DE102015122537B4

DE102015122537B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015122537B4
Application number: DE102015122537.9A
Authority: DE
Inventors: Max Schleder; Volker Grajewski
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: DE102015122537A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die Folgendes umfasst:- ein Gehäuse, in dem ein Zylinder (16) ausgebildet und eine Kurbelwelle (32) drehbar gelagert ist,- einen Kolben (24), der beweglich in dem Zylinder (16) gelagert ist und über einen Pleuel (34) mit einem Kurbelzapfen (62) der Kurbelwelle (32) verbunden ist,- ein Gaswechselventil (28, 30), das zum Öffnen in einen von dem Kolben (24) und einem Abschnitt des Zylinders (16) begrenzten Brennraum (22) bewegbar ist,- eine Nockenwelle (38) zum Betätigen des Gaswechselventils (28, 30),- ein Steuergetriebe zur drehantreibenden Verbindung der Nockenwelle (38) mit der Kurbelwelle (32),- einen Ventilsteller zur Veränderung der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs des Gaswechselventils (28, 30) und- eine Steuervorrichtung (60) zur Ansteuerung des Ventilstellers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionsüberwachung durchgeführt wird, indem während einer Ansteuerung des Ventilstellers zur Veränderung der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs des Gaswechselventils (28, 30) ausgehend von einer Startstellung (B) des Ventilstellers hin zu einer Endstellung (E) für mehrere Zwischenstellungen (S) ermittelt wird, ob es bei einer weitergehenden Ansteuerung bis zum Erreichen einer geplanten Folgestellung (Z) basierend auf einer Nennstellgeschwindigkeit des Ventilstellers zu einer Kollision des sich potentiell öffnenden Gaswechselventils (28, 30) mit dem Kolben (24) kommen könnte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem auf einer oder mehreren Nockenwellen basierenden variablen Ventiltrieb, der geometrisch derart ausgelegt ist, dass die Möglichkeit einer Kollision eines Gaswechselventils mit einem Kolben der Brennkraftmaschine besteht. Das Verfahren zielt darauf ab, eine solche Kollisionsgefahr zu überwachen und darauf aufbauend eine Kollision zu verhindern. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist.
Variable Ventiltriebe für Brennkraftmaschinen, die es ermöglichen, den Öffnungshub zumindest eines der Gaswechselventile hinsichtlich der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des maximalen Öffnungswegs im Betrieb der Brennkraftmaschine zu verändern, wurden entwickelt, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschinen und insbesondere die Maximalleistung sowie den Wirkungsgrad zu erhöhen und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dabei werden die meisten Brennkraftmaschinen derart ausgelegt, dass eine Kollision der geöffneten Gaswechselventile mit den Kolben in sämtlichen durch die variablen Ventiltriebe ermöglichten Öffnungsstellungen der Gaswechselventile und sämtlichen Kolbenstellungen geometrisch ausgeschlossen sind. Auf Maßnahmen zur kontinuierlichen Überwachung einer Kollisionsgefahr und zur Verhinderung einer Kollision zwischen Kolben und Gaswechselventilen kann bei solchen Brennkraftmaschine daher verzichtet werden. Nachteilig daran ist jedoch, dass auf diese Weise das volle Potenzial, dass eine variable Ventilsteuerung ermöglicht, nicht ausgeschöpft werden kann.
Aus der DE 10 2006 030 324 A1 ist eine Methode bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit einem vollvariablen Ventiltrieb, der entweder auf individuellen elektrohydraulischen oder elektromechanischen Ventilstellern oder Nockenwellen, die hinsichtlich der Phase, Dauer und des Hubs für die Gaswechselventile veränderbar sind, aufbaut, Kollisionen zwischen den Gaswechselventilen und den Kolben zu vermeiden, indem basierend auf Sollwerten für den Ventilhub und die Dauer der Ventilöffnung ein Öffnungsprofil abgeschätzt wird und unter weiterer Berücksichtigung eines Sicherheitsabstand zu dem Kolbenhubverlauf diejenigen Öffnungszeiten bestimmt werden, die ein kollisionsfreies Öffnen der Gaswechselventile ermöglichen.
Weiterhin ist aus der DE 10 2004 063 543 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Gaswechselventile nicht mittels Nockenwellen sondern individuell mittels elektrohydraulischer oder elektromagnetischer Ventilstellern betätigt werden, wobei eine Kollisionsschutzvorrichtung überprüft, ob eine Ansteuerung der Ventilsteller mit Steuervorgaben zu einer Kollision eines Gaswechselventils mit einem weiteren Gaswechselventil oder einem Kolben der Brennkraftmaschine führen würde. Bei einer erkannten möglichen Kollision wird eine Maßnahme eingeleitet, die diese verhindert.
