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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer variablen Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, zur variablen Einstellung von Steuerzeiten eines elektrohydraulisch arbeitenden Gaswechselventils der Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem elektromagnetisch betätigten Schaltventil, das zum Öffnen und zum Schließen des Gaswechselventils jeweils geschaltet wird.
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Zur Reduzierung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs in Hubkolbenbrennkraftmaschinen kommen variable Ventiltriebe zum Einsatz. Dafür sind verschiedene Konzepte vorgesehen, wie beispielsweise schaltbare Nockenfolger und verstellbare Nockenwellen sowie elektrohydraulische Ventilbetätigungen.
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Unter diesen Konzepten sind die als VVT-Systeme (Variable Valve Timing) bekannten variablen Ventilsteuerungen mit elektrohydraulisch arbeitenden Gaswechselventilen besonders in der Lage, die Ventilöffnungszeiten und Ventilschließzeiten der Gaswechselventile in einer sehr flexiblen Weise zu steuern. Bei einer derartigen Ventilsteuerung werden die Gaswechselventile nicht wie in konventionellen Ventiltrieben direkt mittels einer Nockenwelle, sondern über zwischen der Nockenwelle und den Gaswechselventilen zwischengeschalteten Hydraulikkammern betätigt, die durch elektromagnetische Schaltventile gesteuert sind. Dadurch sind variable Einstellungen sowohl der Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten der Gaswechselventile sowie nahezu beliebige Ventilhübe und auch temporär komplette Zylinderabschaltungen im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine möglich.
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Ein derartiges vollvariables Ventiltriebsystem ist als UniAir-System bekannt. Das UniAir-System besteht aus einem von einer Nockenwelle angetriebenen, mechanischhydraulischen Aktuator mit integrierten elektromagnetisch betätigten Schaltventilen und einer Ventilsteuerungssoftware, die in die Gesamtmotorsteuerung eines elektronischen Motorsteuergeräts der Hubkolbenbrennkraftmaschine implementiert ist. Die Übertragung eines aus einer Nockenkontur abgeleiteten Stellwegs auf ein Gaswechselventil erfolgt hierbei über ein definiertes Ölvolumen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltventile kann dieses Ölvolumen kontrolliert werden. Dadurch wird eine gezielte Veränderung der Gaswechselventilhubkurve hinsichtlich des Zeitpunkts einer Öffnungs- und Schließflanke sowie des Ventilhubs ermöglicht. Darüber hinaus sind auch mehrfache Ventilhübe während einer Umdrehung (Multilift) möglich. Durch diese Technologie können, insbesondere im Hinblick strenger Abgasbestimmungen, erhebliche Verbrauchs- und Emissionsreduzierungen erreicht werden. Zudem kann eine deutliche Verbesserung des Drehmomentverlaufs über das gesamte Drehzahlband der Hubkolbenbrennkraftmaschine erreicht werden.
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Bei einer variablen Ventilsteuerung in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wie beispielsweise einem UniAir-System, können die Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines Gaswechselventils beziehungsweise die zugehörigen aktuellen Winkelstellungen der Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine als Rückkopplungssignal für eine genauere Steuerung verwendet werden. Hierdurch können der Verbrennungsprozess, die Leistung und der Ausstoß der Hubkolbenbrennkraftmaschine optimal gesteuert werden können.
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Aus der
DE 10 2015 200 472 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung und Steuerung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte von Gaswechselventilen in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer variablen Ventilsteuerung bekannt, wobei die Einlassventile mittels elektromagnetischer Schaltventile gesteuert betätigbar sind. Dabei werden die genauen Ventilöffnungs- und Schließzeiten eines Einlassventils mit Hilfe eines durch einen Drucksensor in einem Ansaugkrümmer der Hubkolbenbrennkraftmaschine erfassten Verlaufs eines zeitabhängigen Drucksignals ermittelt. Mittels der durch das Verfahren erhaltenen sowie überprüften tatsächlichen aktuellen Ventilöffnungszeitpunkte und Ventilschließzeitpunkte kann ein variables Ventilsteuerungssystem in einem Regelkreis gesteuert und bedarfsweise fehlerhafte Abweichungen kompensiert werden.
