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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung
eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines
Gaswechsel-Ventils einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei
der Anker oszillierend zwischen Polflächen zweier Elektromagnet-Spulen
jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder
durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird.
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Ein
bevorzugter Anwendungsfall für
einen elektromagnetischen Aktuator mit Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen. In
Hubkolben-Brennkraftmaschinen werden Gaswechel-Hubventile durch
derartige Aktuatoren in gewünschter
Weise betätigt,
d. h. oszillierend geöffnet und
geschlossen. Ein zu diesem Zweck eingesetzter bekannter Aktuator
umfasst als wesentliche Bestandteile einen Anker, der zwischen Polflächen von
zwei Elektromagneten axial verschieblich angeordnet ist und durch
mindestens ein Federelement in einer Mittellage zwischen den beiden
Polflächen
gehalten wird. Der Antrieb des als Hubventil ausgebildeten Gaswechsel-Ventils
erfolgt über
einen Stößel, der
mit dem Anker des Aktuators starr verbunden ist. In einer geschlossenen
Stellung des Ventils befindet sich der Ventilteller in einem Ventilsitz,
und der Anker des Aktuators befindet sich gegen die Rückstellkraft
des Federelements in Anlage mit der Polfläche der Schließerspule.
Zum Öffnen
des Hubventils wird der Anker des Aktuators von der Schließerspule
abgelöst
und in Richtung auf die Öffnerspule
zu bewegt. Hierbei wirkt der Stößel des
Aktuators auf einen Ventilschaft des Hubventils zur Kraftübertragung
ein.
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Fertigungs-
und Bauteiltoleranzen, unterschiedliche Wärmeausdehnung der beteiligten
Bauteile sowie Alterungseinflüsse
können
zu erheblichen Abweichungen von einem jeweils vorgegebenen Hubwert
führen.
Als eine Ausgangsmaßnahme
ist daher beispielsweise aus der
DE 23 35 150 A bekannt, dass der Stößel des
Aktuators und der Ventilschaft des Hubventils nicht einstückig miteinander verbunden
sind.
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Dieser
mindestens zweiteilige Aufbau garantiert, dass im geschlossenen
Zustand des Ventils sich einerseits der Ventilteller abdichtend
in den Ventilsitz bewegt und andererseits auch der Stößel mit
dem Anker in eine stationäre
Ruhelage in Berührungskontakt
mit der Polfläche
des Schließermagneten
tritt. Bei der Einleitung eines Ventilöffnungsvorganges verursacht
der vorstehend beschriebene mechanische Ventilspielausgleich somit
stets erst ein Ablösen des
Ankers von der Polfläche
des Schließermagneten,
worauf erst der Stößel in Kontakt
mit dem Ventilschaft tritt, um schließlich den Ventilteller gegen
die Rückstellkraft
der Rückstellfeder
anzuheben. Ein punktgenaues Einhalten des Zeitpunktes zum Öffnen des
Ventils erweist sich mithin als schwierig. Dabei wird eine Öffnungsphase
des Ventils weiterhin durch eine Umpolung oder Abschaltung des Stromflusses durch
den Haltemagneten eingeleitet. Daraufhin löst sich der Anker weit verzögert nach Überwinden
einer Anhaftekraft des Ankers an der Polfläche des Haltemagneten und muss
nun bis zur Einleitung der eigentlichen Ventilöffnung auch noch das mechanische Ventilspiel
als Freiflugstrecke überwinden.
Die Größe des Ventilspiels
ist jedoch, wie vorstehend bereits angedeutet, derart bemessen,
dass beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungen bei unterschiedlichen
Betriebszuständen
zu keinem Zeitpunkt dazu führen
können,
dass bei einem Halten des Ankers in Schließstellung dieser den Ventilteller
berührt oder
aber das Ventil sogar aufdrückt
und somit teilweise öffnet.
Die Addition von Bauteiltoleranzen und unterschiedlichsten Temperaturausdehnungen
der beteiligten Bauteile sowie von Alterungseinflüssen führt jedoch
dazu, dass das mechanische Ventilspiel in der Regel nicht exakt
bekannt ist. Dadurch treten Störungen
in der Funktion des Ottomotors bezüglich Leistung, Verbrauch und
Schadstoffemissionen auf.
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Zur
Ausschaltung eines Ventilspiels sind diverse Ansätze bekannt, denen stets eine
mechanische Kopplung von Ventilschaft und Stößel des Aktuators gemein ist.
