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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen
Stellers, insbesondere eines hydraulischen Stellers zur Betätigung eines
Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Computerprogramm und ein Steuergerät nach den
nebengeordneten Ansprüchen
27 und 29.
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Anwendungshintergrund
solcher hydraulischer Steller und des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind elektrohydraulische Verstellsysteme, die beispielsweise zur
Betätigung
von Ventilen, wie der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
oder eines Kompressors, oder zur Betätigung von Klappen, wie beispielsweise
schneller Schaltklappen im Ansaugrohr eines Zylinders einer Brennkraftmaschine,
oder zur Betätigung
anderer Mechanismen verwendet werden. Von besonderem Interesse sind
dabei hydraulische Verstellsysteme beziehungsweise Arbeitszylinder,
die einen variablen Stellhub, beziehungsweise eine variable Endposition
eines Verstellvorgangs ermöglichen.
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In
der Regel ist bei solchen Verstellsystemen eine feste Ausgangsposition
vorhanden, von der ausgehend ein Verstellvorgang durchgeführt wird.
Im Beispielfall der elektrohydraulischen Verstellung eines Gaswechselventils
ist eine solche Ausgangsposition durch das Anliegen des Gaswechselventils
in einem Ventilsitz definiert. Für
das erfindungsgemäße Verfahren
ist dies jedoch nicht wesentlich. Es können Verstellvorgänge aus
einer beliebigen Ruhelage oder Ausgangsposition heraus betrachtet
werden.
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Gegenstand
oder Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist allgemein die Verstellung des Kolbens eines Arbeitszylinders
von einer gegebenen Ausgangsposition in eine gewünschte Endposition, die von
Fall zu Fall unterschiedlich sein kann. Dabei kommt es darauf an,
die Endposition beziehungsweise den Verstellweg oder Hub hinreichend genau
einzustellen.
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Nachfolgend
wird dieses Verfahren am Beispiel einer elektrohydraulischen Verstellung
von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine oder eines Kompressors
dargestellt und formuliert. Mit einer direkten Übertragung der Begriffe, beispielsweise
der Ersetzung von Ventilhub durch Stellweg oder Stellhub, Ventilhubsensor
durch Stellwegsensor oder Positionssensor, Drehzahl durch Wiederholfrequenz
der Betätigung
eines Stellers, sowie Gaswechselventil durch Kolben eines Arbeitszylinders,
beschreibt diese Darstellung auch die allgemeineren Anwendungsfälle.
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Bei
elektrohydraulischen nockenwellenlosen Ventilsteuerungen, wie sie
zum Beispiel aus der
DE 101
27 205 und der
DE 101
34 644 bekannt sind, können
Hub und Steuerzeiten der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
prinzipiell frei programmiert werden. Dadurch können das Betriebsverhalten
der Brennkraftmaschine sowie deren spezifischer Kraftstoffverbrauch
und deren Emissionsverhalten verbessert werden.
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Allerdings
weisen elektrohydraulische nockenwellenlose Ventilsteuerungen noch
ein Optimierungspotential in Bezug auf die Steuerung des Ventilhubes
auf. Die möglichen
Verbesserungen liegen dabei in der Stellgenauigkeit des Ventilhubs
und in dem zur Darstellung der Hubsteuerung benötigten technischen Aufwand.
Dies gilt analog auch für
die Steuerung von Verstell- oder Positioniervorgängen in den weiteren, eingangs
genannten Systemen, für
die die Erfindung verwendet werden kann.
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In
den nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldungen
DE 102
00 500 2385 und
DE
102 00 500 2384 , beide mit dem Titel "Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen
Arbeitszylinders",
sowie der nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 102 00
500 2443 mit dem Titel "Verfahren
zum Ansteuern eines hydraulischen Stellers", werden bereits ein grundsätzliches
Lösungskonzept,
sowie vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Konzepts, für die Steuerung des
Hubes eines hydraulischen Stellers dargestellt. Damit wird insbesondere
das grundsätzliche
Problem gelöst,
die Abhängigkeit
des Stellvorgangs von hydraulischen Zustandsgrößen (Druck, Temperatur) sowie
Gaskräften
in geeigneter Weise zu beschreiben und in der Steuerungsfunktion
des Hubs zu berücksichtigen.
Unter Verweis auf diese Patentanmeldungen werden die darin beschriebenen
Merkmale in die vorliegende Ausarbeitung einbezogen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der
bereits beschriebenen Lösungen
dar. Die besondere Herausforderung und zentrale Aufgabe besteht
darin, Fehler der Hubsteuerung zu vermeiden, die durch eine ungenaue
Bestimmung, insbesondere Prädiktion,
von maßgeblichen
Einflussgrößen des
Stellvorgangs verursacht werden können.
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Besonders
kritisch sind dabei Einflussgrößen respektive
Betriebsgrößen, die
schnell veränderlich
sind und/oder von zahlreichen weiteren Parametern abhängen, so
dass eine Prädiktion
dieser Größen nur
mit hohem Aufwand oder mit begrenzter Genauigkeit möglich ist.
Als Beispiele seien der Öldruck auf
der Hochdruckseite eines hydraulischen Stellers und die während eines
Stellvorgangs auf ein Gaswechselventil oder mittelbar auf einen
Kolben eines hydraulischen Stellers einwirkenden Gaskräfte genannt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
genannte Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern
eines hydraulischen Stellers nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
auf eine neue und sehr vorteilhafte Weise gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Ansteuern eines hydraulischen Stellers ist vorgesehen, dass
in einem ersten Schritt, beziehungsweise zu einem erstem Zeitpunkt,
Prädiktionswerte
von relevanten Betriebsgrößen für einen
Zeitpunkt vor oder während
der Ansteuerung gebildet werden, dass basierend auf diesen Prädiktionswerten
eine vorläufige Ansteuerdauer
berechnet wird, und dass diese Ansteuerdauer in einem weiteren Schritt,
insbesondere zu einem späteren
Zeitpunkt kurz vor dem Ansteuervorgang und/oder während des
Ansteuervorgangs des hydraulischen Stellers korrigiert wird, wenn
ein aktuell bestimmter Wert einer betreffenden Betriebsgröße ausweist,
dass ein Korrekturbedarf besteht, das heißt, dass der zuvor verwendete
Prädiktionswert
vom aktuell bestimmtem Wert der Betriebsgröße um mehr als einen zulässigen Betrag
abweicht.
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Dadurch
ist eine sehr genaue Ansteuerung des hydraulischen Stellers möglich, ohne
dass die Anforderungen an die Rechengeschwindigkeit des Steuergeräts und der
sonstigen Hardware- und Softwarekomponenten besonders hoch wären.
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Die
Erfindung geht von dem typischen Sachverhalt aus, dass die Ansteuersignale,
mit denen ein hydraulischer Steller angesteuert wird, mindestens teilweise
auf der Basis von Messwerten oder anderen Kenngrößen in einem Steuergerät berechnet
und ermittelt werden, die bereits vor der Ansteuerung des hydraulischen
Stellers vorliegen. Dies bedeutet nichts anderes, als dass die Messwerte,
auf denen die Ansteuerung des hydraulischen Stellers basiert, mindestens
teilweise zum Zeitpunkt der Ansteuerung bereits veraltet sind.
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Diese
Situation ist typisch, da es nur mit einem sehr leistungsfähigen Steuergerät möglich wäre, alle
relevanten Einflussgrößen der
Stellvorgänge von
im allgemeinen mehreren hydraulischen Stellern zeitnah zu diesen
Stellvorgängen
zu messen und darauf basierend die benötigten Ansteuergrößen zu bestimmen
beziehungsweise Ansteuersignale zu erzeugen. Eine solche Lösung scheidet
im Regelfall aus Kostengründen
aus.
