Titel:

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 Kraftoder Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, handeln, der zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystems benötigt wird.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das zur Ausführung von Schritten des vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet ist.

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 fehlenden hydraulischen Dämpfung kommt es bei einem Gasventil leicht zu starken Schließprellern. Diese haben eine erhebliche Mehrmenge bei der Einspritzung sowie einen starken Sitzverschleiß zur Folge. Darüber hinaus gehen Schließpreller mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung einher. Für den Betrieb des Gasventils muss daher eine robuste Maßnahme zum Dämpfen des Schließvorgangs gefunden werden. Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Insbesondere soll die Einschlaggeschwindigkeit beim Schließen des Gasventils reduziert werden, so dass zum einen eine Robustheitssteigerung erreicht wird, zum anderen ein Wiederöffnen des Gasventils aufgrund von Schließprellern vermieden wird.

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 wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils wird zum Öffnen eines Dichtsitzes eine auf einen Magnetanker einwirkende Magnetspule bestromt, so dass ein mit dem Dichtsitz zusammenwirkendes Ventilglied durch den Magnetanker aus dem Dichtsitz gehoben wird. Zum Schließen des Dichtsitzes wird die Bestromung der Magnetspule beendet, so dass das Ventilglied durch die Federkraft einer Schließfeder in den Dichtsitz zurückgestellt wird, wobei mit der Rückstellung des Ventilglieds in den Dichtsitz sich der Magnetanker vom Ventilglied löst und einen Freihub ausführt. Erfindungsgemäß wird während des Schließens ein Bremsstrom an die Magnetspule angelegt und in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers wird die Bestromung der Magnetspule unterbrochen und/oder die Stromhöhe variiert.

Durch den anliegenden Bremsstrom wird der Magnetanker in seiner Bewegung abgebremst, so dass er mit verringerter Geschwindigkeit seinen Anschlag erreicht. Der Einschlagimpuls am Anschlag wird dadurch verringert bzw. gedämpft. Entsprechend steigt die Robustheit des Gasventils im Bereich des Anschlags bzw. der den Anschlag ausbildenden Kontaktflächen. Zudem werden starke Schließpreller vermieden, die nach dem Schließen zu einem Wiederöffnen des Gasventils führen. Als vorteilhaft erweist sich in diesem Zusammenhang auch der Freihub des Magnetankers gegenüber dem Ventilglied. Dadurch, dass bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Bremsstrom in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers angelegt wird, kann der Magnetanker - im Vergleich zu einer Dauerbestromung - deutlich effektiver gebremst werden. Denn die mit Hilfe der Magnetkraft angestrebte Bremswirkung wird dann erzielt, wenn sich der Magnetanker in Richtung des Anschlags bewegt. Kehrt sich die Bewegungsrichtung des Magnetankers nach Erreichen des Anschlags aufgrund von Schließprellern um, hat die Magnetkraft die gegenteilige Wirkung. Das heißt, dass der Magnetanker nicht gebremst, sondern beschleunigt wird. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann dem entgegengewirkt werden, indem in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers die Bestromung der Magnetspule unterbrochen und/oder die Stromhöhe variiert wird. Dies führt im Ergebnis dazu, dass der Bremsstrom pulsierend appliziert wird.

Eine pulsierende Bremsstromapplikation nach dem vorgeschlagenen Verfahren erfordert die Kenntnis der Bewegungsrichtung des Magnetankers. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass zur Detektion der Bewegungsrichtung des Magnetankers eine Regelfrequenzanalyse des Strom- und/oder Spannungssignals durchgeführt wird. Denn die Bewegungsrichtung des Magnetankers hat Einfluss auf die Regelfrequenz. Der Einfluss ist darauf zurückzuführen, dass die Induktivität der Magnetspule zunimmt, je kleiner der Arbeitsluftspalt zwischen dem Magnetanker und einem Polkörper des Magnetkreises wird. In der Folge erhöht sich die Regelfrequenz. Demgegenüber führt mit größer werdendem Arbeitsluftspalt die induzierte Spannung zu einem Stromanstieg. In dieser Phase findet - abhängig von der Geschwindigkeit des Magnetankers - entweder keine Stromregelung oder eine Stromregelung mit niedriger Regelfrequenz statt.

Bevorzugt wird ein Bremsstrom nur dann angelegt, wenn sich der Magentanker in Richtung eines dichtsitzfernen Anschlags und/oder Umkehrpunkts bewegt, so dass auf eine Bremsstromphase eine Bestromungspause folgt. Das heißt, dass die Bestromung mindestens einmal unterbrochen wird, und zwar dann, wenn sich der Magnetanker nach Erreichen des Anschlags und/oder Umkehrpunkts in die andere Richtung bzw. in Richtung des Ventilglieds bewegt. Die Bestromungspause verhindert, dass der Magnetanker in Richtung des Ventilglieds beschleunigt wird und dieses ggf. erneut aus dem Dichtsitz hebt, so dass das Gasventil wieder öffnet. Ändert der Magnetanker aufgrund von Schließprellern seine Bewegungsrichtung mehrfach, wechseln sich idealerweise Bremsstromphasen und Bestromungspausen ab.

