EP1171702B1 - Schaltung zur steuerung mindestens eines jeweils elektromechanisch betätigten ein- und auslassventils einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1171702B1
EP1171702B1 EP00936636A EP00936636A EP1171702B1 EP 1171702 B1 EP1171702 B1 EP 1171702B1 EP 00936636 A EP00936636 A EP 00936636A EP 00936636 A EP00936636 A EP 00936636A EP 1171702 B1 EP1171702 B1 EP 1171702B1
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valves
placement
control
circuit
arrangement according
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Volker Eichenseher
Andreas Hartke
Thomas Vogt
Markus Teiner
Achim Koch
Frank Queisser
Wolfgang Menzel
Thomas Seidenfuss
Karl-Heinz Ebeling
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Bayerische Motoren Werke AG
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Siemens AG
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2201/00—Electronic control systems; Apparatus or methods therefor
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D2041/001—Controlling intake air for engines with variable valve actuation

Definitions

  • the invention relates to a circuit for control at least of an electromechanically operated input and Exhaust valve of an internal combustion engine.
  • Electromechanical actuators for Gas exchange valves are for example from DE 297 12 502 U1 or EP 0 724 067 A1. You assign one between one closed and an open position rest position from which they are deflected by means of electromagnets can.
  • the respective Winding energized, with the required current in the capture phase is greater than in the holding phase, in which the valve is in an end position is held.
  • the corresponding electromagnet is simply powered pressurized, the valve disc hits at high speed on the valve seat, which is noise-generating and wear-promoting is. To avoid this, the impact speed should be be be reduced. For this purpose, mechanical stop damping examined.
  • the current supply is advantageously suitably regulated, which, however, requires a relatively complex control algorithm since this regulation must be done in real time. For example is to regulate the impact speed available time span only a few milliseconds.
  • EP 0 724 067 A1 discloses a control system for electromagnetic operated valves.
  • the control system has a CPU as well an energization timing control circuit.
  • This energization timing control circuit supplies the electromagnets via power amplifiers of a valve.
  • the CPU sets the opening and Closing times of the valve determines and provides a corresponding Counter read out by the energization timing control circuit becomes.
  • EP 0 724 067 A1 thus discloses a separation between control of the electromagnets and specification of Time control, which is done by the CPU. Any Attachment control for low-noise, gentle attachment of the valves in the end positions is not in EP 0 724 067 A1 mentioned.
  • EP 0 376 716 A1 describes a valve control with which a Avoid placing the valves too hard.
  • the control device disclosed here for an electromagnetic actuated gas exchange valve has a control unit that contains an EPU and an input / output interface.
  • the proposed touchdown control is implemented directly by the CPU.
  • JP 61076713 The Japanese patent abstract for JP 61076713 is based on that Problem of the touchdown regulation by for the gentle touchdown is suggested just before touchdown in a End position a short, exerting a counterforce on the anchor To energize the electromagnets.
  • the for Execution of this method has circuit described a CPU and connected to the CPU via a multiplexer Driver circuits for the electromagnetic valves.
  • the invention is based on the knowledge that the regulation the impact speed from the communication with the operating control unit and the generation of a timing signal be separated from the specifications of the operating control unit should.
  • the communication computer carries out communication preferably via a CAN bus by the operating control device of the internal combustion engine and generated from the crankshaft signal also supplied and the timing signals for the touchdown controller. These timing signals are each usually a digital signal where the rising Flank a valve opening and the falling flank a valve closing instructs.
  • each Cylinder will have its own time control signal Lift controller in unidirectional communication fed to.
  • there can also be a separate one for each coil Timing signal can be provided for greater freedom when Actuate the coils to get.
  • the communication computer evaluates the crankshaft signal, communication with the operating control device of the internal combustion engine and depends on the operating control unit received data the timing signals for the touchdown controller generated, the latter are used for the rule application kept free and the regulation is not used by other (communication) Tasks interrupted.
