WO2000073635A1 - Verfahren zur endlagenansteuerung eines durch einen elektromagnetischen aktuator betätigten gaswechselventils an einer kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur endlagenansteuerung eines durch einen elektromagnetischen aktuator betätigten gaswechselventils an einer kolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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WO2000073635A1
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gas exchange
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exchange valve
electromagnets
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Hans Kemper
Christian Boie
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Fev Motorentechnik Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L2009/4086—Soft landing, e.g. applying braking current; Levitation of armature close to core surface
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    • F01L9/40—Methods of operation thereof; Control of valve actuation, e.g. duration or lift
    • F01L2009/4098—Methods of operation thereof; Control of valve actuation, e.g. duration or lift relating to gap between armature shaft and valve stem end

Definitions

  • An electromagnetic actuator for actuating a gas exchange valve on a piston internal combustion engine essentially consists of two spaced apart
  • Electromagnets the pole faces of which face each other and between which an armature acting on the gas exchange valve to be actuated is guided back and forth against the force of at least one return spring between an open position and a closed position for the gas exchange valve.
  • One of the electromagnets serves as a closing magnet, by means of which the gas exchange valve is held in the closed position against the force of the opening spring, while the other electromagnet serves as an opening magnet, by means of which the gas exchange valve is held in the open position against the force of the associated closing spring via the armature.
  • the arrangement is such that the armature is in a central position between the two pole faces in the rest position.
  • the armature When the two electromagnets are energized alternately, the armature then comes to bear against the force of a return spring on the pole face of the electromagnet that is energized and thus trapped. If the holding current is switched off at the respective holding electromagnet, the armature is accelerated by the force of the return spring in the direction of the other electromagnet, which is subjected to a correspondingly high capture current during the armature movement, so that after the overshoot over the The center position of the armature comes into contact with the magnetic force against the force of the return spring associated with the electromagnet now catching.
  • the electromagnetic actuator is controlled as a function of the operating data of the piston internal combustion engine available to the engine control, essentially the load requirement and the speed. If, for example, the gas exchange valve is in its closed position, ie the armature is in contact with the closing magnet, the control is essentially time-dependent, ie via the engine control system taking into account the crankshaft position and the parameters from the load specification, which each indicate the opening and closing times for the gas exchange valve. Switching off the relatively low holding current initiates the start of the armature movement, so that the catching current on the catching electromagnet can be switched on at a predeterminable time interval after switching off the holding current. The time interval can be determined using previous empirical data or theoretical data.
  • the magnetic force increases progressively as the armature approaches the pole face of the capturing electromagnet with constant current, while the force of the return spring acting in the opposite direction only increases linearly.
  • the armature moves in the final phase shortly before hitting the pole face of the capturing electromagnet with increasing acceleration, so that there is a hard impact of the armature on the pole face, which is disadvantageous in many respects, for example due to the body - and airborne sound excitation and the resulting noise.
  • an attempt is made to reduce the capture current shortly before the armature strikes the pole face of the respective capturing electromagnet by means of a corresponding control, the approach of the armature being detected by means of a sensor system.
  • the invention is based on the object of creating a method which enables a much more precise control of an electromagnetic actuator and avoids noise.
  • a method for actuating an electromagnetic actuator for actuating a gas exchange valve on a piston internal combustion engine which has two electromagnets arranged at a distance from one another, between which an armature acting on the gas exchange valve against the force of at least one Return spring is movably guided back and forth between the pole faces of the two electromagnets with a predetermined stroke between the open position and the closed position of the gas exchange valve, wherein a control current is applied alternately to the electromagnets and the stroke of the armature during its movement by a sensor system one pole face to the other pole face is detected, so that, depending on the detected actual values of the stroke of the armature, the capturing electromagnet is controlled via the control with regard to the current supply so that the armature is at a predeterminable distance area to the pole face of the electromagnet that is catching each other with a speed moves and that at the end of the stroke the energization of the capturing electromagnet is guided so that the armature
  • actual values of the armature stroke includes at least the detection of the respective end position of the armature and, if applicable, the detection of its speed and its acceleration.
  • the speed can either be recorded directly or derived from the derivation of the path over time resulting from the position detection, as well as the acceleration.
  • armature stroke in the sense of the method according to the invention is defined by the path of the gas exchange valve between its closed position and its open position, without the armature being released from its support on the shaft of the gas exchange valve due to valve play.
  • the distance between the two pole faces is greater than the armature stroke by approximately the amount of valve clearance.
  • the physical peculiarities of the actuator namely both its individual mechanical peculiarities and the peculiarities that change due to the operation of the piston internal combustion engine, are taken into account.
  • the first phase there is only an "observation" of the armature movement, by means of which the energetic starting position of the armature movement is detected, which is essentially predetermined by the actual time of detachment from the pole face and by the force of the return spring accelerating the armature, on the one hand, and that counteracting frictional forces and gas pressure forces.
  • the armature occur during detachment necessarily add nor the energy losses in the mechanical system by acting in the opposite direction, residual field.
  • These negative electromagnetic forces can be reduced by using a vortex low current armature and / or by applying a current of different polarity, which generates a repulsive magnetic field acting on the armature.
  • the anchor has its highest speed when passing through the middle layer. In this area, external influences such as cylinder pressure, friction influences or actuator parameters can affect the armature movement.
  • the actual values of the armature stroke are detected at least in the respective end position via the sensor system, then there is the possibility, towards the end of the armature stroke, of actuating the capturing electromagnet with respect to the current supply in such a way that the armature is in a predeterminable distance range , a so-called “target window”, moves with a speed going towards “zero” and a speed going towards “zero” and at the end of the armature stroke the holding current is guided so that the armature is kept floating without contact with the pole face.
