DE60102131T2 - Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventilantriebes in einem nockenwellenlosen Motor - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventilantriebes in einem nockenwellenlosen Motor Download PDF

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Ventillandung in einem nockenwellenlosen Motor, bei dem der Strom und der Stromgradient in einem elektronischen Ventilstellantrieb mit diskreten Stellungssensoren zur Berechnung der Ventilgeschwindigkeit zur Steuerung der Ventillandung eingesetzt werden.
  • Der ungedrosselte Betrieb, der bei voll geöffneten Ventilen in einem nockenwellenlosen Motor ermöglicht wird, verspricht Verbesserungen in der Kraftstoffersparnis und im Fahrverhalten. Bevor jedoch diese Technik in der Produktion anwendbar ist, müssen noch eine Reihe von technischen Problemen gelöst werden. Eines der Schlüsselprobleme liegt in der Steuerung der Anlegegeschwindigkeit im Ventilbetätigungsmechanismus derart, daß eine zuverlässige Leistung ohne unzumutbar starke Geräuschentwicklung und Vibrationen gewährleistet wird. Dieses Problem wird oft als das "Landungsproblem" bezeichnet (d. h. weiche "Landung" zwischen Ventil und Betätigungsmechanismus jeweils in seiner voll geöffneten und voll geschlossenen Stellung).
  • Bei einem typischen elektromechanischen Stellmechanismus werden die Ventilbewegungen durch den Anker erzeugt, der sich zwischen zwei elektromagnetischen Spulen und unter der Spannung zweier Federn hin- und herbewegt. Die Öffnung des Ventils wird dadurch bewirkt, daß die untere Spule entsprechend angesteuert wird, während die obere Spule dazu dient, die Schließung des Ventils zu bewirken. Hohe Aufprallgeschwindigkeiten am Anker sowie am Ventilsitz können unzumutbar hohe Geräuschentwicklung und Vibrationen zur Folge haben. Wenn andererseits die Spulen unzureichend gesteuert werden, kann es sein, daß die "Landung" des Ventils überhaupt nicht zustande kommt, so daß der Motor ausfällt.
  • Da die Verbrennungsvorgänge im Motor, die die Größe der Störkräfte an den Ventilen bestimmen, stochastisch sind, können die Störkräfte von einem Zyklus zum andern schwanken. Demzufolge muß ein Steuersystem, das die Erregungsparameter der Spulenerregung bestimmt, sowohl einen zyklusinternen Ausgleich für das besondere, im vorliegenden Zyklus erhaltene Störkraftprofil, als auch eine langsamere Anpassung der Erregungsparameter von Zyklus zu Zyklus, welche die Alterung der Motor- wie auch der Stellgliedeinheit sowie einige andere Parameterschwankungen ausgleicht, miteinander kombinieren.
  • Die im bisherigen Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen beruhen entweder überhaupt nicht auf der Erfassung der Ankerposition, oder sie erfordern einen Positionserfassungsmechanismus, der kontinuierlich die Stellung der Ventile in allen Positionen mißt. Die Lösungen ganz ohne Stellungssensor können nicht robust genug sein, weil sie typischerweise auf Abwägungsverfahren im offenen Steuerkreis beruhen, die jedoch ungültig würden, wenn sich die Motor- oder Stellgliedparameter ändern sollten. Die Hauptprobleme bei den Lösungen, die auf kontinuierliche Erfassung zurückgreifen, sind die hohen Kosten und die mangelnde Zuverlässigkeit, weil die Sensoren im Verlauf des Betriebes durch Eichabweichung ungenau werden können.
  • US-A-6 016 778 offenbart ein magnetisch betätigtes Ventil mit einem ferromagnetischen Spulenkörper mit einer Wicklung, welches erste und zweite Endlagen eines Ankers zum Antrieb des Ventils aufweist. Eine Feder drängt den Anker in Richtung der geöffneten Stellung des Ventils, und ein piezoelektrisches Element mißt die Kraft der Feder, wenn das Ventil geöffnet oder geschlossen wird. Das Ausgangssignal vom piezoelektrischen Element wird an einen geschlossenen Regelkreis abgegeben und dient zur Bestimmung der Position des Ventils und der Geschwindigkeit des Ankers. Dadurch wird die Ankergeschwindigkeit geregelt.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und System zur Steuerung der Ventillandng in einem nockenwellenlosen Motor zu stellen.
