WO2017194266A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines magnetventils - Google Patents

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    • F02D2041/2051—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using voltage control

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a solenoid valve. In a control or regulation of components of a
  • actuators are used.
  • Such actuators are often realized in the form of solenoid valves, as these solenoid valves a good compromise between the necessary positioning speed and the production price bie ⁇ th.
  • High speeds are achieved by the moving components of the solenoid valve are made of comparatively ⁇ lightweight materials and that Control of the solenoid valves suitable Anêtpro- file can be used.
  • Such a known control profile is a so-called peak & hold control.
  • the coil of the solenoid valve is first subjected to a pull-in phase with a constant voltage in order to build up the required current as quickly as possible, and then driven with pulses having a predetermined duty cycle. Due to the rapid increase in current in the pull-in phase, the magnetic energy required for the movement of the valve needle of the solenoid valve is quickly made available and converted into kinetic energy.
  • the magnetic energy E mag depends on the supplied current I and the inductance L of the coil of the solenoid valve. The following relationship applies: This rapid energy input is an equally fast acceleration of the valve needle of the solenoid valve he aims ⁇ . From the context of energy conservation, it can be seen that the magnetic energy E mag is converted into kinetic energy W via the overall efficiency n G :
  • W m-a - ⁇ - vt, where m is the mass of the valve needle of the solenoid valve and t is the time.
  • Constant voltage control achieved large needle speed gradients provide despite high average currents for high noise of the solenoid valve.
  • the object of the invention is to provide a method and a device in which these sounds are redu ⁇ sheet.
  • This dynamic change in the power output stage be ⁇ riding provided supply voltage is overall by the control unit controls, which provides by an evaluation of sensor signals using stored software and stored maps switching signals for the power output stage before ⁇ connected voltage divider, so that the power output stage provided supply voltage depending on ⁇ speed is changed from the current operating state of the motor vehicle.
  • This device has a supply voltage source Q, which provides a supply voltage UB.
  • a supply voltage UB In this Spei ⁇ sebond is preferably to the battery voltage of the motor vehicle.
  • This supply voltage is nachfol ⁇ quietly referred to as full supply voltage.
  • the apparatus shown includes a power output stage, which comprises in the embodiment shown ei ⁇ NEN first transistor Tl and a second transistor T2. These transistors are to power transistors that are implemented as field effect transistors. They are controlled during operation of the device by a control unit SE. This control is not set is ⁇ in the figure.
  • the coil S of a monostable solenoid valve M is arranged.
  • a voltage divider R1, R2 and a switch SW are provided between the supply voltage source Q and the power output stage T1, T2.
  • the voltage divider has series-connected ohmic resistors R 1 and R 2, wherein one terminal of the resistor R 1 is connected to the supply voltage source Q and one terminal of the resistor R 2 is connected to a reference potential.
  • the other connection of this ohm see resistors is connected to an input of the switch SW ⁇ .
  • the other input of the switch SW is directly connected to the Spei ⁇ ses voltage source Q.
  • Sl of the switch SW In a first switch position Sl of the switch SW, the connection point between the two resistors Rl and R2 is connected to the output of the switch SW.
  • the power supply voltage source ⁇ Q is connected to the output of the switch SW.
  • the control of the switch SW and thus the switching between the two mentioned switch positions Sl and S2 by means of one of the control unit SE accommodategestell ⁇ th switch control signal ss.
  • the control unit SE determines this switch control signal ss during operation of the device by detecting the current operating state of the motor vehicle. This detection is performed by an evaluation of sensor signals, which give the control unit information about the current operating state of the motor vehicle. These sensor signals include, for example, the output signal of a rotational speed sensor and the output signal se2 of a load-sensing sensor. As a load detection sensor arranged in a suction pipe of the motor vehicle air pressure sensor can be used. Furthermore, the control unit uses for determining the switch control signal ss a to ⁇ stored work program and stored maps, tables, etc.
  • the control unit detects that there is a low speed and a low load during its evaluation, then it switches the switch SW into its first switch position S1.
  • the supply voltage source Q is connected to the coil S of the solenoid valve M via the resistor R 1 of the voltage divider, the switch SW and the opened transistor T 1.
  • the other terminal of the coil S is connected via the transistor T2 of the power output stage to the reference potential. Consequently, in this mode using the power output stage of the coil S of the solenoid valve M is provided a reduced supply voltage U2, as indicated in the figure by the line marked U2.
