WO2000071861A1 - Verfahren zur ansteuerung eines elektromagnetischen ventiltriebs für ein gaswechselventil an einer kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur ansteuerung eines elektromagnetischen ventiltriebs für ein gaswechselventil an einer kolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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WO2000071861A1
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armature
gas exchange
actuator
speed
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Günter Schmitz
Christian Boie
Frank Van Der Staay
Lutz Kather
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Fev Motorentechnik Gmbh
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    • F01L2201/00—Electronic control systems; Apparatus or methods therefor

Definitions

  • Fig. 2 shows the course of the speed of the valve and armature during the closing movement
  • Fig. 3 shows the course of the speed of the valve and armature on reaching the closed position on a larger scale
  • Fig. 4 shows the course of the path of the valve and armature and the current as a function of time in a control according to the prior art technology
  • Fig. 5 shows the course of the speed of the valve and armature during the closing movement in a control according to the inventive method
  • Fig. 7 shows the basic structure of the control in the form of a block diagram
  • FIG. 10 shows the block diagram according to FIG. 9 with a link between motor control and observer
  • FIG. 11 shows the block diagram according to FIG. 10 supplemented by a pre-estimation unit
  • Fig. 12 to 15 construction and function of a magnetoresistive motion sensor
  • microwave resonator displacement sensors 18 shows an optical variant of a resonator displacement sensor
  • Fig. 1 the basic principle of such an electromagnetic valve train with its control is shown schematically.
  • An electromagnetic valve train for actuating a gas exchange valve 2 consists essentially of an actuator 1 with a closing magnet 3 and an opening magnet 4, which are arranged at a distance from one another and between which an armature 5 against the force of return springs, namely an opening spring 7 and one Closing spring 8 is guided to move back and forth.
  • Fig. 1 the "classic" arrangement of the opening spring and the closing spring is shown in the closed position.
  • the closing spring 8 acts directly via a spring plate 2.2 connected to the shaft 2.1 of the gas exchange valve 2.
  • Actuator is separated from the shaft 2.1, as a rule there is a gap in the closed position in the form of the so-called valve clearance VS.
  • the opening spring 7 is in turn supported on a spring plate 11.1 on the guide rod 11, so that the guide rod 11 is supported on the stem 2.1 of the gas exchange valve 2 in the middle position when the magnets are de-energized under the opposing effect of the opening spring 7 and closing spring 8.
  • the opening spring 7 it is also possible to provide only a single restoring spring which is designed such that it builds up a corresponding restoring force each time the armature 5 swings over the central position.
  • a separate closing spring 8 is therefore omitted.
  • the guide rod 11 must be connected to the shaft 2.1 of the gas exchange valve via a corresponding coupling element, which in the same way prevents the armature from moving back and forth transmits the gas exchange valve 2, although permits valve clearance.
  • the electromagnets 3 and 4 of the actuator 1 are controlled via an electronic motor control 9 in accordance with the specified control programs and depending on the operating data supplied to the motor control, such as speed, temperature, etc.
  • a sensor 10 is assigned to the actuator 1, which enables the detection of the actuator functions.
  • the sensor 10 is shown schematically here.
  • the path of the armature 5 can be detected, for example, so that the respective armature position of the motor control 9 can be transmitted.
  • the armature speed can then optionally also be determined in the motor controller 9 by means of corresponding arithmetic operations, so that the energization of the two electromagnets 3, 4 can be controlled as a function of the armature position and / or as a function of the armature speed.
  • the sensor 10 does not necessarily have to be laterally assigned to the extended guide rod 11, as shown, but it is also possible to arrange corresponding sensors in the region of the pole face of the respective electromagnet or to assign it laterally to the armature 5.
  • the motor controller 9 also has corresponding means for detecting the current and the voltage for the respective electromagnet 3 and 4 and for changing the current profile and the voltage profile.
  • the actuator 1 of the gas exchange valve 2 can then be controlled in a fully variable manner as a function of predefinable operating programs, possibly based on corresponding characteristic diagrams, for example with regard to the start and end of the
  • Opening hours Also a control with regard to the height the opening stroke or the number of opening strokes during a closing time is possible.
  • Fig. 2 the situation for a "normal" valve dropping, i. H. without using the method according to the invention.
  • the solid line shows the speed of the anchor over the anchor path.
  • the position for the opened case is shown on the far right.
  • An anchor stroke of 8mm was chosen as an example.
  • the leftmost position at 0.0 shows the armature position when it contacts the pole face of the make magnet.
  • a closing movement accordingly starts at the position on the far right in the picture at 8mm and speed 0.
  • the speed now increases until the middle between the pole faces is reached (at approx. 4mm).
  • the valve still has a very high speed of about 1.1 m / s, especially when there is a clear valve clearance of, for example, 0.4 mm (cold OMotor) on arrival in the valve seat. This position separates the armature movement from the valve movement. The valve is braked abruptly (broken line), the speed even goes below zero, i.e. the valve bounces off again.
  • the Ankex slows down at first, but shortly before it hits, its speed increases again and it hits with it at a speed of approx. 0.5 m / s.
  • the anchor speed had meanwhile been reduced to almost zero; if the capture current level were reduced further, the armature would reverse before reaching the pole face, and the system would fail.
  • Fig. 3 the area of valve placement and armature placement is shown enlarged. The separate movements of the armature and valve can be clearly seen. First, armature and valve move together without valve play (curve part v A + v ). As soon as the valve hits its seat, the valve and armature separate and carry out their own movements due to the valve play. (Valve broken line, armature solid line).
  • FIG. 4 shows the courses of the anchor position (solid line), the valve position (broken line) and the current (dash-dotted line) over time.
  • the current level one can first see that a constant current value is maintained, which, however, initially drops when the armature comes very close, since the counter-induced voltage exceeds the supply voltage. The current specification for the current level is then increased in order to catch the armature safely. Because the anchor almost comes to rest, the new level can also be reached, since no further counter-tension is initially induced by the immobility of the anchor.
  • 5 and 6 show the relationships when using the method according to the invention for the exemplary embodiment according to FIGS. 2 and 4.
  • 5 again shows the course of the speed over the anchor path.
  • the course of the anchor speed differs significantly from the unregulated course.
  • the armature is accelerated more after disconnection from the valve than in the uncontrolled / uncontrolled case.
  • the current is drastically reduced again to the level required to hold the anchor (here in the example approx. 1, 5A).
  • FIG. 6 shows the courses of anchor path and current over time.
  • a valve impact speed of around 0.2 m / s can be achieved by regulating the current flow.
  • the motor controller 9 specifies the point in time when the movement process (valve closing) is initiated. This is done by switching off the current through the make coil in the current driver 12 (no power supply to the make coil is shown here).
  • the current is now regulated, for example, in such a way that the armature maintains a predefinable travel-speed profile, if possible.
  • valve position controller 14 This block can be designed identically to that block 14 in FIG. 7, but must take into account that the target which can be reached at low speed does not represent the pole face but rather the valve seat, that is to say the position of the pole face plus valve clearance.
  • valve separation detector 17 determines that the valve has arrived in the seat and thus switches the current specification for the current driver 12 to the output of the armature position controller 15
  • the valve separation detector can obtain its information from the sensor 10 of the position detector or the output signal of the position detection 13, deduce the separation of the valve and armature from the current and / or voltage curve on the magnet or determine it via a separate sensor 16 .
  • a sensor can simply consist of a contact that is closed when the two electrically conductive parts separate (eg anchor bolt and valve stem). In order to avoid problems with contamination of the contacts, however, a change in capacitance between the separating components can also be determined; this requires a non-conductive separating layer between the two components.