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung der Ventillandung in einem nockenwellenlosen Motor gestellt, mit einem zwischen voll geöffneten und voll geschlossenen Stellungen bewegbaren Ventil und einem elektromagnetischen Ventilstellglied zur Betätigung des Ventils, worin das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: die Bestimmung der Ventilgeschwindigkeit durch Stellen wenigstens eines diskreten Stellungsmeßsensors zur Bestimmung, wann und ob sich das Ventil im Verlauf der Ventilbewegung in einer bestimmten Position befindet, Schätzen der Ventilgeschwindigkeit an besagter bestimmter Position anhand des Stromes und der Stromänderungsrate bzw. Stromgradienten in dem besagten elektromagnetischen Ventilbetätigungsglied, wenn sich das Ventil in besagter besonderer Position befindet, und Steuern der Ventillandung anhand der geschätzten Geschwindigkeit;
    dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Stellung wenigstens eines diskreten Positionsmeßsensors die Stellung eines ersten Positionsmeßsensors an einer mittigen Stelle beinhaltet, um die Bewegung des Ventils in einer ersten Position zwischen der voll geöffneten und der voll geschlossenen Position zu erfassen, die Stellung eines zweiten Positionsmeßsensors an einer Stelle nahezu vollständiger Schließung zur Erfassung der Bewegung des Ventils in der Nähe der vollständig geschlossenen Position, und die Stellung eines dritten Positionsmeßsensors an einer Stelle nahezu vollständiger Öffnung zur Erfassung der Bewegung des Ventils in der Nähe der voll geöffneten Position.
  • Der Schritt der Bestimmung der Geschwindigkeit des Ventils in besagter bestimmter Position kann die Abwägung der Geschwindigkeit des Ventils in der ersten, zweiten und dritten Stellung beinhalten.
  • Der Schritt der Steuerung der Ventillandung kann die Verwendung der geschätzten Geschwindigkeit in besagter erster Position zur Steuerung der Ventillandung in demselben Ventilzyklus beinhalten, und die Verwendung der geschätzten Geschwindigkeit in der zweiten und dritten Position zur Steuerung der Ventillandung in einem nachfolgenden Ventilzyklus.
  • Alternativ dazu kann der Schritt der Bestimmung der Geschwindigkeit des Ventils in jeder der besagten Positionen die Berechnung der Ventilgeschwindigkeit in jeder Stellung beinhalten, ausgehend von dem Strom und der Stromänderungsrate des elektromagnetischen Ventilbetätigungsgliedes, wenn sich das Ventil in jeder dieser Positionen befindet, sowie die Steuerung der Ventillandung ausgehend von jeder berechneten Geschwindigkeit.
  • Der Schritt der Bestimmung der Geschwindigkeit des Ventils kann mittels folgender Formel durchgeführt werden:
    Figure 00030001
    worin
    z die Position des Ankers ist (d. h. der Abstand von einer voll geöffneten oder voll geschlossenen Stellung),
    r der elektrische Widerstand des elektromagnetischen Ventilstellgliedes (EVA) ist,
    V die Spannung am EVA ist,
    i die gemessene Stromaufnahme des EVA ist,
    ka und kb kalibrierte Konstanten sind, und
    (L·i – ε) ein Schätzwert der zeitlichen Änderungsrate des Stromes ist.
  • Die geschätzte Stromänderungsrate kann aus den folgenden Formeln abgeleitet werden:
    Figure 00040001
    worin
    L ein Zuwachsfaktor der Schätzfunktion ist.
  • Die Konstanten ka und kb können anhand der Relation zwischen der Kraft am beweglichen Anker des elektromagnetischen Ventilstellgliedes und dem Abstand des Ankers von einer voll geöffneten Stellung kalibriert werden, und zwar nach folgender Formel:
    Figure 00040002
    worin
    Fmag eine elektromagnetische Feldstärke einer bestromten Spule ist.
  • Der Schritt der Steuerung der Ventillandung kann die Einstellung einer relativen Einschaltdauer des elektromagnetischen Ventilstellgliedes in Reaktion auf besagte Geschwindigkeitsbestimmung beinhalten.
  • Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge wird ein nockenwellenloser Motor gestellt, mit wenigstens einem, durch ein elektromagnetisches Ventilstellglied zwischen einer voll geöffneten und einer voll geschlossenen Stellung verstellbaren Ventil und einer elektronischen Steuerung zur Steuerung der Betätigung des Ventils, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor außerdem einen ersten Positionsmeßsensor in einer mittigen Stellung zur Erfassung der Bewegungen des Ventils in einer ersten Stellung zwischen der voll geöffneten und der voll geschlossenen Stellung aufweist, der so angeordnet ist, daß er ein die erfaßte Bewegung anzeigendes Signal an die Steuerung liefert, einen zweiten Positionsmeßsensor an der Stelle nahezu vollständiger Schließung zur Erfassung der Bewegungen des Ventils in der Nähe der vollständig geschlossenen Position, derart angeordnet, daß er ein die erfaßte Bewegung anzeigendes Signal an die Steuerung liefert, und einen dritten Positionsmeßsensor an der Stelle nahezu vollständiger Öffnung zur Erfassung der Bewegungen des Ventils in der Nähe der vollständig geöffneten Position, derart angeordnet, daß er ein die erfaßte Bewegung anzeigendes Signal an die Steuerung liefert, und daß die Steuerung derart betrieben werden kann, daß sie die Geschwindigkeit des Ventils in jeder der besagten Stellungen berechnet, und zwar ausgehend vom Strom und der Stromänderungsrate im elektromagnetischen Ventilstellglied, wenn sich das Ventil in jeder der besagten Positionen befindet, und daß sie die Ventillandung des oder jedes Ventils anhand jeder der besagten berechneten Geschwindigkeiten steuert.
  • Die Erfindung soll nun beispielartig näher erläutert werden, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Dabei zeigt:
  • 1: eine schematische Ansicht im Vertikalschnitt einer Vorrichtung zur Steuerung der Ventillandung im Einklang mit der vorliegenden Erfindung, mit dem Ventil in der vollständig geschlossenen Position;
  • 2: eine schematische Ansicht im Vertikalschnitt einer Vorrichtung zur Steuerung der Ventillandung gemäß 1, jedoch mit dem Ventil in der vollständig geöffneten Position;
  • 3a, 3b und 3c veranschaulichen in graphischer Form die Anziehungsspannung, die Landegeschwindigkeit und die Geschwindigkeit am zweiten Sensor jeweils über der Zykluszahl in einer Simulation der vorliegenden Erfindung;
  • 4a, 4b und 4c veranschaulichen in graphischer Form jeweils die Anziehungsspannung, die Landegeschwindigkeit und die Geschwindigkeit am zweiten Sensor über der Zykluszahl in einer zweiten Simulation der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Es sei zunächst Bezug genommen auf die 1 und 2, wo eine Vorrichtung 10 zur Steuerung der Bewegungen eines Ventils 12 in einem nockenwellenlosen Motor zwischen einer voll geschlossenen Stellung (in 1) und einer voll geöffneten Stellung (in 2) dargestellt ist. Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein elektromagnetisches Ventilstellglied (EVA) 14 mit oberen und unteren Spulen 16, 18, die elektromagnetisch einen Anker 20 entgegen der Kraft jeweils einer oberen und einer unteren Feder 22, 24 zur Steuerung der Bewegungen des Ventils 12 bewegen.
  • Stellungssensoren 28, 30, 32 der Schaltkontakt- bzw. Zweipunkt-Bauart sind so vorgesehen und angebracht, daß sie jeweils umschalten, wenn der Anker 20 an dem Ort des Sensors vorbeiläuft. Es wird davon ausgegangen, daß Zweipunkt-Stellungssensoren mittels optischer Technik leicht hergestellt werden können (z. B. unter Verwendung von LEDs und lichtempfindlichen Elementen), und daß sie, wenn sie mit einer geeigneten asynchronen Schaltung kombiniert werden, ein Signal mit einer steigenden Flanke abgeben können, wenn der Anker am Sensorort vorbeifährt. Des weiteren wird davon ausgegangen, daß diese Sensoren eine Kostenersparnis gegenüber kontinuierlichen Stellungssensoren ergeben, und außerdem höchst zuverlässig sind.
