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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines
Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines
Gaswechsel-Ventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der
Anker aus leeren Zwischenpolflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die
Kraft einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-
Spulen bewegt wird.
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Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte
Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen. In Hubkolben-Brennkraftmaschinen werden
Gaswechel-Hubventile durch derartige Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d. h.
oszillierend geöffnet und geschlossen. Ein zu diesem Zweck eingesetzter bekannter
Aktuator umfasst als wesentliche Bestandteile einen Anker, der zwischen
Polflächen von zwei Elektromagneten axial verschieblich angeordnet ist und durch
mindestens ein Federelement in einer Mittellage zwischen den beiden Polflächen
gehalten wird. Der Antrieb des als Hubventil ausgebildeten Gaswechsel-Ventils
erfolgt über einen Stößel, der mit dem Anker des Aktuators starr verbunden ist. In
einer geschlossenen Stellung des Ventils befindet sich der Ventilteller in einem
Ventilsitz, und der Anker des Aktuators befindet sich gegen die Rückstellkraft des
Federelements in Anlage mit der Polfläche der Schließerspule. Zum Öffnen des
Hubventils wird der Anker des Aktuators von der Schließerspule abgelöst und in
Richtung auf die Öffnerspule zu bewegt. Hierbei wirkt der Stößel des Aktuators auf
einen Ventilschaft des Hubventils zur Kraftübertragung ein.
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Fertigungs- und Bauteiltoleranzen, unterschiedliche Wärmeausdehnung der
beteiligten Bauteile sowie Alterungseinflüsse können zu erheblichen Abweichungen von
einem jeweils vorgegebenen Hubwert führen. Als eine Ausgangsmaßnahme ist
daher beispielsweise aus der DE 23 35 150 A bekannt, dass der Stößel des Aktuators
und der Ventilschaft des Hubventils nicht einstückig miteinander verbunden sind.
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Dieser mindestens zweiteilige Aufbau garantiert, dass im geschlossenen Zustand
des Ventils sich einerseits der Ventilteller abdichtend in den Ventilsitz bewegt und
andererseits auch der Stößel mit dem Anker in eine stationäre Ruhelage in
Berührungskontakt mit der Polfläche des Schließermagneten tritt. Bei der Einleitung eines
Ventilöffnungsvorganges verursacht der vorstehend beschriebene mechanische
Ventilspielausgleich somit stets erst ein Ablösen des Ankers von der Polfläche des
Schließermagneten, worauf erst der Stößel in Kontakt mit dem Ventilschaft tritt, um
schließlich den Ventilteller gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder anzuheben.
Ein punktgenaues Einhalten des Zeitpunktes zum Öffnen des Ventils erweist sich
mithin als schwierig. Dabei wird eine Öffnungsphase des Ventils weiterhin durch
eine Umpolung oder Abschaltung des Stromflusses durch den Haltemagneten
eingeleitet. Daraufhin löst sich der Anker weit verzögert nach Überwinden einer
Anhaftekraft des Ankers an der Polfläche des Haltemagneten und muss nun bis zur
Einleitung der eigentlichen Ventilöffnung auch noch das mechanische Ventilspiel als
Freiflugstrecke überwinden. Die Größe des Ventilspiels ist jedoch, wie vorstehend
bereits angedeutet, derart bemessen, dass beispielsweise unterschiedliche
Wärmeausdehnungen bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu keinem Zeitpunkt
dazu führen können, dass bei einem Halten des Ankers in Schließstellung dieser
den Ventilteller berührt oder aber das Ventil sogar aufdrückt und somit teilweise
öffnet. Die Addition von Bauteiltoleranzen und unterschiedlichsten
Temperaturausdehnungen der beteiligten Bauteile sowie von Alterungseinflüssen führt jedoch
dazu, dass das mechanische Ventilspiel in der Regel nicht exakt bekannt ist. Dadurch
treten Störungen in der Funktion des Ottomotors bezüglich Leistung, Verbrauch und
Schadstoffemissionen auf.