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Die
DE 10 2014 203 687 B3 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln des Schließzeitpunkts eines Gaswechselventils in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei dem ein Schallsignal, das durch ein Gaswechselventil infolge dessen Schließvorgangs erzeugt wird, analysiert wird. Voraussetzung dafür, dass die eingestellten Steuerzeiten, also Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile, exakt eingehalten werden, ist allerdings das exakte Öffnen und Schließen der elektromagnetisch betätigten Schaltventile.
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Die
DE 10 2012 213 399 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung des Schaltvorgangs zum exakten Öffnen und Schließen von elektromagnetisch betätigten Schaltventilen zur Steuerung von hydraulischen Medien bei einer vollvariablen hydraulischen Ventilsteuervorrichtung von Gaswechselventilen an Hubkolbenbrennkraftmaschinen, wobei bei der Regelung einer Ankerbewegung der Elektromagneteinheit des jeweiligen Schaltventils die Temperatur des Schaltventils und/oder Schwankungen in der zur Regelung verfügbaren elektrischen Spannung berücksichtigt werden. Dadurch kann der durch die Elektromagneteinheit beherrschte Bewegungsvorgang schnell und exakt zu dem jeweils gewünschten Zeitpunkt ausgeführt werden.
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Die in den genannten Druckschriften beschriebenen Verfahren ermöglichen zwar eine exakte Erfassung und Einstellung von Steuerzeiten von Gaswechselventilen sowie ein exaktes Schalten der elektromagnetischen Schaltventile. Nachteilig ist jedoch, dass die bisherige Programmierung der Schaltzeitpunkte der elektromagnetischen Schaltventile in der üblicherweise im Motorsteuergerät implementierten Ventilsteuerungssoftware das Potenzial einer vollvariablen Ventilsteuerung nur unvollkommen nutzt.
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Nach dem derzeitigen Stand der Technik erfolgen die Berechnungen der Schaltzeitpunkte für ein Schaltventil zum Öffnen und zum Schließen des zugeordneten Gaswechselventils in der Ventilsteuerungssoftware gleichzeitig. Die jeweiligen zwei Schaltzeitpunkte eines Ventilhubs sind dadurch miteinander zeitlich gekoppelt, beispielsweise über ein festgelegtes Zeitglied. Es gibt somit bisher keine Möglichkeit die aus den berechneten Schaltzeitpunkten resultierenden Öffnungs- und Schließwinkel eines Gaswechselventils innerhalb eines Ventilhubs dahingehend anzupassen, dass der Schließwinkel noch verändert werden kann. Außerdem wird die erwähnte Berechnung üblicherweise nur bei bestimmten Kurbelwinkelpositionen durchgeführt, wodurch die Variabilität der Steuerung unnötig weiter eingeschränkt wird.
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Ein konkreter Nachteil ist, dass der Luftmassendurchsatz beziehungsweise die Luftmenge für einen bevorstehenden Ventilhub in einer sehr frühen Phase festgelegt werden muss, insbesondere wenn eine Abgasrückführung vorgesehen ist. Der relativ große zeitliche Abstand zwischen der Festlegung des Luftmassendurchsatzes und dem Einspritzzeitpunkt an dem betreffenden Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine steht einer optimalen Steuerung des Massendurchsatzes entgegen. Diese sich relativ träge auswirkende Rechenvorschrift schränkt die Dynamik der Steuerung, mit der diese beispielsweise auf veränderte Drehmomentanforderung reagieren kann, erheblich ein.
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Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer variablen Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das verbesserte und/oder erweiterte Möglichkeiten bei der Berechnung der Schaltzeitpunkte sowie für die Aktualisierung der Schaltzeitpunkte der elektromagnetisch betätigbaren Schaltventile der Ventilsteuerung zur Verfügung stellt.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren erreicht, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die Erfindung geht daher aus von einem Verfahren zur Regelung einer variablen Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, zur variablen Einstellung von Steuerzeiten eines elektrohydraulisch arbeitenden Gaswechselventils der Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem elektromagnetisch betätigten Schaltventil, das zum Öffnen und zum Schließen des Gaswechselventils jeweils geschaltet wird. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die jeweiligen Schaltzeitpunkte des Schaltventils zum Öffnen und zum Schließen des Gaswechselventils unabhängig voneinander berechnet werden, und dass das Schaltventil zu den unabhängig voneinander berechneten Schaltzeitpunkten geschaltet wird.
