DE19821804C1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektromagnetisch betätigten Gaswechselventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektromagnetisch betätigten Gaswechselventils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven­ tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs­ magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zum Gaswechselventil verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerbolzen auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus, meist zwei vorgespannte Druckfedern, auf den Anker bzw. auf das Gaswechselventil, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die obere Ventilfeder wirkt in Öff­ nungsrichtung und die untere Ventilfeder in Schließrichtung des Gaswechselventils. Bei nicht bestromten Schaltmagneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage gehalten, die vorzugsweise mit der energetischen Mitte zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt.

Zum Starten des Aktuators wird der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker durch eine Anschwingungsroutine in Schwingung versetzt, um aus der Gleich­ gewichtslage angezogen zu werden. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der Polfläche des bestrom­ ten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten (Haltephase des Schließmagneten). Der Schließmagnet spannt die in Öffnungs­ richtung wirkende Ventilfeder vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungs­ magnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventil­ feder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird (Fangphase des Öffnungsmagneten). Der Anker schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an und wird von dieser festge­ haltend (Haltephase des Öffnungsmagneten). Um das Gaswechselven­ til wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichge­ wichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen (Fangphase des Schließmagneten), trifft auf die Polfläche auf und wird von diesem festgehalten.

Eine derartige Steuerung der Gaswechselventile über elektro­ magnetische Aktuatoren ist beispielsweise aus der DE 196 47 305 C1 bekannt.

Im Gegensatz zu Gaswechselventilen, die über eine Nockenwelle zwangsgeführt betätigt werden, kann eine Störung bei elektroma­ gnetisch betätigten Gaswechselventilen dazu führen, daß während einer Haltephase des Ankers am Öffnungsmagneten oder am Schließmagneten sich der Anker von der Polfläche des bestromten Magneten löst oder daß der Anker beim Schließvorgang oder beim Öffnungsvorgang bzw. in der Fangphase die Polfläche nicht er­ reicht. Der Anker bewegt sich dabei beschleunigt durch die Ven­ tilfeder und gebremst durch die Anziehungskraft des bestromten Magneten in Richtung der Polfläche des nicht bestromten Magne­ ten. Bewegungsenergie geht verloren und die Kräfte der auf einen störungsfreien Betrieb abgestimmten Magnete sind zu klein, den Anker an die Polflächen anzuziehen. Das Gaswechsel­ ventil bleibt in halboffener Stellung stehen, während alle anderen Gaswechselventile und die Einspritzung und Zündung des Zylinders des ausgefallenen Ventils ordnungsgemäß arbeiten. Die Brennkraftmaschine läuft unrund und es können Schäden entste­ hen, beispielsweise indem durch einen Flammrückschlag in einen Gaswechselkanal Bauteile überhitzt werden.

Aus der DE 35 43 055 C1 ist ein Aktuator mit einem Elektroma­ gneten bekannt, dessen Spule in der Fangphase von einem größe­ ren Erregerstrom und anschließend in der Haltephase von einem geringeren Haltestrom durchflossen wird. Um bei einer vorlie­ genden hohen Spannung den Erregerstrom auf den Haltestrom zu begrenzen, wird der Elektromagnet in der Haltephase mit einer getakteten Spannung betrieben. Überschreitet der Strom einen oberen Schwellenwert, wird die Spannung abgeschaltet, unter­ schreitet der Strom einen unteren Schwellenwert, wird die Spannung eingeschaltet. Wird die Spannung angelegt, steigt der Strom durch die Induktion verzögert an und fällt nach dem Abschalten wieder verzögert ab. Der Aktuator hat eine Funkti­ onsüberwachung, die von der Erkenntnis ausgeht, daß die Fre­ quenz von dem Abschalten und dem Einschalten der Spannung in erster Linie von der Induktion des Magneten abhängt. Die Induktion ist wiederum davon abhängig, ob ein Anker an dem Magneten anliegt oder nicht. Die Funktionsüberwachung erfaßt mit einem Frequenzmeßglied während der Haltephase die Taktfre­ quenz und vergleicht diese mit einem vorgegebenen Frequenzwert. Weicht die gemessene Frequenz um einen definierten Wert von dem vorgegebenen Wert ab, wird ein Signal ausgelöst und der Aktua­ tor über eine Regelschaltung erneut gestartet.

