Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Ventilsteuerung und eine Ventilsteuereinheit
zu schaffen, womit auch beim Einsatz eines Ventilspielausgleichs
verhindert wird, daß die
Ventile mit zu großer
Geschwindigkeit auf den Ventilsitz aufschlagen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Die Erfindung umfaßt die allgemeine
technische Lehre, die Geschwindigkeit des Ventils oder die Stellgeschwindigkeit
des Aktors zu begrenzen, wenn die Ventilstellung oder die Aktorstellung
einen vorgegebenen Sicherheitsabstand zu einem Anschlag unterschreitet,
wobei der Sicherheitsabstand mindestens so groß ist wie der maximal mögliche Spielausgleich
des Ventilspielausgleichs.
Dadurch wird sichergestellt, daß das Ventil unabhängig von
der jeweiligen Einstellung des Ventilspielausgleichs rechtzeitig
vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz abgebremst wird. Falls beispielsweise die
Ventilstellung der Aktorstellung aufgrund des Ventilspielausgleichs
vorauseilt, so sorgt der erfindungsgemäß berechnete Sicherheitsabstand
durch die Berücksichtigung
des maximal möglichen
Spielausgleichs dafür,
daß das
Ventil vor dem Auftreffen auf den Ventilsitz rechtzeitig abgebremst
wird.
Die Erfindung ist jedoch nicht darauf
beschränkt,
ein übermäßig hartes
Auftreffen des Ventils auf den Ventilsitz zu verhindern. Vielmehr
weisen die herkömmlichen
elektromagnetischen Aktoren einen beweglichen Anker auf, der durch
zwei Magnetspulen angetrieben wird, wobei die Polschuhe des Ankers
auf die Magnetspulen auftreffen können, was ebenfalls möglichst
sanft geschehen soll. Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff
eines Anschlags ist also allgemein zu verstehen.
In einer Variante der Erfindung wird
lediglich die Aktorstellung ermittelt, während auf die direkte Messung
der Ventilstellung verzichtet wird. Die rechtzeitige Abbremsung
des Ventils vor dem Aufschlagen auf den Ventilsitz wird hierbei
dadurch erreicht, daß der
Sicherheitsabstand mindestens so groß ist wie der maximal mögliche Spielausgleich.
Selbst bei einem maximal möglichen
Vorauseilen der Ventilstellung wird das Ventil hierbei also rechtzeitig
abgebremst. Der Sicherheitsabstand für die Anschläge innerhalb
des Aktors selbst kann in dieser Variante der Erfindung kleiner
sein, da die Aktorstellung direkt gemessen wird und der variable
Ventilspielausgleich deshalb keinen störenden Einfluß hat.
In einer anderen Variante der Erfindung
wird dagegen die Ventilstellung direkt gemessen, während auf
eine direkte Messung der Aktorstellung verzichtet wird. Die Geschwindigkeit
des Ventils bzw. die Stellgeschwindigkeit des Aktors muß hierbei
also bereits dann begrenzt werden, wenn die gemessene Ventil- Stellung ergibt,
daß der
Aktor den Sicherheitsabstand zu dem Anschlag unterschreitet, wobei
der Sicherheitsabstand mindestens so groß sein muß wie der maximal mögliche Ventilspielausgleich.
Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Aktor selbst bei einem
maximal möglichen
vorauseilen der Aktorstellung rechtzeitig abgebremst wird. Der Sicherheitsabstand
für die
Ventilstellung kann in dieser Variante der Erfindung geringer sein,
da die Ventilstellung hierbei direkt gemessen wird und durch den
variablen Ventilspielausgleich nicht beeinflußt wird.
In einer weiteren Variante der Erfindung
wird dagegen sowohl die Ventilstellung als auch die Aktorstellung
gemessen, so daß der
Ventilspielausgleich keinen störenden
Einfluß hat.
Vorzugsweise wird der Aktor bzw.
das Ventil beim Unterschreiten des Sicherheitsabstands zu dem jeweiligen
Anschlag auf eine konstante Geschwindigkeit abgebremst, die vorzugsweise
kleiner als 10 m/s ist.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff
der Begrenzung der Stellgeschwindigkeit des Aktors bzw. der Geschwindigkeit
des Ventils ist jedoch allgemein zu verstehen. So ist es beispielsweise
auch möglich,
daß die
Geschwindigkeit nach dem Unterschreiten des jeweiligen Sicherheitsabstands nicht
konstant gehalten wird, sondern linear abnimmt.
