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WO2000070198A1 - Verfahren zum betrieb eines elektromagnetischen ventiltriebs zur betätigung eines gaswechselventils an einer kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines elektromagnetischen ventiltriebs zur betätigung eines gaswechselventils an einer kolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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WO2000070198A1
WO2000070198A1 PCT/EP2000/004464 EP0004464W WO0070198A1 WO 2000070198 A1 WO2000070198 A1 WO 2000070198A1 EP 0004464 W EP0004464 W EP 0004464W WO 0070198 A1 WO0070198 A1 WO 0070198A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
armature
valve
control
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/004464
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Schmitz
Christian Boie
Jürgen Hagen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FEV Europe GmbH
Original Assignee
FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FEV Motorentechnik GmbH and Co KG filed Critical FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Priority to DE10081312T priority Critical patent/DE10081312D2/de
Priority to EP00943721A priority patent/EP1099044A1/de
Priority to JP2000618593A priority patent/JP2002544434A/ja
Publication of WO2000070198A1 publication Critical patent/WO2000070198A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0253—Fully variable control of valve lift and timing using camless actuation systems such as hydraulic, pneumatic or electromagnetic actuators, e.g. solenoid valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0257—Independent control of two or more intake or exhaust valves respectively, i.e. one of two intake valves remains closed or is opened partially while the other is fully opened
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Another problem with the electromagnetic valve train is that, due to the sticking times of the armature on the pole face, it is not possible to set arbitrarily short control times.
  • an electromagnetic actuator for actuating a gas exchange valve on a piston internal combustion engine, which has an armature which is operatively connected to the gas exchange valve and which is guided back and forth between the two electromagnets against the force of at least one return spring, the energization of which is controlled by a motor control. It is provided as a method according to the invention to solve these problems that a continuous adaptation of the control and / or regulating parameters to the respective operating states of the piston internal combustion engine by recording the respective actual conditions and / or via stored characteristic maps in the engine control and / or ongoing measurements are carried out and that the current is supplied in such a way that the armature of the electromagnetic valve drive strikes at the lowest possible speed.
  • the controller parameters such as the P component of a PID controller, are set depending on the operating state. At least one piece of information from the engine control system about the current operating state is used for this. This information can either be transmitted directly to the controller in the form of load information, speed information or the like, which then adjusts its parameters accordingly. Or the respective controller parameters for the current operating status are stored in the engine control, for example in the form of a map, and are transmitted to the controller.
  • Certain data can also be determined in the controller unit itself. For example, information on the sensor value (travel signal) in the end position, that is to say when the armature is present, can be determined from the travel signal of at least one of the preceding switching cycles. This enables self-calibration. It is also possible to determine an asymmetrical parameterization of the controller for opening and closing from the determination of the rest position of the armature if the rest position of the armature is not exactly in the middle between the two pole faces. This saves an exact adjustment of the middle position. This is important for a reduction in service intervals.
  • valve clearance is recorded by means of a measurement, or a required parameter variation is derived from the findings of the previous work cycles.
  • the "knowledge" of the controller can also be used to control the detachment process ie the start of the armature / valve movement. So far, different waste delay times (T ⁇ times) have been accepted or attempts have been made to compensate for them through specifications from the engine control. Such different "sticking" times are, on the one hand, a consequence of back pressure fluctuations caused by the cyclical fluctuations gen of the internal combustion engine or different load conditions. On the other hand, they also depend on the magnetic conditions of the actuator and are therefore dependent on the type variation. It may also be necessary to change the current switch-off time depending on the expected flight time. The control unit can determine all these influences by observation and compensate accordingly in the next cycle by correcting the switch-off time.
  • the controller is controlled so that the armature is not pulled up to the pole face, but rather "floats" shortly before it. From this state, the closing movement can be initiated without delay be reduced or switched off by the current flow through the opening coil.
  • Such an uncritical basic setting can also be made after a component replacement or another workshop intervention. Even when starting the engine, it makes sense to take some of the parameters (medium-term) from an uncritical basic setting.
  • Fig. 2 shows an idealized course of
  • Fig. 3 shows an idealized course of
  • FIG. 9 shows a stroke course with holding the armature in the floating position.
  • a schematic drawing in FIG. 1 shows an electromagnetic actuator that can be controlled via a motor control for actuating a gas exchange valve.
