Title:
Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils
Document Type and Number:
Kind Code:
B3

Abstract:

Die Erfindung betrifft 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.





Inventors:
Borsch, Patrick (35305, Grünberg, DE)
Application Number:
DE102016208234A
Publication Date:
10/12/2017
Filing Date:
05/12/2016
Assignee:
Continental Automotive GmbH, 30165 (DE)
International Classes:
F02D41/20; H01F7/18
Domestic Patent References:
DE102004016554B4N/A2008-09-25
DE102004019152B4N/A2007-05-31
Claims:
1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines eine Spule aufweisenden Magnetventils eines Kraftfahrzeugs, mit einer Speisespannungsquelle und einer Leistungsendstufe, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zwischen der Speisespannungsquelle (Q) und der Leistungsendstufe (T1, T2) angeordneten Spannungsteiler (R1, 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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Schalterstellung (S1) des Schalters (SW) die reduzierte Speisespannung (U2) und in einer zweiten Schalterstellung (S2) des Schalters (SW) die volle Speisespannung (UB) bereitstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (SE) aufweist, die dazu ausgebildet ist, unter Auswertung von Sensorsignalen (se1, se2) ein Schaltersteuersignal (ss) für den Schalter (SW) bereitzustellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) das Schaltersteuersignal (ss) durch eine Auswertung eines von einem Drehzahlsensor bereitgestellten Sensorsignals (se1) und/oder eines von einem Lasterfassungssensor bereitgestellten Sensorsignals (se2) ermittelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Lasterfassungssensor ein in einem Saugrohr des Kraftfahrzeugs angeordneter Luftdrucksensor verwendet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule des Magnetventils beim Vorliegen einer hohen Drehzahl und einer hohen Last mit einer der vollen Speisespannung entsprechenden Speisespannung beaufschlagt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (S) des Magnetventils (M) zwischen einem ersten Transistor (T1) und einem zweiten Transistor (T2) der Leistungsendstufe angeordnet ist.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils eines Kraftfahrzeugs.

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 bieten. Hohe Stellgeschwindigkeiten werden dadurch erreicht, dass die bewegten Bauteile des Magnetventils aus vergleichsweise leichtgewichtigen Materialien hergestellt werden und dass zur Ansteuerung der Magnetventile geeignete Ansteuerprofile 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 einer 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 Magnetventils 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: Emag = ½·L·I2.

Durch diesen schnellen Energieeintrag wird eine ebenso schnelle Beschleunigung der Ventilnadel des Magnetventils erzielt. Aus dem Zusammenhang mit der Energieerhaltung ist ersichtlich, dass über den Gesamtwirkungsgrad ηG die magnetische Energie Emag in kinetische Energie W umgewandelt wird: Emag = ηG·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·½·v·t,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 entsprechend 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 Ventilnadelgeschwindigkeiten.

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 Nadelgeschwindigkeit 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 Drittel der Pull-in-Phase ihren Endanschlag. Die aufgrund der Konstantspannungsansteuerung erreichten großen Nadelgeschwindigkeitsgradienten sorgen trotz reduzierter mittlerer Ströme für hohe Geräusche des Magnetventils.

In der DE 10 2004 016 554 B4 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Magnetventils, insbesondere eines Mengensteuerventils in einem Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei das Magnetventil stromlos geschlossen ist und das Magnetventil über eine Anzugs-Spannung geöffnet und über eine Halte-Spannung in einem geöffneten Zustand gehalten wird. Die Anzugs-Spannung und/oder die Halte-Spannung wird in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Hochdruckpumpe bestimmt.

Aus der DE 10 2004 019 152 B4 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetventils, insbesondere in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei zunächst eine erste Spannung an eine Spule des Magnetventils bis zu einem ersten Zeitpunkt und anschließend eine im Wert kleinere zweite Spannung angelegt wird. Der erste Zeitpunkt liegt dabei vor dem Erreichen einer Endposition des Magnetventils. Die zweite Spannung ist mindestens so groß, dass die Endposition des Magnetventils erreicht wird. Nach Anlegen der zweiten Spannung wird zu einem zweiten Zeitpunkt eine dritte Spannung angelegt, die so bemessen ist, dass der Spulenstrom des Magnetventils nicht weiter ansteigt und anschließend ab einem dritten Zeitpunkt eine vierte Spannung an die Spule des Magnetventils angelegt wird, die im Wert kleiner ist als die dritte Spannung und sich ein Spulenstrom einstellt, der mindestens so groß ist, dass eine Mindesthaltekraft des Magnetventils gewährleistet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, bei denen diese Geräusche reduziert sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 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 Veränderung der Leistungsendstufe und deren Ansteuerung durch eine Steuereinheit erzielt wird. Insbesondere bedarf es keiner zusätzlicher Ansteuerpins der Steuereinheit zur Steuerung der Leistungsendstufe. Diese Vorteile werden im Wesentlichen dadurch erzielt, dass der Leistungsendstufe ein Spannungsteiler vorgeschaltet ist, der die der Leistungsendstufe und damit auch der Spule des Magnetventils bereitgestellte Speisespannung in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand des jeweiligen Kraftfahrzeugs dynamisch verändert.

