DE102011002910A1

DE102011002910A1 - Ventilsteuerungssystem

Info

Publication number: DE102011002910A1
Application number: DE102011002910A
Authority: DE
Inventors: Abdelhak Rguig Assakali; Cenk Durmaz; Stefan Richter; Andreas Eichenberg
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-07-26
Also published as: WO2012097895A3; WO2012097895A2

Abstract

Ventilsteuerungssystem (2) zur Ansteuerung von Gaswechselventilen (4) eines Verbrennungsmotors mit sowohl einer elektrohydraulischen Ventilhubsteuereinrichtung (28) mit einem ein Steuerventil (32) umfassenden hydraulischen System (30) zum gesteuerten Übertragen der Bewegung mindestens einer an einer Nockenwelle (8) angebrachten Nocke (26) auf mindestens eines der Gaswechselventile (4), derart, dass innerhalb einer Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) mittels des Steuerventils (32) eine Ventilerhebungskurve (44, 45) einstellbar ist, als auch mit einer Nockenwellenverstelleinrichtung (14), mittels derer die Winkelposition zwischen einer Kurbelwelle (12) und der Nockenwelle (8) verstellbar ist, derart, dass die Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) verschoben wird, sowie mit einer Steuereinheit (16), die derart ausgelegt ist, dass sie in Abhängigkeit von aktuellen Anforderungen wahlweise oder in Kombination die Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) über die Nockenwellenverstelleinrichtung (14) verschiebt und die Ventilerhebungskurve (44, 45) über die Ventilhubsteuereinrichtung (28) einstellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Ventilsteuerungssystem zur Ansteuerung von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Hintergrund der Erfindung
Bei modernen Kraftfahrzeugen werden heutzutage aus Gründen der Schadstoffminimierung sowie der Verbrauchsreduzierung die sogenannten Gaswechselventile, also die Einlass- und/oder Auslassventile für den Kraftfahrzeugmotor, lastabhängig gesteuert.
Hierbei findet insbesondere eine sogenannte elektrohydraulischen Ventilsteuerung Verwendung, die beispielsweise aus dem Artikel „Elektrohydraulische Ventilsteuerung mit dem „MultiAir”-Verfahren” aus der motortechnischen Zeitschrift MTZ 12/2009 bekannt ist. Bei dieser elektrohydraulischen Ventilsteuerung ist vorgesehen, dass die Bewegung der Nockenwelle über eine Hydraulikflüssigkeit auf ein jeweiliges Gaswechselventil übertragen wird. Zur Steuerung ist ein insbesondere als Magnetventil ausgebildetes Steuer- oder Schaltventil vorgesehen. Im geschlossenen Zustand ist die Nockenwelle mit dem jeweiligen Gaswechselventil über ein sogenanntes hydraulisches Gestänge verbunden, so dass das Gaswechselventil einem Nocken der Nockenwelle zwangsweise folgt. Durch auch teilweises Öffnen des Schaltventils kann die Hydraulikflüssigkeit in einen Ausgleichs- oder Druckraum entweichen, so dass das Gaswechselventil von der Nockenbewegung entkoppelt ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, den Öffnungszeitpunkt, den Schließzeitpunkt sowie den Hub des Gaswechselventils innerhalb einer durch die Bewegung des Nockens vorgegebenen Ventilsteuerungshüllkurve zu variieren. Diese Variation kann zylinderselektiv erfolgen. Die Bewegung des Gaswechselventils wird dabei durch eine sogenannte Ventilerhebungskurve bestimmt.
Die Variation der Ventilerhebungskurve und damit die Bewegung des Hubes, können jedoch lediglich innerhalb der fest vorgelegten Ventilsteuerungshüllkurve erfolgen. Eine Verbreiterung der Ventilsteuerungshüllkurve mittels einer veränderten Nockenform führt zu einer hohen mechanischen Beanspruchung. Weiterhin verkürzt sich so ebenfalls die Zeit, in der das sich gegebenenfalls in dem Ausgleichs- oder Druckraum befindende Hydraulikflüssigkeit in das hydraulische Gestänge gebracht werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Ventilsteuerung anzugeben, mittels der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors mit erhöhter Variabilität ansteuerbar sind.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mittels eines Ventilsteuerungssystems für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Ventilsteuerungssystem umfasst eine elektrohydraulische Ventilhubsteuerung, eine Nockenwellenverstelleinrichtung und eine Steuereinheit.
Bei einer starren Verbindung zwischen einer Nocke der Nockenwelle und einem Gaswechselventil wird durch die Geometrie der Nocke der Bewegungsablauf des Gaswechselventils durch eine sogenannte Ventilsteuerungshüllkurve definiert.