  • the control unit SE recognizes in its evaluation that a high speed and a high load are present, then it switches the switch SW into its second switch position S2.
  • the supply voltage source Q is connected to the coil S of the solenoid valve M via the switch SW, which is in its switch position S2, and the opened transistor T1.
  • the other terminal of the coil S is in turn connected to the reference potential via the transistor T2 of the power output stage. Consequently, the coil S of the solenoid valve M is in this mode, using the level found nurseend- the full supply voltage UB clamping ⁇ available, as is indicated in the figure by the line marked with UB.
  • the same noise level is present in the case of high loads and a high speed as without the use of the above-mentionedconnectsstei ⁇ lers Rl, R2 and without the use of the switch SW. Since produces a high background noise in the ⁇ sem operating state of the engine of the motor vehicle, which is also comparatively HO- he sound of the solenoid valve is generally not perceived as troublefree ⁇ rend.
  • more than 2 switching stages may also be used, for example 3 switching stages or 4 switching stages.
  • the coil S of the solenoid valve is supplied depending on the current operating state of the motor vehicle one of 3 and 4 possible supply voltages.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines eine Spule (S) aufweisenden Magnetventils (M) eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer Leistungsendstufe, wobei die Spule (S) des Magnetventils (M) mit einer veränderlichen Speisespannung (Q) beaufschlagt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils. Bei einer Steuerung oder Regelung von Komponenten eines
Kraftfahrzeugs, beispielsweise von Hochdruckpumpen oder von Einspritzventilen, kommen Aktoren zur Anwendung. Derartige Aktoren werden oftmals in Form von Magnetventilen realisiert, da diese Magnetventile einen guten Kompromiss zwischen der notwendigen Stellgeschwindigkeit und dem Fertigungspreis bie¬ ten. Hohe Stellgeschwindigkeiten werden dadurch erreicht, dass die bewegten Bauteile des Magnetventils aus vergleichs¬ weise leichtgewichtigen Materialien hergestellt werden und dass zur Ansteuerung der Magnetventile geeignete Ansteuerpro- file verwendet werden.
Ein derartiges bekanntes Ansteuerprofil ist eine sogenannte Peak&Hold-Ansteuerung . Bei einer derartigen Peak&Hold- Ansteuerung wird die Spule des Magnetventils zunächst in ei- ner Pull-in-Phase mit einer konstanten Spannung beaufschlagt, um den benötigten Strom möglichst schnell aufzubauen, und danach mit Impulsen mit einem vorgegebenen Tastverhältnis angesteuert. Durch den schnellen Stromanstieg in der Pull-in- Phase wird die für die Bewegung der Ventilnadel des Magnet- ventils benötigte magnetische Energie schnell zur Verfügung gestellt und in Bewegungsenergie umgewandelt. Dabei hängt die magnetische Energie Emag von der bereitgestellten Stromstärke I und der Induktivität L der Spule des Magnetventils ab. Es gilt die folgende Beziehung: Durch diesen schnellen Energieeintrag wird eine ebenso schnelle Beschleunigung der Ventilnadel des Magnetventils er¬ zielt. Aus dem Zusammenhang mit der Energieerhaltung ist ersichtlich, dass über den Gesamtwirkungsgrad nG die magneti- sehe Energie Emag in kinetische Energie W umgewandelt wird:
Emag = T)G m W .
Durch diese kinetische Energie wird die Ventilnadel mit einer Beschleunigung a auf die Geschwindigkeit v gebracht. Es gilt die folgende Beziehung:
W = m-a-^-vt, wobei m die Masse der Ventilnadel des Magnetventils und t die Zeit ist.
Damit ist der Zusammenhang zwischen den Spulen- und Ansteuereigenschaften sowie der daraus resultierenden Beschleunigung und der Geschwindigkeit bekannt.
Für eine dynamische Ansteuerung der Ventilnadel sind hohe Energien anzustreben, wobei auch die elektrischen Komponenten der Ansteuerschaltung und die Spule des Magnetventils ent- sprechend den oben dargelegten Zusammenhängen ausgelegt werden müssen und mit einer konstanten Speisespannung, wie sie im Fahrzeugbau realisiert wird, betrieben werden.
