DE102005002384A1

DE102005002384A1 - Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Arbeitszylinders

Info

Publication number: DE102005002384A1
Application number: DE102005002384A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schiemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-07-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ansteuern eines hydraulischen Arbeitszylinders (3), der beispielsweise als Teil eines elektrohydraulischen Stellers (30) zur Betätigung eines Gaswechselventils (1) verwendet wird, vorgeschlagen, das eine genaue Steuerung des Stellhubs erlaubt und nur geringe Anforderungen hinsichtlich Rechenzeitbedarf und Hardware-Voraussetzungen an ein Steuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Arbeitszylinders beziehungsweise Stellers, insbesondere eines hydraulischen Stellers zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und ein Steuergerät nach den nebengeordneten Ansprüchen 40 und 42.
Anwendungshintergrund solcher Arbeitszylinder beziehungsweise Steller und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind elektrohydraulische Verstellsysteme, die beispielsweise zur Betätigung von Ventilen, wie der Gaswechselventile eines Brennkraftmaschine oder eines Kompressors, oder zur Betätigung von Klappen, wie beispielsweise schneller Schaltklappen im Ansaugrohr eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, oder zur Betätigung anderer Mechanismen verwendet werden. Von besonderem Interesse sind dabei hydraulische Verstellsysteme beziehungsweise Arbeitszylinder, die einen variablen Stellhub, beziehungsweise eine variable Endposition eines Verstellvorgangs ermöglichen.
In der Regel ist bei solchen Verstellsystemen eine feste Ausgangsposition vorhanden, von der ausgehend ein Verstellvorgang durchgeführt wird. Im Beispielfall der elektrohydraulischen Verstellung eines Gaswechselventils ist eine solche Ausgangsposition durch das Anliegen des Gaswechselventils in einem Ventilsitz definiert. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist dies jedoch nicht wesentlich. Es können Verstellvorgänge aus einer beliebigen Ruhelage oder Ausgangsposition heraus betrachtet werden.
Gegenstand oder Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist allgemein die Verstellung des Kolbens eines Arbeitszylinders von einer gegebenen Ausgangsposition in eine gewünschte Endposition, die von Fall zu Fall unterschiedlich sein kann. Dabei kommt es darauf an, die Endposition beziehungsweise den Verstellweg oder Hub hinreichend genau einzustellen.
Nachfolgend wird dieses Verfahren am Beispiel einer elektrohydraulischen Verstellung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine oder eines Kompressors dargestellt und formuliert. Mit einer direkten Übertragung der Begriffe, beispielsweise der Ersetzung von Ventilhub durch Stellweg oder Stellhub, Ventilhubsensor durch Stellwegsensor oder Positionssensor, Drehzahl durch Wiederholfrequenz der Betätigung eines Stellers, sowie Gaswechselventil durch Kolben eines Arbeitszylinders, beschreibt diese Darstellung auch die allgemeineren Anwendungsfälle.

Bei elektrohydraulischen nockenwellenlosen Ventilsteuerungen (EHVS), wie sie zum Beispiel aus der DE 101 27 205 und der DE 101 34 644 bekannt sind, können Hub und Steuerzeiten der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine prinzipiell frei programmiert werden. Dadurch können das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine sowie deren spezifischer Kraftstoffverbrauch und deren Emissionsverhalten verbessert werden.

Allerdings weisen elektrohydraulische nockenwellenlose Ventilsteuerungen noch ein Optimierungspotential in Bezug auf die Steuerung des Ventilhubes auf. Die möglichen Verbesserungen liegen dabei in der Stellgenauigkeit des Ventilhubs und in dem zur Darstellung der Hubsteuerung benötigten technischen Aufwand. Dies gilt analog auch für die Steuerung von Verstell- oder Positioniervorgängen in den weiteren, eingangs genannten Systemen, für die die Erfindung verwendet werden kann.

Aus der DE 100 64 650 A1 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors mit variabler Öffnungsfunktion bekannt, bei dem die Steuerung des Gaswechselventils in Abhängigkeit einer Auswertung eines Drucks im Brennraum erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass ein Ventilhubsensor ein die Stellung des Ventils anzeigendes Hubsignal bereitstellt. Der Ventilhubsensor kann auf korrekte Funktion überprüft werden, in dem der für die Ventilstellung erwartete Verlauf des Brennraumdrucks mit dem gemessenen Brennraumdruck verglichen wird. Bei bestimmten Abweichungen wird der Ventilhubsensor in Abhängigkeit dieser Auswertung automatisch kalibriert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass mindestens ein hydraulischer Arbeitszylinder oder Steller gesteuert werden kann, ohne dass eine Rückmeldung über den Stellweg oder Hub von einem Stellweg- oder Positionssensor benötigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Hubes eines hydraulischen Stellers beziehungsweise Arbeitszylinders, nachfolgend auch als Steuerungsfunktion bezeichnet, bestimmt auf der Basis vorhandener Information zu den hydraulischen Betriebsparametern (Zustandsgrößen des Hydrauliköls) sowie gegebenenfalls zu weiteren Größen, die den Stellvorgang des Hubes beeinflussen, die Ansteuersignale eines hydraulischen Stellers so, dass ein aktuell gewünschter Hub des Stellers, beziehungsweise – im beispielhaft betrachteten Anwendungsfall – ein aktuell gewünschter Hub eines zugehörigen Gaswechselventils, im Rahmen zulässiger Toleranzen eingestellt wird.

Mit den Zustandsgrößen des Hydrauliköls sind zum Beispiel Druck und Temperatur in einem Druckspeicher (Rail) gemeint, der die hydraulische Hilfsenergie für den Betrieb des Arbeitszylinders bereitstellt. Information über den Zustand des Öls im Rail ist mittels kostengünstiger Standardtechnologie (Druck- und Temperatursensoren) leicht gewinnbar. Deren Verwendung in der Steuerungsfunktion des Ventilhubes ermöglicht somit eine kostengünstige Realisierung der Steuerung im Hinblick auf die benötigte Sensorik.

Allerdings führen im beispielhaft betrachteten Anwendungsfall Druckunterschiede zwischen Zylinder (Brennraum) und Abgassystem einerseits, sowie zwischen Zylinder und Saugrohr andererseits, zu resultierenden Gaskräften an den betreffenden Auslaß- bzw. Einlaßventilen, die sich in der Größenordnung bis zu mehreren 100 N bewegen können. Solche auf ein elektrohydraulisch betätigtes Gaswechselventil während des Öffnungsverlaufs einwirkenden Gaskräfte bedingen Unterschiede des resultierenden Hubes im Vergleich zum gaskraftfreien Betriebsfall, bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen und Ansteuersignalen des Stellers.

Durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung beziehungsweise Kompensation der Wirkung der Gaskräfte bei der betriebspunktabhängigen Berechnung einer für die Hubsteuerung maßgeblichen technischen Ansteuergröße – beispielsweise der Ansteuerzeit (t_m1) eines Steuerventils MV1 – kann ein gewünschter Hub (Sollhub) h_soll auch bei beliebigen, unter realen Betriebsbedingungen auftretenden Gaskräften im Rahmen der zulässigen Toleranzen eingestellt werden.

Die nachfolgend in Bezug auf die Kompensation von Gaskräften ausgeführten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine Weiterbildung der Konzepte und Lösungen aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 102 00 500 2385 mit dem Titel "Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Arbeitszylinders". Darin werden bereits vorteilhafte Ausgestaltungen des grundsätzlichen Lösungskonzepts beschrieben, mit denen die geforderte Genauigkeit der Hubsteuerung speziell unter solchen Betriebsbedingungen sichergestellt wird, bei denen kein wesentlicher Einfluss von Gaskräften vorliegt. Mit Verweis auf diese Patentanmeldung werden die darin beschriebenen Merkmale in die vorliegende Ausarbeitung einbezogen.

Durch die in vorteilhaften Ausführungen der Erfindung mögliche Realisierung der Steuerungsfunktion des Hubes als reine Steuerung entfällt zusätzlicher Aufwand zur Gewinnung und Verarbeitung von Information über den tatsächlich eingestellten Hub eines jeweiligen Stellvorgangs (beispielsweise mittels zeitlich hochauflösender Hubsensierung), wie sie zum Beispiel für eine Regelung benötigt würde.

Insbesondere durch den auf einem statischen (zeitunabhängigen) Zusammenhang zwischen der Ergebnisgröße Ventilhub und der relevanten Ansteuergröße (Ansteuerzeit tm1) beruhenden Lösungsansatz ergibt sich eine weitere Vereinfachung der Steuerung.

Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass die während eines Hubstellvorgangs zeitveränderliche Einflußgröße "Gaskraft" durch Einzelwerte – z.B. in besonders vorteilhaften Ausführungen durch einen Anfangswert und einen Gradienten, oder durch einen Anfangswert und eine Halbwertszeit, oder durch einen Anfangswert und einen Wert nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, oder durch einen zeitlichen Mittelwert – beschrieben wird.

Allgemein sind beliebige Größen verwendbar, die ein Maß für die an einem hydraulisch betätigten Stellglied, beispielsweise Gaswechselventil, wirkende Gaskraft, beziehungsweise ein Maß für einen Anfangswert, Mittelwert und/oder Gradienten dieser Gaskraft darstellen, beziehungsweise die solche Maße zu bestimmen erlauben. Die entsprechenden Werte gehen als weitere Einflußgrößen in die bereits genannte Umrechnung eines gewünschten Ventilhubs beziehungsweise Sollhubs (h_Soll) in eine für den Stellvorgang benötigte Ansteuergröße, z.B. die Ansteuerzeit (t_m1) eines zugehörigen ersten Steuerventils MV1, ein.

In vorteilhaften Ausführungen der Erfindung geht diese Umrechnungsfunktion von einer geeigneten mathematischen Beschreibung beziehungsweise Approximation des Zusammenhangs zwischen dem Ventilhub und der Ansteuerzeit aus, bei der sich die Abhängigkeit vom Betriebspunkt in Parametern widerspiegelt, die als Funktionen der relevanten Einflußgrößen berechnet werden.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird der Zusammenhang zwischen Ventilhub und Ansteuerzeit mit einer einheitlichen Parameter-Funktion approximiert, unabhängig davon, ob ein Gaskrafteinfluß vorliegt oder nicht. Die Kompensation eines Gaskrafteinflusses ist bei diesem „integralen Ansatz" in die Berechnung der Funktionsparameter integriert, die in Abhängigkeit aller Einflussgrößen, also auch der Beschreibungsgrößen der Gaskraft, bestimmt werden.

