieht daher Maßnahmen zur Wiederherstellung der schnellen Spulenreaktion vor. Hieraus resultiert aber offensichtlich eine Beruhigung der Ankerbewegung des Magnetventils, die ausreicht, die sonst übliche massive Geräuschentwicklung deutlich zu reduzieren. Dies gilt sowohl für den Proportionalbetrieb als auch für den getakteten Betrieb des Ventils.
Vorzugsweise wird das Regenerierventil bei der erfindungsgemäßen Schaltunsanordnung im Proportionalbetrieb mit einer Pulsfrequenz zwischen 20 Hz und 200 Hz angesteuert. Es hat sich gezeigt, dass bei den üblicherweise verwendeten getakteten Proportionalventilen die Ventilkennlinie (Massenfluss in Abhängigkeit von Pulsdauer) bei einer Erhöhung der Pulsfrequenz steiler und nichtlinearer wird, was zu einer Verschlechterung der Dosiergenauigkeit führt. Dieses Verhalten lässt sich damit erklären, dass zum einen durch die Induktivität der Spule der Stromaufbau in der Spule verlangsamt wird und zum anderen die Trägheit der zu bewegenden Masse zu überwinden ist. Mit zunehmender Pulsfrequenz ist somit ein höherer Spulenstrom zur Öffnung des Ventilspalts erforderlich. Vorzugsweise beträgt die Pulsfrequenz im Proportionalbetrieb etwa 50 Hz. Es hat sich gezeigt, dass diese Frequenz bereits ausreicht, um einen quasi-proportionalen Betrieb, bei dem immer ein Spulenstrom fließt und somit der Ventilanker nicht anschlägt, zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass die derzeit in Kraftfahrzeugen vorhandene ansteuerseitige Elektronik belassen werden kann, was als deutlicher Kostenvorteil zu bewerten ist, da einem Einsatz der Schaltungsanordnung in bestehende Serien nichts entgegensteht. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist sowohl für den getakteten als auch für den Proportionalbetrieb einsetzbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1
ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2
den Stromverlauf der Magnetspule bei einer Pulsfrequenz von 50 Hz und verschiedenen Einschaltdauern mit und ohne Freilaufdiode.
Figur 3
die zugehörige Ankerbewegung zu den Diagrammen aus Fig.1.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der Ansteuerung des Regenerierventils. Der magnetische Kreis des Ventils wird durch den Widerstand RSp und die Induktivität LSp repräsentiert. Parallel dazu ist die erfindungsgemäß eingesetzte Freilaufdiode Df dargestellt. Der Leistungstransistor,in den zu Schutzzwecken eine Diode Ds integriert ist, wird mit Steuerpulsen konstanter Frequenz und variabler Pulsweite angesteuert und schaltet damit die Batterie bzw. Bordnetzspannung Ub auf das Ventil auf. Die Steuerung erfolgt in der Regel über die Motorsteuerung. Die Pulsweitenmodulierte Ansteuerung eines Magnetventils und insbesondere auch in einem Kraftfahrzeug ist an sich bekannt und vielfach beschrieben, weshalb an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird.
Fig. 2 zeigt exemplarisch den Verlauf des Stroms in der Magnetspule bei einer Pulsfrequenz von 50 Hz im Proportionalbetrieb und a) ohne Freilaufdiode bei einer Einschaltdauer von 20 %, b) mit Freilaufdiode bei einer Einschaltdauer von 20 % und c) bei einer Einschaltdauer von 90 % mit Freilaufdiode. Man erkennt, dass der Stromabbau mit Freilaufdiode deutlich verlangsamt ist. Bei einer Einschaltdauer von 90 % ist der Spulenstrom sogar immer größer als 0. Die Auswirkungen auf die Ankerbewegung zeigt Fig. 3. Bei einer Einschaltdauer von 20 % a) ohne Freilaufdiode ist das Verhalten gegenüber dem mit Freilaufdiode b) deutlich ruppiger ist. Insbesondere kehrt der Anker sehr schnell in die Ruhelage zurück, worauf offensichtlich die massive Geräuschentwicklung zurückzuführen ist. Es zeigt sich sogar bei der Ausführungsform mit Diode ein ausgesprochen sanftes Schließverhalten des Ventils, die Geräuschentwicklung . ist deutlich reduziert. Bei einer Einschaltdauer von 90 % mit Freilaufdiode c) kommt es gar nicht mehr zum Schließen des Ventils. Dies führt zu einer völligen Geräuschfreiheit.
Aus dem obigen folgt, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht nur im Proportionalbetrieb bei hohen Pulsfrequenzen zu einer deutlichen Geräuschreduzierung führt, sondern aufgrund des langsamen Stromabbaus nach einem Puls auch im getakteten Betrieb.

Claims (8)

  1. Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Spannungsquelle zur Versorgung der Magnetspule des Regenerierventils mit elektrischer Energie, eine Steuereinheit zur Erzeugung pulsweitenmodulierter Signale sowie eine Schalteinrichtung über welche die Magnetspule mit den pulsweitenmodulierten Signalen der Steuerteuereinheit beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Unterdrückung hoher Induktionsspannungen an der Magnetspule vorgesehen ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Freilaufdiode umfassen, welche der Magnetspule parallel geschaltet ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerierventil im Proportionalbetrieb mit einer Pulsfrequenz zwischen 20 Hz und 200 Hz ansteuerbar ist.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerierventil mit einer Pulsfrequenz von etwa 50 Hz ansteuerbar ist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle das Kraftfahrzeug-Bordnetz umfasst.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Die Steuereinheit die Motorsteuerung umfasst.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung einen Leistungstransistor umfasst.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leistungstransistor eine Diode parallelgeschaltet ist.
EP03015410A 2002-09-20 2003-07-09 Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduliert ansteuerbares elektromagnetisches Regenerierventil zur Tankentlüftung eines Kraftfahrzeugs Expired - Lifetime EP1400684B1 (de)

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