DE19723563A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Description

Mit dem zunehmenden Einsatz von elektromagnetischen Aktuato­ ren zur Betätigung von Stellgliedern, insbesondere mit dem Einsatz derartiger elektromagnetischer Aktuatoren zur Betäti­ gung der Gaswechselventile an Kolbenbrennkraftmaschinen, er­ gibt sich die Notwendigkeit, im laufenden Betrieb Funktions­ störungen oder auch Funktionsausfälle eines Aktuators zu überwachen und im Falle einer Funktionsstörung entsprechende Maßnahmen einzuleiten.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen ein Verfahren zur Funkti­ onsüberwachung eines elektromagnetischen Aktuators mit wenig­ stens einem Elektromagneten, der auf einen gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder bewegbaren Anker zur Betäti­ gung eines Stellgliedes einwirkt, insbesondere eines elektro­ magnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Zylinder einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei dem die elektrische Leistung des Magneten über eine elektrische Steuerung gesteuert wird, wobei der jeweils vom gesteuerten elektrischen Leistungsparameter abhängige andere elektrische Leistungsparameter als Überwachungsparameter in seinem zeit­ lichen Verlauf als Ist-Wert erfaßt wird und mit dem für eine ordnungsgemäße Funktion der Steuerung vorgegebenen Verlauf des Überwachungsparameters als Soll-Wert verglichen wird und bei einer Abweichung ein Stellsignal erzeugt wird. Bei diesem Verfahren wird mit Vorteil ausgenutzt, daß der jeweils vom gesteuerten elektrischen Leistungsparameter, beispielsweise dem Strom, der anderen elektrische Leistungsparameter, bei­ spielsweise die sich an der Spule einstellende Spannung, si­ gnifikante Abweichungen aufweist, wenn sich der Anker bei der Annäherung an die Polfläche des fangenden Magneten bis hin zur Anlage an der Polfläche nicht "ordnungsgemäß" verhält. Da es andererseits möglich ist, den zeitlichen Verlauf des Über­ wachungsparameters bei ordnungsgemäßer Funktion des elektro­ magnetischen Aktuators als Soll-Wert in der elektrischen Steuerung als Speicherwert abzulegen, entsteht zugleich ein Soll-Wert für einen "ordnungsgemäßen" Funktionsablauf zur Verfügung. Dieser Soll-Wert ermöglicht eine fortlaufende und ununterbrochene Überwachung eines einzelnen elektromagneti­ schen Aktuators während des Betriebes. Da Abweichungen des als Ist-Wert erfaßten zeitlichen Verlaufs des Überwachungspa­ rameters von dem als Soll-Wert vorhandenen zeitlichen Verlauf des Überwachungsparameters bei einer als Störung zu beurtei­ lenden Betriebssituation sofort erkennbar werden, ist es auch möglich, ein entsprechendes Stellsignal auszulösen. Hierbei besteht zudem auch die Möglichkeit, einen gewissen Toleranz­ bereich vorzugeben, der einen Weiterbetrieb zuläßt, auch wenn eine geringe Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert festge­ stellt wird. Auch ist hier die Möglichkeit gegeben, geringe Abweichungen zunächst nur zu erfassen und in ihrer Zeitfolge aufeinanderzuspeichern und dann ein Stellsignal, beispiels­ weise in Form einer Anzeige auszulösen, wenn sich derartige Abweichungen des Ist-Werts vom Soll-Wert noch innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenze häufen. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber anderen Verfahren liegt darin, daß hier Störungen oder Betriebsanomalien während der gesamten Einschaltzeit eines elektromagnetischen Aktuators erfaßt werden können. Bereits ein verzögerter, beispielsweise durch erhöhten Reibungseinfluß erfolgender Anflug des Ankers in Richtung auf die Polfläche, eine Zurückbewegung des Ankers ohne die Polfläche zu berühren, ein Prellen des Ankers unmit­ telbar nach dem Auftreffen auf die Polfläche, ein vorzeitiges Abfallen des Ankers bei zu geringem Haltestrom oder aber auch ein Festsitzen des Ankers auf der Polfläche des Elektromagne­ ten beim Bruch einer Rückstellfeder lassen sich so sofort er­ kennen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer Steuerung des Stromes als Überwachungsparameter der zeitliche Verlauf der an der Spule des Elektromagneten anlie­ genden Spannung als Ist-Wert erfaßt und mit dem vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Spannung bei ordnungsgemäßer Funktion als Soll-Wert verglichen wird. Bei diesem Verfahren wird mit Vorteil die Tatsache ausgenutzt, daß der zeitliche Verlauf der Spannung an der Spule des Elektromagneten aufgrund der induzierten Gegenspannung deutliche Abweichungen aufweist, wenn sich in der Bewegung des Ankers Abweichungen feststellen sollten.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer Steuerung der Spannung als Überwachungsparame­ ter der zeitliche Verlauf des durch die Spule fließenden Stromes als Ist-Wert erfaßt wird und mit dem vorgegebenen zeitlichen Verlauf des Stromes bei ordnungsgemäßer Funktion als Soll-Wert verglichen wird. Auch bei dieser Auslegung der elektrischen Steuerung ergibt sich durch die Verknüpfung von Strom und Spannung nach dem Ohmschen Gesetz einer deutliche Abweichungen des erfaßten Ist-Wertes von dem vorgegebenen Soll-Wert bei einer nicht ordnungsgemäßen Ankerbewegung.