Die JP 2009 - 215 889 A offenbart ein Verfahren und eine entsprechende Brennkraftmaschine, bei der zumindest die Betätigung der Einlassventile mittels eines Ventilstellers veränderbar ist, wobei der Ventilsteller zwei Einzelsteller umfasst und wobei mittels eines ersten Einzelstellers (Hubsteller) der Ventilhub und die Öffnungsdauer und mittels eines zweiten Einzelstellers (Phasensteller) die Phasenlage der Ventilöffnung veränderbar ist. Durch eine geeignete Kombination aus Ventilhub und Öffnungsdauer sowie Phasenlage verhindert werden, dass es in den verschiedenen Öffnungsstellungen, die für die Einlassventile durch die Kombination der beiden Einzelsteller eingestellt werden können, zu einer Kollision mit einem dazugehörigen Kolben kommen kann.
Die US 2007 / 0 226 974 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventiltrieb für die Einlassventile und einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses. Um eine Kollision der Einlassventile mit dem dazugehörigen Kolben zu vermeiden ist vorgesehen, dass bei einer erhöhten Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine die Stellgeschwindigkeit, mit der das Verdichtungsverhältnis verringert wird, größer als die Stellgeschwindigkeit, mit der der Ventilhub vergrößert wird, ist und, umgekehrt, bei einer verringerten Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine die Stellgeschwindigkeit, mit der der Ventilhub verkleinert wird, größer als die Stellgeschwindigkeit, mit der das Verdichtungsverhältnisses vergrößert wird, ist. Ein dazu vergleichbares Vorgehen ist auch aus der US 2005 / 0 103 290 A1 bekannt.
Die US 2006 / 0 027 196 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem variablen Ventiltrieb für die Einlassventile. Um eine Kollision der Einlassventile mit dem dazugehörigen Kolben zu vermeiden, ist vorgesehen, einen Schätzwert für die Phasenlage der Ventilöffnung zu berechnen und dann, wenn dieser Schätzwert einen definierten Grenzwert überschreiten, den Ventilhub und/oder die Phasenlage anzupassen.
Die DE 10 2010 061 636 A1 offenbart eine Steuerungsvorrichtung für einen variablen Ventiltrieb, durch den zumindest die Phasenlage und/oder der Ventilhub veränderbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Betriebsgeschwindigkeit des variablen Ventiltriebs vergrößert wird, wenn ein vorgesehener Wert für die Phasenlage und/oder für den Ventilhub größer oder gleich einer definierten Obergrenze ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine mit einem auf einer oder mehreren Nockenwellen basierenden variablen Ventiltrieb, der geometrisch derart ausgelegt ist, dass die Möglichkeit einer Kollision eines Gaswechselventils mit einem Kolben der Brennkraftmaschine besteht, eine vorteilhafte Möglichkeit zur Durchführung einer Kollisionsüberwachung und zur Vermeidung einer Kollision bei dem Erkennen einer Kollisionsgefahr anzugeben. Insbesondere sollte eine Möglichkeit angegeben werden, um eine permanente Kollisionsüberwachung zu ermöglichen, so dass auch im Falle eines Defekts des Ventilstellers eine Kollision vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung, die derart ausgebildet ist, dass diese zur Durchführung eines Verfahrens geeignet ist, ist Gegenstand des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die zumindest folgendes umfasst:

- ein Gehäuse, in dem ein Zylinder ausgebildet und eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist,
- einen Kolben, der beweglich in dem Zylinder gelagert ist und über einen Pleuel mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbunden ist,
- ein Gaswechselventil, das zum Öffnen in einen von dem Kolben und einem Abschnitt des Zylinders begrenzten Brennraum bewegbar ist,
- eine Nockenwelle zum Betätigen des Gaswechselventils,
- ein Steuergetriebe zur drehantreibenden Verbindung der Nockenwelle mit der Kurbelwelle,
- einen Ventilsteller zur Veränderung der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs des Gaswechselventils und
- eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Ventilstellers,

Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, die zumindest die zuvor bereits genannten strukturellen Merkmale aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Verstellaktivität des Ventilstellers ausgehend von einer Startstellung des Ventilstellers, in der das Gaswechselventil gemäß einem ersten definierten Ventilhubverlauf betätigt wird, bis hin zu einer Endstellung des Ventilstellers, in der das Gaswechselventil gemäß einem zweiten definierten Ventilhubverlauf, der sich im Vergleich zu dem ersten definierten Ventilhubverlauf hinsichtlich der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs unterscheiden kann, in aufeinanderfolgende Abschnitte zu unterteilen und abschnittsweise zu überprüfen, ob eine weitergehende Ansteuerung beziehungsweise Verstellung des Ventilstellers zu einer Kollisionsgefahr führen würde. Eine solche abschnittsweise Kollisionsüberwachung kann äußerst exakt sein und zudem ermöglichen, eine tatsächliche Kollision zwischen Kolben und Gaswechselventil mit großer Sicherheit zu vermeiden, weil entsprechende Gegenmaßnahmen nach der Ermittlung einer Kollisionsgefahr ausreichend früh initiiert werden können. Weiterhin ist ein grundsätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mögliche Defekte des Ventilstellers in der Kollisionsüberwachung berücksichtigt werden können, weil im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht ausschließlich auf Soll-Stellungen oder Soll-Verläufe zurückgegriffen wird, sondern auch tatsächliche beziehungsweise Ist-Werte bezüglich der (variablen) Ventilsteuerzeiten.
