EP1146217A2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors Download PDF

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EP1146217A2 EP01108705A EP01108705A EP1146217A2 EP 1146217 A2 EP1146217 A2 EP 1146217A2 EP 01108705 A EP01108705 A EP 01108705A EP 01108705 A EP01108705 A EP 01108705A EP 1146217 A2 EP1146217 A2 EP 1146217A2
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    • F02D2041/2072—Bridge circuits, i.e. the load being placed in the diagonal of a bridge to be controlled in both directions

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating a highly dynamic electromagnetic lifting armature actuator according to the preamble of the claim 1.
  • An area of application for a highly dynamic electromagnetic lifting armature actuator is the electromagnetically actuated valve train of an internal combustion engine.
  • Gas exchange globe valves are opened by such actuators in an oscillating manner and closed.
  • the valve timing of the internal combustion engine can be chosen completely freely can be optimally adapted to an operating state.
  • the electromagnetic lifting armature actuator there is an armature between two electromagnets arranged and is powered by a corresponding current Electromagnetic coils between the positions “lift valve open” and “Lift valve closed” moved back and forth. That from the lifting anchor actuator and the Springs existing system is a spring-mass vibration system.
  • Fig. 3 An embodiment of such a half-bridge circuit is shown in Fig. 3.
  • a coil W at both ends via transistors T1 and T2, each with one pole of a supply voltage source connected.
  • transistors T1 and T2 are turned on the coil W is supplied with current in a certain direction (see arrow in FIG. 3).
  • the two diodes D1 and D2 form a so-called free-running branch, via which the current commutates automatically as soon as the transistors T1 and T2 turn off become. However, the current only flows in one direction the sink.
  • a disadvantage is the detachment of the armature from the laminated core of the magnet by eddy currents and influences remanence flows in the magnetic material. These effects result to the fact that there are strong scattering in the peeling time. This effect is shown in Fig. 4. This shows that the anchor's trajectory changes turn off the power can develop differently. Each of the three in FIG. 4 curves shown represents a possible movement behavior. This scatter leads to the fact that control edges cannot be adhered to exactly, which leads to negative effects Influences in engine performance and engine torque or to increase consumption and leads to a reduction in efficiency.
  • the object of the present invention is to provide a circuit arrangement with which the above disadvantages can be prevented.
  • the or each coil of an electromagnetic actuator via at least two switching elements is connected to at least one supply voltage source, namely such that current can be passed through the coil in both directions.
  • Transistors are particularly suitable as switching elements.
  • a full bridge circuit is used in which the Coil at each end via a switching element with the supply voltage source and is connected to ground via another switching element.
  • Corresponding switching of the switching elements can reverse the current in the coil become. This makes it possible, for example, to switch one off when the coil is switched off build up short current pulse in the opposite direction so that the remanence field strength can be brought to zero. A short current pulse in the opposite direction can also occur ensure a rapid reduction of eddy currents that otherwise would slowly fade away.
  • a type of half-bridge circuit is included two supply voltage sources, namely + U and -U, are used, and via the Switching elements, the coil can optionally be connected to a voltage source become. The current flow through the coil can also be reversed in this way.
  • a coil W is an electromagnetic one Actuator shown.
  • One end of the coil W is connected to the supply voltage via a transistor T3 U and connected to ground via a transistor T4.
  • the other The end of the coil W is also connected to the supply voltage via a transistor T5 U and in turn connected to ground via a transistor T6.
  • each transistor T3 to T4 is connected to diodes D3 to D6 in parallel, whose mode of operation will be explained later.
  • the diodes are D4 and D5 are provided, which serve as a freewheeling circuit.
  • the coil W can be energized in another direction.
  • the diodes D3 and D6 serve as a freewheeling circuit when the transistors T4 and T5 are blocked again.
  • the magnetic interference effects can be reduced in such a way that the period T 2 , in which scattering occurs in the detachment time, is kept very small compared to a conventional circuit arrangement (cf. duration T 2 versus duration T 1 from FIG. 1).
  • FIG. 5 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 5.
  • Coil W ' shown, which is connected to ground at one end.
  • the other end the coil W ' is via a first transistor T7 with a positive supply voltage source (+ U) and with a second transistor T8 with a negative Supply voltage source -U connected.
  • the two transistors T7 and T8 diodes D7 and D8 connected in parallel, which in turn as freewheeling diodes serve.
  • circuit arrangements can also be used allow a reversal of the current flow in the coil of the highly dynamic actuator and thus to achieve precise control edges for the operation of an internal combustion engine contribute with electromagnetically operated gas exchange valves.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors für ein Gaswechsel-Ventil eines Verbrennungsmotors mit zumindest einer Spule, die einen Anker des elektromagnetischen Aktors bei deren Bestromung anzieht.