  • An electromagnetic actuator 1 for actuating a gas exchange valve 2 consists essentially of a closing magnet 3 and an opening magnet 4, which are arranged at a distance from one another and between which an armature 5 back and forth against the force of return springs, namely an opening spring 7 and a closing spring 8 is movably guided.
  • the arrangement is shown in the closed position, specifically in the "classic" arrangement of the opening spring and the closing spring.
  • the closing spring 8 acts directly via a spring plate 2.2 connected to the shaft 2.1 of the gas exchange valve 2.
  • the guide rod 11 of the electromagnetic actuator is separated from the shaft 2.1, usually a gap in the form of the so-called valve clearance VS is present here in the closed position.
  • the opening spring 7 is in turn supported on a spring plate 11.1 on the guide rod 11, so that the guide rod 11 is supported on the shaft 2.1 of the gas exchange valve 2 in the central position under the opposing effect of the opening spring 7 and the closing spring 8.
  • the closing spring 8 and the opening spring 7 are now generally designed so that in the rest position, ie when not in use. flowed electromagnets the armature 5 is in the central position between the two pole faces. From this central position, the electromagnetic actuator 2 with its gas exchange valve 2 must then be started in accordance with the above-described method for starting up the associated piston internal combustion engine.
  • the electromagnets 3 and 4 of the actuator 1 are controlled via an electronic motor control 9 in accordance with the specified control programs and depending on the operating data supplied to the motor control, such as speed, temperature, etc.
  • a sensor 10 is assigned to the actuator 1, which enables the actuator functions to be recorded.
  • the sensor 10 is shown schematically here.
  • the path of the armature 5 can be detected, for example, so that the respective armature position can be transmitted to the motor controller 9.
  • the armature speed can then optionally also be determined in the motor controller 9 by means of corresponding arithmetic operations, so that the energization of the two electromagnets 3, 4 can be controlled as a function of the armature position and / or as a function of the armature speed.
  • the sensor 10 does not necessarily have to be assigned to the armature 5 laterally, as shown, but it is also possible to arrange corresponding sensors in the region of the pole face of the respective electromagnet or, as with the sensor 10.1, one with the armature 5 in connection to assign standing push rod 11.1.
  • the sensor 10 shown in the schematic drawing is not shown in its geometric position.
  • the sensor 10 is part of the overall sensor system of the engine control.
  • the motor controller 9 also has corresponding means for detecting the current and the voltage for the respective electromagnet 3 and 4 and for changing the current profile and the voltage profile.
  • the actuator 1 of the gas exchange valve 2 can then be controlled in a fully variable manner as a function of predefinable operating programs, possibly based on corresponding characteristic maps, for example with regard to the start and end of the opening times. Controls regarding the amount of the opening stroke or the number of opening strokes during a closing time can also be controlled.
  • the speed can be compared with a preset value after a certain time. If, for example, the speed is lower than the specified value of a low load point, the corresponding back pressure parameters can be determined from the quotient of the specified value to the measured value using a table. Instead, a table that is filled differently can naturally also receive the difference as an input variable.
  • the influence of back pressure is determined from the behavior of the armature on the first path. While the sensor does not provide a usable signal, the model of an observer, who is now fed with the information about the estimated gas counter-pressure influence, can estimate the further course of the armature quite accurately and thus provide the controller with very good information about the current course of the path. If the armature then comes into the area of the other end position, the sensor signal again gives very precise information, so that an arrival at a low speed can then be achieved with this additional information.
  • the parameters that are influenced by the back pressure can be compared and corrected if necessary when using multiple outlet valves. Methods such as averaging or, depending on the version, maximum averaging (for the greatest possible reliability) are possible. If the exhaust valves are not actuated at the same time, the information of the earlier opening valve can already be used for the later opening valve.
  • the "self-learning ability" of neural networks can also be used to adapt the parameters. In this case, either all parameters or only a part can be adapted; the entire model formation can even be implemented using a neural network.
  • Fuzzy-based controllers or fuzzy-based algorithms can also be used to adapt the parameters.
  • a corresponding partial or complete implementation in fuzzy technology can also be carried out here
  • 3 and 4 show the idealized course of path and speed as a function of time and path.
