EP1101015B1 - Verfahren zur ansteuerung eines elektromagnetischen aktuators zur betätigung eines gaswechselventils an einer kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten, deren Polflächen einander zugekehrt sind und zwischen denen ein auf das zu betätigende Gaswechselventil einwirkenden Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung für das Gaswechselventil hin und her bewegbar geführt ist. Einer der Elektromagneten dient hierbei als Schließmagnet, durch den das Gaswechselventil gegen die Kraft der Öffnerfeder in Schließstellung gehalten wird, während der andere Elektromagnet als Öffnermagnet dient, durch den das Gaswechselventil über den Anker gegen die Kraft der zugeordneten Schließfeder in Öffnungsstellung gehalten wird.

Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß in Ruhelage der Anker sich in einer Mittelstellung zwischen den beiden Polfläche befindet. Bei einer abwechselnden Bestromung der beiden Elektromagneten gelangt der Anker dann jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder an der Polfläche des jeweils bestromten und damit fangenden Elektromagneten zur Anlage. Wird an dem jeweils haltenden Elektromagneten der Haltestrom abgeschaltet, dann wird der Anker durch die Kraft der Rückstellfeder in Richtung auf den anderen Elektromagneten beschleunigt, der während der Ankerbewegung mit einem entsprechend hohen Fangstrom beaufschlagt wird, so daß nach dem Überschwingen über die Mittellage der Anker durch die Magnetkraft gegen die Kraft der dem jetzt fangenden Elektromagneten zugeordneten Rückstellfeder zur Anlage kommt.

Die Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators erfolgt in Abhängigkeit von den der Motorsteuerung vorliegenden Betriebsdaten der Kolbenbrennkraftmaschine, im wesentlichen der Lastanforderung und der Drehzahl. Befindet sich das Gaswechselventil beispielsweise in seiner Schließstellung, d. h. der Anker liegt am Schließmagneten an, so erfolgt die Ansteuerung im wesentlichen zeitabhängig, d. h. über die Motorsteuerung unter Berücksichtigung der Kurbelwellenstellung und den Parametern aus der Lastvorgabe, die jeweils den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt für das Gaswechselventil festlegen. Durch das Abschalten des verhältnismäßig geringen Haltestroms wird der Beginn der Ankerbewegung eingeleitet, so daß in einem vorgebbaren Zeitabstand nach dem Abschalten des Haltestroms der Fangstrom am fangenden Elektromagneten eingeschaltet werden kann. Der Zeitabstand kann hierbei über voraufgegangene empirische Daten oder auch theoretische Daten bestimmt werden.

Der Zeitpunkt des Abschaltens des Haltestroms ist jeweils genau zu erfassen, er ist jedoch nicht identisch mit dem Zeitpunkt des Beginns der Ankerbewegung, da aufgrund der elektromagnetischen Vorgänge, wie langsamer Abbau des haltenden Magnetfeldes, und äußerer Einflüsse, wie Gasgegendruck gegen das zu öffnende Gaswechselventil, Reibungswiderstände etc. sich eine sogenannte "Klebzeit" für den Anker ergibt Die tatsächliche Ankerbewegung erfolgt somit erst mit einer gewissen Zeitverzögerung nach dem Abschalten des Haltestroms.