  • the armature current regulator can also function via a
  • FIG. 9 shows an expansion of the control system, which is particularly useful if the position is to be detected using inexpensive sensors. This is because there is the problem that the path signal must be differentiated in order to obtain speed information. However, this is only very inadequately possible with a noisy or disturbed signal.
  • Remedial action can now be taken with an observer 19 which contains a model of the actuator (for example in the form of differential equations for the relationship between see acceleration, speed and position of the armature as well as information about mass of armature and valve, spring forces etc.). After all, the possible course of the speed in principle by the system is predictable within limits.
  • the model can now be initialized at the start of the movement. The exact position and the speed are known at this time.
  • the new information about the measured position 13 and possibly the state variables determined by the model flow into the observer (into the model) as new input variables and can in turn be used to correct the currently output variables via path and speed.
  • the model contained in the observer can also be self-calibrated (adapted). If, for example, the observer determines that the friction is greater than previously provided in the model, the corresponding size can be automatically re-parameterized.
  • Certain parameters can also be used by the engine control system to improve the model parameters, e.g. depending on the load (gas forces at the exhaust valve) or the engine temperature (estimate valve clearance, friction etc.) are fed into the model (see also Fig. 10, connection from 11 to 19).
  • the quality of the controller itself can also be improved if one can make a forward-looking estimate of the influence the measures introduced (change in the current level) will have on the armature.
  • a predictor 20 provides the controller 14 with a "pre-estimation unit", a predictor 20.
  • This predictor 20 also contains again a model of the system and can therefore estimate the effects of the measures. If the measures are considered insufficient or too strong, the controller can be corrected accordingly ("reverted").
  • the predictor 20 can also be designed to be “learnable” so that it automatically adapts to changed model parameters.
  • FIG. 12.1 An embodiment of the position detection is shown as an example in FIG. 12.1.
  • the feedback signal 21, which is provided digitally by the observer, is fed to a D / A converter 22.
  • the output of the D / A converter 22 thus delivers the value for the position currently determined by the observer in analog form. This value is subtracted with the aid of a subtractor 24 from the signal of a position sensor, which was first raised to the correct level by a processing circuit 23. Behind the subtractor there is only the difference to the position currently determined by the observer.
  • the signal range of this signal is naturally much smaller than that of the original Chen position signal. It can thus be raised in level with the aid of an amplifier 25 before the A / D conversion 26.
  • the A / D converter then feeds the difference signal between the ascertained by the observer and the current, new path information to the observer 19 again in digital form. If necessary, the latter can obtain the new position information by adding the previously determined signal 21 and the new difference information.
  • a / D converter and / or the D / A converter can be integrated in the observer. (Fig.12.1)
  • the position and / or the speed of the armature is continuously measured with the aid of a sensor in order to control a gentle impact and is used for closed-loop control of the actuator.
  • the invention is based on the fact that an effective closed-loop control of the armature or valve speed is only possible in the last part of the movement, ie shortly before reaching the respective end position, due to the dynamic properties of the system. Nevertheless, it is necessary to intervene at an earlier point in time in order to be able to reach the required current level at all.
  • the invention provides for the determination of parameters which are correlated with the cylinder internal pressure.
  • a non-linear controller is preferably activated, which switches the voltage on or off as a function of the deviation (v - v (s)) of the measured speed from a desired curve v (s).
  • the switch-on position s on and the current threshold I max are expressed as a function of the measured supply voltage and the parameters which reflect the internal cylinder pressure. This can be done by a functional relationship or a map.
  • the desired curve v (s) is chosen to be flat in the last part of the movement, so that the control can ensure a low touchdown speed even in the event of sensor errors.
  • the target curve v (s) runs at speeds less than 0.3 m / s, since in this case the response time of the control is short enough compared to the dead time of the system in order to implement a closed-loop control.
  • the flat target curve is expanded so far that the area of the valve clearance can be bridged so that the valve and armature touch down at low speed.
  • valve clearance is measured in the first part of the opening phase of the valve by the abrupt drop in the speed of the armature upon impact with the valve is detected.
  • the extent of the slow movement section can thus be adapted to the current valve clearance.
  • the spring-mass system is designed so that the distance from the point at which the force equilibrium is reached as early as possible to the end position on the opener and closer side is large enough to bridge the valve clearance and to compensate for sensor errors.
  • a low eddy current armature for example made of a sintered material, is preferably used in order to increase the scope by lowering the maximum required current level for the balance of forces.
  • the detachment process is designed by briefly energizing the holding magnet in such a way that a lower maximum speed is reached and the waypoint at which a force equilibrium can be reached at the earliest is further away from the end position.
  • the mechanically withdrawn energy is fed back electrically by using a low-eddy current armature and a corresponding clocking stage, preferably in a bridge circuit.
  • a digital displacement sensor is used for the sensor.
  • Raw signals are processed with the aid of a status observer so that the quality of the displacement, speed and current signals is improved by using information about the system behavior of the actuator.
  • the condition observer uses the parameters obtained with the back pressure in the initial phase of the movement, ie when the armature is detached, by measurement are correlated.
  • the sensor signal is averaged during the phase of the armature being in contact with one of the two end positions with the aim of compensating for any offset error and / or amplification error of the sensor and thus reducing the demands on the sensor with regard to temperature stability .
  • the controller consists of a two- or three-point controller with a feedback branch, which contains a digital filter.
  • This filter is preferably a low-pass filter with a suitably matched characteristic.
  • the sampling time of the entire arrangement is preferably 20 ⁇ s.
  • the output stage is a switching output stage with rise and fall times of less than 5 ⁇ s.
  • the impact control of the actuator provides information about the expected internal cylinder pressure, which is used in addition to the parameters determined by measurement, which are correlated with the actual internal cylinder pressure become. Furthermore, the impact control returns information to the engine control, such as measured valve clearance, further parameters which are correlated with the actual internal cylinder pressure, further parameters which are correlated with the wear of the actuator, furthermore parameters which correlate with the temperature of the actuator are.
  • the invention is used in the presence of a hydraulic valve lash adjuster.
  • a hydraulic valve lash adjuster The fact that vibrations in the speed-path course, which at Impact of the anchor bolt on the valve in the presence of valve clearance normally occur and make it difficult to determine parameters that are correlated with the back pressure, here they are strongly damped.
  • Another advantage is achieved if the measurement signal is obtained directly from a digital measurement process.
  • the advantages are: no A / D conversion, inexpensive robust electronics, etc.
  • a digital pulse or a binary bit pattern is output for each route.
  • the absolute position must be derived using an algorithm, taking into account the rest position and the maximum anchor travel.
  • the speed can be determined from the time difference between the pulses or bit pattern changes.
  • Preferred measuring methods are those that can be implemented as an integrated component including signal processing.
  • FIGS. 13 to 17 A path measurement using a magnetoresistive measuring principle based on measuring cell matrices is shown and described with reference to FIGS. 13 to 17.
  • the magnetoresistive matrix 30 (XMR matrix) can be arranged, as can be seen in FIGS. 13 and 14.
  • a position magnet 31 is attached to the guide rod 11.
  • the evaluation circuit for the XMR matrix 30 outputs which sensor of the matrix of the sensor line receives a maximum signal. This is the position with which the position magnet 31 is correlated on the guide rod 11, i. H. the current path position.
  • FIG. 14 A further embodiment is shown in FIG. 14.
  • the signal processing is limited to the generation of pulses when the maximum changes from one individual sensor to the next.
