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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines
einem elektromagnetisch betriebenen Ventil wie etwa einem Einlaßventil
oder einem Auslaßventil
eines Verbrennungsmotors zugeführten
Stroms und ein Steuerungs/Regelungssystem.
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Herkömmlicherweise
wird der Betrieb eines Verbrennungsmotors durch Öffnen und Schließen eines
Einlaßventils
oder eines Auslaßventils
durch einen Nocken einer Nockenwelle, welche synchron durch eine
Kurbelwelle angetrieben wird, gesteuert. Mit den zurückliegenden
Fortschritten auf dem Gebiet des computergesteuerten Betriebs von
Verbrennungsmotoren wird der Betrieb eines Verbrennungsmotors in
steigendem Maße
durch Öffnen
und Schließen
eines Einlaßventils
oder eines Auslaßventils durch
einen elektromagnetischen Steller gesteuert. Die Verwendung des
elektromagnetischen Stellers erlaubt, das Ventil mit verschiedenen
Zeitabstimmungen zu öffnen
und zu schließen.
Folglich sind verschiedene Verfahren zum Steuern/Regeln des Betriebs
eines Verbrennungsmotors (insbesondere für ein Fahrzeug) vorgeschlagen
worden.
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Grundsätzlich ist
bei dem Einlaßventil
oder dem Auslaßventil
eines Verbrennungsmotors ein scheibenförmiger Anker an einem Ventilschaft
befestigt, und ein Paar von Elektromagneten zum Öffnen und Schließen des
elektromagnetisch betätigten Ventils
sind so angeordnet, daß sie
sich um einen Abstand, welcher einer Summe eines Öff nungs/Schließhubs des
Ventils und einer Dicke des Ankers entspricht, von dem Anker entfernt
so befinden, daß diese
Elektromagneten einander jeweils gegenüberstehen. Das Ventil wird
durch Zuführen
eines elektrischen Stroms an den Elektromagneten zum Öffnen des
Ventils (nachstehend als der Ventilöffnungselektromagnet bezeichnet),
so daß der
Anker hieran angezogen wird, geöffnet.
Das Ventil wird durch Zuführen
eines elektrischen Stroms an den Elektromagneten zum Schließen des
Ventils (nachstehend als der Ventilschließelektromagnet bezeichnet),
so daß der Anker
hieran angezogen wird, geschlossen. Da der Anker aus einem paramagnetischen
Material wie etwa Weicheisen ausgebildet ist, erzeugt sowohl der Ventilöffnungsals
auch der Ventilschließelektromagnet
im allgemeinen nur eine Anziehungskraft, um den Anker anzuziehen,
aber keine Abstoßungskraft.
Da die magnetische Anziehungskraft dem Quadrat des Abstands umgekehrt
proportional ist und der Ventilöffnungs/-schließhub relativ
lang ist, muß eine
Abmessung des Ventilöffnungselektromagneten
daher vergrößert werden,
um eine Anziehungskraft zu erzeugen, die ausreicht, um den von dem
Ventilschließ-elektromagneten
freigegebenen Anker anzuziehen. Gleichermaßen muß eine Abmessung des Ventilschließelektromagneten
vergrößert werden,
um eine Anziehungskraft zu erzeugen, die ausreicht, um den von dem
Ventilöffnungselektromagneten
freigegebenen Anker zu dem Ventilschließelektromagneten hin anzuziehen.
Das elektromagnetisch betätigte Einlaßventil
oder Auslaßventil
der vorgenannten Art ist mit einem Paar von Federn ausgestattet,
um den Anker an einer neutralen Position des Ventilöffnungs/-schließhubs festzuhalten.
Insbesondere drängt
von dem Paar von Federn eine, welche als die Ventilöffnungsfeder
dient, den von dem Ventilschließelektromagneten
freigegebenen Anker in Richtung von dem Ventilschließelektromagneten
fort. Die andere Feder, welche als die Ventilschließfeder dient, drängt den
von dem Ventilöffnungselektromagneten freigegebenen
Anker in Richtung von dem Ventilöffnungselektromagneten fort.
Die vorgenannte Struktur bildet ein Schwingungssystem aus, in welchem ein
den Anker einschließendes
Ventilelement, der Ventilschaft, an welchem der Anker befestigt
ist, und der Ventilkörper
zwischen diesen Federn aufgehängt sind.
Das Ventil kann durch Einstellen des dem Ventilöffnungselektromagneten und
dem Ventilschließelektromagneten
zugeführten
Stroms unter Verwendung der Resonanz des Schwingungssystems geöffnet und
geschlossen werden. Daher müssen
die Abmessungen dieser Elektromagneten nicht vergrößert werden.
Unter der Annahme, daß die
Auslenkung des Ventilkörpers
oder des Ankers, welche sich aus dem Ventilöffnungs/-schließvorgang
ergibt, als ein Hubbetrag ausgedrückt wird, korreliert der Hubbetrag
mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilkörpers oder des Ankers, wie
in 1 gezeigt. Um die Beziehung, wie in 1 gezeigt,
herzustellen, kann der dem Elektromagneten zugeführte Strom mit dem Hubbetrag
korrelieren bzw. mit diesem in Korrelation gebracht werden, wie
in 2 gezeigt. Demzufolge ändert sich der Hubbetrag mit
der Zeit, wie durch eine durchgezogene Linie in 3 gezeigt.
