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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Linearaktor zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, wobei der elektromagnetische Linearaktor zur Aktuierung eines Nockenwellenverstellers einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, umfassend einen mit einer bestrombaren Primärspule und einem relativ zur bestrombaren Primärspule translatorisch zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage versetzbaren, magnetisierbaren Anker,wobei der elektromagnetische Linearaktor ferner eine Steuereinheit zu Ansteuerung der Primärspule aufweist, welche die Primärspule über eine Pulsweitenmodulation spannungsversorgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Ankers in einem elektromagnetischen Linearaktor.
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Aus Emissions- und Kraftstoffverbrauchsgründen finden bei Ottomotoren schon seit vielen Jahren schaltbare Ventiltriebkomponenten breite Anwendung. Ein Beispiel hierfür sind elektromechanisch aktuierbare Schiebenockensysteme, welche über einen elektromagnetischen Linearaktor verstellbar ausgeführt sind.
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Schaltbare Ventiltriebe von Brennkraftmaschinen sind in unterschiedlichen Bauarten bekannt. So können Ventiltriebe einzelner Zylindereinheiten oder Gruppen von Zylindereinheiten einer Brennkraftmaschine durch eine Abschaltung des schaltbaren Ventilhubs deaktiviert und damit in Verbindung mit einer Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung für die betreffende Zylindereinheit der Kraftstoffverbrauch sowie die CO2- und die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine im Teillastbereich gesenkt werden. Andererseits können durch spezielle Ventiltriebe von Einlass- und/oder Auslassventilen einer Brennungskraftmaschine zeitliche Hubverläufe durch eine Hubumschaltung geändert und damit in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wie Motordrehzahl oder Motorlast, an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst werden, wodurch die Motorleistung und das Drehmoment erhöht und der spezifische Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verringert werden können.
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Ein elektromagnetischer Linearaktor für eine derartige Anwendung ist beispielsweise aus der
DE- 102 40 774 A1 bekannt. Ausgehend von der eingezogenen inneren Lage des Eingriffsstiftes erfolgt eine Aktivierung des Eingriffsstiftes durch Bestromung der Spule, wodurch ein magnetisches Feld erzeug wird, das dem Feld des Permanenthaltemagneten gegengerichtet ist und dieses verdrängt. Die Verdrängung des Feldes verursacht eine verringerte Haltekraft zwischen Permanenthaltemagnet und Spulenkern, so dass das durch die Spule erzeugte Magnetfeld und die Kraft der auf den Eingriffsstift wirkenden Feder den Eingriffsstift ausfahren lässt, so dass er in die Nut des Schiebenockensystems eingreift und, wie gewünscht, eine Verschiebung des Schiebenockens bewirkt.
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Die Rückwärtsbewegung des Eingriffsstiftes in seine innere Endlage wird durch die Auswurframpe eingeleitet, die den Eingriffsstift gegen die Kraft der Feder soweit und mit solcher Beschleunigung von dem Schiebenocken weg bewegen soll, dass der Eingriffsstift bei abgeschalteter Bestromung der Spule durch den Permanenthaltemagneten und dessen Magnetfeld am Spulenkern festgehalten wird. Problematisch bei dieser gattungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass je nach Toleranzlage des Aktors radial zum Schiebenocken die Bewegung und Beschleunigung des Eingriffsstiftes durch die Auswurfsrampe nicht ausreicht, dass dieser die innere Position erreicht und durch den Permanenthaltemagneten gegen die Kraft der Feder stabilisiert wird.
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Daher ist es für einen bestimmungsgemäßen Betrieb eines derartigen elektromechanischen Linearaktors von großer Bedeutung, sicherzustellen, dass beispielsweise die Endlagen des Aktors sicher erreicht sind, um beispielsweise Funktionsstörungen an dem aktuierten Schiebenockensystem zu vermeiden. Auch kann es für eine verbesserte Reglung eines Nockenwellenverstellers vorteilhaft sein, die jeweils exakte Hubposition des Aktors zu kennen und reglungstechnisch zu berücksichtigen.
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Daher ist es üblich, an der Nockenwelle ein Triggerrad mit einem Sensor, welches die Drehposition der Nockenwelle ausgibt anzuordnen. Das Triggerradsignal der Nockenwelle wird mit einem Triggerradsignal der Kurbelwelle verglichen und so die Phase bzw. Verstellposition ermittelt. Bei Abweichungen der IST- von der SOLLPosition wird das Tastverhältnis einer Oulsweitenmodulation nachgeführt. Der aus der Spannung resultierende Strom bestimmt dann die Magnetkraft der bestromten Spule des elektromagnetischen Aktors, der häufig als Hubmagnet ausgeführt ist. Die Magnetkraft wirkt einer Feder im Zentralventil entgegen. Durch das Kräftegleichgewicht wird die Position des Schieberkolbens im Ventil eingestellt.
