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Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators - Dokument DE10206031B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10206031B4 30.08.2007
Titel Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Reif, Konrad, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Andersson, Daniel, 80538 München, DE;
Seethaler, Rudolf, 81735 München, DE;
Cosfeld, Ralf, 80807 München, DE
DE-Anmeldedatum 14.02.2002
DE-Aktenzeichen 10206031
Offenlegungstag 04.09.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.08.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01L 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Ventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.

Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen. In Hubkolben-Brennkraftmaschinen werden Gaswechel-Hubventile durch derartige Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d. h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Ein zu diesem Zweck eingesetzter bekannter Aktuator umfasst als wesentliche Bestandteile einen Anker, der zwischen Polflächen von zwei Elektromagneten axial verschieblich angeordnet ist und durch mindestens ein Federelement in einer Mittellage zwischen den beiden Polflächen gehalten wird. Der Antrieb des als Hubventil ausgebildeten Gaswechsel-Ventils erfolgt über einen Stößel, der mit dem Anker des Aktuators starr verbunden ist. In einer geschlossenen Stellung des Ventils befindet sich der Ventilteller in einem Ventilsitz, und der Anker des Aktuators befindet sich gegen die Rückstellkraft des Federelements in Anlage mit der Polfläche der Schließerspule. Zum Öffnen des Hubventils wird der Anker des Aktuators von der Schließerspule abgelöst und in Richtung auf die Öffnerspule zu bewegt. Hierbei wirkt der Stößel des Aktuators auf einen Ventilschaft des Hubventils zur Kraftübertragung ein.

Fertigungs- und Bauteiltoleranzen, unterschiedliche Wärmeausdehnung der beteiligten Bauteile sowie Alterungseinflüsse können zu erheblichen Abweichungen von einem jeweils vorgegebenen Hubwert führen. Als eine Ausgangsmaßnahme ist daher beispielsweise aus der DE 23 35 150 A bekannt, dass der Stößel des Aktuators und der Ventilschaft des Hubventils nicht einstückig miteinander verbunden sind.

Dieser mindestens zweiteilige Aufbau garantiert, dass im geschlossenen Zustand des Ventils sich einerseits der Ventilteller abdichtend in den Ventilsitz bewegt und andererseits auch der Stößel mit dem Anker in eine stationäre Ruhelage in Berührungskontakt mit der Polfläche des Schließermagneten tritt. Bei der Einleitung eines Ventilöffnungsvorganges verursacht der vorstehend beschriebene mechanische Ventilspielausgleich somit stets erst ein Ablösen des Ankers von der Polfläche des Schließermagneten, worauf erst der Stößel in Kontakt mit dem Ventilschaft tritt, um schließlich den Ventilteller gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder anzuheben. Ein punktgenaues Einhalten des Zeitpunktes zum Öffnen des Ventils erweist sich mithin als schwierig. Dabei wird eine Öffnungsphase des Ventils weiterhin durch eine Umpolung oder Abschaltung des Stromflusses durch den Haltemagneten eingeleitet. Daraufhin löst sich der Anker weit verzögert nach Überwinden einer Anhaftekraft des Ankers an der Polfläche des Haltemagneten und muss nun bis zur Einleitung der eigentlichen Ventilöffnung auch noch das mechanische Ventilspiel als Freiflugstrecke überwinden. Die Größe des Ventilspiels ist jedoch, wie vorstehend bereits angedeutet, derart bemessen, dass beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungen bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu keinem Zeitpunkt dazu führen können, dass bei einem Halten des Ankers in Schließstellung dieser den Ventilteller berührt oder aber das Ventil sogar aufdrückt und somit teilweise öffnet. Die Addition von Bauteiltoleranzen und unterschiedlichsten Temperaturausdehnungen der beteiligten Bauteile sowie von Alterungseinflüssen führt jedoch dazu, dass das mechanische Ventilspiel in der Regel nicht exakt bekannt ist. Dadurch treten Störungen in der Funktion des Ottomotors bezüglich Leistung, Verbrauch und Schadstoffemissionen auf.

