DE19526681A1 - Verfahren zur zeitgenauen Steuerung der Ankerbewegung eines elektromagnetisch betätigbaren Stellmittels - Google Patents

Description

Elektromagnetische Aktuatoren, wie sie beispielsweise zur Betätigung der Gaswechselventile an Kolbenbrenn­ kraftmaschinen eingesetzt werden können, weisen wenig­ stens einen Elektromagneten auf, der auf einen durch Rückstellmittel gehaltenen, mit dem zu betätigenden Stellmitteln verbundenen Anker einwirkt. Durch den Hal­ temagneten wird der Anker in der einen Betriebsstellung gehalten, so daß durch Stromlossetzen des Elektromagneten durch das Rückstellmittel, beispielsweise eine Feder, der Anker in die andere Betriebsposition bewegt wird. Bei Aktuatoren, die zur Betätigung von Gaswech­ selventilen als Stellmittel eingesetzt werden, hat der Ablauf der Steuerung großen Einfluß auf die unterschied­ lichen Parameter, beispielsweise die Zustände des Ar­ beitsmediums im Einlaßbereich, die Zustände im Arbeits­ raum sowie im Auslaßbereich und die Vorgänge im Arbeits­ raum selbst. Da Kolbenbrennkraftmaschinen in sehr un­ terschiedlichen Betriebszuständen instationär arbeiten, ist eine entsprechend variable und anpassungsfähige Steuerung der Gaswechselventile notwendig. Eine derar­ tige elektromagnetische Stelleinrichtung zur Betäti­ gung der Gaswechselventile ist beispielsweise aus DE-C-30 24 109 bekannt.

Ein wesentliches Problem bei der Steuerung derartiger elektromagnetischer Stelleinrichtungen stellt die erfor­ derliche Zeitgenauigkeit dar, wie sie insbesondere bei einer Steuerung der Motorleistung zur Betätigung der Einlaßventile erforderlich ist. Eine genaue Steuerung der Zeiten wird durch fertigungsbedingte Toleranzen, im Betrieb auftretende Verschleißerscheinungen sowie durch unterschiedliche Betriebszustände, beispielsweise wech­ selnde Lastanforderungen und Arbeitsfrequenzen erschwert, da diese äußeren Einflüsse zeitrelevante Parameter des Systems beeinflussen können.

Ein wesentliches Problem bei derartigen elektromagneti­ schen Stelleinrichtungen ist die Erscheinung des sogenann­ ten Klebens des Ankers an dem jeweiligen Haltemagneten. Dieses Kleben wird im wesentlichen durch Wirbelströme im Magnetkreis verursacht. Die sogenannte Klebzeit hängt von vielen unterschiedlichen Parametern ab, wie beispielsweise der Größe des Luftspaltes, der Kraft des Rückstellmittels, in der Regel mechanische Federn, den auf eine Stelleinheit einwirkenden Beschleunigungen und bei Gaswechselventilen des Gasgegendrucks. Neben den nicht zu vermeidenden Ferti­ gungstoleranzen bewirken bei elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen die im Betrieb wechselnden Gasgegen­ drücke sowie in ihrer Höhe nicht vorhersagbare, auf den Anker wirkende Beschleunigungskräfte unregelmäßige Schwan­ kungen der Klebzeit, so daß nach dem Abschalten des Halte­ stroms der Bewegungsbeginn des Ankers nicht vorherbestimm­ bar variiert. Auch die Flugzeit des Ankers sowie die Ener­ gieverluste und somit die zum Fangen zuzuführende Energie hängen von dem jeweiligen Betriebszustand ab.

Bei Kenntnis der genauen Ankerposition in Abhängigkeit von der Zeit könnte eine zumindest partielle Kompensation der genannten Einflüsse erfolgen. Hierzu wäre aber ein zusätzlicher Wegsensor zur genauen Erfassung der Ankerposi­ tion erforderlich, der jedoch für die Serienanwendung auf­ grund der hohen Kosten sowie aufgrund der zusätzlichen Verkabelungen und Kontaktstellen, die die Zuverlässigkeit des Systems reduzieren, nicht eingesetzt werden kann.

Es wurde daher versucht, mit Hilfe der vorhandenen Bau­ elemente der Stelleinrichtung auszukommen. In EP-A-0 264 706 sind Maßnahmen angegeben, wie durch Auswertung von Strömen und Spannungen an der Spule des Elektromag­ neten hilfsweise der Auftreffzeitpunkt festgestellt wer­ den kann. In ähnlicher Weise ist es auch möglich, den Ab­ lösezeitpunkt des Ankers vom haltenden Magneten zu detek­ tieren. Die Bewegungsgeschwindigkeiten des Ankers zwi­ schen den beiden Elektromagneten einer derartigen Stell­ einrichtung sind jedoch in der Endposition recht gering, so daß sich selbst bei relativ guter Auflösung mit hin­ reichender Genauigkeit die Position des Ankers feststel­ len läßt, jedoch die entsprechende zeitliche Auflösung mit der erforderlichen Genauigkeit nicht bewirkbar ist.