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Unter einem Schaltzeitpunkt eines elektromagnetisch betätigten Schaltventils wird der Zeitpunkt verstanden, in dem dieses Schaltventil offen beziehungsweise geschlossen geschaltet wird.
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Unter einem Öffnungszeitpunkt eines Gaswechselventils wird derjenige Zeitpunkt verstanden, in dem das Ventil öffnet. Entsprechend wird unter einem Schließzeitpunkt eines Gaswechselventils derjenige Zeitpunkt verstanden, in dem das Ventil schließt. Die Öffnungs- und Schließzeitpunkte werden auch Steuerzeiten genannt. Dies sind die Zeitpunkte der Betätigung der Gaswechselventile zum Beginnen und Beenden einer Befüllung beziehungsweise einer Entleerung der jeweiligen Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Eine Ventilbetätigungsphase ist dementsprechend ein Zeitraum zwischen einer Ventilöffnung und einer Ventilschließung. Dieser Zeitraum setzt sich zusammen aus dem Zeitraum, der erforderlich ist, um das Ventil vollständig zu öffnen, dem Zeitraum während dem das Ventil geöffnet ist und demjenigen Zeitraum, der erforderlich ist, um das Ventil vollständig zu schließen.
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Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine kann die Zeitachse eines Ventilhubverlaufs durch eine Kurbelwinkelachse, in der eine zeitabhängige Winkelstellung einer Kurbelwelle aufgetragen ist, ersetzt werden. Folglich kann der Öffnungszeitpunkt eines Gaswechselventils im Folgenenden synonym als Öffnungswinkel und dementsprechend der Schließzeitpunkt eines Gaswechselventils als Schließwinkel bezeichnet sein.
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Dadurch, dass gemäß der Erfindung die jeweiligen Schaltzeitpunkte des Schaltventils zum Öffnen und zum Schließen des Gaswechselventils unabhängig voneinander berechnet werden, ist es insbesondere möglich, bei Bedarf eine vorab berechnete Schließzeit beziehungsweise einen vorab berechneten Schließwinkel eines Gaswechselventils zu korrigieren.
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Das Verfahren ist jedoch nicht auf die Neubestimmung eines Schließwinkels eines Gaswechselventils beschränkt. Es kann ebenso vorteilhaft für die Neubestimmung eines Öffnungswinkels eines Gaswechselventils eingesetzt werden, wobei unter Gaswechselventilen sowohl Einlassventile als auch Auslassventile einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verstehen sind. Es können also Öffnungs- und/oder Schließwinkel von Einlass- und/oder Auslassventilen berechnet beziehungsweise später neuberechnet werden. Die jeweilige Neubestimmung kann aufgrund einer aktuellen Winkelposition der Kurbelwelle und aufgrund eines berechneten spätesten möglichen Zeitpunkts zum Schalten der betreffenden elektromagnetischen Schaltventile der Gaswechselventile bei einem aktuellen Ventilhub oder bei einem darauffolgenden nächsten Ventilhub nach einer Kurbelwellenumdrehung wirksam werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind keine neuen oder zusätzlichen Hardwarekomponenten erforderlich. Das Verfahren kann als ein Rechenalgorithmus in eine bestehende Ventilsteuersoftware implementiert werden, die wiederum als Modul in eine vorhandene Motorsteuerung einer Anwendung integriert werden kann.
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Demnach stellt die Erfindung eine Strategie für eine variable Ventilsteuerung zur Verfügung, die den zeitlichen Abstand zwischen einem spät möglichsten Zeitpunkt für die Festlegung der Schaltzeitpunkte der Schaltventile und dem Zeitpunkt für eine sogenannte Luftpfadregelung des Motordrehmoments, die die Luft- und Kraftstoffmengen für die Verbrennung regelt, um die Hubkolbenbrennkraftmaschine in einem leistungs-, verbrauchs- und/oder und emissionsoptimierten Betriebsbereich zu betreiben, verringert.
