-
Elektromagnetisch
betätigbare
Aktuatoren weisen wenigstens einen Elektromagneten und einen auf
ein Stellglied einwirkenden Anker auf, der mit wenigstens einem
Rückstellmittel
verbunden ist, so daß der
Anker aus einer durch das Rückstellmittel vorgegebenen
ersten Stellposition durch Einschalten des Spulenstroms in eine
durch die Anlage des Ankers am Elektromagneten definierte zweite
Stellposition bewegt werden kann. Elektromagnetisch betätigbare
Aktuatoren werden beispielsweise zur Steuerung der Gaswechselventile
an Kolben-Brennkraftmaschinen eingesetzt. Hierbei sind zwei Elektromagneten
vorgesehen, zwischen denen jeweils gegen die Kraft eines Rückstellmittels
der Anker durch Abschalten des Spulenstroms am haltenden Elektromagneten
und Einschalten des Spulenstroms am fangenden Elektromagneten bewegt
werden kann. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen
Aktuatoren der Gaswechselventile kann nun das Ein- und Ausströmen des
Arbeitsmediums bewirkt werden, so daß der Arbeitsprozeß nach den
jeweils notwendigen Gesichtspunkten optimal beeinflußt werden
kann.
-
Der
Ablauf der Steuerung hat dabei großen Einfluß auf die unterschiedlichen
Parameter, beispielsweise die Zustände des Arbeitsmediums im Einlaßbereich,
im Arbeitsraum und im Auslaßbereich sowie
auf die Vorgänge
im Arbeitsraum selbst. Da Kolbenbrennkraftmaschinen bei sehr unterschiedlichen
Betriebszuständen
instationär
arbeiten, ist eine entsprechend anpassungsfähige Steuerung der Gaswechselventile
notwendig. Elektromagnetisch betätigbare
Aktuatoren für
Gaswechselventile sind beispielsweise aus
DE 3 024 109 C2 bekannt.
-
Ein
wesentliches Problem bei der Steuerung derartiger elektromagnetisch
betätigbarer
Aktuatoren stellt die Zeitgenauigkeit dar, die insbesondere bei
einer Steuerung der Motorleistung für die Einlaßventile erforderlich ist.
Eine genaue Steuerung der Zeiten wird durch fertigungsbedingte Toleranzen,
im Betrieb auftretende Verschleißerscheinungen sowie durch unterschiedliche
Betriebszustände,
beispielsweise wechselnde Lastanforderungen und wechselnde Arbeitsfrequenzen
erschwert, da diese äußeren Einflüsse ebenfalls
zeitrelevante Parameter des Systems beeinflussen können.
-
Ein
Ansatz zum Erzielen einer hohen Steuergenauigkeit besteht im Aufbringen
einer vergleichsweise hohen Energie jeweils zum Fangen des Ankers an
einer Magnetpolfläche.
Verbunden mit diesem hohen Energieaufwand ist aber eine sinkende
Betriebssicherheit, da dann als weiteres Problem das sogenannte
Prellen des Ankers verstärkt
auftritt. Dieses Problem wird dadurch verursacht, daß der Anker
mit hoher Geschwindigkeit auf der Polfläche auftrifft und von dieser
sofort oder nach kurzer Zeit wieder abprallt. Durch diese Prellvorgänge wird
beispielsweise bei Gaswechselventilen der Betrieb des Motors nachteilig
beeinflußt.
-
Bei
dem vorstehend angegebenen, vorbekannten elektromagnetischen Aktuator
werden als Rückstellfedern
Schraubenfedern mit einer etwa linearen Federkennlinie verwendet.
