DE10019739A1 - Verfahren zur Endlagenansteuerung eines durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder jeweils zwischen den Polflächen der beiden Elektromagnete mit einem vorgegebenen Hub zwischen Offenstellung und Schließstellung des Gaswechselventils hin und her bewegbar geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagnete abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik der Hub des Ankers bei seiner Bewegung von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird, daß in Abhängigkeit von den erfaßten Istwerten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten sich mit einer gegen "Null" gehenden Geschwindigkeit bewegt und daß am Ende des Hubes die Haltebestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche schwebend gehalten wird.

Description

Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gas­ wechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten, deren Polflächen einander zugekehrt sind und zwischen denen ein auf das zu betätigende Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rück­ stellfeder zwischen einer Offenstellung und einer Schließ­ stellung für das Gaswechselventil hin und her bewegbar ge­ führt ist. Einer der Elektromagneten dient hierbei als Schließmagnet, durch den das Gaswechselventil gegen die Kraft der Öffnerfeder in Schließstellung gehalten wird, während der andere Elektromagnet als Öffnermagnet dient, durch den das Gaswechselventil über den Anker gegen die Kraft der zugeord­ neten Schließfeder in Öffnungsstellung gehalten wird.

Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß in Ruhelage der Anker sich in einer Mittelstellung zwischen den beiden Pol­ fläche befindet. Bei einer abwechselnden Bestromung der bei­ den Elektromagneten gelangt der Anker dann jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder an der Polfläche des jeweils be­ stromten und damit fangenden Elektromagneten zur Anlage. Wird an dem jeweils haltenden Elektromagneten der Haltestrom abge­ schaltet, dann wird der Anker durch die Kraft der Rückstell­ feder in Richtung auf den anderen Elektromagneten beschleu­ nigt, der während der Ankerbewegung mit einem entsprechend hohen Fangstrom beaufschlagt wird, so daß nach dem Über­ schwingen über die Mittellage der Anker durch die Magnetkraft gegen die Kraft der dem jetzt fangenden Elektromagneten zuge­ ordneten Rückstellfeder zur Anlage kommt.

Die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators erfolgt in Abhängigkeit von den der Motorsteuerung vorliegenden Be­ triebsdaten der Kolbenbrennkraftmaschine, im wesentlichen der Lastanforderung und der Drehzahl. Befindet sich das Gaswech­ selventil beispielsweise in seiner Schließstellung, d. h. der Anker liegt am Schließmagneten an, so erfolgt die Ansteuerung im wesentlichen zeitabhängig, d. h. über die Motorsteuerung unter Berücksichtigung der Kurbelwellenstellung und den Para­ metern aus der Lastvorgabe, die jeweils den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt für das Gaswechselventil festlegen. Durch das Abschalten des verhältnismäßig geringen Haltestroms wird der Beginn der Ankerbewegung eingeleitet, so daß in einem vorgebbaren Zeitabstand nach dem Abschalten des Haltestroms der Fangstrom am fangenden Elektromagneten eingeschaltet wer­ den kann. Der Zeitabstand kann hierbei über voraufgegangene empirische Daten oder auch theoretische Daten bestimmt wer­ den.