Wird nun der Fangstrom eingeschaltet, dann steigt mit zunehmender Annäherung des Ankers an die Polfläche des fangenden Elektromagneten bei konstanter Bestromung die Magnetkraft progressiv an, während die in Gegenrichtung wirkende Kraft der Rückstellfeder nur linear ansteigt. Dies führt dazu, daß der Anker sich in der Endphase kurz vor dem Auftreffen auf die Polfläche des fangenden Elektromagneten mit zunehmender Beschleunigung bewegt, so daß es zu einem harten Aufprallen des Ankers auf der Polfläche kommt, was in vielerlei Hinsicht nachteilig ist, beispielsweise durch Körper- und Luftschallanregung und die dadurch bedingte Geräuschentwicklung. Um dies zu vermeiden, versucht man über eine entsprechende Regelung den Fangstrom kurz vor dem Auftreffen des Ankers auf die Polfläche des jeweils fangenden Elektromagneten zu reduzieren, wobei über eine Sensorik die Annäherung des Ankers erfaßt wird. Dies kann in der Weise erfolgen, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Ankers in der Nähe der Polfläche ein entsprechendes Steuersignal abgegeben wird oder aber die Ankerbewegung in diesem Nahbereich erfaßt wird. Diese Werte der Annäherung können dann über die Motorsteuerung bzw. über eine gesonderte Stromregelung für den Aktuator dazu benutzt werden, den Fangstrom so zu reduzieren, daß der Anker mit einer nur geringfügig über "Null" liegende Geschwindigkeit auf die Polfläche, d, h. sanft auftrifft, so daß der betreffende Elektromagnet dann nur noch mit dem geringen Haltestrom zu beaufschlagen ist.

Aus DE-A-197 39 840 ist eine Regelung zur Betätigung eines Gaswechselventils bekannt, bei der in Form einer Trajektorienregelung über eine Sensorik der Istverlauf der Bewegung der Stellvorrichtung erfaßt und ständig durch eine entsprechende Regelung der Bestromung der Magneten mit vorgegebenen Sollkennlinien abgeglichen wird, so daß die Steilvorrichtung nicht ihrer Eigendynamik überlassen bleibt.

Diese vorbekannten Regelungen sind jedoch in sich sehr starr und berücksichtigen zum einen nicht die vielfältigen, auf das aus Anker und Gaswechselventil bestehende System einwirkenden äußeren Störkräfte und zum anderen wird die Geräuschentwicklung nicht ausreichend minimiert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine sehr viel genauere Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmalen.

Das "Einleiten des Lösens des Ankers" wird definiert durch den Zeitpunkt des Abschaltens vorzugsweise des gezielten Reduzierens des Haltestroms. Der Begriff "Istwerte der Ankerbewegung" enthält neben dem Zeitpunkt des Abschaltens des Haltestroms in der ersten Phase zumindest in der ersten und der zweiten Phase die jeweilige Position des Ankers, seine Geschwindigkeit und seine Beschleunigung. Je nach Art der Sensorik kann neben einer Erfassung der Position die Geschwindigkeit entweder direkt erfaßt oder aus dem sich über die Positionserfassung ergebenden Ableitung des Weges nach der Zeit ebenso wie die Beschleunigung abgeleitet werden.

Durch die Aufteilung des Bewegungsvorganges des Ankers in drei Phasen werden die physikalischen Besonderheiten des Aktuators und zwar sowohl seine individuellen mechanischen Besonderheiten als auch die durch den Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine sich ändernden Besonderheiten berücksichtigt. In der ersten Phase erfolgt nur ein "Beobachten" der Ankerbewegung, über die die energetische Ausgangslage der Ankerbewegung erfaßt wird, die im wesentlichen vorgegeben wird durch den tatsächlichen Zeitpunkt des Lösens von der Polfläche sowie durch die Kraft der den Anker beschleunigenden Rückstellfeder einerseits sowie die dem entgegenwirkenden Reibungskräfte und Gasdruckkräfte. Im Nahbereich des Elektromagneten treten beim Ablösen des Ankers zwangsläufig noch die Energieverluste im mechanischen System durch das in Gegenrichtung wirkende Restfeld hinzu. Diese negativen elektromagnetischen Krafteinflüsse lassen sich durch die Verwendung eines wirbelstromarmen Ankers und/oder durch das Aufschalten eines Stromes anderer Polung, der ein auf den Anker wirkendes abstoßendes Magnetfeld erzeugt, noch minimieren.

