DE102012212242A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators (10) mit einem aktuierenden Stößel (9), das folgende Schritte umfasst: – bei einer Stößelaktuation Ermitteln einer Ist-Totzeit (t11), während deren der Magnetanker (15) bei bestromter Magnetspule (12) im wesentlichen bewegungslos ist, wobei die Ist-Totzeit mit dem Stromeinbruch an der Magnetspule infolge Gegeninduktion des die Magnetkraftschwelle überwindenden Magnetankers endet; – vor einer nachfolgenden Stößelaktuation Ermitteln des Beginnzeitpunkts der Magnetspulenbestromung, wobei der Strombeginnzeitpunkt gegenüber dem Soll-Bewegungsbeginn des aus dem Aktuatorgehäuse (13) ausfahrenden Stößels um die ermittelte Ist-Totzeit vorverlegt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators, aufweisend ein Gehäuse mit einer Magnetspule, einem aktuierenden Stößel und einem Magnetanker, der unter Magnetkraftbeaufschlagung durch die bestromte Magnetspule den Stößel in Ausfahrrichtung aus dem Gehäuse bewegt, sowie einem zwischen dem Magnetanker und dem Gehäuse angeordneten Halteelement, das die Bewegung des Magnetankers unterhalb einer Magnetkraftschwelle hemmt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein derartiger Aktuator ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2011 078 525 A1 bekannt, wobei das Halteelement ein zwischen dem Gehäuse und dem Magnetanker angeordneter Permanentmagnet ist, der den Magnetanker und den Stößel bis zum Überschreiten der Magnetkraftschwelle in Ruhe hält. Der Aktuator ist Teil eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit hubvariabler Gaswechselventilbetätigung. Die Hubvariabilität wird durch die Nockenwelle erzeugt, die eine Trägerwelle und ein darauf drehfest und zwischen Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück umfasst. Das Nockenstück weist zumindest eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Erhebungen und eine Axialkulisse auf, in die der Stößel des Aktuators eingekoppelt wird, um das Nockenstück auf der Trägerwelle zwischen den Axialpositionen zu verschieben und so den momentanen Nockenhubabgriff von einem Nocken auf den anderen Nocken umzuschalten.
  • Der Umschaltvorgang soll bei möglichst hoher Schaltdrehzahl und dementsprechend innerhalb kürzester Zeit präzise und reproduzierbar erfolgen und für alle Zylinder der Brennkraftmaschine innerhalb eines Arbeitsspiels abgeschlossen sein. Idealerweise sind also alle Aktuatoren ausreichend schnell und ohne zeitliche Streuungen in Bezug auf das Bewegungsverhalten der aus dem Gehäuse ausfahrenden Stößel. In der Realität wird jedoch das präzise Timing des Umschaltvorgangs durch die streuende Ausfahrbewegung der Stößel infolge der Fertigungstoleranzen und des Verschleiß’ der Aktuatorbauteile sowie des großen betrieblichen Temperaturbereichs beeinträchtigt, der nicht nur streuende Reibungsverhältnisse an den beölten Aktuatorbauteilen, sondern auch streuende elektrische Widerstände der Magnetspulen bewirkt.