In dem Fall, daß der
Elektromagnet eine kleine Kapazität besitzt und sich die Ventilbewegung
aus der Zeit bzw. Zeitabstimmung bzw. dem Zeitablauf bzw. Takt herausbewegt,
in welcher die Resonanz des Schwingungssystems verwendet werden
kann, um die Ventiltätigkeit
zu unterstützen,
kann das Ventil in der neutralen Position des Ventilöffnungs/-schließhubs stecken
bleiben bzw. blockieren. Der vorgenannte Zustand eines Steckenbleibens
ist typischerweise als ”step-out” bzw. ”aus-dem-Tritt-geraten” oder ”aussteigen” bekannt
und soll nachstehend vorzugsweise als ”blockieren” bezeichnet werden.
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Die
japanische Offenlegungsschrift
JP 11-294209 A (Abstract) offenbart ein wechselweises Zuführen von
Strom an den ersten und den zweiten Elektromagneten synchron mit
einer Eigenperiode des Schwingungssystems, um die Amplitude des
Ankers schrittweise zu erhöhen,
um das Ventil aus dem bloc kierten Zustand zu befreien. Im allgemeinen
wird dem Elektromagneten, dessen Stromzufuhr unterbrochen ist, ein
entgegengerichteter Strom bzw. Rückstrom
zugeführt,
um nach Umschalten des Öffnungs/Schließbetriebs
des elektromagnetisch betätigten
Ventils das Restmagnetfeld auszulöschen. Dann wird die Induktivität bzw. Induktanz
des Ventils gegen den Rückstrom
erfaßt.
Falls die erfaßte
Induktanz kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wird bestimmt,
daß der
Elektromagnet versagt hat, den Anker anzuziehen, und somit das Ventil
in den blockierten Zustand gebracht worden ist.
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Gemäß dem vorgenannten
Verfahren wird auf der Grundlage der Induktanz des Elektromagneten,
welcher den Anker freigibt, gegen den diesem zum Auslöschen des
Restmagnetfelds zugeführten Rückstrom
bestimmt, ob der Anker an den Elektromagneten angezogen worden ist.
Falls die Induktanz kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wird
bestimmt, daß der
Anker nicht an den Elektromagneten angezogen worden ist, und somit
bestimmt, daß die
Blockierung bzw. das Aussteigen aufgetreten ist. Das Ventil kann
durch Aufnehmen einer erforderlichen Prozedur aus dem Blockieren
herausgeführt
werden, um irgendwelche Betriebsfehler des Verbrennungsmotors aufgrund
des Blockierens zu vermeiden.
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Gemäß dem vorgenannten
Verfahren wird das Blockieren des Ventils jedoch im allgemeinen
mit einer Verzögerung
erfaßt,
welche einer zum Abarbeiten eines Zyklus zum Öffnen oder Schließen des Ventils
benötigten
Periode entspricht.
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Gemäß dem vorgenannten
Verfahren wird das Blockieren als der Zustand angenommen, in welchem
das Ventil an einer neutralen Position zwischen dem Ventilöffnungs/-schließhub steckenbleibt.
Jedoch kann es einen Fall geben, in welchem der Ventilkörper versagt,
in Übereinstimmung
mit dem normalen Zeitablauf zu öff nen/schließen, selbst
wenn das Ventil in der Schließ- oder der Öffnungsposition gehalten
wird. Ein solches Verhalten des Ventils, welches die Möglichkeit
des Blockierens oder Aussteigens anzeigt, kann nach Durchführen wenigstens
eines Zyklus von Ventilöffnung/-schließung in
den normalen Zustand zurückgeführt werden.
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Aus
der
JP 11-132017 A (Abstract),
der
US 6,044,814 A und
der
US 2001-3972
A1 ist es bekannt, während
der Ansteuerung des Aktors dessen Bewegung anhand von Sensoren zu
erfassen und geeignet zu reagieren, wenn die tatsächliche
Bewegung von der gewünschten
Sollbewegung abweicht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern/Regeln
eines einem elektromagnetisch betriebenen Ventil zugeführten Stroms
und ein Steuerungs/Regelungssystem zu schaffen, um einen Fehler
in dem Ventil zu erfassen, wie auch den erfaßten Fehler in der geeigneten
Zeit zu beseitigen.
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Die
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einem Verfahren zum Steuern/Regeln eines einem elektromagnetisch
betätigten
Ventil, welches einen ersten Elektromagneten, einen zweiten Elektromagneten,
einen Anker, welcher durch entweder den ersten oder zweiten Elektromagneten
angezogen wird, nachdem er aus einer Anziehung des anderen Elektromagneten
freigegeben worden ist, um einen Ventilkörper des elektromagnetisch
betätigten Ventils
zwischen einer Ventilöffnungsstellung
und einer Ventilschließstellung
zu bewegen, und eine Feder, welche den Anker in einer neutralen
Position hält zwischen
einer Position, in welcher der Anker durch den ersten Elektromagneten
angezogen wird, und einer Position, in welcher der Anker durch den
zweiten Elektromagneten angezogen wird, umfaßt, zugeführten Stroms wird bestimmt,
ob eine Auslenkung des Ankers gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert
ist, nachdem eine vorbestimmte Zeit vom Beginn eines Umschaltens
des elektromagnetisch betätigten
Ventils zwischen einem Öffnungszustand
oder einem Schließzustand
an verstrichen ist. Wenn bestimmt wird, daß die Auslenkung gleich oder kleiner
als der vorbestimmte Schwellenwert ist, wird die Zuführung des
Stroms an das elektromagnetisch betätigte Ventil so geändert, daß sie sich
von einer Stromzufuhr unterscheidet, welche ausgeführt wird, wenn
bestimmt wird, daß die
Auslenkung gleich oder größer als
der vorbestimmte Wert ist.