Weitere Lösungsbeispiele führen die alternative Möglichkeit "modularer Ansätze" der Gaskraftkompensation aus, bei denen eine für den gaskraftfreien Fall zuständige Teilfunktion (Basisfunktion) der Hubsteuerung auf die eine oder andere Weise erweitert wird, um die Wirkung von Gaskräften in der Steuerung des Ventilhubs zu kompensieren.

Beispielsweise kann eine Korrekturgröße der Ansteuerzeit in Abhängigkeit der Gaskraft bestimmt und additiv oder multiplikativ mit dem Rechenergebnis des Basisfunktion verknüpft werden, das die betreffende Ansteuergröße ohne Gaskrafteinfluß angibt. Eine solche Korrekturgröße für den Gaskrafteinfluss ist hinsichtlich ihrer Abhängigkeiten von der Gaskraft einerseits, sowie von hydraulischen und anderen Einflußgrößen andererseits, ebenfalls vorteilhaft in Gestalt einer Parameter-Funktion darstellbar, deren Parameter in Abhängigkeit der Gaskraft und weiteren Einflußgrößen bestimmt werden.

Alternativ kann die Eingangsgröße (p_Oel) einer Basisfunktion, die im gaskraftfreien Fall den effektiven (hubbestimmenden) Öldruck beschreibt, um eine gaskraftabhängige Korrektur erweitert werden. Es kann auch eine gaskraftabhängige Korrektur des Sollhubs (h_Soll) vorgenommen werden, bevor dieser in die Umrechnung mittels einer Basisfunktion hineingeführt wird. Weitere solche Lösungen sind denkbar, beispielsweise auch als Kombination beschriebener Ansätze.

In besonders vorteilhaften Ausführungen der genannten Lösungen werden einzelne Parameter einer gewählten Parameter-Funktion hinsichtlich ihrer Gaskraftabhängigkeit störungstheoretisch dargestellt, beispielsweise als Linearkombination von Potenzen maximal zweiter Ordnung in den gewählten Beschreibungsgrößen der Gaskraft. Die Koeffizienten dieser Linearkombinationen hängen im allgemeinen von den hydraulischen Einflußgrößen (p_Oel, T_Oel) ab. Sie können zum Beipiel als Kennfelder oder einfache analytische Ausdrücke in Abhängigkeit dieser Größen realisiert werden.

Die genannten Ausführungen der Erfindung sind – sowohl im Fall der integralen wie auch der modularen Lösungen – nicht nur vermöge der Einfachkeit der Ansätze sehr effizient in einem elektronischen Steuergerät umsetzbar, sondern sie zeigen auch das Potential einer sehr hohen Steuerungsgenauigkeit selbst bei höchsten Gaskräften. Die Auswirkungen der Gaskräfte auf den Hubstellvorgang und den resultierenden Hub, beispielsweise Ventilhub, werden also in den erfindungsgemäßen Steuerungsfunktionen des Hubs so effektiv kompensiert, daß auch sehr hohe Anforderungen an die Stellgenauigkeit unter allen auftretenden Bedingungen eingehalten werden.

Des weiteren zeichnen sich die vorgeschlagenen Lösungen auch in puncto Verständlichkeit aus, da ursächliche physikalische Zusammenhänge strukturell im Lösungsansatz abgebildet sind.