Zur Ausschaltung eines Ventilspiels sind diverse Ansätze bekannt, denen stets eine mechanische Kopplung von Ventilschaft und Stößel des Aktuators gemein ist. Das vordem freie Ventilspiel wird hierbei durch einen mehr oder weniger frei einstellbaren Stellmechanismus an jeweils aktuelle Gegebenheiten angepasst. Zu diesem Zweck offenbart die DE 199 47 848 A1 federelastisch-mechanische Mittel oder hydraulisch arbeitende Längenausgleichsmittel. Durch diese Mittel ist jedoch nur das vormals freie Ventilspiel durch einen geregelten Ausgleich der vorstehend aufgeführten Längen- und Toleranzänderungen auf Kosten eines sehr hohen mechanischen Aufwandes ersetzt, da auf stark beengtem Bauraum eine erforderliche Versorgung eines derartigen Ausgleichsmechanismus beispielsweise mit Hydraulikmedium und Zuleitungen etc. untergebracht werden muss. Zusätzliche Verluste durch Reibung und erhöhte bewegte Massen wirken sich jedoch äußerst negativ auf die Ventilhuberzeugung, auf deren Regelung und den Gesamt-Energiehaushalt des Systems aus.

Deutlich vorteilhafter ist es daher, wenn der elektromagnetische Aktuator die Funktion des Ventilspielausgleichs selber übernimmt. In der DE 198 32 198 ist ein Verfahren offenbart, in dem der Anker unter Verwendung eines geeigneten Regelungsverfahrens aus einer Ruheposition in Anlage an der Polfläche eines Haltemagneten heraus zunächst eine Zwischenposition anfährt. Diese Zwischenposition ist durch ein Aufsetzen eines Teils des Ankers auf dem als Hubventil ausgebildeten Gaswechselventil gekennzeichnet. Damit ist das Ventilspiel mit dem Erreichen dieser Zwischenposition das Ventilspiel im Zuge eines elektronisch geregelten Ventilspielausgleichs bereits überbrückt worden. Aus dieser Zwischenposition heraus wird dann der eigentliche Vorgang der Ventilöffnung betrieben. Dementsprechend wird bei einem Schließvorgang des Gaswechsel-Hubventils zunächst eine erste Endlage des Ankers angefahren, die dem Aufsetzen des Gaswechsel-Hubventils auf seinem Ventilsitz entspricht. Daran anschließend wird der Anker in eine zweite Endlage gefahren, die seiner eigenen mechanischen Endlage entspricht, also der vorstehend beschriebenen Ruheposition in Anlage an der Polfläche des Haltemagneten bzw. Schließermagneten. Dieser letzte Teilhub entspricht wiederum dem Ventilspiel. Eine zuverlässige Implementierung eines derartigen Verfahrens insbesondere als Ventilspiel-Ausgleichsfunktion in einem elektromagnetischen Ventiltrieb eines Brennkraftmaschine macht es erforderlich, dass die Position des Ankers zwischen den Polflächen stets genau bestimmen werden kann und zudem jede gewünschte Zwischenposition zwischen dem Öffnermagneten und dem Schließermagneten angefahren werden kann. Ein Regler nach der Lehre der DE 198 32 198 ist dazu geeignet, es ist aber auch darüber hinaus zwingend erforderlich, dass ein jeweils aktuelles Ventilspiel, das sich laufend zumindest geringfügig ändert, bekannt ist.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Bestimmung eines jeweiligen Ventilspiels bekannt. In der DE 195 29 155 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Messung des Ventilspiels bekannt, bei dem aus Unregelmäßigkeiten in einem zeitlichen Verlauf des Energieeinsatzes an dem Schließmagneten anhand einer Messung von Strom und/oder Spannung auf das Auftreffen des Ankers auf das Gaswechselventil zur Bestimmung der Größe des Ventilspiels schließt.

Aus der DE 195 31 437 A1 ist ein elektrisches Verfahren zur Messung des Ventilspiels an einem Gaswechselventil offenbart, das auf einer relativ genauen Bestimmung der Klebzeit sowie einer Vorabbestimmung einer Zeitspanne vom Loslösen bis zum Auftreffen des Ankers beruht. Dieses Verfahren setzt Vermessung verschiedener Differenzzeitgrößen auf, sodass sich Messungenauigkeiten sehr rasch aufsummieren können und im Endeffekt zu unsicheren Ergebnissen führen.