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Die Änderung
der Stromzufuhr erfolgt durch Unterbrechen der Zufuhr des Stroms
an entweder den ersten oder den zweiten Elektromagneten, welcher
den Anker anziehen soll, und/oder durch Zuführen des Stroms an den ersten
oder den zweiten Elektromagneten, welcher den Anker freigegeben
hat, so daß er
durch den anderen Elektromagneten angezogen wird.
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Bei
einem Verfahren zum Steuern/Regeln eines einem elektromagnetisch
betätigten
Ventil, welches einen ersten Elektromagneten, einen zweiten Elektromagneten,
einen Anker, welcher durch entweder den ersten oder zweiten Elektromagneten
angezogen wird, nachdem er aus einer Anziehung des anderen Elektromagneten
freigegeben worden ist, um einen Ventilkörper des elektromagnetisch
betätigten Ventils
zwischen einer Ventilöffnungsstellung
und einer Ventilschließstellung
zu bewegen, und eine Feder, welche den Anker in einer neutralen
Position hält zwischen
einer Position, in welcher der Anker durch den ersten Elektromagneten
angezogen wird, und einer Position, in welcher der Anker durch den
zweiten Elektromagneten angezogen wird, umfaßt, angelegten Stroms wird
bestimmt, ob eine Auslenkung des Ankers gleich oder kleiner als
ein vorbestimmter Schwellenwert ist, nachdem eine vorbestimmte Zeit vom
Beginn eines Umschaltens des elektromagnetisch betätigten Ventils
zwischen einem Öffnungszustand
oder einem Schließzustand
an verstrichen ist. Eine Störung
in entweder dem Öffnungszustand
oder dem Schließzustand
des elektromagnetisch betätigten
Ventils wird erfaßt,
wenn bestimmt wird, daß die Auslenkung
gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist.
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In
dem Fall, daß eine Öffnungssteuerung/-regelung
des elektromagnetisch betätigten
Einlaßventils
eines Verbrennungsmotors durchgeführt wird, kann Strom von dem
Einlaßventil
einem elektromagnetisch betätigten
Auslaßventil
in dem selben Zylinder zugeführt
werden, so daß es
geschlossen wird. In dem Fall, daß eine Schließsteuerung/-regelung
des elektromagnetisch betriebenen Auslaßventils eines Verbrennungsmotors
durchgeführt
wird, kann Strom von dem Auslaßventil
einem elektromagnetisch betätigten
Einlaßventil
in dem selben Zylinder zugeführt werden,
so daß es
geschlossen wird.
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Die
Blockierung kann durch eine Störung
in dem Elektromagneten oder dem elektrischen System hervorgerufen
werden. Es wird jedoch hauptsächlich durch
die Struktur zum Betätigen
des Einlaß-
oder des Auslaßventils
hervorgerufen, bei welcher das den Anker, Ventilkörper und
das Schaftbauteil zum Verbinden des Ankers mit dem Ventilkörper umfassende
Ventilelement durch eine Führungsvorrichtung eines
Lagertyps gleitend geführt
wird. In dem Gleitabschnitt kann aufgrund des Reibungswiderstands
eine Störung
beim Gleiten auftreten. Des weiteren tritt das Schmieröl in den
Spalt zwischen dem Anker und der Oberfläche der Ventilöffnung oder
dem Ventilschließelektromagneten,
zu welchem der Anker angezogen wird, ein. Dies kann einen Ölfilm entlang
der Oberfläche,
durch welche der Anker und der Elektromagnet einander berühren, hierzwischen
ausbilden, wenn der Anker an den Elektromagneten angezogen wird. Dadurch
kann der Vorgang, den Anker von dem Elektromagneten freizugeben,
von dem durch die Oberflächenspannung
des Ölfilms
verursachten Widerstand behindert werden. Der Reibungswiderstand
reduziert sich, wenn das Gleiten beginnt, von einer statischen Reibung
bzw. Haftreibung mit dem Maximalwert schnell zu der dynamischen
Reibung bzw. Gleitreibung. Demgemäß können solche Faktoren wie Reibung
oder Oberflächenspannung,
welche das Blockieren des Ventils verursachen, zu Beginn des Öffnens/Schließens des
elektromagnetisch betätigten
Ventils gefunden werden. Falls solche Faktoren zu Beginn des Öffnens/Schließens erkannt
werden, kann die Verzögerung
des Vorgangs bzw. der Operation, welche der für einen Zyklus der Ventilöffnungs/-schließzeit in
Anspruch genommenen Zeit entspricht, beseitigt werden.
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Die
durch die zuvor erwähnten
Faktoren hervorgerufene Blockierung kann simultan mit ihrem Auftreten
erfaßt
werden. Dies macht es möglich,
die Rückführungsprozedur
unmittelbar bereitzustellen, so daß die Störung im Betrieb des Verbrennungsmotors
minimiert wird.
