DE102005062558A1

DE102005062558A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Ventils

Info

Publication number: DE102005062558A1
Application number: DE102005062558A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schiemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-06-28

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines hydraulisch betätigten Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils mit variablem Ventilhub, bei dem zu einem Schließbeginn (wem2, tem2) ein Schließvorgang des Ventils eingeleitet wird und das Ventil nach einer Schließdauer (tsd) zu einem Schließzeitpunkt (tse, wse) schließt, wobei ein Istwert des Schließzeitpunkts (wse_mess, tse_mess) bestimmt, insbesondere gemessen, wird, wobei ein Stellfehler als Abweichung eines Ist-Schließzeitpunkts (wse_mess, tse_mess) von einem Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) ermittelt wird und wobei ein Regler in Abhängigkeit des ermittelten Stellfehlers den Schließbeginn (wem2, tem2) eines oder mehrerer folgender Schließvorgänge so bestimmt, dass entsprechende Stellfehler der folgenden Schließvorgänge gering gehalten beziehungsweise minimiert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren beziehungsweise einer Vorrichtung zur Regelung eines Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils mit variablem Ventilhub, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Anwendungshintergrund des erfindungsgemäßen Verfahrens sind elektrohydraulische Verstellsysteme, die beispielsweise zur Betätigung von Ventilen, wie der Gaswechselventile einer 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 Steller, 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. Beim Öffnen wird das Gaswechselventil von der Ausgangsposition in eine – gegebenenfalls variable – Endposition bewegt. Beim Schließen wird das Gaswechselventil von einer Endposition in die Ausgangsposition zurückgeführt, wobei dieser Vorgang auch gestuft über Zwischenpositionen verlaufen kann. Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs ist dies jedoch nicht wesentlich; es können Stellvorgänge zwischen beliebigen stationären Positionen betrachtet werden.
Gegenstand oder Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist allgemein die Verstellung des Kolbens eines hydraulischen Stellers von einer ersten Position in eine zweite Position, wobei diese Verstellung als Schließvorgang – oder zumindest Teil eines Schließvorgangs – des Stellers betrachtet wird. Dabei kommt es darauf an, den Zeitpunkt des Erreichens der zweiten Position, das heißt den Schließzeitpunkt, 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 Stellers, 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 A1 bekannt sind, können Hub und Steuerzeiten (Öffnungs- und Schließzeitpunkt) 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 Schließens auf. Die möglichen Verbesserungen liegen dabei in der Stellgenauigkeit des Schließzeitpunkts beziehungsweise Schließwinkels (Kurbelwellenwinkel zum Schließzeitpunkt) und in dem zur Darstellung der Schließwinkelsteuerung 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.

Der Verstellvorgang eines beispielhaften EHVS-Ventilstellers wird mittels hydraulischer Druckkraft bewirkt; die Steuerung erfolgt mittels eines ersten Steuerventils (MV1) für den hochdruckseitigen Ölzufluss beim Öffnen und eines zweiten Steuerventils (MV2) für den Druckabbau beim Schließen des Stellers. Dieses Prinzip ermöglicht es, die Parameter "Öffnen", "Schließen" und "Hub" der Ventilbewegung beliebig und individuell für die so betätigten Gaswechselventile einzustellen.

Darüber hinaus ist die Stellgeschwindigkeit global für alle an einem gemeinsamen Hochdruckspeicher (Rail) angeschlossenen Steller durch Verändern des Öldrucks im Rail verstellbar. Des weiteren kann eine beispielsweise hydraulisch wirkende Ventilbremse vorgesehen sein, wie sie in der zitierten DE 101 34 644 A1 in einer beispielhaften Ausführung beschrieben ist. Damit kann auch die Geschwindigkeit verändert beziehungsweise eingestellt werden, mit der ein Gaswechselventil am Ende eines Schließvorgangs auf einen Ventilsitz auftrifft.

Das EHVS-System umfasst ein elektronisches Steuergerät, das für die Steuerung der stellbaren Parameter Öffnen, Schließen und Hub einzelner Gaswechselventile und gegebenenfalls des Raildrucks und der Aufsetzgeschwindigkeit beim Schließen zuständig ist. Im elektronischen Steuergerät sind zu diesem Zweck entsprechende Steuerungsfunktionen in Hardware und Software realisiert, welche schritthaltend mit der Abfolge der Arbeitsspiele der einzelnen Zylinder die Ansteuersignale der Ventilsteller berechnen und ausgeben, die zur Einstellung gewünschter Werte der stellbaren Parameter benötigt werden. Die gewünschten Werte oder Vorgabewerte ändern sich dabei typischerweise in Abhängigkeit des Betriebspunkts und der angeforderten Leistung der Verbrennungskraftmaschine.

Aus der weiteren 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. So ist es vorgesehen, dass ein Ventilhubsensor ein die Stellung des Ventils anzeigendes Hubsignal bereitstellt. Der Ventilhubsensor kann nun auf korrekte Funktion überprüft werden, indem der für die Ventilstellung erwartete Druckverlauf beziehungsweise Brennraumdruck mit dem gemessenen Brennraum verglichen wird. Bei bestimmten Abweichungen wird der Ventilhubsensor in Abhängigkeit dieser Auswertung automatisch kalibriert

In einer parallelen Anmeldung (gleicher Anmeldetag, gleiche Anmelderin, gleicher Erfinder, unser Zeichen R. 311982), deren Inhalt hier mit umfasst sein soll, wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gaswechselventils mit variablen Ventilhub beschrieben, bei dem eine geeignete mathematische Beschreibung des betriebspunktabhängigen Zusammenhangs zwischen einer technischen Stellgröße (wem2), die den Endewinkel der Ansteuerung eines Steuerventils (MV2) charakterisiert, dem Schließwinkel (wse) und dem Hub (h) des Gaswechselventils zugrunde gelegt wird. Dieser Zusammenhang wird in einer beispielhaften Ausführung durch eine so genannte Schließdauertransferfunktion (tsd(h)) dargestellt, die als einfache parametrische Funktion modelliert wird. Die Abhängigkeit vom Betriebspunkt spiegelt sich dabei in den Parametern wider, die als Funktionen der für den Schließvorgang maßgeblichen Einflussgrößen berechnet werden. Die Einflussgrößen, beispielsweise Druck und Temperatur des Hydrauliköls, Gaskräfte und der Einstellpunkt einer variablen Ventilbremse, werden dabei erfindungsgemäß durch ge eignet definierte Einzelwerte beschrieben, beispielsweise Anfangswerte, Mittelwerte und/oder Gradienten. Diese Werte werden für den jeweiligen Stellvorgang auf der Basis von Erfassungswerten und/oder anderweitig vorhandener Information (zum Beispiel Werte von Stellgrößen) bestimmt.

Soweit es die Abhängigkeit von den Zustandsgrößen des Hydrauliköls betrifft, werden die Parameter der Schließdauertransferfunktion beispielhaft als Kennfelder in Abhängigkeit eines Drucks pöl und einer Temperatur Töl beschrieben. Diese Kennfelder können beispielsweise durch Messungen anhand einzelner EHVS-Steller bestimmt und individuell für einzelne Ventilsteller oder auch einheitlich – in jeweils nur einem Exemplar – für Gruppen baugleicher beziehungsweise sich gleichartig verhaltender Steller im Datenspeicher des Steuergeräts abgelegt werden.

Dabei stellt die stellerindividuelle Berechnung der Parameter beziehungsweise die Verwendung stellerindividueller Kennfelder eine mögliche Lösung für das in der Praxis relevante Problem dar, dass auch baugleiche Steller sich aufgrund unvermeidlicher Toleranzen in der Fertigung untereinander nicht. völlig identisch verhalten, das heißt mehr oder weniger deutliche – und im Hinblick auf die zulässigen Fehler der Schließwinkelsteuerung gegebenenfalls zu große – Exemplarstreuungen aufweisen können.