Als wesentlich zuverlässiger hat sich ein Verfahren gemäß der DE 198 34 545 A1 herausgestellt. Hier wird die Messung in einer Zeitspanne durchgeführt, in der sich bei geschlossenem Gaswechsel-Hubventil ein Kolben des zugehörigen Brennkraftmaschinen-Zylinders nahe seines oberen Totpunktes befindet. Durch den in dieser Phase im Zylinderinnern herrschenden hohen Druck während der Messung und auch durch eine Positionierung des Ankers in Anlage an dem Gaswechsel-Hubventil das Gaswechsel-Hubventil selber in keinem Fall geöffnet wird. Die Messung selber erfolgt als Auswertung der Unregelmäßigkeit in einem zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers. Es wird also im Gegensatz zu der Lehre der DE 195 31 437 A1 neben einem Positionssensor, der für eine stets erforderliche Positionsbestimmung immer vorhanden ist, kein weiterer Sensor benötigt. Die Messung erfolgt auf der Basis der Auswertung eines Geschwindigkeitssignals, das aus dem zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers gewonnen wird: Bei einem realen Ventilspiel wird der Anker aus der Halteposition an der Polfläche des Schließermagneten heraus beschleunigt. Sobald der Anker aber auf dem Gaswechselventil auftrifft ändert sich sein zeitlicher Bewegungsablauf, da der Widerstand des ruhenden Gaswechselventils in der Ankergeschwindigkeit eine signifikante Abnahme hervorruft. Diese Änderung kann auch nach einer nur geringfügigen Beschleunigung und einer sehr kurzen Wegstrecke durch den Wegsensor detektiert werden, so dass auf dieser Grundlage das Ventilspiel festgestellt werden kann. Diese Messung wird gemäß der Lehre der DE 198 34 545 A1 periodisch oder stochastisch unter Zwischenschaltung mehrerer Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine wiederholt.

Aus der DE 100 19 745 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem eine Aufteilung des gesamten Bewegungsvorganges beim Überführen des Ankers von einer Polfläche hin zu einer anderen in drei Phasen aufgeteilt wird. Hierdurch sollen die physikalischen Besonderheiten der jeweiligen Phasen mit dem Ziel besser berücksichtigt werden, dass der Anker mit einer vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit definiert auf die Polfläche eines jeweils fangenden Elektromagneten auftrifft. Dabei ist vorgesehen, dass der gesamte Bewegungsvorgang sensorisch überwacht wird.

Zur genaueren Ansteuerung von Aktuatoren und für einen geräuschärmeren Betrieb ist in der DE 100 19 739 A1 unter Anwendung von Prinzipien der DE 100 19 745 A1 offenbart, dass der Anker in jeder Totpunktlage mit geringem Abstand zu einer jeweiligen Polfläche schwebend gehalten wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues Einhalten des Zeitpunktes zum Öffnen des Ventils durch einen elektromagnetischen Aktuator bei wesentlich vermindertem Aufwand zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weiter ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 7 eine Lösung dieser Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass der Anker des Aktuators in einer Vorbereitungsphase von der Polfläche des Schließermagneten abgehoben wird und der Stößel des Aktuators mit sehr geringer Geschwindigkeit in einen Bereich des Ventilschaftes herangefahren wird, ohne auf den Ventilschaft aufgesetzt zu werden. Damit wird auch ohne stetig wiederholte Messung, die beispielsweise nach der Lehre der DE 198 34 545 A1 durchgeführt wird, sichergestellt, dass das Gaswechselventil nicht außerhalb einer jeweils vorgesehenen Zeit oder vorzeitig geöffnet wird. Auch gegen sonstige, sich langsam aufbauende Toleranzänderungen, aber auch gegen Vibrationen der Brennkraftmaschine selber oder eines durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs ist ein erfindungsgemäßes Verfahren bei vermindertem Mess- und Rechenaufwand ausreichend tolerant.