Die Differenz zwischen der Frequenz bei anliegendem Anker zu der Frequenz bei nicht anliegendem Anker hängt von dem Abstand zwischen dem unteren Schwellenwert und dem oberen Schwellenwert ab. Bei einem großen Abstand ist die Frequenz bei anliegendem Anker kleiner als bei nicht anliegendem Anker, bei einem kleineren Abstand sind die Frequenzen gleich und mit weiter abnehmendem Abstand steigt die Frequenz bei anliegendem Anker über die Frequenz bei nicht anliegendem Anker. Bei besonders kleinen und bei besonders großen Abständen ist damit die Differenz zwischen der Frequenz bei anliegendem Anker und bei nicht anliegendem Anker groß und kann sicher erkannt werden. Je größer der Abstand zwischen den Schwellenwerten jedoch ist, desto größer ist der Abstand der Schwellenwerte zum vorteilhaf­ ten Mittelwert. Beim unteren Schwellenwert kann sich der Anker leichter ungewollt vom Magneten lösen und beim oberen Schwel­ lenwert wird unnötig Energie verbraucht. Mit abnehmendem Abstand zwischen den Schwellenwerten nimmt andererseits der Aufwand zu, die Stromstärke zu regeln und den Stromverlauf auszuwerten, so daß vorteilhaft ein mittlerer Abstand zwischen den Schwellenwerten gewählt wird, der jedoch häufig in dem Bereich liegt, in dem die Differenz zwischen der Frequenz bei anliegendem Anker und bei nicht anliegendem Anker klein ist. In diesem Bereich ist nicht oder nur schwer erkennbar, ob der Anker anliegt oder nicht. Zudem nimmt der Bereich, in dem die Differenz zwischen den Frequenzen klein ist, in der Höhe der anliegenden Spannung zu. Ferner kann eine in der Fangphase auftretende Störung mit einer Zeitverzögerung erst in der Haltephase erkannt werden.

Aus der DE 195 30 394 A1 sind weitere Funktionsüberwachungen bekannt, die von der Erkenntnis ausgehen, daß die Magnetfelde­ nergie davon abhängt, ob der Anker an der Polfläche des Elek­ tromagneten anliegt oder nicht. In einer Ausgestaltung wird die Zeit gemessen, bis der Strom durch eine Spule eines Elektroma­ gneten nach dem Abschalten unter einen bestimmten Wert gefallen ist. Die Zeit ist größer, wenn der Anker an dem Elektromagneten anlag als wenn der Anker nicht anlag. Die Zeit wird mit einem Sollwert verglichen. Sobald dieser unterschritten wird, wird ein Signal ausgelöst. In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Abschaltspannung gemessen, die proportional zur magnetischen Abschaltenergie des Elektromagneten ist. Die Abschaltspannung wird wiederum mit einem Sollwert verglichen. Sobald dieser unterschritten wird, wird ein Signal ausgelöst.

Wird die Stromstärke während des Betriebs verändert, um bei­ spielsweise den Aktuator abhängig von der Temperatur oder sonstigen Einflüssen mit möglichst geringer Energie zu betrei­ ben, verändert sich die Zeit, bis der Strom nach dem Abschalten auf einen bestimmten Wert abgefallen ist, wodurch Fehler bei der Bewertung entstehen können. Die Abfallspannung ist von der Temperatur des Aktuators abhängig und variiert ebenfalls während des Betriebs. Ferner können auftretende Störungen, beispielsweise während der Fangphase oder zu Beginn der Halte­ phase, bei den aus der DE 195 30 394 A1 bekannten Verfahren erst mit einer gewissen Zeitverzögerung beim bzw. nach dem Abschalten des Stroms erkannt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Störungen sicher und insbesondere schnell zu erkennen, so daß diese den Betrieb der Brennkraftmaschine möglichst wenig stören und keine Schäden verursachen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkma­ le des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Erkenntnis aus, daß, sobald sich der Anker entgegen der Anziehungskraft des bestrom­ ten Elektromagneten bewegt, eine Induktion in der Spule des Magneten auftritt, die entgegen der Bewegung des Ankers wirkt. Es entsteht eine Spannungsspitze und der Strom steigt mit einem erhöhten Gradienten auf eine deutlich erkennbare Stromspitze an.

