DE202007019299U1 - Vorrichtung zum Bestimmen des Endpositionszeitpunkts eines Stellgliedes eines Magnetventils - Google Patents

Vorrichtung zum Bestimmen des Endpositionszeitpunkts eines Stellgliedes eines Magnetventils Download PDF

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Abstract

Elektrohydraulische Vorrichtung für variable Betätigung der Einlass- und/oder Auslassventile eines Verbrennungsmotors, die eine Druck-Hydraulikkammer umfasst, die die Bewegung eines durch die Nockenwelle des Motors betätigten Stößels auf das Motorventil überträgt, und wobei die Druckkammer über ein Magnetventil mit einem Ablass in Verbindung steht, so dass, wenn die Verbindung hergestellt ist, ein schnelles Schließen des Motorventils aufgrund einer jeweiligen Rückstellfeder stattfindet und so das Motorventil unabhängig von seinem Betätigungsnocken wird, und die Vorrichtung eine Einrichtung zum Steuern des Magnetventils umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Steuern des Magnetventils so eingerichtet ist, dass sie den Augenblick bestimmt, in dem das bewegliche Element des Magnetventils nach Erregung des Elektromagneten die Endlagen-Position erreicht, – wobei die Einrichtung zum Steuern des Magnetventils so ausgebildet ist, dass: – das bewegliche Ventil verschoben wird, indem an den Elektromagneten abwechselnde Phasen bei einer konstanten Spannung und bei einer Null-Spannung so angelegt werden, dass sich...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Steuerung von Magnetventilen und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung, mit dem der Moment bestimmt wird, in dem das bewegliche Element eines Magnetventils nach Erregung des Elektromagneten die Endlagen-Position erreicht. Bei einem Magnetventil kann der bewegliche Teil, der die Funktion eines Öffnungs-/Schließelementes hat, zwischen zwei Endlagen-Positionen verschoben werden, die dem offenen Zustand und dem geschlossenen Zustand des Ventils entsprechen, indem ein entsprechendes Ansteuerstrom-Profil an den Elektromagneten angelegt wird.
  • Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann sowohl bei im Ruhezustand offenen Magnetventilen, bei denen die Endlagen-Position dem geschlossenen Zustand des Ventils entspricht, als auch bei im Ruhezustand geschlossenen Magnetventilen angewendet werden, bei denen die Endlagen-Position dem offenen Zustand des Ventils entspricht.
  • Die Messung der Zeit, die zwischen dem Moment der Erregung des Elektromagneten und dem Erreichen der Endlagen-Position durch das Öffnungs-/Schließelement vergeht (Aktivierungszeit), ist von grundlegender Bedeutung für eine robuste Steuerung des Ventils. Diese Notwendigkeit tritt besonders bei Steuerungssystemen von Verbrennungsmotoren mit elektrohydraulischer Betätigung der Einlass- und/oder Auslassventile des Motors zutage. Für diese Einsatzzwecke ist es außerordentlich wichtig, die Betätigungszeiten (als Öffnungs- oder Schließzeiten zu verstehen) der Magnetventile unter Kontrolle zu halten, die den Durchfluss des bis in der Vorrichtung zum Betätigen der Motorventile regulieren.
  • Ein besonders wichtiges Einsatzgebiet der Erfindung bezieht sich auf das elektrohydraulische System zum Steuern der Ventile eines Verbrennungsmotors des Typs, der als UNI-AIR bezeichnet wird und vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen wurde (siehe beispielsweise EP 1 653 057 A1 ), bei dem für jedes Motorventil eine Druck-Hydraulikkammer vorhanden ist, die die Bewegung eines durch die Nockenwelle des Motors betätigten Stößels auf das Motorventil überträgt, und bei dem die Druckkammer über ein im Ruhezustand offenes Magnetventil mit einem Auspuff in Verbindung steht. Wenn der Elektromagnet des Magnetventils erregt wird, wird diese Verbindung unterbrochen, und die Druckkammer überträgt die Bewegungen des Betätigungsnockens hydraulisch auf das Motorventil. Wenn der Elektromagnet enterregt wird, wird das unter Druck stehende Fluid aus der Kammer ausgestoßen, so dass das Motorventil aufgrund der jeweiligen Rückstellfeder schnell geschlossen wird und so das Motorventil unabhängig von seinem Betätigungsnocken gemacht wird.