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Der
auf der Reibung oder dem Ölfilm,
wie zuvor beschrieben, beruhende Widerstand reduziert sich schnell,
wenn das den Ventilkörper,
den Anker und das den Anker mit dem Ventil verbindende Schaftbauteil
umfassende Ventilelement einmal beginnt, sich von der geschlossenen
oder geöffneten Position
in die andere Position zu bewegen. Das Ventilelement kann zu Beginn
eines Zuführens
des Rückstroms
an den Elektromagneten, an welchem der Anker gehalten worden ist,
um das Restmagnetfeld auszulöschen,
hängen
bleiben. Jedoch kann das Ventilelement aus dem steckengebliebenen
Zustand zurückgeführt werden
und am Ende der Zuführung
des Rückstroms
beginnen, sich zu bewegen. Die Ventilöffnungs/-schließsteuerung/-regelung
kann geändert werden,
wenn bestimmt wird, daß die
Auslenkung des Ankers einen vorbestimmten Wert auch nach einem Verstreichen
einer vorbestimmten Zeit vom Beginn eines Um schaltens von Ventilöffnungs/-schließbetrieb
an nicht erreicht. Dies macht es möglich, ein normales Öffnen/Schließen des
Ventils auch dann durchzuführen,
wenn dessen Ventilelement steckenbleibt und dann mit einer bestimmten
Verzögerung beginnt,
sich zu bewegen, so lange sich die Verzögerung innerhalb eines rückführbaren
Bereichs befindet.
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Eine
Stromzuführung
an entweder den ersten oder den zweiten Elektromagneten, welcher
den Anker anziehen soll, kann unterbrochen werden, d. h., die Ventilöffnungs/-schließsteuerung/-regelung kann
abgebrochen werden, wenn die Auslenkung des Ankers auch nach einem
Verstreichen einer vorbestimmten Zeit vom Beginn eines Umschaltens
von Ventilöffnung/-schließung an
einen vorbestimmten Schwellenwert nicht erreicht. Ersatzweise kann
dem Elektromagneten, welcher den Anker aus seiner Anziehung entlassen
hat, Strom zugeführt
werden. Dies ermöglicht
es, zu verhindern, daß das
Ventil aufgrund des steckengebliebenen Zustands des Ventilelements
blockiert, und dafür
zu sorgen, daß das
Ventil innerhalb einer vorbestimmten Anzahl von Ventilöffnungs/-schließzyklen
normal betrieben wird.
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In
einer Ausführungsform
und Zeichnungen der Erfindung wird angenommen, daß die Auslenkung
des Ventilkörpers
oder des Ankers sowohl eine Bewegung zum Öffnen des Ventils als auch
eine Bewegung zum Schließen
des Ventils in entgegengesetzten Richtungen umfaßt. Es wird auch angenommen,
daß die
Auslenkungsrichtung entweder in der Öffnungs- oder Schließrichtung
als positiv ausgedrückt
wird, und der Auslenkungsbetrag ebenfalls einen entweder in der Öffnungs-
oder Schließrichtung gemessenen
positiven Wert annimmt.
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1 ist
ein Graph, welcher eine bevorzugte Beziehung zwischen der Position
und der Bewegungsgeschwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetisch
betätigten
Ventils in Form des Hubs und der Ventilsollöffnungsgeschwindigkeit zum öffnen des Ventils
zeigt;
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2 ist
ein Graph, welcher die Änderung
in einem Strom bezüglich
des Hubs zum öffnen
des Ventils zeigt, während
die in 1 gezeigte Beziehung aufrecht erhalten wird;
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3 ist
ein Graph, welcher die Änderung
in dem Hub L mit einer Zeitachse zeigt, während die in 1 gezeigte
Beziehung aufrechterhalten wird;
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht, welche eine beispielhafte
Struktur eines elektromagnetisch betätigten Einlaßventils
und einen hierauf angebrachten Einlaßventilhubsensor zeigt;
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5 zeigt
schematisch Komponenten, welche einer Stromzufuhrsteuerung/-regelung
für das elektromagnetisch
betätigte
Ventil in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs zugeordnet sind;
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6 ist
ein Flußdiagramm,
welches eine Routine der Stromzufuhrsteuerung/-regelung für das elektromagnetisch
betätigte
Ventil gemäß der Ausführungsform
der Erfindung darstellt; und
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7 ist
ein Graph, welcher eine Rückkopplungsverstärkung zeigt,
welche in Übereinstimmung mit
einer Funktion des Hubs, der Differenz der Bewegungsgeschwindigkeit
des Ankers zwischen dem Sollwert und dem tatsächlichen Wert und der Richtung
der Kraft eines Arbeitsfluids, welches auf den Ventilkörper einwirkt,
berechnet wird.
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht, welche ein Beispiel eines
elektromagnetisch betätigten
Einlaßventils
zeigt, auf welches die Erfindung angewendet wird. Gemäß 4 weist
ein Einlaßkanal 26 einen
dessen Öffnung
einfassenden Ventilsitz 200 auf, und das Öffnungsende
des Einlaßkanals 26 wird
durch ein Ventilelement 28a des Einlaßventils geöffnet und geschlossen. Das
Ventilelement 28a wird von einem Ventilschaft 28b getragen. Mit
Bezug auf die Darstellung in 4 dient
eine Ventilführung 201 dazu,
den Ventilschaft 28b so zu führen, daß er in der vertikalen Richtung
beweglich ist. Eine elektromagnetische Betätigungseinheit 30 bewegt
das Ventilelement 28a zwischen der Ventilöffnungsstellung
und der Ventilschließstellung.
