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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Schaltzeit eines vorzugsweise elektrohydraulischen Schaltventils. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Schaltventil, welches durch ein entsprechendes Verfahren zur Regelung der Schaltzeit steuerbar ist.
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Um die Emissionserzeugung und den Kraftstoffverbrauch in Verbrennungskraftmaschinen zu senken, kommen variable Ventile zum Einsatz. Insbesondere Schaltventile sind als Stellglied für gewünschte Ventilhubkurven im Zylinderkopf von zentraler Bedeutung. Schaltventile werden individuell angesteuert, insbesondere unter Nutzung von Steuerungssoftware in Kombination mit entsprechenden Endstufen. Hierbei müssen mehrere Einflussfaktoren beachtet werden, um den richtigen Betätigungszeitpunkt der Schaltventile zu definieren. Ein Haupteinflussfaktor ist die Motoröltemperatur. Insbesondere bei einem Kaltstart und der darauf folgenden inneren Systemerwärmung ist es vorteilhaft, die Ölviskosität zu verfolgen. Unter anderem die Öltemperatur bestimmt die Präzision der Schaltgenauigkeit und die Schaltgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils. Ein wichtiges Bauteil zur Realisierung einer die Temperatur berücksichtigenden Steuerung ist in diesem Zusammenhang ein Temperatursensor, welcher die Öltemperatur möglichst in Echtzeit misst und diese an das Steuergerät zur Bestimmung der Ölviskosität liefert. Hierfür ist die am Motor vorhandene Temperaturmessung von Kühlwasser und Motoröl nicht schnell genug. Für die Steuerung jedes Schaltventils werden anhand der Stromkurve bei jedem Schaltvorgang und für jeden Zylinder die Ein- und Ausschaltzeiten einzeln überwacht und anhand von Kennfeldern in der Motorsteuerung, abhängig vom Betriebszustand, nachgeregelt.
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Aus der
DE 10 2012 213 399 A1 ist ein Verfahren zur Regelung des Schaltvorganges eines elektromagnetisch betätigten Schaltventils beschrieben. Die Regelung des Ankers erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur des Schaltventils und/oder der Magnetspule.
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In der
EP 2 116 709 A1 ist ein Verfahren zur Anzeige einer Temperaturänderung in einer Magnetspule erläutert, wobei ein Takt des Versorgungsstroms der Magnetspule betrachtet wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein verbessertes Verfahren zur Regelung eines Schaltventils zur Verfügung zu stellen. Weiterhin soll ein Schaltventil, welches mit einem solchen Verfahren regelbar ist, bereitgestellt werden. Insbesondere soll mithilfe des Verfahrens die modelltechnische Bereitstellung einer exakten Temperatur (mit annähernd Sensorgenauigkeit) eines Solenoid Schaltventils ermöglicht werden, zum Zweck einer Vorausberechnung der nominalen Schaltzeit.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der genannten Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung eines Schaltventils gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Schaltventil gemäß dem nebengeordneten Anspruch 3.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Schaltventils ist insbesondere für Schaltventile vorgesehen, welche in einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Derartige Schaltventile dienen dem Steuern von Prozessen in Verbrennungskraftmaschinen. Das Verfahren umfasst nachfolgend beschriebene Schritte: Zunächst wird ein Wärmewert ermittelt. Der Wärmewert repräsentiert eine Wärmemenge, die an mindestens einer Wärmequelle, bevorzugt an mehreren Wärmequellen, anfällt. Somit ist der Wärmewert aus mehreren Wärmemengen zusammengesetzt. Zwischen der Wärmequelle und dem Schaltventil besteht eine Wärmeübertragungsstrecke, über die Wärme an das Schaltventil übertragen wird bzw. an der Wärme an das Schaltventil übergeht. Die Wärmeübertragungstrecke kann beispielsweise eine Materialverbindung sein, welche einen niedrigen Wärmeübertragungswiderstand hat. Die Wärmequelle ist aus einer Gruppe von Wärmequellen ausgewählt, wobei mögliche Wärmequellen sind: eine Verlustwärme erzeugende elektrische Spule des Schaltventils, ein Reibungswärme erzeugendes Bauteil des Schaltventils, eine Kompressionswärme erzeugende Hochdruckkammer und/oder eine Umgebungswärme liefernde Umgebung des Schaltventils. Das Reibungswärme erzeugende Bauteil ist insbesondere ein Anker des Schaltventils.