Sobald sich der Anker jedoch nennenswert von der Polfläche des zuvor haltenden Elektromagneten gelöst hat, besteht kaum noch die Möglichkeit einer Einflußnahme auf den Anker und zwar weder durch eine entsprechende Bestromung des bisher haltenden Elektromagneten noch durch eine frühzeitige Bestromung des fangenden Elektromagneten bei einer vom Energieaufwand her vertretbarenStromstärke. Der Anker weist beim Durchgang durch die Mittellage seine höchste Geschwindigkeit auf. In diesem Bereich können äußere Einflüsse, wie Zylinderinnendruck, Reibungseinflüsse oder auch Aktuator-Parameter auf die Ankerbewegung einwirken, aber über die Magnetkraft kaum beeinflußt werden. Daher ist es vor allem bei niedrigen Drehzahlen der Kolbenbrennkraftmaschine und dementsprechend geringen Bewegungsgeschwindigkeiten der Gaswechselventile, und damit des Ankers besonders vorteilhaft, wenn nicht nur am fangenden Elektromagneten die Bestromung gezielt geführt wird. Eine gezielte Führung der Bestromung des freigebenden Elektromagneten, statt eines einfachen Abschalten erlaubt es, den Bewegungsverlauf des Ankers auch in dieser Phase zu beeinflussen und eine vorgegebenen Bewegungsablauf auch zum Bewegungsbeginn zu erzwingen.

Werden nun, wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, über die Sensorik die Istwerte der Ankerbewegung in der ersten Phase und in der zweiten Phase erfaßt, dann besteht die Möglichkeit, hieraus die jeweiligen auf den Anker einwirkenden Störungen in der ersten Phase, die im wesentlichen durch Ablösevorgänge, auch durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch den zu überwindenden Zylinderinnendruck verursacht werden, und in der zweiten Phase, die im wesentlichen durch äußere Einflüsse verursacht werden, als Stellsignal der Steuerung bzw. der individuellen Aktuatorsteuerung zugeführt werden und hierbei schon während der zweiten Phase der fangende Elektromagnet hinsichtlich der Bestromung so angesteuert werden, daß der Anker in einem vorgebbaren Abstandsbereich, einem sogenannten "Zielfenster", sich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und einer gegen "Null" gehenden Beschleunigung bewegt. Damit ist die Möglichkeit einer individuellen Anpassung der Bestromung des jeweils fangenden Elektromagneten, aber auch des den Anker freigebenden Elektromagneten unter Berücksichtigung der während den ersten beiden Phasen der Bewegung auf den Anker einwirkenden äußeren Störeinflüsse möglich. Hierbei genügt es, wenn diese Vorgaben hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung in einem vorgebbaren Abstandsbereich am freigebenden und am fangenden Elektromagneten erreicht werden, da im unmittelbaren Einwirkungsbereich der Magnetfelder dieser Elektromagneten über eine entsprechende Führung der Bestromung eine gezielte Führung Ankerbewegung am Anfang und am Ende der Bewegung möglich ist.

Die dritte, mit dem Erreichen des Zielfensters beginnende Phase ist gekennzeichnet durch eine geringe Ankergeschwindigkeit und eine hohe Kraftwirkung des fangenden Magneten. Damit ist in dieser Phase über die Bestromung des fangenden Magneten eine kontrollierte Führung des Ankers gegen die Kraft der Rückstellfeder bis zur Anlage an der Polfläche möglich, so daß eine minimale Auftreffgeschwindigkeit sichergestellt ist.

Über die Erfassung der Istwerte der Ankerbewegung in der ersten und der zweiten Phase ist es aber auch möglich, den Abstandsbereich bei entsprechender Ansteuerung so vorzugeben, daß statt eines Auftreffens des Ankers auf der Polfläche der Anker in einem vorgebbaren Abstand zur Polfläche schwebend gehalten werden kann, wenn beispielsweise ein Erreichen der Endlage aus Zeitgründen nicht erwünscht ist, wie dies bei einer sogenannten Freiflugansteuerung der Fall ist.

