CN115691942A - 用于操控可电磁操控的气体阀的方法和控制器 - Google Patents

用于操控可电磁操控的气体阀的方法和控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于操控可电磁操控的气体阀的方法，在该方法中，为了打开气体阀，对作用到电磁衔铁上的电磁线圈通电，为了关闭气体阀，结束对电磁线圈通电，使得电磁衔铁或与所述电磁衔铁耦合或可耦合的阀元件借助弹簧力复位到密封座中。根据本发明，在气体阀打开期间，优选在吸引阶段期间，求取两点电流调节的当前调节频率，并且与保存在控制器中的至少一个参考曲线进行比较，该参考曲线对于所述气体阀在该气体阀的限定的运行点中的调节频率是特有的。在知晓调节频率的变化和知晓电磁衔铁的最大行程的情况下求取电磁衔铁的当前位置。本发明还涉及控制器、计算机程序以及计算机程序产品，用于执行所述方法。

Description

用于操控可电磁操控的气体阀的方法和控制器
技术领域
本发明涉及一种用于操控可电磁操控的气体阀的方法。这种气体阀也称为气体配量阀或气体喷射器。气体尤其可以是气态燃料，例如氢气。需要该气态燃料用于运行内燃机或燃料电池系统。
此外，本发明涉及控制器、计算机程序以及计算机程序产品，用于实施所述方法。
背景技术
用于配量气态燃料的气体阀在现有技术中充分已知。所述气体阀通常被电磁操控。在这种情况下设置一个电磁线圈。该电磁线圈作用于往复运动的电磁衔铁。该电磁衔铁能够与用于打开和关闭气体阀的阀元件耦合或本身构成阀元件。
在配量气态燃料时，高度的计量精度很重要。在此需要准确知晓气体阀的打开和关闭特性，具体而言在气体阀的整个使用寿命期间。因为打开和关闭特性能够随着时间改变。
在电磁操控气体阀时，电磁线圈被通电，使得产生磁场。其磁力作用到可往复运动的电磁衔铁上，该电磁衔铁同时形成阀元件或与该阀元件耦合或可耦合。当电磁衔铁到达限制行程的止挡时，气体阀完全打开。因为随着达到行程止挡，电磁衔铁的速度突然改变，所以能够从感应的突然变化中读取该事件。因此，在现有技术中已经提出利用电感的变化来求取可电磁操控的气体阀的打开时间。在此，在两点电流调节的情况下，调节频率在打开期间，尤其在吸引阶段期间可以用作电感变化的指示器。然而，该方法不提供任何关于气体阀打开特性的信息。
发明内容
本发明涉及如下任务，在知晓可电磁操控的气体阀的打开特性的情况下提高该气体阀在整个使用寿命期间的计量精度。
为了解决该任务给出根据本发明的方法。下面也给出本发明的有利扩展方案。此外，还给出一种控制器、计算机程序和计算机程序产品。
在所提出的用于操控可电磁操控的气体阀的方法中，为了打开气体阀，对作用到电磁衔铁上的电磁线圈通电，并且为了关闭气体阀而结束电磁线圈的通电，使得电磁衔铁或与该电磁衔铁耦合或可耦合的阀元件借助弹簧力复位到密封座中。根据本发明，在气体阀打开期间、优选在吸引阶段期间求取两点电流调节的当前调节频率，并且与存储在控制器中的至少一个参考曲线进行比较，该参考曲线对于气体阀在其限定的运行点中的调节频率是特有的。在知晓调节频率的变化和知晓电磁衔铁的最大行程的情况下，然后求取电磁衔铁的当前位置。
所述方法基于知晓在电磁衔铁的位置与调节频率之间存在相关性。因为电磁衔铁的行程越远，则电磁衔铁和行程止挡之间的气隙就越小。两点电流调节的调节频率随着变小的气隙而增大。因此，调节频率反映了电磁衔铁的行程运动。因此，通过分析评估调节频率，可以推断出电磁衔铁的当前位置。
结合开头所述的现有技术或者在知晓电磁衔铁的行程运动的开始和结束的情况下，借助通过该方法提供的关于电磁衔铁当前位置的信息可以在每个运行状态下(包括弹道运行中im ballistischen Betrieb)确定气体阀的打开特性，并且以各种调节方案为基础。尤其可以实现闭环调节。任何基于阀动态性变化的量偏差都可以通过相应地匹配操控参数来纠正，使得由此在整个使用寿命期间提高气体阀的计量精度。
优选地，在执行该方法时，在电磁衔铁的打开运动开始时的调节频率RF_start在变化的运行参数、优选在变化的系统压力的情况下求取并且作为参考曲线保存在控制器中。求取在电磁衔铁的打开运动开始时的调节频率RF_start可以针对每个气体阀单独地或针对同一代的多个气体阀执行。如果是后者的情况，则优选地执行用同一代的至少25个不同气体阀求取。