Eine Realisierung der erfindungsgemäßen Steuerungsfunktion als Rechnerprogramm in einem elektronischen Steuergerät zeigt in Folge der genannten Merkmale auch Vorteile im Hinblick auf den Bedarf an Speicher und Rechnerleistung sowie den Aufwand, der für die Bestimmung von systemabhängig zu kalibrierenden Parametern (Applikationsdaten) benötigt wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den nachfolgenden Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnommen werden.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydraulischen Stellers;
2: Hubtransferfunktionen mit Gaskrafteinfluß für ein elektrohydraulisch bewegtes Auslassventil (Betriebspunkt mit niedrigem Druck p_Oel und hoher Temperatur T_Oel
3: ein Blockschaltbild, das beispielhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Hubsteuerung mit Gaskraftkompensation beschreibt;
4: einen zeitlichen Verlauf der Gaskraft und dessen Beschreibung durch charakteristische Größen f_gas0, gradf_gas (Auslassventil, Betriebspunkt wie bei 2);
5: eine beispielhafte funktionale Approximation der Hubtransferfunktionen mittels eines stückweisen Polynoms;
6: eine beispielhafte Berechnung des Parameters h₀ mit zusätzlicher Gaskraftabhängigkeit (integrierte Gaskraftkompensation);
7: einen Algorithmus zur Berechnung der inversen Hubtransferfunktion (Stellgrößentransferfunktion) im "Beschleunigungsbereich" h = h_Soll ≤ h₁ (Parabelnäherung);
8: einen Algorithmus zur Berechnung der inversen Hubtransferfunktion im "Asymptotenbereich" h = h_Soll > h₁ (lineare Näherung);
9: ein Flußdiagramm der beispielhaften Berechnung der inversen Hubtransferfunktion;
10: ein Blockschaltbild des Moduls h_to_tm1, das eine erste Variante einer modularen Gaskraftkompensation darstellt (gaskraftabhängige Korrektur des Öldrucks p_Oel);
11: ein Blockschaltbild des Moduls h_to_tm1, das eine zweite Variante einer modularen Gaskraftkompensation darstellt (additive Korrektur der gaskraftfreien Ansteuergröße t_{m1_u});
12: einen Verlauf der additiven Korrekturgröße t_{m1_fg_korr} im Fall der Hubtransferfunktionen mit Gaskrafteinfluß aus 2;
13: einen beispielhaften Algorithmus zur Berechnung der additiven Korrekturgröße t_{m1_fg_korr} (Skalenansatz mit betriebspunktabhängiger Skalenfunktion fskal)
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerung eines hydraulischen Arbeitszylinders 3 als Blockschaltbild dargestellt. Der Arbeitszylinder dient hier beispielhaft zur Betätigung eines Gaswechselventils 1 eines Verbrennungsmotors oder eines Kompressors. Die erfindungsgemäße Steuerung ist jedoch, wie einleitend gesagt, nicht auf diesen beispielhaften Verwendungszweck des Arbeitszylinders beschränkt.
Das Gaswechselventil 1 kann sowohl als Einlassventil als auch als Auslassventil ausgeführt sein. Wenn das Gaswechselventil 1 geschlossen ist, liegt es auf einem Ventilsitz 2 auf.
Betätigt wird das Gaswechselventil 1 durch einen hydraulischen Arbeitszylinder 3, der die zentrale mechanisch-hydraulische Komponente eines elektrohydraulischen Stellers 30 darstellt. Im weiteren umfaßt der in 1 beispielhaft gezeigte Steller 30 ein erstes Steuerventil MV1 und ein zweites Steuerventil MV2, hydraulische Leitungen 11 sowie 19a und 19b, eine Ventilbremse 29 und ein optionales Rückschlagventil RV1. Die genannten Komponenten sind in typischen Ausführungen eines Stellers 30 in einer baulichen Einheit integriert. Bei der Beschreibung der Stellvorgänge des Stellers 30 werden neben den Eigenschaften seiner Komponenten auch die Masse eines mit dem Kolben 5 verbundenen Gaswechselventils 1 sowie die Reibungsverhältnisse in einer Führung des Ventilschafts (nicht gezeigt) mit einbezogen.
Der Arbeitszylinder 3 ist als Differentialzylinder mit einem Kolben 5 mit einseitiger Kolbenstange ausgebildet. Der Arbeitszylinder 3 kann jedoch auch mit beidseitiger Kolbenstange (nicht dargestellt) ausgeführt werden.
Der Kolben 5 hat eine größere obere Wirkfläche A_ob und eine kleinere untere Wirkfläche A_unt. Die obere Wirkfläche A_ob begrenzt einen ersten Arbeitsraum 7 des Arbeitszylinders 3. Die untere Wirkfläche A_unt begrenzt einen zweiten Arbeitsraum 9. Beide Arbeitsräume 7 und 9 werden von einer Speiseleitung 11, welche sich aus den Abschnitten 11a, 11b und 11c zusammensetzt, mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid, wie zum Beispiel Hydrauliköl, versorgt. Zu diesem Zweck ist der Arbeitszylinder 3 hochdruckseitig über die Speiseleitung 11 und ein darin verbautes erstes Rückschlagventil RV1 mit einem Hochdruckspeicher 13 hydraulisch verbunden, der die hydraulische Energie für den Stellvorgang bereitstellt.
In dem Abschnitt 11b der Speiseleitung 11, welcher den zweiten Arbeitsraum 9 und den ersten Arbeitsraum 7 verbindet, ist ein erstes Steuerventil MV1 angeordnet. In dem in 1 dargestellten Schaltzustand ist es geschlossen und stromlos.
Das Hydraulikfluid im ersten Arbeitsraum 7 kann über eine im Abschnitt 19c drucklose oder mit niedrigem Standdruck beaufschlagte Rücklaufleitung 19, welche, sich aus den Abschnitten 19a, 19b und 19c zusammensetzt, abgeführt werden. In der Rücklaufleitung 19 ist ein zweites Steuerventil MV2 angeordnet, welches in 1 geöffnet dargestellt ist. Das zweite Steuerventil MV2 ist vorteilhafterweise stromlos geöffnet.
Im zweiten Arbeitsraum 9 kann eine Schließfeder 27 vorgesehen sein, die das Gaswechselventil 1 bei drucklosem Arbeitszylinder 3 in die Schließstellung, das heißt in Anlage an den Ventilsitz 2, bringt beziehungsweise in dieser Stellung hält.
In einer ebenfalls vorteilhaften alternativen Ausführung (in 1 nicht gezeigt) kann die Schließfeder 27 auch so ausgelegt werden, dass sie die schließende Kraft allein aufbringt und beim Öffnungsvorgang einen entsprechend hohen Betrag an potentieller Energie aufnimmt. In diesem Fall entfallen die hydraulische Verbindung 11c und die Funktion des zweiten Arbeitsraums 9, das heißt, die Beaufschlagung der unteren Wirkfläche A_unt der Kolbens 5 mit dem Druck des Hochdruckspeichers 13. Der hydraulische Arbeitszylinder 3 ist in diesem Fall also als einfach wirkender Arbeitszylinder ausgebildet. In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführung wird die Feder 27 progressiv ausgelegt, das heißt mit einer über dem Stellweg des Kolbens 5 anwachsenden Federkraft.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, die Möglichkeiten der hydraulischen und mechanischen Krafterzeugung, wie vorangehend beschrieben, zu kombinieren, um die schließende Kraft des hydraulischen Stellers bereitzustellen.
Es ist des weiteren möglich und vorteilhaft, den Kolben 5 so auszugestalten, dass sich die Wirkfläche A_ob über dem Weg des Kolbens mit mindestens einer Abstufung verändert, insbesondere kleiner wird. Beispielsweise kann der Kolben 5 zweiteilig gestuft ausgeführt werden (nicht gezeigt), wobei eine erste Stufe, die sich nur auf einem ersten Wegabschnitt beim Öffnen des Gaswechselventils 1 mitbewegt, eine zusätzliche Wirkfläche für den Druck im ersten Arbeitsraum 7 bereitstellt. In dieser Ausführung des hydraulischen Stellers ist also die obere Wirkfläche A_ob und damit die Öffnungskraft des Stellers 30 während eines ersten Wegabschnitts beim Öffnen des Gaswechselventils 1 vergrößert, mit dem Vorteil, dass das Gaswechselventil 1 gegen höhere Gaskräfte und auch schneller geöffnet werden kann.
Weitere, hier nicht im einzelnen genannte Ausgestaltungen des Arbeitszylinders 3 beziehungsweise Stellers 30 sind möglich und in gleicher Weise geeignet für die Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.
Der Hochdruckspeicher 13 wird über eine Hochdruckpumpe 17 mit unter hohem Druck stehendem Hydraulikfluid (das hier synonym auch als Öl bezeichnet wird) versorgt. In dem Abschnitt 11a der Speiseleitung, welche den Hochdruckspeicher 13 mit dem zweiten Arbeitsraum 9 verbindet, ist ein erstes Rückschlagventil RV1 vorgesehen, so dass ein Rückströmen von Hydraulikfluid aus dem zweiten Arbeitsraum 9 in den Hochdruckspeicher 13 verhindert wird.
Zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Steuerventil MV2 ist eine hydraulische Bremseinrichtung 29 vorgesehen. Diese hydraulische Bremseinrichtung 29 arbeitet wie folgt: Wenn sich der Kolben 5 nach oben bewegt und infolgedessen das Volumen des ersten Arbeitsraums 7 verkleinert wird, strömt das Hydraulikfluid aus dem ersten Arbeitsraum 7 durch den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 ab, so lange bis die Oberkante des Kolbens 5 den Abschnitt 19a der Rücklaufleitung 19 verschließt. Danach kann das Hydraulikfluid aus dem ersten Arbeitsraum 7 nur noch über die hydraulische Bremseinrichtung 29, welche im Wesentlichen aus einer Drossel besteht, abfließen, da die Verbindung zur hydraulischen Bremseinrichtung 29 am oberen Ende des Arbeitsraums 7 angeordnet ist. Durch den im Vergleich zu dem Strömungswiderstand des Abschnitts 19a der Rücklaufleitung erhöhten Strömungswiderstand der hydraulischen Bremseinrichtung 29 wird der Kolben 5 abgebremst, bevor das Gaswechselventil 1 auf dem Ventilsitz 2 aufliegt.
