DE10019745A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines 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 Elektromagneten aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder zwischen den Polflächen der beiden Elektromagnete hin und her bewegbar geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagnete abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik die Bewegung des Ankers auf seinem Weg von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird und zwar in der Weise, daß in einer ersten Phase (I), beginnend mit der Einleitung des Lösens des Ankers von der Polfläche des haltenden Elektromagneten, über die Sensorik Istwerte der Ankerbewegung erfaßt werden, daß in einer zweiten Phase (II) in Abhängigkeit von den erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des fangenden Elektromagneten sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und einer gegen Null gehenden Beschleunigung bewegt und daß in einer dritten Phase (III) die Bestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit einer vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft.

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 einwirkenden 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.

Der Zeitpunkt des Abschaltens des Haltestroms ist jeweils ge­ nau zu erfassen, er ist jedoch nicht identisch mit dem Zeit­ punkt des Beginns der Ankerbewegung, da aufgrund der elektro­ magnetischen Vorgänge, wie langsamer Abbau des haltenden Ma­ gnetfeldes, und äußerer Einflüsse, wie Gasgegendruck gegen das zu öffnende Gaswechselventil, Reibungswiderstände etc. sich eine sogenannte "Klebzeit" für den Anker ergibt Die tat­ sächliche Ankerbewegung erfolgt somit erst mit einer gewissen Zeitverzögerung nach dem Abschalten des Haltestroms.

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 zumindest einen nicht die vielfältigen, auf das aus Anker und Gaswechselventil bestehende System ein­ wirkenden äußeren Störkräfte und zum anderen wird die Geräu­ schentwicklung nicht ausreichend minimiert.

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

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 bewegbar hin und her geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagneten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik die Bewegung des Ankers auf seinem Weg von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird und zwar in der Weise, daß in einer er­ sten Phase, beginnend mit der Einleitung des Lösens des An­ kers von der Polfläche des haltenden Elektromagneten über die Sensorik die Istwerte der Ankerbewegung erfaßt werden, daß in einer zweiten Phase in Abhängigkeit von erfaßten Istwerten der Bewegung 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 fangenden Magneten sich mit einer vorgegebenen Ge­ schwindigkeit und einer gegen "Null" gehenden Beschleunigung bewegt und daß in einer dritten Phase die Bestromung des fan­ genden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit ei­ ner vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit auf die Polfläche auf­ trifft. Das "Einleiten des Lösens des Ankers" wird definiert durch den Zeitpunkt des Abschaltens vorzugsweise des geziel­ ten Reduzierens des Haltestroms. Der Begriff "Istwerte der Ankerbewegung" enthält neben dem Zeitpunkt des Abschaltens des Haltestroms in der ersten Phase zumindest in der ersten und der zweiten Phase die jeweilige Position des Ankers, sei­ ne Geschwindigkeit und seine 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.

Durch die 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 Zylinder­ innendruck, Reibungseinflüsse oder auch Aktuator-Parameter auf die Ankerbewegung einwirken, aber über die Magnetkraft kaum beeinflußt werden. Daher ist es vor allem bei niedrigen Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine und dementsprechend geringen Bewegungsgeschwindigkeiten der Gaswechselventile, und damit des Ankers besonders vorteilhaft, wenn nicht nur am fangenden Elektromagneten die Bestromung gezielt geführt wird. Eine gezielte Führung der Bestromung des freigebenden Elektromagneten, statt eines einfachen Abschalten erlaubt es, den Bewegungsverlauf des Ankers auch in dieser Phase zu be­ einflussen und eine vorgegebenen Bewegungsablauf auch zum Be­ wegungsbeginn zu erzwingen.

Werden nun, wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, über die Sensorik die Istwerte der Ankerbewegung in der er­ sten Phase und in der zweiten Phase erfaßt, dann besteht die Möglichkeit, hieraus die jeweiligen auf den Anker einwirken­ den Störungen in der ersten Phase, die im wesentlichen durch Ablösevorgänge, auch durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch den zu überwindenden Zylinderinnendruck verursacht wer­ den, und in der zweiten Phase, die im wesentlichen durch äu­ ßere Einflüsse verursacht werden, als Stellsignal der Steue­ rung bzw. der individuellen Aktuatorsteuerung zugeführt wer­ den und hierbei schon während der zweiten Phase der fangende Elektromagnet hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wer­ den, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich, ei­ nem sogenannten "Zielfenster", sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und einer gegen "Null" gehenden Beschleuni­ gung bewegt. Damit ist die Möglichkeit einer individuellen Anpassung der Bestromung des jeweils fangenden Elektromagne­ ten, aber auch des den Anker freigebenden Elektromagneten un­ ter Berücksichtigung der während den ersten beiden Phasen der Bewegung auf den Anker einwirkenden äußeren Störeinflüsse möglich. Hierbei genügt es, wenn diese Vorgaben hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung in einem vorgebbaren Ab­ standsbereich am freigebenden und am fangenden Elektromagne­ ten erreicht werden, da im unmittelbaren Einwirkungsbereich der Magnetfelder dieser Elektromagneten über eine entspre­ chende Führung der Bestromung eine gezielte Führung Ankerbe­ wegung am Anfang und am Ende der Bewegung möglich ist.