Das vordem freie Ventilspiel wird hierbei durch einen mehr oder
weniger frei einstellbaren Stellmechanismus an jeweils aktuelle
Gegebenheiten angepasst. Zu diesem Zweck offenbart die
DE 199 47 848 A1 federelastisch-mechanische
Mittel oder hydraulisch arbeitende Längenausgleichsmittel. Durch
diese Mittel ist jedoch nur das vormals freie Ventilspiel durch
einen geregelten Ausgleich der vorstehend aufgeführten Längen- und Toleranzänderungen
auf Kosten eines sehr hohen mechanischen Aufwandes ersetzt, da auf
stark beengtem Bauraum eine erforderliche Ver sorgung eines derartigen
Ausgleichsmechanismus beispielsweise mit Hydraulikmedium und Zuleitungen
etc. untergebracht werden muss. Zusätzliche Verluste durch Reibung
und erhöhte
bewegte Massen wirken sich jedoch äußerst negativ auf die Ventilhuberzeugung,
auf deren Regelung und den Gesamt-Energiehaushalt des Systems aus.
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Deutlich
vorteilhafter ist es daher, wenn der elektromagnetische Aktuator
die Funktion des Ventilspielausgleichs selber übernimmt. In der
DE 198 32 198 ist ein Verfahren offenbart,
in dem der Anker unter Verwendung eines geeigneten Regelungsverfahrens
aus einer Ruheposition in Anlage an der Polfläche eines Haltemagneten heraus
zunächst
eine Zwischenposition anfährt.
Diese Zwischenposition ist durch ein Aufsetzen eines Teils des Ankers
auf dem als Hubventil ausgebildeten Gaswechselventil gekennzeichnet.
Damit ist das Ventilspiel mit dem Erreichen dieser Zwischenposition
das Ventilspiel im Zuge eines elektronisch geregelten Ventilspielausgleichs
bereits überbrückt worden.
Aus dieser Zwischenposition heraus wird dann der eigentliche Vorgang
der Ventilöffnung
betrieben. Dementsprechend wird bei einem Schließvorgang des Gaswechsel-Hubventils
zunächst
eine erste Endlage des Ankers angefahren, die dem Aufsetzen des
Gaswechsel-Hubventils auf seinem Ventilsitz entspricht. Daran anschließend wird
der Anker in eine zweite Endlage gefahren, die seiner eigenen mechanischen
Endlage entspricht, also der vorstehend beschriebenen Ruheposition
in Anlage an der Polfläche
des Haltemagneten bzw. Schließermagneten.
Dieser letzte Teilhub entspricht wiederum dem Ventilspiel. Eine
zuverlässige
Implementierung eines derartigen Verfahrens insbesondere als Ventilspiel-Ausgleichsfunktion
in einem elektromagnetischen Ventiltrieb eines Brennkraftmaschine
macht es erforderlich, dass die Position des Ankers zwischen den
Polflächen
stets genau bestimmen werden kann und zudem jede gewünschte Zwischenposition
zwischen dem Öffnermagneten und
dem Schließermagneten
angefahren werden kann. Ein Regler nach der Lehre der
DE 198 32 198 ist dazu geeignet,
es ist aber auch darüber
hinaus zwingend erforderlich, dass ein jeweils aktuelles Ventilspiel,
das sich laufend zumindest geringfügig ändert, bekannt ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur Bestimmung eines jeweiligen
Ventilspiels bekannt. In der
DE 195 29 155 A1 ist beispielsweise ein Verfahren
zur Messung des Ventilspiels bekannt, bei dem aus Unregelmäßigkeiten
in einem zeitlichen Verlauf des Energieeinsatzes an dem Schließmagneten
anhand einer Messung von Strom und/oder Spannung auf das Auftreffen
des Ankers auf das Gaswechselventil zur Bestimmung der Größe des Ventilspiels
schließt.
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Aus
der
DE 195 31 437
A1 ist ein elektrisches Verfahren zur Messung des Ventilspiels
an einem Gaswechselventil offenbart, das auf einer relativ genauen
Bestimmung der Klebzeit sowie einer Vorabbestimmung einer Zeitspanne
vom Loslösen
bis zum Auftreffen des Ankers beruht. Dieses Verfahren setzt Vermessung
verschiedener Differenzzeitgrößen auf,
sodass sich Messungenauigkeiten sehr rasch aufsummieren können und
im Endeffekt zu unsicheren Ergebnissen führen.
