DE19852169C1 - Verfahren zum Betrieb eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen. DOLLAR A Im Betrieb des Aktors werden Betriebszyklen mit jeweils zwei Betriebsphasen sukzessiv durchlaufen, wobei in jeder Betriebsphase eines Betriebszyklus entweder ein Öffnermagnet oder ein Schließermagnet des Aktors mittels eines Betriebsstroms beaufschlagt wird, so daß eine Ankerplatte und ein mit der Ankerplatte verbundener Stößel oszillierend bewegt werden. DOLLAR A Der von den aktuellen Betriebsbedingungen abhängige momentane Leistungsbedarf des Aktors wird in mindestens einem Betriebszyklus ermittelt und als Vorgabewert für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors in mindestens einem nachfolgenden Betriebszyklus herangezogen. DOLLAR A Verfahren zur Einstellung der Leistung bei Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Aktors zur elektromagneti­ schen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bestehen im wesentlichen aus einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die als Elektromagnete jeweils eine Erregerspule und ein Joch aufweisen, und einer sich zwischen dem Öffnerma­ gneten und dem Schließermagneten befindlichen ferromagnetischen Ankerplatte. Im Betrieb des Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung werden aufeinanderfol­ gende Betriebszyklen mit jeweils zwei Betriebsphasen durchlaufen, wobei in jeder Betriebsphase eine der beiden Erregerspulen mit einem Betriebsstrom beaufschlagt wird (aktiver Zustand des jeweiligen Elektromagneten) und die andere der beiden Erregerspulen nicht bestromt wird (inaktiver Zustand des jeweiligen Elektromagne­ ten); d. h. die Ankerplatte wird durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagne­ ten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die Richtung des jeweiligen Elektromagneten hin bewegt, so daß sie eine oszillierende Bewegung ausführt. Der Öffnermagnet weist eine Durchführung für einen mit der Ankerplatte fest verbunde­ nen Stößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte der beiden Elektro­ magnete auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Aus der DE 197 14 518 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung des Stroms für einen Aktor zur elek­ tromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem der als "Fänger­ magnet" für den Anker fungierende Elektromagnet mit einem gegenüber dem Fangstrom gerin­ geren Haltestrom bereits vor dem Auftreffen der Ankerplatte beaufschlagt wird.

Probleme bereitet die Abhängigkeit der elektromagnetischen Ventilsteuerung von den aktuellen Bedingungen, insbesondere besteht im Betrieb des Aktors eine signi­ fikante Temperaturabhängigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, kostengünstiges und mit geringem Aufwand implementierbares Verfahren zum Betrieb eines Aktors zur elek­ tromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen anzugeben, bei dem die aktuellen Betriebsbedingungen des Aktors berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den weiteren Patent­ ansprüchen.

Beim vorgestellten Verfahren wird in mindestens einem Betriebszyklus der von den aktuellen Betriebsbedingungen abhängige momentane Leistungsbedarf des Aktors ermittelt und dieser momentane Leistungsbedarf des Aktors als Vorgabewert für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors in mindestens einem nachfolgenden Betriebszyklus vorgegeben.

Die Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors erfolgt entweder über eine Spannungsmessung der an einem der Elektromagneten (an der Spulenwicklung der Erregerspule des Öffnermagneten oder Schließermagneten) anlie­ genden Spannung bei vorgegebener konstanter Stromstärke eines durch diesen Elektromagneten (durch die Spulenwicklung der Erregerspule des Öffnermagneten oder Schließermagneten) fließenden Stroms oder über eine Strommes­ sung des durch einen der Elektromagnete (durch die Spulenwicklung der Erreger­ spule des Öffnermagneten oder Schließermagneten) fließenden Stroms bei vorgegebener anliegender konstanter Spannung an diesem Elektromagneten (an der Spulenwicklung der Erregerspule des Öffnermagneten oder Schließermagneten). Die Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors und damit die Bestimmung des Vorgabewerts für die einzustellende Leistung des Aktors kann entweder in der inaktiven Betriebsphase des jeweiligen Elektromagneten (Öff­ nermagnet oder Schließermagnet) erfolgen (während der stromlosen Phase von Öff­ nermagnet oder Schließermagnet) oder aber in der aktiven Betriebsphase des jewei­ ligen Elektromagneten (d. h. bei der Bestromung von Öffnermagnet oder Schließer­ magnet mit dem Betriebsstrom). Bsp. kann während der inaktiven Betriebsphase ein separater Prüfstrom mit (im Vergleich zum Betriebsstrom) geringer Stromstärke durch den jeweiligen Elektromagneten ge­ schickt und die am Elektromagneten anliegen­ de zugehörige Spannung gemessen werden. Für die Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors, d. h. für die Vorgabe des Konstantstroms bzw. die Strommessung und für die Vorgabe der Konstantspannung bzw. die Spannungsmes­ sung können die für die Zuführung des Betriebsstroms zu den (Erregerspulen der) beiden Elektromagneten bereits vorhandenen Anschlußleitungen verwendet werden.