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Um
die aus dem genannten Sachverhalt resultierenden Ungenauigkeiten
beim Ansteuern eines hydraulischen Stellers zu minimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass auf der Basis der zu einem früheren Zeitpunkt vorhandenen
Information über
relevante Betriebsgrößen, beispielsweise
gemessener Werte des auf der Hochdruckseite des hydraulischen Stellers
herrschenden Öldrucks,
ein zum Zeitpunkt der Ansteuerung vorliegender Wert einer für den Hubstellvorgang
relevanten Betriebsgröße oder
Einflussgröße prädiziert
wird. Auf der Basis solcher prädizierter
Werte, beispielsweise für Öldruck und
Gaskraft, sowie gegebenenfalls weiterer Parameter wird nun eine
für die
Steuerung des Hubs maßgebliche Ansteuergröße, beispielsweise
eine Ansteuerdauer (tm1) eines Steuerventils
(MV1) des hydraulischen Stellers, sowie gegebenenfalls der Zeitpunkt
der Ansteuerung des Stellers beziehungsweise des Steuerventils (MV1)
berechnet.
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Entsprechende
Verfahren sind in den eingangs zitierten, nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldungen ausgeführt,
auf denen die vorliegende Anmeldung aufbaut.
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Die
genannte Art der Berechnung der Ansteuerdauer und des Ansteuerzeitpunkts
des hydraulischen Stellers ist für
viele Anwendungsfälle
ausreichend. Um in allen Betriebspunkten und bei allen Anwendungsfällen eine
ausreichende Genauigkeit der Steuerung des hydraulischen Stellers
beziehungsweise des Hubs eines von dem hydraulischen Steller betätigten Gaswechselventils
zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der aus der Ungenauigkeit einer prädizierten Betriebsgröße, beispielsweise
des prädizierten Öldrucks,
resultierende Fehler des Hubs des Gaswechselventils minimiert wird. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass zum Zeitpunkt des Beginns oder kurz vor Beginn der Ansteuerung
des hydraulischen Stellers nochmals der auf der Hochdruckseite des
hydraulischen Stellers herrschende Druck ermittelt und durch einen
Vergleich dieses Drucks mit dem prädizierten Druck ein Prädiktionsfehler
bestimmt wird. Der Prädiktionsfehler
wird dazu benutzt, um erforderlichenfalls die Ansteuerdauer des
Steuerventils zu korrigieren.
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Gegebenenfalls
wird neben dem Öldruck noch
für weitere
kritische Einflussgrößen, für die bei einer
ersten Bestimmung der Ansteuerdauer nur ein Schätzwert oder prädizierter
Wert vorhanden ist beziehungsweise bestimmt werden kann, eine Prädiktionsfehlerkorrektur
durchgeführt,
sofern der Vergleich des prädizierten
Werts mit einem zeitnah zur Ansteuerung ermittelten aktuellen Wert
einen entsprechenden Korrekturbedarf ausweist.
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Beispielsweise
ist weiter oben bereits eine während
eines Stellvorgangs auf ein Gaswechselventil wirkende Gaskraft als
weitere Einflussgröße genannt
worden, für
die eine erfindungsgemäße Prädiktionsfehlerkorrektur
sinnvoll ist und vorgesehen werden kann. Dabei kann als wesentliche
Einflussgröße beziehungsweise
als Maß der
Gaskraft ein Gasdruck in einem entsprechenden Zylinder einer Brennkraftmaschine
betrachtet werden, der beispielsweise zu Beginn eines Öffnungsvorgangs
des Gaswechselventils vorliegt.
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Eine
erfindungsgemäße Fehlerkorrektur geht
dabei von einer mindestens mittelbaren Bestimmung des tatsächlichen
Werts dieser Größe aus.
Beispielhaft kann ein an einem betreffenden Zylinder verbauter Drucksensor
dazu verwendet werden, den Zylinderdruck zeitnah zum Beginn des
jeweiligen Stellvorgangs eines hydraulischen Stellers beziehungsweise
Gaswechselventils zu messen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden
entsprechende Schritte einer erfindungsgemäßen Prädiktionsfehlerkorrektur für mehrere
Einflussgrößen zusammengefasst.
Bei einer solchen Lösung
wird also beispielsweise die Berechnung einer korrigierten Ansteuergröße (tm1_korr) und/oder die Ausgabe der korrigierten
Ansteuergröße an eine
zuständige
Pulsausgabeeinheit für
alle betroffenen Einflussgrößen gemeinsam
durchgeführt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird eine
erfindungsgemäße Prädiktionsfehlerkorrektur
bei Bedarf auch mehrfach durchgeführt, insbesondere auch noch
während
der bereits laufenden Generierung des Ansteuerpulses für ein Steuerventil
(MV1), mit dem der gewünschte
Hub eingestellt wird.
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Im
Ergebnis kann somit die Güte
der Hubsteuerung eines Gaswechselventils so weit verbessert werden,
dass in allen Anwendungsfällen
und in allen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine eine ausreichende
Genauigkeit des eingestellten Hubs des Gaswechselventils gewährleistet
ist. Dadurch können
die systemimmanenten Vorteile einer nockenwellen losen Ventilsteuerung
einer Brennkraftmaschine in vollem Umfang erschlossen werden.
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Bei
einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
viele Berechnungen oder Teilberechnungen, die für die Ermittlung der Ansteuerdauer des
hydraulischen Stellers beziehungsweise eines Steuerventils (MV1)
dieses Stellers erforderlich sind, als nicht sehr zeitkritisch eingestuft
und vorab – das heißt gegebenenfalls
deutlich vor dem Beginn der Ansteuerung des hydraulischen Stellers – durchgeführt werden.
Es verbleiben nur sehr wenige sehr zeitkritische Berechnungen, nämlich die
Ermittlung des Prädiktionsfehlers
und die Korrektur der Ansteuerdauer, die unmittelbar vor Beginn
oder sogar während
der Ansteuerung des hydraulischen Stellers durchgeführt werden
müssen.
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Dadurch
wird eine gleichmäßigere Auslastung
des Steuerungsgeräts
respektive eines darin vorhandenen, für die genannten Berechnungen
zuständigen
Prozessors ermöglicht,
so dass die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Steuergeräts und speziell
an die Rechenleistung des Prozessors ohne Einbußen für die Genauigkeit der Hubsteuerung
verringert werden können.
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Die
erfindungsgemäße Korrektur
der Ansteuerdauer des hydraulischen Stellers erlaubt es, beispielsweise
auch an anderen Komponenten einer nockenwellenlosen hydraulischen
Ventilsteuerung Vereinfachungen vorzunehmen, ohne dass die Qualität der Steuerung
eines Gaswechselventils spürbar leidet.
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Beispielsweise
kann auf aufwändige
Maßnahmen,
zum Beispiel Gasfederspeicher, zur Dämpfung der Druckdynamik auf
der Hochdruckseite eines hydraulischen Stellers, und/oder auf Sensoren
zur Erfassung von Zustands- beziehungsweise Stellgrößen beispielsweise
einer verstellbaren Hochdruckpumpe, verzichtet werden, wobei die
genannten Maßnahmen
für eine
hochgenaue Prädiktion
des Drucks zu einem Ansteuerzeitpunkt des hydraulischen Stellers
von Bedeutung sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es hingegen
möglich, eine
solche Prädiktion
zu vereinfachen oder im speziellen Fall auch ganz darauf zu verzichten,
ohne dass es zu nennenswerten respektive unzulässigen Beeinträchtigungen
des Verhaltens respektive der Stellgenauigkeit des hydraulischen
Stellers kommt.
