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