DE19733142C2 - Verfahren zur Einleitung der Bewegung eines über einen elektromagnetischen Aktuator betätigten Gaswechselventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einleitung der Bewe­ gung wenigstens eines der Gaswechselventile an einem Zylinder einer Kolbenmaschine, wobei jedes Gaswechselventil jeweils über einen elektromagnetischen Aktuator betätigbar ist, der einen elektrischen Schließmagneten und einen elektrischen Öffnermagneten aufweist, zwischen denen ein mit dem zu betä­ tigenden Gaswechselventil verbundener Anker gegen die Kräfte von Rückstellfedern hin und her bewegbar geführt ist und wo­ bei die abwechselnde Bestromung des Schließmagneten und des Öffnermagneten über eine elektrische Motorsteuerung gesteuert wird.

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen, deren Gaswechselventile je­ weils über elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden, ist die Möglichkeit einer vollvariablen Ventilsteuerung gegeben. Eine derartige Steuerung erlaubt es beispielsweise, an einer mehrzylindrigen Kolbenbrennkraftmaschine sowohl während des Startvorganges als auch im Betrieb nur einen Teil der Zylin­ der zu befeuern und die nicht befeuerten Zylinder bei still­ gesetzten Gaswechselventilen, vorzugsweise in Öffnungsstel­ lung stillgesetzten Gaswechselventilen, zu betreiben. Hierbei sind dann die übrigen Funktionen wie Kraftstoffeinspritzung und Zündung an den nicht befeuerten Zylindern ebenfalls abge­ schaltet. Eine derartige Betriebsweise kann aber auch dann ungewollt auftreten, wenn durch äußere Störeinflüsse ein Gas­ wechselventil nicht in der vorgesehenen jeweiligen Endstel­ lung vom Schließmagneten oder vom Öffnermagneten gefangen wird, sondern in seiner Mittellage "hängen" bleibt. Dies läßt sich durch eine entsprechende Funktionsüberwachung feststel­ len, so daß auch hier über die Motorsteuerung die Kraftstof­ feinspritzung, die Zündung und die übrigen Gaswechselventile dieses Zylinders zunächst stillgesetzt werden.

Aus DE 33 07 070 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Kol­ benbrennkraftmaschine mit Gaswechselventilen bekannt, die über elektromagnetische Aktuatoren betätigt werden. Hierzu werden die beiden Elektromagneten unter Berücksichtigung der Eigenfrequenz des durch den Aktuator gebildeten Feder-Masse- Systems abwechselnd bestromt und so das System "angeschwun­ gen". Nach einer bestimmten Anschwingzeit erreicht der Anker die Polfläche eines der Elektromagneten und kann dann in sei­ ner Endstellung, d. h. der Schließstellung oder der Öffnungs­ stellung des betätigten Gaswechselventils gehalten werden. Anschließend kann dann die Kolbenbrennkraftmaschine gestartet werden, wobei die Gaswechselventile im Arbeitstakt der Kol­ benbrennkraftmaschine über die Aktuatoren betätigt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, nicht nur zur Inbetriebnahme sondern auch im laufenden Betrieb Gaswechsel­ ventile, die gezielt stillgesetzt wurden oder aufgrund einer Funktionsstörung ausgefallen sind, wieder anzuschwingen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß das Verfahren entsprechend Anspruch 1 vorgeschlagen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Bewegung des anschwingenden Ventils durch die vom hin- und hergehenden Kolben bewirkte Gasströ­ mung in ihrer Bewegung unterstützt wird, insbesondere in der Bewegungsphase unmittelbar beim Erreichen der Schließstel­ lung. Damit kann der Anschwingvorgang durch die Unterstützung der Gaskräfte mit geringerem Energieaufwand durchgeführt wer­ den.