  • the tasks can continue touchdown control by using multiple touchdown controls can be parallelized, making one control algorithm less fails time-critical. Because with the communication computer a central communication and time control unit there is only one communication partner for other control units and there are no misalignments of the individual slip-on regulators and therefore the electromechanical one actuated gas exchange valves possible. Because advantageously the touchdown controllers work digitally and with the communication computer also via a serial interface are connected and via these the states of the electromechanical actuated gas exchange valves to the communication computer report, all states are known and available centrally.
  • the communication computer can instruct to shut down the other two valves of the cylinder, i.e. to drive into the closed position. Then can the internal combustion engine in an emergency mode without this cylinder run without unburned fuel in the exhaust system or combustion gases would get into the intake tract.
  • the provision of several touchdown regulators further enables one mutual monitoring of all used in the circuit Processors, in particular that of the communications computer and that of the touchdown controller.
  • the coils are electromechanical Gas exchange valves from the touchdown regulators AND gate controlled, the second input with the Time control signal sent from the communications computer to the touchdown controller delivers, can be controlled if the touchdown controller this unlocked by a corresponding locking member Has.
  • the circuit of FIG. 1 is used to control electromechanically driven gas exchange valves 5a, 5b, 6a, 6b.
  • electromechanically driven gas exchange valves 5a, 5b, 6a, 6b On is such an electromechanically driven gas exchange valve for example in German utility model 297 12 502 U1 described.
  • the electromechanically operated gas exchange valve is actuated by energizing two coils, one coil for closing, the other for opening of the gas exchange valve is responsible.
  • the respective coil is energized with a holding current.
  • To the gas exchange valve in the open or closed position bring the required coil with Current is applied, the current being greater in a catching phase is than in the subsequent hold phase.
  • Fig. 1 is the circuit for a 4-cylinder internal combustion engine schematically shown, however, this number of cylinders to be understood only as an example.
  • a cylinder has in In this example, two inlet valves 5a, 5b and two outlet valves 6a, 6b.
  • For the intake and exhaust valves 5a, 5b or 6a, 6b is a respective landing regulator 2 or 3 intended.
  • the placement controller 2, 3 controls output stages that the energization of the respective coils of the gas exchange valve 5a, 5b, 6a, 6b.
  • each coil has its own power amplifier.
  • the touchdown controller 2, 3 and the output stages are housed in one housing, connected to the cooling circuit of the internal combustion engine is to ensure even heat dissipation.
  • the placement controller 2, 3 controls the output stages of a valve 5, 6 depending on a timing signal TS indicating that when to open or close the valve.
  • a timing signal TS indicating that when to open or close the valve.
  • TS Time control signal
  • the time control signal TS is, for example, a square wave signal, where the falling flank is the closing and the rising Edge indicates the opening of the associated valve. It is the touchdown controller 2, 3 via a unidirectional communication line 4 supplied by a communication computer 1, which will be described later.
  • the touchdown controller 2, 3 has a digital processor that is energized regulates the coils through the output stages so that the valve 5a, 5b, 6a, 6b gently touches down in the desired end position. Usually to move the valve from an end position to the to bring others to energize the coil of the one to be left End position switched off and energization of the winding of the electromagnet for the new end position switched on.
  • the current is from the processor of the touchdown controller 2, 3 regulated so that the valve gently in the new end position touches down.
  • Each valve used for this regulation the touchdown controller 2, 3 a position signal that provides information about the position of the respective valve 5a, 5b, 6a, 6b. to Generation of the position signals is each electromechanical actuated valve 5a, 5b, 6a, 6b with a suitable position sensor provided, such as in the German Application 197 53 275 or DE 195 18 056 A1 described is.
  • the regulation of the coil current for catching the valve 5a, 5b, 6a, 6b is, for example, in principle in DE 195 26 683 A1 described.
  • the top-up controller measures the actual current the coil and outputs the TARGET value to the output stage.
  • a different size can be used, which expresses the actuation of the actuator, e.g. the Driver voltage of the output stage.
  • the touchdown controller 2, 3 also leads to the regulation of Winding energization still a plausibility check of the signals through, i.e. the position signal and the coil energization. From the latter, as known from DE 195 26 683 A1 is to be derived from another signal that statements about the position of the corresponding gas exchange valve 5a, 5b, 6a, 6b enables the position signal by means of this further signal can be checked.
  • the top-up controller 2, 3 is via a further, serial SPI-BUS Interface connected to the communication computer 1 and reports the state of the valves 5a, 5b, 6a, 6b or one possible valve failure via this interface.
