DE102009036061B3

DE102009036061B3 - Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009036061B3
Application number: DE102009036061A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Hehle; Holger Frank; Michael Dr. Willmann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: CN101994576B; US20110035132A1; US8688352B2; CN101994576A

Abstract

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine vor, bei dem ein axialer Weg (s(t)) sowie ein Verdrehwinkel (w(t)) eines Gaswechselventils (1) während eines Arbeitshubs gemessen werden, eine Wegabweichung aus dem Weg (s(t)) zu einem Referenzwert berechnet wird, eine Verdrehwinkelabweichung aus einem Verdrehwinkel-Startwert und einem Verdrehwinkel-Endwert berechnet wird und bei dem an Hand der Wegabweichung sowie der Verdrehwinkelabweichung der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein axialer Weg sowie ein Verdrehwinkel des Gaswechselventils fortlaufend gemessen werden.
In der Praxis werden Großdieselmotoren ohne automatischen Ventilspielausgleich ausgeliefert. Daher muss nach einer fest vorgegebenen Betriebsdauer das Ventilspiel durch einen Servicemechaniker entsprechend einem Wartungsplan eingestellt werden. Im Wartungsplan sind die Randbedingungen, zum Beispiel Kühlerwassertemperatur kleiner 40°C, und die einzelnen Schritte dargestellt. Zuerst wird eine Durchdrehvorrichtung angebracht, die Zylinderkopfhauben entfernt und mittels der Durchdrehvorrichtung die Gaswechselventile sequentiell in den geschlossenen Zustand gebracht. Im geschlossenen Zustand wird dann über eine Fühlerlehre das jeweilige Ist-Ventilspiel geprüft. Weicht dieses vom Soll-Ventilspiel ab, muss der Servicemechaniker über eine Einstellschraube das Ist-Ventilspiel so lange nachstellen bis dieses mit dem Soll-Ventilspiel übereinstimmt. Bei einem Großdieselmotor mit zum Beispiel sechzehn Zylindern ist dies aufwendig, kostenintensiv und verursacht bei einem Schiff entsprechende Hafenliegegebühren.
Zur Vermeidung von Ablagerung an einem Gaswechselventil ist es bekannt, das Gaswechselventil um einen Winkel zu drehen. Eine Verdreheinrichtung ist beispielsweise aus der DE 196 47 412 C1 bekannt. Ebenfalls bekannt ist es, die Verdrehung des Gaswechselventils zu messen und zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit heran zu ziehen. So offenbart beispielsweise die DE 94 17 650 U1 eine entsprechende Messeinrichtung, bei welcher an der Verdreheinrichtung ein Permanentmagnet und im Zylinderkopf der Messsensor angeordnet sind. Eine nicht einwandfreie Ventildrehvorrichtung ist dann auszutauschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu entwerfen, bei dem sowohl der axiale Weg als auch der Verdrehwinkel des Gaswechselventils überwacht werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Neben der fortlaufenden Messung des axialen Wegs und des Verdrehwinkels am Gaswechselventil während eines Arbeitshubs, besteht das Verfahren darin, dass eine Wegabweichung aus dem Weg zu einem Referenzwert berechnet wird und eine Verdrehwinkelabweichung aus einem Startwert und eine Endwert berechnet wird. Da der Weg des Gaswechselventils als zeitlicher Verlauf erfasst wird, ist der Referenzwert ebenfalls als zeitlicher Verlauf vordefiniert. Der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine wird dann an Hand der Wegabweichung und der Verdrehwinkelabweichung festgelegt.
Das Gaswechselventil wird dann als fehlerfrei gesetzt, wenn der Betrag der Wegabweichung kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Bei fehlerfreiem Gaswechselventil wird der axiale Weg des Gaswechselventils als zulässiger Eingangswert bei einer variablen Ventilsteuerung weiterverwendet. Ist hingegen der Betrag der Wegabweichung größer als der Grenzwert, wird eine Nachfolgeregelung initiiert. Eine Nachfolgeregelung sieht zum Beispiel vor, dass das Gaswechselventil deaktiviert wird und nach Ablauf einer Zeitstufe dieses nochmals geprüft wird. Alternativ kann auch ein Ersatzwert verwendet werden und ein eingeschränkter Weiterbetrieb zugelassen werden. Die Verdreheinrichtung wird dann als fehlerfrei gesetzt, wenn die Verdrehwinkelabweichung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegt. Anderenfalls wird auch hier eine Nachfolgeregelung initiiert.
Zur Bestimmung eines prognostizierten Wartungstermins wird aus dem zeitlichen Verlauf des Verdrehwinkels ein maximaler Verdrehwinkel bestimmt und gemeinsam mit den zulässigen Wegabweichungen sowie den zulässigen Verdrehwinkelabweichungen ein Trend bestimmt.
