DE19960796A1

DE19960796A1 - System zum Steuern eines elektromagnetisch betätigten Ventils

Info

Publication number: DE19960796A1
Application number: DE19960796A
Authority: DE
Inventors: Taketoshi Kawabe; Kouichiro Yonekura; Ikuhiro Taniguchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: US6427971B1; DE19960796B4; DE19960796C5

Abstract

Ein elektromagnetisch betätigtes Ventil beinhaltet im wesentlichen einen Elektromagneten, ein Ankerelement, welches durch den Elektromagneten angetrieben wird, und ein Ventil, welches durch das Ankerelement angetrieben wird. Das Ankerelement und das Ventil sind miteinander beweglich, um eine bewegliche Einheit zu bilden. Zum Steuern des elektromagnetisch betätigten Ventils ist ein Steuerungssystem bereitgestellt, welches eine Positionserfassungseinheit, die eine Position der beweglichen Einheit erfaßt; eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Einheit erfaßt; einen Abschnitt zum Herleiten einer Zielgeschwindigkeit, die eine Zielgeschwindigkeit der beweglichen Einheit durch Verarbeiten der Position der beweglichen Einheit herleitet; einem Vergleicherabschnitt, der die Geschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfaßt wird, mit der Zielgeschwindigkeit vergleicht, die durch den Abschnitt zum Herleiten der Zielgeschwindigkeit hergeleitet wurde; und einen Steuerungsabschnitt beinhaltet, der gemäß dem Ergebnis des Vergleichs durch den Vergleicherabschnitt den Elektromagneten steuert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Ventilbetriebssystem und insbesondere auf ein System zum Steuern eines elektromagnetisch betätigten Ventils eines Verbrennungsmotors. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem Steuerungssystem zum Steuern eines elektromagnetisch betätigten Ventils in solch einer Weise, um ein Geräusch zu reduzieren oder zu minimieren, das durch einen elektromagnetischen Betätigungsabschnitt des Ventils unvermeidbar erzeugt wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Zum Betätigen von Einlaß- und Auslaßventilen eines Verbrennungsmotors wurden elektromagnetische Betätiger bereits vorgeschlagen und in praktischer Anwendung überführt als ein Ersatz für konventionellerweise verwendete nockenartige Betätigun gen. Aufgrund einer Eigenschaft solcher elektromagnetischer Betätiger kann der Öff nungs-/Schließzeitraum der Ventile genau und leicht gesteuert werden, und daher bringt die Anwendung solcher Betätiger in dem Motor merkliche Verbesserungen, sowohl hin sichtlich der Motorleistungsausbeute als auch der Kraftstoffersparnis. Jedoch aufgrund einer anderen Eigenschaft solcher Betätiger neigen diese dazu nicht vernachlässigbare Geräusche, bei Betrieb zu erzeugen, die durch die Kollision eines Ankers des Betätigers gegen Elektromagnete desselben hervorgerufen werden. Zum Reduzieren oder Mini mieren solcher Geräusche wurden verschiedene Versuche unternommen, von denen einige in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen 10-205314 und 10-220622 beschrieben sind. Für solch eine Geräuschreduktion schlagen diese Veröffentlichungen eine einzigartige Form der Elektromagnete und das Vermeiden der Kollision zwischen dem Anker und jedem Elektromagneten vor durch Erzeugen einer größeren magneti schen Kraft während eines bestimmten Zeitraums.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem zum Steuern eines elektromagnetisch betätigten Ventils bereitzustellen, welches die Geräusche, die un vermeidbar in einem elektromagnetischen Betätiger erzeugt werden, herabsetzen oder zumindest minimieren kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuerungssystem zum Steuern eines elektromagnetisch betätigten Ventils vorgesehen, das einen Elektro magneten, ein Ankerelement, das durch den Elektromagneten angetrieben wird, und ein Ventil aufweist, das durch das Ankerelement angetrieben wird. Das Ankerelement und das Ventil sind zusammen bewegbar, um eine bewegliche Einheit zu bilden. Das Steuerungssystem umfaßt eine Positionserfassungseinheit, die eine Position der be weglichen Einheit erfaßt; eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Bewe gungsgeschwindigkeit der beweglichen Einheit erfaßt; einen Abschnitt zum Herleiten einer Zielgeschwindigkeit, die eine Zielgeschwindigkeit der beweglichen Einheit herlei tet durch Verarbeiten der Position der beweglichen Einheit; einen Vergleicherab schnitt, der die Geschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfaßt wird, mit der Zielgeschwindigkeit vergleicht, die durch den Abschnitt zum Her leiten der Zielgeschwindigkeit hergeleitet wurde, und einen Steuerungsabschnitt, der entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs durch den Vergleicherabschnitt den Elektromagneten steuert.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines elektromagnetisch betätigten Ventils vorgesehen, welches einen Elektromagne ten, ein Ankerelement, das durch den Elektromagneten angetrieben wird, und ein Ventil, das durch das Ankerelement angetrieben wird, aufweist. Das Ankerelement und das Ventil sind miteinander beweglich, um eine bewegliche Einheit zu bilden. Das Verfahren umfaßt das Erfassen einer Position der beweglichen Einheit; Erfassen einer Bewe gungsgeschwindigkeit der beweglichen Einheit; Herleiten einer Zielgeschwindigkeit der beweglichen Einheit durch Verarbeiten der Position der beweglichen Einheit; Verglei chen der erfaßten Geschwindigkeit mit der hergeleiteten Zielgeschwindigkeit und Steu ern des Elektromagneten gemäß dem Ergebnis des Vergleichs.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems zum Steuern eines elektro magnetisch betätigten Ventils eines Verbrennungsmotors, das eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des elektromagnetisch betätigten Ventils, auf welches das Steuerungssystem der ersten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung in der Praxis angewendet wird;