  • Eine Steuerung 34 ist betriebsmäßig mit den Stellungssensoren 28, 30, 32 und mit der oberen und unteren Spule 16, 18 verbunden, um die Betätigung sowie das Anlegen bzw. die "Landung" des Ventils 12 zu steuern.
  • Der erste Stellungssensor 28 ist in einer etwa mittigen Position zwischen den Spulen 16, 18 angeordnet, der zweite Sensor 30 ist in unmittelbarer Nähe der unteren Spule 18 angeordnet, und der dritte Sensor 32 ist in der Nähe der oberen Spule 16 angeordnet. In der folgenden Beschreibung soll nur die Steuerung der Ventilöffnung beschrieben werden, bei der der erste und der zweite Sensor 28, 30 zum Einsatz kommen, während die Situation für die Ventilschließung vollkommen symmetrisch dazu bei Verwendung des dritten Sensors anstelle des zweiten Sensors abläuft.
  • Der Hauptnachteil des Zweipunkt-Stellungssensors im Vergleich zu dem kontinuierlichen Stellungsmeßsensor liegt in der Tatsache, daß die Geschwindigkeitsinformation nicht durch bloße Differenzierung des Stellungssignals ermittelt werden kann. Statt dessen schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Geschwindigkeit ausgehend von dem elektromagnetischen Subsystem des Stellantriebes zu berechnen. Insbesondere wird die Geschwindigkeit anhand des Stromes und der Stromänderungsrate in dem elektromagnetischen Stellantrieb 14 berechnet. Da die Störungen durch Gaskräfte an den Ventilen das elektromagnetische Subsystem des Stellantriebes nicht direkt beeinflussen, kann diese Geschwindigkeitsschätzung zuverlässig durchgeführt werden. Die Geschwindigkeitsschätzung (ausgehend von der magnetischen Feldsättigung) hat folgende Form:
    Figure 00060001
    wo "z" und "Vel" jeweils die Ankerstellung (der Abstand von der bestromten Spule) und die Geschwindigkeit sind, r der elektrische Widerstand, V und i jeweils Spannung und Strom sind, und wo εder dynamische Zustand der Schätzfunktion ist und wie in der untenstehenden Formel beschrieben aus dε/dt abgeleitet wird. L ist ein Zuwachsfaktor der Schätzfunktion, und ka und kb sind Konstanten, die durch die Magnetfeldeigenschaften bestimmt werden und anhand der Relation zwischen der Kraft am Anker und dem Luftspaltabstand zwischen dem Anker und der unteren Spule kalibriert werden:
    Figure 00070001
  • Die Stromänderungsrate im elektromagnetischen Stellglied ("EVA") wird als (L·i – ε) in der obenstehenden Geschwindigkeitsformel geschätzt, wobei
    Figure 00070002
    und L > 0 ist ein Zuwachsfaktor der Schätzfunktion, und der aktuelle Meßwert des Stromes i ist ein Eingabewert der Formel. Dementsprechend basiert die berechnete Geschwindigkeit auf dem Strom und der geschätzten Stromänderungsrate im EVA. Die Schätzung wird in einem Mikroprozessorsystem durchgeführt, das der Steuerung des Stellgliedes zugeordnet ist. Die relative Einschaltdauer des EVA ist das zeitlich gebundene Erregungssignal geteilt durch die Gesamtzeit. Die Form des in einem einzelnen Zyklus an der unteren Spule 18 angelegten Betriebserregungssignals (im wesentlichen ein Bruchteil der an der Spule angelegten Spannung, d. h. V = Vmaxd) wird dadurch gestaltet, daß die Werte mehrerer Parameter geändert werden. Eine solches Verfahren verwendet folgende Parameter:
    T2 ist der Zeitpunkt, wo der Einschaltzyklus angelegt wird, durch den der Anker angezogen wird;
    dc ist die Größe der Anziehungs-Einschaltdauer;
    T3 ist der Zeitpunkt beim Übergang vom Anziehungsvorgang auf einen Haltevorgang; und
    dh ist die Größe der Halte-Einschaltdauer.
