-
Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Ventiltrieb über darin enthaltene elektromagnetische Schaltventile zum Steuern eines Ladungswechsels in Zylindern der Verbrennungskraftmaschine vorbereitet ist, wobei die elektromagnetischen Schaltventile mit einem elektrischen Ventilstrom ansteuerbar sind, der ein Öffnen und/oder ein Schließen der elektromagnetischen Schaltventile bewirkt, wobei eine Steuerung oder Regelung des elektrischen Stroms so ausgebildet ist, dass nach einer Totzeit, welche mit dem Abschalten des elektrischen Ventilstroms beginnt und mit dem Nachschalten eines elektrischen Tailstroms endet, eine Messung des Ausschaltverhaltens der elektromagnetischen Schaltventile mittels des elektrischen Tailstroms erreicht ist, wobei auch zum Beispiel der elektrische Tailstrom ein Magnetfeld nach sich zieht.
-
Die Offenlegungsschrift
DE 10 2012 212 860 B3 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Druckes im Einlasskanalsystem einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und zur Analyse der Druckschwankungen, wobei den Zylindern mittels des Einlasskanalsystems Luft oder Gasgemisch zuführbar ist und wobei im oder am Einlasskanalsystem ein Drucksensor so angebaut und ausgerichtet ist, dass er die Druckschwankungen im Einlasskanalsystem aufgrund der Füllung oder Nicht-Füllung jedes einzelnen Zylinders ermittelt. Zur Analyse wird der Druck im Einlass- und/oder Auslasskanalsystem und der/die elektrischen Impuls(e) zumindest eines Schaltventils oder der/die den Nocken zugeordneten Zeitpunktimpulsen an der Nocken- oder Kurbelwelle über der Zeitachse ermittelt und einander zugeordnet und der Druckverlauf im Einlass- und/oder Auslasskanals als Indiz für das planmäßig Öffnen oder Nicht-Öffnen der Gaswechselventile herangezogen.
-
Die Nachteile des grundsätzlich bekannten Standes der Technik liegen darin, dass die Dauer der Totzeit, welche mit dem Abschalten des elektrischen Ventilstroms beginnt und mit dem Nachschalten eines elektrischen Tailstroms endet, von einer temperaturabhängigen Kennlinie bestimmt wird. Auf diese Weise ist kein dem jeweiligen Betriebszustand angepasstes Verhalten der Steuerung möglich, so dass je nach Temperatur ungewollt schlechte Abgaswerte resultieren.
-
Bei der Ansteuerung elektromagnetisch betätigter Gaswechselventile ist die Erfassung und Berücksichtigung von Totzeiten seit geraumer Zeit bekannt, und zwar beispielsweise aus der
DE 601 25 698 T2 und der
DE 197 33 137 A1 .
-
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben, und ein besseres Abgasverhalten zu bewirken.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Steuerung oder Regelung des elektrischen Tailstroms integriert ist, die derart ausgelegt ist, dass die Totzeit zwischen dem Abschalten des elektrischen Ventilstroms und dem Nachschalten des elektrischen Tailstroms mittels einer Tailsteuerung unabhängig von einem Betriebszustand gezielt/gewollt/zielgerichtet variiert wird. Auf diese Weise ist nun eine Steuerung dafür verantwortlich, dass die Totzeit einen für die Prozesse im Motor optimalen Wert annimmt. Die Steuerung agiert unabhängig von der Temperatur, womit sie einen deutlichen Vorteil gegenüber der auf dem Markt verbreiteten Technik darstellt. Die nun optimal ausgestaltete Totzeit zieht eine Abnahme von unerwünschten Geräuschemissionen von Seiten des Motors nach sich. Es wird eine variable Totzeit ermöglicht, die dann gezielt unabhängig vom Betriebszustand des Motors den optimalen Wert annimmt.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
-
So ist es von Vorteil, wenn die Tailsteuerung zum Erzielen eines fehlerfreien/abgasoptimierten Verhaltens so ausgelegt ist, dass sie zu langsam öffnende Ventile identifiziert. Zu langsam öffnende Ventile wirken sich hinderlich auf den Ladungswechsel und somit die Motoreffizienz aus. Mittels ihrer Identifizierung ist es im nächsten Schritt möglich, das langsame Verhalten zu beheben und somit die Motoreffizienz zu steigern.
