DE10235196A1

DE10235196A1 - Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetisch betätigten Schaltventils sowie eine Anlage mit einem solchen Schaltventil

Info

Publication number: DE10235196A1
Application number: DE10235196A
Authority: DE
Inventors: Martin Klenk; Thorsten Allgeier; Tilo Landenfeld; David Dyntar; Lino Guzzella
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: DE10235196B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetisch betätigten Schaltventils sowie eine Anlage mit einem solchen Schaltventil. DOLLAR A Bei einem Verfahren zum Ansteuern eines Schaltventils wird durch ein elektromagnetisch betätigtes Schaltventil eine druckbeaufschlagte Fluidströmung, wie eine Gasströmung, gesperrt oder freigegeben. Hierzu wirkt ein Elektromagnet auf einen beweglichen Ventilkörper ein. Er wird zur Ventilbetätigung mit einem Spulenstrom 10 bestromt, wobei die Bestromung mit dem Spulenstrom 10 eine ansteigende und eine abfallende Schaltflanke 11 bzw. 12 aufweist. Beabstandet zu einer Schaltflanke 11, 12 des ventilbetätigenden Spulenstroms 10 wird ein die Flugbewegung des Ventilkörpers bremsender Bremsimpuls 13, 14 der Bestromung überlagert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetisch betätigten Schaltventils sowie eine Anlage mit einem solchen Schaltventil.
Schaltventile, insbesondere Einspritzventile für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, können elektromagnetisch betätigt werden. Hierzu wirkt ein Elektromagnet auf einen beweglichen Ventilkörper ein, wobei der Ventilkörper bei Bestromung des Elektromagneten mit einem Spulenstrom aus einer durch einen Anschlag definierten Ruhelage heraus, die in unbestromtem Zustand des Elektromagneten eingenommen und durch eine Ventilfeder aufrechterhalten wird, eine Flugbewegung bis zu einem Endanschlag, der eine Betätigungsendlage definiert, vornimmt und dort über die Dauer der Bestromung hinweg gehalten wird. In der Ruhelage ist der Durchfluss durch das Ventil beispielsweise gesperrt und in der Betätigungsendlage der Strömungspfad des Fluids über das Schaltventil, beispielsweise aus einer Fluidleitung in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine hinein, freigegeben. Derartige elektromagnetisch betätigte Schaltventile geben also abhängig von der Bestromung des Elektromagneten mit Spulenstrom einen Fluidpfad frei bzw. sperren diesen. Zum Betätigen des Schaltventils wird der Elektromagnet mit einem Spulenstrom bestromt, wobei die Bestromung durch eine entsprechende Steuereinheit angesteuert wird. Die Ansteuerung erfolgt dabei häufig durch ein digitales Ansteuersignal, das über eine Endstufe eines Verstärkers verstärkt, entweder den Spulenstrom bereitstellt oder abschaltet.
Durch die Betätigung des Schaltventils wird insbesondere die Menge des über das Schaltventil fließenden Fluids gesteuert oder geregelt. Derartige Ventile sind insbesonde re dazu geeignet, genau dosierte Einspritzmengen in Brennkammern von Brennkraftmaschinen abzugeben. Hierzu wird der fluidische Kraftstoff unter Druck bis an das Einspritzventil herangeführt.
In Verbindung mit derartigen Schaltventilen kann es besonders wichtig sein, die über das Schaltventil fließende Fluidmenge genau zu dosieren und auch die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Fluidströmung genau festzulegen. So haben beispielsweise Zeitpunkt, Zeitdauer und Verlauf der Einspritzung des Kraftstoffes in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine wesentlichen Einfluss auf die in der Brennkammer stattfindenden Verbrennungsvorgänge und somit auch auf die erzielte Leistung und Abgasgüte.
Der Ventilkörper trifft jedoch aufgrund seiner Beschleunigung durch den Elektromagneten mit einer bestimmten Geschwindigkeit an dem den jeweiligen Bewegungsweg der Flugbewegung begrenzenden Anschlag auf. Abhängig von der Geometrie des Ventilkörpers und vor allem abhängig von dem das Ventil durchströmenden Fluid, vor allem dessen Kopressibilität, dessen Viskosität und dessen Fluiddruck, tritt ein mehrfaches Aufprellen in der Folge des Erreichens der Betätigungsendlage auf. Die Stoßenergie des am Anschlag auftreffenden Ventilkörpers wird über das mehrfache Aufprellen langsam abgebaut. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich bei dem Fluid um ein Gas, wie Wasserstoff Methan oder Erdgas, handelt und aufgrund der Kompressibilität des Gases in der Gassäule Druckwellen entstehen, die das Aufprellen begünstigen, Diese Aufprellen kann aber auch bei Flüssigkeiten auftreten.