An diese Vorbereitungsphase anschließend erfolgt ein Öffnen des Hubventils durch zusätzliche Bestromung der Schließerspule quasi sofort. Durch die Ansteuerung des Aktuators aus dieser Bereitschaftslage gerade ohne Kontakt des Ventilschaftes mit dem Stößel des Aktuators heraus ist damit ein Startzeitpunkt der Ventilöffnung exakt festgelegt. Dadurch, dass der Ventilschaft mit dem Stößel bereits zu diesem Zeitpunkt fast in Anlage ist, treten bei Herstellung eines Kontakts bzw. einer Anlage von Stößel an dem Ventilschaft nur geringe Geräuschentwicklungen und auch auf Dauer gesehen sehr wenig Verschleiß auf. Es kann daher auch auf Dämpfungsmechanismen, wie sie nach dem Stand der Technik vorgesehen sein können, verzichtet werden.

In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird zur Verbesserung der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Regler mit Sollwerten für Strom, Hub und Geschwindigkeit verwendet, der durch eins zusätzliche Regelgröße erweitert wird. Als Integral der Differenz zwischen einem Soll-Hub und einem Ist-Hub wird eine neue Regelgröße eingeführt, durch die auch sehr geringe dauerhafte Abweichungen erkannt und ausgeregelt werden. Insbesondere wird ein Klebenbleiben des Ankers auf der Polfläche bzw. dem Joch verhindert, ohne dass ein weiterer Sensor benötigt werden würde. Das aus dem Hubsignal abgeleitete Geschwindigkeitssignal kann vorzugsweise dadurch verbessert und insbesondere geglättet werden, dass der Regler unter Verwendung eines Zustandsschätzers oder Beobachters arbeitet. Hierdurch wird auch die Qualität des neuen Differenz-Integrals verbessert.

Zur Darstellung weiterer Vorteile wird nachfolgend eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb in einer geöffneten Endstellung;

2: das Ventil gemäß 1 in einer geschlossenen Endstellung;

3a bis 3c: ein Gaswechselventil bekannter Bauart mit Ventilspiel in drei unterschiedlichen Betriebszuständen;

4: ein Verlauf des Hubes des Ankers und des Ventildeckels;

5: einen skizzierten Verlauf des Hubes nach einer erfindungsgemäßen Regelung und

6: ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Gesamtfederkraft aufgetragen über dem Ankerhub.

In der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt mit der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventils 3 und des Aktuators 1. In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben, das Hubventil 3 ist also maximal geöffnet. Zum Überführen des Hubventils 3 in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung auf seinen Ventilsitz 6 bewegt.

Wie üblich greift an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die Ventilschließfeder 7 ist jedoch so dimensioniert, dass sie das Hubventil 3 und mit ihm auch den Aktuator 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen kann. Für die weitere Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu wird der Antrieb durch den Aktuator 1 benötigt. Der Aktuator 1 umfasst dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8, 9 einen auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3 einwirkenden Stößel 10, der den Anker 4 trägt und zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des Aktuators 1 über den Ventilschaft 2 auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3. An dem Ende des Stößels 10, das dem Ventilschaft 2 des Hubventils 3 abgewandt ist, greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an, die in der dargestellten geöffneten Endstellung entspannt ist.

Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für das die Ventilschließfeder 7 und die Ventilöffnungsfeder 11 eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstellung über eine Länge &Dgr;l im Bereich der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im Folgenden auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in seiner geöffneten Position hält.

In einer in der Abbildung von 2 dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 gegen eine Rückstellkraft der Feder 11vollständig geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einem Pol 13 der oberen Elektromagnet-Spule 9 an, die im folgenden auch als Schließer-Spule 9 bezeichnet wird, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner geschlossenen Position hält.