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In
anderen Worten: Das System kann wirtschaftlich und technisch dahingehend
optimiert werden, dass die Hardwarevoraussetzungen, aber auch die
softwareseitigen Voraussetzungen insgesamt verringert werden können, so
dass beispielsweise eine nockenwellenlose elektrohydraulische Ventilsteuerung
kostengünstiger
realisierbar wird.
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Bei
einer erfindungsgemäßen weiteren
Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zum ersten Zeitpunkt
noch weitere Betriebsgrößen des hydraulischen
Stellers erfasst werden, und dass diese weiteren Betriebsgrößen zur
Bestimmung des prädizierten Öldrucks
und/oder eines prädizierten Gasdrucks
in einem Zylinder und/oder zum Berechnen der Ansteuerdauer eines
ersten Steuerventils genutzt werden. Dadurch kann die Qualität der Steuerung
eines Gaswechselventils weiter verbessert werden.
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Um
die Messwerte zuverlässiger
zu erfassen und kurzfristige Schwankungen der Messwerte in ihren
Auswirkungen abzumildern, kann weiter vorgesehen sein, dass der
im Stellsystem hochdruckseitig herrschende Druck und/oder die weiteren
Betriebsgrößen des
hydraulischen Stellers als Mittelwerte aus mehreren Messwerten bestimmt
werden.
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Eine
besonders einfache Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
der prädizierte
Druck gleich dem zu einem ersten Zeitpunkt erfassten Druck ist.
Dadurch entfällt
eine komplizierte Berechnung des prädizierten Drucks, wobei aber
vermöge
der erfindungsgemäßen Korrektur
des Prädiktionsfehlers
die Steuerung des hydraulischen Stellers beziehungsweise eines damit
betätigten
Gaswechselventils noch ausreichend genau ist.
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Alternativ
kann der prädizierte
Druck auch aus dem zum ersten Zeitpunkt erfassten Druck unter Berücksichtigung
der aktuellen Fördermenge
einer Hochdruckpumpe, welche einen Hochdruckspeicher mit Hydraulikfluid
versorgt, und der aus dem Hochdruckspeicher in dem Zeitintervall
zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt entnommenen
Fluidmenge ermittelt werden. Dadurch ist eine relativ genaue Prädiktion
des Drucks zu Beginn der Ansteuerung des hydraulischen Stellers
möglich, was
die Qualität
der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung
weiter verbessert.
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Um
eine zu einem späteren
Zeitpunkt möglicherweise
erforderliche Korrektur der Ansteuerdauer vorzubereiten, wird vorteilhafterweise
bereits zum ersten Zeitpunkt mindestens ein Zwischenwert, insbesondere
ein Korrekturterm oder Korrekturfaktor, berechnet. Für die Korrektur
eines Prädiktionsfehlers des Öldrucks
kann ein Korrekturfaktor, der die Druckabhängigkeit der Ansteuerdauer
(tm1) beschreibt, beispielsweise durch eine
Kennlinie oder ein Kennfeld in Abhängigkeit der Einflussgrößen und/oder
der Ansteuerzeit dargestellt oder auf andere Weise berechnet werden.
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Unter
Verwendung des Korrekturfaktors und des aktuell bestimmten Prädiktionsfehlers
kann zu Beginn oder kurz vor Beginn der Ansteuerung des hydraulischen
Stellers die bereits zum ersten Zeitpunkt berechnete Ansteuerdauer
mit sehr geringer Rechenleistung und ausreichend großer Präzision korrigiert
werden. Beispielsweise kann eine additive Korrektur der Ansteuerdauer
als Produkt aus Prädiktionsfehler
und Korrekturfaktor ermittelt werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen hydraulischen
Stellers;
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2 einen
beispielhaften zeitlichen Verlauf des Drucks in einem Hochdruckspeicher,
des Hubs des Gaswechselventils und der Ansteuersignale des hydraulischen
Stellers;
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3 ein
Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 einen
beispielhaften zeitlichen Verlauf des Drucks im Hochdruckspeicher,
der Pulsgenerierung mit erfindungsgemäßer Prädiktionsfehlerkorrektur und
der resultierenden Ansteuerung des hydraulischen Stellers;
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5 ein
Blockdiagramm zur Berechnung der Ansteuerdauer (tm1);
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6 ein
Blockdiagramm für
die Berechnung eines Korrekturfaktors (fkorr)
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7 ein
Blockdiagramm für
die Berechnung einer Korrekturgröße (dtm1_prail_korr)
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8 einen
Verlauf einer weiteren Korrekturgröße dtm1_paoe_korr in
Abhängigkeit
eines Prädiktionsfehlers
des Zylinderdrucks paoe bei Auslass-Öffnet; und
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9 ein
Blockdiagramm für
die Berechnung der weiteren Korrekturgröße (dtm1_paoe_korr);
und
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10 ein
Blockdiagramm für
die Berechnung einer korrigierten Ansteuergröße (tm1_korr)
mit erfindungsgemäßen Prädiktionsfehlerkorrekturen.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines hydraulischen Stellsystems als Funktionsschaltbild dargestellt,
auf dessen Grundlage die erfindungsgemäße Steuerung beispielhaft ausgeführt werden
soll. Der in Figur gezeigte Steller 30 dient beispielhaft
zur Betätigung
eines Gaswechselventils 1 einer Brennkraftmaschine. Das
Gaswechselventil 1 kann sowohl als Einlassventil als auch
als Auslassventil ausgeführt
sein. Wenn das Gaswechselventil 1 geschlossen ist, liegt
es auf einem Ventilsitz 2 auf.
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Betätigt wird
das Gaswechselventil 1 durch einen hydraulischen Arbeitszylinder 3,
der die zentrale mechanischhydraulische Komponente eines elektrohydraulischen
Stellers 30 darstellt. Im Weiteren umfasst der in 1 beispiel haft
gezeigte Steller 30 ein erstes Steuerventil MV1 und ein
zweites Steuerventil MV2, hydraulische Leitungen 11 sowie 19a und 19b,
eine Ventilbremse 29 und ein optionales Rückschlagventil
RV1. Die genannten Komponenten sind in typischen Ausführungen
eines Stellers 30 in einer baulichen Einheit integriert.
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Der
Arbeitszylinder 3 ist als Differentialzylinder mit einem
Kolben 5 mit einseitiger Kolbenstange ausgebildet. Der
Arbeitszylinder 3 kann jedoch auch mit beidseitiger Kolbenstange
(nicht dargestellt) ausgeführt
werden.
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Der
Kolben 5 hat eine größere obere
Wirkfläche
Aob und eine kleinere untere Wirkfläche Aunt. Die obere Wirkfläche Aob begrenzt
einen ersten Arbeitsraum 7 des Arbeitszylinders 3.
Die untere Wirkfläche Aunt begrenzt einen zweiten Arbeitsraum 9.
Beide Arbeitsräume 7 und 9 werden
von einer Speiseleitung 11, welche sich aus den Abschnitten 11a, 11b und 11c zusammensetzt,
mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid, wie zum Beispiel Hydrauliköl, versorgt. Zu
diesem Zweck ist der Arbeitszylinder 3 hochdruckseitig über die
Speiseleitung 11 und ein darin verbautes erstes Rückschlagventil
RV1 mit einem Hochdruckspeicher 13 hydraulisch verbunden,
der die hydraulische Energie für
den Stellvorgang bereitstellt. Der Hochdruckspeicher 13 kann
einen Gasfederspeicher (nicht dargestellt) umfassen. Dieser Gasfederspeicher
dient dazu, Druckschwankungen im Hochdruckspeicher 13 zu
verringern.