In der Praxis stellt sich ebenfalls das Problem einer Stellerdrift, das heißt von Veränderungen des Stellerverhaltens – hier speziell des Verhaltens in Bezug auf den Schließvorgang und die Einstellung des Schließwinkels – während des Betriebs beziehungsweise im Laufe der Zeit.

In zwei weiteren parallelen Anmeldungen (gleicher Anmeldetag, gleiche Anmelderin, gleicher Erfinder, unsere Zeichen R. 311983 und R. 311984), deren Inhalt hier mit umfasst sein soll, werden Adaptionsverfahren beschrieben, die das Problem einer Stellerdrift lösen.

Zentrales Merkmal dieser Adaptionsverfahren ist die Verwendung ventilindividueller Adaptionsparameter, die allgemein von Betriebsgrößen wie Druck und Temperatur des Öls abhängen, wobei diese Abhängigkeit beispielhaft mittels Datensätzen respektive tabellarischen Darstellungen (wie Kennlinien und Kennfelder) dargestellt wird. Die Adaptionsparameter kommen zu den aus der parallelen Anmeldung (R. 311982) bereits bekannten Algorithmen der Schließwinkelsteuerung ergänzend hinzu. Nach einem ersten Adaptionsverfahren (R. 311983) sind betriebs punktbezogene Werte eines beispielsweise als Kennlinie oder Kennfeld dargestellten Adaptionsparameters zum Zwecke der Kompensation einer Stellerdrift in der Schließwinkelsteuerung veränderlich beziehungsweise anpassbar. Nach einem zweiten Adaptionsverfahren (R. 311984) wird zum Zwecke der Kompensation einer Stellerdrift mindestens ein Einzelwert angepasst, der die Genauigkeit der Schließwinkelsteuerung mindestens für einen Teilbereich von möglichen Werten eines Betriebsparameters beeinflusst. Diese Anpassungen respektive Adaptionen erfolgen individuell für die einzelnen Ventilsteller. In vorteilhaften Ausführungen können auch fertigungsbedingte Exemplarstreuungen mittels einer erfindungsgemäßen Adaption ausgeglichen werden, so dass für baugleiche Steller außer den anpassbaren Werten der Adaptionsparameter keine ventilindividuellen Daten benötigt werden.

Für die Anwendung eines elektrohydraulischen Ventilstellsystems zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Verbrennungskraftmaschine wird eine sehr hohe Stellgenauigkeit des Schließzeitpunkts, typischerweise besser als ca. 2°KW, benötigt. Um dieses Ziel zu erreichen, werden nach dem erfinderischen Gedanken der parallelen Anmeldungen verschiedene Einflüsse wie Öldruck, Gaskraft und andere einschließlich ihrer Wirkung auf den Schließvorgang eines Stellers mit beträchtlichem Aufwand modelliert. Gegebenenfalls kann aber trotz hohen Aufwands die geforderte Stellgenauigkeit auf diese Weise nicht unter allen Umständen zuverlässig sichergestellt werden.

Vorteile der Erfindung

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass bei einem hydraulisch betätigten Ventil mit einem Schließbeginn (wem2, tem2) ein Schließvorgang eingeleitet wird, wobei das Ventil nach einer Schließdauer (tsd) zu einem Schließzeitpunkt (wse, tse) schließt, dass ein tatsächlicher Wert oder Istwert (wse_mess, tse_mess) des Schließzeitpunkts bestimmt, insbesondere gemessen wird, dass ein Stellfehler des Schließvorgangs als Abweichung des Ist-Schließzeitpunkts (wse_mess, tse_mess) von einem Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) ermittelt wird, und dass ein Regler auf der Basis dieses Stellfehlers den Schließbeginn (wem2, tem2) eines oder mehrerer weiterer Schließvorgänge so bestimmt, dass entsprechende Stellfehler der weiteren Schließvorgänge gering gehalten beziehungsweise minimiert werden.

Der primäre Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein festgestellter Fehler der Schließwinkelsteuerung sehr schnell verringert respektive kompensiert wird.

Indem in einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Regelung eine unterlagerte Steuerung oder Vorsteuerung des Schließzeitpunkts verwendet und so ausgeführt wird, dass sie bereits für sich allein eine hohe Genauigkeit aufweist, können die Anforderungen an die Stellgenauigkeit selbst in hochdynamischen Betriebspunkten eingehalten werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination mit einem bereits beschriebenen Verfahren zur Adaption der Vorsteuerung. Zum einen bleibt in diesem Fall selbst bei einer Veränderung der für den Schließvorgang relevanten Stellereigenschaften die Genauigkeit der Vorsteuerung im wesentlichen erhalten und damit die Voraussetzung, dass die Regelung weiterhin trotz der Stellerdrift die Anforderungen an die Stellgenauigkeit gewährleisten kann. Zum anderen kann als Option die von der Regelungsfunktion in stationären Betriebspunkten gewonnene Information zu den Stellfehlern vorteilhaft in das Verfahren der Adaption der Vorsteuerung eingebracht werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Regelung bezüglich der benötigten Rückmeldung zu den tatsächlichen Schließzeitpunkten eines Stellers beziehungsweise Ventils von ohnehin – aus anderen Gründen – verbauten Sensoren ausgehen kann und ausgeht, beispielsweise einem Klopfsensor, einem Hubsensor oder einem Brennraumdrucksensor. Dadurch entfällt der im allgemeinen erhebliche Kostenfaktor einer zusätzlichen Sensorik.

Alternativ zu den genannten Sensoren können die für die Regelung relevanten Merkmale des Schließvorgangs auch auf der Basis eines Differenzdrucksignals, zum Beispiel dem Differenzdruck zwischen oberem und unterem Druckraum des Stellers, und/oder aus diversen anderen Drucksignalen, zum Beispiel dem Druck im oberen Druckraum oder im Rücklaufkreis, gewonnen werden, wobei sich dies ebenfalls dann anbietet, wenn die entsprechende Sensorik bereits aus anderen Gründen wie Überwachung, Hubregelung oder Ähnlichem im System verbaut ist.

Als weitere Vorteile sind Einfachheit, Verständlichkeit und Modularität der Lösung zu nennen. Insbesondere kann vermöge der Regelung eine damit kombinierte Steuerungsfunktion sowie gegebenenfalls eine dazu gehörige Adaptionsfunktion in einer einfacheren Weise, das heißt mit geringerem Aufwand ausgeführt werden, als es im Falle einer reinen Steuerung im Hinblick auf die Genauigkeitsanforderungen für den Schließwinkel nötig wäre.

Eine Realisierung der erfindungsgemäßen (vorgesteuerten) Regelung des Schließzeitpunkts als Rechnerprogramm im 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.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zur Ermittlung eines Winkels des Schließbeginns eine mittlere Winkelgeschwindigkeit einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, während der betreffenden Schließvorgangs, die ermittelte Schließdauer und der Soll-Schließzeitpunkt berücksichtigt werden. Aus der mittleren Drehzahl und der Schließdauer lässt sich in bekannter Weise berechnen, welche Winkeländerung die Welle während der Schließdauer erfährt.