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Mit anderen Worten gesagt besteht der Kern der Erfindung darin, den zeitlichen Abstand zwischen dem gewünschten Öffnen oder Schließen der Gaswechselventile und dem Zeitpunkt, an dem diese Betätigungszeitpunkte berechnet werden, zu minimieren. Dies wird gemäß der Lehre der Erfindung durch ein Entkoppeln der Berechnung der Ventilöffnungswinkel und der Ventilschließwinkel erreicht. Hierdurch ist es möglich, während eines unmittelbar bevorstehenden oder schon begonnenen Ventilhubs den zuvor berechneten Ventilschließwinkel des Gaswechselventils innerhalb eines begrenzten Zeitraums neu zu bestimmen, und den Schaltzeitpunkt des zum Schließen des Gaswechselventils zu schaltenden elektromagnetischen Schaltventils entsprechend abzuändern. Grundsätzlich ist es sogar möglich, innerhalb eines begrenzten Zeitraums vor Beginn des Ventilhubs auch den bereits berechneten Ventilöffnungswinkel erneut zu bestimmen. Durch die diversen Möglichkeiten die Ventilöffnungs- und Ventilschließwinkel wahlweise gemeinsam oder separat zu bestimmen, kann die Dynamik der Luftpfadregelung gesteigert werden. Eine dynamischere Luftpfadregelung erlaubt wiederum eine verfeinerte Motorsteuerung, um die jeweiligen Drehmomentanforderungen des Fahrers schnell umzusetzen und gleichzeitig die Hubkolbenbrennkraftmaschine möglichst verbrauchs- und emissionsarm zu betreiben.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mittels eines Motorsteuergeräts der Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie einer Ventilsteuerungssoftware der variablen Ventilsteuerung folgende Schritte in einem Regelkreis wiederholt durchgeführt werden:
- a) Bestimmung der Schaltzeitpunkte des Schaltventils zum Öffnen und zum Schließen des Gaswechselventils entsprechend einer aktuellen Drehmomentanforderung an die Hubkolbenbrennkraftmaschine unter Berücksichtigung vorgegebener Betriebsparameter,
- b) Berechnung eines spätesten möglichen Zeitpunkts für eine Neubestimmung eines Schaltzeitpunkts zum Schließen des Schaltventils sowie eines zeitlichen Schaltfensters für diese Neubestimmung,
- c) im Falle einer zwischenzeitlich geänderten Drehmomentanforderung an die Hubkolbenbrennkraftmaschine und/oder zwischenzeitlich erfasster geänderter Werte der zu berücksichtigenden Betriebsparameter, dann Durchführen einer Neubestimmung eines neuen Schaltzeitpunkts zum Schließen des Schaltventils innerhalb des zeitlichen Schaltfensters,
- d) Schalten des Schaltventils in den zuvor bestimmten oder neubestimmten Schaltzeitpunkten.
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Bisher wurden die Ventilöffnungs- und Schließwinkel zur gleichen Zeit angefordert und dann berechnet. Insbesondere wurde durch eine Vorabberechnung des Schließzeitpunkts des Schaltventils die Variabilität der Steuerung unnötig eingeschränkt. Eine Neubestimmung des notwendigen Ventilhubs und der dafür erforderlichen Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten war nur bei einer signifikanten Verringerung der Motordrehzahl oder bei einer Verlagerung des gewünschten Öffnungszeitpunkts in einer späteren Kurbelwinkelstellung vorgesehen, oder, soweit vorhanden, durch eine Verzögerung der Steuerzeiten über eine Nockenwellenverstellung. Dafür konnte die Ventilsteuerungssoftware lediglich einen spätesten möglichen Zeitpunkt für eine neue Ventilöffnungszeit und gleichzeitig eine neue Ventilschließzeit vor Beginn des Ventilhubs berechnen.
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Es war daher nicht möglich, mit der Strategie nach dem Stand der Technik die Luftmenge in dem jeweils betreffenden Zylinder dynamisch zu verändern. Die dynamische Reaktion der Hubkolbenbrennkraftmaschine auf mögliche Änderungen des angeforderten Drehmoments war somit begrenzt. Zudem konnten schnelle Änderungen von Betriebsparametern, wie beispielsweise Änderungen des Hydraulikdrucks im hydraulischen System der Ventilsteuerung, Spannungsschwankungen im elektrischen Bordnetz, die Einflüsse auf den Einschaltvorgang der Schaltventile haben können, oder andere Messsignale von Motorsensoren, nach der Bestimmung der Schaltzeiten des jeweiligen Schaltventils nicht ausreichend berücksichtigt werden. Dadurch war die Verbrennung im Zylinder möglicherweise weniger optimal.
