DE102007020968A1

DE102007020968A1 - Verfahren zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente

Info

Publication number: DE102007020968A1
Application number: DE200710020968
Authority: DE
Inventors: Timm Hollmann; Michael Clauss; Matthias Schumacher; Joerg Kuempel; Gerhard Haaf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente sowie ein Computerprogrammprodukt vorgestellt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die Hochdruck-Komponente für einen gewissen Zeitraum bis zu einem Abschalten angesteuert wird, so dass der Hochdruck-Komponente ein elektrischer Strom zugeführt wird, und dass die Ansteuerung derart erfolgt, dass vor dem Abschalten ein Hysteresewert des Stroms verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente, eine Einrichtung zum Ansteuern der Hochdruck-Komponente sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Die Ansteuerung von Hochdruck-Komponenten, wie bspw. von Mengenventilen, Hochdruckpumpen HDP5 oder Hochdruckeinspritzventilen HDEV, wird häufig mittels geschalteter Magnetventile bewerkstelligt. Dies erfordert aufgrund der hohen Anforderungen an die Schaltgenauigkeit bzw. die Raildruck- oder Zumessungsgenauigkeit eine an jede Situation angepasste Ansteuermethode. So wird bspw. das Mengensteuerventil wegen der Verlustleistung in der Ansteuerelektronik mit einem komplexen Ansteuersignal, das einen Anzugsimpuls und eine Haltephase umfasst, betrieben. Dabei sind die Parameter der beiden Ansteuerphasen abhängig vom Betriebspunkt. Der Verläufe des Ansteuersignals, des Stroms und des Hubs des Ventils sind in 1 dargestellt.
Zur Begrenzung des Stroms in der Haltephase könnte auch ein Gleichstrom verwendet werden, wobei allerdings die Verlustleistung in der Endstufe um ein Vielfaches ansteigen würde. Deshalb wird das Verfahren der getakteten Ansteuerung durch eine Stromregelung oder Vorsteuerung angewendet.
Ist beim Schalten des Ventils insbesondere die Genauigkeit des Öffnungsvorgangs von besonderer Bedeutung, so bekommt die Stromlöschung und die Reproduzierbarkeit des Öffnungsvorgangs eine stetig anwachsende Bedeutung. Dies ist bspw. beim Mengensteuerventil für die Hochdruckpumpe nach dem stromlos geschlossenen Konzept der Fall, wo genau das zeitliche Öffnungsverhalten des Magnetventils die Fördermenge bestimmt. Hierbei geht der Abschaltvorgang bzw. dessen Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit des mechanischen Öffnens des Ventils in die Fördermenge der Hochdruckpumpe ein.
Zu beachten ist, dass durch eine Stromregelung oder eine vorgesteuerte PWM-Ansteuerung (PWM: Pulsweitenmodulation) in der sogenannten Haltephase eine gewisse Hysterese des Stromwerts während dieser Haltephase entsteht. Wird nun zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Ansteuerung des angesteuerten Magnetventils abgeschaltet, so beginnt die anschließend einsetzende Stromlöschung bei jedem Ansteuervorgang von verschiedenen, von der Hysterese abhängigen Stromniveaus. Hierdurch wird auch eine leicht unterschiedliche Abfallzeit des Magnetventils bei jedem Ansteuerungsvorgang bzw. bei jedem Arbeitsspiel des Magnetventils bzw. der Hochdruckpumpe verursacht.
Die durch den zeitlichen Jitter des Abschaltvorgangs verursachten Fördermengenschwankungen induzieren wiederum unerwünschte Raildruckschwankungen und führen gegebenenfalls zu Einspritzmengenabweichungen. In 2 ist der Entstehungsmechanismus des Abschaltjitters skizziert, wobei jeweils der Strom- und Hubverlauf bei Abschalten im Strommaximum sowie im Stromminimum des Hysteresebands dargestellt sind.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente, die mit einem von einer Einrichtung bereitgestellten Ansteuersignal angesteuert wird, wobei die Hochdruck-Komponente für einen gewissen Zeitraum bis zu einem Abschalten angesteuert wird. So wird der Hochdruck-Komponente ein elektrischer Strom zugeführt. Dabei erfolgt die Ansteuerung derart, dass, insbesondere kurz bzw. unmittelbar, vor dem Abschalten ein Hysteresewert des Stroms verringert wird.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird die Hochdruck-Komponente mit einem pulsweitenmodulierten (PWM-)Signal angesteuert. Vor dem Abschalten wird dann die Frequenz des PWM-Spannungssignals erhöht.
Alternativ dazu kann die Hochdruck-Komponente mit einem Stromsignal direkt angesteuert werden.
Mit dem vorgestellten Verfahren können bspw. Magnetventile, wie bspw. Mengensteuerventile einer Hochdruckpumpe oder Hochdruck-Einspritzventile, angesteuert werden.