Ferner ist es vorteilhaft vorgesehen, dass zum Zeitpunkt der Berechnung des Schließbeginns (wem2) ein vorhandener oder aktuell bestimmter Wert der Wellendrehzahl (nmot_1) verwendet wird, um die mittlere Winkelgeschwindigkeit während des Schließvorgangs (nmot) zu bestimmen, wobei die Drehzahl vorzugsweise aus dem Signal eines Drehzahl- oder Winkelsensors ermittelt wird.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass für die Berechnung des Schließbeginns eine mittlere Winkelbeschleunigung als ein Maß für die Veränderung der Wellendrehzahl in einem Intervall zwischen Berechnung und Ausführung des Schließbeginns bestimmt wird, und zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit während des Schließbeginns berücksichtigt wird. Dies hat den Vorteil, dass auch dynamische Änderungen der Drehzahl anhand einer Winkelbeschleunigung berücksichtigt werden und so eine präzisere Bestimmung der Drehzahl zum Zeitpunkt des Schließbeginns beziehungsweise während des Schließvorgangs ermöglicht wird.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die mittlere Winkelbeschleunigung aus dem zeitlichen Verlauf der Signale eines Drehzahl- oder Winkelsensors und/oder mittels eines physikalischen Modells und/oder mittels eines regelungstechnischen Beobachters gewonnen wird.

Ferner ist es vorgesehen, dass die Ermittlung der Schließdauer und die Berechnung des Schließbeginns zeitlich voneinander getrennt durchgeführt werden, wobei letztere Berechnung erst kurz vor Einleitung des Schließbeginns erfolgt. So wird in vorteilhafter Weise eine aufwändige Prädiktion der Drehzahl vermieden. Es ist dabei möglich, die Schließdauer bereits zu einem deutlich früheren Zeitpunkt zu ermitteln und für den späteren Zeitpunkt der Berechnung des Schließbeginns bereitzustellen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Schließbeginn durch Ansteuerung eines Steuerventils (MV2) mit mindestens einem elektrischen Ansteuersignal eingeleitet wird, und dass ein charakteristischer Wert, der den zeitlichen Verlauf des mindestens einen elektrischen Ansteuersignals bestimmt, fortlaufend mindestens bis zum Zeitpunkt der Einleitung des Schließbeginns aktualisiert wird. Vorzugsweise wird der Schließbeginn, der beispielsweise das winkelbezogene Ende eines elektrischen Ansteuersignals beziehungsweise Ansteuerpulses repräsentiert, fortlaufend und in kleinen Zeitschritten noch während der Ausgabe dieses Ansteuersignals durch eine dafür zuständige Pulsgenerierungseinheit aktualisiert. Dies hat den Vorteil, dass der Schließbeginn immer auf Grundlage der aktuellsten Berechnungen und Daten eingestellt wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn für die Ermittlung der Schließdauer mindestens eine der folgenden Betriebsgrößen berücksichtigt wird: Öldruck (pöl) im Hochdruckspeicher beziehungsweise auf der Hochdruckseite eines Stellers, Öltemperatur (Töl) im Hochdruckspeicher beziehungsweise im Steller, effektiver Durchflussquerschnitt (avb) einer Drossel (145) einer Ventilbremse (140), eine mittlere auf das Gaswechselventil (250) wirkende Gaskraft (fgas) und/oder eine Drehzahl der Brennkraftmaschine (nmot). Da diese Betriebsgrößen ohnehin beim Betrieb eines elektrohydraulischen Stellers, insbesondere eines elektrohydraulischen Stellers zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, zur Verfügung stehen beziehungsweise ohne großen Aufwand zu ermitteln sind, sind keine zusätzlichen und insbesondere teure und aufwändige Sensoren für eine erfindungsgemäße Regelung notwendig.

Zeichnungen

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in den Zeichnungen.

Es zeigen schematisch:

1 ein elektrohydraulisches Ventil-Stellsystem;

2 den Schließvorgang eines elektrohydraulisch gesteuerten Gaswechselventils;

3 eine Signalverarbeitungskette zur Gewinnung der Regelgröße Schließzeitpunkt aus einem Klopfsensorsignal;

4 eine Signalverarbeitungskette zur Gewinnung der Regelgröße Schließzeitpunkt aus einem Brennraumdrucksignal;

5 ein Blockschaltbild einer Schließwinkelregelung mit Vorsteuerung und Parameteradaption;

6 ein Blockschaltbild einer Schließwinkelregelung;

7 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführung der Schließwinkelregelung.