Die Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors und damit die Aktuali­ sierung des Vorgabewerts für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors wird vorzugsweise in jedem Betriebszyklus durchgeführt; alternativ dazu kann dies nur während bestimmter signifikanter Vorgänge oder Ereignisse (bsp. beim Startvor­ gang) oder in periodischen Zeitintervallen (bsp. nach jeder Minute) oder nach einer bestimmten Anzahl von Betriebszyklen (bsp. nach jedem 1000-ten Betriebszyklus) erfolgen.

Die Vorgabewerte für die einzustellende Leistung des Aktors können - bsp. in Ab­ hängigkeit der Häufigkeit der Ermittlung des Leistungsbedarfs des Aktors - entweder nur für den nächsten Betriebszyklus oder aber für eine bestimmte Anzahl nachfol­ gender Betriebszyklen verwendet werden; in der Regel wird der Vorgabewert für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors solange beibehalten, bis der momen­ tane Leistungsbedarf des Aktors erneut ermittelt wird und damit ein neuer aktuali­ sierter Vorgabewert für die einzustellende Leistung des Aktors zur Verfügung steht.

Da die aktuellen Betriebsbedingungen der beiden Elektromagnete (Öffnermagnet und Schließermagnet) stark voneinander differieren können, ist es sinnvoll, für beide Be­ triebsphasen eines Betriebszyklus den momentanen Leistungsbedarf des Aktors separat zu ermitteln (d. h. auf der Grundlage des in dieser Betriebsphase bestromten Öffnermagnet oder Schließermagnet); hierdurch werden unter­ schiedliche Vorgabewerte für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors für die beiden Betriebsphasen eines Betriebszyklus generiert, die in der jeweiligen Be­ triebsphase eines oder mehrerer nachfolgender Betriebszyklen verwendet werden können.

Die Vorgabewerte für die einzustellende Leistung des Aktors (d. h. die Vorgabewerte für die Bestromung der Elektromagneten mit dem Betriebsstrom und für die an den Elektromagneten anzulegende Spannung) werden in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs des Aktors empirisch ermittelt und abgespeichert (bsp. in einem Kennfeld abgelegt).

Vorteilhafterweise können mit dem vorgestellten Verfahren die Vorgabewerte für die einzustellende Leistung des Aktors bei jedem Elektromagneten bzw. bei jeder Erre­ gerspule der beiden Elektromagnete (insbesondere in jeder Betriebsphase der Be­ triebszyklen) individuell vorgegeben werden, wodurch der Lei­ stungsbedarf des Aktors optimiert und der Energieverbrauch reduziert werden kann, ohne daß hierzu zusätzliche Bauteile oder Anschlußleitungen benötigt werden. Da der momentane Leistungsbedarf des Aktors insbesondere stark von der Temperatur abhängt, kann bei Kenntnis des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors auch zu jedem Zeitpunkt des Betriebs des Aktors die Temperatur der beiden Elektromagnete (Öffnermagnet oder Schließermagnet) bzw. die Temperaturabhängigkeit von deren Erregerspulen auf einfache Weise bestimmt werden.

Im Folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren für einen Aktor zur elektromagne­ tischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen anhand eines Ausführungsbei­ spiels im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.

Hierbei zeigt die Figur die schematische Schnittdarstellung eines Aktors zur elek­ tromagnetischen Ventilsteuerung.

Gemäß der Figur weist der Aktor Azur elektromagnetischen Ventilsteuerung einen Öffnermagnet ÖM und einen Schließermagnet SM auf, die als Elektromagnete je­ weils aus einer Erregerspule SPÖ, SPS und einem Joch JÖ, JS bestehen. Öffnerma­ gnet ÖM und Schließermagnet SM werden abwechselnd bestromt, d. h. in den bei­ den Betriebsphasen eines Betriebszyklus wird jeweils entweder der Öffnermagnet ÖM oder der Schließermagnet SM mit einem Betriebsstrom beaufschlagt. Zur Be­ aufschlagung der Erregerspulen SPÖ, SPS von Öffnermagnet ÖM und Schließerma­ gnet SM mit dem Betriebsstrom sind die Anschlußleitungen ALS, ALÖ vorgesehen.