Das mehrfache Aufprellen des Ventilkörpers an einem Anschlag führt dazu, dass die aufgrund der Dauer der Ventilbetätigung – Stromflussdauer des Spulenstroms – und Druck des Fluids berechnete durchfließende Fluidmenge nicht genau eingehalten wird. Aufgrund des Aufprellens in der Folge des Öffnens des Ventils entstehen Zeiträume, in denen das Ventil nicht vollständig geöffnet ist, also der Durchfluss des Fluids durch das Ventil gemindert wird. In gleicher Weise hat das Aufprellen des Ventils nach der Schließbewegung zur Folge, dass Teilöffnungen des Ventils auftreten, so dass es zu unkontrollierten Fluidzuflüssen über das Schaltventil hinweg kommt. Da die Geschwindigkeit des Ventilkörpers in den beiden Bewegungsrichtungen unabhängig voneinander ist, tritt zwangsläufig eine gegenseitige Kompensation dieser beiden Effekte nicht auf. Darüber hinaus hat das Prellen eine hohe mechanische Belastung des Ventils und des Ventilkörpers zur Folge. Bei hohen Anzahlen von Lastspielen, also Ventilbetätigungen, denen das Ventil un terworfen wird, wie dies beispielsweise bei Einspritzventilen von Brennkraftmaschinen der Fall ist, hat dies großen Einfluss auf die Standzeit von Ventil und Ventilsitz.
Dabei werden beispielsweise gerade bei mit Gas betriebenen Brennkraftmaschinen Einspritzventile benötigt, die eine genaue Bemessung des Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses in der Brennkammer ermöglichen um günstige Verbrennungseigenschaften zu erreichen. Darüber hinaus müssen gerade diese Ventile, aufgrund der hohen verwendeten Stückzahl – pro Brennkammer der Brennkraftmaschine wenigstens eines – möglichst kostengünstig sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Prellen des Ventils an einem Anschlag des Bewegungsweges weitestgehend zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß der Erfindung sowie durch eine entsprechende Anlage gelöst, wobei das Verfahren insbesondere zur Verwendung bei der Ansteuerung von Einspritzventilen vorzugsweise gasbetriebener Brennkraftmaschinen geeignet ist.
Bei einem Verfahren zum Ansteuern eines Schaltventils wird durch ein elektromagnetisch betätigtes Schaltventil eine druckbeaufschlagte Fluidströmung, wie eine Gasströmung, gesperrt oder freigegeben. Hierzu wirkt ein Elektromagnet auf einen beweglichen Ventilkörper ein. Er wird zur Ventilbetätigung mit einem Spulenstrom bestromt, wobei die Bestromung mit dem Spulenstrom eine ansteigende und eine abfallende Schaltflanke aufweist. Beabstandet zu einer Schaltflanke des ventilbetätigenden Spulenstroms wird ein die Flugbewegung des Ventilkörpers bremsender Bremsimpuls der Bestromung überlagert.
Die Flanken der Bestromung definieren den Beginn einer Betätigung des Ventils, also den Start der Bewegung des Ventilkörpers in Richtung des Endanschlags oder weg von dem Endanschlag in Richtung der Ruhelage. Von der Schaltflanke Beabstandet, aber bevor der Ventilkörper den entsprechenden Anschlag erreicht, wird der Bestromung ein Bremsimpuls überlagert. Im Fall der ansteigenden Schaltflanke bewirkt die Überlagerung des Bremsimpulses eine Unterbrechung der Bestromung des Elektromagneten, während im Fall der abfallenden Schaltflanke nach der eigentlichen Beendigung der Bestromung nochmals eine kurzzeitige Bestromung durchgeführt wird. Beides mal wirkt der überla gerte Bremsimpuls der seither durchgeführten Betätigung und der daraus resultierenden Flugbewegung des Ventilkörpers entgegen; einmal aufgrund des nicht mehr gegen die rückstellende Ventilfeder arbeitenden Elektromagneten, das andere mal aufgrund der gegen die rückstellende Ventilfeder wirkenden Elektromagneten. Die Bewegung des Ventilkörpers wird dadurch so verzögert, das Aufprellen bei Erreichen des Anschlags vermindert wird. Zwar wird hierdurch eine Verlängerung der Flugzeit des Ventilkörpers zwischen den Endanschlägen, was gerade bei schnell schaltenden Ventilen, wie Einspritzventilen von Brennkraftmaschinen nicht erwünscht ist, in Kauf genommen, dennoch wird durch die aufgrund des geminderten Prellens erreichte bessere Dosierbarkeit des Kraftstoffes und die geringere Beanspruchung des Materials ein insgesamt positiver Effekt erreicht.
Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung wird wenigstens eine der Größen aus Dauer des Bremsimpulses, Abstand des Bremsimpulses zur Schaltflanke und Intensität des Bremsimpulses so bestimmt, dass die Energie des Ventilkörpers beim Erreichen eines Anschlages am Ende der Flugbewegung minimiert wird. Durch die Bestimmung wenigstens einer dieser Größen wird eine Verringerung des Aufprellens erreicht. Diese Größen bestimmen im wesentlichen die Wirkung des Bremsimpulses. Bei minimaler kinetischer Energie beim Erreichen des Anschlages ist der Impuls des Ventilkörpers gering, so dass die beim Prellen abzubauende Energie ebenfalls niedrig gehalten wird. Es entspricht einer bevorzugten Ausführungsform, wenn die Größen Dauer und Abstand des Bremsimpulses so bestimmt werden, dass die beim Prellen abzubauende Energie minimiert ist, während die Intensität des Bremsimpulses, also der Höhe des Stromes während des Bremsimpulses, die maximale Intensität, also entweder einem kompletten Abschalten des Spulenstromes oder einer Bestromung mit dem vollen Spulenstrom, durchgeführt wird. Dies ermöglicht die Beibehaltung einer digitalen Ansteuerung der Endstufe des den Spulenstrom erzeugenden Verstärkers. Diese Endstufe bestromt den Elektromagneten entweder mit dem maximalen Spulenstrom oder überhaupt nicht. Eine Anpassung der Intensität des Bremsimpulses kann neben der Verwendung einer variabel steuerbaren Intensität der Ventilbestromung auch durch einen getakteten Bremsimpuls erfolgen, wobei die Intensität des Bremsimpulses dann durch die Taktzahl und das Taktverhältnis der Taktung des Bremsimpulses bestimmt wird.
Gemäß weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der durch den Elektromagneten fließende Spulenstrom gemessen und die Energie der Flugbewegung des Ventilkörpers aus dem Spulenstrom insbesondere mittels einem modellbasierten Verfahren abgeleitet. Bei schnell schaltenden Ventilen, wie beispielsweise Einspritzventilen von Brennkraftmaschinen, kann die Bewegung des Ventilkörpers nicht direkt gemessen werden. Entsprechende Messeinrichtungen haben entweder keine ausreichende Zeitauflösung, die bis hinunter zu wenigen Mikrosekunden (μs) zwischen zwei Einzelmessungen und Messgenauigkeit oder aber sie sind zu teuer und aufwendig um zusammen mit dem Schaltventil verbaut zu werden. Dabei ist zu beachten, dass beispielsweise die Messung der Bewegung im Bereich eines Einspritzventils in unmittelbarer Nähe einer Brennkammer und damit in einem thermisch und erschütterungsmäßig schwierigen Umfeld erfolgt. Daher stellt die Messung des Spulenstromes eine vorteilhafte indirekte Messung dar.
Gemäß bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden bei der Ermittlung der sich aus dem Spulenstrom ergebenden Flugbewegung des Ventilkörpers den Betriebspunkt des Schaltventils bestimmende Zustandsgrößen, wie beispielsweise Fluiddruck, Versorgungsspannung, Temperatur des Spulenkörpers des Elektromagneten, berücksichtigt. So ist das von einem Spulenstrom bestimmter Stärke erzeugte Magnetfeld und damit die erzeugte Flugbewegung des Ventilkörpers ist dabei wesentlich von der Temperatur des Elektromagneten abhängig. Daher ist gemäß bevorzugter Ausführung der Erfindung die Temperatur des Elektromagneten eine Größe, die bei der Bestimmung der Energie des Ventilkörpers aus dem Spulenstrom berücksichtigt wird. Die Temperatur wird insbesondere mittels eines Beobachters aus dem Spulenstrom ermittelt, wobei der Beobachter insbesondere unter der Annahme einer stationären Bestromung bei geöffnetem Ventil ermittelt wird. Es entspricht einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wenn bei einer Veränderung des Betriebspunktes des Schaltventils der Optimierungsalgorithmus unterbrochen und mit den Grundwerten für den neuen Betriebspunkt wieder gestartet wird, wobei zum Erkennen einer Veränderung des Betriebspunktes eine Entscheidungslogik, insbesondere eine Fuzzylogik verwendet wird.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind Grundwerte für die wenigstens eine Größe aus Dauer des Bremsimpulses, Abstand des Bremsimpulses und Intensität des Bremsimpulses für unterschiedliche Betriebspunkte in einer Tabelle abgespeichert. Das Abspeichern von Grundwerten erlaubt es, dann wenn ein neuer Betriebszustand des Schaltventils festgestellt wird, kurzfristig mit grob an diesen Betriebszustand angepassten Werten zu arbeiten und dann eine Feinabstimmung vorzunehmen.