Beschreibung
Kern der vorliegenden Erfindung ist die Idee, aus dem Signal von Klopfsensoren, Brennraumdrucksensoren und/oder Wegsensoren einzelner Steller und/oder weiterer geeigneter Sensorik das Merkmal des Schließzeitpunkts beziehungsweise Schließwinkels eines Ventils, insbesondere eines Gaswechselventils, als "Messwert" wse_mess mindestens in bestimmten Betriebszuständen fortlaufend, das heißt schritthaltend mit der Abfolge der Stellvorgänge des Gaswechselventils, zu gewinnen und daraus eine Abweichung, zum Beispiel einen Stellfehler delta_wse = wse_soll – wse_mess (1)zu berechnen. Auf der Basis solcher fortlaufend festgestellter Abweichungen beziehungsweise daraus aufbereiteter Information über einen am gegebenen Betriebspunkt vorliegenden Fehler der Steuerung berechnet im Fall einer erfindungsgemäßen Kombination von Regelung und Vor steuerung ein Regelalgorithmus eine Korrekturgröße, die zu einer beispielsweise additiven Korrektur der Ausgabegröße der Steuerung verwendet wird.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung die wesentlichen Komponenten und den prinzipiellen Aufbau eines beispielhaft betrachteten elektrohydraulischen Ventilstellsystems, wobei nur einer von gegebenenfalls mehreren vorhandenen Ventilstellern gezeigt ist.
Als zentrales Element zeigt die 1 ein Steller 200 in Verbindung mit einem Gaswechselventil 250, das in einen Brennraum 300 einer weiter nicht dargestellten Brennkraftmaschine ragt und beim Schließen durch flächigen Kontakt mit einem Ventilsitz 310 den Brennraum 300 gegenüber einen Einlass- beziehungsweise Auslasskanal 280 verschließt. Mit dem Brennraum 300 steht weiterhin ein Brennraumdrucksensor 70 in Verbindung. Ferner steht ein Klopfsensor 80 mit der Wand des Brennraums 300 in Kontakt.
In bekannter Weise unterteilt ein Differenzialkolben 220 den Steller 200 in einen oberen und unteren Druckraum 210, 230. Aufgrund der unterschiedlich großen Flächen des Differenzialkolbens im oberen und unteren Druckraum 210, 230 wird durch eine entsprechende Druckbeaufschlagung ein Öffnen beziehungsweise Schließen des Gaswechselventils 250 ermöglicht.
Über ein Hochdruckpumpe 60 wird in einem Hochdruckspeicher (Hochdruckrail) 50 ein Hochdruck p_rail aufgebaut, mit dem der untere Druckraum 210 des Stellers 200 beaufschlagt wird. Über ein erstes Steuerventil MV1 kann der Hochdruck p_rail auf den oberen Druckraum 230 geschaltet werden.
Der obere Druckraum 210 steht ferner über ein zweites Steuerventil MV2 mit einem vorzugsweise drucklosen oder mit niedrigem Standdruck beaufschlagten Rücklauf 270 in Verbindung, wobei eine zweite Leitung diese Verbindung über ein verstellbare Drossel (Ventilbremsdrossel) 145 einer Ventilbremse (140, 145) lenkt, die erst gegen Ende einer Schließbewegung voll wirksam wird, wenn die erste direkte Verbindung zum Rücklauf durch den Differenzialkolben 220 verschlossen wird. Die Drossel 145 wird über eine hydraulische Verstelleinrichtung (Bremsschieber) 140 verstellt, wobei eine Hydraulikpumpe 40 in einem Niederdruckspeicher 120 den notwendigen Verstelldruck pvb zur Verfügung stellt.
Über ein Steuergerät 100 werden die Hydraulikpumpe 40, die Hochdruckpumpe 60 sowie das erste und zweite Steuerventil MV1, MV2 angesteuert. Ferner werden vom Steuergerät Signale des Klopfsensors 80 und des Brennraumdrucksensors 70, der Druck p_rail und die Temperatur T_rail des Öls im Hochdruckspeicher 50 sowie der Verstelldruck pvb der Ventilbremse erfasst.
Der Steller 200 ist nach dem Differenzialkolbenprinzip gestaltet – mit einer größeren oberen und einer kleineren unteren Wirkfläche – und hochdruckseitig an einem Hochdruckspeicher 50 angeschlossen, der ein hoch komprimiertes Druckmedium (Öl) als Hilfsenergie des elektrohydraulischen Stellsystems bereitstellt. Auf die obere Wirkfläche A_ob wirkt dabei der Druck podr im oberen Druckraum 210, auf die untere Wirkfläche A_unt der Druck pudr im unteren Druckraum 230, wobei pudr aufgrund der permanent offenen Verbindung mit dem Hochdruckrail 50 stets in der Nähe des Raildrucks p_rail liegt.
Mit der Kolbenstange des hydraulischen Stellers 200 ist ein Gaswechselventil 250 verbunden, das durch geeignete Steuerung der hydraulischen Volumenströme mithilfe eines ersten und zweiten Steuerventils, beispielsweise elektromagnetischen 2-Wege-Ventiles, MV1 und MV2 in gewünschter und bekannter Weise auf und zu gefahren werden kann.
Das hochdruckseitige erste Steuerventil MV1 ist als stromlos geschlossenes elektromagnetisches 2/2-Wege-Ventil ausgeführt. Das niederdruckseitige zweite Steuerventil MV2 ist ebenfalls als elektromagnetisches 2/2-Wege-Ventil ausgeführt, das im stromlosen Zustand öffnet beziehungsweise geöffnet ist und die hydraulische Verbindung zwischen dem oberem Druckraum 210 und einem Rücklauf 270 freischaltet. Der Rücklaufdruck pr1 ist im typischen Falle sehr viel kleiner als der Druck p_rail im Hochdruckrail 50 und liegt beispielsweise bei wenigen bar. Die elektrischen Ansteuersignale der Steuerventile MV1 und MV2 werden von einem elektronischen Steuergerät 100 ausgegeben.
Ausgehend von der Position des geschlossenen Gaswechselventils 250, bei der die Steuerventile MV1 und MV2 stromlos sind, wird der Hubvorgang des hydraulischen Ventilstellers 200 mit der Bestromung des zweiten Steuerventils MV2 eingeleitet. Durch das Umschalten des zweiten Steuerventils MV2 wird zunächst der obere Druckraum 210 gegenüber dem Rücklauf 270 abgeschlossen. Nach einer geeignet gewählten kurzen Zeitspanne wird auch das erste Steuerventil MV1 bestromt und damit ein Zufluss von Öl aus dem Hochdruckspeicher 50 herbeigeführt, der den Hubvorgang bewirkt. Die Dauer der Ansteuerung des ersten Steuerventils MV1 dosiert den Zufluss in den oberen Druckraum 210 und damit den Hub h.
2 zeigt beispielhaft in einem Diagramm den prinzipiellen Verlauf eines Schließvorgangs, der mit dem Ende der Ansteuerung des zweiten Steuerventils MV2 zum Zeitpunkt tem2 respektive Kurbelwinkel wem2 eingeleitet wird. Nach einer Verzugszeit TVSB öffnet das zweite Steuerventil MV2 und die Schließbewegung beginnt. Nach der Beschleunigungsphase nähert sich die Schließgeschwindigkeit einer stationären Endgeschwindigkeit, bis sie nach Erreichen eines Resthubs H0, der den Einsatzpunkt einer Ventilbremse 140 beziehungsweise Drossel 145 kennzeichnet, auf die durch diese Ventilbremse 140 eingestellte Brems- oder Aufsetzgeschwindigkeit reduziert wird. Zum Zeitpunkt tse respektive Kurbelwinkel (Schließwinkel) wse schließt das Gaswechselventil 250.
Eine schematische Ausführung der Ventilbremse 140 ist in 1 dargestellt. Die gezeigte Lage des Gaswechselventils 250 entspricht der Position s = H0, bei der der Stellerkolben beziehungsweise Differenzialkolben 220 beim Schließen die Anschlussbohrung einer ersten Verbindung des oberen Druckraums mit dem zweiten Steuerventil MV2 (Hauptabströmbohrung) erreicht und diese verschließt. Der große Leitungsquerschnitt dieser Verbindung steht danach nicht mehr zur Verfügung; das restliche Öl wird somit über die parallele Leitung mit der Ventilbremsdrossel 145 verdrängt, wobei diese Leitung beispielsweise bei einem verringerten Querschnitt der Drossel 145 einen erhöhten hydraulischen Widerstand aufweist. Die Drossel 145 ist als verstellbar angenommen. Dazu ist in 1 ein hydraulischer Verstellmechanismus 140 skizziert, auf den ein variabler Verstelldruck pvb des Niederdruckspeichers 120 wirkt.
Der beim Auftreffen des Gaswechselventils 250 im Ventilsitz 310 erzeugte Schall, der als Körperschall und Luftschall weitergeleitet wird, wird sowohl von einem Klopfsensor 80 als auch einem Brennraumdrucksensor 70 detektiert, deren Signale in das elektronische Steuergerät 100 hineingeführt werden. Erfindungsgemäß wird mindestens das Merkmal des Auftreffzeitpunkts, eventuell auch ein Maß für den Auftreffimpuls respektive die Schallstärke (des "Ventilklapperns") gewonnen.
In alternativen Ausführungen des Systems kann auch nur einer der beiden gezeigten Typen von Sensoren oder eine andere Sensorik verbaut sein, die zur Erfassung der Schließzeitpunkte von Gaswechselventilen dient.