  • a so-called “target window” moves with a speed going towards "zero” and a speed going towards “zero” and at the end of the armature stroke the holding current is guided so that the armature is kept floating without contact with the pole face.
  • the movement phase that begins when the target window is reached is characterized by a low anchor speed and a high force effect of the catching magnet.
  • a controlled guidance of the armature against the force of the return spring up to the end of the armature stroke is possible via the energization of the capturing magnet, so that it is ensured that the armature is held at a preferably small distance from the pole face.
  • the electromagnets can be energized by regulating the voltage applied to the capturing magnet.
  • a voltage control instead of a current control, the necessary control interventions can be effected much more precisely and quickly, since even after the voltage is switched off, the current drops relatively slowly and, accordingly, the current increases relatively slowly when a voltage is switched on.
  • the voltage and power supply is expediently taken from the electrical system of the piston internal combustion engine.
  • Fig. 7 the stroke when stopping the actuator from the closed position.
  • FIG. 1 shows an electromagnetic actuator 1 for actuating a gas exchange valve 2, which essentially consists of a closing magnet 3 and an opening magnet 4, which are arranged at a distance from one another and between which an armature 5 counteracts the force of return springs, namely an opening spring 7 and a closing spring 8 is guided to move back and forth.
  • a gas exchange valve 2 which essentially consists of a closing magnet 3 and an opening magnet 4, which are arranged at a distance from one another and between which an armature 5 counteracts the force of return springs, namely an opening spring 7 and a closing spring 8 is guided to move back and forth.
  • the arrangement is shown in the closed position, specifically in the "classic" arrangement of the opening spring and the closing spring.
  • the closing spring 8 acts directly via a spring plate 2.2 connected to the shaft 2.1 of the gas exchange valve 2.
  • the guide rod 11 of the armature 5, which can be divided into itself, is separated from the shaft 2.1.
  • a so-called valve clearance VS is present.
  • the opening spring 7 is in turn supported on a spring plate 11.1 on the guide rod 11, so that under the action of the opening spring 7 in the position shown, the guide rod 11 is pressed onto the stem 2.1 of the gas exchange valve 2. If there is valve lash compensation, the distance VS corresponds to the intended levitation range. It is also possible to provide only a single restoring spring at the location of the opening spring 7, which is designed such that it builds up a corresponding restoring force each time the armature 5 swings over the central position. A separate closing spring 8 is therefore not required. In such an arrangement, however, the guide rod 11 must be connected to the shaft 2.1 of the gas exchange valve via a corresponding coupling element, which transmits the reciprocating movement of the armature to the gas exchange valve 2 in the same way.
  • the closing spring 8 and the opening spring 7 are usually designed so that in the rest position, d. H. when the electromagnet is not energized, the armature 5 is in the middle position. From this middle position, armature 5 with its gas exchange valve 2 must then be swung at start.
  • the electromagnets 3 and 4 of the actuator 1 are energized via a current controller 9.1 assigned to them, which is controlled by an electronic motor controller 9 in accordance with the specified control programs and as a function of the operating data supplied to the motor controller, such as speed, temperature, etc. While it is fundamentally possible to provide a central current regulator for all actuators on a piston internal combustion engine, it is expedient for the method according to the invention if each actuator is assigned its own current regulator which is connected to a central voltage supply 9.2 and which is controlled by the engine control. tion 9 is controlled.
  • a sensor 10 is assigned to the actuator 1, which enables the detection of the armature functions.
  • the sensor 10 is shown schematically here.
  • the stroke of the armature 5 is detected, so that the respective armature position can be transmitted to the motor controller 9 and / or the current regulator 9.1.
  • appropriate computing operations can then be used.
  • the armature speed and / or the acceleration can be determined so that depending on the armature position and / or in dependence on the armature speed and / or the acceleration, the energization of the two electromagnets 3, 4 is controlled in the catching phase and in the holding phase can be.
  • the senor 10 does not necessarily have to be assigned to a probe rod 11.1 connected to the armature 5. It is also possible to laterally assign a correspondingly designed sensor to the armature 5 or also to arrange corresponding sensors in the region of the pole face of the respective electromagnet.
  • the current regulator 9.1 also has corresponding means for detecting current and voltage for the respective electromagnet 3 and 4 and for changing the current profile and the voltage profile.
  • the actuator 1 of the motor controller 9 can then be used as a function of predefinable operating programs, possibly based on corresponding characteristic diagrams
  • Gas exchange valve 2 can be controlled fully variably, for example with regard to the start and end of the opening hours. Control with regard to the height of the opening stroke or the number of opening strokes during the closing time can also be controlled. Small opening strokes from the closed state due to "slowly floating" detachment and "slowly floating" fitting of the valve are also possible.
  • the flow of the closing magnet 3 is guided via the current regulator 9.1 in such a way that the armature is held at a short distance from the pole face of the closing magnet 3 with ideal current supply so that the armature 5 is still in contact with its guide rod 11 stands with the stem 2.1 of the gas exchange valve.
  • the magnetic force generated by the holding current of the closing magnet 3 is ideally guided so that the force in the contact surface between the guide rod 11 and the valve stem 2.1 goes to "zero" and thus the gas exchange valve 2 is pressed onto its valve seat with the full force of the closing spring 8.
  • the remaining gap between the pole surface of the closing magnet 3 and the facing surface of the armature 5 corresponds approximately to the valve clearance VS.
  • Fig. 2 in relation to the embodiment.
  • Fig. 1 shows schematically with the line 12 the course of the armature movement over a full movement cycle.
  • curve 12 shows the course of the stroke of the armature 5 as a function of the time for a full valve clearance, starting from the closed position shown in FIG. 1 through the open position back to the complete closed position.