  • 3 shows the path beginning at "A” and ending at "E", which initially runs according to the usual cosine curve, and then assumes a linear course when approaching the end position.
  • Linear course means constant speed. This can be seen in the representation of the course of the speed in FIG. 4.
  • the speed is plotted over the path starting at "A” and ending at "E".
  • the speed of impact is very low.
  • FIG. 7 shows a "normal" opening and closing movement of a gas exchange valve, in which the armature comes into contact alternately with the associated pole face of the two electromagnets and is held there for a period of time which can be predetermined by the engine control. If the energization of the electromagnet 3 held in the flow position of the armature 5 is switched off, as shown in FIG. 1, then the armature disengages from the pole face of the electromagnet 3 at time t ⁇ and moves in the direction of the force of the return spring 7 the pole face of the capturing electromagnet 4. This is energized accordingly, so that the armature 5 comes to rest on the pole face of the now capturing electromagnet 4 at time t 2 . At time t 3 , the current supply to the electromagnet 4 is switched off, so that at time t 4 and the corresponding current supply to the electromagnet 3, the armature 5 again reaches the closed position on the electromagnet 3.
  • the armature 5 shows a control for a so-called "free flight".
  • the armature 5 abuts the closing magnet 3, for example. If the closing magnet 3 is de-energized at time t x , the armature 5 moves in the opening direction. If the opening magnet 4 is not energized, the armature 5 reverses its movement in the direction of the closing magnet 3 under the action of the closing spring 8 and can be caught again at time t 5 if the current is applied appropriately. This results in a reduced opening stroke.
  • the method according to the invention in order to minimize or even switch off the adhesive time of the armature 5 on the closing magnet 3 for the opening process, consists of a corresponding parameterization of the current operating data the possibility to energize the "holding" magnet in such a way that the armature 5 does not come to rest on the pole face on its way to the opening position but "hovers" just before it for the duration of the opening time from t 2 to t 3 .
  • the closing process can be initiated practically without delay by switching off the current supply, so that the valve reaches its closed position again at time t 4 . This process is shown in Fig. 9.
  • cyclical fluctuations can occur in the combustion process if the leanness is excessive or the residual gas content is too high. These cyclical fluctuations can no longer be tolerated above a certain level of around 0.1 bar indicated mean pressure, because on the one hand the driver feels the uneven running of the piston internal combustion engine and on the other hand the emissions increase.
  • the presence of cyclical fluctuations can be recognized from the changes in the gas back pressure.
  • the opening time of the gas outlet valve varies depending on the exhaust gas back pressure, because the time of the equilibrium of forces between the decreasing magnetic force and the spring force is influenced by the exhaust gas back pressure that acts on the valve disk.

Landscapes

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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

Bezeichnung Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Ventiltriebs zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine
Beschreibung
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 wechselnden Betriebsbedingungen (Drehzahl und insbesondere Last, Temperatur etc.) ist die Auslegung eines Reglers nahezu unmöglich, da die Einstellungen der Reglerparameter abhängig vom jeweiligen Betriebszustand geändert werden müssen.
Ein weiteres Problem des elektromagnetischen Ventiltriebs besteht darin, daß bedingt durch die Klebzeiten des Ankers an der Polfläche nicht beliebig kurze Steuerzeiten eingestellt werden können.
Für einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine, der einen mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden An- ker aufweist, der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder zwischen zwei Elektromagneten hin und her bewegbar geführt ist, deren Bestromung über eine Motorsteuerung gesteuert wird, ist als erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung dieser Probleme vorgesehen, daß eine laufende Anpassung der Steuer- und/oder Regelparameter an die jeweiligen Betriebszu- stände 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. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Reglerparameter, wie beispielsweise P-Anteil eines PID-Reglers, abhängig vom Betriebszustand eingestellt. Hierzu wird wenigstens eine Information der Motorsteuerung über den momentanen Betriebs- zustand genutzt. Diese Information kann entweder unmittelbar in Form einer Lastinformation, Drehzahlinformation oder ähnliches an den Regler übermittelt werden, der dann seine Parameter entsprechend anpaßt. Oder in der Motorsteuerung sind die jeweiligen Reglerparameter für den aktuellen Betriebszu- stand hinterlegt, beispielsweise in Form eines Kennfeldes, und werden an den Regler übermittelt.