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Die
elektromagnetische Betätigungseinheit 30 weist
ein Gehäuse 300,
einen Kern 301 zum Schließen des Ventils (nachstehend
als der Ventilschließkern 301 bezeichnet),
einen Kern 302 zum öffnen
des Ventils (nachstehend als der Ventilöffnungskern 302 bezeichnet),
eine Spule 303 zum Schließen des Ventils (nachstehend
als die Ventilschließspule 303 bezeichnet),
eine Spule 304 zum öffnen
des Ventils (nachstehend als die Ventilöffnungsspule 304 bezeichnet),
einen Anker 305 und Spiraldruckfedern 306, 307 auf.
Wenn den Spulen 303, 304 kein Strom zugeführt wird,
drängen
die Spiraldruckfedern 306, 307 den Anker in die
neutrale Position zwischen den elektromagnetischen Vorrichtungen,
wie in 4 gezeigt.
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Gemäß der Darstellung
in 4 ist ein Einlaßventilhubsensor 40 direkt
an der elektromagnetischen Betätigungseinheit 30 angebracht.
Der Hubsensor 40 weist ein Gehäuse 400, ein scheibenförmiges Ziel 401 und
einen Spaltsensor 402 auf. Das Gehäuse 400 ist an dem
Gehäuse 300 der
elektromagnetischen Betätigungseinheit 30 befestigt.
Das scheibenartige Ziel 401 ist innerhalb des Gehäuses 400 angeordnet
und an dem oberen Ende des Ventilschafts 28b befestigt.
Der Spaltsensor 402 ist an dem Gehäuse 400 so befestigt,
daß er
dem Ziel 401 gegenüberliegt,
und erkennt eine Abweichung des Ziels 401.
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In
einem Teil des Ventilschafts 28b ist ein Ausdehnungsstück 29 so
montiert, daß es
einen kleinen Grad an Ausdehnung und Zusammenziehung des Ventilschafts 28b zwischen
dem Ventilelement 28a und dem Anker 305 zuläßt. Das
Ausdehnungsstück 29 dient
dazu, zu verhindern, daß ein
dichter Sitz zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz unter
Druck innerhalb des Zylinders bei dem Kompressionshub oder dem Expansionshub
durch den Anker 305, welcher auf den Ventilschließkern 301 und
die Ventilschließspule 302 auftrifft,
unterbrochen wird.
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5 zeigt
schematisch Komponenten gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, welche in der Steuerungs/Regelungsstruktur zum Ausführen eines
Verfahrens zum Steuern/Regeln eines einem elektromagnetisch betätigten Ventils
zugeführten Stroms
in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs enthalten sind. Der Betrieb
des Verbrennungsmotors wird durch ein Steuergerät 100 gesteuert bzw. geregelt.
Gemäß der Darstellung
in 5 umfaßt das
Steuergerät 100 einen
Mikrocomputer, welcher Signale von einem Gaspedalöffnungssensor 1 zum Erfassen
des Betrags einer Betätigung
eines Gaspedals durch einen Fahrer, einem Motordrehzahlsensor 2,
einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 3, einem Längsbeschleunigungssensor 4,
einem Motorkühlmitteltemperatursensor 5,
einem Kurbelwellenwinkelsensor 6, einem Einlaßventilhubsensor 7 (in
dem Beispiel von 4 der Einlaßventilhubsensor 40)
und einem Auslaßventilhubsensor 8 empfängt. Insbesondere
liefert der Gaspedalöffnungssenor 1 ein
Signal, welches eine Gaspedalöffnung
anzeigt. Der Motordrehzahlsensor 2 liefert ein Signal,
welches die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors anzeigt. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 3 liefert
ein Signal, welches die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt. Der Längsbeschleunigungssensor 4 liefert
ein Signal, welches eine Beschleunigung in der Längsrichtung des Fahrzeugs anzeigt.
Der Motorkühlmitteltemperatursensor 5 liefert
ein Signal, welches die Temperatur des Verbrennungsmotors anzeigt.
Der Kurbelwellenwinkelsensor 6 liefert ein Signal, welcher
die Drehstellung einer Kurbelwelle anzeigt. Der Einlaßventilhubsensor 7 (welcher
dem in 4 gezeigten Sensor 40 entspricht) liefert
ein Signal, welches die Öffnung
eines Einlaßventils
anzeigt. Der Auslaßventilhubsensor 8 liefert
ein Signal, welches die Öffnung eines
Auslaßventils
anzeigt. Das Steuergerät 100 bestimmt
auf der Grundlage der von den vorgenannten Eingangssignalen empfangenen
Informationen, d. h., der Informationen über den Betriebszustand des Fahrzeugs
und des Verbrennungsmotors, wie der Verbrennungsmotor zu betreiben
ist. Gemäß dem Bestimmungsergebnis
steuert bzw. regelt das Steuergerät 100 den Betrieb
des in einem Einlaßkanal des
Verbrennungsmotors vorgesehenen Drosselventils 9; eines
Treibstoffeinspritzventils 10 zum Einspritzen von Treibstoff
in die Ansaugluft des Verbrennungsmotors; einer Zündspule 11 zum
Betreiben einer Zündkerze
des Verbrennungsmotors; einer Einlaßventilschließspule 12,
welche der Ventilschließspule 303 in 4 entspricht;
einer Einlaßven-tilöffnungsspule 13,
welche der Ventilöffnungsspule 304 in 4 entspricht;
einer Auslaßventilschließspule 14;
und einer Auslaßventilöffnungsspule.