Die dritte, mit dem Erreichen des Zielfensters beginnende 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 zur Anlage an der Polfläche möglich, so daß eine minimale Auftreffgeschwindigkeit sichergestellt ist.

Über die Erfassung der Istwerte der Ankerbewegung in der er­ sten und der zweiten Phase ist es aber auch möglich, den Ab­ standsbereich bei entsprechender Ansteuerung so vorzugeben, daß statt eines Auftreffens des Ankers auf der Polfläche der Anker in einem vorgebbaren Abstand zur Polfläche schwebend gehalten werden kann, wenn beispielsweise ein Erreichen der Endlage aus Zeitgründen nicht erwünscht ist, wie dies bei ei­ ner sogenannten Freiflugansteuerung der Fall ist.

Da in der dritten Phase eine kontrollierte Beeinflussung der Ankerbewegung möglich ist, ist auch die Möglichkeit gegeben, bei Vorhandensein eines Ventilspiels zunächst das Ventil sanft abzusetzen, um dann nach dem Lösen des Ankers vom Ven­ til den Anker selbst sanft auf der Polfläche des fangenden Magneten abzusetzen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Abstandsbereich in Abhängigkeit von den zumindest in der zweiten Phase erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers vorgegeben wird. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn der jeweils dem Aktuator zugeordnete Regler als modellbasierter Regler ausgebildet ist und somit vorausschauend das Verhalten des aus Anker und Gaswechselventil bestehenden Systems erfas­ sen kann.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Bestromung der Elektro­ magneten über eine Regelung der am fangenden Magneten ange­ legten Spannung geführt wird. Durch eine Spannungsregelung anstelle einer Stromregelung lassen sich die erforderlichen Regeleingriffe sehr viel exakter und schneller bewirken, da selbst nach einem Abschalten der Spannung der Strom verhält­ nismäßig langsam abfällt und dementsprechend frei einem Auf­ schalten einer Spannung der Strom entsprechend verhältnismä­ ßig langsam ansteigt. Da üblicherweise derartige elektroma­ gnetische Aktuatoren mit Gleichstrom beaufschlagt werden, be­ steht darüber hinaus die Möglichkeit, durch eine Spannungsum­ kehr zum Ende der zweiten Phase einen sich dem Zielfenster zu schnell nähernden Anker durch ein kurzzeitiges Erzeugen eines Gegenfeldes so abzubremsen, daß die geforderten Werte im Zielfenster erreicht werden. Die Spannungsumschaltung erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß zwischen einer Bestriebsspan­ nung, dem Spannungslossetzen (Freilauf, Kurzschluß) und einer negativen Betriebsspannung (Rückspeisung) umgeschaltet wird.

Durch eine erhöhte positive und negative Spannung kann eine schnelle Stromänderung erzwungen werden. Die Umschaltung kann hierbei sehr schnell erfolgen. Die Spannungs- und Stromver­ sorgung wird zweckmäßig dem Bordnetz der Kolbenbrennkraftma­ schine entnommen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Istwerte der Ankerbewe­ gung durch eine Sensorik mit digitaler Signalerfassung und Signalverarbeitung erfaßt werden. Eine derartige Sensorik kann beispielsweise unmittelbar die Position, d. h. Weg und/oder Geschwindigkeit am Anker bzw. an einer mit dem Anker verbundenenen Führungsstange, die als digitaler Weggeber aus­ gebildet ist, abgreifen, so daß hier sehr fein unterteilte, direkt am Anker abgegriffene Signale zur Verfügung stehen. Das Verfahren läßt sich aber auch mit einer analog oder ana­ log digital arbeitenden Sensorik verwirklichen.

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

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator,

Fig. 2 den Verfahrensablauf anhand eines Bewegungs­ diagrammes,

Fig. 3 den zum Bewegungsdiagramm gem. Fig. 2 zugehörigen Stromverlauf.