-
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Tailsteuerung derart beschaffen ist, dass sie langsam öffnende Ventile gezielt beschleunigt. Auf diese Weise öffnen die Ventile in einer gewünschten Geschwindigkeit, wodurch der Ladungswechsel hinsichtlich seiner Effizienz optimiert worden ist.
-
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Tailsteuerung zum Erzielen eines fehlerfreien/abgasoptimierten Verhaltens so ausgelegt ist, dass sie zu schnell öffnende Ventile identifiziert. Zu schnell öffnende Ventile bewirken entweder ein suboptimales Brennraumvolumen zum Zeitpunkt des Einlasses, oder, wenn es sich um Auslassventile handelt, ein Auslass des (teil-)verbrannten Gemischs, bevor dieses den idealen Ausbrandgrad erreicht hat. Da es erfindungsgemäß möglich ist, die schnell öffnenden Ventile zu identifizieren, kann dieses Fehlverhalten im nächsten Schritt behoben werden, wodurch der Ladungswechsel und somit der Wirkungsgrad der gesamten Motoreinheit gesteigert wird.
-
Es stellt sich demnach als positiv heraus, wenn die Tailsteuerung derart beschaffen ist, dass sie schnell öffnende Ventile gezielt verlangsamt/bremst. Somit wird die Schaltgeschwindigkeit eines Ventils auf ihre optimale Geschwindigkeit verlangsamt, wodurch ein Ladungswechsel von höchster Effizienz ermöglicht wird. Auf diese Weise werden zu schnell öffnende Ventile vermieden, womit, im Falle von Ausgangsventilen, der Schadstoffanteil im Abgas abnimmt, da das verbrannte Gas aus dem Zylinder genau im richtigen Moment, also im Moment des optimalen Ausbrandgrades, den Brennraum verlässt.
-
Zudem ist es wünschenswert, wenn die Tailsteuerung derart ausgelegt ist, dass sie eine unabhängige Ansteuerung der einzelnen Ventile voneinander bewirkt. Dies ermöglicht es, jedes einzelne Ventil jedes Zylinders eines Motors, also jedes Einlass- und jedes Auslassventil, so zu steuern, dass der Ladungswechsel im optimalen Moment vorgenommen wird. Durch diese Entkopplung von der Nockenwelle arbeitet jeder Zylinder mit maximaler Effizienz, was eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Motors bewirkt.
-
Auch ist es von Vorteil, wenn die Tailsteuerung so ausgebildet ist, dass sie eine voreingestellte Zeitdauer als eine Diagnosegrenze annimmt, um zu lange bzw. zu kurze Totzeiten nicht zu über- bzw. zu unterschreiten. Somit können zu lange bzw. zu kurze Totzeiten unabhängig von der Temperatur vermieden werden. Die Diagnosegrenze ermöglicht es somit, die Totzeit in einem bestimmten Intervall zu halten, wodurch zu lange bzw. zu kurze Totzeiten vermieden werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass unabhängig vom Betriebszustand zu lange Schaltzeiten nicht auftreten.
-
Es ist zudem von Vorteil, wenn die Tailsteuerung derart beschaffen ist, dass sie die Aufsetzgeschwindigkeiten eines Ventilkörpers, wie eines Ventiltellers, auf eine Ventilplatte, wie ein Gehäuse oder einen Ventilsitzring, steuert. Dies bewirkt, dass die Aufsetzgeschwindigkeiten des Tellers nicht zu hoch oder zu tief sind. Dadurch, dass zu hohe Aufsetzgeschwindigkeiten vermieden werden, nehmen die Geräuschemissionen des Motors ab, was den Komfort für den Fahrer des Fahrzeugs erhöht. Dadurch, dass zu tiefe Aufsetzgeschwindigkeiten ebenfalls vermieden werden, ist eine undurchlässige Abdichtung des Brennraums gegenüber den Ein- und Auslasskanälen, garantiert. Dies verhindert eine unerwünschte Abnahme des Brennraumdrucks und steigert somit die Effizienz der gesamten Motoreinheit.
-
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Tailsteuerung so ausgestaltet ist, dass sie mittels exakter Schaltzeiten der elektromagnetischen Schaltventile einen möglichst geringen Strombedarf des Ventiltriebs nach sich zieht. Somit wird der elektrische Strom, der für den Betrieb der Tailsteuerung notwendig ist, auf ein Minimum begrenzt. Die Vorteile des nun optimierten Ladungswechsels überwiegen den Nachteilen der Bereitstellung des elektrischen Stroms bei weitem, da der Strombedarf durch die exakte Schaltung sehr gering ist.