Des weiteren wurde in EP-B-0 405 189 zur Verbesserung der­ artiger elektromagnetischer Stelleinrichtungen vorgeschla­ gen, durch Erhöhung der Vorspannung des in Öffnet-Richtung wirkenden Rückstellmittels die Zeitgenauigkeit zu verbes­ sern, wobei zusätzlich noch weitere Maßnahmen zur Verän­ derung des magnetischen Widerstandes im Magnetkreis vorge­ sehen sind.

Da jedoch weder die mechanischen Mittel - wie sie gemäß EP-A-0 405 189 vorgeschlagen wurden - noch die in EP-A-0 264 706 angegebenen rechnerischen Mittel den Genauig­ keitsanforderungen genügen, ist es Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, die Genauigkeit der Festlegung des Abwurf­ zeitpunktes des Ankers von jeweils haltenden Magneten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätig­ baren Stelleinrichtung, die wenigstens einen mit einer Spule versehenen Elektromagneten aufweist, der bei einem die Spule durchfließenden Strom gegen die Kraft eines Rückstellmittels einen mit der Stelleinrichtung verbun­ denen Anker hält, wobei nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit T₀ nach dem Abschalten des Stromes I_H ein kurzer Stromimpuls mit umgekehrter Polarität der Spule aufge­ prägt wird. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, durch ein gezieltes "Abwerfen" des Ankers den Zeitpunkt des Beginns der Ankerbewegung mit größerer Genauigkeit vorzugeben. Infolge des mit umgekehrter Polarität aufge­ prägten Stromimpulses erhält man einen definierten Zeit­ punkt für den Bewegungsbeginn ohne nennenswerte Schwan­ kungen der Klebzeit, so daß insgesamt bei dem Steuerver­ fahren praktisch mit einer verringerten, insbesondere aber konstanten Klebzeit gerechnet werden kann. Gegenüber den vorbekannten Verfahren, bei denen die Klebzeitkonstanz durch Erhöhung der Federkräfte bzw. durch Vergrößerung des Luftspaltes erzielt werden sollte, ergibt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine wesentliche Verbesse­ rung, da die Nachteile der vorbekannten Verfahren mit ihrem erhöhten Energiebedarf vermieden werden können. Nach dem Abschalten des Stromes durch die haltende Magnetspule wird die Kraft exponentiell abgebaut, da aufgrund von Wirbel­ strömen das resultierende Magnetfeld ebenfalls exponentiell abgebaut wird. Durch das erfindungsgemäße Aufprägen eines Gegenstromes kann die Zeit für den Abbau des Magnetfel­ des reduziert werden.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß während der Zeit T₀ die Spule stromlos gehalten wird. Während es grundsätzlich möglich ist, die Zeit T₀ zwischen dem Abschalten des Haltestroms und dem Aufprägen des Stromimpulses mit umgekehrter Polarität auch auf Null zu setzen, da das Aufprägen des Gegenstro­ mes unmittelbar nach dem Abschalten zu einer Reduktion der Klebzeit aufgrund des schnelleren Kraftaufbaus führt, wird jedoch bei der Verwendung von derartigen Stelleinrichtungen zur Betätigung von Gaswechselventilen an Kolbenverbrennungsmotoren die gewünschte Klebzeitkon­ stanz nur in geringem Maße gegenüber den vorbekannten Verfahren verbessert. Parallel zu dem exponentiellen Ab­ bau der Haltekraft des Magneten nach dem Abschalten des Haltestroms ergibt sich ein in etwa exponentieller Abbau der durch den Zylinderinnendruck bewirkten Gegenkraft, so daß sich in Verbindung mit den auf den Anker einwirken­ den mechanischen Beschleunigungen für das System ein nicht definierbarer Zeitpunkt des Kraftgleichgewichts und damit stark schwankende Klebzeiten ergeben. Wird jedoch entspre­ chend der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erst nach einer gewissen Zeit T₀ nach dem Abschalten des Haltestroms der Gegenstrom aufgeprägt, ergibt sich nahezu ein Kraftsprung am Magnetanker zum Zeitpunkt des Gegenstroms und damit ein zeitlich definierter Bewegungsbeginn für den Anker.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen dem Abschalten des Haltestroms, der Ankerbewegung und der Abnahme der Magnet­ kraft bei einer Ansteuerung entsprechend dem Stande der Technik,