Mittels der an sich bekannten elektrohydraulischen Ventilhubsteuereinrichtung wird die Bewegung mindestens einer vorzugsweise starr an einer Nockenwelle angebrachten Nocke auf mindestens ein Gaswechselventil mittels eines hydraulischen Systems gesteuert. Die Ventilhubsteuereinrichtung weist hierzu eine mit Hydraulikflüssigkeit gefüllte Hydraulikleitung auf, innerhalb der sich ein Steuerventil befindet. Die Hydraulikleitung verbindet das Gaswechselventil mit der Nocke. Bei geschlossenem Steuerventil wird die Bewegung des Nockens nach Art eines hydraulischen Gestänges auf das Gaswechselventil übertragen. Bei einem vollständig geöffneten Steuerventil tritt die Hydraulikflüssigkeit in einen Ausgleichsraum aus, so dass die Bewegung des Nockens nicht auf das Gaswechselventil übertragen wird. Mittels einer bestimmten Abfolge von Öffnungs- und Schließvorgängen des Steuerventils ist es möglich, eine gewünschte Ventilerhebungskurve innerhalb einer von der Nocke vorgegebenen Ventilsteuerungshüllkurve zu erreichen.
Mittels der Nockenwellenverstelleinrichtung wird ein Phasenwinkel gesteuert. Unter Phasenwinkel wird der tatsächlich realisierte Winkelversatz zwischen der Nockenwelle in Bezug auf eine Kurbelwelle bezeichnet. Somit wird bei einer Veränderung des Phasenwinkels mittels der Nockenwellenverstelleinrichtung auch die Ventilsteuerungshüllkurve in Bezug auf die Kurbelwelle verschoben. Die Kurbelwelle ist, mittels eines Steuerriemens oder einer Steuerkette mit der Nockenwelle verbunden. Beispielsweise dient als Nockenwellenverstelleinrichtung ein herkömmlicher Nockenwellenversteller, insbesondere ein Nockenwellenversteller mittels dessen die Winkelposition zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle um bis zu etwa ±60° veränderbar ist. Der Nockenwellenversteller ist beispielsweise ein hydraulischer Nockenwellenversteller, wie er beispielsweise aus der EP 1 544 419 A1 zu entnehmen ist.
In Abhängigkeit von aktuellen Anforderungen betätigt die Steuereinheit die Nockenwellenverstelleinrichtung, so dass die Ventilsteuerungshüllkurve in Bezug auf die Kurbelwelle verschoben wird, und/oder betätigt die Ventilhubsteuereinrichtung, insbesondere das Steuerventil, so dass die Ventilerhebungskurve eingestellt ist. Dabei sind beispielsweise die aktuellen Anforderungen ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch, eine möglichst hohe Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors oder eine Kombination daraus.
Die Steuereinheit ist insbesondere neben einem zentralen Motorsteuergerät vorgesehen, über das üblicherweise Vorgaben bezüglich von Motoreinstellungen, wie z. B. die Vorgabe eines Soll-Winkels für die Nockenwelle, an die Steuereinheit übermittelt wird, wobei unter Soll-Winkel ein vorgegebener Sollwert für den Phasenwinkel verstanden wird. Die Steuereinheit steuert dann in Abhängigkeit der Vorgaben die Nockenwellenverstelleinrichtung und die Ventilhubsteuereinrichtung. Die Steuereinheit kann hierbei aus zwei – auch baulich getrennten Modulen bestehen oder auch in der Motorsteuereinheit integriert sein.
Insbesondere werden alle Gaswechselventile des Verbrennungsmotors mittels einer solchen Ventilsteuerungssystems gesteuert. Bevorzugt wird auf der Gaseinlassseite und auf der Gasauslassseite des Verbrennungsmotors jeweils eine Nockenwelle verwendet, so dass die Gaswechselventile unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Nockenwelle auf der Gaseinlass- aus auch auf der Gasauslassseite sind mittels jeweils einer Nockenwellenverstelleinrichtung verstellbar. Grundsätzlich können die einzelnen Gaswechselventile über die Ventilhubsteuereinrichtung einzeln oder in Gruppen angesteuert werden. Die Nocken weisen beispielsweise unterschiedliche Geometrien auf, insbesondere zwei Nockenspitzen, so dass die Ventilsteuerungshüllkurve zwei Maxima umfasst (Haupthub und Nebenhub).
Insgesamt ist es hierdurch möglich, die Gaswechselventile des Verbrennungsmotors voll variabel anzusteuern, wobei sowohl die Ventilerhebungskurve innerhalb einer Ventilsteuerungshüllkurve als auch die Position der Ventilsteuerungshüllkurve in Bezug auf die Kurbelwelle einstellbar ist. Der besondere Vorteil ist also darin zu sehen, dass für den Betrieb des Motors über zwei verschiedene Steuersysteme die Gaswechselventile angesteuert werden. Dadurch werden die Variabilität der Motoransteuerung und die Anpassung an aktuelle Anforderungen verbessert, was zu verbesserten Motorleistungen führt.
