DE19531435A1 - Verfahren zur Anpassung der Steuerung eines elektromagnetischen Aktuators an betriebsbedingte Veränderungen - Google Patents
Verfahren zur Anpassung der Steuerung eines elektromagnetischen Aktuators an betriebsbedingte VeränderungenInfo
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Description
An einem elektromagnetischen Aktuator, der wenigstens einen
Elektromagneten und einen von diesem gegen die Kraft wenig
stens einer Rückstellfeder bewegbaren Anker aufweist, der
ein Stellmittel für ein Aggregat betätigt, insbesondere an
einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gas
wechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, stellt
die erforderliche Zeitgenauigkeit der Steuerung des Aktuators
ein wesentliches Problem dar.
Werden derartige elektromagnetische Aktuatoren beispiels
weise eingesetzt zur Steuerung der Gaswechselventile an
Kolbenbrennkraftmaschinen, wobei jedes Gaswechselventil
mit einem eigenen Aktuator versehen ist, so daß hier eine
anpassungsfähige Steuerung für das Ein- und Ausströmen
des Arbeitsmediums bewirkt werden kann, so ist hier eine
Möglichkeit gegeben, den Arbeitsprozeß nach den jeweils
erforderlichen Gesichtspunkten optimal zu beeinflussen.
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. Da derartige Kolbenbrennkraftmaschinen bei sehr
unterschiedlichen Betriebszuständen instationär arbeiten,
ist ein entsprechend variable Steuerung der Gaswechselven
tile wünschenswert. Die Anwendung elektromagnetischer Aktua
toren für Gaswechselventile ist beispielsweise aus DE-
C-30 24 109 bekannt.
Eine genaue Steuerung der Zeiten wird jedoch durch ferti
gungsbedingte Toleranzen, mehr noch durch im Laufe des
Betriebes auftretende Verschleißerscheinungen, aber auch
durch unterschiedliche Betriebszustände, beispielsweise
wechselnde Lastanforderungen und Arbeitsfrequenzen erschwert,
da diese äußeren Einflüsse zeitrelevante Parameter des
aus Aktuator und Gaswechselventil gebildeten Systems beein
flussen können.
Werden derartige elektromagnetische Aktuatoren an Fahrzeug
motoren im Serieneinsatz angewendet, muß über lange Zeit
eine einwandfreie Funktion des Aktuators mit der geforderten
Zeitgenauigkeit gewährleistet sein, ohne daß es einer manuel
len Nachstellung des Aktuators und seiner Ansteuerung bedarf.
Für den Normalbetrieb ist dem Aggregat, beispielsweise
einer Kolbenbrennkraftmaschine, eine Steuereinrichtung
zugeordnet, die die jeweiligen Betriebsdaten des Aggregates
einschließlich der Lastanforderung erfaßt und hieraus dann
die erforderlichen Steuersignale zur Betätigung des Aktuators
ableitet. Durch Veränderungen infolge Verschleiß, äußerer
Temperatureinflüsse etc. kann es jedoch geschehen, daß
die durch die Ansteuerung vorgegebenen zeitabhängigen Signale
mit den tatsächlichen Reaktionszeiten des anzusteuernden
elektromagnetischen Aktuators nicht übereinstimmen bzw.
nicht so umgesetzt werden, daß sie dem gewünschten Steuerungs
zustand entsprechen.
Um nun hier aufwendige Anpassungen der Steuerung über ein
Diagnoseverfahren zu vermeiden, liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anpassung zu schaffen,
das während oder zumindest in Verbindung mit dem Betrieb
des betreffenden Aggregates durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß zur Erfassung der für einen sicheren Betrieb erforderli
chen Betriebsbedingungen, insbesondere der tatsächlichen
Reaktionszeiten während Leerlaufphasen des Aggregates der
Elektromagnet mit einem vom Normalbetrieb abweichenden
Stromverlauf angesteuert wird als im Normalbetrieb und
der hierbei erfaßte zeitliche Verlauf des Stroms zumindest
über Teilbereiche des Verlaufs erfaßt wird, mit einem Soll-
Verlauf verglichen und bei Abweichungen über ein Korrektur
signal die Steuerung für den Normalbetrieb entsprechend
angepaßt wird.
