DE3546513A1 - Verfahren und schaltung zum betreiben eines gaswechselventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gas­ wechselventils.

Es ist aus der DE-OS 30 24 109 bekannt, ein Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine vorzusehen, das durch ein Federsystem in seine Öffnungs- und Schließposition gedrückt wird und in den jeweiligen Positionen durch die Erregung eines Elektro­ magneten gehalten wird.

Die Stromansteuerung, die für den Elektromagneten notwendig ist, bedingt aufgrund der hohen aufzuwendenden Haltekräfte des Magneten einen verhältnismäßig hohen Strom. Dabei ist je­ doch insbesondere der Fangstrom verhältnismäßig hoch, während nach dem Einfangen die Gaswechselventile auch mit kleineren Strömen gehalten werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Ansteuerung der Magnete mit hohem Wirkungsgrad und bei einfachen, doch gleichzeitig funktionssicheren Maßnahmen ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Anspruch 1.

Aus der DE-OS 28 28 678 ist eine Schaltung für einen elektro­ magnetischen Verbraucher mit einem Freilauf bekannt, dem ein hoher Einschaltstrom und anschließend ein getakteter Strom mit einem niedrigeren Effektivstrom zugeführt wird.

Dabei ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß die Grenzwer­ te, zwischen denen der Strom hin- und herschwingen muß, wäh­ rend der Taktphase überwacht werden müssen. Aus Energiegründen soll der Strom nicht einen gewissen oberen Schwellwert über­ schreiten, er darf jedoch andererseits nicht unter einen ge­ wissen Schwellwert abfallen, damit die aufzubringenden Halte­ kräfte durch den Elektromagneten sichergestellt sind.

Es ist dabei jedoch aufwendig, sowohl den oberen, als auch den unteren Schwellwert durch eine eigene Auswertung zu über­ wachen. Erfindungsgemäß wird der Aufbau dadurch vereinfacht, daß während der Taktphase lediglich der obere Schwellwert direkt erfaßt wird und auch überwacht wird, während dann ausgehend vom oberen Schwellwert der Abfall bei ausgeschalteter Versor­ gungsspannung, also der Strom, der über den Freilauf erfolgt, nicht direkt gemessen überwacht wird, sondern simuliert wird. Sobald dieser simulierte Strom auf einen unteren Wert gefal­ len ist, der als unterer Schwellwert gilt, wird die Versorgungs­ spannung wieder eingeschaltet und dementsprechend der Anstieg gemessen.

Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, daß der Meßwiderstand, über dem der Spannungsabfall aufgrund des Stromdurchflusses durch die elektromagnetischen Ansteuerglieder für die Gaswech­ selventile gemessen wird, nicht innerhalb des Freilaufkreises angebracht zu werden braucht, da er lediglich den Einschalt­ strom, nicht jedoch den Freilaufstrom messen muß. Der Einschalt­ strom kann an jeder beliebigen anderen Stelle des Stromversor­ gungskreises, beispielsweise direkt gegen Masse, gemessen wer­ den, während der Freilaufstrom lediglich simuliert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es somit möglich, den ohm­ schen Widerstand aus dem verhältnismäßig störanfälligen Bereich des elektromagnetischen Verbrauchers herauszunehmen und in die Nähe des Masseanschlusses zu bringen. Dadurch ist eine einfacherere Messung möglich, und irgendwelche Filter zum Be­ seitigen des Störspannungseinflusses sind überflüssig.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltungsaufbau gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 ein Stromdurchflußdiagramm zur Erläuterung der Er­ findung.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer Schaltung für das erfindungs­ gemäße Verfahren gezeigt. Die Gaswechselventile, die nicht dargestellt sind, werden über einen Elektromagneten (10) in ihren Öffnungs- bzw. Schließpositionen gehalten, dem Elektro­ magneten (10) ist ein Freilauf (12) zugeordnet, der hier als einfachster Fall in Form einer Diode (12) dargestellt ist. Die positive Versorgungsspannung ist mit (14) bezeichnet, der Masseanschluß für die Schaltung mit (16). Die Parallelschaltung von Elektrospule (10) und Diode (12), deren Kathode am positi­ ven Anschluß und deren Anode am negativen Anschluß liegt, ist verbunden mit einer Schaltung, die sich in zwei Zweige (18) und (20) aufteilt. Der Zweig (18) verbindet den der positiven Spannung (14) abgewandten Seite der Spule (10) über die Kollek­ tor-Emitter-Strecke eines Transistors (22) über einen Shunt (40) mit dem Masseanschluß (16), der Zweig (20) liegt dazu parallel und verbindet den nämlichen Anschluß der Spule (10) über einen Thyristor (30) und den Shunt (40) mit dem Masse­ anschluß (16).