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Nachstehend
wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Stromzufuhr an ein elektromagnetisch
betätigtes
Ventil gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung mit Bezug auf ein Flußdiagramm
von 6 als ein Beispiel des Steuerungs/Regelungsverfahrens
beschrieben werden. In dieser Ausführungsform wird das Verfahren
verwendet, um die Ventilöffnung
zu steuern bzw. zu regeln. Allerdings bezieht sich die Ausführungsform
genauso auf eine Ventilschließsteuerung/-regelung,
da der Begriff ”Hub
L” für die Auslenkung
des Ventils steht, welches wie mit Bezug auf 1 beschrieben,
geöffnet
und geschlossen wird. Darüber
hinaus sind Schritte in dem Flußdiagramm
gegeben, um die individuellen funktionalen Gesichtspunkte einer
Abfolge von Schritten in dem Verfahren zum Steuern/Regeln der Stromzufuhr
an ein elektromagnetisch betätigtes
Venil gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zu beschreiben.
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Wenn
die Steuerungs/Regelungsroutine durch Einschalten eines Zündschalters
(nicht gezeigt) begonnen wird, werden in Schritt S10 von den zuvor
erwähnten
Sensoren gesendete Signale gelesen. Der Prozeß schreitet zu Schritt S20
fort, wo auf der Grundlage der in Schritt S10 gelesenen Signale bestimmt
wird, ob eine Öffnung
des Ventils erforderlich bzw. vorgeschrieben ist. Falls die Ventilschließsteuerung/-regelung
durchgeführt
wird, wird bestimmt, ob ein Schließen des Ventils erforderlich
ist. Falls Schritt S20 eine positive Antwort (JA) liefert, schreitet
der Prozeß zu
Schritt S30 fort, wo bestimmt wird, ob der Hub L des Ankers gleich
oder kleiner als ein vorbestimmter kleiner Wert La ist, d. h., ob
sich der Anker genügend
weit von dem Ventilschließelektromagneten
entfernt hat. In dem Fall der Ventilschließung wird bestimmt, ob sich
der Anker weit genug von dem Ventilöffnungselektromagneten entfernt hat.
Falls Schritt S30 eine positive Antwort (JA) liefert, schreitet
der Prozeß zu
Schritt S40 fort, wo der Haltestrom, welcher während Schließens des
Ventils dem Ventilschließelektromagneten
zugeführt
worden ist, unterbrochen wird. Dann wird der Prozeß zum Freigeben
des Haltestroms durch Zuführen
eines Rückstroms
an den Ventilschließelektromagneten weiter
durchgeführt,
um das Restmagnetfeld auszulöschen.
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In
Schritt S50 wird durch den Zähler
als ein Teil des Steuergeräts 100 mit
der Zykluszeit des Steuerungs/Regelungsablaufs in Übereinstimmung mit
dem in 6 gezeigten Flußdiagramm die seit Beginn der
Ventilöffnungssteuerung/-regelung
verstrichene Zeit berechnet. Der Zähler beginnt, von 0 aus zu
zählen,
und erhöht
die Zahl N um 1. Der Prozeß schreitet
zu Schritt S60 fort, wo bestimmt wird, ob der Zähler N eine Zahl N1 erreicht
hat, welche der Zeitdauer entspricht, welche der Zähler N gebraucht hat,
um einen Zeitpunkt t1 von Beginn des Ventilöffnungsvorgangs an zu erreichen.
Der Zeitpunkt t1 wird später
im Detail beschrieben. Falls der Hub L auf La oder mehr erhöht wird,
während
Schritt S60 eine negative Antwort (NEIN) liefert, und daher die
Bestimmung in Schritt S30 von JA zu NEIN geändert wird, schreitet der Prozeß zu Schritt
S70 fort. In Schritt S70 wird bestimmt, ob der Hub L des Ankers gleich
oder kleiner als ein vorbestimmter Wert Lb ist (siehe 3).
Der vorbestimmte Wert Lb entspricht dem Wert, welcher einen vorbestimmten
Betriebsbereich mit hohem Wirkungsgrad angibt. Der Prozeß kehrt
zu Schritt S10 zurück,
bis Schritt S70 eine negative Antwort (NEIN) liefert. Wenn die Bestimmung in
Schritt S70 von JA zu NEIN wechselt, schreitet der Prozeß zu Schritt
S80 fort.
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In
Schritt S80 wird bestimmt, ob der Hub L einen vorbestimmten Wert
Lo erreicht hat (siehe 3). Der Hub Lo gibt an, daß sich das
Ventil im wesentlichen in einem vollständig geöffneten Zustand befindet. Der
Anker kann auf den Elektromagneten auftreffen und davon abprallen,
wenn der Hub den vollständig
geöffneten
Hub erreicht (siehe 3). Der Unterschied zwischen
dem Moment des Auftreffens und der durch den Steuerungs/Regelungsablauf repräsentierten
Zeit kann eine Bestimmung des Moments, in welchem das Ventil vollständig geöffnet ist,
stören.
Unter Berücksichtigung
der zuvor erwähnten
Differenz wird der vorbestimmte Hub Lo auf einen Wert festgelegt,
welcher geringfügig
kleiner als der des vollständig
geöffneten
Zustands ist. Die Steuerungs/Regelungsroutine schreitet zu Schritt
S90 fort, solange Schritt S80 eine positive Antwort (JA) liefert.
