DE19922969A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Ventiltriebs zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Ventiltriebs zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, dessen Bestromung über eine Motorsteuerung gesteuert wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine laufende Anpassung der Steuer- und Regelparameter an die jeweiligen Betriebszustände der Kolbenbrennkraftmaschine über eine Erfassung der jeweiligen Ist-Zustände und/oder über abgelegte Kennfelder in der Motorsteuerung und/oder über laufende Messungen erfolgt und daß hieraus jeweils die Bestromung so erfolgt, daß der Anker des elektromagnetischen Ventiltriebs mit der geringstmöglichen Geschwindigkeit auftrifft.

Description

Ein elektromagnetischer Ventiltrieb zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine muß der­ art in seiner Bestromung geregelt werden, daß die Auftreffge­ schwindigkeit des Ankers sehr klein gehalten wird. Bei wech­ selnden Betriebsbedingungen (Drehzahl und insbesondere Last, Temperatur etc.) ist die Auslegung eines Reglers nahezu un­ möglich, da die Reglerparameter abhängig vom jeweiligen Be­ triebszustand anders eingestellt werden müssen.

Ein weiteres Problem des elektromagnetischen Ventiltriebs be­ steht darin, daß bedingt durch die Klebzeiten des Ankers an der Polfläche nicht beliebig kurze Steuerzeiten eingestellt werden können.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Reglerparame­ ter, wie beispielsweise P-Anteil eines PID-Reglers, abhängig vom Betriebszustand eingestellt. Hierzu wird eine Information der Motorsteuerung über den momentanen Betriebszustand ge­ nutzt. Diese Information kann entweder unmittelbar in Form einer Lastinformation, Drehzahlinformation oder ähnliches an den Regler übermittelt werden, der dann seine Parameter ent­ sprechend anpaßt. Oder in der Motorsteuerung sind die jewei­ ligen Reglerparameter für den aktuellen Betriebszustand hin­ terlegt, beispielsweise in Form eines Kennfeldes und werden an den Regler übermittelt.

Bestimmte Daten können auch in der Reglereinheit selber er­ mittelt werden. So kann z. B. aus dem Wegsignal der vorausge­ gangenen Schaltzyklen eine Information über den Sensorwert (Wegsignal) in der Endlage, also bei anliegendem Anker, er­ mittelt werden. Hierdurch wird eine Selbstkalibration er­ zielt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, aus der Bestimmung der Ruhelage des Ankers eine unsymmetrische Parametrierung des Reglers für Öffnen und Schließen zu veranlassen, wenn die Ruhelage des Ankers sich nicht exakt in der Mitte zwischen den beiden Polflächen befindet. Somit kann eine genaue Ein­ stellung der Mittellage eingespart werden. Dies ist wichtig für eine Reduzierung der Serviceintervalle.

Auch eine Anpassung an unterschiedliches Ventilspiel kann so erfolgen. Dabei wird das Ventilspiel über eine Messung er­ faßt, oder aber eine erforderliche Parametervariation aus den Erkenntnissen der vorhergehenden Arbeitsspiele abgeleitet.

Die "Erkenntnisse" des Reglers können ebenso verwendet wer­ den, um den Ablösevorgang d. h. den Beginn der Anker/Ventil­ bewegung zu steuern. Bisher wurden unterschiedliche Abfall­ verzugszeiten (T1-Zeiten) in Kauf genommen bzw. durch Vorga­ ben aus der Motorsteuerung versucht zu kompensieren. Solche unterschiedlichen "Kleb"zeiten sind zum einen Folge von Ge­ gendruckschwankungen bedingt durch die zyklischen Schwankun­ gen des Verbrennungsmotors bzw. unterschiedliche Lastzustän­ de. Zum anderen hängen sie auch von den magnetischen Gegeben­ heiten des Aktuators ab und sind somit typenstreuungsabhän­ gig. Weiterhin kann es erforderlich sein, den jeweiligen Ab­ schaltzeitpunkt des Stromes in Abhängigkeit der zu erwarten­ den Flugzeit zu ändern. Alle diese Einflüsse kann die Rege­ leinheit durch Beobachtung feststellen und entsprechend im nächsten Zyklus durch Korrektur der Abschaltzeit kompensie­ ren.