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Zur Ausschaltung eines Ventilspiels sind diverse Ansätze bekannt, denen stets eine
mechanische Kopplung von Ventilschaft und Stößel des Aktuators gemein ist. Das
vordem freie Ventilspiel wird hierbei durch einen mehr oder weniger frei
einstellbaren Stellmechanismus an jeweils aktuelle Gegebenheiten angepasst. Zu diesem
Zweck offenbart die DE 199 47 848 A1 federelastisch-mechanische Mittel oder
hydraulisch arbeitende Längenausgleichsmittel. Durch diese Mittel ist jedoch nur das
vormals freie Ventilspiel durch einen geregelten Ausgleich der vorstehend
aufgeführten Längen- und Toleranzänderungen auf Kosten eines sehr hohen
mechanischen Aufwandes ersetzt, da auf stark beengtem Bauraum eine erforderliche
Versorgung eines derartigen Ausgleichsmechanismus beispielsweise mit
Hydraulikmedium und Zuleitungen etc. untergebracht werden muss. Zusätzliche Verluste durch
Reibung und erhöhte bewegte Massen wirken sich jedoch äußerst negativ auf die
Ventilhuberzeugung, auf deren Regelung und den Gesamt-Energiehaushalt des
Systems aus.
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Deutlich vorteilhafter ist es daher, wenn der elektromagnetische Aktuator die
Funktion des Ventilspielausgleichs selber übernimmt. In der DE 198 32 198 ist ein
Verfahren offenbart, in dem der Anker unter Verwendung eines geeigneten
Regelungsverfahrens aus einer Ruheposition in Anlage an der Polfläche eines Haltemagneten
heraus zunächst eine Zwischenposition anfährt. Diese Zwischenposition ist durch
ein Aufsetzen eines Teils des Ankers auf dem als Hubventil ausgebildeten
Gaswechselventil gekennzeichnet. Damit ist das Ventilspiel mit dem Erreichen dieser
Zwischenposition das Ventilspiel im Zuge eines elektronisch geregelten
Ventilspielausgleichs bereits überbrückt worden. Aus dieser Zwischenposition heraus wird
dann der eigentliche Vorgang der Ventilöffnung betrieben. Dementsprechend wird
bei einem Schließvorgang des Gaswechsel-Hubventils zunächst eine erste Endlage
des Ankers angefahren, die dem Aufsetzen des Gaswechsel-Hubventils auf seinem
Ventilsitz entspricht. Daran anschließend wird der Anker in eine zweite Endlage
gefahren, die seiner eigenen mechanischen Endlage entspricht, also der
vorstehend beschriebenen Ruheposition in Anlage an der Polfläche des Haltemagneten
bzw. Schließermagneten. Dieser letzte Teilhub entspricht wiederum dem Ventilspiel.
Eine zuverlässige Implementierung eines derartigen Verfahrens insbesondere als
Ventilspiel-Ausgleichsfunktion in einem elektromagnetischen Ventiltrieb eines
Brennkraftmaschine macht es erforderlich, dass die Position des Ankers zwischen
den Polflächen stets genau bestimmen werden kann und zudem jede gewünschte
Zwischenposition zwischen dem Öffnermagneten und dem Schließermagneten
angefahren werden kann. Ein Regler nach der Lehre der DE 198 32 198 ist dazu
geeignet, es ist aber auch darüber hinaus zwingend erforderlich, dass ein jeweils
aktuelles Ventilspiel, das sich laufend zumindest geringfügig ändert, bekannt ist.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Bestimmung eines
jeweiligen Ventilspiels bekannt. In der DE 195 29 155 A1 ist beispielsweise ein
Verfahren zur Messung des Ventilspiels bekannt, bei dem aus Unregelmäßigkeiten in
einem zeitlichen Verlauf des Energieeinsatzes an dem Schließmagneten anhand
einer Messung von Strom und/oder Spannung auf das Auftreffen des Ankers auf
das Gaswechselventil zur Bestimmung der Größe des Ventilspiels schließt.