Sowohl bei einer Steuerung des Stromes als auch bei einer Steuerung der Spannung wird bei der Annäherung des Ankers an die Polfläche eine zusätzliche Spannung induziert, die je­ weils zu einer Verzerrung im zeitlichen Verlauf des als Über­ wachungsparameter erfaßten Leistungsparameters führt. Sowohl bei der Steuerung über den Strom als auch bei der Steuerung über die Spannung ergeben sich hierbei entsprechende Verände­ rungen des zeitlichen Verlaufs des Ist-Wertes.

Der weitere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß anstelle der jeweils zu erfassenden Leistungspara­ meter auch deren proportionale Größen in der zugehörigen elektrischen Steuerung abgegriffen werden können. Weist bei­ spielsweise die elektrische Steuerung für die Steuerung des Stromes im Falle einer sogenannten Linearstromregelung einen PID-Regler auf, so können etwaige Ist-Wert-Abweichungen auch aus dem P- und/oder I- und/oder D-Stellanteil des Reglers ab­ gegriffen werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer getakteten Steuerung des Stromes in der Halte­ phase zwischen einem oberen und einem unteren Stromniveau als Überwachungsparameter die zeitliche Abfolge des jeweiligen Spannungsanstieges der aufeinanderfolgenden Takte als Ist-Wert erfaßt und mit einem vorgegebenen Soll-Wert der zeitlichen Abfolge der Spannungsanstiege bei ordnungsgemäßer Funktion verglichen wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist ins­ besondere dann zweckmäßig, wenn aufgrund der Vorgabe durch die Steuerung mit Sicherheit davon ausgegangen werden kann, daß auch der Anker an der Polfläche des Elektromagneten zur Anlage kommt, im übrigen die Steuerung so ausgelegt wird, daß zur Reduzierung der notwendigen elektrischen Energie während der Haltephase, in der eine geringere Magnetkraft am Elektro­ magneten benötigt wird, eine reduzierte Stromzufuhr erfolgt, die zudem noch zwischen zwei unterschiedlichen Stromhöhen ge­ taktet wird, d. h. die Stromzufuhr abgeschaltet wird, sobald das obere Stromniveau erreicht ist und wieder zugeschaltet wird, dann der Strom aufgrund der Verluste wieder auf einen unteren Wert abgefallen ist. Solange der Anker an der Polflä­ che anliegt, also sicher gehalten ist, ergibt sich eine kon­ stante Zeitfolge für den Spannungsanstieg beim jeweiligen Einschalten des Haltestroms in der Taktungsphase. Fällt wäh­ rend der Haltephase der Anker ab, dann ergibt sich aufgrund der Ankerbewegung und der damit induzierten Gegenspannung ein vorzeitiger Abfall der Spannung beim Abschalten des Hal­ testroms und ein vorzeitiger Anstieg der Spannung beim Zu­ schalten des Haltestroms. Wird bereits in der Fangphase ge­ taktet, so lassen sich dementsprechend auch Bewegungsanomali­ en des Ankers bei der Annäherung an die Polfläche in gleicher Weise über Abweichungen in der Zeitabfolge des Spannungsan­ stiegs und auch des Spannungsabfalls bei der jeweiligen Tak­ tung erkennen. Vorteilhaft ist auch die direkte Auswertung der Schaltsignale, also der jeweiligen Ein- und/oder Aus­ schaltsignale.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß beim Über­ schreiten einer vorgegebenen Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert des Überwachungsparameters die elektrische Steue­ rung der jeweils geregelte Leistungsparameter nachgeregelt wird. Wird beispielsweise bei einer Abweichung zwischen Ist- Wert und Soll-Wert des Überwachungsparameters festgestellt, daß der Anker beim Auftreffen auf die Polfläche "prellt", so bedeutet dies, daß dem Elektromagneten ein zu hoher Strom bzw. eine zu hohe Spannung zugeführt wird, so daß damit über einen entsprechenden Eingriff in der elektrischen Steuerung hier Abhilfe geschaffen werden kann. Wird andererseits fest­ gestellt, daß der Anker sich zwar bewegt, jedoch nicht zur Anlage an der Polfläche gelangt, dann besteht wiederum die Möglichkeit, über die elektrische Steuerung den gesteuerten Leistungsparameter entsprechend zu erhöhen, um so eine höhere Magnetkraft zur Verfügung zu stellen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere bei einem elektromagnetischen Aktuator zur Betä­ tigung eines Gaswechselventils an einem Zylinder einer Kol­ benbrennkraftmaschine vorgesehen, daß bei einer Überschrei­ tung einer vorgegebenen Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert des Überwachungsparameters über die elektrische Steuerung die übrigen Funktionen an dem betreffenden Zylin­ der, insbesondere die Kraftstoffeinspritzung und/oder die Zündung und/oder der elektromagnetische Aktuator für das an­ dere Gaswechselventil abgeschaltet werden. Insbesondere das Abschalten der Zufuhr von weiteren Kraftstoffmengen in den betreffenden Zylinder gewährleistet, daß Schäden im Abgassy­ stem, insbesondere im Katalysatorsystem oder auch Schäden durch eine Überhitzung des Katalysators vermieden werden. Wird gleichzeitig der elektromagnetische Aktuator des anderen Gaswechselventils an diesem Zylinder abgeschaltet, so bleiben beide Gaswechselventile beispielsweise in geöffneter Stellung stehen, so daß der betreffende abgeschaltete Zylinder leer mitläuft und wegen des Wegfalls der Kompression des Zylinde­ rinhaltes auch nicht bremsend wirkt.