Die hierbei einzusetzenden Magnete besitzen jedoch einen exponentiellen
Kraftverlauf über
dem Ankerweg, was zur Folge hat, daß die Magnetkraft bei großem Abstand
des Ankers von der Polfläche
geringer sein kann, als die in dieser Position auf den Anker wirkende
Federkraft, daß bei
einer Annäherung
des Ankers an die Polfläche
beide Kräfte
in etwa gleich sind und bei weiterer Annäherung des Ankers an die Polfläche die
Magnetkraft jedoch deutlich größer wird
als die entgegenwirkende Federkraft. Diese Überhöhung der Magnetkraft zum Ende
der Ankerbewegung hat eine Beschleunigung des Ankers und damit einen
Anstieg der Fluggeschwindigkeit des Ankers zur Folge, was sich bei
seinem Auftreffen auf die Polfläche
negativ auswirkt. Neben einem erhöhten Verschleiß und einer
höheren
Geräuschbildung
besteht hier dann, wie vorstehend bereits angegeben, als weiteres
Problem das sogenannte Prellen des Ankers.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung
der Stromzufuhr zum Elektromagneten zu schaffen, durch das die vorstehend
geschilderten Nachteile praktisch vermieden werden.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Stromzufuhr zum Elektromagneten so gesteuert wird, daß der zeitliche
Verlauf der erzeugten Magnetkraft zumindest in der Endphase der
Annäherung
des Ankers an die Polfläche
in etwa dem Verlauf der Federkennlinie entspricht, wobei die Magnetkraft
jedoch größer ist
als die Kraft der Rückstellfeder,
zumindest in diesem Bewegungsbereich. Durch diese Maßnahme ist
es möglich,
die Kraftüberhöhung des
Elektromagneten gegenüber
der entgegenwirkenden Kraft der Rückstellfeder zu begrenzen und
so die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf der Polfläche auf
ein gewünschtes
Maß zu
reduzieren. Hierdurch kann zum einen ein sicheres Fangen des Ankers
vom Elektromagneten gewährleistet
werden, zum anderen aber ein Prellen oder gar vollständiges Abprallen
des Ankers von der Polfläche
vermieden werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß nach
dem Einschalten die Stromzufuhr zunächst auf einem vorgebbaren
Wert Imax während einer vorgebbaren Zeit
TA ≤ 0
konstant gehalten und danach ab einem Zeitpunkt tA proportional
zum Verlauf der Federkennlinie vermindert und ab oder nach dem zu
erwartenden Zeitpunkt tB des Auftreffens
des Ankers auf der Polfläche
auf die Höhe
des Haltestroms IH reduziert wird. Diese
Verfahrensweise ist insbesondere für elektromagnetische Aktuatoren
mit zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten von
Bedeutung, zwischen denen der mit dem Stellmittel, beispielsweise
einem Gaswechselventil verbundene Anker jeweils gegen die Kraft
von Rückstellfedern
hin- und herbewegt wird. Dies geschieht dadurch, daß der in
der einen Schaltstellung an einem Elektromagneten anliegende Anker
nach dem Abschalten des Haltestroms an diesem Elektromagneten durch
die Kraft der Rückstellfeder
in Richtung auf den anderen Elektromagneten beschleunigt wird, so daß dieser
in das Kraftfeld des mit einem hohen Fangstrom Imax bestromten
fangenden Elektromagneten gelangt und an diesem dann zur Anlage
kommt. Der an der Polfläche
des fangenden Magneten anliegende Anker wird dann durch einen in
der Höhe
reduzierten Haltestrom IH gehalten, der
darüber
hinaus noch zur Reduzierung des Energieaufwandes zwischen einem
oberen und unteren Schwellenwert getaktet werden kann. Zwischen
der Bestromung der Spule des Elektromagneten mit dem hohen Fangstrom
Imax und der Bestromung mit dem niedrigen
Haltestrom IH wird zum Zeitpunkt der Annäherung des Ankers,
also noch vor dem Auftreffen die Bestromung so reduziert, daß sich ein
in etwa zum Verlauf der Federkennlinie in diesem Bereich proportionaler
Kraftverlauf der Magnetkraft ergibt.
