EP1090209B1

EP1090209B1 - Verfahren zum starten eines elektromechanischen stellgeräts, das insbesondere zum steuern des gaswechsels bei einer brennkraftmaschine vorgesehen ist

Info

Publication number: EP1090209B1
Application number: EP99932723A
Authority: EP
Inventors: Volker Warnecke; James Nitkiewicz; Hanspeter Zink
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp; Siemens Automotive Corp; Siemens Automotive LP
Current assignee: Siemens AG; Aumovio Systems Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2002-10-23
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: US6308668B2; DE59903180D1; US20010025611A1; EP1090209A1; JP2002519858A; WO2000000720A1

Description

Verfahren zum Starten eines elektromechanischen Stellgeräts, das insbesondere zum Steuern des Gaswechsels bei einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist

Ein bekanntes Stellgerät (DE 33 07 070 C2) hat ein Stellglied, das als Gaswechselventil ausgebildet ist, und einen Stellantrieb. Der Stellantrieb weist zwei Elektromagnete auf, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmittels eine Ankerplatte eines Ankers beweglich gelagert ist. Zum Starten des Stellgeräts, d. h. zum Bewegen des Ankers aus einer statischen Ruhelage hin zur Anlage mit einem der Elektromagnete, werden die Spulen der Elektromagnete in der Nähe der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems zu Schwingungen mit zunehmender Amplitude angeregt. Dieses Verfahren ist jedoch unzuverlässig bei sehr niedrigen Temperaturen (z. B. < -20 °C) und wenn die statische Ruhelage des Ankers verschieden ist von seiner geometrischen Mittellage zwischen den Anlageflächen der beiden Elektromagnete.

Ein weiteres bekanntes Stellgerät (US 5,671,705) hat ein Stellglied und einen Stellantrieb mit einem ersten Elektromagneten, der eine erste Spule hat, einen zweiten Elektromagneten, der eine zweite Spule hat, einen zwischen Anlageflächen des ersten und zweiten Elektromagneten beweglichen Anker und zwei Rückstellmittel, die mit dem Anker mechanisch gekoppelt sind. Zum Starten dieses elektromechanischen Stellgeräts wird die erste Spule bestromt, bis die Ankerplatte aus einer statischen Ruhelage in Anlage mit dem ersten Elektromagneten gelangt ist. Ein derartiges Stellgerät hat den Nachteil, daß die erste Spule mit einem sehr hohen Strom bestromt werden muß und der Elektromagnet entsprechend groß dimensioniert werden muß, wenn ein zuverlässiger startabhängig von Betriebs- und Umgebungsbedingungen möglich sein soll.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Starten eines elektromechanischen Stellgeräts zu schaffen, daß unabhängig von Betriebs- und Umgebungsbedingungen zuverlässig ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zuerst die zweite Spule bestromt wird, bis eine erste vorgegebene Bedingung erfüllt ist, und dann die erste Spule von dem Zeitpunkt bestromt wird, an dem eine zweite Bedingung erfüllt ist, bis der Anker zur Anlage mit der Anlagefläche des ersten Elektromagneten kommt. Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere zum Tragen, wenn das Stellglied als Auslaßventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Die statische Ruhelage des Ankers ist dann vorteilhaft von der geometrischen Mittellage hin zur Offenposition des Auslaßventils verstellt. So kann das Auslaßventil einfacher gegen die Gaskräfte im Zylinder der Brennkraftmaschine geöffnet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1:: eine Anordnung eines Stellgeräts in einer Brennkraftmaschine,
Figur 2:: Signalverläufe des Stroms I_S1 durch die erste Spule und des Stroms I_S2 durch die zweite Spule, einer Federkraft F_F, einer elektromagnischen Stellkraft F_MAG und einer Position X der Ankerplatte.

Ein Stellgerät (Figur 1) umfaßt einen Stellantrieb 1 und ein Stellglied 2, das beispielsweise als Gaswechselventil ausgebildet ist und einen Schaft 21 und einen Teller 22 hat. Der Stellantrieb 1 hat ein Gehäuse 11, in dem ein erster und eine zweiter Elektromagnet angeordnet sind. Der erste Elektromagnet hat einen ersten Kern 12, in den in einer ringförmigen Nut eine erste Spule 13 eingebettet ist. Der zweite Elektromagnet hat einen zweiten Kern 14, in den in einer weiteren ringförmige Nut eine zweite Spule 15 eingebettet ist. Ein Anker ist vorgesehen, dessen Ankerplatte 16 in dem Gehäuse 11 beweglich zwischen den Anlageflächen 17a, 17b der ersten und zweiten Elektromagnete angeordnet ist. Der Anker umfaßt des weiteren ein Ankerschaft 17, der durch Ausnehmungen des ersten und zweiten Kerns 12, 14 geführt ist und der mit dem Schaft 21 des Stellgliedes 2 über ein hydraulisches Spielausgleichselement 19 koppelbar ist. Das hydraulische Spielausgleichselement 19 gleicht Fertigungsungenauigkeiten des Ankers, der Elektromagnete, der Rückstellmittel 18a, 18b des Stellglieds 2 und des Zylinderkopfes 31 aus. Das Spielausgleichselement 19 ist mit dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Der Hydraulikdruck in dem Spielausgleichselement 19 wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine durch eine nicht dargestellte Ölpumpe eingestellt. Wenn die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist, sinkt der Öldruck ab, was zu einem Verstellen einer statischen Ruheposition X_R der Ankerplatte 16 von einer geometrischen Mittelposition X_G der Ankerplatte 16 hin zu einer Offenposition X_A2 zur Folge hat. Das erste Rückstellmittel 18a und das zweite Rückstellmittel 18b spannen die Ankerplatte in die Ruheposition X_R vor. Die Rückstellmittel 18a, 18b sind vorzugsweise als Federn ausgebildet.

