WO2006050796A1 - Verfahren zur kalibrierung eines wegsensors einer drehaktuatorvorrichtung zur ansteuerung eines gaswechselventils einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2006050796A1
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rotor
electric motor
gas exchange
exchange valve
torque
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PCT/EP2005/011247
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Rudolf Seethaler
Martin Lamprecht
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Bayerische Motoren Werke
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/08—Shape of cams
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
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    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/03—Auxiliary actuators
    • F01L2820/032—Electric motors

Definitions

  • the present invention relates to a method for calibrating a displacement sensor of a rotary actuator device for controlling a gas exchange valve of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.
  • the camshaft for controlling the gas exchange valves is mechanically driven by a timing chain or a timing belt from the crankshaft.
  • a so-called fully variable (variable timing and variable valve lift) for example, a so-called electromagnetic valve train.
  • an "actuator unit” is assigned to each valve or "valve group" of a cylinder.
  • stroke actuators a valve or a valve group is associated with an opening and a closing magnet. By energizing the magnets, the valves can be moved axially, ie opened or closed.
  • a control shaft is provided with a cam, wherein the control shaft is pivotable by an electric motor back and forth.
  • valve spring and additional spring are such that during periodic operation of the rotary actuator device according to the position of the gas exchange valve, the kinetic energy either in the valve spring (closing spring) or in the additional spring (opening spring) is stored.
  • the device described proposes for the unique positioning of the control cam in its end positions, which is clearly positioned by means of a first and by means of a second rotation stop.
  • a disadvantage of this arrangement is that the calibration of position sensors for position determination by starting mechanical attacks not for all applications has a satisfactory accuracy. Depending on the structure of the Drehaktuatorvoriques used, the mechanical tolerances of the system are so large that a required accuracy can not be achieved.
  • the object of the invention is to provide a method for calibrating a displacement sensor for a Drehaktuatorvoriques, by means of which a more accurate positioning or position determination of the actuating element (and thus also of the gas exchange valve) is ensured.
  • a rotary actuator in a rotary actuator according to the preamble of claim 1 starting from a metastable end position of the actuating element (here: camshaft) or starting from a metastable end position of the rotor of the electric motor of the electric motor driven such that the rotor to moves a distance in at least one direction out of its moment-neutral position and the resulting current consumption is detected.
  • the displacement sensor for determining the rotor position or the position of the actuating element is neutral to a new, possibly corrected, torque Position (which ideally can be the same as the old position, or only slightly deviates from it) (calibrated).
  • the rotor is deflected on both sides on the basis of a metastable torque-neutral position, the current consumption of the electric motor is observed, and the displacement sensor is adjusted to a corrected position, in particular to an adjusted metastable torque-neutral position.
  • the actual moment zero point can be determined at the self-adjusting current values (proportional to the restoring moment of the restoring torque acting on the rotor due to the respective tensioned opening or closing spring).
  • the gas exchange valve is deliberately transferred to a torque-neutral center position, which in turn forms a unique reference point for the adjustment of the displacement sensor.
  • This torque-neutral central position is in contrast to the above-described metastable end positions at full lift a stable position (so-called tapered or fallen position of the rotor) from the rotor can not be led out by a minimum impulse-like abutting energy. From this stable position, the rotor can be converted by a targeted arrival or swinging again in a General ⁇ or Vollhub compassion.
  • This position corresponds to the position when the rotor uncontrollably slides off a metastable end position in full stroke and is therefore not desirable in normal operation. However, especially when starting a motor vehicle, there is sufficient time to carry out a calibration based on this procedure and then to swing the rotor back into a normal operating position. Further advantageous features of the invention are described in the dependent claims.
  • Figure 1 the schematic representation of a Drehaktuatorvorraum for driving a gas exchange valve of an internal combustion engine, not shown, and
  • Figure 2 the torque curve of opening and closing spring of a rotary actuator, which acts on the inlet side on a gas exchange valve and the adjusting stroke profile of the actuated gas exchange valve - shown schematically in a diagram.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a rotary actuator for driving a gas exchange valve 2 of an internal combustion engine, not shown.
  • the essential components of this device are an especially designed as a servomotor electric motor 4 (drive means), a driven by this, preferably two cams 6a, 6b different strokes and rotatably connected to the rotor shaft camshaft 6 (actuator), one with the camshaft 6 on the one hand and with the gas exchange valve 2 on the other hand in operative connection drag lever 8 (transmission element) for transmitting the movement of the given by the cam 6a, 6b lifting height to the gas exchange valve 2 and one, the gas exchange valve 2 in the closing direction with a spring force acting and designed as a closing spring first energy storage means 10 and a , via the camshaft 6 and the drag lever 8, the gas exchange valve 2 with an opening force acting on and designed as an opening spring second Energy storage means 12.
