[0001] 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 Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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 Anhaftkraft des Ankers an der Polfläche des Haltemagneten und muss nun bis zur
Einleitung der eigentlichen Ventilöffnung auch noch das mechanische Ventilspiel als
freie Flugstrecke 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 der Stößel den Ventitschaft 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 können Störungen in der Funktion des
Ottomotors bezüglich Leistung, Verbrauch und Schadstoffemissionen auftreten.
[0005] Zur Ausgleich 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.
[0006] 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 einer 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.
[0007] 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.
[0008] Aus der DE 195 31 437 A1 ist 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.
[0009] 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 wird während der Messung und auch durch eine Positionierung des Ankers
in Anlage an dem Gaswechsel-Hubventil das Gaswechsel-Hubventil selber in keinem Fall
geöffnet. 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 zusätzlich 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.
[0010] Die Anmelderin hat in der nicht vorveröffentlichen Deutschen Patentanmeldung DE 102
06 031.2 ein Verfahren zum genauen Einhalten des Zeitpunktes zum Öffnen des Ventils
durch einen elektromagnetischen Aktuator bei wesentlich vermindertem Aufwand offenbart.
Dieses Verfahren zeichnet sich 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 und dort gehalten wird, ohne auf den Ventilschaft aufgesetzt zu werden.
[0011] Problematisch bleibt jedoch, dass vor oder bei Einstellung der Schwebephase ein Überschwingen
des Ankers auftreten kann. Ein Überschwingen des Ankers kann jedoch ein kurzzeitiges
Öffnen des Ventils bewirken, obwohl das Ventil geschlossen bleiben muss. So können
neben starken Einbußen im Wirkungsgrad auch Beschädigungen des Ventils bis hin zu
dessen Zerstörung auftreten.
[0012] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues Einhalten des Zeitpunktes
zum Öffnen des Ventils zu erreichen.
[0013] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weiter
ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 eine Lösung dieser Aufgabe.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0014] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass ein messbarer
Effekt ausgenutzt und insbesondere ausgewertet oder überwacht wird, um ein partielles
Ablösen des Ankers von einem jeweiligen Joch festzustellen. Als ein derartiger Effekt
wurde beobachtet, dass sich der Anker eines Aktuators bei einem bestimmten Strom teilweise
vom Joch löst. Erkennbar und überprüfbar ist dieser Zustand an einem von dem Wert
Null verschiedenen Hubwert bei einer Geschwindigkeit von Null. Anhand einer derartigen
Bestätigungsmessung kann für einen jeden Aktuator oder ein jeweiliges Modell eine
spezielle Stromschranke nach Art einer Kenngröße gemessen werden.
[0015] Vorteilhafterweise setzt der Beginn der Regelung entlang der Sollkurve nach dem Erkennen
des partiellen Ablösens des Ankers von dem Joch ein. In einer Ausführungsform der
Erfindung dient eine Strommessung der Erkennung des partiellen Ablösens durch Auswertung
einer Stromschranke l
s von l
s = l
min + Δl als Schwellwert, wobei I
min den minimalen Strom durch eine Elektromagnet-Spule des Aktuators bezeichnet und ΔI
ungefähr einen Wert von 0,5A hat.
[0016] Es wird in einer Ausführungsform der Erfindung zusätzlich ein Toleranzbereich für
diese Strom-Schwelle definiert. Dieser Toleranzbereich kann zudem durch zyklisch wiederholte
Kontrollmessungen nachgeführt werden, wie dies beispielsweise aus dem Bereich der
lernenden und/oder selbstnachführenden Systeme bekannt ist.
[0017] Daran anschließend wird gemäß der Lehre der DE 102 06 031.2 verfahren, wonach 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. Die geringe Geschwindigkeit des Ankers von Anbeginn der Überführung in
die Zwischenposition bewirkt, dass der Anker nun sicher ohne Überschwinger noch präziser
angefahren werden kann, da vorab ein partielles Ablösen des Ankers von dem Joch des
zugehörigen Elektromagneten bewirkt worden ist. 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.
[0018] 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.