Insgesamt bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine mechanische Kontrolle des Ventilspiels entfällt und die Wartungsintervalle bedarfsgerechter sind. Mittels der gleichzeitigen Überwachung des axialen Wegs und des Verdrehwinkels wird die fehlerfrei Funktion des Gaswechselventils, also das Ventilspiel, und die fehlerfreie Funktion der Verdreheinrichtung geprüft.
In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
1 ein Systemschaubild,
2 den axialen Weg des Gaswechselventils über der Zeit,
3 den Verdrehwinkel des Gaswechselventils über der Zeit,
4 einen Programm-Ablaufplan und
5 ein Unterprogramm.
Die 1 zeigt ein Systemschaubild mit einem kombinierten Sensor zur Weg- und Verdrehwinkel-Messung an einem Gaswechselventil 1. Die dargestellten Komponenten sind: das Gaswechselventil 1, beispielsweise ein Auslassventil, ein Zylinderkopf 2, ein Kipphebel 3 zur Betätigung des Gaswechselventils 1, der Sensor 4 und ein elektronisches Steuergerät 5 (ECU). Das Gaswechselventil 1 ist über eine Führungshülse 6 im Zylinderkopf 2 eingesetzt und wird über den Kipphebel 3 betätigt. Über eine Verdreheinrichtung 7 wird das Gaswechselventil 1 bei Betätigung gleichzeitig um einen Winkel gedreht, wodurch Ablagerungen am Gaswechselventil 1 verhindert werden. In einer ersten Position POS1 verschließt das Gaswechselventil 1 vollständig einen Brennraum 11. In einer zweiten Position POS2 gibt das Gaswechselventil 1 einen Durchgang vom Brennraum 11 zu einem Auslasskanal 10 frei, über welchen dann das Abgas zum Beispiel zu einem Abgasturbolader strömt. Der Sensor 4 erfasst gleichzeitig die Position des Gaswechselventils 1 in axialer Richtung und den Verdrehwinkel des Gaswechselventils 1. In einer bevorzugen Ausführungsform ist hierzu auf dem Ventilschaft 8 ein magnetisch kodierter Bereich 9 ausgebildet. Andere Aufnehmerformen (induktiv, kapazitiv, optoelektronisch) können bei entsprechendem Mehraufwand ebenso eingesetzt werden.
Das elektronische Steuergerät 5 bestimmt die Betriebsweise der Brennkraftmaschine. Dieses beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 5 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. Die Eingangsgrößen sind der zeitliche Verlauf des Wegs s(t), der zeitliche Verlauf des Verdrehwinkels w(t) und weitere Eingangsgrößen, welche unter dem Bezugszeichen EIN zusammengefasst sind. Weiteren Eingangsgrößen EIN sind beispielsweise ein Raildruck, eine Motordrehzahl und eine Leistungsanforderung. Die Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 5 sind unter dem Bezugszeichen AUS zusammengefasst. Dieses steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Injektor-Ansteuersignal zur Festsetzung eines Spritzbeginns und eines Spritzendes.
Die allgemeine Funktionalität ist wie folgt:
In der Ausgangslage, also der Schließstellung, nimmt das Gaswechselventil 1 die erste Position POS1 ein. Die erste Position POS1 ist durch einen ersten geometrischen Ort bestimmt, nämlich einem Weg-Startwert und einem Verdrehwinkel-Startwert. Diese Startwerte werden vom elektronischen Motorsteuergerät 5 eingelesen. Wird nun das Gaswechselventil 1 betätigt, so werden der aktuelle Weg und der aktuelle Verdrehwinkel eingelesen, zum Beispiel in einen Ringspeicher. Die zweite Position POS2 ist durch einen zweiten geometrischen Ort bestimmt, nämlich einem maximalen Weg und einen maximalen Verdrehwinkel. Die zweite Position POS2 des Gaswechselventils 1 ist in der 1 gestrichelt dargestellt. Ein Arbeitshub entspricht dem Übergang von der ersten Position POS1 zur zweiten Position POS2 und wieder zur ersten Position POS1. Der Verlauf des axialen Wegs s(t) und der Verlauf des Verdrehwinkels w(t) werden über einen Arbeitshub erfasst. Danach wird eine Wegabweichung aus dem Weg s(t) zu einem Referenzwert berechnet und eine Verdrehwinkelabweichung aus dem Verdrehwinkel-Startwert in der ersten Position POS1 zu einem Verdrehwinkel-Endwert in der zweiten Position POS2 berechnet. An Hand der Wegabweichung sowie der Verdrehwinkelabweichung wird dann der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine festgelegt.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist dem Gaswechselventil 1 eine Vorort-Elektronik mit eigenständiger Rechenkapazität zugeordnet, welche die Verarbeitung des axialen Wegs s(t) und des Verdrehwinkels w(t) übernimmt und deren Zulässigkeit oder Nichtzulässigkeit an das elektronische Motorsteuergerät 5 übermittelt. Bei einem festgestellten Fehler des Gaswechselventils übernimmt dann das elektronische Motorsteuergerät 5 die Nachfolgeregelung.