Vorzugsweise wird die elektrohydraulische Ventilhubsteuereinrichtung in Abhängigkeit der Ventilsteuerungshüllkurve mittels der Steuereinheit gesteuert, und zwar derart, dass die Ventilerhebungskurve stets innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve liegt. Dies ist von wesentlicher Bedeutung bei einer Nockenwellenverstellung, also einem Verschieben der Ventilsteuerungshüllkurve, so dass gewährleistet ist, dass die Ventilerhebungskurve der Ventilsteuerungshüllkurve nachgeführt wird.
Insbesondere steuert die Steuereinheit die elektrohydraulische Ventilhubsteuereinrichtung derart, dass bei einer Verschiebung der Ventilsteuerungshüllkurve mittels der Nockenwellenverstelleinrichtung der Verlauf, also die Position der Ventilerhebungskurve in Relation zu der Ventilsteuerungshüllkurve konstant bleibt. Beispielsweise werden so unregelmäßige, starke Belastungen des Verbrennungsmotors während der Verstellung vermieden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Steuerung der elektrohydraulischen Ventilhubsteuerung in Abhängigkeit eines Ist-Winkels zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle mittels der Steuereinheit. Damit ist die gewünschte Nachführung sichergestellt.
Unter dem Ist-Winkel wird dabei der zu einem definierten Zeitpunkt ermittelte Winkelversatz zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle verstanden. Der Ist-Winkel ist dabei insbesondere durch einen Bezugspunkt der Ventilsteuerungshüllkurve, beispielsweise deren Maximum, in Bezug auf die Kurbelwelle definiert. Die Ermittlung des Ist-Winkels erfolgt beispielsweise durch eine direkte Messung mittels Sensoren oder durch eine Berechnung. Bevorzugt erfolgt die Ermittlung des Ist-Winkels durch eine Kombination daraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Ermittlung des Ist-Winkels ein Kennfeld herangezogen. Das Kennfeld ist insbesondere in einem Speicherbaustein der Steuereinheit hinterlegt. Es wird vorzugsweise auf einem Prüfstand für einen jeweiligen Motortyp ermittelt.
Dabei ist insbesondere die Verstellgeschwindigkeit der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Abhängigkeit von einer Anzahl von Betriebsparametern der Nockenwellenverstelleinrichtung in dem Kennfeld hinterlegt. Insbesondere werden so bei einer (Nockenwellen-)Verstellung die jeweiligen zukünftigen Ist-Winkel während der Verstellung ermittelt. Betriebsparameter sind beispielsweise die Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle bzw. der Kurbelwelle, sowie deren aktuelle Winkelposition zueinander, sowie bei der Verwendung eines herkömmlichen hydraulischen Nockenwellenverstellers die Temperatur und/oder der Druck der Hydraulikflüssigkeit.
Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass die Ermittlung des Ist-Wertes über eine Messung durch einen Sensor für die gewünschte hochgenaue Nachführung der Ventilerhebungskurve innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve nicht hinreichend genau ist, da der Sensor üblicherweise nur in diskreten Zeitabständen einen Positionswert ermittelt. Unter dem Positionswert wird der tatsächlich realisierte Winkelversatz zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt, nämlich dem Messzeitpunkt, verstanden. Der Positionswert geht insbesondere in die Bestimmung des Ist-Winkels mit ein, geeigneterweise ist der Ist-Winkel zum Messzeitpunkt der Positionswert. Der Ist-Winkel setzt sich bevorzugt additiv zusammen aus dem zuletzt gemessenen Positionswert und einem unter Zuhilfenahme des Kennfelds für den aktuellen Zeitpunkt abgeleiteten Interpolationswert. Dadurch lässt sich ein kontinuierlicher Verlauf für den Ist-Winkel während der Verstellung bestimmen.
Zweckmäßigerweise wird im statischen Fall, wenn also keine Verstellung der Nockenwelle erfolgt, für die Ventilhubsteuerungseinrichtung der von der Motorsteuerung vorgegeben Soll-Winkel als Ist-Winkel herangezogen.
In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung weist die Nockenwellenverstelleinrichtung eine Nockenwellenmesseinrichtung auf, die insbesondere den erwähnten Sensor umfasst. Mittels der Nockenwellenmesseinrichtung wird der Positionswert ermittelt.
