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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines
Aktuators, der insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Ventils einer
Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug verwendet wird, wobei der Anker des Aktuators
oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft
zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-
Spulen bewegt wird.
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Der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen ist ein
bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1. Hier werden Gaswechsel-Hubventile einer
Hubkolben-Brennkraftmaschine von derartigen Aktuatoren in gewünschter Weise
betätigt, d. h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen
elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen durch
Aktuatoren der vorstehend genannten Art als elektromechanische Stellglieder
betätigt, wobei der Zeitpunkt des Öffnens und des Schließens jedes Hubventils im
Wesentlichen völlig frei gewählt werden kann. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten
der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen Betriebszustand sowie an die
jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen,
Fahrkomfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen
Fahrzeugs angepasst werden.
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Als wesentliche Bestandteile zum Betätigen eines Hubventils einer
Brennkraftmaschine umfasst ein bekannter Aktuator einen axial verschieblichen Anker sowie zwei
Elektromagnete für das Halten des Ankers in den Positionen "Hubventil offen" bzw.
"Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektromagnet-Spulen, und ferner
wird der Anker durch mindestens eine Rückstellfeder in einer Neutrallage zwischen
den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen" gehalten, wenn keine
der Spulen mit einem Strom beaufschlagt ist. In Bezug auf einen prinzipiellen
Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators mit zugehörigen Hubventilen wird auch
auf die Abbildung von Fig. 1 der beigefügten Zeichnung verwiesen, die eine
derartige Aktuator-Ventil-Einheit in einer geöffneten Endstellung zeigt.
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Eine jeweilige Endlage des Ankers wird durch Bestromung des entsprechenden
Elektromagneten eingerichtet. Hierzu wird entweder ein besonderer Haltestrom
direkt vorgegeben, oder es wird eine besondere Form von Spannung an der
jeweiligen Spule angelegt, wie beispielsweise aus der EP 0 973 178 A2 bekannt ist. Ein
generelles Problem bei elektromagnetischen Ventiltrieben besteht jedoch gerade in
der hohen Leistungsaufnahme der Aktuatoren während dieser Haltephasen. Denn
auch, wenn die Aktuatoren während dieser Haltephasen gesteuert bestromt werden,
weisen sie eine sehr hohe Leistungsaufnahme speziell im Leerlauf bzw. bei
niedrigen Drehzahlen auf. Der gesteuerte Betrieb des Aktuators über eine geregelte
Bestromung erfordert, dass zu dem für das Halten notwendigen Strom noch ein
Sicherheitsfaktor hinzugegeben wird, um bei auftretenden Gaskräften, mechanischen
Erschütterungen und Vibrationen einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Insbesondere muss ein Abfallen des Ventils sicher verhindert werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
dementsprechende Vorrichtung zu schaffen, die eine erforderliche Betriebssicherheit bei stark
verminderter Leistungsaufnahme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist auch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen
Anspruch 7 eine Lösung dieser Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den
jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist demnach durch den Einsatz einer
Kraftregelung gekennzeichnet, die in einem Haltezustand eine Kontaktkraft zwischen dem
Anker bzw. der Ankerplatte und der Polfläche des jeweils haltenden
Elektromagneten bzw. dem Blechpaket regelt. Der Haltestrom wird zu Beginn der Kraftregelung
auf einen Wert eingestellt, der nur geringfügig oberhalb eines theoretisch
erforderlichen Mindestwertes liegt. Dieser Wert ist also weitgehend ohne jede
Sicherheitszuschläge angesetzt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftregler als Proportionalregler
ausgebildet. Ein Proportionalregler regelt eine Störung in bekannter Weise stets nur bis
auf eine bleibende Restregelabweichung aus, wobei die Restregelabweichung
abhängig von einer jeweils einwirkenden Kraft ist. Damit zeichnet sich ein
Proportionalregelkreis durch ein nachgiebiges Verhalten gegenüber Störungen aus, das mit
einer Federcharakteristik verglichen werden kann. Erfindungsgemäß wird diese
Eigenschaft von Proportionalreglern dazu benutzt, dass sie eine bleibende