-
In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
daß zumindest periodisch
der zeitliche Verlauf der Stromzufuhr in einem Schaltzyklus als
Ist-Wert erfaßt,
mit einem vorgegebenen Verlauf als Soll-Wert verglichen und für die nachfolgenden
Schaltzyklen bei Abweichungen entsprechend geändert wird. Ein derartiger Soll-Ist-Vergleich kann je
nach Einsatzfall bei jedem Schaltzyklus oder jeweils nach einer
vorgebbaren konstanten oder aber auch entsprechend den Betriebsbedingungen
veränderbaren
Zahl von Schaltzyklen vorgenommen werden.
-
Die
Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen
-
1 einen elektromagnetischen
Aktuator zur Betätigung
eines Gaswechselventils,
-
2 den Verlauf der Kraft
der Rückstellfeder
und den Verlauf der Magnetkraft über
dem Ankerweg,
-
3 den Verlauf von Spulenstrom
und Ankerweg in Abhängigkeit
von der Zeit bei einer normalen Steuerung des Fangstroms,
-
4 den Verlauf von Spulenstrom
und Ankerweg in Abhängigkeit
von der Zeit bei einer Bestromung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
-
5 ein Blockschaltbild für eine Steuerung eines
elektromagnetischen Aktuators für
ein Gaswechselventil.
-
In 1 ist ein elektromagnetischer
Aktuator 1 schematisch dargestellt, der einen mit einem
Gaswechselventil 2 verbundenen Anker 3 sowie einen dem
Anker 3 zugeordneten Schließmagneten 4 und einen Öffnermagneten 5 aufweist.
Der Anker 3 wird über
Rückstellfedern 6 und 7 bei
stromlos gesetzten Magneten in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 4 und 5 gehalten,
wobei der jeweilige Abstand zu den Polflächen 8 der Magneten 4, 5 von
der Auslegung der Federn 6, 7 abhängt. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die beiden Federn 6 und 7 gleich ausgelegt,
so daß die
Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den beiden
Polflächen 8 befindet,
wie dies in 1 dargestellt
ist. In Schließstellung
liegt somit der Anker 3 an der Polfläche des Schließmagneten 4 an.
-
Zur
Betätigung
des Gaswechselventils, das heißt
zur Einleitung der Bewegung aus der geschlossenen Position in die
geöffnete Position,
wird der Haltestrom am Schließmagneten 4 abgeschaltet.
Hierdurch fällt
die Haltekraft des Schließmagneten 4 unter
die Federkraft der Rückstellfeder 6 ab
und der Anker 3 beginnt, durch die Federkraft beschleunigt,
sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition
wird der "Flug" des Ankers durch die
Federkraft der dem Öffnermagneten 5 zugeordneten
Rückstellfeder 7 abgebremst.
Um nun den Anker 3 in der Öffnungsposition zu fangen und
zu halten, wird der Öffnermagnet 5 mit
Strom beaufschlagt. Zum Schließen
des Gaswechselventils erfolgt dann der Schaltungs- und Bewegungsablauf
in umgekehrter Richtung.
-
In 2 ist im Diagramm der Verlauf
der auf den Anker wirkenden Magnetkraft FM,
beispielsweise des Öffnermagneten 5 in
bezug auf den Abstand zu dessen Polfläche 8 wiedergegeben.
Die zugehörige, in
ihrer Kraftwirkung der Magnetkraft entgegenwirkende Rückstellfeder 7 ist
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
linear ausgelegt, wie dies durch den Verlauf der Federkraft FF wiedergegeben
ist. Der Schnittpunkt X0 zeigt in diesem
Diagramm die Mittellage des Ankers 3 bei stromlosen Haltemagneten
an, während
der Punkt X1 der Endlage des Ankers 3 an der
Polfläche 8 des Öffnermagneten 5 entsprechend der
vorstehend beschriebenen Arbeitsposition entspricht.