Durch Beobachtung der Abfallverzugszeit, beispielsweise für den Fall des Auslaß-Öffnet-Ereignis, kann auf den jeweils ak­ tuellen Zylindergegendruck rückgeschlossen werden und hieraus auf zyklische Schwankungen geschlossen werden. Die Möglich­ keit zu einer solchen Beobachtung kann unterstützt werden, indem die Stromabschaltung durch die Schließerspule derart frühzeitig erfolgt, daß das Ventil noch durch den Abgasgegen­ druck in der geschlossen Position gehalten wird. Es ist mög­ lich, auch unter Berücksichtigung des Ventilspiels, dann durch Messung des Spannungsverlaufes beim Ablösen oder ein­ fach auch durch Wegerfassung den Ablösezeitpunkt zu erfassen und aus der zu diesem Zeitpunkt vorliegen Kolbenstellung (Kurbelwinkel) auf den Druckverlauf und dessen Änderung ge­ genüber den vorausgegangen Zyklen zu schließen.

Durch die zu Beginn beschriebene Übergabe von Parametern an den Regler ergibt sich außer dem oben erwähnten Vorteil eine bessere Steuerbarkeit der gesamten Kolbenbrennkraftmaschine. Hierzu wird der Regler aus der Motorsteuerung über die Not­ wendigkeit informiert, kleine Ventilöffnungszeiten (kleine Last bei hoher Drehzahl) zu realisieren. Damit eine entspre­ chend kleine Ventilöffnungszeit nun nicht verhindert wird durch eine zu lange Klebzeit, wird der Regler so gesteuert, daß der Anker nicht bis an die Polfläche herangezogen wird, sondern vielmehr kurz davor "schwebt". Aus diesem Zustand heraus kann die Schließbewegung ohne Zeitverzug eingeleitet werden, indem der Stromfluß durch die Öffnerspule reduziert bzw. abgeschaltet wird.

Als Beispiele können verschiedenne Arten von bei der Parame­ teradaption zu berücksichtigenden Einflüssen angegeben wer­ den: nämlich zum einen schnellveränderliche Einflüsse, wie der Gegendruck beim Öffnen des Ventils, der zyklisch schwan­ kend ist. Ferner mittelschnelle Einflüsse, wie Temperaturän­ derungen, Spulenwiderstand, Reibung, Ventilspiel, Sensor­ offset (also beispielsweise eine Drift des Sensors durch Tem­ peratureinflüsse, mechanische Einflüsse). Schließlich lang­ fristige Änderungen (Mittellage = Ruhelage des Ankers, Hub, Ventilmasse, Reibung).

Bei den langfristigen Parametern dürfen naturgemäß keine schnellen Anpassungen des Modells vorgenommen werden, da ent­ sprechend schnelle Änderungen nicht vorkommen können und es sich somit um Artefakte handeln muß. Auch bei den mittel­ schnellen Änderungen muß die Anpassungsgeschwindigkeit an die neu ermittelten Werte begrenzt werden. Dies kann erfolgen durch Mittelung (z. B. gleitende Mittelwertbildung) oder Tief­ paßfilterung. Weiterhin ist eine Plausibilitätsüberprüfung durchzuführen. Wenn ein ermittelter Modellparameter außerhalb eines sinnvollen Bereiches liegt, oder einen zu starke Ände­ rung gegenüber vorher aufweisen würde, wird der neu ermittel­ te Wert verworfen.

Sollte ein Ventil "ausfallen", d. h. bei der aktuellen Ein­ stellung der Modellparameter nicht am Anker ankommen. So wird für den "Wiederstart" des Ventils eine unkritische Grundein­ stellung für die Modellparameter gewählt, bei denen dann die Auftreffgeschwindigkeit durchaus größer sein kann, die Be­ triebssicherheit dann aber jedenfalls wieder gewährleistet ist.

Solche unkritische Grundeinstellung kann auch nach einem Kom­ ponententausch oder einem anderen Werkstatteingriff erfolgen.

Auch beim Start des Motors ist es sinnvoll, einen Teil der Parameter (mittelfristige) aus einer unkritischen Grundein­ stellung zu entnehmen.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in einer schematischen Zeichnung in Fig. 1 ein über eine Motorsteuerung ansteuerba­ rer elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gas­ wechselventils dargestellt.