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In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine Eingangsgröße gebildet. Die Eingangsgröße repräsentiert die an der Wärmequellenseite der Wärmeübergangsstrecke eingespeiste Gesamtwärmemenge. In bestimmten Ausgestaltungen kann es sich auch um eine negative Wärmemenge handeln, wenn eine Wärmequelle als Wärmesenke ausgebildet ist, beispielsweise wenn die an einem Kühlelement abgegebene Wärme mit berücksichtigt werden soll. Die Eingangsgröße entspricht somit dem ermittelten Wärmewert, der sich aus den Wärmemengen der einzelnen Wärmequellen zusammensetzt.
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In einem weiteren Schritt wird ein Systemmodell bereitgestellt. Dem Systemmodell wird die Eingangsgröße zugeführt. Das Systemmodell gibt eine Ausgangsgröße aus, wobei die Ausgangsgröße die modellierte, d.h. prognostizierte Temperatur des Schaltventils darstellt. Das Systemmodell bildet den Wärmeübergang auf der Wärmeübertragungsstrecke zwischen der jeweiligen Wärmequelle und dem Schaltventil sowie die daraus resultierende Temperatur bzw. deren Änderung am Schaltventil ab. Weiterhin wird in einem Verfahrensschritt die Ausgangsgröße mithilfe des Systemmodells bestimmt. Die Ausgangsgröße gibt die erwartete Temperatur am Schaltventil aufgrund der ermittelten Wärmewerte wieder. Als letzter Verfahrensschritt wird die Schaltzeit des Schaltventils unter Berücksichtigung der erwarteten Temperatur am Schaltventil geregelt.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch ein Systemmodell, beispielsweise realisiert in Form einer Software-Modell, die Temperatur eines elektrohydraulischen Schaltventils aus verschiedenen Umgebungs- und Betriebsgrößen berechnet werden kann. Durch ein geeignet bestimmtes Temperatur-Systemmodell ist es möglich, eine präzise Schaltgenauigkeit ohne Verwendung eines zusätzlichen Temperatursensors zu erreichen. Außerdem kann die erwartete Temperatur deutlich dynamischer berechnet werden, als es die Trägheit einer Temperaturmessung direkt am Schaltventil gestatten würde.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es somit insbesondere ermöglicht, die Temperatur des Schaltventils in dessen Regelung einzubeziehen, ohne dass die tatsächliche Öltemperatur exakt am Schaltventil gemessen wird. Die Temperatur kann automatisch vorherbestimmt werden, ohne dass ein Temperatursensor diese direkt am Schaltventil ermittelt.
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Bevorzugt wird die Ausgangsgröße als eine Spulentemperatur des Schaltventils und eine Fluidtemperatur eines Fluids abgebildet. Die Fluidtemperatur spiegelt die Temperatur des Fluids, welches im Schaltventil befindlich ist, ab. Insbesondere ist das Fluid Motoröl, welches den Anker umgibt. Somit wird zum Bestimmen der Fluidtemperatur, insbesondere der Öltemperatur, kein Temperatursensor benötigt. Hierdurch werden Kosten und Bauraum eingespart.
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Die vom Modell zu berücksichtigenden Wärmemengen der Wärmequellen sind entweder bekannt, durch bekannte physikalische Zusammenhänge abschätzbar und damit über mathematische Formeln abzubilden, oder werden mittelbar oder unmittelbar als physikalische Größen erfasst. Beispielsweise kann der Spulenstrom des Schaltventils gemessen werden, um daraus die auftretende Verlustwärme zu bestimmen oder die Umgebungstemperatur wird von einem einfachen Sensor gemessen. Auf Basis der so bestimmten Wärmewerte kann im Systemmodell eine Berechnung der Ausgangsgröße entsprechend der Gesamtwärmemenge erfolgen.
