EP1400684B1 - 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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EP1400684B1 EP03015410A EP03015410A EP1400684B1 EP 1400684 B1 EP1400684 B1 EP 1400684B1 EP 03015410 A EP03015410 A EP 03015410A EP 03015410 A EP03015410 A EP 03015410A EP 1400684 B1 EP1400684 B1 EP 1400684B1
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Torsten Gerlich
Christopher Klatt
Ralf Heinrich
Christof Klesen
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Eagle Actuator Components GmbH and Co KG
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    • F02M25/08—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding fuel vapours drawn from engine fuel reservoir
    • F02M25/0836—Arrangement of valves controlling the admission of fuel vapour to an engine, e.g. valve being disposed between fuel tank or absorption canister and intake manifold
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    • H01F2007/1888—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings using pulse width modulation
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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 generating 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 ,
  • a regeneration valve is usually an electromagnetic driven valve comprising a solenoid, an armature with sealing element, a sealing seat and a return spring (closing spring).
  • the armature In the energized state, the armature lifts the sealing element against the spring force of the closing spring from the sealing seat by the magnetic force of the coil and thereby releases the flow opening.
  • the valve In the de-energized state, the sealing element is pressed by the closing spring on the sealing seat, the valve is in Scht manposition.
  • the control of the regeneration valve via the engine control, which determines the respective maximum loadable air-fuel mass flow according to the respective load state of the internal combustion engine and converts it into a corresponding control signal.
  • the regeneration valve is usually pulsed (pulse width modulated) driven and outputs, depending on the motor control each predetermined duty cycle, different dosing discontinuously.
  • Tastverhit is in this context, the ratio between the total period, d. H. the period of the open and closed valve, the period of the open valve understood.
  • the clock frequency is selected to be so high that the valve can no longer follow the oscillating excitation and instead remains in a position that corresponds to the respective mean coil current
  • the publication FR 2797022 shows a solenoid valve in which a zener diode is used to protect a transistor from voltage spikes.
  • 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, which has not yet been prevented.
  • the object of the invention is to provide a circuit arrangement for an electromagnetic regeneration valve for tank ventilation of a motor vehicle, by means of which the noise can be significantly reduced both in clocked and in proportional operation.
  • a pulse width modulated controllable electromagnetic regeneration valve for tank ventilation of a motor vehicle which is a voltage source for supplying the magnetic coil of the regeneration valve with electrical energy, a control unit for generating pulse width modulated signals and a switching device via which the magnetic coil with the pulse width modulated signals Control unit is acted upon, comprises means for suppressing high induced voltages to the solenoid provided.
  • these means are a so-called freewheeling diode, which is connected in parallel to the magnetic coil.
  • the regeneration valve is preferably activated in proportional operation at a pulse frequency between 20 Hz and 200 Hz. It has been found that in the commonly used clocked proportional valves, the valve characteristic (mass flow as a function of pulse duration) becomes steeper and non-linear with an increase in the pulse frequency, 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 of the coil, the current build-up in the coil is slowed down and on the other hand, the inertia of the mass to be moved is overcome. With increasing pulse frequency thus a higher coil current for opening the valve gap is required. In proportional operation, the pulse frequency is preferably about 50 Hz. It has been shown that this frequency is already sufficient to ensure a quasi-proportional operation in which a coil current always flows and thus the valve armature does not strike.
  • the circuit arrangement according to the invention has the advantage that the currently located in motor vehicles control electronics can be left, which is to be evaluated as a significant cost advantage, since nothing prevents the use of the circuit in existing series.
  • the inventive Circuit arrangement can be used both for the clocked and for the 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 by way of example the course of the current in the magnetic coil at a pulse frequency of 50 Hz in proportional operation and a) without a freewheeling diode a duty cycle of 20%, b) with freewheeling diode with a duty cycle of 20% and c) with a duty cycle of 90% with freewheeling diode. It can be seen that the current reduction with free-wheeling diode is significantly slowed down. At a duty cycle of 90%, the coil current is always greater than 0. The effect on the armature movement shows Fig. 3 , With a duty cycle of 20% a) without free-wheeling diode, the behavior compared to the free-wheeling diode b) is significantly rougher.
  • the anchor returns very quickly to the rest position, which is obviously due to the massive noise. It is even in the embodiment with diode a very gentle closing behavior of the valve, the noise. is significantly reduced. With a duty cycle of 90% with freewheeling diode c) it is no longer possible to close the valve. This leads to a complete freedom from noise.
  • circuit arrangement according to the invention leads not only in proportional operation at high pulse frequencies to a significant noise reduction, but due to the slow current reduction after a pulse in the clocked operation.

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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 Schtießposition.
  • 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 Tastverhäitnis 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 Schiießposition, was verschiedene Nachteile mit sich bringt, zu vermeiden, ist es auch bekannt, beispielsweise aus der WO 99/06893 , das getaktete Regenerierventil im sogenannten Proportionaibetrieb 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,
  • Die Offenlegungsschrift FR 2797022 zeigt ein Magnetventil, bei welchem eine Zener-Diode verwendet wird, um einen Transistor vor Spannungsspitzen zu schützen.
  • Nachteilig an den bekannten Regenerierventilen der oben beschriebenen Art ist, dass es sowohl im getakteten als auch im pulsweitenmoduiierten 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 Proportionalbetrieb 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 Schaltungsanordnung 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. 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 (7)

  1. Schaltungsanordnung für ein pulsweitenmoduüert 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Mittel zur Unterdrückung hoher Induktionsspannungen an der Magnetspule vorgesehen sind, wobei die Mittel eine Freilaufdiode umfassen, welche der Magnetspule parallel geschaltet ist und zur Reduzierung der Ventilgeräusche durch eine Beruhigung der Ankerbewegung des Magnetventils ausgebildet ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerierventil im Proportionalbetrieb mit einer Pulsfrequenz zwischen 20 Hz und 200 Hz ansteuerbar ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerierventil mit einer Pulsfrequenz von etwa 50 Hz ansteuerbar ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenntzeichnet, dass die Spannungsquelle das Kraftfahrzeug-Bordnetz umfasst.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Motorsteuerung umfasst.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung einen Leistungstransistor umfasst.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, 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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