So kann es sich bei der Nennstellgeschwindigkeit, auf der basierend in einer Zwischenstellung des Ventilstellers ermittelt wird, ob es bei einer weitergehenden Ansteuerung des Ventilstellers bis zum Erreichen einer geplanten Folgestellung zu einer Kollision kommen könnte, um eine Ist-Stellgeschwindigkeit handeln, die der Ventilsteller bis zum Erreichen der Zwischenstellung tatsächlich erreicht hat. Dabei kann diese Ist-Stellgeschwindigkeit beispielsweise ein Mittelwert aus der bereits erfolgten Verstellung ausgehend von der Startstellung bis hin zu der aktuellen Zwischenstellung oder ein Mittelwert aus der bereits erfolgten Verstellung in einem oder mehreren der (vorzugsweise unmittelbar) vorausgegangenen Abschnitte (zwischen zwei Zwischenstellungen) handeln.
Sofern im Rahmen der Kollisionsüberwachung eine Kollisionsgefahr ermittelt wird, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Stellgeschwindigkeit des Ventilstellers auf einen Wert unterhalb der Nennstellgeschwindigkeit reduziert wird. Dies erfolgt insbesondere so weit, dass eine Kollisionsgefahr nicht mehr besteht. Vorgesehen ist somit nicht eine Unterbrechung der Verstellung des Ventilstellers, sondern eine Anpassung der Stellgeschwindigkeit beziehungsweise des Stellverlaufs des Ventilstellers dahingehend, dass bei der Verstellung zwischen der Startstellung und der Endstellung über den gesamten Stellverlauf keine Kollisionsgefahr gegeben ist. Der Ventilsteller wird folglich nicht mehr in die geplante Folgestellung sondern eine davon abweichende Folgestellung verstellt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren bei einer (erfindungsgemäßen) Brennkraftmaschine zu verwenden, die eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses, die auf einer Änderung der wirksamen Pleuellänge beruht (vgl. z.B. DE 197 03 948 C1 ), aufweist, weil das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, auch bei einer solchen Brennkraftmaschine, bei dem somit der Hubkolbenverlauf variabel ist, auf relativ einfache Weise und mit sicherem Ergebnis eine Kollisionsüberwachung durchzuführen.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren bei einer (erfindungsgemäßen) Brennkraftmaschine zu verwenden, bei der der Ventilsteller mindestens zwei Einzelventilsteller umfasst. Bei den Einzelventilstellern kann es sich insbesondere um einen Phasensteller und einen Hubsteller handeln, wobei der Hubsteller insbesondere dazu ausgebildet sein kann, die Öffnungsdauer und/oder den maximalen Öffnungshub zu verändern. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch bei einer solchen Brennkraftmaschine, bei der infolge einer Überlagerung von mehreren Verstelleraktivitäten eine Kollisionsüberwachung grundsätzlich erschwert wird, eine solche mit relativ geringem Aufwand bei gleichzeitig hoher Überwachungssicherheit durchzuführen.
Hierzu kann in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass eine Kollisionsüberwachung individuell für die Einzelventilsteller durchgeführt wird, wozu insbesondere die geplante Verstellung des Ventilstellers von der Zwischenstellung in die geplante Folgestellung in die durch die Einzelventilsteller (jeweils) bewirkten Einzelverstellungen aufspaltet und ermittelt wird, ob und welche der Einzelverstellungen zu einer Kollisionsgefahr führen würden. Bei der Ermittlung einer Kollisionsgefahr kann dann vorzugsweise ausschließlich die Stellgeschwindigkeit des-/derjenigen Einzelventilsteller(s), für den/die die Kollisionsüberwachung eine Kollisionsgefahr ergab, unter die dazugehörige Nennstellgeschwindigkeit reduziert werden. Folglich ist eine an die tatsächlich Kollisionsgefahr angepasste Beeinflussung lediglich der relevanten Einzelventilsteller vorgesehen, wodurch im Ergebnis trotz sicherer Verhinderung einer Kollision ein möglichst schnelles Erreichen der vorgesehenen Endstellung des Ventilstellers realisiert werden kann, weil der- oder diejenigen Einzelventilsteller, für deren Verstellaktivität keine Kollisionsgefahr ermittelt wurde, weiterhin mit der Nennstellgeschwindigkeit verstellt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass dann, wenn die Kollisionsüberwachung keine Kollisionsgefahr ergab, für die Einzelventilsteller jeweils die tatsächlich erzielbare Nennstellgeschwindigkeit mit einer Soll-Nennstellgeschwindigkeit verglichen wird und bei einem Unterschreiten der Soll-Nennstellgeschwindigkeit durch (mindestens) einen Einzelventilsteller die Soll-Nennstellgeschwindigkeit eines/des anderen Einzelventilstellers in demselben Verhältnis reduziert wird. Durch eine solche Synchronisierung der Stellgeschwindigkeiten der Einzelventilsteller kann sichergestellt werden, dass eine Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers ausgehend von der Startstellung bis hin zu der Endstellung auf kürzestem (geradlinigem) Weg erfolgt. Möglich ist ein solches Vorgehen auch, wenn für mehrere/beide Einzelventilsteller eine Unterschreitung der jeweiligen Soll-Nennstellgeschwindigkeit ermittelt wurde, indem dann für diese jeweils eine Reduzierung der dazugehörigen Soll-Nennstellgeschwindigkeit in demjenigen Verhältnis, bei dem die relative Reduzierung der Nennstellgeschwindigkeit größer ist, durchgeführt wird.