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Die meiste Zeit werden die Nockenwellenversteller nicht verstellt, sondern verharren an einer bestimmten Position. Das Zentralventil ist also die meiste Zeit an der Halteposition. Das nötige Tastverhältnis zum Erreichen der Halteposition kann sich jedoch durch verschiedene Einflüsse verschieben. Zum einen können axiale Toleranzen der Komponenten und des Kundenbauraums zwischen Nockenwellenende und Kettenkastenabdeckung zu einer anderen resultierenden Ankerposition des Zentralmagneten führen. Über die Drehzahl oder wegen Zu- oder Abschaltung von Ölverbrauchern kann sich der Pumpendruck verändern. Dies führt zu sich ändernden Strömungskräften auf den Zentralventilkolben.
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Der Widerstand der Zentralmagnetspule ändert sich über die Temperatur des Spulendrahtes bzw. der Umgebungstemperatur. Dies verändert den resultierenden Strom und damit die Magnetkraft. Der Zentralmagnet ist ferner mit Hysterese behaftet, größtenteils durch Reibung aufgrund von unvermeidlichen Querkräften auf den Magnetanker. D.h. die sich ergebende Ankerposition wird mit zunehmender Hysterese schwieriger bestimmbar. Die Hysterese erhöht sich über die Lebensdauer. Ebenso gibt es eine Hysterese des Zentralventils. Eine hohe Ölviskosität verschlechtert ebenfalls die Regelbarkeit. Dies ist besonders beim Kaltstart relevant.
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Der Regler muss daher die Halteposition erlernen und ständig nachführen. Die erzielbare Genauigkeit ist bei dem Vergleich von Triggerradsignal und Kurbelwellensignal vergleichsweise gering. Der Regelkreis ist ferner verhältnismäßig lang, daher kann bei schnellen Verstellanforderungen der Regler nicht zu schnell eingestellt werden, da es sonst zu starken Überschwingern kommt.
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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektromagnetischen Linearaktor für einen Nockenwellenversteller bereitzustellen, der eine verglichen zum Stand der Technik höhere Genauigkeit und weniger Neigung zum Überschwingen in der Ansteuerung bzw. Reglung zeigt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Ankers in einem elektromagnetischen Linearaktor zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektromagnetischen Linearaktor zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, wobei der elektromagnetische Linearaktor zur Aktuierung eines Nockenwellenverstellers einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, umfassend einen mit einer bestrombaren Primärspule und einem relativ zur bestrombaren Primärspule translatorisch zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage versetzbaren, magnetisierbaren Anker,wobei der elektromagnetische Linearaktor ferner eine Steuereinheit zu Ansteuerung der Primärspule aufweist, welche die Primärspule über eine Pulsweitenmodulation spannungsversorgt, wobei dass Steuereinheit die Lage des Ankers zur Primärspule durch Ermittlung des an der Primärspule anliegenden Stroms und Spannung ermittelt und als ein die Lage des Ankers repräsentierendes Signal zur Verfügung stellt.
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Durch die Erfassung des Ankerhubs, und damit des Zentralventilkolbenhubs kann ein kürzerer Regelkreis realisiert werden, wobei die Ermittlung der Lage des Ankers ohne zusätzlichen Sensor erfolgen kann. Dazu wird ein Differenzstrommessungsverfahren verwendet, was nachfolgend noch näher beschrieben wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Ankers in einem elektromagnetischen Linearaktor, umfassend einen elektromagnetischen Linearaktor zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, wobei der elektromagnetische Linearaktor zur Aktuierung eines Nockenwellenverstellers einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, umfassend einen mit einer bestrombaren Primärspule und einem relativ zur bestrombaren Primärspule translatorisch zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage versetzbaren, magnetisierbaren Anker,wobei der elektromagnetische Linearaktor ferner eine Steuereinheit zu Ansteuerung der Primärspule aufweist, welche die Primärspule über eine Pulsweitenmodulation spannungsversorgt, umfassend die folgenden Schritte:
- - Messen des maximalen und minimalen Stroms zum Zeitpunkt einer steigenden oder fallenden Flanke der Pulsweitenmodulation an der Primärspule ,
- - Ermittlung einer Stromdifferenz aus maximalem und minimalem Strom,
- - Ermittlung des Tastverhältnisses oder bei flexibler Pulsweitenmodulations-Frequenz Ermittlung der Dauer eines Pulses der Pulsweitenmodulation,
- - Zuordnung des Tastverhältnisses oder der Pulsdauer sowie der ermittelten Stromdifferenz zu einem in der Steuereinheit gespeicherten Kennfelds und Zuordnung des sich aus dem Kennfeld ergebenen Lage des Ankers ,
- - Bereitstellung eines die Lage des Ankers repräsentierenden Signals.