Im Hochdruckspeicher 13 sind Temperatursensoren T_rail und Drucksensoren p_rail angeordnet, welche über Signalleitungen mit einem Steuergerät 31 verbunden sind. Die Hochdruckpumpe 17, das erste Steuerventil MV1 und das zweite Steuerventil MV2 sind ebenfalls über Signalleitungen mit dem Steuergerät 31 verbunden und werden von diesem angesteuert. Die Signalleitungen sind in 1 als gestrichelte Linien dargestellt.
Die hydraulische Bremseinrichtung 29 kann, wie in 1 durch eine Signalleitung angedeutet, als aktive Bremseinrichtung ausgebildet sein und über die Signalleitung vom Steuergerät 31 bei Bedarf angesteuert werden. Auch kann der Druck P_rail des Hochdruckspeicher 13 in Abhängigkeit der gewünschten Stellbewegung oder Öffnungskraft des Gaswechselventils 1 mittels einer entsprechenden Ansteuerung der Hochdruckpumpe 17 geregelt werden.
Wenn, wie in 1 dargestellt, das erste Steuerventil MV1 geschlossen und das zweite Steuerventil MV2 geöffnet ist, bewirkt der Druck p_udr im zweiten Arbeitsraum 9, dass sich das Gaswechselventil 1 entgegen der Richtung des Pfeils 15 bewegt und somit geschlossen wird.
Die dazu erforderliche Kraft wird dadurch bereitgestellt, dass der zweite Arbeitsraum 9 mit unter hohem Druck stehendem Hydraulikfluid von der Speiseleitung 11 versorgt wird, während der Druck p_odr im ersten Arbeitsraum 7 aufgrund der hydraulischen Verbindung zur Rücklaufleitung 19 schnell abfällt und sich letztlich dem sehr niedrigen Druck p_R1 im Abschnitt 19c der Rücklaufleitung angleicht.
Zum Öffnen des Gaswechselventils 1 wird das zweite Steuerventil MV2 geschlossen und anschließend das erste Steuerventil MV1 geöffnet. Dadurch findet ein Druckausgleich zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Arbeitsraum 9 statt. Infolge dessen öffnet das Gaswechselventil 1, weil die vom ersten Arbeitsraum 7 mit Druck beaufschlagte Stirnfläche A_ob des Kolbens 5 größer ist als die vom zweiten Arbeitsraum 9 mit Druck beaufschlagte Ringfläche A_unt des Kolbens 5.
Für die Steuerung des Öffnens des Gaswechselventils 1 und speziell des resultierenden Ventilhubs ist somit die Ansteuerung des ersten Steuerventils MV1 in zweierlei Hinsicht von großer Bedeutung: Erstens wird mit dem Öffnen des ersten Steuerventils MV1 der Beginn der Öffnungsbewegung des Gaswechselventils 1 festgelegt, und zweitens hat die Dauer der Ansteuerung – nachfolgend als Ansteuerdauer t_m1 bezeichnet – maßgeblichen Einfluss auf den Hub des Gaswechselventils 1. Die Ansteuerdauer t_m1 legt fest, wie lange das erste Steuerventils MV1 geöffnet bleibt, woraus sich die Menge des vom Hochdruckspeicher 13 in den ersten Arbeitsraum 7 zufließenden Öls ergibt, die wiederum unmittelbar den Ventilhub bestimmt. Indem also das erste Steuerventil 1 zum richtigen Zeitpunkt wieder geschlossen wird, stellt sich der gewünschte Ventilhub des Gaswechselventils 1 ein.
Wenn das Gaswechselventil 1 wieder geschlossen werden soll, wird das zweite Steuerventil MV2 geöffnet, so dass der Druck p_odr im ersten Arbeitsraum 7 zusammenbricht und die vom zweiten Arbeitsraum 9 auf den Kolben 5 ausgeübte hydraulische Kraft das Gaswechselventil 1 schließt.
Das nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die zuvor im Sinne eines Beispiels beschriebene Systemausführung beschränkt. Zum Beispiel können auch Piezoventile anstelle magnetischer Schaltventile und/oder Proportional- statt Schaltventile verwendet werden. Auch sind Mehrwegeventile anstelle von 2/2-Wege-Ventilen möglich. Beispielsweise ist es auch möglich, das erste Steuerventil MV1 und das zweite Steuerventil MV2 als Funktionsteile eines einzigen Steuerventils auszuführen, wobei dieses Steuerventil mehr als zwei Positionen einstellen kann.
In einer weiteren möglichen Ausführung können das erste Steuerventil MV1, oder auch ein kombiniertes Steuerventil (MV1, MV2), auch mittels hydraulischer Druckkraft betätigt werden, wobei weitere Steuerventile, beispielsweise elektrohydraulische Servoventile, zum Einsatz kommen. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren der Hubsteuerung dazu verwendet, die Ansteuerung eines Servoventils, das zum Schließen des Steuerventils MV1 und damit zur Dosierung des beim Verstellvorgang zufließenden Hydrauliköls dient, so zu bestimmen, dass eine gewünschte Verstellung des Kolbens 5 beziehungsweise ein gewünschter Hub des Gaswechselventils 1 herbeigeführt wird.
Die Druckversorgung kann auch fest anstatt verstellbar sein. Das Rückschlagventil RV1 kann auch fehlen. Im hydraulischen Schaltkreis können auch weitere hier nicht gezeigte Komponenten vorhanden sein, zum Beispiel eine Verbindung des ersten Arbeitsraums 7 des Arbeitszylinders 3 mit dem Hochdruckspeicher 13 über ein weiteres Rückschlagventil.
Der Umfang der Sensoren kann gegenüber dem in 1 dargestellten Beispiel eingeschränkt oder auch erweitert sein. So kann es zum Beispiel mehrere Drucksensoren geben, die vorzugsweise verteilt an verschiedenen Stellen des Hochdruckspeichers 13, aber auch direkt eingangs der einzelnen Arbeitszylinder 3, angebracht sein können. Eine Erfassung der Öltemperatur kann auch – alternativ oder zusätzlich zu dem in 1 angezeigten Ort – am hochdruckseitigen Eingang oder in den Arbeitsräumen 7 und 9 einzelner Arbeitszylinder 3 vorgesehen werden.
Des Weiteren können zusätzliche Sensoren für die Temperatur von Strukturmaterialien, wie zum Beispiel Zylinderkopf, Arbeitszylinder-, Steller- oder Magnetventilgehäuse, oder für die Spulentemperatur von Magnetventilen, und/oder ein Sensor zur Erfassung der Ölviskosität vorhanden sein. Insbesondere kann auch ein Hubsensor vorgesehen sein (in
1 nicht gezeigt), der den Stellweg oder Hub eines elektrohydraulischen Stellers 30 beziehungsweise seines zugehörigen Kolbens 5 bestimmt.
Im Hinblick auf die Bestimmung von Gaskräften ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn Sensoren vorhanden sind, mit denen die maßgeblichen Gasdrücke – beispielsweise der Druck in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine (Brennraumdruck) – bestimmt werden können.
Entsprechende, mit den genannten Sensoren gewonnene Information kann zur Verbesserung der Steuerungsgenauigkeit der Hubsteuerung in das erfindungsgemäße Verfahren einbezogen werden.
In typischen und vorteilhaften Ausführungen eines Stellers 30 sind dessen in 1 gezeigte Komponenten in einer baulichen Einheit integriert. In speziellen Ausführungen kann diese integrierte Einheit auch einen Hubsensor und/oder weitere Sensoren und/oder entsprechende Teile der Steuerungselektronik umfassen, die in 1 durch das Steuergerät 31 repräsentiert ist. Insbesondere kann also das Steuergerät 31 aus mehreren separaten Teilen bestehen (nicht dargestellt), die durch elektrische Leitungen beziehungsweise Kommunikationskanäle miteinander verbunden sind und die – ganz oder teilweise – an einzelnen Stellern 30 angebaut sein können.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Steuerung eines Stellvorgangs eines hydraulischen Arbeitszylinders 3 beziehungsweise eines hydraulischen Stellers 30, das anhand des Ausführungsbeispiels von 1 erläutert wird, ist in direkter Übertragung in allen hier genannten, sowie in weiteren, durch Verallgemeinerung ableitbaren Systemauslegungen anwendbar. Es ist insbesondere unabhängig vom Verwendungszweck des hydraulischen Arbeitszylinders 3.
Bei der elektrohydraulischen Steuerung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine sind je Zylinder mindestens ein hydraulischer Steller 30 für das oder die Einlassventile und/oder ein hydraulischer Steller 30 für das oder die Auslassventile erforderlich beziehungsweise vorhanden. Dies bedeutet unter anderem, dass an den Hochdruckspeicher 13 im allgemeinen mehrere Steller 30 angeschlossen sind, von denen in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einer, einschließlich des zugehörigen Gaswechselventils 1, dargestellt ist.
Für jedes solches System beziehungsweise für jeden einzelnen hydraulischen Steller 30 stellt sich die prinzipiell gleichartige Aufgabe einer geeigneten Bestimmung der jeweiligen hubbestimmenden Ansteuergröße bei jeweils vorgegebenem Sollhub und bei jeweils aktuell vorliegenden Werten der wesentlichen Einflussgrößen des Stellvorgangs, wie zum Beispiel des Drucks und der Temperatur des Hydraulikfluids.