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In
Schritt S90 wird bestimmt, ob ein Flag F1 auf ”1” gesetzt ist. Grundsätzlich wird
nach Beginnn der Steuerungs/Regelungsroutine das Flag F1 auf 0 zurückgesetzt.
Das Flag F1 ist daher 0, wenn die Steuerungs/Regelungsroutine das
erste mal zu Schritt S90 fortschreitet. Demgemäß wird die Bestimmung in Schritt
S90 negativ (NEIN), und der Prozeß schreitet zu Schritt S100
fort. In Schritt S100 wird eine Karte berechnet, welche eine Beziehung
zwischen dem Hub L und einer Ventilsollöffnungsgeschwindigkeit Vt anzeigt,
wie in 2 gezeigt. Die vorgenannte Karte wird auf der
Grundlage des Betriebszustands des Verbrennungsmotors in dem Moment,
in dem das elektromagnetisch betätigte
Ventil geöffnet
ist, berechnet. Die Berechnung wird auf der Grundlage von Signalen
der jeweiligen Sensoren durchgeführt,
wie in 5 gezeigt. Die berechnete Karte wird nur einmal
zu Beginn jedes Ventilöffnungs(schließ)vorgangs
festgelegt, indem Schritt S90 zum Bestimmen des Werts des Flags
F1 und Schritt S110 zum Festlegen des Flags F1 auf 1 ausgeführt werden.
Ersatzweise kann die Karte durch andere Prozeduren berechnet werden,
als eine nur einmalige Berechnung in dem Moment in dem Ventilöffnungs-
oder -schließvorgang,
wenn der Hub L den Wert Lb in der Ausführungsform erreicht.
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In
Schritt S120 wird der Strom If, welcher durch Vorwärtsregelung
bzw. Störgrößenaufschaltung,
also durch Steuerung aus dem Gesamtbetrag des der Ventilöffnungsspule
zugeführten
Stroms auf der Grundlage der in Schritt S100 berechneten Karte und
der die Beziehung zwischen dem Hub L und dem zugeführten Strom
angebenden Karte, wie in 2 gezeigt, berechnet. Der Prozeß schreitet
dann zu Schritt S130 fort.
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In
Schritt S130 wird die Ventilöffnungsgeschwindigkeit
V in jedem Moment des Steuerungs/Regelungsablaufs mit der Ventilsollöffnungsgeschwindigkeit
Vt, welche jedem Moment entspricht, verglichen. Die Differenz zwischen
der Ventilöffnungsgeschwindigkeit
V und der Ventilsollöffnungsgeschwindigkeit
Vt wird berechnet (Vt(ΔV
= V – Vt)).
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Die
Verarbeitung schreitet zu Schritt S140 fort, in welchem eine Rückkopplungs-
bzw. Regelungsverstärkung
Gb gemäß der Funktion
K(L, ΔV,
P) berechnet wird. Falls die Fließrichtung des Arbeitsfluids,
welches auf das Ventilelement einwirkt, die gleiche wie die Bewegungsrichtung
des Ventilelements ist, wird der Parameter P positiv. Falls diese
Richtungen unterschiedlich sind, wird der Parameter P negativ. Die
zum Berechnen der Rückkopplungsverstärkung Gb
verwendete Funktion K kann als die in 7 gezeigte
Beziehung verwendet werden. Gemäß der Darstellung
in 7 wird die Rückkopplungsverstärkung größer, wenn
der Abstand (= Lo – L)
zwischen dem Anker und dem Elektromagneten, welcher den Anker anziehen
soll, vergrößert wird.
Falls ΔV
relativ klein ist, kann die Rückkopplungsverstärkung auf
einen Wert vergrößert werden,
welcher größer als
der Wert ist, welcher erhalten wird, wenn ΔV relativ groß ist. Falls
P positiv ist, kann die Rückkopplungsverstärkung auf
einen Wert vergrößert werden,
welcher größer ist
als der Wert, welcher erhalten wird, wenn P negativ ist.
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In
Schritt S150 wird ein Stromwert Ib, welcher durch die (rückgekoppelte)
Regelung aus dem Gesamtbetrag des dem Ventil zuzuführenden
Strom zugeführt
wird, auf der Grundlage der Differenz ΔV und der Rückkopplungsverstärkung Gb
berechnet. Die Rückkopplungsverstärkung Gb
wird auf einen positiven Wert festgelegt, wenn die Differenz ΔV einen positiven
Wert hat. Der Stromwert Ib wird unter Verwendung der Gleichung Ib
= –Gb·ΔV berechnet. Dann
wird in Schritt S160 der Wert I des der Ventilöffnungsspule zugeführten Stroms
unter Verwendung der Gleichung I = If + Ib berechnet. Der Stromwert
Ib, welcher durch die (rückgekoppelte)
Regelung zugeführt
wird, wenn die tatsächliche
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers größer als die Sollbewegungsgeschwindigkeit
ist, wird durch Subtrahieren des Absolutwerts von Gb·ΔV von dem
durch die vorwärtsgekoppelte
Steuerung zugeführten
Stromwert If erhalten. Daher wird, wenn ΔV einen negativen Wert aufweist,
d. h., die tatsächliche
Bewegungsgeschwindigkeit geringer als die Sollbewegungsgeschwindigkeit
ist, die Regelung unter Verwendung der Rückkopplungsverstärkung Gb
durch Addieren des dem Absolutwert von ΔV proportionalen Stromwerts
zu dem durch die Steuerung zugeführten Stromwert
durchgeführt.