Dabei weist die Nockenwellenmesseinrichtung insbesondere ein mehrflankiges Geberrad auf. Das Geberrad ist im Wesentlichen ein flacher Zylinder, in den umfangseitig Aussparungen eingebracht sind, so dass sich eine Anzahl von Flanken in beispielweise radialer Richtung ergeben. Beispielsweise werden die aus den Flanken gebildeten Zähne mittels eines Hall-Sensors detektiert. Aus der Anzahl der detektierten Zähne und unter Benutzung eines Bezugspunktes, wie insbesondere eines bestimmten, vergrößerten Abstandes zwischen zwei Zähnen des Geberrads, sowie mittels der Kenntnis der aktuellen Position der Kurbelwelle wird so der Positionswert, also der Phasenwinkel zu dem Messzeitpunkt, ermittelt.
Insbesondere ist das Geberrad derart geformt, dass es eine eindeutige Identifikation des Positionswerts innerhalb höchstens einer einzigen Umdrehung der Nockenwelle zulässt. Hierfür ist das Geberrad asymmetrisch gestaltet mit unterschiedlich großen Abständen zwischen zwei detektierbaren Flanken. Aus dem Vergleich zwischen den aufeinander folgenden Abständen ist es möglich die aktuelle Position zu bestimmen.
Vorzugsweise weist die Steuereinheit eine Validierungseinheit auf. Mittels der Validierungseinheit wird der vorgegebene Soll-Winkel mit dem Positionswert verglichen.
Dies beruht auf der Überlegung, dass durch eine Fehlfunktion der Nockenwellenverstelleinrichtung der beispielsweise von der Motorsteuerung vorgegebene Soll-Winkel vom tatsächlichen Positionswert abweicht. So ist es möglich, dass die Nockenwellenverstelleinrichtung einen Kalibrier- oder Adaptionszyklus zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Nockenwellenverstelleinrichtung einleitet. Hierbei wird die Nockenwelle üblicherweise in eine Kalibrierposition, deren Phasenwinkel von dem Soll-Winkel abweicht, verfahren, obwohl von der Motorsteuerung kein Verstellbefehl ausgegangen ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass durch Berechnungsfehler der ermittelte Ist-Winkel fehlerhaft ist.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Validierungseinheit im Bedarfsfall den Ist-Winkel durch den Positionswert ersetzt, falls die absolute Abweichung zwischen dem Positionswert und dem Soll-Winkel oder dem Ist-Winkel einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Allgemein wird mittels der Validierungseinheit sichergestellt, dass die von der Steuereinheit eingestellte Ventilerhebungskurve innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve verläuft, auch bei einer Fehlfunktion der Nockenwellenverstelleinrichtung oder bei einer fehlerhaften Ermittlung des Ist-Winkels.
Geeigneterweise werden zur Einstellung der innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve verlaufenden Ventilerhebungskurve sowohl Betriebsparameter der elektrohydraulischen Ventilhubsteuereinrichtung aber auch der Nockenwellenverstelleinrichtung herangezogen. Hierbei werden bei der Einstellung der Ventilerhebungskurve insbesondere die Schaltzeitpunkte ermittelt, wobei die Schaltzeitpunkte die Zeitpunkte bezeichnen, zu denen das Steuerventil angesteuert wird, so dass es sich zumindest teilweise öffnet und/oder schließt. Beispielsweise reagiert die elektrohydraulische Ventilhubsteuerung bei einer niedrigen Temperatur der Hydraulikflüssigkeit und/oder bei einem niedrigen Druck der Hydraulikflüssigkeit träger als bei einem Betrieb mit der Hydraulikflüssigkeit bei einer hohen Temperatur bzw. bei einem hohen Druck. Weiterhin hat die Drehzahl der Nockenwelle einen Einfluss auf die Trägheit der elektrohydraulischen Ventilhubsteuereinrichtung. Bei der Ermittlung der Schaltzeitpunkte werden die Betriebsparameter, insbesondere die Temperatur und der Druck der Hydraulikflüssigkeit und die Drehzahl der Nockenwelle, berücksichtigt, so dass die tatsächliche Bewegung der Gaswechselventile im Wesentlichen der jeweils gewünschten Ventilerhebungskurve innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve entspricht unabhängig von den aktuell vorherrschenden Betriebsparametern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 in einer schematischen und stark vereinfachten ausschnittsweisen Darstellung die prinzipielle Funktionsweise eines Ventilsteuerungssystems in einem Kraftfahrzeugmotor,
2 der zeitliche Verlauf des Signals eines Hall-Sensors einer Nockenwellenmesseinrichtung und einer Ventilsteuerungshüllkurve,
3 den zeitlichen Verlauf eines Phasenwinkels bei einer Betätigung einer Nockenwellenverstelleinrichtung,
4 eine Validierungseinheit, und
5 in einem zusammenfassenden Schaubild die Ermittlung eines Schaltzeitpunkts für ein Schaltventil.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist ein Ventilsteuerungssystem 2 zur Ansteuerung von Gaswechselventilen 4 eines Verbrennungsmotors in einem durch gestrichelte Umrandung angedeuteten Kraftfahrzeug 6 dargestellt. Der Winkelversatz zwischen einer Nockenwelle 8 und einer diese beispielsweise mittels eines Zahnriemen 10 antreibenden Kurbelwelle 12, wobei der (tatsächlich realisierte) Winkelversatz auch als Phasenwinkel bezeichnet wird, ist mittels einer Nockenwellenverstelleinrichtung 14, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Nockenwellenverstellers, veränderbar. Beispielsweise wird die Verstellung mittels einer hydraulischen Verstellung eines Rotors innerhalb eines Stators vorgenommen. Die Verdrehung des Rotors bezüglich des Stators erfolgt mittels einer gesteuerten Befüllung oder Entleerung von zwischen dem Rotor und Stator gebildeten Druckkammern mittels einer Hydraulikflüssigkeit, wobei das Volumen der Druckkammern den Phasenwinkel bestimmt. Die Steuerung der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 erfolgt mittels einer Steuereinheit 16. Diese ist insbesondere neben einem übergeordneten, nicht näher dargestellten zentralen Motorsteuergerät vorgesehen. Insbesondere wird der Phasenwinkel bei einer hohen Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor verkleinert und bei einer niedrigen Leistungsanforderung mit einem möglichst geringen Verbrauch vergrößert. Insbesondere ist der maximale Winkel, um den der Phasenwinkel veränderbar ist, etwa 60°.