  • the communication computer 1 is connected to a CAN bus 8 and uses it to communicate with the operating control unit 9 of the internal combustion engine.
  • Such BUS connection is, for example, in W. Lawrenz, CAN controller Area Network, Weghig Verlag, 1994, ISBN 3-7785-2263-7 described.
  • the communication computer 1 is advantageously housed in the same cooled housing as that Lift controller 2, 3 and the output stages. He continues to get that Crankshaft signal and calculated from it together with the requirements the operating control unit the timing signals TS for touchdown controllers 2, 3 and passes them over the unidirectional Communication lines 4 to touchdown controllers 2, 3 out. It also communicates with the via the SPI-BUS 7 Touchdown controllers 2, 3 and exchange the status information or error information.
  • the communications computer also monitors 1 the entire electromechanical valve train, i.e. the temperature of the final stages for the gas exchange valves 5a, 5b, 6a, 6b, the supply voltage of these output stages (usually 42 V), the supply voltage of the position sensors (usually 15 V) and the supply voltage of the Lift controller 2, 3 (usually 3.3 V).
  • a touchdown controller for example touchdown controller 2 the intake valves 5a, 5b of cylinder number 1 fail either one of the output stages or one of the valves 5a, 5b or other damage via the SPI-BUS 7 to the communication computer 1, this causes the other touchdown controller this cylinder, in this example the touchdown controller 3, the other gas exchange valves of the cylinder concerned, in in this case, the exhaust valves 6a, 6b, in the closed position shut down.
  • FIG. 2 shows an exemplary drive connection between a placement controller 3 and the valves 6a, 6b shown in more detail.
  • the closer coils 11a, 11b of the gas exchange valves 6a, 6b are with the power stages integrated in the top-up controller 2, 3 connected via an AND gate 16a, 16b.
  • the AND gates 16a, 16b can also be used to control the Power amplifiers can be provided.
  • the second input of the AND gates 16a, 16b is connected to a branch 12 via an inverter 14 the communication line 4 connected for the time control signal TS, that the communication computer 1 the touchdown controller 3 feeds.
  • an AND gate 13 is also connected, whose second input is controlled by the touch-up controller 3 becomes.
  • the opening coils 10a, 10b of the gas exchange valves are similar 6a, 6b via AND gates 15a, 15b to the output of the AND gate 13 connected, here no inverter 14 is provided.
  • This circuit works as follows: switches the touchdown controller 3 via a suitable high-level signal AND gate 13 free, so the timing signal is at its output TS on how it from the communication computer 1 via the Communication line 4 to the top controller 3 for the valves 6a, 6b is supplied.
  • a falling edge of this timing signal TS is shown in Fig. 3, it has a closing of the exhaust valves 6a, 6b.
  • the touchdown controller 3 recognizes the falling edge of the timing signal TS, it normally takes a certain time offset t (see FIG. 3) until the energization the respective winding, in this case the windings 10 of the closer coils is ended.
  • This time offset t is due to program run times in the processor of the touchdown controller 3 and due to time constants of the control.
  • FIG. 3 which resulting time course of the energization of the windings 10 is shown in FIG. 3 with curve 20. Now has the touchdown controller 3 unlocked the AND gate 13, causes falling edge of the timing control signal TS via the AND gates 15 a premature end of the energization of the opening coils. It results schematically on the windings 10 of FIG Current curve shown in curve 21. As in Fig. 3 too can be seen, the energization then ends without the time offset t.
  • This training enables the touchdown controller 3 over the AND gate 13 is a direct effect of the timing signal TS on the energization of the windings 10, 11 allows.
  • the communication computer 1 can therefore touchdown controller 3 Instruct the SPI-BUS 7 depending on the operating state, this directly Enabling access to the time control signal TS.
  • the inverter 14 in the wiring of the second inputs the AND gates 16 for the windings 11 of the closer coils this results in an inverse behavior to the opening coils and there is simultaneous energization of the windings 11 of the NO coils activated.
  • the touchdown controller 3 can Then initiate energization of the make coils in a suitable manner.
  • the control described can be applied to all touchdown controllers 2, 3 may be provided.
  • inlet valves 5a, 5b and Exhaust valves 6a, 6b of each cylinder independent touchdown 2, 3 provided, but there is also a different division possible, in particular a single touchdown controller meet the requirements.
  • at least one further communication computer can be provided, for example, for all Inlet valves 5 and all exhaust valves 6 of the internal combustion engine a separate communication computer can be provided. This structure gives you a certain amount of redundancy, since at Failure of one of the communication computers the other the tasks the failed can take over.