  • a preferred embodiment is the generation of a pulse code shifted by 90 ° for direction detection.
  • a version with a special magnet geometry is suitable, e.g. For example, the embodiment in Fig. 15.
  • the arrangement of two position magnets 30.1 and 30.2 in the middle creates a narrow area with horizontally running field lines created, which allows a larger distance between the matrix and the position magnet.
  • FIGS. 16 to 18 A path and speed measurement using a microwave resonator measuring principle is shown and described with reference to FIGS. 16 to 18.
  • valve stem 16 shows an arrangement that can be placed on top of an actuator.
  • the valve stem is non-positively connected to the EMC armature and the guide rod 11, so that the guide rod 11 reflects the position of the anchor plate.
  • the free end of the guide rod 11 protrudes into a resonator housing 35 which is partially, preferably in the areas which the guide rod does not reach during its linear movement, filled with a dielectric 36.
  • An oscillator 37 is coupled to the resonator via a coupling device 38 (capacitive or inductive). This arrangement allows the armature path to be used as a frequency-determining component of an oscillator 37.
  • a reference oscillator 38 in a mixer or a frequency demodulator 39 with subsequent filtering and signal processing 40, both the path signal 41 and the speed input formation 42 of the motor control are made available.
  • the guide rod 11 indicates the path position of the anchor plate.
  • the guide rod 11 forms a displaceable part of a coaxial resonator 35, the fixed part of which is filled with a dielectric.
  • the guide rod 11 can travel the linear path and thus change the reflection properties of such a coaxial resonator arrangement as a function of the EMC armature movement.
  • the oscillator 37 is coupled to the fixed resonator part between the center conductor 44 and the housing via an insulation 43. Via a reference oscillator 38, both path signal 41 and speed information 42 can be made available in a mixer or a frequency demodulator 39 with subsequent filtering and signal processing.
  • a distance and speed measurement using an optical resonator dimension principle is shown and described with reference to FIG. 21.
  • FIG. 18 shows an arrangement in which an optical variant of a resonator measuring principle is shown, which can also be attached to the guide rod 11 of an actuator.
  • the guide rod 11 indicates the path position of the anchor plate.
  • a magnetic arrangement 45 which effects the effect of the magnetic field on the zone 46, is connected to the shaft in order to convey the anchor position.
  • the component 46 represents an optical conductor, the optical properties, preferably the refractive index, of which are a function of the magnetic field strength. The entire arrangement is shielded against interference and external fields.
  • the optical conductor 46 is sealed on one side by an optical mirror 47 and is connected to semiconductor fiber via coupling elements 48, for example a glass fiber and / or a polarization-rotating element and / or an optical impedance matching, which is controlled via current signal 50 and driver 51 .
  • An HL laser 49 emits a beam in the direction of the sensor 52, on which the second beam of the HL laser 49 also interferes via element 48, 46, 47, 46, 48, 49.
  • the detector signal 53 thus measures interference due to path length changes in the two beam paths.
  • a path length is now implicitly changed by means of magnetic field by magnet 45 by varying the refractive index in element 46 and thus forms a measure for the path of the guide rod 11.
  • Another possibility for changing the length of element 46 when using optical materials whose refractive index is not The function of the magnetic field strength is obtained by gluing magnetostrictive material 46.1 to the optical element 46, so that a mechanical length change of element 46 occurs due to the magnetic field.
  • a path and speed signal is to be determined by evaluating the detector signal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventiltriebs für ein Gaswechselventil an einer Kolbenbrennkraftmaschine, dessen Bestromung über eine Motorsteuerung gesteuert wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß über eine Sensorik die Bestromung des fangenden Magneten so gesteuert wird, daß das Ventil auf seinem Sitz und der Anker auf der Polfläche jeweils sanft aufsetzen.

Description

Bezeichnung: Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventiltriebs für ein Gaswechselventil an einer Kolbenbrennkraftmaschine
Bei elektromagnetischen Ventiltrieben zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolbenbrennkraftmaschine besteht insbesondere bei Vorhandensein eines Ventilspiels ein großes Problem darin, die AufSetzgeschwindigkeit des Ventils auf sehr kleine Werte (unter 0,2m/s) zu regeln, da bezogen auf den Ankerabstand der Auftreffpunkt des Ventils im Betrieb sich aus thermischen Gründen (Variation des Ventilspiels) ändert. Außerdem muß der Anker nach dem Auftreffen des Ventils noch sicher die Polfläche erreichen. Bei zu geringer Bestrom- ung kehrt der Anker frühzeitig um und schlägt das Ventil wieder los. Bei zu hoher Bestromung kommt es zu hohen Ankerauf- Setzgeschwindigkeiten, die zum einen akustisch problematisch sind, zum anderen aber auch zu Prellvorgängen und schlimmstenfalls ebenfalls zum erneuten, unkontrollierten Ventilöff- nen führen und somit zum Ausfall des gesamten Systems.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektromagnetischen Ventiltrieb mit
Steuerung
Fig. 2 den Verlauf der Geschwindigkeit von Ventil und Anker bei der Schließbewegung
Fig. 3 den Verlauf der Geschwindigkeit von Ventil und Anker beim Erreichen der Schließstellung in größerem Maßstab
Fig. 4 den Verlauf des Weges von Ventil und Anker sowie des Stroms in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Regelung nach dem Stande der Technik
Fig. 5 den Verlauf der Geschwindigkeit von Ventil und Anker bei der Schließbewegung bei einer Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
Fig. den Verlauf des Weges des Ankers und des Stroms in Abhängigkeit von der Zeit bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 7 den Grundaufbau der Steuerung in Form eines Blockschaltbildes
Fig. 8 den Ablauf des erfindungsgemäßen An- steuerungsverfahrens anhand eines Blockschaltbildes
Fig. 9 das Blockschaltbild gemäß Fig. 8 ergänzt um einen "Beobachter"
Fig. 10 das Blockschaltbild gemäß"Fig. 9 mit einer Verknüpfung von Motorsteuerung und Beobachter
Fig. 11 das Blockschaltbild gemäß Fig. 10 ergänzt durch eine Vorabschätzeinheit
Fig. 12 und 12.1 Abwandlungen der Schaltung bei Verwendung eines "Beobachters"
Fig. 12 bis 15 Aufbau und Funktion eines magnetorre- sistiven Bewegungssensors
Fig. 16 und 17 Ausführungsformen von Mikrowellen- Resonator-Wegsensoren Fig. 18 eine optische Variante eines Resonator-Wegsensor
In Fig. 1 ist das Grundprinzip eines derartigen elektromagne- tischen Ventiltriebs mit seiner Steuerung schematisch dargestellt.
Ein elektromagnetischer Ventiltrieb zur Betätigung eines Gas- wechselventils 2 besteht im wesentlichen aus einem Aktuator 1 mit einem Schließmagneten 3 und einem Öffnermagneten 4, die im Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen denen ein Anker 5 gegen die Kraft von Rückstellfedern, nämlich einer Öffnerfeder 7 und einer Schließfeder 8 hin und her bewegbar geführt ist.
