DE19623698A1 - Verfahren zur Steuerung der Antriebe von Hubventilen an einer Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Zur Betätigung der Hubventile an einer Kolbenbrennkraftma­ schine werden Schaltanordnungen verwendet, die jeweils einen mit dem zu betätigenden Hubventil in Verbindung ste­ henden Magnetanker aufweisen, der durch Rückstellfedern in einer Ruheposition zwischen zwei Elektromagneten gehalten wird und der durch wechselnde Bestromung des einen und des anderen Elektromagneten entsprechend der vorgegebenen Ansteuerung jeweils an dem einen oder anderen Elektromagne­ ten zur Anlage gebracht wird, so daß das hiermit in Verbin­ dung stehende Hubventil dann entsprechend in seiner geöffne­ ten oder seiner geschlossenen Position gehalten wird. Die Bewegung des Hubventils aus der einen in die andere Position wird dadurch bewirkt, daß jeweils der Haltestrom an dem den Magnetanker haltenden Magneten abgeschaltet wird, so daß dieser unter der Kraftwirkung der Rückstellfeder sich in Richtung auf den fangenden Elektromagneten zubewegt. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Mittellage zwi­ schen den beiden Elektromagneten wird die Bewegung des Ankers durch die zunehmende Federkraft der dem fangenden Elektromagneten zugeordneten Rückstellfeder abgebremst. Um nun den Anker in der neuen Position zu fangen und zu halten, wird der fangende Elektromagnet bestromt. Bei diesem Fangvorgang ergibt sich das Problem, daß die erforderliche Krafteinkopplung auf den Anker über die Magneten von zahl­ reichen Parametern abhängt. So ist entsprechend der aktu­ ellen Motorlast die Abbremsung des Hubventils durch die Gaskräfte insbesondere beim Auslaßventil sehr unterschiedlich. Außerdem unterliegt die zum Fangen erforderliche Energieeinkopplung in den jeweils fangenden Elektromagneten einer Beeinflussung durch Serientoleranzen und Verschleiß. Die "richtige" Dosierung der zugeführten Energie ist jedoch wichtig für einen einwandfreien Betrieb des Verbrennungsmotors. Ist die eingekoppelte Energie zu hoch, so kommt es zu starkem Verschleiß sowohl in der Schaltanordnung als auch an den Dichtflächen von Ventil und Ventilsitz sowie zu einem nicht annehmbaren Geräusch­ niveau. Im Extremfall besteht sogar die Gefahr eines Ab­ prallens des Ankers an dem fangenden Elektromagneten und damit die Gefahr des Ausfalls der Ventilfunktion bei diesem Arbeitszyklus. Ist die eingekoppelte Energie andererseits zu niedrig, so wird der Anker nicht richtig gefangen, so daß das Ventil wieder zurückschwingt, d. h. je nach Arbeits­ zyklus nicht richtig öffnet oder nicht richtig schließt, so daß zumindest in diesem Betriebszyklus ebenfalls ein Funktionsausfall zu verzeichnen ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Antriebe von Hubventilen an einer Kolben­ brennkraftmaschine zu schaffen, das es erlaubt, den Auf­ treffzeitpunkt und/oder die Auftreffgeschwindigkeit eines Hubventils zu erkennen und danach den Antrieb anzusteuern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Antriebe von Hubventilen an einer Kolbenbrennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Erkennung des Auftreffzeitpunktes und/oder der Auftreffge­ schwindigkeit wenigstens eines der Hubventile, wobei von dem Hubventil und/oder seinem Ventilantrieb im Betrieb erzeugte Schwingungssignale erfaßt und der Ventilantrieb in Abhängigkeit von der Größe der erfaßten Schwingungs­ signale angesteuert wird. Als Schwingungssignale kommen hier in erster Linie Körperschallsignale in Betracht. Diese werden bei Ventilen mit konventionellen Ventiltrieben je­ weils durch das Auftreffen des Ventiltellers auf einen Ventilsitz erzeugt, wobei die Erkennung des Auftreffzeit­ punktes bei derartigen konventionellen Ventiltrieben insbe­ sondere dann von Interesse ist, wenn diese mit Verstellmög­ lichkeiten in bezug auf den öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt versehen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbeson­ dere bei elektromagnetischen Ventilantrieben von Bedeutung, da über die Erkennung des Auftreffzeitpunktes entsprechend den vorgegebenen Betriebsbedingungen der Kolbenbrennkraft­ maschine Korrekturen in der Ansteuerung vorgenommen werden können. Von Bedeutung ist insbesondere die Möglichkeit, über die Erkennung der Auftreffgeschwindigkeit, d. h. auch der Auftreffenergie, die Energieeinkopplung in die Elektro­ magneten so zu regulieren, daß ein "weiches" Auftreffen des Ankers auf den Polflächen bzw. des Ventils auf seinem Ventilsitz bewirkt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß als Schwingungssignal der vom Hubventil erzeugte Schall mittels eines Schallsensors erfaßt wird. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Schwingungssignal über den Körperschall mittels eines Körperschallsensors erfaßt wird. Aber auch die Erfassung des erzeugten Luftschalls über einen Luftschallsensor, beispielsweise ein Mikrofon, ist möglich.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Schwingungssignal die vom Hubventil erzeugten Kraft­ wirkungen mit einem Kraftsensor erfaßt werden. Hierzu können beispielsweise piezoelektrische Sensoren eingesetzt werden, die beispielsweise in Form von Unterlegscheiben ausgebildet und an der Befestigung der Ventilantriebe angeordnet sein können. Auch Dehnungsmeßstreifen können als Kraftsensoren eingesetzt werden, da durch die Krafteinleitung infolge des Ventil- oder Ankerauftreffens Längenänderungen, bei­ spielsweise an den elektromagnetischen Ventilantrieben erzeugt werden, die dann ebenfalls als Krafteinleitung erkannt werden können.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schwingungssignale, vorzugsweise der jeweils von den Hubventilen erzeugte Körperschall, mit einem zentralen Sensor erfaßt wird. Gerade bei der Erfassung der Schwingungs­ signale über den Körperschall besteht die Möglichkeit, die von den einzelnen Hubventilen ausgehenden Schwingungs­ signale aufgrund Weiterleitung durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise den Zylinderkopfdeckel, zu erfassen und danach die Ansteuerung des Ventilantriebs, bei elektro­ magnetischen Ventilantrieben die einzelnen Hubventile, gesondert anzusteuern.