-
Auch ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Stroms eines Ventiltriebs ist von Vorteil, wobei der Ventiltrieb über darin enthaltene elektromagnetische Schaltventile einen Ladungswechsel in Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine steuert, wobei nach einer Abschaltung eines elektrischen Ventilstroms eine Phase einsetzt, während welcher wenig bis kein Strom fließt, wobei deren Dauer als Totzeit bezeichnet wird, wobei die Schaltventile aufgrund des Wegfallens des elektrischen Ventilstroms ihre Position ändern, wobei die Positionsveränderung der Schaltventile mittels eines nach jener Totzeit einsetzenden Tailstroms beeinflusst wird, wobei die Dauer der Totzeit von einer Tailsteuerung gezielt variiert wird, um einen gewünschten Effekt des Tailstroms auf die Schaltventile zu erreichen.
-
Mittels jenes Verfahrens ist die optimale Totzeit also garantiert, was sich neben der bereits erwähnten Motoreffizienz auch merklich positiv auf die Reinheit der Abgasemissionen auswirkt.
-
Es ist zudem von Vorteil, wenn die Tailsteuerung derart ausgeformt ist, dass sie eine komplette Rezirkulation vorgibt. Diese komplette Rezirkulation ist durch einen stetig abnehmenden elektrischen Rezirkulationsstrom gekennzeichnet. Dieser erstreckt sich über einen längeren Zeitraum als die Totzeit und der Tailstrom. Sie weist auch die Eigenschaft auf, eine gezielte Beeinflussung der elektromagnetischen Schaltventile zu erreichen. Somit trägt auch sie dazu bei, dass die Motoreffizienz steigt und die Abgas- und Geräuschemissionen sinken.
-
Die vorgestellte Tailsteuerung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sie das Abschaltverhalten des elektromagnetischen Schaltventils entweder mittels des Tailstroms oder mittels der kompletten Rezirkulation beeinflusst. Dies belegt, dass mittels der in dieser Anmeldung vorgestellten variablen Tailsteuerung die Flexibilität des Ladungswechsels und somit der Motoreinheit merklich gesteigert wird.
-
In anderen Worten kann gesagt werden, dass die Tail-Totzeit von einer Tailsteuerung gezielt für die Verlangsamung von extrem schnellen, bzw. zur Beschleunigung von extrem langsamen Schnellschaltventilen benutzt wird. Es gilt, dass jedes Schaltventil separat gesteuert wird.
-
Es kann also gesagt werden, dass die in der Steuerung eingesetzte Software-Funktionalität um einen zusätzlichen Regler zur Steuerung des Tailabstandes erweitert wird. Dieser Regler deckt folgende Grundfunktionen ab; er verlängert die Totzeit für langsame Schaltventile, wobei es irrelevant ist, ob jene Langsamkeit aus der Produktion oder aus ihrer langen Laufzeit resultiert, und er verkürzt die Totzeit für schnelle Schaltventile, wobei es auch hier irrelevant ist, ob diese aus der Produktion ihre schnellen Eigenschaften beziehen oder aufgrund der Laufzeit. Aus dieser Erweiterung der Software-Funktionalität folgen demnach eine hohe Flexibilität der Steuerung sowie eine hohe Präzision der Steuerung. Außerdem zeichnet sie eine Geräuschminderung durch die Verringerung der Schaltzeit aus.
-
Die Diagnose für langsame und schnelle Schaltzeiten der elektromagnetischen Schaltventile erfolgt dabei über Grenzen für den Tailabstand. Tritt der Fall ein, dass die Totzeit, welche über die Tailsteuerung/den Tail-Controller geregelt wird, einen einstellbaren Wert unter- bzw. überschreitet, kann dies als Diagnosegrenze verwendet werden.