-
Die
in der Endlage X1 auf den Anker aufzubringende
Federkraft sei F0. Die Magnetkraft FM ist der Federkraft FF entgegengerichtet
und zeigt eine quadratische Zunahme bei Verringerung des Abstandes
zwischen Anker und der zugehörigen
Polfläche. Damit
der Anker während
seiner Bewegung zuverlässig
angezogen werden kann, muß der
Fangstrom so hoch gewählt
werden, daß der
Verlauf der Magnetkraft FM zumindest ab
dem Punkt der Ankerbewegung zwischen X0 und
X1 über
der zugehörigen
Rückstellkraft
FF liegt, an dem die kinetische Energie
der Bewegung in der Feder als potentielle Energie gespeichert wurde.
Hierdurch ergibt sich eine entsprechende Überhöhung der Magnetkraft FM gerade kurz vor dem Auftreffen auf der
Polfläche,
das heißt
in X1 auf FMmax.
-
Mit
einer entsprechend anwachsenden Beschleunigung wächst auch die Bewegungsgeschwindigkeit
an.
-
Zur
Vermeidung der Kraftüberhöhung wird nun
bei Annäherung
des Ankers an die Polfläche
die Stromzufuhr zum fangenden öffnermagneten
vermindert. Dies kann beispielsweise beginnen, wenn die beiden Kennlinien
der Federkraft FF und der Magnetkraft FM ihre größte Annäherung zeigen,
beispielsweise wenn der Anker 3 die Stelle X2 erreicht
hat. Durch die nachstehend noch näher beschriebene Reduzierung
der Stromzufuhr zum Elektromagneten des fangenden Öffnermagneten 5 wird
die Magnetkraft fortlaufend reduziert, so daß sich unter Berücksichtigung
des sich verringernden Abstandes des Ankers 3 von der Polfläche 8 beispielsweise
ein angenähert
parallel zur Kennlinie der Federkraft FF verlaufender
Anstieg der Magnetkraft FM1 ergibt.
-
In 3 ist nun für den vorstehend
erläuterten
Bewegungsvorgang der Spulenstrom und der Ankerweg in Abhängigkeit
von der Zeit für
zwei unterschiedliche Stromhöhen
dargestellt. Die Kurve a) zeigt einen Stromverlauf, wie er sich
bei einem ordnungsgemäßen Betrieb
einer elektromagnetischen Stelleinrichtung an dem fangenden Magneten
ergibt. Der Strom wird hierbei nach dem Einschalten bis auf einen
Wert Imax hochgeregelt und dann über einen vorgebbaren
Zeitraum konstant gehalten, so daß ein Fangen des Ankers sichergestellt
ist. Wie die darunterliegende Weg-Zeit-Kurve für die Ankerbewegung erkennen
läßt, erreicht
der Anker zum Zeitpunkt tA die Magnetpolfläche und
kommt an dieser bleibend zur Anlage. Dies ist wiederum durch den
Kurvenverlauf a) dargestellt.
-
Wird
nun in die Magnetspule des fangenden Magneten, für das vorstehend angegebene
Bewegungsbeispiel den Öffnermagneten 5,
zuviel Energie eingekoppelt, das heist der Spulenstrom zu hoch angesetzt,
wie dies in der Kurve b) im Spulenstromdiagramm in 1 dargestellt ist, dann wird dem Anker zuviel
Bewegungsenergie zugeführt,
so daß der
Anker aufgrund der hohen Fluggeschwindigkeit nach dem Auftreffen
auf die Magnetpolfläche
abprallt und je nach Größe der Auftreffgeschwindigkeit
erst verspätet
oder gar nicht eingefangen wird. Im darunterliegenden Weg-Zeit-Diagramm
für die
Ankerbewegung ist dies durch die Kurve b) dargestellt, wobei hier
der nachfolgende Bewegungsablauf des Ankers (Prellen mit anschliessendem
Fangen oder vollständigem
Abprallen) nicht mehr dargestellt ist.
-
In 4 ist nun im oberen Diagramm
ein Stromverlauf entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und darunter
der Ankerweg dargestellt. Auch hier wird zunächst die Stromzufuhr auf einen vorgebbaren
Fangstrom Imax hochgeregelt, der während einer
vorgebbaren Zeit tA konstant gehalten wird.
