DE10244337A1

DE10244337A1 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators

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Publication number: DE10244337A1
Application number: DE10244337A
Authority: DE
Inventors: Ralf Cosfeld; Konrad Dr. Reif; Daniel Andersson
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: DE10244337B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Eelktromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird. DOLLAR A Um ein sicheres Schließen des Ventils durch einen elektromagnetischen Aktuator bei wesentlich vermindertem Aufwand zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der Anker (4) in einer Endphase einer Schließbewegung in einem Bereich (A) des Beginns eines Ventilspiels (z¶s¶) mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit (v¶1¶) bewegt wird.

Description

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 oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
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 Gaswechsel-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 starr mit dem Anker des Aktuators 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 so ein, dass am Ende der Öffnungsbewegung ein vorgegebener Ventilhub und mithin eine bestimmte Ventilöffnung zum Laden oder Entladen eines Brennraums erreicht wird. Beim Schließvorgang wird der Anker des Aktuators von der Öffnerspule abgelöst und auf die Schließerspule zu bewegt, wodurch auch das Hubventil geschlossen wird.
Fertigungs- und Bauteiltoleranzen, unterschiedliche Wärmeausdehnung der beteiligten Bauteile sowie Alterungseinflüsse können zu erheblichen Abweichungen von einem jeweils vorgegebenen Hubwert eines Ventils führen. Das kann insbesondere beim Schließvorgang durch ein nicht vollständiges Schließen zu Fehlfunktionen in der Brennkraftmaschine und binnen kurzer Zeit schließlich zu einer Zerstörung des Ventils führen. Als eine Maßnahme gegen das vorstehend angedeutete Problem ist beispielsweise aus der DE 23 35 150 A bekannt, dass der Stößel des Aktuators und der Ventilschaft des Hubventils nicht einstückig miteinander verbunden sind. 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.
Die Größe des Ventilspiels ist derart bemessen, dass beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungen bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu keinem Zeitpunkt dazu führen können, dass bei einem Halten des Ankers in Schließstellung der Stößel den Ventilschaft 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 nun dazu, dass das mechanische Ventilspiel in der Regel nicht exakt bekannt ist. Dadurch treten Störungen in der Funktion eines Ottomotors bezüglich Leistung, Verbrauch und Schadstoffemissionen auf.
Es ist bekannt, einen zusätzlichen Sensor zur Erfassung des Ankerhubes vorzusehen. In der Praxis ist ein derartiger Hubsensor jedoch stets mit Offset-Fehlern behaftet, wobei diese Fehler auch durch eine Kalibrierung der Endlagen in geöffneter und geschlossener Ventilstellung nicht völlig behoben werden können. Diese Offset-Fehler können verschiedene negative Auswirkung auf die Regelung eines elektromechanischen Ventiltriebs in der Schießstellung haben: Der Anker kann zu früh oder zu spät abgebremst werden, so dass es beispielsweise zu einem zu schnellen Auftreffen des Ankers auf einer Polfläche eines jeweils zuständigen Elektromagneten kommt. Ein zu schnelles Auftreffen kann zu unerwünschtem Prellen des Ankers beim Aufschlagen auf eine jeweilige Polfläche und/oder zu erhöhtem Verschleiß führen, wobei in jedem Fall eine erhöhte und mithin unerwünschte Geräuschbelas tung auftritt. Verschleiß und erhöhte Geräuschbelastung treten auch bei einem zu schnellen Aufsetzen eines Ventilteller aus seinen Ventilsitz an dem Hubventil auf, so dass es in Extremfällen auch hier zu einem Prellen kommen kann.
Besondere Schäden können jedoch im Fall eines zu frühen Abbremsens des Ankers auftreten: Hier kann es unter Umständen auch zu einer Bewegungsumkehr des Ankers vor dem Auftreffen oder Erreichen einer stationären Endlage auf einer Polfläche eines betreffenden Elektromagneten kommen. In der Folge kann durch eine Umkehrung der Bewegungsrichtung des Ankers auch das Hubventil nach Überbrückung den Ventilspiels wieder mindestens teilweise geöffnet werden. Dadurch kann es neben einer ungenauen Einstellung eines jeweiligen Gemisches in einer Brennkammer auch zu schwerwiegenden Fehlfunktionen in der Motorsteuerung kommen.