此外优选地，在达到行程止挡的时间点时的调节频率RF_hub在变化的运行参数、优选在变化的系统压力的情况下求取并且作为参考曲线存储在控制器中。类似于在求取电磁衔铁的打开运动开始时的调节频率RF_start时的过程，调节频率RF_hub在此也可以针对每个气体阀单独地或同一代的多个气体阀执行。如果是后者的情况，则优选地执行用同一代的至少25个不同气体阀求取。
调节频率RF_start和RF_hub的求取优选地分别在变化的系统压力下进行，因为系统压力影响电磁衔铁的打开速度。
在知晓调节频率RF_start和RF_hub的情况下，可以使用以下公式求取电磁衔铁的当前位置：
Position_Anker(t)＝(RF(t)-RF_start)/(RF_hub-RF_start)*Ankerhub,
因为在公式中给出的衔铁行程也是一个已知变量，因此可以根据公式计算出电磁衔铁的当前位置。
有利地，在工厂测试期间在预定的运行点的情况下求取至少一个参考曲线，并且将其与现有的参考曲线进行比较。在有偏差的情况下，可以对相应的校正值进行编码，具体而言单独地针对各个气体阀。替代地或补充地，可以在具有气体阀的车辆运行期间在预定的运行点的情况下求取至少一个参考曲线，并且将其与已经存在的参考曲线进行比较。在出现偏差的情况下，也可以在此对气体阀的相应校正值进行编码。
在本发明的扩展方案中提出，在求取当前调节频率时，除电磁衔铁的当前位置外，还求取和考虑至少一个另外的运行参数、尤其是电池电压和/或线圈温度。例如可以测量另外的运行参数。通过考虑至少一个另外的运行参数，可以更精确地确定电磁衔铁的当前位置。这尤其适用于将电池电压和/或线圈温度考虑作为另外的运行参数，因为这些运行参数能够影响当前的衔铁位置。
如果应考虑电池电压和线圈温度，但既不知道也无法测量，则提出进行控制器的基本数据采集。然后，优选地在以下边界条件下进行该基本数据采集：
-根据规范，例如根据任务书的功能极限的最大电池电压和最低线圈温度，
-根据规范的最小电池电压和最高线圈温度。
在最大电池电压和最低线圈温度的情况下，调节频率高，使得相关曲线分别显示最大值。在最小电池电压和最高线圈温度的情况下，调节频率低，并且相关曲线与之相应地显示最小值。当所有曲线都存在时，则可以根据当前测量的调节频率RF_hub和保存在控制器中的相关性来确定调节频率RF_start的实际值。
此外优选地，借助控制器在知晓电磁衔铁的各当前位置的情况下确定气体阀的打开特性。由此导出实际喷射量并且将其与目标值进行比较。在有偏差的情况下，则可以借助相应的校正值进行校正。例如，校正值可以根据来自学习值的测量值导出。替代地可以在气体阀的打开阶段期间已经确定校正需求，并且可以在相同操控时使用校正值作为输入变量，用于计算操控结束(“实时校正”)。在满负载测试点，控制器有足够的时间，例如5ms，用于确定校正值并且在相同的喷射周期中应用该校正值。
因此，借助所提出的方法，也可以迅速检测到气体阀的故障。这是因为在阀动态性中的较大波动可以解释为即将失效的征兆，并且可以预防性地用于发出相应的警告提示和/或用于关停。
此外，提出一种用于操控气体阀的控制器。该操控器设置为用于实施根据本发明的方法的步骤。尤其可以在控制器中保存有用于执行该方法所需的参考值或参考曲线。借助控制器也可以将求出的调节频率与各个存储的参考曲线进行比较。在有偏差的情况下，则可以相应地改变操控参数。
此外，要求保护具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在计算机或相应的计算单元，例如在控制器上运行时，实施根据本发明的方法的步骤。这尤其可以是用于操控气体阀的控制器。
此外，提出一种具有根据本发明的计算机程序的计算机程序产品，该计算机程序产品存储在机器可读的数据载体或存储介质上。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明。附图示出了：
图1：在关闭位态中的气体阀的示意性纵截面；
图2：图1的气体阀的示意性纵截面，但该气体阀在打开位态中；