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Diese Nachteile werden durch das Verfahren gemäß der Erfindung beseitigt. Insbesondere kann nun eine dynamische Anpassung der Berechnung der Zeitpunkte für das Schalten des jeweiligen Schaltventils durch ein Entkoppeln der Berechnung der Ventilöffnungs- und Ventilschließwinkel sowie der entsprechenden Schaltzeiten des Schaltventils erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren reagiert das elektronische Motorsteuergerät auf eine Anforderung zur Änderung des aktuellen Motormoments durch Anfordern eines solchen Ventilhubs, der die Befüllung der jeweiligen Zylinder im Verbrennungszyklus mit einer bestimmten Luftmenge ermöglicht. Die entsprechenden Öffnungs- und Schließwinkel der Gaswechselventile werden in der Ventilsteuerungssoftware verarbeitet, wobei sensorisch erfasste Eingangsgrößen, wie die aktuellen Stellungen von Nockenwelle und Kurbelwelle, sowie weitere Betriebsparameter, wie die Öltemperatur im hydraulischen System, verwendet werden.
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Ein Rechenalgorithmus berechnet daraufhin die Schaltzeitpunkte desjenigen Schaltventils, das an dem im Motorzyklus anstehenden nächsten Gaswechselventilhub zur Beladung des betreffenden Zylinders mit der zuvor bestimmten Luftmenge zu betätigen ist. Außerdem kann der spätestens mögliche Zeitpunkt berechnet werden, an dem eine Korrektur der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließwinkel erfolgen kann. Außerdem kann ein Schaltfenster berechnet werden, in dem diese Korrektur erfolgen kann. Im Falle, dass eine Änderung der Luftmenge in dem Zylinder benötigt wird, kann das Motorsteuergerät einen aktualisierten Öffnungs- oder Schließwinkel zur Verfügung stellen und innerhalb des erlaubten Schaltfenster eine Korrektur der Schaltzeitpunkte des Schaltventils durchführen.
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Da die Berechnung des Schaltzeitpunkts des Schaltventils zum Öffnen des Gaswechselventils gemäß der Erfindung unabhängig von der Berechnung des Schaltzeitpunkts des Schaltventils zum Schließen des Gaswechselventils erfolgen kann, ist nun auch innerhalb eines bestimmten Zeitfensters während des Einlasses bei bereits offenem Gaswechselventil eine Neubestimmung des Schaltzeitpunkts für eine Korrektur, gegebenenfalls sogar für eine für eine wiederholte Korrektur der Schließzeit des Gaswechselventils möglich. Somit ist es zum einen weiterhin möglich, bis zu einem bestimmten Zeitpunkt vor dem Ventilhub neue Öffnungs- und Schließwinkel und die dafür notwendigen Schaltzeitpunkte zu bestimmen. Alternativ dazu oder zusätzlich ist es gemäß der Erfindung möglich, auch während eines Ventilhubs die Schließzeit zu korrigieren und dafür bis zu einem bestimmten späteren Zeitpunkt einen neuen Schaltzeitpunkt für das Schaltventil zum Schließen des Gaswechselventils vorzugeben.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der jeweiligen Schaltzeitpunkte des Schaltventils Umgebungsbedingungen, die für den Schaltvorgang des Schaltventils relevant sind. Dies können beispielsweise die Temperatur einer Elektromagneteinheit des Schaltventils oder Spannungsschwankungen der zur Bestromung der Elektromagneteinheit verfügbaren elektrischen Spannung sein.
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Zur exakten Steuerung des Einschaltvorgangs der elektromagnetischen Schaltventile können demnach bei der Bestromung der Elektromagneteinheit des Schaltventils elektrische Spannungsschwankungen und/oder Temperatureinflüsse vorteilhaft berücksichtigt werden. Dazu kann beispielsweise das in der
DE 10 2012 213 399 A1 der Anmelderin beschriebene Verfahren genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der jeweiligen Schaltzeitpunkte des Schaltventils zuvor erfasste Ist-Steuerzeiten und Soll-Steuerzeiten des Gaswechselventils ausgewertet und erkannte Abweichungen berücksichtigt werden.