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Das Verfahren nutzt die über den Hub eines Proportionalmagneten veränderliche Induktivität aus und die Tatsache, dass der Magnet mit einer pulsweitenmodulierten Spannung versorgt wird. Das Verfahren ist gegenüber anderen Verfahren einfach, da es keine Modellierung des Magneten benötigt und es weist dabei eine ausreichend hohe Messgenauigkeit auf.
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Mittels eines integrierten Mikrocontrollers wird die Auswertung nur über Strom und Spannung bewerkstelligt und beispielsweise als digitales Hubsignal zu einer übergeordneten Steuereinheit (ECU) zurückgegeben. Dadurch können insbesondere auch die im Stand der Technik beschriebenen Störgrößen direkter ausgeregelt werden und die Performance des Systems, auch über Lebensdauer, entscheidend verbessert werden.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Temperatur der Primärspule ermittelt und über das in der Steuereinheit gespeicherte Kennfeld eine temperaturkompensierte Lage des Ankers ermittelt wird. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Temperatur der Primärspule über einen Widerstandsmessung erfolgt, indem in der Steuereinheit ein auf Raumtemperatur normierter Widerstandswert der Primärspule in der Steuereinheit gespeichert ist, welcher mit dem gemessenen Widerstandswert der Primärspule verglichen wird.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Pulsweitenmodulation bei 140-180Hz, bevorzugt bei 160Hz, betrieben wird.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Steuereinheit eine bauliche Einheit mit dem elektromagnetischen Linearaktor ausbildet.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der elektromagnetische Linearaktor als Hubmagnet konfiguriert ist.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Steuereinheit einen Microprozessor mit einem Speicher umfasst, wobei an einem Eingang des Microprozessors ein Spannungsteiler zur Erfassung der Spannung und an einem weiteren Eingang des Microprozessors ein Shunt zur Strommessung anliegt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild eines elektromagnetischen Linearaktors,
- 2 ein elektrisches Schaltbild des elektromagnetischen Linearaktors,
- 3 Ein Strom-/ Spannungsverlaufdiagramm, und
- 4 ein Kraftfahrzeug mit einem elektromagnetischen Linearaktor.
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Die 1 zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor 1 zur Schaltung wenigstens zweier verschiedener Schaltzustände, wobei der elektromagnetische Linearaktor 1 zur Aktuierung eines Nockenwellenverstellers 2 einer Verbrennungskraftmaschine 3 eines Kraftfahrzeugs 4 vorgesehen ist. Ein entsprechendes Kraftfahrzeug 4 ist exemplarisch in der 4 widergegeben.
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Der elektromagnetische Linearaktor 1 ist als Hubmagnet konfiguriert, mit einer bestrombaren Primärspule 12 und einem relativ zur bestrombaren Primärspule 12 translatorisch zwischen einer ersten Endlage 13 und einer zweiten Endlage 14 versetzbaren, magnetisierbaren Anker 15. Der elektromagnetische Linearaktor 1 besitzt ferner eine Steuereinheit 10 zu Ansteuerung der Primärspule 2, welche die Primärspule 12 über eine Pulsweitenmodulation spannungsversorgt und betreibt. Die Pulsweitenmodulation wird bei 140-180Hz, bevorzugt bei 160 Hz, betrieben. Die Steuereinheit 15 bildet eine bauliche Einheit mit dem elektromagnetischen Linearaktor 1.
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Das Verfahren zur Ermittlung der Lage eines Ankers 15 in dem elektromagnetischen Linearaktor 1, wird nachfolgend anhand einer Zusammenschau der 1- 2 näher erläutert.