-
Weiterhin kann die Tailsteuerung als Regler für die Aufsetzgeschwindigkeit der Schaltventile dienen. Eine hohe Aufsetzgeschwindigkeit führt bei sehr hohen Öltemperaturen zu einer erhöhten Geräuschemission. Bei niedrigeren Öltemperaturen, welche in einer niedrigeren Ölviskosität resultieren, kann die Tail-Totzeit/der Tailabstand zur Geräuschreduzierung eingesetzt werden. Für die Umsetzung jener Reduzierung, bietet sich ein Faktor an, der auf den aktuellen Wert der Tail-Totzeit für jedes Ventil angewandt wird.
-
Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 vier Diagramme, wobei jedes Diagramm je einem Zylinder zugeordnet ist. In jedem Diagramm sind drei unterschiedliche Kurven sichtbar. Die durchgezogene Linie repräsentiert Messungen mit einer Totzeit von 300 μs. Die gepunktete Linie repräsentiert Messungen mit einer Totzeit von 596 μs. Die gestrichelte Linie repräsentiert Messungen mit einer Totzeit von 700 μs. Es sei weiterhin erwähnt, dass die x-Achse den Winkel der Kurbelwelle in Grad Kurbelwinkel angibt, während auf der y-Achse t switch off für die verschiedenen Zylinder aufgetragen ist. Mit t switch off ist die Zeit gemeint, die zwischen dem Senden des Signals „Aus” von Seiten der Tailsteuerung und dem tatsächlichen Schließen des Ventils vergeht;
-
2 ebenfalls vier Diagramme; darin werden drei Möglichkeiten der Ventilsteuerung offenbart. Die durchgezogene Linie stellt eine Steuerung ohne so genannten Tail dar. Die gepunktete Linie stellt eine Steuerung mit Tail dar, wobei die Totzeit einen sehr geringen Wert aufweist. Die gestrichelte Linie stellt schließlich jene Steuerung dar, die mit kompletter Rezirkulation bezeichnet wird. Das oberste Diagramm in 2 beinhaltet alle drei Steuerungsarten. Hier wird auf der x-Achse die Zeit in Sekunden angegeben und auf der y-Achse die Stromstärke in Ampere. Die Diagramme 2, 3 und 4 stellen die Beschleunigungssensorwerte der einzelnen Steuerungen dar. Während die x-Achse auch hier ihre Werte in Sekunden angibt, sind die Beschleunigungssensorwerte in mm/s2 angegeben.
-
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung.
-
Während die drei oberen Diagramme in 1 nur sehr kleine Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Totzeiten 2 aufweisen, zeigt das unterste Diagramm, das die Messwerte im zweiten Zylinder darstellt, einen deutlichen Effekt der erfindungsgemäßen Tailsteuerung. Die von der durchgezogenen Linie dargestellte Totzeit 2 von 300 μs, die deutlich geringer ist als die beiden anderen dargestellten Totzeiten 2, wobei die gestrichelte Linie eine Totzeit 2 von 594 μs darstellt und die gepunktete Linie eine Totzeit 2 von 700 μs, zieht die größte t switch off/Switch-off-Zeit nach sich. Dieses Verhalten wird damit begründet, dass das von dem Tailstrom 3 induzierte Magnetfeld, das sich bei der kürzesten Totzeit 2 am deutlichsten auf das Verhalten der Schaltventile auswirkt, das Schaltverhalten des Ventils merklich beeinflusst, wodurch die Zeit, die vergeht, bis das Ventil geschlossen ist, also die Switch-off-Zeit, zunimmt. Der erfindungsgemäße Effekt der Tailsteuerung tritt am deutlichsten bei Winkeln um die 490° Kurbelwinkel auf.
-
Alle in 1 gezeigten Linien, also sowohl die durchgezogenen, als auch die gepunkteten und die gestrichelten, zeigen die mit dem Bezugszeichen 2 versehene Totzeit.
-
Unabhängig von dem besonders auffälligen Verhalten im untersten Diagramm, fällt auch in den anderen auf, dass die Switch-off-Zeit um den Bereich von 490°KW die größten Werte aufweist. Offensichtlich schalten die elektromagnetischen Schaltventile in diesem Wertebereich am langsamsten. Dies ist besonders vor dem Hintergrund erwähnenswert, dass in den einzelnen Zylindern zu unterschiedlichen Zeitpunkten, also unterschiedlichen Grad Kurbelwinkeln, eingespritzt wird und das Gemisch verbrannt wird.
