EP0973178B1 - Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

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EP0973178B1
EP0973178B1 EP99112676A EP99112676A EP0973178B1 EP 0973178 B1 EP0973178 B1 EP 0973178B1 EP 99112676 A EP99112676 A EP 99112676A EP 99112676 A EP99112676 A EP 99112676A EP 0973178 B1 EP0973178 B1 EP 0973178B1
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EP
European Patent Office
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armature
coil
valve
controller
lifting valve
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EP99112676A
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EP0973178A3 (de
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Ralf Cosfeld
Konrad Reif
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Priority claimed from DE1998155775 external-priority patent/DE19855775A1/de
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    • H01F7/121—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position
    • H01F7/123—Guiding or setting position of armatures, e.g. retaining armatures in their end position by ancillary coil

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the movement of an anchor an electromagnetic actuator, in particular for actuating a Gas exchange stroke valves of an internal combustion engine, the armature oscillating between two electromagnet coils at least against the force a return spring by alternating energization of the solenoid coils is moved, and with an approach of the anchor to the first energized coil during the so-called catching process the electrical voltage applied to the coil capturing the armature is reduced becomes.
  • DE 195 30 121 A1 Regarding the technical environment, reference is made to DE 195 30 121 A1.
  • a preferred application for an electromagnetic actuator the features of claim 1 is the electromagnetically actuated valve train of internal combustion engines, i.e. the gas exchange stroke valves of a reciprocating piston internal combustion engine are actuated in such a way by actuators Operated way, i.e. oscillatingly opened and closed.
  • the globe valves are individually or also in groups via electromechanical actuators, the so-called actuators moves, the time for opening and closing each Lift valves can be chosen essentially completely freely. This can the valve timing of the internal combustion engine optimally to the current Operating state (this is defined by speed and load) as well as to the respective requirements with regard to consumption, torque, emissions, Comfort and responsiveness of a driven by the internal combustion engine Be adapted to the vehicle.
  • the essential components of a known actuator for actuating the lift valves of an internal combustion engine are an armature and two electromagnets for holding the armature in the "lift valve open” or “lift valve closed” position with the associated electromagnetic coils, and also return springs for the movement of the armature between the positions "lift valve open” and “lift valve closed”.
  • armature and two electromagnets for holding the armature in the "lift valve open” or “lift valve closed” position with the associated electromagnetic coils, and also return springs for the movement of the armature between the positions "lift valve open” and “lift valve closed".
  • FIG. 1 which shows such an actuator with an associated lift valve in the two possible end positions of the lift valve and actuator armature, and the course of the armature stroke between the two states or positions of the actuator / lift valve unit shown z or armature path between the two solenoid coils and also the course of the current flow I in the two solenoid coils is shown over time t in accordance with a known state of the art (compared to DE 195 30 121 A1 mentioned earlier).
  • FIG. 1 the closing process of an internal combustion engine lift valve is shown, which is designated by reference number 1 and which in this case moves in the direction of its valve seat 30.
  • a valve closing spring 2a acts on this lifting valve 1, furthermore the actuator designated in its entirety with 4 acts on the stem of the lifting valve 1 - here with the interposition of a (not absolutely necessary) hydraulic valve lash compensation element 3.
  • this consists of a push rod 4c acting on the stem of the lift valve 1, which carries an armature 4d which is guided in an oscillating, longitudinally displaceable manner between the electromagnetic coils 4a, 4b.
  • a valve opening spring 2b also acts on the end of the push rod 4c facing away from the stem of the lifting valve 1.
  • the closing process of the lift valve 1 will now be briefly described below, ie in FIG. 1 the transition from the left-hand state to the state on the right-hand side; in between, the corresponding courses of the electric currents I flowing in the coils 4a, 4b and the course of the stroke or the path coordinate z of the armature 4d are plotted over time t.
  • the make coil 4a becomes one suitable time (the current I for the coil 4a is in the 1-t diagram shown in a solid line), whereby this coil 4a Anchor 4d captures - this is the so-called catching process -, and finally in the position shown on the right side "lift valve closed” holds. After the armature 4d is securely caught by the coil 4a in this, moreover, switched to a lower holding current level (see l-t diagram).
  • the electrical voltage is generated by the energy supply kept constant, and the coil current I of the internal combustion engine lift valves 1 assigned actuators 4 by a control unit controlled in such a way that the necessary forces for opening, Closing and holding the or the lift valves 1 in the desired Position.
  • the coil current I during the so-called catching process in which one of the two coils 4a, 4b seeks to capture anchor 4d from said controller or regulated by a control unit by clocking to a constant value, which is large enough to secure the anchor 4d under all conditions capture.
  • the force of the catching electromagnetic coil 4a or 4b on the armature 4d approximately proportional to the current I and vice versa proportional to the distance between coil and armature.
  • a constant current I set so the magnetic force acting on the armature 4d increases with its approach to the respective coil 4a or 4b catching it inversely proportional to the remaining gap, causing the armature acceleration and armature speed increase.
  • the object of the present invention to show further improvements, ie a simple, practical and efficient method for reducing the speed of impact of an armature of an electromagnetic actuator is to be demonstrated.
  • the solution to this problem is characterized in that the braking phase of the catching process is followed by a braking phase in which a clocked electrical voltage is applied to the coil until the armature hits it, the respective switching times and the voltage-pulse ratio of a controller can be determined on the basis of a target trajectory describing the anchor target movement.
  • the controller also determines the sign of the constant voltage value in addition to the voltage-pulse ratio, ie either a positive or a negative voltage value or the voltage value "zero" is clocked "to the coil catching the armature.
  • the known one is proposed Current regulation or the also known (to be determined empirically) Voltage reduction during the catching process through regulation to replace which during the so-called braking phase of the catching process shortly before the armature hits the magnet coil that catches it electrical voltage is applied to this coil in a controlled manner, namely clocked, the respective switching times for switching off and switching on the electrical voltage (as well as its sign if necessary) based on a target trajectory describing the target anchor movement can be determined.
  • trajectory is known to the person skilled in control engineering and describes a trajectory of a path to be moved controlled by a controller Object in a state space, in this case the Path curve of the armature between the two electromagnetic coils.
  • Prefers contains this target trajectory above or depending on the Time (as usual with "t") Values for the position of the anchor (in the following also called “path coordinate”), for its speed and for the acceleration of the anchor, i.e. it is quasi a simple table of values that either fix in a suitable control unit can be stored or depending on current boundary conditions can be individually calculated in a manner explained in more detail later can.
  • the initial size of the control concept or of the controller 10 is that at which the anchor 4d (see FIG. 1) for the catching coil 4a or 4b. applied voltage U.
  • This voltage U preferably has one constant value and is clocked by the controller 10 the respective coil 4a or 4b applied, the controller 10 still the Can determine the sign of the electrical voltage, i.e. it is clocked either a positive or a negative voltage value or the voltage value "Zero" is applied to the coil 4a or 4b catching the armature 4d.
  • the position of the armature is referred to directly as "z" in the following, without using the explanatory term "path coordinate". From this path coordinate or anchor position z, the movement speed z ⁇ of the armature and the armature acceleration are obtained by derivation once or twice over time t can be estimated or ascertained.
  • the value z and the quantities z ⁇ derived from it, are determined by the observer 11 and communicated to the controller 10 as so-called estimated values 21.
  • Another input variable of the control concept described here is that of the observer 11 when determining the estimated values 21 is processed, which determined in the respective coils 4a, 4b (cf. FIG. 1) Current flow I (as a result of the applied voltage U).
  • FIG. 3a The sequence of figures 3a, 3b, 3c, 3d explained below shows the individual phases of the regulation according to the invention during the catching process of the armature 4d by one of the two coils 4a, 4b in a system according to FIG. 1:
  • the individual phases according to the invention namely the catching phase FP, the braking phase BP and the holding phase HP following the armature impact on the coil are identified in FIG. 3a.
  • this switch-on time t 1 can in principle be freely selected within certain limits; it only has to be ensured that the anchor 4d can still be caught at all.
  • the voltage U is switched on when the armature position z exceeds a certain selectable threshold value.