Im "Normalbetrieb" eines derartigen elektromagneten Aktuators,
beispielsweise eines elektromagnetischen Aktuators zur
Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrenn
kraftmaschine, wird die Strombeaufschlagung des jeweils
"fangenden" Elektromagneten so gesteuert, daß der Anker
an der Polfläche des Elektromagneten gerade gefangen wird.
Hierbei wird nicht nur der Energieaufwand reduziert, sondern
es werden auch nachteilige Einflüsse während des Fangvorgan
ges, beispielsweise das Prellen des Ankers auf der Polfläche
vermieden. Diese Betriebsweise hat jedoch zur Folge, daß
aufgrund der reduzierten Energieeinkopplung während der
Fangphase zwangsläufig die Strombeaufschlagung des fangenden
Elektromagneten reduziert wird, mit der Konsequenz, daß
der zeitliche Verlauf des Stroms während der Fangphase
keine signifikanten Veränderungen erfährt, wenn der Anker
tatsächlich an der Polfläche zur Anlage kommt. Hieraus
ist zu erkennen, daß die erforderlichen Betriebsbedingungen
für einen sicheren Betrieb, insbesondere durch zeitliche
Parameter aber auch energetische Parameter, insbesondere
Strom und Spannung beeinflußt werden, denen betriebsbedingte
Veränderungen in der Steuerung auskorrigiert werden müssen.
Wird nun, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, während sogenann
ter "Leerlaufphasen" des Aggregates der jeweils fangende
Elektromagnet mit einem vom Normalbetrieb abweichenden
Stromverlauf, insbesondere einem höheren Strom angesteuert,
dann macht sich das Auftreffen des Ankers auf der Polfläche
in einem signifikanten Abfall der Stromstärke bemerkbar.
Damit ist eine Möglichkeit zur Erfassung des Auftreffzeit
punktes gegeben und damit auch eine Möglichkeit zur Erfassung
der tatsächlichen Betätigungszeit eines Ventils gegeben,
die sich aus der sogenannten Klebzeit und der Bewegungszeit
zusammensetzt. Durch die erhöhte Strombeaufschlagung wird
zwar die Bewegungszeit geringfügig beeinflußt, es ergibt
sich jedoch eine signifikante Änderung im zeitlichen Verlauf
des Stroms zum Zeitpunkt des Auftreffens des Ankers auf
der Polfläche des Elektromagneten, die dann als Signal
ausgewertet Werden kann. Vergleicht man nun die tatsächlich
erfaßte Betätigungszeit des jeweiligen Ventils mit einer
vorgegebenen Sollzeit, dann ergibt sich bei Abweichungen
in dem einen oder anderen Sinne, d. h. das Ventil erreicht
zu früh seine Öffnungs- oder Schließstellung bzw. das Ventil
erreicht zu spät seine Öffnungs- oder Schließstellung,
die Möglichkeit, über ein entsprechendes Steuersignal auf
die Steuerung des Aggregates selbst einzuwirken und hier
eine Verschiebung der Ansteuerungszeitpunkte in dem einen
oder anderen Sinn zu bewirken, so daß die Steuerung an
die tatsächlichen Verhältnisse, also auch an betriebsbedingte
Veränderungen in der Funktion des Aktuators angepaßt werden
kann.