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich für jede (tatsächliche) Zwischenposition des Ventilstellers ermittelt wird, ob es zu einer Kollision des sich öffnenden Gaswechselventils mit dem Kolben kommen könnte. Sofern dabei eine Kollisionsgefahr in einer (aktuellen) Zwischenposition ermittelt wird, kann dann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Ventilsteller (schnellstmöglich) in eine Stellung bewegt wird, in der keine Kollisionsgefahr mehr besteht. Auf diese Weise wird folglich nicht nur ausgehend von jeder Zwischenstellung für die dazugehörige Folgestellung eine potentielle Kollision basierend auf einer weitergehenden Verstellung des Ventilstellers mit einer Nennstellgeschwindigkeit beurteilt, sondern anschließend auch in der tatsächlichen Folgestellung erneut eine Kollisionsüberwachung durchgeführt. Dadurch kann ein Defekt des Ventilstellers, durch den verhindert worden ist, dass die tatsächliche Folgestellung der geplanten Folgestellung entspricht, im Rahmen der Kollisionsüberwachung berücksichtigt werden, wodurch diese noch sicherer gemacht werden kann.
Insbesondere aufgrund dieses Vorteils eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft auch zur Durchführung während eines Realbetriebs der Brennkraftmaschine. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch im Rahmen eines Prüfstandsbetriebs der Brennkraftmaschine zur Anwendung kommen. Dabei könnte grundsätzlich auch vorgesehen sein, im Rahmen des Prüfstandsbetriebs das Kollisionspotenzial für sämtliche der möglichen Stellungen des Ventilstellers in Verbindung mit der oder allen möglichen Kolbenhubverläufen (bei einer optional vorgesehenen Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses) einer individuellen Brennkraftmaschine oder einer Bauart von Brennkraftmaschine zu ermitteln, daraus definierte Stellwege, die gegebenenfalls von den jeweiligen kürzestmöglichen Stellwegen abweichen, zu ermitteln und diese ohne weitere Anpassung für die Ansteuerung des Ventilstellers zu verwenden. Ein Defekt des Ventilstellers im Rahmen eines Realbetriebs der Brennkraftmaschine kann in diesem Fall jedoch von der erfindungsgemäßen Kollisionsüberwachung nicht mehr erfasst werden.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in schematischer Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Aufsicht;
2 die Brennkraftmaschine gemäß der 1 in einem teilweisen Längsschnitt;
3: eine unkoordinierte Verstellung der Steuerzeiten eines Gaswechselventils bei einer Brennkraftmaschine, die geometrisch die Möglichkeit einer Kollision zwischen dem Gaswechselventil und einem Kolben der Brennkraftmaschine aufweist;
4: eine mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens koordinierte Verstellung der Steuerzeiten eines Gaswechselventils bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
5: eine Verstellung des Ventilstellers einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine von einer Zwischenstellung bis zu einer Folgestellung ohne Kollisionsgefahr; und
6: eine Anpassung der Verstellung des Ventilstellers gemäß der 5 bei einer ermittelten Kollisionsgefahr.

In den 1 und 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine dargestellt. Mittels der Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der beispielsweise nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip betreibbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 bildet in einem Verbund aus Zylinderkurbelgehäuse 12 und Zylinderkopf 14 mehrere (hier: vier) Zylinder 16 aus. Die Zylinder 16 sind einlassseitig mit einem Saugrohr 18 eines Frischgasstrangs und auslassseitig mit einem Abgaskrümmer 20 eines Abgasstrangs gasführend verbunden. In bekannter Weise wird in Brennräumen 22, die von den Zylindern 16 zusammen mit darin geführten Kolben 24 sowie dem Zylinderkopf 14 begrenzt sind, Frischgas (im Wesentlichen Luft) mit Kraftstoff verbrannt. Der Kraftstoff kann dazu mittels Injektoren 26 direkt in die Brennräume 12 eingespritzt werden. Das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches entstehende Abgas wird über den Abgasstrang abgeführt.