Zur Realisierung einer exakteren Schaltweise und genauerer Steuerkanten bei einem hochdynamischen elektromagnetischen Aktors wird vorgeschlagen, die Spule derart über zumindest zwei Schaltelemente (T3-T8) mit zumindest einer Versorgungsspannungsquelle (+U, -U) zu verbinden, dass Strom in beiden Richtungen durch die Spule (W, W') geleitet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Anwendungsbereich für einen hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Dabei werden Gaswechsel-Hubventile von solchen Aktoren oszillierend geöffnet und geschlossen. Durch die Möglichkeit, die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen völlig frei zu wählen, können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an einen Betriebszustand angepaßt werden.
Bei dem elektromagnetischen Hubanker-Aktor ist ein Anker zwischen zwei Elektromagneten angeordnet und wird durch eine entsprechende Bestromung der zugehörigen Elektromagnet-Spulen zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen" hin und her bewegt. Das aus dem Hubanker-Aktor und den Federn bestehende System stellt dabei ein Feder-Masse-Schwingungssystem dar.
Herkömmlicherweise werden bei der Ansteuerung dieser Spulen Halbbrücken-Schaltungen verwendet. Eine Ausführungsform einer solchen Halbbrücken-Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist eine Spule W an ihren beiden Enden über Transistoren T1 und T2 mit jeweils einem Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden. Bei einem Durchschalten der beiden Transistoren T1 und T2 wird die Spule W mit Strom in einer bestimmten Richtung (vgl. Pfeil in Fig. 3) beaufschlagt. Die zwei Dioden D1 und D2 bilden einen sogenannten Freilaufzweig, über den der Strom selbständig kommutiert, sobald die Transistoren T1 und T2 abgeschalten werden. Der Strom fließt jedoch in jedem Fall nur in einer Richtung durch die Spule.
Nachteilig wird das Ablösen des Ankers vom Blechpaket des Magneten durch Wirbelströme und Remanenzflüsse im Magnetmaterial beeinflußt. Diese Effekte führen dazu, dass zum Teil starke Streuungen in der Ablösezeit auftreten. Dieser Effekt ist in Fig. 4 dargestellt. Darin ist zu erkennen, dass sich die Flugbahn des Ankers nach dem Abschalten des Stroms unterschiedlich entwickeln kann. Jede der drei in Fig. 4 dargestellten Kurven stellt ein mögliches Bewegungsverhalten dar. Diese Streuung führt dazu, dass Steuerkanten nicht exakt eingehalten werden können, was zu negativen Einflüssen in der Motorleistung und im Motormoment bzw. zu einer Verbrauchserhöhung und einer Reduzierung des Wirkungsgrades führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der die obigen Nachteile verhindert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Demgemäß ist es ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung, dass die bzw. jede Spule eines elektromagnetischen Aktors über zumindest zwei Schaltelemente mit zumindest einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, und zwar derart, dass Strom in beiden Richtungen durch die Spule geleitet werden kann.
Als Schaltelemente eignen sich in besonderer Weise Transistoren.
In einer Ausführungsform wird eine Vollbrückenschaltung verwendet, bei der die Spule an jedem Ende jeweils über ein Schaltelement mit der Versorgungsspannungsquelle und über ein anderes Schaltelement mit Masse verbunden ist. Durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente kann der Strom in der Spule umgekehrt werden. Damit ist es beispielsweise möglich, beim Abschalten der Spule einen kurzen Stromimpuls in die Gegenrichtung aufzubauen, so dass die Remanenzfeldstärke auf Null gebracht werden kann. Ebenso kann ein kurzer Stromimpuls in Gegenrichtung für einen schnellen Abbau der Wirbelströme sorgen, die ansonsten langsam ausklingen würden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Art Halbbrückenschaltung mit zwei Versorgungsspannungsquellen, nämlich +U und -U, verwendet, und über die Schaltelemente kann die Spule wahlweise mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Auch so kann der Stromfluß durch die Spule umgekehrt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1
ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2
zwei Diagramme, aus denen das Ablöseverhalten eines mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betriebenen Aktors erkennbar ist,
Fig. 3
ein Schaltbild einer herkömmlichen Schaltungsanordnung,
Fig. 4
zwei Diagramme, aus denen das Ablöseverhalten eines mit der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung betriebenen Aktors erkennbar ist und
Fig. 5
ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist eine Spule W eines elektromagnetischen Aktors dargestellt. Ein Ende der Spule W ist über einen Transistor T3 mit der Versorgungsspannung U und über einen Transistor T4 mit Masse verbunden. Das andere Ende der Spule W ist über einen Transistor T5 ebenfalls mit der Versorgungsspannung U und über einen Transistor T6 wiederum mit Masse verbunden.
Ferner sind jedem Transistor T3 bis T4 jeweils Dioden D3 bis D6 parallgeschaltet, deren Wirkungsweise später erläutert wird.
Werden die beiden Transistoren T3 und T6 gleichzeitig durchgeschalten, so kann ein Strom durch die Spule W geschickt werden, wie dies auch bei der herkömmlichen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 möglich war. Die Transistoren T4 und T5 sind dabei gesperrt.