Anstelle einer Ansteuerung des jeweils fangenden Elektromagne
ten mit einem höheren Strom ist es in einer anderen Ausgestal
tung der Erfindung auch möglich, daß während Leerlaufphasen
des Aggregates der Elektromagnet zum Erkennen des Ankeraus
falls mit fortschreitend geringerem Strom angesteuert wird
und daß gegenüber dem hierbei erfaßten Stromverlauf in
der Steuerung der Stromverlauf für den Normalbetrieb um
ein vorgebbares Maß erhöht wird. "Ankerausfall" bedeutet
hierbei, daß der Elektromagnet mit Strom in einer Höhe
beaufschlagt wird, die gerade eben nicht mehr ausreicht,
den Anker zu fangen, der Anker als gerade nicht mehr an
der Polfläche zur Anlage kommt. Erfaßt man hierbei den
Stromverlauf über die volle Zeitlänge oder auch nur über
einen Teil der Zeitlänge oder aber erfaßt man nur die Strom
höhe für den Zeitbereich, in dem der Anker zur Anlage kommen
müßte und leitet hieraus ein entsprechendes Stellsignal
ab, dann kann man unter Zugabe eines vorgegebenen Maßes
für eine Erhöhung des Stromes, beispielweise je nach den
Bedingungen zwischen 3 und 10% oder auch mehr, die Steuerung
hinsichtlich des Stromverlaufs für den Normalbetrieb entspre
chend korrigieren, so daß hier die Betriebsbedingungen
für einen sicheren Betrieb eingehalten werden können.
In der Regel ist es nicht erforderlich, derartige Anpassungen
laufend während des "Normalbetriebs" eines Aggregates vorzu
nehmen. Es genügt, wenn die Überprüfung des Ist-Zustandes
der Betätigungszeit des elektromagnetischen Aktuators
während solcher Betriebsphasen des Aggregates durchgeführt
wird, in denen der "normale" Betrieb des Aggregates nicht
beeinträchtigt wird. Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine
kann dies beispielsweise dann geschehen, wenn der Motor
im Schubbetrieb arbeitet. Das Verfahren kann auch dann
eingesetzt werden, wenn von dem betreffenden Aggregat,
beispielsweise einer Kolbenbrennkraftmaschine keine Lei
stungsabgabe gefordert wird. Dies kann bei einer Kolben
brennkraftmaschine beispielsweise während tatsächlicher
Leerlaufphasen erfolgen aber auch dann, wenn zum Still
setzen des Motors die Zündung abgeschaltet wird, der Motor
jedoch noch einige Umdrehungen über das Schwungmoment
vollführt. Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben,
daß während des Motorstillstandes unabhängig von der
Drehung der Kurbelwelle die elektromagnetischen Aktuatoren
mit dem vorgegebenen höheren Strom betätigt und hierbei
die jeweilige Stromverlaufskurven erfaßt werden und mit
den in der Steuerung eingespeicherten Daten verglichen
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand schematischer
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator
zur Betätigung eines Gaswechselventils,
Fig. 2 den Stromverlauf beider Spulen sowie
den Hubweg des Ankers in Abhängigkeit
von der Zeit,
Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine Korrektur
steuerung.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte elektromagnetische
Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils für eine
Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem
Elektromagneten 1, der als Schließmagnet dient, einem Elektro
magneten 2, der als Öffnermagnet dient und einem Gaswechsel
ventil 3, das mit einem Anker 4 in Verbindung steht, der
gegen die Kraft der Rückstellfedern 5 und 6 zwischen den
beiden Elektromagneten 1 und 2 hin- und herbewegbar ist,
so daß er je nach der Ansteuerung in der Schließstellung
an der Polfläche 7 des Elektromagneten 1 und in der Öffnungs
stellung an der Polfläche 8 des Elektromagneten 2 zur Anlage
kommt.