In Fig. 1 ist die "klassische" Anordnung der Öffnerfeder und der Schließfeder in Schließstellung dargestellt. Bei dieser Anordnung wirkt die Schließfeder 8 unmittelbar über einen mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 verbundenen Federtel- 1er 2.2 ein. Die Führungsstange 11 des elektromagnetischen
Aktuators ist vom Schaft 2.1 getrennt, in der Regel ist hier in der Schließstellung ein Spalt in Form des sogenannten Ventilspiels VS vorhanden. Die Öffnerfeder 7 stützt sich wiederum auf einem Federteller 11.1 an der Fuhrungsstange 11 ab, so daß in der Mittellage bei stromlos gesetzten Magneten unter der gegeneinandergerichteten Wirkung von Öffnerfeder 7 und Schließfeder 8 die Fuhrungsstange 11 sich auf dem Schaft 2.1 des Gaswechselventils 2 abstützt. Es ist auch möglich, anstelle der Öffnerfeder 7 nur eine einzige Rückstellfeder vor- zusehen, die so ausgelegt ist, daß sie jeweils beim Überschwingen des Ankers 5 über die Mittellage eine entsprechende Rückstellkraft aufbaut. Eine gesonderte Schließfeder 8 entfällt damit. Bei einer derartigen Anordnung muß allerdings die FührungsStange 11 mit dem Schaft 2.1 des Gaswechselven- tils über ein entsprechendes Koppelelement verbunden sein, das die -Hin- und Herbwegung des Ankers in gleicher Weise auf das Gaswechselventil 2 überträgt, gleichwohl ein Ventilspiel zuläßt.
Die Elektromagneten 3 und 4 des Aktuators 1 werden über eine elektronische Motorsteuerung 9 entsprechend den vorgegebenen Steuerprogrammen und in Abhängigkeit von den der Motorsteuerung zugeführten Betriebsdaten, wie Drehzahl, Temperatur etc. angesteuert.
Dem Aktuator 1 ist ein Sensor 10 zugeordnet, der die Erfassung der Aktuatorfunktionen ermöglicht. Der Sensor 10 ist hier schematisch dargestellt. Je nach der Auslegung des Sensors kann beispielsweise der Weg des Ankers 5 erfaßt werden, so daß die jeweilige Ankerposition der Motorsteuerung 9 über- mittelt werden kann. In der Motorsteuerung 9 kann dann über entsprechende Rechenoperationen ggf. auch die Ankergeschwindigkeit ermittelt werden, so daß in Abhängigkeit von der Ankerposition und/oder in Abhängigkeit von der Ankergeschwindigkeit die Bestromung der beiden Elektromagneten 3, 4 ge- steuert werden kann.
Der Sensor 10 muß nicht zwangsläufig, wie dargestellt, der verlängerten Führungsstange 11 seitlich zugeordnet sein, sondern es ist auch möglich, entsprechende Sensoren im Bereich der Polfläche der jeweiligen Elektromagneten anzuordnen oder aber auch seitlich dem Anker 5 zuzuordnen.
Die Motorsteuerung 9 weist ferner entsprechende Mittel zur Erfassung des Stroms und der Spannung für den jeweiligen Elektromagneten 3 und 4 sowie zur Veränderung des Stromverlaufs und des Spannungsverlaufs auf. Über die Motorsteuerung 9 kann dann in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebsprogrammen, ggf. gestützt auf entsprechende Kennfelder, der Aktuator 1 des Gaswechselventils 2 vollvariabel angesteuert werden, so beispielsweise hinsichtlich des Beginns und des Endes der
Öffnungszeiten. Auch eine Ansteuerung hinsichtlich der Höhe des Öffnungshubes oder auch der Zahl der Offnungshübe während einer Schließzeit ist möglich.
Zur Erzielung niedriger AufSetzgeschwindigkeiten des Ankers 5 ist eine Stromregelung erforderlich, die als Eingangssignal eine Information über die aktuelle Bewegung bzw. Position des Ankers benötigt. Solange kein Ventilspiel vorhanden ist, reicht eine Regelung nach der Ankerposition aus. Bei Vorhandensein eines Ventilspiels ist allerdings auf der Schließer- seite die Situation recht problematisch. Die Geschwindigkeit des Ankers und somit des Ventils muß bereits beim Aufsetzen des Ventils im Ventilsitz einen recht kleinen Wert von ca. 0,2m/s pder kleiner aufweisen (zumindest im Bereich kleiner Drehzahlen) .
In Fig. 2 ist die Situation für ein "normales" Ventilabsetzen, d. h. ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, verdeutlicht. Dargestellt ist hier als ausgezogene Linie die Geschwindigkeit des Ankers über dem Ankerweg. Ganz rechts ist die Position für den geöffneten Fall dargestellt. Als Beispiel wurde hier ein Ankerhub von 8mm gewählt. Ganz links bei 0,0 ist die Ankerposition bei Anlage an der Polfläche des Schließermagneten dargestellt. Eine Schließbewegung beginnt demgemäß an der Position ganz rechts im Bild bei 8mm und Ge- schwindigkeit 0. Die Geschwindigkeit erhöht sich nun bis etwa zum Erreichen der Mitte zwischen den Polflächen (bei ca. 4mm). Wenn der Anker "normal" (ungeregelt) betrieben wird, so hat das Ventil insbesondere bei einem deutlichen Ventilspiel von beispielsweise 0,4mm (kalter OMotor) bei Ankunft im Ven- tilsitz noch eine recht hohe Geschwindigkeit von etwa 1,1m/s. Bei dieser Position kommt es zu einer Trennung der Ankerbewegung von der Ventilbewegung. Das Ventil wird abrupt gebremst (unterbrochene Linie), die Geschwindigkeit geht sogar unter Null, d.h. das Ventil prallt wieder ab.
Der Ankex wird zunächst langsamer, kurz vor dem Auftreffen nimmt seine Geschwindigkei aber wieder zu und er trifft mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,5m/s auf. Die Ankergeschwindigkeit war zwischenzeitlich fast bis auf Null reduziert; bei einer weiteren Reduktion des Fangstromniveaus würde der Anker also vor Erreichen der Polfläche wieder umkehren, das System würde ausfallen.
In Fig. 3 ist der Bereich des Ventilaufsetzens und Ankeraufsetzens vergrößert dargestellt. Die getrennten Bewegungen von Anker und Ventil sind deutlich zu erkennen. Zunächst bewegen sich Anker und Ventil ohne Ventilspiel zusammen (Kurventeil vA+v) . Sobald das Ventil auf seinen Sitz auftrifft, trennen sich Ventil und Anker und führen aufgrund des Ventilspiels Eigenbewegungen aus. (Ventil unterbrochene Linie, Anker ausgezogene Linie).
In Fig. 4 sind über der Zeit aufgetragen die Verläufe der An- kerposition (ausgezogene Linie), der Ventilposition (unterbrochene Linie) und des Stromes (strichpunktierte Linie). Man erkennt im Stromniveau zunächst die Einhaltung eines konstan- ten Stromwertes, der allerdings bei großer Annäherung des Ankers zunächst einbricht, da die gegeninduzierte Spannung die Versorgungsspannung übersteigt. Im Anschluß wird zum sicheren Fangen des Ankers die Stromvorgabe für das Stromniveau erhöht. Weil der Anker fast zur Ruhe kommt, kann das neue Niveau auch erreicht werden, da durch die Bewegungslosigkeit des Ankers zunächst keine weitere Gegenspannung induziert wird.
In Fig. 5 und 6 sind die Verhältnisse bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und Fig. 4 dargestellt. In Fig. 5 ist wiederum der Verlauf der Geschwindigkeit über dem Ankerweg dargestellt. Der Verlauf der Ankergeschwindigkeit unterscheidet sich gravierend von dem ungeregelten Verlauf. Zunächst wird der Anker nach der Trennung vom Ventil stärker beschleunigt als im ungeregelten/ungesteuerten Fall. Bei starker Annäherung wird dann der Strom allerdings wieder drastisch reduziert bis auf das zum Halten des Ankers erforderliche Niveau (hier im Beispiel ca. 1 , 5A) .