Bestimmte Daten können auch in der Reglereinheit selber ermittelt werden. So kann z.B. aus dem Wegsignal wenigstens ei- nes der vorausgegangenen Schaltzyklen eine Information über den Sensorwert (Wegsignal) in der Endlage, also bei anliegendem Anker, ermittelt werden. Hierdurch wird eine Selbstkali- bration erzielt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, aus der Bestimmung der Ruhelage des Ankers eine unsymmetrische Para- metrierung des Reglers für das Öffnen und das Schließen zu veranlassen, wenn die Ruhelage des Ankers sich nicht exakt in der Mitte zwischen den beiden Polflächen befindet. Somit kann eine genaue Einstellung 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 erfaßt, oder aber eine erforderliche Parametervariation aus den Erkenntnissen der vorhergehenden Arbeitsspiele abgeleitet.
Die "Erkenntnisse" des Reglers können ebenso verwendet werden, um den Ablösevorgang d.h. den Beginn der Anker/Ventilbewegung zu steuern. Bisher wurden unterschiedliche Abfallverzugszeiten (T^Zeiten) in Kauf genommen bzw. durch Vorga- ben aus der Motorsteuerung versucht zu kompensieren. Solche unterschiedlichen "Kleb"zeiten sind zum einen Folge von Gegendruckschwankungen, bedingt durch die zyklischen Schwankun- gen des Verbrennungsmotors bzw. unterschiedliche Lastzustände. Zum anderen hängen sie auch von den magnetischen Gegebenheiten des Aktuators ab und sind somit typenstreuungsabhän- gig. Weiterhin kann es erforderlich sein, den jeweiligen Abschaltzeitpunkt des Stromes in Abhängigkeit der zu erwartenden Flugzeit zu ändern. Alle diese Einflüsse kann die Regeleinheit durch Beobachtung feststellen und entsprechend im nächsten Zyklus durch Korrektur der Abschaltzeit kompensieren.
Durch Beobachtung der Abfallverzugszeit, beispielsweise für den Fall des Auslaß-Öffnet-Ereignisses, kann auf den jeweils aktuellen Zylindergegendruck rückgeschlossen werden und hieraus auf zyklische Schwankungen geschlossen werden. Die Mög- lichkeit zu einer solchen Beobachtung kann unterstützt werden, indem die Stromabschaltung durch die Schließerspule derart frühzeitig erfolgt, daß das Ventil noch durch den Abgasgegendruck in der geschlossen Position gehalten wird. Es ist möglich, auch unter Berücksichtigung des Ventilspiels, dann durch Messung des Spannungsverlaufes beim Ablösen oder einfach auch durch Wegerfassung den Ablösezeitpunkt zu erfassen und aus der zu diesem Zeitpunkt vorliegen Kolbenstellung (Kurbelwinkel) auf den Druckverlauf und dessen Änderung gegenüber 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 entsprechend 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 verschiedene Arten von bei der Parame- teradaption zu berücksichtigenden Einflüssen angegeben werden: nämlich zum einen schnellveränderliche Einflüsse, wie der Gegendruck beim Öffnen des Ventils, der zyklisch schwankend ist. Ferner mittelschnelle Einflüsse, wie Temperaturänderungen, Spulenwiderstand, Reibung, Ventilspiel, Sensor- offset (also beispielsweise eine Drift des Sensors durch Temperatureinflüsse, mechanische Einflüsse). Schließlich langfristige Änderungen (Mittellage = Ruhelage des Ankers, Hub, Ventilmasse, Reibung)
Bei den langfristigen Parametern dürfen naturgemäß keine schnellen Anpassungen des Modells vorgenommen werden, da entsprechend schnelle Änderungen nicht vorkommen können und es sich somit um Artefakte handeln muß. Auch bei den mittelschnellen 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 eine zu starke Ände- rung gegenüber vorher aufweisen würde, wird der neu ermittelte Wert verworfen.
Sollte ein Ventil "ausfallen", d.h. bei der aktuellen Einstellung der Modellparameter nicht am Anker ankommen, so wird für den "Wiederstart" des Ventils eine unkritische Grundeinstellung für die Modellparameter gewählt, bei denen dann die Auftreffgeschwindigkeit durchaus größer sein kann, die Betriebssicherheit dann aber jedenfalls wieder gewährleistet ist.