Die Nockenwellenverstelleinrichtung 14 umfasst eine Nockenwellenmesseinrichtung 18. Diese weist ein mehrflankiges Geberrad 20 und einen Hall-Sensor 22 auf. Das Geberrad 20 ist im Wesentlichen ein flacher Zylinder, in den umfangseitig Aussparungen eingebracht sind, so dass sich eine Anzahl von Zähnen 24 mit jeweils zwei Flanken in radialer Richtung ergeben. Die Zähne 24 werden mittels des Hall-Sensors 22 detektiert und die Messwerte an die Steuereinheit 16 übertragen. Das Geberrad 20 weist beispielsweise vier detektierbare Zähne 24 mit jeweils einer steigenden und einer fallenden Flanke auf. Mittels der Nockenwellenmesseinrichtung 18 wird ein Positionswert 25 bestimmt, wobei unter dem Positionswert 25 der tatsächlich realisierte Winkelversatz zwischen der Kurbelwelle 12 und der Nockenwelle 8 zu einem bestimmten Zeitpunkt, nämlich dem Messzeitpunkt, verstanden wird. Der Positionswert 25 ist also der Phasenwinkel zu dem Messzeitpunkt.
An der Nockenwelle 8 ist starr eine Nocke 26 befestigt. Eine elektrohydraulische Ventilhubsteuerung 28 überträgt die Bewegung des Nocken 26 auf das jeweilige Gaswechselventil 4 mittels eines hydraulischen Systems 30, das eine Hydraulikflüssigkeit umfasst, welche beispielsweise das Motoröl ist. Die elektrohydraulische Ventilsteuerung 28 ist an sich bekannt. Wesentliches Merkmal ist ein insbesondere als Magnetventil ausgebildetes Schalt- oder Steuerventil 32, welches in eine Hydraulikleitung 34 geschaltet ist. Die Hydraulikleitung 34 ist über einen Hydraulikzylinder 36 einerseits mit dem Nocken 26 und andererseits mit dem Gaswechselventil 4 verbunden. Über das Steuerventil 32 lässt sich die Hydraulikleitung 34 zu einem Ausgleichs- oder Druckraum 38 absperren. Innerhalb der Hydraulikzylinder 36 sind Kolben 40 beispielsweise gegen die Kraft einer Feder beweglich gelagert. Bei einer Rotation des Nockens 26 folgt der Kolben 40 des zugeordneten Hydraulikzylinders 36 der Nockenbewegung. Bei geschlossenem Steuerventil 32 wirkt das hydraulische System 30 nach Art eines hydraulischen Gestänges, so dass der Kolben 40 in dem dem Gaswechselventil 4 zugeordneten Hydraulikzylinder 36 der von der Bewegung des Nockens 26 vorgegebenen Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 (vgl. 2) unmittelbar folgt. Durch Öffnen des Magnetventils 32 kann das Öl in den Druckraum 38 ausweichen, so dass die Bewegung des Gaswechselventils 4 von der Bewegung des Nockens 26 entkoppelt ist.
Das Steuerventil 32 ist mit der Steuereinheit 16 verbunden. Über die Steuereinheit 16 wird das Steuerventil 32 mit einem Steuersignal zu bestimmten Schaltzeitpunkten beaufschlagt, so dass sich eine bestimmte Ventilerhebungskurve 44, 45 (vgl. 2) innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 ergibt. Im Ausführungsbeispiel ist das Steuersignal der Erregerstrom für eine Magnetspule des Magnetventils 32.