Des Weiteren wird daher vorgeschlagen, dass auf die Bestromungspause eine erneute Bremsstromphase folgt, wenn der Magentanker einen dichtsitznahen Anschlag und/oder Umkehrpunkt erreicht hat.

Wechseln sich Bremsstromphasen und Bestromungspausen ab, wird weiterhin vorzugsweise in jeder weiteren Bremsstromphase ein Stromniveau gewählt, das maximal gleich hoch wie das Stromniveau der vorhergehenden Bremsstromphase ist. Denn mit jeder weiteren Umkehr der Bewegungsrichtung verringert sich auch die Geschwindigkeit des Magnetankers, so dass die Bremswirkung ebenfalls geringer ausfallen kann. Bevorzugt wird daher in jeder weiteren Bremsstromphase das Stromniveau gesenkt.

Alternativ oder ergänzend zu einer Unterbrechung des Bremsstroms kann die Stromhöhe des Bremsstroms in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers variiert werden. Auf eine Bremsstromphase folgt dann keine Bestromungspause, sondern eine weitere Bremsstromphase, jedoch auf einem veränderten Stromniveau. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers das Stromniveau soweit abgesenkt werden, dass die Magnetkraft der Magnetspule keinen oder nur noch einen sehr geringen Einfluss auf die Bewegung des Magnetankers hat. Dies ist von Vorteil, wenn der Magnetanker seinen Anschlag bereits erreicht hat und sich vom Anschlag wieder in Richtung des Ventilglieds bewegt. Da die Magnetkraft entsprechend klein ist, wird der Magnetanker nicht oder nur sehr wenig beschleunigt, so dass es nicht zu einer unerwünschten Nacheinblasung kommt.

Demzufolge wird bevorzugt die Stromhöhe des Bremsstroms reduziert, wenn der Magnetanker einen dichtsitzfernen Anschlag und/oder Umkehrpunkt erreicht hat. Ferner bevorzugt wird die Stromhöhe des Bremsstroms wieder angehoben, wenn der Magentanker einen dichtsitznahen Anschlag und/oder Umkehrpunkt erreicht hat. Der sich erneut in Richtung des dichtsitzfernen Anschlags und/oder Umkehrpunkts bewegende Magnetanker wird dann in seiner Bewegung mittels Magnetkraft erneut gebremst.

Die Aufrechterhaltung der Bestromung auf einem sehr geringen Stromniveau in den Phasen, in denen sich der Magnetanker bei bereits geschlossenem Gasventil in Richtung des Ventilglieds bewegt, besitzt den Vorteil, dass der Bremsstrom als Sensorstrom genutzt werden kann. Insbesondere kann mit Hilfe des Sensorstroms die Bewegungsrichtung des Magnetankers detektiert werden.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der Bremsstrom nicht zu Beginn eines Schließvorgangs, sondern erst zum Ende eines Schließvorgangs hin appliziert, um die Dynamik des Schließvorgangs nicht zu beeinträchtigen. In jedem Fall wird der Bremsstrom vor dem Schließen des Gasventils appliziert, das heißt vor dem Zeitpunkt, in dem das Ventilglied in den Dichtsitz zurückgestellt wird. Denn dann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens zugleich eine Schließzeitpunkterkennung realisiert werden.

Hierzu wird vorzugsweise während einer ersten Bremsstromphase die Stromhöhe stetig gesteigert, bis ein erstes Zielniveau von beispielsweise 4 A bis 10 A erreicht ist. Mit Erreichen des ersten Zielniveaus wird dann eine Freilaufphase eingeleitet, in der ein neues Zielniveau für den Bremsstrom definiert wird, das maximal identisch zum ersten Zielniveau ist. Die Freilaufphase wird beendet, wenn der Magnetanker seine Bewegungsrichtung umkehrt, wobei vorzugsweise zum Beenden der Freilaufphase eine Löschspannung angelegt wird.

Das Erreichen des hohen ersten Zielniveaus stellt sicher, dass eine ausreichend hohe Magnetkraft zum Abbremsen der Bewegung des Magnetankers erzeugt wird. Damit sinkt die Gefahr von Schließprellern. Zugleich steigen die Robustheit und die Zumessgenauigkeit des Gasventils. Die anschließende Freilaufphase kann dann zur Schließzeitpunkterkennung genutzt werden, wobei der Zeitpunkt detektiert wird, in dem die Rückstellung des Ventilglieds in den Dichtsitz erfolgt, das heißt das Gasventil tatsächlich schließt. Da sich am Ende eines Einblasvorgangs der Magnetanker vom Ventilglied löst und einen Freihub ausführt, korreliert die Bewegung des Magnetankers nicht mit der des Ventilglieds. Die Ankerbewegung kann daher nicht zur Detektion des Schließzeitpunkts herangezogen werden.