  • this threshold value can also be variable, as a result of which additional boundary conditions, such as different external forces acting on the lifting valve 1 to be moved (such as gas forces in particular) can be taken into account at different operating points of the internal combustion engine.
  • the voltage supply to the respective coil 4a or 4b capturing the armature 4d is first interrupted in this after the known catching phase FP at time t 2 , as a result of which this braking phase BP is started, in which the constant electrical voltage U clocked and preferably with variable sign applied to the relevant coil 4a, 4b (and thus a current flow I is initiated).
  • the respective points in time for switching off and switching on the voltage U (which is constant in terms of amount) (ie the so-called voltage-pulse ratio) and here in addition the sign of the voltage U (ie the choice between a negative or a positive voltage value) are determined by the controller 10.
  • the armature 4d (see Fig. 1) already in its flight phase, i.e. before the actual impact, are braked in a controlled manner, in the so-called braking phase BP. Indeed should this braking phase BP be the opening and closing time of the Actuator 4 actuates internal combustion engine lift valve 1 no more than necessary extend.
  • Suitable state variables for the armature movement must now be selected for the design of a controller 10 that meets these requirements.
  • the armature acceleration is preferred here chosen as the third state variable, since it also represents an easily interpreted variable as a direct derivative of the anchor speed z ⁇ .
  • the control can also be set up with other state variables.
  • the controller 10 can now use a so-called target trajectory 20 to carry out its desired function, namely to have the armature 4d placed as smoothly and smoothly as possible on the respective electromanet coil 4a, 4b, which depends on the Time t correlating values for the position z, the speed z ⁇ , and the acceleration of the anchor 4d contains.
  • This target trajectory 20 is therefore nothing other than a value table of target values, which is shown in simplified form in FIG.
  • the controller 10 corrects this by suitably switching the voltage U on or off (including any necessary variation of its sign).
  • the detailed design of the controller 10 can be done by various methods of linear and non-linear control theory and will not be dealt with here.
  • FIGS. 3b, 3c, 3d Here again are the position z over the time t (FIG. 3b), the (desired) armature speed z ⁇ (FIG. 3c), and the (desired) armature acceleration (Fig.3d) in each case in the final phase of the armature movement, ie before the armature 4d strikes the coil 4a or 4b capturing it.
  • This essentially shows the time period between t 2 (this is the end point of the catching phase FP, at which the constant voltage is switched off and the actual control process is started) and the touchdown time t 4 , ie essentially the braking phase BP is shown.
  • the capture phase FP To the left of t 2 is the capture phase FP, in which the armature 4d moves toward the coil capturing it, with the acceleration, as can be seen in this catching phase FP not only decreases, but even already assumes negative values, since with this approach movement, for example to the coil 4a, the associated return spring 2b (cf. FIG. 1) is tensioned, ie the armature 4d is z z ⁇ in its flight speed this return spring 2b already braked.
  • the actual control process begins at time t 2 , ie the braking phase BP is started.
  • This braking phase BP is now to be designed in an ideal manner by the controller 10 such that the armature 4d is gently placed on the coil 4a (or 4b), ie the acceleration must occur at the time of placement t 4 be back to zero.
  • z (t) z 0 + ⁇ 0 • t + ⁇ 1 / 2 • t 2 + ⁇ 2 / 3 • t 3
  • z (t) z 0 + z 0 • t + ⁇ 0 / 2 • t 2 + ⁇ 1 / 6 • t 3 + ⁇ 2 / 12 • t 4
  • the constants z 0 , z ⁇ 0 , ⁇ 0 , ⁇ 1 and ⁇ 2 are from the continuity conditions for to determine z ⁇ and z at time t 3 , two of these constants being freely selectable.
  • the values for ⁇ 0 and the position of the vertex of said parabola (at time t s ) can preferably be chosen as desired within certain limits.
  • the said target trajectory as here by one piece each To represent straight lines and a parabola.
  • Others may as well do mathematical-geometric Functions such as polynomials, a sine function or the like can be used.
  • the controller 10 requires three state variables for the execution of its function, preferably the armature position z, the movement speed z ⁇ of the armature 4d and the armature acceleration , In principle, it is possible to measure these state variables using suitable sensors. However, in order to save sensors or to replace expensive sensors by inexpensive sensors, at least two of these state variables can also be reconstructed by a so-called observer 11, who has already been briefly mentioned in connection with FIG.
  • an actuator model is connected in parallel to the actuator 4, which is fed with an actual variable that is important for the actuator 4, namely with the variable of the current flow I determined in the respective coil 4a, 4b.
  • the armature position estimated on this basis can be compared with the actual measured armature position z and additionally transmitted to the observer 11 as an input variable, and the difference from this can then be fed back to the variables or so-called state variables of the actuator model via a correction function.
  • the observer 11 compares the estimated values for (here) the armature position z, the movement speed z ⁇ of the armature 4d and the armature acceleration the actual values for this.
  • the values z, z ⁇ can also be used to characterize the actuator state.
  • the correction function just mentioned can be designed by various methods of linear or non-linear control theory and will not be dealt with in more detail here.
  • the proposed complete state feedback enables the representation of arbitrarily low impingement speeds of the armature 4d on the respective electromagnetic coil 4a or 4b.
  • the armature 4d without jerk ie with an acceleration strikes the respective coil from the value "zero", so that the noise generated by this impact is minimized at time t 4 .
  • the target trajectory calculated in the background or in a suitable control electronics the real-time computation effort is kept low during the actual control process.
  • the calculation of the target trajectory in the preferred application mentioned allows adaptation during operation of the internal combustion engine, depending on its current operating state, such as, for example, speed, load torque, temperature, wear and more. Furthermore, the problem of measuring all the required quantities is solved by using the observer 11 based on the measured quantities valve lift or armature position z and coil current I.
  • FIG. 5 differs from that of FIGS. 1, 4 in that an opening and a closing movement of the lift valve 1 is shown in FIG. 5 , ie the time axis (t) extends over a longer period of time than in the figures 1, 4 .
  • the above-mentioned controller can thus set a floating position of the armature 4d in a quasi-fictitious end position, in which the armature 4d remains at least slightly spaced from the normally open coil 4a that previously released it.
  • the opening coil 4b (cf. also FIG . 1)
  • a target trajectory 20c which keeps the armature 4d at least slightly at a short distance from the corresponding electromagnetic coil or closer coil 4a can be provided.
  • the armature 4d is first moved to the position z 2 , which corresponds to the placement of the lift valve 1 on its valve seat 30 (see FIG . 1 ). Subsequently, the armature 4d is moved into the position z 1 , which corresponds to its own mechanical end position, in which it therefore comes to rest on the make coil 4a.
  • armature 4d instead of the mechanical end positions of the armature 4d on the electromagnetic coils 4a, 4b, generally fictitious or so-called quasi-end positions of the armature 4d (lying between z 0 and z 1 ) can be approached, that is, target trajectories (not shown in the figures) are provided here move the lifting valve 1, for example, into its end positions and keep the armature 4d at a distance from the respective electromagnetic coil 4a or 4b.
  • a so-called floating position of the armature 4d is set in a fictitious or quasi-end position in which the armature 4d remains at least slightly spaced from the coil 4a or 4b capturing it.
  • the regulated system namely the electromagnetic Valve train for the gas exchange stroke valve 1, which has the desired behavior.
  • this system under consideration the desired target trajectory in the desired operating state brought and this until the conclusion of the respective Movement sequence no longer leaves.
  • This can be done under suitable Prerequisites due to a discontinuous control signal analogous to a two-point controller can be achieved.
  • the desired operating conditions regardless of deviations or faults be chosen so that the regulated system is largely independent of deviations and disturbances.
  • the armature of the electromagnetic Actuator controlled in terms of its movement is that the one closer to the anchor and consequently energized Coil applied electrical voltage is regulated clocked and that Voltage-clock ratio of a controller based on the armature target movement descriptive target trajectory is determined.
  • the calculation of the target trajectory is an adaptation even during operation the engine allows, depending on their current operating status, such as speed, load torque, temperature, Wear and more.
  • the dynamic behavior actually depends of the actuator in particular due to the gas exchange valve acting gas forces essentially from the load condition and from the speed the internal combustion engine. It can also change component temperatures and especially the temperature of the engine lubricating oil as well as general signs of wear to a change the mechanical properties of the actuator.
