DE102004048319A1

DE102004048319A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Steuerzeiten für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004048319A1
Application number: DE102004048319A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kassner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: US20070151545A1; US7254476B2; JP2006105147A; ES2310066A1; FR2876154A1; ES2310066B1; DE102004048319B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Steuerzeiten für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Verlauf eines Brennraumdrucks erfasst wird, wobei aus dem Verlauf des Brennraumdrucks (p(i)) und einem Verlauf des Brennraumvolumens (V(i)) eine Zustandsfunktion (K(i)) berechnet wird, und dass durch Auswerten der Zustandsfunktion (K(i)) Ventilsteuerzeiten ermittelt werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung von Steuerzeiten für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine nach Gattung des unabhängigen Anspruchs sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine genaue Überwachung und Steuerung der Ventile ist erforderlich, um einen optimalen Motorbetrieb zu ermöglichen. Dies erfordert insbesondere die genaue Kenntnis über Steuerzeiten der Gaswechselventile, d.h. über Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Ein- bzw. Auslassventile, in Bezug zur Lage der Kurbelwelle. Zunehmend kommen Systeme zum Einsatz, die eine Variation der Öffnungszeiten über dem Kurbelwinkel oder zusätzlich eine Variation des Öffnungsquerschnitts über dem Kurbelwinkel gestatten. Dabei geht die direkte mechanische Kopplung vom Nocken auf die Ventile verloren und verschiedenartige Aktuatoren entkoppeln die Nockenwelle von der Ventilbewegung, um die genannte Variationen zu erreichen. Typische Vertreter sind hierbei die variable Nockenwellenverstellung oder die vollvariable Ventilverstellung.

Aufgrund der vom Kurbelwellenwinkel entkoppelten Bewegung der Gaswechselventile werden Methoden benötigt, die zumindest eine Überwachung der Ventilsteuerzeiten ermöglichen. Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die beispielsweise über direkte Geber Weg oder Winkel der Gaswechselventile bestimmen. Andere Verfahren heben auf die Bestimmung der Ventilöffnung ab, indem Luftmenge und Drehzahl oder der Brennraumdruck ausgewertet werden.

Die direkten Geber sind teuer und störanfällig durch ihre thermische und mechanische Belastung. Verfahren, die weitere Größen benötigen müssen sorgfältig für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst werden, um Fehldiagnosen zu vermeiden. Gerade der indirekte Charakter der Verfahren erfordert die sorgfältige Interpretation der Messwerte.

Die DE 197 41 820 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Brennraumdruckverlauf analysiert wird. Mit Hilfe einer Gradientenmethode werden charakteristische Kurvenpunkte, die auf bestimmte Ventilstellungen hinweisen bestimmt. Ein Öffnen oder Schließen eines Gaswechselventils schlägt sich hierbei in einer schnellen Änderung des Druckgradienten nieder und wird durch einen Vorzeichenwechsel der zweiten Ableitung des Drucks nach dem Volumen erkannt.

In der DE 103 06 903 A1 wird ein Verfahren offenbart, bei dem ein theoretisch berechneter Brennraumdruckverlauf mit einem tatsächlich gemessenen Druckverlauf verglichen wird. Aus den Abweichungen der beiden Druckverläufe wird auf die Öffnungszeit des Auslassventils geschlossen. Die theoretische Kurve wird unter der Annahme einer polytropen Expansion berechnet, indem ausgehend von zwei Stützpunkten der realen Messkurve und der bekannte Brennraumgeometrie der Polytropenexponent ermittelt wird.

Die Verfahren unter Verwendung des Zylinderdrucks sind gekennzeichnet durch ihre direkte Auswertung der Verbrennung im Zylinder. Das unvermeidliche Signalrauschen wird jedoch durch die Bildung von Gradienten und höheren Ableitung verstärkt und erschwert so die Bestimmung von Schwellwerten. Insgesamt handelt es sich um nur kleine Änderungen im Signalverlauf, mit allen Problemen der numerischen Auswertung. Weiterhin ist nachteilig, dass wieder eine sorgfältige Anpassung an alle Betriebspunkte des Motors erforderlich ist.

Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, aus dem Verlauf des Brennraumdrucks und einem Verlauf des Brennraumvolumens eine Zustandfunktion (K(i)) berechnet wird und durch Auswerten der Zustandsfunktion Ventilsteuerzeiten ermittelt werden. Dies hat gegenüber einem unmittelbaren Auswerten des Brennraumdrucks den Vorteil, dass in der Zustandsfunktion ein Öffnen und Schließen der Gaswechselventile eine signifikante Änderung der Zu standsfunktion bewirkt, so dass diese Ventilsteuerzeiten mit einer hohen Zuverlässigkeit bestimmt werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, einen Polytropenexponenten in Abhängigkeit der vorliegenden Betriebsart auszuwählen. Da sich die Polytropenexponenten für eine vorliegende Betriebsart im Wesentlichen nicht ändert, reicht es in vorteilhafter Weise aus für bestimmte Betriebsarten einen jeweiligen Polytropenexponenten zu hinterlegen, der dann bei der Berechnung der Zustandfunktion ausgewählt wird.

Eine weitere Modifikation sieht vor, dass der Polytropenexponent aus mindestens zwei Stützstellen des erfassten Brennraumdrucks und dem korrespondierenden Brennraumvolumens in einem polytropen Bereich ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Polytropenexponent jeweils den tatsächlichen Gegebenheiten der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt für einen relevanten Kurbelwellenwinkelbereich ein zeitlicher Verlauf des Brennraumdrucks erfasst wird; in einem zweiten Schritt die Zustandsfunktion ermittelt wird; in einem dritten Schritt signifikante Punkte, die Schließ- oder Öffnungszeitpunkte der Gaswechselventile darstellen, ermittelt werden und schließlich in einem vierten Schritt überprüft wird, ob sich die signifikanten Punkte innerhalb eines tolerierten Intervalls befinden. So kann in vorteilhafter Weise die Funktionsfähigkeit der Gaswechselventile überprüft werden. Insbesondere können, wenn ein Schließ- oder Öffnungszeitpunkt des entsprechenden Gaswechselventils nicht ermittelt werden kann oder außerhalb des tolerierten Intervalls liegt, Fehlerreaktionen eingeleitet werden.

Weiterhin ist vorteilhaft, eine Vorrichtung zur Ermittlung von Steuerzeiten für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit einem Mittel zur Erfassung eines Verlaufs eines Brennraumdrucks vorzusehen, bei der ein Berechnungsmittel ausgehend aus dem erfassten Verlauf des Brennraumdrucks und einem Verlauf eines Brennraumvolumens eine Zustandsfunktion berechnet, und ein Auswertemittel ausgehend von der Zustandsfunktion Ventilsteuerzeiten ermittelt.

