DE19948204A1

DE19948204A1 - Elektromagnetischer Aktuator

Info

Publication number: DE19948204A1
Application number: DE19948204A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Es wird ein elektromagnetischer Aktuator für die Steuerung eines Ventils eines Verbrennungsmotors beschrieben. Es sind zwei Elektromagnete vorgesehen, die auf einen Anker einwirken, durch den der Ventilschaft beaufschlagt wird. Auf den Anker wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte, von denen die eine eine Ventilfeder ist. Diese Federkraft ist änderbar. DOLLAR A Wenn sich die Kraft der Ventilfeder ändert, stellt die Elektronik fest, daß sich das Verhältnis des Energiebedarfs der Elektromagnete für das Verstellen des Ankers in die Sollstellungen (Offenstellung, Schließstellung) geändert hat. Aus der Feststellung, daß eine Schwelle der Änderung entstanden ist, wird eine Änderung der Federkraft der Ventilfeder abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein elektromagnetischer Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An spruchs 1 ist aus der DE 41 37 700 C1 bekannt. Dort wird eine Änderung der Kraft der Ventilfeder in Abhängigkeit von der Drehzahl vorgenommen.

Elektromagnetische Ventilsteuerungen weisen prinzipiell zwei Elektromagnete und zwei Federn auf, die gegeneinander gerichtet sind. Dieser Aufbau ist notwendig, um auch bei großen Ventilhüben schnelle Schaltzeiten zu erreichen. Dabei bewirken die Federkräfte im Wesentlichen die Hubbewegung und die Elektromagnete gleichen durch die Hubarbeit die mechanische Reibung und die Gaskräfte aus. Diese Syste me sind sehr empfindlich auf Veränderung der Federkräfte, da sich hierbei die Sym metrie der beiden Federenergien verändert. Im Grenzfall kann die Unsymmetrie der Federenergien so stark sein, daß der Anker auf der gegenüberliegenden Seite auf schlägt.

Zur Lösung der Problematik wurden viele Konzepte beschrieben, z. B. eine Verstel lung des Aktuatorgehäuses oder die hydraulische Versteilung der beiden Federn, was einen nennenswerten Aufwand darstellt. Die Veränderung der Federkraft wird im Wesentlichen, z. B. bei der Ventilfeder durch zwei Faktoren beeinflußt. Einmal ist es die Relaxation, das heißt die Abnahme der Federkraft in Folge großer Lastspielzah len, also ein leichtes Setzen der Feder. Zum Zweiten ist es der Ventilverschleiß, wel cher bewirkt, daß das Ventil sich bezogen auf den Ventilfederteller verlängert. Diese beiden Faktoren bewirken eine Abnahme der Ventilfederkraft und müssen bei der Federvorspannkraft berücksichtigt werden. Diese Federvorspannung muß jedoch vom Schließmagnet überwunden werden, was Baugröße und auch elektrische Lei stung bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es die oben geschilderte Federproblematik mit einfachen Mitteln zu lösen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Auswertung des Energieaufwandes E = U.i_m.t_ges (i_m = mittlerer Strom) für die Ansteuerung der beiden Magnete wird somit bei der Erfindung die Aufgabe gelöst. Bei einer Unsymmetrie des Energieaufwandes ist eine Verstellung der Ventilfeder erkennbar, die über Diagnosemittel ausgewertet wird und, z. B. beim nächsten Ser viceintervall korrigiert werden kann.

Anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Aktuators;

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung;