  • the following shows how at least one of the adjustments mentioned can be carried out in a particularly efficient manner. Therefore can in particular adapt to different internal combustion engine operating states in terms of their type in advance using a numerical Optimization algorithm done and in an electronic control unit be filed. Furthermore, an additional adjustment of the controller and / or the target trajectories to changing external boundary conditions Operation of the internal combustion engine in an at least temporarily running Background process.
  • Adaptation to different internal combustion engine operating conditions should be done in advance, so that the result of this adjustment can be stored in an electronic control unit.
  • Dependent on works from the current operating state of the internal combustion engine then the controller with the corresponding adaptation or accesses one of these Operating state adjusted target trajectory back.
  • the fact of Pre-adaptation means that this adaptation is based on simulations and / or be carried out on the basis of test bench measurements can.
  • the use of a numeric for this adjustment Optimization algorithm proposed.
  • the whole Control process for the armature movement using at least one suitable one Quality criterion can be optimized.
  • An example of such a quality criterion is the speed at which the anchor hits the current one Electromagnetic coil, or the armature acceleration at the time of impact.
  • the adaptation to changing boundary conditions should when operating the internal combustion engine in an at least temporarily running Background process. It must be ensured here that the corresponding electronic control unit has sufficient computing capacity is made available for this so-called ongoing adaptation to enable.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers an die zunächst bestromte Spule während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker einfangenden Spule anliegende elektrische Spannung reduziert wird. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 195 30 121 A1 verwiesen.
Ein bevorzugter Anwendungsfall für einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist der elektromagnetisch betätigte Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen, d.h. die Gaswechsel-Hubventile einer Hubkolben-Brennkraftmaschine werden von deratigen Aktuatoren in gewünschter Weise betätigt, d.h. oszillierend geöffnet und geschlossen. Bei einem derartigen elektromechanischen Ventiltrieb werden die Hubventile einzeln oder auch in Gruppen über elektromechanische Stellglieder, die sog. Aktuatoren bewegt, wobei der Zeitpunkt für das Öffnen und das Schließen jedes Hubventiles im wesentlichen völlig frei gewählt werden kann. Hierdurch können die Ventilsteuerzeiten der Brennkraftmaschine optimal an den aktuellen Betriebszustand (dieser ist durch Drehzahl und Last definiert) sowie an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Verbrauch, Drehmoment, Emissionen, Komfort und Ansprechverhalten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges angepaßt werden.
Die wesentlichen Bestandteile eines bekannten Aktuators zur Betätigung der Hubventile einer Brennkraftmaschine sind ein Anker sowie zwei Elektromagnete für das Halten des Ankers in der Position "Hubventil offen", bzw. "Hubventil geschlossen" mit den zugehörigen Elektormagnet-Spulen, und ferner Rückstellfedern für die Bewegung des Ankers zwischen den Positionen "Hubventil offen" und "Hubventil geschlossen". Hierzu wird auch auf die beigefügte Figur 1 verwiesen, die einen derartigen Aktuator mit zugeordnetem Hubventil in den beiden möglichen Endlagen des Hubventiles und Aktuator-Ankers zeigt, und wobei zwischen den beiden gezeigten Zuständen bzw. Positionen der Aktuator-Hubventil-Einheit der Verlauf des Ankerhubes z bzw. Ankerweges zwischen den beiden Elektromagnet-Spulen und ferner der Verlauf des Stromflusses I in den beiden Elektromagnet-Spulen jeweils über der Zeit t entsprechend einem (gegenüber der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 einfacheren) bekannten Stand der Technik dargestellt ist.
Wie ersichtlich ist in Figur 1 der Schließvorgang eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles dargestellt, welches mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist und welches sich hierbei in Richtung auf seinen Ventilsitz 30 bewegt. Wie üblich greift an diesem Hubventil 1 eine Ventilschließfeder 2a an, ferner wirkt auf den Schaft des Hubventiles 1 - hier unter Zwischenschaltung eines (nicht unbedingt erforderlichen) hydraulischen Ventilspielausgleichselementes 3 - der in seiner Gesamtheit mit 4 bezeichnete Aktuator ein. Dieser besteht neben zwei Elektromagnet-Spulen 4a, 4b aus einer auf den Schaft des Hubventiles 1 einwirkenden Stößelstange 4c, die einen Anker 4d trägt, der zwischen den Elektromagnet-Spulen 4a, 4b oszillierend längsverschiebbar geführt ist. Am dem Schaft des Hubventiles 1 abgewandten Ende der Stößelstange 4c greift ferner eine Ventilöffnungsfeder 2b an.
Hierbei handelt es sich somit um ein schwingungsfähiges System, für welches die Ventilschließfeder 2a und die Ventilöffnungsfeder 2b eine erste sowie eine zweite Rückstellfeder bilden, für welche folglich im weiteren ebenfalls die Bezugsziffern 2a, 2b verwendet werden. Linksseitig ist in Figur 1 die erste Endposition dieses schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 vollständig geöffnet ist und der Anker 4d an der unteren Elektromagnet-Spule 4b anliegt, die im folgenden auch als Öffner-Spule 4b bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4b das Hubventil 1 in seiner geöffneten Position hält. Rechtsseitig ist in Figur 1 die zweite Endposition des schwingungsfähigen Systemes dargestellt, in welcher das Hubventil 1 vollständig geschlossen ist und der Anker 4d an der oberen Elektromagnet-Spule 4a anliegt, die im folgenden auch als Schließer-Spule 4a bezeichnet wird, nachdem diese Spule 4a das Hubventil 1 in seiner geschlossenen Position hält.
Im folgenden wird nun kurz der Schließvorgang des Hubventils 1 beschrieben, d.h. in Figur 1 der Übergang vom linksseitigen Zustand in den rechtsseitig dargestellten Zustand; dazwischen sind die entsprechenden Verläufe der in den Spulen 4a, 4b fließenden elektrischen Ströme I sowie der Hubverlauf bzw. die Wegkoordinate z des Ankers 4d jeweils über der Zeit t aufgetragen. Bezüglich der Wegkordinate z entspricht dabei der Wert z0 einem vollständig geöffnetem Hubventil 1, d.h. der Anker 4d liegt an der Öffner-Spule 4b an, während bei z=z1 der Anker 4d an der Schließerspule 4a anliegt.
Ausgehend von der linksseitigen Position "Hubventil offen" wird zunächst die Öffner-Spule 4b bestromt, um den Anker 4d in dieser Position gegen die gespannte Ventilschließfeder 2a (= untere erste Rückstellfeder 2a) zu halten, wobei der Strom I in dieser Spule 4b im I-t-Diagramm gestrichelt dargestellt ist. Wird nun der Strom I der Öffner-Spule 4b für einen gewünschten Übergang nach "Hubventil geschlossen" ausgeschaltet, so löst sich der Anker 4d von dieser Spule 4b und das Hubventil 1 wird durch die gespannte Ventilschließfeder 2a in etwa bis zu seiner Mittellage (nach oben hin) beschleunigt, bewegt sich jedoch aufgrund seiner Massenträgheit weiter und spannt dabei die Ventilöffnungsfeder 2b, so daß das Hubventil 1 (und der Anker 4d) dadurch abgebremst werden. Daraufhin wird die Schließer-Spule 4a zu einem geeigneten Zeitpunkt bestromt (der Strom I für die Spule 4a ist im l-t-Diagramm in durchgezogener Linie dargestellt), wodurch diese Spule 4a den Anker 4d einfängt - hierbei handelt es sich um den sog. Fangvorgang -, und ihn schließlich in der rechtsseitig dargestellten Position "Hubventil geschlossen" hält. Nachdem der Anker 4d sicher von der Spule 4a gefangen ist, wird in dieser im übrigen auf ein niedrigeres Haltestrom-Niveau umgeschaltet (vgl. l-t-Diagramm).