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Abstract

Zur Steuerung elektromechanisch betätigter Gaswechselventile (5, 6) ist eine Schaltung vorgesehen, in der Aufsetzregler (2, 3) die Endstufe der elektromechanisch betätigten Gaswechselventile (5, 6) ansteuern und ein sanftes Aufsetzen der Gaswechselventile (5, 6) in der jeweiligen Endstellung regeln. Zur Kommunikation mit dem Betriebssteuergerät (9) der Brennkraftmaschine ist ein digitaler Kommunikationsrechner (1) vorgesehen, der dem Aufsetzregler (2, 3) Zeitsteuersignale vorgibt. Dadurch sind die Aufsetzregler (2, 3) von Kommunikationsaufgaben freigehalten und können sich der Aufsetzregelung in Echtzeit widmen.

Description

Schaltung zur Steuerung mindestens eines jeweils elektromechanisch betätigten Ein- und Auslaßventils einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung mindestens eines jeweils elektromechanisch betätigten Ein- und Auslaßventils einer Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen, deren Gaswechselventile elektromechanisch betätigt werden, sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetatigten Ventilen werden diese Ventile zum Öffnen und Schließen in Abhangigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert; eine feste mechanische Kopplung mit der Kurbelwelle liegt nicht vor. Elektromechanische Stellglieder für Gaswechselventile sind beispielsweise aus DE 297 12 502 U1 oder EP 0 724 067 A1 bekannt. Sie weisen eine zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung liegende Ruhestellung auf, aus der sie mittels Elektromagneten ausgelenkt werden können.
Um ein Ventil zu öffnen oder zu schließen, wird die jeweilige Wicklung bestromt, wobei der erforderliche Strom in der Fangphase größer ist als in der Haltephase, in der das Ventil in einer Endstellung gehalten wird.
Wird der entsprechende Elektromagnet dabei einfach mit Strom beaufschlagt, so trifft der Ventilteller mit hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitz, was lärmerzeugend und verschleißfördernd ist. Um dies zu vermeiden, sollte die Auftreffgeschwindigkeit verringert werden. Dazu wurden mechanische Anschlagdämpfungen untersucht.
Vorteilhafterweise wird jedoch die Bestromung geeignet geregelt, was jedoch einen relativ komplexen Regelalgorithmus erfordert, da diese Regelung in Echtzeit erfolgen muß. Beispielsweise beträgt die zur Regelung der Auftreffgeschwindigkeit zur Verfügung stehende Zeitspanne nur wenige Millisekunden.
Während bei herkömmlichem, nockenwellenbetätigtem Ventiltrieb eine Vorgabe der Steuerzeiten im Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine nicht anfällt, müssen bei elektromechanisch betätigten Ventilen entsprechende Steuerzeiten berechnet und vorgegeben werden.
EP 0 724 067 A1 offenbart ein Steuersystem für elektromagnetisch betriebene Ventile. Das Steuersystem weist eine CPU sowie eine Bestromungszeitsteuerschaltung auf. Diese Bestromungszeitsteuerschaltung versorgt über Endstufen die Elektromagneten eines Ventils. Die CPU legt die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils fest und stellt einen entsprechenden Zähler, der von der Bestromungszeitsteuerschaltung ausgelesen wird. Die EP 0 724 067 A1 offenbart also eine Trennung zwischen Ansteuerung der Elektromagneten und Vorgabe der Zeitsteuerung, welche durch die CPU erfolgt. Eine etwaige Aufsetzregelung zum geräuscharmen, sanften Aufsetzen der Ventile in den Endstellungen ist in EP 0 724 067 A1 jedoch nicht erwähnt.
EP 0 376 716 A1 beschreibt eine Ventilsteuerung, mit der ein zu hartes Aufsetzen der Ventile vermieden werden soll. Die hier offenbarte Steuervorrichtung für ein elektromagnetisch betätigtes Gaswechselventil weist eine Steuereinheit auf, die eine EPU und eine Ein-/Ausgabenschnittstelle enthält. Die vorgesehene Aufsetzregelung wird direkt von der CPU bewerkstelligt.
Der japanische Patent Abstract zu JP 61076713 geht auf das Problem der Aufsetzregelung ein, indem für das sanfte Aufsetzen vorgeschlagen wird, direkt vor dem Aufsetzen in einer Endstellung eine kurze, eine Gegenkraft auf den Anker ausübende Bestromung der Elektromagenten vorzunehmen. Die zur Durchführung dieses Verfahrens beschriebene Schaltung weist eine CPU und über einen Multiplexer mit der CPU verbundene Treiberschaltungen für die elektromagnetischen Ventile auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zur Steuerung elektromechanisch betätigter Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine anzugeben, die eine Betätigung der Gaswechselventile nach Vorgabe durch das Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine mit einer Regelung der Auftreffgeschwindigkeit in Echtzeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Regelung der Auftreffgeschwindigkeit von der Kommunikation mit dem Betriebssteuergerät sowie der Erzeugung eines Zeitsteuersignals aus den Vorgaben des Betriebssteuergerätes getrennt werden soll.