Die Zufuhr des Frischgases in die Brennräume 12 und die Abfuhr des Abgases aus den Brennräumen 12 wird über vier Gaswechselventile, nämlich zwei Einlassventile 28 und zwei Auslassventile 30, je Zylinder 16 gesteuert, die von einem in der 1 nicht dargestellten Ventiltrieb des Verbrennungsmotors 10 betätigt werden. Der Ventiltrieb umfasst gemäß der 2 eine Kurbelzapfen 62 ausbildende Kurbelwelle 32, wobei die Kurbelzapfen 62 mit den Kolben 24 über Pleuel 34 verbunden sind. Dadurch werden Linearbewegungen der Kolben 24 in eine Rotation der Kurbelwelle 32 übersetzt, wobei die Rotation der Kurbelwelle 32 wiederum einen periodischen Richtungswechsel der Linearbewegungen der Kolben 24 bewirkt. Die Rotation der Kurbelwelle 32 wird über ein Steuergetriebe, beispielsweise ein Zahnriemengetriebe 36, auf zwei Nockenwellen 38 übertragen, von denen jede über beispielsweise Kipp- oder Schlepphebel (nicht dargestellt) zwei Gaswechselventile 28, 30 je Brennraum 22 betätigt. Von den Nockenwellen ist eine als Einlassnockenwelle ausgebildet, d.h. diese betätigt alle Einlassventile 28, während die andere als Auslassnockenwelle ausgebildet ist und folglich alle Auslassventile 30 betätigt.
Die Brennkraftmaschine kann weiterhin einen Abgasturbolader umfassen. Dieser weist eine in den Abgasstrang integrierte Turbine 40 sowie einen in den Frischgasstrang integrierten Verdichter 42 auf. Ein von dem Abgasstrom rotierend angetriebenes Laufrad der Turbine 40 treibt über eine Welle 44 ein Laufrad des Verdichters 42 an. Die so bewirkte Rotation des Laufrads des Verdichters 42 verdichtet das durch diesen hindurch geführte Frischgas. Mittels eines Wastegates 46 kann eine Ladedruckbegrenzung erzielt werden, indem in einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit hohen Drehzahlen und/oder Lasten ein Teil des Abgasstroms an der Turbine 40 vorbei geführt wird. Weiterhin ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 48, beispielsweise in Form eines Dreiwegekatalysators bei einem Ottomotor oder in Form einer (auch räumlich getrennten) Kombination aus Partikelfilter und NO_xSpeicherkatalysator und/oder SCR-Katalysator sowie Partikelfilter in den Abgasstrang integriert.
Der Verbrennungsmotor 10 umfasst zudem einen Phasensteller 50 für eine oder beide der Nockenwellen 38. Durch diesen wird ermöglicht, die Öffnungsphasen der dazugehörigen Gaswechselventile 28, 30 zu verändern. Der Phasensteller 50 ist in bekannter Weise (vgl. beispielsweise DE 10 2013 223 112 A1 ) in ein Zahnriemenrad 52 der Nockenwelle(n) 38 integriert. Dementsprechend kann der Phasensteller 50 einen drehfest mit einer Nockenwelle 38 verbundenen Flügelrotor (nicht dargestellt) aufweisen, der in Grenzen drehbar innerhalb eines Stators (nicht dargestellt) des Phasenstellers 50 angeordnet ist. Der Stator bildet auf seiner im Wesentlichen zylindrischen Außenfläche eine Zahnkontur für den Eingriff mit den Zähnen eines Zahnriemens des Zahnriemengetriebes 36 aus. Zwischen dem Flügelrotor und dem Stator des Phasenstellers 50 können mehrere Druckkammern ausgebildet sein, die, gesteuert durch ein Phasenstellerventil (nicht dargestellt), gezielt mit einer Flüssigkeit, insbesondere einem Öl, befüllt werden können, um den Flügelrotor innerhalb des Stators definiert zu verdrehen, wodurch, dem Ziel einer Veränderung der Öffnungsphase der dazugehörigen Gaswechselventile entsprechend, der Phasenwinkel zwischen der mit dem Flügelrotor verbundenen Nockenwelle 38 und dem über den Zahnriemen mit der Kurbelwelle 32 drehantreibend verbundenen Stator verändert wird.
Der Verbrennungsmotor umfasst zudem einen Hubsteller 54 (schematisch nur in der 2 dargestellt) für eine oder beide der Nockenwellen 38, der beispielsweise gemäß der DE 10 2007 033 821 B4 ausgebildet sein kann. Demnach kann ein solcher Hubsteller 54 auf einem Zwischenhebel (nicht dargestellt) für jedes der von einer dazugehörigen Nockenwelle 38 betätigten Gaswechselventile 28, 30, dessen eines Ende in Kontakt mit einer Nockenlaufbahn der Nockenwelle 38 steht und über den die variierende Erhebung der Nockenlaufbahn auf einen das jeweilige Gaswechselventil betätigenden Schlepphebel (nicht dargestellt) übertragen wird, beruhen. Mittels einer an dem Zwischenhebel anliegenden Steuerwelle (nicht dargestellt), die eine Profilierung aufweist, die bei einer Verdrehung der Steuerwelle eine Verschiebung des mit dem Schlepphebel in Kontakt befindlichen Abschnitts des Zwischenhebels bewirkt, kann der Hub des dazugehörigen Gaswechselventils 28, 30 verändert werden. Da ein solcher Hubsteller 54 in Abhängigkeit von der Drehstellung der Steuerwelle prinzipiell eine Skalierung der Nockenerhebungen der dazugehörigen Nockenwelle 38 bewirkt, wird mit diesem stets gleichzeitig und in einem proportionalen Verhältnis sowohl der maximale Öffnungshub als auch die Öffnungsdauer (in °KW) der Gaswechselventile 28, 30 verändert.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine (z.B. gemäß den 1 und 2) ist geometrisch so ausgelegt, dass es in zumindest einer Position jedes Kolbens 24 im Rahmen seiner zyklischen Bewegung innerhalb des dazugehörigen Zylinders 16 zu einer Kollision mit zumindest einigen der Gaswechselventile 28, 30 in zumindest einer ihrer möglichen Öffnungsstellungen innerhalb des durch den Ventilsteller ermöglichten variablen Öffnungsverlaufs (variabel bezüglich der Öffnungsphase sowie bezüglich des maximalen Öffnungshubs und der Öffnungsdauer) kommen kann.