Ferner ist zu erwähnen, daß die Ermittlung der Ventilstellung
bzw. der Aktorstellung im Rahmen der Erfindung in beliebiger Weise
erfolgen kann. Beispielsweise kann die Aktorstellung bzw. die Ventilstellung
durch einen Sensor erfaßt
werden, jedoch ist es auch möglich,
daß die
Aktorstellung bzw. die Ven tilstellung aus elektrischen Steuergrößen des
Aktors abgeleitet und damit indirekt bestimmt wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus
der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 einen
Aktor einer erfindungsgemäßen Ventilsteuereinheit
in einer Querschnittsansicht,
2 das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Ventilsteuerung als Flußdiagramm,
3 ein
alternatives Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ventilsteuerung als Flußdiagramm,
4 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilsteuereinheit,
5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ventilsteuereinheit
sowie
6 eine
Weg-Zeit-Kennlinie der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung.
Die Querschnittsansicht in 1 zeigt einen herkömmlichen
elektromagnetischen Aktor 10 zur mechanischen Ansteuerung
eines Ventils 12 einer Brennkraftmaschine. Hierzu weist
der Ak tor 10 zwei Ringspulen 14, 16 auf,
die in einem Gehäuse 18 des Aktors 10 koaxial übereinander
angeordnet sind und elektrisch getrennt angesteuert werden können. Zwischen
den beiden Ringspulen 14, 16 ist eine Ankerplatte 20 angeordnet,
die an einem Anker 22 befestigt ist, so daß der Anker 22 in
Abhängigkeit
von der Bestromung der beiden Ringspulen 14, 16 axial
nach oben oder unten gezogen bzw. gedrückt wird.
Zwischen der Oberseite der Ankerplatte 20 und
der Oberseite des Gehäuses 18 ist
hierbei eine spiralförmige
Schließfeder 24 angeordnet,
während sich
zwischen der Unterseite der Ankerplatte 20 und der Unterseite
des Gehäuses 18 eine
ebenfalls spiralförmige Öffnerfeder 26 befindet.
Der Anker 22 ist über eine
hydraulische Ventilspielausgleichseinheit 28 mit dem Ventil 12 verbunden,
wobei der Spielausgleich zwischen dem Ventil 12 und dem
Anker 22 mit s3 bezeichnet ist. In Abhängigkeit von dem Spielausgleich
s3 kann die Ventilstellung s2 also von der Aktorstellung s1 abweichen.
So zeigt 6 den zeitlichen Verlauf der Aktorstellung
s1 als durchgezogene Linie und den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung
s2 als gestrichelte Linie, wobei sich die Abweichung zwischen den
beiden Kennlinien durch den Spielausgleich s3 der Ventilspielausgleichseinheit 28 ergibt.
Die waagrechte Zeitachse entspricht hierbei der geöffneten
Ventilstellung, während
die gestrichelte untere Linie der geschlossenen Ventilstellung entspricht.
Das Auftreffen des Ventils 12 auf den Ventilsitz ist hierbei
durch einen Punkt A gekennzeichnet, während ein Punkt B das Auftreffen
der Ankerplatte 20 auf die Ringspule 14 bezeichnet.
Schließlich
kennzeichnet ein Punkt C das Auftreffen der Ankerplatte 20 auf
die Ringspule 16 beim Öffnen
des Ventils 12.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf
das in 2 dargestellte
Flußdiagramm
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ventilsteuerung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Aktorstellung
s1 gemessen, während
auf eine Messung der Ventilstellung s2 verzichtet wird.