Fig. 4 eine Steuerelektronik.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer elektromagnetischen Ventilsteuerung bestehend aus zwei Elektromagneten 1 und 2 zum Schließen und Öffnen des Ven tils, einem schwenkbar gelagerten Anker 3 und einem Ventilbetätigungsglied 4, das auf einen Ventilschaft 5 einwirkt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die eine Kraft durch einen Drehstab 6 erzeugt und die andere durch eine Ventilfederkraft in Form einer konventionelle Druckfeder 12. Der untere Ventilteller 7 trägt ein Zahnrad 8, welches mit einem Ritzel 9 verbunden ist. Der Ventilteller 7 weist ein Gewinde 7a auf, und ist auf der Ventilhülse 10 aufgeschraubt. Alternativ hierfür können auch schiefe Ebenen oder Nocken verwendet werden. Auch kann der Ventilteller ein Au ßengewinde 7b aufweisen, wie dies auf der linken Seite dargestellt ist. Stellt nun die Ansteuerelektronik, z. B. im Leerlauf des Motors mit geringen Gaskräften eine Un symmetrie des Energieaufwandes für Schließ- und Öffnungsmagnet fest, so ist dies in einer Verstellung der Federn begründet. Als Voraussetzung gilt, daß die Magnete bei der Montage auf Symmetrie der Magnetkräfte überprüft und justiert werden. Zu nächst wird die Unsymmetrie klein sein und im Verlauf der Betriebszeit immer stärker werden. Beim Service kann diese Verstellung vom Diagnosegerät übernommen und über eine Steuerelektronik ausgewertet werden. Ist ein Grenzwert überschritten, so kann das Servicegerät in Verbindung mit einer elektromotorischen oder pneumati schen Verstelleinrichtung die Federkraft solange verstellen, bis wieder Gleichgewicht des Energiebedarfs erreicht wird. Die Verstellung kann auch manuell erfolgen, was in Fig. 1 durch eine Welle 11 angedeutet ist. Es ist auch möglich eine Verstellung für mehrere Aktuatoren gleichzeitig vorzunehmen, wobei ein Mittelwerte eingestellt wer den kann. Dies gilt, z. B. für alle Aktuatoren einer Ventilreihe, z. B. alle Einlaß- oder alle Auslaßventile. Die Verstellung kann über eine Schnecke 11a und ein Schnec kenrad 11b erfolgen.

Fig. 2 zeigt das Federdiagramm der beiden Federn, nämlich der Ventilfeder 12 und Drehstabfeder 6. Als resultierende beider Federn ist die dick gezeichnete Linie zu sehen, welche auf der linken Ordinaten die Kraft F_m2 erzeugt. Dies ist zugleich die Magnetkraft des Öffnungsmagneten, um den Anker in dieser Position zu halten. Auf der rechten Seite ist die Vorspannkraft FV1 der Ventilfeder eingezeichnet. Wenn das Ventil aufgesetzt hat, bewirkt diese Kraft eine entsprechende Vergrößerung der re sultierenden Kraft, so daß als Endkraft des Schließmagneten die Kraft F_m1 gebraucht wird. Hier wird deutlich, daß die Ventilfedervorspannung einen merklichen Unter schied in den Magnetkräften bewirkt. Wird nun die Ventilfederkraft durch die ein gangs erwähnten Faktoren, nämlich Relaxation oder Ventilverschleiß geringer, was durch die strichpunktierte Linie dargestellt ist, so bewirkt dies eine Verschiebung der Mittellage mit der Folge, daß der Energiebedarf auf der rechten Seite größer wird und auf der linken Seite kleiner. Wenn die Energieunterschiede größer wären als die mechanischen Verluste, so würde der Anker auf der gegenüberliegenden Seite auf schlagen. Das Ziel der Konstruktion muß sein, die mechanischen Verluste, also ins besondere Reibungsverluste, klein zu halten. Je besser der mechanische Wirkungs grad eines solchen Systems ist, desto empfindlicher reagiert das System auf Un symmetrien.

Fig. 3a zeigt den Hubverlauf. Das Ventil startet nachdem der Schließmagnet abge schaltet wird, von der geschlossenen Stellung, gelangt in die Offenstellung und wird dann anschließend wieder zurückgeführt in die geschlossene Stellung. Fig. 3b zeigt den zugeordneten Stromverlauf oder auch Energiebedarf des Öffnungsmagneten M₂. Dieser ist über die Zeit t_E eingeschaltet. Nach Abschalten wird die Energie, z. B. über eine Freilaufdiode abgebaut. Nachdem das System die Offenstellung erreicht hat wird anschließend ein relativ geringer Haltestrom eingeschaltet, um das Ventil offen zu halten. Sobald der Öffnungsmagnet M₂ wieder abgeschaltet ist; bewegt sich der Anker wieder in die Schließstellung. Während dieser bewegungsphase wird der Schließmagnet wieder eingeschaltet. Der Schließmagnet wird für die Dauer t_E1 ein geschaltet. Der elektrische Energiebedarf ist proportional der Spannung, dem mittle ren Strom und der gesamten Einschaltzeit t_ges. Zur Vereinfachung kann jeweils auch nur die elektrische Einschaltzeit t_E zugrunde gelegt werden.