Ein elektromagnetischer Aktuator 1 zur Betätigung eines Gas­ wechselventils 2 besteht im wesentlichen aus einem Schließma­ gneten 3 und einem Öffnermagneten 4, die im Abstand zueinan­ der angeordnet sind und zwischen denen ein Anker 5 gegen die Kraft von Rückstellfedern, nämlich einer Öffnerfeder 7 und einer Schließfeder 8 hin und her bewegbar geführt ist. In der Zeichnung ist die Anordnung in Schließstellung dargestellt und zwar in der "klassischen" Anordnung der Öffnerfeder und der Schließfeder. Bei dieser Anordnung wirkt die Schließfeder 8 unmittelbar über einen mit dem Schaft 2.1 des Gaswechsel­ ventils 2 verbundenen Federteller 2.2 ein. Die Führungsstange 11 des elektromagnetischen Aktuators ist vom Schaft 2.1 ge­ trennt, in der Regel ist hier in der Schließstellung ein Spalt in Form des sogenannten Ventilspiels VS vorhanden. Die Öffnerfeder 7 stützt sich wiederum auf einem Federteller 11.1 an der Führungsstange 11 ab, so daß in der Mittellage unter der gegeneinandergerichteten Wirkung von Öffnerfeder 7 und Schließfeder 8 die Führungsstange 11 sich auf dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 abstützt.

Es ist auch möglich, an der Stelle der Öffnerfeder 7 nur eine einzige Rückstellfeder vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß sie jeweils beim Überschwingen des Ankers 5 über die Mittel­ lage eine entsprechende Rückstellkraft aufbaut. Eine geson­ derte Schließfeder 8 entfällt damit. Bei einer derartigen An­ ordnung muß allerdings die Führungsstange 11 mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils über ein entsprechendes Kop­ pelelement verbunden sein, das die Hin- und Herbwegung des Ankers in gleicher Weise auf das Gaswechselventil 2 über­ trägt.

Die Schließfeder 8 und die Öffnerfeder 7 sind nun in der Re­ gel so ausgelegt, daß in Ruhestellung, d. h. bei nichtbe­ stromten Elektromagneten der Anker 5 sich in der Mittellage befindet. Aus dieser Mittellage heraus muß dann entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren zur Inbetriebnahme der zugehö­ rigen Kolbenbrennkraftmaschine der elektromagnetische Aktua­ tor 2 mit seinem Gaswechselventil 2 gestartet werden.

Die Elektromagneten 3 und 4 des Aktuators 1 werden über eine elektronische Motorsteuerung 9 entsprechend den vorgegebenen Steuerprogrammen und in Abhängigkeit von den der Motorsteue­ rung zugeführten Betriebsdaten, wie Drehzahl, Temperatur etc. angesteuert.

Dem Aktuator 1 ist ein Sensor 10 zugeordnet, der die Erfas­ sung der Aktuatorfunktionen ermöglicht. Der Sensor 10 ist hier schematisch dargestellt. Je nach der Auslegung des Sen­ sors kann beispielsweise der Weg des Ankers 5 erfaßt werden, so daß die jeweilige Ankerposition der Motorsteuerung 9 über­ mittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 kann dann über entsprechende Rechenoperationen ggf. auch die Ankergeschwin­ digkeit ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der An­ kerposition und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwin­ digkeit die Bestromung der beiden Elektromagneten 3, 4 ge­ steuert werden kann.

Der Sensor 10 muß nicht zwangsläufig, wie dargestellt, dem Anker 5 seitlich zugeordnet sein, sondern es ist auch mög­ lich, entsprechende Sensoren im Bereich der Polfläche der je­ weiligen Elektromagneten anzuordnen oder aber auch, wie mit dem Sensor 10.1, einer mit dem Anker 5 in Verbindung stehen­ den Taststange 11.1 zuzuordnen.

Der in der schematischen Zeichnung dargestellte Sensor 10 ist, wie vorstehend bereits ausgeführt, nicht in seiner geo­ metrischen Position dargestellt. Der Sensor 10 ist Teil der Gesamtsensorik der Motorsteuerung.