Da im Rechner der Motorsteuerung die jeweils aktuellen Be­ triebsdaten des Motors vorliegen, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Beginn der Bestromung des elektromagnetischen Aktuators im Takt der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems über die elektrische Motorsteuerung so festgelegt wird, daß der Anker sich kurz vor seiner Anlage an die Polfläche des fangenden Magneten in Richtung auf die Schließstellung für das betreffende Gaswechselventil bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens bewegt. Damit werden die verhältnismäßig starken, auf das betreffende Gaswechselventil wirkenden Gaskräfte jeweils bei Erreichen der Schließstellung ausgenutzt.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß nach einem Erkennen der Anlage des Ankers an einer der Polflächen durch die elektrische Motorsteuerung die Elektromagnete dieses elektromagnetischen Aktuators im Ar­ beitstakt der Kolbenmaschine abwechselnd bestromt werden und damit wieder voll in den für den Motorbetrieb vorgesehenen Steuerungsanlauf einbezogen werden. Gleichzeitig werden dann im vorgesehenen Arbeitstakt und entsprechend der vorgesehenen Zündfolge das Einspritzventil und die Zündung zugeschaltet.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Beginn der Bestromung der einzelnen elektromagnetischen Aktuatoren einer Kolbenmaschine nachein­ ander und jeweils nach dem Übergang von der Anschwingsteue­ rung auf die Arbeitstaktsteuerung des voraufgegangenen elek­ tromagnetischen Aktuators erfolgt. Damit ist insbesondere bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit mehreren Gaswechselventilen, beispielsweise vier Gaswechselventilen je Zylinder, eine spürbare Reduzierung des Energieverbrauchs für das Gesamtsy­ stem möglich, da verglichen mit dem Energieaufwand im norma­ len Betrieb mit seinen Möglichkeiten der Reduzierung des Stromverbrauchs für den Anschwingvorgang ein größerer Ener­ gieaufwand erforderlich ist. Durch das aufeinanderfolgende Anschwingen der einzelnen Gaswechselventile kann durch diese Verfahrensweise eine Entlastung des Bordnetzes erzielt wer­ den.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowohl in seinem Grundablauf als auch in den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Verfah­ rensschritte kann angewendet werden sowohl bei einem Ausfall der Ventile während des Betriebes als auch beim Anlaßvorgang der Kolbenbrennkraftmaschine, bei dem ggf. die Kolbenbrenn­ kraftmaschine zunächst nicht auf allen Zylindern betrieben wird, weil aus energetischen Gründen unter Berücksichtigung der vorgegebenen Leistungen von Bordnetz und Generator zu­ nächst bei einigen oder sogar bei allen Zylindern die Ventile noch gar nicht angeschwungen werden sondern zunächst einmal abgewartet wird, bis eine bestimmte Drehzahl erreicht ist. Somit kann auch der Anschwingvorgang durch Unterstützung der Gaskräfte mit geringerem Energieaufwand durchgeführt werden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipzeichnung eines Vier­ zylinder-Viertakt-Ottomotors mit elektromagnetischen Aktuatoren für die Gaswechselventile,

Fig. 2 einen elektromagnetischen Aktuator im Schnitt in vergrößerter Darstellung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Viertakt-Vierzylinder-Ottomotor mit seinen Zylindern I, II, III, IV dargestellt. Die einzel­ nen Zylinder weisen jeweils ein Gaseinlaßventil 1 und ein Gasauslaßventil 2 auf, wobei die beiden Gaswechselventile 1, 2 jeweils über einen elektromagnetischen Aktuator 3.1 und 3.2 betätigbar sind. Das Gaseinlaßventil 1 verschließt einen Gaseinlaßkanal 4, in den eine Einspritzdüse 5 mündet, die ih­ rerseits über einen elektromagnetischen Aktuator 6 betätigbar ist. Das Gasauslaßventil 2 verschließt hierbei einen Gasaus­ laßkanal 7.

