DE19526681B4

DE19526681B4 - Verfahren zur zeitgenauen Steuerung der Ankerbewegung eines elektromagnetisch betätigbaren Stellmittels

Info

Publication number: DE19526681B4
Application number: DE19526681A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr.-Ing. Schrey; Lutz Dipl.-Ing. Kather; Frank van der Dipl.-Ing. Staay
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2015-07-22
Also published as: US5748433A; DE19526681A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätigbaren Stelleinrichtung, die wenigstens einen mit einer Spule versehenen Elektromagneten aufweist, der bei einem die Spule durchfließenden Strom (I_H) gegen die Kraft eines Rückstellmittels einen mit der Stelleinrichtung verbundenen Anker hält, wobei nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit T₀ nach dem Abschalten des Stromes ein kurzer Stromimpuls mit umgekehrter Polarität der Spule aufgeprägt wird.

Description

Elektromagnetische Aktuatoren, wie sie beispielsweise zur Betätigung der Gaswechselventile an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt werden können, weisen wenigstens einen Elektromagneten auf, der auf einen durch Rückstellmittel gehaltenen, mit den zu betätigenden Stellmitteln verbundenen Anker einwirkt. Durch den Haltemagneten 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 Gaswechselventilen als Stellmittel eingesetzt werden, hat der Ablauf der Steuerung großen Einfluss auf die unterschiedlichen Parameter, beispielsweise die Zustände des Arbeitsmediums im Einlassbereich, die Zustände im Arbeitsraum sowie im Auslassbereich und die Vorgänge im Arbeitsraum selbst. Da Kolbenbrennkraftmaschinen in sehr unterschiedlichen Betriebszuständen instationär arbeiten, ist eine entsprechend variable und anpassungsfähige Steuerung der Gaswechselventile notwendig. Eine derartige elektromagnetische Stelleinrichtung zur Betätigung der Gaswechselventil ist beispielsweise aus DE 30 24 109 C2 bekannt.

Ein wesentliches Problem bei der Steuerung derartiger elektromagnetischer Stelleinrichtungen stellt die erforderliche 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 wechselnde Lastanforderungen und Arbeitsfrequenzen erschwert, da diese äußeren Einflüsse zeitrelevante Parameter des Systems beeinflussen können.

Ein wesentliches Problem bei derartigen elektromagnetischen Stelleinrichtungen ist die Erscheinung des sogenannten 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 Fertigungstoleranzen bewirken bei elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen die im Betrieb wechselnden Gasgegendrücke sowie in ihrer Höhe nicht vorhersagbare, auf den Anker wirkende Beschleunigungskräfte unregelmässige Schwankungen der Klebzeit, so dass nach dem Abschalten des Haltestroms der Bewegungsbeginn des Ankers nicht vorherbestimmbar variiert. Auch die Flugzeit des Ankers sowie die Energieverluste 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 Ankerposition erforderlich, der jedoch für die Serienanwendung aufgrund 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 Bauelemente der Stelleinrichtung auszukommen. In EP 0 264 706 A1 sind Maßnahmen angegeben, wie durch Auswertung von Strömen und Spannungen an der Spule des Elektromagneten hilfsweise der Auftreffzeitpunkt festgestellt werden kann. In ähnlicher Weise ist es auch möglich, den Ablösezeitpunkt des Ankers vom haltenden Magneten zu detektieren. Die Bewegungsgeschwindigkeiten des Ankers zwischen den beiden Elektromagneten einer derartigen Stelleinrichtung sind jedoch in der Endposition recht gering, so dass sich selbst bei relativ guter Auflösung mit hinreichender Genauigkeit die Position des Ankers feststellen lässt, jedoch die entsprechende zeitliche Auflösung mit der erforderlichen Genauigkeit nicht bewirkbar ist.

Des Weiteren wurde in EP 0 405 189 B1 zur Verbesserung derartiger elektromagnetischer Stelleinrichtungen vorgeschlagen, durch Erhöhung der Vorspannung des in Öffnet-Richtung wirkenden Rückstellmittels die Zeitgenauigkeit zu verbessern, wobei zusätzlich noch weitere Maßnahmen zur Veränderung des magnetischen Widerstandes im Magnetkreis vorgesehen sind.

Aus der DE 36 09 599 A1 wiederum ist es bekannt, einen Erregerstrom eines elektromagnetisch betätigten Ventils ausgehend von einem Haltestrom möglichst schnell abzusenken und zur Überwindung eines als nachteilig erkannten Klebens kurzzeitig in einen negativen Bereich zwangszusteuern. Allerdings wird ausgeführt, dass dieses für ein Öffnen eines elektromagnetischen Ventils und damit einer Steuerung eines Abschaltverhaltens eine ungeeignete Maßnahme darstellt. Daher geht aus der Druckschrift für das Öffnen hervor, den Strom auf ein gegenüber dem positivem Haltestrom niedrigeres positives Stromniveau abzusenken.

