EP1173658B1

EP1173658B1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betrieb eines magnetventils

Info

Publication number: EP1173658B1
Application number: EP01911384A
Authority: EP
Inventors: Hermann Gaessler; Udo Diehl; Karsten Mischker; Rainer Walter; Juergen Schiemann; Christian Grosse; Volker Beuche; Stefan Reimer; Uwe Liskow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: US20020157650A1; US6772737B2; AU4043901A; JP2003522919A; AU771141B2; DE50107464D1; EP1173658A1; WO2001061156A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetventils, insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder eines Einlass- oder Auslassventils einer Brennkraftmaschine. Das Magnetventil wird in einem drei Phasen umfassenden Zyklus gesteuert beaufschlagt.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Magnetventils, insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder eines Einlass- oder Auslassventils einer Brennkraftmaschine. Die Schaltungsanordnung wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet. Sie umfasst zwei Schaltglieder zum Anlegen einer ersten Spannung vorgegebener Höhe an das Magnetventil während einer Anzugsphase, zum Anlegen einer zweiten Spannung vorgegebener Höhe, die niedriger ist als die erste Spannung, an das Magnetventil während einer Haltephase und zum Trennen des Magnetventils von beiden Spannungen in einer Abschaltphase.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist die elektrohydraulische Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine zur nockenwellenfreien Betätigung der Gaswechsel-Ventile der Brennkraftmaschine bekannt. Jedes Gaswechsel-Ventil einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung hat zum Öffnen und Schließen einen eigenen Steller. Der Steller weist ein Stellglied auf, das im Inneren durch einen hydraulischen Differenzialkolben in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist. Auf der Einlaßseite der ersten Kammer ist ein erstes Magnetventil und auf der Auslaßseite der ersten Kammer ein zweites Magnetventil angeordnet. Bei der Betätigung der elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung werden drei Phasen unterschieden:
In einer ersten Phase wird zunächst das zweite Magnetventil geschlossen, unmittelbar danach wird das erste Magnetventil geöffnet. Von der Versorgungsseite kann über das erste Magnetventil Öl mit einem hohen Druck in die erste Kammer des Stellgliedes fließen. Durch das geschlossene zweite Magnetventil wird ein Abströmen des Öls aus der ersten Kammer zu einem Tank hin verhindert. In der ersten Kammer herrscht ein vergleichbarer Druck wie in der zweiten Kammer. Die der ersten Kammer zugewandten Seite des Differenzialkolbens hat eine wesentlich größere Wirkfläche als die der zweiten Kammer zugewandte Seite. Eine resultierende Kraft bewirkt eine Öffnungsbewegung des Gaswechsel-Ventils.
In einer zweiten Phase wird das Gaswechsel-Ventil bei Vollhub oder Teilhub statisch offen gehalten. Dazu wird das erste Magnetventil geschlossen, so dass beide Magnetventile für den Zulauf bzw. den Ablauf des Öls geschlossen sind.
In einer dritten Phase wird bei weiterhin geschlossenem ersten Magnetventil das zweite Magnetventil geöffnet, so dass das in die erste Kammer zugeflossene Öl wieder abfließen kann. Der Druck in der ersten Kammer verringert sich sehr stark gegenüber dem Druck in der zweiten Kammer, und es kommt zu einer Schließbewegung des Gaswechsel-Ventils.
Aus dem Stand der Technik ist es des weiteren bekannt, mehrere Einlass- und Auslassventile je Zylinder einer Brennkraftmaschine vorzusehen. Bei der 4-Ventiltechnik hat bspw. jeder Zylinder zwei Einlassventile und zwei Auslassventile für den Gaswechsel. Bei einem Steller je Gaswechsel-Ventil und zwei Magnetventilen je Steller werden demnach für jeden Zylinder acht Magnetventile benötigt. Bei einer Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine ergeben sich somit bereits 32 Magnetventile, die elektrisch angesteuert werden müssen.
Aus der US 4,729,056 und der DE 39 20 064 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Dabei wird jedoch der durch das Magnetventil fließende Strom geregelt. Bei dem aus der DE 39 20 064 A1 bekannten Verfahren wird das Magnetventil zumindest während der Haltephase getaktet angesteuert und damit auf einen vorgegebenen Haltestrom-Sollwert geregelt. Der Anzugsstrom ist nicht geregelt. Auch bei dem aus der US 4,729,056 bekannten Verfahren wird das Magnetventil getaktet angesteuert, um den durch das Magnetventil fließenden Strom auf einen Strom-Sollwert zu regeln. Durch die getaktete Ansteuerung des Magnetventils ergibt sich eine hochfrequente Abstrahlung elektromagnetischer Wellen und dadurch eine relativ schlechte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Zur elektrischen Ansteuerung der Magnetventile ist es aus der DE 40 24 496 bekannt, an einem Magnetventil in einer Anzugsphase eine Anzugsspannung und in einer anschließenden Haltephase eine niedrigere Haltespannung anzulegen. Damit der Haltestrom in der Haltephase einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, ist in dem Haltestromkreis ein Stromfühlglied angeordnet, das die Höhe der Haltespannung in Abhängigkeit von dem ermittelten Istwert des Haltestroms und von einem Sollwert des Haltestroms einstellt.