Beim Schließen des Ventils 12 soll
verhindert werden, daß das
Ventil 12 mit zu großer
Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftrifft, da dies zu unerwünschten
Geräuschemissionen
führen
würde und mit
einem erhöhten
Verschleiß verbunden
wäre.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb
vor, daß die
Aktorstellgeschwindigkeit auf einem akzeptablen Wert vMAX =
0,5 m/s konstant gehalten wird, wenn beim Schließen des Ventils 12 ein
vorgegebener Sicherheitsabstand Δs1CLOSE zwischen der Ventilstellung s2 und
dem zugehörigen
Ventilsitz unterschritten wird. Problematisch ist hierbei jedoch, daß die Ventilstellung
s2 nicht direkt gemessen wird und aufgrund des variablen Spielausgleichs
s3 auch nicht aus der Aktorstellung s1 abgeleitet werden kann. Es
besteht deshalb die Möglichkeit,
daß die Ventilstellung
s2 der Aktorstellung s1 vorauseilt, so daß der Anker 22 erst
abgebremst wird, wenn das Ventil 12 bereits auf den Ventilsitz
aufgetroffen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb
vor, daß anstelle
der Ventilstellung s2 die Aktorstellung s1 überwacht wird, wobei der maximal
mögliche
Spielausgleich s3 berücksichtigt
wird, um das Ventil 12 unabhängig von der aktuellen Einstellung der
Ventilspielausgleichseinheit 28 in jedem Fall rechtzeitig
abzubremsen.
Hierbei wird zunächst überprüft, ob der maximal mögliche Spielausgleich
s3 größer ist
als der vorgegebene Sicherheitsabstand Δs1CLOSE,
wobei dann der größere der
beiden Werte als Sicherheitsabstand Δs1CLOSE verwendet
wird.
Anschließend wird dann die Aktorstellung
s1 gemessen und geprüft,
ob der Abstand zwischen der Ankerplatte 20 und der Ringspule 14 den
Sicherheitsabstand Δs1CLOSE unterschreitet.
Ist dies der Fall, so wird die Geschwindigkeit des
Ankers 22 durch eine geeignete Bestromung der beiden Ringspulen 14, 16 konstant
gehalten, was in 6 der
Zeitspanne zwischen t5 und t6 entspricht. Dadurch wird sichergestellt,
daß das
Ventil 12 nicht mit zu großer Geschwindigkeit auf den
Ventilsitz auftrifft.
Andernfalls folgt die Geschwindigkeit
des Ankers 22 dagegen einer vorgegebenen Kennlinie, was
in 6 der Zeitspanne
zwischen t4 und t5 entspricht.
Beim Öffnen des Ventils 12 verhindert
das erfindungsgemäße Verfahren
dagegen, daß die
Ankerplatte 20 mit zu großer Geschwindigkeit auf die Ringspule 16 auftrifft.
Dies ist jedoch vergleichsweise einfach, da die Aktorstellung s1
direkt gemessen wird und der Spielausgleich s3 deshalb nicht stört.
Die Geschwindigkeit des Ankers 22 wird
deshalb durch eine geeignete Bestromung der beiden Ringspulen 14, 16 auf
einem konstanten Wert gehalten, wenn der Abstand h-s1 zwischen der
Ankerplatte 20 und der Ringspule 16 einen vorgegebenen
Sicherheitsabstand Δs1OPEN unterschreitet, was in 6 der Zeitspanne zwischen t2 und t3 entspricht.
Bei einem hinreichend großen Abstand
zwischen der Ankerplatte 20 und der Ringspule 16 folgt der
Anker 22 dagegen einer vorgegebenen Weg-Zeit-Kennlinie,
was in 6 der Zeitspanne zwischen
t1 und t2 entspricht.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf
das in 3 dargestellte
Flußdiagramm
ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ventilsteuerung beschrieben.
Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels
besteht darin, daß die
Ventilstellung s2 gemessen wird, während auf eine Messung der
Aktorstellung s1 verzichtet wird. Dies bedeutet, daß die tatsächliche
Aktorstellung s1 aufgrund des variablen Spielausgleichs s3 der gemessenen
Ventilstellung s2 vorauseilen kann, was beim Abbremsen des Ankers 22 berücksichtigt
werden muß,
damit die Ankerplatte 20 nicht mit zu großer Geschwindigkeit
auf die Ringspulen 14 bzw. 16 auftrifft.
Beim Schließen des Ventils 12 soll
verhindert werden, daß die
Ankerplatte 20 mit zu großer Geschwindigkeit auf die
Ringspule 14 auftrifft. In gleicher Weise soll beim Öffnen des
Ventils 12 verhindert werden, daß die Ankerplatte 20 mit
zu großer
Geschwindigkeit auf die Ringspule 16 auftrifft.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb
vor, daß die
Aktorstellgeschwindigkeit beim Schließen des Ventils 12 auf
einem akzeptablen Wert konstant gehalten wird, wenn ein vorgegebener
Sicherheitsabstand Δs2CLOSE zwischen der Aktorstellung s1 und der
Ringspule 14 unterschritten wird, was in 6 der Zeitspanne zwischen t5 und t6 entspricht.