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Als
wesentlich zuverlässiger
hat sich ein Verfahren gemäß der
DE 198 34 545 A1 herausgestellt. Hier
wird die Messung in einer Zeitspanne durchgeführt, in der sich bei geschlossenem
Gaswechsel-Hubventil ein Kolben des zugehörigen Brennkraftmaschinen-Zylinders
nahe seines oberen Totpunktes befindet. Durch den in dieser Phase
im Zylinderinnern herrschenden hohen Druck während der Messung und auch
durch eine Positionierung des Ankers in Anlage an dem Gaswechsel-Hubventil das Gaswechsel-Hubventil
selber in keinem Fall geöffnet wird.
Die Messung selber erfolgt als Auswertung der Unregelmäßigkeit
in einem zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers. Es wird also im
Gegensatz zu der Lehre der
DE
195 31 437 A1 neben einem Positionssensor, der für eine stets
erforderliche Positionsbestimmung immer vorhanden ist, kein weiterer
Sensor benötigt.
Die Messung erfolgt auf der Basis der Auswertung eines Geschwindigkeitssignals,
das aus dem zeitlichen Bewegungsverlauf des Ankers gewonnen wird:
Bei einem realen Ventilspiel wird der Anker aus der Halteposition
an der Polfläche
des Schließermagneten
heraus beschleunigt. Sobald der Anker aber auf dem Gaswechselventil
auftrifft ändert sich
sein zeitlicher Bewegungsablauf, da der Widerstand des ruhenden
Gaswechselventils in der Ankergeschwindigkeit eine signifikante
Abnahme hervorruft. Diese Änderung
kann auch nach einer nur geringfügigen
Beschleunigung und einer sehr kurzen Wegstrecke durch den Wegsensor
detektiert werden, so dass auf dieser Grundlage das Ventilspiel
festgestellt werden kann. Diese Messung wird gemäß der Lehre der
DE 198 34 545 A1 periodisch
oder stochastisch unter Zwischenschaltung mehrerer Arbeitsspiele
der Brennkraftmaschine wiederholt.
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Aus
der
DE 100 19 745
A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren
bekannt, bei dem eine Aufteilung des gesamten Bewegungsvorganges
beim Überführen des
Ankers von einer Polfläche
hin zu einer anderen in drei Phasen aufgeteilt wird. Hierdurch sollen die
physikalischen Besonderheiten der jeweiligen Phasen mit dem Ziel
besser berücksichtigt
werden, dass der Anker mit einer vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit
definiert auf die Polfläche
eines jeweils fangenden Elektromagneten auftrifft. Dabei ist vorgesehen,
dass der gesamte Bewegungsvorgang sensorisch überwacht wird.
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Zur
genaueren Ansteuerung von Aktuatoren und für einen geräuschärmeren Betrieb ist in der
DE 100 19 739 A1 unter
Anwendung von Prinzipien der
DE 100 19 745 A1 offenbart, dass der Anker
in jeder Totpunktlage mit geringem Abstand zu einer jeweiligen Polfläche schwebend
gehalten wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues Einhalten
des Zeitpunktes zum Öffnen
des Ventils durch einen elektromagnetischen Aktuator bei wesentlich
vermindertem Aufwand zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Weiter ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 7 eine Lösung dieser
Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zeichnet sich demnach dadurch aus, dass der Anker des Aktuators
in einer Vorbereitungsphase von der Polfläche des Schließermagneten
abgehoben wird und der Stößel des
Aktuators mit sehr geringer Geschwindigkeit in einen Bereich des
Ventilschaftes herangefahren wird, ohne auf den Ventilschaft aufgesetzt
zu werden. Damit wird auch ohne stetig wiederholte Messung, die
beispielsweise nach der Lehre der
DE 198 34 545 A1 durchgeführt wird, sichergestellt, dass
das Gaswechselventil nicht außerhalb
einer jeweils vorgesehenen Zeit oder vorzeitig geöffnet wird.
Auch gegen sonstige, sich langsam aufbauende Toleranzänderungen,
aber auch gegen Vibrationen der Brennkraftmaschine selber oder eines
durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs ist ein erfindungsgemäßes Verfahren
bei vermindertem Mess- und Rechenaufwand ausreichend tolerant.
