EP1028234A2 - Verfahren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen Download PDF

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Publication number
EP1028234A2
EP1028234A2 EP00102092A EP00102092A EP1028234A2 EP 1028234 A2 EP1028234 A2 EP 1028234A2 EP 00102092 A EP00102092 A EP 00102092A EP 00102092 A EP00102092 A EP 00102092A EP 1028234 A2 EP1028234 A2 EP 1028234A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnet
current
braking
armature
gas exchange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00102092A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Karbacher
Michael Nagel
Wolfgang Schober
Mehmet Tuna
Rudolf Wilczek
Robert Charles Dr. Koch
Kurt Maute
Markus Stalitza
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1028234A2 publication Critical patent/EP1028234A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/40—Methods of operation thereof; Control of valve actuation, e.g. duration or lift
    • F01L2009/4086—Soft landing, e.g. applying braking current; Levitation of armature close to core surface

Definitions

  • the invention relates to a method for electromagnetic valve control Gas exchange valves of internal combustion engines according to the preamble of the claim 1.
  • actuators are used with the gas exchange valves an actuator gas exchange valve system form.
  • the actuators for electromagnetic valve control consist of essentially consisting of two electromagnets (one opening magnet and one closing magnet), which each have at least one excitation coil and a yoke an anchor located between the two electromagnets as well two counter-rotating actuating springs (valve spring, actuator spring).
  • the anchor will by alternately energizing (the excitation coils) the two electromagnets and by the spring forces of the springs between the two electromagnets moved back and forth, with a plunger connected to the anchor this movement transfers to at least one of the gas exchange valves.
  • the actuator gas exchange valve system In the idle position of the actuator gas exchange valve system (i.e. when de-energized Electromagnet) is the armature of the actuator by means of the springs in a central position held between the two electromagnets; the gas exchange valve is located in a middle position between the valve seat (gas exchange valve closed) and the position of the maximum valve lift (gas exchange valve opened to the maximum).
  • the actuator gas exchange valve system In the operation of the actuator gas exchange valve system are successive Operating cycles with two operating phases each (normally closed, normally open) run through, with the armature of the actuator of one of the two in each operating phase (acting as an output magnet) electromagnet to the other of the two (acting as target magnet) electromagnets moved there and there during a defined period of time is held.
  • a holding current is applied.
  • the holding current is switched off (initiation of the movement phase of the armature) and if necessary a catch current to the excitation coil of the target magnet that is functioning in this operating phase Electromagnets applied; consequently the anchor moves due to the spring force of the actuating springs and, if applicable, the magnetic force of the target magnet to the target magnet towards (movement phase of the anchor).
  • the invention is therefore based on the object of being simple, inexpensive and Process for electromagnetic valve control that can be implemented with little effort the gas exchange valves of internal combustion engines with low energy requirements, high operational safety and reliability as well as good dynamic Specify properties.
  • the braking pulse becomes the output magnet (after the removal of the Holding current) or / and the further electromagnet with a current (braking current) applied (or a braking voltage generating the braking current applied); a magnetic force is generated by this braking current, which is due to the Spring forces and the movement that may result in the catching current applied to the target magnet of the armature towards the target magnet.
  • the one generated by the braking pulse Magnetic force is superimposed on the target magnet due to the capture current generated magnetic force so that the resulting magnetic force acting on the armature can be influenced by the braking pulse (braking current).
  • the output magnet acted upon by the braking current or / and the further electromagnet are short-circuited (against the voltage supply clamped) or there may be a negative operating voltage to the output magnet or / and the other electromagnets are applied.
  • the brake pulse can be switched off by the brake pulse in the output magnet or / and energy introduced into the further electromagnet or the energy extracted from the actuator gas exchange valve system by the braking process in the for the voltage supply of the actuator or the actuator gas exchange valve system planned supply network (e.g. in the vehicle electrical system) be fed back.
  • the braking pulse is caused by the application of the output magnet generated with the braking current, can be applied to the Braking current and for supplying the operating current or for applying the Operating voltage, the same connecting cables are used.
  • the braking pulse that determines the operating conditions of the actuator gas exchange valve system dependent default values for the braking current can either only be used for the next operating cycle or for a certain number of subsequent operating cycles be used; As a rule, the default values for the Brake current (or for the brake voltage generating the brake current) as long maintained until the current operating conditions of the actuator gas exchange valve system be determined again and thus a new updated default value for Available.
  • the operating conditions of the two electromagnets of the actuator can differ greatly from one another, are preferred different default values for the two operating phases of an operating cycle for the braking current (or for the braking voltage generating the braking current) used as the basis for the respective operating phase of one or more subsequent operating cycles.
  • the default values for the braking current are dependent on the operating conditions of the actuator gas exchange valve system empirically determined and stored (e.g. in a Map stored).