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Die Parameter im Systemmodell sind anpassbar, wodurch das Verfahren zur Regelung der Schaltzeit in verschiedenen Ventil-Systemen einsetzbar ist. In einer Ausführungsform ist das Verfahren für ein elektrohydraulisches Schaltventil vorgesehen, welches beispielsweise in dem sogenannten UniAir-System zum Einsatz kommt. In einer alternativen Ausführungsform ist das Verfahren für ein elektromagnetisches Schaltventil vorgesehen.
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Bevorzugt ist das Schaltventil als ein elektrohydraulisches Schaltventil mit offener Ruhelage ausgebildet. Ist das Schaltventil nicht bestromt, also die Spule nicht elektrische betätigt, ist das Schaltventil offen und das Fluid kann strömen. Bevorzugt strömt das Motoröl in eine mit dem Schaltventil verbundene Hochdruckkammer oder aus dieser heraus. Bei bestromter Spule, und demnach geschlossenem Schaltventil, kann in der Hochdruckkammer ein Öldruck erzeugt werden. Im geschlossenen Schaltventilzustand gibt es keine Fluidströmung. Mittels des Schaltventils wird ein definiertes Ölvolumen in der Hochdruckkammer variabel geregelt. Durch das geregelte Ölvolumen ist eine Ventilhubkurve der Zylinder bzw. Einlassventile variabel einstellbar.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst ein Schaltventil und eine Regelung zum Regeln des Schaltventils, wobei die Regelung gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren und dessen Ausführungsformen arbeitet.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Systemmodells eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln der Schaltzeit eines Schaltventils;
- 2 eine stark vereinfachte Schnittansicht des Schaltventils.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systemmodells eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln der Schaltzeit eines Schaltventils. Dem Systemmodell 01 wird eine Eingangsgröße U eingespeist, während eine Ausgangsgröße Y abgegeben wird. Die Eingangsgröße U repräsentiert die eingespeiste Gesamtwärmemenge, wobei die Gesamtwärmemenge aus einer oder mehreren ermittelten Wärmemengen von Wärmequellen gebildet ist. Das Systemmodell 01 ist durch den Fachmann in bekannter Weise zu gestalten, so dass die Ausgangsgröße Y eine modellierte Temperatur des Schaltventils repräsentiert. Das Systemmodell 01 bildet eine Wärmeübertragungsstrecke der zwischen der jeweiligen Wärmequelle und dem Schaltventil und der daraus resultierenden Temperaturänderung ab. Das Schaltventil wird nachfolgend unter Berücksichtigung Ausgangsgröße, d.h. der erwarteten Temperatur am Schaltventil geregelt.
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2 zeigt ein Schaltventil 06 in stark vereinfachter Schnittdarstellung. Das Schaltventil 06 umfasst einen Anker 07 und eine elektrische Spule 08. Der Anker 07 und die elektrische Spule 08 weisen eine gemeinsame Achse auf. Weiterhin umfasst das Schaltventil 06 einen zwischen dem Anker 07 und der elektrischen Spule 08 angeordneten Magnetkern 09. Der aus Eisen bestehende Magnetkern 09 ist unmittelbar an der elektrischen Spule 08 angeordnet. Zwischen der elektrischen Spule 08, dem Magnetkern 09 und dem Anker 07 ist ein Fluid 11 eingebracht. Das Fluid 11 ist bevorzugt Öl, besonders bevorzugt Motoröl. Als Wärmequellen, die im Systemmodell berücksichtigt werden können, sind beispielsweise anzusehen:
- - die Reibungswärme, die aufgrund der Bewegung des Ankers entsteht;
- - die Spulenwärme, die aufgrund des in der Spule 08 fließenden Stroms entsteht;
- - die Umgebungswärme;
- - die Wärme des Motorgehäuses, soweit sie an das Gehäuse des Schaltventils übertragen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Systemmodell
- U
- Eingangsgröße
- Y
- Ausgangsgröße
- 06
- Schaltventil
- 07
- Anker
- 08
- elektrische Spule
- 09
- Magnetkern
- 10
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- 11
- Fluid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213399 A1 [0003]
- EP 2116709 A1 [0004]