图3a)：在电磁线圈通电用于打开在图1和2中所示的气体阀期间的两个不同的电流走势和图3b)：在吸引阶段期间的相关的调节频率，
图4a)：在不同系统压力下气体阀的电磁衔铁的行程，图4b)：相关的电流曲线和图4c)：相关的调节频率，
图5：根据调节频率RF_hub确定在气体阀打开期间，具体而言在吸引阶段期间的基本曲线。
具体实施方式
适合于执行根据本发明的方法的气体阀1例如可以从图1和2看到。所示的气体阀1包括用于作用到可往复运动的电磁衔铁2上的电磁线圈3，该电磁衔铁2能够与可往复运动的阀元件4耦合。阀元件4通过阀弹簧7的弹簧力朝密封座5的方向预紧。电磁衔铁2被衔铁弹簧8的弹簧力加载，该弹簧力抵抗电磁线圈3的磁力。
如果对电磁线圈3通电，则形成磁场，该磁场的磁力使电磁衔铁2朝阀元件4的方向运动。在此，与电磁衔铁2连接的衔铁栓9贴靠在阀元件4上，使得该阀元件克服阀弹簧7的弹簧力从密封座5抬起。电磁衔铁2继续其运动，直至其到达行程止挡6并且气体阀1完全解除节流或者说打开(参见图2)。为了关闭气体阀1，结束对电磁线圈3的通电，使得衔铁弹簧8将电磁衔铁2复位到其初始位置中。在此，衔铁栓9与阀元件4脱离，使得阀弹簧7能够将阀元件4拉到密封座5中(参见图1)。
在图1所示的气体阀1的关闭位态中，在电磁衔铁2和行程止挡6之间形成气隙10，该气隙是磁回路的工作气隙。该气隙影响在吸引阶段A期间的调节频率，在该吸引阶段中使用两点电流调节用于电磁线圈3的通电。
在气体阀1打开时，气隙10对吸引电流的调节频率的影响在图3中示出，其中，图3a)示出电流曲线，图3b)示出相关的调节频率。实线涉及在图1中所示的衔铁位置(最大气隙)期间的电流曲线或调节频率。在图3b)中所示的调节频率的走势在下文中称为“基本曲线”。虚线涉及在图2所示的衔铁位置(最小气隙)期间的电流曲线或调节频率。
例如在图3a)中所示的那样，在吸引电流阶段A之前可以是加速阶段B，以便提供开始时大的打开力。当切换到在吸引阶段A期间的吸引电流时，因此会出现瞬态行为，这在图3b)中标记为阶段E。
从图3可看到，调节频率RF随着气隙10变小，即随着电磁衔铁2的行程继续而提高。
电磁衔铁2的打开速度可以通过系统压力改变，使得电磁衔铁的衔铁动态性和从而行程走势改变。在恒定的操控持续时间，但变化的系统压力的情况下，不同的行程走势例如在图4a)中示出。水平虚线标记行程止挡6。相关的电流曲线在图4b)中示出，相关的调节频率RF在图4c)中示出。图4c)清楚地示出，衔铁动态性影响吸引电流的调节频率RF。电磁衔铁2相应地在时间点t1开始其行程运动并且在时间点t2随着到达行程止挡6而结束。系统压力越低，越迟(例如在时间点t2’)或甚至不到达行程止挡6。
因此，调节频率RF反映了衔铁行程运动，因此可以用于确定衔铁位置。在此适用：
Position_Anker(t)＝(RF(t)-RF_start)/(RF_hub-RF_start)*Ankerhub
因为衔铁行程是已知的，所以仅须求取在衔铁运动开始时的调节频率RF_start以及求取到达行程止挡6的时间点的调节频率RF_hub作为用于确定衔铁行程曲线的参考点。
调节频率RF_start和调节频率RF_hub优选地针对同一代阀的多个气体阀通过压力变化一次性确定。然后将求出的调节频率作为参考曲线保存在用于操控气体阀1的控制器中。为了进一步提高计量精度，可以在限定的工作点时求取参考曲线。该求取不但可以在工厂测试时而且在气体阀1的之后的运行中进行。
因为吸引阶段A的两点电流调节的调节频率不但与衔铁位置，而且原则上也与电池电压和线圈温度有关，所以为了进一步提高计量精度而提出，考虑这两个参数。如果它们未知并且也不能同时测量，则可以以如下边界条件进行一次基本数据采集：
-最大电池电压和最低线圈温度，
-最小电池电压和最高线圈温度，
分别根据规范，例如根据任务书的功能极限。
从图5例如得出基本数据GBmax和GBmin以及在气体阀关闭时(下方曲线)和气体阀完全打开时(上方曲线)时具有标称值的基本数据GBnom。此外，绘制出测量曲线MK，其说明了当前测量或求出的调节频率。如果所有这些曲线都存在，则可以借助测量或求出的调节频率RF_hub来确定基本曲线(参见图5右侧的示图)。
