Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung von Schaltmagneten

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung eines Schaltmagneten, insbesondere von Elektromagneten für Stellglieder von Brennkraftmaschinen, soll der Energie- und der Materialbedarf erheblich herabgesetzt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß der Spulenstrom des Elektromagneten vor dem erwarteten Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche linear geregelt wird. Vorzugsweise erfolgt dabei das Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche des Elektromagneten während der linearen Regelung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung von Schaltmagneten, insbesondere von Elektromag­neten für Stellglieder von Brennkraftmaschinen.

[0002] Bei Verdrängungsmaschinen ist eine anpassungsfähige Steuerung zum Ein- und Ausströmen des Arbeitsmediums erforderlich, um den Ar­beitsprozeß nach den jeweilig erforderlichen Gesichtspunkten optimal beeinflussen zu können. Der Ablauf der Steuerung hat da­bei großen Einfluß auf verschiedene Parameter, beispielsweise die Zustände des Arbeitsmediums vor, im und nach dem Arbeitsraum, die Arbeitsfrequenz und die Vorgänge im Arbeitsraum. Die Notwendig­keit einer anpassungsfähigen Steuerung ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen gegeben, da sie bei sehr unterschiedlichen Betriebszuständen instationär arbeiten und eine entsprechend variable Zwangssteuerung der Gaswechselventile vorteilhaft ist.

[0003] Zur Steuerung der Gaswechselventile in Brennkraftmaschinen wur­den bisher im wesentlichen Nockenwellen verwendet. Eine variable Steuerung ist hier nur mit sehr hohem technischen Aufwand mög­lich. Daneben sind elektromagnetische Steuerungen von Gaswech­selventilen an Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bei denen die Schließkraft auf das Gaswechselventil von einer Feder aufge­bracht wird, während die Öffnungskräfte von einem entsprechend angesteuerten Elektromagneten erzeugt werden, wie es beispiels­weise in DE-OS 20 63 158 beschrieben ist.

[0004] Bei elektromagnetischen Steuerungen dieser Art ist ein wesent­liches Problem, die erforderlichen hohen elektromagnetischen Kräfte aufzubringen, die erforderlich sind für die Betätigung des mit dem Stellglied verbundenen Ankers. Dies führt zu einem ver­ hältnismäßig hohen Energieverbrauch und auch zu einem unerwünsch­ten Materialaufwand.

[0005] Die Erfindung bezweckt daher, bei Schaltmagnetanordnungen der be­schriebenen Art den Energieverbrauch bzw. den Stromverbrauch her­abzusetzen und dementsprechend auch eine Materialersparnis zu er­reichen.

[0006] Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Spu­lenstrom des Elektromagneten vor dem erwarteten Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche linear geregelt wird.

[0007] Dabei ist es zweckmäßig, daß das Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche des Elektromagneten während der linearen Regelung erfolgt.

[0008] Besondere Vorteile sind erreichbar, wenn der Spulenstrom des Elektromagneten vor und/oder nach dem Auftreffen des Magnetan­kers auf der Polfläche des Elektromagneten durch eine Zweipunkt­regelung (Taktung) bestimmt wird.

[0009] Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist vorgesehen, daß der Spulenstrom des Elektromagneten nach dem Einschalten zunächst ungeregelt bis zum Wert I0 ansteigt und anschließend eine Zwei­punktregelung (Taktung) erfolgt.

[0010] Auch kann es zweckmäßig sein, daß der Spulenstrom des Elektromag­neten nach dem Einschalten zunächst ungeregelt bis zum Wert I0 ansteigt und anschließend eine Linearregelung erfolgt.

[0011] Der Elektromagnet kann dabei zur Feststellung des Auftreffens des Magnetankers auf der Polfläche mit einem konstanten Strom beauf­schlagt werden, und der Auftreffzeitpunkt wird dann als Änderung der Spannung über der Magnetspule festgestellt.

[0012] Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal kann der Spulenstrom nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach dem Auftreffen des Mag­netankers auf der Polfläche wieder durch eine Zweipunktregelung (Taktung) bestimmt werden.

[0013] Auch kann es Vorteile bieten, daß eine Umschaltung auf die Bestim­mung des Spulenstromes durch Zweipunktregelung (Taktung) durch die Feststellung des Auftreffens des Magnetankers auf der Polf­läche ausgelöst wird.

[0014] Weiterhin kann es zweckmäßig sein, daß anstelle von Elektromagne­ten mit Weicheisenkern zusätzlich oder ausschließlich Elektromag­nete mit Ankern und/oder Kernen aus permanentmagnetischem Materi­al verwendet werden.

[0015] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 zeigt den Stromverlauf in Abhängigkeit von der Zeit wäh­rend einer Schaltperiode.

[0016] Wie Fig. 1 zeigt, ist eine Magnetspule 1 eines Schaltmagneten, der ein durch eine Diode 2 angedeuteter Freilaufzweig parallel geschaltet ist, einerseits mit einer Spannunsquelle 6 und ande­rerseits mit einer durch einen Transistor 3 angedeuteten End­stufe verbunden. Mit der Magnetspule 1 ist auch eine Schaltung 5 verbunden, welche das Auftreffen des Magnetankers auf der Pol­fläche des Elektromagneten detektiert. Die Schaltung 5 ist ihrer­seits mit einer Endstufenansteuerung 4 verbunden, welche bei­spielsweise eine Ansteuerung der Spule bewirken kann, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

[0017] Wie Fig. 2 zeigt, steigt der Strom in der Spule des Elektromag­neten nach dem Einschalten zunächst ungeregelt auf den Wert I0 an, da die Endstufenansteuerung 4 dafür sorgt, daß der Strom in dem Zeitraum von A bis B voll durchgeschaltet wird.