Separate Aufsetzregler, die jeweils einem oder mehreren elektromechanischen Stellgliedern zugeordnet sind, regeln den Bewegungsablauf der Stellglieder und bewirken so ein sanftes, geräuscharmes, d.h. gedämpftes Aufsetzen des jeweiligen Gaswechselventils in der Endstellung. Der Kommunikationsrechner führt vorzugsweise über einen CAN-BUS die Kommunikation mit dem Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine durch und erzeugt aus dem ebenfalls zugeführten Kurbelwellensignal und den Anforderungen des Betriebssteuergeräts die Zeitsteuersignale für die Aufsetzregler. Diese Zeitsteuersignale sind jeweils in der Regel ein Digitalsignal, bei dem die steigende Flanke eine Ventilöffnung und die fallende Flanke ein Ventilschließen anweist. Für die Einlaß- und die Auslaßventile jedes Zylinders wird ein eigenes Zeitsteuersignal dem entsprechenden Aufsetzregler in einer unidirektionalen Kommunikation zugefuhrt. Optional kann auch für jede Spule ein eigenes Zeitsteuersignal vorgesehen werden, um größere Freiheit beim Betätigen der Spulen zu erhalten.
Da der Kommunikationsrechner das Kurbelwellensignal auswertet, die Kommunikation mit dem Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine vornimmt und abhängig von den vom Betriebssteuergerät erhaltenen Daten die Zeitsteuersignale für die Aufsetzregler erzeugt, werden letztere für die Regelanwendung freigehalten und die Regelung wird nicht von anderen (Kommunikations-) Aufgaben unterbrochen. Weiter kann die Aufgaben der Aufsetzregelung durch Verwendung mehrerer Aufsetzregler parallelisiert werden, wodurch ein Regelalgorithmus weniger zeitkritisch ausfällt. Dadurch, daß mit dem Kommunikationsrechner eine zentrale Kommunikations- und Zeitsteuereinheit vorgesehen ist, gibt es nur einen Kommunikationspartner für andere Steuergeräte und es sind keine Fehlsynchronisationen der einzelnen Aufsetzregler und mithin der elektromechanisch betätigten Gaswechselventile möglich. Da vorteilhafterweise die Aufsetzregler digital arbeiten und mit dem Kommunikationsrechner zusätzlich auch über eine serielle Schnittstelle verbunden sind und über diese die Zustände der elektromechanisch betätigten Gaswechselventile an den Kommunikationsrechner melden, sind alle Zustände zentral bekannt und verfügbar.
Bei Ausfall eines Aufsetzreglers kann der Kommunikationsrechner anweisen, die anderen zwei Ventile des Zylinders stillzulegen, d.h. in die Geschlossen-Stellung zu fahren. Dann kann die Brennkraftmaschine in einem Notbetrieb ohne diesen Zylinder laufen, ohne daß unverbrannter Kraftstoff in den Abgastrakt oder Verbrennungsgase in den Ansaugtrakt gelangen würden.
Das Vorsehen mehrerer Aufsetzregler ermöglicht weiter eine gegenseitige Überwachung aller in der Schaltung verwendeten Prozessoren, insbesondere der des Kommunikationsrechners und der der Aufsetzregler.
In einer vorteilhaften Ausbildung werden die Spulen der elektromechanischen Gaswechselventile von den Aufsetzreglern über UND-Glieder angesteuert, deren zweiter Eingang mit dem Zeitsteuersignal, das der Kommunikationsrechner an den Aufsetzregler liefert, angesteuert werden kann, wenn der Aufsetzregler dies durch ein entsprechendes Sperrglied freigeschaltet hat. Dies hat den Vorteil, daß die Bestromung einer Spule des elektromechanisch betätigten Ventils zeitgleich mit einer fallenden Flanke des jeweiligen Zeitsteuersignals beendet wird. Ein etwaiger Versatz durch Programmlaufzeiten im Aufsetzregler kann somit wahlweise ausgeschaltet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung der Schaltung mit elektromechanisch betätigten Gaswechselventilen für eine 4-Zylinderbrennkraftmaschine,
Fig. 2
eine schematische Darstellung der Ansteuerung zweier Gaswechselventile durch einen Aufsetzregler in Verbindung mit dem Kommunikationsrechner und
Fig. 3
den zeitlichen Verlauf eines Zeitsteuersignals sowie der Bestromungsansteuerung eines Gaswechselventils für verschiedene Betriebszustände.
Die Schaltung der Fig. 1 dient zur Ansteuerung elektromechanisch angetriebener Gaswechselventile 5a, 5b, 6a, 6b. Ein solches elektromechanisch angetriebenes Gaswechselventil ist beispielsweise in dem deutschen Gebrauchsmuster 297 12 502 U1 beschrieben. Für das Verstandnis dieser Erfindung ist dabei nur wesentlich, daß das elektromechanisch betätigte Gaswechselventil durch die Bestromung zweier Spulen betätigt wird, wobei eine Spule für das Schließen, die andere für das Öffnen des Gaswechselventils verantwortlich ist. Um das Gaswechselventil in der offenen oder der geschlossenen Stellung zu halten, wird die jeweilige Spule mit einem Haltestrom bestromt. Um das Gaswechselventil in die offene oder geschlossene Stellung zu bringen, wird die jeweils erforderliche Spule mit Strom beaufschlagt, wobei in einer Fangphase der Strom größer ist als in der nachfolgenden Haltephase.
