EP1090209B1

EP1090209B1 - Method for starting an electromechanical regulating device especially designed for controlling the charge cycle in an internal combustion engine

Info

Publication number: EP1090209B1
Application number: EP99932723A
Authority: EP
Inventors: Volker Warnecke; James Nitkiewicz; Hanspeter Zink
Original assignee: Siemens AG; Siemens Automotive Corp
Current assignee: Siemens AG; Continental Automotive 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: JP2002519858A; US20010025611A1; EP1090209A1; US6308668B2; WO2000000720A1; DE59903180D1

Description

Verfahren zum Starten eines elektromechanischen Stellgeräts, das insbesondere zum Steuern des Gaswechsels bei einer Brennkraftmaschine vorgesehen istMethod for starting an electromechanical actuator, this in particular for controlling the gas exchange in an internal combustion engine is provided

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.A known actuator (DE 33 07 070 C2) has an actuator, which is designed as a gas exchange valve, and one Actuator. The actuator has two electromagnets, between which each against the force of a restoring means an anchor plate of an anchor is movably mounted. To the Starting the actuator, d. H. to move the anchor out of a static rest position towards the system with one of the electromagnets, the coils of the electromagnets near the Natural frequency of the spring-mass system to vibrations with increasing Amplitude excited. However, this method is unreliable at very low temperatures (e.g. <-20 ° C) and if the static rest position of the anchor is different from its geometric middle position between the contact surfaces of the two electromagnets.

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. Another known actuator (US 5,671,705) has one Actuator and an actuator with a first electromagnet, which has a first coil, a second electromagnet, which has a second coil, one between contact surfaces of the first and second electromagnet movable armature and two reset means mechanically coupled to the armature are. To start this electromechanical actuator the first coil is energized until the armature plate from a static rest position in contact with the first electromagnet has arrived. Such an actuator has the disadvantage that the first coil can be energized with a very high current must and the electromagnet dimensioned accordingly large if a reliable start-dependent operation and environmental conditions should be possible.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Starten eines elektromechanischen Stellgeräts zu schaffen, daß unabhängig von Betriebs- und Umgebungsbedingungen zuverlässig ist.The object of the invention is to provide a method for starting to create an electromechanical actuator that is independent of operating and environmental conditions reliably is.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by the features of patent claim 1. Advantageous refinements of the invention result from the subclaims.

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.The invention is characterized in that first the second The coil is energized until a first predetermined condition is satisfied, and then the first coil is energized from the time on which a second condition is met until the anchor for contact with the contact surface of the first electromagnet comes. The advantages of the invention come in particular to bear when the actuator as an exhaust valve Internal combustion engine is formed. The static rest position the anchor is then advantageous from the geometric center position adjusted to the open position of the exhaust valve. So can make the exhaust valve easier against the gas forces in the cylinder the internal combustion engine can be opened.

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.

An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the schematic drawings. Show it:

Figure 1:: an arrangement of an actuator in an internal combustion engine,
Figure 2:: Waveforms of the current I_S1 through the first coil and the current I_S2 through the second coil, a spring force F_F, an electromagnetic actuating force F_MAG and a position X of the armature plate.

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.An actuator (Figure 1) comprises an actuator 1 and Actuator 2, which is designed, for example, as a gas exchange valve and has a shaft 21 and a plate 22. The Actuator 1 has a housing 11 in which a first and a second electromagnet are arranged. The first electromagnet has a first core 12 in which in an annular Nut is embedded in a first coil 13. The second electromagnet has a second core 14 in which in another annular groove a second coil 15 is embedded. An anchor is provided, the anchor plate 16 in the housing 11th movable between the contact surfaces 17a, 17b of the first and second electromagnet is arranged. The anchor includes the further an anchor shaft 17, which is formed by recesses in the first and second core 12, 14 is guided and with the Shaft 21 of the actuator 2 via a hydraulic lash adjuster 19 can be coupled. The hydraulic lash adjuster 19 equals manufacturing inaccuracies of the armature, the electromagnet, the resetting means 18a, 18b of the Actuator 2 and the cylinder head 31. The game compensation element 19 is with the oil circuit of the internal combustion engine connected. The hydraulic pressure in the lash adjuster 19 becomes during the operation of the internal combustion engine set by an oil pump, not shown. If the If the internal combustion engine is not in operation, the oil pressure drops from what leads to an adjustment of a static rest position X_R the anchor plate 16 from a geometric center position X_G the anchor plate 16 towards an open position X_A2 Has. The first reset means 18a and the second reset means 18b clamp the anchor plate in the rest position X_R in front. The resetting means 18a, 18b are preferably springs educated.

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.The actuator is rigidly connected to a cylinder head 31. The cylinder head 31 has an intake port 32 and a cylinder 33 associated with a piston 34. The piston 34 is over a Connecting rod 35 coupled to a crankshaft 36. the An exhaust duct 39 is also assigned to cylinder head 21. In this embodiment, the actuator 2 as an exhaust valve educated. However, it can also be used as an inlet valve of the cylinder 33 may be formed.

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.A control device 4 is provided, the signals from sensors detected and control signals generated, depending on them the first or the second coil 13, 15 of the actuator of a power controller 6a, 6b can be controlled. The sensors are designed as a first ammeter 5a, the one Current through the first coil 13 or a current in the power controller 5a detected, or as a second ammeter 5b, the current through the second coil 15 or in the power controller 6b detected. Furthermore, a position sensor 19a is in the Housing 11 arranged the position of the armature and thus the anchor plate 16 is detected. In addition to the sensors mentioned above there are also other sensors.