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Zur Überwachung der tatsächlichen Schaltzeiten der Schaltventile können demnach sensorische erfasste Ist-Steuerzeiten berücksichtigt werden. Dadurch können beispielsweise verschleißbedingte Abweichungen kompensiert werden, wodurch die Genauigkeit der Ventilsteuerung noch weiter verbessert werden kann. Dazu kann beispielsweise das in der den
DE 10 2015 200 472 A1 der Anmelderin beschriebene Verfahren hinzugezogen werden.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch eine variable Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zur variablen Einstellung von Steuerzeiten von elektrohydraulisch arbeitenden Gaswechselventilen eines Ventiltriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels elektromagnetisch betätigter Schaltventile. Diese variable Ventilsteuerung ist derartig ausgebildet, dass das erfindungsgemäße Verfahren und gegebenenfalls auch mit den beschriebenen Weiterbildungen an dieser betrieben werden kann.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem die Berechnung der Öffnungswinkel und die Berechnung der Schließwinkel der Gaswechselventile sowie die dazu erforderlichen Schaltzeitpunkte des jeweils zu schaltenden elektromagnetischen Schaltventils in einer elektrohydraulischen, variablen Ventilsteuerung vollständig voneinander entkoppelt sind, ist bei allen Hubkolbenbrennkraftmaschinen, unabhängig von deren Zylinderzahl, anwendbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
- 1 eine schematisch stark vereinfachte Schaltungsanordnung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer variablen Ventilsteuerung,
- 2 ein Schema zur Regelung einer variablen Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik,
- 3 ein Schema zur Regelung einer variablen Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
- 4 ein Schema zur Regelung einer variablen Ventilsteuerung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Abgasrückführung der Hubkolbenbrennkraftmaschine.
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Die Erfindung wird in Folgenden am Beispiel einer variablen Ventilsteuerung einer Vierzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit elektrohydraulisch arbeitenden Gaswechselventilen erläutert, die mittels elektromagnetisch betätigter Schaltventile betätigt werden.
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Der Aufbau und die Funktionsweise einer variablen Ventilsteuerung sind an sich bekannt und müssen daher hier nicht im Detail beschrieben werden. Eine derartige Ventilsteuerung ist im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen vergleichbar mit einem UniAir-System der Firma Schaeffler Technologies AG & Co. KG., das unter anderem bei D. Kehr und D. Wolf,: Flexibler Luftpfad; Schaeffler Kolloquium, 2018, S. 40ff näher beschrieben ist. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf ein Verfahren zur Regelung einer solchen Ventilsteuerung hinsichtlich der Steuerzeiten der Gaswechselventile.
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Demnach zeigt 1 schematisch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1, deren als Einlassventile und Auslassventile ausgebildeten Gaswechselventile 2 von einer variablen Ventilsteuerung 3 betätigbar sind. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 steht mit einem Motosteuergerät 4 in Wirkverbindung, das Bauteile der variablen Ventilsteuerung 3 in deren Betrieb steuert und regelt. Die variable Ventilsteuerung 3 umfasst eine elektrohydraulische Ventilsteuervorrichtung 5, die pro Gaswechselventil 2 eine hydraulische Aktuatoreinheit 6 und ein elektromagnetisches Schaltventil 7 aufweist. Die Gaswechselventile 2 werden nicht direkt über eine Nockenwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 betätigt, sondern indirekt über die der Nockenwelle vorgeschalteten hydraulischen Aktuatoreinheiten 6, die durch die zugehörigen elektromagnetischen Schaltventile 7 angesteuert werden.
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Die variable Ventilsteuerung 3 weist außerdem ein Softwaremodul 8 mit einer Ventilsteuerungssoftware auf, das dem Motorsteuergerät 4 zugeordnet oder direkt in dieses integriert sein kann. Das Motorsteuergerät 4 regelt den Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 mittels einer Luftpfadregelung, die die Luft- und Kraftstoffmengen für die jeweilige Verbrennung in den Zylindern bereitstellt. Die Öffnungs- und Schließwinkel der Gaswechselventile 2 zur Ausübung von Ventilhüben für die Befüllung und Entleerung der Zylinder mit einer jeweiligen Luftmenge werden im Motorzyklus durch die Schaltzeitpunkte der zugehörigen Schaltventile 7 bestimmt, wobei die jeweiligen Schaltzeitpunkte der Schaltventile 7 durch die Ventilsteuerungssoftware des Softwaremoduls 8 berechnet und genutzt werden.