Da in der vorliegenden Ausführungsform des Gaswechsel-Hubventils der Ventilschaft 2 und der Stößel 10 einstückig miteinander verbunden sind, ist eine Länge L zwischen dem Anker 4 und dem Ventildeckel 5 besonders kritisch. Es ist bekannt, dass sich die Länge L während des Motorbetriebes aufgrund thermischer Ausdehnung oder sonstiger Art von Verschleiß ändert. Um einen fehlerfreien Betrieb des Motors sicherzustellen, muss dieser Effekt in einer geeigneten Weise kompensiert werden. In Motoren mit Nockenwellen wird üblicherweise ein hydraulischer Ventilspielausgleich verwendet. Neben dem komplizierten Aufbau dieser teuren und relativ störungsanfälligen Lösung wird als ein weiterer Nachteil erkauft, dass Öl in den Ventilraum austreten kann. Zur Regelung des Aktuators bietet sich daher als weitere Lösungsmöglichkeit zum Ausgleich des eingangs beschriebenen Toleranzenproblems ein elektronisch geregelter Ventilspielausgleich an. Ein elektronischer Ventilspielausgleich weist als Vorteil eine wesentlich geringere Anzahl von Komponenten auf, den Verzicht auf eine Ölversorgung für einen hydraulischen Ventilspielausgleich und eine deutliche Vereinfachung der Systemdynamik. Der elektronische Ventilspielausgleich ist ein typisches Beispiel einer mechatronischen Implementierung und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figurenfolge von 3a bis 3c beschrieben. Das Gesamtsystem setzt sich aus einem mechanischen sowie einem elektrischen und einem Software-Teil zusammen. Der mechanische Teil des Ventilspielausgleichs wird durch einen zusätzlichen freien Abstand V zwischen dem Schaft 2 des Ventils 3 sowie dem Stößel 10 des Aktuators 1 gebildet, siehe Abbildung von 3c. Dieser Abstand muss groß genug gewählt sein, sodass der volle Bereich einer Längenänderung &Dgr;L der Länge L zwischen dem Anker 4 und dem Ventildeckel 5 aufgrund von Bauteilstreuung, thermischer Ausdehnung und Verschleiß sicher kompensiert werden kann.

Zur Verdeutlichung der Aufgabe des Software-Teils eines elektronischen Ventilspielausgleichs wird ein Schließvorgang des Hubventils 2 unter Einwirkung durch den Aktuator 1 anhand der Figurenfolge 3a bis 3c und Hinzunahme der Abbildung von 4 verdeutlicht. Unter der Wirkung der Rückstellkraft der Ventilschließerfeder 7 wird der Aktuator 1 nach Umkehrung bzw. Abschaltung eines Haltestroms In lange bewegt, bis sich das Ventil 3 durch Absetzen des Ventildeckels 5 abdichtend in dem Ventil 6 geschlossen hat, Kurve a in 4. Mit dem Schließen des Ventils 3 wird der Anker 4 in kurzer Distanz über der Polfläche 13 des Schließermagneten 9 in einer Position zs in Schwebe gehalten. In einem weiteren Abschnitt des Bewegungsablaufes wird der Anker 4 dann sanft, d. h. mit einer Beschleunigung a = 0 und einer Geschwindigkeit v ≈ 0 auf der Polfläche 13 bei zo abgesetzt bzw. an dieser zur Anlage gebracht, wie in der Kurve b von 4 skizziert dargestellt.