Da in der dritten Phase eine kontrollierte Beeinflussung der Ankerbewegung möglich ist, ist auch die Möglichkeit gegeben, bei Vorhandensein eines Ventilspiels zunächst das Ventil sanft abzusetzen, um dann nach dem Lösen des Ankers vom Ventil den Anker selbst sanft auf der Polfläche des fangenden Magneten abzusetzen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Abstandsbereich in Abhängigkeit von den zumindest in der zweiten Phase erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers vorgegeben wird. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn der jeweils dem Aktuator zugeordnete Regler als modellbasierter Regler ausgebildet ist und somit vorausschauend das Verhalten des aus Anker und Gaswechselventil bestehenden Systems erfassen kann.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Bestromung der Elektromagneten über eine Regelung der am fangenden Magneten angelegten Spannung geführt wird. Durch eine Spannungsregelung anstelle einer Stromregelung lassen sich die erforderlichen Regeleingriffe sehr viel exakter und schneller bewirken, da selbst nach einem Abschalten der Spannung der Strom verhältnismäßig langsam abfällt und dementsprechend bei einem Aufschalten einer Spannung der Strom entsprechend verhältnismäßig langsam ansteigt. Da üblicherweise derartige elektromagnetische Aktuatoren mit Gleichstrom beaufschlagt werden, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, durch eine Spannungsumkehr zum Ende der zweiten Phase einen sich dem Zielfenster zu schnell nähernden Anker durch ein kurzzeitiges Erzeugen eines Gegenfeldes so abzubremsen, daß die geforderten Werte im Zielfenster erreicht werden. Die Spannungsumschaltung erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß zwischen einer Bestriebsspannung, dem Spannungslossetzen (Freilauf, Kurzschluß) und einer negativen Betriebsspannung (Rückspeisung) umgeschaltet wird.

Durch eine erhöhte positive und negative Spannung kann eine schnelle Stromänderung erzwungen werden. Die Umschaltung kann hierbei sehr schnell erfolgen. Die Spannungs- und Stromversorgung wird zweckmäßig dem Bordnetz der Kolbenbrennkraftmaschine entnommen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Istwerte der Ankerbewegung durch eine Sensorik mit digitaler Signalerfassung und Signalverarbeitung erfaßt werden. Eine derartige Sensorik kann beispielsweise unmittelbar die Position, d. h. Weg und/oder Geschwindigkeit am Anker bzw. an einer mit dem Anker verbundenenen Führungsstange, die als digitaler Weggeber ausgebildet ist, abgreifen, so daß hier sehr fein unterteilte, direkt am Anker abgegriffene Signale zur Verfügung stehen. Das Verfahren läßt sich aber auch mit einer analog oder analog/digital arbeitenden Sensorik verwirklichen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen elektromagnetischen Aktuator,

Fig. 2

den Verfahrensablauf anhand eines Bewegungsdiagrammes,

Fig. 3

den zum Bewegungsdiagramm gem. Fig. 2 zugehörigen Stromverlauf.

Ein elektromagnetischer Aktuator 1 zur Betätigung eines Gaswechselventils 2 besteht im wesentlichen aus einem Schließmagneten 3 und einem Öffnermagneten 4, die im Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen denen ein Anker 5 gegen die Kraft von Rückstellfedern, nämlich einer Öffnerfeder 7 und einer Schließfeder 8 hin und her bewegbar geführt ist. In der Zeichnung ist die Anordnung in Schließstellung dargestellt und zwar in der "klassischen" Anordnung der Öffnerfeder und der Schließfeder. Bei dieser Anordnung wirkt die Schließfeder 8 unmittelbar über einen mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 verbundenen Federteller 2.2 ein. Die Führungsstange 11 des elektromagnetischen Aktuators ist vom Schaft 2.1 getrennt, in der Regel ist hier in der Schließstellung ein Spalt in Form des sogenannten Ventilspiels VS vorhanden. Die Öffnerfeder 7 stützt sich wiederum auf einem Federteller 11.1 an der Führungsstange 11 ab, so daß in der Mittellage unter der gegeneinandergerichteten Wirkung von Öffnerfeder 7 und Schließfeder 8 die Führungsstange 11 sich auf dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 abstützt.

