DE69729717T2

DE69729717T2 - Bremssteuerungssystem für landwirtschaftliche Traktoren

Info

Publication number: DE69729717T2
Application number: DE69729717T
Authority: DE
Inventors: Bruno Paggi; Massimo Ribaldone
Original assignee: Same Deutz Fahr Group SpA
Current assignee: Same Deutz Fahr Group SpA
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2017-03-08
Also published as: US6099090A; DE69729717D1; EP0863062B1; EP0863062A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsreglerschaltung für das elektromagnetische Steuern der Ventile eines Verbrennungsmotors, und zwar vom im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Typ, und betrifft genauer eine Schaltung dieses Typs zum Rückgewinnen der in den Ventilaktivierungsspulen gespeicherten Energie – wie in der US-A – 5 793 599 geoffenbart.
Ein System für das elektromagnetische Steuern der Einlass- und Auslassventile eines Verbrennungsmotors umfasst für jedes Ventil zumindest eine jeweilige Aktivierungsspule, welche selektiv an einem Versorgungsschaltkreis angeschlossen werden kann. Dieser Schaltkreis versorgt jede Spule mit Betätigungsstrom, um das Ventil zu öffnen und/oder zu schließen.
Die wesentliche Bedingung beim Steuern der Einlass- und Auslassventile eines Motors ist die Präzision bei der Definition der Stellzeiten.
Diese Präzision kann durch eine rasche Betätigung des Ventils erzielt werden, wobei es notwendig ist, dass die im Versorgungsschaltkreis verfügbaren Spannungen in ausreichendem Maße höher sind als die derzeit bei den meisten Fahrzeugen verfügbare Batteriespannung (12 Volt) und beispielsweise in einer Größenordnung von 42 Volt liegen.
Ebenso ist es notwendig, eine Schaltung zu verwenden, welche eine rasche Rückleitung und mögliche Rückgewinnung des Entladungsstroms sicherstellt, welcher für eine induktive Ladung wie z.B. die Ventilaktivierungsspule typisch ist, wodurch die Dissipation zu einem Erdleiter beschränkt wird.
Da die durch die Aktivierungsspule dargestellte Ladung eine hochinduktive Ladung ist, wird bevorzugt, dass die Stromrückleitung auch zusammen mit dem Zuleiten von Spannungen, die in ausreichendem Maße höher sind als die normale Bateriespannung, zu den Polklemmen der Spule stattfindet.
Im Stand der Technik ist eine Schaltung zum Steuern einer induktiven Ladung im Allgemeinen und von Ventilaktivierungsspulen im Besonderen gebildet, und zwar unter der Maßgabe einer Zenerstromdiode, welche die Ladung mit einem Erdleiter verbindet, um die in der Ladung gespeicherte Energie abzuleiten.
Der größte Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass sie keine Rückgewinnung der verbrauchten Energie zum Steuern der Spulen zulässt. Da für jedes Ventil vorzugsweise zwei Aktivierungsspulen erforderlich sind und da die Gesamtanzahl der Ventile eines Motors groß ist (beispielsweise 4 Ventile pro Zylinder bei 4 oder mehr Zylindern), erreicht die abgeleitete Energie überdies Werte von Hunderten von Watt, wodurch sich weitere Probleme mit einer Wärmeabstrahlung und der Effizienz des Systems ergeben.
Um zu ermöglichen, dass der Entladungsstrom in den Aktivierungsspulen rasch abklingt und die darin gespeicherte Energie rückgewonnen wird, wodurch die Dissipation beschränkt wird, ist der Gegenstand der Erfindung eine Spannungsreglerschaltung für das elektromagnetische Steuern der Ventile eines Verbrennungsmotors mit den in den angeschlossenen Ansprüchen angeführten, charakteristischen Eigenschaften.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Spannungsreglerschaltung mit einem kapazitiven Energiespeicherelement zu versehen, um von den Spulen einen Entladungsstrom zu empfangen und diesen Strom mittels eines Stromreglerschaltkreises in geregelter Weise zu einer Speisung (oder Batterie) zu übertragen.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglich auch, dass das kapazitive Element durch dieselbe Stromreglerschaltung rasch aufgeladen wird, um die Polklemmen der Spulen mit einer Spannung zu versorgen, die in ausreichendem Maße höher ist als die Batteriespannung, ohne darauf zu warten, dass das kapazitive Element rein durch die Entladungsströme der Spulen aufgeladen wird.
Bei Anwendung der vorgeschlagenen Lösung ist es möglich, die an die Erde abgeleitete Energie durch die Schaltung zu begrenzen, wodurch eine größere Effizienz der Schaltung gewährleistet wird und vorteilhafterweise die Wirkung des Ventilantriebssystems auf den Energieausgleich des Fahrzeugs reduziert wird.
Weitere charakteristische Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden spezifischen Beschreibung einer ihrer Ausführungsformen detaillierter erläutert, welche anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung, die ein Schaltdiagramm der erfindungsgemäßen Spannungsreglerschaltung zeigt.
Die Spannungsreglerschaltung umfasst einen zwischen einem Knoten A und einem Erdleiter angeordneten Speicherkondensator C und einen Stromreglerschaltkreis 10, der am Kondensator C angekoppelt ist, genauer an der Polklemme des Kondensators, welche dem Knoten A entspricht.