Da insbesondere bei Fahrzeugen mit Kolbenbrennkraftmaschinen, die mit einer elektrischen Steuerung versehen sind, nicht nur die Gaswechselventile durch die elektrische Ansteuerung ange­ steuert werden sondern auch in Abhängigkeit von der Lei­ stungsvorgabe des Fahrers, also über das Gaspedal die Kraft­ stoffmenge, Zündzeitpunkt, Ventilöffnungszeiten, insbesondere hier zeitliche Überschneidungen der Öffnungszeiten von Ga­ seinlaßventil und Gasauslaßventil angesteuert werden, bietet das erfindungsgemäße Verfahren auch den Vorteil, daß bei Ab­ schaltung der Funktionen eines Zylinders über die elektrische Steuerung die Leistung der noch arbeitenden anderen Zylinder der Kolbenbrennkraftmaschine innerhalb gewisser Grenzen er­ höht wird. Damit besteht die Möglichkeit, daß unabhängig von der Leistungsvorgabe des Gaspedals bei einem Ausfall nur ei­ nes Zylinders automatisch über einen entsprechenden Steue­ rungsbefehl in der elektronischen Steuerung eine Verstellung der einzelnen Steuerparameter erfolgt, so daß die Kolben­ brennkraftmaschine trotz des Ausfalles eines Zylinders mit annähernd der gleichen Leistung weiterbetrieben werden kann und nicht durch einen plötzlichen Leistungsabfall bei Ausfall eines Zylinders eine spürbare Verzögerung der Fahrgeschwin­ digkeit erfolgt.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipzeichnung eines Vier­ zylinder-Viertakt-Ottomotors mit elektromagnetischen Aktuatoren für die Gaswechselventile,

Fig. 2 einen elektromagnetischen Aktuator im Schnitt in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung bei einer Steuerung des Stroms zur Betätigung des elektro­ magnetischen Aktuators,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung bei einer Steuerung der Spannung zur Betätigung des elektromagnetischen Aktuators,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Spannung bei einer getakteten Bestromung des elektro­ magnetischen Aktuators,

Fig. 6, 7 und 8 entsprechende Diagramme bei einem unbeabsichtigten Ankerabfall.

In Fig. 1 ist schematisch ein Viertakt-Vierzylinder-Ottomotor mit seinen Zylindern I, II, III, IV dargestellt. Die einzel­ nen Zylinder weisen jeweils ein Gaseinlaßventil 1 und ein Gasauslaßventil 2 auf, wobei die beiden Gaswechselventile 1, 2 jeweils über einen elektromagnetischen Aktuator 3.1 und 3.2 betätigbar sind. Das Gaseinlaßventil 1 verschließt einen Gaseinlaßkanal 4, in den eine Einspritzdüse 5 mündet, die ih­ rerseits über einen elektromagnetischen Aktuator 6 betätigbar ist. Das Gasauslaßventil 2 verschließt hierbei einen Gasaus­ laßkanal 7.