Hohe Geschwindigkeiten der Ventilnadel des Magnetventils sind aber mit einem hohen, vom Magnetventil verursachten Geräuschpegel verbunden. Dies steht im Gegensatz zu den heutigen akustischen Geräuschanforderungen. Insbesondere in Betriebspunkten, in denen keine hohe Dynamik der Ventilnadel erforderlich ist, sorgt die genannte Ansteuerung der Ventilnadel mit einer Konstantspannung über den gesamten Arbeitsbereich für schnell ansteigende Ströme und damit für hohe Ventilna¬ delgeschwindigkeiten . Zum Zwecke einer Reduktion dieser hohen Ventilnadelgeschwindigkeiten ist es bereits bekannt, eine gepulste Pull-in- Ansteuerung zu verwenden. Bei einer derartigen gepulsten Pull-in-Ansteuerung wird der Mittelwert des Stromes und damit die mittlere über den gesamten Nadelhub gerechnete Nadelge¬ schwindigkeit reduziert, da die Ventilnadelbeschleunigung zeitlich unterbrochen wird. Durch die konstante Spannung ändert sich die Beschleunigung bei aktiver Beschleunigung nicht. In der Regel erreicht die Ventilnadel im letzten Drit- tel der Pull-in-Phase ihren Endanschlag. Die aufgrund der
Konstantspannungsansteuerung erreichten großen Nadelgeschwindigkeitsgradienten sorgen trotz reduzierter mittlerer Ströme für hohe Geräusche des Magnetventils. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen diese Geräusche redu¬ ziert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die gewünschte Reduzierung der Geräusche ohne eine Verände¬ rung der Leistungsendstufe und deren Ansteuerung durch eine Steuereinheit erzielt wird. Insbesondere bedarf es keiner zu¬ sätzlicher Ansteuerpins der Steuereinheit zur Steuerung der Leistungsendstufe. Diese Vorteile werden im Wesentlichen da¬ durch erzielt, dass der Leistungsendstufe ein Spannungsteiler vorgeschaltet ist, der die der Leistungsendstufe und damit auch der Spule des Magnetventils bereitgestellte Speisespan¬ nung in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand des je- weiligen Kraftfahrzeugs dynamisch verändert.
Diese dynamische Veränderung der der Leistungsendstufe be¬ reitgestellten Speisespannung wird von der Steuereinheit ge- steuert, welche durch eine Auswertung von Sensorsignalen unter Verwendung abgespeicherter Software und abgespeicherter Kennfelder Schaltsignale für den der Leistungsendstufe vor¬ geschalteten Spannungsteiler bereitstellt, so dass die der Leistungsendstufe bereitgestellte Speisespannung in Abhängig¬ keit vom momentanen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs verändert wird .
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter nachfolgender Erläuterung anhand der Figur. Diese zeigt eine Vorrichtung zur Reduzierung der von einem Magnetventil erzeugten Geräusche.
Diese Vorrichtung weist eine Speisespannungsquelle Q auf, welche eine Speisespannung UB bereitstellt. Bei dieser Spei¬ sespannung handelt es sich vorzugsweise um die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs. Diese Speisespannung wird nachfol¬ gend auch als volle Speisespannung bezeichnet. Des Weiteren weist die dargestellte Vorrichtung eine Leis¬ tungsendstufe auf, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel ei¬ nen ersten Transistor Tl und einen zweiten Transistor T2 enthält. Bei diesen Transistoren handelt es sich um Leistungs¬ transistoren, die als Feldeffekttransistoren realisiert sind. Sie werden im Betrieb der Vorrichtung von einer Steuereinheit SE angesteuert. Diese Ansteuerung ist in der Figur nicht dar¬ gestellt.
Zwischen den Transistoren Tl und T2 ist die Spule S eines monostabilen Magnetventils M angeordnet.
Des Weiteren ist zwischen der Speisespannungsquelle Q und der Leistungsendstufe Tl, T2 ein Spannungsteiler Rl, R2 und ein Schalter SW vorgesehen. Der Spannungsteiler weist in Reihe geschaltete Ohmsche Widerstände Rl und R2 auf, wobei ein An- schluss des Widerstands Rl mit der Speisespannungsquelle Q und ein Anschluss des Widerstands R2 mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der jeweils andere Anschluss dieser Ohm- sehen Widerstände ist mit einem Eingang des Schalters SW ver¬ bunden. Der andere Eingang des Schalters SW ist mit der Spei¬ sespannungsquelle Q direkt verbunden. In einer ersten Schalterstellung Sl des Schalters SW ist der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen Rl und R2 mit dem Ausgang des Schalters SW verbunden. In einer zweiten Schalterstellung S2 des Schalters SW ist die Speisespannungs¬ quelle Q mit dem Ausgang des Schalters SW verbunden.