  • the line 13 indicates the position of the pole face of the closing magnet 3 and the line 14 indicates the position of the pole face of the opening magnet 4.
  • the holding current of the two electromagnets 3 and 4 is guided so that the armature 5 is floating in front the respective pole face is held.
  • FIG. 3 shows the area marked I in FIG. 2 on a larger scale.
  • Line 13 again shows the position of the pole face of the closing magnet.
  • the curve branch 12 shows the course of the movement from the floating stop position of the armature after the stop current has been switched off. From the course it can be seen that when the holding current is switched off, the armature movement begins without adhesive time and without superimposed vibrations.
  • the curve branch 15 shows the course of the stroke of the armature 5 in comparison when the closing magnet 4 is so energized that the armature comes to rest on the pole face.
  • the armature After switching off the Haltestrro ung, which takes place at the same time as for the curve 12, the armature is still held by the closing magnet 4 during a so-called gluing time until the force of the decelerating magnetic field is so low that the restoring force of the opening spring 7 is sufficient to move the anchor 5.
  • the armature with its guide rod 11 strikes the end of the valve stem 2.1 after overcoming the valve clearance VS, the total mass of armature and gas exchange valve then being further accelerated after an initial bouncing process, depending on the spring mass A vibration remains superimposed on this path of movement.
  • the area II in FIG. 2 is then shown on a larger scale, namely the movement of the floating armature in the open position.
  • the gas exchange valve By means of a current supply between a lower and an upper holding current level with a variable frequency and a variable clock ratio according to the specification of the floating regulator 9.1, the gas exchange valve also vibrates to a small extent as a result of the holding magnet force thereby acting pulsatingly on the armature 5, whereby the spring force causes the Guide rod 11 rests firmly on the free end of the valve stem 2.1. This slight back and forth movement of the valve in its open position is irrelevant to the flow processes.
  • the armature 5 first moves under the force of the closing spring 8 again in the direction of the pole face of the closing magnet 3.
  • the catching closing magnet 3 is then energized accordingly to the after exceeding the middle position by a corresponding magnetic force, the now overcome more opposing force of the opening spring 7.
  • the movement is guided so that after an initial acceleration via a corresponding energization of the catching closing magnet 3, the speed and also the acceleration depending on the armature position detected by the sensor 10 become "zero", so that the armature 5 is again floating in the Distance is kept in front of the pole face of the closing magnet 3.
  • Line 16 in FIG. 5 shows the course of the armature stroke until the gas exchange valve 2 is placed on its valve seat (point 17).
  • the method described above also offers the possibility of moving the gas exchange valves out of the respective end position, be it the closed position or the open position, in a “guided” stroke course into the central position when the piston internal combustion engine is stopped. This is shown in FIG. 7.
  • Line 19 in FIG. 7 shows the course of the stroke when the holding current is switched off, which applies both to an armature resting on the pole face of the holding electromagnet and to an armature which is suspended at a distance from the pole face of the holding electromagnet. Since, after the holding current has been switched off, the armature 5 is only exposed to the acceleration force of the associated return spring, the armature is moved at high speed in the direction of the central position, which it initially overshoots due to the kinetic energy against the force of the other return spring, so that the Armature and thus the gas exchange valve comes to rest only after the central position has been overswound several times due to the lack of magnetic force of the other electromagnet. This multiple overshoot of the middle position leads to a considerable noise development both in the air inlet tract and in the gas outlet tract.
  • the signal from sensor 10 can be recalibrated by a one-time absolute assignment of the valve clearance measurement, for example as a function of temperature. This value is then used to put the relative detection of the stroke in relation to the contact point between valve and armature in an absolute frame.
  • a sensor calibration can be carried out by the resulting holding current level in the floating state, since this current height is essentially a function of the distance between the armature and the pole face in the floating position.
  • Fluctuations in the maximum speed and thus the flight time due to the "location blur of the end position" can over the known system parameters, such as a corresponding control vibration characteristic in the end positions are compensated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagnete aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder jeweils zwischen den Polflächen der beiden Elektromagneten mit einem vorgegebenen Hub zwischen Offenstellung und Schliessstellung des Gaswechselventils hin und her bewegbar geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagneten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik der Hub des Ankers bei seiner Bewegung von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfasst wird, dass in Abhängigkeit von den erfassten Istwerten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, dass der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten sich mit einer gegen 'Null' gehenden Geschwindigkeit bewegt und dass am Ende des Hubes die Haltebestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, dass der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche schwebend gehalten wird.

Description

Verfahren zur Endlagenansteuerung eines durch einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine
Beschreibung
Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten
Elektromagneten, deren Polflächen einander zugekehrt sind und zwischen denen ein auf das zu betätigende Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder zwischen einer Offenstellung und einer Schließ- Stellung für das Gaswechselventil hin und her bewegbar geführt ist. Einer der Elektromagneten dient hierbei als Schließmagnet, durch den das Gaswechselventil gegen die Kraft der Öffnerfeder in Schließstellung gehalten wird, während der andere Elektromagnet als Öffnermagnet dient, durch den das Gaswechselventil über den Anker gegen die Kraft der zugeordneten Schließfeder in Öffnungsstellung gehalten wird.
Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß in Ruhelage der Anker sich in einer Mittelstellung zwischen den beiden Pol- fläche befindet. Bei einer abwechselnden Bestromung der beiden Elektromagneten gelangt der Anker dann jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder an der Polfläche des jeweils be- stromten und damit fangenden Elektromagneten zur Anlage. Wird an dem jeweils haltenden Elektromagneten der Haltestrom abge- schaltet, dann wird der Anker durch die Kraft der Rückstellfeder in Richtung auf den anderen Elektromagneten beschleunigt, der während der Ankerbewegung mit einem entsprechend hohen Fangstrom beaufschlagt wird, so daß nach dem ϋber- schwingen über die Mittellage der Anker durch die Magnetkraft gegen die Kraft der dem jetzt fangenden Elektromagneten zugeordneten Rückstellfeder zur Anlage kommt. Die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators erfolgt in Abhängigkeit von den der Motorsteuerung vorliegenden Betriebsdaten der Kolbenbrennkraftmaschine, im wesentlichen der Lastanforderung und der Drehzahl. Befindet sich das Gaswech- selventil beispielsweise in seiner Schließstellung, d. h. der Anker liegt am Schließmagneten an, so erfolgt die Ansteuerung im wesentlichen zeitabhängig, d. h. über die Motorsteuerung unter Berücksichtigung der Kurbelwellenstellung und den Parametern aus der Lastvorgabe, die jeweils den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt für das Gaswechselventil festlegen. Durch das Abschalten des verhältnismäßig geringen Haltestroms wird der Beginn der Ankerbewegung eingeleitet, so daß in einem vorgebbaren Zeitabstand nach dem Abschalten des Haltestroms der Fangstrom am fangenden Elektromagneten eingeschaltet wer- den kann. Der Zeitabstand kann hierbei über voraufgegangene empirische Daten oder auch theoretische Daten bestimmt werden.
Wird nun der Fangstrom eingeschaltet, dann steigt mit zuneh- mender Annäherung des Ankers an die Polfläche des fangenden Elektromagneten bei konstanter Bestromung die Magnetkraft progressiv an, während die in Gegenrichtung wirkende Kraft der Rückstellfeder nur linear ansteigt. Dies führt dazu, daß der Anker sich in der Endphase kurz vor dem Auftreffen auf die Polfläche des fangenden Elektromagneten mit zunehmender Beschleunigung bewegt, so daß es zu einem harten Aufprallen des Ankers auf der Polfläche kommt, was in vielerlei Hinsicht nachteilig ist, beispielsweise durch Körper- und Luftschallanregung und die dadurch bedingte Geräuschentwicklung. Um dies zu vermeiden, versucht man über eine entsprechende Regelung den Fangstrom kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf die Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten zu reduzieren, wobei über eine Sensorik die Annäherung des Ankers erfaßt wird. Dies kann in der Weise erfolgen, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Ankers in der Nähe der Polfläche ein entsprechendes Steuersignal abgegeben wird oder aber die Ankerbewegung in diesem Nahbereich erfaßt wird. Die- se Werte der Annäherung können dann über die Motorsteuerung bzw. über eine gesonderte Stromregelung für den Aktuator dazu benutzt werden, den Fangstrom so zu reduzieren, daß der Anker mit einer nur geringfügig über "Null" liegende Geschwindig- keit auf die Polfläche, d, h. sanft auftrifft, so daß der betreffende Elektromagnet dann nur noch mit dem geringen Haltestrom zu beaufschlagen ist.
Diese vorbekannten Regelungen sind jedoch in sich sehr starr und berücksichtigen zum einen nicht die vielfältigen, auf das aus Anker und Gaswechselventil bestehende System einwirkenden äußeren Störkräfte und zum anderen wird die Geräuschentwick- lung allenfalls minimiert aber nicht beseitigt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine sehr viel genauere Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators ermöglicht und eine Geräuschentwicklung vermeidet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrenn- kraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswech- selventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder zwischen den Polflächen der beiden Elektromagneten mit einem vorgegebenen Hub zwischen Offenstellung und Schließstellung des Gaswechselventils bewegbar hin und her geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagne- ten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik der Hub des Ankers bei seiner Bewegung von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird, so daß in Abhängigkeit von erfaßten Istwerten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten sich mit einer gegen "Null" gehenden Ge- schwindigkeit bewegt und daß am Ende des Hubes die Bestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche schwebend gehalten wird.
Der Begriff "Istwerte des Ankerhubes" enthält neben dem Zeitpunkt des Abschaltens des Haltestroms zumindest die Erfassung der jeweiligen Endposition des Ankers und ggf. die Erfassung seiner Geschwindigkeit und seiner Beschleunigung. Je nach Art der Sensorik kann neben einer Erfassung der Position die Ge- schwindigkeit entweder direkt erfaßt oder aus dem sich über die Positionserfassung ergebenden Ableitung des Weges nach der Zeit ebenso wie die Beschleunigung abgeleitet werden.
Der Begriff des "Ankerhubes" im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist definiert durch den Weg des Gaswechselventils zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung, und zwar ohne daß sich der Anker aufgrund eines Ventilspiels von seiner Abstützung auf dem Schaft des Gaswechselventils löst. Der Abstand der beiden Polflächen zueinander ist etwa um das Maß eines Ventilspiels größer als der Ankerhub.
Durch eine Aufteilung des Bewegungsvorganges des Ankers in drei Phasen werden die physikalischen Besonderheiten des Aktuators und zwar sowohl seine individuellen mechanischen Be- Sonderheiten als auch die durch den Betrieb der Kolbenbrenn- kraftmaschine sich ändernden Besonderheiten berücksichtigt. In der ersten Phase erfolgt nur ein "Beobachten" der Ankerbewegung, über die die energetische Ausgangslage der Ankerbewegung erfaßt wird, die im wesentlichen vorgegeben wird durch den tatsächlichen Zeitpunkt des Lösens von der Polfläche sowie durch die Kraft der den Anker beschleunigenden Rückstellfeder einerseits sowie die dem entgegenwirkenden Reibungskräfte und Gasdruckkräfte. Im Nahbereich des Elektromagneten treten beim Ablösen des Ankers zwangsläufig noch die Energie- Verluste im mechanischen System durch das in Gegenrichtung wirkende, Restfeld hinzu. Diese negativen elektromagnetischen Krafteinflüsse lassen sich durch die Verwendung eines wirbel- stromarmen Ankers und/oder durch das Aufschalten eines Stromes anderer Polung, der ein auf den Anker wirkendes abstoßendes Magnetfeld erzeugt, noch minimieren.
