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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Ventilverstellung eines Hubkolbenmotors.
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Ein Hubkolbenmotor, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, umfasst Zylinder mit Einlass- und Auslassventilen, die einen Gaswechsel in den Zylindern steuern. Ein Ventilhub eines Ein- oder Auslassventils kann verändert werden, indem eine Betätigung des Ventils mittels verschiedener Nocken einer Nockenwelle ermöglicht wird. Dazu kann beispielsweise ein Tassenstößel vorgesehen sein, der mehrere Abschnitte umfasst, die jeweils einer Nocke der Nockenwelle zugeordnet sind. Durch Herstellen oder Lösen eines axialen Kraftschlusses zwischen den einzelnen Abschnitten können eine oder mehrere Nocken zur Betätigung des Ventils verwendet werden. Dadurch können Steuerzeiten des Ventils verändert werden, wodurch das Laufverhalten des Hubkolbenmotors beispielsweise an einen Betriebszustand oder eine Lastanforderung angepasst werden kann.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Steuerung eines derartigen verstellbaren Tassenstößels auf hydraulischem Weg. Beispielsweise können erste Steuerzeiten für das Ventil aktiviert werden, wenn ein hydraulischer Druck in einer Leitung einen ersten, niedrigen Wert annimmt, und zweite Steuerzeiten, wenn der Druck einen zweiten, höheren Wert annimmt. Zur Steuerung des hydraulischen Drucks kann beispielsweise ein elektromagnetisches Hydraulikventil verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann der variable Ventiltrieb auch direkt auf elektrischem Weg verstellbar sein.
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Die Variation der Steuerzeiten des Ventils muss in Abhängigkeit anderer Betriebsparameter des Hubkolbenmotors durchgeführt werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass der Hubkolbenmotor durch die geänderten Steuerzeiten beschädigt wird, beispielsweise wenn bei verlängerten Ventilbetätigungszeiten und hohen Drehzahlen des Hubkolbenmotors eine Kollision des Kolbens mit dem geöffneten Ventil droht.
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DE 197 36 064 A1 zeigt eine Nutzung eines Signals einer Lambdasonde im Abgastrakt des Hubkolbenmotors zur Überwachung einer variablen Ventilsteuerung auf der Einlassseite. Eine derartige Lösung ist nicht für Hubkolbenmotoren geeignet, die mehrere Zylinder aufweisen, deren Ventile unterschiedlich gesteuert werden. Dies kann beispielsweise bei Einsatz von zwei oder mehr Zylinderbänken erforderlich sein, deren Abgase in einen gemeinsamen Abgasstrang geleitet werden.
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DE 20 2009 006 940 U1 schlägt vor, das Magnetfeld eines elektrohydraulischen Umschaltventils mittels eines Sensors zu überwachen, um eine axiale Position eines Ankers des Ventils zu bestimmen. Der Einsatz eines separaten Sensors ist aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen jedoch häufig problematisch.
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DE 10 2004 030 779 A1 betrifft die Überwachung eines elektrohydraulischen Ventils mit einer Spule und einem Anker. Wird die Spule angesteuert, so bewegt sie den Anker, der anschließend mittels eines Permanentmagneten in seiner Position gehalten wird. Nach erfolgter Verstellung des Ventilhubs wird der Anker mechanisch in die Spule zurückgedrückt, wodurch in der Spule eine Spannung induziert wird, die überwacht wird. Bleibt die erwartete Spannung aus, so wird ein Defekt am Ventil bestimmt. Eine solche Lösung setzt jedoch voraus, dass zwischen dem Ende des Bestromens der Spule und dem mechanischen Zurückschieben des Ankers eine ausreichend lange Zeit vergangen ist, um jegliche Magnetisierung der Spule abzubauen. Andernfalls kann die an der Spule beobachtete Spannung nicht zweifelsfrei einer Bewegung des Ankers zugeordnet werden. Außerdem ist dieses Verfahren nur für ein elektromagnetisches Umschaltventil mit einem Permanentmagneten geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektromagnetischen Hydraulikventils für eine variable Ventilsteuerung an einem Hubkolbenmotor anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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An einem Hubkolbenmotor ist ein hydraulisch verstellbarer Ventiltrieb vorgesehen, der mittels eines elektromagnetischen Hydraulikventils gesteuert werden kann. Dabei umfasst das Hydraulikventil eine elektromagnetische Spule und einen beweglichen Anker. Der Anker ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit einer Bestromung der Spule einen Steueranschluss hydraulisch mit einem Hochdruckanschluss oder einem Niederdruckanschluss zu verbinden. Ferner ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, eine Bewegung des Ankers in Antwort auf eine Bestromung der Spule auf der Basis einer Gegeninduktion in der Spule zu erfassen und einen Defekt zu bestimmen, falls die erwartete Gegeninduktion ausbleibt.