Der Öffnungsvorgang funktioniert prinzipiell in analoger Weise und ist in der Abbildung von 5 in skizzierter Darstellung wiedergegeben. Zu Beginn findet sich der Anker 4 in einer Schließerstellung, in der der Anker 4 sich in flächiger Anlage mit der Polfläche 13 des Schließermagneten 9 befindet. Zu einem Zeitpunkt tE wird durch Abschalten des Haltestroms lh die Haltephase des Ankers 4 in der geschlossenen Stellung beendet. Tatsächlich löst sich der Anker 4 jedoch nicht sofort von der Polfläche 13 des Schließermagneten 9. Das Ablösen des Ankers 4 geschieht in der Regel erst zu einem späteren Lösezeitpunkt tL und damit zeitlich verzögert zu dem eigentlichen Einleitungszeitpunkt tE. Diese Zeitverzögerung wird in der Literatur als sogenannte "Klebzeit" tk bezeichnet. Sie ist in ihrer Größe auch innerhalb einer Baureihe von Aktuatoren 1 stets unterschiedlich und kann sich auch während des Betriebes in einem Aktuator 1 mit der Zeit verändern. Ihre Ursache hat diese Klebzeit tk in der sich nur in endlicher Zeit nach dem Abschalten des Haltestroms lh abbauenden Remanenzmagnetfeldstärke der Schließerspule 9, unterstützt durch die Haftreibung zwischen dem Anker 4 und der Polfläche 13 und eventuell noch verlängert durch einen Haftfilm aus Öl, Fett etc. an der Polfläche 13. Durch das Auftreten der Klebzeit tk kann der Einleitungszeitpunkt tE für die Regelung der Ventilöffnungszeit &Dgr;T nicht als Startpunkt genutzt werden. Erfindungsgemäß wird der Anker 4 daher im Zuge eines Regelungsvorganges bei geeigneter Bestromung des Schließermagneten 9 gegen die Rückstellkraft der Ventilöffnerfeder 11 sanft in eine Zwischen-Hubposition zs bewegt. Diese Zwischenposition zs ist erfindungsgemäß so gewählt worden, dass sie geringfügig kleiner als ein jeweiliges Ventilspiel der Aktuator-Ventil-Einheit ist. Damit befindet sich der Anker 4 ab einem Zeitpunkt ts in einem Schwebezustand, wobei der Stößel 10 fast an dem Ventilschaft 2 anliegt. Es ist somit sichergestellt, dass das Ventil 3 selber zu diesem Zeitpunkt ts in keinem Fall geöffnet wird, auch durch Regelabweichungen oder von außen aufgeprägte Vibrationen nicht.

Um den Anker erfindungsgemäß über dem Joch bzw. der Polfläche 13 des Schließermagneten 9 in der Schwebe halten zu können, ist eine geeignete Regelung vorzusehen. Hier können durch den Fachmann in geeigneter Weise angepasste Regelungen beispielsweise basierend auf den Offenbarungen der Druckschriften EP 0 973 178 A2, DE 198 34 548 A1 und DE 100 12 988 A1 vorgestellten Methoden und Regelungsverfahren eingesetzt werden. Die wesentlichen Elemente einer derartigen Regelung sind eine vorgegebene Solltrajektorie und Regler. Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve z(t) des Ankers 4 zwischen den Polflächen 12, 13 der beiden Elektromagnetspulen 8, 9.

Der Schwebe-Zustand ist in der Abbildung von 3b skizziert dargestellt und kennzeichnet eine Bereitschaftsstellung, aus der heraus das Ventil 3 zu jedem beliebigen Zeitpunkt t1 geöffnet werden kann. Damit ist sichergestellt, dass unter Anlegen einer geeigneten Bestromung nunmehr eine Öffnungsbewegung des Ventils 3 in definierter Weise und fast unmittelbar sofort stattfindet. Der neuartige Zwischenzustand kann damit frei zur Einstellung einer bestimmten Startzeit t1 zum Beginn einer einstellbaren Ventilöffnungszeitspanne &Dgr;T genutzt werden. Dabei entfallen durch die Umsetzung des beschriebenen Verfahrens in einer dementsprechenden Vorrichtung zahlreiche Probleme, wie Geräuschbelastung und Verschleiß durch kontinuierliches Aufschlagen des Stößels 10 an dem Ventilschaft 2. Dabei muss das Ventilspiel V selber in seiner Größe vorteilhafterweise nicht ganz genau bekannt sein, da nur eine Position zs angefahren wird. Ständige Messungen des Ventilspiels können damit erfallen, es reichen Überprüfungen nach eingangs unter Bezugnahme auf einschlägigen Stand der Technik beschriebenen Verfahren in weiten zeitlichen Intervallen aus.

Die Abbildung von 6 zeigt den Verlauf einer insgesamt auf den Anker 4 einwirkenden Federkraft Ff über dem Hub z, hier symmetrisch zu einer neutralen Mittellage des Ankers zwischen den Polflächen 12, 13 der Elektromagneten 8, 9 dargestellt. Der Federkraftverlauf Ff(z) stellt sich als im Wesentlichen linearer Zusammenhang über dem Ankerhub z dar. In Richtung auf den Öffnermagneten 8 weist die Kurve der Federgesamtkraft Ff jedoch einen deutlichen Kraftsprung an der markierten Stelle auf. Dieser Kraftsprung tritt zu dem Zeitpunkt an der Position des Ankerhubes z auf, an dem der mit dem Anker 4 starr verbunden Stößel 10 auf den Ventilschaf 2 auftritt und im Weiteren gegen die federnden Rückstellkräfte der Schließerseite wirken muss.