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Die Steuereinheit 10 ermittelt die Lage des Ankers 15 zur Primärspule 12 durch Ermittlung des an der Primärspule 12 anliegenden Stroms und Spannung und stellt ein die Lage des Ankers 15 repräsentierendes Signal 5 zur Verfügung. Hierzu weist die Steuereinheit 15 einen Microprozessor 16 mit einem Speicher 17 auf, wobei an einem Eingang des Microprozessors 16 ein Spannungsteiler zur Erfassung der Spannung und an einem weiteren Eingang des Microprozessors 16 ein Shunt zur Strommessung anliegt.
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Zunächst erfolgt das Messen des maximalen und minimalen Stroms zum Zeitpunkt einer steigenden oder fallenden Flanke der Pulsweitenmodulation an der Primärspule 12. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass je weiter der Anker 15 Richtung bestromte Endlage fährt, desto höher die Induktivität der Primärspule 12 steigt. Das Verhalten ist sogar nahezu linear. Die veränderliche Induktivität bewirkt ein unterschiedlich schnelles Abfallen und Ansteigen des Stromes infolge der pulsweitenmodulierten Spannung. Dies ist exemplarisch in dem Diagramm der 3 gezeigt.
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Durch Messen des maximalen und minimalen Stroms zum Zeitpunkt einer steigenden oder fallenden Flanke der Pulsweitenmodulation kann ein Wert für die Stromdifferenz gebildet werden
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Nachfolgend wird also die Ermittlung einer Stromdifferenz aus maximalem und minimalem Strom durchgeführt. Auch wird das Tastverhältnis oder bei flexibler Pulsweitenmodulations-Frequenz die Dauer eines Pulses der Pulsweitenmodulation ermittelt.
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Dann erfolgt eine Zuordnung des Tastverhältnisses oder der Pulsdauer sowie der ermittelten Stromdifferenz zu einem in der Steuereinheit 10 gespeicherten Kennfeld und die Zuordnung der sich aus dem Kennfeld ergebene Lage des Ankers 15 und eine Bereitstellung eines die Lage des Ankers 15 repräsentierenden Signals.
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Die Temperatur der Primärspule 2 wird ermittelt und über das in der Steuereinheit 10 gespeicherte Kennfeld eine temperaturkompensierte Lage des Ankers 15 durchgeführt. Die Temperatur der Primärspule 2 erfolgt dabei über eine Widerstandsmessung, indem in der Steuereinheit 15 ein auf Raumtemperatur normierter Widerstandswert der Primärspule 2 in der Steuereinheit gespeichert ist, welcher mit dem gemessenen Widerstandswert der Primärspule 2 verglichen wird.
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Da sich der Widerstand der Primärspule über die Temperatur ändert, hat dies einen gewissen Einfluss auf den gemessenen Differenzstrom. Selbst wenn der Einfluss steuer- bzw. reglungstechnisch ignoriert wird, ist bereits eine gute Messgenauigkeit möglich. Zur Steigerung der Genauigkeit wird die Spulentemperatur optional einbezogen. Dazu wird der Widerstand, der in der Spulenfertigung in der Regel gemessen wird, auf 20°C normiert und jeweils in dem Speicher des Mikrocontrollers gespeichert. Der Strom wird nun zusätzlich absolut und gemittelt (um den Stromripple zu filtern) gemessen und mit der gemessenen pulsweitenmodulierten Spannung der Widerstand der Spule im Betriebszustand gemessen. Daraus lässt sich über den Vergleich mit dem gespeicherten Wert die Temperatur berechnen und kann mit einem um diese Dimension erweiterten Kennfeld berücksichtigt werden.
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Bei einer Pulsweitenmodulations-Frequenz von beispielsweise 130 Hz kann der Hub des Ankers also mit einer Auflösung von ca. 8 ms ausgewertet werden.
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Die Schaltung wird, wie schon erwähnt, realisiert mit einem Mikrocontroller, der kombiniert wird mit einem Spannungsteiler zur Erfassung der Spannung und einem Shunt zur Strommessung. Dazu werden die zwei bekannten Pins innerhalb des Zentralmagnet direkt kontaktiert. Über einen dritten Pin wird das Hubsignal bevorzugt digital ausgegeben. Das Hubsignal muss nur einmalig für jeden Motor durch Fahren des Zentralventilkolbens in den Endanschlag für eine übergeordnete Steuereinheit (ECU) kalibriert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearaktor
- 2
- Nockenwellenverstellers
- 3
- Verbrennungskraftmaschine
- 4
- Kraftfahrzeugs
- 5
- Signal
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Primärspule
- 13
- Endlage
- 14
- Endlage
- 15
- Anker
- 16
- Microprozessor
- 17
- Speicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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