Der Kollektor (26) des Transistors (22) ist mit der Spule ver­ bunden, der Emitter (28) führt über den Shunt (40) zum Masse­ anschluß (16). Die Verbindung der beiden Zweige im Punkt (38) kurz vor dem Masseanschluß (16) ist über den Shunt, einen ohm­ schen Widerstand (40), auf Masse (16) gelegt, auf den noch im späteren Verlauf einzugehen sein wird.

Im Zweig (20) ist der Thyristor (30) mit seiner Anode (34)

Die beiden Eingänge (44) und (46) des Steuergliedes (42) grei­ fen die Spannung über dem ohmschen Widerstand (40) ab. Weiter­ hin erhält das Steuerglied (42), wie mit der angedeuteten Bus­ leitung (52) dargestellt, Informationen, die die Ansteuerung von Transistor (22) und Thyristor (30) abhängig von anderen Motorparametern erlaubt.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten Stromverlaufs durch die Spule (10) erläutert werden.

Wenn die Gaswechselventile, wie in der DE-OS 30 24 109 offen­ bart, in ihrer Öffnungs- und Schließposition durch den Elektro­ magneten (10) gehalten werden sollen, ist zum Einfangen der Gaswechselventile ein verhältnismäßig hoher Fangstrom notwen­ dig. Dementsprechend steigt durch Einschalten der Spannung der Strom auf einen Wert I _max , in dem über das Steuerglied (42) am Ausgang (48) einen Impuls an das Gate (36) des Thyri­ stors (30) geführt wird, wodurch der Thyristor zündet und der Einschaltstrom ansteigt. Der Anstieg des Stromes, also der aktuelle Stromwert, kann durch das Steuergerät (42) ermittelt werden, indem der Spannungsabfall über dem ohmschen Widerstand (40) durch die Eingänge (44) und (46) abgefragt wird.

Der ohmsche Widerstand (40) hat dabei einen verhältnismäßig niedrigen Wert, der Wert muß gerade ausreichend sein, um über­ haupt noch einen meßbaren Spannungsabfall zu erzeugen. Werte in der Größenordnung von 0,1 bis 0,01 Ohm sind dabei durchaus hinreichend. Dadurch lassen sich die durch den ohmschen Wider­ stand (40) verursachten Verluste einschränken.

Zum Zeitpunkt t ₀ ist der Wert bis auf einen Stromwert I _max angestiegen. Das Steuergerät kann dabei zeitgesteuert arbeiten, d. h., es schaltet zum Zeitpunkt t ₀ ab, es kann auch mit Strom­ messung arbeiten, d. h., es schaltet bei Erreichen des Schwell­ wertes I _max ab. Zum Zeitpunkt t ₀ bzw. bei Erreichen des Stromes ist ein sicheres Fangen des Ankers gewährleistet, das Steuer­ gerät kann nunmehr abschalten.

Dazu ist es notwendig, daß der Stromverlauf vom Pluspol 14 zum Masse­ anschluß 16 unterbrochen wird, dies muß dadurch geschehen, daß der Thyristor 30 wieder gelöscht wird. Allein durch einfache Beschal­ tung eines kostengünstigen Thyristors 30 jedoch ist ein Löschen nicht möglich, es muß kurzzeitig der durch den Thyristor 30 flie­ ßende Strom abgeschaltet werden, da sich der Thyristor 30 erst bei stromlosen Zustand wieder löscht.

Zu diesem Zwecke ist der Transistor 22 vorgesehen, dessen Basis 24 über den Ausgang 50 des Schaltgliedes 52 angesteuert wird, so daß die Strecke vom Kollektor 26 zum Emitter 28 durchschaltet und dem­ entsprechend der Strom über den Transistor 22 fließt. Da der Wider­ stand des Transistors 22 im geöffneten Zustand geringer als der Wi­ derstand des Thyristors 30 mit einem in Serie geschalteten ohmschen Widerstand 54, fließt der Strom im wesentlichen über den Transistor 22 und der Thyristor 30 löscht. Sofort danach kann der Transistor 22 durch entsprechende Wegnahme des Ansteuersignals an der Basis 24 gesperrt werden, ein weiterer Stromfluß vom positiven Anschluß 14 zum Masseanschluß 16 ist nicht mehr möglich.