In gleicher Weise soll die Aktorstellgeschwindigkeit
auch dann auf einem akzeptablen Wert konstant gehalten werden, wenn
der Abstand h-s1 zwischen der Ringspule 16 und der Ankerplatte 20 beim Öffnen des
Ventils 12 einen vorgegebenen Sicherheitsabstand Δs2OPEN unterschreitet, was in 6 der Zeitspanne zwischen t2 und t3 entspricht.
Problematisch ist hierbei jedoch,
daß die
Aktorstellung s1 nicht direkt gemessen wird und aufgrund des variablen
Spielausgleichs s3 auch nicht aus der Ventilstellung s2 abgeleitet
werden kann. Es besteht deshalb die Möglichkeit, daß die Aktorstellung
s1 der Ventilstellung s2 vorauseilt, so daß der Anker 22 zu
spät abgebremst
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb
vor, daß anstelle
der Aktorstellung s1 die Ventilstellung s2 überwacht wird, wobei der maximal
mögliche
Spielausgleich s3 berücksichtigt
wird, um den Anker 22 unabhängig von der aktuellen Einstellung der
Ventilspielausgleichseinheit 28 in jedem Fall rechtzeitig
abzubremsen.
Hierbei wird zunächst überprüft, ob der maximal mögliche Spielausgleich
s3 wirklich größer ist
als der vorgegebene Sicherheitsabstand Δs2CLOSE für den Schließvorgang,
wobei dann der größere der
beiden Werte als Sicherheitsabstand Δs2CLOSE für den Schließvorgang
des Ventils 12 verwendet wird.
In der gleichen Weise wird auch überprüft, ob der
vorgegebene Sicherheitsabstand Δs2OPEN für
den Öffnungsvorgang
größer ist
als der maximal mögliche
Spielausgleich s3, wobei dann der größere der beiden Werte als Sicherheitsabstand Δs2OPEN für
den Öffnungsvorgang
des Ventils 12 verwendet wird.
Anschließend wird dann die Ventilstellung
s2 gemessen und bei einem Schließvorgang geprüft, ob die
Ventilstellung s2 den Sicherheitsabstand Δs2CLOSE zu
dem Ventilsitz unterschreitet.
Ist dies der Fall, so wird die Geschwindigkeit des
Ankers 22 durch eine geeignete Bestromung der beiden Ringspulen 14, 16 konstant
gehalten, was in 6 der
Zeitspanne zwischen t5 und t6 entspricht. Dadurch wird sichergestellt,
daß die
Ankerplatte 20 unabhängig
von dem aktuellen Spielausgleich s3 nicht mit zu großer Geschwindigkeit
auf die Ringspule 14 auftrifft.
Andernfalls folgt die Geschwindigkeit
des Ankers 22 dagegen einer vorgegebenen Kennlinie, was
in 6 der Zeitspanne
zwischen t4 und t5 entspricht.
Beim Öffnen des Ventils 12 verhindert
das erfindungsgemäße Verfahren
dagegen, daß die
Ankerplatte 20 mit zu großer Geschwindigkeit auf die Ringspule 16 auftrifft.
Hierzu wird überprüft, ob die gemessene
Ventilstellung s2 den Abstand h-Δs2OPEN überschreitet
.
Ist dies der Fall, wird die Geschwindigkeit des
Ankers 22 durch eine geeignete Bestromung der beiden Ringspulen 14, 16 konstant
gehalten, was in 6 der
Zeitspanne zwischen t2 und t3 entspricht. Dadurch wird sichergestellt,
daß die
Ankerplatte 20 unabhängig
von dem aktuellen Spielausgleich s3 nicht mit zu großer Geschwindigkeit
auf die Ringspule 16 auftrifft.
Andernfalls folgt die Geschwindigkeit
des Ankers 22 dagegen einer vorgegebenen Kennlinie, was
in 6 der Zeitspanne
zwischen t1 und t2 entspricht.
Darüber hinaus stellt das erfindungsgemäße Verfahren
auch sicher, daß das
Ventil 12 beim Schließen
nicht mit zu großer
Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftrifft, da die Ventilgeschwindigkeit
immer auf einen konstanten Wert begrenzt wird, wenn die Ventilstellung
s2 den Sicherheitsabstand Δs2CLOSE unterschreitet.