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So kann sichergestellt werden, dass das elektromagnetisch betätigte Hydraulikventil den hydraulischen Vorgang sicher ausgelöst hat. Die Steuerung des Hubkolbenmotors kann dadurch verbessert bzw. mit erhöhter Sicherheit erfolgen. Einem Motorschaden kann dadurch vorgebeugt werden. Rechtliche Anforderungen an die Sicherheit der Steuerung können erfüllt werden. Das Verfahren ist außerdem auch an einem Motor mit getrennten Zylinderbänken einsetzbar, deren Ventile bankweise verstellt werden können. Besonders vorteilhaft ist, dass für das beschriebene Verfahren kein dedizierter zusätzlicher Sensor erforderlich ist.
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Bevorzugterweise umfasst das Verfahren Schritte des Einschaltens eines Stroms durch die Spule, des Abtastens einer Spannung oder eines Stroms an der Spule, des Erfassens, dass ein vorübergehendes Einbrechen der Spannung bzw. des Stroms nach dem Einschalten ausbleibt, und ein Erfassen des Defekts. Dabei können das Bestromen der Spule und das Abtasten der gegeninduzierten Spannung verbessert zeitlich aufeinander abgestimmt werden. Eine Integration der Ansteuerung der Spule und einer Überwachungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann so unterstützt werden.
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Bevorzugterweise wird ferner erfasst, dass das vorübergehende Einbrechen in einem vorbestimmten Zeitfenster nach dem Einschalten ausbleibt. Störimpulse, die außerhalb des Zeitfensters liegen, können so ignoriert werden. Eine fälschliche Bestimmung eines durchgeführten oder nicht durchgeführten Schaltvorgangs kann so vermieden werden.
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Ein Anfang des Zeitfensters ist bevorzugterweise so gewählt, dass er vor einem erwartete n Bewegungsbeginn des Ankers liegt. Die Gegeninduktion kann durch den sich bewegenden Anker ausgelöst werden, sodass elektrische Ereignisse an der Spule vor dem Bewegungsbeginn des Ankers ignoriert werden können.
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Ein Ende des Zeitfensters ist bevorzugterweise so gewählt, dass es vor einem erwarteten Bewegungsende des Ankers liegt. Die Gegeninduktion klingt üblicherweise rasch wieder ab, sodass weitere elektrische Effekte an der Spule, während sich der Anker noch bewegt, ignoriert werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein Fehlercode in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt, wenn der Defekt erfasst wurde. Eine Weiterverarbeitung der Informationen über den Defekt kann dann zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Der Speicher kann insbesondere ein allgemeiner Fehlerspeicher sein, sodass der bestimmte Defekt gegebenenfalls in Korrelation mit anderen Defekten an Bord des Kraftfahrzeugs gesetzt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Überwachung eines elektromagnetischen Hydraulikventils zur Steuerung eines hydraulisch verstellbaren Ventiltriebs eines Hubkolbenmotors, wobei das Hydraulikventil eine elektromagnetische Spule und einen beweglichen Anker umfasst und wobei der Anker dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit einer Bestromung der Spule einen Steueranschluss hydraulisch mit einem Hochdruckanschluss oder einem Niederdruckanschluss zu verbinden, ist dazu eingerichtet, eine Bewegung des Ankers in Antwort auf eine Bestromung der Spule auf der Basis einer Gegeninduktion in der Spule zu erfassen und einen Defekt zu bestimmen, falls die erwartete Gegeninduktion ausbleibt.
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Die Steuereinrichtung kann insbesondere auch dazu eingerichtet sein, den Ventiltrieb zu verstellen, indem sie die elektromagnetische Spule des Hydraulikventils bestromt oder nicht bestromt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren genauer beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein System zur Verstellung eines Ventiltriebs an einem Hubkolbenmotor;
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2 ein elektromagnetisches Hydraulikventil für das System aus 1;
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3 Verläufe am Hydraulikventil von 2, und
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4 ein Ablaufdiagramm zum Steuern des Hydraulikventils aus 2.