  • drive means drive means
  • a driven by this preferably two cams 6a, 6b different strokes and rotatably connected to
  • control device In order to ensure the lowest possible operation of the electric motor 4, which drives the existing gas exchange valve 2 via the camshaft 6, in addition to the optimal design of the counteracting springs (closing spring 10, opening spring 12) and the ideal positioning of rotation and articulation points in the Geometry of the device itself, the electric motor 4 via a control and regulating device 20 (hereinafter referred to as control device) according to a nominal path, which maps the ideal swing-out behavior of the spring-mass-spring system regulated. In particular, this control is done by controlling the rotor profile of the, at least one actuator 6, 6a, 6b driving electric motor 4.
  • the ideal path of the rotor, which resonates as part of the vibration system is calculated analogously to the ideal waveform of the overall system and forms the desired path to Regulation of the electric motor 4.
  • a non-illustrated displacement sensor is present, which transmits a sensor signal S to the control device 20 or another control device.
  • the electric motor 4 is controlled by the control device 20 such that the at least one gas exchange valve 2 from a first valve end position E1, which corresponds for example to the closed valve position, in a second valve end position E2, E2 ⁇ for example, a partial (E2 1 : partial stroke) or maximum open (E2: full stroke) valve position corresponds, is transferred and vice versa.
  • the system is ideally designed so that the actuator 6, 6a, 6b in the exclusion (targeted disregard) of environmental influences (in particular friction and gas back pressure) the way between two end positions R1 - R2 (full stroke) or R1 '- R2' (partial stroke) without Infeed additional energy, ie without active drive by the drive device 4, travels and thus engages supportive only in the environmental conditions occurring in practice.
  • the system is preferably designed such that it is in the maximum end positions R1, R2 of the rotor (vibration end positions at maximum vibration) each in a metastable torque neutral position in which the forces are in an equilibrium of forces and in which the rotor without applying a additional holding force is held.
  • the gas exchange valve 2 in the first metastable and torque-neutral position R1 (shown in Figure 1) the gas exchange valve 2 is closed and thus the closing spring 10 while maintaining a residual preload maximum relaxed, while the opening spring 12 is biased to the maximum.
  • the force of the prestressed opening spring 12 is transmitted to the camshaft 6 via a stationary support element 6c and is directed in the position R1 exactly through the center of the camshaft 6 and thus virtually neutralized.
  • the existing due to the residual bias force of the closing spring 10 is neutralized in the described position, as this is also directed via the cam followers 8 in the center of the camshaft 6.
  • the gas exchange valve 2 In the second metastable and moment-neutral position R2, which is not shown, the gas exchange valve 2 would be in accordance with its maximum stroke opened to the main cam 6b and the maximum arranged around the gas exchange valve 2 around closing spring 10, while the opening spring 12 would be maximally relaxed while maintaining a residual bias.
  • the arrangement of the individual components is chosen such that again the force of the maximum prestressed spring means (now: closing spring 10) and the maximum relaxed spring means (now: opening spring 12) respectively directed through the center of the camshaft 6 and thus virtually neutralized in this position are.
  • a third, also not shown, stable and torque-neutral position RO is present when the system assumes a so-called dropped state in which the camshaft 6 assumes a position between the two first torque-neutral positions R1, R2. From the fallen position, the system can be brought out again only by means of a high energy expenditure, in which, for example, by swinging or swinging the rotor, the camshaft 6 is again transferred to one of the first two metastable torque-neutral positions R1, R2 or the camshaft 6 at least up to a partial lift is swung, in which a regular operation of the rotary actuator device is possible again.
  • the rotor thus oscillates from one end position E1, E1 'to the other end position E2, E2' alone due to the stored energy in the means 10, 12 forces without feeding an additional energy, such as by the electric motor. 4
  • the control device 20 activates the electric motor 4 exclusively to compensate for the frictional losses and the occurring gas counterpressures which are always present in practice. Since friction losses occur mainly at high rotor speeds, the electric motor 4 must deliver the highest power at high speeds. Since this coincides with the energy-optimal operating point of the electric motor 4, an energy-saving operation of the same can be ensured by the scheme based on idealized set paths of the actuator system to be operated.
  • the first metastable and torque-neutral position R1 of the rotor or of the actuating element 6, 6a, 6b, during the closed state of the gas exchange valve 2 at full stroke, is located in the point P1 to the point in time when the opening spring curve K M _ö ff-voltage fede r and When the curve of the opening spring curve K M _opening spring intersects, the closing spring curve KM SchHeßfed e r cuts positively.
  • the second metastable and torque-neutral position R2 of the rotor or of the actuating element 6, 6a, 6b during the opening process of the gas exchange valve 2 at full stroke adjusts itself at the point P2 at the time when the ⁇ réellesfederkurve KM_ö Stammsfeder and the Schinnefederkurve KM_schi tellfeder with decreasing curve of the opening spring curve KM_ö Stammsfeder and also sloping curve of the closing spring curve KM_schi tellfeder cut.