Befindet sich im Betrieb das Gaswechselventil 3 beispiels
weise in der Schließstellung, d. h. der Anker 4 liegt an
der Polfläche 7 des Elektromagneten 1 an, so wird die Öffnung
des betreffenden Gaswechselventils dadurch bewirkt, daß
zunächst der Haltestrom am Elektromagneten 1 abgeschaltet
wird, so daß sich unter der Kraftwirkung der Rückstellfeder 5
der Anker 4 in Richtung auf die Polfläche 8 des Elektromagne
ten 2 bewegt. Je nach der Größe des Restfeldes am Elektromag
neten 1 ist der Zeitpunkt der Abschaltung des Haltestroms
am Elektromagneten 1 nicht identisch mit dem Bewegungsbeginn
des Ankers 4. Aufgrund der sogenannten Klebzeit setzt die
Bewegung des Ankers 4 gegenüber dem Abschaltzeitpunkt des
Haltestroms etwas zeitverzögert ein.
Unter dem Einfluß der Kraftwirkung der Feder 5 schwingt
der Anker 4 durch die sich aus der Gleichgewichtslage der
Kraftwirkung der beiden Rückstellfedern 5 und 6 vorgegebenen
Mittellage hindurch, so daß zu einem entsprechenden Zeitpunkt
am Elektromagneten 2 der sogenannte Fangstrom eingeschaltet
wird, um durch die Kraftwirkung des Magnetfeldes des Elektro
magneten 2 der rückstellenden Kraftwirkung der Rückstell
feder 6 entgegenzuwirken und den Anker 4 sicher an der
Polfläche 8 des Elektromagneten 2 zur Anlage zu bringen,
so daß das Gaswechselventil 3 über die durch die Steuerung
vorgegebene Öffnungszeit offengehalten werden kann. Zum
Schließen des Gaswechselventils läuft der vorstehend be
schriebene Vorgang in umgekehrter Reihenfolge ab.
In Fig. 2 sind in zugeordneten Diagrammen für den vorstehend
beschriebenen Öffnungsvorgang der zeitliche Verlauf des
Stroms am Schließmagneten 1, des zeitlichen Verlaufs des
Stroms am Öffnermagneten 2 sowie der Hubweg des Ankers 4
dargestellt. Im Diagramm a) in Fig. 2 ist der Verlauf des
Stroms am Schließmagneten 1 während der Haltephase tH darge
stellt. Der Strom wird hierbei auf einem niedrigen Niveau
getaktet, so daß der Anker 4 an der Polfläche 7 des Schließ
magneten 1 gerade gehalten wird. Um nun den Öffnungsvorgang,
wie vorstehend beschrieben, zu bewirken, wird zum Zeitpunkt T₁
der Strom abgeschaltet und somit der Elektromagnet 1 stromlos
gesetzt.
Geht man einmal davon aus, daß der Elektromagnet 1 keine
"Klebzeit" aufweist, dann setzt sich entsprechend dem Dia
gramm c) in Fig. 2 der Anker 4 sofort unter dem Einfluß
der Kraftwirkung der Rückstellfeder 5 in Bewegung.
Etwa zu dem Zeitpunkt T₂, an dem der Anker 4 die Ruhelage
zwischen den beiden Polflächen 7 und 8 durchläuft, wird
am fangenden Öffnermagneten 2 der Strom eingeschaltet,
so daß sich hier ein Magnetfeld mit ausreichender Stärke
aufbaut, das ein sicheres Fangen des Ankers 4 am der Pol
fläche 8 ermöglicht. Der Strom steigt hierbei entsprechend
einer e-Funktion auf einen maximalen Wert an. Zum Zeitpunkt T₃
kommt hierbei der Anker 4 an der Polfläche 8 zur Anlage.
Die Steuerung ist jedoch so ausgelegt, daß der Strom noch
über einen gewissen Zeitraum über den vermuteten Zeitpunkt T₃
ansteigt, um hier ein sicheres Fangen zu gewährleisten.