Fig. 3 ist ein Graph, der eine Ortskurve darstellt, die durch einen Anker beschrie ben wird bezüglich einer Position und einer Bewegungsgeschwindigkeit des selben, was die Art und Weise zum Auffinden einer Zielgeschwindigkeits funktion darstellt, die für die Erfindung verwendet wird;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches programmierte Betriebsschritte darstellt, die durch eine Steuerungseinheit ausgeführt werden, die in der ersten Ausfüh rungsform zum Steuern des elektromagnetisch betätigten Ventils verwendet wird;

Fig. 5A und 5B sind Graphen, die eine Zielgeschwindigkeit eines Ventils darstellen, wobei Fig. 5A die Zielgeschwindigkeit darstellt, die die Position als eine Funktion verwendet und Fig. 5B die Zielgeschwindigkeit darstellt, die die Zeit als Funk tion verwendet;

Fig. 6 ist eine Ansicht ähnlich zu Fig. 1, jedoch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellend.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bezug nehmend auf Fig. 2 ist schematisch ein Steuerungssystem 100 einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welches in der Praxis auf ein elektromagnetisch betätigtes Ventil 200 eines Verbrennungsmotors 300 für Autos an gewendet wird.

Der Verbrennungsmotor 300, der in der Zeichnung dargestellt ist, weist einen Zylinder block 51 auf. Ein Zylinderkopf 52 ist auf dem Zylinderblock 51 montiert, um eine Ver brennungskammer 53 in einem oberen Teil des Inneren des Zylinderblocks 51 zu bilden. Ein Kolben (nicht dargestellt) ist im Betrieb gleitend im Inneren des Zylinderblocks 51 aufgenommen. Der Zylinderkopf 52 ist mit Einlaß- und Auslaßventilen 54 versehen. Das Ventil 54, das in der Zeichnung dargestellt ist, kann entweder ein Einlaßventil oder ein Auslaßventil sein. Für die Einfachheit der Beschreibung wird bevorzugt, daß das darge stellte Ventil 54 ein Einlaßventil ist.

Das Einlaßventil 54 weist einen Ventilstößel 54a auf, der sich nach oben zu einer Au ßenseite des Zylinderkopfs 52 hin erstreckt aus dem Grund, der durch das nachfolgen de offensichtlich wird.

Montiert auf dem Zylinderkopf 52 ist ein elektromagnetischer Betätiger 250, der ein Ge häuse 60 aufweist, in welches der Ventilstößel 54a des Ventils 54 von unten her hinein ragt. Ein oberer Abschnitt des Ventilstößels 54a ist mit einem Federrückhalter 55 verse hen. Zusammengedrückt zwischen dem Federrückhalter 55 und dem Zylinderkopf 52 ist eine sogenannte Ventilschließfeder 56 zum Vorspannen des Ventils 54 in einer Rich tung zum Schließen des Ventils vorgesehen, d. h. in einer Richtung, um eine Einlaßöff nung zu verschließen. Die Einlaßöffnung ist von einem Ventilsitz 52a umgeben, wie dargestellt.

Innerhalb des Gehäuses 60 sind zwei sogenannte Ventilschließ- und -Öffnungselektro magneten 11 und 12 angeordnet, welche koaxial und unbeweglich zueinander ange ordnet sind, um einen vorgegebenen Abstand zwischen ihnen einzuhalten. Zwischen diesen beiden Elektromagneten 11 und 12 ist beweglich ein Anker 57 angeordnet, wel cher aus einem magnetischen Material hergestellt ist. Der Anker 57 ist mit einem Stößel 57a versehen, der sich axial in das Gehäuse 60 hineinerstreckt durch mittige Abschnitte, der beiden Elektromagneten 11 und 12, wie dargestellt.

Das untere Ende des Stößels 57a befindet sich in Kontakt mit einem oberen Ende des Ventilstößels 54a, und ein oberes Ende des Stößels 57a erstreckt sich durch eine obere Wand 60a des Gehäuses 60. Nahe der oberen Wand 60a des Gehäuses 60 ist ein Fe derrückhalter 58 an dem Stößel 57a befestigt, und eine sogenannte Ventilöffnungsfeder 59 ist zwischen dem Federrückhalter 58 und der oberen Wand 60a zusammengedrückt, um das Einlaßventil 54 in einer Ventilöffnungsrichtung vorzuspannen, d. h. in einer Richtung, um die Einlaßöffnung, die von dem Ventilsitz 52a umgeben ist, zu öffnen.

Das Steuerungssystem 100 beinhaltet einen Geschwindigkeitssensor 2 und einen Posi tionssensor 3, welche in der oberen Wand 60a des Gehäuses 60 angeordnet sind, um die Bewegungsgeschwindigkeit und die Position des Ankers 57 jeweils zu erfassen.

Informationssignale von diesen Geschwindigkeits- und Positionssensoren 2 und 3 wer den zu einer Steuerungseinheit 1 geleitet. Mit Bezugszeichen 8 ist eine Motorsteue rungseinheit 8 (ECU) gekennzeichnet, die ein Ventilöffnungs-/Schließgebersignal aus gibt, das der Steuerungseinheit zugeleitet wird. Durch Verarbeiten der Informations signale von den Geschwindigkeits- und Positionssensoren 2 und 3 und dem Gebersi gnal von der Motorsteuerungseinheit 8 gibt die Steuerungseinheit 1 ein Gebersignal sowohl an einen ersten Stromsteuerungsabschnitt 9 für den Ventilschließelektromagne ten 11 als auch an einem zweiten Stromsteuerungsabschnitt 10 für den Ventilöffnungs magneten 12. Das Gebersignal von der Steuerungseinheit 1 repräsentiert einen Grad von Zielstrom.