Die Stromreglerschaltung 10 ist auf der dem Knoten A gegenüberliegenden Seite an einer Batterie 12 oder an einer anderen Gleichstromversorgung, die eine Versorgungsspannung V_B liefern kann, angekoppelt. Am Knoten A existiert relativ zum Erdleiter eine Spannung V_A, die unter den Bedingungen des Betriebs im Wesentlichen einer vorbestimmten Vergleichsspannung V_ref entspricht, welche erheblich größer als die Versorgungsspannung V_B ist.
Ein im Allgemeinen mit 14 bezeichnetes Rückführungsnetz, das mit einer Mehrzahl von Aktivierungsspulen 16 der anzutreibenden Ventile zusammenhängt, ist ebenfalls am Knoten A angeschlossen.
Um die entsprechenden Ventile zu öffnen und zu schließen, können diese Spulen 16 durch bekannte Schaltkreise, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind und auf die in der Beschreibung nicht Bezug genommen wird, selektiv an einer Versorgungsschaltung angeschlossen sein, welche beispielsweise an derselben Batterie 12 angeschlossen ist. Das Rückführungsnetz 14 ist dazu eingerichtet, den transienten Entladungsstrom zu rezirkulieren, welcher jedes Mal erzeugt wird, wenn alle Spulen 16 von der Versorgungsschaltung getrennt werden.
Genauer im Detail betrachtet, umfasst die Stromreglerschaltung 10 einen Induktor L, dessen erste Polklemme an der Batterie 12 angeschlossen ist und dessen zweite Polklemme über einen ersten MOSFET-Transistor Q1 am Knoten A und über einen zweiten MOSFET-Transistor Q2 am Erdleiter angeschlossen ist. Der Vollständigkeit halber sind die parasitären Dioden D1 und D2, welche zwischen den Drain- und Source-Elektroden der Transistoren Q1 und Q2 vorhanden sind, in der Zeichnung angeführt.
Eine separat dargestellte Steuereinheit ist mit ECU bezeichnet. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein Eingangssignal, das die am Knoten A vorhandene Spannung V_A anzeigt, zu empfangen und die Transistoren Q1 und Q2 an deren Gate-Elektroden zu steuern.
Unter den Bedingungen des Betriebs wird die Spannungsreglerschaltung in einer anfänglichen Übergangsstufe durch die Steuereinheit (ECU) als Spannungserhöher betrieben, und zwar zum raschen Steigern der Spannung V_A, bis eine Spannung erreicht ist, die der vorbestimmten Vergleichsspannung V_ref entspricht, um eine Rückleitung von Strom bei Hochspannung zu ermöglichen.
Die Steuereinheit detektiert die am Knoten A vorhandene Spannung V_A und steuert die Transistoren Q1 und Q2 dementsprechend. Liegt die Spannung V_A unter dem vorbestimmten Wert V_ref, so schaltet die Steuereinheit den Transistor Q1 ab und schaltet den Transistor Q2 ein, wodurch der Batterie durch den Induktor L Strom entzogen wird, und zwar hin zur Erde, und dabei der Induktor aufgeladen wird. Die Steuereinheit überwacht auch den im Transistor Q2 fließenden Strom und schaltet Q2 ab und Q1 ein, wenn dieser eine vorbestimmte Intensität erreicht, wodurch eine Entladung des Induktors L hin zum Speicherkondensator C ausgelöst wird, welcher folglich aufgeladen wird. Die Steuereinheit wiederholt daraufhin den Zyklus, bis die Spannung am Knoten A den vorbestimmten Wert V_ref erreicht.
Im stabilen Betrieb wird der Speicherkondensator C über das Rückführungsnetz 14 durch die transienten Entladungsströme der Spulen 16 aufgeladen.
Wird der Speicherkondensator C durch den von den Spulen der Ventile kommenden Rückführungsstrom überlastet, so überschreitet die Spannung V_A den vorbestimmten Vergleichswert V_ref; die Steuereinheit (ECU) erkennt diesen Zustand und betreibt die Spannungsreglerschaltung als Spannungsabschwächer, um die Spannung V_A auf einen Wert zurückzubringen, der so nahe wie möglich bei V_ref liegt, wodurch ermöglicht wird, dass der Speicherkondensator C zur Batterie hin Strom freisetzt und die Batterie wiederauflädt.
Solange die am Knoten A detektierte Spannung größer als der vorbestimmte Wert V_ref ist, treibt die Steuereinheit den Transistor Q2 in den Sperrzustand und den Transistor Q1 in den Durchlasszustand, wodurch vom Speicherkondensator C durch den Induktor L Strom zur Batterie 12 zurückgeleitet und der Induktor dabei aufgeladen wird. Die Steuereinheit überwacht auch den im Transistor Q1 fließenden Strom und schaltet Q1 ab und Q2 ein, wenn dieser eine vorbestimmte Intensität erreicht, wodurch eine Entladung des Induktors L hin zur Batterie 12 ausgelöst wird, welche folglich wiederaufgeladen wird.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist kein Stromsensor erforderlich, da die vorbestimmte Stromintensität, welche zum Umschalten der Transistoren Q1 und Q2 führt, und die Leitungszeiten der Transistoren durch die Steuereinheit analytisch berechnet werden können, und zwar ausschließlich auf Basis der Informationen in Bezug auf den Spannungswert am Knoten A, den Spannungswert V_B und die Induktivität des Induktors L.
Diese Lösung ist vorteilhaft, da sie beim Entladen der Spulen und folglich beim Wiederaufladen der Batterie eine größere Effizienz gewährleistet und eine Reduktion der Dimensionen der verwendeten Schaltung ermöglicht.