Wird nun der Fangstrom eingeschaltet, dann steigt mit zuneh­ mender Annäherung des Ankers an die Polfläche des fangenden Elektromagneten bei konstanter Bestromung die Magnetkraft progressiv an, während die in Gegenrichtung wirkende Kraft der Rückstellfeder nur linear ansteigt. Dies führt dazu, daß der Anker sich in der Endphase kurz vor dem Auftreffen auf die Polfläche des fangenden Elektromagneten mit zunehmender Beschleunigung bewegt, so daß es zu einem harten Aufprallen des Ankers auf der Polfläche kommt, was in vielerlei Hinsicht nachteilig ist, beispielsweise durch Körper- und Luftschal­ lanregung und die dadurch bedingte Geräuschentwicklung. Um dies zu vermeiden, versucht man über eine entsprechende Rege­ lung den Fangstrom kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf die Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten zu reduzie­ ren, wobei über eine Sensorik die Annäherung des Ankers er­ faßt wird. Dies kann in der Weise erfolgen, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Ankers in der Nähe der Pol­ fläche ein entsprechendes Steuersignal abgegeben wird oder aber die Ankerbewegung in diesem Nahbereich erfaßt wird. Die­ se Werte der Annäherung können dann über die Motorsteuerung bzw. über eine gesonderte Stromregelung für den Aktuator dazu benutzt werden, den Fangstrom so zu reduzieren, daß der Anker mit einer nur geringfügig über "Null" liegende Geschwindig­ keit auf die Polfläche, d. h. sanft auftrifft, so daß der be­ treffende Elektromagnet dann nur noch mit dem geringen Hal­ testrom zu beaufschlagen ist.

Diese vorbekannten Regelungen sind jedoch in sich sehr starr und berücksichtigen zum einen nicht die vielfältigen, auf das aus Anker und Gaswechselventil bestehende System einwirkenden äußeren Störkräfte und zum anderen wird die Geräuschentwick­ lung allenfalls minimiert aber nicht beseitigt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine sehr viel genauere Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators ermöglicht und eine Geräusch­ entwicklung vermeidet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Ver­ fahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswech­ selventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder zwischen den Polflächen der beiden Elek­ tromagneten mit einem vorgegebenen Hub zwischen Offenstellung und Schließstellung des Gaswechselventils bewegbar hin und her geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagne­ ten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik der Hub des Ankers bei seiner Bewegung von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird, so daß in Abhängigkeit von erfaßten Istwerten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des jeweils fangen­ den Elektromagneten sich mit einer gegen "Null" gehenden Ge­ schwindigkeit bewegt und daß am Ende des Hubes die Bestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche schwebend gehalten wird.

Der Begriff "Istwerte des Ankerhubes" enthält neben dem Zeit­ punkt des Abschaltens des Haltestroms zumindest die Erfassung der jeweiligen Endposition des Ankers und ggf. die Erfassung seiner Geschwindigkeit und seiner Beschleunigung. Je nach Art der Sensorik kann neben einer Erfassung der Position die Ge­ schwindigkeit entweder direkt erfaßt oder aus dem sich über die Positionserfassung ergebenden Ableitung des Weges nach der Zeit ebenso wie die Beschleunigung abgeleitet werden.

Der Begriff des "Ankerhubes" im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist definiert durch den Weg des Gaswechselventils zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung, und zwar ohne daß sich der Anker aufgrund eines Ventilspiels von seiner Abstützung auf dem Schaft des Gaswechselventils löst. Der Abstand der beiden Polflächen zueinander ist etwa um das Maß eines Ventilspiels größer als der Ankerhub.

Durch eine Aufteilung des Bewegungsvorganges des Ankers in drei Phasen werden die physikalischen Besonderheiten des Ak­ tuators und zwar sowohl seine individuellen mechanischen Be­ sonderheiten als auch die durch den Betrieb der Kolbenbrenn­ kraftmaschine sich ändernden Besonderheiten berücksichtigt. In der ersten Phase erfolgt nur ein "Beobachten" der Ankerbe­ wegung, über die die energetische Ausgangslage der Ankerbewe­ gung erfaßt wird, die im wesentlichen vorgegeben wird durch den tatsächlichen Zeitpunkt des Lösens von der Polfläche so­ wie durch die Kraft der den Anker beschleunigenden Rückstell­ feder einerseits sowie die dem entgegenwirkenden Reibungs­ kräfte und Gasdruckkräfte. Im Nahbereich des Elektromagneten treten beim Ablösen des Ankers zwangsläufig noch die Energie­ verluste im mechanischen System durch das in Gegenrichtung wirkende Restfeld hinzu. Diese negativen elektromagnetischen Krafteinflüsse lassen sich durch die Verwendung eines wirbel­ stromarmen Ankers und/oder durch das Aufschalten eines Stro­ mes anderer Polung, der ein auf den Anker wirkendes abstoßen­ des Magnetfeld erzeugt, noch minimieren.