Sobald sich der Anker jedoch nennenswert von der Polfläche des zuvor haltenden Elektromagneten gelöst hat, besteht kaum noch die Möglichkeit einer Einflußnahme auf den Anker und zwar weder durch eine entsprechende Bestromung des bisher haltenden Elektromagneten noch durch eine frühzeitige Be- Strömung des fangenden Elektromagneten bei einer vom Energieaufwand her vertretbarenStromstärke . Der Anker weist beim Durchgang durch die Mittellage seine höchste Geschwindigkeit auf. In diesem Bereich können äußere Einflüsse, wie Zylinderinnendruck, Reibungseinflüsse oder auch Aktuator-Parameter auf die Ankerbewegung einwirken.
Werden nun, wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, über die Sensorik die Istwerte des Ankerhubes zumindest in der jeweiligen Endposition erfaßt, dann besteht die Möglich- keit, gegen Ende des Ankerhubes den fangenden Elektromagneten hinsichtlich der Bestromung so anzusteuern, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich, einem sogenannten "Zielfenster", sich mit einer gegen "Null" gehenden Geschwindigkeit und einer gegen "Null" gehenden Beschleunigung bewegt und am Ende des Ankerhubes die Haltebestromung so geführt wird, daß der Anker ohne Kontakt mit der Polfläche schwebend gehalten wird. Zusätzlich ist die Möglichkeit einer individuellen Anpassung der Bestromung des jeweils fangenden Elektromagneten unter Berücksichtigung der während der Bewegung auf den Anker einwirkenden äußeren Störeinflüsse gegeben. Hierbei genügt es, wenn diese Vorgaben hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung in einem vorgebbaren großen Abstandsbereich zur Polfläche erreicht werden.
Die mit dem Erreichen des Zielfensters beginnende Bewegungsphase ist gekennzeichnet durch eine geringe Ankergeschwindigkeit und eine hohe Kraftwirkung des fangenden Magneten. Damit ist in dieser Phase über die Bestromung des fangenden Magneten eine kontrollierte Führung des Ankers gegen die Kraft der Rückstellfeder bis zum Ende des Ankerhubes möglich, so daß ein Halten des Ankers in einem vorzugsweise geringen Abstand zur Polfläche sichergestellt ist.
Durch die kontrollierte Beeinflussung der Ankerbewegung in der Endphase ist es möglich, in der Schließbewegung bei entsprechender Justierung des Ankerhubes bei Vorhandensein eines Ventilspiels zunächst das Ventil sanft auf dem Ventilsitz abzusetzen, um dann nach einem allenfalls geringen Lösen des Ankers vom Ventil den Anker selbst schwebend vor der Polfläche des fangenden Magneten zu halten. Hierdurch ist gewährleistet, daß das Ventil mit der vollen Kraft der Schließfeder auf seinem Ventilsitz in Schließstellung gehalten wird.
Die Bestromung der Elektromagneten kann jeweils über eine Regelung der am fangenden Magneten angelegten Spannung geführt werden. Durch eine Spannungsregelung anstelle einer Stromre- gelung lassen sich die erforderlichen Regeleingriffe sehr viel exakter und schneller bewirken, da selbst nach einem Abschalten der Spannung der Strom verhältnismäßig langsam abfällt und dementsprechend bei einem Aufschalten einer Spannung der Strom entsprechend verhältnismäßig langsam ansteigt. Die Spannungs- und Stromversorgung wird zweckmäßig dem Bordnetz der Kolbenbrennkraftmaschine entnommen.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator mit Blockschaltbild,
Fig. 2 den Verlauf der Ankerbewegung abhängig von der Zeit für einen vollen Betätigungszyklus, Fig. 3 in größerem Maßstab Hubverläufe zum Beginn der Öffnungsbewegung,
Fig. 4 in größerem Maßstab einen Hubverlauf in Offenstel- lung,
Fig. 5 in größerem Maßstab Hubverläufe bei Erreichen der Schließstellung,
Fig. 6 einen Verlauf der Ankerbewegung in Schließstellung bei großem Ventilspiel,
Fig. 7 den Hubverlauf beim Stillsetzen des Aktuators aus der Schließstellung heraus.
In Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Aktuator 1 zur Betätigung eines Gaswechselventils 2 dargestellt, der im wesentlichen aus einem Schließmagneten 3 und einem Öffnermagneten 4 besteht, die im Abstand zueinander angeordnet sind und zwi- sehen denen ein Anker 5 gegen die Kraft von Rückstellfedern, nämlich einer Öffnerfeder 7 und einer Schließfeder 8 hin und her bewegbar geführt ist. In der Zeichnung ist die Anordnung in Schließstellung dargestellt und zwar in der "klassischen" Anordnung der Öffnerfeder und der Schließfeder. Bei dieser Anordnung wirkt die Schließfeder 8 unmittelbar über einen mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 verbundenen Federteller 2.2 ein. Die FührungsStange 11 des Ankers 5, die in sich geteilt sein kann, ist vom Schaft 2.1 getrennt. In der Regel ist ein sogenanntes Ventilspiel VS vorhanden. Die Öffnerfeder 7 stützt sich wiederum auf einem Federteller 11.1 an der Führungsstange 11 ab, so daß unter der Wirkung von Öffnerfeder 7 in der dargestellten Position die Führungsstange 11 auf den Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 gedrückt wird. Bei Vorhandensein eines Ventilspielausgleichs entspricht der Abstand VS dem vorgesehenen Schwebebereich. Es ist auch möglich, an der Stelle der Öffnerfeder 7 nur eine einzige Rückstellfeder vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß sie jeweils beim Überschwingen des Ankers 5 über die Mittellage eine entsprechende Rückstellkraft aufbaut. Eine geson- derte Schließfeder 8 entfällt damit. Bei einer derartigen Anordnung muß allerdings die Führungsstange 11 mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils über ein entsprechendes Koppelelement verbunden sein, das die Hin- und Herbewegung des Ankers in gleicher Weise auf das Gaswechselventil 2 über- trägt.