Ein elektromagnetischer Aktuator 1 zur Betätigung eines Gas­ wechselventils 2 besteht im wesentlichen aus einem Schließma­ gneten 3 und einem Öffnermagneten 4, die im Abstand zueinan­ der angeordnet sind und zwischen 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 Gaswechsel­ ventils 2 verbundenen Federteller 2.2 ein. Die Führungsstange 11 des elektromagnetischen Aktuators ist vom Schaft 2.1 ge­ trennt, in der Regel ist hier in der Schließstellung ein Spalt in Form des sogenannten Ventilspiels VS vorhanden. Die Öffnerfeder 7 stützt sich wiederum auf einem Federteller 11.1 an der Führungsstange 11 ab, so daß in der Mittellage unter der gegeneinandergerichteten Wirkung von Öffnerfeder 7 und Schließfeder 8 die Führungsstange 11 sich auf dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 abstützt.

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 in einem entsprechenden Verfahren der elektromagnetische Aktuator 2 mit seinem Gas­ wechselventil 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 Aktuatorfunktionen ermöglicht. Der Sensor 10 ist hier schematisch dargestellt. Je nach der Auslegung des Sen­ sors kann beispielsweise der Weg des Ankers 5 erfaßt werden, so daß die jeweilige Ankerposition der Motorsteuerung 9 und/oder dem Stromregler 9.1 übermittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 oder dem Stromregler 9.1 kann dann über ent­ sprechende Rechenoperationen ggf. auch die Ankergeschwindig­ keit ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der Anker­ position und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwindig­ keit die Bestromung der beiden Elektromagneten 3, 4 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. Die Zuordnung des Sensors 10 zu einer Taststange 11.1 erlaubt jedoch vorteilhaft bei ent­ sprechender Ausbildung der Taststange 11.1 als inkrementaler Weggeber eine digitale Signalerzeugung.

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 daß beispielsweise hinsichtlich des Beginns und des Endes der Öffnungszeiten. Auch Ansteuerung hinsichtlich der Höhe des Öffnungshubes oder auch der Zahl der Öffnungshübe während der Schließzeit sind steuerbar.

In Fig. 2 ist in bezug auf das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 mit der Linie 12 schematisch der Geschwindigkeitsverlauf des Ankers 5 nach dem Lösen von der Polfläche des haltenden Elektromagneten 3 dargestellt.

Dieser Geschwindigkeitsverlauf ist im wesentlichen in fünf Bewegungsbereiche A, B, C, D und E unterteilt, die durch die punktiert gerandeten Felder gekennzeichnet sind. Der Bereich A umfaßt den Nahbereich der Polfläche des Elektromagneten 3, während der Bereich E den Nahbereich des fangenden Elektro­ magneten 4 umfaßt. Die Bedeutung dieser Nahbereiche wird nachstehend noch näher erläutert.

Die Bereiche A und B sind im wesentlichen dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer ökonomischen Energieeinkopplung in den fangenden Elektromagneten 4 nach dem Abschalten des Hal­ testroms die Kraftwirkung des Elektromagneten 4 äußerst ge­ ring ist. Eine Erfassung der Ankerbewegung durch den Spulen­ strom im fangenden Elektromagneten 4 ist wegen der sehr klei­ nen Werte zwar meßbar aber nur mit hohem Aufwand umsetzbar. In diesen Bereichen können jedoch aus der Ankerbewegung äuße­ re Einflüsse, wie Zylinderinnendruck, Reibungseinflüsse und Systemparameter des Aktuators identifiziert werden. Zu den Systemparametern des Aktuators gehören auch Veränderung im Bewegungsverhalten des Ankers durch Temperatureinflüsse oder infolge von Verschleiß. Die Identifizierung dieser Parameter erfolgt durch Verarbeitung der von der Sensorik in dieser Phase erfaßten Sensorsignale. Hierzu werden bevorzugt rauschreduzierte Verfahren verwendet, insbesondere Kalman- Filter, neuronale Netze, Zustandsbeobachter. Bevorzugt können bei der Verarbeitung der Sensorsignale, die zweckmäßigerweise im Stromregler 9.1 erfolgen, auch Informationen über den Zy­ linderinnendruck, wie sie in der Motorsteuerung vorliegen, zusätzlich oder auch ausschließlich verwendet werden. Insbe­ sondere kann die Maximalgeschwindigkeit des Ankers als Maß für die benötigte Stromhöhe verwertet werden.