Regelabweichung in vorgegebener Größe eingestellt bekommen, um ein
Regelausgangssignal zu erzeugen. Die Reglerabweichung kann im vorliegenden Fall dadurch
erzeugt und eingestellt werden, dass im Haltefall bei einem Geschwindigkeitsregler
eine kleine Sollgeschwindigkeit in Richtung der Polfläche des aktuell haltenden
Elektromagneten vorgegeben wird. Bei der Verwendung eines Positionsreglers wird
eine Sollposition vorgegeben, die um eine Distanz vorgegebener Größe ins Innere
des Blechpaketes des Haltemagneten verlegt ist, also jenseits der Polfläche liegt. Im
letzteren Fall ergibt sich unter Verwendung eines Regelkoeffizienten kZ des
Proportionalreglers eine Haltekraft in der Endlage zu
F = kZ × ΔzSoll
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Bei jeder durch Gasgegenkräfte, mechanische Erschütterungen oder Vibrationen im
Fahrzeug auftretenden zusätzlichen Abweichung von der fest vorgegebenen
Regelabweichung wird der Regler durch Erhöhung des Stromes gegensteuern.
Dadurch wird eine Anpresskraft zur Sicherung eines störungsfreien Betriebes durch
Gewährleistung einer steten Anlage des Ankers in einer Halteposition nur bei Bedarf
durch eine Stromerhöhung von einem Minimalwert ausgehend veranlasst. Hierdurch
werden wesentliche Energieeinsparungen erzielt.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf eine
Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen in der
Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer bekannten Aktuator-Hubventil-Einheit
in geöffneter Endstellung;
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Fig. 2 die Einheit von Fig. 1 in einer geschlossenen Endstellung;
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Fig. 3 einen Aktuator mit Sensor und Regler zur Umsetzung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung unter Einzeichnung
von Regel- und Vorgabewerten und
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Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Positionsregelkreises.
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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
längsverschiebbar 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 Δl 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
schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 gegen eine Rückstellkraft der Feder 11
vollständig 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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Um diese geschlossene Position sicher halten zu können ist eine Kontaktkraft Fk
aufzubauen. Einem für das Halten des Ankers 4 und für die Erzeugung dieser
Kontaktkraft Fk notwendiger Strom I wird nach dem Stand der Technik noch ein
Sicherheitsfaktor hinzugegeben, um bei auftretenden Gaskräften, mechanischen
Erschütterungen und Vibrationen einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Insbesondere
muss ein Abfallen oder Öffnen des Ventils 3 sicher verhindert werden.
Dementsprechend ist in beiden Zuständen, also in der Position von Fig. 1 und der von Fig. 2,
jeweils eine entsprechende Kraft durch einen erhöhten Stromfluss zu erzeugen.
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Ein generelles Problem bei bekannten elektromagnetischen Ventiltrieben besteht
jedoch gerade in der hohen Leistungsaufnahme der Aktuatoren 1 während dieser
vorstehend beschriebenen Haltephasen. Denn auch, wenn die Aktuatoren 1
während dieser Haltephasen gesteuert bestromt werden, weisen sie eine sehr hohe
Leistungsaufnahme speziell im Leerlauf bzw. bei niedrigen Drehzahlen auf.
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Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
beseitigt, wie sie in der Abbildung von Fig. 3 dargestellt ist. Hier ist ein Aktuator 1
in gegenüber der Darstellung von Fig. 2 ergänzter Form beim Halten eines
geschlossenen Zustandes dargestellt. Der Anker 4 wird durch den Schließermagneten
9 gehalten. Über den Stößel 10 wird diese Position von einem Positionssensor 15
festgestellt. Der Positionssensor 15 ist mit einem Regler 16 verbunden, der eine
Leistungselektronik 17 ansteuert, um den Strom I den jeweiligen Erfordernissen
entsprechend einzustellen. Der Strom I nimmt jedoch in der Regel niedrigere Werte
unter Verwendung einer Regelung der Haltekraft Fk an, als in sonstigen sicher
arbeitenden bekannten Verfahren und Vorrichtungen. Im vorliegenden Fall wird im
Haltezustand die Kontaktkraft bzw. Haltekraft Fk zwischen dem Anker 4 und der Polfläche
13 des haltenden Elektromagneten 9 regelt, wobei der Haltestrom Ih zu Beginn der
Kraftregelung auf einen Wert eingestellt wird, der nur geringfügig oberhalb eines
theoretisch erforderlichen Mindestwertes liegt. Dieser Wert ist also weitgehend ohne
jede Sicherheitszuschläge angesetzt.