Zu einem vorgebbaren Zeitpunkt tA, der beispielsweise
kurz nach dem Durchgang des sich vom Schließmagneten 4 auf den Öffnermagneten 5 bewegenden
Ankers durch die Null-Lage
oder einem entsprechend späteren
Zeitpunkt vorgegeben sein kann, wird nun durch eine Reduzierung
des Fangstroms die erzeugte Magnetkraft am fangenden Elektromagneten
fortlaufend reduziert und zwar so, daß der Verlauf der auf den sich
nähernden
Anker 3 wirkenden Magnetkraft in etwa der Zunahme der Kraft der
entgegenwirkenden Rückstellfeder 7 entspricht, wobei
jedoch die Führung
der Stromzufuhr so erfolgen muß,
daß die
Magnetkraft immer über
der Federkraft liegt, wie die in 2 für den Kurventeil
der Magnetkraft FM1 dargestellt ist.
-
Zum
Zeitpunkt tB liegt dann der Anker 3 an der
Polfläche 8 des
fangenden Öffnermagneten 5 an und
wird hier durch einen Haltestrom IH gehalten,
der aus Gründen
der Energieersparnis zwischen einem unteren Wert IH2 und
einem oberen Schwellenwert IH1 getaktet
wird.
-
Je
nach dem Verlauf der Stromabnahme kann die Höhe des Fangstroms in der geregelten Phase
zum Auftreffzeitpunkt tB noch über dem
Wert des Haltestroms IH liegen, so daß zu diesem
Zeitpunkt die Stromzufuhr zunächst
vollständig
abgeschaltet und erst bei Erreichen des Wertes für den Haltestrom IH bzw.
bei einem getakteten Haltestrom des Wertes für den unteren Schwellenwert
IH2 wieder angeschaltet werden.
-
Da
es in der Praxis sehr schwierig ist, Rückstellfedern herzustellen,
die mit ihrer Federkennlinie den gewünschten Einsatzbedingungen
Rechnung tragen, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, den Verlauf der
Magnetkraft über
dem Ankerweg an eine gegebene Federkennlinie und auch den gewünschten
Bewegungsablauf und die Bewegungsgeschwindigkeit zu beeinflussen.
Neben einer Anpassung an eine lineare Federkennlinie ist über die
Beeinflussung der Bestromung des jeweils fangenden Magneten auch
ein Verlauf der Magnetkraft mit einer gewillkürten Verlaufskurve, beispielsweise
progressiv-degressiv möglich.
In diesem Fall würde
nach einer anfänglichen
Beschleunigung des Ankers infolge einer Abnahme der Magnetkraft
bei der Annäherung des
Ankers die bremsende Wirkung der zunehmenden Kraft der Rückstellfeder
spürbar.
-
Die
Federkennlinie der jeweiligen Rückstellfeder ändert sich
auch bei längerer
Betriebsdauer praktisch nicht, da beispielsweise Schraubendruckfedern
in dieser Hinsicht keinem "Verschleiß" unterliegen. Bei
dem beschriebenen Beispiel eines elektromagnetischen Aktuators für ein Gaswechselventil
ist jedoch der Bewegungsablauf des Ankers zeitlich nicht konstant,
sondern wird durch die unterschiedlichsten Einflüsse verändert: beispielsweise die Zustände des
Arbeitsmediums im Einlaßbereich,
im Arbeitsraum und im Auslaßbereich
sowie die Vorgänge im
Arbeitsraum selbst, wie beispielsweise der Gegendruck im Arbeitsraum
in bezug auf Einlaß/Auslaßventil.
Da derartige Kolbenbrennkraftmaschinen bei sehr unterschiedlichen
Betriebszuständen
instationär
arbeiten, kann nun durch eine Beeinflussung des Verlaufs der Steigung
der Stromabnahme in der geregelten Phase zwischen den Zeitpunkten
tA und tB hierauf
Rücksicht
genommen werden.