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Aus der DE 195 31 437 A1 ist elektrisches Verfahren zur Messung des Ventilspiels
an einem Gaswechselventil offenbart, das auf einer relativ genauen Bestimmung
der Klebzeit sowie einer Vorabbestimmung einer Zeitspanne vom Loslösen bis zum
Auftreffen des Ankers beruht. Dieses Verfahren setzt Vermessung verschiedener
Differenzzeitgrößen auf, sodass sich Messungenauigkeiten sehr rasch
aufsummieren können und im Endeffekt zu unsicheren Ergebnissen führen.
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Als wesentlich zuverlässiger hat sich ein Verfahren gemäß der DE 198 34 545 A1
herausgestellt. Hier wird die Messung in einer Zeitspanne durchgeführt, in der sich
bei geschlossenem Gaswechsel-Hubventil ein Kolben des zugehörigen
Brennkraftmaschinen-Zylinders nahe seines oberen Totpunktes befindet. Durch den in dieser
Phase im Zylinderinnern herrschenden hohen Druck während der Messung und
auch durch eine Positionierung des Ankers in Anlage an dem Gaswechsel-
Hubventil das Gaswechsel-Hubventil selber in keinem Fall geöffnet wird. Die
Messung selber erfolgt als Auswertung der Unregelmäßigkeit in einem zeitlichen
Bewegungsverlauf des Ankers. Es wird also im Gegensatz zu der Lehre der DE 195 31 437 A1
neben einem Positionssensor, der für eine stets erforderliche
Positionsbestimmung immer vorhanden ist, kein weiterer Sensor benötigt. Die Messung erfolgt
auf der Basis der Auswertung eines Geschwindigkeitssignals, das aus dem
zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers gewonnen wird: Bei einem realen Ventilspiel
wird der Anker aus der Halteposition an der Polfläche des Schließermagneten
heraus beschleunigt. Sobald der Anker aber auf dem Gaswechselventil auftrifft ändert
sich sein zeitlicher Bewegungsablauf, da der Widerstand des ruhenden
Gaswechselventils in der Ankergeschwindigkeit eine signifikante Abnahme hervorruft. Diese
Änderung kann auch nach einer nur geringfügigen Beschleunigung und einer sehr
kurzen Wegstrecke durch den Wegsensor detektiert werden, so dass auf dieser
Grundlage das Ventilspiel festgestellt werden kann. Diese Messung wird gemäß der
Lehre der DE 198 34 545 A1 periodisch oder stochastisch unter Zwischenschaltung
mehrerer Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine wiederholt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues Einhalten des
Zeitpunktes zum Öffnen des Ventils durch einen elektromagnetischen Aktuator bei
wesentlich vermindertem Aufwand zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Weiter ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 7 eine Lösung dieser
Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass der
Anker des Aktuators in einer Vorbereitungsphase von der Polfläche des
Schließermagneten abgehoben wird und der Stößel des Aktuators mit sehr geringer
Geschwindigkeit in einen Bereich des Ventilschaftes herangefahren wird, ohne auf den
Ventilschaft aufgesetzt zu werden. Damit wird auch ohne stetig wiederholte
Messung, die beispielsweise nach der Lehre der DE 198 34 545 A1 durchgeführt wird,
sichergestellt, dass das Gaswechselventil nicht außerhalb einer jeweils
vorgesehenen Zeit oder vorzeitig geöffnet wird. Auch gegen sonstige, sich langsam
aufbauende Toleranzänderungen, aber auch gegen Vibrationen der Brennkraftmaschine
selber oder eines durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs ist ein
erfindungsgemäßes Verfahren bei vermindertem Mess- und Rechenaufwand
ausreichend tolerant.