Der umgekehrte Übergang von "Hubventil geschlossen" zu "Hubventil offen" geschieht ausgehend von der in Figur 1 rechtsseitig dargestellten Position analog durch Ausschalten des Stromes I in der Schließer-Spule 4a und zeitversetztes Einschalten des Stromes für die Öffner-Spule 4b. Generell wird dabei für das Bestromen der Spulen 4a, 4b an diese eine ausreichende elektrische Spannung gelegt, während das Abschalten des elektrischen Stromes I durch eine Herabsetzung der elektrischen Spannung auf den Wert "Null" initiiert wird. Die notwendige elektrische Energie für den Betrieb jedes Aktuators 4 wird dabei entweder dem Bordnetz des von der zugehörigen Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges entnommen oder über eine separate, dem Ventiltrieb der Brennkraftmaschine angepaßte Energieversorgung bereitgestellt. Dabei wird die elektrische Spannung durch die Energieversorgung konstant gehalten, und der Spulenstrom I der den Brennkraftmaschinen-Hubventilen 1 zugeordneten Aktuatoren 4 durch ein Steuergerät derart gesteuert, daß sich die notwendigen Kräfte für das Öffnen, Schließen und Halten des bzw. der Hubventile 1 in der jeweils gewünschter Position ergeben.
Beim soeben erläuterten Stand der Technik wird der Spulenstrom I während des sogenannten Fangvorganges, in welchem eine der beiden Spulen 4a, 4b danach trachtet, den Anker 4d einzufangen, vom genannten Steuergerät bzw. von einer Steuereinheit durch Taktung auf einen konstanten Wert geregelt, der groß genug ist um den Anker 4d unter allen Bedingungen sicher einzufangen. Nun ist die Kraft der fangenden Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b auf den Anker 4d näherungsweise proportional zum Strom I und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen Spule und Anker. Wird nun - wie im bekannten Stand der Technik - ein konstanter Strom I eingestellt, so steigt die auf den Anker 4d einwirkende Magnet-Kraft mit seiner Annäherung an die jeweilige ihn einfangende Spule 4a bzw. 4b umgekehrt proportional zum verbleibenden Spalt, wodurch die Ankerbeschleunigung und Ankergeschwindigkeit ansteigen. Hieraus resultiert eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 4d auf die jeweilige Elektromagent-Spule 4a bzw. 4b, was zum einen einen hohen Verschleiß im Aktuator 4, zum anderen aber auch eine hohe Geräuschentwicklung zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil sind die bei der kurz beschriebenen getakteten Stromregelung auftretenden Umschaltverluste der Transistoren, die eine erhöhte Leistungsaufnahme und Temperaturbelastung des verwendeten Steuergerätes sowie eine erhöhte elektromagnetische Abstrahlung in den Zuleitungen der Aktuatoren zur Folge haben.
Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung sowie den Aktuatorverschleiß bringt der aus der eingangs genannten DE 195 30 121 A1 bekannte Stand der Technik. Hierin ist ein Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers an einem elektromagnetischen Aktuator vorgeschlagen, wobei mit einer Annäherung des Ankers an die Polfläche der den Anker einfangenden Spule die an dieser anliegende Spannung auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt (d.h. im wesentlichen reduziert) wird, so daß der durch die Spule fließende Strom während eines Teils der Zeit der Spannungsbegrenzung abfällt. In dieser besagten Schrift ist ferner noch davon die Rede, daß das Ausmaß der Spannungsbegrenzung bzw. Spannungsreduzierung in einem Kennfeld festgelegt sein kann, wobei zu vermuten ist, daß die entsprechenden Werte und insbesondere auch der jeweilige Zeitpunkt, zu welchem diese Spannungsreduzierung einsetzen soll, auf experimentellem Wege bestimmt werden müssen.
Demgegenüber weitere Verbesserungen aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, d.h. es soll ein einfach praktikables und dabei effizientes Verfahren zur Reduzierung der Auftreffgeschwindigkeit eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Fangphase des Fangvorganges eine Bremsphase anschließt, in welcher bis zum Auftreffen des Ankers auf die Spule an diese eine getaktete elektrische Spannung angelegt wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt werden. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche, dabei wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vom Regler zusätzlich zum Spannungs-Taktverhältnis auch das Vorzeichen des betragsmäßig konstanten Spannungswertes bestimmt, d.h. es wird getaktet entweder ein positiver oder ein negativer Spannungswert oder der Spannungswert "Null" an die den Anker einfangende Spule angelegt.
Allgemein wird nach der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die bekannte Stromregelung oder die ebenfalls bekannte (empirisch festzulegende) Spannungsreduzierung während des Fangvorganges durch eine Regelung zu ersetzen, welche während der sog. Bremsphase des Fangvorganges kurz vor einem Auftreffen des Ankers auf der ihn einfangenden Magnetspule an diese Spule geregelt elektrische Spannung anlegt, und zwar getaktet, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der elektrischen Spannung (sowie ggf. zusätzlich deren Vorzeichen) anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt werden.
Der Begriff "Trajektorie" ist dem Fachmann für Regelungstechnik bekannt und beschreibt eine Bahnkurve eines mittels eines Reglers gesteuert zu bewegenden Objektes in einem Zustandsraum, im vorliegenden Fall also die Bahnkurve des Ankers zwischen den beiden Elektromagnetspulen. Bevorzugt enthält dabei diese Soll-Trajektorie über bzw. in Abhängigkeit von der Zeit (wie üblich mit "t" bezeichnet) Werte für die Position des Ankers (im folgenden auch als "Wegkordinate" bezeichnet), für dessen Geschwindigkeit und für die Beschleunigung des Ankers, d.h. es handelt es sich quasi um eine einfache Wertetabelle, die entweder fix in einem geeigneten Steuergerät abgelegt sein kann oder in Abhängigkeit von aktuellen Randbedingungen auf später noch näher erläuterte Weise jeweils individuell berechnet werden kann. Dabei hat sich sowohl durch Versuche als auch durch Berechnungen gezeigt, daß es ausreicht, eine derartige Soll-Trajektorie für die Regelung nur in der genannten Bremsphase vorzusehen, da sich zum Zeitpunkt der Aktivierung der Regelung der sich noch in der Fangphase bewegende Anker stets in einem derartigen Zustand befindet, in welchem dessen Position (d.h. die Wegkoordinate), dessen Geschwindigkeit sowie die Beschleunigung des Ankers in einem im wesentlichen konstanten Verhältnis zueinander stehen (zumindest im Rahmen der für den beschriebenen Anwendungsfall geforderten Bedingungen).
In Figur 2 ist das entsprechende Regelungskonzept als Blockschaltbild dargestellt, wobei der Regler die Bezugsziffer 10 trägt, und die Regelung anhand der Signale einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie 20 erfolgt, und wobei der Regler 10 ferner Signale eines der Solltrajektorie 20 nebengeordneten Beobachters 11 verarbeitet. Die Ausgangsgröße des Regelungskonzeptes bzw. des Reglers 10 ist die an der jeweils den Anker 4d (vgl. hierzu Figur 1) einfangenden Spule 4a bzw. 4b angelegte bzw. anliegende elektrische Spannung U. Diese Spannung U hat bevorzugt einen betragsmäßig konstanten Wert und wird vom Regler 10 zeitlich getaktet an die jeweilige Spule 4a bzw. 4b angelegt, wobei der Regler 10 weiterhin das Vorzeichen der elektrischen Spannung bestimmen kann, d.h. es wird getaktet entweder ein positiver oder ein negativer Spannungswert oder der Spannungswert "Null" an die den Anker 4d einfangende Spule 4a oder 4b angelegt.
Dabei ist die dem Hubverlauf des Hubventiles 1 bzw. Ankers 4d entsprechende Position des Ankers 4d zwischen den Spulen 4a, 4b durch die Wegkoordinate z - diese wird auf geeignete Weise gemessen - eine Eingangsgröße des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, welche vom Beobachter 11 weiter verarbeitet wird. Der Einfachheit halber wird dabei im folgenden die Position des Ankers direkt mit "z" bezeichnet, ohne den erklärenden Begriff "Wegkoordinate" zu verwenden.