[0019] 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 eine 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.
[0020] Zur Darstellung weiterer Vorteile wird nachfolgend eine Ausführungsform der Erfindung
anhand der schematisierten Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1:
- einen prinzipiellen Aufbau eines Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb
in einer geöffneten Endstellung;
- Figur 2:
- die Anordnung gemäß Figur 1 in einer geschlossenen Endstellung;
- Figuren 3a bis 3c:
- ein Gaswechselventil bekannter Bauart mit Ventilspiel in drei unterschiedlichen Betriebszuständen;
- Figur 4:
- ein zeitlicher Verlauf des Hubes des Ankers und des Ventildeckels;
- Figur 5:
- ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Gesamtfederkraft aufgetragen
über dem Ankerhub;
- Figur 6:
- eine Gegenüberstellung von zwei Ablöseverhalten und
- Figur 7:
- eine Gegenüberstellung von zwei Folgeverhalten beim Anfahren einer Zwischenposition
als Vergrößerung eines Ausschnitts von Figur 4.
[0021] In der Abbildung von Figur 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der
über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. Figur 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.
[0022] 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.
[0023] 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 ΔI 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.
[0024] In einer in der Abbildung von Figur 2 dargestellten zweiten Endposition des schwingungsfähigen
Systems ist das Hubventil 3 gegen eine Rückstellkraft der Feder 11 vollständig 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.
[0025] Da in der vorliegenden Ausführungsform des Gaswechsel-Hubventils der Ventilschaft
2 und der Stößel 10 nicht 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, so dass sich auch die Längenrelationen innerhalb der Anordnung
aus Aktuator 1 und Hubventil 3 verändern. Um einen fehlerfreien Betrieb des Motors
sicherzustellen, muss dieser Effekt einer relativen Änderung zum Sitz 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.
[0026] 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 Figur 3a bis Figur
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 Figuren 2 und 3a. Dieser Abstand muss
groß genug gewählt sein, sodass der volle Bereich einer Längenänderung ΔL der Länge
L zwischen dem Anker 4 und dem Ventildeckel 5 aufgrund von Bauteilstreuung, thermischer
Ausdehnung und Verschleiß sicher kompensiert werden kann.
[0027] Zur Verdeutlichung der Aufgabe des Software-Teils eines elektronischen Ventilspielausgleichs
wird ein Öffnungsvorgang des Hubventils 2 unter Einwirkung durch den Aktuator 1 anhand
der Figurenfolge Figur 3a bis 3c und Hinzunahme der Abbildung von Figur 4 zur Darstellung
einer Öffnungsbewegung verdeutlicht. Zu Beginn findet sich der Anker 4 in einer Schließstellung,
in der sich der Anker 4 in flächiger Anlage mit der Polfläche 13 des Öffnermagneten
8 befindet. Zu einem Zeitpunkt t
E wird durch Abschalten des Haltestroms I
h 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
t
L und damit zeitlich verzögert zu dem eigentlichen Einleitungszeitpunkt t
E. Diese Zeitverzögerung wird in der Literatur als sogenannte "Klebzeit" t
k 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 t
k in der sich nur in endlicher Zeit nach dem Abschalten des Haltestroms l
h abbauenden Remanenzmagnetfeldstärke der Öffnermagneten 8, 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 t
k kann der Einleitungszeitpunkt t
E für die Regelung der Ventilöffnungszeit ΔT nicht als Startpunkt genutzt werden.