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An diese Vorbereitungsphase anschließend erfolgt ein Öffnen des Hubventils durch
zusätzliche Bestromung der Schließerspule quasi sofort. Durch die Ansteuerung
des Aktuators aus dieser Bereitschaftslage gerade ohne Kontakt des Ventilschaftes
mit dem Stößel des Aktuators heraus ist damit ein Startzeitpunkt der Ventilöffnung
exakt festgelegt. Dadurch, dass der Ventilschaft mit dem Stößel bereits zu diesem
Zeitpunkt fast in Anlage ist, treten bei Herstellung eines Kontakts bzw. einer Anlage
von Stößel an dem Ventilschaft nur geringe Geräuschentwicklungen und auch auf
Dauer gesehen sehr wenig Verschleiß auf. Es kann daher auch auf
Dämpfungsmechanismen, wie sie nach dem Stand der Technik vorgesehen sein können,
verzichtet werden.
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In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird zur Verbesserung der
Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Regler mit Sollwerten für
Strom, Hub und Geschwindigkeit verwendet, der durch eine zusätzliche Regelgröße
erweitert wird. Als Integral der Differenz zwischen einem Soll-Hub und einem Ist-
Hub wird eine neue Regelgröße eingeführt, durch die auch sehr geringe dauerhafte
Abweichungen erkannt und ausgeregelt werden. Insbesondere wird ein
Klebenbleiben des Ankers auf der Polfläche bzw. dem Joch verhindert, ohne dass ein weiterer
Sensor benötigt werden würde. Das aus dem Hubsignal abgeleitete
Geschwindigkeitssignal kann vorzugsweise dadurch verbessert und insbesondere geglättet
werben, dass der Regler unter Verwendung eines Zustandsschätzers oder
Beobachters arbeitet. Hierdurch wird auch die Qualität des neuen Differenz-Integrals
verbessert.
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Zur Darstellung weiterer Vorteile wird nachfolgend eine Ausführungsform der
Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines
Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb in einer geöffneten
Endstellung;
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Fig. 2 das Ventil gemäß Fig. 1 in einer geschlossenen Endstellung;
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Fig. 3a bis 3c ein Gaswechselventil bekannter Bauart mit Ventilspiel in drei
unterschiedlichen Betriebszuständen;
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Fig. 4 ein Verlauf des Hubes des Ankers und des Ventildeckels;
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Fig. 5 einen skizzierten Verlauf des Hubes nach einer erfindungsgemäßen
Regelung und
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Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der
Gesamtfederkraft aufgetragen über dem Ankerhub.
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In der Abbildung von Fig. 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart dargestellt, der
über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. Fig. 1 zeigt mit
der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventils 3 und
des Aktuators 1. In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6
abgehoben, das Hubventil 3 ist also maximal geöffnet. Zum Überführen des Hubventils 3
in eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung auf seinen
Ventilsitz 6 bewegt.
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Wie üblich greift an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die
Ventilschließfeder 7 ist jedoch so dimensioniert, dass sie das Hubventil 3 und mit ihm
auch den Aktuator 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen kann. Für die weitere
Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu wird der Antrieb durch den
Aktuator 1 benötigt. Der Aktuator 1 umfasst dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8,
9 einen auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3 einwirkenden Stößel 10, der den
Anker 4 trägt und zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend
längsverchiebbar geführt ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des
Aktuators 1 über den Ventilschaft 2 auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3. An dem
Ende des Stößels 10, das dem Ventilschaft 2 des Hubventils 3 abgewandt ist, greift
ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an, die in der dargestellten geöffneten
Endstellung entspannt ist.
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Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges
System, für das die Ventilschließfeder 7 und die Ventilöffnungsfeder 11 eine erste
sowie eine zweite Rückstellfeder bilden. Je nach Federkraft kann eine
Feineinstellung über eine Länge ΔI im Bereich der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen
werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems ist das
Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt an der unteren
Elektromagnet-Spule 8 an, die im Folgenden auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet wird,
nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in seiner geöffneten Position hält.
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In einer in der Abbildung von Fig. 2 dargestellten zweiten Endposition des
schwindungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 gegen eine Rückstellkraft der Feder 11vollständig geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt an einem Pol 13 der
oberen Elektromagnet-Spule 9 an, die im folgenden auch als Schließer-Spule 9
bezeichnet wird, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in seiner geschlossenen
Position hält.