Aus dieser Wegkoordinate bzw. Anker-Position z ist im übrigen durch einmalige bzw. zweimalige Ableitung über der Zeit t die Bewegungsgeschwindigkeit z ˙ des Ankers sowie die Anker-Beschleunigung
Figure 00080001
schätzbar bzw. ermittelbar. Der Wert z sowie die daraus abgeleiteten Größen z ˙, werden dabei vom Beobachter 11 ermittelt und als sog. Schätzwerte 21 dem Regler 10 mitgeteilt.
Im übrigen ist eine weitere Eingangsgröße des hier beschriebenen Regelungskonzeptes, die vom Beobachter 11 bei der Ermittlung der Schätzwerte 21 verarbeitet wird, der in den jeweiligen Spulen 4a, 4b (vgl. Fig. 1) ermittelte Stromfluß I (und zwar als Folge der angelegten Spannung U).
Die im folgenden erläuterte Figurenfolge 3a, 3b, 3c, 3d zeigt die einzelnen Phasen der erfindungsgemäßen Regelung während der Fangvorganges des Ankers 4d durch eine der beiden Spulen 4a, 4b bei einem System nach Figur 1:
Jeweils über der Zeit t ist dabei im oberen Diagramm (Fig.3a) die an die den Anker einfangende Elektromagnet-Spule angelegte elektrische Spannung U aufgetragen, während im zweiten Diagramm (Fig.3b) die zugehörige Wegkoordinate z des Ankers 4d (d.h. die Ankerposition z, die Werte zwischen z = 0 und z = zmax annimt) dargestellt ist. In Fig.3a sind dabei die einzelnen erfindungsgemäßen Phasen, nämlich die Fangphase FP, die Bremsphase BP und die nach dem Auftreffen des Ankers auf der Spule folgende Haltephase HP gekennzeichnet.
Was nun den Start der Fangphase FP zum Zeitpunkt t1 betrifft, zu welchem die den Anker einfangende Spule mit elektrischer Spannung U beaufschlagt wird, so kann dieser Einschaltzeitpunkt t1 grundsätzlich innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden; es muß hierbei lediglich sichergestellt sein, daß der Anker 4d überhaupt noch eingefangen werden kann. Der Einfachheit halber wird hier vorgeschlagen, daß die Spannung U dann eingeschaltet wird, wenn die Ankerposition z einen bestimmten wählbaren Schwellwert überschreitet. Grundsätzlich kann dieser Schwellwert auch variabel sein, wodurch zusätzliche Randbedingungen wie z.B. unterschiedliche auf das zu bewegende Hubventil 1 einwirkende äußere Kräfte (wie insbesondere Gaskräfte) in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden können.
Erfindungsgemäß und wie in Fig. 3a dargestellt unterteilt der Regler 10 den gesamten Fangvorgang des Ankers 4d in zwei Phasen, nämlich:
  • erstens eine Fangphase FP, und
  • zweitens eine sich daran anschließende Bremsphase BP.
An die letzgenannte schließt sich (nach dem Auftreffen des Ankers 4d auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b) als drittes die übliche Haltephase HP an, in welcher der Anker 4d, nachdem er sicher auf die jeweilige Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b aufgetroffen ist, an dieser gehalten wird. Hierzu wird auf Haltestromregelung umgeschaltet, was wie dargestellt durch eine getaktete Beaufschlagung der jeweiligen Spule 4a, 4b mit der (gleichwertigen) elektrischen Spannung U erfolgt.
Zurückkommend zur erfindungswesentlichen Bremsphase BP wird in dieser nach der bekannten Fangphase FP zum Zeitpunkt t2 zunächst die Spannungsversorgung der jeweiligen, den Anker 4d einfangende Spule 4a bzw. 4b unterbrochen, wodurch diese Bremsphase BP gestartet wird, in welcher dann die betragsmäßig konstante elektrische Spannung U getaktet und bevorzugt vorzeichenvariabel an die betreffende Spule 4a, 4b angelegt (und somit ein Stromfluß I initiiert) wird. Die jeweiligen Zeitpunkte für das Abschalten und Zuschalten der betragsmäßig konstanten Spannung U (d.h. das sog. Spannungs-Taktverhältnis) sowie hier zusätzlich das Vorzeichen der Spannung U (d.h. die Auswahl zwischen einem negativen oder einem positiven Spannungswert) werden dabei vom Regler 10 bestimmt.
Die Funktion des Reglers 10 läßt sich nun wie folgt beschreiben:
Zur Erzielung einer gewünschten Reduktion seiner Auftreffgeschwindigkeit auf der jeweiligen ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b muß der Anker 4d (vgl. Fig.1) bereits in seiner Flugphase, d.h. vor dem eigentlichen Auftreffen, geregelt abgebremst werden, und zwar in der sog. Bremsphase BP. Allerdings sollte diese Bremsphase BP die Öffnungs- und Schließzeit des vom Aktuator 4 betätigen Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 nicht mehr als nötig verlängern.
Für den Entwurf eines diesen Anforderungen gerecht werdenden Reglers 10 sind nun geeignete Zustandsgrößen für die Ankerbewegung auszuwählen. Bevorzugt wird hier neben der Ankerposition z und der Anker-Geschwindigkeit z ˙, die durch sich grundsätzlich durch zeitliche Differenzierung der Ankerposition z ermitteln läßt, die Ankerbeschleunigung als dritte Zustandsgröße gewählt, da sie als direkte Ableitung der Ankergeschwindigkeit z ˙ ebenfalls eine leicht interpretierbare Größe darstellt. Prinzipiell kann die Regelung aber auch mit anderen Zustandsgrößen aufgebaut werden.
Während der Bremsphase BP kann nun der Regler 10 zur Ausführung seiner gewünschten Funktion, nämlich den Anker 4d möglichst weich und ruckfrei auf der jeweiligen ihn einfangenden Elektromanet-Spule 4a, 4b aufsetzen zu lassen, auf eine sogenannte Solltrajektorie 20 zurückgreifen, welche in Abhängigkeit von der Zeit t miteinander korrelierende Werte für die Position z, die Geschwindigkeit z ˙, sowie die Beschleunigung des Ankers 4d enthält. Bei dieser Solltrajektorie 20 handelt es sich somit um nichts anderes als um eine Wertetabelle von Soll-Werten, die in Fig.2 vereinfacht dargestellt ist.
Falls nun bei Betrieb des elektromagnetischen Aktuators 4 die tatsächlichen Ist-Werte für die Position z, die Geschwindigkeit z ˙, sowie die Beschleunigung des Ankers 4d zu stark von den Soll-Werten abweichen, so korrigiert dies der Regler 10 durch geeignetes Zu- oder Abschalten der Spannung U (inklusive einer ggf. erforderlichen Variation von deren Vorzeichen). Die detaillierte Auslegung des Reglers 10 kann dabei durch verschiedene Verfahren der linearen und nichtlinearen Regelungstheorie erfolgen und soll hier nicht näher behandelt werden.
Was nun die Ermittlung dieser Wertetabelle bzw. der Solltrajektorie 20 betrifft, so wird vorgeschlagen, diese unter anderem aus der Randbedingung, daß die Beschleunigung des Ankers 4d zum Zeitpunkt des Auftreffens auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b den Wert "Null" haben soll, zu berechnen. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß der Anker 4d ruckfrei auf die Spule 4a bzw. 4b auftrifft. Weitere Randbedingen sind selbstverständlich die definierte Position des Ankers 4d beim Auftreffen (nämlich z = zmax), sowie der dann geltende Wert der Anker-Geschwindigkeit z ˙ = 0 (Null).
Für die weiteren Erläuterungen wird nun auf Figuren 3b, 3c, 3d verwiesen. Hier sind abermals über der Zeit t die Position z (Fig.3b), die (gewünschte) Anker-Geschwindigkeit z ˙ (Fig.3c), sowie die (gewünschte) Anker-Beschleunigung (Fig.3d) jeweils in der Endphase der Ankerbewegung, d.h. vor dem Auftreffens des Ankers 4d auf der ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b aufgetragen. Dargestellt ist dabei im wesentlichen der Zeitraum zwischen t2 (dies ist der Endpunkt der Fangphase FP, zu welchem die Konstant-Spannung abgeschaltet und der eigentliche Regelvorgang gestartet wird) und dem Aufsetzzeitpunkt t4, d.h. dargestellt ist im wesentlichen die Bremsphase BP.