Die 3 verdeutlicht diese Problematik in einem Diagramm, in dem sowohl ein Hubverlauf 58 eines Kolbens 24 als auch verschiedene Ventilhubverläufe 56 eines dazugehörigen Gaswechselventils 28, 30 gezeigt sind. Die verschiedenen Ventilhubverläufe 56 ergeben sich aus einer (synchronen) Verstellung eines den Phasensteller 50 und den Hubsteller 54 als Einzelventilsteller umfassenden (Gesamt-)Ventilstellers. Dabei wird folglich mittels des Phasenstellers 50 die Öffnungsphase (Verschiebung des Zeitpunkts des vollständig geöffneten Gaswechselventils 28, 30 und damit des Ventilhubverlaufs 56 insgesamt entlang der Horizontalachse, die sich auf eine Rotation der Kurbelwelle 32 in [°KW] bezieht) und mittels des Hubstellers 54 der maximale Öffnungshub (Erstreckung des Ventilhubverlaufs 56 in Richtung der Vertikalachse) sowie die Öffnungsdauer (Erstreckung des Ventilhubverlaufs 56 in Richtung der Horizontalachse) verstellt. Dargestellt ist eine Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers ausgehend von einer Startstellung B (entsprechend dem durchgezogen dargestellten Ventilhubverlauf 56) bis hin zu einer Endstellung E (entsprechend dem gestrichelt dargestellten Ventilhubverlauf 56). Ebenfalls dargestellt ist ein (gepunktet dargestellter) Ventilhubverlauf 56, der sich in einer Zwischenstellung S des (Gesamt-)Ventilstellers ergeben würde. Die dargestellte Zwischenstellung wird erreicht, wenn eine Verstellung beider Einzelventilsteller 50, 54, d.h. sowohl des Phasenstellers 50 als auch des Hubstellers 54, mit jeweils einer (konstanten) Nennstellgeschwindigkeit erfolgen würde. In diesem Fall würden alle relativ gesehen identisch auf den verschiedenen Ventilhubverläufen 56 liegenden Punkte eine Gerade definieren, was die kürzest mögliche Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers von der Startstellung B in die Endstellung E darstellen würde. In der 3 ist dies anhand einer die einzelnen Scheitelpunkte der Ventilhubverläufe (56) verbindenden Geraden beispielhaft verdeutlicht.
In der 3 ist zu erkennen, dass eine solche Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers zu einer Kollisionsgefahr führen würde, weil der Abstand des der Zwischenstellung S des (Gesamt-)Ventilstellers entsprechenden Ventilhubverlaufs 56 zu dem Kolbenhubverlauf 58 in einem Abschnitt kleiner null sein würde.
Eine solche Kollisionsgefahr soll mittels einer im Rahmen des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführten Kollisionsüberwachung und einer das Ergebnis der Kollisionsüberwachung nutzenden Kollisionsverhinderungsmaßnahme verhindert werden. Hierzu ist gemäß den 4 bis 6 vorgesehen, die Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers in zeitliche Abschnitte zu unterteilen, wodurch Zwischenstellungen S definiert werden, denen jeweils ein spezifischer Ventilhubverlauf 56 zugeordnet werden kann. In sämtlichen dieser Zwischenstellungen S (ebenso wie in der Startstellung B) wird ermittelt, ob es bei einer weitergehenden Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers bis zum Erreichen einer geplanten Folgestellung Z (nach dem Ablauf des nächsten Zeitintervalls) basierend auf den (Soll-)Nennstellgeschwindigkeiten für die Einzelventilsteller 50, 54 zu einer Kollision eines sich potentiell öffnenden Gaswechselventils 28, 30 mit dem dazugehörigen Kolben 24 können konnte. Hierzu wird der kleinste Abstand zwischen dem entsprechenden Kolbenhubverlauf 58 und dem zu der Folgestellung gehörenden Ventilhubverlauf 56 bestimmt. Sofern dieser kürzeste Abstand einen definierten Grenzwert unterschreitet, würde dies als Kollisionsgefahr definiert werden, was die Initiierung einer Kollisionsverhinderungsmaßnahme zur Folge hätte.
Der stets bekannte Kolbenhubverlauf 58 eines Kolbens 24 kann unveränderlich oder veränderlich sein. Letzteres wäre der Fall, wenn die Brennkraftmaschine eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses (nicht dargestellt), die auf einer Änderung der wirksamen Pleuellänge beruht, aufweisen würde.