Bei einer entsprechenden Auslegung von Anker und Joch kann sogar eine Gegenbestromung (Umkehr der Stromrichtung) sinnvoll sein, um abstoßende Kräfte zu erzeugen.
In Fig. 6 sind die Verläufe von Ankerweg und Strom über der Zeit wiedergegeben. Bedingt durch eine Regelung des Stromver- laufes kann eine Ventilauftreffgeschwindigkeit von etwa 0,2m/s erzielt werden.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild der Ansteuerung des Aktua- tors. Die Motorsteuerung 9 gibt dabei den Zeitpunkt vor, wann der Bewegungsvorgang (Ventilschließen) eingeleitet wird. Dies geschieht dann durch Abschalten des Stromes durch die Schließerspule im Stromtreiber 12 (hier ist keine Stromzufuhr zur Schließerspule dargestellt) . Abhängig von der jeweiligen An- kerposition, die über eine Positionserfassungseinrichtung 13, beispielsweise Sensor 10 plus Aufbereitungsschaltung, wird nun der Strom beispielsweise derart geregelt, daß der Anker möglichst ein vorgebbares Weg-Geschwindigkeits-profil einhält Hierzu dient der Positionsregler 14.
In Fig. 8 ist nun gezeigt, daß zwei Regel- oder Steuervorgänge vorgesehen sind. Zunächst wird während des Fluges des Gaswechselventils die Regelung von dem hier nun als Ventilpositionsregler 14 bezeichneten Block übernommen. Dieser Block kann identisch zu demjenigen Block 14 in Fig. 7 ausgelegt sein, muß aber berücksichtigen, daß das Ziel, das mit geringer Geschwindigkeit zu erreichen ist, nicht die Polfläche darstellt sondern vielmehr der Ventilsitz, also Position der Polfläche plus Ventilspiel.
Sobald erkannt wird, daß das Ventil im Sitz angekommen ist (oder sich zumindest in unmittelbarer Nähe befindet), wird auf die Ankerregelung umgeschaltet. In Fig. 8 ist dies veran- schaulicht, indem ein "Ventiltrenndetektor" 17 feststellt, daß das Ventil im Sitz angekommen ist und somit die Stromvorgabe für den Stromtreiber 12 umschaltet auf den Ausgang des Ankerpositionsreglers 15. (Tatsächlich kann der Ankerpositi- onsregler physikalisch derselbe Block sein, der nur in einen anderen Modus gesteuert wird. ) Der Ventiltrenndetektor kann seine Information aus dem Sensor 10 des Positionsdetektors oder dem Ausgangssignal der Positionserfassung 13 beziehen, die Trennung von Ventil und Anker aus Strom und/oder Span- nungs-verlauf am Magneten schlußfolgern oder über einen separaten Sensor 16 feststellen. Ein solcher Sensor kann einfach aus einem Kontakt bestehen, der geschlossen wird, wenn sich die beiden elektrisch leitfähigen Teile trennen (z.B. Ankerbolzen und Ventilschaft) . Um Probleme mit Verschmutzungen der Kontakte zu umgehen, kann jedoch auch eine Kapazitätsänderung zwischen den sich trennenden Komponenten festgestellt werden; hierzu ist eine nichtleitende Trennschicht zwischen den beiden Komponenten erforderlich.
Der Ankerstromregier kann seine Funktion auch über eine
Zeitsteuerung ausführen, da lediglich die Distanz des Ventilspiels noch überbrückt werden muß. Hierzu erfolgt beispielsweise eine Vorgabe des Stromverlaufes über der Zeit, und dies in Abhängigkeit des vorhandenen Ventilspiels . Somit wird es auch möglich, anstelle des Ankerpositionssensors einen Ventilpositionssensor zu verwenden, da die Information über die Ankerposition nicht mehr derartig wichtig ist.
Fig. 9 zeigt eine Erweiterung der Regelung, die besonders dann sinnvoll ist, wenn die Positionserfassung mit kostengünstigen Sensoren erfolgen soll. Dabei besteht nämlich das Problem, daß zur Gewinnung einer Geschwindigkeitsinformation das Wegsignal differenziert werden muß. Dies ist allerdings bei einem verrauschten oder gestörten Signal nur sehr unzurei- chend möglich. Abhilfe schaffen kann man nun mit einem Beobachter 19, der ein Modell des Aktuators beinhaltet (z.B. in Form von Differentialgleichungen für den Zusammenhang zwi- sehen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position des Ankers sowie Informationen über Masse von Anker und Ventil, Federkräften etc.). Schließlich ist ja der prinzipiell mögliche Verlauf der Geschwindigkeit durch das System in Grenzen vor- hersehbar. Das Modell kann nun zunächst bei Beginn der Bewegung initialisiert werden. Bekannt ist ja zu diesem Zeitpunkt die exakte Position, sowie die Geschwindigkeit. Die neuen Informationen über die gemessene Position 13 sowie ggf. die vom Modell ermittelten Zustandsgrößen fließen in den Beobachter (in das Modell) als neuerliche Eingangsgrößen ein und können somit wiederum zur Korrektur der aktuell ausgegebenen Größen über Weg und Geschwindigkeit verwendet werden. Auch kann eine Selbstkalibrierung (Adaption) des im Beobachter enthaltenen Modells erfolgen. Stellt beispielsweise der Beobachter fest, daß die Reibung größer ist als bisher im Modell vorgesehen, kann die entsprechende Größe automatisch neu parametriert werden.
Auch können bestimmte Parameter zur Verbesserung der Modell- parametrierung von der Motorsteuerung z.B. in Abhängigkeit der Last (Gaskräfte beim Auslaßventil) oder die Motortemperatur (Abschätzung Ventilspiel, Reibung etc.) in das Modell gefüttert werden (siehe auch Fig.10, Verbindung von 11 nach 19).
Zusätzlich zur rein mechanischen Modellbildung können naturgemäß auch eine zusätzliche Berücksichtigung der Magnetkräfte erfolgen. Hierzu muß eine Kenntnis über die aktuell vorliegende Bestromung vorliegen. Dies ist in Abbildung 6 darge- stellt (Verbindung von 12 nach 19 in Fig. 10).
Die Qualität des Reglers selber kann auch verbessert werden, wenn man eine vorausschauende Abschätzung vornehmen kann, welchen Einfluß die eingeleiteten Maßnahmen (Änderung der Stromhöhe) auf den Anker haben werden. Dazu wird gem. Fig. 11 dem Regler 14 eine "Vorabschätzeinheit" , ein Prediktor 20 zur Verfügung gestellt. Dieser Prediktor 20 enthält ebenfalls wieder ein Modell des Systems und kann somit Abschätzen, welche Auswirkungen die Maßnahmen haben werden. Wenn die Maßnahmen als nicht ausreichend oder als zu stark betrachtet werden, so kann der Regler entsprechend noch korrigiert ( " zu- rückgepfiffen") werden.
Auch der Prediktor 20 kann wiederum "lernfähig" gestaltet sein, so daß er sich automatisch an veränderte Modellparameter anpaßt.