Beschreibung
Grundlage der Erfindung ist die bekannte Tatsache, dass ein Zusammenhang zwischen Zylinderdruck p und -volumen V durch die Zustandsgleichung pi × Vni = Ki = constangegeben werden kann. Mit dem Index i ist hierbei ein Abtastung an einem beliebigen Kurbelwellenwinkel gekennzeichnet. Dieser Zusammenhang gilt während der Phasen des Arbeitsspiels, in denen das Gasvolumen im Zylinder eingeschlossen ist und keine Energieumsetzung durch Verbrennung erfolgt, d.h. in der Kompressionsphase vor Brennbeginn und in der Expansionsphase nach Brennende. Der Exponent n hängt im wesentlichen von der Zusammensetzung des Gases im Zylinder und dem Wärmeübergang vom Gas an die Umgebung ab. Die Konstante K ist nicht bekannt, daher kann eine Berechnung nur bei Kenntnis von mindestens zwei Wertepaaren p1, V1 und p2, V2 erfolgen. Abhängig von der Betriebsart ergeben sich unterschiedliche – aber bekannte – Werte für n. Beispielsweise ist der Polytropenexponent n bei Kompression eines Kraftstoff-Luft-Gemischs ungefähr 1,32, bei Kompression reiner Luft ist n ungefähr 1,37. insofern kann der Polytropenexponent n in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsart gewählt werden, ohne unmittelbar aus gemessenen Daten berechnet zu werden.
In 1 ist mit der gestrichelten Kurve ein typischer Brennraumdruckverlauf 10 für ein Arbeitsspiel zwischen 0° und 720° Kurbelwellenwinkel KW gezeigt. Circa 90° vor dem oberen Totpunkt ZOT bei 360° beginnt der Brennraumdruck p zu steigen. Durch die am oberen Totpunkt erfolgte Zündung steigt der Brennraumdruck aufgrund der Verbrennung weiter stark an, um dann nach Erreichen eines Maximums in der Expansionsphase wieder abzufallen. Im dargestellten Beispiel öffnet das Auslassventil bei ca. 500° KW, was sich im Brennraumdruckverlauf 10 durch einen schnelleren Druckabfall bemerkbar macht.
Wie bereits eingangs beschrieben, zielen eine Vielzahl der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren darauf ab, anhand verschiedener Methoden, insbesondere anhand der Gradientenmethode einen signifikanten Kurvenabschnitt zu ermitteln, der mit einem Öffnen des Auslassventils in Verbindung gebracht werden kann.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen anhand des ermittelten Brennraumdruckverlaufs 10 und dem prinzipiell für jeden Kurbelwellenwinkel KW bekannten Brennraumvolumen V(i) eine Zustandsfunktion 20 zu berechnen. K(i) = p(i) × V(i)n
Prinzipiell entspricht dies der eingangs genannten polytropen Zustandsgleichung. Der in Klammer gesetzte Index i deutet nur darauf hin, dass hier i als Funktionsparameter betrachtet wird. Im vorliegenden Beispiel entspricht i dem Kurbelwellenwinkel KW. Wird ein zeitliches Bezugssystem bevorzugt, kann i auch ohne weiteres durch eine Zeit t ersetzt werden.
Die erfindungsgemäße Zustandsfunktion 20 geht jedoch über die bekannte polytrope Zustandsgleichung hinaus, indem die Zustandsfunktion 20 in einer für den Fachmann überraschenden Weise auch für nicht-polytrope Bereiche bzw. Zustände bestimmt wird. Zwar ist die Gültigkeit der polytropen Zustandgleichung außerhalb der polytropen Bereiche nicht mehr gegeben, jedoch ergeben sich gerade durch den Übergang von einen polytropen in einen nicht-polytropen Bereich signifikante Änderungen der Zustandsfunktion.
Basis der polytropen Zustandsgleichung ist es, dass zwar ein Wärmeaustausch mit der Umgebung zugelassen ist, jedoch das System insgesamt als geschlossen betrachtet wird. Der polytrope Bereich wird verlassen, sobald das System nicht mehr als geschlossen gilt, beispielsweise während der Verbrennung und insbesondere beim Öffnen oder Schließen eines der Gaswechselventile. Diese Ereignisse bilden sich signifikant in der Zustandsfunktion ab, und erlauben es, ein Beginn und Ende der Verbrennung sowie ein Öffnen oder Schließen der Gaswechselventile zu identifizieren.
Die polytropen Bereiche lassen sich in 1 im Wesentlichen in den nahezu konstanten Abschnitten zwischen 180° und 360° KW und 400° bis 500° KW ausmachen. Der erste konstante Abschnitt 40 beginnt mit dem wahren Schließen des Einlassventils am Punkt A bei ca. 180° KW und endet mit dem Beginn der Verbrennung bei ca. 360 ° KW.
Der zweite konstante Abschnitt 50 beginnt mit dem Ende der Verbrennung bei ca. 400° KW und endet mit dem Öffnen des Auslassventils im Punkt B bei ca. 500° KW.
Die Punkte A und B als Anfangs- bzw. Endpunkts eines polytropen Bereichs lassen sich somit als Steuerzeitpunkte der Gaswechselventile identifizieren und lassen sich ohne Weiteres durch bekannte Auswerteverfahren ermitteln, beispielsweise durch Bilden einer ersten oder zweiten Ableitung nach dem Kurbelwellenwinkel oder nach der Zeit. Durch Betrachten der Extremwerte bzw. der Vorzeichenwechsel können die Punkte A und B identifiziert werden. Vorzugsweise sind Algorithmen vorgesehen, die im Frequenzbereich bandbegrenzt sind, um das unvermeidbare Rauschen des Brennraumdruck-Signals selbst und für die weitere Verarbeitung und Auswertung einzuschränken.