Es entspricht einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wenn das Verfahren iterativ durchgeführt wird und hierzu während jeder Ventilbetätigung die Position des Ventilkörpers aus den gemessenen Spulenströmen abgeleitet und dann ein besser optimierter Wert für die wenigstens eine der Größen aus Abstand, Dauer und Intensität des Bremsimpulses in Echtzeit für die nachfolgende Ventilbetätigung ermittelt wird. Diese Maßnahme stellt eine iterative Optimierung des Bremspulses dar und ist insbesondere von Vorteil, wenn von vorgegebenen grob angepassten Grundwerten ausgegangen wird. Die iterative Anpassung von Bremsimpulsen an das Verhalten des Ventilkörpers ermöglicht eine zeitliche Entzerrung und damit eine Verbesserung der Bedingungen für die Berechnung bei sehr schnell ablaufenden Prozessen, wie sie beispielsweise bei Brennkraftmaschinen auftreten. Eine Brennkraftmaschine führt bei einer Kurbelwellendrehzahl von 3000 Umdrehungen je Minute 25 Einspritzvorgänge je Sekunde aus, wobei eine Ventilbetätigung nur einen Bruchteil des zeitlichen Abstandes von 40 ms zwischen zwei Einspritzvorgängen in Anspruch nimmt. Somit wird durch die iterative Optimierung der wenigstens einen Größe aus Position, Dauer und Intensität des Bremspulses die notwendige Rechenzeit für die notwendigen Berechnungen geschaffen.
Die Optimierung von wenigstens einer der Größen aus Dauer, Abstand zur Flanke und Intensität des Bremsimpulses erfolgt gemäß Ausgestaltungen der Erfindung mittels einer lichtlinearen Optimierungsmethode vorzugsweise mittels der Davidon-Fletcher-Powell-Methode. Hierbei wird ausgehend von Grundwerten, in einem Optimierungsalgorithmus, der Bremsimpuls optimiert. Die Verwendung der Davidon-Fletcher-Powell-Methode zur Optimierung ermöglicht eine rasche Annäherung an einen optimalen Wert bei begrenztem Rechenaufwand, wobei ein Pendeln um den optimalen Wert herum weitgehend vermieden wird.
Um eine rasche Optimierung eines Bremsimpulses bei bestimmten, beispielsweise sich schnell verändernden Betriebszuständen der das Schaltventil beinhaltenden Anlage zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass bei diesen Zuständen lediglich eine der Größen aus Abstand, Dauer und Intensität des Bremspulses, vorzugsweise der Abstand des Bremspulses, optimiert wird und die anderen Größen einen festen, unveränderbaren Wert aufweisen, während in anderen Betriebszuständen, insbesondere solchen, die sich nicht so rasch verändern, mehr als eine der Größen aus Position, Dauer und Intensität des Bremspulses optimiert wird. Dabei handelt es sich bei den bestimmten Betriebszuständen insbesondere um ein Anfahren der Anlage und bei den anderen Betriebszuständen um den Dauerbetrieb der Anlage. Sich rasch verändernde Betriebszustände sind bei einer Brennkraftmaschine beispielsweise beim Kaltstart gegeben, bei denen laufend eine Anpassung der eingespritzten Kraftstoffmenge an die sich erwärmende Brennkraftmaschine erfolgt, also die Dauer der Betätigung des Einspritzventils, das die eingespritzte Kraftstoffmenge dosier, laufend verändert wird. Hierdurch ändert sich die Temperatur des Elektromagneten, bis zum Erreichen einer konstanten Betriebstemperatur stark. Ebenso ist die Spannung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges und damit die Stromgröße des Spulenstromes in diesem Zeitraum aufgrund der starken Entladung der Batterie beim und nach dem Starten oft schwankend oder variierend. Dies alles bedingt ein sich rasch veränderndes Aufprellverhalten und dementsprechend auch ein Bedürfnis nach sich rasch verändernder Ermittlung des Bremsimpulses. Dagegen ändert sich im Fahrbetrieb nach dem Erreichen der Betriebstemperatur des Schaltventils das Verhalten des Einspritzventils weniger stark, so dass hier eine aufwendigere aber genauere Optimierung des Bremsimpulses nach zwei oder mehr ihn charakterisierender Größen durchgeführt werden kann.
Gemäß erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein und vorzugsweise genau ein Bremsimpuls wenigstens für eine Schaltflanke aus ansteigender oder abfallender Schaltflanke des Schaltventils bestimmt. Dabei besteht der Bremsimpuls für die ansteigende Flanke in einer Unterbrechung des Spulenstromes. Bei der abfallenden Schaltflanke besteht der Bremsimpuls in einem nach der Flanke erfolgenden Bestromen der Spule mit dem Spulenstrom. Es wird dabei gemäß bevorzugter Ausgestaltung jeweils nur ein Bremsimpuls bezüglich einer Schaltflanke erzeugt wird. Dabei wird vorzugsweise der Bremsimpuls für ansteigende Schaltflanken unabhängig von dem Bremsimpuls abfallender Schaltflanken bestimmt.
