WO2009007207A1 - Verfahren zur ansteuerung eines elektromagnetischen schaltventils - Google Patents

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pressure chamber
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Gianni Padroni
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Schaeffler Kg
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    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F2007/1894—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings minimizing impact energy on closure of magnetic circuit

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an electromagnetic switching valve, which is part of a different operating conditions having fluid system and having a magnetic coil and a releasable between a fluid flow first switching position and a fluid flow blocking the second switching position displaceable anchor group with a valve closing body and a magnet armature , which is in traction-free frictional connection with the valve closing body.
  • Electromagnetic switching valves with an armature group in which the armature is in traction-free frictional connection with the valve closing body, are known in great diversity both in terms of their application and in terms of their design in fluid technology. Such a switching valve is apparent, for example, from DE 10 2005 061 509 A1.
  • the armature group comprises a magnet armature, an anchor tappet fastened thereto and a valve closing body, which is not firmly connected to the armature tappet, but bears against it only on the front side.
  • valve closing body When the valve closing body is displaced into the first switching position which releases the fluid flow, the valve closing body strikes against the end face of a valve housing-fixed bearing bush for the armature plunger, while due to mass carrier forces of the armature plunger separates from the valve closing body and further displaced together with the armature.
  • the duration and the course of this overshoot which is also referred to below as the free-flight phase, are dependent on frictional forces and the force of an armature spring which returns the armature plunger to rest on the valve closing body.
  • the free-flying phase may provide a functional operation of the switching valve with high frequency, i. only significantly affected by extremely short pauses spaced switching operations, if the duration of the free-flight phase would be significantly longer than the then operationally maximum permissible break between the successive Spulenbestromache.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a method for controlling a switching valve of the type mentioned, by the precise control of the fluid flow controlling operation of such a switching valve is made possible with very fast sequential switching operations.
  • the overshoot can be so dampened both in terms of the stroke and the duration that the free-flying phase of the magnetic armature can be reduced at least for the duration of a maximum allowable break between two very fast successive Spulenbestrom Heidelberg / switching operations.
  • a further advantage of the magnet armature which is damped by the intermediate energization, relates to the manufacturing costs of the switching valve. Since the contact surfaces of the armature group involved in restoring the overshooting magnet armature are only exposed to a comparatively low impact load in the case of the intermediate damping current supply, the cost-intensive effort for producing highly wear-resistant surfaces can be correspondingly reduced.
  • the overshoot of the magnet armature takes place during a first time interval and the intermediate energization is undertaken during a second time interval, wherein the first time interval is completely within the second time interval.
  • the switching on of the intermediate current at a time before the beginning of the overshoot of the armature should take place when the armature group is still in a uniform state of motion.
  • the end of the Eisenbestromung and consequently the beginning of the subsequent Spulenbestromung for re-displacement of the armature group should not be before the time at which the frictional operative connection between the armature and the valve closing body is restored.
  • the contact speed of the contact surfaces involved can be kept low and within mechanically permissible limits.
  • a particularly low Fatsetz be achieved when the insects are stepped down and has at least two different average currents.
  • Such an activation is based on the consideration that the inertia energy responsible for the overshoot of the armature is already reduced in the phase of the initially higher current, so that only relatively small forces are required for the restoration of the adhesion within the armature group.
  • the force of the armature spring is sufficient, while the lower current strength of the regulated intermediate energization serves as pre-excitation of the magnet coil for the subsequent coil energization.
  • the method according to the invention is particularly suitable for driving a switching valve as part of an electrohydraulic valve control for variable-stroke gas exchange valve actuation of an internal combustion engine. While the switching valve is intended to be a normally open 2/2-way valve in the first switching position, such a valve control has at least the following features:
  • An at least one elevation cam having a camshaft and a cam-actuated master piston
  • the vibration damping of the armature as a result of intermediate energization allows a significant expansion of the developable thermodynamic potential of the known electro-hydraulic valve control with respect to the torque, performance and exhaust emission behavior of the internal combustion engine. This is based essentially on the possibility of the operation of the gas exchange valves in the map in the Internal combustion engine to match different requirements for the change of charge.
  • the damped overshoot of the magnetic armature allows two or more at a very short time successive Hubverin the gas exchange valve within the same cam revolution, since the power flow between the armature and the valve closing body is restored at a much earlier date and thus a subsequent Spulenbestromung to relocate the Anchor group in the closed position of the switching valve can be made almost immediately after the previous Spulenbestromung.
  • the method should be used in speed-dependent operating states of the valve control.
  • these can be both low and high speed ranges, in which successive strokes of the gas exchange valves within the same cam revolution are provided in very short time intervals.
  • a multiple stroke including two or more individual strokes generated within the same cam lobe.
  • Such a multiple stroke should preferably be applied to an inlet valve in order to improve the inflow conditions of fresh gas into the respective cylinder of the internal combustion engine.
  • the cam should have a plurality of elevations, wherein in a second operating state, the gas exchange valve is acted upon within the same cam revolution with a Mehrfachhub comprising individual strokes generated within the individual surveys.
  • a design and operation of the valve control is in particular the basis for a charge cycle process with very high exhaust gas recirculation rates.
  • the correspondingly actuated gas exchange valve may be either an exhaust valve or an intake valve or both.