Gemäß dem Grad des Zielstromes, der von der Steuerungseinheit 1 ausgegeben wird, führt jeder Stromsteuerungsabschnitt 9 oder 10 eine PWM-Steuerung (Pulsweiten modulationssteuerung) durch, um eine Energiequelle 13 dazu zu zwingen, die Elektro magneten 11 oder 12 mit der entsprechenden elektrischen Kraft zu versorgen. Dadurch wird die elektromagnetische Kraft, die durch die Elektromagneten 11 oder 12 erzeugt wird, gemäß dem Grad des Zielstroms gesteuert.

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist das Detail der Steuerungseinheit 1 dargestellt, die in dem Steuerungssystem 100 verwendet wird.

Die Steuerungseinheit 1 weist einen Vergleicherabschnitt 4, einen Abschnitt zum Herlei ten der Zielgeschwindigkeit, einen Abschnitt 6 zum Herleiten eines Zielstroms und einen Umschaltabschnitt 7 auf. Durch Verarbeiten des die Position des Ankers repräsentie renden Signals, das vom Positionssensor 3 ausgegeben wurde, leitet der Abschnitt 5 zum Herleiten der Zielgeschwindigkeit eine Zielgeschwindigkeit des Ankers 57 her. Das existierende, die Geschwindigkeit repräsentierende Signal, das durch den Geschwindig keitssensor 2 ausgegeben wurde, und das die Zielgeschwindigkeit repräsentierende Signal, das von dem Abschnitt 5 zum Herleiten der Zielgeschwindigkeit ausgegeben wurde, werden durch den Vergleicherabschnitt 4 miteinander verglichen. Basierend auf diesen Vergleich leitet der Abschnitt 6 zum Herleiten des Zielstroms einen Zielstrom her, der selektiv auf entweder den Ventilschließelektromagneten 11 oder den Ventilöffnungs elektromagneten 12 aufgebracht wird. Für das Auswählen ist der Umschaltabschnitt 7 zwischen dem Abschnitt 6 zum Herleiten des Zielstroms und jedem der Stromsteue rungsabschnitte 9 und 10, wie dargestellt, angeordnet. Die Ventilöffnungs- und Schließ gebersignale, die von der Motorsteuerungseinheit 8 ausgegeben wurden, werden so wohl auf den Abschnitt 6 zum Herleiten des Zielstroms als auch dem Umschaltabschnitt 7 aufgebracht.

Im folgenden wird der Betrieb des Steuerungssystems 100 mit Bezug auf Fig. 2 be schrieben.

Der Anker 57 wird über die Ventilschließ- und Ventilöffnungsfedern 56 und 59 durch den Ankerstößel 57a gehalten. Dadurch, wenn die Ventilschließ- und Öffnungsmagneten 11 und 12 energielos gehalten werden, nimmt der Anker 57 eine Ruheposition zwischen den beiden Elektromagneten 11 und 12 ein. Die Ruheposition des Ankers 57 wird be stimmt basierend auf den jeweiligen Federkonstanten der beiden Schraubenfedern 56 und 59.

Nun wird bei dem Feder-/Massesystem, das aus einem Federteil, der die beiden Schrau benfedern 56 und 59 beinhaltet, und einem Massenteil, der den Anker 57, den Stößel 57a und das Einlaßventil 54 beinhaltet, die Eigenfrequenz "fo" durch die folgende Glei chung dargestellt:

fo = √(K/m) (1)

wobei:
K: kombinierte Federkonstante des Federteils,
m: kombinierte Trägheitsmasse des Masseteils.

Bei einem ersten Schritt des Anfangsbetriebs vor dem Starten des Motors werden die beiden Elektromagneten 11 und 12 abwechselnd mit Energie versorgt zu einem periodi schen Zeitraum, der der Eigenfrequenz "fo" entspricht. Dadurch befindet sich der Anker 57 in Resonanz und die Amplitude des resonierenden Ankers 57 nimmt graduell zu. Bei einem finalen Schritt des Anfangsbetriebs, wird der Anker 57 von einem der beiden Elektromagneten 11 und 12 angezogen und das Anziehen wird beibehalten.

Zum Starten des Motors oder zum Halten des Motors in Betrieb findet der folgende Vor gang statt.

Das heißt, zum Öffnen des Einlaßventils 54 ist der Ventilschließmagnet 11 energielos. Damit wird der Anker 57 nach unten verschoben, aufgrund der Abwesenheit der Anzie hungskraft, die durch den Elektromagneten 11 erzeugt wird. Solch eine Bewegung des Ankers 57 nach unten erlaubt es dem Einlaßventil 54 die Einlaßöffnung geringfügig zu öffnen. Wenn aufgrund des sich nach unten Bewegens der Anker 57 genügend nahe an den Ventilöffnungsmagneten 12 ist, wird der Elektromagnet 12 mit Energie versorgt, um die Bewegung des Ankers 57 nach unten zu fördern. Damit öffnet das Einlaßventil 54 vollständig die Einlaßöffnung.

Während dessen empfängt die Steuerungseinheit 1 vom Positionssensor 3 und dem Geschwindigkeitssensor 2 Informationen über die Position und die Bewegungsge schwindigkeit des Ankers 57 und gibt an den zweiten Stromsteuerungsabschnitt 10 ein Gebersignal aus, so daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 57 einer Zielbewe gungsgeschwindigkeit folgt. Gemäß dem Gebersignal von der Steuerungseinheit 1 wird der Strom des Ventilöffnungsmagneten 12 entsprechend gesteuert und wird dadurch die elektromagnetische Kraft, die durch selbigen erzeugt wird, entsprechend gesteuert. Als ein Ergebnis dieses Steuerns wird der Anker 57 derart gesteuert, um mit dem Ventil öffnungsmagneten 12 mit einer Geschwindigkeit in Kontakt zu gelangen, die unterhalb eines vorherbestimmten Grades liegt (z. B. 0,1 m/s) und hält daher an der Kontaktpositi on an, oder stoppt an einer Position vom Ventilöffnungselektromagneten 12 um wenige 100 Mikrometer entfernt.

