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An
Kolbenbrennkraftmaschinen können
die Gaswechselventile über
elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden, wobei jeweils
ein Gaswechselventil mit einem elektromagnetischen Aktuator in Verbindung
steht. Dieser elektromagnetische Aktuator weist wenigstens einen
Elektromagneten auf und einen gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder durch
den Elektromagneten bewegbaren, auf das Gaswechselventil einwirkenden
Anker. Mit Hilfe derartiger elektromagnetischer Aktuatoren ist es
möglich,
eine anpassungsfähige
Steuerung für
das Ein- und Ausströmen
des Arbeitsmediums zu den einzelnen Zylindern zu bewirken, so daß der Arbeitsprozeß nach den
jeweils erforderlichen Gesichtspunkten optimal beeinflußt werden
kann. Der Ablauf der Steuerung hat dabei großen Einfluß auf die unterschiedlichen
Parameter, beispielsweise die Zustände des Arbeitsmediums im Einlaßbereich,
im Arbeitsraum und im Auslaßbereich
sowie auf die Vorgänge
im Arbeitsraum selbst. Eine derartige Steuerung der Gaswechselventile über elektromagnetische
Aktuatoren ist beispielsweise aus der DE-C-30 24 109 bekannt.
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Gegenüber herrkömmlichen, über eine
Nockenwelle zwangsgeführten
Ventilsteuerungen besteht bei derartigen elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen
das Problem, daß während des Betriebes
ein Gaswechselventil in seiner Funktion ausfallen kann.
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In
der Regel weist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines
Gaswechselventils zwei Elektromagneten auf, zwischen denen ein Anker,
der mit dem Gaswechsel ventil in Wirkverbindung steht, gegen die
Kraft jeweils einer Rückstellfeder hin-
und herbewegbar ist. Hierbei wird das Gaswechselventil über den
Anker durch einen Elektromagneten, den Schließmagneten, in seiner Schließstellung gehalten
und durch den anderen Elektromagneten, den Öffnermagneten, in seiner Offenstellung
gehalten. Die Ankerbewegung wird in der Weise eingeleitet, daß am jeweils
haltenden Elektromagneten der Strom abgeschaltet wird, so daß unter
der Einwirkung der zugeordneten Rückstellfeder der Anker in Richtung
auf den anderen Elektromagneten sich beschleunigend bewegt, hierbei
die Ruhelage überschreitet
und dann bei entsprechend abgestimmtem Einschalten des Stromes des
fangenden Elektromagneten von diesem eingefangen wird und dann zur Anlage
an dessen Polfläche
kommt.
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Hierbei
kann es beispielsweise nun durch Unregelmäßigkeiten oder Störungen oder
Veränderungen
im Betrieb dazu kommen, daß sich
der Anker zwar von dem haltenden Elektromagneten löst, sich aber
trotz Bestromung des fangenden Magneten an diesem nicht zur Anlage
kommt, sondern in der durch die Gleichgewichtslage der gegeneinander
wirkenden Rückstellfeder
definierten Ruhelage verbleibt und dementsprechend das zugeordnete
Gaswechselventil in halboffener Stellung stehen bleibt, während alle
anderen Gaswechselventile ordnungsgemäß arbeiten.
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Aus
der
DE 37 33 704 A1 sind
federunterstützte
Gaswechselventile bekannt, bei denen Elektromagneten angeregt oder
entregt werden, um die Ventile in einer Öffnungs- bzw. in eine Schließstellung
zu bewegen. Die Gaswechselventile sollen so betrieben werden, dass
jedem Anker in einer jeweiligen Endstellung eine individuelle Klebzeit
zugeordnet werden soll, wobei ein individueller Ein- bzw. Abschaltzeitpunkt
für den
jeweiligen Elektromagneten unter Berücksichtigung der Klebzeit ermittelt
werden soll. Beispielsweise kann hierfür ein kurzzeitiger Stromabfall
beim Auftreffen des Ankers zur Auftrefferkennung ausgenutzt werden.