  • the stable intermediate position RO described above (also called fallen or toschwonne position) is then present when opening spring curve K M ö ff voltage sfede r and closing spring curve KM_schiie ß spring then cut it when the opening spring curve K M _ö Stammsfeder during their falling waveform, the rising closing spring curve KM_schiie ßf eder cuts.
  • the torque curves shown are proportional to the respective resulting restoring moment of the spring forces and thus proportional to the current consumption of the electric motor 4.
  • a metastable End position R1 or R2 into which the rotor or the rotationally fixedly connected actuating element 6, 6a, 6b is transferred on the basis of a predetermined control time using the measuring signal of the displacement sensor is checked at certain intervals whether the measuring signal of the displacement sensor is correct.
  • the opening spring or closing spring 12, 10 tries to accelerate the rotor shaft by means of the stored spring force when the rotor shaft moves away from the respective end position during full stroke.
  • the calibration of the displacement sensor takes place in that the rotor is controlled by selective control of the electric motor 4 via the control device 20 or another control or control unit in a between the two metastable torque-neutral positions or end positions (R1, R2; E2) located torque-neutral stable intermediate position RO is transferred and the assumed intermediate position RO serves as NuIIab Eisen (or as a calibration point) for the calibration of the displacement sensor.
  • this displacement sensor calibration is only suitable for calibration during (low) speeds of the engine to be controlled in which a sufficient residence time of the rotor is guaranteed in the end positions R1, R2, since only during the Dwell time of the rotor in the moment-neutral end positions R1, R2, the rotor can be moved as described for the purpose of calibration. At high speeds, the rotor usually does not reach the torque-neutral end positions, so that such a calibration is not possible here. A movement or process of the rotor in the intermediate position is not required, since this position, in contrast to the metastable positions R1, R2 is unambiguously defined and thus checked directly based on the assumed stable center position RO position sensor and possibly corrected ,
  • the error detection is carried out in a simple manner by the distances or rotor angle ranges between the torque-neutral positions R1, R2, RO or between a fixed reference point and one or more of the torque-neutral positions with a reference distance or reference angle range is compared and in deviation by a predetermined value an error signal is generated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Die Drehaktuatorvorrichtung umfasst dabei einen steuerbaren Elektromotor mit einem Betätigungselement zum Betätigen des Gaswechselventils, zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil wirkende Energiespeichermittel und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors. Die Steuereinheit steuert den Elektromotor derart an, dass das Gaswechselventil von einer ersten Endlage, in der das über den Rotor des Elektromotors angetriebene Betätigungselement und damit ebenfalls der Rotor sich in einer der ersten Endlage zugeordneten metastabilen momentenneutralen Position befindet, in eine zweite Endlage, in der das Betätigungselement (6, 6a, 6b) bzw. der Rotor sich in einer der zweiten Endlage zugeordneten metastabilen momentenneutralen Position befindet, überführt wird und umgekehrt. Erfindungsgemäß wird ausgehend von einer momentenneutralen Position der Elektromotor derart angesteuert, dass der Rotor um eine Wegstrecke in zumindest eine Richtung aus der momentenneutralen Position herausbewegt wird, die hieraus resultierende Stromaufnahme des Elektromotors erfasst wird und in Abhängigkeit von den sich einstellenden Stromwerten für die Stromaufnahme des Elektromotors eine neue Rotorposition zur Kalibrierung des Wegsensors ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle zur Steuerung der Gaswechselventile mechanisch über eine Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bringt es erhebliche Vorteile, die Ventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen sogenannten vollvariablen (veränderbare Steuerzeiten und veränderbarer Ventilhub), beispielsweise einen sogenannten elektromagnetischen Ventiltrieb möglich. Bei einem vollvariablen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten erforscht. Bei einem Grundtyp (sogenannte Hubaktuatoren) sind einem Ventil oder einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden.
Bei dem anderen Grundtyp (sogenannter Drehaktuator) ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin und her schwenkbar ist.
Zur Regelung eines Drehaktuators sind genaueste Sensorwerte erforderlich, die eine Information wiedergeben über die momentane Position des rotierenden Antriebselements und/oder des das Antriebselement des Drehaktuators antreibenden Elementes selbst, z.B. die Position des vom Rotor angetriebenen Betätigungselements oder die Rotorposition selbst. In bekannten Drehaktuatorvorrichtungen werden Wegsensoren jeweils durch das Anfahren von mechanischen Anschlägen, die die Endpositionen eines Steuemockens definieren kalibriert.