In Fig. 1 ist schematisch die Schaltung für eine 4-Zylinderbrennkraftmaschine dargestellt, jedoch ist diese Zylinderzahl nur beispielhaft zu verstehen. Ein Zylinder hat in diesem Beispiel zwei Einlaßventile 5a, 5b sowie zwei Auslaßventile 6a, 6b. Für die Einlaß- bzw. die Auslaßventile 5a, 5b bzw. 6a, 6b ist jeweils ein eigener Aufsetzregler 2 bzw. 3 vorgesehen. Der Aufsetzregler 2, 3 steuert Endstufen an, die die Bestromung der jeweiligen Spulen des Gaswechselventils 5a, 5b, 6a, 6b bewerkstelligen. Dabei ist beispielsweise für jede Spule eine eigene Endstufe vorgesehen. Der Aufsetzregler 2, 3 und die Endstufen sind in einem Gehäuse untergebracht, das an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, um gleichmäßige Wärmeabfuhr zu gewahrleisten.
Der Aufsetzregler 2, 3 steuert die Endstufen eines Ventils 5, 6 abhängig von einem Zeitsteuersignal TS an, das anzeigt, wann das Ventil zu öffnen oder zu schließen hat. Für die Einlaß- und die Auslaßventile jedes Zylinders gibt es ein eigenes Zeitsteuersignal TS. Bei einer Brennkraftmaschine mit mehr als zwei Ventilen pro Zylinder kann auch für jedes Ventil ein eigenes Zeitsteuersignal TS vorgesehen werden.
Das Zeitsteuersignal TS ist beispielsweise ein Rechtecksignal, bei dem die fallende Flanke das Schließen und die steigende Flanke das Öffnen des zugehörigen Ventils anzeigt. Es wird dem Aufsetzregler 2, 3 über eine unidirektionale Kommunikationsleitung 4 von einem Kommunikationsrechner 1 zugeführt, der später noch beschrieben werden wird. Der Aufsetzregler 2, 3 hat einen digitalen Prozessor, der die Bestromung der Spulen durch die Endstufen so regelt, daß das Ventil 5a, 5b, 6a, 6b in der gewünschten Endstellung sanft aufsetzt. Üblicherweise wird, um das Ventil aus einer Endstellung in die andere zu bringen, die Bestromung der Spule der zu verlassenden Endstellung abgeschaltet und die Bestromung der Wicklung des Elektromagneten für die neu einzunehmende Endstellung eingeschaltet. Der Strom wird vom Prozessor des Aufsetzreglers 2, 3 so geregelt, daß das Ventil sanft in der neuen Endstellung aufsetzt. Für diese Regelung jedes Ventils verwendet der Aufsetzregler 2, 3 ein Positionssignal, das Auskunft über die Stellung des jeweiligen Ventils 5a, 5b, 6a, 6b gibt. Zur Erzeugung der Positionssignale ist jedes elektromechanisch betätigte Ventil 5a, 5b, 6a, 6b mit einem geeigneten Positionssensor versehen, wie er beispielsweise in der deutschen Anmeldung 197 53 275 oder der DE 195 18 056 A1 beschrieben ist.
Die Regelung des Spulenstroms zum Fangen des Ventils 5a, 5b, 6a, 6b ist beispielsweise in der DE 195 26 683 A1 prinzipiell beschrieben. Der Aufsetzregler mißt dazu den IST-Strom durch die Spule und gibt den SOLL-Wert an die Endstufe aus. Statt des Stromes kann jedoch auch eine andere Größe verwendet werden, die die Betätigung des Stellgliedes ausdrückt, z.B. die Treiberspannung der Endstufe.
Der Aufsetzregler 2, 3 führt zusätzlich zur Regelung der Wicklungsbestromung noch eine Plausibilitätskontrolle der Signale durch, d.h. des Positionssignals und der Spulenbestromung. Aus letzterer kann, wie aus der DE 195 26 683 A1 bekannt ist, ein weiteres Signal abgeleitet werden, das Aussagen über die Position des entsprechenden Gaswechselventils 5a, 5b, 6a, 6b ermöglicht, so daß mittels dieses weiteren Signals das Positionssignal überpruft werden kann.
Der Aufsetzregler 2, 3 ist über eine weitere, serielle SPI-BUS Schnittstelle mit dem Kommunikationsrechner 1 verbunden und meldet den Zustand der Ventile 5a, 5b, 6a, 6b bzw. einen eventuellen Ventilausfall über diese Schnittstelle.
Der Kommunikationsrechner 1 ist an einen CAN-BUS 8 angeschlossen und führt darüber die Kommunikation mit dem Betriebssteuergerät 9 der Brennkraftmaschine durch. Eine solche BUS-Verbindung ist beispielsweise in W. Lawrenz, CAN-Controller Area Network, Hüthig Verlag, 1994, ISBN 3-7785-2263-7 beschrieben. Der Kommunikationsrechner 1 ist vorteilhafterweise im selben gekühlten Gehäuse untergebracht wie die Aufsetzregler 2, 3 und die Endstufen. Weiter erhält er das Kurbelwellensignal und berechnet daraus zusammen mit den Anforderungen des Betriebssteuergerätes die Zeitsteuersignale TS für die Aufsetzregler 2, 3 und gibt sie uber die unidirektionalen Kommunikationsleitungen 4 an die Aufsetzregler 2, 3 aus. Über den SPI-BUS 7 kommuniziert er zusätzlich mit den Aufsetzreglern 2, 3 und tauscht die Zustandsinformationen bzw. Fehlerinformationen aus. Weiter überwacht der Kommunikationsrechner 1 den gesamten elektromechanischen Ventiltrieb, d.h. die Temperatur der Endstufen für die Gaswechselventile 5a, 5b, 6a, 6b, die Versorgungsspannung dieser Endstufen (üblicherweise 42 V), die Versorgungsspannung der Positionssensoren (üblicherweise 15 V) sowie die Versorgungsspannung der Aufsetzregler 2, 3 (üblicherweise 3,3 V).