Aus der
DE 36 11 220
A1 geht eine Funktionsüberwachung
eines elektromagnetisch arbeitenden Gaswechselventils während einer
Startphase einer Brennkraftmaschine hervor. Dabei soll in einem
vorgegebenen Zeitintervall nach Einschalten eines Stromes für eine elektromagnetische
Haltevorrichtung ein Stromverlauf überwacht werden. Wird in diesem
Zeitintervall ein abfallender Stromverlauf detektiert, wird ein
Signal erzeugt. Bleibt ein abfallender Stromverlauf aus, soll das
Gaswechselventil erneut gestartet werden. Auf diese Weise soll es
gelingen, dass eine sofortige Wiederaufnahme eines Betriebes eines
Gaswechselventils ermöglicht
wird.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren Funktionsüberwachung
derartiger elektromagnetisch betätiger
Gaswechselwentile zu schaffen, das es erlaubt, ein ausgefallenes
Gaswechselwentil während
des Betriebes wieder zu starten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß bei
einem Schalten des die Spule Elektromagneten durchfließenden Stromes
und/oder nach dem Zeitpunkt der maximalen Annährung des Ankers an den Elektromagneten
nach dem Schaltzeitpunkt und/oder dem Zeitpunkt maxi malen Annäherung die
Zeit bis zum Abfall des Stromes auf einen vorgegebenen niedrigen
Wert und/oder die an der Spule anliegende Spannung gemessen und
der gewonnene Meßwert
mit einem vorgegebenen Sollwert für Zeit und/oder Spannung verglichen
und bei Abweichungen ein Signal erzeugt wird. Bei diesem Verfahren
wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Magnetfeldenergie davon
abhängig
ist, ob der Anker an der Polfläche
des Elektromagneten anliegt oder nicht. Bei einem Abschalten des
Stromes, sei es auf Null oder nur auf einen niedrigeren Haltestrom,
ergibt sich nämlich
eine deutlich größere Magnetenergie, wenn
der Anker an der Polfläche
des Elektromagneten anliegt, gegenüber einem Abschalten, wenn
der Anker sich mit Abstand zu diesem Elektromagneten befindet. Daraus
läßt sich
dann ableiten, daß der
Anker beim Abschalten an der Polfläche aufgelegen hat, wenn die
Magnetenergie gegenüber
einem vorgebbaren Grenzwert höher
liegt. Liegt die Magnetenergie beim Abschalten unter diesem Grenzwert,
dann hat der Anker nicht angelegen.
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Die
Messung der jeweils wirksamen Abschaltenergie kann in einfachster
Weise dadurch gemessen werden, daß die ab dem Schalten des die Spule
durchfließenden
Stromes ablaufende Zeit bis zum Abfall des Stromes unter einen vorgegebenen Wert
gemessen wird. Wird der Strom beispielsweise vollständig abgeschaltet,
um das Gaswechselventil zu einer Bewegung in Richtung auf den anderen Elektromagneten
freizugeben, dann dauert der Abfall des Stroms bis auf den Wert
Null bei einem an der Polfläche
des Elektromagneten anliegenden Anker sehr viel länger als
in dem Fall, in dem der Anker entweder gar nicht zur Anlage gekommen
ist oder aber sieh bereits vorzeitig durch Störungen gelöst hat. Hierbei ergibt sich
für die
einwandfreie Funktion ein unterer Grenzwert für die Abfallzeit Tab,
so daß beim Feststellen
eines Unterschreitens der Abfallzeit Tab ein
entsprechendes Signal ausgelöst
werden kann. Durch ein derartiges Signal können beispielsweise über die
Steuerung Maßnahmen
eingeleitet werden, durch die der Anker wieder angeschwungen wird
und damit wieder in sein ordnungsgemäßes Bewegungsspiel gebracht
wird.
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Es
sind Ansteuerungsverfahren für
elektromagnetische Aktuatoren bekannt, bei denen eine einzuhaltende
Abschaltzeit vorgegeben ist, beispielsweise durch eine zusätzlich auf
den Anker aufgebrachte Beschleunigungskraft. Beim Abschalten des Haltestromes
kann hierbei die Funktionsüberwachung
auch dadurch bewirkt werden, daß die
an der Spule auftretende maximale Abschaltspannung Uab gemessen
wird. Auch die Abschaltspannung Uab ist proportional
zur magnetischen Abschaltenergie des Elektromagneten. Liegt der
Anker an der Polfläche des
Elektromagneten an, dann liegt die Abschaltspannung Uab höher als
bei einem Fall, bei dem der Anker nicht zur Anlage an der Polfläche des
Elektromagneten gekommen ist oder sich vorher von dieser gelöst hat.
Auch hier kann durch einen Vergleich eines vorgebbaren Grenzwertes
für die
Abschaltspannung Uab ein Signal erzeugt
werden, wenn im Betrieb eine Abschaltspannung festgestellt wird,
die unter diesem vorgegeben Wert der Abschaltspannung Uab liegt.