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Da in der vorliegenden Ausführungsform des Gaswechsel-Hubventils der
Ventilschaft 2 und der Stößel 10 einstückig miteinander verbunden sind, ist eine Länge L
zwischen dem Anker 4 und dem Ventildeckel 5 besonders kritisch. Es ist bekannt,
dass sich die Länge L während des Motorbetriebes aufgrund thermischer
Ausdehnung oder sonstiger Art von Verschleiß ändert. Um einen fehlerfreien Betrieb des
Motors sicherzustellen, muss dieser Effekt in einer geeigneten Weise kompensiert
werden. In Motoren mit Nockenwellen wird üblicherweise ein hydraulischer
Ventilspielausgleich verwendet. Neben dem komplizierten Aufbau dieser teuren und
relaiv störungsanfälligen Lösung wird als ein weiterer Nachteil erkauft, dass Öl in den
Ventilraum austreten kann. Zur Regelung des Aktuators bietet sich daher als
weitere Lösungsmöglichkeit zum Ausgleich des eingangs beschriebenen
Toleranzenproblems ein elektronisch geregelter Ventilspielausgleich an. Ein elektronischer
Ventilspielausgleich weist als Vorteil eine wesentlich geringere Anzahl von
Komponenten auf, den Verzicht auf eine Ölversorgung für einen hydraulischen
Ventilspielausgleich und eine deutliche Vereinfachung der Systemdynamik. Der elektronische
Ventilspielausgleich ist ein typisches Beispiel einer mechatronischen
Implementieung und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figurenfolge von Fig. 3a bis
Fig. 3c beschrieben. Das Gesamtsystem setzt sich aus einem mechanischen
sowie einem elektrischen und einem Software-Teil zusammen. Der mechanische Teil
des Ventilspielausgleichs wird durch einen zusätzlichen freien Abstand V zwischen
dem Schaft 2 des Ventils 3 sowie dem Stößel 10 des Aktuators 1 gebildet, siehe
Abbildung von Fig. 3c. Dieser Abstand muss groß genug gewählt sein, sodass der
volle Bereich einer Längenänderung ΔL der Länge L zwischen dem Anker 4 und
dem Ventildeckel 5 aufgrund von Bauteilstreuung, thermischer Ausdehnung und
Verschleiß sicher kompensiert werden kann.
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Zur Verdeutlichung der Aufgabe des Software-Teils eines elektronischen
Ventilspielausgleichs wird ein Schließvorgang des Hubventils 2 unter Einwirkung durch
den Aktuator 1 anhand der Figurenfolge Fig. 3a bis 3c und Hinzunahme der
Abbildung von Fig. 4 verdeutlicht. Unter der Wirkung der Rückstellkraft der
Ventilschließerfeder 7 wird der Aktuator 1 nach Umkehrung bzw. Abschaltung eines
Haltestroms Ih lange bewegt, bis sich das Ventil 3 durch Absetzen des Ventildeckels 5
abdichtend in dem Ventil 6 geschlossen hat, Kurve a in Fig. 4. Mit dem Schließen
des Ventils 3 wird der Anker 4 in kurzer Distanz über der Polfläche 13 des
Schließermagneten 9 in einer Position zs in Schwebe gehalten. In einem weiteren
Abschnitt des Bewegungsablaufes wird der Anker 4 dann sanft, d. h. mit einer
Beschleunigung a = 0 und einer Geschwindigkeit v ≍ 0 auf der Polfläche 13 bei zo
abgesetzt bzw. an dieser zur Anlage gebracht, wie in der Kurve b von Fig. 4 skizziert
dargestellt.