Sobald sich der Anker jedoch nennenswert von der Polfläche des zuvor haltenden Elektromagneten gelöst hat, besteht kaum noch die Möglichkeit einer Einflußnahme auf den Anker und zwar weder durch eine entsprechende Bestromung des bisher haltenden Elektromagneten noch durch eine frühzeitige Be­ stromung des fangenden Elektromagneten bei einer vom Energie­ aufwand her vertretbaren Stromstärke. Der Anker weist beim Durchgang durch die Mittellage seine höchste Geschwindigkeit auf. In diesem Bereich können äußere Einflüsse, wie Zylinde­ rinnendruck, Reibungseinflüsse oder auch Aktuator-Parameter auf die Ankerbewegung einwirken.

Werden nun, wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, über die Sensorik die Istwerte des Ankerhubes zumindest in der jeweiligen Endposition erfaßt, dann besteht die Möglich­ keit, gegen Ende des Ankerhubes den fangenden Elektromagneten hinsichtlich der Bestromung so anzusteuern, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich, einem sogenannten "Ziel­ fenster", sich mit einer gegen "Null" gehenden Geschwindig­ keit und einer gegen "Null" gehenden Beschleunigung bewegt und am Ende des Ankerhubes die Haltebestromung so geführt wird, daß der Anker ohne Kontakt mit der Polfläche schwebend gehalten wird. Zusätzlich ist die Möglichkeit einer individu­ ellen Anpassung der Bestromung des jeweils fangenden Elektro­ magneten unter Berücksichtigung der während der Bewegung auf den Anker einwirkenden äußeren Störeinflüsse gegeben. Hierbei genügt es, wenn diese Vorgaben hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung in einem vorgebbaren großen Abstandsbe­ reich zur Polfläche erreicht werden.

Die mit dem Erreichen des Zielfensters beginnende Bewegungs­ phase ist gekennzeichnet durch eine geringe Ankergeschwindig­ keit und eine hohe Kraftwirkung des fangenden Magneten. Damit ist in dieser Phase über die Bestromung des fangenden Magne­ ten eine kontrollierte Führung des Ankers gegen die Kraft der Rückstellfeder bis zum Ende des Ankerhubes möglich, so daß ein Halten des Ankers in einem vorzugsweise geringen Abstand zur Polfläche sichergestellt ist.

Durch die kontrollierte Beeinflussung der Ankerbewegung in der Endphase ist es möglich, in der Schließbewegung bei ent­ sprechender Justierung des Ankerhubes bei Vorhandensein eines Ventilspiels zunächst das Ventil sanft auf dem Ventilsitz ab­ zusetzen, um dann nach einem allenfalls geringen Lösen des Ankers vom Ventil den Anker selbst schwebend vor der Polflä­ che des fangenden Magneten zu halten. Hierdurch ist gewähr­ leistet, daß das Ventil mit der vollen Kraft der Schließfeder auf seinem Ventilsitz in Schließstellung gehalten wird.

Die Bestromung der Elektromagneten kann jeweils über eine Re­ gelung der am fangenden Magneten angelegten Spannung geführt werden. Durch eine Spannungsregelung anstelle einer Stromre­ gelung lassen sich die erforderlichen Regeleingriffe sehr viel exakter und schneller bewirken, da selbst nach einem Ab­ schalten der Spannung der Strom verhältnismäßig langsam ab­ fällt und dementsprechend bei einem Aufschalten einer Span­ nung der Strom entsprechend verhältnismäßig langsam ansteigt. Die Spannungs- und Stromversorgung wird zweckmäßig dem Bord­ netz der Kolbenbrennkraftmaschine entnommen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator mit Blockschalt­ bild,