Die elektromagnetischen Aktuatoren 3.1 und 3.2 der Gaswech­ selventile sowie die elektromagnetischen Aktuatoren 6 der Kraftstoffeinspritzdüsen 5 werden über eine elektrische Steu­ ereinrichtung 8 angesteuert, die die jeweils gewünschte Lastvorgabe, beispielsweise über ein Gaspedal 9, erhält. Der elektrischen Steuereinrichtung 8 werden, wie bei modernen elektronischen Motorsteuerungen üblich, auch weitere, für den Betrieb erforderliche Daten vorgegeben, so beispielsweise das abgegebene Drehmoment, Kühlwassertemperatur und weitere für eine optimale Steuerung und Regelung des Betriebsablaufs er­ forderliche Werte. Außerdem wird über einen entsprechenden Geber 10 die jeweilige Motordrehzahl der Steuerung zugeführt. Über diesen Drehzahlgeber kann zugleich auch die Kurbelstel­ lung und damit die Kolbenstellung zumindest eines Zylinders vorgegeben werden, so daß eine paßgenaue und zeitgenaue dreh­ zahlproportionale Ansteuerung der einzelnen elektromagneti­ schen Aktuatoren möglich ist ebenso wie eine betriebsabhängi­ ge jedoch voneinander unabhängige Veränderung der Betäti­ gungszeiten der jeweiligen Gaseinlaßventile und Gasauslaßven­ tile an den einzelnen Zylindern.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der elektromagnetische Aktuator eines Gaswechselventils im wesentlichen aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten 11 und 12, die mit ihren Polflächen P11 und P12 gegeneinander gerichtet sind. Zwischen den beiden Elektromagneten 11 und 12 ist ein Anker 13 hin und her bewegbar geführt, der über eine Betäti­ gungsstange 14 auf ein Gaswechselventil, beispielsweise das Gaseinlaßventil, einwirkt. Das Gaswechselventil ist mit einer Schließfeder 15 verbunden, die das Gaswechselventil in Schließstellung zu ziehen versucht. Der Schließfeder 15 ist eine Öffnungsfeder 16 zugeordnet, deren Kraftwirkung gegen die Kraftwirkung der Schließfeder 15 wirkt. Bei stromlos ge­ setzten Elektromagneten nimmt somit der Anker 13 eine mittle­ re Position zwischen den beiden Elektromagneten ein. Die Fe­ der 16 wirkt in bezug auf den als Schließmagneten dienenden Elektromagneten 11 als Rückstellfeder ebenso wie die Schließ­ feder 15 für den als Öffnermagneten 12 dienenden Elektroma­ gneten als Rückstellfeder wirkt. Werden die beiden Elektroma­ gneten über die elektrische Steuereinrichtung 8 abwechselnd bestromt, so kann das Gaswechselventil entsprechend dem durch die elektrische Steuerung 8 vorgegebenen Takt geöffnet und geschlossen werden. Die für den Aufbau des erforderlichen Ma­ gnetfeldes elektrische Leistung kann nun entweder über eine gesteuerte Stromzufuhr oder über eine Steuerung der erforder­ lichen Spannung bewirkt werden. Da der tatsächliche Ohmsche Widerstand sowie die Induktivität des jeweiligen Elektroma­ gneten fest vorgegeben ist, ergibt sich bei einer gesteuerten Stromzufuhr ein entsprechender zeitlicher Verlauf der Span­ nung. Erfolgt eine Steuerung über die Spannung, dann ergibt sich entsprechend ein abhängiger Verlauf des Stroms, so daß bei etwaigen Funktionsstörungen, die sich sofort in einer Än­ derung der Ankerbewegung niederschlagen, jeweils Abweichungen im abhängigen Leistungsparameter bemerkbar machen.

In Fig. 3 ist die Verknüpfung der einzelnen Werte für eine gesteuerte Bestromung dargestellt. Wird der Strom entspre­ chend dem Diagramm gem. Fig. 3.1 bei einer Annäherung des An­ kers 13 gegen den Elektromagneten 12 aus der Mittellage her­ aus eingeschaltet und bis auf einen vorgegebenen Wert hochge­ führt und dort während der Haltephase auf konstanter Höhe ge­ halten, dann ergibt sich der im Diagramm gem. 3.2 zeitliche Verlauf der Spannung.

In Fig. 3.3 ist der zugehörige Weg des Ankers 3 in Abhängig­ keit von der Zeit dargestellt. Bei einer "ordnungsgemäßen" Funktion des elektromagnetischen Aktuators ergibt sich ein Verlauf der Ankerbewegung entsprechend der Kurve 13.1 in Fig. 3.3. Zum Zeitpunkt T_A trifft der Anker auf der Polfläche P12 des Elektromagneten 12 auf und wird hierbei auf der Polfläche gehalten.