Besonderes Augenmerk muß auf die einerseits kostengünstig zu gestaltende, andererseits auch möglichst genaue Erfassung der Position des Ankers bzw. des Ventils gelegt werden. Insbesondere in der Phase der letzten Annäherung, wenn die Geschwin- digkeit schon relativ klein ist und die Weginformation sehr genau sein muß, kann die Auflösungsgrenze einer möglicherweise erforderlichen Analog/Digital-Wandlung (Quantisierung) problematisch sein. Verbessert werden kann diese Auflösung, indem vor der Wandlung der jeweils aktuell abgeschätzte Wert der Position (z.B. aus Beobachter 19) zunächst von dem vom
Sensor erfaßten Wert abgezogen wird, bevor der Wert digitalisiert wird. In Fig. 12 ist die Rückführung 21 des Positions- signals vom Beobachter 19 in die Positionserfassung 13 zu erkennen.
In Fig. 12.1 ist beispielhaft eine Ausführungsform der Positionserfassung dargestellt. Das Rückführsignal 21, das digital vom Beobachter zur Verfügung gestellt wird, wird einem D/A-Wandler 22 zugeführt. Der Ausgang des D/A-Wandlers 22 liefert also den aktuell vom Beobachter ermittelten Wert für die Position in analoger Form. Dieser Wert wird mit Hilfe eines Subtrahierers 24 von dem Signal eines Positionssensors subtrahiert, das zunächst von einer Aufbereitungsschaltung 23 auf den richtigen Pegel angehoben wurde. Hinter dem Subtra- hierer liegt nur noch die Differenz zur derzeit vom Beobachter ermittelten Position vor. Der Signalbereich dieses Signals ist naturgemäß deutlich kleiner als der des ursprüngli- chen Positionssignals . Somit kann es mit Hilfe eines Verstärkers 25 vor der A/D-Wandlung 26 im Pegel angehoben werden. Der A/D-Wandler führt dann das Differenzsignal zwischen der vom Beobachter ermittelten und der aktuellen, neuen Weginfor- mation dem Beobachter 19 wiederum in digitaler Form zu. Dieser kann, sofern erforderlich, die neue Positionsinformation durch Addition des vorher ermittelten Signals 21 und der neuen Differenzinformation erhalten.
Andere Ausführungsformen sind ebenso möglich. So kann beispielsweise der A/D-Wandler und/oder der D/A-Wandler im Beobachter integriert sein. (Fig. 12.1)
Gemäß der Erfindung wird zur Regelung eines sanften Auftref- fens die Position und/oder die Geschwindigkeit des Ankers mit Hilfe eines Sensors fortlaufend gemessen und für eine closed- loop-Regelung des Aktuators verwendet. Dabei geht die Erfindung davon aus, daß eine effektive closed-loop-Regelung der Anker- bzw. Ventilgeschwindigkeit nur im letzten Teil der Be- wegung, d. h. kurz vor Erreichen der jeweiligen Endlage möglich ist aufgrund der dynamischen Eigenschaften des Systems. Dennoch ist es erforderlich, schon zu einem früheren Zeitpunkt einzugreifen, um das erforderliche Stromniveau überhaupt erreichen zu können. Die Erfindung sieht im ersten Teil der Bewegung die Bestimmung von Parametern vor, die mit dem Zylinderinnendruck korreliert sind. Dies erfolgt durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate, indem die Trajektorie v(s) im Zustandsraum betrachtet wird (v=Geschwindigkeit, s=Position) . Abhängig von der Größe der Parameter wird bei Erreichen einer bestimmten Wegposition sx die Spannung konstant eingeschaltet. Bei Erreichen des Kräftegleichgewichtes (dv/dt = 0) wird vorzugsweise ein nichtlinearer Regler aktiviert, der die Sapnnung in Abhängigkeit von der Abweichung (v - v(s)) der gemessenen Geschwindigkeit von einer Sollkurve v(s) ein- bzw. ausschaltet. Gemäß der Erfindung wird bei Abschalten der Spannung über eine Brückenschaltung Energie verlustarm in das Bordnetz zurückgespeist, d. h. die jeweilige Spule mit der Versorgungsspannung betrieben. Durch die daraus resultierende Geschwindigkeit des Stromabfalls beim Abschalten ist eine closed-loop-Regelung gemäß der Erfindung besonders effektiv möglich.
In einer bevorzugten Anordnung wird die Bedingung dv/dt=0 direkt durch Ableitung und Filterung des Wegsignals erkannt.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung wird die Bedingung dv/dt=0 ersetzt durch die Bedingung I > =Imax, d. h. die Abschaltung der Spannung und Aktivierung des Reglers erfolgt bei Erreichen eines vorgegebenen Stromniveaus Imax.
In einer bevorzugten Anordnung werden die Einschaltposition son und die Stromschwelle Imax in Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung und den Parametern, die den Zylinderinnendruck wiederspiegeln, ausgedrückt. Dies kann durch einen funktionalen Zusammenhang oder ein Kennfeld erfolgen.
In einer bevorzugten Anordnung wird die Sollkurve v(s) im letzten Teil der Bewegung flach gewählt, so daß die Regelung auch bei Sensorfehlern eine niedrige AufSetzgeschwindigkeit sicherstellen kann.
In einer bevorzugten Anordnung verläuft die Sollkurve v(s) bei Geschwindigkeiten kleiner als 0,3 m/s, da in diesem Falle die Antwortzeit der Regelung kurz genug ist gegenüber der Totzeit des Systems, um eine closed-loop-Regelung zu realisieren.
In einer bevorzugten Anordnung wird die flache Sollkurve so weit ausgedehnt, daß damit der Bereich des Ventilspiels überbrückt werden kann, so daß Ventil und Anker mit niedriger Geschwindigkeit aufsetzen.
In einer, bevorzugten Anordnung wird hierzu das Ventilspiel im ersten Teil der Öffnungsphase des Ventils gemessen, indem der abrupte Abfall der Geschwindigkeit des Ankers beim Aufprall auf das Ventil erkannt wird. Die Ausdehnung des langsamen Be- wegungsabschnitts kann damit dem aktuellen Ventilspiel angepaßt werden.
In einer bevorzugten Anordnung wird das Feder-Masse-System so ausgelegt, daß der Abstand vom Punkt des frühestmöglichen Er- reichens des Kräftegleichgewichts bis zur Endlage auf Öffnerund Schließerseite groß genug ist, um das Ventilspiel zu überbrücken und Sensorfehler ausgleichen zu können. Dabei wird bevorzugt ein wirbelstromarmer Anker beispielsweise aus einem Sintermaterial eingesetzt, um den Spielraum durch Absenken des maximal erforderlichen Stromniveaus für das Kräftegleichgewicht zu erhöhen.
Zur Erhöhung des Wegbereichs niedriger Geschwindigkeit vor der Endlage wird der Ablösevorgang durch kurzzeitiges Be- stromen des Haltemagneten so gestaltet, daß eine niedrigere Maximalgeschwindigkeit erreicht wird und damit der Wegpunkt, an dem frühestens ein Kräftegleichgewicht erreichbar ist, weiter von der Endlage entfernt liegt. In einer bevorzugten Anordnung wird die dabei mechanisch entnommene Energie elektrisch zurückgespeist, indem ein wirbelstromarmer Anker und eine entsprechende Taktungsstufe vorzugsweise in Brücken- Schaltung verwendet wird.
In einer bevorzugten Anordnung wird für den Sensor ein digitaler Wegsensor eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Sensor-
Rohsignale mit Hilfe eines Zustandsbeobachters so aufgberei- tet, daß die Güte des Weg-Geschwindigkeits- und Stromsignals verbessert wird, indem Informationen über das Systemverhalten des Aktuators verwendet werden. Der Zustandsbeobachter ver- wendet dabei in einer besonders bevorzugten anordnung die in der Anfangsphase der Bewegung, d. h. beim Ablösen des Ankers, durch Messung gewonnenen Parameter, die mit dem Gegendruck korreliert sind. In einer besonders bevorzugten Anordnung wird während der Phase des Anliegens des Ankers an einer der beiden Endlagen eine Mittelwertbildung des Sensorsignals durchgeführt mit dem Ziel, einen eventuell vorhandenen Offsetfehler und/oder Verstärkungsfehler des Sensors zu kompensieren und damit die Anforderungen an den Sensor bezüglich Temperaturstabilität zu reduzieren.