Beim Abschalten der Transistoren T3 und T6 kommt es dann zum Aufbau einer Induktionsspannung, welche versucht, den Strom durch die Spule aufrechtzuerhalten. Damit keine Beschädigung der vorhandenen Transistoren auftritt, sind die Dioden D4 und D5 vorgesehen, welche als Freilaufschaltung dienen.
Werden nach dem Sperren der Transistoren T3 und T6 dann die Transistoren T4 und T5 durchgeschalten, so kann die Spule W in anderer Richtung bestromt werden.
Die Dioden D3 und D6 dienen dann als Freilaufschaltung, wenn die Transistoren T4 und T5 wiederum gesperrt werden.
Insgesamt ist es mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung möglich, die Spule stromflussmäßig in beiden Richtungen zu betreiben. Damit kann man nach einem Abschalten der Spule durch kurzzeitige Bestromung in die andere Richtung beispielsweise eine geringe magnetische Feldstärke und einen entsprechenden Fluß erzeugen, der zum Abbau der Wirbelströme bzw. der Remanenzfeldstärke beiträgt. Das daraus resultierende Ergebnis ist in Fig. 2 näher dargestellt. Gemäß dem Strom-Zeit-Diagramm (Strom-t-Diagramm) wird der Strom zu einem Zeitpunkt abgeschalten und fällt zunächst auf Null. Hat er dann den Wert Null erreicht, wird kurzzeitig ein Strom in der anderen Richtung durch die Spule W geschickt, was durch einen negativen Ausschlag im Strom-Zeit-Diagramm der Fig. 2 zu erkennen ist. Aufgrund dieser Maßnahme können die magnetischen Störeffekte so verringert werden, dass der Zeitraum T2, in dem Streuungen in der Ablösezeit auftreten, gegenüber einer herkömmlichen Schaltungsanordnung sehr klein gehalten werden (vgl. Dauer T2 gegenüber Dauer T1 aus Fig. 1).
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Dort ist eine Spule W' gezeigt, die an einem Ende mit Masse verbunden ist. Das andere Ende der Spule W' ist über einen ersten Transistor T7 mit einer positiven Versorgungsspannungsquelle (+U) und mit einem zweiten Transistor T8 mit einer negativen Versorgungsspannungsquelle -U verbunden. Zudem sind den beiden Transistoren T7 und T8 jeweils Dioden D7 bzw. D8 parallelgeschaltet, die wiederum als Freilaufdioden dienen.
Wird nun der erste Transistor T7 durchgeschalten, so fließt ein Strom von +U über die Spule W' zu Masse. Durch Sperren des Transitors T7 und Durchschalten des Transistors T8 kann ein Stromfluß von Masse zu -U erreicht werden. Dabei ist der Stromfluß in der Spule W' gegenüber dem vorherigen Stromfluß umgekehrt, so dass sich auch mit dieser Schaltungsanordnung eine kurzzeitige Stromflußumkehr zur Vermeidung oder Verminderung eines Remanenfluß- oder Wirbelstromeffektes erreichen läßt.
Natürlich können auch anderen Schaltungsanordnungen verwendet werden, die eine Umkehr des Stromflußes in der Spule des hochdynamischen Aktors erlauben und damit zum Erreichen von genauen Steuerkanten für den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit elektromagnetisch betriebenen Gaswechsel-Ventilen beitragen.
Durch die Realisierung eines erheblich exakteren Ablöseverhaltens kann der Motor besser ausgenützt werden. Dies bedeutet insgesamt weniger Klopfneigung, mehr Leistung und Drehmoment bzw. einen höheren Wirkungsgrad und eine Verbrauchsreduzierung.

Claims (6)

  1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines hochdynamischen elektromagnetischen Hubanker-Aktors für ein Gaswechsel-Ventil eines Verbrennungsmotors mit zumindest eine Spule, die einen Anker des elektromagnetischen Aktors bei deren Bestromung anzieht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Spule derart über zumindest zwei Schaltelemente (T3-T8) mit zumindest einer Versorgungsspannungsquelle (+U, -U) verbunden ist, dass Strom in beiden Richtungen durch die Spule (W, W') geleitet werden kann.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelemente Transistoren (T3-T8) verwendet sind.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Vollbrückenschaltung mit vier Schaltelementen, insbesondere vier Transistoren (T3-T6), vorgesehen ist, wobei die Spule (W) an jedem Ende jeweils über ein Schaltelement (T3, T5) mit der Versorgungsspannungsquelle (+U) und über ein anderes Schaltelement (T4, T6) mit Masse verbunden ist.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Absicherung der Transistoren jeweils Dioden (D3-D6) parallelgeschaltet sind.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Spule (W') mit Masse und das andere Ende der Spule über ein erstes Schaltelement (T7) mit einer positiven Versorgungsquelle (+U) und über ein zweites Schaltelement (T8) mit einer negativen Versorgungsquelle (-U) verbunden ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass beide Schaltelemente als Transistoren (T7, T8) ausgeführt sind, welche durch parallelgeschaltete Dioden (D7, D8) abgesichert sind.
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