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.In the control device 4 there is one for each of the coils 13, 15 Regulator provided that the current through the respective coil 13, 15 regulates to a predetermined setpoint. The controller is preferably designed as a two-point controller. If the first coil 13 and second coil 15 longer than a predetermined one Period (e.g. 5 seconds) are not energized - this is e.g. B. in the operating state of the engine stop of the internal combustion engine the case -, the anchor plate 16 is in their rest position X_R. The rest position X_R is of the geometric Middle position X_G towards the open position X_A2 postponed. This has the advantage that when the Actuator the anchor plate lighter and with greater force in Direction of the open position X_A2 can be moved and thus a safe opening of the actuator 2, which acts as an exhaust valve is guaranteed against the high gas forces in the cylinder 33 is. If the oil pressure in the oil circuit of the internal combustion engine drops, like this B. in the operating state of the engine stop the internal combustion engine because of the switched off oil pump is the case, the rest position X_R shifts the anchor plate 16 further in the direction of the open position X_A2. When the internal combustion engine starts, all gas exchange valves are (Intake and exhaust valves) first the one closing the cylinder Position. At the start of the internal combustion engine the actuator is also started. When starting the The control device 4 first energizes the control device the second coil 15 controlled until a first predetermined Condition is met. Then the first coil 13 from the time when a second condition is met energized until the armature for contact with the contact surface 17a of the first electromagnet comes and is held on it can. The first condition is preferably that the anchor has reached a predetermined first position X_1 at which the potential energy supplied is sufficient to be converted the potential energy in kinetic energy its position so far in the direction of the closed position X_A1 that the force caused by energizing the first coil 13 on the anchor plate 16 is sufficient to the anchor plate 16 Bring system with the contact surface 17a, i.e. in the Bring closing position X_A1.

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.The second condition is preferably that the anchor is a has reached the predetermined second position X_2. The second position X_A2 can easily be identical to the first position X_1. But it can also be advantageous between the first position X_1 and the rest position X_R, whereby the power loss of the first coil 13 is reduced.

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.The lowest power loss in the first coil 13 is given if the second position X_2 is roughly the rest position X_R is. The predetermined first and second positions X_1, X_2 can be fixed, so z. B. by experiments on one Test bench have been determined. If the first position X_1 and / or the second position X_2 depends on the temperature TOIL the oil of the oil circuit, the anchor can be very precise the energy required to tighten the anchor plate 16 to the Closing position X_A1 are fed, as this is essential depends on the viscosity of the oil. In another embodiment the first and second positions depend on the invention X-1, X_2 from the time course of the movement of the armature. For this purpose, the position of the anchor is specified in fixed Time intervals recorded and derived from the speed curve, where the first and / or second position will be X_1, X_2 need to secure the anchor plate 16 to the system with the contact surface To bring 17a.

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.FIG. 2a shows the time profile of the current I_S1 and I_S2 applied by the first coil 13 and the second coil 15 over time t. Figure 2b shows the course of the spring force F_F caused by the resetting means 18a, b and the course of the electromagnetic actuating force F_MAG plotted over time t. Figure 2c shows the course of the Position X of the anchor plate 16 plotted over time t. The scale of the time axis of FIGS. 2a, 2b, 2c is in each case the same.

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.At a time t ₀ the actuator starts. The current I_S2 through the second coil 15 is regulated to a first setpoint SP1 up to a time t ₁ . At the time t ₁ , the anchor plate 16 has reached the first position X_1. From this point in time, the setpoint of the current I_S2 through the second coil is set to zero amperes. At the same time, the setpoint of the current I_S1 is set to the first setpoint SP1 by the first coil 13 until the armature plate 16 reaches the closed position X_A1 at the time t ₂ . After the point in time t ₂ , the setpoint value of the current I_S1 through the first coil is set to a holding value which is predetermined such that the electromagnetic actuating force F_MAG produced is sufficient to hold the armature plate 16 in the closed position X_A1.

Claims

Method for starting an electromechanical actuator control unit, which has a final control element (2) and an actuator (1) with

a first electromagnet, which has a first coil (13)

a second electromagnet, which has a second coil (15)

an armature which can move between the contact surfaces (17a, 17b) of the first and second electromagnets and

at least one reset device (18a, 18b), linked mechanically to the armature;

with successive stages:

Current is passed through the second coil (15) until a first predefined condition is fulfilled, whereby the first condition is fulfilled when the armature has reached a predefined first position (X_1) and the first position (X_1) is different from an open position (X_A2) and a closed position (X_A1) on the relevant contact surfaces (17A, 17B), and

Current is passed through the first coil (13) from the time when a second condition is fulfilled, until the armature comes into contact with the contact surface (17a) of the first electromagnet.
Method according to Claim 1, characterised in that the second condition is that the armature has reached a predefined second position (X_2).
Method according to Claim 2, characterised in that the second position (X_2) is between the first position (X_1) and the neutral position (X_R).
Method according to Claim 3, characterised in that the second position (X_2) is around the neutral position (X_R), in which the armature lies before the electromechanical actuator control unit starts up.
Method according to one of Claims 1 to 4, characterised in that the first position (X_1 ) depends on the temperature (TOIL) of the oil.
Method according to one of Claims 1 to 5, characterised in that the first position (X_1) depends on the pattern over time of the movement of the armature.
Method according to one of Claims 2 to 6, characterised in that the second position (X_2) depends on the pattern over time of the movement of the armature.