Die Ansteuerung des Schalters SW und damit die Umschaltung zwischen den beiden genannten Schalterstellungen Sl und S2 erfolgt mittels eines von der Steuereinheit SE bereitgestell¬ ten Schaltersteuersignals ss. Die Steuereinheit SE ermittelt dieses Schaltersteuersignal ss im Betrieb der Vorrichtung durch eine Erkennung des momentanen Betriebszustandes des Kraftfahrzeugs. Diese Erkennung erfolgt durch eine Auswertung von Sensorsignalen, die der Steuereinheit Auskünfte über den momentanen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs geben. Zu die- sen Sensorsignalen gehören beispielsweise das Ausgangssignal sei eines Drehzahlsensors und das Ausgangssignal se2 eines Lasterfassungssensors. Als Lasterfassungssensor kann ein in einem Saugrohr des Kraftfahrzeugs angeordneter Luftdrucksensor verwendet werden. Des Weiteren verwendet die Steuerein- heit zur Ermittlung des Schaltersteuersignals ss ein abge¬ speichertes Arbeitsprogramm und abgespeicherte Kennfelder, Tabellen, usw.
Erkennt die Steuereinheit bei ihrer Auswertung, dass eine niedrige Drehzahl und eine niedrige Last vorliegen, dann schaltet sie den Schalter SW in seine erste Schalterstellung Sl. In dieser ersten Schalterstellung Sl ist die Speisespannungsquelle Q über den Widerstand Rl des Spannungsteilers, den Schalter SW und den geöffneten Transistor Tl mit der Spu- le S des Magnetventils M verbunden. Der andere Anschluss der Spule S ist über den Transistor T2 der Leistungsendstufe mit dem Bezugspotential verbunden. Folglich wird in dieser Betriebsart unter Verwendung der Leistungsendstufe der Spule S des Magnetventils M eine reduzierte Speisespannung U2 zur Verfügung gestellt, wie es in der Figur durch die mit U2 gekennzeichnete Linie angedeutet ist. Erkennt die Steuereinheit SE hingegen bei ihrer Auswertung, dass eine hohe Drehzahl und eine hohe Last vorliegen, dann schaltet sie den Schalter SW in seine zweite Schalterstellung S2. In dieser zweiten Schalterstellung S2 ist die Speisespannungsquelle Q über den Schalter SW, der sich in seiner Schal- terstellung S2 befindet, und den geöffneten Transistor Tl mit der Spule S des Magnetventils M verbunden. Der andere An- schluss der Spule S ist wiederum über den Transistor T2 der Leistungsendstufe mit dem Bezugspotential verbunden. Folglich wird in dieser Betriebsart unter Verwendung der Leistungsend- stufe der Spule S des Magnetventils M die volle Speisespan¬ nung UB zur Verfügung gestellt, wie es in der Figur durch die mit UB gekennzeichnete Linie angedeutet ist.
Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen liegt im Falle hoher Lasten und einer hohen Drehzahl dasselbe Geräuschniveau vor wie ohne die Verwendung des oben genannten Spannungstei¬ lers Rl, R2 und ohne Verwendung des Schalters SW. Da in die¬ sem Betriebszustand der Motor des Kraftfahrzeugs ein hohes Grundgeräusch erzeugt, wird das ebenfalls vergleichsweise ho- he Geräusch des Magnetventils im Allgemeinen nicht als stö¬ rend empfunden.
Im Falle niedriger Lasten und einer niedrigen Drehzahl wird hingegen in vorteilhafter Weise eine Reduzierung des Ge- räuschniveaus erreicht, da die durch die Verwendung des Span¬ nungsteilers reduzierte Speisespannung am Ausgang des Schal¬ ters SW bereitgestellt und über den Transistor Tl der Spule S des Magnetventils M zugeführt wird. Diese Reduktion der Spei¬ sespannung führt zu einer Reduktion der Stromstärke. Liegt über die gesamte Pull-in-Phase eine niedrigere Speisespannung vor, dann wird dadurch sowohl eine Reduzierung des mittleren Stromes als auch eine Reduzierung des für die Beschleunigung der Nadel des Magnetventils verantwortlichen Stromgradienten erreicht. Die Reduzierung der Beschleunigung ist mit einer Reduzierung des Geräusches der Ventilnadel bzw. des Mag¬ netventils verbunden. Da in diesem Betriebszustand der Motor des Kraftfahrzeugs nur ein vergleichsweise niedriges Grundge- rausch erzeugt, wäre in diesem Betriebszustand ein hohes Ge¬ räusch des Magnetventils störend. Dies wird jedoch durch die oben beschriebene Reduzierung der der Spule des Magnetventils bereitgestellten Speisespannung vermieden. Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind bezüg¬ lich der Speisespannung zwei Schaltstufen vorgesehen. In einer ersten Schaltstufe wird der Spule S des Magnetventils M unter Verwendung der Leistungsendstufe die volle Speisespannung bereitgestellt. In einer zweiten Schaltstufe wird der Spule S des Magnetventils M eine reduzierte Speisespannung U2 bereitgestellt, deren Amplitude von den Widerstandswerten der Ohmschen Widerstände Rl und R2 abhängig ist. Stimmen diese Widerstandswerte überein, dann gilt die folgende Beziehung: U2 = ^'UB.