Fig. 3 ist ein Graph, der eine Ortskurve darstellt, die durch den Anker 57 bezüglich sei ner Position und seiner Geschwindigkeit beschrieben wird. In der vorliegenden Erfin dung bewegt sich der Anker 57 entlang der Ortskurve aus Fig. 3. In dem Graphen re präsentiert die X-Koordinate einen Abstand "X" (Lücke) zwischen dem Anker 57 und dem Ventilöffnungsmagneten 12, und die Y-Koordinate repräsentiert eine Bewegungs geschwindigkeit "v" (= dx/dt) des Ankers 57. Wie von diesem Graph gesehen werden kann, startet der Anker 57 von einem Betriebsstartpunkt 101 aus und bewegt sich in Richtung zum Punkt "x1" entlang einer freien Bewegungsortskurve 102. Wenn der An ker 57 am Punkt "x1" (d. h. x = x1) ist, beginnt die Geschwindigkeitssteuerung für den Anker 57 und daher ist anschließend der Anker 57 dazu gezwungen, sich entlang einer Zielgeschwindigkeitsfunktion 103 zu bewegen, die die Geschwindigkeit als Funktion be inhaltet.

Die Zielgeschwindigkeitsfunktion 103 wird so bestimmt, daß eine Zielgeschwindigkeit "r1" an der Position "x = x1" mit einer existierenden Geschwindigkeit "v(x1)" überein stimmt, die tatsächlich mit dem Geschwindigkeitssensor ermittelt wurde. Wie in dem Graph dargestellt, während die Geschwindigkeit aufgrund der Geschwindigkeitssteue rung herabgesetzt wird, bewegt der Anker 57 sich danach in Richtung zu einem Be triebsbeendigungspunkt 104, d. h. Punkt "x = x2". Wenn der Anker 57 an dem Punkt "x = x2" ankommt, weist die Zielgeschwindigkeit des Ankers 57 Wert "r2" auf, der 0 ist (Null), d. h., die elektromagnetische Kraft, die auf den Elektromagneten so gesteuert ist, um den Anker 57 Antriebsbeendigungspunkt 104 zu stoppen. Es wird angemerkt, daß eine Zielgeschwindigkeit des Ankers 57 an anderen Punkten "x1" und "x2" gefunden werden kann durch eine der Linien, die gefunden werden kann durch Unterziehen der Zielge schwindigkeiten "r1" und "r2" einem Interpolations- oder Extrapolationsverfahren.

Zum Schließen des Einlaßventils 54 wird der Ventilöffnungselektromagnet 12 energie los. Daraufhin werden der Anker 57 und das Einlaßventil 54 zusammen nach oben be wegt, wie eine einzige Einheit aufgrund der Kraft der Schrauben 59 und 56. Jedoch, aufgrund eines unvermeidbaren Energieverlustes, der durch eine Reibkraft entsteht, wird ein vollständiges Schließen des Einlaßventils 54, nur aufgrund der Kraft der Federn 59 und 56 nicht erreicht.

Entsprechend, wenn aufgrund der Kraft der Federn 59 und Sfi der Anker 57 genügend nahe dem Ventilschließelektromagneten 11 sich befindet, wird der Elektromagnet 11 mit Energie versorgt, um eine Aufwärtsbewegung des Ankers 57 zu unterstützen. Damit nimmt das Einlaßventil 54 seine vollständig geschlossene Position ein, und dann wird der Anker 57 vom Einlaßventil 54 getrennt, und wird nach oben in Richtung zum Ventil schließelektromagneten 11 bewegt.

Bei dem oben genannten Betrieb der Steuerungseinheit 1 wird eine starke Kollision zwi schen dem Einlaßventil 54 und dem Ventilsitz 52a und zwischen dem Anker 57 und je dem der beiden Elektromagneten 11 und 12 sicher unterdrückt. Für diese Steuerung verarbeitet die Steuerungseinheit 1 die Informationssignale, die von dem Geschwindig keits- und Positionssensoren 2 und 3 ausgegeben werden, und zwingt den ersten Stromsteuerungsabschnitt dazu, entsprechend den Strom zuzuführen, um den Ventil schließelektromagneten 11 zu versorgen. Das heißt, aufgrund der Steuerung durch die Steuerungseinheit 1 wird der Anker 57 oder das Einlaßventil 54 derart gesteuert, um mit dem Ventilschließelektromagneten 11 oder dem Ventilsitz 52a mit einer Geschwindigkeit in Kontakt zu gelangen, die unterhalb eines vorherbestimmten Wertes liegt (z. B. 0,1 m/s). Wie von dem Graphen in Fig. 3 gesehen werden kann, wenn der Anker 57 in einer Position ("x2") vom Ventilschließelektromagneten 11 um mehrere hundert Mikro meter beabstandet ist, bestimmt die Steuerungseinheit 1 der Zielgeschwindigkeit des Ankers 57 auf 0 (Null). Dadurch wird der Anker 57 dazu gezwungen, in solch einer Posi tion anzuhalten, ohne mit dem Elektromagneten 11 in Kontakt zu gelangen. Dies führt zu einem Unterdrücken des Kollisionsgeräusches, sowie Verlängern der Lebensdauer des Ventilschließelektromagneten 11.