Fig. 2 den Verlauf der Ankerbewegung abhängig von der Zeit für einen vollen Betätigungszyklus,

Fig. 3 in größerem Maßstab Hubverläufe zum Beginn der Öff­ nungsbewegung,

Fig. 4 in größerem Maßstab einen Hubverlauf in Offenstel­ lung,

Fig. 5 in größerem Maßstab Hubverläufe bei Erreichen der Schließstellung,

Fig. 6 einen Verlauf der Ankerbewegung in Schließstellung bei großem Ventilspiel,

Fig. 7 den Hubverlauf beim Stillsetzen des Aktuators aus der Schließstellung heraus.

In Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator 1 zur Betäti­ gung eines Gaswechselventils 2 dargestellt, der im wesentli­ chen aus einem Schließmagneten 3 und einem Öffnermagneten 4 besteht, die im Abstand zueinander angeordnet sind und zwi­ schen denen ein Anker 5 gegen die Kraft von Rückstellfedern, nämlich einer Öffnerfeder 7 und einer Schließfeder 8 hin und her bewegbar geführt ist. In der Zeichnung ist die Anordnung in Schließstellung dargestellt und zwar in der "klassischen" Anordnung der Öffnerfeder und der Schließfeder. Bei dieser Anordnung wirkt die Schließfeder 8 unmittelbar über einen mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 verbundenen Federtel­ ler 2.2 ein. Die Führungsstange 11 des Ankers 5, die in sich geteilt sein kann, ist vom Schaft 2.1 getrennt. In der Regel ist ein sogenanntes Ventilspiel VS vorhanden. Die Öffnerfeder 7 stützt sich wiederum auf einem Federteller 11.1 an der Füh­ rungsstange 11 ab, so daß unter der Wirkung von Öffnerfeder 7 in der dargestellten Position die Führungsstange 11 auf den Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 gedrückt wird. Bei Vorhan­ densein eines Ventilspielausgleichs entspricht der Abstand VS dem vorgesehenen Schwebebereich.

Es ist auch möglich, an der Stelle der Öffnerfeder 7 nur eine einzige Rückstellfeder vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß sie jeweils beim Überschwingen des Ankers 5 über die Mittel­ lage eine entsprechende Rückstellkraft aufbaut. Eine geson­ derte Schließfeder 8 entfällt damit. Bei einer derartigen An­ ordnung muß allerdings die Führungsstange 11 mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils über ein entsprechendes Kop­ pelelement verbunden sein, das die Hin- und Herbewegung des Ankers in gleicher Weise auf das Gaswechselventil 2 über­ trägt.

Die Schließfeder 8 und die Öffnerfeder 7 sind in der Regel so ausgelegt, daß in Ruhestellung, d. h. bei nichtbestromten Elektromagneten der Anker 5 sich in der Mittellage befindet. Aus dieser Mittellage heraus muß dann beim Start Anker 5 mit seinem Gaswechselventil 2 angeschwungen werden.

Die Bestromung der Elektromagneten 3 und 4 des Aktuators 1 erfolgt über einen ihm zugeordneten Stromregler 9.1, der von einer elektronische Motorsteuerung 9 entsprechend den vorge­ gebenen Steuerprogrammen und in Abhängigkeit von den der Mo­ torsteuerung zugeführten Betriebsdaten, wie Drehzahl, Tempe­ ratur etc. angesteuert. Während es grundsätzlich möglich ist, für alle Aktuatoren an einer Kolbenbrennkraftmschine einen zentralen Stromregler vorzusehen, ist es für das Verfahren nach der Erfindung zweckmäßig, wenn jedem Aktuator ein eige­ ner Stromregler zugeordnet ist, der mit einer zentralen Span­ nungsversorgung 9.2 verbunden ist und der von der Motorsteue­ rung 9 angesteuert wird.