Es ist auch möglich, an der Stelle der Öffnerfeder 7 nur eine einzige Rückstellfeder vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß sie jeweils beim Überschwingen des Ankers 5 über die Mittellage eine entsprechende Rückstellkraft aufbaut. Eine gesonderte Schließfeder 8 entfällt damit. Bei einer derartigen Anordnung muß allerdings die Führungsstange 11 mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils über ein entsprechendes Koppelelement verbunden sein, das die Hin- und Herbewegung des Ankers in gleicher Weise auf das Gaswechselventil 2 überträgt.

Die Schließfeder 8 und die Öffnerfeder 7 sind in der Regel so ausgelegt, daß in Ruhestellung, d. h. bei nichtbestromten Elektromagneten der Anker 5 sich in der Mittellage befindet. Aus dieser Mittellage heraus muß dann in einem entsprechenden Verfahren der elektromagnetische Aktuator 2 mit seinem Gaswechselventil 2 angeschwungen werden.

Die Bestromung der Elektromagneten 3 und 4 des Aktuators 1 erfolgt über einen ihm zugeordneten Stromregler 9.1, der von einer elektronische Motorsteuerung 9 entsprechend den vorgegebenen Steuerprogrammen und in Abhängigkeit von den der Motorsteuerung zugeführten Betriebsdaten, wie Drehzahl, Temperatur etc. angesteuert. Während es grundsätzlich möglich ist, für alle Aktuatoren an einer Kolbenbrennkraftmschine einen zentralen Stromregler vorzusehen, ist es für das Verfahren nach der Erfindung zweckmäßig, wenn jedem Aktuator ein eigener Stromregler zugeordnet ist, der mit einer zentralen Spannungsversorgung 9.2 verbunden ist und der von der Motorsteuerung 9 angesteuert wird.

Dem Aktuator 1 ist ein Sensor 10 zugeordnet, der die Erfassung der Aktuatorfunktionen ermöglicht. Der Sensor 10 ist hier schematisch dargestellt. Je nach der Auslegung des Sensors kann beispielsweise der Weg des Ankers 5 erfaßt werden, so daß die jeweilige Ankerposition der Motorsteuerung 9 und/oder dem Stromregler 9.1 übermittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 oder dem Stromregler 9.1 kann dann über entsprechende Rechenoperationen ggf. auch die Ankergeschwindigkeit ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der Ankerposition und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwindigkeit die Bestromung der beiden Elektromagneten 3, 4 gesteuert werden kann.

Der Sensor 10 muß nicht zwangsläufig, wie dargestellt, einer mit dem Anker 5 in Verbindung stehenden Taststange 11.1 zugeordnet sein. Es ist auch möglich, einen entsprechend ausgebildeten Sensor dem Anker 5 seitlich zuzuordnen oder auch entsprechende Sensoren im Bereich der Polfläche der jeweiligen Elektromagneten anzuordnen. Die Zuordnung des Sensors 10 zu einer Taststange 11.1 erlaubt jedoch vorteilhaft bei entsprechender Ausbildung der Taststange 11.1 als inkrementaler Weggeber eine digitale Signalerzeugung.

Der Stromregler 9.1 weist ferner entsprechende Mittel zur Erfassung von Strom und Spannung für den jeweiligen Elektromagneten 3 und 4 sowie zur Veränderung des Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs auf. Über die Motorsteuerung 9 kann dann in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsprogrammen, ggf. gestützt auf entsprechende Kennfelder, der Aktuator 1 des Gaswechselventils 2 voll variabel angesteuert werden, so daß beispielsweise hinsichtlich des Beginns und des Endes der Öffnungszeiten. Auch Ansteuerung hinsichtlich der Höhe des Öffnungshubes oder auch der Zahl der Öffnungshübe während der Schließzeit sind steuerbar.

In Fig. 2 ist in bezug auf das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 mit der Linie 12 schematisch der Geschwindigkeitsverlauf des Ankers 5 nach dem Lösen von der Polfläche des haltenden Elektromagneten 3 dargestellt.