In einer besonders bevorzugten Anordnung besteht der Regler aus einem Zwei- oder Dreipunktregler mit einem Rückkopplungszweig, der ein digitales Filter enthält. Dieses Filter ist bevorzugt ein Tiefpaßfilter mit einer geeignet abgestimmten Charakteristik. Die Abtastzeit der gesamten Anordnung liegt vorzugsweise bei 20 μs .
In einer besonders bevozugten Anordnung ist die Endstufe eine schaltende Endstufe mit Anstiegs- und Abfallzeiten unter 5 μs.
In einer bevorzugten Anordnung findet eine Kommunikation zwischen der Auftreffregelung des Aktuators und der ansteuernden Motorsteuerung dergestalt statt, daß die Motorsteuerung Informationen über den zu erwartenden Zylinderinnendruck liefert, die zusätzlich zu den durch Messung ermittelten Parame- tern, die mit dem tatsächlichen Zylinderinnendruck korreliert sind, verwendet werden. Ferner liefert die Auftreffregelung Informationen an die Motorsteuerung zurück, wie beispielsweise gemessenes Ventilspiel, ferner Parameter, die mit dem tatsächlichen Zylinderinnendruck korreliert sind, ferner Parame- ter, die mit dem Verschleiß des Aktuators korreliert sind, ferner Parameter, die mit der Temperatur des Aktuators korreliert sind.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird die Erfindung bei Vorhandensein eines hydraulischen Ventilspielausgleichs eingesetzt. Dabei wirkt sich die Tatsache vorteilhaft aus, daß Schwingungen im Geschwindigkeits-Weg-Verlauf , die beim Auftreffen des Ankerbolzens auf das Ventil bei Vorhandensein von Ventilspiel normalerweise auftreten und die Bestimmung von Parametern, die mit dem Gegendruck korreliert sind, erschweren, hier stark gedämpft sind.
Bei der Regelung von Aktuatoren, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden hohe Anforderungen an die Informationsqualität gestellt. Die Anforderungen an Auflösung, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit liegen über dem was übliche analoge Sensoren in diesem Anwendungsbereich heute leisten. Die Ursache dafür liegt unter anderem auch darin, daß in unmittelbarer Nähe des Motors die Konzentration, elektrischer Störfelder immens ist und die auf den Leitungen eingekoppelten Störpegel sehr hoch sind.
Aus diesem Grund ist eine digitale Signalübertragung eine mögliche Lösung, um die gewünschte Qualität zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil erzielt man, wenn man das Meßsignal di- rekt aus einem digitalen Meßvorgang gewinnt. Die Vorteile sind: keine A/D Wandlung, preiswerte robuste Elektronik, etc..
Einige der vorgestellten Prinzipien basieren auf digitalen Meßverfahren. Dabei wird pro Wegstrecke ein digitaler Impuls bzw für jeden Wegabschnitt ein binäres Bitmuster ausgegeben. Bei der relativen Positionsbestimmung muß die absolute Position durch einen Algorithmus hergeleitet werden unter Berücksichtigung der Ruhelage und dem maxialen Ankerweg. Die Ge- schwindigkeit kann über die Zeitdifferenz zwischen den Pulsen bzw. Bitmusterwechseln ermittelt werden.
Bevorzugte Meßverfahren sind die, die sich als integriertes Bauelement inklusive der Signalaufbereitung realisieren las- sen.
Digitale Verfahren für eine relative Positionsmessung: - optische Verfahren mit Schlitzscheibe
- optische Verfahren basierend auf dem Interferometerprinzip, wie nachstehend beschrieben,
- magnetische Verfahren mit magnetoresistiver Matrix ohne binäre Codierung, wie nachstehend beschrieben,
- Resonatormeßprinzipien (Frequenz abhängig von der geometrischen Position des Ankerweges), wie nachstehend beschrieben,
Absolute Meßverfahren, die sinnvollerweise einen der Position entsprechenden binären Code ausgeben:
- optische Verfahren mit z.B. CCD Zeile,
- magnetische Verfahren mit einer magnetoresistiven Matrix, ein- oder zweidimensional aufgebaut, im Gegensatz zu singu- lären magnetoresistiven Sensoren, wie vorbekannt.
Eine Wegmessung durch Verwendung eines magnetoresistiven Meßprinzips auf der Basis von Meßzellenmatrizen ist anhand der Fig. 13 bis 17 dargestellt und beschrieben. Die magnetoresi- stive Matrix 30 (XMR-Matrix) kann, wie in Fig. 13 und 14 zu erkennen, angeordnet werden. Ein Positionsmagnet 31 wird auf der FührungsStange 11 befestigt. Die Auswerteschaltung für die XMR-Matrix 30 gibt aus, welcher Sensor der Matrix der Sensorzeile ein maximales Signal empfängt. Dies ist die Position, mit der der Positionsmagnet 31 auf der Führungsstange 11 korreliert ist, d. h. die aktuelle Wegposition.
Eine weitere Ausführung zeigt Fig. 14. Die Signalverarbeitung beschränkt sich auf das Erzeugen von Impulsen beim Wechsel des Maximums von einem Einzelsensor auf den nächsten. Eine bevorzugte Ausführung ist die Erzeugung eines um 90° verscho- ebenen Impulscodes zur Richtungsdetektion. Zur Steigerung der Auflösung ist eine Ausführung mit spezieller Magnetgeometrie geeignet, wie z. B. die Ausführung in Fig. 15. Durch die Anordnung .von zwei Positionsmagneten 30.1 und 30.2 wird in der Mitte ein schmaler Bereich mit horizontal verlaufenden Feld- linien erzeugt, der einen größeren Abstand zwischen Matrix und Positionsmagnet zuläßt.
Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Auflösung ist die Anwendung des Nonius-Prinzips. Dazu werden mehrere Positionsmagnete auf der Fuhrungsstange 11 montiert.
Eine Kompensation mechanischer Toleranzen bezüglich der Rotationsgeometrie der Fuhrungsstange ist durch Auswertung unter der Berücksichtigung der Pegelverteilung möglich.
Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit, ist der Einsatz von zwei Matrizen in besonderer Anordnung zueinander denkbar, beispielsweise gegenüberliegend, zur Kompensation mechani- scher Toleranzen.
Eine Weg- und Geschwindigkeitsmessung durch Verwendung eines Mikrowellen-Resonator-Meßprinzips wird anhand der Fig. 16 bis 18 dargestellt und beschrieben.
Fig. 16 zeigt eine Anordnung, die oben auf einem Aktuator aufgesetzt werden kann. Der Ventilschaft ist dabei kraftschlüssig mit dem EMV-Anker und der Fuhrungsstange 11 verbunden, so daß die Fuhrungsstange 11 die Wegposition der Anker- platte widerspiegelt.
