DE102021204097A1

DE102021204097A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils, Steuergerät, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102021204097A1
Application number: DE102021204097.7A
Authority: DE
Inventors: Oezguer Tuerker; Thomas Gann; Marco Beier; Torsten Burock; Fabian Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils, bei dem zum Öffnen des Gasventils eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt wird und zum Schließen des Gasventils die Bestromung der Magnetspule beendet wird, so dass der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker gekoppeltes Ventilglied mittels Federkraft in einen Dichtsitz zurückgestellt wird. Erfindungsgemäß wird während des Schließens nach Einhaltung einer Bestromungspause die Magnetspule erneut bestromt und durch Auswertung des Stromverlaufs werden der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Gasventils detektiert. Ferner erfindungsgemäß wird in Kenntnis des Öffnungs- und Schließzeitpunkts die tatsächliche Einblasdauer ermittelt und mit einer Soll-Einblasdauer verglichen.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Gasventil wird auch Gasdosierventil oder Gasinjektor genannt. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um einen gasförmigen Kraft- oder Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, handeln, der zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystems benötigt wird.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Gasventile zum Eindosieren gasförmiger Kraft- oder Brennstoffe sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Häufig werden sie elektromagnetisch angesteuert. In diesem Fall ist eine Magnetspule vorgesehen, die auf einen hin und her beweglichen Magnetanker einwirkt, der mit einem Ventilglied zum Öffnen und Schließen des Gasventils koppelbar ist oder selbst das Ventilglied ausbildet.
Aufgrund der bei Gasventilen fehlenden hydraulischen Dämpfung ist die Gefahr von Schließprellern besonders hoch. Das heißt, dass der Magnetanker oder das Ventilglied nach dem Einschlagen in einen Dichtsitz von dem Dichtsitz wieder abhebt und öffnet. Dies kann eine erhebliche Mehrmenge bei der Gasdosierung sowie einen starken Sitzverschleiß zur Folge haben. Der Sitzverschleiß führt über die Lebensdauer des Gasventils zu einer weiteren Verringerung der Zumessgenauigkeit.
Die Erfindung versucht hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere soll die Zumessgenauigkeit eines Gasventils erhöht werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden eine elektronische Steuereinheit, ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils wird zum Öffnen des Gasventils eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt und zum Schließen des Gasventils wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker gekoppeltes Ventilglied mittels Federkraft in einen Dichtsitz zurückgestellt wird. Erfindungsgemäß wird während des Schließens nach Einhaltung einer Bestromungspause die Magnetspule erneut bestromt und durch Auswertung des Stromverlaufs werden der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Gasventils detektiert. Ferner erfindungsgemäß wird in Kenntnis des Öffnungs- und Schließzeitpunkts die tatsächliche Einblasdauer ermittelt und mit einer Soll-Einblasdauer verglichen.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Detektion des Öffnungs- und Schließzeitpunkts während des Betriebs des Gasventils. Die die Kenntnis des Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkts kann für verschiedene Regelkonzepte verwendet werden. Vorliegend dient sie der Ermittlung der Einblasdauer, um Abweichungen von einer Soll-Einblasdauer zu erkennen. Da die Einblasdauer Einfluss auf die Einblasmenge hat, kann auf diese Weise die Zumessgenauigkeit überprüft werden.
Des Weiteren kann bei Feststellung einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Einblasdauer und der Soll-Einblasdauer die Ansteuerung des Gasventils korrigiert werden. Insbesondere kann die Ansteuerdauer angepasst werden. Über die Ansteuerdauer kann die Öffnungs- und damit Einblasdauer verändert werden. Über die Öffnungs- bzw. Einblasdauer wird die Einblasmenge korrigiert. Ferner kann über den Beginn der Bestromung und/oder die Stromhöhe der Einblasungsbeginn geregelt werden. Dies ist insbesondere bei einem Kaltstart von Vorteil, da aufgrund des Temperatureinflusses die Dynamik beim Öffnen und Schließen des Gasventils reduziert ist. Die Stromhöhe in Abhängigkeit von der Öffnungsdauer sowie weitere mögliche Einflussgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, Reibung und dergleichen, kann über verschiedene Bestromungsregister in einem Steuergerät festgelegt werden.