Öffnermagnet ÖM und Schließermagnet SM sind durch Distanzstücke DS (Verbin­ dungshülsen) voneinander getrennt, zwischen denen die bsp. rechteckförmig aus­ gebildete Ankerplatte AP - bedingt durch die abwechselnde Bestromung von Öff­ nermagnet ÖM und Schließermagnet SM - in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Im Joch JÖ, JS von Öffnermagnet ÖM und Schließermagnet SM sind Spulenfen­ ster zur Aufnahme der jeweiligen Erregerspule SPÖ, SPS vorgesehen. An der Anker­ platte AP ist der Stößel ST befestigt, der die auf die Ankerplatte AP einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Joch JÖ des Öffnermagneten ÖM auf ein Gas­ wechselventil GV überträgt; im Bereich der Durchführung des Stößels ST durch den Öffnermagneten ÖM ist zur Führung des Stößels ST eine Führungshülse FH vorge­ sehen. Auf der Ankerplatte AP liegt (in der Verlängerung des Stößels ST) eine Schubstange SS auf, die über eine Durchführung im Joch des Schließermagneten SM die auf die Ankerplatte AP einwirkenden Kräfte auf die Aktorfeder AF überträgt. Dazu ist an der Schubstange SS ein Aktorfederteller AFT ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder AF aufliegt, und über den die Aktorfeder AF die Schubstange SS gegen die Ankerplatte AP preßt.

Die Leistung des Aktors A zur elektromagnetischen Ventilsteuerung wird bsp. bei Vorgabe einer festen Betriebsspannung an den beiden Elektromagneten ÖM, SM (bsp. ist diese Betriebsspannung die Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, bsp. 42 V) durch Variation des Betriebsstroms durch die beiden Elektromagnete ÖM, SM eingestellt. Der im Betrieb des Aktors A zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung erforderliche Leistungsbedarf hängt stark von den aktuellen Betriebsbe­ dingungen ab; insbesondere ist eine starke Abhängigkeit des Leistungsbedarfs von der Temperatur gegeben, da die bei der Bewegung der Ankerplatte AP auftretende Reibung und die Viskosität des zur Reduzierung der Reibung üblicherweise vorgese­ henen Schmiermittels stark temperaturabhängig sind.

Zur Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors A wird bsp. in jeder Betriebsphase eines Betriebszyklus die Erregerspule SPÖ bzw. SPS des in dieser Betriebsphase nichtbestromten (inaktiven) Elektromagneten ÖM bzw. SM über die Anschlußleitungen ALÖ bzw. ALS mit einem Prüfstrom mit konstanter Stromstärke von bsp. 1 mA beaufschlagt und gleichzeitig die an den Spulenwicklungen der Erregerspule SPÖ bzw. SPS anliegende Spannung gemessen; bei diesem Prüfstrom von bsp. 1 mA ergibt sich bsp. beim Öffnermagneten ÖM eine gemessene Spannung von bsp. 1.3 mV und beim Schließermagneten SM eine gemessene Spannung von bsp. 1.5 mV. Anhand dieser Strom-Spannungs-Kombination wird der momentane Leistungsbedarf des Aktors A ermittelt und abhängig hiervon die einzustellende Leistung des Aktors A (der bei fester Betriebsspannung optimale Betriebsstrom des jeweiligen Elektromagneten ÖM bzw. SM) für die beiden Betriebsphasen des nächsten Betriebszyklus unter Verwendung eines empirisch ermittel­ ten Kennfelds vorgegeben; in diesem Kennfeld sind die Vorgabewerte für die einzustellende Lei­ stung des Aktors A bsp. in Abhängigkeit der bei einem konstanten Prüfstrom gemessenen Span­ nung abgespeichert. Bsp. wird bei einer festen Betriebsspan­ nung der beiden Elektromagnete ÖM, SM von 42 V in der ersten Betriebsphase ei­ nes Betriebszyklus (Bestromung des Öffnermagneten ÖM) bei einem ermittelten Leistungsbedarf des Aktors A von 80 W ein Betriebsstrom mit einer Stromstärke von 1.9 A durch die Erregerspule SPÖ vorgegeben und in der zweiten Betriebsphase eines Betriebszyklus (Bestromung des Schließermagneten SM) bei einem ermittelten Leistungsbedarf des Aktors A von 54 W ein Betriebsstrom mit einer Stromstärke von 1.3 A durch die Erregerspule SPS vorgegeben.