Der Ankerbewegung gem. 13.1 in Fig. 3.3 entspricht der in Fig. 3.2 der zeitliche Verlauf der Spannung entsprechend dem Kurventeil 13.1.

Bewegt sich jedoch der Anker 3 entsprechend der Bewegungskur­ ve 13.2 in Fig. 3.3, wobei der Anker an der Polfläche P12 ge­ rade eben nicht zur Anlage kommt, dann ergibt sich eine si­ gnifikante Veränderung des zeitlichen Verlaufs der Spannung, wie dies an der Kurve 13.2 in Fig. 3.2 erkennbar ist. Die Ur­ sache für diese starke Veränderung liegt darin, daß infolge der geringen Näherungsgeschwindigkeit des Ankers 13 die Ände­ rung der magnetischen Induktion des Gesamtsystems Ma­ gnet-Anker entsprechend geringer ist, was zu der deutlichen Änderung im Spannungsanstieg führt.

Ist durch eine Funktionsstörung der Anker 13 zur Ruhe gekom­ men, beispielsweise noch in Anlage an der Polfläche P11 bei einem Bruch der Rückstellfeder 16, dann ergibt sich keinerlei Ankerbewegung, wie dies aus Fig. 3.3 aus der Kurve 13.3 er­ sichtlich ist. Infolge der fehlenden Änderung der magneti­ schen Induktion bei der Bestromung des Elektromagneten 12 er­ gibt sich dementsprechend auch keine Spannungsänderung, so daß sich für die von der Bestromung abhängige Spannung der in Fig. 3.2 dargestellte deutlich vom Normalverlauf abweichende Verlauf 13.3 ergibt.

Wird nun die Spannungskurve 13.1 in der elektrischen Steue­ rung 8 als Soll-Wert "abgelegt", dann kann bei einer Abwei­ chung entsprechend der Kurve 13.2 oder 13.3 in Fig. 13.2 ein entsprechendes Stellsignal ausgelöst werden. So kann bei­ spielsweise bei einer Abweichung der Kurve 13.2 von der Kurve 13.1, die noch innerhalb einer gewissen Toleranzgrenze liegt, über eine Erhöhung des Stromes beim nächsten Arbeitstakt ver­ sucht werden, den Anker 13 wieder ordnungsgemäß zur Anlage zu bringen. Liegt jedoch die Abweichung der Kurve 13.2 außerhalb des vorgegebenen Toleranzwertes, so ergibt sich dann der Ver­ lauf der Kurve 13.3, dann erfolgt als Stellsignal eine Ab­ schaltung der Funktion des zugehörigen Zylinders.

Erfolgt beispielsweise der Ausfall des Gaseinlaßventils 1 am Zylinder IV entsprechend Fig. 1, dann wird über das Stellsi­ gnal sofort die Kraftstoffeinspritzung über die Einspritzdüse 5 inaktiviert, die hier nicht näher dargestellte Zündung aus­ geschaltet und auch der elektromagnetische Aktuator 3.2 des Gasauslaßventils 2 abgeschaltet, so daß zumindest das Gasaus­ laßventil in Öffnungsstellung verbleibt und beim weiteren Be­ trieb des Motors über die verbleibenden funktionstüchtigen Zylinder der ausgefallene Zylinder kompressionslos weiter mitgedreht werden kann.

Da wie vorstehend bereits angedeutet, alle betriebsrelevanten Parameter in der elektrischen Steuerung 8 vorliegen, kann über entsprechende Prozeßrechner sogar bewerkstelligt werden, daß bei Ausfall eines Zylinders über eine entsprechend Ände­ rung, d. h. Erhöhung der Kraftstoffzufuhr zu den verbleiben­ den Zylindern, und die hierzu erforderlichen Änderungen der Ventilsteuerzeiten, die Leistung der verbleibenden drei Zy­ linder so erhöht werden, daß annähernd die Leistung des aus­ gefallenen Zylinders 4 kompensiert wird.

Ausgehend von den anhand von Fig. 3.3 beschriebenen unter­ schiedlichen Ventilbewegungen, die in Fig. 4.3 identisch dar­ gestellt sind, wird anhand von Fig. 4.1 und Fig. 4.2 die Ab­ hängigkeit der Leistungsparameter voneinander dargestellt, wenn entsprechend Fig. 4.1 bei der Bestromung des jeweils ak­ tiven Elektromagneten die Spannung gesteuert wird (Fig. 4.1), so daß sich entsprechend der Gesamtimpedanz des Elektromagne­ ten die in Fig. 4.2 dargestellte Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs des Stromes ergibt.