Aus der DE 101 40461 A1 ist eine Drehaktuatorvorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils mit derartigen mechanischen Anschlägen bekannt. Die Hubsteuerung der Gaswechselventile erfolgt hier über einen kennfeldgesteuerten Elektromotor, an dessen Rotor eine Welle mit einem drehfest verbundenen Steuernocken angeordnet ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine schwenkt, bzw. pendelt der Motor hin und her und der Steuernocken drückt über einen Schwenkhebel periodisch das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung. Geschlossen wird das Gaswechselventil durch die Federkraft einer Ventilfeder. Damit der Elektromotor nicht die gesamte Federkraft der Ventilfeder beim Öffnen des Gaswechselventils überwinden muss, ist an die Welle eine zusätzliche Feder angebracht. Die Kräfte von Ventilfeder und zusätzlicher Feder sind dergestalt, dass beim periodischen Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung entsprechend der Stellung des Gaswechselventils die kinetische Energie entweder in der Ventilfeder (Schließfeder) oder in der zusätzlichen Feder (Öffnungsfeder) gespeichert ist. Die beschriebene Vorrichtung schlägt zur eindeutigen Positionierung des Steuernockens in seinen Endlagen vor, das dieser mittels eines ersten und mittels eines zweiten Drehanschlages eindeutig positioniert wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist allerdings, dass die Kalibrierung von Wegsensoren zur Positionsbestimmung durch Anfahren von mechanischen Anschlägen nicht für alle Anwendungsfälle eine zufriedenstellende Genauigkeit aufweist. Je nach Aufbau der verwendeten Drehaktuatorvorrichtung sind die mechanischen Toleranzen des Systems so groß, dass eine erforderliche Genauigkeit nicht erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors für eine Drehaktuatorvorrichtung anzugeben, mittels welchem eine genauere Positionierung bzw. Positionsbestimmung des Betätigungselementes (und damit auch des Gaswechselventils) gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe jeweils durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Drehaktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgehend von einer metastabilen Endlage des Betätigungselements (hier: Nockenwelle) bzw. ausgehend von einer metastabilen Endlage des Rotors des Elektromotors der Elektromotor derart angesteuert, dass der Rotor um eine Wegstrecke in zumindest eine Richtung aus seiner momentenneutralen Position herausbewegt und die hieraus resultierende Stromaufnahme erfasst wird. Anschließend wird in Abhängigkeit von der erfassten Stromaufnahme der Wegsensor zur Bestimmung der Rotorposition oder der Position des Betätigungselementes auf eine neue ggf. berichtigte momenten neutrale Position (die im Idealfall gleich der alten Position sein kann, oder nur gering von dieser abweicht) abgestimmt (kalibriert).
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Rotor ausgehend von einer metastabilen momentenneutralen Position beidseitig ausgelenkt, die Stromaufnahme des Elektromotors beobachtet, und in Abhängigkeit hiervon der Wegsensor auf eine berichtigte Position, insbesondere auf eine berichtigte metastabile momentenneutrale Position, abgeglichen. Durch ein langsames Verfahren (Bewegen) des Rotors nahe den metastabilen momentenneutralen Endpositionen des Vollhubs kann an den sich einstellenden Stromwerten (proportional zum Rückstellmoment des auf den Rotor wirkenden Rückstellmoments aufgrund der jeweils gespannten Öffnungs- oder Schließfeder) die tatsächliche Momentennullstelle bestimmt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Drehaktuator gemäß dem Oberbegriff des zweiten unabhängigen Anspruchs das Gaswechselventil bewusst in eine momentenneutrale Mittellage überführt, die wiederum einen eindeutigen Bezugspunkt für die Abgleichung des Wegsensors bildet. Diese momentenneutrale Mittellage ist im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen metastabilen Endpositionen bei Vollhub eine stabile Position (sogenannte abgeschwungene oder abgefallene Position des Rotors), aus der Rotor nicht durch eine minimale impulsartige Anstoßenergie herausgeführt werden kann. Aus dieser stabilen Position kann der Rotor durch ein gezieltes An- bzw. Aufschwingen wieder in einen Teil¬ oder Vollhubbetrieb überführt werden. Diese Position entspricht der Position, wenn der Rotor unkontrolliert aus einer metastabilen Endposition im Vollhub abgleitet und ist daher im Normalbetrieb nicht erwünscht. Insbesondere beim Start eine Kraftfahrzeugs steht aber ausreichend Zeit zur Verfügung eine Kalibrierung anhand dieser Vorgehensweise durchzuführen und den Rotor anschließend wieder in eine normale Betriebsposition aufzuschwingen. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb eines Gaswechselventils einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, und
Figur 2: den Momentenverlauf von Öffnungs- und Schließfeder einer Drehaktuatorvorrichtung, die einlassseitig auf ein Gaswechselventil wirkt und den sich einstellenden Hubverlauf des betätigten Gaswechselventils - schematisch dargestellt in einem Diagramm.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb eines Gaswechselventils 2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die wesentlichen Bestandteile dieser Vorrichtung sind ein, insbesondere als Servomotor ausgebildeter Elektromotor 4 (Antriebseinrichtung), eine von diesem angetriebene, vorzugsweise zwei Nocken 6a, 6b unterschiedlichen Hubs aufweisende und drehfest mit der Rotorwelle verbundene Nockenwelle 6 (Betätigungselement), ein mit der Nockenwelle 6 einerseits und mit dem Gaswechselventil 2 andererseits in Wirkverbindung stehender Schlepphebel 8 (Übertragungselement) zur Bewegungsübertragung der durch die Nocken 6a, 6b vorgegebenen Hubhöhe auf das Gaswechselventil 2 sowie ein, das Gaswechselventil 2 in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagendes und als Schließfeder ausgebildetes erstes Energiespeichermittel 10 und ein, über die Nockenwelle 6 und den Schlepphebel 8 das Gaswechselventil 2 mit einer Öffnungskraft beaufschlagendes und als Öffnungsfeder ausgebildetes zweites Energiespeichermittel 12. Für die genaue Wirkungsweise und mechanische Ausgestaltung der Drehaktuatorvorrichtung wird auf die DE 102 52 991 A1 verwiesen, die inhaltlich bezüglich des Drehaktuatoraufbaus in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen wird.