  • Es sind bereits Verfahren vorgeschlagen worden, mit denen der Moment bestimmt wird, in dem das bewegliche Element eines Magnetventils eine Endlagen-Position erreicht (siehe beispielsweise die Dokumente Nr. WO-A-9413991 und EP 1 533 506 A2 , wobei letzteres im Namen des Anmelders der vorliegenden Erfindung eingereicht wurde), bei denen der Augenblick durch Analyse des Profils des Stroms und/oder der Spannung zum Speisen des Elektromagneten identifiziert wird.
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung ausgelegt zum Durchführen eines Verfahrens des oben erwähnten Typs zu schaffen, das eine erhebliche Vereinfachung sowohl der elektronischen Verarbeitungseinrichtung an sich, die zum Implementieren eines entsprechenden Verfahrens dient, als auch der von ihr verwendeten Software ermöglicht, und das darüber hinaus an sich unempfindlich gegenüber den Veränderungen der Impedanz der Schaltung für Verbindung der elektronischen Verarbeitungseinheit mit dem Elektromagneten (und damit leichter steuerbar) ist, die beispielsweise auf die Veränderung des Kontaktwiderstandes aufgrund von Altern der Verbinder oder auf mögliche Veränderungen der Länge der Kabel zurückzuführen sind.
  • Um den oben beschriebenen Zweck zu erfüllen, hat die Erfindung eine Vorrichtung angelegt zum Durchführen eines Verfahrens zum Gegenstand, mit dem der Moment bestimmt wird, in dem das bewegliche Element eines Magnetventils nach Erregung des Elektromagneten die Endlagen-Position erreicht, wobei das bewegliche Element verschoben wird, indem an den Elektromagneten abwechselnde Phasen bei einer konstanten Spannung und bei einer Null-Spannung so angelegt werden, dass sich Phasen des Ladens und Entladens des Elektromagneten entsprechend Zunahmen und Abnahmen von Strom um einen im Wesentlichen konstanten Stromwert herum abwechseln;
    wobei die abwechselnden Phasen bei konstanter Spannung und bei Null-Spannung so gesteuert werden, dass:
    jede Phase bei konstanter Spannung über eine feste Zeit aufrechterhalten wird, und jede Phase bei Null-Spannung beendet wird, warm der abnehmende Strom einen voreingestellten Wert erreicht;
    oder als Alternative dazu so, dass:
    die Phase bei konstanter Spannung beendet wird, wenn der zunehmende Strom einen voreingestellten Wert erreicht, und die Phase bei Null-Spannung über eine feste Zeit aufrechterhalten wird;
    oder, als Alternative dazu so, dass:
    sowohl die Phase bei konstanter Spannung als auch die Phase bei Null-Spannung beendet werden, wenn der zunehmende Strom oder abnehmende Strom einen voreingestellten Wert erreicht; und
    die Dauer jedes Zyklus, der aus der Lade-Phase und der anschließenden Entlade-Phase besteht, konstant überwacht wird, und der Moment, in dem die Endlagen-Position erreicht wird, als der Moment identifiziert wird, der zwei aufeinanderfolgende Zyklen von Laden und Entladen trennt, die eine Differenz der Dauer aufweisen, die größer ist als ein voreingestellter Schwellenwert.
  • Ein entsprechendes Verfahren kann, wie zu sehen ist, zur Erfassung der Bewegung des beweglichen Elementes des Magnetventils eingesetzt werden, wenn sich der Strom, der durch den Elektromagneten fließt, aus abwechselnden Phasen des Ladens und Entladens (Umschalten) zusammensetzt, wobei wenigstens einer der zwei Schritte in Abhängigkeit davon durchgeführt wird, ob ein Strom-Schwellenwert erreicht wird.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften ermöglicht die Erfindung die Erzielung erheblicher Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, mit denen der gleiche Zweck über eine Analyse des Profils des Stroms und/oder der Spannung zum Speisen des Elektromagneten erreicht wird. Insbesondere ist es angesichts des Maßes der Änderung der zu erfassenden Frequenz nicht notwendig, die Werte von Spannung und/oder Strom genau zu analysieren, um den Moment zum Umschalten zu bestimmen. Dies ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Hardware und der Software, die zum Verarbeiten des Signals erforderlich sind. Des Weiteren ist das System an sich weniger empfindlich gegenüber den Veränderungen der Impedanz der Schaltung für Verbindung mit dem Elektromagneten (und damit leichter steuerbar), so beispielsweise der Veränderung des Widerstandes der Kontakte der Verbinder aufgrund von Alterung der letzteren, und möglichen Veränderungen der Länge der Kabel oder dergleichen.
  • Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen, die lediglich als nicht einschränkendes Beispiel dienen, wobei:
  • 1 das Profil des Elektromagnet-Ansteuerstroms zeigt, durch das das bewegliche Element des Ventils von seiner ersten Endlagen-Position an seine zweite Endlagen-Position und dann wieder an die erste Endlagen-Position gebracht wird; und
  • 2 ein Diagramm ist, das die Veränderung der Dauer des Zyklus aus Laden und Entladen des Elektromagneten unmittelbar vor und nach dem Moment zeigt, in dem das bewegliche Element des Ventils nach Erregung des Elektromagneten die Endlagen-Position erreicht.
  • In 1 ist die zeitliche Änderung des Stroms, der während eines vollständigen Zyklus aus Erregung und Enterregung des Elektromagneten selbst durch den Elektromagneten fließt, für den speziellen Fall eines Magnetventils zur Steuerung eines Systems zur variablen Betätigung der Ventile eines Verbrennungsmotors vom oben erwähnten Typ UNI-AIR dargestellt. Das Profil des Elektromagnet-Ansteuerstroms wird über den Elektromagneten durch eine konstante Spannung (Lade-Phase) bestimmt, die sich mit einer Null-Spannung (Entlade-Phase) abwechselt. In dem speziellen dargestellten Fall sind ein erster Pegel von Vormagnetisierungsstrom, ein zweiter Pegel, d. h. ein Spitzenpegel, der Verschiebung des beweglichen Elementes des Magnetventils bewirkt, und ein dritter niedrigerer Pegel, d. h. Haltestrompegel, vorgesehen, mit dem das bewegliche Element in Position gehalten wird, nachdem es seine Endlagen-Position erreicht hat.
  • Die erreichten Strompegel hängen von der Dauer der Phasen zum Laden und Entladen ab. Das heißt, um einen konstanten durchschnittlichen Strompegel aufrechtzuerhalten, wird auf eine schnelle Änderung (Umschalten) zwischen der Lade-Phase und der Entlade-Phase zurückgegriffen.
  • In dem in 1 dargestellten Fall wird in dem Bereich des Umschaltens um den Spitzenwert des Stroms herum, die Lade-Phase über eine feste Zeit durchgeführt, während die Entlade-Phase unterbrochen wird, wenn ein Strom-Schwellenwert IPeak MIN erreicht ist.
  • Die Bewegung des beweglichen Elementes des Magnetventils, die aufgrund der durch den Spitzenstrom zugeführten Energie erzielt wird, bewirkt eine Änderung der Induktivität, die zu einer Änderung der Spannung über den Elektromagneten führt. Diese Erscheinung ist bekannt und bereits in den angeführten Dokumenten Nr. WO-A-9413991 und EP 1 533 506 A2 hervorgehoben worden.
  • Die genannte Veränderung der Induktivität führt zu einer entsprechenden Veränderung der Umschaltfrequenz, wie dies in 2 dargestellt ist. Wie in der Figur zu sehen ist, bedeutet, da die Lade-Phase festzeitgesteuert wird, die beschriebene Erscheinung der Veränderung der Induktivität, dass bei einer ersten Reihe von Zyklen, die in 2 mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet ist, die Lade-Phase endet, wenn der Strom einen mit B gekennzeichneten Maximalwert noch nicht erreicht hat. Daher ist im Verlauf der Zyklen A die Zeit, die der Strom braucht, um zu dem niedrigeren Schwellenwert C zurückzzukehren, kürzer. In den Zyklen D in 2 hingegen, kann der Strom den Wert B in der voreingestellten Zeit für die Lade-Phase erreichen, so dass die Zeit, die der Strom braucht, um von dem Maximalwert B zu dem Schwellenwert C zurückzukehren, länger wird.
  • Die Kurve E zeigt, wie wiederum aus 2 zu ersehen ist, die Aufzeichnungskurve eines Beschleunigungsmessers, der experimentell eingesetzt worden ist, um den Moment, in dem das bewegliche Element des Magnetventils seine Endlagen-Position erreicht, präzise zu bestimmen. Unmittelbar vor diesem Moment ist, wie zu sehen ist, die Dauer eines vollständigen Zyklus zum Laden und Entladen eines Elektromagneten einer Zeit t1 gleich, während unmittelbar nach dem Moment die Dauer eines vollständigen Zyklus zum Laden und Entladen des Elektromagneten einer Zeit t2 > t1 gleich ist. In der Praxis wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Dauer t jedes Zyklus zum Laden und Entladen des Elektromagneten konstant überwacht, und der Moment, in dem die Endlagen-Position des beweglichen Elementes erreicht wird, wird als der Moment identifiziert, der zwei aufeinanderfolgende Zyklen zum Laden und Entladen trennt, wobei sie sich hinsichtlich ihrer Dauer voneinander um eine Zeit unterscheiden, die über einem voreingestellten Zeit-Schwellenwert liegt.