Wie Fig. 4.1 erkennen läßt, wird an die Spule beispielsweise des Elektromagneten 13 eine Spannung in entsprechender Höhe angelegt, so daß die Spule ein entsprechend ansteigender Strom durchfließt. Arbeitet der elektromagnetische Aktuator ordnungsgemäß, d. h. ergibt sich die in Fig. 4.3 wiedergege­ bene Bewegungskurve 13.1, dann bewirkt die Änderung der In­ duktivität durch den sich annähernden Anker einen deutlichen Abfall des Stromes, wie dies in der Kurve 13.1 in Fig. 4.2 dargestellt ist.

Erfolgt nur eine Annäherung entsprechend der Kurve 13.2 in Fig. 4.3, dann ergibt sich zwangsläufig bei einer konstant am Elektromagneten über die elektrische Steuerung gehaltenen Spannung ein Stromverlauf entsprechend der Kurve 13.2 in Fig. 4.2.

Erfolgt entsprechend der Kurve 13.3 in Fig. 4.3 keine Anker­ bewegung, so ergibt dies einen kontinuierlich ansteigenden Verlauf des Stromdurchflusses, wie dies durch die Kurve 13.3 in Fig. 4.2 ersichtlich ist.

Auch hier ergeben sich signifikante, deutliche Unterschiede im zeitlichen Verlauf des Stromdurchflusses, die nicht nur eine ordnungsgemäße Anlage des Ankers an der Polfläche son­ dern auch eine Annäherung des Ankers ohne Anlage sowie einen vollständigen Funktionsausfall erkennbar machen.

Der Vergleich der Darstellungen in Fig. 3 und Fig. 4 läßt er­ kennen, daß der jeweils vom gesteuerten Leistungsparameter (Fig. 3 der Strom, Fig. 4 die Spannung) der hiervon abhängige andere elektrische Leistungsparameter (Fig. 3 die Spannung, Fig. 4 der Strom) gegenüber dem Normalverlauf bzw. dem als "ordnungsgemäß" bekannten Verlauf deutliche Abweichungen auf­ weist, so daß dieser "ordnungsgemäße" Verlauf als Soll-Wert in der elektrischen Steuerung 8 "abgelegt" werden kann. Der tatsächliche zeitliche Verlauf kann hierbei im laufenden Be­ trieb auch bei jedem Arbeitstakt des elektromagnetischen Ak­ tuators als "Ist-Wert" erfaßt und mit dem abgelegten Soll-Wert verglichen werden, wobei aufgrund der auftretenden deutlichen Unterschiede bei einer mangelhaften Funktion in der vorgeschriebenen Weise ein Stellsignal ausgelöst wird und über die elektrische Steuereinrichtung 8 entsprechende Steu­ er- und Regelmaßnahmen vorgenommen werden können.

Soll in Abweichung der anhand von Fig. 3 dargestellten und beschriebenen Konstantstromregelung entsprechend Fig. 3.1 in der Annäherungs- und Haltephase für den Anker 13 der Strom zwischen einem oberen und einem unteren Niveau getaktet wer­ den, wie dies in Fig. 5.1 dargestellt ist, dann ergibt sich für die bereits vorstehend anhand von Fig. 3.3 und Fig. 4.3 entsprechend Fig. 5.3 dargestellten unterschiedlichen Bewe­ gungsabläufe für den Anker auch eine entsprechende Änderung im Verlauf der Spannung. Die Steuerung erfolgt hierbei in der Weise, daß der Haltestrom zwischen einem oberen Wert I₂ und einem unteren Wert I₁ in der Weise getaktet wird, daß beim Erreichen des oberen Stromwertes I₂ der Strom abgeschaltet wird und beim Erreichen des unteren Wertes I₁ der Strom wie­ der zugeschaltet wird. Sofern im Bereich des Elektromagneten keine Änderungen der magnetischen Induktivitäten erfolgen, ergibt sich eine konstante zeitliche Folge der vorderen Flan­ ke U_e. Bewegt sich jedoch der Anker entsprechend der Kurve 13.1 in Fig. 5.3 in dieser Taktungsphase auf den Elektroma­ gneten zu, so führt dies zu einem stärkeren Abfall der Strom­ verlaufskurve, wie dies durch den Kurventeil 13.1 in Fig. 5.1 dargestellt ist. Dies hat zur Folge, daß das Stromniveau I₁ früher erreicht wird und dementsprechend auch früher die Spannung wieder angelegt, so daß die Vorderflanke U_e1 zeit­ lich früher erscheint.

Bei einem Bewegungsverlauf entsprechend 13.2 ergibt sich im­ mer noch eine hohe Verschiebung der Vorderflanke des Span­ nungssignals Q₂, die jedoch deutlich später erfolgt als der einem ordnungsgemäßen Betrieb zuzuordnende Einschaltzeitpunkt U_e1.