  • the resulting from the catching current Excess energy in the actuator gas exchange valve system can be limited reduces the mechanical load on the target magnet or armature and the armature is prevented from bouncing off the target magnet.
  • the Operating conditions of the actuator gas exchange valve system influencing and Variables causing fluctuations such as Temperature, mechanical wear or varying gas forces are compensated.
  • the method according to the invention is based on an exemplary embodiment explained in connection with the drawing.
  • the actuator gas exchange valve system consists of a counter the gas pressure in the combustion chamber 3 working gas exchange valve 2 and an actuator 1 for electromagnetic control (actuation) of the gas exchange valve 2.
  • the actuator 1 has an opening magnet 10 and a closing magnet 20, which act as electromagnets each consist of an excitation coil 11, 21 and a yoke 12, 22; in the Yoke 12, 22 of opening magnet 10 and closing magnet 20 are coil windows Recording the respective excitation coil 11, 21 provided.
  • the connecting lines 13, 23 are provided to apply the Excitation coils 11, 21 of opening magnet 10 and closing magnet 20 with the operating current or to apply the operating voltage to opening magnet 10 and Closing magnet 20, the connecting lines 13, 23 are provided.
  • Opening magnet 10 and closer magnet 20 are surrounded by a housing part 80 and through Spacers 81 (connecting sleeves) separated from each other. Between opening magnet 10 and closer magnet 20 is the example. formed as a rectangular anchor plate Anchor 30 arranged. On the anchor 30, the plunger 70 is attached, which on the forces acting on the armature 30 by means of the seated on the valve spring plate 51 Valve spring 50 transmits to the gas exchange valve 2, whereby the valve lift of the gas exchange valve 2 is generated; in the area of the passage of the plunger 70 through the opening magnet 10 is a guide sleeve for guiding the plunger 70 71 provided.
  • the armature 30 is due to the spring forces of the two coil springs actuator spring 40 and Valve spring 50 and any alternating energization of the opening magnet 10 and closer magnet 20 (possibly in the two operating phases of an operating cycle each with either the opening magnet 10 or the closing magnet 20 a catch current and then supplied with a holding current) between the opening magnet 10 and the closing magnet 20 moved back and forth.
  • the armature 30 At rest of the actuator gas exchange valve system, the armature 30 is in a central position held between the opening magnet 10 and the closing magnet 20, the gas exchange valve 2 is in a central position between the valve seat of the Cylinder head and the maximum opening position.
  • the two electromagnets opening magnet 10 and closing magnet 20 are energized in the two operating phases (opening phase and closing phase) of an operating cycle in such a way that on the electromagnets acting as the target magnet (opening magnet 10 or closing magnet 20) initially a catch current I F and for the movement of the armature 30 then a holding current I H is applied to fix or position the armature 30 on the electromagnet (opening magnet 10 or closing magnet 20).
  • the capture current I F is chosen to be greater than the holding current I H ; E.g. the catch current I F for the opening magnet 10 is 12 A and for the closing magnet 20 10 A, the holding current I H for the opening magnet 10 3.0 A and for the closing magnet 20 2.8 A.
  • a braking voltage I B generating a braking current I B is applied to the electromagnet (opening magnet 10 or closing magnet 20) each functioning as an output magnet.
  • the current strength and time profile (temporal position and duration) of the braking current I B are chosen differently for the two operating phases (opening phase and closing phase) of an operating cycle; E.g. for the first operating phase (normally closed phase) the braking current I B is 8 A, for the second operating phase (normally open phase) the braking current I B is 15 A; E.g.
  • the braking pulse is generated in the first operating phase (normally closed phase) 1 ms after the holding current I H is switched off at the opening magnet 10 and has a pulse duration of 0.2 ms, while the braking pulse in the second operating phase (normally open phase) 0.5 ms after the holding current I H is switched off is generated at the closer magnet 20 and has a pulse duration of 0.5 ms.