  • Natürlich könnte das gleiche Ergebnis auch dann erzielt werden, wenn die Zyklen von Laden und Entladen des Elektromagneten so gesteuert würden, dass jede Lade-Phase beendet wird, wenn ein maximaler Schwellenwert des Stroms erreicht wird, und jede Entlade-Phase für eine feste Zeit aufrechterhalten wird, oder so, dass sowohl die Phase bei konstanter Spannung, als auch die Phase bei Null-Spannung beendet werden, wenn der zunehmende Strom oder abnehmende Strom einen voreingestellten Wert erreicht.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften weist die Erfindung, wie bereits erwähnt, Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sowohl hinsichtlich der Vereinfachung der elektronischen Verarbeitungseinrichtung, die dazu dient, ein entsprechendes Verfahren zu implementieren, als auch hinsichtlich größerer Robustheit und bequemerer Kalibrierung dadurch auf, dass das System gegenüber möglichen Störungen unempfindlich ist, die beispielsweise auf Alterung der Kontakte an der Verbindung zwischen dem Elektromagneten des Ventils und der elektronischen Steuereinheit zurückzuführen sind.
  • Natürlich können ohne Einfluss auf das Prinzip die Erfindung Details von Konstruktion und Ausführungsformen von der vorliegenden Beschreibung und Darstellung erheblich abweichen, die lediglich als Beispiel dient, ohne damit den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1653057 A1 [0004]
    • WO 9413991 A [0005, 0016]
    • EP 1533506 A2 [0005, 0016]

Claims (1)

  1. Elektrohydraulische Vorrichtung für variable Betätigung der Einlass- und/oder Auslassventile eines Verbrennungsmotors, die eine Druck-Hydraulikkammer umfasst, die die Bewegung eines durch die Nockenwelle des Motors betätigten Stößels auf das Motorventil überträgt, und wobei die Druckkammer über ein Magnetventil mit einem Ablass in Verbindung steht, so dass, wenn die Verbindung hergestellt ist, ein schnelles Schließen des Motorventils aufgrund einer jeweiligen Rückstellfeder stattfindet und so das Motorventil unabhängig von seinem Betätigungsnocken wird, und die Vorrichtung eine Einrichtung zum Steuern des Magnetventils umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Steuern des Magnetventils so eingerichtet ist, dass sie den Augenblick bestimmt, in dem das bewegliche Element des Magnetventils nach Erregung des Elektromagneten die Endlagen-Position erreicht, – wobei die Einrichtung zum Steuern des Magnetventils so ausgebildet ist, dass: – das bewegliche Ventil verschoben wird, indem an den Elektromagneten abwechselnde Phasen bei einer konstanten Spannung und bei einer Null-Spannung so angelegt werden, dass sich Phasen des Ladens und Entladens des Elektromagneten entsprechend Zunahmen und Abnahmen von Strom um einen im Wesentlichen konstanten Stromwert herum abwechseln, – die abwechselnden Phasen bei konstanter Spannung und bei Null-Spannung so gesteuert werden, dass: jede Phase bei konstanter Spannung über eine feste Zeit aufrechterhalten wird, und jede Phase bei Null-Spannung beendet wird, wenn der abnehmende Strom einen voreingestellten Wert erreicht; oder als Alternative dazu so, dass: die Phase bei konstanter Spannung beendet wird, wenn der zunehmende Strom einen voreingestellten Wert erreicht, und die Phase bei Null-Spannung über eine feste Zeit aufrechterhalten wird; die Dauer jedes Zyklus, der aus der Lade-Phase und der anschließenden Entlade-Phase besteht, konstant überwacht wird, und der Augenblick, in dem die Endlagen-Position erreicht wird, als der Augenblick identifiziert wird, der zwei aufeinanderfolgende Zyklen von Laden und Entladen trennt, die eine Differenz der Dauer aufweisen, die größer ist als ein voreingestellter Schwellenwert.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1994013991A1 (en) 1992-12-08 1994-06-23 Pi Research Ltd. Electromagnetic valves
EP1533506A2 (de) 2003-11-21 2005-05-25 C.R.F. Società Consortile per Azioni Methode für die Bestimmung des Moments des Erreichens der Anschlagzielposition in der Auflösung Phase eines beweglichen Schlie elementsin einem Magnetventil
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