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An
diese Vorbereitungsphase anschließend erfolgt ein Öffnen des
Hubventils durch zusätzliche Bestromung
der Schließerspule
quasi sofort. Durch die Ansteuerung des Aktuators aus dieser Bereitschaftslage
gerade ohne Kontakt des Ventilschaftes mit dem Stößel des
Aktuators heraus ist damit ein Startzeitpunkt der Ventilöffnung exakt
festgelegt. Dadurch, dass der Ventilschaft mit dem Stößel bereits zu
diesem Zeitpunkt fast in Anlage ist, treten bei Herstellung eines
Kontakts bzw. einer Anlage von Stößel an dem Ventilschaft nur
geringe Geräuschentwicklungen
und auch auf Dauer gesehen sehr wenig Verschleiß auf. Es kann daher auch auf
Dämpfungsmechanismen,
wie sie nach dem Stand der Technik vorgesehen sein können, verzichtet
werden.
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In
einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird zur Verbesserung
der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Regler mit Sollwerten
für Strom,
Hub und Geschwindigkeit verwendet, der durch eins zusätzliche
Regelgröße erweitert
wird. Als Integral der Differenz zwischen einem Soll-Hub und einem
Ist-Hub wird eine
neue Regelgröße eingeführt, durch
die auch sehr geringe dauerhafte Abweichungen erkannt und ausgeregelt werden.
Insbesondere wird ein Klebenbleiben des Ankers auf der Polfläche bzw.
dem Joch verhindert, ohne dass ein weiterer Sensor benötigt werden
würde.
Das aus dem Hubsignal abgeleitete Geschwindigkeitssignal kann vorzugsweise
dadurch verbessert und insbesondere geglättet werden, dass der Regler
unter Verwendung eines Zustandsschätzers oder Beobachters arbeitet.
Hierdurch wird auch die Qualität
des neuen Differenz-Integrals verbessert.
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Zur
Darstellung weiterer Vorteile wird nachfolgend eine Ausführungsform
der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus eines
Gaswechselventils mit elektromagnetischem Aktuator-Antrieb in einer
geöffneten
Endstellung;
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2:
das Ventil gemäß 1 in
einer geschlossenen Endstellung;
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3a bis 3c:
ein Gaswechselventil bekannter Bauart mit Ventilspiel in drei unterschiedlichen
Betriebszuständen;
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4:
ein Verlauf des Hubes des Ankers und des Ventildeckels;
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5:
einen skizzierten Verlauf des Hubes nach einer erfindungsgemäßen Regelung
und
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6:
ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Gesamtfederkraft
aufgetragen über
dem Ankerhub.
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In
der Abbildung von 1 ist ein Aktuator 1 bekannter
Bauart dargestellt, der über
einen Ventilschaft 2 ein zugeordnetes Hubventil 3 antreibt. 1 zeigt
mit der geöffneten
Endlage eine der beiden möglichen
Endlagen des Hubventils 3 und des Aktuators 1.
In dieser Position ist ein Ventilteller 5 von einem Ventilsitz 6 abgehoben,
das Hubventil 3 ist also maximal geöffnet. Zum Überführen des Hubventils 3 in
eine geschlossene Stellung wird der Ventilteller 5 in Richtung
auf seinen Ventilsitz 6 bewegt.
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Wie üblich greift
an diesem Hubventil 3 eine Ventilschließfeder 7 an. Die Ventilschließfeder 7 ist jedoch
so dimensioniert, dass sie das Hubventil 3 und mit ihm
auch den Aktuator 1 nur in eine Neutrallage zurückbewegen
kann. Für
die weitere Bewegung des Ventiltellers 5 auf den Ventilsitz 6 zu
wird der Antrieb durch den Aktuator 1 benötigt. Der
Aktuator 1 umfasst dazu neben zwei Elektromagnet-Spulen 8, 9 einen
auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3 einwirkenden
Stößel 10,
der den Anker 4 trägt
und zwischen den Elektromagnet-Spulen 8, 9 oszillierend längsverschiebbar
geführt
ist. Zum Antreiben des Hubventils 3 drückt der Stößel 10 des Aktuators 1 über den
Ventilschaft 2 auf den Ventilschaft 2 des Hubventils 3.
An dem Ende des Stößels 10,
das dem Ventilschaft 2 des Hubventils 3 abgewandt
ist, greift ferner eine Ventil-Öffnungsfeder 11 an,
die in der dargestellten geöffneten
Endstellung entspannt ist.