In einer zweckmäßigen anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das entstehende Schwingungssignal jeweils von einem jedem Hubventil zugeordneten Sensor erfaßt wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß an jedem Hubventil das jeweils erzeugte Schwingungssignal ohne Verzögerung und ohne jegliche Verfälschung durch Dämpfungsvorgänge unmittel­ bar erfaßt, ausgewertet und zur Steuerung des zugehörigen Ventilantriebs verwendet werden kann.

Dies gilt sowohl für die Erfassung der Schwingungssignale über den Körperschall als auch für die entstehende periodi­ sche Krafteinleitung eines jeden Hubventils.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß als Maß für die Auftreffgeschwindigkeit die Amplitude des erfaßten Schwingungssignals verwendet wird. Der jeweilige Auftreffzeitpunkt eines Ventils auf seinem Ventilsitz oder bei elektrischen Ventilantrieben der Auftreffzeitpunkt des Ankers auf der Polfläche des jeweils fangenden Magneten, läßt sich aufgrund des Zeitbe­ zuges der Erfassung des Schwingungssignales jeweils genau erkennen, so daß durch entsprechende Korrekturen hinsicht­ lich der Ansteuerung der Ventilantriebe, insbesondere bei elektromagnetischen Ventilantrieben, der gewünschte Zeit­ punkt für das betreffende Ventilereignis (Öffnen und/oder Schließen) durch entsprechende Änderung in der Ansteuerung übernommen werden.

Die Amplitude des jeweils erfaßten Schwingungssignals ist proportional zu seiner Auftreffgeschwindigkeit, d. h. der beim Auftreffen des Ventils oder des Ankers auf die entspre­ chende Gegenfläche aufgenommene Bewegungsenergie, die je nach verwendetem Meßverfahren als Krafteinleitung oder als Schall erkennbar ist. Durch entsprechende Änderungen in der Bestromung der Elektromagneten ist es somit möglich, die Energieeinkopplung so zu reduzieren, daß eine vorgege­ bene niedrige Signalamplitude nicht überschritten wird.

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß für die Ansteuerung des Ventilantriebs die vorgesehenen Schwingungssignale jeweils innerhalb eines vorgegebenen Zeit- und/oder Frequenz­ fensters erfaßt werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß Störsignale ausgefiltert werden können, wie sie insbeson­ dere durch Klopfvorgänge bei Kolbenbrennkraftmaschinen gegeben sein können. Insbesondere in bezug auf eine Unter­ scheidung von Schwingungssignalen, die durch Klopfvorgänge ausgelöst werden und Schwingungssignalen, die durch ein Auftreffen der Hubventile erzeugt werden, ist die Anordnung eines sogenannten Zeitfensters bedeutsam. Derartige Klopfvor­ gänge treten nur innerhalb bestimmter Kurbelwinkelbereiche auf. Durch das Zeitfenster ist es möglich, Schwingungssignale von Klopfvorgänge gegenüber Schwingungssignalen, die von den Hubventilen ausgehen, abzuschirmen, so daß hier eine eindeutige Zuordnung möglich ist. Der Ausdruck Zeitfenster bezieht sich auf einen bestimmten Zeitbereich, der allerdings je nach Drehzahl variieren kann. Somit soll mit Zeitfenster zum einen tatsächlich ein festes Zeitintervall, zum anderen aber auch ein Kurbelwinkelintervall gemeint sein, dessen tatsächliche Zeitdauer sich mit der Drehzahl ändert.

Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Auftrefferken­ nung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Erfassung der Klopfgeräusche kombiniert wird. Die Ermittlung der Klopfstärke ist grundsätzlich bekannt. Durch die Kombination der beiden Auswertungen, d. h. der Auswertung der Klopfstärke und der Auswertung der Auftrefferkennung ergibt sich besonders einfach die Möglichkeit, die beiden Ereignisse zuverlässig auseinanderzuhalten. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Kolbenbrennkraftmaschinen mit elektromagnetischen Ventilantrieben versehen sind. Derartige elektromagnetische Ventilantriebe sind unabhängig vom Kurbelwinkel voll variabel und können praktisch zu jedem beliebigen Zeitpunkt über eine entsprechende elektronische Motorsteuerung angesteuert werden. Durch die Kombination der Klopfauswertung und der Auswertung der Auftrefferkennung in Verbindung mit der Ansteuerung der Ventilantriebe kann durch die Vorgabe eines Fensters für den Zeitpunkt des erwarteten Ventilauftreffens die Querempfindlichkeit der Klopfregelung auf die Auftreffer­ kennung ausgeschlossen werden und umgekehrt. Ein zweckmäßiger Wert für das Zeitfenster ist mit etwa 1 ms gegeben. Insbeson­ dere bei der Erfassung des Motorgrundgeräusches ist zweck­ mäßig ein sogenanntes Frequenzfenster vorzusehen, zweckmäßi­ gerweise in Kombination mit einem Zeitfenster, das den Frequenzbereich zwischen 5 und 20 kHz umfaßt. Insbesondere bei stärkerem Grundgeräusch des Motors kann auch die Verwen­ dung betriebspunktabhängiger (insbesondere drehzahl-, last- oder temperaturabhängiger) Verstärkungs- bzw. Abschwächungs­ faktoren zweckmäßig sein. Während es grundsätzlich möglich ist, für die Erfassung der Klopfstärke und auch für die Bestimmung der Auftrefferkennung den gleichen Sensor zu verwenden, ist es zweckmäßig, unterschiedliche Sensoren für die Klopferkennung und für die Auftrefferkennung einzu­ setzen. Dadurch ist es nämlich möglich, durch den Anbringungs­ ort für den jeweiligen Klopfsensor zu bewirken, daß beispiels­ weise der Klopfsensor möglichst geringe Signale aus der Ventilbewegung aufnimmt und umgekehrt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß zusätzlich zur Auftreffer­ kennung die vorhandenen Motorgrundgeräusche erfaßt und bei der Bestimmung der Größe der Schwingungssignale berück­ sichtigt werden. Hierbei kann entweder das erfaßte Grundge­ räusch vom ermittelten Energiewert des Auftreffsignals subtrahiert oder aber der Quotient der beiden Größen ermittelt werden. Hierzu eignen sich insbesondere auch alle Verfahren, die in der Literatur für die Ermittlung einer Klopfstärke beschrieben sind.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen und Diagramme näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Hubventil mit elektromagnetischem Ventilantrieb,

Fig. 2 den Verlauf der Spulenströme und des Ventilweges in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Steuerung,

Fig. 4 eine Abwandlung der Steuerung gem. Fig. 3,

Fig. 5 unterschiedliche Signalschriebe für unter­ schiedliche Auftreffgeschwindigkeiten eines Ventils,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines Zeitfensters,

Fig. 7 ein Blockschaltbild für eine Schaltung zur Regelung des Auftreffzeitpunktes eines Ventils,

Fig. 8 ein Blockschaltbild für eine Kompensations­ schaltung zur Berücksichtigung unterschied­ licher äußerer Einflüsse auf die Ventilbetä­ tigung.

In Fig. 1 ist ein Hubventil 1 für eine Kolbenbrennkraft­ maschine dargestellt, das mit einem elektromagnetischen Ventilantrieb 2 versehen ist. Der elektromagnetische Ventil­ antrieb 2 weist zwei mit Abstand zueinander angeordnete Elektromagneten 3 und 4 auf, zwischen denen ein Anker 5 hin und her bewegbar gelagert ist, der mit dem Schaft 6 des Ventils 1 in Verbindung steht. Der Anker 5 wird durch eine dem Elektromagneten 3 zugeordnete Rückstellfeder 7 und eine dem Elektromagneten 4 zugeordnete Rückstellfeder 8 bei stromlos gesetzten Elektromagneten in einer Mittel­ stellung zwischen den beiden Elektromagneten 3 und 4 ge­ halten. Wird der Eletromagnet 3 bestromt, dann wird der Anker 5 angezogen und liegt an der Polfläche des Elektro­ magneten 3 an, so daß das Hubventil 1 in Schließstellung gehalten wird. Wird der Elektromagnet 3 stromlos gesetzt und der Elektromagnet 4 bestromt, dann bewegt sich der Anker 5, zunächst beschleunigt durch die Kraft der Rück­ stellfeder 7 in Richtung auf den Elektromagneten 4 und wird von diesem dann eingefangen, so daß der Anker 5 an der Polfläche des Elektromagneten 4 anliegt und das Hub­ ventil 1 in Öffnungsstellung hält.

Je nach seiner Zuordnung an der betreffenden Kolbenbrenn­ kraftmaschine besitzt nun das Ventil die Funktion eines Einlaßventils oder eines Auslaßventils, wobei je Zylinder wenigstens ein Einlaßventil und ein Auslaßventil angeordnet ist. Die Ansteuerung der einzelnen Einlaßventile und Auslaß­ ventile an einer Kolbenbrennkraftmaschine erfolgt bei derarti­ gen elektromagnetischen Ventilantrieben über eine elektroni­ sche Motorsteuerung 9, die in Fig. 1 angedeutet ist. Der Motorsteuerung 9 werden neben der Vorgabe des Lastwunsches über das Gaspedal 10 als Grundvorgabe die Drehzahl, der Kurbelwinkel, die Motortemperatur und weitere für einen einwandfreien Motorbetrieb relevante oder wünschenswerte Daten vorgegeben, die in der elektronischen Motorsteuerung 9 verarbeitet werden und die entsprechenden Stellsignale für die wechselseitige Bestromung der Elektromagneten der einzelnen Stellantriebe der Hubventile erarbeitet.