Dieser Geschwindigkeitsverlauf ist im wesentlichen in fünf Bewegungsbereiche A, B, C, D und E unterteilt, die durch die punktiert gerandeten Felder gekennzeichnet sind. Der Bereich A umfaßt den Nahbereich der Polfläche des Elektromagneten 3, während der Bereich E den Nahbereich des fangenden Elektromagneten 4 umfaßt. Die Bedeutung dieser Nahbereiche wird nachstehend noch näher erläutert.

Die Bereiche A und B sind im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ökonomischen Energieeinkopplung in den fangenden Elektromagneten 4 nach dem Abschalten des Haltestroms die Kraftwirkung des Elektromagneten 4 äußerst gering ist. Eine Erfassung der Ankerbewegung durch den Spulenstrom im fangenden Elektromagneten 4 ist wegen der sehr kleinen Werte zwar meßbar aber nur mit hohem Aufwand umsetzbar. In diesen Bereichen können jedoch aus der Ankerbewegung äußere Einflüsse, wie Zylinderinnendruck, Reibungseinflüsse und Systemparameter des Aktuators identifiziert werden. Zu den Systemparametern des Aktuators gehören auch Veränderung im Bewegungsverhalten des Ankers durch Temperatureinflüsse oder infolge von Verschleiß. Die Identifizierung dieser Parameter erfolgt durch Verarbeitung der von der Sensorik in dieser Phase erfaßten Sensorsignale. Hierzu werden bevorzugt rauschreduzierte Verfahren verwendet, insbesondere Kalman-Filter, neuronale Netze, Zustandsbeobachter. Bevorzugt können bei der Verarbeitung der Sensorsignale, die zweckmäßigerweise im Stromregler 9.1 erfolgen, auch Informationen über den Zylinderinnendruck, wie sie in der Motorsteuerung vorliegen, zusätzlich oder auch ausschließlich verwendet werden. Insbesondere kann die Maximalgeschwindigkeit des Ankers als Maß für die benötigte Stromhöhe verwertet werden.

Der Nahbereich A des Haltemagneten 3 ist ferner charakterisiert durch eine starke Kraftwirkung des Haltemagneten, solange hier der Haltestrom anliegt, bis zum Abbau des Restmagnetfeldes. In diesem Bereich weist der Anker unmittelbar nach dem Ablösen von der Polfläche nur eine geringe Geschwindigkeit auf. Damit ist es möglich, über eine entsprechende Bestromung des Haltemagneten, beispielsweise Aufschalten eines Spannungsimpulses zur Erzeugung eines abstoßenden Magnetfeldes, die Anfangsbewegung und damit die Anfangsgeschwindigkeit des Ankers zu beeinflussen. Da bedeutet aber auch die Möglichkeit einer gezielten Energiereduktion im mechanischen System bei hoher Federsteifigkeit um einen flachen Bewegungsverlauf zu realisieren und so eine sanfte Mitnahme des Ventils durch den Ankerbolzen bei Vorhandensein eines Ventilspiels zu erreichen.

Im Bereich C, der praktisch einen Quasi-Freiflugbereich darstellt, besteht nur eine geringe Kraftwirkung sowohl seitens des zuvor haltenden Elektromagneten 3 und des nunmehr fangenden Elektromagneten 4 bei einer sehr hohen Geschwindigkeit des Ankers. Bedingt durch diese Gegebenheiten ist die Bewegung praktisch nicht gezielt beeinflußbar. Damit ist auch dieser Bereich bevorzugt nutzbar zur Identifikation von Parametern, die mit dem Gegendruck, dem Reibungsverhalten und sonstigen Störgrößen korreliert sind. Dieser Bereich kann aber auch zu einer präzisen, positionsbasierten Vorsteuerung, beispielsweise für das Einschalten der Spulenspannung am fangenden Elektromagneten 4 verwendet werden. Auch die hier erfaßten Istwerte der Ankerbewegung werden zur Auswertung im Stromregler 9.1 berücksichtigt.