Wie aus Fig. 1 gesehen werden kann, empfängt die Steuerungseinheit 1 die Ventilöff nungs- und Schließgebersignale von der Motorsteuerungseinheit 8 (ECU). Wenn das Signal das Ventilöffnungsgebersignal ist, wird der zweite Stromsteuerungsabschnitt 10 durch den Schaltabschnitt 7 ausgewählt, und ein Zielstrom, der durch den Abschnitt 6 zum Ermitteln des Zielstroms ermittelt wurde, dem ausgewählten Schaltkreis 10 zuge führt, während, wenn das Signal ein Ventilschließgebersignal ist, der erste Stromsteue rungsabschnitt 9 ausgewählt wird durch den Umschaltabschnitt 7, und ein Zielstrom des Abschnitts 6 zum Ermitteln des Zielstroms dem ausgewählten Abschnitt 9 zugeführt.

Nach dem Empfangen der die Geschwindigkeit und die Position repräsentierenden Si gnale von den Geschwindigkeits- und Positionssensoren 2 und 3 ermittelt der Abschnitt 6 zum Ermitteln des Zielstroms den Zielstrom in der folgenden Weise.

Die Zielgeschwindigkeit "r" wird durch die folgende Gleichung repräsentiert:

wobei:
x: Abstand zwischen dem Anker 57 und dem Elektromagneten 11 oder 12, der durch die Ausgabe des Positionssensors 3 ermittelt wird;
t: Zeit;
v: Geschwindigkeit, die durch den Geschwindigkeitssensor 2 oder einen Wert ermittelt wird durch Differenzieren des Abstandes "x" nach der Zeit "t"; und
r (x): Zielgeschwindigkeitsfunktion, die ermittelt wird zu einem Zeitpunkt "t1" wenn mit der Reduktion der Lücke zwischen dem Anker 57 und dem Elektromagneten 11 oder 12 der Abstand "x" "x1" angibt.

Es wird angemerkt, daß der Wert "x1" bestimmt wird basierend auf einer minimalen Lücke, die eine Wirkung der elektromagnetischen Kraft erzeugt, die durch die Elektro magneten 11 oder 12 erzeugt wird. In der Praxis beträgt der Wert "x1" 1 bis 3 mm.

Die Funktion "r(x)" wird bestimmt in solch einer Weise, um die folgende Bedingung zu befriedigen.

r(x1) = r1 = v(t1) (3)

r(x2) = r2 (4)

oder

r(x) = r2 (x < x2) (5)

Es wird angemerkt, daß "x2" ein zweiter vorherbestimmter Wert ist und "r2" ein Parame ter ist, der die Kollisionsgeschwindigkeit des Ankers 57 gegen den Elektromagneten 11 oder 12 festlegt. Wenn "r2" auf 0 (Null) oder nahezu 0 (Null) bestimmt wird, kann eine Kollision vermieden werden.

Wenn bestimmt wird, den Anker 57 gegen den Elektromagneten 11 oder 12 mit einer Geschwindigkeit von 0,05 mls zu kollidieren lassen, werden die folgenden festen Werte für "x2" und "r2" bereitgestellt:

x2 = 0, r2 = 0,05 m/s (6).

oder, wenn vorgesehen ist, den Anker 57 gerade vor den Elektromagneten 11 oder 12 abzustoppen, werden die folgenden festen Werte für "x2" und "r2" bereitgestellt:

x2 = 200 µm, r2 = 0 (7).

Im Bereich "x2 < x < x1" wird ein Interpolationsverfahren mit Funktionswerten zum Zeit punkt von "x1" und "x2" verwendet. Wenn z. B. eine lineare Interpolation verwendet wird, wird die folgende Formel angewendet:

Selbstverständlich können Interpolationsverfahren, die quadratische oder tertiäre Kur ven verwenden, auch verwendet werden.

Wie aus Fig. 1 gesehen werden kann, wird die Zielgeschwindigkeit "r(x)" mit der in Ver gleicherabschnitt 4 erfaßten Geschwindigkeit "v" verglichen, und daher gibt der Verglei cherabschnitt 4 ein Vergleichssignal "(v - r(x))" an den Abschnitt 6 zum Herleiten des Zielstroms aus. In Abschnitt 6 wird ein Zielstrom "i*(t)" hergeleitet unter Verwendung der folgenden Formel:

Es wird angemerkt, daß "k" eine Konstante ist (Rückkopplungsgewinn). Da im Bereich "x < x1", r(x) gleich "v" ist, wird eine Geschwindigkeitssteuerung nicht bereitgestellt.

Der Zielstrom "i*(t)" wird durch den Umschaltabschnitt 7 zum ersten oder zweiten Stromsteuerungsabschnitt 9 oder 10 geleitet, als ein Strom zum mit Energie versorgen der zugehörigen Elektromagneten 11 oder 12. Unter "PWM-Steuerung" (Pulsweiten modulationssteuerung), steuert der erste oder zweite Stromsteuerungsabschnitt 9 oder 10 das AN/AUS-Verhältnis des Stroms, der durch die Energiequelle 13 bereitgestellt wird. Damit wird der Strom, der dem Elektromagneten 11 oder 12 zugeführt wird, ge steuert, und dadurch wird die elektromagnetische Kraft, die auf den Anker 57 aufge bracht wird, steuert, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 57 eingestellt wird.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches die programmierten Betriebsschritte darstellt, die durch die Steuerungseinheit 1 zum Steuern des elektromagnetischen Betätigers 250 ausgeführt werden.

Wie dargestellt, weist das Flußdiagramm erste und zweite Flüsse auf, welche in paralle ler Weise verarbeitet werden können. Bei dem ersten Fluß wird das Ableiten und Aus geben des Zielstroms durchgeführt und durch den zweiten Fluß wird das Auswählen der ersten oder zweiten Stromsteuerungsabschnitte 9 oder 10 ausgeführt.