In Fig. 2 ist in bezug auf die schematische Darstellung eines elektromagnetischen Ventilsantriebs der zeitliche Verlauf der Ströme in den beiden Elektromagneten sowie der Wegverlauf des Ankers 5 näher dargestellt.

Als Ausgangslage für die Darstellung in Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß der Anker 5 an der Polfläche des Elektro­ magneten 3 anliegt, d. h. daß das Hubventil 1 in Schließstel­ lung gegen die Kraft der Rückstellfeder 7 gehalten ist. Um den Anker am Elektromagneten halten zu können, ist dieser mit einem Haltestrom I_3h beaufschlagt, wobei dieser Halte­ strom I_3h zwischen einem oberen und einem unteren Stromwert "getaktet" wird, um unter Ausnutzung der gespeicherten magnetischen Energie den Stromverbrauch während der Halte­ phase zu reduzieren.

Soll nun das Hubventil 1 geöffnet werden, dann wird zu einem Zeitpunkt T₁ der Elektromagnet 3 stromlos gesetzt. Der Haltestrom fällt über einen Zeitraum t_ab ab, wobei der Anker auch nach dem vollständigen Stromabfall noch für eine gewisse Zeit, der sogenannten Klebzeit, am Elektro­ magneten 3 anliegt. Erst zum Zeitpunkt T₂ setzt sich der Anker 5 unter dem Einfluß der Kraftwirkung der Rückstell­ feder 7 in Bewegung, wie dies aus dem zwischen den beiden Stromkurven angegebenen Wegverlauf zu ersehen ist. Sobald der Anker 5 die durch die Kraftwirkung der beiden Rückstell­ federn 7 und 8 vorgegebene Mittelposition durchlaufen hat, wirkt der Ankerbewegung die wachsende Rückstellkraft der Rückstellfeder 8 entgegen. Um nun den Anker 5 am Elektromag­ neten 4 zu "fangen" und das Hubventil 1 sicher in Öffnungs­ stellung zu halten, wird zum Zeitpunkt T₃ der Elektromagnet 4 bestromt, so daß noch vor dem Auftreffen des Ankers 5 auf der Polfläche des Elektromagneten 4 zum Zeitpunkt T₄ der maximale Fangstrom I_4f erreicht wird. Dieser maximale Fang­ strom wird über eine vorgegebene Zeitdauer bis zum Zeit­ punkt T₅ aufrechterhalten, wobei dieser Zeitraum t_f so bemessen ist, daß ein sicheres Auftreffens des Ankers 5 auf der Polfläche des Elektromagneten 4 gewährleistet ist. Zum Zeitpunkt T₅ wird der Strom dann auf die Höhe des Haltestroms I_4h reduziert, wobei während der Haltezeit der Haltestrom I_4h wiederum zur Reduzierung des Stromver­ brauchs getaktet wird. Zum Schließen des Ventils wird dann über die elektronische Motorsteuerung 9 in entsprechender Weise der Haltestrom I_4h abgeschaltet, so daß der vorstehend beschriebene zeitliche Ablauf der Bestromung und der Ventil­ bewegung in umgekehrter Richtung verläuft.

Es ist nun zu erkennen, daß die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 5 auf die Polfläche des jeweils fangenden Elektro­ magneten von der Größe des Fangstroms I_f abhängig ist. Wird eine zu geringe Höhe für den Fangstrom durch die Steue­ rung vorgegeben, dann ist die in Gegenrichtung wirkende Kraft der Rückstellfeder zu hoch, so daß der Anker gar nicht zur Anlage an der Polfläche des bestromten Elektromag­ neten kommt. Wird der Fangstrom zu hoch gewählt, dann erfährt der Anker in der Endphase seiner Annäherung an die Polfläche eine entsprechend starke Beschleunigung, so daß der Anker mit hoher Geschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft, so daß hier eine entsprechende Energieumsetzung aus Bewegungs­ energie in Krafteinwirkung auf die Polfläche und die Entwick­ lung von Schall die Folge ist. Auch hier besteht bei sehr hohen Stromhöhen die Gefahr, daß der Anker aufgrund der elastischen Materialgegebenheiten vollständig zurückprallt und gar nicht gefangen wird oder bei geringeren Fangstrom­ höhen ein oder mehrere Rückprallbewegungen ausführt, zwischen denen er immer wieder gefangen wird, bis er endgültig an der Polfläche des fangenden Elektromagneten anliegt. Auch hierdurch ergeben sich Nachteile für den Motorbetrieb. Anstelle der Stromhöhe oder auch zusätzlich zur Stromhöhe kann auch der Einschaltzeitpunkt (T₃ gem. Fig. 2) zur Beein­ flussung der Energieeinkopplung verwendet werden.