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Abstract

Bei der elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen mittels Aktoren werden sukzessiv aufeinanderfolgenden Betriebszyklen mit jeweils zwei Betriebsphasen durchlaufen, wobei in jeder Betriebsphase ein Anker des Aktors von einem als Ausgangsmagnet fungierenden Elektromagneten zu einem als Zielmagnet fungierenden Elektromagneten hin bewegt wird und hierdurch mindestens eines der Gaswechselventile betätigt wird. Zur Realisierung eines einfachen, kostengünstigen und mit geringem Aufwand implementierbaren Verfahrens mit einer hohen Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit sowie guten dynamischen Eigenschaften wird in mindestens einer Betriebsphase eines Betriebszyklus während der Bewegungsphase des Ankers durch den Ausgangsmagnet oder/und einen weiteren Elektromagneten ein der Bewegung des Ankers entgegenwirkender Bremsimpuls erzeugt. Verfahren zur Erhöhung der Betriebssicherheit von Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Betätigung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen, d.h. zur Erzeugung des Ventilhubs der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen, können Aktoren eingesetzt werden, die mit den Gaswechselventilen ein Aktor-Gaswechselventil-System bilden. Die Aktoren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bestehen im wesentlichen aus zwei Elektromagneten (einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet), die jeweils mindestens eine Erregerspule und ein joch aufweisen, aus einem sich zwischen den beiden Elektromagneten befindlichen Anker sowie aus zwei gegensinnig arbeitenden Stellfedern (Ventilfeder, Aktorfeder). Der Anker wird durch abwechselndes Bestromen (der Erregerspulen) der beiden Elektromagnete und durch die Federkräfte der Stellfedern zwischen den beiden Elektromagneten hin- und her bewegt, wobei ein mit dem Anker verbundener Stößel diese Bewegung auf mindestens eines der Gaswechselventile überträgt.
In der Ruhelage des Aktor-Gaswechselventil-Systems (d.h. bei stromlos geschalteten Elektromagneten) wird der Anker des Aktors mittels der Stellfedern in einer Mittellage zwischen den beiden Elektromagneten gehalten; das Gaswechselventil befindet sich in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz (Gaswechselventil geschlossen) und der Position des maximalen Ventilhubs (Gaswechselventil maximal geöffnet). Im Betrieb des Aktor-Gaswechselventil-Systems werden aufeinanderfolgende Betriebszyklen mit jeweils zwei Betriebsphasen (Öffnerphase, Schließerphase) durchlaufen, wobei in jeder Betriebsphase der Anker des Aktors von einem der beiden (als Ausgangsmagnet fungierenden) Elektromagneten zum anderen der beiden (als Zielmagnet fungierenden) Elektromagneten hin bewegt und dort während einer definierten Zeitspanne gehalten wird. Um den Anker in der Endlage beim Zielmagneten zu positionieren (Haltephase des Ankers), wird an die Erregerspule des Haltemagneten ein Haltestrom angelegt. Beim Übergang zur nächsten Betriebsphase wird der Haltestrom abgeschaltet (Einleitung der Bewegungsphase des Ankers) und ggf. ein Fangstrom an die Erregerspule des in dieser Betriebsphase als Zielmagnet fungierenden Elektromagneten angelegt; demzufolge bewegt sich der Anker aufgrund der Federkraft der Stellfedern und ggf. der Magnetkraft des Zielmagneten zum Zielmagneten hin (Bewegungsphase des Ankers).
Probleme bereitet im Betrieb des Aktor-Gaswechselventil-Systems die richtige Dimensionierung des Fangstroms sowie die hiermit verbundene Unzuverlässigkeit und der hohe Energiebedarf des Aktor-Gaswechselventil-Systems:
  • der Zielmagnet muß spätestens zum Zeitpunkt des Auftreffens des Ankers mindestens mit demjenigen Haltestrom bestromt sein, der zum sicheren Halten des Ankers erforderlich ist; da aufgrund der Magnetdynamik der Strom eine gewisse Zeit benötigt, um diesen erforderlichen Wert zu erreichen, muß er bereits vor dem Auftreffen des Ankers eingeschaltet werden. Bei geringer Reibung des Aktor-Gaswechselventil-Systems wird dadurch dem Aktor-Gaswechselventil-System mehr Energie zugeführt als durch Reibung verbraucht wird; dies hat zur Folge, daß der Anker zusätzlich beschleunigt wird und zu schnell auf den Zielmagneten auftrifft. Dies führt zu einer hohen Auftreffgeschwindigkeit des Ankers und damit einer hohen mechanischen Belastung. Da bei einer hohen Auftreffgeschwindigkeit des Ankers die durch den Haltestrom erzeugte Haltekraft des Zielmagneten nicht ausreicht, um den Auftreffimpuls des Ankers zu kompensieren, kommt es zu einem Abprallen des Ankers; eine Erhöhung des Fangstroms zur Verhinderung des Abprallen des Ankers verschärft jedoch die Aufprallproblematik.
  • Bei einem Versatz der Mittellage des Ankers bezüglich des Zielmagneten und/oder bei bestimmten Strömungsverhältnissen am Gaswechselventil kann der Anker unter Umständen auch ohne zusätzliche Energiezufuhr auf den Zielmagneten auftreffen. Da der Zielmagnet seine Haltekraft nicht sprungartig erreichen kann, muß der Haltestrom bereits vor dem Auftreffen des Ankers eingeschaltet werden; dies sorgt jedoch für eine zusätzliche Energiezufuhr für das Aktor-Gaswechselventil-System, wodurch der Anker wiederum zusätzliche beschleunigt wird und vom Zielmagneten abprallt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, kostengünstiges und mit geringem Aufwand implementierbares Verfahren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen mit geringem Energiebedarf, einer hohen Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit sowie guten dynamischen Eigenschaften anzugeben.