4 zeigt
schließlich
eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilsteuereinheit 30,
die entsprechend dem vorstehend beschriebenen und in 2 dargestellten Verfahren
arbeitet.
Hierzu weist die Ventilsteuereinheit 30 einen Sensor 32 auf,
der die Aktorstellung s1 mißt
und an eine Steuereinheit 34 weitergibt, die entsprechend
einer vorgegebenen Kennlinie einen Geschwindigkeitswert v zur Ansteuerung
des Aktors 10 berechnet.
Ausgangsseitig ist die Steuereinheit 34 mit einem
Begrenzer 36 verbunden, der den berechneten Geschwindigkeitswert
v auf einen vorgegebenen, maximal zulässigen Geschwindigkeitswert
v'=vMAX begrenzt,
wenn der Begrenzer 36 von einer Überwachungseinheit 38 oder
einer Überwachungseinheit 40 aktiviert
wird.
Die Überwachungseinheit 40 überprüft beim Öffnen des
Ventils 12, ob der Abstand h-Δs1 zwischen der Ankerplatte 20 und
der Ringspule 16 den vorgegebenen Sicherheitsabstand Δs1OPEN unterschreitet. Ist dies der Fall, so
aktiviert die Überwachungseinheit 40 den
Begrenzer 36, der dann eine konstante Geschwindigkeit v'=vMAX an
eine Treiberschaltung 42 ausgibt, welche die beiden Ringspulen 14, 16 des
Aktors 10 bestromt.
Die Überwachungseinheit 38 soll
dagegen verhindern, daß die
Ankerplatte 20 oder das Ventil 12 beim Schließen mit
zu großer
Geschwindigkeit anschlagen. Hierzu überprüft die Überwachungseinheit 38,
ob die Aktorstellung s1 einen vorgegebenen Sicherheitsabstand Δs1CLOSE oder den maximal möglichen Spielausgleich s3 unterschreitet.
Ist dies der Fall, so aktiviert die Überwachungseinheit 38 den
Begrenzer 36, der dann eine konstante Geschwindigkeit v'=vMAX an
die Treiberschaltung 42 ausgibt.
5 zeigt
schließlich
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ventilsteuereinheit 30', das entsprechend
dem vorstehend beschriebenen und in 3 dargestellten
Verfahren arbeitet.
Hierzu weist die Ventilsteuereinheit 30' einen Sensor 32' auf, der die
Ventilstellung s2 mißt
und an eine Steuereinheit 34' weitergibt,
die entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie einen Geschwindigkeitswert
v zur Ansteuerung des Aktors 10 berechnet.
Ausgangsseitig ist die Steuereinheit 34' mit einem Begrenzer 36' verbunden,
der den berechneten Geschwindigkeitswert v auf einen vorgegebenen maximal
zulässigen
Geschwindigkeitswert v'=vMAX begrenzt, wenn der Begrenzer 36' von einer Überwachungseinheit 38' oder einer Überwachungseinheit 40' aktiviert wird.
Die Überwachungseinheit 40' überprüft beim Öffnen des
Ventils 12, ob die Ventilstellung s2 den Wert h-Δs2OPEN überschreitet.
Ist dies der Fall, aktiviert die Überwachungseinheit 40' den Begrenzer 36', der dann eine
konstante Geschwindigkeit v'=vMAX an eine Treiberschaltung 42' ausgibt, welche
die beiden Ringspulen 14, 16 des Aktors 10 bestromt.
Die Überwachungseinheit 38' soll dagegen verhindern,
daß die
Ankerplatte 20 oder das Ventil 12 beim Schließen mit
zu großer
Geschwindigkeit anschlagen. Hierzu überprüft die Überwachungseinheit 38', ob die gemessene
Ventilstellung s2 einen vorgegebenen Sicherheitsabstand Δs2CLOSE oder den maximal möglichen Spielausgleich s3 unterschreitet.
Ist dies der Fall, so aktiviert die Überwachungseinheit 38' den Begrenzer 36', der dann eine
konstante Geschwindigkeit v'=vMAX an die Treiberschaltung 42' ausgibt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend
beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls
in den Schutzbereich fallen.