  • Im Falle des hubvariablen Ventiltriebs kann das unzureichend präzise Timing des Aktuators zu unakzeptablen Fehlschaltungen der Nockenstücke auf der Trägerwelle führen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators der eingangs genannten Art anzugeben, das trotz der das Timing des Aktuators beeinträchtigenden Störeinflüsse einen zeitlich möglichst präzisen Bewegungsverlauf des aus dem Gehäuse ausfahrenden Stößels ermöglicht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll das Verfahren folgende Schritte umfassen:
    • – bei einer Stößelaktuation Ermitteln einer Ist-Totzeit, während deren der Magnetanker bei bestromter Magnetspule im wesentlichen bewegungslos ist, wobei die Ist-Totzeit mit dem Stromeinbruch an der Magnetspule infolge Gegeninduktion des die Magnetkraftschwelle überwindenden Magnetankers endet;
    • – vor einer nachfolgenden Stößelaktuation Ermitteln des Beginnzeitpunkts der Magnetspulenbestromung, wobei der Strombeginnzeitpunkt gegenüber dem Soll-Bewegungsbeginn des aus dem Gehäuse ausfahrenden Stößels um die ermittelte Ist-Totzeit vorverlegt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Ist-Totzeit des Aktuators laufend überwacht und geht als aktueller Wert in eine nachfolgende Ansteuerung des Aktuators ein. So wird einer der maßgeblichen Störeinflüsse auf das Timing des Aktuators, nämlich die zeitliche Streuung des tatsächlichen Bewegungsbeginns des Stößels minimiert. Dies erfolgt bei einer früheren Stößelaktuation durch die Ermittlung der Ist-Totzeit und bei einer nachfolgenden späteren Stößelaktuation durch das Vorhalten der Ist-Totzeit, und zwar jeweils individuell für jeden Aktuator. Das Verfahren ist umso genauer, je öfter die Ist-Totzeit überwacht und aktualisiert wird. Idealerweise wird sie bei jeder Stößelaktuation ermittelt und als aktuelle Steuergröße im Steuergerät des Aktuators gespeichert. Die Ist-Totzeit beginnt mit der Bestromung der Magnetspule und endet mit dem Bewegungsbeginn des Stößels. Als Bewegungsbeginn des Stößels wird der Zeitpunkt definiert, an dem der Strom- oder Spannungsverlauf an der bestromten Magnetspule einen ausgeprägten Einbruch infolge der Gegeninduktion des bis dahin ruhenden und nun ausfahrenden Magnetankers erfährt. Zu diesem Zeitpunkt zeigt der einbrechende Strom- oder Spannungsverlauf ein präzise auswertbares Maximum, das aus der sprunghaften Beschleunigung des die Magnetkraftschwelle überwindenden Magnetankers resultiert. Die messtechnische Ermittlung dieses charakteristischen Strom- oder Spannungsmaximums ist als solche Stand der Technik, wobei eine geeignete Mess- und Auswerteschaltung für das Steuergerät insbesondere der DE 101 50 199 A1 entnehmbar ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen das erfindungsgemäße Verfahren als bevorzugte aber dennoch beispielhafte Anwendung für einen hubvariablen Ventiltrieb der eingangs genannten Art erläutert ist. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt des an sich bekannten Ventiltriebs in Seitenansicht;
  • 2 einen Querschnitt durch die Axialkulisse gemäß 1 mit einer schematischen Sequenz des einkoppelnden Aktuatorstößels;
  • 3 das auf den Nockenwinkel bezogene Aktuatortiming ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 4 das auf den Nockenwinkel bezogene Aktuatortiming bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 5 einen Aktuator des Ventiltriebs in vereinfachter Längsschnittdarstellung;
  • 6 den typischen Strom-/Spannungsverlauf an der Magnetspule bei der Ansteuerung des Aktuators gemäß 5;
  • 7 den typischen Wegverlauf des Magnetankers bei der Ansteuerung des Aktuators gemäß 5;
  • 8 ein Kennfeld zur Plausibilisierung der ermittelten Ist-Totzeiten des Aktuators.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen hubvariablen Ventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine, dessen grundlegendes Funktionsprinzip sich dahingehend zusammenfassen lässt, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine außenverzahnte Trägerwelle 2 und darauf mittels Innenverzahnung drehfest und längsverschiebbar angeordnete Nockenstücke 3 ersetzt ist. Jedes Nockenstück 3 weist zwei Gruppen axial benachbarter Nocken 4 und 5 auf, deren unterschiedliche Hubverläufe mittels Schlepphebeln 6 auf Gaswechselventile 7 übertragen werden. Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens 4 oder 5 erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 3 auf der Trägerwelle 2 erfolgt über spiralförmige Axialkulissen 8 am Nockenstück 3, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden und in die, je nach momentaner Stellung des Nockenstücks 3, jeweils ein zylindrischer Stößel 9 eines elektromagnetischen Aktuators 10 (siehe 5) eingekoppelt wird.