Diese unmittelbar im Störfall auftretenden und deutlich erkenn­ baren Effekte können einzeln oder in verschiedenen Kombinatio­ nen genutzt werden, um ein oder mehrere Signale auszulösen, die dann als Störung gedeutet werden. Störungen können damit in der Fangphase, indem beispielsweise der Anker vor der Polfläche des bestromten Magneten umkehrt, und auch in der Haltephase, wenn sich der Anker ungewollt von der Polfläche löst, unmittelbar ohne Zeitverzögerung erkannt werden. Die Spannungsspitze, der erhöhte Stromanstieg und die Stromspitze sind deutlich zu erkennen, weitgehend unabhängig von der Temperatur, dem Abstand eines oberen und eines unteren Schwellenwerts usw. Eine Störung kann im gesamten Zyklus stets sicher und schnell erkannt werden.

Bei Aktuatoren mit einem Schließmagneten und einem Öffnungsma­ gneten, wie dies oben ausgeführt ist, werden der Strom und/oder die Spannung vorzugsweise an beiden Magneten überwacht. Grund­ sätzlich kann die Spannung bzw. Stromstärke jedoch auch nur an einem Magneten erfaßt und mit einem Sollwert verglichen werden.

Die durch die Stromspitze, durch den Gradientenanstieg bzw. die Spannungsspitze ausgelösten Signale können für sich allein als Störung gedeutet werden. Es kann jedoch vorkommen, daß der Anker von der Polfläche abspringt und anschließend durch die Anziehungskraft des Magneten doch zum Anliegen kommt. Damit dies nicht als Störung gedeutet wird, kann es sinnvoll sein, einen weiteren Wert zu erfassen und von diesem abhängig im Störfall ein weiteres Signal auszulösen. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich eine Frequenz des Stromverlaufs erfaßt, vorzugsweise in der Haltephase des Elektromagneten, und mit einem Sollwert verglichen. Im Störfall bewegt sich der Anker entgegen der Anziehungskraft des bestromten Magneten und schwingt anschließend um die Gleichgewichtslage. Der Strom fällt dabei von der durch die Induktion verursachten Stromspit­ ze ab und schwingt sich beeinflußt durch die Ankerbewegung auf die Eigenfrequenz des Systems ein. Die Schwingung des Stroms ab der Stromspitze besitzt eine deutlich kleinere Frequenz und eine deutlich größere Amplitude als die Frequenz des Stroms in der Haltephase, so daß dieses Ausschwingverhalten deutlich als Zeichen für eine Störung gedeutet werden kann. Tritt ein durch die Stromspitze ausgelöstes Signal und danach ein durch die Frequenz ausgelöstes Signal auf, kann mit Sicherheit von einer Störung ausgegangen werden. Das Ausschwingverhalten tritt unmittelbar nach der Stromspitze auf, wodurch trotz eines zweiten Signals Störungen schnell erkannt werden. Möglich ist auch, daß nur bei einem nicht besonders deutlichen ersten Signal ein zweites Signal abgewartet wird.

Die Stromwerte, Spannungswerte und/oder Frequenzwerte werden erfaßt und in einem Rechner mit den Sollwerten verglichen. Kurz vor Ende einer Fangphase bis kurz nach Beginn einer Haltephase treten in erster Linie die Störungen auf. Um mit einer mög­ lichst kleinen Rechnerkapazität auszukommen, wird vorgeschla­ gen, daß die Spannung und/oder der Strom und/oder dessen Verlauf nur kurz vor Ende einer Fangphase bis kurz nach Beginn einer Haltephase des Elektromagneten erfaßt werden. Möglich ist auch, daß die Werte zwar ständig erfaßt, jedoch nur in dem beschriebenen Bereich mit den Sollwerten verglichen werden.