Erfolgt entsprechend der Kurve 13.3 in Fig. 5.3 keine Anker­ bewegung, so ergibt sich keine Verschiebung bezüglich des Einschaltzeitpunktes, so daß aus der Tatsache, daß keine Ab­ weichung erfolgt ist, das Vorhandensein einer Störung abge­ leitet werden kann.

Da, wie vorstehend anhand von Fig. 1 beschrieben, über die elektrische Steuerung 8 für jeden elektromagnetischen Aktuator aufgrund der erfaßten Motordrehzahl und der Triggerung über die Kurbelwellenstellung der zu erwartende Auftreffzeitpunkt T_A bei ordnungsgemäßer Funktion im Rahmen der Soll- Wertvorgabe vorgegeben werden kann, genügt es für den Ist- Soll-Vergleich bei dieser Verfahrensweise, den in Fig. 5.3 angegebenen Zeitraum zwischen T_f und T₁ für die Überwachung der Zeitfolge des Spannungsanstiegs zu überwachen, da nur in diesem Zeitraum die vorbeschriebenen Änderungen auftreten können.

Wie die vorstehenden Erläuterungen anhand der Fig. 3, 4 und 5 erkennen lassen, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für den Bewegungsvorgang "Anker Fangen und Auftref­ fen", sondern auch für den Bewegungsvorgang "Anker Lösen" einsetzen.

Wird nach dem anhand von Fig. 3 über eine Steuerung des Stro­ mes als gesteuertem elektrischen Leistungsparameters gearbei­ tet, dann ergibt sich, wie die Fig. 6.1, 6.2 und 6.3 erkennen lassen, bei einem an der Polfläche des haltenden Elektroma­ gneten anliegenden Anker jeweils der Verlauf 13.1. Da der Strom konstant gehalten wird, der Anker sich von der Polflä­ che nicht löst, ergibt sich auch keine Änderung in der Span­ nung.

Löst sich jedoch der Anker vor einem Abschalten des Hal­ testromes, wie dies mit der Kurve 13.2 in Fig. 6.3 darge­ stellt ist, dann erfolgt trotz der konstanten Stromzufuhr ein Einbruch in der Spannung entsprechend der Kurve 13.2 in Fig. 6.2. Auch hier ist wieder eine signifikante Änderung im Spannungsverlauf vorhanden. In Fig. 3.2, die den jeweiligen Spannungsverlauf über die gesamte Betätigungszeit eines Ven­ tils zeigt, ist dieser Spannungseinbruch bei einem vorzeiti­ gen Ablösen durch den Kurventeil 13.2a sichtbar.

Wird entsprechend dem anhand von Fig. 4 beschriebenen Verfah­ ren einer Steuerung der Spannung als gesteuertem Leistungspa­ rameter gearbeitet, dann ergibt sich, wie aus Fig. 5.1 für den gesteuerten Leistungsparameter "Spannung" dargestellt, entsprechend auch ein konstanter Strom, wie aus Fig. 5.3 er­ sichtlich ist, wenn der Anker an der Polfläche anliegt, wie dies bereits anhand von Fig. 6 beschrieben wurde.

Löst sich jedoch, wie aus dem Bewegungsverlauf 13.2 in Fig. 5.3 ersichtlich, der Anker vorzeitig vom haltenden Elek­ tromagneten trotz anliegender Spannung und trotz fließenden Stromes, so ergibt sich aufgrund der sich ändernden magneti­ schen Induktivitäten ein kurzzeitiger Anstieg des Stromes entsprechend der Erhöhung gem. 13.2 in Fig. 5.2.

Bei einer Steuerung mit getaktetem Strom, wie anhand von Fig. 5 beschrieben, ergibt sich, wie anhand von Fig. 8 darge­ stellt, eine entsprechende Vorverlegung der Rückflanke des Spannungssignals U_a2 gegenüber dem Zeitpunkt der Rückflanke U_a2 bei ordnungsgemäßem Anliegen des Ankers an der Polfläche.

Das Verfahren zur Funktionsüberwachung wurde vorstehend an­ hand eines Beispieles eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils beschrieben, der mit je­ weils zwei gegeneinander gerichteten Elektromagneten versehen ist. Zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahren genügt es zur Reduzierung des Schaltungsaufwandes, wenn an jedem elektromagnetischen Aktuator der Überwachungsparameter jeweils an nur einem Elektromagneten eines Aktuators abge­ griffen wird. Die Anordnung besonderer Sensoren entfällt, da die Ist-Werte des jeweils als Überwachungsparameter ausge­ wählten Leistungsparameters unmittelbar in der elektrischen Steuereinrichtung erfaßt werden können, wobei es sogar mög­ lich ist, die mit dem gewählten Überwachungsparameter propor­ tionale, sich ändernde Parameter in der elektrischen Steue­ rung an einzelnen Schaltelementen ebenfalls abzugreifen.