  • FIG. 1 shows in diagram form the temporal energizing and lifting characteristic of an electromagnetic switching valve as part of an electrohydraulic valve control
  • FIG. 2 shows a reference diagram according to FIG. 1 without intermediate current supply
  • FIG. 3 shows a reference diagram according to FIG. 1 without intermediate current supply and time-unfavorable coil energization
  • FIG. 4 shows a diagram according to FIG. 1 with stepped-regulated intermediate current supply
  • FIG. 5 shows a diagram according to FIG. 1, supplemented by the multiple stroke of an inlet valve of the electrohydraulic valve control;
  • Figure 6 is a diagram according to Figure 1, supplemented by a single stroke of an inlet or outlet valve of the electro-hydraulic valve control;
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the electro-hydraulic valve control and FIG. 8 shows an electromagnetic switching valve provided for carrying out the method according to the invention.
  • the starting point of the description is a basic illustration of an electrohydraulic valve control 1 shown in FIG. 7 and an electromagnetic switching valve 2 shown in FIG. 8 as part of such a valve control 1, which are each known as such in the prior art and only for a better understanding of the method according to the invention for controlling the switching valve 2 are used.
  • the valve control 1 serves for variable-stroke operation of a gas exchange valve 4 of a combustion engine 5 subjected to force in the closing direction by a valve spring 3 and comprises as essential components a cam 6 of a camshaft 7, a master piston 9 actuated by the cam 6 here by means of a bucket tappet 8, the gas exchange valve 4 hubbeaufhatden slave piston 10, a running between the master piston 9 and the slave piston 10 high pressure chamber 11 and a low pressure chamber 12, wherein the switching valve 2 is disposed between the high pressure chamber 11 and the low pressure chamber 12.
  • the switching valve 2 is designed as a normally open 2/2-way valve and is in its de-energized first switching position, the fluid flow between the high-pressure chamber 11 and the low-pressure chamber 12 free, while in his energized second switching position, the fluid flow between the high-pressure chamber 11 and the low pressure chamber 12 locks.
  • the operation of the known valve control 1 can be summarized to the effect that the hydraulic means located in the high-pressure chamber 11 serves as a hydraulic linkage, wherein the predetermined by the cam 6 stroke is transmitted to the gas exchange valve 4 with closed switching valve 2 and partially open with the switching valve 2 is completely diverted into the low-pressure chamber 12 and here in a spring-loaded pressure accumulator 13.
  • One Return flow of the hydraulic medium from the low-pressure chamber 12 into the high-pressure chamber 11 takes place via a bypass check valve 14.
  • the valve control 1 is connected to a hydraulic medium supply 15 of the internal combustion engine 5 to compensate for leaks.
  • the structural design of the switching valve 2 is apparent from Figure 8 in more detail.
  • the switching valve 2 has a valve housing 16 with a magnetic coil 17 and an electrical connector 18 connected thereto.
  • the switching valve 2 is open in the de-energized state, so that in this switching position, a hydraulic fluid flow between a high pressure chamber side port 23 and a low-pressure chamber side port 24 can form through an annular gap between the valve closing body 22 and a housing-tight sealing seat 25.
  • the armature assembly 19 is shifted to the second switching position in which the valve closing body 22 abuts the sealing seat 25 and the hydraulic fluid flow between the high pressure chamber side port 23 and the low pressure chamber side port 24 is blocked.
  • the free-flying phase 29 of the armature plunger 21 and the magnet armature 20 begins at a time t2 at which the valve closing body 22 abuts against the bearing bush 27 and the armature plunger 21 due to inertial forces of the valve closing body 22 lifts.
  • the free-flight phase 29 is terminated at a time t4 at which the armature tappet 21 again rests on the valve-closing body 22, and has the duration denoted ⁇ t s .
  • the solenoid coil 17 is energized at a time t3 before the time t2, so that the magnetic force thus constructed counteracts the mass inertial forces and largely compensates for them.
  • the intermediate energization designated 30 ends at a time t5, at which the solenoid coil 17 is charged with a subsequent Spulenbestromung for re-displacement of the armature group 19 and the valve closing body 22 in the closed switching position.
  • time interval of the intermediate energization 30 designated ⁇ t is longer than the time interval ⁇ t s of the free-flight phase 29, and that the time interval ⁇ t s is completely within the time interval ⁇ t
  • the same length of time intervals ⁇ t, and ⁇ t s can be provided, in which case the times t2 and t3 or t4 and t5 coincide.
  • the characteristic of the intermediate energization 30 leads to a force buildup counteracting the inertia forces of the armature tappet 21 and the armature 20, since the magnetic force buildup occurs earlier than the start of the free-flight phase 29.
  • the instant t5 after time t4 prevents the connection with the comparatively small average current strength of the intermediate current 30 an excessive and also by the armature spring 28 increased counterforce on the armature 20, so that the reassembly of Ankerst ⁇ ßels 21 takes place on the valve closing body 22 with a mechanically acceptable Aufsetz ancient.
  • FIG. 2 shows the temporal displacement of the armature group 19 without intermediate energization. It can clearly be seen that both the lifting height and the duration of the free-flying phase 29 are significantly greater between the times t2 and t4 than in FIG. Accordingly, a renewed and defined displacement of the valve closing body 22 in the closed switching position only with a comparatively late subsequent Spulenbestromung including the pre-excitation of the solenoid 17 between times t3 and t5 done.
  • this placement speed can be additionally reduced by the intermediate current supply 30 within the time interval ⁇ t
  • This situation is shown in Figure 4 with two different average currents.
