DE19851679C1 - Verfahren zum Start eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Start eines elektromagnetischen Aktuators, der einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten aufweist, zwischen denen ein Anker axial verschiebbar angeordnet ist, dessen Ankerstößel gemeinsam mit einer Öffnungsfeder auf einen Ventilschaft eines Gaswechselventils entgegen der Kraft einer Schließfeder wirkt, wobei ein hydraulisches Spielausgleichselement zwischen dem Ankerstößel und dem Ventilschaft angeordnet ist. DOLLAR A Um den Neustart der Brennkraftmaschine nach einer Betriebspause zu erleichtern, wird vorgeschlagen, daß mindestens der Schließmagnet während der Startphase periodisch erregt wird und die Stromstärke gegenüber der normalen Betriebsstromstärke so eingestellt ist, daß ein Ventilteller des Gaswechselventils am Ventilsitz zur Anlage gelangt, ohne daß der Anker den Schließmagneten erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Start eines elek­ tromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs­ magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt direkt oder indirekt über einen Ankerstö­ ßel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuato­ ren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespann­ ter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druckfedern, von denen eine obere Ven­ tilfeder, die Öffnungsfeder, in Öffnungsrichtung und eine untere Ventilfeder, die Schließfeder, in Schließrichtung das Gaswechselventil belasten. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwi­ schen den Magneten gehalten. Die Gleichgewichtslage stimmt zweckmäßigerweise mit einer Lage überein, bei der beide Magnete eine gleiche Kraft auf den Anker ausüben. Diese Lage wird im folgenden energetische Mittenlage genannt.

Von Beginn an nicht berücksichtigte oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Wärmedehnungen unterschiedlicher Materiali­ en, differierende Federsteifigkeiten der oberen und der unteren Ventilfeder, sowie Setzerscheinungen durch Alterung der Ventil­ federn usw., können dazu führen, daß die durch die Ventilfedern bestimmte Gleichgewichtslage nicht mit der energetischen Mittenlage übereinstimmt bzw. nicht eine bestimmte Position relativ zur Mittenlage aufweist. Ferner können derartige Größen und Verschleiß an den Ventilsitzen dazu führen, daß der Anker an der Polfläche des Schließmagneten anliegt, bevor das Gas­ wechselventil vollständig schließt. Heiße Brenngase, die über nicht dicht schließende Ventile abströmen, zerstören die Ventilsitze. Andererseits ist es durch unterschiedliche Wärme­ dehnungen möglich, daß der Anker bei geschlossenem Gaswechsel­ ventil nicht mehr vollständig an der Polfläche des Schließmag­ neten zum Anliegen kommt, so daß der Energiebedarf des Schließ­ magneten stark zunimmt. Ferner ist mit diesem Vorgang in der Regel ein reduzierter Öffnungshub des Gaswechselventils verbun­ den, so daß die Drosselverluste beim Ladungswechsel zunehmen und sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlech­ tert.

Aus der DE 196 24 296 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, bei dem zwischen einem Ankerstößel und einem Ventil­ schaft ein hydraulisches Spielausgleichselement angeordnet ist. Dieses wird von den Ventilfedern belastet, so daß das Öl beim Stillstand der Brennkraftmaschine über Leckagen entweichen kann und sich die Gleichgewichtslage des Ankers relativ zur energe­ tischen Mittenlage zum Öffnungsmagneten hin verlagert. Dadurch ergeben sich beim Neustart der Brennkraftmaschine Schwierigkei­ ten, da das Spielausgleichselement erst wieder funktionsfähig wird, wenn es bei geschlossenem Gaswechselventil entlastet wird und der Druck in der Ölzuführung den Druck im Spielausgleichse­ lement übersteigt.

Wird beim Start der Schließmagnet so stark übererregt, daß der Anker aus der Gleichgewichtslage in einem einzigen Hub vom Schließmagneten angezogen wird, sind große Stromstärken erfor­ derlich, da der Anker relativ zur energetischen Mittenlage zum Öffnungsmagneten hin verschoben ist. Steht ein ausreichend großer Schließmagnet zur Verfügung, besteht außerdem die Gefahr, daß der Anker so stark beschleunigt wird, daß zwischen dem Spielausgleichselement und dem Ventilstößel ein Spalt entsteht und der Anker so heftig gegen die Polfläche des Schließmagneten schlägt, daß er wieder abprallt und vom Schließmagneten nicht gehalten werden kann. Dieser Vorgang ist mit erheblichen Geräuschen verbunden.