Die Schließfeder 8 und die Öffnerfeder 7 sind in der Regel so ausgelegt, daß in Ruhestellung, d. h. bei nichtbestromten Elektromagneten der Anker 5 sich in der Mittellage befindet. Aus dieser Mittellage heraus muß dann beim Start Anker 5 mit seinem Gaswechselventil 2 angeschwungen werden.
Die Bestromung der Elektromagneten 3 und 4 des Aktuators 1 erfolgt über einen ihm zugeordneten Stromregler 9.1, der von einer elektronische Motorsteuerung 9 entsprechend den vorgegebenen Steuerprogrammen und in Abhängigkeit von den der Motorsteuerung zugeführten Betriebsdaten, wie Drehzahl, Temperatur etc. angesteuert. Während es grundsätzlich möglich ist, für alle Aktuatoren an einer Kolbenbrennkraftmschine einen zentralen Stromregler vorzusehen, ist es für das Verfahren nach der Erfindung zweckmäßig, wenn jedem Aktuator ein eigener Stromregler zugeordnet ist, der mit einer zentralen Spannungsversorgung 9.2 verbunden ist und der von der Motorsteue- rung 9 angesteuert wird.
Dem Aktuator 1 ist ein Sensor 10 zugeordnet, der die Erfassung der Ankerfunktionen ermöglicht. Der Sensor 10 ist hier schematisch dargestellt. In bevorzugter Auslegung des Sensors wird der Hub des Ankers 5 erfaßt, so daß die jeweilige Anker- position der Motorsteuerung 9 und/oder dem Stromregler 9.1 übermittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 oder dem Stromregler 9.1 kann dann über entsprechende Rechenoperatio- nen ggf. auch die Ankergeschwindigkeit und/oder die Beschleunigung ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der Ankerposition und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwindigkeit und/oder der Beschleunigung die Bestromung der beiden Elektromagneten 3 , 4 in der Fangphase und in der Haltephase gesteuert werden kann.
Der Sensor 10 muß nicht zwangsläufig, wie dargestellt, einer mit dem Anker 5 in Verbindung stehenden Taststange 11.1 zuge- ordnet sein. Es ist auch möglich, einen entsprechend ausgebildeten Sensor dem Anker 5 seitlich zuzuordnen oder auch entsprechende Sensoren im Bereich der Polfläche der jeweiligen Elektromagneten anzuordnen.
Der Stromregler 9.1 weist ferner entsprechende Mittel zur Erfassung von Strom und Spannung für den jeweiligen Elektromagneten 3 und 4 sowie zur Veränderung des Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs auf. Über die Motorsteuerung 9 kann dann in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsprogrammen, ggf. gestützt auf entsprechende Kennfelder, der Aktuator 1 des
Gaswechselventils 2 voll variabel angesteuert werden, so beispielsweise hinsichtlich des Beginns und des Endes der Öffnungszeiten. Auch Ansteuerung hinsichtlich der Höhe des Öffnungshubes oder auch der Zahl der Öffnungshübe während der Schließzeit sind steuerbar. Auch kleine Öffnungshübe aus dem geschlossenen Zustand durch "langsam schwebendes" Ablösen und "langsam schwebendes" Aufsetzen des Ventils sind möglich.
Entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung ist die Be- Strömung des Schließmagneten 3 über den Stromregler 9.1 so geführt, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche des Schließmagneten 3 bei idealer Bestromung so gehalten wird, daß der Anker 5 mit seiner Führungsstange 11 noch im Kontakt mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils steht. Die durch die Haltebestromung erzeugte Magnetkraft des Schließmagneten 3 ist im Idealfalle so geführt, daß die Kraft in der Kontaktfläche zwischen der FührungsStange 11 und dem Ventilschaft 2.1 gegen "Null" geht und somit das Gaswechselventil 2 mit der vollen Kraft der Schließfeder 8 auf seinen Ventilsitz gedrückt wird. Der verbleibende Spalt zwischen der Polfläche des Schließmagneten 3 und der zugekehrten Fläche des Ankers 5 entspricht hierbei in etwa dem Ventilspiel VS.
In Fig. 2 ist in bezug auf das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 mit der Linie 12 schematisch der Verlauf der Ankerbewegung über einen vollen Bewegungszyklus dargestellt.
Durch die punktiert gerandeten Felder I, II und III werden der Nahbereich an der Polfläche des haltenden Schließmagneten 3 und der Nahbereich des haltenden Öffnermagneten 4 markiert. Diese Nahbereiche werden für die Erläuterung in den Fig. 3,4 und 5 in größerem Maßstab dargestellt.
In Fig. 2 ist mit der Kurve 12 der Verlauf des Hubes des Ankers 5 in Abhängigkeit von der Zeit für ein volles Ventilspiel dargestellt, und zwar beginnend mit der in Fig. 1 dar- gestellten Schließstellung über die Öffnungsstellung bis zurück in die vollständige Schließstellung. Die Linie 13 kennzeichnet die Position der Polfläche des Schließmagneten 3 und die Linie 14 kennzeichnet die Position der Polfläche des Öffnermagneten 4. Im Verhältnis zur Hubkurve ist ersichtlich, daß die Haltebestromung der beiden Elektromagneten 3 und 4 so geführt ist, daß der Anker 5 schwebend vor der jeweiligen Polfläche gehalten wird.