Beim Übergang des Ankers 5 aus dem Bereich C in den Bereich D gerät der Anker bei eingeschalteter Spulenspannung am Elektromagneten 4 in den noch schwachen Einflußbereich des fangenden Elektromagneten 4. Der Eintritt erfolgt mit hoher Geschwindigkeit. Aufgrund der zuvor in den Bereichen A, B und C erfaßten Istwerte der Ankerbewegung besteht nun hier die Möglichkeit, durch eine entsprechende Korrektur des Stromniveaus die Bewegung des Ankers so zu beeinflussen, daß er im Übergang zum Bereich E, also in einem vorgebbaren geringen Abstand zur Polfläche, nur noch eine geringe Bewegungsgeschwindigkeit aufweist, wobei die Beschleunigung des Ankers praktisch gleich Null ist und praktisch eine Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft der Schließfeder 8 und der Magnetkraft des fangenden Elektromagneten 4 erreicht wird. Damit ist im Bereich E eine vollständige Kontrolle der Ankerbewegung möglich, so daß in einer closed-loop-Regelung dem Anker über eine entsprechende Regelung des Stroms bzw. der Spannung eine Bewegung aufgezwungen werden kann, die eine minimale Auftreffgeschwindigkeit sicherstellt. Dieser Übergangsbereich zwischen D und E stellt das sogenannte "Zielfenster", also einen vorgegebenen Abstandsbereich des Ankers zur Polfläche des fangenden Elektromagneten 4 dar. Da in den Bereichen A, B, C und D laufend über die Sensorik die Istwerte der Ankerbewegung erfaßt werden, ist es möglich, dieses Zielfenster gerade weit genug von der Endlage des Ankers an der Polfläche entfernt zu wählen, daß der Anker mit einer vorgegebenen minimalen Auftreffgeschwindigkeit auf die Polfläche abgesetzt werden kann, und zwar unter allen während des Bewegungsverlaufes auf den Anker einwirkenden äußeren Einflüsse, so daß ein Aufschlagen praktisch vermieden ist Es ergeben sich somit im wesentlichen drei Phasen für die Regelung, nämlich eine erste Phase I, im wesentlichen bestimmt durch die Bereiche A und B, in denen die Grunddaten der Ankerbewegung beobachtend erfaßt werden. Daran schließt sich die Phase II an, in der unter Berücksichtigung der Bewegungsdaten der Phase I in den Bereichen C und D zusätzlich äußere Störeinflüsse erfaßt werden und als prediktorisches Signal für den Stromregler umgesetzt werden, damit das "Zielfenster" mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird. In der durch den Bereich E gekennzeichneten Phase III wird dann über die Spannungs- bzw.

Stromreglung der Anker in einem definierten Bewegungsverlauf zur Anlage auf der Polfläche geführt. Hierbei wird bevorzugt die Geschwindigkeit des Ankers in Abhängigkeit von der Ankerposition vorgegeben.

In Fig. 3 ist in einer Fig. 2 zugeordneten Darstellung der Verlauf des Spulenstroms im fangenden Elektromagneten 4 bei der beschriebenen Öffnungsbewegung dargestellt. Wie aus dem Verlauf ersichtlich, kann in der Phase I der Elektromagnet 4 zunächst unbestromt bleiben. Bei Erreichen der Phase II wird der fangende Elektromagnet bestromt und hierbei in seinem Verlauf in Abhängigkeit von den zuvor in der Phase I und in der Phase II ermittelten Istwerte der Ankerbewegung so beeinflußt, daß das vorgegebene Zielfenster im Übergangsbereich zwischen der Phase II und dem Bereich III angesteuert wird. Sobald das Zielfenster 13 erreicht ist, kann der Fangstrom im fangenden Elektromagneten 4 gezielt bis auf das Niveau des Haltestroms IH zurückgeführt werden, so daß sich dann das Ventil 2 in geöffneter Position befindet. In Fig. 2 ist das Zielfenster 13 durch den Schnittbereich 13.1 zwischen den Bereichen D und E kenntlich gemacht.