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Bei
der dargestellten Anordnung handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System,
für das
die Ventilschließfeder 7 und
die Ventilöffnungsfeder 11 eine
erste sowie eine zweite Rückstellfeder
bilden. Je nach Federkraft kann eine Feineinstellung über eine
Länge Δl im Bereich
der Ventilöffnungsfeder 11 vorgenommen
werden. In der dargestellten Endposition dieses schwingungsfähigen Systems
ist das Hubventil 3 vollständig geöffnet, und der Anker 4 liegt
an der unteren Elektromagnet-Spule 8 an, die im Folgenden
auch als Öffner-Spule 8 bezeichnet
wird, nachdem diese Spule 8 das Hubventil 3 in
seiner geöffneten
Position hält.
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In
einer in der Abbildung von 2 dargestellten
zweiten Endposition des schwingungsfähigen Systems ist das Hubventil 3 gegen
eine Rückstellkraft
der Feder 11 vollständig
geschlossen, und der Anker 4 des Aktuators 1 liegt
an einem Pol 13 der oberen Elektromagnet-Spule 9 an,
die im folgenden auch als Schließer-Spule 9 bezeichnet
wird, nachdem diese Spule 9 das Hubventil 3 in
seiner geschlossenen Position hält.
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Da
in der vorliegenden Ausführungsform
des Gaswechsel-Hubventils der Ventilschaft 2 und der Stößel 10 einstückig miteinander
verbunden sind, ist eine Länge
L zwischen dem Anker 4 und dem Ventildeckel 5 besonders
kritisch. Es ist bekannt, dass sich die Länge L während des Motorbetriebes aufgrund thermischer
Ausdehnung oder sonstiger Art von Verschleiß ändert. Um einen fehlerfreien
Betrieb des Motors sicherzustellen, muss dieser Effekt in einer
geeigneten Weise kompensiert werden. In Motoren mit Nockenwellen
wird üblicherweise
ein hydraulischer Ventilspielausgleich verwendet. Neben dem komplizierten
Aufbau dieser teuren und relativ störungsanfälligen Lösung wird als ein weiterer
Nachteil erkauft, dass Öl
in den Ventilraum austreten kann. Zur Regelung des Aktuators bietet
sich daher als weitere Lösungsmöglichkeit
zum Ausgleich des eingangs beschriebenen Toleranzenproblems ein
elektronisch geregelter Ventilspielausgleich an. Ein elektronischer Ventilspielausgleich
weist als Vorteil eine wesentlich geringere Anzahl von Komponenten
auf, den Verzicht auf eine Ölversorgung
für einen
hydraulischen Ventilspielausgleich und eine deutliche Vereinfachung
der Systemdynamik. Der elektronische Ventilspielausgleich ist ein
typisches Beispiel einer mechatronischen Implementierung und wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figurenfolge von 3a bis 3c beschrieben.
Das Gesamtsystem setzt sich aus einem mechanischen sowie einem elektrischen
und einem Software-Teil zusammen. Der mechanische Teil des Ventilspielausgleichs
wird durch einen zusätzlichen
freien Abstand V zwischen dem Schaft 2 des Ventils 3 sowie
dem Stößel 10 des
Aktuators 1 gebildet, siehe Abbildung von 3c.
Dieser Abstand muss groß genug
gewählt
sein, sodass der volle Bereich einer Längenänderung ΔL der Länge L zwischen dem Anker 4 und
dem Ventildeckel 5 aufgrund von Bauteilstreuung, thermischer
Ausdehnung und Verschleiß sicher
kompensiert werden kann.
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Zur
Verdeutlichung der Aufgabe des Software-Teils eines elektronischen
Ventilspielausgleichs wird ein Schließvorgang des Hubventils 2 unter
Einwirkung durch den Aktuator 1 anhand der Figurenfolge 3a bis 3c und
Hinzunahme der Abbil dung von 4 verdeutlicht.
Unter der Wirkung der Rückstellkraft
der Ventilschließerfeder 7 wird
der Aktuator 1 nach Umkehrung bzw. Abschaltung eines Haltestroms
In lange bewegt, bis sich das Ventil 3 durch Absetzen des
Ventildeckels 5 abdichtend in dem Ventil 6 geschlossen
hat, Kurve a in 4. Mit dem Schließen des
Ventils 3 wird der Anker 4 in kurzer Distanz über der
Polfläche 13 des
Schließermagneten 9 in
einer Position zs in Schwebe gehalten. In einem
weiteren Abschnitt des Bewegungsablaufes wird der Anker 4 dann
sanft, d. h. mit einer Beschleunigung a = 0 und einer Geschwindigkeit
v ≈ 0 auf
der Polfläche 13 bei
zo abgesetzt bzw. an dieser zur Anlage gebracht,
wie in der Kurve b von 4 skizziert dargestellt.