Linksseitig von t2 liegt somit die Fangphase FP, in welcher sich der Anker 4d auf die ihn einfangende Spule zubewegt, wobei - wie ersichtlich - die Beschleunigung in dieser Fangphase FP nicht nur abnimmt, sondern sogar bereits negative Werte annimmt, da mit dieser Annäherungsbewegung bspw. an die Spule 4a die zugehörige Rückstellfeder 2b (vgl. Fig.1) gespannt wird, d.h. der Anker 4d wird in seiner Fluggeschwindigkeit z ˙ durch diese Rückstellfeder 2b bereits abgebremst.
Zum Zeitpunkt t2 setzt nun der eigentliche Regelungsvorgang ein, d.h. die Bremsphase BP wird gestartet. Diese Bremsphase BP soll nun durch den Regler 10 in idealer Weise derart gestalten werden, daß ein sanftes Aufsetzen des Ankers 4d auf der Spule 4a (bzw. 4b) erfolgt, d.h. im Aufsetzzeitpunkt t4 muß die Beschleunigung wieder vom Wert "Null" sein.
Wie das -t-Diagramm von Fig.3d zeigt, läßt sich dieser ideale und somit gewünschte Beschleunigungsverlauf zwischen einem Zeitpunkt t3 (dieser liegt später als t2) und dem Aufsetzzeitpunkt t4 sehr gut durch eine Gerade und zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 durch eine Parabel annähern. Für t3 < t4 gelten daher die folgenden Zusammenhänge:
Figure 00130001
z(t) = j/2•(t4 - t)2 z(t) = j/6•(t4 - t)3 + ze Die Formeln für z ˙(t) und für z(t) ergeben sich dabei aus einer zeitlichen Integration der Beschleunigung (t) unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen, wobei "j" eine Konstante ist.
Weiterhin werden für t2 < t < t3 die folgenden Zusammenhänge angesetzt:
Figure 00130002
z(t) = z 0 + α0•t + α1/2•t2 + α2/3•t3 z(t) = z0 + z 0•t + α0/2•t2 + α1/6•t3 + α2/12•t4 Die Konstanten z0, z ˙0, α0, α1 und α2 sind dabei aus den Stetigkeitsbedingungen für , z ˙ und z zum Zeitpunkt t3 zu bestimmen, wobei zwei von diesen Konstanten frei gewählt werden können. Bevorzugt können die Werte für α0 sowie die Lage des Scheitelpunktes der besagten Parabel (beim Zeitpunkt ts) innerhalb gewisser Grenzen beliebig gewählt werden.
Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß es nicht unbedingt erforderlich ist, die besagte Solltrajektorie so wie hier durch jeweils ein Stück einer Geraden sowie einer Parabel darzustellen. Genausogut können andere mathematisch-geometrische Funktionen, wie bspw. Polynome, eine Sinusfunktion oder ähnliches verwendet werden.
Wie sich aus der bisherigen Beschreibung ergibt, benötigt der Regler 10 für die Durchführung seiner Funktion drei Zustandsgrößen und zwar bevorzugt die Anker-Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit z ˙ des Ankers 4d sowie die Anker-Beschleunigung . Grundsätzlich ist es möglich, diese Zustandsgrößen über geeignete Sensoren zu messen. Um jedoch Sensoren einzusparen oder kostspielige Sensoren durch kostengünstige Sensoren zu ersetzen, können zumindest zwei dieser Zustandsgrößen auch durch einen sog. Beobachter 11 rekonstruiert werden, der in Zusammenhang mit Fig.2 bereits kurz angesprochen wurde.
In diesem Beobachter 11 ist dem Aktuator 4 ein Aktuatormodell parallel geschaltet, das mit einer für den Aktuator 4 wesentlichen Ist-Größe, nämlich mit der Größe des in der jeweilige Spule 4a, 4b festgestellten Stromflusses I gespeist wird. In diesem Beobachter 11 kann die auf dieser Basis geschätzte Ankerposition mit der tatsächlichen gemessenen und dem Beobachter 11 zusätzlich als Eingangsgröße übermittelten Ankerposition z verglichen werden, und die Differenz hieraus kann dann über eine Korrekturfunktion auf die Größen bzw. sog. Zustandsgrößen des Aktuatormodells zurückgekoppelt werden. Bei einem Modellfehler oder bei einer fehlerhafter Schätzung der Anfangszustände gleicht der Beobachter 11 aufgrund der darin enthaltenen Korrekturfunktion die geschätzten Werte für (hier) die Anker-Position z, die Bewegungsgeschwindigkeit z ˙ des Ankers 4d sowie die Anker-Beschleunigung den tatsächlichen Werten hierfür an. (Dabei sei nochmals darauf hingewiesen, daß abweichend von der vorliegenden Erläuterung alternativ zu den genannten Werten z, z ˙, auch andere geeignete Größen bzw. Zustandsgrößen zur Charakterisierung des Aktuatorzustandes herangezogen werden können.)
Die Auslegung der soeben genannten Korrekturfunktion kann dabei durch verschiedene Verfahren der linearen oder nichtlinearen Regelungstheorie erfolgen und soll hier nicht näher behandelt werden.
Ehe vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden, werden zunächst im folgenden die signifikanten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, resultierend aus der Verwendung des auf eine Solltrajektorie zurückgreifenden Reglers 10, zusammengefaßt:
Die vorgeschlagene vollständige Zustandsrückführung ermöglicht prinzipiell die Darstellung beliebig niedriger Auftreffgeschwindigkeiten des Ankers 4d auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b.
Insbesondere ist es möglich, daß der Anker 4d ruckfrei (d.h. mit einer Beschleunigung vom Wert "Null" auf die jeweilige Spule auftrifft, so daß die Geräuschbildung durch dieses Auftreffen im Zeitpunkt t4 minimiert wird.
Durch die vorab oder in einer geeigneten Steuerelektronik im Hintergrund berechnete Solltrajektorie wird der Echtzeit-Rechenaufwand während des eigentlichen Regelungsvorganges gering gehalten.
Dabei erlaubt die Berechnung der Solltrajektorie beim genannten bevorzugten Anwendungsfall eine Adaption während des Betriebs der Brennkraftmaschine, und zwar in Abhängigkeit von deren aktuellem Betriebszustand, wie bspw. Drehzahl, Lastmoment, Temperatur, Verschleiß und mehr.
Ferner wird das Problem der Messung aller benötigten Größen durch den Einsatz des Beobachters 11 basierend auf den Meßgrößen Ventilhub bzw. Ankerposition z und Spulenstrom I gelöst.
Im folgenden wird nun ein derartiges Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Aktuatorankers für die Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles im Hinblick auf die Erzielung weiterer Möglichkeiten ergänzt. Demzufolge sind verschiedene Solltrajektorien für unterschiedliche Bewegungsabläufe des Ankers und/oder des Gaswechsel-Hubventiles vorgesehen. Dabei wird für die weitere Beschreibung die sog. Solltrajektorie bildlich vereinfacht alleine durch den gewünschten Bewegungsablauf des des Ankers 4d dargestellt und mit der Bezugsziffer 20 bzw. 20a, 20b, 20c, .... bezeichnet.
Mit einer solchen Weiterbildung ist es somit möglich, den Anker 4d sowie das Hubventil 1 nicht nur in gewünschter Weise in deren jeweilige Endpositionen zu überführen, sondern es sind daneben noch weitere Bewegungsabläufe der genannten Elemente umsetzbar. Beispiele für mögliche weitere Bewegungsabläufe sind in Form von - wie bereits erwähnt vereinfacht dargestellten - Solltrajektorien 20a, 20b, 20c in den Figuren 4, 5 gezeigt, wobei jeweils über der Zeit t der Verlauf der Wegkoordinate z des Ankers 4d ähnlich der Darstellung der Solltrajektorie 20 in Figur 1 abgebildet ist.