Dem Aktuator 1 ist ein Sensor 10 zugeordnet, der die Erfas­ sung der Ankerfunktionen ermöglicht. Der Sensor 10 ist hier schematisch dargestellt. In bevorzugter Auslegung des Sensors wird der Hub des Ankers 5 erfaßt, so daß die jeweilige Anker­ position der Motorsteuerung 9 und/oder dem Stromregler 9.1 übermittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 oder dem Stromregler 9.1 kann dann über entsprechende Rechenoperatio­ nen ggf. auch die Ankergeschwindigkeit und/oder die Beschleu­ nigung ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der An­ kerposition und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwin­ digkeit und/oder der Beschleunigung die Bestromung der beiden Elektromagneten 3, 4 in der Fangphase und in der Haltephase gesteuert werden kann.

Der Sensor 10 muß nicht zwangsläufig, wie dargestellt, einer mit dem Anker 5 in Verbindung stehenden Taststange 11.1 zuge­ ordnet sein. Es ist auch möglich, einen entsprechend ausge­ bildeten Sensor dem Anker 5 seitlich zuzuordnen oder auch entsprechende Sensoren im Bereich der Polfläche der jeweili­ gen Elektromagneten anzuordnen.

Der Stromregler 9.1 weist ferner entsprechende Mittel zur Er­ fassung von Strom und Spannung für den jeweiligen Elektroma­ gneten 3 und 4 sowie zur Veränderung des Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs auf. Über die Motorsteuerung 9 kann dann in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsprogrammen, ggf. gestützt auf entsprechende Kennfelder, der Aktuator 1 des Gaswechselventils 2 voll variabel angesteuert werden, so bei­ spielsweise hinsichtlich des Beginns und des Endes der Öff­ nungszeiten. Auch Ansteuerung hinsichtlich der Höhe des Öff­ nungshubes oder auch der Zahl der Öffnungshübe während der Schließzeit sind steuerbar. Auch kleine Öffnungshübe aus dem geschlossenen Zustand durch "langsam schwebendes" Ablösen und "langsam schwebendes" Aufsetzen des Ventils sind möglich.

Entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung ist die Be­ stromung des Schließmagneten 3 über den Stromregler 9.1 so geführt, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche des Schließmagneten 3 bei idealer Bestromung so gehalten wird, daß der Anker 5 mit seiner Führungsstange 11 noch im Kontakt mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils steht. Die durch die Haltebestromung erzeugte Magnetkraft des Schließmagneten 3 ist im Idealfalle so geführt, daß die Kraft in der Kontakt­ fläche zwischen der Führungsstange 11 und dem Ventilschaft 2.1 gegen "Null" geht und somit das Gaswechselventil 2 mit der vollen Kraft der Schließfeder 8 auf seinen Ventilsitz ge­ drückt wird. Der verbleibende Spalt zwischen der Polfläche des Schließmagneten 3 und der zugekehrten Fläche des Ankers 5 entspricht hierbei in etwa dem Ventilspiel VS.

In Fig. 2 ist in bezug auf das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 mit der Linie 12 schematisch der Verlauf der Ankerbewegung über einen vollen Bewegungszyklus dargestellt.

Durch die punktiert gerandeten Felder I, II und III werden der Nahbereich an der Polfläche des haltenden Schließmagneten 3 und der Nahbereich des haltenden Öffnermagneten 4 markiert. Diese Nahbereiche werden für die Erläuterung in den Fig. 3, 4 und 5 in größerem Maßstab dargestellt.

In Fig. 2 ist mit der Kurve 12 der Verlauf des Hubes des An­ kers 5 in Abhängigkeit von der Zeit für ein volles Ventil­ spiel dargestellt, und zwar beginnend mit der in Fig. 1 dar­ gestellten Schließstellung über die Öffnungsstellung bis zu­ rück in die vollständige Schließstellung. Die Linie 13 kenn­ zeichnet die Position der Polfläche des Schließmagneten 3 und die Linie 14 kennzeichnet die Position der Polfläche des Öff­ nermagneten 4. Im Verhältnis zur Hubkurve ist ersichtlich, daß die Haltebestromung der beiden Elektromagneten 3 und 4 so geführt ist, daß der Anker 5 schwebend vor der jeweiligen Polfläche gehalten wird.