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Der Öffnungsvorgang funktioniert prinzipiell in analoger Weise und ist in der
Abbildung von Fig. 5 in skizzierter Darstellung wiedergegeben. Zu Beginn findet sich
der Anker 4 in einer Schließerstellung, in der der Anker 4 sich in flächiger Anlage
mit der Polfläche 13 des Schließermagneten 9 befindet. Zu einem Zeitpunkt tE wird
durch Abschalten des Haltestroms Ih die Haltephase des Ankers 4 in der
geschlossenen Stellung beendet. Tatsächlich löst sich der Anker 4 jedoch nicht sofort von
der Polfläche 13 des Schließermagneten 9. Das Ablösen des Ankers 4 geschieht in
der Regel erst zu einem späteren Lösezeitpunkt tL und damit zeitlich verzögert zu
dem eigentlichen Einleitungszeitpunkt tE. Diese Zeitverzögerung wird in der Literatur
als sogenannte "Klebzeit" tk bezeichnet. Sie ist in ihrer Größe auch innerhalb einer
Baureihe von Aktuatoren 1 stets unterschiedlich und kann sich auch während des
Betriebes in einem Aktuator 1 mit der Zeit verändern. Ihre Ursache hat diese
Klebzeit tk in der sich nur in endlicher Zeit nach dem Abschalten des Haltestroms Ih
abhauenden Remanenzmagnetfeldstärke der Schließerspule 9, unterstützt durch die
Haftreibung zwischen dem Anker 4 und der Polfläche 13 und eventuell noch
verlängert durch einen Haftfilm aus Öl, Fett etc. an der Polfläche 13. Durch das Auftreten
der Klebzeit tk kann der Einleitungszeitpunkt tE für die Regelung der
Ventilöffnungszeit ΔT nicht als Startpunkt genutzt werden. Erfindungsgemäß wird der Anker 4
daher im Zuge eines Regelungsvorganges bei geeigneter Bestromung des
Schließermagneten 9 gegen die Rückstellkraft der Ventilöffnerfeder 11 sanft in eine
Zwischen-Hubposition zs bewegt. Diese Zwischenposition zs ist erfindungsgemäß so
gewählt worden, dass sie geringfügig kleiner als ein jeweiliges Ventilspiel der
Aktuator-Ventil-Einheit ist. Damit befindet sich der Anker 4 ab einem Zeitpunkt ts in einem
Schwebezustand, wobei der Stößel 10 fast an dem Ventilschaft 2 anliegt. Es ist
somit sichergestellt, dass das Ventil 3 selber zu diesem Zeitpunkt ts in keinem Fall
geöffnet wird, auch durch Regelabweichungen oder von außen aufgeprägte
Vibrationen nicht.
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Um den Anker erfindungsgemäß über dem Joch bzw. der Polfläche 13 des
Schließermagneten 9 in der Schwebe halten zu können, ist eine geeignete Regelung
vorzusehen. Hier können durch den Fachmann in geeigneter Weise angepasste
Regelungen beispielsweise basierend auf den Offenbarungen der Druckschriften EP 0 973 178 A2,
DE 198 34 548 A1 und DE 100 12 988 A1 vorgestellten Methoden und
Regelungsverfahren eingesetzt werden. Die wesentlichen Elemente einer
derartigen Regelung sind eine vorgegebene Solltrajektorie und Regler. Der Begriff
"Trajektorie" ist dem Fachmann aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine
Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem
Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve z(t) des
Ankers 4 zwischen den Polflächen 12, 13 der beiden Elektromagnetspulen 8, 9.
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Der Schwebe-Zustand ist in der Abbildung von Fig. 3b skizziert dargestellt und
kennzeichnet eine Bereitschaftsstellung, aus der heraus das Ventil 3 zu jedem
beliebigen Zeitpunkt t1 geöffnet werden kann. Damit ist sichergestellt, dass unter
Anlegen einer geeigneten Bestromung nunmehr eine Öffnungsbewegung des Ventils
3 in definierter Weise und fast unmittelbar sofort stattfindet. Der neuartige
Zwischenzustand kann damit frei zur Einstellung einer bestimmten Startzeit t1 zum
Beginn einer einstellbaren Ventilöffnungszeitspanne ΔT genutzt werden. Dabei entfal-
len durch die Umsetzung des beschriebenen Verfahrens in einer
dementsprechenden Vorrichtung zahlreiche Probleme, wie Geräuschbelastung und Verschleiß durch
kontinuierliches Aufschlagen des Stößels 10 an dem Ventilschaft 2. Dabei muss
das Ventilspiel V selber in seiner Größe vorteilhafterweise nicht ganz genau
bekannt sein, da nur eine Position zs angefahren wird. Ständige Messungen des
Ventilspiels können damit erfallen, es reichen Überprüfungen nach eingangs unter
Bezugnahme auf einschlägigen Stand der Technik beschriebenen Verfahren in weiten
zeitlichen Intervallen aus.