Die Motorsteuerung 9 weist ferner entsprechende Mittel zur Erfassung des Stroms und der Spannung für den jeweiligen Elektromagneten 3 und 4 sowie zur Veränderung des Stromver­ laufs und des Spannungsverlaufs auf. Über die Motorsteuerung 9 kann dann in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsprogram­ men, ggf. gestützt auf entsprechende Kennfelder, der Aktuator 1 des Gaswechselventils 2 vollvariabel angesteuert werden, so beispielsweise hinsichtlich des Beginns und des Endes der Öffnungszeiten. Auch Ansteuerungen hinsichtlich der Höhe des Öffnungshubes oder auch der Zahl der Öffnungshübe während ei­ ner Schließzeit sind steuerbar.

Als Beispiel für eine schnelle Parameteradaption sei hier kurz der Abgasgegendruck erläutert:
Aus dem ersten Teil des Wegverlaufes bzw. des Geschwindig­ keitsverlaufes über der Zeit kann abgeschätzt werden, wie groß der Gegendruck ist. Beispielsweise kann hierzu die Ge­ schwindigkeit nach einer bestimmten Zeit mit einem Vorgabe­ wert verglichen werden. Ist die Geschwindigkeit beispielswei­ se kleiner als der Vorgabewert eines Niedriglastpunktes, so kann aus dem Quotienten des Vorgabewertes zu dem gemessenen Wert über eine Tabelle der entsprechende Gegendruckparameter ermittelt werdcn. Statt dessen kann eine entsprechend anders geDullte Tabelle naturgemäß auch die Differenz als Eingangs­ größe erhalten.

Durch eine solche Abschätzung der sich von Zyklus zu Zyklus ändernden Parameter ist die Verwendung von Sensoren möglich, die teilweise" blind" sind. Fig. 2 gibt beispielsweise ein Sensorsignal eines GMR(Giant Magnetic Resistance)-Sensors wieder, der aufgrund seiner Richtungsabhängigkeit vom Magnet­ feld in den jeweiligen Endbereichen des Ventilhubs (hier ca. 0-2 mm und 6-8 mm) eine hohe Wegsensitivität aufweist, im Mit­ telbereich aber praktisch keine.

Bei Beginn der Bewegung wird nun der Gegendruckeinfluß aus dem Verhalten des Ankers auf dem ersten Wegstück bestimmt. Während der Sensor kein brauchbares Signal liefert kann das Modell des Beobachters, das nun mit den Informationen über den abgeschätzten Gesgendruckeinfluß gefüttert ist, den wei­ teren Wegverlauf des Ankers recht genau abschätzen und somit dem Regler recht gute Informationen über den aktuellen Weg­ verlauf liefern Kommt der Anker dann in den Bereich der ande­ ren Endlage, so gibt das Sensorsignal wieder recht genaue In­ formationen, so daß dann mit diesen Zusatzinformationen ein Ankommen mit niedriger Geschwindigkeit erzielt werden kann.

Die Parameter, die vom Gegendruck beeinflußt werden, können bei Verwendung mehrerer Auslaßventile jeweils wechselseitig verglichen und ggf. korrigiert werden. Dabei kommen Methoden wie Mittelwertbildung oder je nach Ausführung auch Maximal­ wertbildung (für größtmögliche Ausfallsicherheit) in Frage. Bei nicht gleichzeitiger Betätigung der Auslaßventile kann die Information des früher öffnenden Ventils schon für das später öffnende verwendet werden.

Zur Anpassung der Parameter kann auch die "Eigenlernfähig­ keit" neuronaler Netze ausgenutzt werden. Hierbei können ent­ weder alle Parameter oder auch nur ein Teil angepaßt werden, es kann auch sogar die gesamte Modellbildung durch ein neuro­ nales Netz realisiert werden.