Meldet ein Aufsetzregler, beispielsweise der Aufsetzregler 2 der Einlaßventile 5a, 5b des Zylinders Nummer 1 einen Ausfall entweder einer der Endstufen oder eines der Ventile 5a, 5b oder einen sonstigen Schaden über den SPI-BUS 7 an den Kommunikationsrechner 1, veranlaßt dieser den anderen Aufsetzregler dieses Zylinders, in diesem Beispiel den Aufsetzregler 3, die anderen Gaswechselventile des betroffenen Zylinders, in diesem Fall die Auslaßventile 6a, 6b, in der Geschlossen-Stellung stillzulegen. Dadurch ist ein Notbetrieb der Brennkraftmaschine möglich, ohne daß durch den betroffenen Zylinder unverbrannter Kraftstoff in den Auspufftrakt gelangen wurde, was zu unerwünschten Verpuffungen und Schadstoffemissionen führen könnte.
In Fig. 2 ist eine beispielhafte Ansteuerverbindung zwischen einem Aufsetzregler 3 und den Ventilen 6a, 6b genauer dargestellt. Die Schließerspulen 11a, 11b der Gaswechselventile 6a, 6b sind mit den im Aufsetzregler 2, 3 integrierten Endstufen über je ein UND-Glied 16a, 16b verbunden. Alternativ konnen die UND-Glieder 16a, 16b auch in der Ansteuerung der Endstufen vorgesehen sein. Der zweite Eingang der UND-Glieder 16a, 16b ist über einen Invertierer 14 an einen Abzweig 12 der Kommunikationsleitung 4 für das Zeitsteuersignal TS angeschlossen, das der Kommunikationsrechner 1 dem Aufsetzregler 3 zuführt. In den Abzweig 12 ist noch ein UND-Glied 13 geschaltet, dessen zweiter Eingang vom Aufsetzregler 3 angesteuert wird.
Auf ähnliche Weise sind die Öffnerspulen 10a, 10b der Gaswechselventile 6a, 6b über UND-Glieder 15a, 15b an den Ausgang des UND-Gliedes 13 angeschlossen, wobei hier kein Invertierer 14 vorgesehen ist.
Die Funktionsweise dieser Schaltung ist folgende: schaltet der Aufsetzregler 3 über ein geeignetes High-Pegel-Signal das UND-Glied 13 frei, so liegt an dessen Ausgang das Zeitsteuersignal TS an, wie es vom Kommunikationsrechner 1 über die Kommunikationsleitung 4 dem Aufsetzregler 3 für die Ventile 6a, 6b zugeführt wird. Eine fallende Flanke diese Zeitsteuersignals TS ist in Fig. 3 dargestellt, sie weist ein Schließen der Auslaßventile 6a, 6b an. Erkennt der Aufsetzregler 3 die fallende Flanke des Zeitsteuersignals TS, dauert es normalerweise einen gewissen Zeitversatz t (vgl. Fig. 3), bis die Bestromung der jeweiligen Wicklung, in diesem Fall der Wicklungen 10 der Schließerspulen beendet wird. Dieser Zeitversatz t ist durch Programmlaufzeiten im Prozessor des Aufsetzreglers 3 und durch Zeitkonstanten der Ansteuerung bedingt. Der sich dadurch ergebende Zeitverlauf der Bestromung der Wicklungen 10 ist in Fig. 3 mit Kurve 20 dargestellt. Hat nun der Aufsetzregler 3 das UND-Glied 13 freigeschaltet, bewirkt die fallende Flanke des Zeitsteuersignals TS über die UND-Glieder 15 ein vorzeitiges Ende der Bestromung der Öffnerspulen. Es ergibt sich an den Wicklungen 10 der Fig. 3 schematisch in Kurve 21 dargestellte Bestromungsverlauf. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, endet die Bestromung dann ohne den Zeitversatz t.
Diese Ausbildung ermöglicht es, daß der Aufsetzregler 3 über das UND-Glied 13 eine direkte Wirkung des Zeitsteuersignals TS auf die Bestromung der Wicklungen 10, 11 zuläßt. Der Kommunikationsrechner 1 kann deshalb den Aufsetzregler 3 über den SPI-BUS 7 betriebszustandsabhängig anweisen, diesen direkten Durchgriff des Zeitsteuersignals TS freizuschalten.
Durch den Invertierer 14 in der Beschaltung der zweiten Eingange der UND-Glieder 16 für die Wicklungen 11 der Schließerspulen ergibt sich ein zu den Öffnerspulen inverses Verhalten und es wird zeitgleich eine Bestromung der Wicklungen 11 der Schließerspulen freigeschaltet. Der Aufsetzregler 3 kann die Bestromung der Schließerspulen dann geeignet einleiten.
Die beschriebene Ansteuerung kann bei allen Aufsetzreglern 2, 3 vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise sind für die Einlaßventile 5a, 5b und die Auslaßventile 6a, 6b jedes Zylinders eigenständige Aufsetzregler 2, 3 vorgesehen, es ist aber auch eine andere Aufteilung möglich, insbesondere kann ein einziger Aufsetzregler den Anforderungen genügen. Weiter kann zusätzlich zu einem Kommunikationsrechner 1 noch mindestens ein weiterer Kommunikationsrechner vorgesehen werden, beispielsweise kann für alle Einlaßventile 5 sowie alle Auslaßventile 6 der Brennkraftmaschine ein eigener Kommunikationsrechner vorgesehen werden. Durch diesen Aufbau erhält man eine gewisse Redundanz, da bei Ausfall eines der Kommunikationsrechner der andere die Aufgaben des ausgefallenen übernehmen kann.