  • Es wird nun ein Algorithmus vorgeschlagen, mit dem diese Parameter eingestellt werden, und welcher die Informationen von dem ersten und dem zweiten Sensor 28, 30 verwendet und die Aufgaben sowohl der zyklusinternen Steuerung als auch der Steuerung von Zyklus zu Zyklus ausführt. Wenn der Anker an der Stelle eines Schalt- bzw. Zweipunkt-Stellungsgebers vorbeiläuft, wird eine ansteigende Signalflanke des Sensors erfaßt, und damit ist die Position zu diesem Zeitpunkt bekannt. Unter Verwendung des oben beschriebenen elektromagnetischen Subsystems wird nun die Geschwindigkeit des Ankers zurückermittelt und für die Steuerung herangezogen. Dementsprechend kann die Geschwindigkeit des ersten Sensorüberganges als eine Frühwarnung bezüglich der Größe der Störung dienen, die die Ventilbewegung betrifft, und diese Information kann zur zyklusinternen Steuerung herangezogen werden. Die Anpassung von einem Zyklus zum anderen zielt auf die Regelung der Geschwindigkeit beim zweiten Sensorübergang auf den Soll-Wert ab. Versuche haben gezeigt, daß Störungen an Auslaßventilen zu Beginn der Ventilbewegung am größten sind, und daher kann die Regulierung der Geschwindigkeit auf den gewünschten Wert gegen Ende des Ventilhubes als Mechanismus zur Erwirkung eines weichen Aufsetzens bzw. einer weichen "Landung" eingesetzt werden. Schließlich kann es in solchen Situationen, wo eine Fehlfunktion des Ventils droht, was durch ein deutliches Geschwindigkeitsdefizit beim Übergang des zweiten Sensors angezeigt werden kann, oder dadurch, daß ein zweiter Übergang des zweiten Sensors auftritt, erforderlich sein, die volle Einschaltdauer anzulegen, um das Anlegen bzw. die "Landung" des Ventils zu sichern. Anders ausgedrückt würde jetzt Spannung kontinuierlich an der unteren Spule 18 angelegt.
  • Der nachstehend beschriebene Algorithmus geht (der Einfachheit halber) davon aus, daß der anfängliche Anziehungsteil des Einschaltzyklus erst nach dem ersten Sensorübergang aktiv wird. Bei höheren Motordrehzahlen kann eine frühzeitigere Aktivierung des Einschaltzyklus nötig sein, um kürzere Ansprechzeiten zu schaffen. In dieser Situation ist es möglich, die Übergangsinformation vom dritten Sensor 32 statt der Übergangsinformation vom ersten Sensor 28 zu verwenden. Ebenso ist es möglich, den Algorithmus so zu ändern, daß er nur auf den Teil des aktiven Einschaltzyklusprofils nach dem Übergang des ersten Sensors 28 angewendet wird. Schließlich sollte klar sein, daß die Übergangsinformationen von allen drei Sensoren 28, 30, 32 eingesetzt werden können, um den Einschaltzyklus innerhalb eines einzelnen Ventilöffnungs- oder Ventilschließvorganges anzupassen.
  • Die Hauptmerkmale des in 5 dargestellten Algorithmus sind folgende.
  • Liegt die geschätzte Geschwindigkeit beim ersten Sensorübergang, Vel1, unter dem gewünschten bzw. Soll-Wert, Vel1d, dann wird der Wert von dc (d. h. der relativen Einschaltdauer) von seinem Nominalwert dc,0 um einen Wert fp(Vel1,d – Vel1) erhöht, dessen Größe eine schneller als linear ansteigende Funktion der Höhe der Differenz ist. Diese Berechnung ist in Block 40 in 5 dargestellt, wo fp ein kalibrierbarer Verstärkungsfaktor ist. Die Zunahme an dc sichert das Auftreffen bzw. die "Landung" des Ankers, da eine Geschwindigkeit, die kleiner als die Soll-Geschwindigkeit ist, höher als erwartet ausfallende Störeinflüsse anzeigt, die der Bewegung des Ventils 12 entgegenwirken. Überproportional aggressivere Aktionen sind bei einem größeren Geschwindigkeitsdefizit nötig.
  • Liegt die geschätzte Geschwindigkeit beim ersten Sensorübergang über dem Soll-Wert, kann der Wert von dc dem Nominalwert gegenüber um einen gemäßigten Betrag zurückgenommen werden, der von der Größe der Differenz abhängen kann.