Anhand des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors A und damit der aktuellen Strom-Spannungs-Kombination an den Elektromagneten ÖM, SM (d. h. anhand ent­ weder der vorgegebenen Spannung bei gemessener Stromstärke oder anhand der gemessenen Spannung bei vorgegebener Stromstärke) kann der spezifische Wider­ stand bestimmt werden und bei Kenntnis dessen Temperaturabhängigkeit die aktu­ elle Temperatur des Aktors A ermittelt werden; hiermit kann bsp. eine Grenze der Werkstoffestigkeit der verwendeten Materialien erkannt werden.

Der temperaturabhängige spezifische Widerstand ρ(T) der Erregerspulen SPÖ und SPS ergibt sich zu:

ρ(T) = U . A/I . L

Hierbei ist
T die Temperatur des jeweiligen Elektromagneten
I der Prüfstrom durch die Erregerspule SPÖ, SPS des jeweiligen Elektromagneten ÖM, SM
U die gemessene Spannung an den Spulenwicklungen der Erregerspule SPÖ, SPS des jeweiligen Elektromagneten ÖM, SM
L die Länge der Erregerspule SPÖ, SPS
A die Querschnittsfläche der Erregerspule SPÖ, SPS.

Hieraus kann - bsp. durch Referenzmessungen oder durch Annahme einer bestimm­ ten funktionalen Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands ρ(T) - die Temperatur des jeweiligen Elektromagneten ÖM, SM bzw. der jeweiligen Erreger­ spule SPÖ, SPS ermittelt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb eines Aktors (A) zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen, bei dem Betriebszyklen mit jeweils zwei Betriebspha­ sen aufeinanderfolgen, wobei in jeder Betriebsphase eines Betriebszyklus ent­ weder ein Öffnermagnet (ÖM) oder ein Schließermagnet (SM) des Aktors (A) mittels eines Betriebsstroms beaufschlagt wird, wodurch eine Ankerplatte (AP) des Aktors (A) und ein mit der Ankerplatte (AP) verbundener Stößel (ST) des Ak­ tors (A) oszillierend bewegt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß in mindestens einem aktuellen Betriebszyklus der von den aktuellen Be­ triebsbedingungen abhängige momentane Leistungsbedarf des Aktors (A) ermit­ telt wird,
und daß der momentane Leistungsbedarf des Aktors (A) als Vorgabewert für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors (A) in mindestens einem auf den aktuellen Betriebszyklus folgenden Betriebszyklus herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Lei­ stungsbedarf des Aktors (A) in beiden Betriebsphasen eines Betriebszyklus er­ mittelt wird, und daß für jeden der beiden Betriebsphasen des Betriebszyklus ein separater Vorgabewert für die einzustellende elektrische Leistung des Aktors (A) ermittelt wird, der für die entsprechende Betriebsphase in mindestens einem auf den aktuellen Betriebszyklus folgenden Betriebszyklus herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der momenta­ ne Leistungsbedarf des Aktors (A) in jedem Betriebszyklus ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beaufschlagung des Öffnermagneten (ÖM) und des Schließermagneten (SM) mit dem Betriebsstrom und zur Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors (A) die gleichen Anschlußleitungen (ALÖ, ALS) des Aktors (A) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Leistungsbedarf des Aktors (A) jeweils in der inaktiven Betriebspha­ se des Öffnermagneten (ÖM) und des Schließermagneten (SM) ermittelt wird, während der der Öffnermagnet (ÖM) bzw. der Schließermagnet (SM) nicht mit dem Betriebsstrom beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Leistungsbedarf des Aktors (A) jeweils in der aktiven Betriebsphase des Öffnermagneten (ÖM) und des Schließermagneten (SM) ermittelt wird, wäh­ rend der der Öffnermagnet (ÖM) bzw. der Schließermagnet (SM) mit dem Be­ triebsstrom beaufschlagt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des momentanen Leistungsbedarfs des Aktors (A) der Öffnermagnet (ÖM) bzw. der Schließermagnet (SM) mit einem Prüfstrom beaufschlagt wird und die an den Anschlüssen der zugehörigen Erregerspule (SPÖ bzw. SPS) anliegen­ de Spannung gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Prüfstrom ein Konstantstrom mit einer im Vergleich zum Betriebsstrom geringen Strom­ stärke verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Prüfstrom der Betriebsstrom verwendet wird.