In der 2 ist der axialen Weg s des Gaswechselventils, also der Ventilhub, über der Zeit dargestellt. Die durchgezogene Linie kennzeichnet den gemessen Verlauf des axialen Wegs s(t) während eines Ventilhubs. Ein Ventilhub entspricht der Positionsänderung des Gaswechselventils vom geschlossenem zum vollständig geöffnetem und zurück zum geschlossenen Zustand. Als strichpunktierte Linie ist eine vorgegebene Referenzkurve sREF eingezeichnet. Zu jedem Messwert s(t) korrespondiert ein Referenzwert. Beispielsweise korrespondiert zum Wert A ein Referenzwert B. Die Differenz Wert A zum Referenzwert B entspricht dann einer Wegabweichung ds. Eine gestrichelte Linie s1 kennzeichnet ein Gaswechselventil, welches zuviel Ventilspiel aufweist. Eine ebenfalls gestrichelt dargestellte Linie s2 kennzeichnet ein Gaswechselventil dessen Ventilspiel aufgebraucht ist.
In der 3 ist ein möglicher Verlauf des Verdrehwinkels w eines Gaswechselventils über der Zeit dargestellt. Der Verlauf w(t) kennzeichnet ein Gaswechselventil, dessen Anfangswert w0 im Koordinatenursprung liegt. Der Verdrehwinkel w(t) und der axiale Weg s(t) werden zeitgleich erfasst. Da das Gaswechselventil in der ersten Position nicht immer den gleichen Verdrehwinkel-Startwert w0 besitzt, verschiebt sich der Verlauf w(t) in Richtung der Ordinate. In der 3 sind daher exemplarisch abschnittsweise drei weitere Verläufe dargestellt. Der zeitliche Verlauf des Verdrehwinkels w(t) besitzt einen Maximalwert wMAX und einen Endwert wE. Die Differenz des Verdrehwinkel-Endwerts wE zum Verdrehwinkel-Anfangswert w0 entspricht der Verdrehwinkelabweichung dw, welche dann auf Zulässigkeit geprüft wird.
In der 4 ist ein Programm-Ablaufplan eines Hauptprogramms dargestellt. In der 5 ist ein Unterprogramm UP dargestellt. Die weitere Beschreibung erfolgt gemeinsam für beide Figuren. Bei S1 werden der Weg-Startwert s0 und der Verdrehwinkel-Startwert w0 eingelesen. Anschließend werden bei S2 der aktuelle axiale Weg s(t) und der aktuelle Verdrehwinkel w(t) über der Zeit eingelesen. Bei S3 wird dann die Wegabweichung ds aus dem Weg s(t) zu einem Referenzwert sREF berechnet und bei S4 geprüft, ob die Wegabweichung ds positiv ist (ds > 0). Die Wegabweichung ds ist dann positiv, wenn das Ventilspiel des Gaswechselventils größer als der Referenzwert ist. Wurde dies bei S4 festgestellt, Abfrageergebnis S4: ja, so wird in das Unterprogramm UP (5) verzweigt. Bei S1A wird der Betrag der Abweichung mit einem Grenzwert GW verglichen. Ist das Ventilspiel zwar erhöht aber zulässig, das heißt, der Betrag der Wegabweichung ist kleiner als der Grenzwert GW, so wird zum Punkt A des Hauptprogramms (4) verzweigt. Ist hingegen der Betrag der Wegabweichung ds größer als der Grenzwert GW, Abfrageergebnis S1A: ja, so wird bei S2A ein Fehler festgestellt. Anschließend wird bei S3A eine Nachfolgeregelung initiiert. Eine mögliche Nachfolgeregelung sieht vor, dass das Gaswechselventil deaktiviert wird und nach Ablauf einer Zeitstufe das Gaswechselventil erneut geprüft wird. Eine andere Nachfolgeregelung kann vorsehen, dass das Gaswechselventil gestuft deaktiviert wird. Im Anschluss an die Nachfolgeregelung wird bei S4A der Bediener über den festgestellten Fehler informiert und das Unterprogramm beendet.