Das Steuergerät 100 steuert im gezeigten Systembeispiel eine verstellbare Hydraulikpumpe 40 für die Niederdruckversorgung beziehungsweise die Steuerung des Bremsdrucks pvb. Des weiteren steuert sie eine Hochdruckpumpe 60, die Öl ins Hochdruckrail 50 fördert und den Systemdruck p_rail aufbaut. Die Hochdruckpumpe 60 ist als verstellbar angenommen, ebenso das Druckniveau im Rail. Bei höherem Druck entwickelt der hydraulische Steller 200 mehr Kraft beim Öffnen und Schließen; die Bewegungsvorgänge des Gaswechselventils sind dann entsprechend schneller.
Der Druck p_rail und die Temperatur T_rail des Öls im Rail sowie der Steuerdruck pvb der Ventilbremse 140 werden mittels Sensoren erfasst und als Gebersignale p_rail und T_rail sowie pvb in die Steuergerät 100 hineingeführt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beispielhaft skizzierte Systemausführung beschränkt, sondern es kann beispielsweise auch eine Schließfeder vorhanden sein, die in schließender Richtung auf die Kolbenstange wirkt. Insbesondere kann – im Fall eines so genannten einfach wirkenden Hydraulikzylinders – die schließende Kraft auch allein durch eine solche Feder bereitgestellt werden, so dass die Funktion des unteren Druckraums 230 beziehungsweise der untere Druckraum 230 selbst und/oder dessen Verbindung zum Hochdruckrail 50 entfallen.
Für die Steuerventile MV1, MV2 sind ebenfalls andere Ausgestaltungen als die beispielhaft gewählte Ausführung möglich. So können beispielsweise Piezoventile anstelle von Magnetventilen und/oder Proportional- statt Schaltventile verwendet werden. Auch sind Mehrwegeventile anstelle von 2/2-Wege-Ventilen möglich. Des Weiteren können die Funktionen der Steuerventile MV1, MV2 in einem komplexeren Steuerventil integriert sein.
Die Hochdruckversorgung kann auch fest anstatt verstellbar sein. Im hydraulischen Schaltkreis können auch weitere hier nicht gezeigte Komponenten vorhanden sein, zum Beispiel ein Rückschlagventil, das in der Leitungsverbindung zwischen dem unteren Druckraums 210 eines Stellers 200 und dem Hochdruckrail 50 stromauf des ersten Steuerventils MV1 eingebaut ist, oder eine Leitungsverbindung des oberen Druckraums 210 mit dem Hochdruckrail 50 über ein weiteres Rückschlagventil. Des Weiteren kann eine niederdruckseitig zuschaltbare Vorspanneinrichtung vorhanden sein.
Die Sensorik kann gegenüber dem Beispiel eingeschränkt oder auch erweitert sein. So kann es zum Beispiel gar keinen Drucksensor geben oder aber mehrere Drucksensoren, die zum Beispiel verteilt an verschiedenen Stellen des Rails, beispielsweise auch direkt eingangs der einzelnen Steller 200 angebracht sein können. Des weiteren kann Sensorik zur Erfassung des Drucks im Rücklauf und/oder des Drucks im oberen Druckraum 210 und/oder des Differenzdrucks zwischen oberem und unterem Druckraum 210, 230 vorhanden sein, wobei entsprechende Signale ebenfalls – alternativ oder zusätzlich zu einem Klopfsensorsignal oder einem Brennraumdrucksignal – zur Gewinnung der für eine Regelung und/oder eine adaptive Steuerung des Schließzeitpunkts relevanten Merkmale herangezogen werden können.
Eine Öltemperaturerfassung kann auch – alternativ oder zusätzlich zum hier angezeigten Ort – für die Öltemperatur am hochdruckseitigen Eingang oder in den Kammern einzelner Steller 200 vorgesehen werden. Des weiteren kann zusätzliche Sensorik beispielsweise für die Temperatur von Strukturmaterialien (zum Beispiel Zylinderkopf, Steller oder Magnetventilgehäuse) oder für die Spulentemperatur von Magnetventilen und/oder für die Ölviskosität vorhanden sein.
Anhand des beispielhaft beschriebenen Ventilstellsystems wird als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Regelung des Schließwinkels des Ventils 250 mit unterlagerter Vorsteuerung dargestellt. Zusätzlich wird eine Adaption dieser Vorsteuerung vorgesehen, um beispielhaft darzustellen, wie eine solche Adaption (optional) mit einer erfindungsgemäßen Regelung zusammenspielen kann.
Bei der Steuerung des Schließwinkels eines elektrohydraulisch betätigten Gaswechselventils wird für eine geeignete Steuergröße, hier für den tatsächlichen Schließzeitpunkt tse beziehungsweise dessen zugehörigen Kurbelwinkel (Schließwinkel) wse (siehe 2) ein gewünschter Wert oder Sollwert (tse_soll, wse_soll) bestmöglich eingestellt, wobei dieser Sollwert zum Beispiel in Abhängigkeit der vom Fahrer gewünschten Leistung und der aktuellen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben wird.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass die Beschreibung der Erfindung sich zum Teil auf Zeitpunkte als auch auf Winkelstellungen, beispielsweise Schließzeitpunkt und Schließwinkel, bezieht. Es handelt sich hierbei jedoch prinzipiell um die gleichen Größen, die je nach Betrachtungsweise in verschiedenen Bezugssystemen dargestellt sind. So kann beispielsweise das Schließen eines Gaswechselventils in der Zeit betrachtet werden und stellt somit einen Schließ zeitpunkt dar, oder es wird Bezug auf die Winkelstellung der Kurbelwelle genommen, und das Schließen finden bei einem Schließwinkel statt. Durch eine einfache Beziehung über die Motordrehzahl lassen sich beide Größen, beziehungsweise relative Angaben oder Differenzen dieser Größen, jeweils in das andere Bezugsystem umrechnen.
Die für den Stellvorgang beziehungsweise den zu stellenden Schließwinkel wse_soll benötigte Ansteuergröße wem2 (Kurbelwinkel Ende MV2-Ansteuerung) ergibt sich daraus mindestens in guter Annäherung durch eine Berechnung, die als zusätzliche Information die aktuellen Werte maßgeblicher Einflussgrößen wie beispielsweise den Druck und die Temperatur des Öls (zum Beispiel als Messwerte p_rail und T_rail entsprechender Geber, die am Hochdruckrail verbaut sind), den Verstelldruck pvb der hydraulischen Verstelleinrichtung einer variablen Ventilbremse, einen Brennraumdruck pbr, eine Motordrehzahl nmot und/oder weitere respektive andere Größen einbezieht.
In einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, die als Blockschaltbild in 5 dargestellt ist, wird diese Aufgabe von einem Vorsteuerungsmodul 620 wahrgenommen, das die solchermaßen bestimmte Ansteuergröße als Ergebniswert wem2_steu bereitstellt. Das Modul wird beispielhaft wie in der parallelen Anmeldung (R. 311982) ausgeführt. Die dort mit wem2 bezeichnete Ausgabegröße tritt hier als Vorsteuergröße wem2_steu auf und wird – im Unterschied zu der aus der parallelen Anmeldung bekannten reinen Steuerung – im vorliegenden Fall durch den nachgeschalteten erfindungsgemäßen Regler korrigiert.
Das dazu vorhandene weitere Modul ist in 5 als Reglungsmodul 640 bezeichnet. Neben der Vorsteuergröße wem2_steu verarbeitet dieses Reglungsmodul 640 in einer beispielhaften Ausführung den Sollwert wse_soll_1 und den auf Basis einer entsprechenden Messgröße bestimmten Istwert wse_mess_1 eines zurückliegenden Stellvorgangs des betreffenden Ventils 250 sowie gegebenenfalls weitere Information zu Stellvorgängen dieses Ventils respektive zum aktuellen Systemzustand. Entsprechende weitere Eingangsgrößen des Moduls 640 sind in 5 nicht explizit angezeigt, sondern summarisch durch den Eingang E_x repräsentiert. Bei den anderen Modulen in 5 gilt dies analog.
In der gezeigten Ausführung stellt das Reglungsmodul 640 neben der Stellgröße wem2, die von einer nachgeschalteten Einheit zur Signalgenerierung (nicht gezeigt) in die elektrische An steuerung des betreffenden Steuerventils MV2 umgesetzt wird, eine weitere Ausgabegröße fehler_wse_steu zur Verfügung, die an das Adaptionsmodul 630 übergeben wird.
Diese Größe gibt einen Fehler der Vorsteuerung an, das heißt einen Stellfehler des Schließwinkels wse, der ohne Eingriff des Regelmoduls 640 vorliegen würde. Dabei kann es sich, je nach gewünschter Ausführung des Adaptionsmoduls 630, um den für einen einzelnen Stellvorgang ermittelten Fehler, oder um einen über mehrere oder viele Stellvorgänge hinweg gemittelten Fehler handeln.
Besonders vorteilhaft sind zwei Ausgestaltungen, die nachfolgend beispielhaft und in größerem Detail ausgeführt werden.