Es ist aber auch möglich, wie mit dem strichpunktiert dargestellten Kurventeil 14 angedeutet, den fangenden Elektromagneten 4 schon in der Phase I zu bestromen. Die Stromhöhe, die zweckmäßig getaktet wird, wird so eingestellt, daß sie in etwa der entsprechend den Maßparametern zu erwartenden Höhe bei einem vorgebbaren Abstand des Ankers zur Polfläche entspricht. Damit ist sichergestellt, daß der Anker frühzeitig in den Einflußbereich des "fangenden" Magnetfeldes gelangt und in seiner Bewegung beeinflußt werden kann.

Zweckmäßig ist es, wenn der Verlauf der Ankergeschwindigkeit durch eine Funktion angenähert wird, deren Parameter aus dem Sensorsignal über statistische Verfahren bestimmt werden. Diese Parameter können mit dem auf das Gaswechselventil wirkenden Gegendruck korreliert und zur Bestimmung der Stromhöhe in Phase II verwendet werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stärke des entgegenwirkenden Zylinderinnendrucks und damit die benötigte Stromhöhe aus dem Verlauf der Ankergeschwindigkeit beim Auftreffen der Ankerführung 11 auf den Ventilschaft 2.1, also nach Überwindung des Ventilspiels VS abgeleitet wird.

Da über die Sensorik eine Erfassung der Ankerbewegung und damit eine laufende Erfassung der Ankerposition erfolgt, ist esmöglich, das Ventilspiel VS beim Öffnungsvorgang zu erfassen und damit das Zielfenster für den nachfolgenden Schließvorgang vorzugeben und den Anker in seiner Bewegung gezielt führen zu können.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, der zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagnete auf weist, zwischen denen ein auf das Gaswechselventil einwirkenden Anker gegen die Kraft von wenigstens einer Rückstellfeder zwischen den Polflächen der beiden Elektromagneten hin und her bewegbar geführt ist, wobei über eine Steuerung die Elektromagneten abwechselnd mit einem Fangstrom beaufschlagt werden und über eine Sensorik die Bewegung des Ankers auf seinem Weg von der einen Polfläche zur anderen Polfläche erfaßt wird und zwar in der Weise, daß in einer ersten Phase (I), beginnend mit der Einleitung des Lösens des Ankers von der Polfläche des haltenden Elektromagneten, über die Sensorik Istwerte der Ankerbewegung erfaßt werden, daß in einer zweiten Phase (II) in Abhängigkeit von den erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers der fangende Elektromagnet über die Steuerung hinsichtlich der Bestromung in Form einer Vorsteuerung so angesteuert wird, daß der Anker in einem als Zielfenster vorgebbaren Abstandsbereich zur Polfläche des fangenden Elektromagneten sich mit einer angenähert vorgegebenen Geschwindigkeit und einer gegen Null gehenden Beschleunigung bewegt und daß in einer dritten Phase (III) die Bestromung des fangenden Elektromagneten geführt wird, so daß der Anker mit einer vorgebbaren Mindestgeschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß beim Lösen des Ankers von der Polfläche des haltenden Elektromagneten die Verminderung der Bestromung nach Istwerten der Ankerbewegung geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsbereich in Abhängigkeit von den zumindest in der zweiten Phase (II) erfaßten Istwerten der Bewegung des Ankers über einen Kennwert des Systems "Anker-Feder-Gaswechselventil" enthaltenen Regler vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung über eine Regelung der am fangenden Elektromagneten angelegten Spannung geführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Elektromagneten anzulegende Spannung aus der Bordnetzspannung durch Spannungswandlung und Spannungstabilisierung gewonnen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerte der Ankerbewegung durch eine Sensorik mit digitaler Signalerfassung und Signalverarbeitung erfaßt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler ein modellbasierter Regler verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Regler der Verlauf der Ankergeschwindigkeit durch eine angenäherte Funktion vorgegeben ist, deren Parameter aus der Sensorik über statistische Verfahren bestimmt sind.

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