Die Aufgabe der Hubsteuerung konzentriert sich auf den Öffnungsvorgang und den resultierenden Hub des Gaswechselventils 1, der sich aus der Ansteuerung des erstes Steuerventils MV1 des zugehörigen EHVS-Stellers für eine bestimmte Zeitdauer t_m1 ergibt. Der nach einem kurzen Einschwingvorgang vorliegende Stationärhub des Gaswechselventils 1 definiert dabei beispielhaft die in der Hubsteuerung betrachtete Steuergröße h.
Andere Definitionen der Steuergröße, beispielsweise unter Einbeziehung des maximalen Hubes, sind ebenfalls möglich.
Bei der Steuerung des Hubes wird für die Steuergröße h ein gewünschter Wert oder Sollwert h_Soll vorgegeben, beispielsweise in Abhängigkeit der vom Fahrer gewünschten Leistung und der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine.
Der Bewegungsverlauf und der resultierende Hub h des Gaswechselventils 1 hängen bei festem t_m1 unter anderem ab vom Druck und der Temperatur des dem Steller zufließenden Öls sowie den während des Bewegungsvorgangs auf das Gaswechselventil 1 einwirkenden Gaskräften. Für den Hub h wird die Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen sowie der Ansteuerzeit als so genannte Hubtransferfunktion dargestellt, wobei die hydraulischen Einflüsse durch die Eingangsgrößen Öldruck p_Oel und Öltemperatur T_Oel beschrieben werden.
Die auf das Gaswechselventil 1 einwirkenden Gaskräfte ergeben sich im wesentlichen aus unterschiedlichen Gasdrücken an der Innen- und Außenseite des Ventiltellers des Gaswechselventils 1 (innen/außen zum Beispiel vom Brennraum der Brennkraftmaschine aus gesehen), wobei insbesondere auf Auslaßventile oft hohe Gaskräfte einwirken, da nach erfolgter Verbrennung vor allem zu Beginn des Öffnens des Auslaßventils ein hoher Zylinderinnendruck (Brennraumdruck p_braö) herrschen kann. Typische Werte des Brennraumdrucks p_braö bei Vollast respektive hoher Motorleistung liegen bei 5 bis 8 bar. Aus diesem Brennraumdruck p_braö resultieren Gaskräfte von mehreren 100 N.
Im allgemeinen nimmt die Gaskraft nach dem Öffnen eines Gaswechselventils 1 ab, da ein Druckausgleich zwischen den Gasdrücken an der Innen- und Außenseite des Ventiltellers des Gaswechselventils 1 stattfindet. Bei einem Auslaßventil wird beispielsweise ein zu Beginn des Öffnens hoher Brennraumdruck rasch abgebaut, und zwar zum einen infolge des Ausströmens der Verbrennungsgase, gegebenenfalls aber auch – bei frühem Auslaß-Öffnen deutlich vor dem unteren Totpunkt (UT) des Kolbens – wegen der Vergrößerung des Brennraumvolumens durch die Bewegung des Kolbens in Richtung UT. In letzterem Fall spielt auch die Drehzahl des Motors eine Rolle für den Abbau des Brennraumdrucks p_braö.
2 zeigt beispielhaft einige Kurven, die die Abhängigkeit der Hubtransferfunktion eines elektrohydraulisch bewegten Auslassventils von der Gaskraft bei gleichbleibenden hydraulischen Einflußgrößen darstellen. Wie erwartet sind die Ventilhübe bei größerer Gaskraft und gleicher Ansteuerzeit kleiner, wobei der Unterschied bei steigender Ansteuerzeit zunächst progressiv zunimmt und dann in etwa konstant bleibt.
Bei gleichem anfänglichem Niveau der Gaskraft, wie in 2 bei den beiden Kurven mit hoher Gaskraft der Fall, resultieren unterschiedliche Hübe aus einer unterschiedlichen Geschwindigkeit des Abbaus des Gaskraft ("Gradient"). Bei höherem Gradient – zum Beispiel infolge eines früheren Öffnens eines Auslaßventils vor dem UT – nimmt der Einfluß der Gaskraft schneller ab, so daß die resultierenden Ventilhübe bei sonst gleichen Bedingungen größer sind. Das wird bei den genannten Kurven insbesondere im Bereich längerer Ansteuerzeiten t_m1 beziehungsweise größerer Hübe h sichtbar.
Die Aufgabe der Steuerung besteht darin, das erste Steuerventil MV1 so lange anzusteuern, dass sich der gewünschte Hub h = h_Soll einstellt. Der Zusammenhang zwischen Hub h und Ansteuerdauer t_m1 des ersten Steuerventils MV1 wird als sogenannte Hubtransferfunktion wie folgt angeschrieben: h = fhub (tm1; TOel, pOel, fgas, Ex) (1)
Die Inverse der Hubtransferfunktion, das heißt die Transferfunktion für die Stellgröße t_m1, lautet wie folgt: tm1 = ftm1(h; TOel, pOel, fgas, Ex) (2)
Als betriebspunktspezifische Parameter treten der hubbestimmende Öldruck p_Oel die Öltemperatur T_Oel sowie weitere Einflußgrößen auf. Dazu gehören erfindungsgemäß insbesondere solche weiteren Größen, die – gegebenenfalls zusammen mit p_Oel und T_Oel – den Verlauf der während eines Stellvorgangs auf das Gaswechselventil 1 wirkenden Gaskraft charakterisieren. Diese Größen werden in den Gleichungen (1) und (2) durch das Argument f_gas repräsentiert. Des weiteren steht das Symbol E_x für gegebenenfalls noch berücksichtigte weitere Einflussgrößen.
Die Hubsteuerungsfunktion berechnet für einen jeweils anstehenden Stellvorgang eines Gaswechselventils 1 aus dem gewünschten Sollhub h = h_Soll die benötigte Ansteuerzeit t_m1 des ersten Steuerventils MV1 unter Verwendung einer geeigneten algorithmischen Darstellung der inversen Hubtransferfunktion nach Gleichung (2). Dieser Algorithmus ist beispielsweise als Rechnerprogramm im Steuergerät 31 realisiert.
Die konkrete Wahl der zur Beschreibung – und zur Kompensation – des Gaskrafteinflusses in den Gleichungen (1) und (2) hinzutretenden Größen f_gas wird im allgemeinen nach dem Aspekt der Zweckmäßigkeit getroffen. So bringt es einerseits Vorteile, wenn bereits in dem Steuergerät vorhandene, beispielsweise mittels Sensoren gemessene und/oder berechnete Größen für den genannten Zweck verwendet werden. Andererseits ist ein direkter Bezug der gewählten Beschreibungsgrößen zum Verlauf der Gaskraft und eine minimale Anzahl dieser Größen wünschenswert, was zum Beispiel zu einer Umrechnung bekannter beziehungsweise vorhandener Größen in gaskraftspezifische Größen führt.
In der 3 ist eine solche erfindungsgemäße Realisierung der Hubsteuerung mit Gaskraftkompensation skizziert. Das in der Figur dargestellte Blockdiagramm zeigt die auf den Signalfluss bezogene Verschaltung einer zentralen Umrechnungsfunktion h_to_tm1 mit weiteren Berechnungsfunktionen (Modulen) ber_p_Oel, ber_T_Oel und ber_fgas.
Das Funktionsmodul h_to_tm1 berechnet für einen jeweiligen Stellvorgang die Ansteuerzeit t_m1, die gemäß Gleichung (2) zur Einstellung des Sollhubs h_Soll dieses Stellvorgangs benötigt wird. Die weiteren Module bestimmen vorab die jeweils aktuellen Werte von Einflussgrößen (p_Oel, T_Oel, fgas), die entsprechend Gleichung (2) in der Umrechnung h_to_tml zu berücksichtigen sind. Diese Werte werden neben dem Sollwert h_Soll des Hubs sowie gegebenfalls weiteren Einflussgrößen E_x als Eingangsgrößen in die Berechnung h_to_tm1 hineingeführt.
Darüber hinaus kann auch ein Ventilindex v (in 3 nicht dargestellt) an die zentrale Umrechnungsfunktion übermittelt werden, dessen Wert angibt, für welches Gaswechselventil 1 beziehungsweise für welchen Steller 30 die jeweilige Berechnung durchgeführt wird. Der Ventilindex v kann auch unter den weiteren Eingangsgrößen E_x der Module ber_p_Oel, ber_T_Oel und ber_fgas auftreten.
Der gemäß 3 für einen jeweiligen Stellvorgang berechnete Wert der Ansteuerzeit t_m1 wird an eine zuständige Ausgabeeinheit ausgegeben, die in der geforderten Weise die elektrische Ansteuerung des zugehörigen ersten Steuerventils MV1 des betreffenden Arbeitszylinders 3 vornimmt.
Für erfindungsgemäße Realisierungen der in 3 auftretenden Module ber_p_Oel und ber_T_Oel, sowie entsprechende Definitionen der von diesen Modulen bestimmten Einflussgrößen p_Oel beziehungsweise T_Oel, wird auf die eingangs zitierte, nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung verwiesen, auf der die vorliegende Anmeldung aufbaut. Die weiteren, in 3 auftretenden Module h_to_tm1 und ber_fgas werden nachfolgend im Detail erläutert.
Das Modul ber_fgas ist erfindungsgemäß für die Berechnung von geeigneten Beschreibungsgrößen der Gaskraft zuständig. Dies können beispielsweise Anfangswerte, Mittelwerte und/oder Gradienten der Gaskraft, oder dazu äquivalente Maße sein. In 3 sind als besonders bevorzugte Varianten die Berechnung eines Anfangswerts f_gas0 und eines Gradienten gradf_gas, beziehungsweise alternativ die Berechnung eines Mittelwerts f_gasm, angedeutet.
Als Eingangsgrößen des Moduls ber_fgas sind Größen aufgeführt, welche das Niveau beziehungsweise den zeitlichen Verlauf der Gaskraft wesentlich bestimmen:

p_braö:: Brennraumdruck bei Auslaß-Öffnen
w_aö:: Kurbelwinkel bei Auslaß-Öffnen
n_mot:: Drehzahl
p_abg:: Abgasdruck (hinter Auslaßventil)

Dabei wird in den Bezeichnungen – ohne Einschränkung der Allgemeinheit – davon ausgegangen, daß im vorliegenden Fall beispielhaft die Steuerung eines Auslaßventils betrachtet wird. Mögliche weitere Eingangsgrößen des Moduls ber_fgas sind durch einen Eingang E_x symbolisiert. Auch bei anderen Modulen, die in den 3, 10 und 11 auftreten, werden mögliche weitere, nicht explizit genannte Eingangsparameter mit E_x bezeichnet. Es kann sich dabei um eine oder mehrere, von Fall zu Fall auch verschiedene Größen handeln.
Die genannten Eingangsgrößen des Moduls ber_fgas werden für einen maßgeblichen Ausführungszeitpunkt eines betrachteten Stellvorgangs (Öffnen eines Gaswechselventils 1) zumindest näherungsweise bestimmt, was in typischen Fällen bereits mit einfachen, nach dem Stand der Technik bekannten Modellen auf der Basis ohnehin vorhandener Information gelingt.
Für den Wert w_aö kann beispielsweise ein entsprechender Sollwert verwendet werden, der bei der Steuerung des elektrohydraulischen Stellers 30 für den betrachteten Stellvorgang verwendet und bestmöglich umgesetzt wird.
Die Drehzahl n_mot wird in einer Motorsteuerung ohnehin fortlaufend aktuell bestimmt, wobei gegebenenfalls auch eine Veränderung der aktuellen Drehzahl bis dem – um eine bekannte Zeitspanne in der Zukunft liegenden – Ausführungszeitpunkt des betrachteten Stellvorgangs abgeschätzt und berücksichtigt werden kann.
Der Abgasdruck p_abg, beziehungsweise die Differenz dieses Drucks zum Umgebungsdruck, ist beispielhaft als Funktion eines mittleren Massenstroms durch das Abgassystem, beziehungsweise als Funktion einer aktuellen Frischgasfüllung einzelner Zylinder der Brennkraftmschine sowie der Drehzahl n_mot berechenbar, wobei die benötigte Information in einer typischen Motorsteuerung ohnehin verhanden ist. In einer typischen Realisierung wird die genannte Druckdifferenz beispielsweise aus einem Kennfeld in Abhängigkeit von Frischgasfüllung und Drehzahl bestimmt.
In analoger Weise wird schließlich auch der Brennraumdruck p_braö auf Basis der Frischgasfüllung, der Drehzahl, sowie gegebenfalls weiterer, beispielsweise aus der Steuerung des Verbrennungsvorgangs bekannter Information mindestens näherungsweise bestimmt.
Ein auf solche Weise prädizierter Wert p_braö kann aufgrund einer begrenzten Güte des verwendeten Modells, aber auch aufgrund von typischen Schwankungen der Verbrennungsvorgänge, vom dem tatsächlichen Wert (Istwert) abweichen. Eine verbesserte Bestimmung des Brennraumsdrucks p_braö ist auf der Basis gemessener Werte, insbesondere des Brennraumdrucks selbst, möglich, sofern ein entsprechender Sensor vorhanden ist. Systematische Abweichungen zwischen so bestimmten Istwerten und prädizierten Werten p_braö können beispielsweise mittels einer Adaption des zur Prädiktion verwendeten Modells mindestens teilweise kompensiert werden. Ebenso kann auch auf Basis einer mindestens indirekten Erfassung des tatsächlichen Ventilhubs h_Ist, beziehungsweise entsprechend festgestellter systematischer Abweichungen zwischen h_Ist und h_Soll, bestimmt werden, inwieweit Fehler von prädizierten Werten p_braö ursächlich sind. Entsprechende Verfahren sind in der deutschen Patentanmeldung DE 103 14 677 offenbart.
Weitere Eingangsgrößen des Moduls ber_fgas können bei Bedarf hinzugenommen werden, beispielsweise ein Maß für die Gastemperatur im Brennraum beim Kurbelwinkel w_aö. Die Gastemperatur hat prinzipiell einen Einfluß, da der Massenstrom über dem Ventilspalt auch von der Temperatur abhängt. In vielen praktischen Fällen kann jedoch der Brennraumdruck als approximatives indirektes Maß für die Temperatur angesehen werden, so daß die letztgenannte Größe nicht zwingend explizit auftreten muß.
Des weiteren kann auch der Sollhub h_Soll, oder ein dazu äquivalente Größe, in das Modul ber_fgas hineingeführt werden. Dies ist beispielweise dann erforderlich, wenn eine vom Hub abhängige Definition eines Gradienten gradf_gas oder einer mittleren Gaskraft f_gasm verwendet wird.
Obgleich die oben genannten mindestens vier Einflußgrößen (p_braö, w_aö, n_mot, p_abg) zusammen mit p_Oel und T_Oel den Verlauf der Gaskraft beim Öffnen eines Auslaßventils bestimmen, ist zur Beschreibung dieses Verlaufs gegebenenfalls auch eine geringere Zahl von Größen ausreichend. Es zeigt sich, daß bereits zwei – unabhängig vom Hub bestimmbare – Einzelwerte genügen, um den Verlauf hinreichend gut zu charakterisieren. Dies wird in 4 veranschaulicht, wo zeitliche Verläufe der Gaskraft und der korrespondierenden Bewegung eines Auslaßventils in einem Teilabschnitt eines Expansionstakts als Kurven über dem Kurbelwinkel φ_KW dargestellt sind. Das Auslaßventil öffnet beim Kurbelwinkel w_aö = 110°. Der Verlauf der Gaskraft kann beispielsweise, wie in 4 gezeigt, durch den Anfangswert f_gas0 bei w_aö und einen Gradienten gradf_gas beschrieben werden. Letzterer ist hier beispielhaft als zeitlicher Differenzenquotient der Gaskraft zwischen dem Beginn des Öffnens des Gaswechselventils und dem Zeitpunkt des Abfalls der Gaskraft auf den halben Anfangswert definiert.
Diese beiden Werte sind geeignete Eingangsgrößen für eine Darstellung der erfindungsgemäßen Hubsteuerung mit Gaskraftkompensation.
Ebenfalls geeignet ist ein einziger Wert, beispielsweise ein Mittelwert f_gasm, der in diesem Fall jedoch nicht hubunabhängig definiert beziehungsweise bestimmt werden kann. Ein solcher Mittelwert kann auch auf der Basis der Information f_gas0 und gradf_gas berechnet werden.
Für eine Realisierung des Moduls ber_fgas gemäß 3 können die Zusammenhänge der Gaskraftgrößen mit den Eingangsgrößen zum Beispiel physikalisch modelliert und als entsprechende Rechenvorschriften umgesetzt werden. Die Zusammenhänge können auch durch Daten beschrieben werden, wobei eine entsprechende meßdatengestützte Realisierung des Moduls sich tabellarischer Darstellungen wie Kennlinien und Kennfelder bedienen kann.
Im speziellen Fall kann auch auf eine Umrechnung der Eingangsgrößen (wie Zylinderinnendruck, Abgasdruck, ...) in Beschreibungsgrößen der Gaskraft verzichtet werden. Das Modul ber_fgas in 3 schaltet in diesem Fall seine Eingangsgrößen unverändert durch.
Nachfolgend werden verschiedene Lösungsansätze für das Funktionsmodul h_to_tm1 beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel (integraler Ansatz)
Für eine erste beispielhafte Ausführung des Funktionsmoduls h_to_tm1 als Algorithmus, sowie für dessen Umsetzung in einem elektronischen Steuergerät 31, wird von einer parametrischen Beschreibung der inversen Hubtransferfunktion gemäß Gleichung (2) ausgegangen, die einheitlich für alle Betriebspunkte verwendet wird. Die Parameter werden bei dieser Ausführung allgemein als Funktionen sowohl der hydraulischen Einflußgrößen als auch der Gaskraft betrachtet. Als Beschreibungsansätze eignen sich beispielsweise Skalenansätze, Polynomapproximationen oder rationale Approximationen, beziehungsweise deren Umkehrfunktionen, sowie stückweise Zusammensetzungen solcher Ansätze.
Alternativ können auch verschiedene mathematische Ansätze oder Berechnungsverfahren für verschiedene Betriebsfälle beziehungsweise Betriebsbereiche eingesetzt werden.
Im folgenden wird eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Funktionsmoduls h_to_tm1 angegeben, die von einem stückweise polynomialen Ansatz zur Darstellung der Hubtransferfunktion ausgeht. Die Parameter des Ansatzes werden als Funktionen der Größen p_Oel, T_Oel, f_gas0 und gradf_gas dargestellt.
Beispielhaft wird die Gaskraftabhängigkeit durch lineare Terme in f_gas0 und gradf_gas dargestellt, wobei die Koeffizienten im wesentlichen als Kennfelder in Abhängigkeit von p_Oel und T_Oel realisiert sind.
Die Hubtransferfunktion gemäß Gleichung (1) wird als stückweise polynomiale Approximation wie folgt angeschrieben: h = fhub(tm1) = h0 + stg·( tm1 – t0) + cof/2·(tm1 – t0)2 (3) für t₀ ≤ t_m1 ≤ t₁, beziehungsweise h = fhub(tm1) = h1 + stp·(tm1 – t1)für t_m1 > t₁, mit