  • the diagram shown in Figure 5 also includes a designated L stroke profile of the gas exchange valve 4.
  • the elevation 31 of the cam 6 shown in dashed lines is still recognizable.
  • the elevation 31 and the stroke course of the gas exchange valve 4 would be identical if the switching valve 2 were closed during the entire duration of the elevation 31.
  • the intermediate energizing device 30 permits the generation of a second individual stroke 33 of the gas exchange valve 4 that immediately adjoins in a switching position of the valve closing body 22 at a time t6. A multiple stroke of the gas exchange valve 4 produced in this way, resulting from the individual strokes which follow each other in quick succession
  • a multiple stroke of the gas exchange valve 4 shown in FIG. 6 - likewise within the same revolution of the cam 6 - is equally suitable for intake and exhaust valves and leads in each case to a charge exchange with a high internal exhaust gas recirculation rate.
  • the solid lines in turn correspond to the respectively transmitted to the gas exchange valve 4 stroke, while the dashed lines correspond to the elevations 31 and 34 of the cam 6 and are shown here for an exhaust valve actuating cam 6.
  • the individual stroke 35 corresponds to the conventional exhaust stroke during the expansion phase of the internal combustion engine 5
  • the elevation 34 serves to generate a single stroke 36 which is activated during the intake stroke of the internal combustion engine 5.

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Abstract

Vorgeschlagen ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltventils (2), das Teil eines unterschiedliche Betriebszustände aufweisenden Fluidsystem s ist und das eine Magnetspule (17) sowie eine zwischen einer eine Fluidströmung freigebenden ersten Schaltstellung und einer die FIuidströmung sperrenden zweiten Schaltstellung verlagerbare Ankergruppe (19) mit einem Ventilschließkörper (22) und einem Magnetanker (20) aufweist, der in zugkraftfreier Kraftschlussverbindung mit dem Ventilschließkörper (22) steht. Dabei soll in zumindest einem Betriebszustand des Fluidsystems zwischen zwei die Ankergruppe (19) verlagernden Spulenbestromungen eine Zwischenbestromung (30) zur Dämpfung eines Überschwingens des Magnetankers (20) vorgenommen werden.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltventils
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltventils, das Teil eines unterschiedliche Betriebszustände aufweisenden Fluidsystems ist und das eine Magnetspule sowie eine zwischen einer eine Fluidströmung freigebenden ersten Schaltstellung und einer die FIu- idströmung sperrenden zweiten Schaltstellung verlagerbare Ankergruppe mit einem Ventilschließkörper und einem Magnetanker aufweist, der in zugkraftfreier Kraftschlussverbindung mit dem Ventilschließkörper steht.
Hintergrund der Erfindung
Elektromagnetische Schaltventile mit einer Ankergruppe, bei welcher der Magnetanker in zugkraftfreier Kraftschlussverbindung mit dem Ventilschließkörper steht, sind in großer Vielfalt sowohl hinsichtlich ihrer Anwendung als auch hin- sichtlich ihrer konstruktiven Ausgestaltung in der Fluidtechnik bekannt. Ein solches Schaltventil geht beispielsweise aus der DE 10 2005 061 509 A1 hervor. Dort umfasst die Ankergruppe einen Magnetanker, einen daran befestigen Ankerstößel und einen Ventilschließkörper, der mit dem Ankerstößel nicht fest verbunden ist, sondern an diesem lediglich stirnseitig anliegt. Bei Verlagerung des Ventilschließkörpers in die erste, die Fluidströmung freigebende Schaltstellung schlägt der Ventilschließkörper an die Stirnfläche einer ventilgehäuse- festen Lagerbuchse für den Ankerstößel an, während sich infolge Massenträg- heitskräften der Ankerstößel vom Ventilschließkörper trennt und gemeinsam mit dem Magnetanker weiter verlagert. Die Dauer und der Verlauf dieses nachfolgend auch als Freiflugphase bezeichneten Überschwingens sind abhängig von Reibungskräften und der Kraft einer Ankerfeder, die den Ankerstößel zur Anlage am Ventilschließkörper zurückführt.
Die Freiflugphase kann jedoch einen funktionsgerechten Betrieb des Schaltventils mit hochfrequenten, d.h. nur durch extrem kurze Pausen beabstandeten Umschaltvorgängen erheblich beeinträchtigen, wenn die Dauer der Freiflug- phase deutlich länger als die dann betriebsbedingt größtmöglich zulässige Pause zwischen den aufeinander folgenden Spulenbestromungen wäre.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltventils der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das ein die Fluidströmung präzise steuernder Betrieb eines solchen Schaltventils auch mit sehr schnell aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen ermöglicht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal- tungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll in zumindest einem Betriebszustand des Fluidsystems zwischen zwei die Ankergruppe verlagernden Spulenbestromungen eine Zwischen bestromung zur Dämpfung eines Überschwingens des Magnetankers vorgenommen werden. Wie bei der Spulenbestromung zur Verlagerung der Ankergruppe wird auch bei der Zwischenbestromung eine auf den Magnetanker wirkende, jedoch vergleichsweise kleine und/oder nur kurzzeitig wirkende Kraft erzeugt, die den Massenträgheitskräften und folglich dem anfänglichen Überschwingen des Magnetankers und gegebenenfalls damit verbundener Übertragungsbauteile entgegen gerichtet ist und im Falle einer Ankerfeder deren Kraftwirkung verstärkt. Demzufolge kann das Überschwingen sowohl hinsichtlich des Hubes als auch der Dauer so gedämpft werden, dass die Freiflugphase des Magnetan- kers zumindest auf die Dauer einer größtmöglich zulässigen Pause zwischen zwei sehr schnell aufeinander folgenden Spulenbestromungen / Schaltvorgängen reduziert werden kann.