  • 2 zeigt eine Sequenz des in die nutförmige Axialkulisse 8 einkoppelnden Stößels 9. Der Stößel befindet sich bis zur Winkelposition a beabstandet zum Hochkreis 11 und in Ruhe. Zu diesem Zeitpunkt endet die mit t11 bezeichnete Ist-Totzeit des bereits bestromten Aktuators 10 und der Stößel 9 beginnt mit seiner Ausfahrbewegung in Richtung der Axialkulisse 8. An der Winkelposition b setzt der Stößel 9 auf dem Hochkreis 11 auf und folgt anschließend der gegenüber dem Hochkreis 11 eintauchenden Axialkulisse 8, wie es mit den Winkelpositionen c, d und e dargestellt ist. Die Nuttiefe der Axialkulisse 8 bleibt ab der Position d konstant, so dass an dieser Position die Ausfahrbewegung des Stößels 9 stoppt. Die Zeit zwischen dem Ende der Ist-Totzeit t11 und dem Erreichen der Position d ist als Einkoppelzeit t12 bezeichnet.
  • Wesentlich für den Erfolg des Umschaltvorgangs aller Nockenstücke 3 innerhalb derselben Nockenwellenumdrehung ist nun das präzise Ansteuertiming der Aktuatoren 10, so dass alle Stößel 9 zur richtigen Zeit in deren Axialkulissen 9 einkoppeln. Dies sei anhand der 3 und 4 illustriert, die den Einfluss der streuenden Ist-Totzeit t11 auf den Erfolg des Umschaltvorgangs zeigen. Jeweils dargestellt sind die für den Umschaltvorgang des Nockenstücks 3 relevanten zeitlichen Ereignisse des Aktuators 10 über dem Nockenwellenwinkel „cam angle“.
  • 3 zeigt die bislang übliche Ansteuerung des Aktuators 10, d.h. ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens.
  • Die Ansteuerung des Aktuators 10 erfolgt hierbei ohne exakte Kenntnis der Ist-Totzeit t11. Üblicherweise werden dabei mittels statistischer Methoden gewonnene minimale und maximale Totzeitwerte t11 zur Ansteuerung herangezogen. Die Notwendigkeit, die Ansteuerung auf Extremteile (sehr langsam und sehr schnell) auszulegen, schränkt den Funktionsbereich des durchschnittlichen Systems ein. So kann das Drehzahlband, in dem ein Umschaltvorgang des Nockenstücks 3 zulässig ist, nur sehr konservativ gewählt werden. Außerdem muss die Umschaltung bei tiefen Temperaturen aus Gründen exorbitanter Zunahme der Streubreite auf eine Initialaktuierung zur Absicherung der Referenzerhebungskurve/Zylinderanzahl begrenzt werden.
  • Die Ansteuerung der Aktuatoren 10 erfolgt üblicherweise über Transistoren, die durch das Steuergerät (nicht dargestellt) geschaltet werden. Dabei wird die Magnetspule 12 des jeweiligen Aktuators 10 (siehe 5) zeitlich gesteuert mit der verfügbaren Bordnetzspannung beaufschlagt. Die Ansteuerung des Aktuators 10 und dessen Ist-Totzeit t11 beginnen zum Zeitpunkt „trigger point“. Für den Erfolg des Umschaltvorgangs („proper event“) des Nockenstücks 3 ist es entscheidend, dass der Bewegungsbeginn des Stößels 9 an der Winkelposition a (siehe 2) frühestens zum Zeitpunkt „earliest switching point“ und spätestens zum Zeitpunkt „latest switching point“ stattfindet. Das in den Diagrammen mit „scatter band“ bezeichnete Streuband der betrieblich verursachten Streuungen der Ist-Totzeit t11, insbesondere infolge Verschleiß- und Temperatureinflüssen, ist nun größer als die zur Verfügung stehende Zeit des „proper event“. Das führt zu emissionsrelevanten Fehlschaltungen des Nockenstücks 3 („erroneous event“), wobei einerseits die Ist-Totzeit t11 des schnellsten Aktuators 10 („t11 fastest actuator“) zu kurz ist und dessen Stößel 9 bereits vor der Winkelposition a ausfährt und wobei andererseits die Ist-Totzeit t11 des langsamsten Aktuators 10 („t11 slowest actuator“) zu lang ist und dessen Stößel 9 erst nach der Winkelposition a ausfährt.