Für jeden Stromregelkreis ist neben der Stromistwert-Erfassung auch ein Stromregler notwendig. Dieser relativ hohe Schaltungsaufwand für die Durchführung einer Stromregelung müsste für jedes einzelne Magnetventil einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung vorgesehen werden. Dadurch würde sich ein enorm hoher Schaltungsaufwand zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine ergeben.
Aus den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die elektromagnetische Verträglichkeit einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Magnetventils zu verbessern, wobei die Schaltungsanordnung Schaltglieder aufweist, durch die zwischen verschiedenen an dem Magnetventil anliegenden Spannungen, zumindest zwischen einer ersten Spannung zur Erzeugung eines Anzugsstroms und einer zweiten Spannung zur Erzeugung eines Haltestroms, umgeschaltet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Verfahren zum Betrieb eines Magnetventils der eingangs genannten Art vor, dass das Magnetventil in einer Anzugsphase zur Erzeugung eines gesteuerten Anzugsstroms für eine vorgegebene Zeitdauer an eine erste Spannung vorgegebener Höhe angeschlossen wird, in einer Haltephase zur Erzeugung eines gesteuerten Haltestroms an eine zweite Spannung vorgegebener Höhe angeschlossen wird und in einer Abschaltphase von beiden Spannungen getrennt wird.

Vorteile der Erfindung

In der Anzugsphase soll der Anker des Magnetventils möglichst schnell anziehen. Dies wird durch eine Stromüberhöhung erreicht. Dazu wird die Magnetspule des Magnetventils für eine vorgegebene Zeitdauer an die erste Spannung angeschlossen. Die erste Spannung ist wesentlich höher als bspw. eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs, d.h. bspw. als die Spannung der Fahrzeugbatterie. Der Betrieb des Magnetventils während der Anzugsphase mit der hohen ersten Spannung wird deshalb auch als Boostbetrieb bezeichnet. Aufgrund der hohen ersten Spannung ergibt sich ein besonders schneller Aufbau des Anzugsstroms in der Magnetspule. Die Zeitdauer ist derart vorgegeben, dass der für ein schnelles und sicheres Anziehen des Ankers notwendige Ankerstrom erreicht wird.
Während der Haltephase wird der angezogene Anker des Magnetventils durch einen reduzierten, konstanten Haltestrom gehalten. Aufgrund der Magnetfeldkennlinie reicht für das Halten des Ankers eine wesentlich kleinere Kraft und demzufolge ein kleinerer Strom als für den Anzug des Ankers aus. Während der Haltephase ist die Magnetspule des Magnetventils an die zweite Spannung vorgegebener Höhe angeschlossen. Die zweite Spannung hat eine geringere Höhe als die erste Spannung. Die Versorgung des Elektromagneten durch die zweite Spannung gewährleistet einen konstanten Haltestrom (unabhängig von Schwankungen der Spannung des Bordnetzes) durch die Magnetspule.
In der Abschaltphase wird der Elektromagnet des Magnetventils von beiden Spannungen getrennt. Infolge dessen fließt durch den Elektromagneten nach einer Abklingphase kein Strom mehr und der Anker kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Während der Abklingphase kann der Strom auf unterschiedliche Arten (z. B. Diodenlöschung, Zenerdiodenlöschung, R-C-Löschung) abgebaut werden. Zudem kann die abgebaute Energie während der Abklingphase auf unterschiedliche Arten zurückgewonnen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht keine Regelung, sondern lediglich eine Steuerung des Stroms des Magnetventils vor. Der Strom des Magnetventils ergibt sich durch Anlegen einer Spannung vorgegebener Höhe an das Magnetventil aufgrund des Spulenwiderstands der Magnetspule des Magnetventils. Dies gilt sowohl in der Anzugsphase als auch in der Haltephase des Magnetventils.
Erfindungsgemäß kann auf eine Stromerfassung, direkt über ein Strommessglied oder indirekt über einen Spannungsteiler, der durch einen Messwiderstand und den Spulenwiderstand der Magnetspule des Magnetventils gebildet wird, und auf eine Stromregelung mittels eines Stromreglers verzichtet werden. Dadurch wird der Betrieb des Magnetventils entscheidend vereinfacht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglich auf einfache Weise ein exaktes Ansteuern sämtlicher Magnetventile einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine. Eine Stromregelung für jedes der Magnetventile ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine exakte zeitliche Ansteuerung bei genau definierten Versorgungsspannungen ersetzt.