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Die
beiden vorstehend angegebenen Verfahrensweisen lassen sich auch
dann einsetzen, wenn die Ansteuerung des haltenden Magneten in der
Weise erfolgt, daß während der "Fangphase" der Strom zunächst auf
einen maximalen Wert Imax hochgeregelt wird,
dann während
des zu erwartenden Fangzeitraumes auf konstanter Höhe eingeregelt
wird und nach dem vermuteten Auftreffen und Anliegen des Anker an
der Polfläche
auf einen niedrigeren Haltestrom zurückgeschaltet wird. Hierbei
kann es nun durch äußere Einflüsse geschehen,
daß der
Anker entweder die Polfläche
gar nicht erreicht oder in der vermuteten "Fangphase" sich bereits wieder von der Polfläche löst. Wird
dann der Strom von dem Maximalwert Imax auf
den niedrigeren Wert des Haltestromes IH geschaltet,
dann kann wiederum entweder über
die Zeitmessung, besser aber noch über die Messung der an der
Spule auftretenden Abschaltspannung erkannt werden, ob zu diesem
Zeitpunkt der Anker an der Polfläche
des Elektromagneten anliegt.
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Die
Erfindung wird anhand schematischer Diagramme näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung während der Abschaltphase eines
Elektromagneten für
eine Funktionsüberwachung
durch Zeitmessung,
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2 den
zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung für eine Funktionsüberwachung
durch eine Spannungsmessung,
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3 den
zeitlichen Verlauf von Strom, Spannung und Ankerhub bei einem Rückschwingen des
Ankers während
der Fangphase.
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Soll
durch einen Elektromagneten der gefangene Anker freigegeben werden,
dann wird wie in der 1 dargestellten Stromkurve a)
der Strom zum Zeitpunkt T0 abgeschaltet.
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Bei
anliegendem Anker benötigt
der Strom aufgrund des Abbaus der Magnetfeldenergie eine bestimmte
Zeit, bis er auf Null abgefallen ist. Da bei anliegendem Anker am
Elektromagneten eine hohe Magnetfeldenergie vorhanden ist, benötigt der
Strom bis zum Abfall auf Null die Zeit tab.
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In 1b) ist der zugehörige zeitliche Verlauf der
an der Spule des Elektromagneten zu messenden Spannung bei anliegendem
Anker in einer voll ausgezogenen Linie dargestellt.
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Liegt
nun der Anker beim Abschalten des Stromes nicht an der Polfläche an,
so verkürzt
sich die Abfallzeit für
den Strom spürbar.
Für einen
Abfall auf Null wird nur die Zeit tab1 benötigt, wie
dies durch die strichpunktierte Kurve in 1a)
gekennzeichnet ist. Der zugehörige
Verlauf für
die Spannung ist in 1b) ebenfalls
dargestellt.
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Da
es nun, wie vorstehend bereits beschrieben, Steuerungsverfahren
gibt, bei denen durch äußere Vorgaben
die Zeit tab fest vorgegeben wird, d. h., der
Anker beispielsweise durch das Aufbringen zusätzlicher, beschleunigender
Magnetkräfte
von der Polfläche
gelöst
wird, dann kann natürlich
die Funktionsüberwachung
nicht über
eine Zeiterfassung vorgenommen werden.
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In 2a) ist der zeitliche Verlauf des Stromes
mit vorgegebener Abschaltzeit tab dargestellt.
In 2b) ist der zugehörige zeitliche
Verlauf der an der Spule des Elektromagneten meßbaren Spannung dargestellt.
Bei normaler Funktion ist beim Abfall des Stromes durch die Spule
innerhalb einer fest vorgegebenen Zeit bei anliegendem Anker eine
Abschaltspannung Uab2 meßbar, wie dies in 2b) dargestellt ist.
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Liegt
der Anker jedoch nicht an dem Elektromagneten an, dann stellt sich
eine deutlich niedrigere Abschaltspannung Uab1 ein,
da die abzubauende Magnetfeldenergie entsprechend geringer ist.
Der zeitliche Spannungsverlauf der Abschaltspannung bei nicht anliegendem
Anker ist wiederum strichpunktiert dargestellt.
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Alternativ
zu einer definierten Stromabschaltung kann die Abschaltspannung
einem Kondensator aufgeschaltet werden, der sich dann durch die
Energie der Spule auflädt.