Eine Anlage mit einem an einer Fluidleitung angeordneten Schaltventil ist zum Freigeben und Sperren einer Fluidströmung in der Fluidleitung elektromagnetisch betätigbar. Es ist eine Energieversorgung des Elektromagneten zum Betätigen eines beweglichen Ventilkörpers des Schaltventils gegeben. Der Ventilkörper kann über einen durch Anschläge begrenzten Stellweg hinweg bewegt werden und damit entweder den Strömungspfad durch das Schaltventil sperren oder freigeben. In einer Steuereinheit zum Ansteuern des Elektromagneten wird der Spulenstrom für den Elektromagneten gesteuert. Dabei ist gemäß der Erfindung die Flugbewegung des Ventilkörpers durch einen Bremsimpuls im Spulenstrom vor dem Erreichen des Anschlages abgebremst. Bei einer solchen Anlage handelt es sich vorzugsweise um eine Kraftstoffeinspritzung für eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, wobei das Schaltventil ein Einspritzventil für druckbeaufschlagten Kraftstoff ist. Das Einspritzventil dient dabei insbesondere der dosierten Zufuhr eines gasförmigen Kraftstoffes wie Methan-, Stadt-, Erdgas oder Wasserstoff.
Die Erfindung ist nachfolgend auch anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
1 den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms für eine Betätigung des Schaltventils und den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms mit überlagerten Bremsimpulsen;
2 das Blockdiagramm eines modellbasierten Verfahrens zum Bestimmen eines Bremsimpulses für eine Ventilbetätigung; und
3a–3c den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms im Bereich eines Bremsimpuls und das sich daraus ergebende Aufprellen des Ventilkörpers am Anschlag.
Die Darstellungen der 1 bis 3 betreffen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der als Schaltventil das Einspritzventil einer Brennkraftmaschine betätigt wird. Das Einspritzventil, das in für Einspritzventile von Kraftstoffen im wesentlichen üblicher Weise gestaltet sein kann, befindet sich in unbestromtem Zustand in dem die Fluidströmung sperrenden Zustand. In Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl wird für die Einspritzung des Kraftstoffes, insbesondere für die Einspritzung eines gasförmigen Kraftstoffes wie Erd-, Methan- oder Stadtgas, das Schaltventil für eine Zeitdauer im Bereich von wenigen Millisekunden, beispielsweise im Bereich von 2 bis 18ms, betätigt. Die Dauer der Betätigung bestimmt dabei die Menge des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffes. Dabei liegt die Zeit zwischen zwei Betätigungen des Einspritzventils, Abhängig von der Kurbelwellendrehzahl, im Bereich von ca. 20 (6000 U/min) bis 800 ms (Starterdrehzahl ca. 120 120U/min).
Die 1 zeigt in einem Diagramm über die Zeit t hinweg, die Kurve der Steuerspannung 10 und die gleiche Kurve 15 mit den beiden überlagerten Bremsimpulsen 13, 14. Dabei ist sowohl der ansteigenden Schaltflanke 11 als auch der abfallenden Schaltflanke 12 jeweils ein Bremsimpuls 13 bzw. 14 zugeordnet. Der Bremsimpuls 13 für die ansteigende Schaltflanke 11 besteht dabei in einer Unterbrechung der Bestromung des Elektromagneten mit dem Spulenstrom für die Dauer d1. Der zeitliche Abstand a1 zur Schalt flanke wird dabei ebenso wie die Dauer d1 des Bremsimpulses so bestimmt, dass das Prellen des Ventilkörpers auf dem Endanschlag der Ventilbetätigung minimiert wird.
Unabhängig von dem Bremsimpuls 13 für die ansteigende Schaltflanke 11 wird auch für die abfallende Schaltflanke 12 ein Bremsimpuls 14 bestimmt. Dieser weist eine Dauer a2 und einen zeitlichen Abstand d2 von der Schaltflanke 12 auf und wird ebenfalls so bestimmt, dass das Aufprellen des Ventils am Anschlag der Ventilbewegung, also seiner unbetätigten Ausgangsstellung möglichst gering ist. Nachdem unterschiedliche Kräfte für die Beschleunigung des Ventilkörpers beim Anzug und beim Abfall des Ventilkörpers ursächlich sind, sind auch die Größen zeitlicher Abstand a1, a2 und Dauer d1 und d2 voneinander unabhängig. Damit sind Lage und Dauer der beiden Bremsimpulse 13 und 14 unabhängig voneinander zu bestimmen.
Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Bremsimpulse so bestimmt, dass bezüglich jeder Schaltflanke 11, 12 jeweils nur ein Bremsimpuls erzeugt wird und die Intensität des Bremsimpulses immer in der den Spulenstrom maximaler Größe betrifft. Es findet also keine Teilbestromung statt, dennoch ist durch geeignete Bestimmung von Abstand und Größe des Bremsimpuls die in der 3a bis 3c dargestellte fast vollständige Vermeidung des Prellens erreichbar.
Die 2 zeigt dabei das Blockschaltbild eines modellbasierten Verfahrens zur Bestimmung von Lage des Bremsimpulses und Dauer eines Bremsimpulses bezüglich einer zugehörigen Schaltflanke des Spulenstroms. Für jede Schaltflanke bezüglich der ein Bremsimpuls erzeugt wird ist also ein Regelkreis gemäß dem in 2 dargestellten Blockschaltbild vorzusehen. Dabei ist das Blockschaltbild nur ein mögliches Ausführungsbeispiel, vielfältige Abwandlungen der Ausbildung des Reglers sind denkbar.