Claims

Spannungsreglerschaltung für das elektromagnetische Steuern der Ventile eines Verbrennungsmotors, wobei jedes Ventil zumindest eine jeweilige Aktivierungsspule (16) umfasst, welche selektiv an eine Stromversorgungsschaltung gekoppelt werden kann, umfassend: – zumindest ein kapazitives Energiespeicherelement (C) zum Ankoppeln an ein Stromrückführungsnetz (14), das mit der zumindest einen entsprechenden Spule (16) jedes Ventils verbunden ist, welches Energiespeicherelement eine erste, am Rückführungsnetz (14) angeschlossene Polklemme und eine zweite, an einem Erdleiter angekoppelte Polklemme aufweist, und – einen Stromreglerschaltkreis (10), der zwischen einer Gleichstromversorgung (12) und dem zumindest einen kapazitiven Element (C) angeordnet sein kann, wobei die Spannungsreglerschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass das zumindest eine kapazitive Element (C) dazu angepasst ist, bei stabiler Betriebsbedingung an der ersten Polklemme eine Spannung (V_A) aufzuweisen, die im Wesentlichen einer vorbestimmten Vergleichsspannung (V_ref) entspricht, welche größer als die von der Stromversorgung (12) gelieferte Spannung (V_B) ist, und die Spannungsreglerschaltung dazu eingerichtet ist, als Spannungserhöher für die von der Stromversorgung (12) zum Rückführungsnetz (14) fließende Spannung und als Abschwächer für die vom Rückführungsnetz (14) zur Stromversorgung (12) fließende Spannung zu wirken.
Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromreglerschaltung (10) Folgendes umfasst: – ein induktives Element (L) mit einer ersten Polklemme zum Ankoppeln an der Stromversorgung (12) und einer zweiten Polklemme zum Ankoppeln an einer ersten Polklemme des zumindest einen kapazitiven Elements (C) über erste Schaltmittel (Q1), und – zweite Schaltmittel (Q2), die zwischen der zweiten Polklemme des induktiven Elements (L) und dem Erdleiter gekoppelt sind.
Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine kapazitive Element (C) dazu angepasst ist: – über den Stromregler (10) einen Strom von der Stromversorgung (12) zu empfangen, wenn der Wert der Spannung an der ersten Polklemme (V_A) unter dem vorbestimmten Vergleichsspannungswert (V_ref) liegt, – einen transienten Entladungsstrom vom Rückführungsnetz (14) zu empfangen, welcher jedes Mal erzeugt wird, wenn alle Spulen (16) von der Stromversorgung (12) getrennt werden, und – über den Stromregler (10) einen Strom hin zur Stromversorgung (12) freizusetzen, wenn der Wert, der Spannung an der ersten Polklemme (V_A) größer als der Wert der vorbestimmten Vergleichsspannung (V_ref) ist.
Spannungsreglerschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (ECU) umfasst, um einen Spannungswert (V_A) an der ersten Polklemme des zumindest einen kapazitiven Elements (C) zu detektieren und die Leitung in den ersten und zweiten Schaltmitteln (Q1, Q2) in vorbestimmter Weise zu steuern, um zu bewirken, dass Strom selektiv von der Stromversorgung (12) zu dem zumindest einen kapazitiven Element (C) oder umgekehrt geliefert wird, und zwar abhängig vom detektierten Spannungswert (V_A).
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Schaltmittel (Q1, Q2) als MOSFET-Transistoren gebildet sind.