In Ausgestaltung wird zu Beginn der Ansteuerung die Hochdruck-Komponente in einer sogenannten Booster-Phase als Schnellanzugphase mit einem hohen Spannungs- bzw. Stromwert angesteuert.
Die erfindungsgemäße Einrichtung dient zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente und ist zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Dazu kann die Einrichtung eine Stromregelung zur Bereitstellung eines Stromsignals und/oder eine Spannungsquelle zur Bereitstellung eines Spannungssignals, insbesondere zur Bereitstellung eines PWM-Signals, aufweisen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Einrichtung, ausgeführt wird.
Des weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder auf einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Einrichtung, ausgeführt wird.
Die Erfindung ermöglicht es, die Größe des zeitlichen Jitters zu reduzieren, indem kurz vor dem Abschalten des Stroms und dem Übergang in eine Stromlöschphase der Hysteresewert des Stroms bzw. der Stromregelung gezielt verringert oder die Frequenz des vorgesteuerten PWM-Signals erhöht wird. Dadurch wird die Bandbreite des Stromwerts, aus dem die Löschung eingeleitet wird, ebenfalls reduziert. Daraus folgt, dass der Abschaltjitter verringert und die Schaltgenauigkeit des Magnetventils erhöht wird.
Das vorgestellte Verfahren, zumindest in den Ausgestaltungen, stellt somit ein Verfahren zum Verringern des zeitlichen Abschaltjitters beim Abschalten von Magnetventilen bereit, wodurch die Schaltgenauigkeit erhöht und die Reproduzierbarkeit der Abfallzeit des Magnetventils erreicht wird. Dies wird durch eine Reduzierung der Hysterese des Stromwerts kurz vor dem Abschalten der Bestromung des Magnetventils bzw. kurz vor dem Einleiten der Stromlöschung realisiert.
Von besonderem Vorteil sind dabei die wesentlich höhere Schaltgenauigkeit der zu schaltenden Ventile sowie eine höhere Reproduzierbarkeit der einzelnen Schaltvorgänge, ohne die Verlustleistung nennenswert zu erhöhen. Auf diese Weise werden bspw. die Fördermengenschwankungen einer Hochdruckpumpe und damit die Raildruckschwankungen verringert. So kann bei der Ansteuerung der Hochdruck-Einspritzventile die Hub-zu-Hub-Schwankung der Zumessung von Kraftstoff in den Zylindern reduziert werden. Dies ist grundsätzlich bei allen magnetisch betätigten Ventilen der Fall, die mit einer Stromregelung oder einer stromvorgesteuerten Ansteuerung betrieben werden und deren Öffnungszeitpunkt nicht mit der getakteten Ansteuerung synchronisiert ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt Verläufe einer Ansteuerspannung, eines Stroms und eines Hubs an einem angesteuerten Ventil.
2 zeigt einen Entstehungsmechanismus eines Abschaltjitters.
3 zeigt eine mögliche Definition von Stromphasen für die Ansteuerung eines Magnetventils einschließlich Phasen mit reduzierter Hysterese.
4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 sind in drei Graphen Verläufe einer Ansteuerspannung, eines Stromverlaufs und eines Hubs eines angesteuerten Ventils dargestellt. Dabei ist bei dem oberen Graphen die Ansteuerspannung (Y-Achse 10) über der Zeit (X-Achse 12) aufgetragen. In dem mittleren Graphen ist der entsprechende Stromverlauf (Y-Achse 14) über der Zeit (X-Achse 16) dargestellt. In dem unteren Graphen ist der Hub des Ventils (Y-Achse 18) über der Zeit (X-Achse 20) wiedergegeben. Die Ansteuerspannung ist dabei low aktiv dargestellt.
Die Ansteuerspannung hat einen gepulsten Verlauf, der ein Rechtecksignal mit wechselndem Tastverhältnis ist, das zwischen der Batteriespannung UBAT 22 und eine Spannung von 0 V 24 verläuft. Der Verlauf der Ansteuerspannung umfasst zwei Phasen, nämlich eine Anzugsphase 26 und eine Haltephase 28. In der Anzugsphase 26 weist die Spannung während eine Anzugsimpulslänge 30 einen Wert von 0 V auf. In der Haltephase, deren zeitliche Dauer als Haltewinkel 32 bezeichnet ist, liegt ein pulsweitenmoduliertes Signal 34 mit einem bestimmten Tastverhältnis vor.
Der mittlere Graph zeigt den entsprechenden Stromverlauf, der in der Anzugsphase 26 durch einen Anstieg und in der Haltephase 28 durch ein abfallendes zickzackförmiges Signal geprägt ist.
Im unteren Graphen ist der Verlauf des Hubs des angesteurten Ventils dargestellt, wobei in der Anzugsphase 26 zwischen den Zeitpunkten t1 36 und t2 38 die sog. Schließzeit 40 vorliegt und zwischen den Zeitpunkten t3 42 und t4 44 die sog. Öffnungszeit vorliegt. Der Zeitpunkt t4 44 kennzeichnet den Öffnungszeitpunkt, bei dem, wie mit Pfeil 46 verdeutlicht, der Förderbeginn gegeben ist.