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Wenn
der erste Arbeitsraum 7 über die Speiseleitung 11b mit
unter Druck stehendem Hydraulikfluid beaufschlagt wird, bewegt sich
das Gaswechselventil 1 in Richtung eines Pfeils 15 und
hebt somit vom Ventilsitz 2 ab, weil die obere Wirkfläche Aob größer als
die untere Wirkfläche
Aunt ist. In dem Abschnitt 11b der
Speiseleitung 11, welcher den zweiten Steuerraum 9 und
den ersten Steuerraum 7 verbindet, ist ein erstes Steuerventil
MV1 angeordnet. In dem in 1 dargestellten
Schaltzustand ist es geschlossen und stromlos.
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Das
Hydraulikfluid im ersten Arbeitsraum 7 kann über eine
vorzugsweise drucklose oder mit niedrigem Standdruck beaufschlagte
Rücklaufleitung 19,
welche sich aus den Abschnitten 19a, 19b und 19c zusammensetzt,
abgeführt
werden. In der Rücklaufleitung 19 ist
ein zweites Steuerventil MV2 angeordnet, welches in 1 geöffnet dargestellt
ist. Das zweite Steuerventil MV2 ist vorteilhafter Weise stromlos
geöffnet.
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Im
zweiten Arbeitsraum 9 kann eine Schließfeder 27 vorgesehen
sein, die das Gaswechselventil 1 bei drucklosem Arbeitszylinder 3 in
die Schließstellung,
das heißt
in Anlage an den Ventilsitz 2, bringt beziehungsweise in
dieser Stellung hält.
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In
einer ebenfalls vorteilhaften alternativen Ausführung des hydraulischen Stellers
kann der Arbeitszylinder 3 auch als einfach wirkender Arbeitszylinder
ausgebildet sein. In diesem Fall bleibt der Arbeitsraum 9 im
wesentlichen drucklos, wobei die Verbindungsleitung 11c entfällt und
die Schließfeder 27 so
ausgelegt wird, dass sie die beim Betrieb des hydraulischen Stellers
für den
Schließvorgang
benötigte
Kraft aufbringt. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführung wird
die Feder progressiv ausgelegt, das heißt mit einer über dem
Stellweg des Kolbens 5 anwachsenden Federkraft.
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Es
ist ebenfalls vorteilhaft, die Möglichkeiten der
hydraulischen und mechanischen Krafterzeugung, wie vorangehend beschrieben,
zu kombinieren, um die schließende
Kraft des hydraulischen Stellers bereitzustellen.
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Der
Hochdruckspeicher 13 wird über eine Hochdruckpumpe 17 mit
unter hohem Druck stehendem Hydrauliköl (nicht dargestellt) versorgt.
Die Förderleistung
wpump der Hochdruckpumpe 17 ist
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
regelbar. Diese Regelung kann beispielsweise über eine pulsweitenmodulierte
Ansteuerung der Hochdruckpumpe 17 erfolgen. Diese Ansteuerung
ist in 1 durch das Tastverhältnis tastv angedeutet. Angesteuert
wird die Hochdruckpumpe 17, wie auch die Steuerventile MV1
und MV2, von einem Steuergerät 31.
Weiter besteht die Möglichkeit,
eine Rückmeldung über den Pumpenstellweg
psw an das Steuergerät 31 zu übermitteln.
Selbstverständlich
ist die Erfindung nicht auf regelbare Hochdruckpumpen 17 beschränkt.
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In
dem Abschnitt 11a der Speiseleitung, welche den Hochdruckspeicher 13 mit
dem Steller 3 verbindet, ist ein erstes Rückschlagventil
RV1 vorgesehen, so dass ein Rückströmen von
Hydraulikfluid aus dem zweiten Arbeitsraum 9 in den Hochdruckspeicher 13 verhindert
wird.
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Zwischen
dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Steuerventil MV2
ist eine hydraulische Bremseinrichtung 29 vorgesehen. Diese
hydraulische Bremseinrichtung 29 arbeitet wie folgt: Wenn sich
der Kolben 5 nach oben bewegt und infolgedessen das Volumen
des ersten Arbeitsraums 7 verkleinert wird, strömt das Hydraulikfluid
aus dem ersten Arbeitsraum 7 durch den Abschnitt 19a der
Rücklaufleitung 19 ab,
so lange bis die Oberkante des Kolbens 5 den Abschnitt 19a der
Rücklaufleitung 19 verschließt. Danach
kann das Hydraulikfluid aus dem ersten Arbeitsraum 7 nur
noch über
die hydraulische Bremseinrichtung 29, welche im Wesentlichen
aus einer Drossel besteht, abfließen, da die Verbindung zur
hydraulischen Bremseinrichtung 29 am oberen Ende des Arbeitsraums 7 angeordnet
ist. Durch den im Vergleich zu dem Strömungswiderstand des Abschnitts 19a der
Rücklaufleitung
erhöhten
Strömungswiderstand
der hydrau lischen Bremseinrichtung 29 wird der Kolben 5 abgebremst,
bevor das Gaswechselventil 1 auf dem Ventilsitz 2 aufliegt.
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Im
Hochdruckspeicher 13 sind Temperatursensoren Trail und
Drucksensoren prail angeordnet, welche über Signalleitungen
mit dem Steuergerät 31 verbunden
sind. Die Hochdruckpumpe 17, das erste Steuerventil MV1
und das zweite Steuerventil MV2 sind ebenfalls über Signalleitungen mit dem
Steuergerät 31 verbunden
und werden von diesem angesteuert. Auch kann die hydraulische Bremseinrichtung 29,
wie in 1 angedeutet, als aktive Bremseinrichtung ausgebildet
sein und über
eine Signalleitung vom Steuergerät 31 bei
Bedarf angesteuert werden. Die Signalleitungen sind in 1 als
gestrichelte Linien dargestellt.
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Wenn,
wie in 1 dargestellt, das erste Steuerventil MV1 geschlossen
und das zweite Steuerventil MV2 geöffnet ist, bewirkt der Druck
pudr im zweiten Arbeitsraum 9,
dass sich das Gaswechselventil 1 entgegen der Richtung
des Pfeils 15 bewegt und somit geschlossen wird.
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Die
dazu erforderliche Kraft wird dadurch bereitgestellt, dass der zweite
Arbeitsraum 9 mit unter hohem Druck stehendem Hydraulikfluid
von der Speiseleitung 11 versorgt wird, während der
Druck podr im ersten Arbeitsraum 7 aufgrund
der hydraulischen Verbindung zur Rücklaufleitung 19 schnell
abfällt
und sich letztlich dem sehr niedrigen Druck prl im Abschnitt 19c der
Rücklaufleitung
angleicht.
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Zum Öffnen des
Gaswechselventils 1 werden das zweite Steuerventil MV2
geschlossen und das erste Steuerventil MV1 geöffnet. Dadurch findet ein Druckausgleich
zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Arbeitsraum 9 statt.
Infolge dessen öffnet
das Gaswechselventil 1, weil die vom ersten Arbeitsraum 7 mit
Druck beaufschlagte Stirnfläche
Aob des Kolbens 5 größer ist
als die vom zweiten Arbeits raum 9 mit Druck beaufschlagte
Ringfläche
Aunt.