-
Eine Begründung für jenes Verhalten liegt darin, dass die Laufeigenschaften des in diesem Beispiel getesteten Motors ein Schalten der jeweiligen Ventile in diesem Bereich nach sich ziehen, das mehrere Mikrosekunden länger dauert als jenes in den Bereichen um 340°KW und um 640°KW
-
In anderen Worten kann gesagt werden, dass in 1 der Einfluss der Position der Abschaltung, der sogenannte eFinishCmd1, der Schaltventilaktuation für vier verschiedene Schaltventile dargestellt ist.
-
2 zeigt verschiedene Ventilströme 1, sowie einen Tailstrom 3, sowie deren Einfluss auf die im Ventil gemessenen Beschleunigungssensorwerte, die auf der Ordinatenachse aufgetragen sind.
-
Wird kein Tailstrom 3 nachgeschaltet, und findet auch keine komplette Rezirkulation statt, kann das Ventil ungestört schließen, wodurch kein Versatz der Beschleunigungssensorwerte auftritt. Dieses Schaltverhalten wird von der durchgezogenen Linie im obersten Diagramm repräsentiert. Der entsprechende Einfluss dieser Schaltung auf die Beschleunigungssensorwerte findet sich im zweiten Diagramm von oben wieder.
-
Wird hingegen, wie in 2 gepunktet dargestellt, ein Tailstrom 3 nach einer gewissen Totzeit 2 nachgeschaltet, beeinflusst das von diesem induzierten Magnetfeld die Beschleunigungssensorwerte hinsichtlich dem Einsatz ihrer Veränderung.
-
Diese Kombination ist mittels gepunkteter Linien dargestellt. Die Totzeit 2, welche zentraler Bestandteil der Erfindung ist, ist im obersten Diagramm in 2 deutlich sichtbar. Ihr Effekt, nämlich die Beeinflussung der Beschleunigungssensorwerte, ist durch eine zeitliche Verschiebung des Einsatzes der Beschleunigungssensorwerte merklich. In dem in 2 dargestellten Fall ist eine Verlangsamung der Ventilschaltzeiten gewollt, weshalb ein zeitlicher Versatz des Einsatzes der Beschleunigungssensorwerte ungleich null im Vergleich zu jenem Verhalten des Ventils, das ohne Tailstrom 3 geschaltet wird, sichtbar ist.
-
Es kann also gesagt werden, dass dadurch, dass in dem angeführten Beispiel eine Verlangsamung der Ventilschaltung ein optimiertes Motorverhalten mit sich zöge, die Beschleunigungssensorwerte zeitlich versetzt zu denen des Ausführungsbeispiels ohne Tailstrom 3 auftreten, was einen effizienteren Ladungswechsel bewirkt.
-
Das unterste Diagramm in 2 stellt eine Alternative zum Tailstrom 3 dar, wie an den Beschleunigungssensorwerten ersichtlich ist. So weisen die Beschleunigungssensorwerte selbst nur einen geringen Unterschied zu jenen mittels Tailstrom 3 beeinflussten dar. In beiden Fällen, die mittels gepunkteter und gestrichelter Linien dargestellt werden, wird ein Versatz erzielt, was in einer Verlangsamung des Schaltventils resultiert. Der Strom, der bei einer kompletten Rezirkulation, wie jenes Ausführungsbeispiel genannt wird, fließt, ist schematisch ebenfalls in dem oberen Diagramm in 2 dargestellt. So nimmt der Strom ab einem gewissen Zeitpunkt bei einer kompletten Rezirkulation stetig ab, jedoch nur in sehr geringen Schritten, wodurch die komplette Rezirkulation in ihrer Zeitdauer die Totzeit 2 und den Tailstrom 3 übersteigt.
-
In anderen Worten kann gesagt werden, dass 2 die auftretenden Beschleunigungssensorwerte darstellt. Die durchgezogene Linie repräsentiert ein Absteuern des Schaltventiles ohne Tailstrom 3. In diesem Fall treten keine magnetischen Kräfte beim Öffnen des Schaltventils auf.
-
Wird nun der Tailstrom 3 aktiviert, wie durch die gepunkteten Linien in 2 ersichtlich, und wird der Tailstrom 3 nahe dem Deaktivierungspunkt des Schaltventils positioniert, wird das entsprechende Schaltventil verlangsamt. Dieses Verhalten ist im dritten Diagramm von 2 ersichtlich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ventilstrom
- 2
- Totzeit
- 3
- Tailstrom