Auch können Fuzzy basierte Regler bzw. auch Fuzzy basierte Algorithmen zur Anpassung der Parameter verwendet werden. Auch hier kann eine entsprechende teilweise oder vollständige Implementation in Fuzzy-Technik erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit, wie man bei Vorhandensein von Ven­ tilspiel ein sanftes Auftreffen von Ventil und Anker errei­ chen kann, ist die Regelung auf eine konstant niedrige Ge­ schwindigkeit im Bereich des erwarteten Ventilaufsetzens. Hierbei ist dann auch die Kenntnis des genauen Wertes des Ventilspiels nicht erforderlich.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen den idealisierten Verlauf von Weg und Geschwindigkeit. In Fig. 3 ist der Wegverlauf zu erkennen, der zunächst entsprechend der üblichen cosinusförmigen Kurve verläuft, um dann bei Annäherung an die Endposition einen li­ nearen Verlauf anzunehmen. Linearer Verlauf bedeutet konstan­ te Geschwindigkeit. Dies ist in Fig. 4 zu erkennen. Hier ist die Geschwindigkeit über dem Weg aufgetragen. Bei einem der­ artigen Regler ist es nun gleichgültig, ob das Aufsetzen des Ventils 0,1 mm oder beispielsweise 0,3 mm vor dem Aufsetzen des Ankers aufsetzt, da auf jeden Fall die Auftreffgeschwin­ digkeit recht niedrig ist.

Ein realistischer Verlauf ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Selbst bei einem nicht optimierten Regler erkennt man, daß die Geschwindigkeit jeweils unterhalb von ca. 0,2 m/s ver­ bleibt und teilweise auch deutlich niedriger wird.

Man erkennt in allen diesen Bildern, daß aufgrund des "An­ chleichens" in der letzten Phase der Bewegung ein relativ langer Bewegungsvorgang die Folge ist. Dies wäre bei hohen Drehzahlen eher störend. Dort kommt es allerdings nicht auf so kleine Aufsetzgeschwindigkeiten an, weil dort das restli­ che Motorgeräusch bereits dominant ist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Regelparameter an den Betriebspunkt anzupas­ sen, damit bei hohen Drehzahlen ein zügigeres Schließen ge­ währleistet ist.

In Fig. 7 sind im Vergleich konventionelle Ventilhübe (Fig. 7.1 und 7.2) zu einem Ventilhub in einer Ansteuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 7.3) dargestellt.

Fig. 7.1 zeigt eine "normale" Öffnungs- und Schließbewegung eines Gaswechselventils, bei der der Anker jeweils abwech­ selnd an der zugeordneten Polfläche der beiden Elektromagne­ ten zur Anlage kommt und dort über einen von der Motorsteue­ rung vorgebbaren Zeitraum gehalten wird.

Fig. 7.2 zeigt eine Ansteuerung für einen sogenannten "Freiflug". Der Anker 5 liegt beispielsweise am Schließmagne­ ten 3 an. Wird der Schließmagnet 3 stromlos gesetzt, bewegt sich der Anker 5 in Öffnungsrichtung. Wird nun der Öffnerma­ gnet 4 nicht bestromt, kehrt der Anker 5 unter der Einwirkung der Schließfeder 8 seine Bewegung in Richtung auf den Schließmagneten 3 um und kann bei entsprechender Bestromung wieder gefangen werden. Dementsprechend ergibt sich ein redu­ zierter Öffnungshub.

Um für den Öffnungsvorgang die Klebzeit des Ankers 5 am Schließmagneten 3 zu minimieren, oder gar auszuschalten, be­ steht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie eingangs be­ schrieben, durch eine entsprechende Parametrierung aus den aktuellen Betriebsdaten die Möglichkeit, den "haltenden" Ma­ gneten so zu bestromen, daß der Anker 5 auf seinem Weg von der Öffnungsstellung nicht an der Polfläche zur Anlage kommt sondern kurz davor "schwebt". Damit kann der Schließvorgang praktisch ohne Zeitverzug eingeleitet werden. Dieser Vorgang ist in Fig. 7.3 dargestellt.

Claims (1)

1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Ventiltriebs zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrenn­ kraftmaschine, dessen Bestromung über eine Motorsteuerung ge­ steuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine laufende An­ passung der Steuer- und Regelparameter an die jeweiligen Be­ triebszustände der Kolbenbrennkraftmaschine über eine Erfas­ sung der jeweiligen Ist-Zustände und/oder über abgelegte Kennfelder in der Motorsteuerung und/oder über laufende Mes­ sungen erfolgt und daß hieraus jeweils die Bestromung so er­ folgt, daß der Anker des elektromagnetischen Ventiltriebs mit der geringstmöglichen Geschwindigkeit auftrifft.