Bevorzugt wird durch Auswerten des Strom- und/oder Spannungsverlaufs während der Freilaufphase der Schließzeitpunkt des Gasventils detektiert. Dies ist möglich, da sich mit Schließen des Gasventils der Magnetanker vom Ventilglied löst und sich weiterbewegt bzw. einen Freihub ausführt. Sobald sich der Magnetanker vom Ventilglied gelöst hat, fällt abrupt die durch die Federkraft der Schließfeder bewirkte Beschleunigung des Magnetankers weg, was eine starke Geschwindigkeitsänderung verursacht. Diese ist nicht nur an einem Knick in der Geschwindigkeitskurve erkennbar, sondern kann ferner am Strom- und/oder Spannungssignal abgelesen werden.

In Kenntnis des Schließzeitpunkts können Änderungen erkannt und ggf. die Ansteuerung des Gasventils an die Änderungen angepasst werden. Auf diese Weise kann ein Regelkreis zur Regelung des Schließzeitpunkts realisiert werden. Durch die Schließzeitpunkterkennung kann demnach die Zumessgenauigkeit des Gasventils weiter gesteigert werden.

Als Spannungsquelle für den zu applizierenden Bremsstrom kann eine Boostspannung oder eine Batteriespannung verwendet werden. In mobilen Anwendungen kann beispielsweise die Batteriespannung einer Fahrzeugbatterie genutzt werden.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Steuergerät zur Ansteuerung eines Gasventils vorgeschlagen. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann mit Hilfe des Steuergeräts ein pulsierender Bremsstrom an die Magnetspule des Gasventils angelegt werden. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts der Strom- und/oder Spannungsverlauf zur Detektion der Bewegungsrichtung des Magnetankers und/oder des Schließzeitpunkts des Gasventils ausgewertet werden.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen: Fig. 1 Diagramme zur graphischen Darstellung a) des Stromverlaufs, b) des Spannungsverlaufs und c) des Ankerhubs während eines Öffnungs- und Schließvorgangs eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils,

Fig. 2 a) ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Ankerhubs und b) einen schematischen Längsschnitt durch ein Gasventil während einer ersten Phase der Bremsstromapplikation,

Fig. 3 a) ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Ankerhubs und b) einen schematischen Längsschnitt durch ein Gasventil während einer zweiten Phase der Bremsstromapplikation,

Fig. 4 a) ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Ankerhubs und b) einen schematischen Längsschnitt durch ein Gasventil während einer dritten Phase der Bremsstromapplikation,

Fig. 5 a) und b) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein Gasventil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ansteuerbar ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Diagramme der Figur 1 zeigen a) den Stromverlauf, b) den Spannungsverlauf und c) den Ankerhub während eines Öffnungs- und Schließvorgangs eines elektromagnetisch ansteuerbaren Gasventils 1, wie beispielhaft in den Figuren 2 bis 5 dargestellt. Zum Öffnen wird zunächst eine Magnetspule 4 bestromt, deren Magnetkraft auf einen Magnetanker 3 wirkt, so dass dieser in Richtung der Magnetspule 4 gezogen wird, wobei der Magnetanker 3 ein Ventilglied 5 aus einem Dichtsitz 2 hebt, so dass das Gasventil 1 öffnet. Das Gasventil 1 ist somit als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Das Schließen wird mit Hilfe einer Schließfeder 6 bewirkt, mittels welcher das Ventilglied 5 in Richtung des Dichtsitzes 2 vorspannt ist (siehe beispielhaft Figur 2b)). Zum Öffnen wird daher zunächst die Magnetspule 4 bestromt, wobei die Bestromung eine Boostphase zum anfänglichen Öffnen, eine Anzugsphase zum weiteren Öffnen und eine Haltephase zum Offenhalten umfasst (siehe Figur 1 a)). In jeder Phase erfolgt eine Reduzierung des Stromniveaus. Zum Schließen wird die Bestromung der Magnetspule 4 beendet, so dass die Schließfeder 6 das Ventilglied 5 in den Dichtsitz 2 zurückstellt. Das Ventilglied 5 nimmt dabei den Magnetanker 3 mit. Im Zeitpunkt ti ist das Ventilglied 5 in den Dichtsitz 2 zurückgestellt, so dass ab diesem Zeitpunkt der Magnetanker 3 seine Bewegung allein fortsetzt und bis zum Erreichen eines Anschlags 7 einen Freihub hp ausführt. Da die Beschleunig durch die Federkraft der Schließfeder 6 entfällt, reduziert der Magnetanker 3 seine Geschwindigkeit, was am Strom- und/oder Spannungsverlauf ablesbar ist, so dass anhand dessen der Schließzeitpunkt ti des Gasventils 1 detektiert werden kann.