Neben der Stromhöhe kann die Auftreffgeschwindigkeit auch noch durch andere Faktoren beeinflußt werden, so beispiels­ weise durch fertigungsbedingte oder verschleißbedingte mechanische Toleranzen im System, Einflüsse wechselnder betriebsbedingter Temperaturen und ähnlicher äußerer Einflüsse. Diese Einflüsse lassen sich, wie anhand der Beschreibung zu Fig. 2 zu erkennen ist, über eine entsprechende Regelung der Fangstromhöhe bei der Ansteuerung des elektromagneti­ schen Ventilantriebs korrigieren.

Da es für den Betrieb des Motors entscheidend darauf ankommt, daß das jeweils anzusteuernde Hubventil entsprechend dem Arbeitszyklus zu einem exakt vorgegebenen Zeitpunkt geschlos­ sen oder geöffnet ist, bietet sich gerade bei der Verwendung elektromagnetischer Ventilantriebe, bei denen der Anker 5 sowohl in der Schließstellung als auch in der Öffnungsstellung des zu betätigenden Ventils an der Polfläche des jeweils fangenden Magneten zur Anlage kommt, die Möglichkeit zu einer exakten Zeitbestimmung. Hierdurch läßt sich mit Vorteil die bei elektromagnetischen Ventilantrieben gegebene Möglich­ keit der freien und variablen Ansteuerung der Hubventile entsprechend den Anforderungen und unter Berücksichtigung optimaler Betriebsbedingungen mit Hilfe einer elektrischen Motorsteuerung ausführen. Da die Umsetzung der Bewegungsener­ gie des Ankers in Kraft und/oder Schall beim Auftreffen auf die Polfläche immer gegeben ist und ein entsprechendes Schwingungssignal erzeugt, bietet sich hier die Möglichkeit an, dieses Schwingungssignal zu Zwecken der Steuerung und/ oder Regelung zu erfassen und auszuwerten.

In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild das Grundprinzip dargestellt. Eine Kolbenbrennkraftmaschine 11 ist mit einer entsprechenden Zahl von Hubventilen versehen, die jeweils mit elektromagnetischen Ventilantrieben 2 (hier insgesamt als Block dargestellt) versehen sind. Dem Motor 11 ist nun ein zentraler Sensor 12 oder aber jedem Hubventil ein gesonderter Sensor 12 zugeordnet, über den das beim Auftref­ fen des Ankers auf die jeweiligen Polflächen erzeugte Schwin­ gungssignal erfaßt wird. Das über den Sensor 12 erfaßte Schwingungssignal wird nun in einer Auswerteeinheit 13, beispielsweise in bezug auf seine Amplitude, mit einem vorgegebenen Soll-Wert verglichen. Sofern der Ist-Wert höher ist als der vorgegebene Soll-Wert, d. h. der Anker trifft mit zu hoher Auftreffgeschwindigkeit auf die Pol­ fläche des fangenden Elektromagneten auf, dann wird über ein entsprechendes Korrektursignal über die elektronische Motorsteuerung 9 bei der nächsten Betätigung der betreffende Elektromagnet mit einem reduzierten Fangstrom bestromt, so daß dann der Anker mit geringerer Auftreffgeschwindigkeit auftrifft.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die Möglichkeit gegeben, jedem einzelnen elektromagnetischen Ventilantrieb 2 einen eigenen Sensor 12 zuzuordnen, so daß der elektromagnetische Ventilantrieb eines jeden Hubventils individuell angesteuert werden kann und so Serientoleranzen, unterschiedliche Ver­ schleißzustände etc. auskompensiert werden können.

Das Schwingungssignal kann hierbei über einen Körperschall­ sensor erfaßt werden. Es ist aber auch möglich, durch entspre­ chende Kraftsensoren oder auch Dehnungssensoren, die bei­ spielsweise in den Verbindungsschrauben zwischen den beiden Elektromagneten 3 und 4 angeordnet sind, sowohl den Auftreff­ zeitpunkt als auch die Auftreffgeschwindigkeit bzw. die aus der Auftreffgeschwindigkeit abgeleitete Auftreffenergie als Schwingungssignal zu erfassen und entsprechend zu ver­ arbeiten.

In Fig. 5 sind drei verschiedene Meßschriebe dargestellt, aus denen der für unterschiedlichen Auftreffgeschwindigkei­ ten erfaßte Körperschall eines Hubventils dargestellt ist. Die dargestellten Meßschriebe zeigen die Schwingungssignale, die bei einem Ventilöffnen entstehen (hier bei 440° Kurbel­ winkel) und die bei einem Ventilschließen entstehen (hier bei etwa 670° Kurbelwinkel). Der Meßschrieb 5.1 zeigt die entstehenden Schwingungssignale bei hohen Auftreffgeschwin­ digkeiten, der Meßschrieb 5.2 zeigt die Schwingungssignale für mittlere Auftreffgeschwindigkeiten und der Meßschrieb 5.3 zeigt die Schwingungssignale für eine niedrige Auftreffge­ schwindigkeiten, bei denen ein "weiches" Auftreffen erfolgt.

Es ist deutlich zu erkennen, daß bei einem Öffnen eines Hubventils nur das Auftreffen des Ankers auf der Polfläche des fangenden Elektromagneten 4 eine von der Größe der Auftreffgeschwindigkeit abhängige Energieumsetzung bewirkt. Demgegenüber erfolgt beim Schließen eines Hubventils die Energieumsetzung sowohl durch den auf der Polfläche des fangenden Elektromagneten 3 auftreffenden Ankers 5 als auch durch den auf seinen Ventilsitz auftreffenden Ventil­ teller des Hubventils 1.