Um einen möglichst energiearmen Betrieb des Elektromotors 4, der über die Nockenwelle 6 das vorhandene Gaswechselventil 2 antreibt, zu gewährleisten, wird neben der optimalen Auslegung der einander entgegenwirkenden Federn (Schließfeder 10, Öffnungsfeder 12) und der idealen Positionierung von Dreh- und Anlenkpunkten in der Geometrie der Vorrichtung selbst, der Elektromotor 4 über eine Steuer- und Regeleinrichtung 20 (im Folgenden Regeleinrichtung genannt) gemäß einer Sollbahn, die das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder- Systems abbildet geregelt. Insbesondere erfolgt diese Regelung durch Regelung des Rotorverlaufes des, das mindestens eine Betätigungselement 6, 6a, 6b antreibenden Elektromotors 4. Der ideale Wegverlauf des Rotors, der als Teil des Schwingungssystems mitschwingt, wird analog zum idealen Schwingungsverlauf des Gesamtsystems rechnerisch ermittelt und bildet die Sollbahn zur Regelung des Elektromotors 4. Zur Überwachung der Istposition des Rotors ist ein nicht dargestellter Wegsensor vorhanden, der ein Sensorsignal S an die Regeleinrichtung 20 oder eine andere Steuereinrichtung übermittelt. Der Elektromotor 4 wird derart durch die Regeleinrichtung 20 angesteuert, dass das zumindest eine Gaswechselventil 2 von einer ersten Ventilendlage E1 , die beispielsweise der geschlossenen Ventilposition entspricht, in eine zweite Ventilendlage E2, E2\ die beispielsweise einer teilweise (E21: Teilhub) oder maximal geöffneten (E2: Vollhub) Ventilposition entspricht, überführt wird und umgekehrt. Bei der Regelung des Elektromotors 4 wird der Rotor und damit das mit dem Rotor wirkverbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b in seiner Position entsprechend gesteuert, so dass der Rotor bzw. das Betätigungselement 6, 6a, 6b analog zur Schließposition E1 des Gaswechselventils 2 eine Position im Wegebereich des Nockengrundkreises, z.B. im Wegebereich zwischen R1 und R1' einnehmen wird und analog zur zweiten Endlage E2, E2' eine Position im Wegebereich des Nockens 6a, 6b, z.B. im Wegebereich zwischen R2 und R2' einnehmen wird. Das System ist idealerweise so ausgelegt, dass das Betätigungselement 6, 6a, 6b bei Ausschluss (gezielte Nichtberücksichtigung) der Umgebungseinflüsse (insbesondere Reibung und Gasgegendruck) den Weg zwischen zwei Endpositionen R1 - R2 (Vollhub) oder R1' - R2' (Teilhub) ohne Einspeisung zusätzlicher Energie, also ohne aktiven Antrieb durch die Antriebseinrichtung 4, zurücklegt und somit nur bei den in der Praxis auftretenden Umgebungseinflüssen unterstützend eingreift. Das System ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es in den Maximalendlagen R1 , R2 des Rotors (Schwingungsendlagen bei maximalem Schwingungshub) sich jeweils in einer metastabilen momentenneutralen Position befindet, in der sich die auftretenden Kräfte in einem Kräftegleichgewicht befinden und in der der Rotor ohne Aufbringung einer zusätzlichen Haltekraft gehalten ist.