Die Schaltung ließe sich selbstverständlich auch aufbauen, indem der Thyristor 30 weggelassen wurde und lediglich ein Transistor 22 den Stromfluß vom elektromagnetischen Verbraucher 10 mit Freilauf 12 zum Masseanschluß 16 steuert. Dazu jedoch muß ein verhältnismäßig großer Leistungstransistor 22 vorgesehen werden, da Ströme in Größen­ ordnung bis zu 30 bis 50 Ampere zu steuern sind. Derartige Leistungs­ transistoren sind verhältnismäßig voluminös und zudem für den Serien­ einsatz außerordentlich teuer.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß ein Thyristor ein verhältnismäßig preiswertes Bauteil ist und dennoch zum Steuern, vor allem zum Einschalten großer Ströme und Spannungen geeignet ist. Der Transistor 22, wie er jetzt vorgesehen ist, muß nur sehr kurz­ zeitig den vollen Strom übernehmen, und eine kurzzeitige Spitzenbe­ lastung eines Transistors kann die maximal zulässige Dauerbelastung um ein Vielfaches übersteigen, ohne daß der Transistor dabei Scha­ den nimmt.

Da der Schaltstoß des Transistors 22 nur solange andauern muß, bis der Thyristor 30 wieder gelöscht ist, kann der Transistor 22 für die maximalen Stromstärken deutlich unterdimensioniert werden, es reicht, wenn der Transistor 22 auf sehr viele niedrigere Dauerstrom­ werte eingerichtet ist.

Mit dem Unterbrechen des Stromes bricht der Stromfluß durch die Spu­ le nicht schlagartig zusammen, über den Freilauf 12 fällt der Strom vielmehr allmählich ab, wie in Fig. 2 in dem Zeitraum zwischen T 0 und T ₁₁ dargestellt.

Es ist natürlich möglich, diesen Stromdurchfluß durch die Spule 10 durch ein geeignetes Meßinstrument zu erfassen und dementsprechend, wenn ein unterer Schwellwert erreicht ist, den Strom wieder einzu­ schalten, damit in der Haltephase des Ankers des Gaswechselventiles sichergestellt ist, daß der Anker am Kern des Elektromagneten 10 kleben bleibt. Dies ist jedoch verhältnismäßig aufwendig, da man sich bei der Stromdurchflußabfrage durch die Spule Störspannungen einfängt, die das Meßergebnis unsicher machen. Außerdem gehen die Schwankungen der Versorgungsspannung als Meßfehler mit ein.

Ein Kernpunkt der Erfindung ist es, daß die Stromabfrage nicht im elektromagnetischen Verbraucher 10 stattfindet, bzw. in dem Strom­ kreis, der durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 fließt, son­ dern durch den ohmschen Widerstand 40, der auf seiner einen Seite direkt am Masseanschluß 16 liegt und dementsprechend störunanfäl­ lig ist.

Da jedoch dieser ohmsche Widerstand 40 den abfallenden Strom nicht erfaßt, wird der Stromabfall, dessen Abfallcharakteristik aufgrund der Betriebsparameter bekannt ist, im Steuergerät 42 simuliert. Die dadurch erzielte Genauigkeit ist ausreichend, um ein sicheres Betrei­ ben der Schaltung und des elektromagnetischen Verbrauchers 10 zu gewährleisten.

Hat nun der simulierte Stromabfall einen unteren Wert I ₂ erreicht, was in Fig. 2 zum Zeitpunkt t ₁₁ dargestellt ist, wird der Stromdurch­ fluß durch den Magneten 10 wieder eingeschaltet. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß der Transistor 22 durch Ansteuerung der Ba­ sis 24 über das Steuergerät 42 öffnet und somit der Strom vom Plus­ pol 14 zum Masseanschluß 16 fließen kann. Damit steigt der Strom wieder an bis zu einem Zeitpunkt t₁₂, dort erreicht er den Schwell­ wert I₁, der im Steuergerät 42 vorgegeben ist, der Transistor 22 wird gesperrt, und der Strom fällt wieder simuliert ab bis auf sei­ nen unteren Schwellwert I₂, den er zum Zeitpunkt t ₂₁ erreicht. Der Strom wird wieder eingeschaltet, erreicht seinen oberen Wert I ₁ zum Zeitpunkt t₂₂, anschließend sperrt der Transistor 22 erneut, und die Abfallphase wird wiederum simuliert.