t_o:: kleinste Ansteuerzeit, Beginn des unteren Approximationsbereichs,
h₀:: Hub bei Ansteuerzeit t₀,
t₁:: Übergangspunkt zwischen unterem und oberem Approximationsbereich,
h₁:: Hub bei Ansteuerzeit t₁,
stg:: Koeffizient des linearen Terms der Approximation im Zweig t <= t₁, Steigung bei t₀,
cof:: Koeffizient des quadratischen Terms der Approximation im Zweig t <= t₁,
stp:: Koeffizient des linearen Terms der Approximation im Zweig t > t₁.

5 veranschaulicht diese Beschreibung der Transferfunktion. Die Darstellung nach Gleichung (3) ist in beiden Zweigen explizit invertierbar, woraus sich die zur Hubsteuerung verwendete Rechenvorschrift für die inverse Hubtransferfunktion gemäß Gleichung (2) ergibt.
Die entsprechende Rechenvorschrift für den Zweig h ≤ h₁ wird als "R_beschleunigung" bezeichnet und ist in 7 beispielhaft als Blockdiagramm dargestellt. Darin wird eine Hilfsfunktion GX verwendet, die, für ein allgemeines Argument x, gemäß GX(x) = (sqrt(1 + x) – 1)/x(4) definiert ist. Im Punkt x = 0 wird die stetige Fortsetzung verwendet. Mit "sqrt" wird in Gleichung (4) die Quadratwurzelfunktion bezeichnet.
Im Blockdiagramm der 7 ist die Hilfsfunktion GX beispielhaft als Kennlinie ausgeführt. Alternativ kann sie auch durch einfache Funktionsterme approximiert werden, zum Beispiel mit einer stückweise rationalen Approximation.
Der Algorithmus "R stationär" zur Berechnung der Stellgröße t_m1 für den Zweig h > h₁ ist in analoger Ausführung in 8 gezeigt, wobei zur Bestimmung der Koordinate t₁ des Übergangspunktes auf den Algorithmus R_beschleunigung gemäß 7 zurückgegriffen wird. Er wird zu diesem Zweck an der Stelle h = h₁ ausgewertet.
Als Parameter dieser Darstellung der inversen Hubtransferfunktion treten die Größen t₀, h₀, stg, cof, h₁ und stp auf. Der Parameter t₁ wird – wie schon gesagt – aus diesen Größen berechnet. Die Parameter hängen allgemein von den betriebspunktspezifischen Einflußgrößen ab. Für die beispielhafte Ausführung gilt dem entsprechend t0 = t0(pOel, TOel, fgas0, gradfgas) h0 = h0(pOel, TOel, fgaso0, gradfgas) stg = stg(pOel, TOel, fgas0, gradfgas) cof = cof(pOel, TOel, fgas0, gradfgas) h1 = h1(pOel, TOel, fgas0, gradfgas) stp = stp(pOel, TOel, fgas0, gradfgas) (5)
Die Abhängigkeit von der Gaskraft wird beispielhaft durch lineare Näherungen beschrieben. Als weitere Vereinfachung werden die Koeffizienten von gradf_gas aus den entsprechenden Koeffizienten von f_gas0 durch Multiplikation mit Konstanten (Festwerte fcgrt0, fcgrh0, ...) errechnet: t0 = T0 (pOel, TOel) + CFGT0(pOel, TOel)·(fgas0 + fcgrt0·gradfgas) h0 = H0 (pOel, TOel) + CFGH0 (pOel, TOel)·(fgas0 + fcgrh0·gradfgas) stg = STG(pOel, TOel) + CFGSTG(pOel, TOel)·(fgas0 + fcgrstg· gradfgas) cof = COF(pOel, TOel) + CFGCOF(pOel, TOel)·(fgas0 + fcgrcof· gradfgas) h1 = H1(pOel, TOel) + CFGH1(pOel, TOel)·(fgas0+fcgrhl·gradfgas) stp = STP(pOel, TOel) + CFGSTP(pOel, TOel)·(fgas0 + fcgrstp· gradfgas) (6)
In dieser Darstellung ergibt sich jeder Parameter der Hubtransferfunktion als Summe aus einem Grundwert, der nur von p_Oel und T_Oel abhängt, und einer Korrekturgröße, die jeweils linear in den Gaskraftgrößen ist und ebenfalls von p_Oel und T_Oel abhängt. Für den Parameter h₀ ist die entsprechende Berechnung "ber_h0" in 6 als Blockdiagramm dargestellt, wobei die von p_Oel und T_Oel abhängigen Koeffizienten als Kennfelder realisiert sind. Für die übrigen Parameter gibt es Berechnungsmodule ber_t0, ber_stg, ber_cof, ber_h1 und ber_stp, die als Blockdiagramme (nicht dargestellt) analog zu 6 ausgeführt werden können.
Um im Rahmen der Hubsteuerung eines Gaswechselventils 1 respektive eines EHVS-Stellers die Ansteuerzeit t_m1 für einen gewünschten Hub h = h_Soll des Gaswechselventils 1 zu bestimmen, wird gemäß dem Blockschaltbild von 3 eine Berechnung des Funktionsmoduls h_to_tm1 für das entsprechende Gaswechselventil 1 ausgeführt, auf Basis der zuvor berechneten aktuellen Werte der Einflußgrößen p_Oel, T_Oel, f_gas0 und gradf_gas für dieses Gaswechselventil 1.
Die Berechnung des Funktionsmoduls h_to_tm1 erfolgt dabei in mehreren Schritten. Dies ist in 9 als Flußdiagramm dargestellt. Zunächst werden durch Ausführung der Teilberechnungen ber_t0, ber_h0, ber_stg, ber_cof und ber_h1 die Parameter t₀, h₀, ... bestimmt. Danach wird durch Vergleich des Sollhubs h_Soll mit der Koordinate h₁ des Übergangspunkts festgestellt, welcher der beiden Zweige zur Berechnung von t_m1 zu durchlaufen ist. Entsprechend wird danach die Berechnung R_beschleunigung oder die Berechnung R_stationär, nach vorheriger Bestimmung des Parameters stp mittels der Berechnung ber_stp, ausgeführt, woraus sich die benötigte Ansteuerzeit t_m1 ergibt.
Diese beispielhafte Ausführung der Hubsteuerung mit Gaskraftkompensation ist in praktischen Anwendungsfällen besonders vorteilhaft. Zum einen wird mittels entsprechender Festlegung der Applikationsdaten, das heißt der Kennfelder T0, CFGT0, ... sowie der skalaren Parameter fcgrt0, fcgrh0, ..., eine ausreichende Genauigkeit der Hubsteuerung erzielt. Zugleich bleibt dabei der Umfang der benötigten Daten vergleichsweise gering. Zum anderen ist der zugrunde liegende Ansatz invertierbar. Die Umkehrfunktion ist ebenfalls – mit nur geringem Zusatzaufwand – im elektronischen Steuergerät darstellbar und kann zur Berechnung des Ventilhubes bei gegebener Ansteuerzeit und gegebenen Werten der Einflußgrößen dienen. Dieser Vorteil spielt zum Beispiel im Rahmen einer Adaption der Hubsteuerung eine Rolle.
Auf der anderen Seite muss bei der beschriebenen "integralen" Lösung der Gaskraftkompensation ein genügend flexibler Approximationsansatz für die Hubtransferfunktion f_hub beziehungsweise für die Stellgrößentransferfunktion f_tm1 verwendet werden, der den Verlauf der Kurven bei beliebigen zulässigen Werten der hydraulischen Einflußgrößen und der Gaskraft hinreichend genau approximieren kann.
Daher sind auch alternative Ausführungen der Gaskraftkompensation vorteilhaft, die diese Kompensation als modulare Erweiterung einer Basisfunktion realisieren, wobei letztere nur den Fall verschwindender Gaskraft abdeckt. Der Funktionsansatz der Basisfunktion kann dann entsprechend einfacher gestaltet werden.
Zweites und drittes Ausführungsbeispiel (modulare Ansätze)
Bei einer modularen Realisierung der Gaskraftkompensation erfolgt die Berechnung der Ansteuerzeit t_m1 zu vorgegebenem Ventilhub h_Soll in mehreren Schritten.
Beispielsweise kann in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, für das in 10 eine entsprechende Raelisierung des Moduls h_to_tm1 gemäß 3 dargestellt ist, zunächst eine Korrektur des hubbestimmenden Öldrucks in Abhängigkeit einer mittleren, während der Hubbewegung wirksamen Gaskraft f_gasm bestimmt werden, bevor dieser korrigierte Wert p_fg – anstelle von p_Oel – an ein Modul h_to_tm1_basis übergeben wird, das die Umrechnung des Sollhubs h_Soll in die Ansteuerzeit t_m1 vornimmt.
Der Algorithmus des Moduls h_to_tm1_basis ist in diesem Fall vollständig durch die Stellgrößentransferfunktion f_tm1 im gaskraftfreien Fall, das heißt bei f_gasm = 0, festgelegt. Er kann somit nach einem entsprechenden "Basisansatz" der Hubsteuerung realisiert werden, wie an anderer Stelle beschrieben wurde. Beispielhaft kann eine stückweise polynomiale Approximation der Hubtransferfunktion f_hub gemäß Gleichung (3) zugrunde gelegt und zur Realisierung von f_tm1 die entsprechende Umkehrfunktion gebildet werden, wie in den 7 bis 9 dargestellt und weiter oben beschrieben. Die Parameter t₀, h₀, stg, ... hängen in diesem Fall – im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel – nicht von der Gaskraft ab, sondern nur von p_Oel, T_Oel und gegebenfalls weiteren Einflußgrößen.
Bei geeigneter Definition der "mittleren wirksamen Gaskraft" f_gasm, und entsprechender Berechnung dieses Werts durch das Modul ber_fgas gemäß 3, kann die Bestimmung des "Gaskraft-korrigierten Öldrucks" p_fg durch das Teilmodul ber_p_fg, siehe 10, auf eine recht einfache Weise erfolgen. Beispielhaft kann, im einfachsten Falle, bereits eine subtraktive Korrektur pfg = pOel – A·f_gasm (7)ausreichen, mit einem konstanten Faktor A. Allgemeiner kann der Parameter A in Abhängigkeit der hydraulischen Betriebsgrößen p_Oel und T_Oel, und gegebenenfalls weiterer Einflußgrößen, bestimmt werden.
In 11 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Blockdiagramms dargestellt, das eine weitere modulare Realisierung der Gaskraftkompensation im Rahmen des zentralen Umrechnungsmoduls h_to_tm1 der Hubsteuerung zeigt.
In diesem Fall berechnet ein Basismodul h_to_tm1_basis, analog zum vorausgegangenen Beispiel, einen "Grundwert" für t_m1, der dem gaskraftfreien Fall entspricht. Dieser Grundwert wird mit t_{m1_u} bezeichnet. Ein weiteres Teilmodul ber_tm1_fg_korr berechnet dazu einen Korrekturwert t_{m1_fg_korr}, der zur Kompensation des Gaskrafteinflusses dient. Die gesuchte Ansteuerzeit ergibt sich dann als Summe von Grundwert und Korrekturwert: tm1 = tm1_u + tm1_fg_korr (8)
Typische Verläufe der Korrekturgröße t_{m1_fg_korr} in Abhängigkeit des Sollhubs h_Soll sind in 12 gezeigt, wobei diese Verläufe den jeweiligen Kurven aus 2 entsprechen. Die weiteren Betriebsgrößen wie p_Oel und T_Oel sind bei diesen Kurven also konstant gehalten.
Die gezeigten Verläufe, beziehungsweise allgemein die Funktion tm1_fg_korr (hSoll; pOel, TOel, fgasm), (9)mit hier beispielhaft verwendeter Beschreibung des Gaskrafteinflusses durch eine "mittlere Gaskraft" f_gasm, kann ebenfalls vorteilhaft in Gestalt einer Parameter-Funktion dargestellt werden, deren Parameter in Abhängigkeit der Gaskraft und der weiteren Einflußgrößen bestimmt werden.
Dies ist beispielhaft in einer besonders vorteilhaften Ausführung mittels Skalenansatz in 13 dargestellt. Die Figur zeigt eine Realisierung des Moduls ber_tm1_fg_korr aus 11. Zentrales Element ist eine Skalenfunktion fskal, die die Form der Kurven aus 12 beschreibt und hier beispielhaft als Kennlinie dargestellt ist. Sie weist allgemein eine Abhängigkeit von den hydraulischen Betriebsgrößen p_Oel und T_Oel auf, wie in 13 angedeutet ist. Diese Abhängigkeit kann beispielsweise durch eine Schar von Kennlinien berücksichtigt werden. Einfacher und besser geeignet sind jedoch analytische oder halb-analytische Ansätze.
In einer in typischen Fällen recht guten Näherung kann fskal beispielsweise mittels von p_Oel und T_Oel abhängiger Skalierungen aus einem festen Kurvenverlauf abgeleitet werden, der seinerseits beispielhaft als Kennlinie, als Polynom, als rationale Funktion, oder als stückweise Zusammensetzungen daraus, dargestellt werden kann.
Noch besser beziehungsweise genauer sind allgemeine Approximationen der Skalenfunktion fskal mittels elementarer Funktionsterme, wie Polynome und/oder rationale Funktionen, wobei die Parameter dieser Funktionsterme allgemein als Funktionen von p_Oel und T_Oel dargestellt, und beispielsweise mittels Kennfeldern realisiert werden können.
Die Gaskraftabhängigkeit der Korrekturgröße t_{m1_fg_korr} wird bei der in 13 beispielhaft angegebenen Realisierung des Algorithmus als Skalenansatz zum einen durch die Multiplikation der Skalenfunktion fskal mit der mittleren Gaskraft f_gasm und zum anderen durch eine Offsetverschiebung des Arguments h_Soll der Skalenfunktion dargestellt. Der Offset ist als Produkt von f_gasm mit einem von p_Oel und T_Oel abhängigen Wert modelliert, der beispielhaft aus einem Kennfeld CFGH bestimmt wird.
Allgemein kann ein solcher Skalenansatz auch noch eine Skalierung des Arguments und eine Offsetverschiebung im Wertebereich aufweisen. Dies kann im vorliegenden Fall zur Erreichung einer sehr hohen Anpassungsgüte herangezogen werden, wobei der zusätzliche Offset als Term a·f_gasm und die Skalierung des Arguments h_Soll in der Form 1 + b·f_gasm, mit (allgemein) von p_Oel und T_Oel abhängigen Koeffizienten a und b, darstellbar sind.
Im Rahmen weiterer Verallgemeinerungen können die Offsets und Skalenfaktoren auch in nichtlinearer Weise von Beschreibungsgrößen der Gaskraft wie f_gasm, beziehungsweise f_gas0 und gradf_gas, abhängen. Dazu können höhere Ordnungen und/oder rationale Terme in diesen Einflußgrößen herangezogen werden.
Verallgemeinerung der Ausführungsbeispiele
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung können durch Verallgemeinerung oder Spezialisierung der beschriebenen Lösungen gefunden werden. So kann in einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels anstelle einer additiven eine multiplikative Korrektur für den Einfluß der Gaskraft bestimmt werden. Eine weitere Variante der modularen Gaskraftkompensation kann auch, wie bereits erwähnt, von einer gaskraftabhängigen Korrektur des Sollwerts h_Soll ausgehen.
Des weiteren kann z.B. der Zweig h > h₁ der beispielhaft gewählten Polynomapproximation der Hubtransferfunktion auch quadratisch, d.h. als Parabelnäherung, ausgeführt werden.
Einzelne der in den Beispielen ausgeführten Abhängigkeiten von den Einflußgrößen können unter Umständen auch vereinfacht werden, beispielsweise im Falle des Parameters t₀ – siehe Gleichungen (6) – mit einer Wahl des gaskraftunabhängigen Anteils T0 als Festwert.
Des weiteren können die beispielhaft als Kennfelder ausgeführten Abhängigkeiten von p_Oel und T_Oel auch anders, zum Beispiel mittels Polynomen, beschrieben werden.