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1 zeigt ein System
100 zur Verstellung eines Ventiltriebs
105 an einem Hubkolbenmotor
110. Der Hubkolbenmotor
110 kann beliebigen Aufbau haben. Insbesondere kann der Hubkolbenmotor
110 mehrere Zylinderbänke oder mehrere Nockenwellen aufweisen. Der Ventiltrieb
105 überträgt eine Bewegung einer Nockenwelle an ein Ventil zum Gaswechsel in einem Zylinder
115 des Hubkolbenmotors
110. Insbesondere kann der Ventiltrieb
105 hydraulisch steuerbare Tassenstößel
120 umfassen, die unterschiedliche Steuerzeiten der Ventile ermöglichen. Ein derartiger Tassenstößel
120 ist beispielsweise aus
DE 196 06 054 A1 bekannt.
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Die Tassenstößel 120 sind mit Hydraulikleitungen 125 verbunden. Es können eine oder mehrere Hydraulikleitungen 125 vorgesehen sein, je nachdem, in wie vielen Gruppen die Tassenstößel 120 gesteuert werden sollen. Herrscht in der Hydraulikleitung 125 ein erster, niedriger Druck, so bewirkt ein mit der Hydraulikleitung 125 verbundener Tassenstößel 120 eine erste Steuerzeit eines zugeordneten Ventils. Herrscht in der Hydraulikleitung 125 ein zweiter, höherer Druck, so bewirkt der Tassenstößel 120 eine zweite Steuerzeit.
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Zur Steuerung des Drucks in den Hydraulikleitungen 125 sind elektromagnetische Hydraulikventile 130 vorgesehen. Jedes Hydraulikventil 130 umfasst ein 3/2-Wegeventil, das mittels eines Elektromagneten 135 betätigt und mittels einer Feder 140 rückgestellt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann eine Rückstellung beispielsweise auch mittels eines weiteren Elektromagneten 135 erfolgen. Das links dargestellte Hydraulikventil 130 befindet sich in einer ersten Stellung, die einen niedrigen hydraulischen Druck in der zugeordneten Hydraulikleitung 125 bewirkt, während sich das rechts dargestellte Hydraulikventil 130 in einer zweiten Stellung befindet, die einen hohen hydraulischer Druck in der zugeordneten Hydraulikleitung 125 bewirkt. Die Positionen können jeweils durch Bestromen bzw. Nichtbestromen der Elektromagneten 135 geändert werden. Beispielsweise können beide Hydraulikventile 130 jeweils die erste Position einnehmen, wenn der zugehörige Elektromagnet 135 nicht bestromt ist und die zweite Position, wenn der Elektromagnet 135 bestromt ist.
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In der ersten Position ist ein Steueranschluss 145, der mit der Hydraulikleitung 125 verbunden ist, durch das Hydraulikventil 130 mit einem Niederdruckanschluss 150 verbunden, während ein Hochdruckanschluss 155 abgesperrt ist. In der zweiten Position ist der Steueranschluss 145 mit dem Hochdruckanschluss 155 verbunden, während der Niederdruckanschluss 150 abgesperrt ist. Die Hochdruckanschlüsse 155 werden von einer Hydraulikpumpe 160 mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid versorgt. Die Niederdruckanschlüsse 150 führen zu einem Reservoir 165, aus der die Hydraulikpumpe 160 Fluid ansaugt.
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Eine Steuereinrichtung 170 ist zur Überwachung und bevorzugterweise auch zur Ansteuerung der Hydraulikventile 130 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 170 ist dazu eingerichtet, zu überwachen, ob das Hydraulikventil 130 nach dem Bestromen des zugehörigen Elektromagneten 135 seine Position ändert oder nicht. Ändert sich die Position nicht, so wird ein Defekt bestimmt und optional ein auf den Defekt hinweisender Fehlercode in einem nichtflüchtigen Speicher 175 abgelegt. Dabei kann der Fehlercode auf Umstände des Defekts hinweisen, beispielsweise eine Bewegungsrichtung des Hydraulikventils 130, einen Zeitpunkt oder eine Häufigkeit des Defekts.
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2 zeigt ein Hydraulikventil 130 für das System 100 aus 1 in einer exemplarischen Ausführungsform einer teilweise schematischen Darstellung. Der Elektromagnet 135 umfasst eine Spule 205 und einen Anker 210. Wird die Spule 205 bestromt, so baut sich in ihrem Bereich ein Magnetfeld auf, das eine axiale Kraft auf den Anker 210 entgegen der Kraft der Feder 140 bewirkt. Dabei erfolgt ein Umschalten von der dargestellten ersten Position, in der der Steueranschluss 145 mit dem Niederdruckanschluss 150 verbunden ist, in die zweite Position, in der der Steueranschluss 145 mit dem Hochdruckanschluss 155 verbunden ist. Andere Ausführungsformen bzw. Aufbauvariationen des Hydraulikventils 130 sind ebenfalls möglich.