Alternativ zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel können auch mehr als 2 Schaltstufen verwendet werden, beispielsweise 3 Schaltstufen oder 4 Schaltstufen. In diesem Falle wird der Spule S des Magnetventils in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs eine von 3 bzw. 4 möglichen Speisespannungen zugeführt.
Bezugs zeichenliste
M Magnetventil
Q Speisespannungsquelle
Rl Ohmscher Widerstand
R2 Ohmscher Widerstand
S Spule des Magnetventils
SE Steuereinheit
sei Sensorsignal
se2 Sensorsignal
SS Schaltersteuersignal
SW Schalter zur Umschaltung der Speisespannung
Sl Schalterstellung des Schalters SW
S2 Schalterstellung des Schalters SW
Tl Transistor der Leistungsendstufe
T2 Transistor der Leistungsendstufe
UB volle Speisespannung
U2 reduzierte Speisespannung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines eine Spule aufweisenden Magnetventils eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer Leistungsendstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (S) des Magnetventils (M) mit einer veränderlichen Speisespannung (UB, U2) beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Speisespannung unter Verwendung eines
Spannungsteilers (R1,R2) und eines Schalters (SW) vorgenommen wird .
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Speisespannung von einer Steuereinheit
(s) gesteuert wird, die dem Schalter (SW) ein Schaltersteuersignal (ss) bereitstellt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) das Schal¬ tersteuersignal (ss) durch eine Auswertung von Sensorsignalen (sei, se2) ermittelt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) das Schaltersteuersignal (ss) durch ei¬ ne Auswertung eines von einem Drehzahlsensor bereitgestellten Sensorsignals (sei) und/oder eines von einem Lasterfassungs¬ sensor bereitgestellten Sensorsignals (se2) ermittelt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lasterfassungssensor ein in einem Saugrohr des Kraftfahrzeugs angeordneter Luftdrucksensor verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Spule des Magnetventils beim
Vorliegen einer hohen Drehzahl und einer hohen Last mit einer der vollen Speisespannung entsprechenden Speisespannung beaufschlagt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule des Magnetventils beim Vorliegen einer niedrigen Drehzahl und einer niedrigen Last mit einer reduzierten Speisespannung beaufschlagt wird, die aus der vollen Speisespannung unter Verwendung des Spannungsteilers ermittelt wird.
9. Vorrichtung zur Ansteuerung eines eine Spule aufweisenden Magnetventils eines Kraftfahrzeugs, mit einer Speisespan- nungsquelle und einer Leistungsendstufe, dadurch gekennzeich¬ net, dass sie einen zwischen der Speisespannungsquelle (Q) und der Leistungsendstufe (Tl, T2) angeordneten Spannungstei¬ ler (Rl, R2) und einen Schalter (SW) aufweist, an dessen Ausgang in Abhängigkeit von der Schalterstellung entweder die volle Speisespannung (UB) oder eine reduzierte Speisespannung (U2) bereitstellbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Schalterstellung (Sl) des Schalters (SW) die reduzierte Speisespannung (U2) und in einer zweiten
Schalterstellung (S2) des Schalters (SW) die volle Speise¬ spannung (UB) bereitstellbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass sie eine Steuereinheit (SE) aufweist, die dazu ausgebildet ist, unter Auswertung von Sensorsignalen (sei, se2) ein Schaltersteuersignal (ss) für den Schalter (SW) be¬ reitzustellen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (S) des Magnetventils (M) zwi¬ schen einem ersten Transistor (Tl) und einem zweiten Transistor (T2) der Leistungsendstufe angeordnet ist.
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