Der Nahbereich A des Haltemagneten 3 ist ferner charakteri­ siert durch eine starke Kraftwirkung des Haltemagneten, so­ lange hier der Haltestrom anliegt, bis zum Abbau des Restma­ gnetfeldes. In diesem Bereich weist der Anker unmittelbar nach dem Ablösen von der Polfläche nur eine geringe Geschwin­ digkeit auf. Damit ist es möglich, über eine entsprechende Bestromung des Haltemagneten, beispielsweise Aufschalten ei­ nes Spannungsimpulses zur Erzeugung eines abstoßenden Magnet­ feldes, die Anfangsbewegung und damit die Anfangsgeschwindig­ keit des Ankers zu beeinflussen. Da bedeutet aber auch die Möglichkeit einer gezielten Energiereduktion im mechanischen System bei hoher Federsteifigkeit um einen flachen Bewegungs­ verlauf zu realisieren und so eine sanfte Mitnahme des Ven­ tils durch den Ankerbolzen bei Vorhandensein eines Ventil­ spiels zu erreichen.

Im Bereich C, der praktisch einen Quasi-Freiflugbereich dar­ stellt, besteht nur eine geringe Kraftwirkung sowohl seitens des zuvor haltenden Elektromagneten 3 und des nunmehr fangen­ den Elektromagneten 4 bei einer sehr hohen Geschwindigkeit des Ankers. Bedingt durch diese Gegebenheiten ist die Bewe­ gung praktisch nicht gezielt beeinflußbar. Damit ist auch dieser Bereich bevorzugt nutzbar zur Identifikation von Para­ metern, die mit dem Gegendruck, dem Reibungsverhalten und sonstigen Störgrößen korreliert sind. Dieser Bereich kann aber auch zu einer präzisen, positionsbasierten Vorsteuerung, beispielsweise für das Einschalten der Spulenspannung am fan­ genden Elektromagneten 4 verwendet werden. Auch die hier er­ faßten Istwerte der Ankerbewegung werden zur Auswertung im Stromregler 9.1 berücksichtigt.

Beim Übergang des Ankers 5 aus dem Bereich C in den Bereich D gerät der Anker bei eingeschalteter Spulenspannung am Elek­ tromagneten 4 in den noch schwachen Einflußbereich des fan­ genden Elektromagneten 4. Der Eintritt erfolgt mit hoher Ge­ schwindigkeit. Aufgrund der zuvor in den Bereichen A, B und C erfaßten Istwerte der Ankerbewegung besteht nun hier die Mög­ lichkeit, durch eine entsprechende Korrektur des Stromniveaus die Bewegung des Ankers so zu beeinflussen, daß er im Über­ gang zum Bereich E, also in einem vorgebbaren geringen Ab­ stand zur Polfläche, nur noch eine geringe Bewegungsgeschwin­ digkeit aufweist, wobei die Beschleunigung des Ankers prak­ tisch gleich Null ist und praktisch eine Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft der Schließfeder 8 und der Magnetkraft des fangenden Elektromagneten 4 erreicht wird. Damit ist im Be­ reich E eine vollständige Kontrolle der Ankerbewegung mög­ lich, so daß in einer closed-loop-Regelung dem Anker über ei­ ne entsprechende Regelung des Stroms bzw. der Spannung eine Bewegung aufgezwungen werden kann, die eine minimale Auf­ treffgeschwindigkeit sicherstellt. Dieser Übergangsbereich zwischen D und E stellt das sogenannte "Zielfenster", also einen vorgegebenen Abstandsbereich des Ankers zur Polfläche des fangenden Elektromagneten 4 dar. Da in den Bereichen A, B, C und D laufend über die Sensorik die Istwerte der Anker­ bewegung erfaßt werden, ist es möglich, dieses Zielfenster gerade weit genug von der Endlage des Ankers an der Polfläche entfernt zu wählen, daß der Anker mit einer vorgegebenen mi­ nimalen Auftreffgeschwindigkeit auf die Polfläche abgesetzt werden kann, und zwar unter allen während des Bewegungsver­ laufes auf den Anker einwirkenden äußeren Einflüsse, so daß ein Aufschlagen praktisch vermieden ist Es ergaben sich somit im wesentlichen drei Phasen für die Regelung, nämlich eine erste Phase I, im wesentlichen bestimmt durch die Bereiche A und B, in denen die Grunddaten der Ankerbewegung beobachtend erfaßt werden. Daran schließt sich die Phase II an, in der unter Berücksichtigung der Bewegungsdaten der Phase I in den Bereichen C und D zusätzlich äußere Störeinflüsse erfaßt wer­ den und als prediktorisches Signal für den Stromregler umge­ setzt werden, damit das "Zielfenster" mit hinreichender Ge­ nauigkeit erreicht wird. In der durch den Bereich E gekenn­ zeichneten Phase III wird dann über die Spannungs- bzw. Stromreglung der Anker in einem definierten Bewegungsverlauf zur Anlage auf der Polfläche geführt. Hierbei wird bevorzugt die Geschwindigkeit des Ankers in Abhängigkeit von der Anker­ position vorgegeben.