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In
Schritt S160 wird die Summe des durch die Steuerung zugeführten Stroms
If und des durch die Regelung zugeführten Stroms Ib als der Strom
I erhalten. In Schritt S170 wird der Ventilöffnungsspule Strom gemäß dem Hub
L und dem Stromzufuhrmuster gemäß der Darstellung
in 2 zugeführt.
Gemäß dem in 2 gezeigten
Muster wird der der Ventilöffnungsspule
zugeführte
Strom zu einem Zeitpunkt, wenn das Ventil um ein Drittel geöffnet worden ist,
schnell auf einen großen
Wert I1 vergrößert. Dann
wird der Wert I1 des Stroms für
eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten. Wenn die Ventilöffnungsoperation
den vollständigen Öffnungszustand erreicht
ist, wird der Wert nach und nach auf den kleinen Wert I2 vermindert.
Der Stromwert wird weiter auf den Haltestrom vermindert, wenn das
Ventil vollständig
geöffnet
ist.
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Die
vorgenannten Schritte S10 bis S170 werden alle paar zehn Mikrosekunden
bis alle paar hundert Mikrosekunden wiederholt. Falls die Ventilöffnungsoperation
normal fortschreitet, ändert
sich die Bestimmung in Schritt S80 von JA zu NEIN. In diesem Moment
wird die Ventilöffnungsoperation
abgeschlossen.
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In
dem Fall, in welchem Schritt S60 eine positive Antwort (JA) liefert,
bevor die Bestimmung in Schritt S80 von JA zu NEIN wechselt, d.
h. der Hub L gleich oder kleiner als La gehalten wird, auch wenn trotz
des Freigabeprozesses die Zeit verstreicht, bis der Zähler N den
Wert N1 erreicht, schreitet der Prozeß zu Schritt S180 fort. Der
Zeitpunkt t1, welcher durch eine strichpunktierte Linie bzw. Kettenlinie
in 3 gezeigt ist, gibt die Verzögerungsgrenze in der Ventilöffnung/-schließung an.
Falls die Verzögerung in
der Ventilöffnung/-schließung sich
unterhalb des Zeitpunkts t1 befindet, kann die Operation des Ventils in
den nachfolgenden Zyklen der Operation in einen normalen Zustand
zurückgeführt werden.
Wenn der Prozeß zu
Schritt S180 fortschreitet, wird die Ventilöffnungsoperation angehalten,
und der Prozeß schreitet
zu Schritt S190 fort, in welchem der Ventilschließspule Strom
zugeführt
wird.
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In
der Ausführungsform
wird das Ventil von dem geschlossenen Zustand aus geöffnet. Eine
solche Ventilöffnung
wird durch Zuführen
eines Stroms der Ventilschließspule
in Schritt S190 durchgeführt. In
dem Fall, in welchem die Ventilöffnung
versagt, wird das Ventil in den geschlossenen Zustand gebracht,
um die Steuerungs/Regelungsroutine zu beenden. In dieser Ausführungs form
schreitet jedoch der Prozeß weiter
zu Schritt S200 fort, wo durch Schließen des Ventils in dem Zylinder,
welcher das zu öffnende
Ventil aufweist, eine entsprechende Prozedur ausgeführt wird.
Insbesondere kann das Auslaßventil
geschlossen werden, wenn das Einlaßventil zu öffnen ist. Indessen kann das
Einlaßventil
geschlossen werden, wenn das Auslaßventil zu öffnen ist.
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Das
Flußdiagramm,
welches in 6 gezeigt ist, stellt die Steuerungs/Regelungsroutine
zum öffnen
des Ventils in dem geschlossenen Zustand dar. Andererseits kann
die Steuerungs/Regelungsroutine zum Schließen des Ventils in dem geöffneten Zustand
durch Modifizieren der Steuerungs/Regelungsprozedur ausgeführt werden.
Z. B. wird die Ventilöffnungsbestimmung
in Schritt S20 in die Ventilschließbestimmung geändert, der
Hub L wird so geändert,
daß er
die Auslenkung aus der vollständig
geöffneten
Stellung zu der vollständig
geschlossenen Stellung hin angibt, in Schritt S180 wird die Ventilschließoperation
unterbrochen, in Schritt S190 wird der Ventilöffnungsspule Strom zugeführt, und
dergleichen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf eine Ausführungsform genauer beschrieben
worden ist, sollte vom Fachmann verstanden werden, daß vielfältige Modifizierungen
an der Ausführungsform
vorgenommen werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, welcher durch die anliegenden
Ansprüche
definiert ist.
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Vorstehend
wurde ein Verfahren und ein System zum Steuern/Regeln des einem
elektromagnetisch betriebenen bzw. betätigten Ventil zugeführten Stroms
vorgestellt.
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Wenn
eine Verschiebung eines Ankers eines elektromagnetisch betätigten Ventils
auch nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer vom Umschalten Öffnen/Schließen des
Ventils nicht erreicht, wird bestimmt, daß ein Blockieren aufgetreten
ist, oder daß ein
Auftreten eines Blockierens bevorsteht, und dann wird die Steuerung
der Ventilöffnung/-schließung geändert. Die
Ventilöffnungs/-schließsteuerung/-regelung
wird z. B durch Unterbrechen der Stromzufuhr an das Ventil zum Anziehen
des Ankers, welches von dem anderen Ventil freigegeben worden ist,
geändert.