Auf diese Weise findet eine getaktete Stromversorgung des Elektro­ magneten 10 statt, wobei die Ströme verhältnismäßig niedrig gewählt werden, um Energie einzusparen. Durch die Freilaufbeschaltung ist auch lediglich ein Energiestoß zwischen dem Ein- und Ausschalten notwendig, die anschließende Abfallphase des Stromes geschieht über den Freilauf 12 und erfordert keine externe Stromzufuhr.

Die Stromwerte I ₁ und I₂, zwischen denen sich der durch die Schal­ tung fließende Strom in der Haltephase, die sich der Fangphase an­ schließt, bewegt, beträgt größenordnungsmäßig etwa 10 bis 20 % des Maximalstromes I _max , der während der Fangphase aufgewendet werden muß.

Dementsprechend ist es ohne weiteres möglich, diese deutlich gerin­ geren Ströme in der Größenordnung von 3 bis 5 Ampere über den Tran­ sistor 22 zu steuern.

Alternativ dazu ist es selbstverständlich möglich, auch diesen Strom­ durchfluß durch das Zünden des Thyristors 30 durch ein entsprechen­ des Signal am Ausgang 48 des Schaltgerätes 42 auf das Gate 36 zu ermöglichen, der Transitor 22 dient in diesem Falle ähnlich wie beim Abschalten des Fangstromes nur dazu, den Thyristor jeweils bei Er­ reichen eines Stromdurchflusses in der Größenordnung I ₁ wieder zu löschen.

Der Einschaltzeitpunkt, der in Fig. 2 auf den Nullpunkt des Koordi­ natensystems gelegt wurde, wird über die Busleitung 52 dem Steuer­ gerät 42 zugeführt. Ebenso erhält das Steuergerät 42 über die Bus­ leitung 52 die Information des Abschaltens, wobei der Abschaltvor­ gang nicht Gegenstand dieser Erfindung ist. Wie in der DE-OS 28 28 678 offenbart, ist dabei ein Unterbrechen des Freilaufes 12 notwen­ dig, um ein schlagartiges Abschalten zu erzielen, da durch den Frei­ lauf 12 sonst selbst bei Sperren der Stromzufuhr ein Abfall des Strom­ durchflusses mit der üblichen Abfallrate stattfinden würde.

Die übrigen Parameter, insbesondere die Schwellwert I _max , I ₁ und I ₂ müssen dem Steuergerät 42 nicht zugeführt werden, diese Werte können im Steuergerät 42 selbst vorgegeben sein. Alternativ ist je­ doch auch eine Festlegung dieser Schwellwerte abhängig von anderen Betriebsparametern über die Busleitung 52 möglich.

Ebenso ist die Abfallrate, die zur Simulation des abfallenden Strom­ verlaufes dient, im Steuergerät 42 selbst verankert.

Werden bei einem Mehrzylindemotor mehrere Gaswechselventile mit der erfindungsgemäßen Schaltung betrieben, ist diese Schaltung be­ sonders vorteilhaft insofern, als sämtliche ohmschen Widerstände 40 an einen gemeinsamen Massepunkt 16 angeschlossen werden können, so daß Störeinflüsse, die in das Steuergerät 42 Eingang finden, mög­ lichst gering gehalten werden. Auch Schaltungstoleranzen, die sich bei dem Aufbau identischer Schaltungen aufgrund der Streuungen in den Werten der Bauelemente ergeben, werden auf diese Weise optimal unterdrückt.

Claims (1)

1. Verfahren zum Betreiben eines Gaswechselventils einer Brenn­ kraftmaschine, mit einem die Bewegung des Gaswechselventils beeinflussenden Elektromagneten, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet eine Freilaufschaltung aufweist, in den Hal­ tephasen das Gaswechselventil getaktet mit Strom versorgt wird, im Taktzyklus während der Stromzufuhr der Strom gemessen und bei Überschreiten eines Grenzwertes abgeschaltet wird, während der Abschaltphasen die Abfallkurve simuliert wird und nach Erreichen eines unteren Schwellwertes der simulierten Kurve der Strom wieder eingeschaltet wird.