Die schematisierten Darstellungen der Meßschriebe lassen im Vergleich zueinander erkennen, daß bei der hohen Auftreff­ geschwindigkeit entsprechend Fig. 5.1 Rückprallerscheinungen erfolgen, wobei noch zu erkennen ist, daß letztendlich die Ankerplatte doch noch zur Anlage am fangenden Elektro­ magneten kommt. Mit einer Reduzierung der Auftreffgeschwindig­ keit erfolgt eine deutliche Abnahme des Schwingungssignals, wie dies Fig. 5.2 und 5.3 erkennen lassen. Ein Vergleich dieser Meßschriebe zeigt andererseits, daß bei einer entspre­ chenden Ausgestaltung der Sensorempfindlichkeit und einer entsprechenden Ausfilterung von Störschwingungen über die Erfassung des Schwingungssignals zum einen über eine entspre­ chende Signalauswertung mit Hilfe der elektronischen Motorre­ gelung 9 die Größe des Fangstroms beeinflußbar ist. Zum anderen lassen die Meßschriebe erkennen, daß über die Er­ fassung des Schwingungssignals zugleich auch ein auf den Kurbelwinkel bezogenes Zeitsignal zur Verfügung steht, so daß auch hierüber Verschiebungen des Öffnungs- und Schließ­ beginnes sowie die Öffnungszeit regel- und ansteuerbar sind.

Anhand von Fig. 2 läßt sich erkennen, daß aufgrund der mechanischen Parameter, wie beispielsweise Federkonstante, Masse und Reibungskräfte eine Mindestflugzeit für den Anker gegeben ist, die noch geringfügig durch eine Variierung der Krafteinkopplung über den fangenden Elektromagneten 4 be­ einflußbar ist. Um nun Störeinflüsse, beispielsweise durch Klopfvorgänge auszuschalten, ist es zweckmäßig, wenn erst nach dieser Mindestflugzeit das Zeitfenster für die Körper­ schallauswertung "geöffnet" wird. Der Zeitpunkt T₅ des Rückschaltens auf Haltestrom ist über die Motorsteuerung 9 normalerweise so ausgelegt, daß der Anker 5 bereits mit Sicherheit angekommen ist. Damit ist eine Möglichkeit ge­ geben, die Steuerflanke dieses Steuersignals auch dazu zu verwenden, um das Zeitfenster zu "schließen".

In Fig. 6 ist schematisch eine entsprechende Schaltung dargestellt. Diese besteht beispielsweise aus einem Verzöge­ rungsglied 14, das mit der Rückflanke 15 des Haltesignals des schließenden Elektromagneten 3 getriggert wird. Nach einer Zeitverzögerung T₆, die auch betriebspunktabhängig durch die Motorsteuerung vorgegeben werden kann, schaltet der Ausgang des Verzögerungsgliedes 14 auf logisch "1" und bewirkt somit ein Setzen des auf "1" vorbereiteten D-Flip-Flops 16. Sobald das Haltesignal 17 auf der Seite des fangenden Elektromagneten 4 auf "1" geht, wird das D-Flip-Flop 16 wieder auf "0" zurückgesetzt. Der Ausgang des D-Flip-Flops 16 bildet somit genau das vorher beschrie­ bene Zeitfenster.

Andere Signale bieten sich ebenfalls zur Steuerung dieser Schaltung an. So kann auf den Eingang des Verzögerungs­ gliedes 14 auch das Signal eines sogenannten Ablösedetektors gegeben werden, durch den der Beginn der Ankerbewegung nach dem Abschalten des Haltestroms erfaßt werden kann. Auf den Reset-Eingang des Verzögerungsgliedes 14 kann alter­ nativ auch ein Auftrefferkennungssignal gegeben werden, wobei auch dieses Signal bereits aus einer Auswertung des Körperschallsignals gewonnen werden kann. Dazu kann der aktuelle Wert eines Integrators verwendet werden, der ggf. nach Abzug eines Grundgeräusches ein Maß für die bisher detektierte Körperschallenergie darstellt. Dieser Wert wird mit einer ggf. betriebspunktabhängig festlegbaren Schwelle verglichen und bei Überschreiten dieser Schwelle das Digitalsignal "1" erzeugt.

Alternativ hierzu kann auch die Auswertung des Stromver­ laufs oder auch der zugehörige Spannungsverlauf am fangenden Magneten zur Festlegung eines Fensters, insbesondere auch des Fensterbeginns, verwendet werden. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, daß durch die erfolgende Annäherung des Ankers 5 an die Polfläche des fangenden Magneten eine Gegenspannung induziert wird, die im Falle einer Regelung des Fangstroms direkt meßbar ist oder in anderen Fällen sich durch einen flacheren Anstieg im Stromverlauf oder gar einem Absinken des Stromes erkennen läßt. Auch hier kann wiederum mit Hilfe einer Schwellwerterfassung von Spannung oder Strom oder auch hieraus gebildeten differenzierten Signalen das Signal für den Fensterbeginn gewonnen werden. Auch kann durch einen zusätzlichen Positionssensor, der die Anker­ position oder die Ventilposition ermittelt, jeweils der Fensterbeginn festgelegt werden. In allen Fällen ist es nicht unbedingt erforderlich, die Schaltung so auszulegen, daß sie den optimalen Fensterbeginn festlegt. Vielmehr kann durchaus das Ausgangssignal der Auswerteschaltung bereits zu einem früheren Zeitpunkt aktiv werden, dann aber mit einer Zeitverzögerung die Öffnung des Fensters zu einem optimalen Zeitpunkt bewirkt werden.