Im Besonderen ist in der ersten metastabilen und momentenneutralen Position R1 (in Figur 1 dargestellt) das Gaswechselventil 2 geschlossen und somit die Schließfeder 10 unter Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt, während die Öffnungsfeder 12 maximal vorgespannt ist. Die Kraft der vorgespannten Öffnungsfeder 12 wird über ein ortsfestes Abstützelement 6c der Nockenwelle 6 auf diese übertragen und ist in der Position R1 genau durch den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet und somit quasi neutralisiert. Auch die aufgrund der Rest-Vorspannung vorhandene Kraft der Schließfeder 10 wird in der beschriebenen Position neutralisiert, da diese über den Schlepphebel 8 ebenfalls in den Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet ist.
In der nicht dargestellten zweiten metastabilen und momentenneutralen Position R2 wäre das Gaswechselventil 2 mit seinem Maximalhub gemäß dem Hauptnocken 6b geöffnet und die um das Gaswechselventil 2 herum angeordnete Schließfeder 10 maximal vorgespannt, während die Öffnungsfeder 12 unter Beibehaltung einer Rest-Vorspannung maximal entspannt wäre. Die Anordnung der einzelnen Komponenten ist derart gewählt, dass wiederum die Kraft des maximal vorgespannten Federmittels (jetzt: Schließfeder 10) und des maximal entspannten Federmittels (jetzt: Öffnungsfeder 12) jeweils genau durch dem Mittelpunkt der Nockenwelle 6 gerichtet und somit in dieser Position quasi neutralisiert sind.
Eine dritte, ebenfalls nicht dargestellte, stabile und momentenneutrale Position RO ist dann vorhanden, wenn das System einen sogenannten abgefallen Zustand einnimmt, in dem die Nockenwelle 6 eine Position zwischen den beiden ersten momentenneutralen Positionen R1 , R2 einnimmt. Aus der abgefallenen Position kann das System lediglich mittels einem hohen Energieaufwand wieder herausgebracht werden, in dem beispielsweise durch ein Anschwingen oder Hochschwingen der Rotors die Nockenwelle 6 wieder in eine der beiden ersten metastabilen momentenneutralen Positionen R1 , R2 überführt wird oder die Nockenwelle 6 zumindest bis zu einem Teilhub angeschwungen wird, bei dem ein regulärer Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung wieder möglich ist.
Analog zu den beschriebenen drei momentenneutralen Positionen RO, R1 , R2 für den Betrieb der Vorrichtung mittels dem Hauptnocken 6b können weitere Positionen (nicht dargestellt) für einen sogenannten Minimalhubbetrieb bei Betätigung des zweiten Nocken 6a vorhanden sein. Für diese weiteren drei momentenneutralen Positionen gilt das gleiche, wie für die zuvor beschrieben momentenneutralen Positionen RO, R1, R2.
Bei dem berechneten idealen Ausschwingverhalten schwingt der Rotor also von einer Endposition E1 , E1' in die andere Endposition E2, E2' allein aufgrund der in den Energiespeichermitteln 10, 12 gespeicherten Kräfte ohne Einspeisung einer zusätzlichen Energie, etwa durch den Elektromotor 4.
In dem Fall, dass der Rotor im Teilhubbereich von einer ersten Endlage R1' zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2' schwingt (insbesondere bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre das ideale Ausschwingverhalten somit das eines Perpetuum mobile (unendliche gleichbleibende Schwingung).
Für den Fall, dass der Rotor im Vollhubbereich von einer ersten Endlage R1 zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2 schwingt (insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine), wäre er jeweils in den Endlagen R1 , R2 in einer momentenneutralen Position gehalten und müsste aus dieser Position jeweils durch Einbringung einer impulsartigen Anstoßenergie (Motorimpuls) wieder veranlasst werden die nächste Schwingung in die andere Endlage vorzunehmen.