Wird eine Störung mit einem oder zwei Signalen als solche erkannt, werden Zündung und Einspritzung bei dem Zylinder des betroffenen Gaswechselventils ausgeschaltet. Anschließend wird der Aktuator beispielsweise durch eine Anschwingroutine erneut gestartet und die Zündung und die Einspritzung wieder einge­ schaltet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie­ renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen zu entnehmen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßiger­ weise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ventilhub über der Zeit mit einer Störung in einer Fangphase,

Fig. 2 einen Strom über der Zeit in einer Spule eines Öffnungs­ magneten und in einer Spule eines Schließmagneten nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Ventilhub über der Zeit mit einer Störung in einer Haltephase und

Fig. 4 einen Strom über der Zeit in einer Spule eines Öffnungs­ magneten und in einer Spule eines Schließmagneten nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Ventilhub s_v über der Zeit t eines Aktuators mit einem Öffnungsmagneten und einem Schließmagneten, wie oben beschrieben. In Fig. 2 ist zu dem Ventilhub s_v ein Strom I durch eine Spule des Öffnungsmagneten und durch eine Spule des Schließmagneten dargestellt. In einer Haltephase 5 liegt ein Anker an dem Schließmagneten an, das Gaswechselventil ist geschlossen. An der Spule des Schließmagneten ist getaktet eine Spannung angelegt. Erreicht der Strom einen oberen Schwellen­ wert 12 wird die Spannung abgeschaltet, erreicht der Strom einen unteren Schwellenwert 13 wird die Spannung angelegt, wodurch der Strom um einen vorteilhaften Haltestrom 14 pendelt.

In einem Zeitpunkt 11, am Ende der Haltephase 5 des Schließma­ gneten bzw. zu Beginn einer Fangphase 3 des Öffnungsmagneten, wird die Spannung an der Spule des Schließmagneten vollständig abgeschaltet, wodurch der Strom auf Null absinkt und der Anker von einer Ventilfeder vom Schließmagneten in Öffnungsrichtung zum Öffnungsmagneten beschleunigt wird.

Im Zeitpunkt 15 wird eine Spannung an die Spule des Öffnungsma­ gneten angelegt. Der Strom steigt durch die Induktion verzögert an. Der Anker bewegt sich angezogen vom Öffnungsmagneten in dessen Richtung und spannt dabei eine zweite Ventilfeder vor. Kurz bevor der Anker auf den Öffnungsmagneten auftrifft fällt der Strom ab und steigt, nachdem der Anker im Zeitpunkt 16 am Öffnungsmagneten anliegt, wieder an. In einem Zeitpunkt 17, in einer Haltephase 6 des Öffnungsmagneten wird die Spannung abgeschaltet bis der Strom auf den unteren Schwellenwert 13 abgefallen ist. Anschließend wird der Strom durch eine getakte­ te Spannung zwischen dem oberen Schwellenwert 12 und dem unteren Schwellenwert 13 gehalten. Im Zeitpunkt 18, am Ende der Haltephase 6 bzw. zu Beginn einer Fangphase 4 des Schließmagne­ ten, wird die Spannung an der Spule des Öffnungsmagneten abge­ schaltet, der Strom sinkt auf Null ab. Der Anker löst sich vom Öffnungsmagneten und bewegt sich durch die zweite Ventilfeder beschleunigt in Richtung des Schließmagneten.

In einem Zeitpunkt 19 wird eine Spannung an die Spule des Schließmagneten angelegt. Der Strom steigt durch die Induktion verzögert an. Zu einem Zeitpunkt 20 tritt eine Störung 8 auf, beispielsweise eine starke Erschütterung, wodurch der Anker vor Erreichen einer Polfläche des Schließmagneten umkehrt. Der Anker bewegt sich beschleunigt durch die Ventilfeder und gebremst durch die Anziehungskraft des Schließmagneten in Richtung des Öffnungsmagneten. Durch die Bewegungsumkehr entgegen der Anziehungskraft des Schließmagneten wird in der Spule des Schließmagneten ein Strom induziert, wodurch der Stromverlauf mit einem erhöhten Gradienten 10 auf eine Strom­ spitze 1 ansteigt. Der Strom ist für einen Betrieb ohne Störung 8 gestrichelt dargestellt. Der Anker tritt dabei aus dem Wirkungsbereich des Schließmagneten und schwingt sich auf eine Gleichgewichtslage zwischen dem Öffnungsmagneten und dem Schließmagneten ein. Das Gaswechselventil würde ohne Eingriff in einer Haltephase 7 des Schließmagneten und auch in weiteren Phasen halboffen stehen bleiben. Beeinflußt durch die Ankerbe­ wegung schwingt der Strom, nachdem die Spannung zu einem Zeit­ punkt 21 abgeschaltet ist, mit einer kleinen, zunehmenden Frequenz und einer großen abnehmenden Amplitude auf den Hal­ testrom 14 und eine annähernde Haltestromfrequenz ein.