Das Blockschaltbild gem. Fig. 7 zeigt eine Regelung der Ventilbewegung unter Ausnutzung des Erkennens des Auftreff­ zeitpunkts. Die Vorgabe erfolgt, wie anhand von Fig. 1 und 3 dargestellt, wiederum über die elektronische Motor­ steuerung 9. Über einen Schallsensor 12 wird der Auftreff­ zeitpunkt des Ankers auf der Polfläche des jeweils fangen­ den Magneten durch das Zeitglied 13 erfaßt.

Der erfaßte Wert wird über einen Soll-Ist-Vergleich 18 korrigiert, so daß über die elektronische Motorsteuerung 9 dann mit dem korrigierten Wert das betreffende Ventil angesteuert werden kann. Hierdurch können Fertigungstole­ ranzen, Einflüsse von Verschleiß, Temperatur, Gasgegendruck und andere Einflüsse kompensiert werden.

In gleicher Weise kann auch über ein Erkennen der Auftreff­ geschwindigkeit eine Regelung der Auftreffgeschwindigkeit vorgenommen werden. Hierdurch kann die Auftreffgeschwindig­ keit so optimiert werden, daß einerseits ein sicherer Betrieb gewährleistet ist, andererseits das Geräusch und auch der Energieaufwand zum Betrieb des Ventilantriebes minimal wird. Auch durch ein Erkennen der Auftreffgeschwindigkeit und einer daraus abgeleiteten Regelung der Auftreffgeschwin­ digkeit können Fertigungstoleranzen, Einflüsse von Ver­ schleiß, Temperatur oder sonstiger Einflüsse kompensiert werden.

Eine bevorzugte Ausführung des Kompensationsverfahrens zeigt Fig. 8 wiederum in Form eines Blockschaltbildes. Der Motor 11 wird über ein Basiskennfeld 20 innerhalb der elektronischen Motorsteuerung 9 gesteuert, in dem alle aus dem Kennfeld gewonnenen Steuerinformationen, wie bei­ spielsweise die erforderliche Fangenergie, die Stromhöhe, der Einschaltzeitpunkt oder die Höhe der Spannung an einen elektromagnetischen Ventilantrieb 2 übermittelt werden und die dann entsprechend das zugehörige Ventil des Motors betätigt. Die sich aus der Ventilbewegung ergebenden Schalt­ energien werden beispielsweise über den Körperschallsensor 12 gemessen und einer Kontrolleinheit 21 zugeführt. Diese kann unmittelbar Veränderungen an den Steuerparametern vornehmen, indem diese in einem Verknüpfungsglied 22 durch Vorgaben aus der Kontrolleinheit 21 entsprechend modifiziert werden. Diese Modifikation kann, wie in Fig. 8 dargestellt, als Addition auf die aus dem Basiskennfeld 20 kommenden Signale oder aber auch aus einer Multiplikation oder anderen Verknüpfungen bestehen. Sobald die Kontrolleinheit die richtigen Werte gefunden hat, die in dem gerade gefahrenen Kennfeldbereich zutreffend sind, legt die Kontrolleinheit 21 die entsprechend notwendigen Modifikationen in einem zusätzlichen Adaptionskennfeld 23 ab, das dafür sorgt, daß beim nächsten Anfahren dieses Kennfeldbereiches automa­ tisch die richtigen Werte realisiert werden. Die entspre­ chende Modifikation der Werte aus dem Basiskennfeld 20 erfolgt über eine weitere Verknüpfung 24, die ebenfalls additiv oder multiplikativ erfolgen kann, wie die Ver­ knüpfung 22 mit dem Signal aus der Kontrolleinheit 21.

Die Eingangsinformationen für das Basiskennfeld 20 und das Adaptionskennfeld 23 können entweder unmittelbar aus am Motor gewonnenen Signalen, wie beispielsweise Motor­ drehzahl oder Temperatur und/oder auch aus externen Signa­ len, wie beispielsweise die Lastvorgabe durch das Fahrpedal 10 bestehen. Die beteiligten Signale müssen für das Basis­ kennfeld 20 und das Adaptionskennfeld 23 nicht identisch sein. Vielmehr kann das Adaptionskennfeld 23 auf bestimmte Signale verzichten, insbesondere reicht eine gegenüber dem Basiskennfeld 20 gröbere Kennfeldaufteilung und damit eine kleinere Anzahl der Stützstellen aus.

Die Unterscheidung der Auftreffsignale der verschiedenen Ventile und ebenso der hierdurch verursachten Störungen etwaiger Klopferkennungsalgorithmen kann mittels zyklischer Variation der Ventilsteuergrößen eindeutig vorgenommen werden. Somit können sukzessive alle Ventile unmittelbar an den idealen Arbeitsbereich herangefahren werden.