Die elektromagnetischen Aktuatoren 3.1 und 3.2 der Gaswech­ selventile sowie die elektromagnetischen Aktuatoren 6 der Kraftstoffeinspritzdüsen 5 werden über eine elektrische Steu­ ereinrichtung 8 angesteuert, die die jeweils gewünschte Lastvorgabe, beispielsweise über ein Gaspedal 9, erhält. Der elektrischen Steuereinrichtung 8 werden, wie bei modernen elektronischen Motorsteuerungen üblich, auch weitere, für den Betrieb erforderliche Daten vorgegeben, so beispielsweise das abgegebene Drehmoment, Kühlwassertemperatur und weitere für eine optimale Steuerung und Regelung des Betriebsablaufs er­ forderliche Werte. Außerdem wird über einen entsprechenden Geber 10 die jeweilige Motordrehzahl der Steuerung zugeführt. Über diesen Drehzahlgeber kann zugleich auch die Kurbelstel­ lung und damit die Kolbenstellung zumindest eines Zylinders vorgegeben werden, so daß eine paßgenaue und zeitgenaue dreh­ zahlproportionale Ansteuerung der einzelnen elektromagneti­ schen Aktuatoren möglich ist ebenso wie eine betriebsabhängi­ ge jedoch voneinander unabhängige Veränderung der Betäti­ gungszeiten der jeweiligen Gaseinlaßventile und Gasauslaßven­ tile an den einzelnen Zylindern.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der elektromagnetische Aktuator eines Gaswechselventils im Wesentlichen aus zwei im Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten 11 und 12, die mit ihren Polflächen P11 und P12 gegeneinander gerichtet sind. Zwischen den beiden Elektromagneten 11 und 12 ist ein Anker 13 hin und her bewegbar geführt, der über eine Betäti­ gungsstange 14 auf ein Gaswechselventil, beispielsweise das Gaseinlaßventil, einwirkt. Das Gaswechselventil ist mit einer Schließfeder 15 verbunden, die das Gaswechselventil in Schließstellung zu ziehen versucht. Der Schließfeder 15 ist eine Öffnungsfeder 16 zugeordnet, deren Kraftwirkung gegen die Kraftwirkung der Schließfeder 15 wirkt. Bei stromlos ge­ setzten Elektromagneten nimmt somit der Anker 13 eine mittle­ re Position zwischen den beiden Elektromagneten ein. Die Fe­ der 16 wirkt in Bezug auf den als Schließmagneten dienenden Elektromagneten 11 als Rückstellfeder ebenso wie die Schließ­ feder 15 für den als Öffnermagneten 12 dienenden Elektroma­ gneten als Rückstellfeder wirkt. Werden die beiden Elektroma­ gneten über die elektrische Steuereinrichtung 8 abwechselnd bestromt, so kann das Gaswechselventil entsprechend dem durch die elektrische Steuerung 8 vorgegebenen Takt geöffnet und geschlossen werden.

Erreicht beispielsweise der Anker des Gaseinlaßventils 1 am Zylinder IV entsprechend Fig. 1 durch eine äußere Störung nicht seine für den betreffenden Bewegungstakt vorgesehene Anlage an der entsprechenden Polfläche, sondern schwingt in seine Mittelstellung zurück, kann er mit der normalen "Betriebssteuerung" nicht mehr gestartet werden. Über die Mo­ torsteuerung wird der Ventilstillstand mittels hier nicht nä­ her zu beschreibender Einrichtungen, beispielsweise dem Anker zugeordnete Bewegungssensoren, den Strom- und/oder Span­ nungsverlauf der Aktuatoren registrierenden Elementen der Mo­ torsteuerung oder dgl. festgestellt und über ein Stellsignal sofort die Kraftstoffeinspritzung durch die Einspritzdüse 5 inaktiviert sowie die hier nicht näher dargestellte Zündung ausgeschaltet und auch der elektromagnetische Aktuator 3.2 des Gasauslaßventils 2 abgeschaltet, so daß auch das Gasaus­ laßventil in der Öffnungsstellung der Mittellage verbleibt und beim weiteren Betrieb des Motors über die verbleibenden funktionstüchtigen Zylinder der ausgefallene Zylinder kom­ pressionslos zunächst weiter betrieben werden kann.

Da wie vorstehend bereits angedeutet, alle betriebsrelevanten Parameter in der elektrischen Steuerung 8 vorliegen, kann über entsprechende Prozeßrechner sogar erreicht werden, daß bei Ausfall eines Zylinders über eine entsprechende Ände­ rung, d. h. Erhöhung, der Kraftstoffzufuhr zu den verbleiben­ den Zylindern und die hierzu erforderlichen Änderungen der Ventilsteuerzeiten die Leistung der verbleibenden drei Zy­ linder so erhöht werden kann, daß annähernd die Leistung des aus­ gefallenen Zylinders 4 kompensiert wird.