So kann neben einer das Hubventil 1 in seine vollständig geöffnete Position führenden Solltrajektorie 20a (vgl. Fig.4) zumindest eine in Figur 5 gezeigte, das Hubventil 1 nur teilweise öffnende Solltrajektorie 20b vorgesehen sein. Dabei unterscheidet sich die Darstellung nach Figur 5 von derjenigen der Figuren 1, 4 dadurch, daß in Fig.5 eine Öffnungs- und eine Schließbewegung des Hubventiles 1 gezeigt ist, d.h. die Zeitachse (t) erstreckt sich über eine längere Zeitspanne als in den Figuren 1, 4. Bevorzugt kann dabei (wie dargestellt) das Hubventil 1 durch die dieses nur teilweise öffnende Solltrajektorie 20b nahe seiner Schließposition gehalten werden, d.h. die Wertänderung der Wegkoordinate z des das Hubventil 1 betätigenden Ankers 4d ist relativ gering, so daß ausgehend vom geschlossenen Hubventil 1 bzw. ausgehend von z=z1 (d.h. der Anker 4d liegt an der Schließer-Spule 4a an) lediglich der geringe Anker-Hub z=z3 bzw. die Wegkoordinate z3 erreicht wird.
Mit einer derartigen Solltrajektorie 20b kann seitens des genannten Reglers somit eine Schwebeposition des Ankers 4d in einer quasi fiktiven Endlage eingestellt werden, in welcher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn zuvor freigebenden Schließer-Spule 4a beabstandet bleibt. Somit wird bspw. bei einer Öffnungsbewegung des Hubventiles 1 nicht die Öffner-Spule 4b (vgl. hierzu auch Fig.1), sondern eine fiktive Endlage, nämlich z=z3 des Ankers 4d in der Nähe der Schließer-Spule 4a angefahren, die bspw. einem minimalen Ventilhub des Hubventiles 1 von ca. 1 mm bis 2 mm entspricht. Wird der Anker 4d und somit das Hubventil 1 in einer derartigen Position (bspw. z3) in der Schwebe gehalten, so führt dies bei der dementsprechenden Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Einlaßventiles zu einer verbesserten Gemischaufbereitung und im Falle einer Betätigung des Brennkraftmaschinen-Auslaßventiles zur Optimierung der Ladungsbewegung, wie dies dem Fachmann für Brennkraftmaschinen grundsätzlich bekannt ist.
Weiterhin kann insbesondere für den Schließvorgang des Hubventiles 1 eine den Anker 4d zumindest kurzfristig geringfügig von der entsprechenden Elektromagnetspule bzw. Schließer-Spule 4a beabstandet haltende Solltrajektorie 20c vorgesehen sein. Wie Figur 4 zeigt, soll hierbei wieder ausgehend von z=z0 zunächst ein Anfahren einer ersten Quasi-Endlage des Ankers 4d erfolgen, die durch z=z2 definiert ist und in welcher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule 4a beabstandet bleibt, wonach eine zweite Anker-Endlage angefahren wird, die dessen mechanischer Endlage, nämlich z=z1 entspricht. Hiermit ist quasi ein elektronischer Ventilspielausgleich im Hubventiltrieb der Brennkraftmaschine möglich. Demzufolge wird bei einem Schließvorgang des Brennkraftmaschinen-Hubventiles 1 der Ankers 4d zunächst zur Position z2 hinbewegt, die dem Aufsetzen des Hubventils 1 auf seinem Ventilsitz 30 (vgl. Fig.1) entspricht. Anschließend daran wird der Anker 4d in die Position z1 bewegt, die seiner eigenen mechanischen Endlage entspricht, in welcher er also an der Schließer-Spule 4a zum Anliegen kommt.
Im übrigen kann dann bei einem darauffolgenden Öffnen des Hubventils 1 zunächst eine erste Quasi-Endlage des Ankers 4d entsprechend dem Ventilspiel (d.h. abermals die Position z=z2) angefahren werden und anschließend daran eine zweite Endlage, die der mechanischen Endlage des Ankers 4d an der Öffner-Spule 4b entspricht (nämlich z=z0), so daß der Anker 4d aufgrund bzw. nach Überwindung des Ventilspieles in der Position z2 möglichst sanft auf den Schaft des Hubventiles 1 auftrifft.
Statt der mechanischen Endlagen des Ankers 4d an den Elektromagnetspulen 4a, 4b können im übrigen generell fiktive oder sog. Quasi-Endlagen des Ankers 4d (zwischen z0 und z1 liegend) angefahren werden, d.h. es sind hier figürlich nicht dargestellte Solltrajektorien vorgesehen, die das Hubventil 1 bspw. in dessen Endpositionen bewegen und dabei den Anker 4d von der jeweiligen Elektromagnetspule 4a oder 4b beabstandet halten. Hierdurch wird somit eine sog. Schwebeposition des Ankers 4d in einer fiktiven oder Quasi-Endlage eingestellt, in welcher der Anker 4d zumindest geringfügig von der ihn einfangenden Spule 4a bzw. 4b beabstandet bleibt. Somit wird anstelle der mechanischen Endlage des Ankers 4d beim Öffnen und/oder beim Schließen des Hubventiles 1 eine fiktive Endlage vor der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b angefahren, und der Anker in dieser Zwischenposition durch den eingangs genannten, die entsprechende Solltrajektorie verarbeitenden Regler in der Schwebe gehalten. Da dann kein Auftreffen des Ankers 4d auf der jeweiligen Spule 4a bzw. 4b stattfindet, wird hierdurch die Geräuschentwicklung im Ventiltrieb erheblich reduziert.
Wie bereits eingangs erläutert, werden diese verschiedenen Solltrajektorien 20, 20a, 20b, 20c, .... in einem elektronischen Regler verarbeitet, der eine dementsprechende Beaufschlagung der jeweiligen Elektromagnetspule 4a und/oder 4b mit einem geeigneten Spannungs-Taktverhältnis veranlaßt. Um eine hohe Robustheit dieses Reglers zu gewährleisten, werden sämtliche vorgesehenen Solltrajektorien 20, ..... als eine Menge von Betriebszuständen definiert, in denen das geregelte System, nämlich der elektromagnetische Ventiltrieb für das Gaswechsel-Hubventil 1, das gewünschte Verhalten aufweist. Nun muß dafür gesorgt werden, daß dieses betrachtete System entsprechend der jeweils gewünschten Solltrajektorie in den gewünschten Betriebszustand gebracht wird und diesen bis zum Abschluß des jeweiligen Bewegungsablaufes auch nicht mehr verläßt. Dies kann unter geeigneten Voraussetzungen durch ein unstetiges Stellsignal analog zu einem Zweipunktregler erreicht werden. Unter gewissen Voraussetzungen können die gewünschten Betriebszustände unabhängig von Abweichungen oder Störungen gewählt werden, so daß das geregelte System weitgehend unabhängig von Abweichungen und Störungen ist.
Im folgenden die signifikanten Vorteile dieses Verfahrens zusammengestellt, welches einen auf verschiedene Solltrajektorien 20, 20a, 20b, 20c, .... zurückgreifenden Reglers verwendet:
Die vorgeschlagene vollständige Zustandsrückführung ermöglicht bereits prinzipiell die Darstellung beliebig niedriger Auftreffgeschwindigkeiten des Ankers 4d auf der jeweiligen Elektromagnet-Spule 4a bzw. 4b. Wenn jedoch der Anker 4d überhaupt nicht mehr auf den jeweiligen Spulen 4a, 4b aufsetzt, verschwindet das damit verbundene Aufsetzgeräusch vollständig. Weiterhin werden die durch das Aufsetzen ansonsten verursachten Verschleißerscheinungen weitgehend eliminiert.
Innerhalb gewisser Grenzen, die u.a. auch durch die Rückstellfedern 2a, 2b und durch die magnetische Auslegung insgesamt bestimmt werden, kann der Hub des Aktuators 4 und somit auch des Hubventiles 1 beliebig eingestellt und für jeden einzelnen Öffnungs- und Schließvorgang verändert werden.
Schließlich kann auf den ansonsten bei einem mechanischen Brennkraftmaschinen-Hubventiltrieb erforderlichen hydraulischen Ventilspielausgleich verzichtet und das (vorhandene, da stets erforderliche) Ventilspiel elektromagnetisch ausgeglichen werden.