Mit Erreichen des Anschlags 7 im Zeitpunkt ts kommt es zu sogenannten Schließprellern und der Magnetanker 3 kehrt seine Bewegungsrichtung um. Das heißt, dass er sich wieder in Richtung des Ventilglieds 5 bewegt, so dass die Gefahr besteht, dass das Gasventil 1 erneut öffnet. Das Ventilglied 5 bildet dabei einen weiteren Anschlag 8 für den Magnetanker 3 aus. Dies hat zur Folge, dass sich die Bewegungsrichtung des Magnetankers 3 erneut umkehrt und er sich wieder in Richtung des Anschlags 7 bewegt. In der Figur lc) erfolgt jeweils in den Zeitpunkten ts bis te eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Magnetankers 3. Die Änderung der Bewegungsrichtung ist dabei wiederum am Strom- und/oder Spannungssignal ablesbar, so dass mittels einer Analyse der Regelfrequenz die Ankerbewegung detektiert werden kann. Denn wie aus dem Spannungsverlauf der Figur lb) ersichtlich, ändert sich die Regelfrequenz in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Magnetankers 3.

Die Kenntnis der Bewegungsrichtung des Magnetankers 3 ermöglicht eine Ansteuerung des Gasventils 1 nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, das nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren 2 bis 4 erläutert wird.

In der Figur 2b) ist zunächst beispielhaft ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Gasventil 1 dargestellt. Dieses umfasst eine Magnetspule 4 zur Einwirkung auf einen Magnetanker 3, der mit einem Ventilglied 5 koppelbar ist. Das Ventilglied 5 ist mittels einer Schließfeder 6 in Richtung eines Dichtsitzes 2 vorgespannt.

Die Figur 2a) zeigt den Stromverlauf während eines Öffnungs- und Schließvorgangs des Gasventils 1 der Figur 2b). Während des Schließens wird nach einer Bestromungspause eine Bremsstromphase A eingeleitet, die eine Freilaufphase umfasst. Mit dem Schließen des Gasventils 1 löst sich der Magnetanker 3 vom Ventilglied 5 und setzt seine Bewegung allein fort, bis er im Zeitpunkt ts einen Anschlag 7 erreicht. Mit Erreichen des Anschlags 7, was anhand des Stromverlaufs detektiert werden kann, wird die Bremsstromapplikation unterbrochen. An die Bremsstromphase A schließt sich somit eine Bestromungspause B an. Dies ist beispielhaft für dasselbe Gasventil 1 in den Figuren 3a) und 3b) dargestellt. Denn mit Erreichen des Anschlags 7 kehrt der Magnetanker 3 seine Bewegungsrichtung um und bewegt sich nun in Richtung des Ventilglieds 5 (siehe Figur 3b)). Dieses bildet einen weiteren Anschlag 8 aus, so dass eine erneute Umkehr der Bewegungsrichtung erfolgt und der Magnetanker 3 sich erneut in Richtung des ersten Anschlags 7 bewegt. Um in dieser Phase die Bewegung des Magnetankers 3 erneut abzubremsen, folgt auf die Bestromungspause B eine erneute Bremsstromphase A, wie beispielhaft in den Figuren 4a) und 4b) dargestellt. Da sich in der weiteren Bremsstromphase A der Magnetanker 3 bereits deutlich langsamer bewegt, kann die Stromhöhe gegenüber der ersten Bremsstromphase A reduziert werden. Abhängig von den Bewegungen des Magnetankers 3 können die Phasen beliebig oft wiederholt werden.

Das in den Figuren 2 bis 4 gezeigte Gasventil 1 ist nur beispielhaft ausgewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch mit anderen Gasventilen 1 ausführen. Beispiele sind den Figuren 5a) und 5b) zu entnehmen. In der Figur 5a) weist das Gasventil 1 eine zusätzliche Ankerfeder 9 auf, deren Federkraft den Magnetanker 3 in Richtung des Ventilglieds 5 bzw. des unteren Anschlags 8 vorspannt. Das heißt, dass beim Öffnen des Gasventils 1 der Magnetanker 3 bereits am Ventilglied 5 anliegt und nicht erst einen Freihub ausführen muss. In der Figur 5b) weist das Gasventil 1 ebenfalls eine zusätzliche Ankerfeder 9 auf, die jedoch den Magnetanker 3 in Richtung des oberen Anschlags 7 vorspannt.