Ein weiterer Vorteil des durch die Zwischenbestromung schwingungsgedämpf- ten Magnetankers betrifft die Herstellkosten des Schaltventils. Da die am Wiederaufsetzen des überschwingenden Magnetankers beteiligten Kontaktflächen der Ankergruppe im Falle der dämpfenden Zwischenbestromung nur noch einer vergleichsweise geringen Schlagbeanspruchung ausgesetzt sind, kann der kostenintensive Aufwand zur Herstellung hochverschleißresistenter Oberflä- chen entsprechend reduziert werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Überschwingen des Magnetankers während eines ersten Zeitintervalls erfolgt und die Zwischenbestromung während eines zweiten Zeitintervalls vorgenommen wird, wobei das erste Zeitintervall vollständig innerhalb des zweiten Zeitintervalls liegt. Mit anderen Worten soll einerseits das Einschalten der Zwischenbestromung zu einem Zeitpunkt vor dem Beginn des Überschwingens des Magnetankers erfolgen, wenn sich die Ankergruppe noch in einheitlichem Bewegungszustand befindet. Andererseits soll das Ende der Zwischenbestromung und folg- lieh der Beginn der nachfolgenden Spulenbestromung zur erneuten Verlagerung der Ankergruppe nicht vor dem Zeitpunkt liegen, zu welchem die kraftschlüssige Wirkverbindung zwischen dem Magnetanker und dem Ventilschließkörper wiederhergestellt ist. Insbesondere hierdurch kann die Aufsetzgeschwindigkeit der beteiligten Kontaktflächen niedrig und in mechanisch zu- lässigen Grenzen gehalten werden. Zusätzlich kann eine besonders niedrige Aufsetzgeschwindigkeit dann erreicht werden, wenn die Zwischenbestromung gestuft abgeregelt wird und zumindest zwei voneinander verschiedene mittlere Stromstärken aufweist. Einer solchen Ansteuerung liegt die Überlegung zugrunde, dass die für das Überschwingen des Magnetankers verantwortliche Massenträgheitsenergie bereits in der Phase der zunächst höheren Stromstärke abgebaut wird, so dass für die Wiederherstellung des Kraftschlusses innerhalb der Ankergruppe nur noch vergleichsweise geringe Kräfte erforderlich sind. Hierzu ist gegebenenfalls die Kraft der Ankerfeder ausreichend, während die niedrigere Stromstärke der ab- geregelten Zwischenbestromung als Vorerregung der Magnetspule für die nachfolgende Spulenbestromung dient.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderem Maße zur Ansteuerung eines Schaltventils als Teil einer elektrohydraulischen Ventilsteue- rung zur hubvariablen Gaswechselventilbetätigung einer Brennkraftmaschine. Während es sich bei dem Schaltventil um ein in der ersten Schaltstellung stromloses 2/2-Wegeventil handeln soll, weist eine solche Ventilsteuerung zumindest folgende Merkmale auf:
- einen zumindest eine Erhebung aufweisenden Nocken einer Nockenwelle und einen vom Nocken betätigten Geberkolben;
- einen zumindest ein Gaswechselventil hubbeaufschlagenden Nehmerkolben;
- eine zwischen dem Geberkolben und dem Nehmerkolben verlaufende Hochdruckkammer sowie eine Niederdruckkammer, wobei das Schaltventil zwi- sehen der Hochdruckkammer und der Niederdruckkammer angeordnet ist.
In diesem Fall ermöglicht die Schwingungsdämpfung des Magnetankers infolge Zwischenbestromung eine deutliche Erweiterung des erschließbaren thermo- dynamischen Potenzials der an sich bekannten elektrohydraulischen Ven- tilsteuerung im Hinblick auf das Drehmoment-, Leistungs- und Abgasemissionsverhalten der Brennkraftmaschine. Dies basiert im wesentlichen auf der Möglichkeit, die Betätigung der Gaswechselventile auf die im Kennfeld der Brennkraftmaschine unterschiedlichsten Anforderungen an den Ladungswechsel abzustimmen. Konkret erlaubt das gedämpfte Überschwingen des Magnet- ankers zwei oder mehr in sehr kurzen Zeitabständen aufeinander folgende Hubverläufe des Gaswechselventils innerhalb derselben Nockenumdrehung, da der Kraftfluss zwischen dem Magnetanker und dem Ventilschließkörper zu einem deutlich früheren Zeitpunkt wiederhergestellt wird und folglich eine nachfolgende Spulenbestromung zur erneuten Verlagerung der Ankergruppe in Schließstellung des Schaltventils nahezu unmittelbar im Anschluss an die vorhergehende Spulenbestromung vorgenommen werden kann.
Außerdem soll das Verfahren in drehzahlabhängigen Betriebszuständen der Ventilsteuerung zum Einsatz kommen. Je nach Ladungswechselstrategie und Art der Gaswechselventilbetätigung kann es sich dabei sowohl um niedrige als auch um hohe Drehzahlbereiche handeln, in denen in sehr kurzen Zeitabstän- den aufeinander folgende Hubverläufe der Gaswechselventile innerhalb derselben Nockenumdrehung vorgesehen sind.
