DE19736963A1 - Verfahren zum Feststellen der Mittellage eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen der Mittellage eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, nämlich einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen sich ein Anker koaxial zu einer Gaswechselventilach­ se des Gaswechselventils bewegen kann. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerbolzen auf einen Ventilschaft des Gaswech­ selventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwin­ gers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meistens zwei vorgespannte Druckfe­ dern, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die obere Ventilfeder belastet das Gaswechselventil in Öffnungs­ richtung und die untere Ventilfeder in Schließrichtung. Bei stromlosen Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten, die in der Regel aus energetischen Gründen der Mittellage zwischen den Polflächen der Magnete entsprechen sollte.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt, um den Anker aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder es läuft eine Anschwingungsroutine ab, bei der die Magnete wechselweise angesteuert werden, um das Gaswechselventil und den Anker in Schwingungen zu versetzen, bis der Anker von einem Magneten eingefangen werden kann. In geschlossener Stellung des Gaswech­ selventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließma­ gnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder weiter vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker wird von der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder verzögert und schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an, wo er von dieser festge­ halten wird. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet einge­ schaltet. Der Schließvorgang läuft in entsprechender Weise wie der Öffnungsvorgang ab.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, z. B. Fertigungstoleranzen einzelner Bautei­ le, Wärmedehnung unterschiedlicher Materialien, differierende Federsteifigkeiten der oberen und der unteren Ventilfeder sowie Setzerscheinungen durch Alterung der Federn usw., können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichge­ wichtslage nicht mit der energetischen Mittellage zwischen den Polflächen übereinstimmt, bei der der Anker mit annähernd gleicher Geschwindigkeit auf die Polfläche des Öffnungsmagneten oder Schließmagneten auftrifft, bzw. nicht einen bestimmten Abstand zur Mittellage aufweist.

Die von dem Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten benötigte Energie, auch Fangenergie genannt, um den Anker von einem bestimmten Anstand aus anzuziehen, nimmt mit dem Abstand exponentiell zu. Dies führt dazu, daß bei einem Anker, der beispielsweise in Richtung des Öffnungsmagneten verschoben ist, der Energiebedarf des Schließmagneten aufgrund des exponentiel­ len Zusammenhangs mit dem Abstand wesentlich stärker zunimmt als sich der des Öffnungsmagneten verringert. Der Gesaintener­ giebedarf steigt an. Die durch die Ventilfedern bestimmte, energetisch optimale Gleichgewichtslage des Ankers befindet sich daher annähernd in der Mittellage zwischen den Polflächen.

Ferner werden durch den exponentiellen Zusammenhang schnell Abstände erreicht, bei denen der Energiebedarf unzulässig hoch ist, so daß der Öffnungsmagnet bzw. der Schließmagnet den Anker nicht mehr anziehen kann. Der Aktuator verliert seine Funkti­ onsfähigkeit.

Aus der DE 39 20 976 A1 ist ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventil für Verdrängungsmaschinen bekannt. Zwischen einem Öffnungsmagneten und einem Schließmagneten ist ein Anker von mindestens zwei Federn nach dem Prinzip eines Federmasseschwin­ gers gehalten. Der Anker, der auf den Schaft des Steuerventils wirkt, wird beim Schließen des Steuerventils vom Schließmagne­ ten angezogen, indem eine Öffnungsfeder vorgespannt wird. Öffnet das Steuerventil, wird der Schließmagnet stromlos geschaltet und die Öffnungsfeder bringt das Steuerventil unter Mitwirkung des erregten Öffnungsmagneten in die Öffnungslage.

Über eine Stellschraube wird die Gleichgewichtslage des schwin­ gungsfähigen Systems, bestehend aus den Federn, dem Anker, dem Schaft des zu betätigenden Steuerventils und einem Federteller so eingestellt, daß der Anker im stromlosen Zustand in der Mitte zwischen dem Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten ruht. Die Mittellage kann nur im Stillstand eingestellt werden. Veränderungen, die sich während des Betriebs aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen und Wärmedehnungen sowie Ver­ schleiß ergeben können, werden nicht berücksichtigt. Ferner ist es schwierig, bei der Einstellung die exakte Mittellage festzu­ stellen.

Aus der DE 196 31 909 A1 ist ein Verfahren zum Justieren der Ruhelage des Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator bekannt, wie er beispielsweise an Kolbenbrennkraftmaschinen eingesetzt wird, um Gaswechselventile zu betätigen. Die Ruhela­ ge entspricht einer Gleichgewichtslage, die sich bei stromlosen Magneten aus der Vorspannung der Ventilfedern ergibt. Bei dem Verfahren wird die Induktivität der beiden Elektromagneten jeweils gemessen und aus dem Vergleich der beiden gemessenen Induktivitätswerte die Stellung des Ankers in der Gleichge­ wichtslage in bezug auf die Polflächen der Elektromagnete abgeleitet. Bei der Messung befindet sich der Anker in der Gleichgewichtslage. Mithin ist das Verfahren nicht geeignet, die Mittellage bzw. die Gleichgewichtslage des Ankers während des Betriebs festzustellen und gegebenenfalls zu korrigieren.