Da in einem modernen elektromagnetischen Ventiltrieb damit neben einem Erreichen einer Endlage des Aktuators auch das Schließen eines Hubventils problematisch sein kann, soll nachfolgend kurz auf Möglichkeiten einer mechanische Kopplung von Ventilschaft und Stößel des Aktuators unter Toleranzausgleich eingegangen werden. Hierzu sind diverse Ansätze bekannt, denen i.d.R. gemein ist, das vordem freie Ventilspiel durch einen mehr oder weniger frei einstellbaren Stellmechanismus an jeweils aktuelle Gegebenheiten anzupassen. 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.
Aus dem Stand der Technik sind alternativ auch verschiedene Ansätze zur Bestimmung eines jeweiligen Ventilspiels für Verfahren bekannt, die keine mechanische Kopplung von Ventilschaft und Stößel des Aktuators vorsehen, so dass im Endef fekt wenigstens die Zeitpunkte eines Schließens des Hubventils und eines Aufsetzens des Ankers für eine Regelung ausreichend genau bestimmt werden könnten. 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.
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 zusätzlich 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.
In jedem Fall können sich Ungenauigkeiten bei Bestimmung eines jeweiligen Ventilspiels jedoch aufsummieren und bei allem zusätzlichem Aufwand im Endeffekt sehr rasch zu unsicheren Ergebnissen führen. Im Ergebnis ist es daher deutlich vorteil hafter, wenn der elektromagnetische Aktuator ohne konkreten Ventilspielausgleich bei nur ungefährer oder grober Kenntnis eines jeweiligen Ventilspiels geregelt werden kann. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sicheres Schließen des Ventils durch einen elektromagnetischen Aktuator bei wesentlich vermindertem Aufwand zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weiter ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6 eine Lösung dieser Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass der Anker des Aktuators in einer Endphase einer Schließbewegung in einem Bereich des Beginns des Ventilspiels mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit bewegt wird. Es wird erfindungsgemäß somit bereits beim Schließen des Hubventils regelnd eingegriffen, also im Bereich eines Auftreffen des Ventildeckels auf seinen Sitz. Beim Einregeln einer maximalen Geschwindigkeit ist dabei nicht erforderlich, den Zeitpunkt eines tatsächlichen Aufsetzens sehr genau zu kennen. Damit können die vorstehend ausgeführten Probleme, die zur Bestimmung einer Ankerposition und eines Ventilspiels weitgehend außer Acht gelassen werden, wobei dennoch ein hinsichtlich Geräuschentwicklung und Standzeit günstiger Verlauf der Schließbewegung und ein sicheres Schließen des Hubventils erreicht wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Bereich als definiertes Intervall innerhalb eines Hubverlaufes durchlaufen. Innerhalb einer Baureihe eines elektromagnetisch betätigten Ventiltriebs wird insoweit ein Intervall definiert, innerhalb dessen der Punkt eines Auftreffens des Ventildeckels auf seinen Sitz auch unter Berücksichtigung alles Toleranzen liegt. Damit ist sichergestellt, dass die Regelung der Geschwindigkeit in jedem Fall vor einem jeweiligen Auftreff-Punkt bereits eingegriffen hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Regelung der Geschwindigkeit des Ankers entlang einer Trajektorie, in die als Sollkurve für den Ankerhub ein Geradenstück zur Vorgabe der Geschwindigkeit eingefügt ist.
Dieses Geradenstück der Solltrajektorie ist folglich im Bereich eines nur geschätzten Ventilspiel-Beginns vorgesehen, so dass ein Kontrollbereich vor dem Schließen des Hubventils und damit deutlich vor einem Auftreffen des Ankers auf die Polfläche vorgesehen ist. Dieser Kontrollbereich ist damit zur Optimierung der Sollkurve mit einem sehr effektiver Regelungseingriff zur Kontrollierung der Geschwindigkeit zu einem relativ frühen Zeitpunkt jedem kritischen Zustand innerhalb des Gesamtbewegungsablaufes vorangestellt. Die Geschwindigkeit des Ankers ist bereits vorstehend als eine der für ein sicheres Schließen des Hubventils wesentliche Größe beschrieben worden. Damit wird auch ohne stetig wiederholte Messung zur Bestimmung einer möglichst genauen Position des Stößels und/oder Kenntnis eines Ventilspiels sichergestellt, dass das Hubventil sicher schließt und geschlossen bleibt. Gegen 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 durch das Vorsehen des Regelbereiches ausreichend tolerant. Vorteilhafterweise sind aus dem Stand der Technik robuste Verfahren zur Ausführung dieser Regelaufgabe mit der Regelung der Geschwindigkeit des Ankers entlang einer Trajektorie, in die als Sollkurve für den Ankerhub ein Geradenstück eingefügt ist, bekannt. Diese Verfahren arbeiten auf der Grundlage einer punktweise oder abschnittsweise insbesondere mathematisch geschlossen definierten Trajektorie, und können hier direkt eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Anker des Aktuators in einer Endphase einer Schließbewegung vor dem Auftreffen auf eine Polfläche des Schließermagneten mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit bzw. einer Aufsetzgeschwindigkeit bewegt. Dazu ist in die Sollkurve für den Ankerhub ein Geradenstück in dem Bereich eingefügt, in dem ein Aufsetzen des Ankers auf die Polfläche ungefähr zu erwarten ist. Auch dieser Bereich ist also als Intervall bzw. Toleranzband definiert. An die vorstehend beschriebene Vorbereitungsphase im Bereich des Beginns des Ventilspiels anschließend erfolgt nun ein Überführen des Ankers in seine Endstellung, beispielsweise durch zusätzliche Bestromung der Schließerspule und Regelung entlang der Gerade, also bei konstanter Aufsetzgeschwindigkeit.