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Die Abbildung von Fig. 6 zeigt den Verlauf einer insgesamt auf den Anker 4
einwirkenden Federkraft Ff über dem Hub z, hier symmetrisch zu einer neutralen
Mittellage des Ankers zwischen den Polflächen 12, 13 der Elektromagneten 8, 9
dargestellt. Der Federkraftverlauf Ff(z) stellt sich als im Wesentlichen linearer
Zusammenhang über dem Ankerhub z dar. In Richtung auf den Öffnermagneten 8
weist die Kurve der Federgesamtkraft Ff jedoch einen deutlichen Kraftsprung an der
markierten Stelle auf. Dieser Kraftsprung tritt zu dem Zeitpunkt an der Position des
Ankerhubes z auf, an dem der mit dem Anker 4 starr verbunden Stößel 10 auf den
Ventilschaft 2 auftritt und im Weiteren gegen die federnden Rückstellkräfte der
Schließerseite wirken muss.
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Dieser Kraftsprung kann gemäß der Lehre der DE 197 35 373 C1 durch zusätzliche
Sensoren zur Bestimmung des Ventilspiels genutzt werden, oder zur Messung des
Ventilspiels auf elektrischem Wege durch Messung von Strom und Spannung
gemäß der Lehre der DE 195 31 437 A1. Hier wird jedoch vorzugsweise ohne
zusätzliche Sensoren bearbeitet, also insbesondere nach der Lehre der DE 198 34 545 A1.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Hub zs knapp vor einer
Überwindung eines jeweiligen Ventilspiels V gezielt angefahren, wobei die beteiligten
Elektromagneten 8, 9 jeweils zum Auf- bzw. Abbau eines magnetischen Flusses zur
Überwindung dieses Kraftsprunges geeignet ausgebildet sind.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren baut darauf auf, dass der Anker 4 zuerst
vollständig von der Polfläche 13 des Haltemagneten 9 abgelöst wird und danach
sofort in einem geringen Abstand über der Polfläche 13 in der Schwebe gehalten
wird. Dabei befindet sich der mit dem Anker 4 starr verbundene Stößel 10 nicht in
Anlage an dem Ventilschaft 2. Um eine derartige Regelung zu ermöglichen muss
der magnetische Fluss in dem Haltemagneten 9 zuerst so weit abgebaut werden,
dass die Federkraft größer als die Magnetkraft ist. Dadurch erst kann sich der
Anker 4 überhaupt in Bewegung setzen bzw. von der Polfläche 13 des Haltemagneten
9 lösen.
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Sobald die Bewegung des Ankers 4 einsetzt muss sofort in geeigneter Weise
gegengesteuert werden, insbesondere muss ein erforderlicher Fluss in dem
Haltemagneten 9 aufgebaut werden, um den Anker 4 definiert in der Schwebe zu halten.
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Durch mechanische Toleranzen, Verunreinigungen und den Einfluss von Öl auf der
Grenzfläche zwischen Anker 4 und Polfläche 13 treten zusätzliche Adhäsions- und
Reibungskräfte auf. Diese Kräfte sind in ihrer jeweiligen Größe nicht vorhersagbar
und unterliegen auch an ein und demselben Aktuator 1 starken Schwankungen.
Daher ist auch der abzubauende Fluss aus dem vorstehenden Punkt nicht genau
genug vorhersagbar.