Es ist ferner Gegenstand einer älteren Patentanmeldung, die Mittellage des Ankers aus einem Vergleich der Flächenintegrale des Stromverlaufs während der Schließphase und Öffnungsphase zu ermitteln. Da sich die Flächenintegrale aber nur sehr gering mit der Verschiebung der Mittellage ändern, ist dieses Verfah­ ren nur mit großem Aufwand durchzuführen und relativ ungenau.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, um die Mittellage des Ankers auch während des Be­ triebs einfach und genau feststellen zu können. Sie wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Stromaufnahme und/oder die Spannung der Magnete während der Erregung gemessen und aus einem Vergleich der Lage des Wendepunkts der Stromver­ laufskurve bzw. der Spannungskurve für den Öffnungshub mit der Lage des Wendepunkts der Stromverlaufskurve bzw. der Spannungs­ kurve für den Schließhub in einer elektronischen Auswerteein­ richtung ein Kennwert für die Mittellage des Ankers gebildet.

Da die Stromaufnahme über die Zeit einen gleichen charakteri­ stischen Verlauf zeigt wie die Spannung, kann für die Auswer­ tung sowohl die Stromaufnahme als auch die Spannung herangezo­ gen werden. In der Regel genügt es, wenn nur eine Größe gemes­ sen und ausgewertet wird, zur Sicherheit kann es aber auch zweckmäßig sein, beide Größen zu messen und kombiniert aus zu­ werten.

Es hat sich gezeigt, daß die Lage des Wendepunkts der Verlaufs­ kurven charakteristisch für die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf die polflächen ist und sich seine Lage schon bei kleinen Verschiebungen der Mittellage des Ankers sehr stark ändert. Dadurch ergeben sich eindeutige Korrelationsgrößen, die mit einfachen Mitteln sicher erfaßt und ausgewertet werden können. Ferner kann durch die Lage des Wendepunkts die Lage des Ankers zur Mittellage sehr präzise und leicht auch während des Betriebs erfaßt werden. Ist die Stromaufnahme bzw. die Spannung im Wendepunkt für den Öffnungsmagneten gleich wie für den Schließmagneten, kann davon ausgegangen werden, daß der Anker sich in einer energetischen Mittellage befindet.

Die Stromverlaufskurven bzw. Spannungskurven werden in der Regel während des Betriebs aufgenommen und ausgewertet. Werden Abweichungen von der energetischen Mittellage festgestellt, ist es zweckmäßig, die Vorspannung der Ventilfedern solange zu variieren, bis die Stromaufnahme, bzw. die Spannung in den Wendepunkten der Verlaufskurven annähernd gleich ist. Hierzu eignen sich elektronisch ansteuerbare Einstellmittel, z. B. elektrisch beheizte Dehnelemente oder elektromotorisch oder hydraulisch angetriebene Stelleinrichtungen, die von der Auswerteeinrichtung, z. B. eine Motorelektronik, angesteuert werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen zu entnehmen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger­ weise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen,

Fig. 2 ein Gaswechselventil mit einem Aktuator in einer geöff­ neten Stellung,

Fig. 3 eine Stromverlaufskurve über der Zeit während einer Öffnungsphase nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Gaswechselventil mit einem Aktuator in einer ge­ schlossenen Stellung und

Fig. 5 eine Stromverlaufskurve über der Zeit während einer Schließphase nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils 1, der in einem Zylinderkopf 2 einge­ setzt ist und einen Öffnungsmagneten 3 und einen Schließmagne­ ten 4 besitzt die fest miteinander verbunden sind. Auf der dem Gaswechselventil 1 abgewandten Seite ist zwischen einem den Zylinderkopf 2 nach außen abschließenden Deckel 23 und dem Aktuator selbst eine Spielausgleichseinrichtung 14 angeordnet.

Ein Anker 5 ist zwischen den Magneten 3, 4 koaxial verschiebbar zu einem Ventilschaft 6 angeordnet. Er ist im Öffnungsmagneten 3 geführt und wirkt über einen Ankerbolzen 24 auf den in einer Ventilführung 13 geführten Ventilschaft 6 des Gaswechselventils 1. Der Ventilschaft 6 kann mit dem Ankerbolzen 24 einstückig ausgebildet sein. Auf den Anker 5 wirkt eine obere und eine untere vorgespannte Ventilfeder 7, 8, die beide auf der dem Gaswechselventil 1 zugewandten Seite des Öffnungsmagneten 3 angeordnet sind. Die untere Ventilfeder 7 stützt sich in Richtung des Gaswechselventils 1 in dem Bauteil 2 und in Richtung des Aktuators an einem Federteller 25 ab, der fest mit dem Ventilschaft 6 verbunden ist. Die obere Ventilfeder 8 stützt sich ab einerseits an einem weiteren Federteller 10, der an einem Ankerbolzen 24 befestigt ist, und andererseits über Einstellmittel 17 am Öffnungsmagneten 3.