  • Weiter mit Bezug auf Block 40 wird ein Lern- oder Adaptiv-Term zu dem resultierenden dc-Wert addiert, um so eine Anpassung von einem Zyklus auf den anderen zu schaffen. Der Adaptiv-Term wird durch Multiplizieren eines Verstärkungsfaktors k mal dem Integratorausgang è gebildet, der die vorangegangenen Differenzen zwischen der geschätzten Geschwindigkeit Vel2 und der Soll-Geschwindigkeit Vel2,d beim zweiten Sensorübergang summiert.
  • Es sei nun Bezug genommen auf Block 42 in 5; wenn der resultierende dc-Wert eins überschreitet (d. h. praktisch nicht realisierbar ist), wird dc gleich 1 gesetzt, und T2 wird von seinem Nominalwert T2,0 aus um einen Wert vorverschoben, dessen Größe eine monotone Funktion des Betrages ist, um welchen der ursprünglich errechnete Wert für dc den Wert 1 übersteigt. T2 ist der Zeitpunkt, zu welchem der Einschaltzyklus angelegt wird, der die Anziehung des Ankers bewirkt. Anders ausgedrückt wird, wenn mehr als 100% relative Einschaltdauer gefordert werden, der Anziehungsstrom T2 früher eingeschaltet, um diese Forderung auszugleichen.
  • Es sei nun Bezug genommen auf die Blöcke 44 und 46 in 5; wenn hier der Wert für Vel2 deutlich kleiner als der Soll-Wert Vel2,d ist, oder wenn ein zweiter Übergang am zweiten Sensor erfaßt worden ist (was anzeigt, daß das Ventil 12 beginnt, sich in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen), wird ein Notimpuls erzeugt, der die Landung des Ventils erzwingt, und worin die relative Einschaltdauer dc auf den Maximalwert von 1 eingestellt wird, bis eine vorgegebene Zeit Tf abgelaufen ist. Nach Ablauf des Zeitraumes Tf wird die relative Einschaltdauer auf die Halte-Einschaltdauer dh eingestellt.
  • Die Ergebnisse der Simulation des Stellgliedmodells im geschlossenen Regelkreis anhand des vorgeschlagenen Algorithmus nach 5 sind in der nachstehenden Tabelle 1 und in den 3a3c und 4a4c dargestellt. Die nicht gemessenen Störeinflüsse auf das Ventil werden als zunächst dauernd und schließlich exponentiell abnehmend angenommen, um so die Tatsache wiederzugeben, daß die Störeinflüsse anfänglich größer sind. In dem Fall, daß die Störeinflüsse gegen die Ventilbewegung wirken ("–w"), ergibt das Anlegen des normalen Einschaltdauerprofils (d. h. bei ausgeschaltetem Algorithmus) überhaupt keine "Landung" (der Anker schafft es dann gar nicht bis zur zweiten Sensorstelle). Wenn die Störeinflüsse in der Richtung der Ventilbewegung wirken ("+w), dann ergeben sich sehr hohe Landegeschwindigkeiten bei ausgeschaltetem Algorithmus. Bei eingeschaltetem Algorithmus wird eine Landung auch im Fall "–w" garantiert, und zusätzlich wird die Veränderlichkeit der Landegeschwindigkeit in beiden Fällen deutlich reduziert. Eine gewisse Restveränderlichkeit bleibt erhalten, trotz der Tatsache, daß die Geschwindigkeit beim zweiten Sensorübergang auf den Soll-Wert eingeregelt wird. Dies liegt daran, daß eine gewisse Störung dennoch erhalten bleibt und die Bewegung des Ankers beeinflußt, selbst nach dem zweiten Sensorübergang.
  • Tabelle 1
    Figure 00090001
  • Tabelle 1 veranschaulicht die stabilisierte Landegeschwindigkeit w (d. h. nach zehn Zyklen) mit und ohne Ausgleich für den Nominalfall (w = 0) und für diejenigen Fälle, wo die nicht gemessene Störkraft, die anfänglich dauernd vorliegt und dann exponentiell abnimmt, auf des Ventil wirkt. Im Falle "–w" ist die Störung der Ventilbewegung entgegengerichtet, während im Falle "+w" die Störung in Richtung der Ventilbewegung wirkt.