Dieser Kraftsprung kann gemäß der Lehre der DE 197 35 375 C1 durch zusätzliche Sensoren zur Bestimmung des Ventilspiels genutzt werden, oder zur Messung des Ventilspiels auf elektrischem Wege durch Messung von Strom und Spannung gemäß der Lehre der DE 195 31 437 A1. Hier wird jedoch vorzugsweise ohne zusätzliche Sensoren bearbeitet, also insbesondere nach der Lehre der DE 198 34 545 A1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Hub zs knapp vor einer Überwindung eines jeweiligen Ventilspiels V gezielt angefahren, wobei die beteiligten Elektromagneten 8, 9 jeweils zum Auf- bzw. Abbau eines magnetischen Flusses zur Überwindung dieses Kraftsprunges geeignet ausgebildet sind.

Das vorstehend beschriebene Verfahren baut darauf auf, dass der Anker 4 zuerst vollständig von der Polfläche 13 des Haltemagneten 9 abgelöst wird und danach sofort in einem geringen Abstand über der Polfläche 13 in der Schwebe gehalten wird. Dabei befindet sich der mit dem Anker 4 starr verbundene Stößel 10 nicht in Anlage an dem Ventilschaft 2. Um eine derartige Regelung zu ermöglichen muss der magnetische Fluss in dem Haltemagneten 9 zuerst so weit abgebaut werden, dass die Federkraft größer als die Magnetkraft ist. Dadurch erst kann sich der Anker 4 überhaupt in Bewegung setzen bzw. von der Polfläche 13 des Haltemagneten 9 lösen.

Sobald die Bewegung des Ankers 4 einsetzt muss sofort in geeigneter Weise gegengesteuert werden, insbesondere muss ein erforderlicher Fluss in dem Haltemagneten 9 aufgebaut werden, um den Anker 4 definiert in der Schwebe zu halten.

Durch mechanische Toleranzen, Verunreinigungen und den Einfluss von Öl auf der Grenzfläche zwischen Anker 4 und Polfläche 13 treten zusätzliche Adhäsions- und Reibungskräfte auf. Diese Kräfte sind in ihrer jeweiligen Größe nicht vorhersagbar und unterliegen auch an ein und demselben Aktuator 1 starken Schwankungen. Daher ist auch der abzubauende Fluss aus dem vorstehenden Punkt nicht genau genug vorhersagbar.

Jede bisherig eingesetzte Regelung wird durch die vorstehend aufgeführten Störkräfte empfindlich gestört. Die Zeiten bis zum Ablösen des Ankers 4 schwanken stark bis zu dem Fall hin, dass überhaupt kein Ablösen des Ankers 4 innerhalb einer jeweils verfügbaren Zeit mehr stattfindet. Der Anker 4 schwingt im Fall der vorstehend beschriebenen Störungen stark über oder kann gar nicht in der Schwebe gehalten werden.

Zur Abhilfe wird ein Regler mit Sollwerten für Strom, Hub und Geschwindigkeit genutzt, der durch eine zusätzliche Regelgröße erweitert wird. Als Integral der Differenz zwischen einem Soll-Hub zsoll und einem Ist-Hub zist wird eine Regelgröße y eingeführt als