Das heißt, gerade in dem Moment des Steuerungsbeginns, wird der Steuerungsfluß in den ersten Fluß von Schritt S10 zum Schritt S20 und den zweiten Fluß von Schritt S22 zum Schritt S30 aufgeteilt. Dieser erste und zweite Fluß wird in paralleler Weise bearbei tet. Jedoch, wenn gewünscht, kann der erste Fluß bearbeitet werden nach dem Beendi gen des Bearbeitens des zweiten Flusses.

Beim Schritt S10 im ersten Fluß wird eine Zeit von einem Zeitnehmer gelesen, der in der Steuerungseinheit 1 installiert ist und dann im Schritt S12 wird eine Beurteilung vorge nommen, ob eine Steuerungszeit vorliegt oder nicht. Wenn NEIN, d. h. wenn die Steue rungszeit noch nicht gekommen ist, geht der Betriebsfluß zurück zu Schritt S10 und wenn JA, d. h. wenn die Steuerungszeit begonnen hat, schreitet der Betriebsfluß zu Schritt S14 fort. Bei diesem Schritt S14 werden die Position und Geschwindigkeit reprä sentierende Signale "x" und "y" von den Positions- und Geschwindigkeitssensoren 3 und 2 gelesen. Dann, wenn das Positionssignal "x" sich innerhalb des gesteuerten Be reichs befindet, schreitet der Betriebsfluß fort zu Schritt S16, wo die Zielgeschwindig keitsfunktion "r(x)" in dem Abschnitt 5 zum Herleiten der Zielgeschwindigkeit hergeleitet wird, und dann schreitet der Betriebsfluß fort zu Schritt S18, wo der Zielstrom "i*" im Ab schnitt 6 zum Herleiten des Zielstroms hergeleitet wird. Dann schreitet der Betriebsfluß weiter zu Schritt S20, wo der Zielstrom "i*" zu einer von beiden der ersten und zweiten Stromsteuerungsabschnitte 9 und 10 durch den Umschaltabschnitt 7 geleitet wird. Dann geht der Betriebsfluß zu Ende.

Am Schritt S22 wird ein Ventilöffnungs-/Schließgebersignal von der Motorsteuerungsein heit 8 (ECU) gelesen, und dann schreitet der Betriebsfluß fort zu Schritt S24. Bei diesem Schritt S24 wird eine Beurteilung vorgenommen, ob das Gebersignal für das Öffnen des Ventils ist oder nicht. Wenn JA, d. h. wenn das Gebersignal für das Öffnen des Ventils ist, dann schreitet der Betriebsfluß fort zu Schritt S26, wo der Umschaltabschnitt 7 derart funktioniert, um den Abschnitt 6 zum Ermitteln des Zielstroms mit dem zweiten Strom steuerungsabschnitt 10 zu verbinden. Dann schreitet der Betriebsfluß weiter zum Ende. Wenn NEIN bei Schritt S24 vorliegt, d. h. wenn das Gebersignal nicht für das Öffnen des Ventils ist, schreitet der Betriebsfluß weiter zu Schritt S28. Bei diesem Schritt S28 wird eine Beurteilung vorgenommen, ob oder ob nicht das Gebersignal für das Schließen des Ventils ist. Wenn NEIN, d. h. wenn das Gebersignal nicht für das Schließen des Ventils ist, schreitet der Betriebsfluß weiter zum Ende. Wenn JA beim Schritt S28 vor liegt, d. h. wenn das Gebersignal für ein Schließen des Ventils ist, schreitet der Betriebs fluß fort zu Schritt S30, wo der Umschaltabschnitt 7 derart funktioniert, um den Abschnitt 6 zum Ermitteln des Zielstroms mit dem ersten Stromsteuerungsabschnitt 9 zu verbin den. Dann schreitet der Betriebsfluß fort zum Ende.

Wenn bei einer Ventilbetätigungseinrichtung des elektromagnetischen Typs die Lücke "x" zwischen dem Anker 57 und dem Ventilöffnungs- oder Schließelektromagneten 12 oder 12 groß ist, erzeugt das Versorgen mit Energie des Elektromagneten 12 oder 11 nur eine kleine Kraft, die auf den Anker 57 gerichtet ist, und daher, wenn die Lücke "x" groß ist, ist die auf den Elektromagneten 12 oder 11 aufgebrachte elektrische Energie nicht effizient genutzt. Während bei der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt, wenn die Lücke "x" "x1" wird, d. h. wenn "x = x1" sich aufgrund der Bewegung des Ankers 57 in eine Position ergibt, wo die elektromagnetische Kraft, die durch den Elektromagneten 12 oder 11 erzeugt wird, wirksam auf den Anker 57 aufgebracht wird, beginnt die Ge schwindigkeitssteuerung des Ankers 57, und wenn der Anker 57 in eine Position ge langt, wo die elektromagnetische Kraft nicht wirksam auf den Anker 57 aufgebracht wird, wird der Elektromagnet 12 oder 11 nicht mit Energie versorgt. Entsprechend wird bei der Erfindung die elektrische Kraft effizient genutzt.