Führt der Vergleich der tatsächlichen Einblasdauer mit der Soll-Einblasdauer zu größeren Abweichungen, lässt dies auf einen baldigen Ausfall des Gasventils schließen. Das Ergebnis des Vergleichs kann demnach auch als Warnhinweis dienen.
Bevorzugt wird bzw. werden der Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt anhand einer Änderung der Induktivität detektiert. Diese ändert sich abhängig vom Luftspalt zwischen dem Magnetanker und der Magnetspule.
Des Weiteren bevorzugt wird während des Öffnens des Gasventils, vorzugsweise während einer Anzugphase, die Regelfrequenz einer 2-Punkt Stromregelung einer Auswertung unterzogen. Während des Öffnungsvorgangs nimmt die Induktivität mit kleiner werdendem Luftspalt zu. Dies führt zu einer Erhöhung der Regelfrequenz des Anzugsstroms. Sobald der Magnetanker den Hubanschlag erreicht, findet keine Änderung des Luftspalts mehr statt. Die Regelfrequenz bleibt ab diesem Zeitpunkt konstant, was zu einer erkennbaren Steigungsänderung im Signalverlauf zum Zeitpunkt des Hubanschlags führt. Dies setzt jedoch eine 2-Punkt Stromregelung zumindest während einer Anzugphase voraus.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass während des Öffnens des Gasventils, vorzugsweise während einer Freilaufphase zwischen einer Anzugphase und einer Haltephase, der Stromabfall einer Auswertung unterzogen wird. Mit kleiner werdendem Luftspalt ändert sich der magnetische Fluss in der Magnetspule. Je größer die Änderungsrate des magnetischen Flusses ist, wobei die Änderungsrate proportional zur Geschwindigkeit des Magnetankers ist, desto größer ist die indizierte Spannung. Die induzierte Spannung führt zu einem schnelleren Stromabfall in der Freilaufphase. Zum Zeitpunkt des Anschlagens am Hubanschlag zeigt der Stromverlauf einen Knick, der auf die sprunghafte Änderung der Ankergeschwindigkeit zurückzuführen ist. Danach erfolgt der Freilauf mit einem flacheren Gradienten. Dieses Verfahren setzt eine verkürzte Anzugphase voraus, so dass der Öffnungszeitpunkt in eine Freilaufphase fällt, die auf die Anzugphase folgt und der Haltephase vorangeht.
Analog der Detektion des Öffnungszeitpunkts kann auch der Schließzeitpunkt detektiert werden, da die Magnetspule kurz vor dem Schließen des Gasventils nochmals bestromt wird. Dies hat zudem den Effekt, dass der Magnetanker gebremst wird, so dass der Einschlagimpuls in den Dichtsitz verringert wird. Zudem werden Schließpreller vermieden, die zu Mengentoleranzen führen.
Bevorzugt wird während des Schließens des Gasventils der Stromabfall nach der erneuten Bestromung der Magnetspule einer Auswertung unterzogen. Die durch die Bewegung des Magnetankers induzierte Spannung führt beim Schließvorgang zu einem Stromanstieg, die sich als Knick oder Beule im Stromverlauf während der Freilaufphase darstellt. Auch hier dient der Knick bzw. die Beule im Stromverlauf als Indiz für das Erreichen einer Endlage des Magnetankers.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils vorgeschlagen, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann mit Hilfe des Steuergeräts der Stromverlauf zur Detektion des Öffnungs- und Schließzeitpunkts ausgewertet werden. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts die Einblasdauer ermittelt und mit einer Soll-Einblasdauer verglichen werden, die hierzu im Steuergerät hinterlegt ist. Bei einer Abweichung kann die Ansteuerung, insbesondere die Ansteuerdauer, korrigiert werden.
Ferner wird ein Computerprogramm mit einem Programmcode beansprucht, der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem Steuergerät, abläuft. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils handeln.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm vorgeschlagen, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

1 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Spannungsverlaufs (a), des Stromverlaufs und des Ankerhubs (b) über die Zeit t einer Einblasung und den Verlauf der Regelfrequenz während einer Anzugphase (c),
2 das Diagramm der 1 jedoch zeitlich gestreckt und beschränkt auf die Öffnungs- bzw. Anzugphase und
3 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Ankerhubs (a), des Spannungsverlaufs (b) und des Stromverlaufs (c) über di Zeit t einer Einblasung mit verkürzter Anzugphase.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein erstes Bestromungsprofil zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. Über den dargestellten Zeitraum öffnet und schließt das Gasventil jeweils einmal.