Das Stellgerät ist mit einem Zylinderkopf 31 starr verbunden. Dem Zylinderkopf 31 ist ein Ansaugkanal 32 und ein Zylinder 33 mit einem Kolben 34 zugeordnet. Der Kolben 34 ist über eine Pleuelstange 35 mit einer Kurbelwelle 36 gekoppelt. Dem Zylinderkopf 21 ist ferner ein Abgaskanal 39 zugeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Stellglied 2 als Auslaßventil ausgebildet. Es kann jedoch ebenso als Einlaßventil des Zylinders 33 ausgebildet sein.

Eine Steuereinrichtung 4 ist vorgesehen, die Signale von Sensoren erfaßt und Stellsignale erzeugt, in deren Abhängigkeit die erste oder die zweite Spule 13, 15 des Stellgeräts von einem Leistungssteller 6a, 6b angesteuert werden. Die Sensoren sind ausgebildet als erster Strommesser 5a, der einen Strom durch die erste Spule 13 oder einen Strom in dem Leistungssteller 5a erfaßt, oder als ein zweiter Strommesser 5b, der den Strom durch die zweite Spule 15 oder im Leistungssteller 6b erfaßt. Ferner ist ein Positionssensor 19a in dem Gehäuse 11 angeordnet, der die Position des Ankers und somit der Ankerplatte 16 erfaßt. Neben den erwähnten Sensoren können auch noch weitere Sensoren vorhanden sein.

In der Steuereinrichtung 4 ist für jede der Spulen 13, 15 ein Regler vorgesehen, der den Strom durch die jeweilige Spule 13, 15 auf einen vorgegebenen Sollwert regelt. Der Regler ist vorzugsweise als ein Zweipunkt-Regler ausgebildet. Wenn die erste Spule 13 und die zweite Spule 15 länger als eine vorgegebene Zeitdauer (z. B. 5 Sekunden) nicht bestromt werden - dies ist z. B. im Betriebszustand des Motor-Stops der Brennkraftmaschine der Fall -, befindet sich die Ankerplatte 16 in ihrer Ruheposition X_R. Die Ruheposition X_R ist von der geometrischen Mittelposition X_G hin zu der Offenposition X_A2 verschoben. Dies hat den Vorteil, daß bei einem Betrieb des Stellgeräts die Ankerplatte leichter und mit höherer Kraft in Richtung der Offenposition X_A2 bewegt werden kann und somit ein sicheres Öffnen des Stellgliedes 2, das als Auslaßventil ausgebildet ist gegen die hohen Gaskräfte im Zylinder 33 gewährleistet ist. Sinkt der Öldruck im Ölkreislauf der Brennkraftmaschine, wie dies z. B. in dem Betriebszustand des Motorstops der Brennkraftmaschine wegen der abgeschalteten Ölpumpe der Fall ist, so verschiebt sich die Ruheposition X_R der Ankerplatte 16 weiter in Richtung der Offenposition X_A2. Beim Start der Brennkraftmaschine sind alle Gaswechselventile (Einlaß- und Auslaßventile) zuerst die den Zylinder verschließende Stellung zu bringen. Beim Start der Brennkraftmaschine wird auch das Stellgerät gestartet. Beim Starten des Stellgeräts wird von der Steuereinrichtung 4 zuerst ein Bestromen der zweiten Spule 15 gesteuert, bis eine erste vorgegebene Bedingung erfüllt ist. Dann wird die erste Spule 13 von dem Zeitpunkt, in dem eine zweite Bedingung erfüllt ist bestromt, bis der Anker zur Anlage mit der Anlagefläche 17a des ersten Elektromagneten kommt und an dieser gehalten werden kann. Die erste Bedingung ist vorzugsweise, daß der Anker eine vorgegebene erste Position X_1 erreicht hat, bei der die zugeführte potentielle Energie ausreicht, um durch Umwandeln der potentiellen Energie in kinetische Energie seine Position soweit in Richtung der Schließposition X_A1 zu verlagern, daß die durch das Bestromen der ersten Spule 13 bewirkte Kraft auf die Ankerplatte 16 ausreicht, um die Ankerplatte 16 zur Anlage mit der Anlagefläche 17a zu bringen, d.h. in die Schließposition X_A1 zu bringen.