Bei der Ventilbetätigungseinrichtung des elektromagnetischen Typs weist ihr Feder- Massesystem eine Eigenfrequenz auf. Da bei einem konventionellen System, die Kraft, wie z. B. der Druck in jedem Zylinder des Motors und die Reibkraft in dem Kolben, die auf das Einlaßventil 54 aufgebracht wird, dazu gezwungen wird, sich über den Zeitab lauf zu ändern, aufgrund des Verschleißes des Motors, wird die benötigte Zeit, wenn der Anker 57 sich von der Nähe des einen Elektromagneten 11 oder 12, der energielos ist, zu einer bestimmten Stellung nahe dem anderen Elektromagneten 12 oder 11, wo (x = x1) die elektromagnetische Kraft des anderen Elektromagneten 12 oder 11 beginnt, effizient auf den Anker 57 aufgebracht wird, dazu gezwungen, sich zu ändern. Jedoch, bei der vorliegenden Erfindung wird die Geschwindigkeitssteuerung des Ankers 57 ent sprechend ausgeführt, sogar unter den oben genannten Umständen.

Fig. 5A und 5B sind Graphen zum Erklären der bereitgestellten Vorteile, wenn die Zielgeschwindigkeit des Ankers als eine Funktion einer Position hergeleitet wird. Das heißt, Fig. 5A ist ein Graph einer Zielgeschwindigkeit 110, die hergeleitet wird unter Ver wendung einer Zeit als eine Funktion, und Fig. 5B ist ein Graph einer Zielgeschwindig keit 113, die hergeleitet wird unter Verwendung einer Position als eine Funktion.

Wie von diesen Graphen gesehen werden kann, wird bei der vorliegenden Erfindung die Zielgeschwindigkeit des Ankers 57 (oder der Zielstrom, der den Elektromagneten 11 oder 12 zugeführt wird) hergeleitet unter Verwendung der Ankerposition (Lücke "x") als eine Funktion (Lücke "x"). Dadurch kann bei der Erfindung die Steuerung des Einlaß ventils mit genauer zeitlicher Steuerung begonnen werden.

Bei einem elektromagnetisch betätigten Ventil neigt eine verzögerte Bewegung (spezieller gesagt, temporäres Stoppen) des Einlaßventils dazu aufzutreten, aufgrund einer plötzlich auftretenden abnormalen Verbrennung. Wie aus Fig. 5A gesehen werden kann, wenn die Zielgeschwindigkeit 110 hergeleitet wird unter Verwendung einer Zeit als eine Funktion, basierend auf einer Geschwindigkeit 111 des Ankers, die bereitgestellt wird, wenn das Ventil normal betrieben wird, wid eine Geschwindigkeit 112 des Ankers, die bereitgestellt wird, wenn eine verzögerte Bewegung des Ventils auftritt, dazu ge zwungen, die Zielgeschwindigkeit 110 nach einer bestimmten Zeit zu überschreiten. Da der Anker 57 nicht abgebremst werden kann durch die magnetische Kraft, wird die Ge schwindigkeitssteuerung des Ankers 57 in solch einem Fall nicht durchgeführt.

Wie aus Fig. 5B gesehen werden kann, bei der vorliegenden Erfindung, sogar wenn eine verzögerte Bewegung des Ventils auftritt, kann die Zielgeschwindigkeit 113 herge leitet werden unter Verwendung der Position als Funktion. Entsprechend, unter Berück sichtigung des Zeitbereichs, wie dies von der gepunkteten Kurve 112 gesehen werden kann, wird die Zielgeschwindigkeit 113, die bereitgestellt wird, wenn das Ventil normal betrieben wird, als eine Geschwindigkeit 113a erzeugt, die verzögert ist entsprechend der Verzögerung des Ankers. In diesem Fall wird die Geschwindigkeitssteuerung des Ankers 57 entsprechend beibehalten.

Bei der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt "t1", wenn die Geschwindigkeitssteuerung des Ankers beginnt, wird die Zielgeschwindigkeit einer Selektion ausgesetzt, um im we sentliche gleich der Geschwindigkeit "v" des Ankers 57 zu sein. Entsprechend, zum Zeitpunkt, wenn die Steuerung beginnt, ist ein Steuerungsfehler im wesentlichen Null und daher ist zu dieser Zeit keine Notwendigkeit des Verbrauchens einer erheblichen Menge elektrischen Stroms (elektromagnetische Kraft), um den Wert "v" und den Wert "r(x)" zu erreichen. Dadurch kann die Geschwindigkeitssteuerung des Ankers 57 durch relativ kleine elektrische und elektromagnetische Schaltkreise und eine Spannungsquel le mit relativ niedriger Spannung verwirklicht werden.

Wenn gewünscht, um die Geschwindigkeit des Ankers 57 zu erfassen, kann die Ausga be des Positionssensors 3 nach der Zeit differenziert werden. In diesem Fall kann der Geschwindigkeitssensor 2 entfernt werden.

Im folgenden wird ein Steuerungssystem 100' einer zweiten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben.

Bei dem Steuerungssystem 100' der zweiten Ausführungsform, wird anstelle des Ge schwindigkeitssensors 2, der in der oben genannten ersten Ausführungsform verwendet wurde, ein Stromsensor 16 und ein Abschnitt 17 zum Schätzen der Ankergeschwindig keit verwendet. Der Stromsensor 16 erfaßt den Strom, der dem Ventilschließ- oder Öff nungselektromagneten 11 oder 12 zugeführt wird. Die übrigen Teile sind im wesentli chen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Der Stromsensor 16 kann von solch einem Typ sein, der den ausgegebenen Strom von dem ersten oder zweiten Stromsteuerungsabschnitt 9 oder 10 erfaßt unter Zuhilfenah me eines kleinen Widerstands, der mit dem Schaltkreis 9 oder 10 in Serie geschaltet ist, oder von dem Typ, der den magnetischen Fluß des Ventilschließ- oder Öffnungselek tromagneten 11 oder 12 in einen Strom umwandelt.

Das heißt, in dieser zweiten Ausführungsform, basierend sowohl auf dem Strom, der durch den Stromsensor 16 erfaßt wird und die Ankerposition, die durch den Positions sensor 3 erfaßt wird, schätzt der Abschnitt 17 zum Schätzen der Ankergeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Ankers 57.