Der Regelkreis weist eine Entscheidungslogik 201 auf, der die Zustandsgrößen Temperatur T des Elektromagneten bzw. dessen Spulenkerns, Spannung U der Stromversorgung des Elektromagneten, im Falle eines Kraftfahrzeuges also die Bordnetzspannung, sowie der Druck P des zugeführten Fluids, im Ausführungsbeispiel also des gasförmigen Kraftstoffes, des Betriebspunktes zugeführt werden. Aufgrund dieser Zustandsgrößen wird in der Entscheidungslogik entschieden, ob eine Änderung des Betriebszustandes des Schaltventils vorliegt, die so groß ist, dass eine stattfindende Regelung von Abstand und Lage eines Bremsimpulses bezüglich der entsprechenden Schaltflanke geändert werden muss.
Dabei benutzt der Entscheider 201 insbesondere eine Fuzzy-Logik um aus in einer Tabelle abgelegten Grundwerte a, d für den Abstand a des Bremsimpulses von der Schaltflanke und die Dauer d des Bremsimpulses in Abhängigkeit der den Betriebszustand bestimmenden Zustandsgrößen zu ermitteln. Bei den Grundwerten a,d handelt es sich insbesondere um vorausberechnete Werte, die auf eine Genauigkeit von ca. 10 bis 20 μs genau ermittelt sind. Die weitere Optimierung der Dauer d und des Abstandes a erfolgt bis zu einer Genauigkeit im Bereich von 1 μs um eine gute Vermeidung des Aufprellens des Ventilkörpers zu erreichen. Der Grundwert für den Abstand a wird dem Addierer 203 zugeführt, der Grundwert für die Dauer d dem Addierer 204.
Im Optimierer 202 wird unter Verwendung der Davidon-Fletcher-Powell-Methode ein optimaler Wert für die bezüglich der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Parameter zweidimensionale Funktion der Prellenergie ermittelt. Optimal ist ein Wert, der die Prellenergie minimiert, so dass die Amplitude des Prellens möglichst gering ist. Hierzu wird dem Optimierer der Druck P des zugeführten Kraftstoffes, die Spannung U des Bordnetzes sowie der Wert der Differenz der im Differenzierer 211 ermittelten Energiedifferenz dW der Aufprellenergie der beiden letzten beiden Ventilbetätigungen zugeführt. Dabei werden im Optimierer 202 Änderungsbeträge δa und δd ermittelt, die den Addierern 203 und 204 zugeführt werden, um die Grundwerte a bzw. d so anzupassen, dass die Prellenergie minimal ist.
Dem Pulserzeuger 205 werden die Signale a + δa und d + δd der Addierer 203 und 204 zugeführt, die die Summe der den Addierer zugeführten Werte, also aus Grundwert und Änderungsbetrag repräsentieren. Darüber hinaus wird dem Pulserzeuger 205 auch die Kurve 10 der Steuerspannung zugeführt, die von einer entsprechenden Steuereinheit ermittelt wurde und die vom zeitlichen Verlauf und der Dauer auf den Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere die einzuspritzende Kraftstoffmenge abgestimmt ist. Der Pulsgenerator 205 erzeugt das den Leistungsverstärker 206 ansteuernde Signal, das die Form der Kurve 15 aufweist, sofern für die beiden Schaltflanken der Kurve 10 jeweils ein Bremsimpuls ermittelt wird.
Vom Pulsgenerator 205 wird die Endstufe des Leistungsverstärkers 206 angesteuert, der eine entsprechende Bestromung des Elektromagneten mit dem mit Bremsimpulsen überlagerten Spulenstrom vornimmt. Der Strom I in der Spule des Elektromagneten wird mit dem Stromsensor 207 gemessen und der Beobachtereinheit 208 zugeführt. Die Beobach tereinheit ermittelt, jeweils unter Verwendung eines entsprechenden Beobachters aus dem Strom I in der Spule modellbasiert zum einen die Temperatur T des Elektromagneten und führt diese dem Entscheider 201 zu und zum anderen den zurückgelegten Weg S des Ventilkörpers und führt diesen dem Beobachter für die Aufprellenergie 209 zu. Der Beobachter ermittelt aufgrund des übermittelten Weges S des Schaltventils die sich daraus beim Aufprall ergebende Aufprellenergie W_i, also die kinetische Energie des Ventilkörpers bei Erreichen des entsprechenden ventilwegbegrenzenden Anschlags, für die aktuelle (i)-te Betätigung des Schaltventils in dem vorliegenden Betriebspunkt. Entsprechende Beobachter können vom Fachmann für den Bremsimpuls welcher der Schaltflanke des Anzugs des Elektromagneten zugeordnet ist mit Zugrundelegen der physikalischen Beziehungen zwischen dem Strom in der Spule des Elektromagneten, dem daraus resultierenden Magnetfeld und der sich aus dem Magnetfeld ergebenden Beschleunigung des Ventilkörpers erstellt werden. Gleiches gilt für die abfallende Schaltflanke der Ventilbetätigung, wobei hier insbesondere die Federkonstante der Schließfeder des Schaltventils und der auf dem Ventilkörper anstehende Fluiddruck P für die Aufstellung des Beobachters die wesentliche Größen sind.