In 2 ist der zeitliche Verlauf des mittels des Hall-Sensors 22 gemessenen Signals 46, 48 eines der Zähne 24 des Geberrades 20 schematisch dargestellt. Die durchgezogene Linie 46 entspricht dem Verlauf des Signals bei einem Phasenwinkel α1, die gepunktete Linie 48 dem Verlauf bei einem Phasenwinkel α2. Beispielsweise beträgt die Differenz der beiden Winkel Δα etwa 60°. Die Position der Kurbelwelle 12 wird beispielsweise mittels eines herkömmlichen Kurbelwellengeberrades und einem dazugehörigen Kurbelwellenhall-Sensors bestimmt, dessen Signal 50 unter dem des Hall-Sensors 22 der Nockenwellenmesseinrichtung 18 dargestellt ist. Das Kurbelwellengeberrad umfasst üblicherweise 58 Zähne 52 sowie eine Lücke 54.
Weiterhin sind die zu dem an der Nockenwelle 8 befestigten Nocken 26 gehörige Ventilsteuerungshüllkurven 42, 43 dargestellt. Der Verlauf der Ventilsteuerungshüllkurven 42, 43 ist in Bezug auf das Signal 46, 48 des Hall-Sensors 22 der Nockenwellenmesseinrichtung 18 konstant, in Bezug auf das Signal 50 des Kurbelwellenhall-Sensors sind die beiden Ventilsteuerungshüllkurven 42, 43 um Δα verschoben. Innerhalb jeder der Ventilsteuerungshüllkurven 42, 43 liegt jeweils die Ventilerhebungskurve 44, 45, wobei deren Verlauf in Bezug auf die jeweilige Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 gleich ist.
Bei einer Verstellung der Nockenwelle 8 in Bezug auf die Kurbelwelle 12 mittels der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 ermittelt die Steuereinheit 16 hierzu die Geschwindigkeit der Verstellung. Hierfür berücksichtigt die Steuereinheit 16 die relevanten Betriebsparameter 54 der Nockenwellenverstelleinrichtung 14, wie zum Beispiel die Temperatur und den Druck der Hydraulikflüssigkeit sowie die Drehzahl der Nockenwelle 8. In einem Kennfeld 56, das in einem Speicherbaustein der Steuereinheit 16 gespeichert ist, sind die Verstellgeschwindigkeiten der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 in Abhängigkeit von deren Betriebsparametern 54 hinterlegt. Anhand der ermittelten Betriebsparameter 54 wird eine zugeordnete Kennlinie des Kennfelds 56 ausgewählt und hieraus die Verstellgeschwindigkeit ermittelt. Mittels der Kennlinie (Verstellgeschwindigkeit) berechnet die Steuereinheit 16 insbesondere unter Zuhilfenahme des (gemessenen) Positionswerts 25 einen Ist-Winkel 58 sowie dessen zeitlichen Verlauf während der Verstellung. Der Ist-Winkel 58 ist dabei insbesondere durch einen Bezugspunkt der Ventilsteuerungshüllkurve, beispielsweise deren Maximum, in Bezug auf die Kurbelwelle definiert.
In 3 ist beispielhaft der zeitliche Verlauf des Phasenwinkels während der Verstellung dargestellt. Die mäanderförmigen Linien repräsentieren den Verlauf des Phasenwinkels, also den tatsächlich realisierten Winkelversatz zwischen der Nockenwelle 8 und der Kurbelwelle 12, wobei die Positionswerte 25 auf diesen Linien liegen. Die geraden Linien hingegen stellen die mittels des Kennfelds 56 ermittelten Ist-Winkel 58 dar. Die Abweichungen des tatsächlichen Verlaufs von dem berechneten Verlauf ergeben sich beispielsweise aus etwaigen Unwuchten innerhalb des Verbrennungsmotors oder aus Druckschwankungen der zur Verstelllung der Nockenwelle 8 dienenden Hydraulikflüssigkeit innerhalb der Nockenwellenverstelleinrichtung 14. Die durchgezogenen Linien entsprechen dem Verlauf bei einer Temperatur T1, die gepunkteten Linien dem Verlauf bei einer Temperatur T2, wobei die Temperatur T1 größer als die Temperatur T2 ist. Zu einem Zeitpunkt t1 wird mittels der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 der Winkelversatz zwischen der Nockenwelle 8 und der Kurbelwelle 12 von dem Winkel α1 zu dem Winkel α2 verändert. Aufgrund der wegen der höheren Temperatur geringeren Viskosität der in der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 vorhandenen Hydraulikflüssigkeit reagiert die Nockenwellenverstelleinrichtung 14 flinker im Betriebszustand mit der Temperatur T1 als im Betriebszustand mit der Temperatur T2 und erreicht den Winkel α2 bereits zum Zeitpunkt t2, wobei die Differenz zwischen t1 und t2 beispielsweise einige hundert Millisekunden beträgt. Insbesondere ermittelt die Steuereinheit 16 bereits zum Zeitpunkt t1 mittels des Kennfelds 56 und unter Kenntnis der Betriebsparameter 54 den Zeitpunkt t2 bzw. t2'.