Dadurch, dass die Sollbahnen für Vollhub und für Teilhub dem Ausschwingverhalten der Drehaktuatorvorrichtung ohne Reibungsverluste und ohne Gasgegendrücke entsprechen wird gewährleistet, dass die Regeleinrichtung 20 den Elektromotor 4 ausschließlich zum Ausgleich der in der Praxis stets vorhandenen Reibungsverluste und der auftretenden Gasgegendrücke ansteuert. Da Reibungsverluste hauptsächlich bei hohen Rotordrehzahlen auftreten, muss der Elektromotor 4 bei hohen Drehzahlen die größte Leistung abgeben. Da dies mit dem energieoptimalen Betriebspunkt des Elektromotors 4 zusammenfällt, kann durch die Regelung anhand idealisierter Sollbahnen des zu betreibenden Aktuatorsystems ein energiesparsamer Betrieb des selben gewährleistet werden. In Figur 2 ist der Momentenverlauf der beiden Energiespeichermittel 10, 12 (Öffnungs- und Schließfeder) der Drehaktuatorvorrichtung, die auf ein Gaswechselventil wirken und der sich einstellende Hubverlauf des betätigten Gaswechselventils 2 schematisch in einem Diagramm dargestellt. Dabei zeigt die Kurve KM_schiießfeder den Momentenverlauf der Schließfeder 10 und die Kurve KM_öffnungsfeder den Momentenverlauf der Öffnungsfeder 12 während des Öffnungsvorgangs eines Gaswechselventils 2. Zur Veranschaulichung des Öffnungsvorgangs ist analog in der Kurve KHubveriauf der Hubverlauf des angesteuerten Gaswechselventils 2 dargestellt. Darüber hinaus sind die sich einstellenden momentenneutralen Positionen RO, R1 , R2 in den Punkten PO, P1 , P2 veranschaulicht. Die erste metastabile und momentenneutrale Position R1 des Rotors bzw. des Betätigungselements 6, 6a, 6b, während des Schließzustand des Gaswechselventils 2 bei Vollhub, stellt sich im Punkt P1 zu dem Zeitpunkt ein, wenn sich die Öffnungsfederkurve KM_öffnungsfeder und die Schließfederkurve KM SchHeßfeder bei positiv ansteigendem Kurvenverlauf der Öffnungsfederkurve KM_öffnungsfeder schneiden. Die zweite metastabile und momentenneutrale Position R2 des Rotors bzw. des Betätigungselements 6, 6a, 6b während des Öffnungsvorgangs des Gaswechselventils 2 bei Vollhub stellt sich im Punkt P2 zu dem Zeitpunkt ein, wenn sich die Öffnungsfederkurve KM_öffnungsfeder und die Schließfederkurve KM_schiießfeder bei abfallendem Kurvenverlauf der Öffnungsfederkurve KM_öffnungsfeder und ebenfalls abfallendem Kurvenverlauf der Schließfederkurve KM_schiießfeder schneiden. Die vorstehend beschriebene stabile Zwischenposition RO (auch abgefallene oder abgeschwungene Position genannt) liegt dann vor, wenn sich Öffnungsfederkurve KM öffnungsfeder und Schließfederkurve KM_schiießfeder dann schneiden, wenn die Öffnungsfederkurve KM_öffnungsfeder während ihres abfallenden Verlaufs die ansteigende Schließfederkurve KM_schiießfeder schneidet. Die dargestellten Momentenverläufe sind proportional zum jeweiligen resultierenden Rückstellmoment der Federkräfte und damit proportional zur Stromaufnahme des Elektromotors 4. Ausgehend von einer metastabilen Endposition R1 oder R2 in die der Rotor bzw. das mit diesem drehfest verbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b aufgrund einer vorgegebenen Steuerzeit unter Verwendung des Messsignals des Wegsensors überführt wird, wird in bestimmten Intervallen geprüft ob dass Messsignal des Wegsensors korrekt ist. In einer eingenommenen Endposition R1 , R2 versucht jeweils die Öffnungsfeder bzw. die Schließfeder 12, 10 die Rotorwelle mittels der gespeicherten Federkraft zu beschleunigen, wenn sich die Rotorwelle aus der jeweiligen Endposition bei Vollhub wegbewegt. Durch ein langsames gesteuertes Verfahren (Bewegen, insbesondere vor und zurück) des Rotors nahe der jeweiligen metastabilen momentenneutralen Position R1 , R2 des Vollhubs kann an den sich einstellenden Stromwerten für die Stromaufnahme des Elektromotors 4 die tatsächliche Momentennullstelle, die von der per Wegsensor ursprünglich vorgegebenen per vorgegebener Wegstrecke definierten Nullstelle abweichen kann, gefunden werden. Durch Ermittlung des Stromminimums während der vorgenommenen gesteuerten Rotorbewegung zum Zwecke der Wegsensorkalibrierung, kann die tatsächliche momentenneutrale Position bestimmt werden.
In einer zweiten möglichen Ausführung der Erfindung erfolgt die Kalibrierung des Wegsensors indem der Rotor durch gezielte Ansteuerung des Elektromotors 4 über die Regeleinrichtung 20 oder eine andere Regel- oder Steuereinheit in eine zwischen den beiden metastabilen momentenneutralen Positionen bzw. Endlagen (R1 , R2; E1 , E2) befindliche momentenneutrale stabile Zwischenposition RO überführt wird und die eingenommene Zwischenposition RO als NuIIabgleich ( bzw. als Kalibrierungspunkt) für die Kalibrierung des Wegsensors dient.