Aus der US 5,339,777 A geht wiederum hervor, ebenfalls eine Umkehrung einer Strompolarität auszunutzen, um ein Abstoßen des Ankers vom Magneten zu erreichen. Die umgekehrte Strompolarität wird solange aufrechterhalten, bis der Anker am gegenüberliegenden Magneten angelangt ist und dort klebt.

Aus der DE 40 168 16 A1 ist ein Wegeventil mit einer Stelleinrichtung zur Betätigung eines Steuerschiebers bekannt. Beim Abschalten des einen Magneten wird der gegenüberliegende Magnet mit einem Stromimpuls beaufschlagt, um dadurch ein schnelleres Ablösen des Steuerschiebers vom angeschalteten Magneten zu ermöglichen.

Da jedoch weder die mechanischen Mittel – wie sie gemäß EP 0 405 189 B1 vorgeschlagen wurden – noch die in EP 0 264 706 A1 angegebenen rechnerischen Mittel oder die übrigen Mittel der Stromsteuerung den Genauigkeitsanforderungen genügen, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit der Festlegung des Abwurfzeitpunktes des Ankers von jeweils haltenden Magneten zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätigbaren 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 verbundenen Anker hält, wobei nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit T₀ nach dem Abschalten des Stromes I_H ein kurzer Stromimpuls mit umgekehrter Polarität der Spule aufgeprägt 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 aufgeprägten Stromimpulses erhält man einen definierten Zeitpunkt für den Bewegungsbeginn ohne nennenswerte Schwankungen der Klebzeit, so dass insgesamt bei dem Steuerverfahren 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 Verbesserung, 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 Wirbelströmen das resultierende Magnetfeld ebenfalls exponentiell abgebaut wird. Durch das erfindungsgemäße Aufprägen eines Gegenstromes kann die Zeit für den Abbau des Magnetfeldes 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 Gegenstromes 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 Klebzeitkonstanz nur in geringem Maße gegenüber den vorbekannten Verfahren verbessert. Parallel zu dem exponentiellen Abbau 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 einwirkenden mechanischen Beschleunigungen für das System ein nicht definierbarer Zeitpunkt des Kraftgleichgewichts und damit stark schwankende Klebzeiten ergeben. Wird jedoch entsprechend 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:
1 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen dem Abschalten des Haltestroms, der Ankerbewegung und der Abnahme der Magnetkraft bei einer Ansteuerung entsprechend dem Stande der Technik,
2 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen dem Abschalten des Haltestroms des Ankerweges und der Kräfte bei einer Steuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Wird bei einem in üblicher Weise angesteuerten elektromagnetischen Aktuator für ein Gaswechselventil zu einem Zeitpunkt T₁ de 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 Einflüsse (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 Abhängigkeit 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 Haltemagneten lösen würde. Eine derartige zusätzliche Zeit T_k kann bei der Ansteuerung des Systems in der Steuereinrichtung entsprechend berücksichtigt werden, so dass an sich theoretisch ein zeitgenauer Bewegungsbeginn des Ankers festgelegt werden könnte.
Wie eingangs bereits dargelegt, ist jedoch der Bewegungsbeginn des Ankers vielfältigen Einflüssen ausgesetzt, so dass der tatsächliche Zeitpunkt des Bewegungsbeginns des Ankers um einen Zeitraum Δ T_K um den durch den theoretisch bestimmten Zeitpunkt T₃ = T₁ + T_k schwankt, wie dies in der Wegkurve in 1 dargestellt ist.
Diese Schwankungsbreite Δ T_k wird bewirkt durch wechselnde Gegenkräfte wie dies in dem in 1 darunter wiedergegebenen Verlauf der Magnetkraft in Abhängigkeit von der Zeit ersichtlich ist. Bei höheren Federkräften und geringeren Gasgegendrücken verschiebt sich der tatsächliche Beginn der Ankerbewegung auf einen vor dem Zeitpunkt T₃ liegenden Zeitpunkt, während bei höheren Gasgegendrücken bei gleicher Federkraft sich der tatsächliche Zeitpunkt des Beginns der Ankerbewegung auf einen Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt T₃ verschiebt.
Wird nun, wie in 2 dargestellt, nach dem Abschalten des Haltestroms I_H zum Zeitpunkt T₁ über einen vorgegebenen Zeitraum T₀ die Spule bis zu einem Zeitpunkt T₄ stromlos 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 definierbaren 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 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 abfällt, 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 Klebzeitkonstanz 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

Verfahren zur Steuerung einer elektromagnetisch betätigbaren Stelleinrichtung, die wenigstens einen mit einer Spule versehenen Elektromagneten aufweist, der bei einem die Spule durchfließenden Strom (I_H) gegen die Kraft eines Rückstellmittels einen mit der Stelleinrichtung verbundenen Anker hält, wobei nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit T₀ nach dem Abschalten des Stromes ein kurzer Stromimpuls mit umgekehrter Polarität der Spule aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeit T₀ die Spule stromlos gehalten wird.