Das Gasventil ist als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Das heißt, dass zum Öffnen des Gasventils eine Magnetspule bestromt werden muss. Bei bestromter Magnetspule wird ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Magnetkraft auf einen Magnetanker einwirkt, so dass dieser eine Hubbewegung ausführt, die zum Öffnen des Gasventils führt. Die Bestromung umfasst dabei gemäß der 1 die nachfolgenden drei Phasen (siehe 1b):

- Phase A oder Boostphase, in der kurzeitig ein sehr hoher Strom angelegt wird, um die anfänglich hohe Öffnungskraft bereitzustellen,
- Phase B oder Anzugsphase, in der die Stromhöhe noch auf einem vergleichsweise hohen Niveau ist, um das vollständige Öffnen des Gasventils zu bewirken, und
- Phase C oder Haltephase, in der das Stromniveau gesenkt wird, da das Offenhalten des Gasventils eine geringere Kraft erfordert als das Öffnen.

An diese drei Phasen schließt sich eine Phase D an, in der keine Bestromung der Magnetspule erfolgt, sondern eine Bestromungspause eingehalten wird. Diese ist ausreichend lang gewählt, um das Schließen des Gasventils einzuleiten. Während des Schließens wird dann in einer Phase E die Magnetspule erneut bestromt. Die erneute Bestromung bremst die Bewegung des Magnetankers, so dass Schließpreller vermieden werden und der Dichtsitz einer geringeren Belastung ausgesetzt ist. Zugleich kann der Stromverlauf nach Beenden der Phase E (Beginn Freilauf, U<10 V) zur Detektion des Schließzeitpunkts t_S einer Auswertung unterzogen werden. Denn wie aus der 1 ersichtlich, ist der Schließzeitpunkt ts an einem deutlichen Knick im Stromverlauf erkennbar.
Zur Detektion des Öffnungszeitpunkts t_Ö kann die Regelfrequenz der 2-Punkt Stromregelung (1c) während der Anzugphase B herangezogen werden. Denn diese ändert sich, wenn der Magnetanker beim Öffnen seine Endlage erreicht. Zur Verdeutlichung des Zusammenhangs wird auf die 2 verwiesen.
Alternativ zur Auswertung der Regelfrequenz kann bei verkürzter Anzugphase B auch der Stromverlauf während einer Freilaufphase F zur Detektion des Öffnungszeitpunkts t_Ö herangezogen werden. Dies ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Die Freilaufphase F folgt auf eine verkürzte Anzugphase B und geht der Haltephase C voraus. Durch die verkürzte Anzugphase B fällt der Öffnungszeitpunkt t_Ö in die Freilaufphase F. Der Stromabfall zeigt einen deutlichen Knick, wenn der Magnetanker seine Endlage erreicht. Der Schließzeitpunkt t_S wird wie zuvor in Verbindung mit der 1 beschrieben detektiert.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils, bei dem zum Öffnen des Gasventils eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt wird und zum Schließen des Gasventils die Bestromung der Magnetspule beendet wird, so dass der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker gekoppeltes Ventilglied mittels Federkraft in einen Dichtsitz zurückgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens nach Einhaltung einer Bestromungspause die Magnetspule erneut bestromt wird und durch Auswertung des Stromverlaufs der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Gasventils detektiert werden, ferner, dass in Kenntnis des Öffnungs- und Schließzeitpunkts die tatsächliche Einblasdauer ermittelt und mit einer Soll-Einblasdauer verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Einblasdauer und der Soll-Einblasdauer die Ansteuerung des Gasventils korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt anhand einer Änderung der Induktivität detektiert wird bzw. werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Öffnens des Gasventils, vorzugsweise während einer Anzugphase, die Regelfrequenz einer 2-Punkt Stromregelung einer Auswertung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Öffnens des Gasventils, vorzugsweise während einer Freilaufphase zwischen einer Anzugphase und einer Haltephase, der Stromabfall einer Auswertung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließens des Gasventils der Stromabfall nach der erneuten Bestromung der Magnetspule einer Auswertung unterzogen wird.
Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerprogramm mit einem Programmcode, der Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, beispielsweise auf einem Steuergerät, abläuft.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 8, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger oder Speichermedium gespeichert ist.