In Fig. 3 ist in größerem Maßstab der in Fig. 2 mit I gekenn- zeichnete Bereich dargestellt. Die Linie 13 zeigt wiederum die Position der Polfläche des Schließmagneten. Der Kurvenast 12 zeigt den Verlauf der Bewegung aus der schwebenden Haltestellung des Ankers nach dem Abschalten der Haltbestromung. Aus dem Verlauf ist ersichtlich, daß mit dem Abschalten der Haltebestromung die Ankerbewegung ohne Klebzeit und ohne überlagerte Schwingungen einsetzt. Mit dem Kurvenast 15 ist hierzu im Vergleich der Verlauf des Hubweges des Ankers 5 dargestellt, wenn der Schließmagnet 4 so stark bestromt ist, daß der Anker an der Polfläche zur Anlage kommt. Nach dem Abschalten der Haltbestro ung, die zum gleichen Zeitpunkt erfolgt wie für den Kurvenverlauf 12, wird der Anker trotzdem vom Schließmagneten 4 während einer sogenannten Klebzeit gehalten, bis die Kraft des sich verzögernd abbauenden Magnetfeldes so gering ist, daß die Rückstellkraft der Öffnerfeder 7 ausreicht, um den Anker 5 zu bewegen. Nach einer anfänglich sehr hohen Beschleunigung trifft der Anker mit seiner Führungsstange 11 nach Überwindung des Ventilspiels VS auf das Ende des Ventilschaftes 2.1 auf, wobei nach einem anfänglichen Prellvorgang dann die Gesamtmasse von Anker und Gaswechselventil weiter beschleunigt wird, wobei je nach den Feder-Massen-Verhältnissen diesem Bewegungsweg eine Schwingung überlagert bleibt.
In Fig. 4 ist dann in größerem Maßstab der Bereich II in Fig. 2 dargestellt, nämlich die Bewegung des schwebend gehaltenen Ankers in der Offenstellung. Durch eine zwischen einem unteren und einem oberen Haltestromniveau haltende Bestromung mit nach Vorgabe des Schwebereglers 9.1 variabler Frequenz und variablem Taktverhältnis schwingt infolge der hierdurch bewirkten, pulsierend auf den Anker 5 einwirkenden Haltemagnet- kraft auch das Gaswechselventil um ein geringes Maß, wobei über die Federkraft die Führungsstange 11 fest am freien Ende des Ventilschaftes 2.1 anliegt. Diese geringe Hin- und Herbewegung des Ventils in seiner Offenstellung ist für die Strömungsvorgänge ohne Belang.
Wird die Haltebestromung am Öffnermagneten 4 abgeschaltet, dann bewegt sich der Anker 5 zunächst unter der Kraftwirkung der Schließfeder 8 wieder in Richtung auf die Polfläche des Schließmagneten 3. Je nach der durch die Regeleinrichtung vorgegebenen Betriebsweise wird dann der fangende Schließmagnet 3 entsprechend bestromt, um die nach dem Überschreiten der Mittellage durch eine entsprechende Magnetkraft die nun- mehr entgegenwirkende Kraft der Öffnerfeder 7 zu überwinden. Die Bewegung ist hierbei so geführt, daß nach einer anfänglichen Beschleunigung über eine entsprechende Bestromung des fangenden Schließmagneten 3 die Geschwindigkeit und auch die Beschleunigung in Abhängigkeit von der über den Sensor 10 erfaßten Ankerposition gegen "Null" wird, so daß der Anker 5 wiederum schwebend im Abstand vor der Polfläche des Schließmagneten 3 gehalten wird.
Die Linie 16 in Fig. 5 zeigt den Verlauf des Ankerhubes bis zum Aufsetzen des Gaswechselventils 2 auf seinem Ventilsitz (Punkt 17). Durch eine gezielte Erhöhung der Haltebestromung des Schließmagneten 3 kann über den Sensor 10 erfaßt werden, ob sich die Fuhrungsstange 11 noch im Kraftschluß mit dem Ventilschaft 2.1 befindet. Der Kraftschluß ist dann gegeben, wenn sich statt einer schwingenden Bewegung lediglich als Reaktion der Stromerhöhung entsprechende "Peaks" 18 erkennen lassen.
Im Vergleich zu Fig. 5 ist in Fig. 6 die Situation dargestellt, wenn bei einem erhöhten Haltestrom die Führungsstange 11 vom Ventilschaft 2.1 abhebt und der Anker unter dem Einfluß der gezielt geregelten Haltebestromung in dem durch das Ventilspiel vorgegebenen Freiraum ohne Kontakt mit der Pol- fläche (Linie 13) in gleicher Weise geringfügig hin und her schwingt, wie dies in der Offenstellung des Ventils entsprechend Fig. 4 der Fall ist. Dieser Bewegungsverlauf stellt sich bei entsprechender Regelung der Haltebestromung immer dann ein, wenn das vorhandene Ventilspiel so groß ist, daß bei einem Kontakt zwischen Führungsstange 11 und Ventilschaft 2.1 in der Schließstellung der zwischen dem Anker 5 und der Polfläche des Schließmagneten 3 vorhandene Luftspalt die Vorgabe eines zu hohen Haltestroms erfordert.
Da sowohl in der Schließstellung als auch in der Offenstellung der Anker 5 ohne Kontakt mit der Polfläche nur durch die Magnetkraft mittels einer geregelten Haltebestromung gehalten ist, bietet das vorstehend beschriebene Verfahren auch die Möglichkeit, bei einem Stillsetzen der Kolbenbrennkraftmaschine die Gaswechselventile aus der jeweiligen Endstellung, sei es die Schließstellung, sei es die Offenstellung, in ei- nem "geführten" Hubverlauf in die Mittellage zu bewegen. Dies ist in Fig. 7 dargestellt.