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 Patentansprüchen.
Beim vorgestellten Verfahren wird in mindestens einer Betriebsphase eines Betriebszyklus vom Ausgangsmagnet oder/und von einem weiteren Elektromagneten (d.h. von einem anderen Elektromagneten als dem Zielmagneten) in der Bewegungsphase des Ankers ein der Bewegung des Ankers entgegenwirkender (kurzzeitiger) Bremsimpuls erzeugt; d.h. der Bremsimpuls wird nach dem Ablösezeitpunkt des Ankers vom Ausgangsmagnet und vor dem Eintreffen des Ankers auf den Zielmagnet erzeugt, vorzugsweise jedoch zu Beginn der Bewegungsphase des Ankers (bsp. unmittelbar nach dem Ablösezeitpunkt des Ankers vom Ausgangsmagnet). Zur Erzeugung des Bremsimpulses wird der Ausgangsmagnet (nach der Wegnahme des Haltestroms) oder/und der weitere Elektromagnet mit einem Strom (Bremsstrom) beaufschlagt (bzw. eine den Bremsstrom erzeugende Bremsspannung angelegt); durch diesen Bremsstrom wird eine Magnetkraft erzeugt, die die sich infolge der Federkräfte und des ggf. am Zielmagneten angelegten Fangstroms ergebende Bewegung des Ankers zum Zielmagnet hin hemmt. Die durch den Bremsimpuls erzeugte Magnetkraft überlagert sich der durch den Zielmagnet infolge des Fangstroms erzeugten Magnetkraft, so daß die auf den Anker wirkende resultierende Magnetkraft durch den Bremsimpuls (den Bremsstrom) beeinflußt werden kann.
Der Bremsimpuls kann anhand der aktuellen Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems vorgegeben und variiert werden, wobei der Bremsimpuls in bestimmten Betriebsphasen oder in bestimmten Betriebszyklen auch ganz weggelassen werden kann. Die den Bremsimpuls bestimmenden Vorgabewerte für den Bremsstrom (bzw. für die den Bremsstrom erzeugende Bremsspannung) werden entsprechend den aktuellen Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems gewählt; insbesondere kann die Intensität des Bremsimpulses (d.h. die Stromstärke des Bremsstroms) und der Zeitverlauf des Bremsimpulses (d.h. der Zeitpunkt des Auslösens und die Zeitdauer des Bremsimpulses) bedarfsabhängig vorgegeben werden:
  • Die Intensität des Bremsimpulses (d.h. die Stromstärke des Bremsstroms) wird insbesondere abhängig von den vorhandenen Gaskräften im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine vorgegeben: in einer Betriebsphase, in der das Gaswechselventil gegen große Gaskräfte geöffnet werden muß (Öffnerphase), wird ein Bremsimpuls mit geringer Intensität oder gar kein Bremsimpuls erzeugt, während in einer Betriebsphase, in der das Gaswechselventil geschlossen wird (Schließerphase), ein Bremsimpuls mit hoher intensität erzeugt werden kann. Hierbei kann die Intensität des Bremsimpulses (d.h. die Stromstärke des den Bremsimpuls erzeugenden Bremsstroms) während der Dauer des Bremsimpulses variiert werden, bsp. durch Vorgabe mindestens zweier unterschiedlicher Niveaus für den Bremsstrom (d.h. während des Bremsimpulses werden mindestens zwei unterschiedliche Stromstärken für den Bremsstrom vorgegeben).
  • Der Zeitverlauf des Bremsimpulses (der Zeitpunkt des Auslösens des Bremsimpulses und die Zeitdauer des Bremsimpulses) wird abhängig von der Bewegung des Ankers zwischen dem Ausgangsmagnet und dem Zielmagnet vorgegeben, insbesondere abhängig von der zurückgelegten Entfernung des Ankers zwischen Ausgangsmagnet und Zielmagnet; insbesondere wird der Bremsimpuls unmittelbar nach dem Ablösezeitpunkt des Ankers vom Ausgangsmagnet erzeugt, d.h. am Anfang der Bewegungsphase des Ankers. Hierbei kann der Zeitverlauf des Bremsimpulses an den Zeitverlauf des Haltestroms im Ausgangsmagnet und/oder an den Zeitverlauf des Fangstroms im Zielmagnet gekoppelt werden oder der Einschaltzeitpunkt für den Bremsimpuls wird unabhängig vom Einschaltzeitpunkt der Ströme am Zielmagneten vorgegeben. Insbesondere wird jedoch der Zeitpunkt des Auslösens des Bremsimpulses auf den Ausschaltzeitpunkt des Haltestroms im Haltemagnet oder/und den Einschaltzeitpunkt des Fangstroms im Zielmagnet bezogen, wobei die Erzeugung des Bremsimpulses vorzugsweise gleichzeitig mit oder nach der Beaufschlagung des Zielmagneten mit dem Fangstrom erfolgt. Weiterhin kann bei der Vorgabe des Zeitverlaufs des Bremsimpulses der (gewünschte oder bereits bestehende) Ventilhub des Gaswechselventils berücksichtigt werden.