In 2 sind zur Verdeutlichung des Entstehungsmechanismus des Abschaltjitters in einem oberen Graphen der Verlauf eines Stroms (Y-Achse 50) über der Zeit (X-Achse 52) und in einem unteren Graphen der Verlauf des Hubs (Y-Achse 54) über der Zeit (X-Achse 56) dargestellt. Dabei ist jeweils der Verlauf des Stroms und des Hubs beim Abschalten im Strommaximum sowie im Stromminimum des Hysteresebands dargestellt. Durch die Stromhysterese (Doppelpfeil 58) ergibt sich so eine Differenz der Nadelschließzeit 60 im gemeinsamen Abschaltzeitpunkt 62.
In 3 ist der Verlauf einer Spannung U_MSV (Y-Achse 70) über der Zeit (X-Achse 72) und der Verlauf eines Stroms I_MSV (Y-Achse 74) über der Zeit (X-Achse) 76 aufgetragen. Dabei ist eine mögliche Definition der Stromphasen allgemein und die Definition der Phase mit verringerter Hysterese im besonderen dargestellt. Die Stromphase mit geringerer Hysterese kann dabei mittels einer Stromregelung oder mit einer Vorsteuerung mittels PWM-Signal realisiert werden. In 3 wird von einer Stromregelung der Phasen ausgegangen, wobei die geringere Hysterese nicht quantitativ skizziert ist.
Die Spannung verläuft dabei zwischen 65 V 78, 14 V 80, 0 Volt 82, –0,6 V 84 und –30 V 86. Der Verlauf lässt sich in eine optionale Boosterphase 88 mit 65 V und eine Batteriephase 90 mit 14 V unterteilen. In einem Zeitraum t₁ 92 liegt die Schnellanzugsphase 93 vor, in einem Zeitraum t₂, die Anzugsphase 95, in einem Zeitraum t₃ die erste Haltephase 97, in einem Zeitraum t₄ 98 die zweite Haltephase 99 mit geringer Hysterese 100, in einem Zeitraum t₅ 102 der sog. Freilauf 103, in einem Zeitraum t₆ 104 eine schnelle Löschung 105 und in einem Zeitraum t₇ 108 ein Zusatzimpuls 109.
Der Strom verläuft in der Schnellanzugsphase nach einem Anstieg zwischen einem unteren Wert I_1,u 120 und einem oberen Wert I_1,o 122. In der Anzugsphase verläuft der Strom in einem Abfall zickzackförmig zwischen I_2,u 124 und I_2,o 126. In der ersten Haltephase verläuft der Strom zwischen I₃ _, _u 128 und I₃ _, _o 130. In der zweiten Haltephase steigt der Strom an und verläuft zickzackförmig zwischen I_4,u 132 und I₄ _,o 134. In der Freilaufphase und der Phase der schnellen Löschung fällt der Strom ab. In der Phase des Zusatzimpulses erfolgt ein Anwachsen des Stroms, der dann zickzackförmig zwischen I_7,u 136 und I₇ _,o 138 verläuft.
In 4 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, insgesamt mit der Bezugsziffer 150 versehen, dargestellt. Diese dient zur Ansteuerung eines Magnetventils 152. Die dargestellte Einrichtung 150 umfasst eine Spannungsquelle 154 und eine Stromregelung 156, so dass das Magnetventil 152 wahlweise mit einem PWM-Spannungssignal oder mit einem Stromsignal angesteuert werden kann.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 150 bietet sich insbesondere an, wenn eine Stromregelung bzw. Vorsteuerung mit verschiedenen Phasen vorgesehen ist, wie bspw. bei Ansteuer-ICs für Hochdruckventile oder Mengensteuerventile.

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente (152), die mit einem von einer Einrichtung (150) bereitgestellten Ansteuersignal angesteuert wird, wobei die Hochdruck-Komponente (152) für einen gewissen Zeitraum bis zu einem Abschalten angesteuert wird, so dass der Hochdruck-Komponente (152) ein elektrischer Strom zugeführt wird, und wobei die Ansteuerung derart erfolgt, dass vor dem Abschalten ein Hysteresewert des Stroms verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hochdruck-Komponente (152) mit einem PWM-Spannungssignal angesteuert wird und vor dem Abschalten die Frequenz des PWM-Spannungssignals erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hochdruck-Komponente mit einem Stromsignal angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Magnetventil angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zu Beginn der Ansteuerung die Hochdruck-Komponente (152) in einer Booster-Phase angesteuert wird.
Einrichtung zum Ansteuern einer Hochdruck-Komponente (152), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, die eine Stromregelung (156) aufweist, die ein Stromsignal bereitstellt.
Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, die eine Spannungsquelle (154) aufweist, die ein PWM-Spannungssignal bereitstellt.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle; Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Einrichtung (150) nach Anspruch 6, ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Einrichtung (150) nach Anspruch 6, ausgeführt wird.