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Das
in
1 dargestellte System zur elektrohydraulischen
Steuerung des Gaswechselventils
1 ist nur ein Ausführungsbeispiel,
welches zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dienen soll. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht auf das in
1 dargestellte System beschränkt, und
insbesondere unabhängig
vom Verwendungszweck des hydraulischen Stellers
30. Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass beispielsweise die Zahl und
der Ort der Sensoren zur Erfassung des Drucks variiert werden können. Gleichermaßen kann,
anders als in
1 dargestellt, auch ein einfach
wirkender hydraulischer Arbeitszylinder
3 und/oder ein
Kolben
5 mit über
dem Hub variabler oberer Wirkfläche
A
ob eingesetzt werden. Des weiteren kann
eine niederdruckseitig zuschaltbare Vorspann- und/oder Freilaufeinrichtung
vorhanden sein, beispielsweise in einer der Ausführungen, die in der
DE 102 00 402 2447
A1 beschrieben worden sind. Allen Systemen gemeinsam ist
jedoch, dass mindestens ein Steuerventil (MV1, MV2) vorhanden sein
muss, um den hydraulischen Steller
30 zu betätigen.
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Auch
die in der Beschreibungseinleitung genannten Ungenauigkeiten, die
aus der zeitlichen Differenz zwischen der Erfassung von Messwerten
und dem Beginn der Ansteuerung des hydraulischen Stellers 30 resultieren,
sind prinzipiell bei allen elektrohydraulischen Stellsystemen und
insbesondere bei nockenwellenlosen elektrohydraulischen Ventilsteuerungen
vorhanden. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auch
für alle
solchen Systeme anwendbar. Dies vorausgeschickt, sollen anhand der 2 die
Aufgabe der Erfindung und die für
die Lösung
der Aufgabe wesentlichen dynamischen Vorgänge in ihrem zeitlichen Ablauf
kurz erläutert
werden.
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In 2 sind
drei Kurvendiagramme übereinander
dargestellt, auf deren Abszisse die Zeit t aufgetragen ist. Im oberen
Diagramm wird ein zeitlicher Verlauf des Drucks Prail im
Hochdruckspeicher 13 skizziert, während im mittleren Diagramm
der zeitliche Verlauf der Hubbewegung eines hydraulischen Stellers 30 beziehungsweise
eines von diesem Steller betätigten
Gaswechselventils 1 durch eine Linie 33 dargestellt
ist. In dem darunter liegenden Diagramm wird der zugehörige Verlauf
der Ansteuerung des ersten Steuerventils MV1 und des zweiten Steuerventils
MV2 des hydraulischen Stellers 30 gezeigt.
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Wenn
man die Zeitachse in 2 näher betrachtet, die für alle drei übereinander
angeordneten Diagramme die gleiche ist, sind zwei Zeitpunkte von besonderer
Bedeutung.
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Eine
erste Zeitmarke, die mit tR0 bezeichnet ist,
kennzeichnet einen Zeitpunkt, zu dem die Ansteuerdauer tm1 des Steuerventils MV1 für einen
nachfolgenden Stellvorgang 33 des Stellers 30 berechnet wird.
Bei dem Stellvorgang 33 ist der gewünschte Hub (Sollhub) hSoll bestmöglich einzustellen.
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Der
Zeitpunkt tR0 liegt zeitlich vor dem Beginn der
Ansteuerung des ersten Steuerventils MV1, der als Zeitpunkt t2 bezeichnet ist, und damit auch vor dem
kurz darauf erfolgenden eigentlichen Beginn tob der
Hubbewegung.
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Für das Öffnungsverhalten
des Gaswechselventils 1 sind die auf der Hochdruckseite
(13, 11, 9) des hydraulischen Stellers 30 (siehe 1)
herrschenden Drücke
und Temperaturen sowie weitere Einflussgrößen, beispielsweise auf den
Kolben 5 zumindest mittelbar einwirkende Gaskräfte maßgeblich,
die zum Zeitpunkt t2 beziehungsweise während der Öffnungsverlaufs
vorliegen.
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Da
es bei einer typischerweise stark begrenzten Rechenkapazität des Steuergeräts 31 nicht möglich ist,
zum zweiten Zeitpunkt t2 alle relevanten Messwerte
zu erfassen, die erforderlichen Berechnungen durchzuführen und
praktisch gleichzeitig mit der Ansteuerung des ersten Steuerventils
MV1 zu beginnen, wird bereits zu dem früheren Zeitpunkt tR0 die
erforderliche Anzahl von Messwerten erfasst beziehungsweise ausgewertet
und ein Wert tm1 der Ansteuerdauer des ersten
Steuerventils sowie gegebenenfalls auch der Beginn der Ansteuerung
des ersten Steuerventils MV1 berechnet.
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Diese
Berechnung kann beispielsweise nach einem der Verfahren durchgeführt werden,
die in den eingangs zitierten, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen
dargestellt sind. Ein entsprechendes Verfahren wird weiter unten
anhand des Blockdiagramms von 5 beschrieben.
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Mit
dem in 2 gezeigten Verlauf des Raildrucks prail zwischen
erstem Zeitpunkt tR0 und zweitem Zeitpunkt
t2 beziehungsweise tob wird
angedeutet, dass sich nicht nur das Niveau des Drucks prail in diesem
Zeitintervall stark verändern
kann, sondern auch merkliche Druckschwankungen auftreten können. Diese
Druckschwankungen können
beispielsweise durch die Entnahme von Hydraulikfluid aus dem Hochdruckspeicher 13 durch
andere Steller verursacht sein. Im Ergebnis können der Druck pRail zum ersten
Zeitpunkt tRo und der Druck pRail,ist zum
zweiten Zeitpunkt t2 deutlich voneinander
abweichen, wie in 2 zu erkennen ist.
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Prinzipiell
besteht nun das Problem, dass die Ansteuergrößen des Stellers 30,
insbesondere die Dauer tm1 eines im unteren
Teildiagramm von 2 gezeigten Ansteuerpulses des
Steuerventils MV1, nur auf der Basis der zeitlich früheren Messwerte
des Raildrucks und anderer Betriebsgrößen berechnet werden können, die
zum Zeitpunkt tR0 vorliegen. Wenn sich eine
Betriebsgröße beziehungsweise Einflussgröße im Zeitintervall
zwischen tR0 und t2 ändert und/oder
wenn die Prädiktion
des beispielsweise zum Zeitpunkt t2 oder
tob vorliegenden Werts der Einflussgröße zum Zeitpunkt
tR0 nicht hinreichend genau möglich ist,
würde der
hydraulische Steller 30 nicht in allen Fällen genau
genug arbeiten, es sei denn, dieser so genannte Aktualitätsfehler
oder Prädiktionsfehler
der betreffenden Einflussgröße würde korrigiert.
Es ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, dass ein Aktualitätsfehler
beziehungsweise Prädiktionsfehler
einer Einflussgröße auf der
Basis aktuell, beispielsweise zum Zeitpunkt t2,
bestimmter Information weitestgehend korrigiert wird.
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Anhand
des Flussdiagramms von 3 wird nachfolgend der Ablauf
eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
näher erläutert, mit
dem eine entsprechende Aktualisierungskorrektur oder Prädiktionsfehlerkorrektur
für die Betriebsgröße „Öldruck" durchgeführt wird.