Ferner ist aus der DE 33 07 070 C2 ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, dessen Federmassesystem durch periodisch wechselnde Krafteinwirkung der Magnete mit einer Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz des Federmassesystems zu Schwingun­ gen mit zunehmender Amplitude angeregt wird, und zwar solange bis die Auslenkung aus der Gleichgewichtslage derart groß ist, daß mindestens einer der Magnete in der Lage ist, das Feder­ massesystem in einer der Schaltpositionen zu halten. Damit ist der betriebsbereite Zustand des Aktuators erreicht.

Bei Erreichen der maximalen Amplitude, die durch den maximalen Arbeitshub festgelegt ist, bewirkt der Anker eine Änderung der Stromstärke in den Spulen der Magnete. Diese Änderung dient als Steuersignal für eine elektronische Steuereinrichtung, um die periodische Erregung der Magnete zu beenden. Bei dem bekannten Aktuator können über die Magnete periodisch wechselnde Kräfte in einer oder beiden Bewegungsrichtungen des Federmassesystems ausgeübt werden, wobei die Stromstärken der Magnete, die periodisch auf den Anker in der Gleichgewichtslage des Feder­ massesystems wirken, im wesentlichen während des Starts gleich der Betriebsstromstärke sind und das System mit seiner Eigen­ frequenz anregen. Dadurch können relativ kleine Magnete und Stromstärken verwendet werden. Allerdings verlängert sich durch die Anschwingroutine der Startvorgang.

Im Betrieb liegt bei geschlossenem Gaswechselventil der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt dabei die Öffnungsfe­ der vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließma­ gnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die Öffnungsfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtsla­ ge hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die Schließfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagne­ ten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, schlägt auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem erneut festgehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Start von elek­ tromagnetischen Aktuatoren zu verbessern. Ferner soll ein sicherer Start der Brennkraftmaschine gewährleistet sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Nach der Erfindung wird mindestens der Schließmagnet während der Startphase periodisch erregt, insbesondere mit der Eigen­ frequenz des Federmassesystems des Aktuators. Dabei ist die Stromstärke gegenüber der normalen Betriebsstromstärke der Magnete so eingestellt, daß der Ventilteller des Gaswechselven­ tils am Ventilsitz zur Anlage gelangt, ohne daß der Anker den Schließmagneten erreicht.

Dadurch wird vermieden, daß der Anker auf den Schließmagneten schlägt und von diesem abprallt. Gleichzeitig wird aber in kurzer Zeit das Gaswechselventil mit seinem Ventilteller an den Ventilsitz gelangen, so daß das hydraulische Spielausgleichse­ lement entlastet wird und seine übliche Funktion übernimmt. Erfindungsgemäß wird der periodischen Erregung der Magnete eine Übererregung durch eine erhöhte Stromstärke überlagert. Somit kann insgesamt die Stromstärke relativ niedrig gehalten und die Überhöhung auf eine kurze Zeitspanne begrenzt werden, so daß die Wärmeentwicklung sehr gering ist. Ferner wird die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft des Gaswechselventils abgekürzt.

Vorteilhaft wird die Stromstärke so modifiziert, daß der Ventilteller bereits bei der ersten Erregung des Schließmagne­ ten am Ventilsitz zur Anlage gelangt, ohne daß der Anker den Schließmagneten erreicht.

Beginnt der Startvorgang gemäß einer Ausgestaltung der Erfin­ dung mit der Erregung des Öffnungsmagneten, kann bei der folgenden Erregung des Schließmagneten bereits mit einer relativ geringen Stromstärke erreicht werden, daß das Gaswech­ selventil am Ventilsitz zur Anlage gelangt, ohne daß der Anker an den Schließmagneten anschlägt. Das Spielausgleichselement füllt sich darauf mit zunehmender Amplitude des Ankers mit Öl. Die Erregerkraft und die entsprechende Stromstärke der Magnete können bei jedem Takt reduziert werden bis die Betriebsstrom­ stärke erreicht ist und auf Normalbetrieb geschaltet wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang darge­ stellt und beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch gehaltene Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Aktuators in einer Mittenlage im Betrieb,