[0018] Nach Erreichen des Wertes I0 wird der Strom in dem Zeitraum von B bis C zwischen den Werten I1 und I2 getaktet. In dem vorgegebenen Zeitpunkt C, der vor dem Auftreffen des Magnetankers auf der Pol­fläche liegt, erfolgt eine Umschaltung auf Linearregelung, bei der der Strom den Wert I3 hat. In der Zeit der Linearregelung von C bis D ist die Schaltung 5 aktivierte um das Auftreffen des Mag­netankers auf die Polfläche in der angegebenen Weise zu detektie­ren.

[0019] Anschließend kann im Zeitpunkt D, der der Zeitpunkt des Auftref­fens sein kann, wieder bis E auf Taktung umgeschaltet werden. Auch ist es möglich, daß die Umschaltung nach Ablauf einer vorge­gebenen Zeit nach dem Auftreffen erfolgt. Im Zeitpunkt E wird bis zu einer weiteren Arbeitsperiode abgeschaltet.

[0020] Die Erfindung bietet besondere Vorteile beim Ansteuern von Elek­tromagneten, insbesondere für Stellglieder an Brennkraftmaschi­nen, bei denen der Zeitpunkt des Ankerauftreffens detektiert wer­den soll, um Einflüsse der Fertigung, Temperatur, Versorgungs­spannung o. dgl. ausgleichen zu können.

[0021] Üblicherweise geschieht die Detektierung des Ankerauftreffens durch Auswertung des Stromeinbruchs, der bei Annähern des Ankers an den Magneten auftritt. Dazu ist es jedoch erforderlich, daß der Strom im wesentlichen nur durch Induktivität, Spulenwider­stand und Versorgungsspannung bestimmt wird. Der Strom, steigt dann jedoch möglicherweise auf Werte, die für den Betrieb des Stellgliedes eigentlich nicht notwendig sind.

[0022] Diese unnötig hohen Ströme und damit Energieverbräuche werden er­findungsgemäß dadurch umgangen, daß der Strom auf eine Höhe I0 begrenzt wird und über eine energiesparende 2-Punktregelung (Tak­tung und Freilauf) geregelt wird. Da eine genaue Detektion des Ankerauftreffzeitpunktes während der Taktpause äußerst schwierig ist, wird in dem Zeitbereich des Ankerauftreffens eine Linear­stromphase eingefügt. Während dieser Zeit ist eine Erkennung des genauen Auftreffzeitpunktes durch Auswertung der elektrischen Spannung über der Magnetspule möglich. Nach Detektion des Auf­treffens kann wieder auf eine energieoptimale 2-Punkt-Regelung umgeschaltet werden.

[0023] Der wesentliche Vorteil ist eine besonders energiesparende Steu­erung, wobei eine Versorgungsspannungskompensation ebenso wie eine Temperaturkompensation nicht erforderlich ist.

[0024] Wie bereits erwähnt wurde, ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Elektromagnete mit Weicheisenkern beschränkt, da auch der Einsatz von Elektromagneten mit Ankern und/oder Kernen aus per­manentmagnetischem Material Vorteile bieten kann.

[0025] Bei Verwendung von permanentmagnetischen Ankern und/oder Kernen erfolgt das Ablösen des Ankers von der Polfläche durch Aufprägen eines kurzen Gegenstromes. Zum Unterstützen des Anzugsvorganges muß der Permanentmagnet im allgemeinen zusätzlich magnetisiert werden; dies erfolgt in gleicher Weise wie bei Magneten mit Weicheisenkern.

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung der Ankerbewegung eines Schaltmagne­ten, insbesondere von Elektromagneten für Stellglieder von Brenn­kraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenstrom des Elektromagneten vor dem erwarteten Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche linear geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche des Elektromagne­ten während der linearen Regelung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenstrom des Elektromagneten vor und/oder nach dem Auf­treffen des Magnetankers auf der Polfläche des Elektromagneten durch eine Zweipunktregelung (Taktung) bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich­net, daß der Anstieg des Spulenstroms des Elektromagneten auf einen maximalen Wert I0 begrenzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeich­net, daß der Spulenstrom des Elektromagneten nach dem Einschal­ten zunächst ungeregelt bis zum Wert I0 ansteigt und anschließend eine Zweipunktregelung (Taktung) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeich­net, daß der Spulenstrom des Elektromagneten nach dem Einschalten zunächst ungeregelt bis zum Wert I0 ansteigt und anschließend eine Linearregelung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeich­net, daß der Elektromagnet zur Feststellung des Auftreffens des Magnetankers auf der Polfläche mit einem konstanten Strom beauf­ schlagt wird und der Auftreffzeitpunkt als Änderung der Spannung über der Magnetspule festgestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeich­net, daß der Spulenstrom des Elektromagneten nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach dem Auftreffen des Magnetankers auf der Polfläche wieder durch eine Zweipunktregelung (Taktung) bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeich­net, daß eine Umschaltung auf die Bestimmung des Spulenstromes des Elektromagneten durch Zweipunktregelung (Taktung) durch die Feststellung des Auftreffens des Magnetankers auf der Polfläche ausgelöst wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeich­net, daß anstelle von Elektromagneten mit Weicheisenkern zusätz­lich oder ausschließlich Elektromagnete mit Ankern und/oder Ker­nen aus permanentmagnetischem Material verwendet werden.

Zeichnung