Solche unkritische Grundeinstellung kann auch nach einem Komponententausch oder einem anderen Werkstatteingriff erfolgen. Auch beim Start des Motors ist es sinnvoll, einen Teil der Parameter (mittelfristige) aus einer unkritischen Grundeinstellung zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator mit Gaswechselventilen, einen idealisierten Hubverlauf in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 2 einen idealisierten Verlauf des
Hubweg in Form eines Spannungssignals,
Fig. 3 einen idealisierten Verlauf des
Hubweges in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 4 einen idealisierten Verlauf der Ge- schwindigkeit in Abhängigkeit vom Weg,
Fig. 5 einen realistischen Verlauf des Weges in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 6 einen realistischen Verlauf der Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Weg,
Fig. 7 einen vollständigen Hubverlauf für eine normale Öffnungs- und Schließ- bewegung eines Gaswechselventils,
Fig. 8 einen Hubverlauf für einen sogenannten Freiflug,
Fig. 9 einen Hubverlauf mit Halten des Ankers in Schwebestellung. Zur Erläuterung der Erfindung ist in einer schematischen Zeichnung in Fig. 1 ein über eine Motorsteuerung ansteuerbarer elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils dargestellt.
Ein elektromagnetischer Aktuator 1 zur Betätigung eines Gaswechselventils 2 besteht im wesentlichen aus einem Schließmagneten 3 und einem Öffnermagneten 4, die im Abstand zueinander 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 Gaswechselventils 2 verbundenen Federteller 2.2 ein. Die FührungsStange 11 des elektromagnetischen Aktuators ist vom Schaft 2.1 getrennt, 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 gegeneinander gerichteten 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 Mittellage eine entsprechende Rückstellkraft aufbaut. Eine geson- derte Schließfeder 8 entfällt damit. Bei einer derartigen Anordnung muß allerdings die Führungsstange 11 mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils über ein entsprechendes Koppelelement verbunden sein, das die Hin- und Herbewegung des Ankers in gleicher Weise auf das Gaswechselventil 2 überträgt.
Die Schließfeder 8 und die Öffnerfeder 7 sind nun in der Regel so ausgelegt, daß in Ruhestellung, d. h. bei nichtbe- strömten Elektromagneten der Anker 5 sich in der Mittellage zwischen beiden Polflächen befindet. Aus dieser Mittellage heraus muß dann entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren zur Inbetriebnahme der zugehörigen Kolbenbrennkraftmaschine der elektromagnetische Aktuator 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 Motorsteuerung 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 Sensors kann beispielsweise der Weg des Ankers 5 erfaßt werden, so daß die jeweilige Ankerposition der Motorsteuerung 9 übermittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 kann dann über entsprechende Rechenoperationen ggf. auch die Ankergeschwindigkeit ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der Ankerposition und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwin- digkeit die Bestromung der beiden Elektromagneten 3, 4 gesteuert werden kann.
Der Sensor 10 muß nicht zwangsläufig, wie dargestellt, dem Anker 5 seitlich zugeordnet sein, sondern es ist auch möglich, entsprechende Sensoren im Bereich der Polfläche der jeweiligen Elektromagneten anzuordnen oder aber auch, wie mit dem Sensor 10.1, einer mit dem Anker 5 in Verbindung stehenden 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 Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs auf. Über die Motorsteuerung 9 kann dann in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsprogrammen, 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 einer Schließzeit sind steuerbar.