Fig. 2 einen Aktuator nach Fig. 1 während einer Betriebsunter­ brechung der Brennkraftmaschine,

Fig. 3 einen Aktuator nach Fig. 1 beim Neustart und

Fig. 4 ein Detail entsprechend dem Ausschnitt IV-IV in Fig. 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator 1 betätigt ein Gaswechselven­ til 6 eines nicht näher dargestellten Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine. Der Aktuator 1 hat oben einen Schließmag­ neten 2 und unten einen Öffnungsmagneten 3 sowie einen zwischen den Magneten 2 und 3 axial beweglich angeordneten Anker 4, der über einen Ankerstößel 5 und ein hydraulisches Spielausgleichselement 16 auf einen Ventilschaft 8 des Gaswech­ selventils 6 wirkt. Am freien Ende des Ventilschafts 8 befindet sich ein Ventilteller 7, der mit einem im Zylinderkopf einge­ lassenen Ventilsitzring 9 zusammenwirkt. Eine Ventilführung 10 führt den Ventilschaft 8 im Zylinderkopf.

Ein Federsystem, bestehend aus einer Schließfeder 14 und einer Öffnungsfeder 15, halten den Anker 4 bei unbestromten Magneten 2 und 3 in einer Gleichgewichtslage, die zweckmäßigerweise einer energetischen Mittenlage 26 der beiden Magnete entspricht. Die Schließfeder 14 stützt sich einerseits über eine Federauflage 11 am Zylinderkopf und andererseits über einen Federteller 12 am Ventilschaft 8 ab, während sich die Öffnungsfeder 15 mit ihrem einen Ende am Aktuator 1 und mit ihrem anderen Ende über einen Federteller 13 am Ankerstößel 5 abstützt.

Die Fig. 1 zeigt den Anker 4 bei einer Betriebsphase in der energetischen Mittenlage 26. Das Spielausgleichselement 16 ist aktiv und sorgt dafür, daß das Gaswechselventil 6 spielfrei schließt und der Anker 4 im geschlossenen Zustand des Gaswech­ selventils 6 am Schließmagneten 2 anliegt, wobei die Schließfe­ der 14 eine Restschließkraft auf das Gaswechselventil 6 ausübt.

Das Spielausgleichselement 16 (Fig. 4) besitzt einen Zylinder 18, der am Ventilschaft 8 anliegt und in dem ein Kolben 19 axial beweglich angeordnet ist, der mit dem Zylinder 18 einen Druckraum 28 bildet. In diesem befindet sich eine Feder 33, die den Kolben 19 mit seiner anderen Stirnseite gegen einen Zwi­ schenboden 24 einer im Zylinderkopf geführten Führungshülse 17 drückt. Im Kolben 19 befindet sich eine Vorratskammer 31, die über eine Ringnut 29 und mindestens eine Querbohrung 30 in der Führungshülse 17 sowie einen Kanal 34 im Kolben 19 mit einer Ölversorgung verbunden ist. Zwischen der Vorratskammer 31 und dem Druckraum 28 ist eine Verbindungsbohrung 20 vorgesehen. Ein Rückschlagventil 21, das durch eine Feder 32 belastet ist und zum Druckraum 28 öffnet, steuert die Verbindungsbohrung 20. Herrscht im Druckraum 28 ein geringerer Druck als in der Vorratskammer 31, weil z. B. der Ventilteller 7 bereits am Ventilsitzring 9 anliegt bevor der Anker 4 den Schließmagneten 2 erreicht, öffnet das Rückschlagventil 21 und Öl strömt von der Vorratskammer 31 in die Druckkammer 28, wobei sich der Kolben 19 um einen Verstellweg 27 verstellt, bis der Anker 4 bei geschlossenem Gaswechselventil 6 spielfrei am Schließmagneten anliegt.

Da auch bei einem Stillstand der Brennkraftmaschine die Schließfeder 14 und die Öffnungsfeder 15 das Spielausgleichse­ lement 16 belasten, kann Öl über die vorgesehenen Drosselspalte aus dem Druckraum 28 entweichen und das Spielausgleichselement 16 wird bis zu einer Ausgangslage zusammengeschoben. Entspre­ chend verlagert sich die Gleichgewichtslage des Ankers 4 relativ zur Mittenlage 26 (Fig. 2) zum Öffnungsmagneten 3 hin. Dies kann dazu führen, daß bei einem Neustart der Brennkraftma­ schine eine ordnungsgemäße Funktion des Gaswechselventils 6 erschwert bzw. gänzlich in Frage gestellt wird.