Die grundsätzliche Funktionsweise des Ventilsteuerungssystems 2 ist wie folgt: Von der zentralen Motorsteuereinheit wird ein gewünschter Soll-Winkel 59, wobei unter dem Soll-Winkel 59 ein vorgegebener Sollwert für den Phasenwinkel verstanden wird, und damit eine gewünschte Position der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 vorgegeben und zusätzlich auch ein gewünschter Verlauf der Ventilerhebungskurve 44, 45 innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43. In einem statischen Fall (keine Betätigung der Nockenwellenverstelleinrichtung 14) wird als Ist-Winkel 58 vorzugsweise der Soll-Winkel 59 zur Steuerung der Ventilhubsteuereinrichtung 28 herangezogen.
In 4 ist eine Validierungseinheit 68 dargestellt, mittels der der vorgegebene Soll-Winkel 59 mit dem Positionswert 25 verglichen wird. Falls die absolute Abweichung zwischen dem Positionswert 25 und dem Soll-Winkel 59 einen bestimmten Grenzwert übersteigt ersetzt die Validierungseinheit 68 den zur Steuerung der Ventilerhebungskurve 44, 45 beispielsweise im statischen Fall als Ist-Winkel 58 verwendeten Soll-Winkel 59 durch den Positionswert 25. Dadurch ist sichergestellt, dass die von der Steuereinheit 16 eingestellte Ventilerhebungskurve 44, 45 innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 verläuft, auch bei einer Fehlfunktion der Nockenwellenverstelleinrichtung 14.
Bei sich ändernden Motoranforderungen gibt die Motorsteuereinheit einen neuen Wert für den Soll-Winkel 59 vor, was eine Verschiebung der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 bedingt.
Die Steuereinheit 16 steuert in diesem dynamischen Fall nunmehr die Ventilhubsteuereinrichtung 28, insbesondere das Steuerventil 32 derart an, dass die Ventilerhebungskurve 44, 45 der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 bei deren Verschiebung nachfolgt, insbesondere derart, dass die Position der Ventilerhebungskurve 44, 45 innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 konstant bleibt. Hierfür greift die Steuereinheit 16 auf die den aktuellen Betriebsbedingungen 54 (Temperatur etc., ....) entsprechende Kennlinie (z. B. gerade Linie in 3 bei T1) des Kennfeldes 56 zurück und bestimmt hieraus den zu einem jeweiligen Zeitpunkt t vorliegenden Ist-Winkel 58. Hierfür addiert die Steuereinheit 16 zu dem letzten gemessenen Positionswert 25 das Produkt aus der ermittelten Verstellgeschwindigkeit und dem Zeitabschnitt, der seit der Messung des Positionswerts 25 vergangenen ist. In Abhängigkeit des Ist-Winkels 58 wird das Steuerventil 32 geeignet angesteuert, um den gewünschten Verlauf der Ventilerhebungskurve 44, 45 zu gewährleisten.
Aus dem Ist-Winkel 58 ermittelt die Steuereinheit 16 die Position der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 und somit auch die Position der Ventilerhebungskurve 44, 45 in Bezug auf die Kurbelwelle 12, wobei die Ventilerhebungskurve 44, 45 innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 liegt, und wobei deren Verlauf in Bezug auf die Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 während der Verstellung konstant bleiben soll. Aus dem Ist-Winkel 58 und der gewünschten Ventilerhebungskurve 44, 45 werden, wie in 5 dargestellt, die Schaltzeitpunkte 80 des Steuerventils 32 mittels einer Schaltzeitpunktermittlungseinheit 82 abgeleitet, derart, dass der gewünschte Verlauf der Ventilerhebungskurve 44, 45 innerhalb der Ventilsteuerungshüllkurve 42, 43 sichergestellt ist. Bei der Berechnung der Schaltzeitpunkte 80 werden die Betriebsparameter 54 der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 und die Betriebsparameter 84 der elektrohydraulische Ventilhubsteuerung 28 berücksichtigt. Insbesondere sind die Betriebsparameter 54, 84 die Temperatur und der Druck der jeweiligen Hydraulikflüssigkeit sowie die Drehzahl der Nockenwelle 8. Beispielsweise führt eine kalte Hydraulikflüssigkeit innerhalb des hydraulischen Systems 30 zu einem trägen Ansprechen des Gaswechselventils 4. Die Trägheit der Nockenwellenverstelleinrichtung 14 und der elektrohydraulischen Ventilhubsteuerung 28 aufgrund deren Betriebsparameter 54, 84 wird in einer Schaltzeitpunktverzögerungseinheit 86 ermittelt und deren Wert an die Schaltzeitpunktermittlungseinheit 82 geleitet.