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Zunächst wird
nach dem Start des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu einem ersten Zeitpunkt t = tR0 ein auf
der Hochdruckseite des hydraulischen Stellers 30 herrschender
Druck prail(tR0)
bestimmt. Dieser Schritt ist in 3 durch
den Block 35 dargestellt. Beispielhaft wird angenommen,
dass der Wert prail(tR0)
aus einem aktuellen Erfassungswert ermittelt wird. Für das erfindungsgemäße Verfahren
ist dies jedoch nicht wesentlich. Es kann auch von einem Wert des Öldrucks
ausgegangen werden, der an einem zurückliegenden Zeitpunkt bestimmt,
insbesondere gemessen worden ist. Im speziellen Fall kann die eine
oder die andere Vorgehensweise zur Bestimmung von prail(tR0) auch in Abhängigkeit von aktuell vorliegenden
Bedingungen gewählt
werden.
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Anschließend wird
in einem Block 37 ein Druck prail,präd für den späteren Zeitpunkt
t = t2 prädiziert. Der prädizierte Druck
kann beispielsweise den Druck zum Zeitpunkt t2 oder
den mittleren Druck im Intervall zwischen t1 und
t2 schätzen
(siehe 2). Die Prädiktion
stützt
sich dabei auf den zum ersten Zeitpunkt tR0 erfassten
beziehungsweise bestimmten Druck prail(tR0) im Hochdruckspeicher 13.
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In
einem weiteren Block 39 wird, basierend auf dem prädizierten
Druck prail,präd und
dem von dem Steuergerät 31 vorgegebenen
Sollhub hSoll, die Ansteuerdauer tm1 des ersten Steuerventils MV1 berechnet.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden zum Zeitpunkt tRo weitere Zwischenberechnungen
durchgeführt,
deren Ergebnisse zu dem späteren
zweiten Zeitpunkt t2 verwendet werden und
zu diesem zeitkritischen zweiten Zeitpunkt Rechenzeit einsparen.
Beispielsweise kann zum Zeitpunkt tRo ein
Korrekturterm fkorr berechnet werden, welcher
die benötigte
Korrektur der Ansteuerdauer tm1 in Abhängigkeit
eines Prädiktionsfehlers Δp beschreibt.
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Solche
Zwischenberechnungen werden ebenfalls dem Block 39 zugeordnet.
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Anschließend wird
zum zweiten Zeitpunkt t = t2 oder beispielsweise
zu Zeitpunkten im Zeitintervall t1 ... t2 der im Hochdruckrail 13 herrschende
Druck erfasst und damit der zum Prädiktionswert prail,präd zugehörige tatsächliche
Wert oder Istwert prail,ist des Drucks bestimmt.
Dieser Schritt findet im Block 41 statt.
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In
einem daran anschließenden
Block 43 wird ein Prädiktionsfehler Δprail aus der Differenz zwischen den Werten
prail,ist und prail,präd ermittelt.
Der Prädiktionsfehler Δprail ist ein Maß dafür, wie weit der prädizierte
Druck prail,präd von
dem tatsächlich
im hydraulischer Steller zu Beginn der Öffnungsbewegung herrschenden
Druck abweicht.
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Auf
der Basis des Prädiktionsfehlers Δp wird eine
additive Korrektur dtm1_prail_korr bestimmt,
um die der vorab bestimmte Wert der Ansteuerzeit tm1 korrigiert
werden muss, der ja auf der Basis der prädizierten Drucks prail,präd berechnet
wurde.
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In
einem Block 45 wird schließlich die entsprechende Korrektur
der Ansteuerdauer tm1 durchgeführt. Dies
geschieht beispielhaft durch Berechnung eines korrigierten Werts
tm1_korr der Ansteuerdauer, der an eine
Ausgabeeinheit zur Ansteuerung des Steuerventils MV1 übergeben
wird.
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Mit
dem angegebenen Verfahren ist es einerseits möglich, die Genauigkeit der
Ansteuerung des Gaswechselventils 1 signifikant zu erhöhen. Andererseits
kann durch die Aufteilung mancher Berechnungen auf zwei Zeitpunkte,
nämlich
einem zeitunkritischen ersten Zeitpunkt t = tRo und
einem zeitkritischen Zeitpunkt t = t2 eine
gleichmäßigere Auslastung
des Steuergeräts
erreicht werden. Außerdem werden
die Anforderungen an die Hard- und Software bezüglich Rechengeschwindigkeit
durch das erfindungsgemäße Verfahren
deutlich reduziert. Insofern ist es möglich, mit relativ geringen
Hardwarevoraussetzungen eine sehr präzise Steuerung des Hubs des
Gaswechselventils zu realisieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist so leistungsfähig,
dass sogar die Anforderungen an die Prädiktion des Drucks prail,präd deutlich
abgesenkt werden können,
ohne dass die Güte
der Ansteuerung des Gaswechselventils 1 nennenswert beeinträchtigt wird.
Es hat sich sogar als ausreichend erwiesen, wenn der Druck prail,präd gleich
dem zum ersten Zeitpunkt t = tRo gemessenen
beziehungsweise bestimmten Druck prail(tR0) gesetzt wird. In anderen Worten: Auch
ohne ein aufwändiges
Prädiktionsmodell
ist die Hubsteuerung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichend
genau.
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Nach
dem Durchlaufen des Blocks 45 beginnt das Verfahren wieder
vor dem Block 35, da die Steuerung eines Gaswechselventils 1 eine
sich wiederholende Aufgabe ist. Dieses erfindungsgemäße Verfahren
wird so lange durchlaufen, wie die Brennkraftmaschine in Betrieb
ist.
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In 4,
die Gemeinsamkeiten mit 2 aufweist, ist das anhand der 2 und 3 beschriebene
Verfahren nochmals erläutert.
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Zunächst ist
in dem oberen Diagramm die Erfassung mehrerer Messwerte des Drucks
prail im Zeitintervall zwischen t1 und t2 veranschaulicht.
Daraus wird durch eine Mittelwertbildung der Druck prail,ist =
prail,ist,m ermittelt. In diesem Beispiel
ist das Erfassungsintervall so gewählt, dass die Pulsausgabeeinheit,
die die Ansteuerpulse der Steuerventile MV1 und MV2 erzeugt, zugleich
auch Beginn und Ende der Druckabtastung triggern kann, wie in 4 angezeigt.
Die Prozesse der Pulsgenerierung sind im mittleren Teil von 4 als
Balken dargestellt.
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Nachdem
der tatsächliche
Raildruck prail,ist berechnet ist, wird
eine Korrektur der Ansteuerdauer tm1 vorgenommen.
Das Ergebnis ist eine korrigierte Ansteuerdauer tm1,korr,
die an die Pulsausgabeeinheit des Steuergeräts 31 weitergegeben
wird. Dies bedeutet, dass noch während
der laufenden Ansteuerung des ersten Steuerventils die korrigierte
Ansteuerdauer tm1,korr wirksam wird, so
dass das erste Steuerventil MV1 nur für eine Dauer tm1,korr,
entsprechend der korrigierten Ansteuerdauer, angesteuert wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Korrektur
der Ansteuerdauer tm1 wird der Prädiktionsfehler Δp (siehe 3,
Block 43) ausgeglichen und auf diese Weise ermöglicht,
dass der Hub des Gaswechselventils 1 sehr genau entsprechend
dem Sollhub hSoll eingestellt werden kann.
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Im
Folgenden werden anhand der weiteren 5 bis 7 sowie 10 beispielhafte
Realisierungen der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte beschrieben,
die in den Blöcken 39, 43 und 45 von 3 ablaufen.