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Die Diagramme gemäß den 2 bis 4 zeigen Ventilhubkurven für einen Zylindereinlass und einen Zylinderauslass, wobei der Ventilhub über den Kurbelwinkel KW aufgetragen ist. Zur Verdeutlichung der Erfindung wird zunächst ein bekanntes Verfahren gemäß 2 beschrieben, bevor zwei Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der Erfindung näher erläutert werden. Gaswechselventile 2 können im Folgenden zur Vereinfachung als Einlassventile oder Auslassventile benannt sein.
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Demnach zeigt 2 den Ablauf eines herkömmlichen Verfahrens, das in dem gezeigten Beispiel einen Einlass in einen Zylinder einer Vierzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 variabel steuert. Dargestellt sind ein Auslasshub VH_ex entsprechend einem vollen Ventilhub eines Auslassventils und ein Einlasshub VH_in entsprechend einem vollen Ventilhub eines Einlassventils, sowie ein von einem vollen Einlasshub abweichender, zu programmierender Einlasshub VH_in_prog dieses Einlassventils. Die mit Großbuchstaben bezeichneten Bereiche, die die Kurbelwellenachse unterteilen bedeuten: E=Auslass, P=Programmierung, I=Einlass C=Verbrennung. Aufeinanderfolgende Zyklen E-P-I-C mit folgenden Auslass- und Einlasskurven sind jeweils durch Referenzpunkte KW_ref voneinander getrennt. Das Verfahren ist Bestandteil einer durch einen Balken angedeuteten durchgehenden Luftpfadregelung AC (Air Path Control).
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Ein beispielhafter Programmablauf gemäß dem Stand der Technik ist in 2 anhand von fünf durch Pfeile symbolisierte sogenannte Programmübergänge P1, P2, P3, P4, P4' illustriert. Die Berechnung der jeweils nächsten Schaltzeitpunkte eines Schaltventils 7 zum Öffnen und Schließen eines zugeordneten Einlassventils erfolgt in einer jeweiligen Hauptprogrammierungsanweisung T_haupt eines Rechenalgorithmus. Der erste Programmübergang P1 zeigt auf die Bestimmung einer Luftmenge für einen aktuellen Steuerungs-Einlasshub VH_in_prog. Im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 reagiert das Motorsteuergerät 4 auf eine Anforderung für eine Motordrehmomentänderung der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 durch Anfordern eines geänderten Steuerungs-Einlasshubs VH'_in_prog für die Beladung des im Motorzyklus nächstmöglichen Zylinders mit einer durch die Luftpfadregelung AC zu bestimmenden Luftmenge.
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In der Hauptprogrammierungsanweisung T_haupt wird eine Information über einen spätesten Zeitpunkt für eine mögliche neue Programmierung erzeugt, worauf ein zweiter Programmübergang P2 hinweist. In der folgenden Hauptprogrammierungsanweisung T_haupt werden in einem dritten Programmübergang P3 die Öffnungs- und Schließwinkel des betreffenden Einlassventils neu programmiert. Zum Vergleich zeigen der vierte Programmübergang P4 und der fünfte Programmübergang P4', jeweils ausgehend von dem Schließzeitpunkt t2 des ursprünglichen Einlasshubs VH_in_prog, auf einen spätesten Zeitpunkt für eine Programmierung dieses Einlasshubs VH_in_prog sowie auf einen anderen spätesten Zeitpunkt für eine Umprogrammierung des neuen Einlasshubs VH'_in_prog.
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Daran wird deutlich, dass der zeitliche Abstand zwischen der Festlegung der Luftmenge für den nächsten Ventilhub und der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs in dem betreffenden Zylinder sowohl für den ursprünglichen Einlasshub VH_in_prog als auch für den neuen Einlasshub VH'_in_prog relativ groß sind. Der Grund dafür ist die Kopplung der Ventilöffnungs- und Ventilschließzeitpunkte t1 und t2 sowie t1 und t2' für die ursprünglichen Ventilhübe VH_in_prog und die neuen Ventilhübe VH VH'_in_prog.