Das freie Ende der Fuhrungsstange 11 ragt in ein Resonatorgehäuse 35 hinein, welches partiell, vorzugsweise in den Bereichen, die die Fuhrungsstange bei ihrer linearen Bewegung nicht erreicht, mit einem Dielektrikum 36 gefüllt ist. Es wird ein Oszillator 37 über eine Koppelvorrichtung 38 (kapazitiv oder induktiv) an den Resonator angekoppelt. Diese Anordnung erlaubt es, den Ankerweg als frequenzbestimmendes Bauteil eines Oszillators 37 zu verwenden. Über einen Refe- renzoszillator 38 kann in einem Mischer oder einem Frequenz- demodulator 39 mit anschließender Filterung und Signalaufbereitung 40 sowohl Wegsignal 41, als auch Geschwindigkeitsin- formation 42 der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt werden.
Fig. 17 zeigt eine vergleichbare Anordnung, die ebenfalls oben auf einen Aktuator aufgesetzt werden kann. Die Führungsstange 11 gibt die Wegposition der Ankerplatte an. Die Führungsstange 11 bildet einen verschiebbaren Teil eines koaxialen Resonators 35, dessen feststehender Teil mit einem Diele- krikum gefüllt ist. Dabei kann die Führungsstange 11 den li- nearen Weg zurücklegen und somit die Reflexionseigenschaften einer solchen koaxialen Resonatoranordnung als Funktion der EMV-Ankerbewegung ändern.
Über eine Isolation 43 wird zwischen Mittelleiter 44 und Ge- häuse der Oszillator 37 an den feststehenden Resonatorteil angekoppelt. Über einen Referenzoszillator 38 kann in einem Mischer oder einem Frequenzdemodulator 39 mit anschließender Filterung und Signalaufbereitung sowohl Wegsignal 41 als auch Geschwindigkeitsinformation 42 zur Verfügung gestellt werden.
Eine Weg- und Geschwindigkeitsmessung durch Verwendung eines optischen Resonatormaßprinzips wird anhand der Fig. 21 dargestellt und beschrieben.
Fig. 18 zeigt eine Anordnung, in der eine optische Variante eines Resonatormeßprinzips dargestellt ist, die ebenfalls an der Führungsstange 11 eines Aktuators angebracht werden kann.
Die Fuhrungsstange 11 gibt die Wegposition der Ankerplatte an. Zur Vermittlung der Ankerposition befindet sich mit dem Schaft verbunden eine magnetische Anordnung 45, die die Wirkung des Magnetfeldes auf die Zone 46 bewirkt. Das Bauteil 46 stellt hierbei einen optischen Leiter dar, dessen optischen Eigenschaften, vorzugsweise die Brechzahl, eine Funktion der Magnetfeldstärke darstellt. Die ganze Anordnung ist gegen Stör- und Fremdfelder abgeschirmt. Der optische Leiter 46 ist einseitig durch einen optischen Spiegel 47 abgedichtet, und über Koppelelemente 48, beispielsweise eine Glasfaser und/oder ein polarisationsdrehen- des Element und/oder eine optische Impedanzanpassung an Halb- leiterfaser angeschlossen, der über Stromsignal 50 und Treiber 51 angesteuert wird. Ein HL-Laser 49 sendet einen Strahl in Richtung des Sensors 52 aus, auf dem auch der zweite Strahl des HL-Lasers 49 via Element 48, 46, 47, 46, 48, 49 interferierend auftrifft. Das Detektorsignal 53 mißt somit Interferenzen aufgrund von Weglängenänderungen der beiden Strahlwege. Eine Weglänge wird nun vermittels Magnetfeld durch Magnet 45 durch Variation der Brechzahl in Element 46 implizit geändert und bildet somit ein Maß für den Weg der- FührungsStange 11. Eine weitere Möglichkeit der Längenände- rung von Element 46 bei Verwendung von optischen Materialien, deren Brechzahl nicht Funktion der Magnetfeldstärke ist, ergibt sich durch Verkleben von magnetostriktivem Material 46.1 mit dem optischem Element 46, so daß durch das Magnetfeld eine mechanische Längenänderung von Element 46 eintritt.
Durch Auswertung des Detektorsignals ist ein Weg- und Geschwindigkeitssignal zu bestimmen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Kolben- brennkraftmaschine, der einen mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden Aktuator aufweist, der gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder zwischen zwei Elektromagneten hin und her bewegbar geführt ist, deren Bestromung mit Hilfe einer Sensorik über eine Motorsteuerung so gesteu- ert wird, daß jeweils die Bestromung des fangenden Magneten so gesteuert wird, daß der Anker in "Schleichfahrt" an die Polfläche herangeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausregelung eines Ventilspiels bei der Schließbewegung des
Gaswechselventils die Bestromung des fangenden Magneten so gesteuert wird, daß zunächst das Ventil auf seinen Sitz und nach Durchlaufen des Ventilspiels der Anker auf der Polfläche sanft aufsetzen.
3. Verfahren nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einer Positionserfassung des Ankers und/oder des Ventils so geregelt wird, daß der Anker ein vorgegebenes Weg-Geschwindigkeitsprofil ein- hält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei Vorhandensein eines Ventilspiels beim Auftreffen des Ventils auf seinen Sitz die Be- Strömung des fangenden Magneten auf "Ankerregelung" umgeschaltet wird und der Anker gesondert an die Polfläche herangeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreffen des Ventils auf seinen Sitz über einen Ventil- trenndedektor erfaßt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung des Elektromagneten zur Führung des Ankers nach dem Auftreffen des Ventils auf seinen Sitz in Abhängigkeit des gegebenen Ventilpiels über eine vor- gebbare Zeit erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Sensoren folgende Positionserfas- sung von Ventil und/oder Anker über ein elektronisches Modell des Aktuators erfolgt, das die funktionswesentlichen Parameter des Aktuators enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Modellparametrierung im elektronischen Modell aktuelle Betriebsdaten aus der Motorsteuerung aufgeschaltet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils eingeleiteten Regelmaßnahmen über eine ein elektronisches Modell des Aktuators enthaltende
Vorabschätzeinheit in bezug auf ihre künftigen Auswirkungen überprüft werden und der Regler ggf. hiernach korrigiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Bewegung des Gaswechselventils die Parameter bestimmt werden, die mit dem Zylinderinndruck korreliert sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschalten der bei der Bestromung am fangenden Elektromagneten anliegenden Spannung über eine Brückenschaltung Energie in das Bordnetz zurückgespeist wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beim Ventilöffnen im ersten Teil der Öffnungsphase das Ventilspiel insbesondere über die Er- fassung des Geschwindigkeitsabfalls des Ankers beim Auftreffen auf das Ventil erfaßt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, daß das durch den Aktuator, die Rückstellfeder und das Gaswechselventil gebildete Federmassesystem so ausgelegt ist, daß der Abstand vom Punkt des frühestmöglichen Er- reichens des Kräftegleichgewichtes bis zur Endlage auf der Öffnerseite und Schließerseite groß genug ist, um das Ventil- spiel zu überbrücken und Sensorfehler auszugleichen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß über die Auftreffregelung erfaßten Informationen über die Bewegung des Gaswechselventils der Motor- Steuerung zugeführt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Weg und/oder Geschwindigkeit des Ankers digitale Signale erzeugt und der Motorsteue- rung zur Verfügung gestellt werden.
PCT/EP2000/004463 1999-05-19 2000-05-17 Verfahren zur ansteuerung eines elektromagnetischen ventiltriebs für ein gaswechselventil an einer kolbenbrennkraftmaschine WO2000071861A1 (de)

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DE50011289T DE50011289D1 (de) 1999-05-19 2000-05-17 Verfahren zur ansteuerung eines elektromagnetischen ventiltriebs für ein gaswechselventil an einer kolbenbrennkraftmaschine
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