Dieser Aufladevorgang wird zweckmäßigerweise über ein gleichrichtendes Element
wie etwa eine Diode durchgeführt,
damit die im Kondensator erzielte Spannung nicht nach dessen Aufladung
wiederum einen Stromfluß durch
die Spule bewirkt, sondern vielmehr der Umladevorgang mit Erreichen
des Stromes Null abgeschlossen ist. Die dann erreichte Spannung ist
proportional zur vorher in der Spule gespeicherten Energie und ist
somit für den
Fall des anliegenden Ankers deutlich größer als wenn der Anker zum
Abschaltzeitpunkt nicht angelegen hat.
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In 3 sind
der zeitliche Verlauf in einander zugeordneten Diagrammen a) für den Strom,
b) für die
Spannung und c) für
den Weg des Ankers dargestellt. Wie aus dem Diagramm a) ersichtlich,
wird zur Einleitung der "Fangphase" der Strom zunächst auf einen
vorgegebenen Maximalwert Imax hochgeregelt und
hierbei zunächst
konstant gehalten. In dem zugeordneten Verlauf der Spannung ist
erkennbar, daß die
Spannung während
des Stromanstiegs konstant bleibt, dann aber beim Übergang
in die Konstantstromphase abfällt.
Bewegt sich nun der Anker, wie im Diagramm c) dargestellt, auf die
Polfläche
zu, dann steigt durch Veränderung
der magnetischen Induktion die Spannung wieder auf einen höheren Wert an,
um dann wieder auf den niedrigen, der Konstantstromregelung zugehörigen Wert
abzufallen.
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Da
nun aufgrund der konstruktiven und steuerungstechnischen Gegebenheiten
nach einer bestimmten Zeit der Konstantstromregelung davon ausgegangen
werden kann, daß der
Anker an der Polfläche
des, fangenden Elektromagneten zur Anlage gekommen ist, wird der
Strom von seinem Wert Imax auf einen niedrigeren
Haltestrom IH heruntergeregelt. Wie aus 3b) ersichtlich, ergibt dies an der Spule des
Elektromagneten den voll ausgezogenen Spannungsverlauf.
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Sollte
nun durch Störungen
der Anker zwar die Polfläche
berührt
haben, wie dies aus dem Verlauf der Spannung gemäß 3b)
erkennbar ist, dort aber nicht vom Elektromagneten gehalten worden sein,
sondern, wie dies in 3c) gestrichelt
dargestellt ist, wieder abgefallen sein, dann läßt sich dieser Sachverhalt
wieder aus dem deutlich anderen Verlauf der an der Spule zu messenden
Spannung zum Zeitpunkt des Umschaltens von dem Maximalstrom Imax auf den Haltestrom IH erkennen
und aus diesem Wert ein Stellsignal ableiten, über das entsprechende Steuerungsmaßnahmen
geschaltet werden können, die
den Anker des elektromagnetischen Aktuators wieder in Bewegung versetzen,
beispielsweise durch ein Anschwingen über wechselseitiges Beschalten der
beiden Elektromagneten.
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Eine
weitere Möglichkeit,
das Abfallen des Ankers zu erkennen, ergibt sich aus der Auswertung der
Spannung in der Konstantstromphase: Tritt an der Spule ein Spannungswert
auf, der kleiner ist als das Produkt aus Strom und Innenwiderstand
der Spule, so kann nur eine Wegbewegung des Ankers dazu geführt haben.
Bei sich vollständig
entfernendem Anker gemäß der Wegkurve 2 in 3c)
ergibt sich ein Spannungsverlauf gemäß Kurve 1 in 3b).
Damit ein kurzzeitiges Prellen des Ankers bei anschließendem sauber
anliegenden Anker nicht zu einer Auslösung des Diagnosesignals "Ankerausfall" führt, wird
erst bei einer bestimmten Spannungsunterschreitung auf Ankerabfall
erkannt. Auch kann zur Kompensation von Serientoleranzen die Spannung
nach dem Auftreffen des Ankers mit der Spannung am Ende der Konstantstromphase
verglichen werden, so daß,
falls die Spannung zum Zeitpunkt T1 um einen
deutlichen Betrag größer ist
als zu einem früheren
Zeitpunkt nach dem Auftreffen, auf Ankerausfall erkannt wird. Dies
hat den Vorteil, daß auch bei
Toleranzen im Konstantstrom und im Innenwiderstand der Spule eine
einwandfreie Erkennung ohne Fehlentscheidungen möglich ist.