Als Beispiel für eine schnelle Parameteradaption sei hier kurz die Berücksichtigung des Abgasgegendrucks bei der Betä- tigung des Gasauslaßventils erläutert:
Aus dem ersten Teil eines Wegverlaufes bzw. eines Geschwindigkeitsverlaufes über der Zeit der Ventilbewegung und/oder der Ankerbewegung kann abgeschätzt werden, wie groß der Ge- gendruck ist. Beispielsweise kann hierzu die Geschwindigkeit nach einer bestimmten Zeit mit einem Vorgabewert verglichen werden. Ist die Geschwindigkeit beispielsweise kleiner als der Vorgabewert eines Niedriglastpunktes, so kann aus dem Quotienten des Vorgabewertes zu dem gemessenen Wert über eine Tabelle der entsprechende Gegendruckparameter ermittelt werden. Statt dessen kann eine entsprechend anders gefüllte Tabelle naturgemäß auch die Differenz als Eingangsgröße 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 den Verlauf der Spannung als Sensorsignal eines GMR(Giant Magne- tic Resistance) -Sensors wieder, der aufgrund seiner Rich- tungsabhängigkeit vom Magnetfeld in den jeweiligen Endbereichen des Ventilhubs (hier ca. 0-2mm und 6-8mm) eine hohe Wegsensitivität aufweist, im Mittelbereich 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 eines Beobachters, das nun mit den Informationen über den abgeschätzten Gasgegendruckeinfluß gefüttert ist, den weiteren Wegverlauf des Ankers recht genau abschätzen und so- mit dem Regler recht gute Informationen über den aktuellen Wegverlauf liefern. Kommt der Anker dann in den Bereich der anderen Endlage, so gibt das Sensorsignal wieder recht genaue Informationen, 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 "Eigenlernfähigkeit" neuronaler Netze ausgenutzt werden. Hierbei können entweder alle Parameter oder auch nur ein Teil angepaßt werden, es kann auch sogar die gesamte Modellbildung durch ein neuronales 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 Ventilspiel ein sanftes Auftreffen von Ventil und Anker errei- chen kann, ist die Regelung auf eine konstant niedrige Geschwindigkeit 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 Abhängigkeit von der Zeit bzw. Weg . In Fig. 3 ist der bei "A" beginnende und bei "E" endende Wegverlauf zu erkennen, der zunächst entsprechend der üblichen co- sinusförmigen Kurve verläuft, um dann bei Annäherung an die Endposition einen linearen Verlauf anzunehmen. Linearer Verlauf bedeutet konstante Geschwindigkeit. Dies ist in der Darstellung des Verlaufs der Geschwindigkeit in Fig. 4 zu erkennen. Hier ist die Geschwindigkeit über dem Weg beginnend bei "A" und endend bei "E", aufgetragen. Bei einem derartigen
Regler ist es nun gleichgültig, ob das Aufsetzen des Ventils 0,1mm oder beispielsweise 0,3 mm vor dem Aufsetzen des Ankers erfolgt, da auf jeden Fall die Auftreffgeschwindigkeit recht niedrig ist.
Ein realistischer Verlauf ist entsprechend in Fig. 5 und 6 dargestellt. Selbst bei einem nicht optimierten Regler erkennt man, daß die Geschwindigkeit jeweils unterhalb von ca. 0,2m/s verbleibt und teilweise auch deutlich niedriger wird.
Man erkennt in allen diesen Bildern, daß aufgrund eines "An- schleichens" 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 restliche Motorgeräusch bereits dominant ist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die für diesen Regeleingriff des "Anschleichens" erforderlichen Regelparameter an den Betriebspunkt anzupassen, damit bei hohen Drehzahlen ein zügigeres Schließen ge- währleistet ist. In den Fig. 7, 8 und 9 sind im Vergleich konventionelle Ventilhübe (Fig. 7 und 8) zu einem Ventilhub in einer Ansteue- rung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 9) dargestellt.
Fig. 7 zeigt eine "normale" Öffnungs- und Schließbewegung eines Gaswechselventils, bei der der Anker jeweils abwechselnd an der zugeordneten Polfläche der beiden Elektromagneten zur Anlage kommt und dort über einen von der Motorsteuerung vor- gebbaren Zeitraum gehalten wird. Wird entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 1 die Bestromung des den Anker 5 in Fließstellung gehaltenen Elektromagneten 3 abgeschaltet, dann löst sich zum Zeitpunkt tλ der Anker von der Polfläche des Elektromagneten 3 und bewegt sich unter dem Einfluß der Kraft der Rückstellfeder 7 in Richtung auf die Polfläche des fangenden Elektromagneten 4. Dieser wird entsprechend bestromt, so daß der Anker 5 an der Polfläche des nunmehr fangenden Elektromagneten 4 zum Zeitpunkt t2 zur Anlage kommt. Zum Zeitpunkt t3 wird am Elektromagneten 4 die Bestromung abge- schaltet, so daß zum Zeitpunkt t4 und entsprechender Bestromung des Elektromagneten 3 der Anker 5 wieder die Schließstellung am Elektromagneten 3 erreicht.