[0028] Unter der Wirkung der Rückstellkraft der Ventilöffnerfeder 11 wird der Aktuator 1
so lange bewegt, bis sich das Ventil 3 durch Abheben des Ventilkopfs 5 aus dem Ventilsitz
6 gehoben hat. Diese Bewegung wird in zwei Abschnitten durchlaufen, wobei erst der
Stößel 10 durch den Anker 4 nach dem Überwinden der Verzögerung t
k zu dem Zeitpunkt t
s in eine Zwischenposition mit einem Hub z
s überführt wird. Dieser Hub z
s ist ein wenig kleiner als das Ventilspiel V, so dass der Stößel 10 des Aktuators
1 nicht mit dem Schaft 2 des Ventils 3 in Kontakt steht. Dieser Abschnitt der Bewegung
ist in Figur 2 mit einem Pfeil P
1 gekennzeichnet worden, der auch in Figur 4 aufgenommen ist. Damit wird ein vorzeitiges
Öffnen des Ventils 3 vermieden. Die eigentliche und nun sehr zeitgenaue Öffnung des
Ventils 3 erfolgt im Zuge eines Bewegungsabschnitts P2, in dem der Stößel 10 auf den
Schaft 2 gegen die Rückstellkraft der Rückstell- und Schießerfeder 7 drückt.
[0029] Mit dem Schließen des Ventils 3 wird die beschriebene Bewegungsfolge in umgekehrter
Richtung durchlaufen, d.h. erst schließt das Ventil 3, Kurve a in Figur 4, und anschließend
fährt der Anker 4 in seine Ruheposition. Dabei wird der Anker 4 in kurzer Distanz
über der Polfläche 13 des Schließermagneten 9 in einer Position Z
s 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 Z
o abgesetzt bzw. an dieser zur Anlage gebracht, wie in der Kurve b von Figur 4 skizziert
dargestellt.
[0030] Der Anker 4 wird im Zuge eines Regelungsvorganges bei geeigneter Bestromung mindestens
eines der Magneten 8,9 gegen die Rückstellkraft der Ventilöffnerfeder 11 sanft in
eine Zwischen-Hubposition z
s bewegt. Diese Zwischenposition z
s ist so gewählt worden, dass sie geringfügig kleiner als ein jeweiliges Ventilspiel
V der Aktuator-Ventil-Einheit ist. Damit befindet sich der Anker 4 ab einem Zeitpunkt
t
s in einem Schwebezustand, wobei der Stößel 10 fast an dem Ventilschaft 2 anliegt.
Es ist in dieser Zwischenposition somit sichergestellt, dass das Ventil 3 selber zu
diesem Zeitpunkt t
s in keinem Fall geöffnet wird, auch durch Regelabweichungen oder von außen aufgeprägte
Vibrationen nicht.
[0031] Um den Anker 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.
[0032] Der Schwebe-Zustand ist in der Abbildung von Figur 3b skizziert dargestellt und kennzeichnet
eine Bereitschaftsstellung, aus der heraus das Ventil 3 zu jedem beliebigen Zeitpunkt
t
1 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 t
1 zum Beginn einer einstellbaren Ventilöffnungszeitspanne ΔT 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
Z
s 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.
[0033] Die Abbildung von Figur 5 zeigt den Verlauf einer insgesamt auf den Anker 4 einwirkenden
Federkraft F
f über dem Hub z, hier symmetrisch zu einer neutralen Mittellage des Ankers zwischen
den Polflächen 12, 13 der Elektromagneten 8, 9 dargestellt. Der Federkraftverlauf
F
f(z) stellt sich als im Wesentlichen linearer Zusammenhang über dem Ankerhub z dar.
In Richtung auf den Öffnermagneten 8 weist die Kurve der Federgesamtkraft F
f 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 Ventilschaft 2 auftritt und im Weiteren gegen
die federnden Rückstellkräfte der Schließerseite wirken muss.
[0034] Dieser Kraftsprung kann gemäß der Lehre der DE 197 35 373 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 z
s 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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.
[0038] Jede bisherig eingesetzte Regelung wird durch die vorstehend aufgeführten Störkräfte
empfindlich beeinträchtigt. 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.
[0039] 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 Z
soll und einem Ist-Hub Z
ist wird eine Regelgröße y eingeführt als
[0040] Als Sollwerte werden ein konstanter Hub z
s als Schwebehöhe des Ankers 4 über der Polfläche 13 des Schließermagneten 9, eine
Geschwindigkeit v≈ 0 und dazu ein konsistenter Wert für den Stromfluss I durch die
Haltespule 9 vorgegeben. Dadurch, dass die Differenz zwischen Soll- und Istwerten
Z
soll, z
ist 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.