Diese Wegsensorkalibrierung eignet sich jedoch ausschließlich für die Kalibrierung während (geringen) Drehzahlen der zu steuernden Brennkraftmaschine in denen eine ausreichende Verweildauer des Rotors in den Endpositionen R1 , R2 gewährleistet ist, da nur während der Verweildauer des Rotors in den momentenneutralen Endpositionen R1 , R2 der Rotor wie beschrieben zum Zwecke der Kalibrierung bewegt werden kann. Bei hohen Drehzahlen erreicht der Rotor in der Regel die momentenneutralen Endpositionen nicht, so dass hier eine derartige Kalibrierung nicht möglich ist. Ein Bewegen bzw. Verfahren des Rotors in der Zwischen position ist nicht erforderlich, da diese Position im Gegensatz zu den Metastabilen Positionen R1 , R2 ein-eindeutig definiert ist und so unmittelbar anhand der eingenommenen stabilen Mittellageposition RO der Wegsensor überprüft und ggf. berichtigt werden kann.
Schließlich ist in einer möglichen Weiterbildung der Erfindung eine Fehlererkennung vorgesehen. Die Fehlererkennung erfolgt dabei auf einfache Weise, indem die Wegabstände bzw. Rotorwinkelbereiche zwischen den momentenneutralen Positionen R1 , R2, RO oder zwischen einem ortsfesten Bezugspunkt und einem oder mehreren der momentenneutralen Positionen mit einem Referenzabstand bzw. Referenzwinkelbereich verglichen wird und bei Abweichung um einen vorbestimmten Wert ein Fehlersignal generiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer
Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, wobei die Drehaktuatorvorrichtung umfasst:
- einen steuerbaren Elektromotor (4) mit einem Betätigungselement (6, 6a, 6b) zum Betätigen des Gaswechselventils (2),
- zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (10, 12),
- und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors (4) derart, dass das Gaswechselventil (2) von einer ersten Endlage (E1), in der das über den Rotor des Elektromotors (4) angetriebene Betätigungselement (6, 6a, 6b) und damit ebenfalls der Rotor sich in einer der ersten Endlage (E1 ) zugeordneten metastabilen momentenneutralen Position (R1) befindet, in eine zweite Endlage (E2), in der das Betätigungselement (6, 6a, 6b) bzw. der Rotor sich in einer der zweiten Endlage (E2) zugeordneten metastabilen momentenneutralen Position (R2) befindet, überführt wird und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer momentenneutralen Position (R1 ; R2) der Elektromotor (4) derart angesteuert wird, dass der Rotor um eine Wegstrecke in zumindest eine Richtung aus der momentenneutralen Position (R1 ; R2) herausbewegt wird,
- die hieraus resultierende Stromaufnahme des Elektromotors (4) erfasst wird,
- und in Abhängigkeit von den sich einstellenden Stromwerten für die Stromaufnahme des Elektromotors eine neue Rotorposition (R1*, R2*) zur Kalibrierung des Wegsensors ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in beide Richtungen aus seiner momentenneutralen Position (R1; R2) um eine Wegstrecke herausbewegt wird und in Abhängigkeit von den sich einstellenden Stromwerten für die Stromaufnahme des Elektromotors eine neue momentenneutrale Position (R1*, R2*) ermittelt wird.
3. Verfahren zur Kalibrierung eines Wegsensors einer Drehaktuatorvorrichtung zur Ansteuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, wobei die Drehaktuatorvorrichtung umfasst:
- einen steuerbaren Elektromotor (4) mit einem Betätigungselement (6, 6a, 6b) zum Betätigen des Gaswechselventils (2),
- zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (10, 12),
- und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors (4) derart, dass das Gaswechselventil (2) von einer ersten Endlage (E1), in der das über den Rotor des Elektromotors (4) angetriebene Betätigungselement (6, 6a, 6b) und damit ebenfalls der Rotor sich in einer der ersten Endlage (E1) zugeordneten metastabilen momentenneutralen Position (R1) befindet, in eine zweite Endlage (E2), in der das Betätigungselement (6, 6a, 6b) bzw. der Rotor sich in einer der zweiten Endlage (E2) zugeordneten metastabilen momentenneutralen Position (R2) befindet, überführt wird und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Elektromotor (4) derart angesteuert wird, dass der Rotor bzw. das Betätigungselement (6, 6a, 6b) in eine zwischen den beiden metastabilen monetenneutralen Positionen bzw. Endlagen (R1 , R2; E1 , E2) befindliche momentenneutrale stabile Zwischenposition RO überführt wird und anhand der eingenommenen stabilen Zwischenposition RO eine Kalibrierung des Wegsensors erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegstrecke bzw. der Rotorwinkel zwischen mindestens zwei momentenneutralen Positionen (RO, R1 , R2) des Rotors oder zwischen einem ortsfesten Bezugspunkt und einer metastabilen momentenneutralen Position des Rotors (R1 , R2) überwacht wird und bei Abweichung um einen vorbestimmten Wert von einem vorgegebenen Referenzwert ein Fehlersignal generiert wird.
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