Wurde bei S4 im Hauptprogramm festgestellt, dass die Wegabweichung nicht positiv ist, Abfrageergebnis S4: nein, so wird bei S5 geprüft, ob die Wegabweichung ds negativ ist (ds < 0). Dies ist dann der Fall, wenn das Ventilspiel zu gering ist. Trifft dies zu, so wird in das Unterprogramm UP verzweigt, in welchem bei S1A der Betrag der Abweichung ds mit dem Grenzwert GW verglichen wird. Ist das Ventilspiel zwar verkleinert aber zulässig, das heißt, der Betrag der Wegabweichung ist kleiner als der Grenzwert GW, so wird zum Punkt A des Hauptprogramms verzweigt. Ist hingegen der Betrag der Wegabweichung ds größer als der Grenzwert, Abfrageergebnis S1A: ja, so wird bei S2A ein Fehler festgestellt. Anschließend wird bei S3A eine Nachfolgeregelung initiiert. Eine mögliche Nachfolgeregelung sieht vor, dass das Gaswechselventil deaktiviert wird und nach Ablauf einer Zeitstufe das Gaswechselventil erneut geprüft wird. Eine andere Nachfolgeregelung kann vorsehen, dass das Gaswechselventil gestuft deaktiviert wird. Im Anschluss an die Nachfolgeregelung wird bei S4A der Bediener über den festgestellten Fehler informiert und das Unterprogramm beendet.
Wurde bei S5 festgestellt, dass die Wegabweichung ds nicht negativ ist, Abfrageergebnis S5: nein, so wird bei S6 das Gaswechselventil als fehlerfrei gesetzt, S6. Danach wird bei S7 aus dem zeitlichen Verlauf des Verdrehwinkels w(t) der Maximalwert wMAX bestimmt. Bei S8 wird aus dem Startwert w0 und dem Endwert wE des Verdrehwinkels w die Verdrehwinkelabweichung dw berechnet und bei S9 beurteilt. Liegt die Verdrehwinkelabweichung dw nicht innerhalb eines Toleranzbandes, welches aus den beiden Grenzwerten dwMIN und dwMAX gebildet wird, so wird bei S12 eine Nachfolgeregelung initiiert und bei S13 dem Bediener der Fehler angezeigt. Danach ist das Hauptprogramm beendet. Wurde hingegen bei S9 erkannt, das die Verdrehwinkelabweichung dw zulässig ist, Abfrageergebnis S9: ja, so wird bei S10 die Verdreheinrichtung als fehlerfrei gesetzt. Bei S11 wird aus den gültigen Wegabweichungen ds(i), den gültigen Verdrehwinkelabweichungen dw(i) und den Maximalwerten wMAX(i) des Verdrehwinkels ein Trend berechnet, wobei i hierhin eine Zählvariable darstellt. Aus dem Trend wiederum lässt sich ein prognostizierter Wartungstermin ableiten. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 199 16 994 C1 bekannt. Danach ist der Programmablauf beendet.
Bezugszeichenliste

1: Gaswechselventil
2: Zylinderkopf
3: Kipphebel
4: Sensor
5: elektronisches Motorsteuergerät (ECU)
6: Führungshülse
7: Verdreheinrichtung
8: Ventilschaft
9: magnetisch kodierter Bereich
10: Auslasskanal
11: Brennraum

Claims

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein axialer Weg (s(t)) sowie ein Verdrehwinkel (w(t)) eines Gaswechselventils (1) während eines Arbeitshubs gemessen werden, eine Wegabweichung (ds) aus dem Weg (s(t)) zu einem Referenzwert (sREF) berechnet wird, eine Verdrehwinkelabweichung (dw) aus einem Verdrehwinkel-Startwert (w0) und einem Verdrehwinkel-Endwert (wE) berechnet wird und bei dem an Hand der Wegabweichung (ds) sowie der Verdrehwinkelabweichung (dw) der weitere Betrieb der Brennkraftmaschine festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (1) als fehlerfrei erkannt wird und der axiale Weg (s(t)) des Gaswechselventils (1) als zulässiger Eingangswert für eine variable Ventilsteuerung gesetzt wird, wenn der Betrag der Wegabweichung (ds) kleiner als ein Grenzwert (GW) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachfolgeregelung initiiert wird, wenn der Betrag der Wegabweichung (ds) größer als der Grenzwert (GW) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdreheinrichtung (7) als fehlerfrei erkannt wird und der Verdrehwinkel (w(t)) des Gaswechselventils (1) als gültig gesetzt wird, wenn die Verdrehwinkelabweichung (dw) innerhalb eines Toleranzbandes (dwMIN, dwMAX) liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachfolgeregelung initiiert wird, wenn die Verdrehwinkelabweichung (dw) außerhalb des Toleranzbandes (dwMIN, dwMAX) liegt.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verdrehwinkel (w(t)) während eines Arbeitshubs ein maximaler Verdrehwinkel (wMAX) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den zulässigen Wegabweichungen (ds(i), i = 1 ... n), den zulässigen Verdrehwinkelabweichungen (dw(i)) und den maximalen Verdrehwinkeln (wMAX(i)) ein Trend berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an Hand des Trends ein prognostizierter Wartungstermin bestimmt wird.