Durch eine Spannungsnachführung können die Auswirkungen von relevanten Änderungen in den Stromzweigen auf den durch die Magnetspulen fließenden Strom kompensiert werden. Relevante Änderungen in den Stromzweigen sind bspw. die Änderung des Spulenwiderstands der Magnetspule eines Magnetventils aufgrund von Temperaturänderungen in der Magnetspule. Eine solche Temperaturkompensation stellt jedoch keine Stromregelung, sondern lediglich eine adaptive Stromsteuerung dar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Magnetventil nicht, wie bei der Stromregelung, getaktet angesteuert. Durch die Vermeidung der Taktung kann die Schaltverlustleistung und die hochfrequente Abstrahlung elektromagnetischer Wellen vermindert werden, wodurch sich eine wesentlich bessere elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste Spannung durch Spannungshochsetzung aus einer Bordnetzspannung abgeleitet und stabilisiert wird. Die Bordnetzspannung entspricht bspw. der Spannung einer Kraftfahrzeugbatterie. Zur Spannungshochsetzung kann ein Spannungswandler, insbesondere ein Gleichspannungswandler, eingesetzt werden. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite Spannung durch Spannungsabsenkung oder Spannungshochsetzung aus einer Bordnetzspannung abgeleitet und stabilisiert wird. Das Potenzial der zweiten Spannung liegt deutlich unter dem Potenzial der ersten Spannung. Auch die Spannungsabsenkung bzw. die Spannungshochsetzung kann bspw. mittels eines Spannungswandlers, insbesondere eines Gleichspannungswandlers, durchgeführt werden.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass für die erste Spannung eine 42 Volt-Spannung, die in einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, und als die zweite Spannung eine niedrigere Spannung, insbesondere eine 12 Volt-Spannung oder eine 9 Volt-Spannung, die in dem 42 Volt-Bordnetz zur Verfügung steht, herangezogen wird. Diese Weiterbildung bezieht sich auf ein 42 Volt-Bordnetz, in dem üblicherweise auch eine niedrigere Spannung, insbesondere eine 12 Volt-Spannung oder eine 9 Volt-Spannung, zur Verfügung steht, die unmittelbar als zweite Spannung herangezogen werden kann. Auf eine Spannungsabsenkung einer Bordnetzspannung zum Erzeugen der zweiten Spannung kann somit verzichtet werden. Dadurch entsteht weniger Verlustleistung und es ergibt sich eine geringere Wärmeentwicklung einer Endstufe zur Betätigung des Magnetventils.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Spannungen derart variiert werden, dass der resultierende Strom während der Anzugsphase bzw. der resultierende Strom während der Haltphase über alle Betriebspunkte konstant ist. Selbstverständlich können beide Spannungen oder aber nur eine der beiden Spannungen variiert werden. Auf diese Weise können bspw. Spannungsänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen ausgeglichen werden.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur der Magnetspule des Magnetventils erfasst und werden die Spannungen an den Temperaturgang des Spulenwiderstandes der Magnetspule angepasst. Für diese Temperaturkompensation kann die Temperatur der Magnetspulen an einer repräsentativen Stelle erfasst werden. Zur Vereinfachung des Aufbaus einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine ist es denkbar, dass die Temperatur nur an einem Magnetventil oder an einigen wenigen ausgewählten Magnetventilen erfasst wird. Durch die Temperaturkompensation wird eine adaptive Stromsteuerung ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Magnetventil in der Anzugsphase durch Schließen von zwei Schaltgliedern an die erste Spannung angeschlossen wird. Durch eine geschickte Reihenschaltung der Schaltglieder ergibt sich eine Sicherheitsfunktion für das Magnetventil. Nur wenn beide Schaltglieder geschlossen sind, kann das Magnetventil anziehen, weil nur dann die hohe erste Spannung für den Anzugsvorgang an dem Magnetventil anliegt. Dadurch wird verhindert, dass bei einem defekten Schaltglied (permanent geschlossen) oder bei einer fehlerhaften Ansteuerung eines Schaltgliedes ein Magnetventil während eines kritischen Zeitpunktes ungewollt aktiviert wird. Für ein öffnendes Gaswechsel-Ventil wären bspw. die Zeitpunkte, in denen der Zylinderkolben oben steht, ein kritischer Zeitpunkt. Ein Öffnen des Gaswechsel-Ventils während dieses kritischen Zeitpunktes könnte zu einer Kollision des Gaswechsel-Ventils mit dem Zylinderkolben führen. Das könnte, ebenso wie eine Kollision eines Gaswechsel-Ventils mit einem anderen Gaswechsel-Ventil desselben Zylinders, zu einer Beschädigung der Brennkraftmaschine führen.
Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der Verwendung einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art außerdem vorgeschlagen, dass die erste Spannung zur Erzeugung eines gesteuerten Anzugsstroms und die zweite Spannung zur Erzeugung eines gesteuerten Haltestroms dient.
Durch den Verzicht auf eine Stromregelung bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine wesentliche Reduktion des Schaltungsaufwandes und der Schaltungskosten durch Anwendung der Stromsteuerung erzielt werden. Der Aufwand für die zentrale Bereitstellung der beiden Spannungen ist deutlich geringer als der Aufwand für eine Stromregelung für jedes zu betätigende Magnetventil. Durch eine geringe Anzahl von Komponenten bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung Mittel zur Spannungsnachführung aufweist, um Auswirkungen von relevanten Änderungen in Magnetspulen der Magnetventile auf den durch die Magnetspulen fließenden Strom zu kompensieren. Relevante Änderungen in den Stromzweigen sind bspw. die Änderung des Spulenwiderstands der Magnetspule eines Magnetventils aufgrund von Temperaturänderungen in der Magnetspule.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung Mittel zur Temperaturkompensation aufweist, um die Auswirkungen einer Änderung des Spulenwiderstands der Magnetspule der Magnetventile aufgrund von Temperaturänderungen in der Magnetspule zu kompensieren. Dies kann beispielsweise mittels einer Spannungsnachführung erfolgen, welche die Auswirkungen von relevanten Änderungen in den Stromzweigen auf den durch die Magnetspulen fließenden Strom kompensiert. Eine solche Temperaturkompensation stellt jedoch keine Stromregelung, sondern lediglich eine adaptive Stromsteuerung dar.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung einen Spannungshochsetzsteller zum Ableiten der ersten Spannung aus einer Bordnetzspannung und zum Stabilisieren der ersten Spannung aufweist. Des weiteren wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung einen Spannungstiefsetzsteller oder einen Spannungshochsetzsteller zum Ableiten der zweiten Spannung aus einer Bordnetzspannung und zum Stabilisieren der zweiten Spannung aufweist. Der Spannungshochsetzsteller und der Spannungstiefsetzsteller sind bspw. als DC/DC-Wandler ausgebildet. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist somit zwei zentrale und unabhängige DC/DC-Wandler mit stabiler Festspannung für die Versorgung der Magnetspule des Magnetventils während der Anzugsphase und während der Haltephase auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung eine 42 Volt-Spannungsquelle, die in einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, zum Erzeugen der ersten Spannung und eine weitere Spannungsquelle, insbesondere eine 12 Volt-Spannungsquelle oder eine 9 Volt-Spannungsquelle, die in dem 42 Volt-Bordnetz zur Verfügung steht, zum Erzeugen der zweiten Spannung aufweist. In einem 42 Volt-Bordnetz steht neben einer 42 Volt-Spannungsquelle üblicherweise auch eine weitere Spannungsquelle, insbesondere eine 12 Volt-Spannungsquelle oder eine 9 Volt-Spannungsquelle, zur Verfügung. Die Spannung der weiteren Spannungsquelle kann unmittelbar als zweite Spannung herangezogen werden. Auf den Einsatz eines Spannungstiefsetzstellers zum Erzeugen der zweiten Spannung kann somit verzichtet werden. Dadurch entsteht weniger Verlustleistung und es ergibt sich eine geringere Wärmeentwicklung einer Endstufe zur Betätigung des Magnetventils.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein erster Anschluss des Magnetventils über das erste Schaltglied an die erste Spannung und über eine erste Diode an die zweite Spannung angeschlossen ist und dass ein zweiter Anschluss des Magnetventils über Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung an die erste Spannung und über das zweite Schaltglied an Masse angeschlossen ist. Die Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung können beliebig ausgebildet sein. Dem Fachmann sind dazu eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt. Vorzugsweise sind die Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung als eine zweite Diode ausgebildet. Durch die erste Diode wird die erste Spannung von der zweiten Spannung entkoppelt. Die zweite Diode dient dem Stromabbau in der Magnetspule des Magnetventil und gleichzeitig der Energierückgewinnung, nachdem die Magnetspule von beiden Spannungen getrennt worden ist.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass ein erster Anschluss des Magnetventils über das erste Schaltglied an die erste Spannung und über das zweite Schaltglied und eine Diode an die zweite Spannung angeschlossen ist und dass ein zweiter Anschluss des Magnetventils an Masse angeschlossen ist.
Bei der elektrohydraulischen Ventilsteuerung entfällt zur Ansteuerung der Gaswechsel-Ventile die Nockenwelle. Jedes Gaswechsel-Ventil 1 hat zum Öffnen und Schließen einen eigenen Steller 10. Der Steller 10 weist ein Stellglied 2 auf, in dem ein hydraulischer Differenzialkolben 3 verschiebbar gelagert ist. Durch den Differenzialkolben 3 wird das Innere des Stellgliedes 2 in eine obere Kammer 4 und eine untere Kammer 5 unterteilt. Die Flächendifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite des Differenzialkolbens 3 führt bei gleichem Druck in der oberen Kammer 4 und der unteren Kammer 5 zu einer Bewegung des Differenzialkolbens 3 in dem Stellglied 2 und zum Öffnen des Gaswechsel-Ventils 1.