[0041] 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.
[0042] Die Einregelung einer Zwischenposition z
s ist durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen soweit sichergestellt. In dem in
der Abbildung von Figur 4 strichpunktiert dargestellten Bereich kann es jedoch vor
dem Erreichen einer stabilisierten Schwebephase zu einem Überschwingen des Ankers
4 kommen. Hierdurch kann auch dann ein kurzzeitiges Öffnen des Ventils 3 bewirkt werden,
wenn das Ventil geschlossen bleiben muss. Ein Grund für derartige Überschwinger liegt
in einer zu hohen Anfangsbeschleunigung des Ankers, die zum Ablösen von dem jeweiligen
Joch eingesetzt wird. Der Anker kann nach der Einwirkung dieser Anfangsbeschleunigung
nicht schnell genug wieder abgebremst werden kann. Es können neben Überschwingern
auch Regelungsabweichungen aufgrund von Pendelbewegungen im Hubverlauf des Ankers
4 auftreten.
[0043] Abhilfe schafft hier die Auswertung eines messbaren Effektes, der Aufschluss über
eine mindestens partielle Ablösung es Ankers 4 vom Joch eines jeweiligen Elektromagneten
gibt. Es wurde bei Messungen eines Rückholvorganges beobachtet, dass sich der Anker
4 eines Aktuators 1 bei einem bestimmten Strom I teilweise vom Joch löste. Bild 6
gibt das Messergebnis in vereinfachter Form wieder: Ein Kurvenverlauf des Hubes z(t)
ist jeweils für einen Fall u mit und einen Fall g ohne partielles Abheben dargestellt.
Die Kurve u läuft sehr schnell mit hoher Steigung aus der Nähe des Ursprungs heraus.
Der Kurvenverlauf g zeichnet sich hingegen durch einen sehr schwach ausgeprägten,
ungefähr rampenförmigen Anstieg aus, der erst ab einem vorgegebenen Zeitpunkt t
1 im Wesentlichen in den Verlauf der Kurve u übergeführt wird.
[0044] Dieser unterscheidende Abschnitt kennzeichnet ein partielles Ablösen des Ankers von
dem Joch. Erkennbar und überprüfbar ist dieser besonders erwünschte Zustand anhand
eines von dem Wert Null verschiedenen Hubwerts z bei einer Geschwindigkeit v von ungefähr
Null. Anhand einer derartigen Bestätigungsmessung kann für einen jeden Aktuator 1
oder ein jeweiliges Modell eine spezielle Stromschranke l
s nach Art einer Kenngröße eingemessen werden. In der Praxis wurde festgestellt, dass
die Stromschranke l
s sich in Abhängigkeit eines minimalen Stroms I
min, der durch eine Elektromagnet-Spule des Aktuators fließen muss, darstellen lässt
als l
s = l
min + Δl. Dabei weist die Größe Δl ungefähr einen Wert von 0,5A auf.
[0045] Eine Strommessung in Form einer einfachen Schwellwerterkennung dient der Erkennung
des partiellen Ablösens durch Auswertung einer Stromschranke l
s. Der Beginn der Regelung entlang einer Sollkurve setzt nach dem Erkennen des partiellen
Ablösens des Ankers 4 von dem Joch 12, 13 ein. Die nach dem Ablösen gegenüber dem
Stand der Technik wesentlich geringere Geschwindigkeit des Ankers 4 von Anbeginn der
Überführung in die Zwischenposition bewirkt, dass der Anker nun sicher ohne Überschwinger
noch präziser angefahren werden kann. Die nach bekannten Verfahren aufgewandte Kraft
zum Ablösen des Ankers und eine direkt nach dem Ablösen auftretende überschüssige
Beschleunigung des Ankers entfallen, da bereits vorab ein partielles Ablösen des Ankers
von dem Joch des zugehörigen Elektromagnetes bewirkt worden ist. Hierdurch wird Strom
eingespart.