In Fig. 3 ist in größerem Maßstab der in Fig. 2 mit I gekenn­ zeichnete Bereich dargestellt. Die Linie 13 zeigt wiederum die Position der Polfläche des Schließmagneten. Der Kurvenast 12 zeigt den Verlauf der Bewegung aus der schwebenden Halte­ stellung des Ankers nach dem Abschalten der Haltbestromung. Aus dem Verlauf ist ersichtlich, daß mit dem Abschalten der Haltebestromung die Ankerbewegung ohne Klebzeit und ohne überlagerte Schwingungen einsetzt.

Mit dem Kurvenast 15 ist hierzu im Vergleich der Verlauf des Hubweges des Ankers 5 dargestellt, wenn der Schließmagnet 4 so stark bestromt ist, daß der Anker an der Polfläche zur An­ lage kommt. Nach dem Abschalten der Haltbestromung, die zum gleichen Zeitpunkt erfolgt wie für den Kurvenverlauf 12, wird der Anker trotzdem vom Schließmagneten 4 während einer soge­ nannten Klebzeit gehalten, bis die Kraft des sich verzögernd abbauenden Magnetfeldes so gering ist, daß die Rückstellkraft der Öffnerfeder 7 ausreicht, um den Anker 5 zu bewegen. Nach einer anfänglich sehr hohen Beschleunigung trifft der Anker mit seiner Führungsstange 11 nach Überwindung des Ventil­ spiels VS auf das Ende des Ventilschaftes 2.1 auf, wobei nach einem anfänglichen Prellvorgang dann die Gesamtmasse von An­ ker und Gaswechselventil weiter beschleunigt wird, wobei je nach den Feder-Massen-Verhältnissen diesem Bewegungsweg eine Schwingung überlagert bleibt.

In Fig. 4 ist dann in größerem Maßstab der Bereich II in Fig. 2 dargestellt, nämlich die Bewegung des schwebend gehaltenen Ankers in der Offenstellung. Durch eine zwischen einem unte­ ren und einem oberen Haltestromniveau haltende Bestromung mit nach Vorgabe des Schwebereglers 9.1 variabler Frequenz und variablem Taktverhältnis schwingt infolge der hierdurch be­ wirkten, pulsierend auf den Anker 5 einwirkenden Haltemagnet­ kraft auch das Gaswechselventil um ein geringes Maß, wobei über die Federkraft die Führungsstange 11 fest am freien Ende des Ventilschaftes 2.1 anliegt. Diese geringe Hin- und Herbe­ wegung des Ventils in seiner Offenstellung ist für die Strö­ mungsvorgänge ohne Belang.

Wird die Haltebestromung am Öffnermagneten 4 abgeschaltet, dann bewegt sich der Anker 5 zunächst unter der Kraftwirkung der Schließfeder 8 wieder in Richtung auf die Polfläche des Schließmagneten 3. Je nach der durch die Regeleinrichtung vorgegebenen Betriebsweise wird dann der fangende Schließma­ gnet 3 entsprechend bestromt, um die nach dem Überschreiten der Mittellage durch eine entsprechende Magnetkraft die nun­ mehr entgegenwirkende Kraft der Öffnerfeder 7 zu überwinden. Die Bewegung ist hierbei so geführt, daß nach einer anfängli­ chen Beschleunigung über eine entsprechende Bestromung des fangenden Schließmagneten 3 die Geschwindigkeit und auch die Beschleunigung in Abhängigkeit von der über den Sensor 10 er­ faßten Ankerposition gegen "Null" wird, so daß der Anker 5 wiederum schwebend im Abstand vor der Polfläche des Schließ­ magneten 3 gehalten wird.