Dem Steller 10 wird von einer Versorgungsseite 8 Öl mit einem hohen Druck zugeführt und über ein erstes Magnetventil 6 in die erste Kammer 4 des Stellgliedes 2 geleitet. Aus der ersten Kammer 4 gelangt das Öl über ein zweites Magnetventil 7 in einen Tank 9. Von der Versorgungsseite 8 zweigt eine weitere Leitung 15 ab, die in die zweite Kammer 5 des Stellgliedes 2 mündet und über die Öl von der Vorsorgungsseite 8 mit einem hohen Druck in die zweite Kammer 5 gelangt.

Die Ansteuerung des elektrohydraulisch betätigten Gaswechsel-Ventils 1 erfolgt in drei Phasen:

In einer ersten Phase führt das Gaswechsel-Ventil 1 eine Öffnungsbewegung aus. Hierzu wird zuerst das zweite Magnetventil 7 geschlossen, um das Abströmen des Öls aus der oberen Kammer 4 zu dem Tank 9 hin zu verhindern. Durch Öffnen des ersten Magnetventils 6 wird Öl von der Vorsorgungsseite 8 mit hohem Druck in die obere Kammer 4 des Stellgliedes 2 geleitet. Wegen der größeren Fläche an der Oberseite im Vergleich zu der Untersetite des Differenzialkolbens 3 ergibt sich eine nach unten gerichtete resultierende Kraft an dem Differenzialkolben 3, die zu einer Öffnungsbewegung des Gaswechsel-Ventils 1 führt.
In einer zweiten Phase wird das mit Voll- oder Teilhub (bestimmt durch die Öffnungsdauer des ersten Magnetventils) geöffnete Gaswechsel-Ventil 1 statisch offengehalten. Dazu wird bei weiterhin geschlossenem zweiten Magnetventil 7 auch das erste Magnetventil 6 geschlossen. Während dieser Phase sind also beide Magnetventile 6, 7, d.h. der Zulauf und der Ablauf der oberen Kammer 4, geschlossen.
Während einer dritten Phase führt das Gaswechsel-Ventil 1 eine Schließbewegung aus. Hierzu wird das erste Magnetventil 6 geschlossen gehalten und das zweite Magnetventil 7 geöffnet, so dass das Öl aus der oberen Kammer 4 abfließen kann. Über den Öldruck in der unteren Kammer 5 wirkt eine schließende Kraft auf die Unterseite des Differenzialkolbens 3, wodurch dieser nach oben bewegt und das Gaswechsel-Ventil 1 geschlossen wird.
Bei einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung weist jedes Gaswechsel-Ventil 1 zum Öffnen und Schließen einen eigenen Steller 10 auf. Bei einer Brennkraftmaschine mit 4-Ventiltechnik hat jeder Zylinder zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile für den Gaswechsel. Demzufolge werden für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine acht Magnetventile 6, 7 benötigt. Dementsprechend sind für eine elektrohydraulische Gaswechsel-Ventilsteuerung einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine bereits 32 Magnetventile nötig, die elektrisch angesteuert werden müssen.
Um die Ansteuerung von Magnetventilen, insbesondere von Magnetventilen 6, 7 zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, zu vereinfachen, schlägt die Erfindung vor, das Magnetventil 6; 7 in einem drei Phasen umfassenden Zyklus anzusteuern. Eine Anzugsphase dient zur Erzeugung eines Anzugsstroms. Während der Anzugsphase wird das Magnetventil 6; 7 für eine vorgegebene Zeitdauer an eine erste Spannung U_1 vorgebener Höhe angeschlossen. Eine Haltephase dient zur Erzeugung eines Haltestroms, der kleiner als der Anzugsstrom ist. Während der Haltephase wird das Magnetventil 6; 7 an eine zweite niedrigere Spannung U_2 vorgegebener Höhe angeschlossen. Während einer Abschaltphase wird das Magnetventil 6; 7 von beiden Spannungen U_1, U_2 getrennt.