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Das
in
5 gezeigte Blockdiagramm stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Berechnung der Ansteuerdauer t
m1 des
ersten Steuerventils MV1 dar, wie es in den eingangs zitierten Patentanmeldungen
DE 102 00 500 2385 und
DE 102 00 500 2384 beschrieben
worden ist.
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Beispielhaft
soll die in Block 39 (3) enthaltene
Berechnung der Ansteuerdauer tm1 nach dem Verfahren
gemäß 5 durchgeführt werden,
wobei als Eingangsgröße prail der in Block 37 (3)
bestimmte prädizierte
Druck prail,präd verwendet
wird.
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Das
in 5 dargestellte Blockdiagramm zeigt eine zentrale
Umrechnungsfunktion h_to_tm1, die mit weiteren Berechnungsfunktionen
(Modulen) ber_p_Oel, ber_T_Oel und ber_fgas zusammengeschaltet ist.
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Das
Funktionsmodul h_to_tm1 berechnet für einen jeweiligen Stellvorgang
die Ansteuerzeit tm1, die zur Einstellung
des Sollhubs hSoll des Stellvorgangs benötigt wird.
Die übrigen
Module bestimmen Werte gewisser Einflussgrößen (pOel,
TOel, fgas), die neben
dem Sollhub hSoll und gegebenenfalls weiteren Einflussgrößen Ex als Eingangsgrößen in die Berechnung h_to_tm1
hineingeführt
werden.
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Für die genaue
Definition der Größen (p
Oel, T
Oel, f
gas) und für erfindungsgemäße Realisierungen der
in
5 auftre tenden Module wird auf die zitierten Patentanmeldungen
DE 102 00 500 2385 und
DE 102 00 500 2384 verwiesen.
Im Hinblick auf das weiter unten beschriebene zweite Ausführungsbeispiel der
Erfindung sollen jedoch die noch nicht eingeführten Eingangsgrößen des
Moduls be_fgas kurz erläutert
werden.
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Das
Modul ber_fgas ist für
die Berechnung von geeigneten Beschreibungsgrößen der Gaskraft zuständig. Als
Eingangsgrößen des
Moduls ber_fgas sind daher Größen aufgeführt, welche
das Niveau beziehungsweise den zeitlichen Verlauf der Gaskraft wesentlich
bestimmen:
- paoe:
- Brennraumdruck bei
Auslass-Öffnen
- waoe:
- Kurbelwinkel bei Auslass-Öffnen
- nmot:
- Drehzahl
- pabg:
- Abgasdruck (hinter
Auslassventil)
-
Dabei
wird in den Bezeichnungen – ohne Einschränkung der
Allgemeinheit – davon
ausgegangen, dass im vorliegenden Fall beispielhaft die Steuerung
eines Auslassventils betrachtet wird. Mögliche weitere Eingangsgrößen des
Moduls ber_fgas sind durch einen Eingang Ex symbolisiert.
Auch bei den anderen Modulen in 5 werden
mögliche
weitere, nicht explizit genannte Eingangsgrößen mit Ex bezeichnet.
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Die
genannten Eingangsgrößen des
Moduls ber_fgas werden für
einen maßgeblichen
Ausführungszeitpunkt
eines betrachteten Stellvorgangs (Öffnen eines Gaswechselventils 1)
zumindest näherungsweise
bestimmt.
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Für den Wert
waoe kann beispielsweise ein entsprechender
Sollwert verwendet werden, der bei der Steuerung des hydraulischen
Stellers 30 für
den betrachteten Stellvorgang vorgegeben wird.
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Die
Drehzahl nmot wird in einer Motorsteuerung
ohnehin fortlaufend aktuell bestimmt, wobei gegebenenfalls auch
eine Veränderung
der aktuellen Drehzahl bis zum Ausführungszeitpunkt tob des
betrachteten Stellvorgangs abgeschätzt und berücksichtigt werden kann.
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Der
Abgasdruck pabg, beziehungsweise die Differenz
dieses Drucks zum Umgebungsdruck, ist zum Beispiel als Funktion
eines mittleren Massenstroms durch das Abgassystem oder als Funktion
der Frischgasfüllung
einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine und der Drehzahl nmot berechenbar.
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In
analoger Weise wird auch der Brennraumdruck paoe auf
Basis der Frischgasfüllung,
der Drehzahl, sowie gegebenenfalls weiterer, beispielsweise aus
der Steuerung des Verbrennungsvorgangs bekannter Information mindestens
näherungsweise
bestimmt.
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Ein
auf solche Weise prädizierter
Wert paoe = paoe,präd kann
aufgrund einer begrenzten Güte
des verwendeten Modells, insbesondere auch aufgrund von typischen
Schwankungen der Verbrennung, vom tatsächlichen Wert (Istwert) abweichen.
Eine verbesserte Bestimmung des Brennraumsdrucks paoe ist
auf der Basis gemessener Werte, insbesondere des Brennraumdrucks
selbst, möglich,
sofern ein entsprechender Sensor vorhanden ist. Davon ausgehend
wird weiter unten ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
angegeben, bei dem eine Prädiktionsfehlerkorrektur
des Brennraumdrucks paoe durchgeführt wird.
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Zur
Vervollständigung
des ersten Ausführungsbeispiels
ist in 6 eine beispielhafte Berechnungsvorschrift ber_fkorr
eines Korrekturfaktors fkorr als Blockdiagramm
dargestellt. Der Faktor fkorr gibt an, wie
stark die Ansteuerzeit tm1 in Abhängigkeit
eines Prädiktionsfehlers
des Öldrucks
korrigiert werden muss. Er hängt
allgemein von den Einflussgrößen der
Hubsteuerung, beispielsweise den gemäß 5 berechneten
Größen pOel und TOel, und
vom Sollhub hSoll oder einer dazu äquivalenten
Größe ab. Beispielhaft
wird als Maß für hSoll der im ersten Schritt bestimmte Wert
der Ansteuerzeit tm1 verwendet.
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In 6 wird
eine näherungsweise
lineare Abhängigkeit
des Korrekturfaktors fkorr von der Ansteuerzeit
tm1 zugrunde gelegt. Der Offset wird durch einen
Kennfeldwert KF1_PKORR (pOel, TOel)
und der Proportionalitätsfaktor
durch den Quotienten aus einem Kennfeldwert KF2_PKORR(pOel,
TOel) und dem Öldruck pOel beschrieben.
In dieser Darstellung ist das Kennfeld KF2_PKORR in typischen Fällen relativ flach
und gut interpolierbar.
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Bei
der Bestimmung des Korrekturfaktors fkorr können zusätzlich oder
alternativ zu den Betriebsgrößen pOel und TOel auch
andere Einflussgrößen berücksichtigt
werden, wie beispielsweise die auf das zu öffnende Gaswechselventil einwirkenden
Gaskräfte.
In diesem Fall könnte
der Algorithmus gemäß 6 beispielsweise
dadurch erweitert werden, dass der Korrekturterm, der aus dem Kennfeld
KF2_PKORR ausgelesen wird, nicht nur durch den Öldruck pOel selbst
dividiert wird, sondern durch eine Differenz, in der der Wert pOel um ein geeignet skaliertes Maß der beim Öffnen des
Gaswechselventils 1 wirkenden Gaskraft verringert wird.
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Der
Korrekturfaktor fkorr kann zu einem relativ frühen Zeitpunkt,
nämlich
zum Zeitpunkt t = tR0 berechnet werden.
In dem Ablaufbeispiel von 3 wird er
dementsprechend bereits in Block 39 bereitgestellt. Benötigt wird
der Korrekturfaktor fkorr erst im späteren Schritt 43 (3),
das heißt
bei der sehr zeitkritischen Berechnung einer Korrektur der Ansteuerdauer
tm1 kurz vor oder während der Ansteuerung des Steuerventils
MV1.