Die Linie 16 in Fig. 5 zeigt den Verlauf des Ankerhubes bis zum Aufsetzen des Gaswechselventils 2 auf seinem Ventilsitz (Punkt 17). Durch eine gezielte Erhöhung der Haltebestromung des Schließmagneten 3 kann über den Sensor 10 erfaßt werden, ob sich die Führungsstange 11 noch im Kraftschluß mit dem Ventilschaft 2.1 befindet. Der Kraftschluß ist dann gegeben, wenn sich statt einer schwingenden Bewegung lediglich als Re­ aktion der Stromerhöhung entsprechende "Peaks" 18 erkennen lassen.

Im Vergleich zu Fig. 5 ist in Fig. 6 die Situation darge­ stellt, wenn bei einem erhöhten Haltestrom die Führungsstange 11 vom Ventilschaft 2.1 abhebt und der Anker unter dem Ein­ fluß der gezielt geregelten Haltebestromung in dem durch das Ventilspiel vorgegebenen Freiraum ohne Kontakt mit der Pol­ fläche (Linie 13) in gleicher Weise geringfügig hin und her schwingt, wie dies in der Offenstellung des Ventils entspre­ chend Fig. 4 der Fall ist. Dieser Bewegungsverlauf stellt sich bei entsprechender Regelung der Haltebestromung immer dann ein, wenn das vorhandene Ventilspiel so groß ist, daß bei einem Kontakt zwischen Führungsstange 11 und Ventilschaft 2.1 in der Schließstellung der zwischen dem Anker 5 und der Polfläche des Schließmagneten 3 vorhandene Luftspalt die Vor­ gabe eines zu hohen Haltestroms erfordert.

Da sowohl in der Schließstellung als auch in der Offenstel­ lung der Anker 5 ohne Kontakt mit der Polfläche nur durch die Magnetkraft mittels einer geregelten Haltebestromung gehalten ist, bietet das vorstehend beschriebene Verfahren auch die Möglichkeit, bei einem Stillsetzen der Kolbenbrennkraftma­ schine die Gaswechselventile aus der jeweiligen Endstellung, sei es die Schließstellung, sei es die Offenstellung, in ei­ nem "geführten" Hubverlauf in die Mittellage zu bewegen. Dies ist in Fig. 7 dargestellt.

Die Linie 19 in Fig. 7 zeigt den Hubverlauf bei einem Ab­ schalten der Haltebestromung, die sowohl für ein an der Pol­ fläche des haltenden Elektromagneten anliegenden Ankers wie auch für einen mit Abstand zur Polfläche des haltenden Elek­ tromagneten schwebend gehaltenen Ankers gilt. Da nach dem Ab­ schalten der Haltebestromung der Anker 5 ausschließlich der Beschleunigungskraft der zugeordneten Rückstellfeder ausge­ setzt ist, wird der Anker mit großer Geschwindigkeit in Rich­ tung auf die Mittellage bewegt, die er infolge der Bewegungs­ energie gegen die Kraft der anderen Rückstellfeder zunächst überschwingt, so daß der Anker und damit das Gaswechselventil infolge der fehlenden Magnetkraft des anderen Elektromagneten erst nach mehrfachem Überschwingen der Mittellage zur Ruhe kommt. Dieses mehrfache Überschwingen der Mittellage führt zu einer erheblichen Geräuschentwicklung sowohl im Lufteinlaß­ trakt wie auch im Gasauslaßtrakt.

Wird jedoch die Haltebestromung des jeweils haltenden Elek­ tromagneten nur kurz abgeschaltet oder abgesenkt, um eine Be­ schleunigung herbeizuführen, dann auf ein Niveau unterhalb des Gleichgewichtsniveaus zwischen Federkraft und Magnetkraft erhöht, um Bewegung zu dämpfen, dann kann der Anker aus sei­ ner schwebenden Endstellung praktisch schwingungsfrei in die Mittellage zurückgeführt werden, wie dies mit der Linie 20 dargestellt ist.