Erfindungsgemäß wird der durch die Magnetspule des Magnetventils 6; 7 fließende Strom also nicht geregelt sondern gesteuert. Der durch die Magnetspule fließende Strom stellt sich in Abhängigkeit von dem Spulenwiderstand der Magnetspule und von der anliegenden Spannung U_1; U_2 ein.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das anzusteuernde Magnetventil ist mit dem Bezugszeichen MV bezeichnet. Das Magnetventil MV ist bspw. ein Magnetventil 6; 7 einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung (vgl. Figur 4), ein Einspritzventil oder ein Einlaß- oder ein Auslaßventil einer Brennkraftmaschine. Ein erster Anschluß 20 des Magnetventils MV ist über ein erstes Schaltglied S_1 an die erste Spannung U_1 und über eine erste Diode D_1 an die zweiten Spannung U_2 angeschlossen. Die erste Diode D_1 dient der Entkopplung der ersten Spannung U_1 von der zweiten Spannung U_2. Ein zweiter Anschluß 21 des Magnetventils MV ist über eine zweite Diode D_2 an die erste Spannung U_1 und über ein zweites Schaltglied S_2 an Masse angeschlossen. Die zweite Diode D_2 dient dem Stromabbau in dem Magnetventil MV und gleichzeitig der Energierückgewinnung beim Übergang von der ersten Phase zu der zweiten Phase, nachdem das Magnetventil MV von beiden Spannungen U_1, U_2 getrennt worden ist. Statt der zweiten Diode D_2 können natürlich beliebige andere Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung eingesetzt werden (z. B. Zenerdiode, R-C-Schaltung). Des weiteren ist es denkbar, dass die zweite Diode D_2 statt wie in Fig. 1 dargestellt, parallel zu dem Magnetventil MV angeordnet wird.
Die erste Spannung U_1 wird durch einen als Gleichspannungswandler 22 ausgebildeten Spannungshochsetzsteller aus einer Bordnetzspannung U_batt abgeleitet und stabilisiert. Die zweite Spannung U_2 wird von einem als Gleichspannungswandler 23 ausgebildeten Spannungstiefsetzsteller oder Spannungshochsetzsteller ebenfalls aus der Bordnetzspannung U_batt abgeleitet und stabilisiert. Die zweite Spannung U_2 ist deutlich niedriger als die erste Spannung U_1. Das erste Schaltglied S_1 und das zweite Schaltglied S_2 werden von Ansteuerschaltungen 24, 25 angesteuert (gestrichelte Linie).
In der Anzugsphase des Magnetventils MV wird die Magnetspule durch Schließen der Schaltglieder S_1, S_2 für eine vorgegebene Zeitdauer T_1 an die Spannungsquelle U_1 gelegt. Die Zeitdauer T_1 ist so bestimmt, dass der notwendige Anzugsstrom für ein schnelles und sicheres Anziehen des Ankers des Magnetventils MV erreicht wird.
Beim Übergang in die Haltephase werden die Schaltglieder S_1, S_2 geöffnet. Der Strom wird dann über die zweite Diode D_2 so weit wieder abgebaut (Diodenfreilauf), bis das Haltestromniveau erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt (Beginn der zweiten Phase) wird dann das zweite Schaltglied S_2 wieder geschlossen. Dadurch übernimmt die zweite Spannung U_2 die Versorgung der Magnetspule des Magnetventils MV und gewährleistet einen konstanten Haltestrom. Die Diode D_1 ist notwendig, um einen Kurzschluß von der ersten Spannung U_1 zu der zweiten Spannung U_2 bei geschlossenem ersten Schaltglied S_1 zu vermeiden.
Während der Abschaltphase wird bei geöffnetem ersten Schaltglied S_1 auch das zweite Schaltglied S_2 geöffnet. Die Folge ist ein schneller Stromabbau durch Stromrückspeisung über die zweite Diode D_2 auf die erste Spannung U_1 (hohes Potenzial). Aufgrund der Stromrückspeisung über die zweite Diode D_2 ist mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein besonders energieschonender Betrieb des Magnetventils MV möglich.
Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 stellt zudem einen erheblichen Sicherheitsgewinn gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen zum Betrieb eines Magnetventils dar. Das Magnetventil MV kann nämlich nur dann anziehen, wenn beide Schaltglieder S_1 und S_2 geschlossen sind. Ein fehlerhaftes, unerwünschtes Anziehen des Magnetventils MV würde bspw. ein Öffnen des Gaswechsel-Ventils 1 auch zu Zeitpunkten ermöglichen, in denen sich der Kolben des Zylinders der Brennkraftmaschine in seinem oberen Totpunkt befindet. Dies könnte zu einer Kollision zwischen dem Gaswechsel-Ventil 1 und dem Kolben führen, was zu einer Beschädigung der Brennkraftmaschine führen könnte. Dasselbe gilt für eine Kollision zwischen zwei GaswechselVentilen desselben Zylinders der Brennkraftmaschine.