Diesbezüglich kann es sich in einem ersten Betriebszustand um einen Mehrfachhub handeln, der zwei oder mehr innerhalb derselben Nockenerhebung erzeugte Einzelhübe umfasst. Mit einem derartigen Mehrfachhub soll vorzugsweise ein Einlassventil beaufschlagt werden, um die Einströmbedingungen von Frischgas in den betreffenden Zylinder der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Alternativ oder optional soll der Nocken mehrere Erhebungen aufweisen, wobei in einem zweiten Betriebszustand das Gaswechselventil innerhalb derselben Nockenumdrehung mit einem Mehrfachhub beaufschlagt wird, der innerhalb der einzelnen Erhebungen erzeugte Einzelhübe umfasst. Eine derartige Gestaltung und Betätigung der Ventilsteuerung ist insbesondere Grundlage für einen Ladungswechselprozess mit sehr hohen Abgasrückführraten. Wie es auch an einem später erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung deutlich wird, kann es sich bei dem entsprechend betätigten Gaswechselventil entweder um ein Auslassventil oder um ein Einlassventil oder auch beides handeln. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be- Schreibung und aus den Zeichnungen, in denen das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
Figur 1 in Diagrammform den zeitlichen Bestromungs- und Hubverlauf eines elektromagnetischen Schaltventils als Teil einer elektrohydrauli- schen Ventilsteuerung;
Figur 2 ein Referenzdiagramm gemäß Figur 1 ohne Zwischenbestromung;
Figur 3 ein Referenzdiagramm gemäß Figur 1 ohne Zwischenbestromung und zeitlich ungünstiger Spulenbestromung;
Figur 4 ein Diagramm gemäß Figur 1 mit gestuft abgeregelter Zwischen- bestromung;
Figur 5 ein Diagramm gemäß Figur 1 , ergänzt um den Mehrfachhub eines Einlassventils der elektrohydraulischen Ventilsteuerung;
Figur 6 ein Diagramm gemäß Figur 1 , ergänzt um einen Einzelhub eines Einlass- oder Auslassventils der elektrohydraulischen Ventilsteuerung;
Figur 7 eine Prinzipdarstellung der elektrohydraulischen Ventilsteuerung und Figur 8 ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenes elektromagnetisches Schaltventil.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Ausgangspunkt der Beschreibung sind eine in Figur 7 dargestellte Prinzipdarstellung einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung 1 sowie ein in Figur 8 dargestelltes elektromagnetisches Schaltventil 2 als Teil einer solchen Ventilsteuerung 1 , die jeweils als solche im Stand der Technik bekannt sind und lediglich zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung des Schaltventils 2 herangezogen werden. Die Ventilsteuerung 1 dient zur hubvariablen Betätigung eines in Schließrichtung durch eine Ventilfeder 3 kraftbeaufschlagten Gaswechselventils 4 einer Brennkraftmaschine 5 und um- fasst als wesentliche Bauteile einen Nocken 6 einer Nockenwelle 7, einen vom Nocken 6 hier mittels eines Tassenstößels 8 betätigten Geberkolben 9, einen das Gaswechselventil 4 hubbeaufschlagenden Nehmerkolben 10, eine zwischen dem Geberkolben 9 und dem Nehmerkolben 10 verlaufende Hochdruckkammer 11 sowie eine Niederdruckkammer 12, wobei das Schaltventil 2 zwischen der Hochdruckkammer 11 und der Niederdruckkammer 12 angeordnet ist.
Das Schaltventil 2 ist als stromlos geöffnetes 2/2-Wege-Ventil ausgebildet und gibt in seiner stromlosen ersten Schaltstellung die Fluidströmung zwischen der Hochdruckkammer 11 und der Niederdruckkammer 12 frei, während es in sei- ner bestromten zweiten Schaltstellung die Fluidströmung zwischen der Hochdruckkammer 11 und der Niederdruckkammer 12 sperrt. Die Funktionsweise der an sich bekannten Ventilsteuerung 1 lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass das in der Hochdruckkammer 11 befindliche Hydraulikmittel als hydraulisches Gestänge dient, wobei der vom Nocken 6 vorgegebene Hub bei geschlossenem Schaltventil 2 auf das Gaswechselventil 4 übertragen wird und bei geöffnetem Schaltventil 2 teilweise oder ganz in die Niederdruckkammer 12 und hier in einen federbelasteten Druckspeicher 13 abgesteuert wird. Ein Rückströmen des Hydraulikmitteis aus der Niederdruckkammer 12 in die Hoch- druckkammer 11 erfolgt über ein Bypass-Rückschlagventil 14. Ferner ist die Ventilsteuerung 1 zum Ausgleich von Leckagen an eine Hydraulikmittelversorgung 15 der Brennkraftmaschine 5 angeschlossen.