Da über den Stromregler die Hubbewegung jeweils beim Errei­ chen der Endlage so geführt wird, daß die Geschwindigkeit ge­ gen "Null" tendiert und die Beschleunigung zwischen kleinen positiven und negativen Werten hin und her gedreht wird, be­ darf es zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes des Ankers in geringem Abstand zur Polfläche des jeweils haltenden Elek­ tromagneten in etwa einer gleichen mittleren Haltestromhöhe, wie sie zum Halten des Ankers an der Polfläche benötigt wird. Lediglich die Taktung der Haltebestromung muß sensibler va­ riabel geführt werden, da die Wirkung der "Klebkraft" ent­ fällt.

Der Hubverlust durch das Halten des Ankers im Schwebezustand führt zu geringeren Maximalgeschwindigkeiten des Ankers, re­ duziert jedoch, wie vorstehend beschrieben, die Ablöseverlu­ ste, so daß auf der Seite des fangenden Elektromagneten auch eine geringere Energieeinkopplung notwendig ist, um die glei­ che schwebende Endposition zu erreichen.

Eine Rekalibrierung des Signals des Sensors 10 kann durch ei­ ne einmalige absolute Zuordnung des Ventilspielmeßwertes, beispielsweise als Funktion der Temperatur erfolgen. Dieser Wert wird dann benutzt, um die relative Erfassung des Hubes, bezogen auf den Kontaktpunkt zwischen Ventil und Anker, in einen absoluten Rahmen zu stellen. Alternativ kann eine Sen­ sorkalibrierung durch die sich einstellende Haltestromhöhe im Schwebezustand durchgeführt werden, da diese Stromhöhe im we­ sentlichen eine Funktion des Abstandes zwischen dem Anker und der Polfläche in der Schwebeposition ist.

Der Zeitpunkt und auch der Ort des Bewegungsbeginns entspre­ chend dem Ablösen von der Polfläche wird durch die auftreten­ den Regelschwingungen in der Haltestellung mit den dadurch in ihrer Größe wechselnden Luftspalten unscharf, dafür entstehen jedoch keine Verzugszeitschwankungen, da sich über die Strom­ regelung die Möglichkeit ergibt, durch eine entsprechende Luftspaltbreite die Flugzeit des Ankers in gewissen Grenzen zu beeinflussen.

Schwankungen der Maximalgeschwindigkeit und damit der Flug­ zeit infolge der "Ortsunschärfe der Endlage" können über die bekannten Systemparameter, wie beispielsweise eine entspre­ chende Regelschwingungscharakteristik in den Endlagen kompen­ siert werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktua­ tors zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolben­ brennkraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeord­ neten Elektromagnete aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von we­ nigstens einer Rückstellfeder jeweils zwischen den Polflächen der beiden Elektromagneten mit einem vorgegebenen Hub zwi­ schen Offenstellung und Schließstellung des Gaswechselventils hin und her bewegbar geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagneten abwechselnd mit einem Fangstrom beauf­ schlagt werden und über eine Sensorik der Hub des Ankers bei seiner Bewegung von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird, daß in Abhängigkeit von den erfaßten Istwerten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Pol­ fläche des jeweils fangenden Elektromagneten sich mit einer gegen "Null" gehenden bewegt und daß am Ende des Hubes die Haltebestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche schwe­ bend gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Haltebestromung jeweils zwischen einem oberen und einem unteren Haltestromniveau so geführt wird, daß die sich hieraus ergebende pulsierende Hubbewegung im Bereich eines gegebenen Ventilspiels liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Stillsetzen der Kolbenbrennkraftmaschine die Höhe der Haltebestromung zum Ablösen des Ankers kurz abgesenkt und sofort wieder auf ein Niveau nahe unterhalb des Stromhöhe für das Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft und Magnetkraft liegt, um so ein Abdriften des Ankers bis in die durch die Auslegung der Rückstellfeder definierte Mittellage des Ankers zwischen den Polflächen zu erreichen.