In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Der erste Anschluss 20 des Magnetventils MV ist über das erste Schaltglied S_1 an die erste Spannung U_1 und über das zweite Schaltglied S_2 und eine Diode D_3 an die zweite Spannung U_2 angeschlossen. Die Diode D_3 hat die Aufgabe, die erste Spannung U_1 von der zweiten Spannung U_2 zu entloppeln. Der zweite Anschluss 21 des Magnetventils MV ist an Masse angeschlossen. Obwohl in Fig. 2 nicht dargestellt, könnten natürlich auch in dieser Schaltungsanordnung geeignete Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung vorgesehen werden, bspw. in Form einer weiteren Diode (nicht dargestellt), die parallel zu dem Magnetventil MV angeordnet wird.
In der Anzugsphase wird der Anker des Magnetventils MV durch Schließen des ersten Schaltgliedes S_1 angezogen. Während des Übergangs in die Haltephase wird das erste Schaltglied S_1 geöffnet. Nachdem der Strom auf den Haltewert abgesunken ist, wird das zweite Schaltglied S_2 geschlossen. Dadurch übernimmt die zweite Spannung U_2 die Versorgung des Magnetventils MV. Während der Abschaltphase wird das zweite Schaltglied S_2 geöffnet. Bei dieser Ausführungsform wird in der Anzugsphase nur das erste Schaltglied S_1 bestromt. Das zweite Schaltelement S_2 wird während dieser Zeit nicht bestromt und hat demzufolge auch keine elektrische Verlustleistung.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten dadurch, dass auf den Einsatz eines Spannungshochsetzstellers 22 oder eines Spannungstiefsetzstellers 23 zum Ableiten der ersten Spannung U_1 bzw. der zweiten Spannung U_2 aus der Bordnetzspannung U_batt verzichtet wird. Bei der Schaltungsanordnung aus Figur 3 könnten die Schaltglieder S_1 und S_2 statt wie in Figur 1 auch wie in Figur 2 angeordnet sein.
Die in Figur 3 dargestellte Schaltungsanordnung geht von einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs aus. Das 42 Volt-Bordnetz weist eine 42 Volt-Spannungsquelle 26 und eine als 12 Volt-Spannungsquelle ausgebildete weitere Spannungsquelle 27 auf. Statt der 12 Volt-Spannungsquelle könnte auch eine 9 Volt- oder eine beliebige andere Spannungsquelle vorgesehen sein. Die 42 Volt-Spannung wird hauptsächlich zur Energieversorgung von leistungsstarken Assistenzsystemen (x-by-wire-Systemen) in dem Kraftfahrzeug herangezogen. Kraftfahrzeugsysteme mit geringerer Leistungsaufnahme werden von der weiteren Spannungsquelle mit Energie versorgt.
Die 42 Volt-Spannung der 42 Volt-Spannungsquelle 26 wird als erste Spannung U_1 und die 12 Volt-Spannung der weiteren Spannungsquelle 27 als zweite Spannung U_2 herangezogen. Während der Anzugsphase liegt an dem Magnetventil MV die 42 Volt-Spannung und während der Haltephase die 12 Volt-Spannüng an. Am Ende der Haltephase wird die 12 Volt-Spannung dann abgeschaltet. Mit Hilfe der Schaltglieder S_1 und S_2 wird von der 42 Volt-Spannung auf die 12 Volt-Spannung umgeschaltet und die 12 Volt-Spannung dann abgeschaltet. Beide 42 V- und 12 V-Kreise können hinsichtlich Dynamik und Verlustleistung optimiert werden.
Statt wie in den vorangegangenen Figuren dargestellt, könnte die Ansteuerung des Magnetventils MV auch über einen Entladekondensator (nicht dargestellt) erfolgen, der über eine Spannungsquelle U_batt, 26 oder 27 aufgeladen wird, nach einem Ansteuersignal von der Spannungsquelle U_batt, 26 oder 27 getrennt wird und dann das Magnetventil MV in einer Entladekurve mit Energie versorgt. Zu Beginn der Ansteuerung während der Anzugsphase liefert der Entladekondensator eine relativ hohe Spannung, bspw. eine 42 Volt-Spannung. Während der Haltephase ist die Kondensatorspannung dann abgefallen und hat bspw. 12 Volt oder 9 Volt erreicht. Mit dieser niedrigeren Spannung wird das Magnetventil dann während der Haltephase angesteuert.