Die 5 zeigt eine geplante Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers ausgehend von einer (beliebigen) Zwischenstellung S bis zu einer dazugehörigen Folgestellung Z (S→Z: geplanter Stellweg des (Gesamt-)Ventilstellers), die sich als vektorielle Addition der individuellen Verstellungen des Phasenstellers 50 (S→P: geplanter Stellweg des Phasenstellers 50) und des Hubstellers 54 (S→H: geplanter Stellweg des Hubstellers 54) mit ihren dazugehörigen (Soll-)Nennstellgeschwindigkeiten ergibt. Die von allen Vektoren beziehungsweise geplanten Stellwegen aufgespannte Fläche A stellt dabei einen Gefahrenbereich dar. Sofern der Kolbenhubverlauf 58 diesen Gefahrenbereich durchläuft, wird für die geplante Folgestellung Z eine Kollisionsgefahr angenommen. In der 6 ist dies beispielhaft dargestellt, wobei der Kolbenhubverlauf 58 den Gefahrenbereich in derjenigen Diagonalhälfte durchläuft, die von den geplanten Stellwegen des (Gesamt-)Ventilstellers einerseits und des Hubstellers 54 andererseits aufgespannt wird.
Erfindungsgemäß wird daher als Kollisionsverhinderungsmaßnahme die Geschwindigkeit des Hubstellers 54 für das konkrete Zeitintervall und damit der geplante Stellweg des Hubstellers 54 soweit reduziert (S→H*: neuer geplanter und anschließend tatsächlich durchgeführter Stellweg des Hubstellers 54), dass der Kolbenhubverlauf 58 die nunmehr von den Vektoren (Stellwegen) auf gespannte Fläche A* nicht mehr durchläuft. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich infolge der vektoriellen Addition des geplanten Stellwegs des Phasenstellers 50 und des neuen geplanten Stellwegs des Hubstellers 54 auch der neue geplante Stellweg des (Gesamt-)Ventilstellers ändert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich eine geplante Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers abschnittsweise an den Kolbenhubverlauf 58 angepasst, sofern eine (absolut gesehen) kürzestmögliche Verstellung gemäß der 3 zu einer Kollisionsgefahr führen würde. Dadurch kann die kürzestmögliche Verstellung zwischen der Startstellung B und der Endstellung E des (Gesamt-)Ventilstellers, für die über den gesamten Verstellbereich keine Kollisionsgefahr besteht, realisiert werden (vgl. 4).
Eine Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers zwischen einer Startstellung B und einer Endstellung E kann beispielsweise innerhalb von 200 ms erfolgen. Die zeitliche Unterteilung dieser Verstellung kann beispielsweise in Zeitintervallen von 2 ms vorgesehen sein. Dies kann der Abtastfrequenz entsprechen, mit der eine Steuervorrichtung 60 (z.B. die Motorsteuerung der Brennkraftmaschine) den Phasensteller 50 und den Hubsteller 54 ansteuert. Im Ergebnis kann somit für eine Verstellung des (Gesamt-)Ventilstellers zwischen einer Startstellung B und einer Endstellung E in einhundert oder mehr Zwischenstellungen (einschließlich der Startstellung) ermittelt werden, ob eine geplante synchrone Verstellung des Phasenstellers 50 und des Hubstellers 54 zwischen der jeweiligen Zwischenstellung S und der dazugehörigen Folgestellung Z basierend auf ihren (Soll-)Nennstellgeschwindigkeiten zu einer Kollisionsgefahr führen würde, was im positiven Fall jeweils zu einer Anpassung der ursprünglich geplanten Folgestellung (Z in der 6) zu einer neuen geplanten Folgestellung (Z* in der 6) führen würde, die dann auch tatsächlich eingestellt wird. Eine tatsächlich eingestellte Folgestellung stellt anschließend eine neue Zwischenstellung dar, in der basierend auf den (Soll-)Nennstellgeschwindigkeiten des Phasenstellers 50 und des Hubstellers 54 erneut eine Kollisionsüberwachung und gegebenenfalls die Einleitung einer Kollisionsverhinderungsmaßnahme durchgeführt wird.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Zylinderkurbelgehäuse
14: Zylinderkopf
16: Zylinder
18: Saugrohr
20: Abgaskrümmer
22: Brennraum
24: Kolben
26: Injektoren
28: Einlassventil (Gaswechselventil)
30: Auslassventil (Gaswechselventil)
32: Kurbelwelle
34: Pleuel
36: Zahnriemengetriebe
38: Nockenwelle
40: Turbine
42: Verdichter
44: Welle
46: Wastegate
48: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
50: Phasensteller / Einzelventilsteller
52: Zahnriemenrad
54: Hubsteller / Einzelventilsteller
56: Ventilhubverlauf
58: Kolbenhubverlauf
60: Steuervorrichtung
62: Kurbelzapfen
B: Startstellung des (Gesamt-)Ventilstellers
E: Endstellung des (Gesamt-)Ventilstellers
S: Zwischenstellung des (Gesamt-)Ventilstellers
Z: geplante Folgestellung für den (Gesamt-)Ventilsteller
Z*: angepasste Folgestellung für den (Gesamt-)Ventilsteller
H: der geplanten Folgestellung für den (Gesamt-)Ventilsteller entsprechende Stellung des Hubstellers
H*: der angepassten Folgestellung für den (Gesamt-)Ventilsteller entsprechende Stellung des Hubstellers