Bezugszeichenliste

2: Ventilsteuerungssystem
4: Gaswechselventil
6: Kraftfahrzeug
8: Nockenwelle
10: Zahnriemen
12: Kurbelwelle
14: Nockenwellenverstelleinrichtung
16: Steuereinheit
18: Nockenwellenmesseinrichtung
20: Geberrad
22: Hall-Sensor
24: Zahn
25: Positionswert
26: Nocke
28: elektrohydraulische Ventilhubsteuerung
30: hydraulisches System
32: Schalt-/Steuerventil
34: Hydraulikleitung
36: Hydraulikzylinder
38: Ausgleichs-/Druckraum
40: Kolben
42: Ventilsteuerungshüllkurve
43: Ventilsteuerungshüllkurve
44: Ventilerhebungskurve
45: Ventilerhebungskurve
46: Signal
48: Signal
50: Signal
52: Zahn
54: Betriebsparameter
56: Kennfeld
58: Ist-Winkel
59: Soll-Winkel
68: Validierungseinheit
80: Schaltzeitpunkt
82: Schaltzeitpunktermittlungseinheit
84: Betriebsparameter
86: Schaltzeitpunktverzögerungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1544419 A1 [0009]

Claims

Ventilsteuerungssystem (2) zur Ansteuerung von Gaswechselventilen (4) eines Verbrennungsmotors umfassend – eine elektrohydraulische Ventilhubsteuereinrichtung (28) mit einem ein Steuerventil (32) umfassenden hydraulischen System (30) zum gesteuerten Übertragen der Bewegung mindestens einer an einer Nockenwelle (8) angebrachten Nocke (26) auf mindestens eines der Gaswechselventile (4), derart, dass innerhalb einer Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) mittels des Steuerventils (32) eine Ventilerhebungskurve (44, 45) einstellbar ist, – eine Nockenwellenverstelleinrichtung (14), mittels derer die Winkelposition zwischen einer Kurbelwelle (12) und der Nockenwelle (8) verstellbar ist, derart, dass die Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) verschoben wird, – einer Steuereinheit (16), die derart ausgelegt ist, dass sie in Abhängigkeit von aktuellen Anforderungen wahlweise oder in Kombination die Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) über die Nockenwellenverstelleinrichtung (14) verschiebt und die Ventilerhebungskurve (44, 45) über die Ventilhubsteuereinrichtung (28) einstellt.
Ventilsteuerungssystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) die elektrohydraulische Ventilhubsteuereinrichtung (28) in Abhängigkeit der Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) steuert.
Ventilsteuerungssystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verschiebung der Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) mittels der Nockenwellenverstelleinrichtung (14) der Verlauf der Ventilerhebungskurve (44, 45) relativ zu der Ventilsteuerungshüllkurve (42, 43) konstant bleibt.
Ventilsteuerungssystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) die elektrohydraulischen Ventilhubsteuereinrichtung (28) in Abhängigkeit eines Ist-Winkels (58) steuert.
Ventilsteuerungssystem (2) nach einem der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Ist-Winkels (58) ein Kennfeld (56) verwendet wird.
Ventilsteuerungssystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kennfeld (56) die Verstellgeschwindigkeit der Nockenwellenverstelleinrichtung (14) in Abhängigkeit von einer Anzahl von Betriebsparametern (54) der Nockenwellenverstelleinrichtung (14) hinterlegt ist.
Ventilsteuerungssystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellenverstelleinrichtung (14) eine Nockenwellenmesseinrichtung (18) umfasst, mittels der ein Positionswert (25) ermittelt wird.
Ventilsteuerungssystem (2) nach Anspruch 5 oder 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Winkel (58) der Positionswert (25) zuzüglich eines mittels des Kennfelds (56) ermittelten Interpolationswerts ist.
Ventilsteuerungssystem (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 und nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) eine Validierungseinheit (68) aufweist, die einen Soll-Winkel (59) mit dem gemessenen Positionswert (25) vergleicht und bei einer Abweichung des Positionswerts (25) von dem Soll-Winkel (59), den Ist-Winkel (58) durch den Positionswert (25) ersetzt.
Ventilsteuerungssystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Ventilerhebungskurve (44, 45) sowohl Betriebsparameter der elektrohydraulischen Ventilhubsteuereinrichtung (28) als auch der Nockenwellenverstelleinrichtung (14) herangezogen werden.