Diese dynamische Veränderung der der Leistungsendstufe bereitgestellten Speisespannung wird von der Steuereinheit gesteuert, welche durch eine Auswertung von Sensorsignalen unter Verwendung abgespeicherter Software und abgespeicherter Kennfelder Schaltsignale für den der Leistungsendstufe vorgeschalteten Spannungsteiler bereitstellt, so dass die der Leistungsendstufe bereitgestellte Speisespannung in Abhängigkeit 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 Speisespannung handelt es sich vorzugsweise um die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs. Diese Speisespannung wird nachfolgend auch als volle Speisespannung bezeichnet.

Des Weiteren weist die dargestellte Vorrichtung eine Leistungsendstufe auf, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2 enthält. Bei diesen Transistoren handelt es sich um Leistungstransistoren, die als Feldeffekttransistoren realisiert sind. Sie werden im Betrieb der Vorrichtung von einer Steuereinheit SE angesteuert. Diese Ansteuerung ist in der Figur nicht dargestellt.

Zwischen den Transistoren T1 und T2 ist die Spule S eines monostabilen Magnetventils M angeordnet.

Des Weiteren ist zwischen der Speisespannungsquelle Q und der Leistungsendstufe T1, T2 ein Spannungsteiler R1, R2 und ein Schalter SW vorgesehen. Der Spannungsteiler weist in Reihe geschaltete Ohmsche Widerstände R1 und R2 auf, wobei ein Anschluss des Widerstands R1 mit der Speisespannungsquelle Q und ein Anschluss des Widerstands R2 mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der jeweils andere Anschluss dieser Ohmschen Widerstände ist mit einem Eingang des Schalters SW verbunden. Der andere Eingang des Schalters SW ist mit der Speisespannungsquelle Q direkt verbunden.

In einer ersten Schalterstellung S1 des Schalters SW ist der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 mit dem Ausgang des Schalters SW verbunden. In einer zweiten Schalterstellung S2 des Schalters SW ist die Speisespannungsquelle Q mit dem Ausgang des Schalters SW verbunden.

Die Ansteuerung des Schalters SW und damit die Umschaltung zwischen den beiden genannten Schalterstellungen S1 und S2 erfolgt mittels eines von der Steuereinheit SE bereitgestellten 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 diesen Sensorsignalen gehören beispielsweise das Ausgangssignal se1 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 Steuereinheit zur Ermittlung des Schaltersteuersignals ss ein abgespeichertes 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 S1. In dieser ersten Schalterstellung S1 ist die Speisespannungsquelle Q über den Widerstand R1 des Spannungsteilers, den Schalter SW und den geöffneten Transistor T1 mit der Spule 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 Schalterstellung S2 befindet, und den geöffneten Transistor T1 mit der Spule S des Magnetventils M verbunden. Der andere Anschluss der Spule S ist wiederum 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 die volle Speisespannung 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 Spannungsteilers R1, R2 und ohne Verwendung des Schalters SW. Da in diesem Betriebszustand der Motor des Kraftfahrzeugs ein hohes Grundgeräusch erzeugt, wird das ebenfalls vergleichsweise hohe Geräusch des Magnetventils im Allgemeinen nicht als störend empfunden.

Im Falle niedriger Lasten und einer niedrigen Drehzahl wird hingegen in vorteilhafter Weise eine Reduzierung des Geräuschniveaus erreicht, da die durch die Verwendung des Spannungsteilers reduzierte Speisespannung am Ausgang des Schalters SW bereitgestellt und über den Transistor T1 der Spule S des Magnetventils M zugeführt wird. Diese Reduktion der Speisespannung 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 Magnetventils verbunden. Da in diesem Betriebszustand der Motor des Kraftfahrzeugs nur ein vergleichsweise niedriges Grundgeräusch erzeugt, wäre in diesem Betriebszustand ein hohes Geräusch des Magnetventils störend. Dies wird jedoch durch die oben beschriebene Reduzierung der der Spule des Magnetventils bereitgestellten Speisespannung vermieden.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind bezüglich 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 R1 und R2 abhängig ist. Stimmen diese Widerstandswerte überein, dann gilt die folgende Beziehung: U2 = ½·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.

Bezugszeichenliste

M
Magnetventil
Q
Speisespannungsquelle
R1
Ohmscher Widerstand
R2
Ohmscher Widerstand
S
Spule des Magnetventils
SE
Steuereinheit
se1
Sensorsignal
se2
Sensorsignal
ss
Schaltersteuersignal
SW
Schalter zur Umschaltung der Speisespannung
S1
Schalterstellung des Schalters SW
S2
Schalterstellung des Schalters SW
T1
Transistor der Leistungsendstufe
T2
Transistor der Leistungsendstufe
UB
volle Speisespannung
U2
reduzierte Speisespannung