  • Mit Bezug auf die 3a3c sind hier die Anziehungsspannung Vc = Vmaxdc(Vmax ist gleich 200), die Landegeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des zweiten Sensorüberganges von einem Zyklus zum anderen dargestellt. Der Soll-Wert Vel2,d wird durch die gestrichelte Linie in 3c dargestellt. Der Nennwert für Vc ist 100. Hier wirkt eine unbekannte Störkraft (zunächst anhaltend, dann exponentiell abnehmend) auf das Ventil und stellt sich der Ankerbewegung in Richtung auf die untere Spule entgegen. Der Ausgleich durch einen Notimpuls wird hier im ersten und dritten Zyklus eingesetzt, um sicherzustellen, daß der Anker auch wirklich zur "Landung" kommt. Der Anker läuft im ersten und dritten Zyklus dreimal an der Stelle des zweiten Sensors vorbei. Ein aggressiver Ausgleich für die Differenz Vel1,d – Vel1 mit fp(Vel1,d – Vel1) ist in 3a klar im ersten Zyklus erkennbar, ebenso eine langsamere Anpassung von einem Zyklus zum anderen, aus der Differenz Vel2,d – Vel2 heraus.
  • Es sei nun Bezug genommen auf die 4a4c, wo die Anziehungsspannung Vc = Vmaxdc(Vmax = 200), die Landegeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des zweiten Sensorüberganges von einem Zyklus zum anderen für den Fall "+w" dargestellt ist. Der Soll-Wert Vel2,d ist durch die gestrichelte Linie in 4c angedeutet. Der Nennwert von Vc ist 100. Hier wirkt eine unbekannte Störkraft (zunächst anhaltend, dann exponentiell abnehmend) auf das Ventil und beschleunigt den Anker in Richtung auf die zweite Spule. Hier war (zum Zwecke der Veranschaulichung) die Einwirkung von fp(Vel1,d – Vel1) auf die Geschwindigkeitsdifferenz beim ersten Sensorübergang auf null eingestellt, um die Wirkung der Anpassung von einem Zyklus zum anderen zu veranschaulichen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung der Ventillandung in einem nockenwellenlosen Motor mit einem zwischen voll geöffneten und voll geschlossenen Stellungen bewegbaren Ventil (12) und einem elektromagnetischen Ventilstellglied (14) zur Betätigung des Ventils (12), worin das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: die Bestimmung der Ventilgeschwindigkeit durch Stellen wenigstens eines diskreten Stellungsmeßsensors (28, 30, 32) zur Bestimmung, wann und ob sich das Ventil (12) im Verlauf der Ventilbewegung in einer bestimmten Position befindet, Schätzen der Geschwindigkeit des Ventils (12) in besagter bestimmter Position anhand des Stromes und der Stromänderungsrate in besagtem elektromagnetischem Ventilstellglied (14), wenn sich das Ventil (12) in besagter bestimmter Position befindet, und Steuern der Ventillandung anhand der geschätzten Geschwindigkeit; dadurch gekennzeichnet, daß besagter Schritt der Stellung wenigstens eines diskreten Positionsmeßsensors die Stellung eines ersten Positionsmeßsensors (28) an einer mittigen Stelle beinhaltet, um die Bewegung des Ventils (12) in einer ersten Position zwischen der voll geöffneten und der voll geschlossenen Position zu erfassen, die Stellung eines zweiten Positionsmeßsensors (32) an einer Stelle nahezu vollständiger Schließung zur Erfassung der Bewegung des Ventils in der Nähe der vollständig geschlossenen Position, und die Stellung eines dritten Positionsmeßsensors (30) an einer Stelle nahezu vollständiger Öffnung zur Erfassung der Bewegung des Ventils (12) in der Nähe der voll geöffneten Position.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagter Schritt der Bestimmung der Geschwindigkeit des Ventils (12) in besagter bestimmter Position die Schätzung der Geschwindigkeit des Ventils in der ersten, zweiten und dritten Position beinhaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin besagter Schritt der Steuerung der Ventillandung den Einsatz der geschätzten Geschwindigkeit in besagter erster Position zur Steuerung der Ventillandung im selben Ventilzyklus beinhaltet, und den Einsatz der geschätzten Geschwindigkeit in der zweiten und dritten Position zur Steuerung der Ventillandung in einem nachfolgenden Ventilzyklus.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin besagter Schritt der Bestimmung der Geschwindigkeit des Ventils (12) an jeder der besagten Stellen die Berechnung der Geschwindigkeit des Ventils an jeder besagten Stelle beinhaltet, ausgehend von dem Strom und der Stromänderungsrate im elektromagnetischen Ventilstellglied (14), wenn sich das Ventil (12) in jeder der besagten Positionen befindet, und die Steuerung der Ventillandung ausgehend von jeder berechneten Geschwindigkeit.