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Ein Proportionalregler regelt eine Störung in bekannter Weise stets nur bis auf eine
bleibende Restregelabweichung aus, wobei die Restregelabweichung abhängig von
einer jeweils von außen einwirkenden Kraft ist. Damit zeichnet sich ein
Proportionalregelkreis der dargestellten art durch ein nachgiebiges Verhalten gegenüber
Störungen aus. Dieses Verhalten kann mit einer Federcharakteristik verglichen werden.
Hier wird diese Eigenschaft von Proportionalreglern dazu benutzt, eine bleibende
Regelabweichung in einer vorgegebenen Größe Δzs einzustellen bekommen, um
über ein Regelausgangssignal zu erzeugen, das einem minimal erforderlichen
Haltestrom Ih entspricht. Diese Reglerabweichung wird im vorliegenden Fall dadurch
definiert als Startwert erzeugt, dass im Haltefall bei einem Geschwindigkeitsregler
eine kleine Sollgeschwindigkeit in Richtung zum aktuell haltenden Blechpaket
vorgegeben wird bzw. bei einem Positionsregler eine Sollposition, die um die Distanz
Δzs im Inneren des Blechpakets liegt. Die Haltekraft Fk des als Proportionalregler
ausgebildeten Kraftreglers ergibt unter Verwendung des Regelkoeffizienten kz des
Proportionalreglers 16 in der Endlage zu
Fk = kZ × ΔzSoll.
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Ein Ablösen des Ankers 4 von der Polfläche 13 würde den Wert ΔzS verändern und
damit über den Regler 16 und die Leistungselektronik 17 den Strom I vergrößern.
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Die Kraftregelung kann entweder mittels eines Kraftsensors direkt, oder alternativ
auch mit einem Geschwindigkeits- oder Positionssensor realisiert werden. Bei dem
Einsatz eines Geschwindigkeits- oder Positionssensors kann ein Geschwindigkeit-
bzw. ein Positionsregler oder auch eines Zustandsreglers verwendet werden, der
nur über einen Proportionalanteil im Regler verfügt. Bei einem bereits vorhandenen
Regler muss ein etwaiger Integralanteil im Regler abgeschalten werden. Hierbei
kann man die Eigenschaft von Proportionalreglern nutzen, dass sie eine bleibende
Reglerabweichung benötigen um ein Reglerausgangssignal zu erzeugen.
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Das Blockschaltbild von Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Positionsregelkreises unter Verwendung eines Positionsreglers 18 und eines
Geschwindigkeitsreglers 19, denen die Regelgrößen zist jeweils über
Rückkopplungszweige in angepasster Form mit Sollgrößen zsoll verglichen zugeführt werden.
Aktuator 1 und Leistungselektronik 17 sind zusammen mit dem Sensor 15 als ein Block in
dem Positionsregelkreis dargestellt. Auch dieser Kreis 16 arbeitet in einer
Halteposition als reiner Positionsregler.
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
14 -
15 Positionssensor
16 Regler
17 Leistungselektronik
18 Positionsregler
19 Geschwindigkeitsregler
Ih Haltestrom
Δl Längenänderung zur Federeinstellung
Fk Kontaktkraft
t Zeit
z Wegkoordinate des Ankers 4
zh Hub in der Haltestellung
Δzs Differenzwert zur Erzeugung einer definierten
Regelabweichung
zsoll Soll-Wert des Hubes
zist Ist-Wert des Hubes