Gemäß der Erfindung wird der Schließmagnet 2 während der Startphase mit einer größeren Stromstärke erregt als während der normalen Betriebsphase. Dadurch ist es möglich, daß das Gaswechselventil 6 bereits nach einer oder nur wenigen Schwin­ gungen mit seinem Ventilsitz 7 am Ventilsitzring 9 anliegt, ohne daß bereits der Anker 4 auf den Schließmagneten 2 trifft. In diesem Zustand wird das Spielausgleichselement 16 entlastet und der Druckraum 28 kann sich mit Öl füllen. Dieser Vorgang setzt sich mit zunehmender Amplitude des Ankers 4 fort, bis der Anker 4 bei geschlossenem Gaswechselventil 6 am Schließmagneten 2 spielfrei anliegt.

Da der Anker 4 zum Öffnungsmagneten einen geringeren Abstand als zum Schließmagneten hat, kann der Anker 4 beim Start vom Öffnungsmagneten 3 mit einer geringeren Stromstärke angezo­ gen und die Schließfeder 14 entsprechend vorgespannt werden. Es ist daher zweckmäßig, den Öffnungsmagneten 3 vor dem Schließma­ gneten 2 zu starten. Beim Umschalten vom Öffnungsmagneten 3 auf den Schließmagneten 2 wird der Anker 4 von der Schließfeder 14 über die Mittenlage 26 beschleunigt, so daß nunmehr der Schließmagnet 2 mit einer relativ geringen Stromstärke das Gaswechselventil 6 in die gewünschte Schließposition bringen kann, ohne daß der Anker 4 am Schließmagneten bereits zur Anlage gelangt. Da das Federmassesystem des Aktuators 1 mit seiner Eigenfrequenz angeregt wird, vergrößert sich seine Amplitude, selbst wenn die Stromstärke auf die Größe der späteren Betriebsstromstärke reduziert wird, bis der Anker 4 spielfrei bei geschlossenem Gaswechselventil 6 zur Anlage an den Schließmagneten 2 gelangt.

Eine Steuereinrichtung 25 erfaßt über Signalleitungen 22 und 23 Meßgrößen, die für die Lage des Ankers 4 relevant sind und steuert entsprechend den Meßdaten über die Signalleitung 22, 23 den Strom in den Magneten 2, 3. Zur Verarbeitung der Meßgrößen und Stellgrößen enthält die Steuereinrichtung zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor. Als Meß- und Steuergröße für die Lage des Ankers 4 eignen sich z. B. die Induktivitätswerte der beiden Magnete 2, 3.

Claims (4)

1. Verfahren zum Start eines elektromagnetischen Aktuators (1), der einen Öffnungsmagneten (3) und einen Schließmagneten (2) aufweist, zwischen denen ein Anker (4) axial verschiebbar angeordnet ist, dessen Ankerstößel (5) gemeinsam mit einer Öffnungsfeder (15) auf einen Ventilschaft (8) eines Gaswechsel­ ventils (6) entgegen der Kraft einer Schließfeder (14) wirkt, wobei ein hydraulisches Spielausgleichselement (16) zwischen dem Ankerstößel (5) und dem Ventilschaft (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Schließmagnet (2) während der Startphase periodisch erregt wird und die Strom­ stärke gegenüber der normalen Betriebsstromstärke so einge­ stellt ist, daß der Ventilteller (7) des Gaswechselventils (6) am Ventilsitz (9) zur Anlage gelangt, ohne daß der Anker (4) den Schließmagneten (2) erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke so modifiziert wird, daß der Ventilteller (7) des Gaswechselventils (6) bei der ersten Erregung des Schließmagne­ ten (2) am Ventilsitz (9) zur Anlage gelangt, ohne daß der Anker (4) den Schließmagneten (2) erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsmagnet (3) vor dem Schließmagneten (2) erregt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke bei jedem Takt reduziert wird, bis die Betriebsstromstärke erreicht ist.