Fig. 2 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen dem Abschalten des Haltestroms des An­ kerweges und der Kräfte bei einer Steuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Wird bei einem in üblicher Weise angesteuerten elektromag­ netischen Aktuator für ein Gaswechselventil zu einem Zeit­ punkt T₁ der Haltestrom I_H abgeschaltet, dann fällt der Strom nach kurzer Zeit auf Null ab. Wünschenswert wäre es, wenn zum Zeitpunkt T₂, an dem der Haltestrom I_H den Wert Null erreicht, auch die Bewegung des Ankers beginnen würde. Aufgrund der zuvor geschilderten, vielfältigen Ein­ flüsse (z. B. Wirbelströme) ergibt sich jedoch für den Anker eine Klebzeit T_k, die zu einem späteren Beginn der Ankerbewegung führt, wie dies in dem darunter liegenden Diagramm wiedergegeben ist, in dem der Ankerweg S in Ab­ hängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Bei einem idealen System kann theoretisch von einer konstanten Klebzeit T_k ausgegangen werden, so daß sich, um den Zeitabschnitt T_k versetzt, nach dem Abschalten des Haltestroms I_H zum Zeitpunkt T₁ der Anker vom Haltemag­ neten lösen würde. Eine derartige zusätzliche Zeit T_k kann bei der Ansteuerung des Systems in der Steuerein­ richtung entsprechend berücksichtigt werden, so daß an sich theoretisch ein zeitgenauer Bewegungsbeginn des An­ kers festgelegt werden könnte.

Wie eingangs bereits dargelegt, ist jedoch der Bewegungs­ beginn des Ankers vielfältigen Einflüssen ausgesetzt, so daß der tatsächliche Zeitpunkt des Bewegungsbeginns des Ankers um einen Zeitraum ΔT_K um den durch den theoretisch bestimmten Zeitpunkt T₃ = T₁ + T_k schwankt, wie dies in der Wegkurve in Fig. 1 dargestellt ist.

Diese Schwankungsbreite ΔT_k wird bewirkt durch wech­ selnde Gegenkräfte wie dies in dem in Fig. 1 darunter wie­ dergegebenen Verlauf der Magnetkraft in Abhängigkeit von der Zeit ersichtlich ist. Bei höheren Federkräften und geringeren Gasgegendrücken verschiebt sich der tatsäch­ liche Beginn der Ankerbewegung auf einen vor dem Zeit­ punkt T₃ liegenden Zeitpunkt, während bei höheren Gas­ gegendrücken bei gleicher Federkraft sich der tatsäch­ liche Zeitpunkt des Beginns der Ankerbewegung auf einen Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt T₃ verschiebt.

Wird nun, wie in Fig. 2 dargestellt, nach dem Abschalten des Haltestroms I_H zum Zeitpunkt T₁ über einen vorgegebe­ nen Zeitraum T₀ die Spule bis zu einem Zeitpunkt T₄ strom­ los gehalten, wobei die Zeit T₀ kleiner ist als die dem System vorgegebene Klebzeit T_k, und wird zum Zeitpunkt T₄ der Spule ein kurzer Stromimpuls mit umgekehrter Polarität aufgeprägt, dann setzt sich der Anker zu einem definier­ baren Zeitpunkt, nämlich dem Zeitpunkt T₃ = T₁ + T_k in Bewegung wie dies in dem darunter liegenden Diagramm des Weges über der Zeit dargestellt ist.

In Fig. 2 ist unter dem Weg-Zeit-Diagramm das Diagramm der Magnetkraft in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, aus dem ersichtlich ist, daß infolge des Gegenimpulses die Magnetkraft am Haltemagneten sehr viel stärker ab­ fällt, und damit die auf den Anker einwirkenden Kräfte des Rückstellmittels sehr viel früher voll zur Einwirkung kommen. Durch eine entsprechende Bemessung des Zeitraumes T₀ ist es damit möglich, für die Ansteuerung eine Kleb­ zeitkonstanz mit nur vernachlässigbarer Schwankungsbreite vorzugeben, so daß mit Hilfe der elektronischen Steuerung der "Abwurf" des Ankers praktisch zeitgenau beispielsweise in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle bei einer Kolbenbrennkraftmaschine, vorgebbar ist.

Claims (2)

1. Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätig­ baren Stelleinrichtung, die wenigstens einen mit einer Spule versehenen Elektromagneten aufweist, der bei einem die Spule durchfließenden Strom (I_H) gegen die Kraft ei­ nes Rückstellmittels einen mit der Stelleinrichtung ver­ bundenen Anker hält, wobei nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit T₀ nach dem Abschalten des Stromes ein kurzer Strom­ impuls mit umgekehrter Polarität der Spule aufgeprägt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeit T₀ die Spule stromlos gehalten wird.