Fig. 8 zeigt eine Ansteuerung für einen sogenannten "Freif- lug" . Der Anker 5 liegt beispielsweise am Schließmagneten 3 an. Wird der Schließmagnet 3 zum Zeitpunkt tx stromlos gesetzt, bewegt sich der Anker 5 in Öffnungsrichtung. Wird nun der Öffnermagnet 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 zum Zeitpunkt t5 wieder gefangen werden. Dementsprechend ergibt sich ein reduzierter Öffnungshub.
Um für den Öffnungsvorgang die Klebzeit des Ankers 5 am Schließmagneten 3 zu minimieren, oder gar auszuschalten, besteht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie eingangs beschrieben, durch eine entsprechende Parametrierung aus den aktuellen Betriebsdaten die Möglichkeit, den jeweils "haltenden" Magneten so zu bestromen, daß der Anker 5 auf seinem Weg in die Öffnungsstellung nicht an der Polfläche zur Anlage kommt sondern für die Dauer der Öffnungszeit von t2 bis t3 kurz davor "schwebt". Damit kann der Schließvorgang durch Abschalten der Bestromung praktisch ohne Zeitverzug eingeleitet werden, so daß zum Zeitpunkt t4 das Ventil wieder seine Schließstellung erreicht. Dieser Vorgang ist in Fig. 9 dargestellt.
Bei einem Magerbetrieb, der über eine Abmagerung der Kraftstoffzufuhr oder über eine Erhöhung des Restgasanteils bewirkt wird, können bei zu starker Abmagerung oder zu hohem Restgasanteil zyklische Schwankungen im Verbrennungsprozeß auftreten. Ab einem gewissen Maß in der Höhe von etwa 0,1 bar indiziertem Mitteldruck sind diese zyklischen Schwankungen nicht mehr tolerierbar, weil zum einen der Fahrer die Laufunruhe der Kolbenbrennkraftmaschine spürt und zum anderen die Emissionen ansteigen. Das Vorhandensein von zyklischen Schwankungen läßt sich an den Änderungen des Gasgegendruckes erkennen. Je nach Abgasgegendruck variiert der Öffnungszeitpunkt des Gasauslaßventils, weil der Zeitpunkt des Kräftegleichgewichts zwischen der sich abbauenden Magnetkraft und der Federkraft durch den Abgasgegendruck, der auf den Ventil- teller wirkt, beeinflußt wird. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Erfassung der Schwankung des Ablösezeitpunkts des Ankers und/oder des Bewegungsbeginns des Ventils beim Öffnungsvorgang des Gasauslaßventils besteht nun die Möglichkeit, über die Motorsteuerung regelnd einzugreifen. Bei zu großer Laufunruhe ist aufgrund der sich zu schnell von Zyklus zu Zyklus ändernden Abgasgegendrücke eine zu große Unsicherheit bezüglich der erforderlichen Magnetbestromung gegeben. Durch diese Maßnahme ist bei einer Anpassung an den Regel- und/oder Steuerparameter "Motorlast" der vorstehend beschrie- bene nachteilige Einfluß zu vermeiden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrenn- kraftmaschine, der einen mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden Anker aufweist, der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder zwischen zwei Elektromagneten hin und her bewegbar geführt ist, deren Bestromung über eine Motorsteuerung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine laufende Anpassung der Steuer- und/oder 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 Bestrom- ung so erfolgt, daß der Anker des elektromagnetischen Ventiltriebs mit der geringstmöglichen Geschwindigkeit auftrifft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Steuer- und/oder Regelparameter in Abhängigkeit von der Motorlast erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Steuer- und/oder Regelparameter in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anpassung der Steuer- und/oder Regelparameter die Erfassung von Parametern aus voraufgegangenen Betriebszyklen berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schwankungen des Ablösezeitpunkts des Ankers und/oder des Bewegungsbeginns des Ventils beim Öffnungsvorgang des Gasauslaßventils erfaßt werden und über die Mo- torsteuerung auf den Betriebszustand der Kolbenbrennkraftmaschine Einfluß genommen wird.
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