  • 4 zeigt demgegenüber eine Ansteuerung des Aktuators 10 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In diesem Fall erfolgt die Ansteuerung des Aktuators 10 in Kenntnis der individuellen Ist-Totzeit t11 des Aktuators 10, die bei einem früheren Umschaltvorgang des zugehörigen Nockenstücks 3 ermittelt wurde – die Ermittlung selbst wird weiter unten anhand der 5 bis 8 erläutert. Die ermittelte Ist-Totzeit t11 („t11 rated actuator“) wird nun von einem innerhalb des „proper events“ liegenden Zeitpunkt für den Soll-Bewegungsbeginn des Stößels 9 an der Winkelposition a subtrahiert, so dass der so berechnete Beginnzeitpunkt einer späteren Aktuatorbestromung („calculated trigger point“) um die zuvor ermittelte Ist-Totzeit t11 vorverlegt ist. Auch dieser Strombeginnzeitpunkt wird für jeden Aktuator 10 individuell ermittelt. Es ist deutlich erkennbar, dass das Streuband der bei dem nun folgenden Umschaltvorgang des Nockenstücks 3 tatsächlich auftretenden Ist-Totzeit t11 („reduced scatter band“) erheblich kleiner ist und innerhalb des für den „proper event“ erforderlichen Zeitintervalls liegt.
  • 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Aktuators 10. Dieser umfasst ein Gehäuse 13 mit der Magnetspule 12 und Kontaktierung 14 der Spule 12, dem aktuierenden Stößel 9 und dem Magnetanker 15, der unter Magnetkraftbeaufschlagung durch die bestromte Magnetspule 12 den Stößel 9 in Ausfahrrichtung aus dem Gehäuse 13 bewegt. Ein zwischen dem Magnetanker 15 und dem Gehäuse 13 angeordnetes Halteelement 16 hemmt die Bewegung des Magnetankers 15 und des Stößels 9 solange, bis die Magnetkraft der Magnetspule 12 die Magnetkraftschwelle des Halteelements 16 übersteigt. Das Halteelement 16 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Permanentmagnet.
  • 6 zeigt den Strom-/Spannungsverlauf U bzw. I der bestromten Magnetspule 12 über der Zeit t, und 7 zeigt den dazugehörigen Wegverlauf s(t) des aus dem Gehäuse 13 ausfahrenden Stößels 9. Während der Totzeit t11 steigen Strom I und Spannung U der Magnetspule 12 an, wobei deren Magnetkraft noch nicht ausreichend groß ist, um die dazu entgegen gerichtete Haltekraft des Permanentmagneten 16 zu überwinden. Der Magnetanker 15 und der Stößel 9 verbleiben dementsprechend bei x0 in Ruhe. Am Ende der Totzeit t11 und am Beginn der Einkoppelzeit t12 überwindet der Magnetfeldaufbau der Magnetspule 12 die hemmende Magnetkraftschwelle des Permanentmagneten 16, so dass der Magnetanker 15 den Stößel 9 aus dem Gehäuse 13 treibt und die Ankerbewegung eine Gegeninduktion im Magnetfeld der Magnetspule 12 erzeugt. Bei der Gegeninduktion wird für die Dauer der Magnetankerbewegung ein Strom induziert, der dem durch das Bordnetz getriebenen Strom entgegen gesetzt ist und unter anderem von der Geschwindigkeit des Magnetankers 15 abhängt. Die Summenkennlinie beider Ströme zeigt während der Einkoppelzeit t12 des Magnetankers 15 und des Stößels 9 einen charakteristischen Einbruch, der mit einem präzise auswertbaren Abknicken in der Kennlinie beginnt. Der Zeitpunkt des Abknickens wird mit Hilfe einer an sich bekannten Mess- und Auswerteschaltung (siehe oben) ermittelt und definiert das Ende der Ist-Totzeit t11 und den Beginn der Einkoppelzeit t12.