Die Aufprellenergie W_i wird zum einen dem Schieberegister 210 und zum anderen direkt dem Differenzierer 211 zugeführt. Im Schieberegister wird jeweils ein Wert der Aufprellenergie abgespeichert, so dass am Ausgang des Schieberegisters 211 der Wert der Aufprellenergie W_i–1, der vorangehenden Betätigung des Schaltventils, also des vorhergehenden Einspritzvorganges des Einspritzventils, ausgegeben wird, wobei dieser Wert ebenfalls dem Differenzierer 211 zugeführt wird. Im Differenzierer 211 wird die durch den letzten Optimierungsschritt erzielte Minderung der Aufprellenergie, die Energiedifferenz dW aus dW = W_i – W_i–1, ermittelt und dem Optimierer 202 zur Berechnung der Korrekturwerte δa und δd für die nächste (i+1)-te Ventilbetätigung zugeführt. Der Regelkreis aus den Elementen 202 bis 211 wird also bei jeder Ventilbetätigung einmal durchlaufen und führt eine iterative Optimierung durch.
Die 3a bis 3c zeigen im Rahmen einer Versuchsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Verläufe der Bewegung des Einspritzventils und damit des Aufprellverhaltens über der Zeit. Dabei zeigt die jeweilige obere Kurve den Verlauf der Steuerspannung mit dem überlagerten Bremsimpuls 13, wobei die Schaltflanke des Spulenstroms im Zeitpunkt t = 0 liegt. Und die untere Kurve 31 den Weg des Ventils, wobei zum Zeitpunkt t = 0 das Ventil in seiner Betätigungsendlage ist und durch die Abschaltung der Bestromung des Elektromagneten in der Figur nach unten aus der Betätigungsendlage heraus in die Ruhelage zurückgeführt wird. Es ist also die Situation beim Ausschlaten des Elektromagneten mit dem zugehörigen Bremsimpuls am Ende des jeweiligen Einspritzimpulses gezeigt.
Die Figuren zeigen dabei die Verläufe nach einer unterschiedlichen Anzahl von Optimierungen, also erfolgten Ventilbetätigungen ab der Auswahl neuer Grundwerte, also dem Einnehmen eines neuen Betriebspunktes mit geänderten Werten beispielsweise der Bordnetzspannung.
Dabei zeigt die 3a den Verlauf bei der ersten Einspritzung nach dem Wechsel der Grundwerte, so dass die Dauer des Bremsimpuls d und der Abstand zur Schaltflanke a beträgt. Es ist deutlich ein mehrfaches Aufprellen des Ventilkörpers am Anschlag der Ruhelage zu erkennen.
Die 3b zeigt den Verlauf bei der dritten Einspritzung nach dem Wechsel des Betriebspunktes, wobei die durch die Optimierung bestimmten Werte des Abstandes a + δa₂ und für die Dauer d + δd₂ verwendet werden. Aus der Graphik lässt sich erkennen, dass die Kurve 31 des Weges des Ventilkörpers ein deutlich vermindertes und stark gedämpftes Aufprellen (geringere Amplitude) aufweist. Hierzu wurde durch die Optimierung der Bremsimpuls zeitlich früher gestartet und die Dauer des Bremsimpuls wurde geringfügig verlängert. Die Betätigungsendlage wird früher aufrechterhalten.
Die 3e zeigt den Verlauf weitere zwei Einspritzungen später. Der Zeitpunkt des Beginns des Bremsimpulses, liegt noch früher, der Abstand a + δa₄ ist noch geringer als der Abstand a + δa₂. Auch wurde die Dauer d + δd₄ ist noch einmal geringfügig vergrößert. Hierdurch wird erreicht, dass die Intensität des ersten Aufprellens schon sehr gering ist und auch eine gute Dämpfung des Aufprellens gegeben ist. Schon nach nur einmaligem Abprellen von dem Anschlag der Ruhelage mit geringer Amplitude wird diese fast schon für die Zeit der Ventilbetätigung eingenommen. Eine gute Annäherung an den optimalen Zustand wurde schon nach wenigen iterativen Optimierungsschritten erreicht.