Anschließend wird dann der Strom von dem für den Fangvorgang
vorgelegten Wert Imax zurückgeregelt auf den niedrigeren
Wert IH.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
nun der fangende Elektromagnet mit einem Strom angesteuert,
dessen obere Grenze IA deutlich über dem Wert Imax des
Normalbetriebes liegt. Dies hat zur Folge, daß aufgrund
der Änderung der Induktivität des Magnetfeldes am fangenden
Elektromagneten eine von der Bewegungsgeschwindigkeit des
Ankers abhängige Spannung induziert wird, die einen Abfall
des Stroms bewirkt. Durch die große Energiekopplung trifft
der Anker mit hoher Geschwindigkeit auf der Polfläche auf,
so daß die Geschwindigkeit sich plötzlich ändert und hier
durch zum Zeitpunkt des Auftreffens des Ankers ein deutlicher
"Knick" 9 im zeitlichen Verlaufs des Stroms erkennbar wird.
Eine derart signifikante Abweichung im zeitlichen Verlauf
des Stroms kann dann zur Auswertung und zur Erzeugung eines
Stellsignals herangezogen werden.
In Kauf genommen wird hierbei, daß aufgrund der höheren
Strombeaufschlagung der Spule des fangenden Elektromagne
ten auch eine höhere Energieeinkopplung in den nahenden
Anker 4 erfolgt, so daß dieser, wie in Fig. 2, Diagramm b)
und c) gestrichelt dargestellt, zeitlich etwas früher als
im Normalbetrieb zur Anlage kommt.
Diese geringfügige Abweichung vom Normalbetrieb kann, da
für den Normalbetrieb ohnehin eine Soll-Kurve vorgegeben
ist, in Verbindung mit der Erzeugung eines etwaigen Stell
signales auskompensiert werden.
Zeigt nun der Vergleich mit einer vorgegebenen Soll-Kurve,
daß aufgrund betriebsbedingter Veränderungen die tatsächli
chen Bewegungszeiten nicht mit den vorgegebenen Bewegungs
zeiten übereinstimmen, dann kann dies über eine entsprechende
Anpassung der Steuerung auskorrigiert werden, sei es durch
Verlegung des jeweiligen Beginns der Ansteuerung des betref
fenden Elektromagneten, sei es auch durch eine Veränderung
der Stromhöhe für das Halten und/oder das Fangen des Ankers.
In Fig. 3 ist die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Blockschaltbild näher dargestellt. Hierbei ist
eine Kolbenbrennkraftmaschine 10, deren Gaswechselventile
über elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden, die
hier in Form eines Blockschaltbildes mit dem Bezugszeichen 11
versehen sind, mit einer Steuereinrichtung 12 verbunden,
über die die Gaswechselventile entsprechend den Lastanforde
rungen des Betriebes angesteuert werden können. Die entspre
chenden Steuerbefehle werden beispielsweise über ein Gas
pedal 13 vorgegeben, wobei zusätzliche Korrekturen der
Steuerbefehle über weitere an der Kolbenbrennkraftmaschine
erfaßte Betriebsparameter noch verändert werden können,
so beispielsweise eine Veränderung der Öffnungszeiten bzw.
Schließzeiten der Gaswechselventile, um hier den Füllungs
grad, den Restgasgehalt oder auch das Luftverhältnis durch
eine entsprechende Steuerung der Gaswechselventile betriebs
abhängig ansteuern zu können.
Der Steuereinrichtung 12 ist hierbei ein Normalprogramm
vorgegeben, daß auch die durch zu bewegende Masse, Feder
kräfte, Klebzeiten, Reibung etc. vorgegebenen Parameter
für die Bewegungszeit des Gaswechselventils berücksichtigen.
Um nun entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die
ordnungsgemäße Funktion der einzelnen Gaswechselventile
überprüfen zu können, wird während einer "Leerlaufphase",
d. h. während des Leerlaufs, im Schubbetrieb oder beim
Stillsetzen des Motors nach Abschalten der Zündung über
die Steuereinrichtung 12 und eine Endstufe 14 den Aktuatoren
der Gaswechselventile 11 ein höherer Strom vorgegeben.