Fig. 4 zeigt eine Ansteuerelektronik 20 für die beiden Elektromagnete 21 und 22. Diese enthält Regelkreise, die die Ansteuerimpulse der Fig. 3b entsprechend den Gegebenheiten regeln. Ändert sich z. B. die Einschaltzeit oder das Strom-Zeit- Integral der Impulse für die beiden Magnete und ändert sich damit das Verhältnis der Zeiten oder der Integrale, so stellt dies eine Auswerteschaltung 23 fest. Bei Auswer tung des Strom-Zeit-Integrals wird der Strom über einen Shunt gemessen und von der Ansteuerelektronik ausgewertet. Dabei wird unterstellt, daß während dieser Aus wertung die Spannung konstant bleibt. Dies gilt auch für die Auswertung der Strom impulse. Diese Änderung wird entweder in einer Schaltung 24 verglichen, die einen Änschluß an eine Diagnoseleitung 27 aufweist, um im Service eine Federkraftände rung durchzuführen, oder es wird sofort bei Überschreiten einer Schwelle eine Ver stelleinrichtung 25 angesteuert, die die Federkraftänderung bewirkt. Wenn eine Ver stellung für mehrere Aktuatoren vorgesehen ist, wird in der Auswerteschaltung 24 eine Mittelung der Änderungen aller Aktuatoren vorgenommen und eine Verstellung gemäß diesem Mittelwert durchgeführt. Diese Auswertung oder der Test geschieht vorwiegend bei Stillstand des Motors oder im Leerlauf, wenn die Gaskräfte gering sind.

Claims

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Ventils eines Verbren nungsmotors mit zwei Elektromagneten (1, 2) und einem Anker (3), dessen Bewegung auf den Schaft (5) des Ventils übertragen wird, wobei auf den Anker (3) zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte (5, 12) einwirken, die den An ker (3) ohne sonstige auf ihn einwirkende Kräfte in eine Zwischenstellung stel len, wobei die Federkraft, die in Richtung der Schließstellung wirksam ist, we nigstens teilweise durch eine direkt am Ventil angreifende Ventilfeder (12) er zeugt wird, wobei weiterhin die Kraft der Ventilfeder (12) durch einen Verstell mechanismus (7 bis 11) änderbar ist und wobei der Energiebedarf für die Bei den Elektromagnete (1, 2), um den Anker (3) in Sollpositionen (Offenstellung, Schließstellung) in der Nähe der Pole der Elektromagnete (1, 2) zu bringen, durch eine Schaltung (24) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Än derung des Verhältnisses des elektrischen Energiebedarfs der beiden Elektro magnete (1, 2) sensiert wird (in 23) und, daß in Abhängigkeit von dieser Ände rung die Kraft der Ventilfeder (12) geändert wird.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung durch einen Regelkreis (23, 25) automatisch erfolgt.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung angezeigt wird mittels eines Servicegeräts (in 24) und die Ände rung beim Service manuell oder elektrisch erfolgt.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraft der Ventilfedern mehrerer gleichartiger Ventile un ter Zugrundeliegen eines Mittelwerts t_s der Verhältnisse geändert wird.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß als Kriterium für den Energiebedarf die Länge (t_e) des Stro mimpulses der Elektromagnete oder die Gesamtzeit bis zum Halten des Ventils t_ges verwendet wird (Fig. 3b).

6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Strom-Zeit-Integral ausgewertet wird.

7. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daß die Aus wertung bei Motorstillstand oder im Leerlauf erfolgt.