Vorzugsweise wird für die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche eine sehr geringe Geschwindigkeit gewählt und eingeregelt, so dass ein Prellen beim Aufsetzen sicher unterbunden und auch eine Lärmbelastung sowie der Verschleiß in vorbestimmten Grenzen gehalten werden können.
Da das Intervall, in dem ein Aufsetzen des Ankers auf der Polfläche liegt, in einem Ausführungsbeispiel derart ausgedehnt wird, dass ein zu Beginn einer Regelung innerhalb dieses Intervalls eingestellter Strom aufrechterhalten wird, wird dieser zum Haltestrom. Dazu ist selbstverständlich eine Geschwindigkeitsregelung dann auszusetzen, wenn beispielsweise durch einen Hubsensor das Anliegen des Ankers an der entsprechenden Polfläche festgestellt worden ist. Zur Regelung des Haltestroms bei Minderung des Energiebedarfs auch unter dem Einfluss von Störungen, wie z.B. Vibrationen des Motors oder des Fahrzeugs, wird auf die Offenbarung der noch nicht offengelegte deutschen Patentanmeldung DE 102 06 033 , internes Aktenzeichen EM 12802, verwiesen.
Die mindestens zwei wie vorstehend beschrieben ausgelegten Geradenstücke der Solltrajektorie weisen in einer Ausführungsform der Erfindung im wesentlichen die gleiche Steigung auf, wobei die Geschwindigkeit in dem Bereich des Beginns des Ventilspiels größer als die Auftreffgeschwindigkeit gewählt wird. Dabei ist in der Solltrajektorie ein diese Geradenstücke stetig verbindendes Zwischenstück hinsichtlich seines Verlaufes im wesentlichen frei wählbar.
Insgesamt wird durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehend aufgeführten Merkmale eine Vorrichtung geschaffen, bei der in einem gesamten Bereich, in dem ein Auftreffen des Ventiltellers auf den Sitz des Hubventils und/oder des Stößels auf die Polfläche im Aktuator stattfinden kann, jeweils eine voreingestellte Geschwindigkeit eingehalten wird. Die vorgeschlagene Regelung arbeitet ohne präzise Kenntnis des Ventilspiels und der jeweiligen Aufsetzpunkte vorzugsweise mit zwei Kontrollstellen bzw. Kontrollintervallen, wodurch die Aufsetzgeschwindigkeit des Ventiltellers auf dem Ventilsitz und schließlich auch die Auftreftgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche auf Vorgabewerte eingeregelt werden können. Unter dieser Maßgabe wird durch die vorliegende Erfindung nach einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale eine Optimierung bei spielsweise einer Sollkurve durchgeführt. So werden auch bei Offset-Fehlern eines Sensors bestimmte Auftreffgeschwindigkeiten zur Vermeidung oder wenigstens wesentlichen Minderung der vorstehend nach dem Stand der Technik auftretenden Probleme eingehalten.
Zur Darstellung weiterer Vorteile wird nachfolgend eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung mit einer Beschreibung des Standes der Technik näher eingegangen. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb in einer geöffneten Endstellung;
2: das Ventil gemäß 1 in einer geschlossenen Endstellung;
3a bis 3c: ein Gaswechselventil bekannter Bauart mit freiem Ventilspiel in drei unterschiedlichen Betriebszuständen und
4: ein Verlauf des Hubes des Ankers in einer Endphase der Bewegung vor dem sicheren Schließen des Ventils und dem Erreichen eines Totpunktes der Bewegung in dem Hubventil als Gesamtsystem.