Der konstruktive Aufbau des Schaltventils 2 geht aus Figur 8 näher hervor. Das Schaltventil 2 weist ein Ventilgehäuse 16 mit einer Magnetspule 17 und einer mit dieser verbundenen Elektrosteckverbindung 18 auf. Eine bei bestromter Magnetspule 17 kraftbeaufschlagte Ankergruppe 19 besteht aus einem inner- halb der Magnetspule 17 längsbeweglich gelagerten Magnetanker 20, einem daran befestigten Ankerstößel 21 sowie einem Ventilschließkörper 22, auf dem der Ankerstößel 21 lediglich zur Übertragung von Druckkräften stirnseitig anliegt. Folglich stehen der Ankerstößel 21 und der Ventilschließkörper 22 in zugkraftfreier Kraftschlussverbindung miteinander.
Wie dargestellt, ist das Schaltventil 2 im unbestromten Zustand geöffnet, so dass sich in dieser Schaltstellung eine Hydraulikmittelströmung zwischen einem hochdruckkammerseitigen Anschluss 23 und einem niederdruckkammer- seitigen Anschluss 24 durch einen Ringspalt zwischen dem Ventilschließkörper 22 und einem gehäusefesten Dichtsitz 25 ausbilden kann. Bei ausreichend hoher Spulenbestromung wird die Ankergruppe 19 in die zweite Schaltstellung verlagert, in welcher der Ventilschließkörper 22 am Dichtsitz 25 anliegt und die Hydraulikmittelströmung zwischen dem hochdruckkammerseitigen Anschluss 23 und dem niederdruckkammerseitigen Anschluss 24 gesperrt ist. Nach Ab- schalten dieser Spulenbestromung bewirkt die Kraft einer Öffnerfeder 26 die gemeinsame Rückverlagerung des Ventilschließkörpers 22, des Ankerstößels 21 und des Magnetankers 20 bis zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Ventilschließkörper 22 an eine gehäusefeste Lagerbuchse 27 für den Ankerstößel 21 anschlägt. Gleichzeitig führt die Massenträgheit des Ankerstößels 21 und des Magnetankers 20 zu einer Trennung des Ankerstößels 21 vom Ventilschließkörper 22, so dass der Ankerstößel 21 und der Magnetanker 20 für die Dauer einer nachfolgenden Freiflugphase entgegen der Kraft einer Ankerfeder 28 überschwingen.
Wie es anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren deutlich wird, kann durch eine so genannte Zwischenbestromung zwischen zwei aufeinander folgenden, die Ankergruppe 19 in Schließrichtung verlagernden Spulenbestro- mungen nicht nur das räumliche und zeitliche Ausmaß des Überschwingens, sondern auch der mechanische Impuls beim Wiederaufschlagen des Ankerstößels 21 auf dem Ventilschließkörper 22 wirksam gedämpft werden. In dem in Figur 1 dargestellten Diagramm sind der zeitliche Verlauf des mit I bezeichneten Spulenstroms und die Bewegung der Ankergruppe 19 zwischen der mit „Open" bezeichneten, d.h. geöffneten ersten Schaltstellung und der mit „Clo- sed" bezeichneten, d.h. geschlossenen zweiten Schaltstellung des Schaltventils 2 aufgetragen. Ausgangspunkt der Betrachtung ist die geschlossene Schaltstellung, bei der zu einem Zeitpunkt t1 die Spulenbestromung abgeschaltet wird und sich die Ankergruppe 19 in Richtung der geöffneten Schaltstellung verlagert. Die Freiflugphase 29 des Ankerstößels 21 und des Magnetankers 20 beginnt zu einem Zeitpunkt t2, bei welcher der Ventilschließkörper 22 an der Lagerbuchse 27 anschlägt und der Ankerstößel 21 infolge Massenträgheits- kräften vom Ventilschließkörper 22 abhebt. Die Freiflugphase 29 ist zu einem Zeitpunkt t4, zu dem der Ankerstößel 21 wieder auf dem Ventilschließkörper 22 aufsetzt, beendet und weist die mit Δts bezeichnete Dauer auf. Zur Reduzierung des Überschwinghubes und der Dauer Δts wird die Magnetspule 17 zu einem vor dem Zeitpunkt t2 liegenden Zeitpunkt t3 zwischenbestromt, so dass die hierdurch aufgebaute Magnetkraft den Massenträgheitskräften entgegenwirkt und diese weitgehend kompensiert. Die mit 30 bezeichnete Zwischenbestromung endet zu einem Zeitpunkt t5, zu welchem die Magnetspule 17 mit einer nachfolgenden Spulenbestromung zur erneuten Verlagerung der Ankergruppe 19 und des Ventilschließkörpers 22 in die geschlossene Schaltstellung beaufschlagt wird. Es ist deutlich erkennbar, dass das mit Δt, bezeichnete Zeitmtervall der Zwi- schenbestromung 30 länger als das Zeitintervall Δts der Freiflugphase 29 ist, und dass das Zeitintervall Δts vollständig innerhalb des Zeitintervalls Δt| liegt. Zur Vollständigkeit sei darauf hingewiesen, dass im Grenzfall auch gleich lange Zeitintervalle Δt, und Δts vorgesehen sein können, wobei dann die Zeitpunkte t2 und t3 bzw. t4 und t5 zusammenfallen.