Wenn die Masse des Ankers 57 (insbesondere die Masse des bewegten Körpers ein geschlossen des Ankers 57) durch "m" repräsentiert wird, die Federkonstante des be wegten Körpers durch "k" repräsentiert wird, der Viskositätskoeffizient durch "c" und die magnetische Kraft, die durch den Magneten 11 oder 12 erzeugt wird, wird die Bewegung des bewegten Körpers durch die folgenden Formeln repräsentiert:

Es wird angemerkt, daß "F (x, i)" eine Funktion ist, die zuvor durch die Form und das Material des magnetischen Kreises bestimmt wurde und "y" eine gewichtete Komponen te der Federkraft ist. Basierend auf diesen Formeln (10) bis (14) schätzt der Abschnitt 17 zum Abschätzen der Ankergeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Ankers 57 unter Verwendung der folgenden Formeln:

Es wird angemerkt, daß "ve" ein geschätzter Wert der Geschwindigkeit "v" ist. Die ge schätzte Geschwindigkeit "ve" des Ankers wird zum Vergleicherabschnitt 4 ähnlich wie bei der oben genannten ersten Ausführungsform geleitet. Der nachfolgende Betrieb ist der gleiche wie der bei der ersten Ausführungsform und daher kann die Beschreibung desselben ausgelassen werden.

Der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung P10-359591 (angemeldet am 17. Dezember 1998) wird hiermit als Referenz eingebracht.

Obwohl die Erfindung oben unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfin dung beschrieben wurde, wird die Erfindung nicht durch die oben beschriebenen Aus führungsformen beschränkt. Verschiedene Modifikationen und Abweichungen der oben beschriebenen Ausführungsformen können für den Fachmann auftreten, angesichts der obigen Lehren.

Claims

1. In einem elektromagnetisch betätigten Ventil, das einen Elektromagneten, ein An kerelement, das durch den Elektromagneten angetrieben ist, und ein Ventil, das durch das Ankerelement angetrieben ist, aufweist, welches Ankerelement und das Ventil zusammen bewegbar sind, um eine bewegliche Einheit zu bilden, weist ein Steuerungssystem zum Steuern des elektromagnetisch betätigten Ventils auf:
eine Positionserfassungseinheit, die eine Position der beweglichen Einheit erfaßt;
eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Einheit erfaßt;
einen Abschnitt zum Herleiten einer Zielgeschwindigkeit, der eine Zielgeschwindig keit der beweglichen Einheit durch Verarbeiten der Position der beweglichen Ein heit herleitet;
einen Vergleicherabschnitt, der die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfaßte Geschwindigkeit mit der Zielgeschwindigkeit vergleicht, die durch den Ab schnitt zum Herleiten der Zielgeschwindigkeit hergeleitet wurde; und
einen Steuerungsabschnitt, der gemäß dem Ergebnis des Vergleichs durch den Vergleicherabschnitt den Elektromagneten steuert.

2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der Steuerungsabschnitt einen Strom steuert, der dem Elektromagnet gemäß dem Ergebnis des Vergleichs zuge führt wird.

3. Steuerungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die Zielgeschwindigkeit der be weglichen Einheit hergeleitet wird unter Verwendung, als eine Funktion, eines Ab standes zwischen dem Ankerelement und einem Bezugspunkt eines elektroma gnetischen Betätigers, der den Elektromagneten und das Ankerelement beinhaltet.

4. Steuerungssystem nach Anspruch 3, bei welchem, wenn der Abstand einen ersten vorherbestimmten Wert annimmt, die Zielgeschwindigkeit einen ersten Funktions wert anzeigt, der im wesentlichen gleich der Bewegungsgeschwindigkeit ist, die durch die Geschwindigkeitserfassungseinheit erfaßt wird, wobei, wenn der Abstand einen zweiten vorherbestimmten Wert zeigt, der im wesentlichen gleich dem Ab stand zwischen dem Bezugspunkt und dem Elektromagneten ist, die Zielge schwindigkeit einen zweiten Funktionswert anzeigt, der im wesentliche Null ist und bei dem, wenn der Abstand einen Wert unterschiedlich zu den ersten und zweiten vorherbestimmten Werten zeigt, die Zielgeschwindigkeit einen Wert anzeigt, der hergeleitet wird durch Aussetzen der ersten und zweiten Funktionswerte einem Interpolations- oder Extrapolationsverfahrens.

5. Steuerungssystem nach Anspruch 4, bei welchem der zweite Funktionswert Null ist.

6. Steuerungssystem nach Anspruch 5, bei welchem, wenn der Abstand geringer ist als der zweite vorherbestimmte Wert, die Zielgeschwindigkeit konstant Null ist.

7. In einem elektromagnetisch betätigten Ventil, das einen Elektromagneten, ein An kerelement, das durch den Elektromagneten angetrieben wird, und ein Ventil, wel ches durch das Ankerelement angetrieben wird, aufweist, welches Ankerelement und das Ventil zusammen bewegbar sind, um eine bewegliche Einheit zu bilden, weist ein Verfahren zum Steuern des elektromagnetisch betätigten Ventils folgen de Schritte auf:
Erfassen der Position der beweglichen Einheit;
Erfassen einer Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Einheit;
Herleiten einer Zielgeschwindigkeit der beweglichen Einheit durch Verarbeiten der Position der beweglichen Einheit;
Vergleichen der erfaßten Geschwindigkeit mit der hergeleiteten Zielgeschwindig keit; und
Steuern des Elektromagneten gemäß dem Ergebnis des Vergleichs.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Steuerung des Elektromagneten durchgeführt wird durch Steuern eines Stroms, der dem Elektromagneten zuge führt wird.