Erfindungsgemäß wird der Stromanstiegsgradient 10, 23, der Strom und/oder die Spannung an der Spule beider Elektromagnete erfaßt und mit einem Sollwert verglichen. Tritt die Störung 8 auf, kann diese an dem unmittelbar mit der Störung ansteigenden Stromanstiegsgradienten 10, an der Stromspitze 1 und/oder an der Spannungsspitze erkannt werden. Als weiteres Zeichen für eine Störung wird zudem in einer Ausgestaltung der Erfindung die Frequenz des Stroms nach der Stromspitze genutzt. Wird die Störung 8 erkannt, werden Zündung und Einspritzung des Zylin­ ders des betroffenen Gaswechselventils ausgeschaltet, ein Neustart des Aktuators durchgeführt, beispielsweise durch eine Anschwingroutine, und anschließend die Zündung und die Ein­ spritzung wieder eingeschaltet.

In den Fig. 3 und 4 kommt zum Unterschied zu dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ablauf der Anker noch in der Haltephase 7 am Schließmagneten zum Anliegen. Die Spannung wird zu dem Zeitpunkt 21 abgeschaltet, bis der Strom auf den unteren Schwel­ lenwert 13 abgesunken ist. Zu einem Zeitpunkt 22 tritt eine Störung 9 auf, der Anker löst sich ungewollt vom Schließmagne­ ten und bewegt sich beschleunigt in Richtung des Öffnungsmagne­ ten. Wie bei der in der Fangphase 4 auftretenden Störung 8 in Fig. 1 und 2 steigt der Strom mit einem erhöhten Gradienten 23 auf eine Stromspitze 2 an und schwingt anschließend auf den Haltestrom 14 aus. Der erhöhte Gradient 23, die Stromspitze 2 und/oder eine erhöhte Spannungsspitze kann erfaßt und als Störung gedeutet werden. Ferner kann auch die Frequenz nach der Stromspitze 2 für ein weiteres Signal genutzt werden. Ist die Störung 9 als solche erkannt, wird diese wie oben beschrieben behoben.

Claims (4)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Gaswechselventils, das über einen elektromagnetischen Aktuator betätigt wird, der mit zumindest einem Elektromagneten mit einer Spule und mit zumindest einer Rückstellfeder über einen Anker auf das Gas­ wechselventil wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Spule fließende Strom und/oder der Stromanstiegsgradient (10, 23) und/oder die an der Spule anliegende Spannung gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden und ein Signal ausgelöst wird, sobald sich der Anker entgegen der Anziehungskraft des bestromten Elektromagneten bewegt und durch eine dabei auftre­ tende Induktion eine Stromspitze (1, 2), ein Gradientenanstieg (10, 23) bzw. eine Spannungsspitze entstehen und ein Sollwert überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz des Stroms erfaßt und ein Signal ausgelöst wird, sobald die erfaßte Frequenz von einem Sollwert abweicht.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung und/oder der Strom und/oder dessen Verlauf nur kurz vor Ende einer Fangphase (3, 4) bis kurz nach Beginn einer Haltephase (6, 7) des Elektromagneten erfaßt und/oder mit einem Sollwert verglichen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer erkannten Störung (8, 9) Zündung und Einspritzung des Zylinders des betroffenen Gaswechselven­ tils ausgeschaltet, ein Neustart des Aktuators durchgeführt und anschließend die Zündung und die Einspritzung wieder einge­ schaltet werden.