Ohne die vorstehend beschriebene Leistungserhöhung, d. h. un­ mittelbar nach Stillsetzung der Funktion am Zylinder IV, oder aber nach der vorbeschriebenen Leistungserhöhung der noch ar­ beitenden Zylinder werden nun über das "Startprogramm" der Motorsteuerung entsprechend dem eingangs beschriebenen Ver­ fahren die beiden Gaswechselventile nacheinander oder auch gleichzeitig angeschwungen. Sobald über die Motorsteuerung der einwandfreie Bewegungsablauf der Gaswechselventile wieder erkannt wird, werden die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung wieder zugeschaltet, so daß der betreffende Zylinder wieder voll seinen Leistungsanteil übernehmen kann. Eine zuvor vor­ genommene Leistungserhöhung der anderen Zylinder wird wieder zurückgenommen.

Das Verfahren läuft auch in gleicher Weise ab, wenn über die Motorsteuerung gezielt einzelne Zylinder stillgesetzt werden, so beispielsweise für den Leerlaufbetrieb oder auch im gerin­ gen Teillastbetrieb, bei dem trotz der vom Motor abzugebenden geringen Leistungen die arbeitenden Zylinder mit voller Lei­ stung oder doch mit nahezu voller Leistung arbeiten können.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorstehend für die Anwen­ dung bei einer Kolbenbrennkraftmaschine beschrieben. Es ist in gleicher Weise jedoch möglich, dieses Verfahren auch für die Ventilsteuerung bei einem Kolbenverdichter einzusetzen, des­ sen Gaswechselventile nicht als selbsttätige Rückschlagventi­ le ausgebildet sind sondern über elektromagnetische Aktuato­ ren mit Hilfe einer entsprechenden Ventilsteuerung angesteu­ ert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Einleitung der Bewegung wenigstens eines der Gaswechselventile (1, 2) an einem Zylinder (IV) einer Kolben­ maschine, wobei jedes Gaswechselventil (1, 2) jeweils über einen elektromagnetischen Aktuator (3.1, 3.2) betätigbar ist, der einen elektrischen Schließmagneten (11) und einen elek­ trischen Öffnermagneten (12) aufweist, zwischen denen ein mit dem zu betätigenden Gaswechselventil (1, 2) verbundener Anker (13) gegen die Kräfte von Rückstellfedern (15, 16) hin und her bewegbar geführt ist, wobei die abwechselnde Bestromung des Schließmagneten (11) und des Öffnermagneten (12) über ei­ ne elektrische Motorsteuerung (8) gesteuert wird, der die Ei­ genfrequenz des aus den Rückstellfedern (15, 16) und dem An­ ker (13) mit dem Gaswechselventil (1, 2) gebildeten Feder- Masse-Systems vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß von der Motorsteuerung (8) die momentane Drehzahl und die Stel­ lung der Kurbelwelle der Kolbenmaschine in Bezug auf eine Totpunktlage erfaßt werden (10) und daß unter Berücksichti­ gung der Kurbelwellendrehzahl und der Kurbelwellenstellung, der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems und des Ankerweges von der Ruhestellung bis zur Anlage an der Polfläche (P11, P12) eines der beiden Elektromagneten (11, 12) der Zeitpunkt für den Beginn einer abwechselnden Bestromung der Elektro­ magneten (11, 12) im Takt der Eigenfrequenz des Feder-Masse- Systems errechnet wird (8) und zwar so, daß unmittelbar vor der möglichen Anlage des Ankers (13) an der Polfläche (P11, P12) eines fangenden Elektromagneten (11, 12) die Ankerbewe­ gung und die Kolbenbewegung gleichgerichtet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Bestromung des elektromagnetischen Aktuators (3.1, 3.2) im Takt der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems über die elektrische Motorsteuerung (8) so festgelegt wird, daß der Anker (13) sich kurz vor seiner Anlage an die Polflä­ che (P11, P12) des fangenden Elektromagneten (11, 12) in Richtung auf die Schließstellung für das betreffende Gaswech­ selventil (1, 2) bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens be­ wegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Erkennen der Anlage des Ankers (13) an einer der Polflächen (P11, P12) durch die elektrische Motorsteue­ rung (8) die Elektromagnete (11, 12) diese elektromagneti­ schen Aktuatoren (3.1, 3.2) im Arbeitstakt der Kolbenmaschine abwechselnd bestromt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Beginn der Bestromung der einzelnen elektromagnetischen Aktuatoren (3.1, 3.2) einer Kolbenmaschi­ ne nacheinander und jeweils nach dem Übergang von der Anschwingsteuerung auf die Arbeitstaktsteuerung der Aktuato­ ren des voraufgegangenen elektromagnetischen Aktuators er­ folgt.