-
In
einer entsprechenden Steuereinrichtung wird nun ein Soll-Verlauf
für die
Führung
des Fangstroms in Form einer den unterschiedlichsten Betriebszuständen zugeordneten
Kurvenschar abgelegt und dann entsprechend der Ist-Verlauf der dem
jeweiligen durch die Steuereinrichtung vorgegebenen Soll-Verlauf
verglichen und bei entsprechenden Abweichungen für nachfolgende Schaltzyklen
der Ist-Verlauf angepaßt.
Dieser Soll-Ist-Vergleich kann fortlaufend bei jedem Schaltzyklus
oder auch periodisch nach einer ausgewählten Zahl von Schaltzyklen
durchgeführt
werden, wobei auch die Zahl der Schaltzyklen über die Motorsteuereinrichtung
entsprechend den Betriebsbedingungen veränderbar vorgegeben werden kann.
-
In 5 ist ein Blockschaltbild
einer Steuerung für
einen elektromagnetische Aktuator 1 entsprechend 1 dargestellt, der zur Betätigung eines
Gaswechselventils 2 an einem Zylinder 10 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine
dient. Die Elektromagneten 4 und 5 des Aktuators 1 werden
hierbei über
eine Steuerungs- und Stromversorgungseinrichtung 11 der
Hubkolben-Brennkraftmaschine
angesteuert und entsprechend den vorgegebenen Arbeitszyklen mit
Strom versorgt.
-
Zur
Ansteuerung der einzelnen elektromagnetischen Aktuatoren der Gaswechselventile
wird der elektronischen Steuereinrichtung 11 über das
Gaspedal 12 der Lastwunsch des Fahrers, sowie über entsprechende
Geber weitere Betriebsparameter vorgegeben, wie beispielsweise die
Motordrehzahl n, die Motortemperatur τ und je nach "Komfort" der Steuereinrichtung
weitere betriebsrelevante Parameter, wie beispielsweise der Saugrohrdruck
etc..
-
Während es
grundsätzlich
möglich
ist, die Veränderung
der Stromzufuhr zum jeweils fangenden Elektromagneten zur Anpassung
an den Verlauf der Federkennlinie der Rückstellfedern konstant vorzugeben,
erlaubt es, eine derartige elektronische entsprechend ausgebildete
Steuereinrichtung den jeweiligen Stromverlauf bei der Bestromung
des jeweils fangenden Halte magneten mit einem vorgegebenen Soll-Wert
für den
Stromverlauf zu vergleichen und bei feststellbaren Abweichungen
hier korrigierend einzugreifen. Wie vorstehend erwähnt, kann sich
nach längerer
Betriebszeit durch Verschleiß oder
infolge von Temperaturänderungen,
Veränderung
der Schmiermittelviskositäten
etc. das Kräfteverhältnis zwischen
Rückstellfeder
einerseits und Magnetkraft andererseits zugunsten der Magnetkraft ändern, so
daß entgegen
der Grundeinstellung der Anker mit höherer Auftreffgeschwindigkeit
als gewollt auf die Polfläche
des jeweils fangenden Elektromagneten auftrifft. Da es sich hierbei
um ein elektrodynamisches System handelt und eine Änderung
der Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers sich im Stromverlauf bemerkbar
macht, kann nun durch eine Erfassung des Ist-Wertes des Stromverlaufs
und einen Vergleich mit einem vorgegebenen Soll-Wert (hier durch
einen gesondert herausgezeichneten Soll-Ist-Vergleicher 13 der
elektronischen Steuereinrichtung 11 dargestellt) bei Feststellung
einer Abweichung die Stromzufuhr sowohl in der Höhe des vorzugebenden Fangstroms
Imax als auch bezüglich der Veränderung
während
der Fangphase zwischen den Zeitpunkten tA und
tB.
-
Anstelle
eines im Soll-Ist-Vergleicher 13 fest vorgegebenen Soll-Wertes
kann hier auch eine Schar von Soll-Wert-Kurven vorgegeben werden,
die in Abhängigkeit
vom jeweiligen Betriebspunkt für
den Soll-Ist-Vergleich im Rahmen der Steuereinrichtung 11 herangezogen
werden.