调节频率RF_hub和基本曲线之间的相关性优选地通过大量气体阀表征并且保存在控制器(未示出)中。根据在气体阀1运行时当前测量的或求出的调节频率RF_hub和保存在控制器中的相关性来确定基本曲线的实际值。
如果不但已知电磁衔铁的当前位置，而且还已知电磁衔铁运动的开始和结束以及必要时已知气体阀1的关闭时间，则可以以非常高的计量精度实现闭环量调节。

Claims (11)

1.一种用于操控可电磁操控的气体阀(1)的方法，在该方法中，为了打开所述气体阀(1)，对作用到电磁衔铁(2)上的电磁线圈(3)通电，并且为了关闭所述气体阀(1)，结束对所述电磁线圈(3)通电，使得所述电磁衔铁(2)或与所述电磁衔铁(2)耦合或能够耦合的阀元件(4)借助弹簧力复位到密封座(5)中，
其特征在于，在所述气体阀(1)打开期间，优选在吸引阶段期间，求取两点电流调节的当前调节频率，并且与保存在控制器中的至少一个参考曲线进行比较，该参考曲线对于所述气体阀在该气体阀(1)的限定的运行点中的调节频率是特有的，并且在知晓所述调节频率的变化和知晓所述电磁衔铁(2)的最大行程的情况下求取所述电磁衔铁(2)的当前位置。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，在所述电磁衔铁(2)的打开运动开始时的调节频率(RF_start)在变化的运行参数、优选在变化的系统压力的情况下求取并且作为参考曲线保存在所述控制器中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，在达到行程止挡(6)的时间点时的调节频率(RF_hub)在变化的运行参数、优选在变化的系统压力的情况下求取并且作为参考曲线保存在所述控制器中。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，为了求取所述电磁衔铁(2)的当前位置而使用以下公式：
Position_Anker(t)＝(RF(t)-RF_start)/(RF_hub-RF_start)*Ankerhub。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，在工厂测试期间和/或在具有所述气体阀(1)的车辆运行时在预定的运行点的情况下求取至少一个参考曲线，并且将该参考曲线与已经存在的参考曲线进行比较，其中，优选地在有偏差的情况下对相应的校正值进行编码。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，在求取当前调节频率时，除所述电磁衔铁(2)的位置外，还求取，例如测量并且考虑至少一个另外的运行参数、尤其是电池电压和/或线圈温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，所述控制器的基本数据采集在以下边界条件下进行：
-根据规范的最大电池电压和最低线圈温度，例如根据任务书的功能极限，
-根据规范的最小电池电压和最高线圈温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，借助所述控制器在知晓所述电磁衔铁(2)的相应当前位置的情况下确定所述气体阀(1)的打开特性并且由此导出实际喷射量并且将该实际喷射量与目标值进行比较。
9.一种用于操控气体阀(1)的控制器，其中，所述控制器设置为用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
10.一种具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机或相应的计算单元，例如控制器上运行时，该计算机程序实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
11.一种计算机程序产品，具有根据权利要求10所述的计算机程序，所述计算机程序产品存储在机器可读的数据载体或存储介质上。
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