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Der Öffnungsvorgang
funktioniert prinzipiell in analoger Weise und ist in der Abbildung
von 5 in skizzierter Darstellung wiedergegeben. Zu
Beginn findet sich der Anker 4 in einer Schließerstellung,
in der der Anker 4 sich in flächiger Anlage mit der Polfläche 13 des
Schließermagneten 9 befindet.
Zu einem Zeitpunkt tE wird durch Abschalten
des Haltestroms lh die Haltephase des Ankers 4 in
der geschlossenen Stellung beendet. Tatsächlich löst sich der Anker 4 jedoch
nicht sofort von der Polfläche 13 des
Schließermagneten 9.
Das Ablösen
des Ankers 4 geschieht in der Regel erst zu einem späteren Lösezeitpunkt
tL und damit zeitlich verzögert zu
dem eigentlichen Einleitungszeitpunkt tE.
Diese Zeitverzögerung
wird in der Literatur als sogenannte "Klebzeit" tk bezeichnet.
Sie ist in ihrer Größe auch
innerhalb einer Baureihe von Aktuatoren 1 stets unterschiedlich und
kann sich auch während
des Betriebes in einem Aktuator 1 mit der Zeit verändern. Ihre
Ursache hat diese Klebzeit tk in der sich
nur in endlicher Zeit nach dem Abschalten des Haltestroms lh abbauenden Remanenzmagnetfeldstärke der
Schließerspule 9,
unterstützt
durch die Haftreibung zwischen dem Anker 4 und der Polfläche 13 und
eventuell noch verlängert durch
einen Haftfilm aus Öl,
Fett etc. an der Polfläche 13.
Durch das Auftreten der Klebzeit tk kann
der Einleitungszeitpunkt tE für die Regelung
der Ventilöffnungszeit ΔT nicht als
Startpunkt genutzt werden. Erfindungsgemäß wird der Anker 4 daher
im Zuge eines Regelungsvorganges bei geeigneter Bestromung des Schließermagneten 9 gegen
die Rückstellkraft
der Ventilöffnerfeder 11 sanft
in eine Zwischen-Hubposition zs bewegt.
Diese Zwischenposition zs ist erfindungsgemäß so gewählt worden,
dass sie geringfügig
kleiner als ein jeweiliges Ventilspiel der Aktua tor-Ventil-Einheit
ist. Damit befindet sich der Anker 4 ab einem Zeitpunkt
ts in einem Schwebezustand, wobei der Stößel 10 fast
an dem Ventilschaft 2 anliegt. Es ist somit sichergestellt,
dass das Ventil 3 selber zu diesem Zeitpunkt ts in
keinem Fall geöffnet
wird, auch durch Regelabweichungen oder von außen aufgeprägte Vibrationen nicht.
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Um
den Anker erfindungsgemäß über dem Joch
bzw. der Polfläche
13 des
Schließermagneten
9 in
der Schwebe halten zu können,
ist eine geeignete Regelung vorzusehen. Hier können durch den Fachmann in
geeigneter Weise angepasste Regelungen beispielsweise basierend
auf den Offenbarungen der Druckschriften
EP 0 973 178 A2 ,
DE 198 34 548 A1 und
DE 100 12 988 A1 vorgestellten
Methoden und Regelungsverfahren eingesetzt werden. Die wesentlichen
Elemente einer derartigen Regelung sind eine vorgegebene Solltrajektorie
und Regler. Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann
aus der Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines
mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem
Zustandsraum, im vorliegenden Fall eines Aktuators also die Bahnkurve
z(t) des Ankers
4 zwischen den Polflächen
12,
13 der
beiden Elektromagnetspulen
8,
9.