  • Die Einkoppelzeit t12 endet zu dem Zeitpunkt, wenn der Stößel 9 die Winkelposition d erreicht und im weiteren Verlauf der Axialkulisse 8 in ausgefahrener Ruhestellung x1 bleibt. Ab diesem Zeitpunkt verharrt auch der Magnetanker 15 in Ruhe, so dass die Gegeninduktion zu Null wird und der Strom-/Spannungsverlauf wieder ansteigt.
  • Die für jeden Aktuator 10 individuell ermittelte Ist-Totzeit t11 wird für eine nachfolgende Stößelaktuation im Steuergerät des Aktuators 10 aktualisiert gespeichert. Zuvor kann der ermittelte Wert auf Plausibilität überprüft werden, wozu das in 8 skizzierte Kennfeld der mit „plausible values“ bezeichneten Totzeitwerte t11 herangezogen wird. Als Eingangsgrößen für das Kennfeld dienen die Spulentemperatur T und die aktuelle Bordnetzspannung U. Mit Hilfe der laufend ermittelten Ist-Totzeiten t11 und den Informationen über Temperatur und Spannung kann das vorhandene Kennfeld permanent aktualisiert werden. Es ist weiterhin möglich, das Kennfeld in die Fälle Erstschaltung und Weiterschaltung zu untergliedern, um Setzerscheinungen nach längerer Standzeit des Ventiltriebs 1 Rechnung zu tragen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ventiltrieb
    2
    Trägerwelle
    3
    Nockenstück
    4
    Nocken
    5
    Nocken
    6
    Schlepphebel
    7
    Gaswechselventil
    8
    Axialkulisse
    9
    Aktuatorstößel
    10
    Aktuator
    11
    Hochkreis
    12
    Magnetspule
    13
    Aktuatorgehäuse
    14
    Kontaktierung
    15
    Magnetanker
    16
    Halteelement / Permanentmagnet
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011078525 A1 [0002]
    • DE 10150199 A1 [0007]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktuators (10), aufweisend ein Gehäuse (13) mit einer Magnetspule (12), einem aktuierenden Stößel (9) und einem Magnetanker (15), der unter Magnetkraftbeaufschlagung durch die bestromte Magnetspule (12) den Stößel (9) in Ausfahrrichtung aus dem Gehäuse (13) bewegt, sowie einem zwischen dem Magnetanker (15) und dem Gehäuse (13) angeordneten Halteelement (16), das die Bewegung des Magnetankers (15) unterhalb einer Magnetkraftschwelle hemmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – bei einer Stößelaktuation Ermitteln einer Ist-Totzeit (t11), während deren der Magnetanker (15) bei bestromter Magnetspule (12) im wesentlichen bewegungslos ist, wobei die Ist-Totzeit (t11) mit dem Stromeinbruch an der Magnetspule (12) infolge Gegeninduktion des die Magnetkraftschwelle überwindenden Magnetankers (15) endet; – vor einer nachfolgenden Stößelaktuation Ermitteln des Beginnzeitpunkts der Magnetspulenbestromung, wobei der Strombeginnzeitpunkt gegenüber dem Soll-Bewegungsbeginn des aus dem Gehäuse (13) ausfahrenden Stößels (9) um die ermittelte Ist-Totzeit (t11) vorverlegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Totzeit (t11) bei jeder Stößelaktuation ermittelt und im Steuergerät des Aktuators (10) aktualisiert gespeichert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Ist-Totzeit (t11) mit Hilfe eines Soll-Totzeit-Kennfelds auf Plausibilität geprüft wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Soll-Totzeit-Kennfeld hinterlegten Totzeiten (t11) des Magnetankers (15) zumindest von der Stromspannung (U) und der Temperatur (T) der Magnetspule (12) als wesentliche Einflussgrößen auf die Ist-Totzeiten (t11) des Magnetankers (15) abhängen.
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