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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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Aus
der
DE 100 19 745
A1 ist ein Verfahren eingangs genannter Art bekannt, bei
dem zur Verbesserung der Genauigkeit der Ansteuerung des elektromagnetischen
Aktuators in Abhängigkeit
von erfassten Ist-Werten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die
Regelung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, dass der
Anker in einem vorgegebenen Abstandsbereich, einem sogenannten Zielfenster,
sich insbesondere mit einer gegen Null gehenden Geschwindigkeit
bewegt.
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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 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.
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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.
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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.
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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 Ventiltelers
auf seinen Ventilsitz an dem Hubventil auf, so dass es in Extremfällen auch
hierzu einem Prellen kommen kann.
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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 Ü-berbrückung des
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.
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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.
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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
geschlossen wird.
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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
wird das Gaswechsel-Hubventil selber in keinem Fall geöffnet. 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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. 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 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
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.
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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 aller Toleranzen liegt.
Damit ist sichergestellt, dass die Regelung der Geschwindigkeit
in jedem Fall vor einem jeweiligen Auftreff-Punkt bereits eingegriffen
hat.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 nicht
deutschen
Patentanmeldung DE 102 06 033 verwiesen.
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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.
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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 Auftreffgeschwindigkeit
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.
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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:
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1:
eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines
Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb in einer
geöffneten
Endstellung;
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2:
das Ventil gemäß 1 in
einer geschlossenen Endstellung;
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3a bis 3c:
ein Gaswechselventil bekannter Bauart mit freiem Ventilspiel in
drei unterschiedlichen Betriebszuständen und
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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 zs zwischen dem Schaft 2 des
Ventils 3 sowie dem Stößel 10 des
Aktuators 1 gebildet, siehe Abbildung von 3c.
Dieser Abstand zs 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.
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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
lh lange bewegt, bis sich das Ventil 3 durch
Absetzen des Ventildeckels 5 abdichtend in dem Ventil 6 geschlossen
hat.
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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
zo = 0 abgesetzt bzw. sicher an dieser zur
Anlage gebracht wird.
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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.
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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 tA 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 tA 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 eingeregelt wird.
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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.
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Vorteilhafterweise
muss das Ventilspiel zs 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 zo in der stationären Endlage,
da auch hier durch B ein Intervall ausreichender Weite definiert
ist.
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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.
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- 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
- tA
- Schließzeitpunkt
des Ventils
- tE
- Aufsetz-Zeitpunkt
des Ankers auf der Polfläche
- v1
- Geschwindigkeit
im Intervall A
- v2
- Geschwindigkeit
im Intervall B
- z
- Wegkoordinate
des Ankers 4/Hub
- zo
- Startwert/Hub
in Schließstellung
- zs
- Ventilspiel