Fall 1: Der Fehler fehler_wse_steu der Vorsteuerung beziehungsweise des Vorsteuerungsmoduls 620 wird für einen zurückliegenden, beispielsweise den letzten, Stellvorgang ermittelt. Dann gilt: fehler_wse_steu = wse_mess_1 – wse_soll_1 – delta_wem2_1 (2)wobei delta_wem2_1 der Regeleingriff des Regelmoduls 640 für diesen zurückliegenden Stellvorgang ist. Mit den Werten wem2_steu_1 für den Vorsteuerwert und wem2_1 für den Ausgabewert des Regelmoduls 640 bei diesem zurückliegenden Stellvorgang gilt dann delta_wem2_1 = wem2_1 – wem2_steu_1 (3)
Fall 2: Der Fehler fehler_wse_steu wird in stationären Betriebsphasen, das heißt bei näherungsweise gleich bleibenden Betriebsparametern wie pöl, Töl und h_soll, als mittlerer Fehler der Vorsteuerung bestimmt. Dieser mittlere Fehler lässt sich auf besonders einfache Weise bestimmen, wenn der Regler nach Eintritt in eine solche stationäre Betriebsphase eingeschwungen ist, das heißt wenn der gegebenenfalls tiefpassgefilterte Regeleingriff delta_wem2 sich einem stationären Wert delta_wem2_stat annähert und dabei die Abweichung zwischen wse_mess_1 und wse_soll_1 im Mittel praktisch verschwindet. Dann gilt: fehler_wse_steu = –delta_wem2_stat (4)