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Der
Schwebe-Zustand ist in der Abbildung von 3b skizziert
dargestellt und kennzeichnet eine Bereitschaftsstellung, aus der
heraus das Ventil 3 zu jedem beliebigen Zeitpunkt t1 geöffnet
werden kann. Damit ist sichergestellt, dass unter Anlegen einer
geeigneten Bestromung nunmehr eine Öffnungsbewegung des Ventils 3 in
definierter Weise und fast unmittelbar sofort stattfindet. Der neuartige
Zwischenzustand kann damit frei zur Einstellung einer bestimmten
Startzeit t1 zum Beginn einer einstellbaren
Ventilöffnungszeitspanne ΔT genutzt
werden. Dabei entfallen durch die Umsetzung des beschriebenen Verfahrens
in einer dementsprechenden Vorrichtung zahlreiche Probleme, wie
Geräuschbelastung
und Verschleiß durch
kontinuierliches Aufschlagen des Stößels 10 an dem Ventilschaft 2.
Dabei muss das Ventilspiel V selber in seiner Größe vorteilhafterweise nicht
ganz genau bekannt sein, da nur eine Position zs angefahren
wird. Ständige
Messungen des Ventilspiels können
damit erfallen, es reichen Überprüfungen nach
eingangs unter Bezugnahme auf einschlägigen Stand der Technik beschriebenen
Verfahren in weiten zeitlichen Intervallen aus.
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Die
Abbildung von 6 zeigt den Verlauf einer insgesamt
auf den Anker 4 einwirkenden Federkraft Ff über dem
Hub z, hier symmetrisch zu einer neutralen Mittellage des Ankers
zwischen den Polflächen 12, 13 der
Elektromagneten 8, 9 dargestellt. Der Federkraftverlauf
Ff(z) stellt sich als im Wesentlichen linearer
Zusammenhang über
dem Ankerhub z dar. In Richtung auf den Öffnermagneten 8 weist
die Kurve der Federgesamtkraft Ff jedoch
einen deutlichen Kraftsprung an der markierten Stelle auf. Dieser Kraftsprung
tritt zu dem Zeitpunkt an der Position des Ankerhubes z auf, an
dem der mit dem Anker 4 starr verbunden Stößel 10 auf
den Ventilschaf 2 auftritt und im Weiteren gegen die federnden
Rückstellkräfte der
Schließerseite
wirken muss.
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Dieser
Kraftsprung kann gemäß der Lehre der
DE 197 35 375 C1 durch
zusätzliche
Sensoren zur Bestimmung des Ventilspiels genutzt werden, oder zur
Messung des Ventilspiels auf elektrischem Wege durch Messung von
Strom und Spannung gemäß der Lehre
der
DE 195 31 437
A1 . Hier wird jedoch vorzugsweise ohne zusätzliche
Sensoren bearbeitet, also insbesondere nach der Lehre der
DE 198 34 545 A1 .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird ein Hub z
s knapp vor einer Überwindung
eines jeweiligen Ventilspiels V gezielt angefahren, wobei die beteiligten
Elektromagneten
8,
9 jeweils zum Auf- bzw. Abbau
eines magnetischen Flusses zur Überwindung
dieses Kraftsprunges geeignet ausgebildet sind.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren baut darauf auf, dass der Anker 4 zuerst
vollständig von
der Polfläche 13 des
Haltemagneten 9 abgelöst wird
und danach sofort in einem geringen Abstand über der Polfläche 13 in
der Schwebe gehalten wird. Dabei befindet sich der mit dem Anker 4 starr
verbundene Stößel 10 nicht
in Anlage an dem Ventilschaft 2. Um eine derartige Regelung
zu ermöglichen
muss der magnetische Fluss in dem Haltemagneten 9 zuerst
so weit abgebaut werden, dass die Federkraft größer als die Magnetkraft ist.
Dadurch erst kann sich der Anker 4 überhaupt in Bewegung setzen
bzw. von der Polfläche 13 des
Haltemagneten 9 lösen.
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Sobald
die Bewegung des Ankers 4 einsetzt muss sofort in geeigneter
Weise gegengesteuert werden, insbesondere muss ein erforderlicher
Fluss in dem Haltemagneten 9 aufgebaut werden, um den Anker 4 definiert
in der Schwebe zu halten.
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Durch
mechanische Toleranzen, Verunreinigungen und den Einfluss von Öl auf der
Grenzfläche zwischen
Anker 4 und Polfläche 13 treten
zusätzliche Adhäsions- und
Reibungskräfte
auf. Diese Kräfte sind
in ihrer jeweiligen Größe nicht
vorhersagbar und unterliegen auch an ein und demselben Aktuator 1 starken
Schwankungen. Daher ist auch der abzubauende Fluss aus dem vorstehenden
Punkt nicht genau genug vorhersagbar.