Die Charakteristik der Zwischenbestromung 30 führt einerseits zu einem den Massenträgheitskräften des Ankerstößels 21 und des Magnetankers 20 recht- zeitig entgegenwirkenden Kraftaufbau, da der Magnetkraftaufbau zu einem früheren Zeitpunkt als der Beginn der Freiflugphase 29 erfolgt Andererseits verhindert der nach dem Zeitpunkt t4 liegende Zeitpunkt t5 in Verbindung mit der vergleichsweise kleinen mittleren Stromstarke der Zwischenbestromung 30 eine übermäßige und zudem von der Ankerfeder 28 verstärkte Gegenkraft auf den Magnetanker 20, so dass das Wiederaufsetzen des Ankerstόßels 21 auf dem Ventilschließkörper 22 mit einer mechanisch akzeptablen Aufsetzgeschwindigkeit erfolgt.
Die Vorteile der erfindungsgemaßen Zwischenbestromung 30 ergeben sich durch vergleichende Betrachtung mit entsprechenden, in den Figuren 2 und 3 dargestellten Referenzdiagrammen. Figur 2 zeigt die zeitliche Verlagerung der Ankergruppe 19 ohne Zwischenbestromung Es ist deutlich erkennbar, dass sowohl die Hubhöhe als auch die Dauer der Freiflugphase 29 zwischen den Zeitpunkten t2 und t4 deutlich großer als in Figur 1 sind. Dementsprechend kann eine erneute und definierte Verlagerung des Ventilschließkörpers 22 in die geschlossene Schaltstellung erst mit einer vergleichsweise späten nachfolgenden Spulenbestromung einschließlich der Vorerregung der Magnetspule 17 zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 erfolgen.
Wie aus Figur 3 hervorgeht, wäre auch eine Vorverlagerung des Zeitpunkts t3 zwischen die Zeitpunkte t2 und t4 selbst bei Verkürzung der Vorerregungsdauer bis zum Zeitpunkt t5 nicht zielfuhrend, da dann die den Massenträgheitskräf- ten des Ankerstößels 21 und des Magnetankers 20 entgegenwirkende Magnetkraft zu einem zu späten Zeitpunkt aufgebaut werden würde und in Verbindung mit der Kraft der Ankerfeder 28 zu einer mechanisch unzulässig hohen Aufsetzgeschwindigkeit des Ankerstößels 21 auf dem Ventilschließkörper 22 zum Zeitpunkt t4 führen würde.
Aufbauend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Zwischenbestromung
30 gemäß Figur 1 kann diese Aufsetzgeschwindigkeit zusätzlich dadurch reduziert werden, dass die Zwischenbestromung 30 innerhalb des Zeitintervalls Δt| in Stufen abgeregelt wird, so dass die zusätzlich zur Ankerfeder 28 wirkende Magnetkraft beim Wiederaufsetzen des Ankerstößels 21 zum Zeitpunkt t4 eine nur noch untergeordnete Rolle spielt. Dieser Sachverhalt ist in Figur 4 mit zwei voneinander verschiedenen mittleren Stromstärken dargestellt.
Das in Figur 5 dargestellte Diagramm enthält zusätzlich einen mit L bezeichneten Hubverlauf des Gaswechselventils 4. Zusätzlich zu dem mit durchgezogener Linie dargestellten Hubverlauf des Gaswechselventils 4 ist weiterhin die gestrichelt dargestellte Erhebung 31 des Nockens 6 erkennbar. Von Leckageverlusten aus der Hochdruckkammer 11 abgesehen wären die Erhebung 31 und der Hubverlauf des Gaswechselventils 4 identisch, wenn das Schaltventil 2 während der gesamten Dauer der Erhebung 31 geschlossen wäre. Analog zu Figur 1 wird jedoch die Spulenbestromung im Laufe der wirksamen Erhebung
31 zum Zeitpunkt t1 abgeschaltet, so dass ein bis dahin erzeugter erster Einzelhub 32 des Gaswechselventils 4 abgebrochen wird und das Gaswechsel- ventil 4 schließt. Wie bereits erläutert, erlaubt die erfindungsgemäße Zwischenbestromung 30 die Erzeugung eines sich in sehr kurzer Zeit und hier unmittelbar anschließenden zweiten Einzelhubes 33 des Gaswechselventils 4, welcher in der erneut geschlossenen Schaltstellung des Ventilschließkörpers 22 zu einem Zeitpunkt t6 beginnt. Ein so erzeugter Mehrfachhub des Gas- wechselventils 4, der sich aus den schnell aufeinander folgenden Einzelhüben
32 und 33 innerhalb derselben Erhebung 31 des Nockens 6 zusammensetzt, eignet sich hinsichtlich einer Optimierung des Ladungswechselprozesses der Brennkraftmaschine 5 in erster Linie für ein als Einlassventil ausgebildetes Gaswechselventil 4.
Ein in Figur 6 - ebenfalls innerhalb derselben Umdrehung des Nockens 6 - dargestellter Mehrfachhub des Gaswechselventils 4 eignet sich demgegenüber gleichermaßen für Einlass- und Auslassventile und führt jeweils zu einem Ladungswechsel mit hoher interner Abgasrückführrate. Die durchgezogenen Linien entsprechen wiederum dem jeweils auf das Gaswechselventil 4 übertragenen Hub, während die gestrichelten Linien den Erhebungen 31 bzw. 34 des Nockens 6 entsprechen und hier für einen ein Auslassventil betätigenden Nocken 6 dargestellt sind. Während der Einzelhub 35 dem konventionellen Auslasshub während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine 5 entspricht, dient die Erhebung 34 zur Erzeugung eines Einzelhubes 36, der während des Ansaugtakts der Brennkraftmaschine 5 aktiviert wird. Folglich wird in diesem Betriebszustand während des Ansaugtakts nicht nur Frischgas aus der Sauganlage, sondern auch Abgas aus der Abgasanlage in den betreffenden Zylinder der Brennkraftmaschine 5 angesaugt. Die Mengendosierung des Abgases wird durch geeignete Steuerzeiteneinstellung des Einzelhubes 36 vorgenommen, der in diesem Fall zum Zeitpunkt t6 nach dem kinematisch vorgegebenen Öffnungszeitpunkt der Erhebung 34 beginnt und folglich kleiner und kürzer als die Erhebung 34 ist.