Allgemein ausgedrückt wurde bisher beschrieben, daß der Anker des elektromagnetischen Aktuators hinsichtlich seiner Bewegung derart gesteuert wird, daß die an der dem Anker näherliegenden und folglich bestromten Spule anliegende elektrische Spannung getaktet geregelt wird und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie bestimmt wird. Dabei können der Regler und/oder die Solltrajektorien an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine angepaßt sein. Es wurde auch bereits erwähnt, daß die Berechnung der Solltrajektorie eine Adaption auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine erlaubt, und zwar in Abhängigkeit von deren aktuellen Betriebszustand, wie bspw. Drehzahl, Lastmoment, Temperatur, Verschleiß und mehr. Tatsächlich hängt nämlich das dynamische Verhalten des Aktuators insbesondere aufgrund der auf das Gaswechsel-Hubventil einwirkenden Gaskräfte wesentlich vom Lastzustand und von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Außerdem können Änderungen der Bauteil-Temperaturen und insbesondere der Temperatur des Brennkraftmaschinen-Schmieröles sowie allgemein Verschleißerscheinungen zu einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Aktuators führen.
Im folgenden wird nun aufgezeigt, wie zumindest eine der genannten Anpassungen auf besonders effiziente Weise durchgeführt werden kann. Demnach kann insbesondere die Anpassung an unterschiedliche Brennkraftmaschinen-Betriebszustände hinsichtlich ihrer Art vorab anhand eines numerischen Optimierungsalgorithmus erfolgen und in einer elektronischen Steuereinheit abgelegt sein. Ferner kann eine zusätzliche Anpassung des Reglers und/oder der Solltrajektorien an sich ändernde äußere Randbedingungen bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem zumindest zeitweise ablaufendem Hintergrundprozeß erfolgen.
Die Anpassung an unterschiedliche Brennkraftmaschinen-Betriebsbedingungen soll somit vorab erfolgen, so daß das Ergebnis dieser Anpassung in einer elektronischen Steuereinheit fix abgelegt werden kann. In Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine arbeitet dann der Regler mit der entsprechenden Anpassung bzw. greift auf eine diesem Betriebszustand angepaßte Solltrajektorie zurück. Die Tatsache der Vorab-Anpassung besagt dabei, daß diese Anpassung anhand von Simulationen und/oder anhand von Prüfstands-Messungen durchgeführt werden kann.
Grundsätzlich wird für diese Anpassung die Verwendung eines numerischen Optimierungsalgorithmus vorgeschlagen. Insbesondere soll der gesamte Regelungsprozeß für die Anker-Bewegung anhand zumindest eines geeigneten Gütekriteriums optimiert werden. Ein Beispiel für ein derartiges Gütekriterium ist die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf die ihn aktuell einfangende Elektromagnet-Spule, oder die Anker-Beschleunigung im Zeitpunkt des Auftreffens.
Insbesondere die Anpassung an sich ändernde Randbedingungen soll jedoch bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem zumindest zeitweise ablaufenden Hintergrundprozeß erfolgen. Hierbei ist sicherzustellen, daß von der entsprechenden elektronischen Steuereinheit eine ausreichende Rechenkapazität zur Verfügung gestellt wird um diese sog. laufende Adaption zu ermöglichen.
Durch die zusätzlich vorgeschlagenen Maßnahmen wird somit ein Betrieb der Regelung bzw. des Bewegungssteuerungs-Verfahrens für den Aktuator auch bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine sichergestellt. Darüberhinaus wird eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften aufgrund äußerer Einflüsse in der Regelung berücksichtigt. Jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von der obigen Beschreibung gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1
Hubventil
2a
Ventilschließfeder = (erste) Rückstellfeder
2b
Ventilöffnungsfeder = (zweite) Rückstellfeder
3
Ventilspielausgleichselement
4
Aktuator
4a
Elektromagnet-Spule = Schließer-Spule
4b
Elektromagnet-Spule = Öffner-Spule
4c
Stößelstange
4d
Anker
10
Regler
11
Beobachter
20
Solltrajektorie
20a
Solltrajektorie für 4d, die 1 in die Schließposition bewegt
20b
Solltrajektorie für 4d, die an 1 nur geringen Hub erzeugt
20c
Solltrajektorie für 4d, die das Ventilspiel berücksichtigt
21
Beobachter
30
Ventilsitz (von 1)
BP
Bremsphase
FP
Fangphase
HP
Haltephase
I
Stromfluß in 4a, 4b
U
elektrische Spannung an 4a, 4b
t
Zeit
t1
Anfangszeitpunkt der Fangphase FP
t2
Endzeitpunkt der Fangphase = Anfangszeitpunkt der Bremsphase BP
t4
Aufsetzzeitpunkt des Ankers auf der Spule
z
Position des Ankers 4d = Wegkoordinate der Anker-Position
z ˙
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 4d
Ankerbeschteunigung

Claims (12)

  1. Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Ankers (4d) eines elektromagnetischen Aktuators (4), insbesondere zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventiles (1) einer Brennkraftmaschine, wobei der Anker (4d) oszillierend zwischen zwei Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) jeweils gegen die Kraft zumindest einer Rückstellfeder (2a, 2b) durch alternierende Bestromung der Elektromagnet-Spulen (4a, 4b) bewegt wird, und wobei mit einer Annäherung des Ankers (4d) an die zunächst bestromte Spule (4a oder 4b) während des sogenannten Fangvorganges die an der den Anker (4d) einfangenden Spule (4a, 4b) anliegende elektrische Spannung (U) reduziert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Fangphase (FP) des Fangvorganges eine Bremsphase (BP) anschließt, in welcher bis zum Auftreffen des Ankers (4d) auf die Spule (4a, 4b) an diese getaktet elektrische Spannung (U) angelegt wird, wobei die jeweiligen Schalt-Zeitpunkte und das Spannungs-Taktverhältnis von einem Regler (10) anhand einer die Anker-Sollbewegung beschreibenden Solltrajektorie (20) bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß getaktet entweder ein betragsmäßig konstanter positiver oder negativer Spannungswert oder der Spannungswert "Null" an die den Anker (4d) einfangende Spule (4a, 4b) angelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (10) parallel zur Ankerbewegung ermittelte Schätzwerte (21) für diese mit der Solltrajektorie (20) vergleicht.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Solltrajektorie (20) über der Zeit Werte für den Hub (z), für die Geschwindigkeit (z ˙) und für die Beschleunigung (
    Figure 00240001
    ) des Ankers (4d) enthält.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Solltrajektorie (20) unter anderem aus der Randbedingung, daß die Beschleunigung ( ) des Ankers (4d) zum Zeitpunkt des Auftreffens auf der Elektromagnet-Spule (4a, 4b) den Wert "Null" haben soll, berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Solltrajektorien (20a, 20b, 20c, ....) für unterschiedliche Bewegungsabläufe des Ankers (4d) und/oder des Gaswechsel-Hubventiles (1) vorgesehen sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß neben einer das Hubventil (1) in seine vollständig geöffnete Position führenden Solltrajektorie (20a) zumindest eine das Hubventil (1) nur teilweise öffnende Solltrajektorie (20b) vorgesehen ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Hubventil (1) durch die dieses nur teilweise öffnende Solltrajektorie (20b) nahe seiner Schließposition gehalten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß für den Schließvorgang des Hubventiles (1) eine den Anker (4d) zumindest kurzfristig geringfügig von der entsprechenden Elektromagnetspule (4a) beabstandet haltende Solltrajektorie (20c) vorgesehen ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß Solltrajektorien (20) vorgesehen sind, die das Hubventil (1) in dessen Endpositionen bewegen und dabei den Anker (4d) von der jeweiligen Elektromagnetspule (4a oder 4b) beabstandet halten.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Regler (10) und/oder der Solltrajektorien (20a, 20b, 20c,...) an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine angepaßt ist/sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Art der Anpassung anhand eines numerischen Optimierungsalgorithmus vorab erfolgt und in einer elektronischen Steuereinheit abgelegt ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    wobei der Regler (10) und/oder die Solltrajektorien (20a, 20b, 20c) zusätzlich an sich ändernde äußere Randbedingungen angepaßt wird/werden,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem zumindest zeitweise ablaufendem Hintergrundprozeß erfolgt.
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