Zum Abschalten des Bremsimpulses bzw. zum Verringern der Intensität des Bremsimpulses kann der mit dem Bremsstrom beaufschlagte Ausgangsmagnet oder/und der weitere Elektromagnet kurzgeschlossen werden (gegen die Spannungsversorgung geklemmt werden) oder es kann eine negative Betriebsspannung an den Ausgangsmagnet oder/und den weiteren Elektromagneten angelegt werden. D.h. beim Abschalten des Bremsimpulses kann die durch den Bremsimpuls in den Ausgangsmagnet oder/und in den weiteren Elektromagnet eingebrachte Energie bzw. die durch den Bremsvorgang dem Aktor-Gaswechselventil-System entnommene Energie in das zur Spannungsversorgung des Aktors bzw. des Aktor-Gaswechselventil-Systems vorgesehene Versorgungsnetz (bsp. in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges) zurückgespeist werden. Falls der Bremsimpuls durch Beaufschlagung des Ausgangsmagneten mit dem Bremsstrom erzeugt wird, können zur Beaufschlagung des Bremsstroms und für die Zuführung des Betriebsstroms bzw. für das Anlegen der Betriebsapannung die gleichen Anschlußleitungen verwendet werden.
Die den Bremsimpuls bestimmenden, von den Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems abhängigen Vorgabewerte für den Bremsstrom (bzw. für die den Bremsstrom erzeugende Bremsspannung) können entweder nur für den nächsten Betriebszyklus oder aber für eine bestimmte Anzahl nachfolgender Betriebszyklen verwendet werden; in der Regel werden die Vorgabewerte für den Bremsstrom (bzw. für die den Bremsstrom erzeugende Bremsspannung) solange beibehalten, bis die aktuellen Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems erneut ermittelt werden und damit ein neuer aktualisierter Vorgabewert zur Verfügung steht.
Da die Betriebsbedingungen der beiden Elektromagnete des Aktors (Öffnermagnet und Schließermagnet) stark voneinander differieren können, werden vorzugsweise für die beiden Betriebsphasen eines Betriebszyklus unterschiedliche Vorgabewerte für den Bremsstrom (bzw. für die den Bremsstrom erzeugende Bremsspannung) verwendet, die als Grundlage für die jeweilige Betriebsphase eines oder mehrerer nachfolgender Betriebszyklen dienen.
Die Vorgabewerte für den Bremsstrom (bzw. für die den Bremsstrom erzeugende Bremsspannung) werden in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems empirisch ermittelt und abgespeichert (bsp. in einem Kennfeld abgelegt).
Vorteilhafterweise kann mit dem vorgestellten Verfahren die Betriebssicherheit des Aktor-Gaswechselventil-Systems erhöht sowie dessen Leistungsbedarf optimiert und dessen Energieverbrauch reduziert werden, ohne daß hierzu zusätzliche Bauteile oder Anschlußleitungen benötigt werden. Insbesondere kann bei einem Aktor-Gaswechselventil-System mit geringer Reibung der durch den Fangstrom entstehende Energieüberschuß im Aktor-Gaswechselventil-System begrenzt werden, wodurch die mechanische Belastung des Zielmagneten bzw. des Ankers reduziert und ein Abprallen des Ankers vom Zielmagneten verhindert wird. Weiterhin können die Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems beeinflussende und Schwankungen verursachende Größen wie bsp. Temperatur, mechanischer Verschleiß oder variierende Gaskräfte kompensiert werden. Vorteilhafterweise kann auch ein (bsp. innerhalb der Lebensdauer oder innerhalb eines Wartungsintervalls der Brennkraftmaschine auftretender) sich auf die Betriebsbedingungen des Aktor-Gaswechselventil-Systems auswirkender Versatz der Mittellage des Ankers durch unterschiedliche Beeinflussung der beiden Betriebsphasen eines Betriebszyklus kompensiert werden.
Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
Hierbei zeigt
Figur 1
die schematische Schnittdarstellung eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen,
Figur 2
den Zeitverlauf der Stromvorgabe 1 an den beiden Elektromagneten des Aktors, mit
Fig. 2a Zeitverlauf der Stromvorgabe am Schließermagnet
Fig. 2b Zeitverlauf der Stromvorgabe am Öffnermagnet,
Figur 3
den Zeitverlauf des Ventilhubs s des Gaswechselventils.