Über eine entsprechende Messeinrichtung 15 kann nun der
sich hieraus ergebende, anhand von Fig. 2 beschriebene
Verlauf des Stroms und der hierbei ermittelte Auftreffzeit
punkt des Ankers am fangenden Elektromagneten in bezug
zum Zeitpunkt des Abschaltens des Stroms am haltenden Elek
tromagneten erfaßt werden, so daß durch einen Vergleich
mit der für den Normalbetrieb vorgegebenen Daten in der
Steuereinheit 12 bei Abweichungen eine entsprechende auto
matische Anpassung des "Steuerprogramms" vorgenommen werden
kann.
Diese Verfahrensweise kann nun als gesonderte Maßnahme
während des Stillstandes des Motors im Rahmen einer Motor
diagnose vorgenommen werden. Der besondere Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens besteht jedoch darin, daß
die Überprüfung der tatsächlichen Reaktionszeiten des je
weiligen elektromagnetischen Aktuators automatisch fort
laufend im Zusammenhang mit dem Betrieb vorgenommen werden
kann, beispielsweise jeweils beim Stillsetzen der Kolben
brennkraftmaschine noch im betriebswarmen Zustand. Wie
vorstehend angegeben, ist eine Überprüfung und Anpassung
bei entsprechender Einrichtung der Steuereinheit 12 auch
während des Betriebes möglich, nämlich immer in sogenannten
"Leerlaufphasen", beispielsweise im Leerlauf oder aber
auch bei Schubbetrieb oder ähnlichen Betriebszuständen.
Zum Zwecke der Auswertung des Soll-Ist-Vergleichs ist es
nicht erforderlich, den Verlauf der Stromkurve insgesamt
zu erfassen und zu vergleichen. Es genügt hierbei, wenn
der Abschaltzeitpunkt T₁ am haltenden Magneten erfaßt wird
und dann der über den Zeitpunkt T₄ bei erhöhter Strombeauf
schlagung festgestellte "Knick" 9 in der Stromverlaufskurve
festgestellt wird.
Claims (4)
1. Verfahren zur Anpassung der Steuerung eines elektromagne
tischen Aktuators an betriebsbedingte Veränderungen am
Aktuator, der wenigstens einen Elektromagneten und einen
von diesem gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder
bewegbaren Anker aufweist, der ein Stellmittel für ein
Aggregat betätigt, insbesondere eines elektromagnetischen
Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer
Kolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erfassung der für einen sicheren Betrieb erforderlichen
Betriebsbedingungen, insbesondere der tatsächlichen Reaktions
zeiten während Leerlaufphasen des Aggregates der Elektro
magnet mit einem vom Normalstrom abweichenden Stromverlauf
angesteuert als im Normalbetrieb und der hierbei erfaßte
zeitliche Verlauf des Stroms zumindest über Teilbereiche
des Verlaufs erfaßt und mit einem Soll-Verlauf verglichen
und bei Abweichungen über ein Korrektursignal die Steuerung
für den Normalbetrieb entsprechend angepaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Elektromagnet während Leerlaufphasen des Aggregates
mit einem höheren Strom als im Normalbetrieb angesteuert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
während der Leerlaufphasen des Aggregates der Elektromagnet
zum Erkennen des Ankerausfalls mit fortschreitend geringerem
Strom angesteuert wird und daß gegenüber dem hierbei erfaßten
Stromverlauf in der Steuerung der Stromverlauf für den
Normalbetrieb um ein vorgebbares Maß erhöhte wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktuator beim Stillsetzen des Aggregates in der
Auslaufphase mit einem erhöhten Strom angesteuert wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19531435A DE19531435B4 (de) | 1995-08-26 | 1995-08-26 | Verfahren zur Anpassung der Steuerung eines elektromagnetischen Aktuators an betriebsbedingte Veränderungen |
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DE19531435B4 DE19531435B4 (de) | 2006-11-16 |
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