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3 zeigt Verläufe 300 am Hydraulikventil 130 von 2. Die dargestellten Verläufe sind als exemplarisch und schematisch zu verstehen. In einer horizontalen Richtung ist eine Zeit angetragen. Ein erster Verlauf 305 betrifft eine Spannung an der Spule 205 oder einen Strom durch die Spule 205. Ein zweiter Verlauf 310 betrifft eine Position des Ankers 210 bezüglich der Spule 205. Ein dritter Verlauf 315 betrifft ein Freischaltsignal zum Abtasten des ersten Verlaufs 305. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt Abtastung des ersten Verlaufs 305 nur dann, wenn das Freischaltsignal einen hohen Pegel aufweist. Das Freischaltsignal 315 ändert seinen Pegel an einem Anfang 320 und an einem Ende 325. Der zweite Verlauf 310 beginnt seine Änderung an einem Bewegungsbeginn 330 und beendet sie an einem Bewegungsende 335.
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Wird die Spule 205 zu einem Zeitpunkt 340 bestromt, so steigt der erste Verlauf 305 zunächst an und bleibt auf einem hohen Niveau, bevor sich der Anker 210 bewegt, wie am zweiten Verlauf 310 gesehen werden kann. Setzt sich der Anker 210 zum Bewegungsbeginn 330 in Bewegung, so erfolgt eine Gegeninduktion in der Spule 205, die einen Strom bzw. eine Spannung in der Spule 205 induziert, die der Bestromung entgegengerichtet ist. Die Gegeninduktion verursacht einen vorübergehenden Einbruch zu einem Zeitpunkt 345. Der Einbruch ist jedoch üblicherweise bereits beendet, noch bevor das Bewegungsende 335 des Ankers 210 erreicht ist.
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Der Anfang 320 und das Ende 325 des Freischaltsignals 315 sind bevorzugterweise so gewählt, dass ein möglichst schmaler zeitlicher Bereich definiert ist, in dem der Einbruch 345 erwartet wird. Eine Abtastung des ersten Verlaufs 305 erfolgt bevorzugterweise nur in diesem zeitlichen Bereich.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Steuern des Hydraulikventils 130 aus 2. In einem ersten Schritt 405, der zum Zeitpunkt 340 in 3 erfolgt, wird die Spule 205 bestromt. In einem nachfolgenden Schritt 410 wird der Anfang 320 des Freischaltsignals 315 bestimmt bzw. abgewartet. Wurde der Anfang 320 erfasst, so wird in einem Schritt 415 damit begonnen, die Spannung bzw. den Strom an der Spule 205 abzutasten.
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In einem Schritt 420 wird dann bestimmt, ob der erste Verlauf 305 in 3 abfällt, bevor in einem Schritt 425 bestimmt wird, ob der erste Verlauf 305 ansteigt. Diese beiden Schritte erfolgen bevorzugterweise nebenläufig zu der Bestimmung von Anfang 320 und Ende 325 des Freischaltsignals des dritten Verlaufs 315.
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Im Schritt 430 wird das Ende 325 des Freischaltsignals des dritten Verlaufs 315 erfasst. Bleibt ein Ansteigen oder ein Abfallen des ersten Verlaufs 305 in einem der Schritte 420, 425 aus, so setzt sich das Verfahren 300 trotzdem mit dem Schritt 430 fort. In einem Schritt 435 wird dann das Abtasten der Spannung bzw. des Stroms an der Spule 205 beendet.
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In einem Schritt 440 wird bestimmt, ob der vorübergehende Einbruch 345 beobachtet wurde, d.h., ob im Schritt 420 ein Einbrechen und im Schritt 425 ein Ansteigen des ersten Verlaufs 305 beobachtet wurden, während das Freischaltsignal 315 das Abtasten zwischen dem Anfang 320 und dem Ende 325 ermöglichte. Wurde kein vorübergehender Einbruch 345 beobachtet, so wird in einem Schritt 445 ein Defekt am Hydraulikventil 130 bestimmt und bevorzugterweise eine darauf hinweisende Information generiert und im nichtflüchtigen Speicher 175 aus 1 abgelegt. Wurde der vorübergehende Einbruch 345 hingegen beobachtet, so wird kein Defekt bestimmt und das Verfahren 400 endet in einem Schritt 450. Das Verfahren 400 kann nach den Schritten 445 oder 450 erneut durchlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19736064 A1 [0005]
- DE 202009006940 U1 [0006]
- DE 102004030779 A1 [0007]
- DE 19606054 A1 [0024]