Gemäß der Figur 1 besteht das Aktor-Gaswechselventil-System aus einem gegen den Gasdruck im Brennraum 3 arbeitenden Gaswechselventil 2 und einem Aktor 1 zur elektromagnetischen Steuerung (Betätigung) des Gaswechselventils 2. Der Aktor 1 weist einen Öffnermagnet 10 und einen Schließermagnet 20 auf, die als Elektromagnete jeweils aus einer Erregerspule 11, 21 und einem Joch 12, 22 bestehen; im Joch 12, 22 von Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 sind Spulenfenster zur Aufnahme der jeweiligen Erregerspule 11, 21 vorgesehen. Zur Beaufschlagung der Erregerspulen 11, 21 von Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 mit dem Betriebsstrom bzw. zum Anlegen der Betriebsspannung an Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 sind die Anschlußleitungen 13, 23 vorgesehen. Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 sind von einem Gehäuseteil 80 umgeben und durch Distanzstücke 81 (Verbindungshülsen) voneinander getrennt. Zwischen Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 ist der bsp. als rechteckförmige Ankerplatte ausgebildete Anker 30 angeordnet. Am Anker 30 ist der Stößel 70 befestigt, der die auf den Anker 30 einwirkenden Kräfte mittels der auf dem Ventilfederteller 51 aufsitzenden Ventilfeder 50 auf das Gaswechselventil 2 überträgt, wodurch der Ventilhub des Gaswechselventils 2 erzeugt wird; im Bereich der Durchführung des Stößels 70 durch den Öffnermagneten 10 ist zur Führung des Stößels 70 eine Führungshülse 71 vorgesehen. Auf dem Anker 30 liegt in der Verlängerung des Stößels 70 eine Schubstange 60 auf, die über eine Durchführung im Joch des Schließermagneten 20 die auf den Anker 30 einwirkenden Kräfte auf die auf dem Aktorfederteller 41 aufliegende Aktorfeder 40 überträgt und durch die die Aktorfeder 40 gegen den Anker 30 gepreßt wird.
Der Anker 30 wird infolge der Federkräfte der beiden Steilfedern Aktorfeder 40 und Ventilfeder 50 und der ggf. erfolgenden abwechselnden Bestromung von Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 (ggf. wird in den beiden Betriebsphasen eines Betriebszyklus jeweils entweder der Öffnermagnet 10 oder der Schließermagnet 20 mit einem Fangstrom und anschließend mit einem Haltestrom beaufschlagt) zwischen dem Öffnermagnet 10 und dem Schließermagnet 20 hin- und her bewegt. Im Ruhezustand des Aktor-Gaswechselventil-Systems wird der Anker 30 in einer Mittellage zwischen dem Öffnermagnet 10 und dem Schließermagnet 20 gehalten, das Gaswechselventil 2 befindet sich in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes und der maximalen Öffnungsposition.
Die beiden Elektromagnete Öffnermagnet 10 und Schließermagnet 20 werden in den beiden Betriebsphasen (Öffnerphase und Schließerphase) eines Betriebszyklus derart bestromt, daß an den jeweils als Zielmagnet fungierenden Elektromagneten (Öffnermagnet 10 oder Schließermagnet 20) zunächst für die Herbewegung des Ankers 30 ein Fangstrom IF und anschließend zur Fixierung bzw. Positionierung des Ankers 30 am Elektromagneten (Öffnermagnet 10 oder Schließermagnet 20) ein Haltestrom IH angelegt wird. Der Fangstrom IF wird dabei größer als der Haltestrom IH gewählt; bsp. beträgt der Fangstrom IF für den Öffnermagnet 10 12 A und für den Schließermagnet 20 10 A, der Haltestrom IH für den Öffnermagnet 10 3.0 A und für den Schließermagnet 20 2.8 A. Zur Beeinflussung der Bewegungsphase des Ankers 30, insbesondere zur gezielten und variierbaren Verzögerung (Hemmung) der Bewegung des Ankers 30, wird an den jeweils als Ausgangsmagnet fungierenden Elektromagneten (Öffnermagnet 10 oder Schließermagnet 20) eine einen Bremsstrom IB erzeugende Bremsspannung angelegt. Stromstärke und Zeitverlauf (zeitliche Lage und Zeitdauer) des Bremsstroms IB werden für die beiden Betriebsphasen (Öffnerphase und Schließerphase) eines Betriebszyklus unterschiedlich gewählt; bsp. beträgt für die erste Betriebsphase (Öffnerphase) der Bremsstrom IB 8 A, für die zweite Betriebsphase (Schließerphase) der Bremsstrom IB 15 A; bsp. wird der Bremsimpuis in der ersten Betriebsphase (Öffnerphase) 1 ms nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Öffnermagneten 10 erzeugt und besitzt eine Pulsdauer von 0.2 ms, während der Bremsimpuls in der zweiten Betriebsphase (Schließerphase) 0.5 ms nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Schließermagneten 20 erzeugt wird und eine Pulsdauer von 0.5 ms besitzt.