Die störungstheoretische Darstellung in den Gleichungen (5) kann in einzelnen Fällen auch höhere Ordnungen einbeziehen, beispielsweise quadratische Terme in f_gas0, gradf_gas und/oder f_gasm. Analoges gilt für die Algorithmen der beiden anderen Ausführungsbeispiele.
Des weiteren ist es möglich und gegebenenfalls vorteilhaft, einzelne Größen wie den Gradienten gradf_gas und/oder die mittlere Gaskraft f_gasm in Abhängigkeit des Sollhubs h_Soll zu bestimmen.
Grundsätzlich kann die Abhängigkeit der Hubtransferfunktion beziehungsweise ihrer Parameter von den Einflußgrößen respektive Beschreibungsgrößen der Gaskraft auch anders dargestellt werden, als es in den Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
Bei den hydraulischen Einflußgrößen können alternativ oder zusätzlich zum Parameter T_Oel auch Stoffgrößen des Öls wie Viskosität und Dichte vrerwendet werden. Entsprechend verallgemeinern sich die entsprechenden Abhängigkeiten wie in den Gleichungen (5), (6) und (9), und/oder an anderen Stellen. Dabei kann eine Stoffgröße, beispielsweise die Viskosität, je nach gegebenen Systemvoraussetzungen als Erfassungsgröße vorliegen oder zum Beispiel als Funktion von p_Oel und/oder T_Oel berechnet werden.
In speziellen Realisierungen der erfindungsgemäßen Steuerungsfunktion innerhalb eines Steuergeräts 31 kann das eine oder andere Berechnungsmodul – ganz oder teilweise – statt als Rechnerprogramm auch in dedizierter digitaler Hardware ausgeführt werden.
Alle in den Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen enthaltenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer Steuereinrichtung (MV1, MV2) eines hydraulischen Arbeitszylinders (3) beziehungsweise Stellers (30), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Einlesen eines Sollwerts (h_Soll) einer Steuergröße (h), – Ermitteln mindestens eines Betriebsparameters (T_Oel, p_Oel), – Ermitteln mindestens einer Größe (f_gas), welche eine auf einen Kolben (5) beziehungsweise auf ein Gaswechselventil (1) während einer Hubbewegung wirkende Gaskraft zumindest mittelbar beschreibt, – Berechnen einer Ansteuergröße (t_m1) in Abhängigkeit des Sollwerts (h_Soll), des mindestens einen Betriebsparameters (T_Oel, p_Oel) sowie des mindestens einen Gaskraft-Parameters (f_gas) mittels einer Stellgrößen-Transferfunktion (t_m1 = f_tm1(h_Soll, T_Oel, p_Oel, f_gas, T_mot, ...)) mit: f_tm1: Stellgrößen-Transferfunktion h_Soll: Sollwert der Steuergröße (Sollhub) T_Oel, p_Oel: hydraulische Betriebsparameter f_gas: Parameter zur Beschreibung einer auf ein Gaswechselventil wirkenden Gaskraft T_mot, ...: weitere Betriebsparameter und Ausgabe der Ansteuergröße (t_m1) an eine Ausgabeeinheit zur Erzeugung eines entsprechenden Ansteuersignals.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) und/oder der mindestens eine Betriebsparameter (T_Oel, p_Oel) und/oder die weiteren Betriebsparameter (T_mot) als skalare Größen definiert sind, beziehungsweise durch Einzelwerte, wie beispielsweise einen Momentanwert, einen Mittelwert, und/oder eine momentane oder mittlere zeitliche Veränderung, dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) direkt gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) aus mindestens einer Zustandsgröße oder Stellgröße (p_braö, w_aö, n_mot, p_abg) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) aus einem Kennfeld oder einer Kennlinie in Abhängigkeit einer oder mehrerer Zustands- oder Stellgrößen (p_braö, w_aö, n_mot, p_abg), oder daraus berechneter Werte, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bestimmung des mindestens einen Gaskraft-Parameters (f_gas) verwendeten Zustands- oder Stellgrößen (p_braö, w_aö, n_mot, p_abg) direkt gemessen, oder aus gemessenen und/oder vorgegebenen Werten (Sollwerten) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass unter den Zustands- oder Stellgrößen (p_braö, w_aö, n_mot, p_abg), die zur Bestimmung des mindestens einen Gaskraft-Parameters (f_gas) verwendet werden, mindestens ein Gasdruck (p_braö, p_abg), eine Drehzahl (n_mot), und/oder eine den Zeitpunkt einer Ansteuerung oder den Beginn einer Hubbewegung kennzeichnende Größe (w_aö) auftritt.
Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschätzung des mindestens einen Gaskraft-Parameters (f_gas) aus Zustands- oder Stellgrößen (p_braö, w_aö, n_mot, p_abg) weitere Parameter (p_Oel, T_Oel, h_Soll) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) mit Hilfe von physikalischen Modellen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) mit Hilfe von mathematischen Modellen und/oder neuronalen Netzen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) zur Bestimmung einer additiven oder multiplikativen Korrektur eines Sollwerts (h_Soll) verwendet wird, und dass die Ansteuergröße (t_m1) mittels dieses korrigierten Sollwerts und einer für den gaskraftfreien Betriebsfall bestimmten Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) zur Bestimmung eines korrigierten Werts (p_fg) eines Betriebsparameters (p_Oel) verwendet wird, und dass die Ansteuergröße (t_m1) mittels einer für den gaskraftfreien Betriebsfall bestimmten Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1) berechnet wird, wobei der korrigierte Wert (p_fg) den ursprünglichen Wert des Betriebsparameters (p_Oel) ersetzt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter (p_Oel) als ein hubbestimmender Öldruck, und der mindestens eine Gaskraft-Parameter (f_gas) als eine mittlere, während der Hubbewegung wirkende Gaskraft (f_gasm) definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der korrigierte Wert (p_fg) aus dem Wert des hubbestimmenden Öldrucks (p_Oel) durch Subtraktion eines Terms A·f_gasm berechnet wird, wobei der Koeffizient A allgemein, beziehungsweise bei Bedarf, in Abhängigkeit von hydraulischen Betriebsparametern (T_Oel, p_Oel) und/oder weiteren Größen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Betriebsparameter der Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1) eine Temperatur einer Brennkraftmaschine (T_mot) und/oder eine Motordrehzahl (n_mot) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen-Transferfunktion (t_m1 = f_tm1 (h_Soll, T_Oel, p_Oel, f_gas, T_mot, ...)), beziehungsweise eine für den gaskraftfreien Betriebsfall bestimmte, eingeschränkte Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1), durch Kennlinien und/oder Kennfelder dargestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen-Transferfunktion (t_m1 = f_tm1 (h_Soll, T_Oel, p_Oel, f_gas, T_mot, ...)), beziehungsweise eine für den gaskraftfreien Betriebsfall bestimmte, eingeschränkte Stellgrößentransferfunktion (f_tm1), als Parameter-Funktion ausgebildet ist, beziehungsweise auf der Basis mindestens einer Parameter-Funktion berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter-Funktion einen oder mehrere, insbesondere elementare, Funktionsterme sowie entsprechende Skalierungs-Koeffizienten aufweist, und dass die Skalierungs-Koeffizienten aus den hydraulischen Betriebsparametern (T_Oel, p_Oel) und/oder dem mindestens einen Gaskraft-Parameter (f_gas) und/oder den weiteren Betriebsparametern (T_mot) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein elementarer Funktionsterm in der parametrischen Darstellung der Stellgrößen-Transferfunktion als Kennlinie, als Polynom oder als rationale Funktion ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wertebereich des Sollhubs (h_Soll) in mehrere Abschnitte aufgeteilt wird, und dass die Stellgrößen-Transferfunktion (t_m1 = f_tm1 (h_Soll, T_Oel, p_Oel, f_gas, T_mot, ...)), beziehungsweise die für den gaskraftfreien Betriebsfall bestimmte, eingeschränkte Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1), für jeden dieser Abschnitte separat durch ein Kennfeld, eine Kennlinie oder eine Parameter-Funktion dargestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen-Transferfunktion (t_m1 = f_tm1 (h_Soll, TOel, p_Oel, f_gas, T_mot, ...)), beziehungsweise die für den gaskraftfreien Betriebsfall bestimmte, eingeschränkte Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1), bezüglich des Zusammenhangs zwischen Ansteuergröße (t_m1) und Sollhub (h_Soll) auf einfache Weise invertierbar ist, und dass die Umkehrfunktion (Hub-Transferfunktion) mit den zur Darstellung der Stellgrößen-Transferfunktion verwendeten Kennfeldern, Kennlinien und/oder Funktionstermen und Skalierungskoeffizienten berechenbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende inverse Stellgrößen-Transferfunktion: h = fhub(tm1) = h0 + stg·(tm1 – t0) + cof/2·(tm1 – t0)2 für t_m1 ≤ t₁, und h = fhub(tm1) = h1 + stp·(tm1 – t1)für t_m1 > t₁
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter t₀, h₀, stg, cof, t₁, h₁ und stp der Stellgrößen-Transferfunktion von einem Öldruck (p_Oel), einer Öltemperatur (T_Oel), sowie gegebenenfalls von einem Anfangswert (f_gas0) der Gaskraft und einem Gradienten (gradf_gas) der Gaskraft abhängen.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parameter (t₀, h₀, stg, cof, t₁, h₁, stp) der Stellgrößen-Transferfunktion hinsichtlich seiner Abhängigkeit von den Gaskraft-Parametern (f_gas0, gradf_gas) durch ein lineares oder quadratisches Polynom beschrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parameter (t₀, h₀, stg, cof, t₁, h₁, stp) der Stellgrößen-Transferfunktion aus der Summe eines Grundwertes und eines Korrekturwerts gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundwert konstant ist oder von einem Öldruck (p_Oel) und/oder einer Öltemperatur (T_Oel) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturwert von dem Öldruck (p_Oel) und/oder der Temperatur (T_Oel) des Öls und/oder den Gaskraftparametern (f_gas0, gradf_gas) abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einen Kolben (5) beziehungsweise auf ein Gaswechselventil (1) während einer Hubbewegung wirkende Gaskraft – zumindest teilweise – durch die Korrektur eines Grundwerts der Ansteuerdauer (t_m1) kompensiert wird, wobei sich der genannte Grundwert aus einer Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1) ergibt, in der die Gaskraft nicht oder nicht vollständig berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerdauer (t_m1) nach folgender Gleichung korrigiert wird: tm1 = tm1_u + tm1_fg_korr, mit: t_{m1_u}: Grundwert, t_{m1_fg_korr} (h_Soll; p_Oel, T_Oel, f_gasm): Korrekturwert.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (t_{m1_fg_korr}) mit Hilfe einer Parameter-Funktion in Abhängigkeit des Sollhubs (h_Soll) oder des Grundwerts (t_{m1_u}) berechnet wird, deren Parameter in Abhängigkeit der Betriebsparameter (T_Oel, p_Oel) und einer mittleren Gaskraft (f_gasm) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter-Funktion durch einen Skalenansatz, das heißt, durch die Skalierung und/oder Verschiebung des Arguments und/oder des Werts einer Skalenfunktion, definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalenfunktion mittels mindestens einer Kennlinie und/oder mindestens einer Parameter-Funktion dargestellt wird, wobei letztere beispielhaft als Polynom, oder als rationale Funktion, oder als stückweise Zusammensetzung solcher Funktionen definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parameter einer Parameter-Funktion in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter (T_Oel, p_Oel) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalenfunktion durch eine Kennlinienschar in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters (T_Oel, p_Oel) beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalenfunktion unabhängig von Betriebsparametern gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (t_{m1_fg_korr}) zumindest näherungsweise proportional zu einer mittleren Gaskraft (f_gasm) anwächst.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung des Arguments (h_Soll, t_{m1_u}) der Skalenfunktion zumindest näherungsweise proportional zur mittleren Gaskraft (f_gasm) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stellgrößen-Transferfunktion (f_tm1) mindestens ein multiplikativer oder additiver Adaptions-Parameter (p_offset, t_{m1_offset}, h_offset, h_skala) vorgesehen ist, der im allgemeinen Fall eine Abhängigkeit von Betriebsparametern (T_Oel, p_Oel), und/oder von einem Gaskraft-Parameter (f_gas), und/oder vom Sollhub (h_Soll) oder einer dazu äquivalenten Größe, aufweist oder aufweisen kann, und der individuell für einen hydraulischen Arbeitszylinder (3) respektive Steller (30) berechnet wird, wobei diese Berechnung, beziehungsweise darin verwendete individuelle Daten des Stellers (30), zur Verringerung von Abweichungen zwischen Sollwert (h_Soll) und Istwert (h_Ist) des Hubs dieses Stellers angepaßt werden können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils aktuell für einen Stellvorgang eines Arbeitszylinders (3) durchgeführte Berechnung der Ansteuergröße (t_m1) eine Teilberechnung enthält, mit der eine Regelung des Hubs dieses Arbeitszylinders (3) realisiert wird.
Computer-Programm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines der vorstehenden Verfahren geeignet ist.
Computer-Programm nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speichermedium abspeicherbar ist.
Steuergerät (31), insbesondere zur Steuerung eines oder mehrerer hydraulischer Arbeitszylinder (3) beziehungsweise Steller (30), dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines der vorstehenden Verfahren geeignet ist.