Zur Kompensation des Temperaturgangs des Spulenwiderstands der Magnetspule des Magnetventils MV kann eine Anpassung des Niveaus der Spannungen U_1 und U_2 an die Spulentemperatur vorgenommen werden. Dazu könnte die Temperatur der Magnetspulen an einer repräsentativen Stelle erfaßt werden. Durch diese Temperaturkompensation wird eine adaptive Steuerung des durch die Magnetspule fließenden Stromes auf einen konstanten Wert während der Anzugsphase bzw. während der Haltephase möglich. Alternativ könnte der durch die Magnetspule des Magnetventils MV fließende Strom erfaßt und die Spannungen U_1 und/oder U_2 an den Stromverlauf angepaßt werden, was jedoch nicht mehr erfindungssemäß ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Magnetventils (MV), insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder eines Einlass- oder Auslassventils einer Brennkraftmaschine, wobei das Magnetventil (MV) in einem drei Phasen umfassenden Zyklus gesteuert beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (MV) in einer Anzugsphase zur Erzeugung eines gesteuerten Anzugsstroms für eine vorgegebene Zeitdauer (T_1) an eine erste Spannung (U_1) vorgegebener Höhe angeschlossen wird, in einer Haltephase zur Erzeugung eines gesteuerten Haltestroms an eine zweite Spannung (U_2) vorgegebener Höhe angeschlossen wird und in einer Abschaltphase von beiden Spannungen (U_1, U_2) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (U_1) durch Spannungshochsetzung aus einer Bordnetzspannung (U_batt) abgeleitet und stabilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannung (U_2) durch Spannungsabsenkung oder Spannungshochsetzung aus einer Bordnetzspannung (U_batt) abgeleitet und stabilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Spannung (U_1) eine 42 Volt-Spannung, die in einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, und als die zweite Spannung (U_2) eine niedrigere Spannung, insbesondere eine 12 Volt-Spannung oder eine 9 Volt-Spannung, die in dem 42 Volt-Bordnetz zur Verfügung steht, herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen (U_1, U_2) derart variiert werden, dass der resultierende Anzugsstromverlauf bzw. der resultierende Haltestrom konstant sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Magnetspule des Magnetventils (MV) erfasst wird und die Spannungen (U_1, U_2) an den Temperaturgang des Spulenwiderstandes der Magnetspule angepasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (MV) in der Anzugsphase durch Schließen von zwei Schaltgliedern (S_1, S_2) an die erste Spannung (U_1) angeschlossen wird.
Verwendung einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Magnetventils (MV), insbesondere zur Betätigung einer elektrohydraulischen Gaswechsel-Ventilsteuerung, eines Einspritzventils oder eines Einlass- oder Auslassventils einer Brennkraftmaschine, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schaltungsanordnung zwei Schaltglieder (S_1, S_2) zum Anlegen einer ersten Spannung (U_1) vorgegebener Höhe an das Magnetventil (MV) während einer Anzugsphase, zum Anlegen einer zweiten Spannung (U_2) vorgegebener Höhe, die niedriger ist als die erste Spannung (U_1), an das Magnetventil (MV) während einer Haltephase und zum Trennen des Magnetventils (MV) von beiden Spannungen (U_1, U_2) in einer Abschaltphase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (U_1) zur Erzeugung eines gesteuerten Anzugsstroms und die zweite Spannung (U_2) zur Erzeugung eines gesteuerten Haltestroms dient.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Mittel zur Spannungsnachführung aufweist, um Auswirkungen von relevanten Änderungen in Magnetspulen der Magnetventile auf den durch die Magnetspulen fließenden Strom zu kompensieren.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung Mittel zur Temperaturkompensation aufweist, um die Auswirkungen einer Änderung des Spulenwiderstands der Magnetspule der Magnetventile aufgrund von Temperaturänderungen in der Magnetspule zu kompensieren.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Spannungshochsetzsteller (22) zum Ableiten der ersten Spannung (U_1) aus einer Bordnetzspannung (U_batt) und zum Stabilisieren der ersten Spannung (U_1) aufweist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Spannungstiefsetzsteller (23) oder einen Spannungshochsetzsteller zum Ableiten der zweiten Spannung (U_2) aus einer Bordnetzspannung (U_batt) und zum Stabilisieren der zweiten Spannung (U_2) aufweist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine 42 Volt-Spannungsquelle (26), die in einem 42 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung steht, zum Erzeugen der ersten Spannung (U_1) und eine weitere Spannungsquelle (27), insbesondere eine 12 Volt-Spannungsquelle oder eine 9 Volt-Spannungsquelle, die in dem 42 Volt-Bordnetz zur Verfügung steht, zum Erzeugen der zweiten Spannung (U_2) aufweist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss (20) des Magnetventils (MV) über das erste Schaltglied (S_1) an die erste Spannung (U_1) und über eine erste Diode (D_1) an die zweite Spannung (U_2) angeschlossen ist und dass ein zweiter Anschluss (21) des Magnetventils (MV) über Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung an die erste Spannung (U_1) und über das zweite Schaltglied (S_2) an Masse angeschlossen ist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Stromabbau und zur Energierückgewinnung als eine zweite Diode (D_2) ausgebildet sind.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss (20) des Magnetventils (MV) über das erste Schaltglied (S_1) an die erste Spannung (U_1) und über das zweite Schaltglied (S_2) und eine Diode (D_3) an die zweite Spannung (U_2) angeschlossen ist und dass ein zweiter Anschluss (21) des Magnetventils an Masse angeschlossen ist.