Gemäß der Figur 2 mit dem Zeitverlauf des Vorgabestroms I(t) an den beiden Elektromagneten 10, 20 des Aktors 1 (Figur 2a Zeitverlauf des Vorgabestroms am Schließermagnet 20 und Figur 2b Zeitverlauf des Vorgabestroms am Öffnermagnet 10) und gemäß der Figur 3 mit dem Zeitverlauf des Ventilhubs s(t) des Gaswechselventils 2 - gestaltet sich der zeitliche Ablauf eines Betriebszyklus mit den beiden Betriebsphasen Öffnerphase und Schließerphase wie folgt:
  • Zum Zeitpunkt t0 ist am Schließermagnet 20 ein Haltestrom IH angelegt (bsp. 2.8 A); das Gaswechselventil 2 ist geschlossen (Schließerphase).
  • Zum Zeitpunkt t1 wird der Haltestrom IH am Schließermagnet 20 (Ausgangsmagnet) abgeschaltet. Der Anker 30 wird danach durch die Federkräfte von Aktorfeder 40 und Ventilfeder 50 in Richtung Öffnermagnet 10 (Zielmagnet) hin bewegt; das Gaswechselventil 2 wird geöffnet und der Ventilhub s erzeugt (Ende der Schließerphase, Beginn der Öffnerphase).
  • Zum Zeitpunkt t2 (bsp. 1 ms nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Schließermagnet 20 zum Zeitpunkt t1) wird der Schließermagnet 20 (Ausgangsmagnet) mit einem Bremsstrom IB beaufschlagt (Stromstärke des Bremsstroms IB bsp. 8 A); hierdurch wird die Bewegung des Ankers 30 in Richtung Öffnermagnet 10 (Zielmagnet) hin verlangsamt bzw. gehemmt.
  • Zum Zeitpunkt t3 (bsp. 0.2 ms nach der Beaufschlagung des Schließermagneten 20 mit dem Bremsstrom IB zum Zeitpunkt t2, d.h. die Zeitdauer ΔtB des Bremsimpulses beträgt bsp. 0.2 ms) wird der Bremsstrom IB wieder abgeschaltet und hierdurch die Hemmung der Bewegung des Ankers 30 in Richtung Öffnermagnet 10 (Zielmagnet) hin aufgehoben.
  • Zum Zeitpunkt t4 (bsp. 2.5 ms nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Schließermagnet 20 zum Zeitpunkt t1 und 1.5 ms nach der Beaufschlagung des Schließermagneten 20 mit dem Bremsstrom IB zum Zeitpunkt t2) wird am Öffnermagnet 10 (Zielmagnet) ein Fangstrom IF angelegt (Stromstärke des Fangstroms IF bsp. 12 A) und hierdurch der Anker 30 zum Öffnermagnet 10 (Zielmagnet) hin gezogen; das Gaswechselventil 2 ist maximal geöffnet, d.h. der Ventilhub s des Gaswechselventils 2 ist maximal (bsp. beträgt der maximale Ventilhub smax 8 mm).
  • Zum Zeitpunkt t5 (bsp. 3.0 ms nach dem Anlegen des Fangstroms IF am Öffnermagnet 10 zum Zeitpunkt t4, d.h. das Zeitintervall zum Anlegen des Fangstroms IF beträgt bsp. 3.0 ms) wird am Öffnermagnet 10 (Zielmagnet) anstelle des Fangstroms IF der geringere Haltestrom IH angelegt (Stromstärke des Haltestroms IH bsp. 3 A); das Gaswechselventil 2 bleibt maximal geöffnet (Öffnerphase).
  • Zum Zeitpunkt t6 (bsp. 15 ms nach dem Anlegen des Haltestroms IH am Öffnermagnet 10 zum Zeitpunkt t5, d.h. das Zeitintervall zum Anlegen des Haltestroms IH beträgt bsp. 15 ms) wird der Haltestrom IH am Öffnermagnet 10 abgeschaltet und der Anker 30 durch die Federkräfte von Aktorfeder 40 und Ventilfeder 50 in Richtung Schließermagnet 20 hin bewegt (d.h. der Öffnermagnet 10 fungiert nunmehr als Ausgangsmagnet, der Schließermagnet 20 als Zielmagnet); hierdurch wird das Gaswechselventil 2 geschlossen (Ende der Öffnerphase, Beginn der Schließerphase).