Die vom Regelmodul 640 gewonnene Information zu den Stellfehlern des Vorsteuerungsmoduls 620 wird erfindungsgemäß an das Adaptionsmodul 630 übergeben und dort unmittelbar zur Verbesserung der Vorsteuerung im Rahmen einer Adaption, das heißt einer Anpassung von Parametern der Vorsteuerung, verwendet.
Dabei erfolgt die Übergabe und Verarbeitung der Information fehler_wse_steu an das Adaptionsmodul im oben genannten Fall 1 schnell (im Zeittakt der Regelung) oder im alternativen Fall 2 langsam beziehungsweise unregelmäßig (gebunden an das Auftreten quasistationärer Betriebsbedingungen).
Das Adaptionsmodul 630 kann im wesentlichen wie in den parallelen Anmeldungen (R. 311983, R. 311984) beschrieben ausgeführt werden. Das heißt, auf der Basis der erfassten Stellfehler des Schließwinkels, genauer gesagt des Anteils der Vorsteuerung an diesen Stellfehlern, sowie der dabei geltenden Betriebsbedingungen, werden Änderungen von Adaptionswerten in der Vorsteuerung bestimmt und durchgeführt, mit denen die Genauigkeit der Vorsteuerung erhöht beziehungsweise eine Verschlechterung dieser Genauigkeit verhindert wird. Zu den Betriebsbedingungen zählen die Drehzahl nmot und der Hub h, für den entweder ein für die vom Adaptionsmodul 630 ausgewerteten Stellvorgänge gültiger Istwert h_ist_1 gemessen oder aus anderer Information bestimmt, oder aber der entsprechende Sollwert h_soll_1 verwendet wird, sofern die Genauigkeit der Hubsteuerung genügend hoch ist. Im weiteren zählen auch Öldruck pöl und Temperatur Töl sowie gegebenenfalls bei den betrachteten Stellvorgängen aufgetretene Gaskräfte zu den Betriebsbedingungen, die bei den Berechnungen des Adaptionsmoduls 630 zu berücksichtigen sind.
Mit den erfindungsgemäßen Lösungen gemäß 5 ist eine Adaption der Vorsteuerung während des regulären Stellerbetriebs vorgesehen beziehungsweise zugelassen. Im Fall 2 (s. o.) ist dabei die Erfassung relevanter Stellfehler auf Stationärphasen beschränkt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Adaption auf Basis spezieller "Messzyklen" erfolgen, die zum Beispiel im motorischen Schubbetrieb durchgeführt werden können.
Unabhängig davon, wann Information über Stellfehler an das Adaptionsmodul 630 übergeben beziehungsweise von diesem gesammelt wird, soll eine durch die Adaption bewirkte Anpassung von Adaptionsgrößen in der Vorsteuerung entweder so allmählich erfolgen, dass die Güte der Regelung und damit die Stellgenauigkeit des Schließwinkels nicht beeinträchtigt wird, oder in einer mit der Regelung koordinierten Weise durchgeführt werden, indem bei einer momentanen deutlichen Verstellung von Adaptionsgrößen gleichzeitig und korrespondierend eine Verstellung des Regelmoduls 640 – zum Beispiel als Anpassung des Integratorwerts bei einem PI-Regler (siehe unten) – so vorgenommen wird, dass kein durch die Verstellung der Adaptionsgrößen bedingter "Ausflug" des Regel- beziehungsweise Stellfehlers des Schließwinkels auftritt.
Für die Erfassung respektive Bestimmung der Istwerte wse_mess_1 wird beispielhaft davon ausgegangen, dass mindestens ein Brennraumdrucksensor 80 zur Erfassung des Brennraumdrucks in einem Zylinder und/oder ein Klopfsensor 70 zur Erfassung der Körperschalls eines oder mehrerer Zylinder vorhanden ist, deren Signale von dem elektronischen Steuergerät 100 ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Signal eines Positions- beziehungsweise Wegsensors des entsprechenden Ventils 250 hinsichtlich der Merkmale des Schließvorgangs, und insbesondere hinsichtlich des Schließwinkels, ausgewertet werden.
3 und 4 zeigen beispielhaft die Signalverarbeitung zur Gewinnung der für die Regelung benötigten Information. Zunächst wird das Ausgangssignal des jeweiligen Sensors 70, 80 in einer analogen Anpassungsschaltung 105, 106 konditioniert. Eine nachgeschaltete, vorzugsweise digitale Signalverarbeitungseinheit 115, 116 gewinnt die Merkmale Auftreffzeitpunkt tse_mess beziehungsweise wse_mess und gegebenenfalls Auftreffimpuls beziehungsweise Geschwindigkeit vse_mess sowie gegebenenfalls weitere Information, beispielsweise eine Schallintensität, x_mess durch eine entsprechende Signalanalyse im Zeit und/oder Frequenzbereich.
In einer besonders vorteilhaften Lösung wird diese Analyse und Merkmalsextraktion zusätzlich zu einer Auswertung des Signals hinsichtlich weiterer Merkmale wie zum Beispiel dem Verbrennungsklopfen (bei Klopfsensor und/oder Brennraumdrucksensor) und/oder der Lage und Breite der Energieumsetzung durch Verbrennung und dem damit einhergehenden Druckanstieg (beim Brennraumdrucksensor) durchgeführt.
Dabei ist es vorteilhaft, für die Erfassung des Schließens einzelner Ventile 250, oder auch des von der Steuerung her gegebenenfalls gewollten gleichzeitigen Schließens mehrerer Ventile (zum Beispiel Zwillingsventile) 250 ein jeweils passendes Auswerte-Zeitfenster zu erzeugen, beispielsweise in der Form eines Digitalpulses, der in die in 3 respektive 4 gezeigte Auswerteschaltung eingespeist wird. Lage und Dauer eines solchen "Schließfensters" werden dabei in Relation zum entsprechenden Ansteuersignal eines hydraulischen Stellers 250, konkret in Relation zum Ansteuerende wem2 des zugehörigen Steuerventils MV2 festgelegt. Überlagerungen verschiedener Vorgänge – zum Beispiel mehrerer Schließfenster – führen gegebenenfalls zur Unterdrückung entsprechender Auswertungen, falls eine Separierung der Merkmale mittels Signalanalyse nicht möglich oder zu aufwändig ist. Das Reglungsmodul 640 kann und soll in der Lage sein, auch bei nicht für die Zwecke der Regelung auswertbaren Stellvorgängen regulär weiter zu arbeiten, beispielsweise im einfachsten Fall mit einer während einer entsprechenden Situation gleichbleibenden Stellgrößenkorrektur delta_wem2.
Die weitere Verarbeitung der Information über die tatsächlichen Schließzeitpunkte eines Ventils 250 durch das Reglungsmodul 640 ist in 6 als Blockdiagramm dargestellt, das beispielhaft die programmtechnische Realisierung eines einfachen Regelungsalgorithmus (PI-Regler) repräsentiert. Dabei wird direkt eingangs des Reglungsmoduls 640 der Stellfehler delta_wse_1 entsprechend Gleichung (1) gebildet und über ein Integratorglied 400 aufintegriert. Die nachgeschaltete Multiplikation mit einem vorzugsweise kalibrierbaren Verstärkungsfaktor Ki ergibt den "I-Anteil" der Reglerkorrektur. Ein "P-Anteil" wird als Produkt des Stellfehlers delta_wse_1 und einem weiteren vorzugsweise kalibrierbaren Verstärkungsfaktor Kp gebildet.
Die Addition von I-Anteil und P-Anteil liefert den Korrekturwert (Reglereingriff) delta_wem2, der zur Vorsteuergröße wem2_steu addiert wird. Das Ergebnis ist die Ansteuergröße wem2, die zur Generierung des Ansteuersignals für das Steuerventil MV2 des betreffenden Stellers beim anstehenden Stellvorgang dient.
Zusätzlich wird der Wert delta_wem2 in einer Speicherzelle delta_wem2_1 abgespeichert, nachdem der vorher darin enthaltene Wert, das heißt die zu den aktuellen Eingangswerten zugehörige Reglerkorrektur des zurückliegenden Stellvorgangs, dazu verwendet wurde, den gemäß Gleichung (2) gebildeten Stellfehler fehler_wse_steu der Vorsteuerung zu bestimmen, der an der Ausgabeschnittstelle zum Adaptionsmodul 630 übergeben wird. Die genannte Reihenfolge des Auslesens und Neubeschreibens der Speicherzelle delta_wem2_1 ist in dem in 6 dargestellten Blockschaltbild durch Nummern 1 und 2 gekennzeichnet.
In der in 6 beispielhaft ausgeführten Form wird somit – bezüglich der Schnittstelle zum Adaptionsmodul 630 – der oben skizzierte Fall 1 realisiert, bei dem ein Stellfehler feh ler_wse_steu der Vorsteuerung jeweils für einzelne Stellvorgänge bestimmt und an das Adaptionsmodul 630 weitergegeben wird.
Trotz der in diesem Beispiel sehr schnellen Bestimmung und Weitergabe von Stellfehlern der Vorsteuerung ist, wie oben bereits gesagt, vorgesehen, dass die eigentliche Adaption, das heißt die Anpassung von Adaptionswerten der Vorsteuerung, nur langsam durchgeführt beziehungsweise wirksam werden soll. Der schnelle Ausgleich der Stellfehler soll in diesem Falle dem Regler überlassen bleiben. Die gemäß 6 unterlagerte Adaption einer Vorsteuerung soll langsam genug erfolgen, um die Güte der Regelung und damit die Stellgenauigkeit des Schließwinkels nicht zu beeinträchtigen.
In einer weiteren Variante des Reglungsmoduls, die in 7 gezeigt ist, wird beispielhaft auch der Fall 2 eines nur in stationären Betriebsphasen bestimmten, mittleren Fehlers fehler_wse_steu der Vorsteuerung ausgeführt.
Darin wird gegenüber der Ausführung von 6 die Regelabweichung wse_soll_1 – wse_mess_1 zusätzlich über ein Tiefpassglied 550 geführt, das bei Anliegen einer Stationärbedingung B_stationär = TRUE aktiviert ist. Wird durch eine Bedingungsprüfung 510 eine „FALSE"-Bedingung erkannt, erfolgt ein „Reset" des Tiefpassglieds 550. Das Signal B_stationär wird hier beispielhaft von einem nicht gezeigten externen Bedingungsprüfungsmodul geliefert, dass das Vorliegen eines stationären Betriebsfalls (das heißt der Öldruck sowie die relevanten Sollgrößen des betreffenden Ventils, insbesondere der Ventilhub, bleiben näherungsweise konstant) prüft und erkennt.
Dem Tiefpassglied 550 ist eine Absolutbetragsbildung nachgeschaltet. Wenn der so gebildete Betrag der tiefpassgefilterten Regelabweichung kleiner ist als eine geeignet gewählte Fehlerschranke "eps", wird dadurch ein Datenpfad-Schalter 560 betätigt, der eine aus dem I-Anteil und dem tiefpassgefilterten P-Anteil gebildete gemittelte Korrekturgröße delta_wem2 gemäß Gleichung (4) als Ausgangsgröße fehler_wse_steu ausgibt. Alternativ könnte an dieser Stelle auch allein der I-Anteil verwendet werden. Die so bestimmte Größe fehler_wse_steu stellt einen aufgrund der stationären Bedingungen und der Mittelung qualitativ sehr guten Schätzwert des Stellfehlers der Vorsteuerung am betreffenden Betriebspunkt dar. Sie kann wie bereits angegeben in der Adaption der Vorsteuerung verwendet werden.
Anstelle eines linearen PI-Reglers können andere, auch nichtlineare (betriebspunktabhängige) und/oder adaptive Regelalgorithmen zur Regelung des Schließzeitpunkts verwendet werden.
Die Verwendung der Regelung kann auch auf bestimmte Betriebsphasen beschränkt, das heißt der Regler bei Vorliegen bestimmter Ausschlussbedingungen abgeschaltet werden.