In der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter Bauart skizziert dargestellt. Der Aktuator 1 treibt über einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 an. 1 zeigt mit der geöffneten Endlage eine der beiden möglichen Endlagen des Hubventils 3 und des Aktuators 1, die hier durch die Lage eines Ankers 4 eingestellt ist. 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.
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.
Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System, für das die Ventilschließfeder 7 und die Ventilöffnungsfeder 11 eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder für die aus Anker 4 und Stößel 10 bestehende Masse bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstellung über eine Länge Δl vorgenommen werden, die hier im Bereich der Ventilöffnungsfeder 11 angeordnet ist. 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.
In einer in der Abbildung von 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.
Da in der vorliegenden Ausführungsform des Gaswechsel-Hubventils 1 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 Ausdeh nung oder verschiedenen Arten 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 relativ störungsanfälligen Lösung wird als ein weiterer Nachteil erkauft, dass Öl in den Ventilraum austreten kann.
Zur Regelung des Aktuators bietet sich daher ein Verfahren mit Regelung der Geschwindigkeit des Ankers 4 in besonderen Bereichen an als weitere Lösungsmöglichkeit zum Ausgleich des in der Einleitung beschriebenen Problems sich addierender Toleranzen und zum Sicherstellen des Schließens des Hubventils 3 sowie dem Erreichen einer stationären Endlage auch des Ankers 4. Dieses Verfahren macht einen konkret ausgeführten elektronischen Ventilspielausgleich wenigstens für den Schließvorgang im wesentlichen überflüssig. Ferner weist es gegenüber einer starren Ventilkopplung als Vorteil eine Vereinfachung der Regelaufgabe und insbesondere durch den Verzicht auf eine Ölversorgung für einen hydraulischen Ventilspielausgleich und eine deutliche Vereinfachung der Systemdynamik eine wesentlich geringere Anzahl von Komponenten auf.
Die Regelung unter Verwendung eines freien Ventilspiels wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figurenfolge von 3a bis 3c beschrieben. Das Gesamtsystem setzt sich aus einem mechanischen sowie einem elektrischen und einem Software-Teil zusammen. In dem mechanischen Teil, dem Aktuator 1, wird durch einen zusätzlichen freien Abstand z_s zwischen dem Schaft 2 des Ventils 3 sowie dem Stößel 10 des Aktuators 1 gebildet, siehe Abbildung von 3c. Dieser Abstand z_s muss als freies Ventilspiel groß genug gewählt sein, so dass 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.
Zur Verdeutlichung der Aufgabe des Software-Teils wird ein Schließvorgang des Hubventils 2 unter Einwirkung durch den Aktuator 1 anhand der Figurenfolge 3a bis 3c verdeutlicht. Unter der Wirkung der Rückstellkraft der Ventilschließerfeder 7 wird der Aktuator 1 nach Umkehrung bzw. Abschaltung eines Haltestroms I_h lange bewegt, bis sich das Ventil 3 durch Absetzen des Ventildeckels 5 abdichtend in dem Ventil 6 geschlossen hat.
Mit dem Schließen des Ventils 3 wird nun der Anker 4 im Übergang von 3b zu 3c allein weiter auf die Polfläche 13 des Schließermagneten 9 hin mit einer Geschwindigkeit v₁ bewegt. In einem weiteren Abschnitt wird hier eine Endphase des gesamten Bewegungsablaufes eingeleitet, an deren Abschluss der Anker 4 dann sanft, d. h. mit einer Beschleunigung a = 0 und einer geringen Geschwindigkeit v₂, auf der Polfläche 13 des Schließermagneten 9 bei z_o = 0 abgesetzt bzw. sicher an dieser zur Anlage gebracht wird.
Um den Anker in erfindungsgemäßer Weise einzuregeln 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.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend angedeuteten Kontrollbereiche definiert, in denen ein Regelungseingriff erfolgen kann. Ein erster Regeleingriff erfolgt im Bereich eines nur näherungsweise bekannten Zeitpunkts t_A mit dem Aufsetzens des Ventiltellers 5 auf dem Ventilsitz 6, wie in der Abbildung von 3b skizziert dargestellt. Die Abbildung von 4 zeigt den Verlauf des Hubes z(t) des Anker 4 in der Endphase einer Schließbewegung, also den letzten Wegabschnitt des Ankers 4 auf die Polfläche 13 des Elektromagneten 9 zu. Dieser Zeitpunkt t_A liegt in einem Intervall A für die Regelung des Hubes z(t) entlang einer Trajektorie T, in dem eine erste Regelung einer Geschwindigkeit v₁ bereits greift. Damit wird ein erster Kontrollbereich durchlaufen, in dem der Anker 4 auf eine vorgegebene Geschwindigkeit v₁ eingeregeltwird.