  • Zum Zeitpunkt t7 (bsp. 0.5 ms nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Öffnermagneten 10 zum Zeitpunkt t6) wird der Öffnermagnet 10 (Ausgangsmagnet) mit einem Bremsstrom IB beaufschlagt (Stromstärke des Bremsstroms IB bsp. 15 A); hierdurch wird die Bewegung des Ankers 30 in Richtung Schließermagnet 20 (Zielmagnet) hin verlangsamt bzw. gehemmt.
  • Zum Zeitpunkt t8 (bsp. 0.5 ms nach der Beaufschlagung des Öffnermagneten 10 mit dem Bremsstrom IB zum Zeitpunkt t7, d.h. die Zeitdauer ΔtB des Bremsimpulses beträgt bsp. 0.5 ms) wird der Bremastrom IB wieder abgeschaltet und hierdurch die Hemmung der Bewegung des Ankers 30 in Richtung Schließermagnet 20 (Zielmagnet) hin aufgehoben.
  • Zum Zeitpunkt t9 (bsp. 2.5 ms nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Öffnermagnet 10 zum Zeitpunkt t6 und 2.0 ms nach der Beaufschlagung des Öffnermagneten 10 mit dem Bremsstrom IB zum Zeitpunkt t7) wird am Schließermagnet 20 (Zielmagnet) ein Fangstrom IF angelegt (Stromstärke des Fangstroms IF bsp. 10 A) und hierdurch der Anker 30 zum Schließermagnet 20 (Zielmagnet) hin gezogen; das Gaswechselventil 2 ist vollständig geschlossen, der Ventilhub s des Gaswechselventils 2 ist Null (Schließerphase).
  • Zum Zeitpunkt t10 (bsp. 3.5 ms nach dem Anlegen des Fangstroms IF am Schließermagnet 20 zum Zeitpunkt t9, d.h. das Zeitintervall zum Anlegen des Fangstroms IF beträgt bsp. 3.5 ms) wird am Schließermagnet 20 anstelle des Fangstroms IF der geringere Haltestrom IH angelegt (Stromstärke des Haltestroms IH bsp. 2.8 A); das Gaswechselventil 2 bleibt vollständig geschlossen (Schließerphase).
  • Nach dem Abschalten des Haltestroms IH am Schließermagnet 20 (Ende der Schließerphase) folgt der nächste Betriebszyklus mit den beiden Betriebsphasen Öffnerphase und Schließerphase (wie oben beschrieben vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t10).

Claims (10)

  1. Verfahren zur elektromagnetischen Ventilsteuerung der Gaswechselventile (2) von Brennkraftmaschinen mittels mindestens zwei Elektromagnete (10, 20) und einen Anker (30) aufweisenden Aktoren (1), wobei in sukzessiv aufeinanderfolgenden Betriebszyklen mit zwei Betriebsphasen in jeder Betriebsphase der Anker (30) von einem als Ausgangsmagnet fungierenden Elektromagneten (10; 20) zu einem als Zielmagnet fungierenden Elektromagneten (20; 10) hin bewegt wird und hierdurch mindestens eines der Gaswechselventile (2) betätigt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in mindestens einer Betriebsphase eines der Betriebszyklen während der Bewegungsphase des Ankers (30) durch den Ausgangsmagnet (10; 20) oder/und durch einen weiteren Elektromagnet ein der Bewegung des Ankers (30) entgegenwirkender Bremsimpuls erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls durch kurzzeitige Beaufschlagung des Ausgangsmagneten (10; 20) oder/und des weiteren Elektromagneten mit einem Bremsstrom (IB) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitverlauf und die Stromstärke des Bremsstroms (IB) in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsbedingungen vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls am Anfang der Bewegungsphase des Ankers (30) erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls gleichzeitig mit der Beaufschlagung des Zielmagneten (20; 10) mit einem Fangstrom (IF) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls nach der Beaufschlagung des Zielmagneten (20; 10) mit einem Fangstrom (IF) erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls unabhängig von der Bestromung des Zielmagneten (20; 10) erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls mittels eines mindestens zwei unterschiedliche Stromstärken aufweisenden Bremsstroms (IB) erzeugt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschalten des Bremsimpulses der Ausgangsmagnet (10; 20) oder/und der weitere Elektromagnet gegen die Spannungsversorgung des Aktors (1) geklemmt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls durch kurzzeitige Beaufschlagung des Ausgangsmagneten (10; 20) mit einem Bremsstrom (IB) generiert wird, und daß zur Beaufschlagung des Ausgangsmagneten (10; 20) mit dem Bremsstrom (IB) und zur Spannungsversorgung und Stromversorgung des Aktors (1) die gleichen Anschlußleitungen (13, 23) des Aktors (1) verwendet werden.
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