Für den Fall, dass die interne Abgasrückführung mittels Einzelhub 36 an einem Einlassventil durchgeführt werden soll, wären entweder die in Figur 7 einge- zeichnete Drehrichtung der Nockenwelle 7 umzukehren oder die Erhebungen 31 und 34 anzupassen. Dementsprechend würde Abgas während der Expansionsphase der Brennkraftmaschine 5 und dann geöffnetem Einlassventil in den Ansaugkanal ausgeschoben und während der Ansaugphase erneut in den betreffenden Zylinder der Brennkraftmaschine 5 angesaugt werden. Liste der Bezugszeichen
1 elektrohydraulische Ventilsteuerung
2 Schaltventil
3 Ventilfeder
4 Gaswechselventil
5 Brennkraftmaschine
6 Nocken
7 Nockenwelle
8 Tassenstößel
9 Geberkolben
10 Nehmerkolben
11 Hochdruckkammer
12 Niederdruckkammer
13 Druckspeicher
14 Bypass-Rückschlagventil
15 Hydraulikmittelversorgung
16 Ventilgehäuse
17 Magnetspule
18 Elektrosteckverbindung
19 Ankergruppe
20 Magnetanker
21 Ankerstößel
22 Ventilschließkörper
23 hochdruckkammerseitiger Anschluss
24 niederdruckkammerseitiger Anschluss
25 Dichtsitz
26 Öffnerfeder
27 Lagerbuchse
28 Ankerfeder
29 Freiflugphase
30 Zwischenbestromung 31 Erhebung
32 erster Einzeihub
33 zweiter Einzelhub
34 Erhebung 35 Einzelhub
36 Einzelhub
t Zeitpunkt
Δt Zeitintervall I Spulenstrom
L Hubverlauf des Gaswechselventils

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltventils (2), das Teil eines unterschiedliche Betriebszustände aufweisenden Fluid- systems ist und das eine Magnetspule (17) sowie eine zwischen einer eine Fluidströmung freigebenden ersten Schaltstellung und einer die FIu- idströmung sperrenden zweiten Schaltstellung verlagerbare Ankergruppe (19) mit einem Ventilschließkörper (22) und einem Magnetanker (20) auf- weist, der in zugkraftfreier Kraftschlussverbindung mit dem Ventilschließkörper (22) steht, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Betriebszustand des Fluidsystemε zwischen zwei die Ankergruppe (19) verlagernden Spulenbestromungen eine Zwischenbestromung (30) zur Dämpfung eines Überschwingens des Magnetankers (20) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Überschwingen des Magnetankers (20) während eines ersten Zeitintervalls (Δts) erfolgt und die Zwischenbestromung (30) während eines zweiten Zeitintervalls (Δt|) vorgenommen wird, wobei das erste Zeitintervall (Δts) vollständig innerhalb des zweiten Zeitintervalls (Δti) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenbestromung (30) gestuft abgeregelt wird und zumindest zwei von- einander verschiedene mittlere Stromstärken aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schaltventil (2) um ein in der ersten Schaltstellung stromloses 2/2- Wegeventil und bei dem Fluidsystem um eine elektrohydraulische Ven- tilsteuerung (1 ) zur hubvariablen Gaswechselventilbetätigung einer
Brennkraftmaschine (5) handelt, wobei die Ventilsteuerung (1) zumindest folgende Merkmale aufweist: - einen zumindest eine Erhebung (31 , 34) aufweisenden Nocken (6) einer Nockenwelle (7) und einen vom Nocken (6) betätigten Geberkolben
(9);
- einen zumindest ein Gaswechselventil (4) hubbeaufschlagenden Neh- merkolben (10);
- eine zwischen dem Geberkolben (9) und dem Nehmerkolben (10) verlaufende Hochdruckkammer (1 1 ) sowie eine Niederdruckkammer (12), wobei das Schaltventil (2) zwischen der Hochdruckkammer (11 ) und der Niederdruckkammer (12) angeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (5) abhängige Betriebszustän- de handelt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (4) in einem ersten Betriebszustand der Ventilsteuerung (1 ) mit einem innerhalb derselben Erhebung (31) erzeugte Einzelhübe (32, 33) umfassenden Mehrfachhub innerhalb derselben Umdrehung des Nockens (6) beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gaswechselventil (4) um ein Einlassventil handelt.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (6) mehrere Erhebungen (31 , 34) aufweist, wobei das Gaswechselventil
(4) in einem zweiten Betriebszustand der Ventilsteuerung (1 ) mit einem innerhalb der Erhebungen (31 , 34) erzeugte Einzelhübe (35, 36) umfassenden Mehrfachhub innerhalb derselben Umdrehung des Nockens (6) beaufschlagt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gaswechselventil (4) um ein Auslassventil handelt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gaswechselventil (4) um ein Einlassventil handelt.
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