Nach Durchlaufen eines zweiten Kontrollbereiches, das durch ein Intervall B des Hubes definiert ist, mit einer Geschwindigkeit v₂ ist sichergestellt, dass unter Anlegen einer geeigneten Bestromung nachfolgend ein Abschluss der Schließbewegung des Ventils 3 in definierter Weise durch Anschlagen des Ankers 4 an der Polfläche 13 stattfinden kann. Die Geschwindigkeit v₂ ist dabei im Vergleich zu der Geschwindigkeit v₁ geringer, um ein sicheres, aber auch möglichst sanftes Anschlagen des Ankers 4 an der Polfläche 13 zu erzielen. Dabei werden durch die Umsetzung des beschriebenen Verfahrens in einer dementsprechenden Vorrichtung zahlreiche Probleme, wie Geräuschbelastung und Verschleiß durch kontinuierliches Aufschlagen des Ankers 4 an der Polfläche 13.
Vorteilhafterweise muss das Ventilspiel z_s selber in seiner Größe nicht genau bekannt sein, da das Intervall A angefahren wird. Ständige Messungen des Ventilspiels können damit erfallen, es reichen an der Stelle eines standardisierten Vorgabewertes Überprüfungen nach eingangs unter Bezugnahme auf einschlägigen Stand der Technik beschriebenen Verfahren in sehr weiten zeitlichen Intervallen aus. Gleiches gilt für die Hubposition z_o in der stationären Endlage, da auch hier durch B ein Intervall ausreichender Weite definiert ist.
Damit kann ein zuverlässiges Schließen von Gaswechsel-Hubventilen 3 und mithin eine einwandfreie Motorfunktion 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 und zusätzliche Verfahren zur Ventilspiel-Bestimmung. 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.

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
A: erstes Hubintervall (Ventil schließen)
B: zweites Hubintervall (Anker aufsetzen)
G₁: Geradenstück in Intervall A
G₂: Geradenstück in Intervall B
Δl: Längenänderung zur Federeinstellung
L: starre Länge zwischen Anker und Ventilteller
t: Zeit
t_A: Schließzeitpunkt des Ventils
t_E: Aufsetz-Zeitpunkt des Ankers auf der Polfläche
v₁: Geschwindigkeit im Intervall A
v₂: Geschwindigkeit im Intervall B
z: Wegkoordinate des Ankers 4/Hub
z_o: Startwert/Hub in Schließstellung
z_s: Ventilspiel

Claims

Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) eines elektromagnetischen Aktuators (1), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles (3) einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei der Anker (4) oszillierend zwischen Polflächen (12, 13) zweier Elektromagnet-Spulen (8, 9) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (7, 11) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (8, 9) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) in einer Endphase einer Schließbewegung in einem Bereich (A) des Beginns eines Ventilspiels (z_s) mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit (v₁) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (A) als definiertes Intervall innerhalb eines Hubverlaufes (z(t)) durchlaufen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Geschwindigkeit (v) des Ankers (4) entlang einer Trajektorie (T) erfolgt, in die als Sollkurve für den Ankerhub (z) ein Geradenstück (G₁) zur Vorgabe der Geschwindigkeit (v₁) eingefügt ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) in einer Endphase einer Schließbewegung vor dem Auftreffen auf eine Polfläche (13) des Schließermagneten (9) mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit (v₂) bewegt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich des durch das Schließen des Hubventils (3) definierten Beginns des Ventilspiels (z_s) vorgegebene Geschwindigkeit (v₁) größer als die Geschwindigkeit (v₂) vorgegeben wird, die als konstante Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (4) an der Polfläche (13) eingeregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als konstante Geschwindigkeit (v₂) eine sehr geringe Geschwindigkeit eingeregelt wird.
Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ankers (4) in einem elektromagnetischen Aktuator (1), der einen axial zwischen Polflächen (12, 13) von zwei Elektromagneten (8, 9) aufweist, zwischen denen der Anker verschieblich ist, wobei der Aktuator (1) insbesondere zum Antrieb eines Hubventils (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.