Dieses Verfahren wird im folgenden näher beschrieben. Zu­ nächst wird seitens der Motorsteuerung festgestellt, welche Ereignisse (Ventilauftreffen und/oder Ankerauftreffen) innerhalb des jeweils gleichen bzw. von sich überlappenden Fenstern auftreten. Sodann wird eines der Ereignisse gezielt verstärkt, in dem beispielsweise durch Vergrößern der Fang­ energie (Erhöhung des Fangstromes) die Auftreffgeschwindig­ keit eines Ventils und/oder eines Ankers erhöht wird oder durch Frühverstellung der Zündung das Klopfen verstärkt wird. Da allerdings das Klopfen ein stochastischer Prozeß ist, wird vorzugsweise zunächst durch eine bezüglich des Klopfens sichere Einstellung versucht, den Einfluß durch das Klopfen des Motors zu unterbinden.

Als nächstes wird eine Fallunterscheidung durchgeführt:

• a) Steigt die Energie im betrachteten Fenster nicht oder nur unwesentlich, ist davon auszugehen, daß ein anderes Ereignis bereits dominant ist. Deshalb wird die testweise Verstellung des zunächst ausgewählten Ereignisses zurückge­ nommen, um ein anderes Ereignis statt dessen zu "verstärken". Nach dieser Verstellung erfolgt dann die Fallunterscheidung erneut.
• b) Steigt die gemessene Körperschallenergie innerhalb des betrachteten Fensters, ist nun von einer Dominanz des ausge­ wählten Ereignisses auszugehen. Ggf. wird die Energie noch einen Schritt weiter erhöht, bis die Dominanz eindeutig gegeben ist. Sodann kann beispielsweise durch Vergleich mit Sollwerten oder vorher gespeicherten Erfahrungswerten festgestellt werden, wie hoch der Energieüberschuß gegenüber dem Normalbetrieb ist, und somit der Wert für die tatsächliche Fangenergie oder die entsprechenden Bestromungsparameter (beispielsweise Höhe oder Einschaltzeitpunkt des Stromes oder Höhe der Spannung) korrekt eingestellt werden.

In dieser Weise verfährt man nun mit sämtlichen in das entsprechende Fenster fallenden Ereignissen. Hat man in dieser Weise die gesamte Energie des Körperschalls im Fenster (deutlich) reduzieren können, so kann ggf. die Prozedur erneut durchgeführt werden, um noch günstigere Einstellungen zu erhalten.

Die Festlegung desjenigen Ereignisses, das als erstes zur Variation ausgewählt wird, kann anhand von Erfahrungswerten erfolgen. Diese Erfahrungswerte können sich darauf beziehen, wie empfindlich ein bestimmtes Ereignis auf erhöhte oder erniedrigte Energiezufuhr reagiert, so daß ein beispiels­ weise besonders leicht ausfallendes Ventil als erstes variiert wird. Ausfallen bedeutet hier, daß beispielsweise aufgrund zu geringer Fangenergien das Ventil nicht ordnungs­ gemäß gefangen wird. Auch kann die Initialeinstellung für die Fangenergien oder für das zuerst zu variierende Ventil­ ereignis von der Temperatur oder ähnlichen Betriebspara­ metern abhängig gemacht werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Steuerung der Antriebe von Hubventilen an einer Kolbenbrennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Erkennung des Auftreffzeitpunktes und/oder der Auftreff­ geschwindigkeit wenigestens eines der Hubventile, wobei von dem Hubventil und/oder seinem Ventilantrieb im Betrieb erzeugte Schwingungssignale erfaßt und der Ventilantrieb in Abhängigkeit von der Größe der erfaßten Schwingungssig­ nale angesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungssignal der vom Hubventil erzeugte Körper­ schall mittels eines Schallsensors erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungssignal die durch das Hubventil und/oder seinen Ventilantrieb beim Auftreffen bewirkte Krafteinlei­ tung mittels eines Kraftsensors und/oder eines Verformungs­ sensors erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungssignale der jeweils von den Hubventilen bewirkten Energieeinleitung mit einem zentralen Sensor erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungssignale der jeweils von den Hubventilen bewirkten Energieeinleitung jeweils von einem jedem Hubventil zugeordneten Sensor erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, daß als Maß für die Auftreffgeschwindigkeit die Energie der erfaß­ ten Schwingungssignale verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Ansteuerung des Ventilan­ triebs vorgesehenen Schwingungssignale jeweils innerhalb eines vorgegebenen Zeit- und/oder Frequenzfensters erfaßt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeit- und/oder Frequenzfenster in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel vorgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeit- und/oder Frequenzfenster bei Hubventilen mit Elektromagnetanordnungen als Ventil­ antrieben in Abhängigkeit von der Bestromung wenigstens eines Elektromagneten vorgegeben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den erfaßten Schwin­ gungssignalen die Ansteuerungszeiten der Hubventile ver­ ändert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Hubventilen mit Elektromagnetanord­ nungen als Ventilantrieben in Abhängigkeit von der Größe der erfaßten Schwingungssignale die Energieeinkopp­ lung in die Elektromagneten geregelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die vorhandenen Motorgrund­ geräusche erfaßt und bei der Bestimmung der Größe der Schwin­ gungssignale berücksichtigt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich etwa in den einzelnen Zylin­ dern auftretende Klopfgeräusche erfaßt und bei der Auswer­ tung der erfaßten Schwingungssignale zur Ansteuerung der Hubventile berücksichtigt werden.