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Als
beispielhafte Realisierung des Schritts 43 aus 3 ist
ein Funktionsmodul ber_dtm1_prail_korr vorgesehen, das in 7 als Blockdiagramm
dargestellt ist.
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Das
Modul bestimmt eine additive Korrektur dtm1_prail_korr der
Ansteuerzeit tm1. Dabei wird zunächst der
Prädiktionsfehler Δprail durch Subtraktion des prädizierten
Raildrucks prail,präd von dem zum Zeitpunkt
t = t2 bestimmten tatsächlichen Raildruck prail,ist ermittelt. Das Produkt des Fehlers Δprail mit dem zuvor in Schritt 39 (3)
berechneten Korrekturfaktor fkorr ergibt
den Korrekturwert dtm1_prail_korr.
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Anschließend wird
die Korrekturgröße dtm1_prail_korr im Block 45 des Ablaufdiagramms
der 3 zu der vorab im Block 39 bestimmten
Ansteuerdauer tm1 addiert. Die Addition
wird beispielhaft von einem in 10 dargestellten
Modul ber_tm1_korr ausgeführt,
das gegebenenfalls auch noch weitere additive Korrekturen der Ansteuerzeit
tm1 berücksichtigt,
zum Beispiel eine Korrektur dtm1_paoe_korr,
mit der ein Prädiktionsfehler
des Zylinderdrucks paoe beziehungsweise
der Gaskraft ausgeglichen wird (siehe unten). Das Ergebnis der Addition
ist die korrigierte Ansteuerdauer tm1_korr,
die unmittelbar an die Pulsausgabeeinheit des Steuergeräts 31 übergeben
wird.
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Als
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und/oder als Erweiterung des ersten Ausführungsbeispiels soll nachfolgend
die Korrektur eines Prädiktionsfehlers
des Zylinderdrucks paoe dargestellt werden.
Der grundsätzliche Ablauf
lässt sich
analog zum ersten Ausführungsbeispiel
anhand des Flussdiagramms aus 3 beschreiben.
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Allgemein
wird bei jedem Durchlauf der in 3 gezeigten
Folge von Verfahrensschritten für
einen Stellvorgang des Gaswechselventils 1 zu einem ersten
Zeitpunkt tR0 eine Ansteuerdauer tm1 bestimmt und zu einem zweiten Zeitpunkt
t2 auf der Basis neuer Information über mindestens
eine relevante Einflussgröße der Hubsteuerung
des Gaswechselventils 1 korrigiert.
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Um
den Einfluss von Gaskräften
zu kompensieren, die auf ein Gaswechselventil 1, beispielsweise
ein Auslassventil, während
des Öffnungsvorgangs einwirken,
wird zum Zeitpunkt tR0 in einem ersten Block 35 der 3 geeignete
Information bereitgestellt, aus der sich ein Gasdruck paoe,
der sich zu dem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt des Öffnens des Gaswechselventils
im betreffenden Zylinder einstellt, mindestens näherungsweise bestimmen lässt. Für diese
Prädiktion
kann beispielsweise von vorhandener Information über eine Frischgasfüllung des
Zylinders, eine zugeführte
Kraftstoffmasse und/oder einen Zündzeitpunkt
ausgegangen werden.
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In
Block
37 wird ein entsprechender Prädiktionswert p
aoe,präd gebildet,
der in die anschließende Berechnung
der Ansteuerzeit t
m1 in Block
39 eingeht. Für diese
Berechnung wird wiederum beispielhaft das in
5 skizzierte
Verfahren zugrunde gelegt, das in der
DE 102 00 500 2384 beschrieben
ist. Der Prädiktionswert
p
aoe,präd wird
in den Eingang p
aoe des Teilberechnungsmoduls
ber_fgas hineingeführt.
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Beispielhaft
wird nun angenommen, dass zu einem späteren Zeitpunkt im Anschluss
an den Verbrennungsvorgang ein Messwert des Zylinderdrucks erfasst
wird. Daraus ist unmittelbar der Istwert paoe,ist des
Zylinderdrucks zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils 1 berechenbar.
Diese Erfassung und die Berechnung des Istwerts finden in Schritt 41 des Ablaufdiagramms
von 3 statt.
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Anschließend werden
in Schritt 43 der Prädiktionsfehler
paoe als Differenz der Werte paoe,
ist Und paoe,präd sowie die daraus resultierende
Korrektur dtm1_paoe_korr der Ansteuerzeit
tm1 ermittelt. Im letzten Schritt 45 gemäß 3 wird
schließlich
die korrigierte Ansteuerzeit tm1_korr berechnet
und an die Pulsausgabeeinheit übergeben.
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Die
Bestimmung der Korrektur dtm1_paoe_korr zu gegebenem
Prädiktionsfehler Δpaoe geht von einem in 8 beispielhaft
gezeigten Zusammenhang der beiden Größen aus, der in sehr guter
Näherung
als quadratisches Polynom beschrieben werden kann.
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In 9 ist
ein entsprechender Algorithmus zur Berechnung der Korrekturgröße dtm1_paoe_korr als Blockdiagramm dargestellt.
Die Werte der Koeffizienten der quadratischen Approximation werden
als Eingangsgrößen in diese
Berechnung hineingeführt.
Die Koeffizienten können
bereits vorab zum Zeitpunkt tR0 ermittelt
werden, zum Beispiel in Schritt 39 des in 5 dargestellten
beispielhaften Ablaufs des Verfahrens. Die Berechnung eines Koeffizienten
g1korr oder g2korr kann
dabei von einem Kennfeld oder einem Algorithmus analog dem in 6 für den Korrekturfaktor
fkorr dargestellten ausgehen.
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Mit
dem in 10 skizzierten letzten Schritt, bei
dem die korrigierte Ansteuerzeit tm1_korr durch
Addition der Korrekturgröße dtm1_paoe_korr sowie gegebenenfalls weiterer
Korrekturen zum Ausgangswert tm1 bestimmt
wird, endet das erfindungsgemäße Verfahren.
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Durch
die erfindungsgemäße Korrektur
der Ansteuerzeit tm1 wird es ermöglicht,
dass die tatsächlichen
Werte maßgeblicher
Einflussgrößen des
Hubvorgangs, die kurz vor oder während
der Ansteuerung des ersten Steuerventils MV1 vorliegen, noch in der
Ansteuerung des Steuerventils MV1 berücksichtigt werden. Infolge
dessen ist die Steuerung des hydraulischen Stellers beziehungsweise
des Gaswechsel ventils 1 sehr genau, wenn das erfindungsgemäße Verfahren
angewandt wird.
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In
Verallgemeinerung der Ausführungsbeispiele
kann auch ein Hubstellvorgang betrachtet werden, der mindestens
fallweise durch eine Mehrzahl von Ansteuerpulsen eines Steuerventils
MV1 und gegebenenfalls weiterer Steuerventile bewerkstelligt beziehungsweise
beeinflusst wird. Ein solches weiteres Steuerventil kann beispielsweise
dazu dienen, eine weiter oben erwähnte niederdruckseitige Vorspann-
oder Freilaufeinrichtung zuzuschalten. In einem solchen Fall kann
die erfindungsgemäße Korrektur
einer Ansteuerdauer für
jeden einzelnen beziehungsweise für eine beliebige Teilmenge
der genannten Mehrzahl von Ansteuerpulsen des Stellvorgangs durchgeführt werden.