P: der geplanten Folgestellung für den (Gesamt-)Ventilsteller entsprechende Stellung des Phasenstellers

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die Folgendes umfasst: - ein Gehäuse, in dem ein Zylinder (16) ausgebildet und eine Kurbelwelle (32) drehbar gelagert ist, - einen Kolben (24), der beweglich in dem Zylinder (16) gelagert ist und über einen Pleuel (34) mit einem Kurbelzapfen (62) der Kurbelwelle (32) verbunden ist, - ein Gaswechselventil (28, 30), das zum Öffnen in einen von dem Kolben (24) und einem Abschnitt des Zylinders (16) begrenzten Brennraum (22) bewegbar ist, - eine Nockenwelle (38) zum Betätigen des Gaswechselventils (28, 30), - ein Steuergetriebe zur drehantreibenden Verbindung der Nockenwelle (38) mit der Kurbelwelle (32), - einen Ventilsteller zur Veränderung der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs des Gaswechselventils (28, 30) und - eine Steuervorrichtung (60) zur Ansteuerung des Ventilstellers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionsüberwachung durchgeführt wird, indem während einer Ansteuerung des Ventilstellers zur Veränderung der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs des Gaswechselventils (28, 30) ausgehend von einer Startstellung (B) des Ventilstellers hin zu einer Endstellung (E) für mehrere Zwischenstellungen (S) ermittelt wird, ob es bei einer weitergehenden Ansteuerung bis zum Erreichen einer geplanten Folgestellung (Z) basierend auf einer Nennstellgeschwindigkeit des Ventilstellers zu einer Kollision des sich potentiell öffnenden Gaswechselventils (28, 30) mit dem Kolben (24) kommen könnte.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung einer Kollisionsgefahr die Stellgeschwindigkeit des Ventilstellers auf einen Wert unterhalb der Nennstellgeschwindigkeit reduziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Brennkraftmaschine, bei der der Ventilsteller mindestens zwei Einzelventilsteller (50, 54) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionsüberwachung individuell für die Einzelventilsteller (50, 54) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geplante Verstellung des Ventilstellers von der Zwischenstellung (S) in die geplante Folgestellung (Z) in die durch die Einzelventilsteller (50, 54) bewirkten Einzelverstellungen (H, P) aufspaltet und ermittelt wird, ob und welche der Einzelverstellungen (H, P) zu einer Kollisionsgefahr führen würden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Stellgeschwindigkeit(en) des-/derjenigen Einzelventilsteller(s) (50, 54), für den/die die Kollisionsüberwachung eine Kollisionsgefahr ergab, unter die dazugehörige(n) Nennstellgeschwindigkeit(en) reduziert wird/werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Kollisionsüberwachung keine Kollisionsgefahr ergab, für die Einzelventilsteller (50, 54) jeweils die tatsächlich erzielbare Nennstellgeschwindigkeit mit einer Soll-Nennstellgeschwindigkeit verglichen wird und bei einem Unterschreiten der Soll-Nennstellgeschwindigkeit durch (mindestens) einen Einzelventilsteller (50, 54) die Soll-Nennstellgeschwindigkeit eines anderen Einzelventilstellers (50, 54) in demselben Verhältnis reduziert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich für jede Zwischenposition (S) des Ventilstellers ermittelt wird, ob es zu einer Kollision des sich potentiell öffnenden Gaswechselventils (28, 30) mit dem Kolben (24) kommen könnte.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung einer Kollisionsgefahr in einer Zwischenposition (S) der Ventilsteller in eine Stellung bewegt wird, in der keine Kollisionsgefahr mehr besteht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Durchführung während eines Realbetriebs der Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschine mit - einem Gehäuse, in dem ein Zylinder (16) ausgebildet und eine Kurbelwelle (32) drehbar gelagert ist, - einem Kolben (24), der beweglich in dem Zylinder (16) gelagert ist und über einen Pleuel (34) mit einem Kurbelzapfen (62) der Kurbelwelle (32) verbunden ist, - einem Gaswechselventil (28, 30), das zum Öffnen in einen von dem Kolben (24) und einem Abschnitt des Zylinders (16) begrenzten Brennraum (22) bewegbar ist, - einer Nockenwelle (38) zum Betätigen des Gaswechselventils (28, 30), - ein Steuergetriebe zur drehantreibenden Verbindung der Nockenwelle (38) mit der Kurbelwelle (32), - einem Ventilsteller zur Veränderung der Öffnungsphase, der Öffnungsdauer und/oder des Öffnungshubs des Gaswechselventils (28, 30) und - einer Steuervorrichtung (60) zur Ansteuerung des Ventilstellers, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (60) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsteller mindestens zwei Einzelventilsteller (50, 54) umfasst.