In 2 ist beispielhaft ein mögliches Ablaufdiagramm zur Überwachung der Gaswechselventile dargestellt. In einem ersten Schritt 100 wird für einen relevanten Kurbelwellenwinkelbereich ein Verlauf des Brennraumdrucks erfasst. Hierzu sind im ersten Schritt 100 weitere Unterschritte 110, 120, 130, 140 vorgesehen. Im Schritt 110 wird der Erfassungszyklus gestartet, und im nachfolgenden Schritt 120 zum aktuellen Kurbelwellenwinkel ein Zylinderdruck p erfasst. Diese Größe wird im Schritt 130 abgespeichert. im Schritt 140 wird dann überprüft, ob das Ende des Erfassungszyklus erreicht ist. Ist das Ende noch nicht erreicht, verzweigt der Schritt 140 erneut in den Schritt 120, womit eine neuer Erfassungszyklus beginnt. Ist der Erfassungszyklus beendet, wird in einem zweiten Schritt 200 ausgehend von dem nun erfassten Verlauf des Brennraumdrucks p und dem korrespondierenden Verlauf des Brennraumvolumens V unter Berücksichtigung der vorliegenden Betriebsbedingung eine Zustandsfunktion K(i) bestimmt.
Im nachfolgenden dritten Schritt 300 werden die Steuerzeitpunkte A und B durch Auswerten der Zustandsfunktion K(i) ermittelt.
Im vierten Schritt 400 ist es vorgesehen, zu überprüfen, ob die ermittelten Steuerzeitpunkt A und B innerhalb eines jeweiligen zulässigen Intervalls fallen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass für eine einwandfreie Funktion der Brennkraftmaschine bzw. des Gaswechselventils der Steuerzeitpunkt A in einem Kurbelwellenwinkel-Intervall von 150° bis 190° KW fallen soll. Wird ein Steuerzeitpunkt außerhalb eines zulässigen Intervalls ermittelt, wird ein Fehler an einen fünften Schritt 500 gemeldet und ggf. weitere Fehlerreaktionen eingeleitet. Insbesondere kann es vorgesehen sein, anhand der ermittelten Steuerzeitpunkte A und B in die Steuerung der Gaswechselventile einzugreifen, um Steuerzeitpunkte der Gaswechselventile zu verändern.
Die Information über eine unzulässige Abweichung der Steuerzeitpunkte kann auch über geeignete Hilfsmittel zur Anzeige gebracht werden, beispielsweise als Diagnose-Anzeige.
Dabei wird üblicherweise eine bestimmte Anzahl Überschreitungen abgewartet, um die Zuverlässigkeit der Diagnose weiter zu erhöhen.
Weiterhin kann diese Information zur Steuerung bzw. Regelung der Ventile genutzt werden, um Veränderungen im Ansteuersystem (z.B. Änderung der Viskosität bei hydraulischen Systemen) zu kompensieren. Die aus den Abschnitten A und B bestimmten Kurbelwinkel sind dann Istwerte für geschlossene Regelkreise zur Steuerung der Ein- und Auslassventile.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Steuerzeiten für Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Verlauf eines Brennraumdrucks (p) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verlauf des Brennraumdrucks (p(i)) und einem Verlauf des Brennraumvolumens (V(i)) eine Zustandsfunktion (K(i)) berechnet wird, und dass durch Auswerten der Zustandsfunktion (K(i)) Steuerzeiten der Gaswechselventile ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polytropenexponent (n) in Abhängigkeit der vorliegenden Betriebsart gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polytropenexponent (n) aus mindestens zwei Stützstellen des erfassten Brennraumdrucks und dem korrespondierenden Brennraumvolumens in einem polytropen Bereich ermittelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, – dass ein einem ersten Schritt für einen relevanten Kurbelwellenwinkelbereich (i) ein zeitlicher Verlauf des Brennraumdrucks (p) erfasst wird, – in einem zweiten Schritt die Zustandsfunktion ermittelt wird, – in einem dritten Schritt signifikante Punkte (A, B), die Schließ- oder Öffnungszeitpunkte der Gaswechselventile darstellen, ermittelt werden, – und dass in einem vierten Schritt überprüft wird, ob sich die signifikanten Punkte (A, B) innerhalb eines tolerierten Intervalls befinden.
Vorrichtung zur Ermittlung von Steuerzeiten für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine, mit einem Mittel zur Erfassung eines Verlaufs eines Brennraumdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berechnungsmittel ausgehend aus dem erfassten Verlauf des Brennraumdrucks (p(i)) und einem Verlauf eines Brennraumvolumens (V(i)) eine Zustandsfunktion (K(i)) berechnet, und dass ein Auswertemittel ausgehend von der Zustandsfunktion (K(i)) Ventilsteuerzeiten ermittelt.