In Fig. 3 ist in einer Fig. 2 zugeordneten Darstellung der Verlauf des Spulenstroms im fangenden Elektromagneten 4 bei der beschriebenen Öffnungsbewegung dargestellt. Wie aus dem Verlauf ersichtlich, kann in der Phase I der Elektromagnet 4 zunächst unbestromt bleiben. Bei Erreichen der Phase II wird der fangende Elektromagnet bestromt und hierbei in seinem Verlauf in Abhängigkeit von den zuvor in der Phase I und in der Phase II ermittelten Istwerte der Ankerbewegung so beein­ flußt, daß das vorgegebene Zielfenster im Übergangsbereich zwischen der Phase II und dem Bereich III angesteuert wird. Sobald das Zielfenster 13 erreicht ist, kann der Fangstrom im fangenden Elektromagneten 4 gezielt bis auf das Niveau des Haltestroms IH zurückgeführt werden, so daß sich dann das Ventil 2 in geöffneter Position befindet. In Fig. 2 ist das Zielfenster 13 durch den Schnittbereich 13.1 zwischen den Be­ reichen D und E kenntlich gemacht.

Es ist aber auch möglich, wie mit dem strichpunktiert darge­ stellten Kurventeil 14 angedeutet, den fangenden Elektroma­ gneten 4 schon in der Phase I zu bestromen. Die Stromhöhe, die zweckmäßig getaktet wird, wird so eingestellt, daß sie in etwa der entsprechend den Maßparametern zu erwartenden Höhe bei einem vorgebbaren Abstand des Ankers zur Polfläche ent­ spricht. Damit ist sichergestellt, daß der Anker frühzeitig in den Einflußbereich des "fangenden" Magnetfeldes gelangt und in seiner Bewegung beeinflußt werden kann.

Zweckmäßig ist es, wenn der Verlauf der Ankergeschwindigkeit durch eine Funktion angenähert wird, deren Parameter aus dem Sensorsignal über statistische Verfahren bestimmt werden. Diese Parameter können mit dem auf das Gaswechselventil wir­ kenden Gegendruck korreliert und zur Bestimmung der Stromhöhe in Phase II verwendet werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stärke des entgegenwirkenden Zy­ linderinnendrucks und damit die benötigte Stromhöhe aus dem Verlauf der Ankergeschwindigkeit beim Auftreffen der Anker­ führung 11 auf den Ventilschaft 2.1, also nach Überwindung des Ventilspiels VS abgeleitet wird.

Da über die Sensorik eine Erfassung der Ankerbewegung und da­ mit eine laufende Erfassung der Ankerposition erfolgt, ist es möglich, das Ventilspiel VS beim Öffnungsvorgang zu erfas­ sen und damit das Zielfenster für den nachfolgenden Schließ­ vorgang vorzugeben und den Anker in seiner Bewegung gezielt führen zu können.

Claims (6)

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 einwirkenden Anker gegen die Kraft von we­ nigstens einer Rückstellfeder zwischen den Polflächen der beiden Elektromagneten hin und her bewegbar geführt ist, wo­ bei über eine Steuerung die Elektromagneten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik die Bewegung des Ankers auf seinem Weg von der einen Polflä­ che zur anderen Polfläche erfaßt wird und zwar in der Weise, daß in einer ersten Phase (I), beginnend mit der Einleitung des Lösens des Ankers von der Polfläche des haltenden Elek­ tromagneten, über die Sensorik Istwerte der Ankerbewegung er­ faßt werden, daß in einer zweiten Phase (II) in Abhängigkeit von den erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers der fan­ gende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Be­ stromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgeb­ baren Abstandsbereich zur Polfläche des fangenden Elektroma­ gneten sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und einer gegen Null gehenden Beschleunigung bewegt und daß in einer dritten Phase (III) die Bestromung des fangenden Elektroma­ gneten so geführt wird, daß der Anker mit einer vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Lösen des Ankers von der Polfläche des haltenden Elek­ tromagneten die Verminderung der Bestromung nach Istwerten der Ankerbewegung geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsbereich in Abhängigkeit von den zumindest in der zweiten Phase (II) erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers vorgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bestromung über eine Regelung der am fangenden Elektromagneten angelegten Spannung geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die am Elektromagneten anzulegende Spannung aus der Bordnetzspannung durch Spannungswandlung und Span­ nungstabilisierung gewonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Istwerte der Ankerbewegung durch eine Sensorik mit digitaler Signalerfassung und Signalverarbeitung erfaßt werden.