Als Sollwerte werden ein konstanter Hub zs als Schwebehöhe des Ankers 4 über der Polfläche 13 des Schließermagneten 9, eine Geschwindigkeit v ≈ 0 und dazu ein konsistenter Wert für den Stromfluss l durch die Haltespule 9 vorgegeben. Dadurch, dass die Differenz zwischen Soll- und Istwerten zsoll, zist des Hubes z aufintegriert wird, werden auch sehr geringe dauerhafte Abweichungen erkannt und ausgeregelt. Ein Klebenbleiben des Ankers 4 auf der Polfläche 13 wird sicher verhindert, da das anwachsende Differenz-Integral einen wachsenden Stromfluss zur Folge hat. Nach kürzester Zeit werden damit Kräfte aufgebaut, die jedes bekannte Klebenbleiben des Ankers 4 auf der Polfläche 13 überwinden können. Vorteilhafterweise wird ein direkt nach dem Ablösen des Ankers 4 von der Polfläche 13 zu hoher Stromfluss in einer Weise durch die neue Regelgröße aus dem Differenz-Integral derart zurückgeführt, dass Pendelbewegungen unterdrückt oder sehr schnell ausgeregelt werden.

Der Regler ist nach dieser Ausführungsform der Erfindung ständig aktiv, d.h. von Beginn bei aufliegendem Anker bis zum Ende bei schwebendem Anker 4. So garantiert der Regler einen stets sicheren Betrieb des Aktuators 1.

Damit kann ein relativ punktgenaues Öffnen von Gaswechsel-Hubventilen 3 und mithin eine einwandfreie Motorfunktion durch exakte Ventilsteuerung bei gemindertem Aufwand sichergestellt werden. Vorteilhafterweise umfasst eine derartige Einheit für einen elektromagnetischen Ventiltrieb eine vergleichsweise geringe Anzahl von Komponenten und Einzelteilen und verzichtet insbesondere auf eine Ölversorgung eines hydraulischen Ventilspielausgleichs. Unter Verlagerung zusätzlicher Erfordernisse in dem Bereich der Regelung sowie der Aufbereitung von elektrischen Messsignalen ohne den Einsatz weiterer Sensoren etc. wird insgesamt eine Vereinfachung der Systemdynamik erreicht.

1
Aktuator
2
Ventilschaft
3
Hubventil
4
Anker
5
Ventilteller
6
Ventilsitz
7
Ventilschließfeder
8
Elektromagnet-Spule
9
Elektromagnet-Spule
10
Stößel
11
Ventil-Öffnungsfeder
12
Polfläche
13
Polfläche
&Dgr;l
Längenänderung zur Federeinstellung
t
Zeit
tK
Klebzeit
tL
Lösezeitpunkt
t1
Startzeitpunkt einer Ventilöffung
ts
Zeitpunkt, zu dem Zwischenposition zs erreicht wird
&Dgr;t
Zeitdifferenz zwischen Lösezeitpunkt und Startzeit der Ventilöffnung
&Dgr;T
einstellbare Ventilöffnungszeitspanne
V
Ventilspiel
z
Wegkoordinate des Ankers 4/Hub
z0
Startwert/Hub in Schließstellung
ze
Endwert/maximale Öffnungsstellung
zs
Zwischenposition


Anspruch[de]
Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Anker (4) des Aktuators (1) in einer Vorbereitungsphase von der Polfläche (13) des Schließermagneten (9) abgehoben wird und

der Stößel (10) des Aktuators (1) mit sehr geringer Geschwindigkeit auf den Ventilschaft (2) hinzubewegt und knapp beabstandet von diesem in einer Bereitschaftsstellung in der Schwebe gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Ansteuerung des Aktuators (1) aus dieser Bereitschaftslage heraus in Kontakt des Ventilschaftes (2) mit dem Stößel (10) des Aktuators (1) ein Startzeitpunkt (t1) einer Ventilöffnung zeitlich festgelegt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in weiten zeitlichen Intervallen ein jeweiliges Ventilspiel (V) bestimmt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler mit Sollwerten für Strom (l), Hub (z) und Geschwindigkeit (v) verwendet wird, der durch eine zusätzliche Regelgröße (y) erweitert wird, die aus bereits vorhandenen Regelgrößen abgeleitet wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Regelgröße (y) als zeitliches Integral der Differenz zwischen einem Soll-Hub (zsoll) und einem Ist-Hub (zist) bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler unter Verwendung eines Zustandsschätzers arbeitet. Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1), der einen axial zwischen Polflächen (12, 13) von zwei Elektromagneten (8, 9) verschieblichen Anker aufweist,

wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.






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