Die Linie 19 in Fig. 7 zeigt den Hubverlauf bei einem Abschalten der Haltebestromung, die sowohl für ein an der Polfläche des haltenden Elektromagneten anliegenden Ankers wie auch für einen mit Abstand zur Polfläche des haltenden Elektromagneten schwebend gehaltenen Ankers gilt. Da nach dem Abschalten der Haltebestromung der Anker 5 ausschließlich der Beschleunigungskraft der zugeordneten Rückstellfeder ausge- setzt ist, wird der Anker mit großer Geschwindigkeit in Richtung auf die Mittellage bewegt, die er infolge der Bewegungsenergie gegen die Kraft der anderen Rückstellfeder zunächst überschwingt, so daß der Anker und damit das Gaswechselventil infolge der fehlenden Magnetkraft des anderen Elektromagneten erst nach mehrfachem Überschwingen der Mittellage zur Ruhe kommt. Dieses mehrfache Überschwingen der Mittellage führt zu einer erheblichen Geräuschentwicklung sowohl im Lufteinlaßtrakt wie auch im Gasauslaßtrakt.
Wird jedoch die Haltebestromung des jeweils haltenden Elektromagneten nur kurz abgeschaltet oder abgesenkt, um eine Beschleunigung herbeizuführen, dann auf ein Niveau unterhalb des Gleichgewichtsniveaus zwischen Federkraft und Magnetkraft erhöht, um Bewegung zu dämpfen, dann kann der Anker aus sei- ner schwebenden Endstellung praktisch schwingungsfrei in die Mittellage zurückgeführt werden, wie dies mit der Linie 20 dargestellt ist.
Da über den Stromregler die Hubbewegung jeweils beim Errei- chen der Endlage so geführt wird, daß die Geschwindigkeit ge- .gen "Null" tendiert und die Beschleunigung zwischen kleinen positiven und negativen Werten hin und her gedreht wird, be- darf es zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes des Ankers in geringem Abstand zur Polfläche des jeweils haltenden Elektromagneten in etwa einer gleichen mittleren Haltestromhöhe, wie sie zum Halten des Ankers an der Polfläche benötigt wird. Lediglich die Taktung der Haltebestromung muß sensibler variabel geführt werden, da die Wirkung der "Klebkraft" entfällt.
Der Hubverlust durch das Halten des Ankers im Schwebezustand führt zu geringeren Maximalgeschwindigkeiten des Ankers, reduziert jedoch, wie vorstehend beschrieben, die Ablöseverluste, so daß auf der Seite des fangenden Elektromagneten auch eine geringere Energieeinkopplung notwendig ist, um die gleiche schwebende Endposition zu erreichen.
Eine Rekalibrierung des Signals des Sensors 10 kann durch eine einmalige absolute Zuordnung des Ventilspielmeßwertes, beispielsweise als Funktion der Temperatur erfolgen. Dieser Wert wird dann benutzt, um die relative Erfassung des Hubes, bezogen auf den Kontaktpunkt zwischen Ventil und Anker, in einen absoluten Rahmen zu stellen. Alternativ kann eine Sensorkalibrierung durch die sich einstellende Haltestromhöhe im Schwebezustand durchgeführt werden, da diese Stromhöhe im wesentlichen eine Funktion des Abstandes zwischen dem Anker und der Polfläche in der Schwebeposition ist.
Der Zeitpunkt und auch der Ort des Bewegungsbeginns entsprechend dem Ablösen von der Polfläche wird durch die auftretenden Regelschwingungen in der Haltestellung mit den dadurch in ihrer Größe wechselnden Luftspalten unscharf, dafür entstehen jedoch keine VerzugszeitSchwankungen, da sich über die Stromregelung die Möglichkeit ergibt, durch eine entsprechende Luftspaltbreite die Flugzeit des Ankers in gewissen Grenzen zu beeinflussen.
Schwankungen der Maximalgeschwindigkeit und damit der Flugzeit infolge der "Ortsunschärfe der Endlage" können über die bekannten Systemparameter, wie beispielsweise eine entsprechende Regelschwingungscharakteristik in den Endlagen kompensiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolben- brennkraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagnete aufweist, zwischen denen ein auf das Gaswechselventil einwirkender Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder jeweils zwischen den Polflächen der beiden Elektromagneten mit einem vorgegebenen Hub zwi- sehen Offenstellung und Schließstellung des Gaswechselventils hin und her bewegbar geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagneten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik der Hub des Ankers bei seiner Bewegung von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird, daß in Abhängigkeit von den erfaßten Istwerten des Hubes des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung so angesteuert wird, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten sich mit einer gegen "Null" gehenden bewegt und daß am Ende des Hubes die Haltebestromung des fangenden Elektromagneten so geführt wird, daß der Anker mit geringem Abstand zur Polfläche schwebend gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Haltebestromung jeweils zwischen einem oberen und einem unteren Haltestromniveau so geführt wird, daß die sich hieraus ergebende pulsierende Hubbewegung im Bereich eines gegebenen Ventilspiels liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Stillsetzen der Kolbenbrennkraftmaschine die Höhe der Haltebestromung zum Ablösen des Ankers kurz abgesenkt und sofort wieder auf ein Niveau nahe unterhalb des Stromhöhe für das Kräftegleichgewicht zwischen Federkraft und Magnetkraft liegt, um so ein Abdriften des Ankers bis in die durch die Auslegung der Rückstellfeder definierte Mittellage des Ankers zwischen den Polflächen zu erreichen.
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