Die Bildung des Stellfehlers der Vorsteuerung sowie der Mechanismus der Übergabe dieser Information an ein Funktionsmodul zur Adaption der Vorsteuerung kann ebenfalls auf andere Weise realisiert werden als in den beispielhaften Ausführungen gezeigt. Dieser Teil sowie die Adaption können auch ganz fehlen.
Die erfindungsgemäße Regelungsfunktion oder Teile daraus können sowohl als Rechnerprogramm als auch in digitaler Hardware ausgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Regelung eines hydraulisch betätigten Ventils (250), insbesondere eines Ventils (250) mit variablem Ventilhub, in einem Ventilstellsystem, bei dem mit einem Schließbeginn (wem2, tem2) ein Schließvorgang eingeleitet wird, wobei das Ventil (250) nach einer Schließdauer (tsd) zu einem Schließzeitpunkt (wse, tse) schließt, dadurch gekennzeichnet, dass ein tatsächlicher Wert oder Istwert (wse_mess, tse_mess) des Schließzeitpunkts bestimmt, insbesondere gemessen wird, dass ein Stellfehler des Schließvorgangs als Abweichung des Ist-Schließzeitpunkts (wse_mess, tse_mess) von einem geforderten Wert oder Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) ermittelt wird, und dass ein Regler auf der Basis dieses Stellfehlers und gegebenenfalls weiterer zurückliegender Stellfehler den Schließbeginn (wem2, tem2) eines oder mehrerer folgender Schließvorgänge so bestimmt, dass entsprechende Stellfehler der folgenden Schließvorgänge gering gehalten beziehungsweise minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsteuerwert (wem2_steu, tem2_steu) für den Schließbeginn (wem2, tem2) ermittelt wird, und dass der Schließbeginn (wem2, tem2) unter Verwendung des Vorsteuerwerts und einer Korrekturgröße ermittelt wird, die ein Regler auf der Basis mindestens eines Stellfehlers bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsteuerwert (wem2_steu, tem2_steu) in Abhängigkeit mindestens einer Betriebsgröße des Ventilstellsystems ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsteuerwert (wem2_steu) auf Basis einer Schließdauer (tsd) ermittelt wird, die mindestens in Abhän gigkeit einer Betriebsgröße des Ventilstellsystems und/oder einer Stellgröße des Ventils (250), insbesondere einem Ventilhub (h) bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt eines Ventils (250) auf der Basis eines oder mehrerer zurückliegender Stellfehler desselben Ventils (250) geregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt eines Ventils (250) auf der Basis mindestens eines Stellfehlers eines anderen Ventils (250) desselben Ventilstellsystems geregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Winkels des Schließbeginns (wem2) eine mittlere Winkelgeschwindigkeit (nmot) einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, während des betreffenden Schließvorgangs, die ermittelte Schließdauer (tsd) und der Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Zeitpunkt der Berechnung des Schließbeginns (wem2) vorhandener oder aktuell bestimmter Wert der Wellendrehzahl (nmot_1) verwendet wird, um die mittlere Winkelgeschwindigkeit während des Schließvorgangs (nmot) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Wert der Wellendrehzahl (nmot_1) aus dem Signal eines Drehzahl- oder Winkelsensors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung des Schließbeginns (wem2, tem2) eine mittlere Winkelbeschleunigung als ein Maß für die Veränderung der Wellendrehzahl in einem Intervall zwischen Berechnung und Ausführung des Schließbeginns (wem2, tem2) bestimmt wird, und zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit (nmot) während des Schließbeginns (wem2, tem2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Winkelbeschleunigung aus dem zeitlichen Verlauf des Signals eines Drehzahl- oder Winkelsensors und/oder mittels eines physikalischen Modells und/oder mittels eines regelungstechnischen Beobachters gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Schließdauer (tsd) vor der Berechnung des Schließbeginns (wem2, tem2) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließbeginn (wem2, tem2) durch Ansteuerung eines Steuerventils (MV2) mit mindestens einem elektrischen Ansteuersignal eingeleitet wird, und dass ein charakteristischer Wert, der den zeitlichen Verlauf des mindestens einen elektrischen Ansteuersignals bestimmt, fortlaufend mindestens bis zum Zeitpunkt der Einleitung des Schließbeginns aktualisiert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Schließdauer (tsd) mindestens einer der folgenden Betriebsparameter berücksichtigt wird: – Öldruck (pöl) im Ventilsystem, – Öltemperatur (Töl) im Ventilsystem, – effektiver Durchflussquerschnitt (avb) einer Ventilbremsdrossel (145), – mittlere auf das Ventil (250) in mindestens einem Teilbereich des Schließvorgangs wirkende Gaskraft (fgas).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter (pöl, Töl, fgas, avb) durch charakteristische Einzelwerte oder Effektivwerte einer zugehörigen physikalischen Größe dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulischer Betriebsparameter (pöl) als ein effektiver, die Schließdauer (tsd) eines Stellers (200) bestimmender Öldruck definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulischer Betriebsparameter (Töl) die Temperatur des beim Schließen aus einem Steller (200) verdrängten Öls mindestens mittelbar charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Wert einer Stoffgröße, insbesondere der Viskosität, eines zum Betrieb des Stellers (200) verwendeten Hydrauliköls bestimmt und als hydraulischer Betriebsparameter verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die hydraulischen Betriebsparameter (pöl, Töl) direkt gemessen werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die hydraulischen Betriebsparameter (pöl, Töl) aus einem oder mehreren gemessenen Werten (p_rail, T_rail) abgeschätzt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschätzung des oder der hydraulischen Betriebsparameter (pöl, Töl) aus gemessenen Werten (p_rail, T_rail) weitere Parameter (E_x) berücksichtigt werden, insbesondere eine aktuelle Motordrehzahl (nmot) und/oder ein für einen Stellvorgang eines Stellers (200) charakteristischer Parameter, insbesondere ein Sollhub (h_soll).
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Druckverlust (Strömungsverlust) entlang einer Leitung zu einem Steller (200) und/oder in einem Teil eines Hochdruckspeichers (50) in Abhängigkeit eines mittleren Entnahmevolumenstroms bestimmt und bei der Berechnung eines effektiven Öldrucks (pöl) berücksichtigt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein örtlich-zeitlicher Verlauf einer Druckwelle beziehungsweise Längsschwingung in einem Hochdruckspeicher (50) bestimmt und bei der Berechnung eines effektiven Öldrucks (pöl) berücksichtigt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einfluss gleichzeitiger oder überlappender Stellvorgänge von an einem gemeinsamen Hochdruckspeicher (50) angeschlossenen Stellern (200) bestimmt und bei der Berechnung eines effektiven Öldrucks (pöl) berücksichtigt wird (Überlagerungskorrektur).
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Größe bestimmt und in der Berechnung eines Schließdauer (tsd) verwendet wird, welche eine auf ein Ventil (250) während mindestens einer Phase des Schließvorgangs wirkende Gaskraft (fgas) zumindest mittelbar beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraftparameter (fgas) direkt gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskraftparameter (fgas) unter Verwendung eines aktuell bestimmten Werts beziehungsweise Sollwerts mindestens einer Zustandsgröße oder Stellgröße (pbr, wse, psaug, pabg, nmot) abgeschätzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließdauer (tsd) durch Modellierung einer Schließdauer-Transferfunktion (tsd(h)) in Abhängigkeit eines Ventilhubs(h) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließdauer-Transferfunktion (tsd(h)) stückweise anhand charakteristischer Ventilhubbereiche ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der möglichen Ventilhübe(h) in die folgenden drei charakteristischen Bereiche aufgeteilt wird: – einen ersten Bereich für Ventilhübe (h), die kleiner sind als eine erste Hubschwelle (hd0), beim der die Ventilbremse einsetzt, – einen zweiten Bereich für Ventilhübe (h), die größer sind als die erste Hubschwelle (hd0), bei der die Ventilbremse einsetzt, und kleiner sind als eine zweite Hubschwelle (hd1), die so bestimmt ist, dass für Hübe größer als diese zweite Schwelle (hd1) ein Schließvorgang mindestens näherungsweise in eine stationäre Schließbewegung übergeht, bevor die Bremswirkung einer Ventilbremse (140, 145) einsetzt, – und einen dritten Bereich für Ventilhübe (h), die größer sind als die zweite Hubschwelle (hd1).
Vorrichtung zur Regelung mindestens eines hydraulisch betätigten Ventils (250), insbesondere eines Ventils mit variablem Ventilhub, in einem Ventilstellsystem, mit einer Ansteuerungsvorrichtung, die zu einem Schließbeginn (wem2, tem2) einen Schließvorgang des Ventils (250) einleitet, wobei hiernach das Ventil zu einen Schließzeitpunkt (tse, wse) schließt, wobei ein Erfassungsmittel einen Ist-Schließzeitpunkt (wse_mess, tse_mess) des Gaswechselventils erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelungsmodul (640) in Abhängigkeit der Abweichung des Ist-Schließzeitpunkts (wse_mess) vom Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) den Schließbeginn (wem2, tem2) eines oder mehrerer folgender Stellvorgänge so einstellt, dass der Ist-Schließzeitpunkt auf den Soll-Schließzeitpunkt eingeregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsteuerungsmodul (620) ausgehend von einem Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) und mindestens in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Ventilstellsystems ein Vorsteuerwert (wem2_steu) für den Schließbeginn (wem2, tem2) ermittelt, und dass das Regelungsmodul (640) in Abhängigkeit der Abweichung des Ist-Schließzeitpunkts (wse_mess) vom Soll-Schließzeitpunkt (wse_soll, tse_soll) den Schließbeginn (wem2, tem2) unter Verwendung des Vorsteuerwerts (wse_mess) regelt.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 30 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 30, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.