Um die Sicherheit des Erkennungsverfahrens zu erhöhen, kann die Spannung jeweils auf der Gegenseite des eigentlich zu überwachenden Magneten überwacht werden. Fällt der Anker ab, obwohl er an der Polfläche des ersten Magneten gehalten wer­ den sollte, wird er durchschwingen, bis in die Nähe der Polfläche des zweiten Magneten. Aufgrund der Remanenz des Ma­ gnetankers wird durch die magnetisches Induktion in der Spule des zweiten Magneten eine Spannung induziert. Tritt also eine solche Spannung in der Spule des zweiten Magneten zu einem Zeitpunkt auf, zu dem der Anker an der ersten Polfläche ge­ halten werden sollte, so ist dies ein sicheres Zeichen für das Abfallen des Ankers und somit dessen Fehlfunktion. An­ stelle einer Spannungsüberwachung ist ebenfalls eine Überwa­ chung eines induzierten Stromes möglich. Dieses Verfahren funktioniert im Prinzip genau gleich, nur daß anstelle der induzierten Spannung ein hierdurch hervorgerufener Stromfluß überwacht wird.

Sollte die Remanenz nicht ausreichend sein, kann im zweiten Magneten ein Stromfluß aufgegeben werden, so daß ein magneti­ sches Feld in jedem Fall vorhanden ist. Auch in diesem Fall sind wiederum beiden Methoden der Auswertung (Spannung oder Stromauswertung) realisierbar. Dabei wird dann gezielt eine Änderung des jeweiligen Wertes überwacht.

Bei einem System mit mehreren Einlaß- bzw. Auslaßventilen pro Zylinder kann die Erkennungssicherheit gesteigert werden, in­ dem die Stillegung beispielsweise eines Einlaßventils bei kleinen Motorlasten wechselweise erfolgt, so daß jedes Ventil mindestens bei jedem zweiten Zyklus bewegt wird und somit auf die Bewegungsauswertung gem. Fig. 3, 4 und 5 basierende Ausfallerkennung sichergestellt ist.

Das Verfahren ist aber auch bei elektromagnetischen Aktuatoren anwendbar, die jeweils nur einen Elektromagneten aufweisen, der aus einer durch die Rückstellfeder bei stromlos gesetzten Magneten definierten ersten Funktionsstellung durch Anziehen des Ankers bei Bestromung des Elektromagneten die zweite Funktionsstellung einnimmt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektromagneti­ schen Aktuators mit wenigstens einem Elektromagneten, der auf einen gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder beweg­ baren Anker zur Betätigung eines Stellgliedes einwirkt, ins­ besondere eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einem Zylinder einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine, bei dem die elektrische Leistung des Magneten über eine elektrische Steuerung gesteuert wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der jeweils vom gesteuerten elektrischen Leistungsparameter abhängige andere elektrische Leistungspa­ rameter als Überwachungsparameter in seinem zeitlichen Ver­ lauf als Ist-Wert erfaßt wird und mit dem für eine ordnungs­ gemäße Funktion in der Steuerung vorgegebenen zeitlichen Ver­ lauf des Überwachungsparameters als Soll-Wert verglichen wird und bei einer Abweichung ein Stellsignal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Steuerung über den Stromes als Überwachungsparameter der zeitliche Verlauf der an der Spule des Elektromagneten liegenden Spannung als Ist-Wert erfaßt und mit dem vorgegebe­ nen zeitlichen Verlauf der Spannung als Soll-Wert verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Steuerung über die Steuerung als Überwachungsparameter der zeitliche Verlauf der durch die Spule fließende Strom als Ist-Wert erfaßt und mit dem vorgegebenen Verlauf des Stromes als Soll-Wert verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer getakteten Steuerung des Stromes zumindest in der Haltephase zwischen einem oberen und einem unteren Strom­ niveau für den Überwachungsparameter die zeitliche Abfolge des jeweiligen Spannungsanstiegs der aufeinanderfolgenden Takte als Ist-Wert erfaßt und mit einem vorgegebenen Soll- Wert der zeitlichen Abfolge verglichen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Abwei­ chung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert des Überwachungsparame­ ters über die elektrische Steuerung der jeweils geregelte Leistungsparameter nachgeregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere bei einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Überschreitung einer vorgegebe­ nen Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert des Überwa­ chungsparameters über die elektrische Steuerung die übrigen Funktionen an dem Zylinder, insbesondere die Kraftstoffzufuhr und/oder die Zündung und/oder das andere Gaswechselventil ab­ geschaltet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abschaltung der Funktionen eines Zylinders über die elektri­ sche Steuerung die Leistung der noch arbeitenden Zylinder er­ höht wird.