Bei nicht erregten Magneten 3, 4 wird der Anker 5 in einer durch die Ventilfedern 7, 8 bestimmten Gleichgewichtslage zwischen den Magneten 3, 4 gehalten. Wird beim Start der Aktuator aktiviert, wird der Schließmagnet 4 kurzzeitig überer­ regt oder der Anker 5 durch eine Anschwingungsroutine ins Schwingen versetzt, um ihn aus der Gleichgewichtslage anziehen zu können.

Wenn das Gaswechselventil 1 geschlossen ist, liegt sein Ventil­ teller 9 an einem Ventilsitzring 11 an und verschließt eine Verbindung zwischen einem Brennraum und einem Gaswechselkanal 12. Gleichzeitig ist der Anker 5 von dem bestromten Schließma­ gneten 4 angezogen und gehalten. Der Schließmagnet 4 spannt die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 8 weiter vor. Um das Gaswechselventil I zu öffnen, wird der Schließmagnet 4 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 8 beschleunigt den Anker 5 über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten 3 angezogen wird. Der Anker 5 schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten 3 an und wird von diesem gehalten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfaßt eine Auswerteein­ richtung 16, z. B. eine Motorelektronik, den Stromverlauf und/oder die Spannung des Öffnungsmagneten 3 während der Öffnungsphase des Gaswechselventils 1 bzw. den Stromverlauf und/oder die Spannung des Schließmagneten 4 während der Schließphase des Gaswechselventils 1. Der Verlauf des Stroms I über der Zeit t ist in Fig. 3 für den Öffnungsmagneten 3 mit 19 bezeichnet, während der Stromverlauf für den Schließmagneten 4 in Fig. 5 mit 20 bezeichnet ist. Die Spannungen zeigen einen gleichen Verlauf und können alternativ oder in Kombination ausgewertet werden.

Die Stromverlaufskurve 19 für den Öffnungsmagneten 3 hat einen Wendepunkt 21 und die Stromverlaufskurve 20 für den Schließma­ gneten 4 einen Wendepunkt 22. Fig. 2 zeigt die Position des geöffneten Gaswechselventils 1 entsprechend der Stromverlaufs­ kurve 19 in Fig. 4. Fig. 3 zeigt die Position des geschlossenen Gaswechselventils 1 entsprechend der Stromverlaufskurve 20 in Fig. 5.

Befindet sich der Anker 5 in einer energetischen Mittellage zwischen den Polflächen des Öffnungsmagneten 3 und des Schließ­ magneten 4, ist die Stromaufnahme I bzw. die Spannung U in den Wendepunkten 21, 22 gleich groß. Weicht dagegen die Gleichge­ wichtslage des Ankers 5 von der Mittellage ab, kann sich z. B. eine gestrichelt eingezeichnete Stromverlaufskurve ergeben. Die Wendepunkte der gestrichelten Kurven weisen eine stark unter­ schiedliche Stromaufnahme bzw. Spannung auf. Durch Einstellmit­ tel 17, z. B. in Form von elektrisch beheizbaren Dehnstoffele­ menten, kann die Gleichgewichtslage korrigiert werden, so daß die Wendepunkte 21 bzw. 22 der Stromverlaufskurven 19 bzw. 20 wieder eine gleich große Stromaufnahme bzw. Spannung haben. Als elektrische Heizung dient ein elektrischer Widerstand in Form einer Heizwendel 18.

Soll die Gleichgewichtslage des Ankers 5 von der Mittelposition um einen bestimmten Wert abweichen, können die Einstellmittel 17 so angesteuert werden, daß eine vorgegebene Differenz der Stromaufnahme bzw. Spannung in den Wendepunkten 21, 22 erreicht wird. Die Magnete 3, 4 sowie die Einstellmittel 17 sind über Steuerleitungen 15 mit der Auswerteeinrichtung 16 verbunden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Feststellen der Mittellage eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechsel­ ventils, der sowohl einen Öffnungsmagneten als auch einen Schließmagneten besitzt, zwischen denen der Anker koaxial verschiebbar angeordnet ist und durch eine obere und eine untere vorgespannte Ventilfeder bei stromlosem Zustand der Magnete in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Stromaufnahme und/oder der Spannung der Magnete (3, 4) während der Erregung gemessen und die Lage von Wendepunkten (21, 22) für die Verlaufskurve des Öffnungsmagneten (3) und des Schließ­ magneten (4) mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung (16) ermittelt und verglichen wird, wobei aus dem Ergebnis ein Kennwert für die Mittellage gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Ventilfedern (7, 8) solange variiert werden, bis die Stromaufnahme bzw. die Spannung in den Wendepunkten (21, 22) der Verlaufskurven (21, 22) annähernd gleich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch elektrisch angesteuerte Einstellmittel die Vorspannungen der Ventilfedern (7, 8) veränderbar sind.