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Jede bisherig eingesetzte Regelung wird durch die vorstehend aufgeführten
Störkräfte empfindlich gestört. Die Zeiten bis zum Ablösen des Ankers 4 schwanken
stark bis zu dem Fall hin, dass überhaupt kein Ablösen des Ankers 4 innerhalb
einer jeweils verfügbaren Zeit mehr stattfindet. Der Anker 4 schwingt im Fall der
vorstehend beschriebenen Störungen stark über oder kann gar nicht in der Schwebe
gehalten werden.
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Zur Abhilfe wird ein Regler mit Sollwerten für Strom, Hub und Geschwindigkeit
genutzt, der durch eine zusätzliche Regelgröße erweitert wird. Als Integral der
Differenz zwischen einem Soll-Hub zsoll und einem Ist-Hub zist wird eine Regelgröße y
eingeführt als
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Als Sollwerte werden ein konstanter Hub zs als Schwebehöhe des Ankers 4 über
der Polfläche 13 des Schließermagneten 9, eine Geschwindigkeit v ≍ 0 und dazu
ein konsistenter Wert für den Stromfluss I durch die Haltespule 9 vorgegeben.
Dadurch, dass die Differenz zwischen Soll- und Istwerten zsoll, zist des Hubes z
aufintegriert wird, werden auch sehr geringe dauerhafte Abweichungen erkannt und
ausgeregelt. Ein Klebenbleiben des Ankers 4 auf der Polfläche 13 wird sicher
verhindert, da das anwachsende Differenz-Integral einen wachsenden Stromfluss zur
Folge hat. Nach kürzester Zeit werden damit Kräfte aufgebaut, die jedes bekannte
Klebenbleiben des Ankers 4 auf der Polfläche 13 überwinden können.
Vorteilhafterweise wird ein direkt nach dem Ablösen des Ankers 4 von der Polfläche 13 zu
hoher Stromfluss in einer Weise durch die neue Regelgröße aus dem Differenz-
Integral derart zurückgeführt, dass Pendelbewegungen unterdrückt oder sehr
schnell ausgeregelt werden.
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Der Regler ist nach dieser Ausführungsform der Erfindung ständig aktiv, d. h. von
Beginn bei aufliegendem Anker bis zum Ende bei schwebendem Anker 4. So
garantiert der Regler einen stets sicheren Betrieb des Aktuators 1.
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Damit kann ein relativ punktgenaues Öffnen von Gaswechsel-Hubventilen 3 und
mithin eine einwandfreie Motorfunktion durch exakte Ventilsteuerung bei
gemindertem Aufwand sichergestellt werden. Vorteilhafterweise umfasst eine derartige
Einheit für einen elektromagnetischen Ventiltrieb eine vergleichsweise geringe Anzahl
von Komponenten und Einzelteilen und verzichtet insbesondere auf eine
Ölversorgung eines hydraulischen Ventilspielausgleichs. Unter Verlagerung zusätzlicher
Erfordernisse in dem Bereich der Regelung sowie der Aufbereitung von elektrischen
Messsignalen ohne den Einsatz weiterer Sensoren etc. wird insgesamt eine
Vereinfachung der Systemdynamik erreicht.
Bezugszeichenliste
1 Aktuator
2 Ventilschaft
3 Hubventil
4 Anker
5 Ventilteller
6 Ventilsitz
7 Ventilschließfeder
8 Elektromagnet-Spule
9 Elektromagnet-Spule
10 Stößel
11 Ventil-Öffnungsfeder
12 Polfläche
13 Polfläche
ΔI Längenänderung zur Federeinstellung
t Zeit
tK Klebzeit
tL Lösezeitpunkt
t1 Startzeitpunkt einer Ventilöffnung
ts Zeitpunkt, zu dem Zwischenposition zs erreicht wird
Δt Zeitdifferenz zwischen Lösezeitpunkt und Startzeit der
Ventilöffnung
ΔT einstellbare Ventilöffnungszeitspanne
V Ventilspiel
z Wegkoordinate des Ankers 4/Hub
z0 Startwert/Hub in Schließstellung
ze Endwert/maximale Öffnungsstellung
zs Zwischenposition