Claims (11)

  1. Steueranordnung beinhaltend eine Steuerschaltung mindestens eines elektromechanisch betätigten Einlaßventils (5) und mindestens eines elektromechanisch betätigten Auslaßventils (6) eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Aufsetzregler (2, 3) mit mindestens einer Endstufe für jeden Elektromagneten der elektromechanisch betätigten Ventile (5, 6), der die Endstufen der Ventile (5, 6) in Abhängigkeit von Zeitsteuersignalen ansteuert und unter Verarbeitung von die Stellung der Ventile (5, 6) anzeigenden Positionssignalen die Bestromung der Elektromagneten regelt, um ein sanftes, geräuscharmes Aufsetzen der Ventile (5, 6) in den Endstellungen zu bewirken, und
    einem digital arbeitenden Kommunikationsrechner (1), der ein Kurbelwellenstellungssignal auswertet, über eine Kommunikationsverbindung (8) mit einem Betriebssteuergerät (9) der Brennkraftmaschine Daten austauscht und abhängig vom Kurbelwellenstellungssignal und von den vom Betriebssteuergerät (9) erhaltenen Daten die Zeitsteuersignale für den Aufsetzregler (2, 3) erzeugt.
  2. Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einlaßventil (5) und für das Auslaßventil (6) jeweils ein eigener Aufsetzregler (2, 3) vorhanden ist.
  3. Steueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsetzregler (2, 3) einen Prozessor aufweist und der Kommunikationsrechner (1) mit dem mindestens einen Aufsetzregler (2, 3) zusätzlich über eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle (7) zum Datenaustausch verbunden ist.
  4. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aufsetzregler (2, 3) die Stellung der Ventile (5, 6) erkennt und eine Fehlfunktion eines der Ventile (5, 6) an den Kommunikationsrechner (1) meldet.
  5. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommunikationsrechner (1) mindestens einen der folgenden Betriebsparameter der Schaltung und der elektromechanisch betätigten Ventile (5, 6) überwacht: Temperatur der Endstufen, Versorgungsspannung der Endstufen, Versorgungsspannung verwendeter Positionssensoren, Versorgungsspannung aller Aufsetzregler (2, 3).
  6. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Kommunikationsrechner (1).
  7. Steueranordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen eigenen Kommunikationsrechner (1) für alle Einlaßventile (5) und einen eigenen Kommunikationsrechner (1) für alle Auslaßventile (6).
  8. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aufsetzregler (2, 3) mit den zugehörigen Endstufen in einem Gehäuse vereint sind, das an ein aktives Kühlsystem angeschlossen ist.
  9. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung-mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommunikationsrechner (1) bei Anzeige eines Ventilausfalls durch einen der Aufsetzregler (2,3) die Stillegung der anderen Ventile (6, 5) des betroffenen Zylinders in der Geschlossen-Stellung bewirkt.
  10. Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (13, 14, 15, 16) in der Zuleitung zu jeder Wicklung (10, 11) eines Elektromagneten vorgesehen ist, welcher Schaltung (13,14, 15, 16) das entsprechende Zeitsteuersignal zugeführt ist, so daß die Schaltung (13, 14, 15, 16) direkt durch das Zeitsteuersignal eine direkte Abschaltung der Bestromung der entsprechenden Wicklung (10, 11) bewirkt.
  11. Steueranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (13, 14, 15, 16) jeweils ein UND-Glied (15, 16) in der Zuleitung zu jeder Wicklung (10, 11) aufweist, dessen Ausgang an die jeweilige Wicklung (10, 11) angeschlossen ist, dessen einer Eingang mit dem Aufsetzregler (2, 3) und dessen anderer Eingang mit der Kommunikationsleitung (4) für das entsprechende Zeitsteuersignal, welche vom Kommunikationsrechner (1) zum Aufsetzregler (2, 3) führt, über ein UND-Glied (13) verbunden ist, welches zusätzlich an den Aufsetzregler (2, 3) angeschlossen ist, so daß bei Freischaltung des UND-Gliedes (13) durch den Aufsetzregler (2, 3) das Zeitsteuersignal die direkte Abschaltung der Bestromung der entsprechenden Wicklung (10, 11) bewirkt.
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Opponent name: FEV MOTORENTECHNIK GMBH

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Opponent name: FEV MOTORENTECHNIK GMBH

Effective date: 20050421

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Opponent name: FEV MOTORENTECHNIK GMBH

Effective date: 20050421

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APBP Date of receipt of notice of appeal recorded

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APBQ Date of receipt of statement of grounds of appeal recorded

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RAP2 Party data changed (patent owner data changed or rights of a patent transferred)

Owner name: BAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT

Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH

APBU Appeal procedure closed

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PLBN Opposition rejected

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27O Opposition rejected

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Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, DE

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Owner name: BAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, DE

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