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines eine druckbeaufschlagte Fluidströmung, wie eine Gasströmung, sperrenden und freigebenden elektromagnetisch betätigten Schaltventils mit einem Elektromagneten, der auf einen beweglichen Ventilkörper einwirkt und der zur Ventilbetätigung mit einem Spulenstrom bestromt wird, wobei die Bestromung mit dem Spulenstrom eine ansteigende und eine abfallende Schaltflanke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet zu einer Schaltflanke (11,12) des ventilbetätigenden Spulenstroms (10) ein die Flugbewegung des Ventilkörpers bremsender Bremsimpuls (13, 14) der Bestromung überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Größen aus Dauer (d,d1,d2) des Bremsimpulses, Abstand (a,a1,a2) des Bremsimpulses zur Schaltflanke und Intensität des Bremsimpulses (13,14) so bestimmt wird, dass die Energie des Ventilkörpers beim Erreichen eines Anschlages am Ende der Flugbewegung minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Elektromagneten fließende Spulenstrom gemessen und die Energie der Flugbewegung des Ventilkörpers aus dem Spulenstrom (I) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der sich aus dem Spulenstrom (I) ergebenden Flugbewegung des Ventilkörpers den Betriebspunkt bestimmende Zustandsgrößen, wie beispielsweise Fluiddruck (P), Versorgungsspannung (U), Temperatur (T) des Spulenkörpers des Elektromagneten, berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Spulenstrom (I) eine modellbasierte Schätzung der Bewegung des Ventilkörpers, insbesondere unter Verwendung eines Beobachters, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Grundwerte (d,a) für die wenigstens eine Größe aus Dauer (d,d1,d2) des Bremsimpulses, Abstand (a,a1,a2) des Bremsimpulses (13,14) und Intensität des Bremsimpulses für unterschiedliche Betriebspunkte in einer Tabelle abgespeichert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während jeder Ventilbetätigung die Position des Ventilkörpers aus den gemessenen Spulenströmen (n abgeleitet und dann ein besser optimierter Wert für wenigstens eine der Größen Abstand (a + δa), Dauer (d + δd) und Intensität des Bremsimpulses (13,14) in Echtzeit für die nachfolgende Ventilbetätigung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Größen Dauer (d,d1,d2), Abstand (a,a1,a2) zur Flanke und Intensität des Bremsimpulses (13,14) mittels einer nichtlinearen Optimierungsmethode, wie der Davidon-Fletcher-Powell-Methode, insbesondere ausgehend von Grundwerten (a,d), in einem Optimierungsalgorithmus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung des Betriebspunktes des Ventils der Optimierungsalgorithmus unterbrochen und mit den Grundwerten (a,d) für den neuen Betriebspunkt wieder gestartet wird, wobei zum Erkennen einer Veränderung des Betriebspunktes eine Entscheidungslogik, insbesondere eine Fuzzylogik verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei bestimmten Betriebszuständen der das Schaltventil beinhaltenden Anlage lediglich eine der Größen aus Abstand (a,a1,a2), Dauer (d,d1,d2) und Intensität des Bremspulses, insbesondere die Position des Bremspulses, optimiert wird, während in anderen Betriebszuständen mehr als eine der Größen aus Abstand (a,a1,a2), Dauer (d,d1,d2) und Intensität des Bremspulses optimiert wird, wobei es sich bei den bestimmten Be triebszuständen insbesondere um ein Anfahren der Anlage und bei den anderen Betriebszuständen um den Dauerbetrieb der Anlage handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens ein vorzugsweise genau ein Bremsimpuls wenigstens für eine vorzugsweise jedes Element der Menge aus ansteigenden oder abfallenden Schaltflanken (11,12) bestimmt wird, wobei der Bremspuls (13,14) für eine ansteigende Schaltflanke (11) vorzugsweise in einer Unterbrechung des Spulenstromes und für eine abfallenden Schaltflanke (12) vorzugsweise in einer Bestromung der Spule mit dem Spulenstrom besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsimpuls (13) für die ansteigende Schaltflanke (11) unabhängig von dem Bremsimpuls (14) der abfallenden Schaltflanke (12) bestimmt wird.
Datenträger, wie ein insbesondere nur lesbarer Speicherbaustein (ROM), insbesondre mit einem auf einem Rechner abarbeitbaren Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Anlage mit einem in einer Fluidleitung die zu einem elektromagnetisch betätigten Schaltventil zum Freigeben uns Sperren einer Fluidströmung in der Fluidleitung, mit einer Energieversorgung für einen Elektromagneten zum Betätigen eines Ventilkörpers des Schaltventils über einen durch Anschläge begrenzten Stellweg hinweg und einer Steuereinheit zum Ansteuern des Elektromagneten durch einen Spulenstrom , dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbewegung des Ventilkörpers durch einen Bremsimpuls (13,14) im Spulenstrom (I) vor dem Erreichen des Anschlages abgebremst ist.
Anlage nach 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Anlage um eine Brennkraftmaschine und bei dem Ventil um ein Einspritzventil für druckbeaufschlagten Kraftstoff, insbesondere gasförmigen Kraftstoff wie Methan-, Stadt-, Erdgas oder Wasserstoff handelt.