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Jede
bisherig eingesetzte Regelung wird durch die vorstehend aufgeführten Störkräfte empfindlich
gestört.
Die Zeiten bis zum Ablösen
des Ankers 4 schwanken stark bis zu dem Fall hin, dass überhaupt
kein Ablösen
des Ankers 4 innerhalb einer jeweils verfügbaren Zeit
mehr stattfindet. Der Anker 4 schwingt im Fall der vorstehend
beschriebenen Störungen
stark über
oder kann gar nicht in der Schwebe gehalten werden.
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Zur
Abhilfe wird ein Regler mit Sollwerten für Strom, Hub und Geschwindigkeit
genutzt, der durch eine zusätzliche
Regelgröße erweitert
wird. Als Integral der Differenz zwischen einem Soll-Hub z
soll und einem Ist-Hub z
ist wird
eine Regelgröße y eingeführt als
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Als
Sollwerte werden ein konstanter Hub zs als
Schwebehöhe
des Ankers 4 über
der Polfläche 13 des
Schließermagneten 9,
eine Geschwindigkeit v ≈ 0
und dazu ein konsistenter Wert für
den Stromfluss l durch die Haltespule 9 vorgegeben. Dadurch,
dass die Differenz zwischen Soll- und Istwerten zsoll,
zist des Hubes z aufintegriert wird, werden
auch sehr geringe dauerhafte Abweichungen erkannt und ausgeregelt. Ein
Klebenbleiben des Ankers 4 auf der Polfläche 13 wird
sicher verhindert, da das anwachsende Differenz-Integral einen wachsenden
Stromfluss zur Folge hat. Nach kürzester
Zeit werden damit Kräfte
aufgebaut, die jedes bekannte Klebenbleiben des Ankers 4 auf
der Polfläche 13 überwinden
können.
Vorteilhafterweise wird ein direkt nach dem Ablösen des Ankers 4 von
der Polfläche 13 zu
hoher Stromfluss in einer Weise durch die neue Regelgröße aus dem
Differenz- Integral
derart zurückgeführt, dass
Pendelbewegungen unterdrückt
oder sehr schnell ausgeregelt werden.
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Der
Regler ist nach dieser Ausführungsform der
Erfindung ständig
aktiv, d.h. von Beginn bei aufliegendem Anker bis zum Ende bei schwebendem Anker 4.
So garantiert der Regler einen stets sicheren Betrieb des Aktuators 1.
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Damit
kann ein relativ punktgenaues Öffnen von
Gaswechsel-Hubventilen 3 und mithin eine einwandfreie Motorfunktion
durch exakte Ventilsteuerung bei gemindertem Aufwand sichergestellt
werden. Vorteilhafterweise umfasst eine derartige Einheit für einen
elektromagnetischen Ventiltrieb eine vergleichsweise geringe Anzahl
von Komponenten und Einzelteilen und verzichtet insbesondere auf eine Ölversorgung
eines hydraulischen Ventilspielausgleichs. Unter Verlagerung zusätzlicher
Erfordernisse in dem Bereich der Regelung sowie der Aufbereitung
von elektrischen Messsignalen ohne den Einsatz weiterer Sensoren
etc. wird insgesamt eine Vereinfachung der Systemdynamik erreicht.
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- 1
- Aktuator
- 2
- Ventilschaft
- 3
- Hubventil
- 4
- Anker
- 5
- Ventilteller
- 6
- Ventilsitz
- 7
- Ventilschließfeder
- 8
- Elektromagnet-Spule
- 9
- Elektromagnet-Spule
- 10
- Stößel
- 11
- Ventil-Öffnungsfeder
- 12
- Polfläche
- 13
- Polfläche
- Δl
- Längenänderung
zur Federeinstellung
- t
- Zeit
- tK
- Klebzeit
- tL
- Lösezeitpunkt
- t1
- Startzeitpunkt
einer Ventilöffung
- ts
- Zeitpunkt,
zu dem Zwischenposition zs erreicht wird
- Δt
- Zeitdifferenz
zwischen Lösezeitpunkt
und Startzeit der Ventilöffnung
- ΔT
- einstellbare
Ventilöffnungszeitspanne
- V
- Ventilspiel
- z
- Wegkoordinate
des Ankers 4/Hub
- z0
- Startwert/Hub
in Schließstellung
- ze
- Endwert/maximale Öffnungsstellung
- zs
- Zwischenposition