  5. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, worin besagter Schritt der Bestimmung der Geschwindigkeit des Ventils (12) durch folgende Formel erfolgt:
    Figure 00120001
    worin z die Position des Ankers ist (d. h. sein Abstand von einer voll geöffneten oder einer voll geschlossenen Stellung), r der elektrische Widerstand des elektromagnetischen Ventilstellgliedes (EVA) ist, V die Spannung am EVA ist, i die gemessene Stromaufnahme des EVA ist, ka und kb kalibrierte Konstanten sind, und (L·i –ε) ein Schätzwert der zeitlichen Änderungsrate des Stromes ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin besagte geschätzte Änderungsrate des Stromes aus folgenden Formeln abgeleitet wird:
    Figure 00120002
    worin L ein Zuwachsfaktor der Schätzfunktion ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, worin besagte Konstanten ka und kb aus der Relation zwischen der Kraft am Anker (20) des elektromagnetischen Ventilstellgliedes (14) und dem Abstand des Ankers (20) von der voll geöffneten Stellung heraus anhand folgender Formel kalibriert werden:
    Figure 00130001
    worin Fmag eine elektromagnetische Feldstärke einer bestromten Spule ist.
  8. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, worin besagter Schritt der Steuerung der Ventillandung die Einstellung einer relativen Einschaltdauer des elektromagnetischen Ventilstellgliedes (14) in Reaktion auf besagte ermittelte Geschwindigkeit beinhaltet.
  9. Nockenwellenloser Motor mit wenigstens einem Ventil (12), das durch ein elektromagnetisches Ventilstellglied (14) zwischen einer voll geöffneten und einer voll geschlossenen Stellung verstellbar ist, und mit einer elektronischen Steuerung (34) zur Steuerung der Betätigung des Ventils; dadurch gekennzeichnet, daß der Motor außerdem einen ersten Positionsmeßsensor (28) an einer mittigen Stelle zur Erfassung der Bewegungen des Ventils (12) in einer ersten Position zwischen der voll geöffneten und der voll geschlossenen Position aufweist, der so angeordnet ist, daß er ein die erfaßte Bewegung anzeigendes Signal an die Steuerung (34) liefert, einen zweiten Positionsmeßsensor (32) an der Stelle nahezu vollständiger Schließung zur Erfassung der Bewegungen des Ventils (12) in der Nähe der vollständig geschlossenen Position, derart angeordnet, daß er ein die erfaßte Bewegung anzeigendes Signal an die Steuerung (34) liefert, und einen dritten Positionsmeßsensor (30) an einer Stelle nahezu vollständiger Öffnung zur Erfassung der Bewegungen des Ventils (12) in der Nähe der vollständig geöffneten Position, derart angeordnet, daß er ein die erfaßte Bewegung anzeigendes Signal an die Steuerung (34) liefert, und daß die Steuerung (34) derart betrieben werden kann, daß sie die Geschwindigkeit des Ventils (12) in jeder der besagten Stellungen berechnet, und zwar ausgehend vom Strom und der Stromänderungsrate im elektromagnetischen Ventilstellglied (14), wenn sich das Ventil (12) in jeder der besagten Positionen befindet, und daß sie die Ventillandung des oder jedes Ventils (12) anhand jeder der besagten berechneten Geschwindigkeiten regelt.
DE60102131T 2000-12-08 2001-12-04 Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventilantriebes in einem nockenwellenlosen Motor Expired - Lifetime DE60102131T2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US732696 2000-12-08
US09/732,696 US6397797B1 (en) 2000-12-08 2000-12-08 Method of controlling valve landing in a camless engine

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DE60102131D1 DE60102131D1 (de) 2004-04-01
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