Die zweite Bedingung ist vorzugsweise, daß der Anker eine vorgegebene zweite Position X_2 erreicht hat. Die zweite Position X_A2 kann sehr einfach identisch mit der ersten Position X_1 sein. Sie kann aber vorteilhaft auch zwischen der ersten Position X_1 und der Ruheposition X_R sein, wodurch die Verlustleistung der ersten Spule 13 verringert wird.

Die geringste Verlustleistung in der ersten Spule 13 ist gegeben, wenn die zweite Position X_2 in etwa die Ruheposition X_R ist. Die vorgegebene erste und zweite Position X_1, X_2 können fest vorgegeben sein, so z. B. durch Versuche an einem Prüfstand ermittelt worden sein. Wenn die erste Position X_1 und/oder die zweite Position X_2 abhängt von der Temperatur TOIL des Öls des Ölkreislaufs, kann dem Anker sehr präzise die benötigte Energie zum Anziehen der Ankerplatte 16 an die Schließposition X_A1 zugeführt werden, da diese wesentlich von der Viskosität des Öls abhängt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung hängen die erste und zweite Position X-1, X_2 ab von dem zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ankers. Dazu wird die Position des Ankers in fest vorgegebenen Zeitabständen erfaßt und aus dem Geschwindigkeitsverlauf abgeleitet, wo die erste und/oder zweite Position X_1, X_2 sein müssen, um die Ankerplatte 16 sicher zur Anlage mit der Anlagefläche 17a zu bringen.

Figur 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des Stroms I_S1 und I_S2 durch die erste Spule 13 und die zweite Spule 15 aufgetragen über die Zeit t. Figur 2b zeigt den Verlauf der Federkraft F_F, die durch die Rückstellmittel 18a, b hervorgerufen wird und den Verlauf der elektromagnetischen Stellkraft F_MAG aufgetragen über die Zeit t. Figur 2c zeigt den Verlauf der Position X der Ankerplatte 16 aufgetragen über die Zeit t. Der Maßstab der Zeitachse der Figuren 2a, 2b, 2c ist jeweils derselbe.

Zu einem Zeitpunkt t₀ beginnt das Starten des Stellgeräts. Der Strom I_S2 durch die zweite Spule 15 wird bis zu einem Zeitpunkt t₁ auf einen ersten Sollwert SP1 geregelt. Zu dem Zeitpunkt t₁ hat die Ankerplatte 16 die erste Position X_1 erreicht. Der Sollwert des Stroms I_S2 durch die zweite Spule wird ab diesem Zeitpunkt auf null Ampere gesetzt. Gleichzeitig wird der Sollwert des Stroms I_S1 durch die erste Spule 13 auf den ersten Sollwert SP1 gesetzt, bis die Ankerplatte 16 im Zeitpunkt t₂ die Schließposition X_A1 erreicht. Nach dem Zeitpunkt t₂ wird der Sollwert des Stroms I_S1 durch die erste Spule auf einen Haltewert gesetzt, der so vorgegeben ist, daß die hervorgerufene elektromagnetische Stellkraft F_MAG ausreicht, um die Ankerplatte 16 in der Schließposition X_A1 zu halten.

Claims

Verfahren zum Starten eines elektromechanischen Stellgeräts, das ein Stellglied (2) und einen Stellantrieb (1) hat mit

einem ersten Elektromagneten, der eine erste Spule (13) hat,

einem zweiten Elektromagneten, der eine zweite Spule (15) hat,

einem zwischen Anlageflächen (17a, 17b) des ersten und zweiten Elektromagneten beweglichen Anker und

mindestens einem Rückstellmittel (18a, 18b), das mit dem Anker mechanisch gekoppelt ist;

mit aufeinander folgenden Schritten:

Bestromen der zweiten Spule (15) bis eine erste vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wobei die erste Bedingung erfüllt ist, wenn der Anker eine vorgegebene erste Position (X_1) erreicht hat, und sich die erste Position (X_1) getrennt von einer Offenposition (X_A2) und einer Schließposition (X_A1) an den jeweiligen Anlageflächen (17A, 17B) befindet, und

Bestromen der ersten Spule (13) von dem Zeitpunkt, an dem eine zweite Bedingung erfüllt ist, bis der Anker zur Anlage mit der Anlagefläche (17a) des ersten Elektromagneten kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bedingung ist, daß der Anker eine vorgegebene zweite Position (X_2) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Position (X_2) zwischen der ersten Position (X_1) und der Ruheposition (X_R) ist.
Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Position (X_2) in etwa die Ruheposition (X_R) ist, in der der Anker vor dem Start des elektromechanischen Stellgeräts ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste Position (X_1) abhängt von der Temperatur (TOIL) des Öls.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Position (X_1) abhängt von dem zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ankers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Position (X_2) abhängt von dem zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ankers.