DE19531435A1 - Verfahren zur Anpassung der Steuerung eines elektromagnetischen Aktuators an betriebsbedingte Veränderungen - Google Patents

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 t_H 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 I_max zurückgeregelt auf den niedrigeren Wert I_H.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun der fangende Elektromagnet mit einem Strom angesteuert, dessen obere Grenze I_A deutlich über dem Wert I_max 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.