[0046] Neben einer einfachen Schwellwerterkennung unter Auswertung der Stromschranke l
s wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusätzlich ein Toleranzbereich
für diese Strom-Schwelle definiert. Es ergibt sich damit eine Regelkurve mit Hysterese,
deren Breite als Stromtoleranz mit in die Regelung eingeht. Dieser Toleranzbereich
kann im Weiteren dadurch sehr gering gehalten und die Regelungsgenauigkeit erhöht
werden, dass zyklisch wiederholte Kontrollmessungen durchgeführt werden. Hierdurch
kann neben einer Bestimmung des Ventilspiels V auch die Größe der Stromschranke I
s nachgeführt werden, wie dies beispielsweise aus dem Bereich der lernenden und/oder
selbstnachführenden Systeme vom Prinzip her allgemein bekannt ist.
[0047] Die praktische Auswirkung dieses Verfahrens unter gezielter Nutzung einer partiellen
Ablösung des Ankers von dem Joch ist in Figur 7 skizziert: Die Anfangsbeschleunigung
bzw. die Anfangssteigung des Hubverlaufes nach Kurve u ist so groß, dass es zu einem
Überschwingen um die Hubposition z
s kommt. Dagegen wird der Kurvenverlauf g dieser Zielhub-Position in asymptotischer
Weise angenähert, also energieoptimiert und unter der Garantie, dass keine auch noch
so kleine und kurzfristige Ventilöffnung bewirkt wird. Hier ist aufgrund der hohe
Sicherheit auch im Grenzfall die Wahl z
s = V möglich, so dass als Zwischenposition ein jeweiliges Ventilspiel eingestellt
werden kann.
[0048] 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.
Bezugszeichenliste
[0049]
- 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
- ls
- Stromschranke
- lmin
- minimaler Strom durch eine Elektromagnet-Spule 8,9
- Δl
- Längenänderung zur Federeinstellung
- L
- Länge zwischen Anker 4 und dem Ventil 5
- t
- Zeit
- tk
- Klebzeit
- tL
- Lösezeitpunkt
- t1
- Startzeitpunkt einer Ventilöffung
- ts
- Zeitpunkt, zu dem Zwischenposition zserreicht wird
- Δt
- Zeitdifferenz zwischen Lösezeitpunkt und Startzeit der Ventilöffnung
- ΔT
- einstellbare Ventilöffnungszeitspanne
- V
- Ventilspiel
- z
- Wegkoordinate des Ankers 4 / Hub
- z0
- Startwert / Hub in Schließstellung
- ze
- Endwert / maximale Öffnungsstellung
- zs
- Zwischenposition
1. 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 Bestromung mindestens einer Elektromagnet-Spule (8, 9) bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Ausgangspunkt für eine Regelung ein messbarer Effekt ausgenutzt wird, wonach sich
der Anker (4) des Aktuators (1) insbesondere bei einem bestimmten Strom (ls) teilweise vom Joch (12, 13) löst.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Regelung entlang der Sollkurve nach dem Erkennen des partiellen Ablösens
des Ankers (4) von dem Joch (12, 13) einsetzt.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Strommessung der Erkennung des partiellen Ablösens durch Auswertung einer Stromschranke
(ls) von ls =lmin+Δl dient, wobei der additive Term (Δl) ungefähr einen Wert von 0,5A hat.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
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) knapp unterhalb einer Position
des Schaftes (2) gefahren und dort in der Schwebe gehalten wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Ansteuerung des Aktuators (1) aus dieser Bereitschaftslage (zs) in Kontakt des Ventilschaftes (2) mit dem Stößel (10) des Aktuators (1 ) heraus
ein Startzeitpunkt (t1) einer Ventilöffnung festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in weiten zeitlichen Intervallen ein jeweiliges Ventilspiel (V) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler mit Sollwerten für Strom (I), Hub (z) und Geschwindigkeit (v) verwendet
wird, der durch eine zusätzliche Regelgröße (y) erweitert wird, die aus bereits vorhandenen
Regelgrößen abgeleitet wird.
8. 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.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler unter Verwendung eines Zustandsschätzers arbeitet.
10. 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) aufweist, zwischen denen der Anker verschieblich ist, 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.