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Wie an dem ersten und vierten Programmübergang P1, P4 beziehungsweise an dem dritten und fünften Programmübergang P3, P4' erkennbar ist, werden die Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten jeweils zur gleichen Zeit angefordert. Dies resultiert in einer relativ frühen Vorabberechnung des Ventilschließzeitpunkts t2 beziehungsweise t2'. Die Umprogrammierung des Ventilhubs VH'_in_prog mit der neuen Schließzeit t2', das durch den dritten Programmübergang P3 und den fünften Programmübergang P4' verdeutlicht ist, ist aufgrund der relativ frühzeitigen Festlegung zusammen mit dem Öffnungszeitpunkt t1 nur eingeschränkt möglich. Nämlich lediglich in den Fällen einer stark zurückgehenden Motordrehzahl oder bei einer deutlichen Verschiebung der Ventilöffnungszeit auf einen späteren Zeitpunkt, oder wenn die Steuerzeit des Einlassventils durch andere Mittel, wie beispielsweise eine Nockenwellverstellung, verzögert wird. Eine Änderung der Umgebungsbedingungen nach der Programmierung im ersten Programmübergang P1 kann meistens überhaupt nicht mehr durch eine Umprogrammierung korrigiert werden. Es ist daher mit der Strategie gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, die Luftmenge in dem jeweiligen Zylinder in gewünschter Weise bei Bedarf dynamisch zu verändern.
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Die 3 zeigt einen Programmablauf gemäß der Erfindung. Im Vergleich zu dem herkömmlichen Programmablauf gemäß 2 ist eine dynamische Anpassung der Ventilöffnungs- und Ventilschließwinkel durch Entkoppeln der Berechnung für die Schaltzeitpunkte der elektromagnetischen Schaltventile 7 vorgesehen. 3 zeigt demnach ein Beispiel für die Programmierung von Ventilöffnungs- und Schließwinkeln mit einer nachfolgenden gewünschten Umprogrammierung des Ventilschließwinkels für eine Vierzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine 1. Zunächst werden die Ventilöffnungs- und Schließwinkel für die aktuellen Betriebsbedingungen wie bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik gemäß 2 gemeinsam zur gleichen Zeit angefordert.
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Bei einer geänderten Drehmomentanforderung oder einer schnellen Änderung von relevanten Umgebungsbedingungen kann das Motorsteuergerät 4 nun einen aktualisierten Ventilschließwinkel, der später programmiert werden kann, zur Verfügung stellen. Dazu wird in der Ventilsteuerungssoftware zusätzlich eine Umprogrammierungsanweisung T_re implementiert. In einem geänderten dritten Programmübergang P3 erfolgt die Umprogrammierung des Ventilschließwinkels. Der späteste Zeitpunkt für diese Umprogrammierung des Ventilschließwinkels kann nun innerhalb des neuen Einlasshubs VH'_in_prog liegen. Dementsprechend ist ein geänderter vierter Programmübergang P4 zur Berechnung des spätesten Zeitpunkts für eine Umprogrammierung ausgehend vom Schließzeitpunkt t2 des ursprünglichen Einlasshubs VH_in_prog nun wesentlich verkürzt. Mittels dieser Umprogrammierung kann in einem Schließwinkelbereich ΔKW_re ein korrigierter Ventilschließwinkel des Einlassventils erlaubt und eingestellt werden.
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Die 4 zeigt ein zweites Beispiel für ein Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem eine interne Abgasrückführung (egr: exhaust gas recirculation) an der Vierzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 vorgesehen ist. Bei der sogenannten internen oder inneren Abgasrückführung wird in der Ansaugphase der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 durch ein zusätzliches zeitweiliges Öffnen der Ein- oder Auslassventile während der Ventilhübe neben der Frischluft ein gewisser Anteil an Abgas in den Brennraum des jeweiligen Zylinders zurückgeführt. In Folge dessen sinkt aufgrund der sauerstoffärmeren Verbrennung die Verbrennungstemperatur im Zylinder. Gegebenenfalls wird das Abgas zuvor gekühlt. Dadurch können Stickoxidemissionen der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 verringert werden. Im vorliegenden Beispiel wird, während das Auslassventil noch geöffnet ist, das Einlassventil mit einem zusätzlichen Einlasshub VH_in_egr vor dem eigentlichen Einlasshub VH_in teilweise geöffnet, um einen Teil des Abgases in den Einlass zurückzuführen.
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Wie in 4 erkennbar ist, wird eine Programmierung der Ventilöffnungs- und Schließwinkel im Einlass mit einer nachfolgenden Umprogrammierung des Ventilschließwinkels des Einlasses bei einer Vierzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 durchgeführt. Im Vergleich zum dem Beispiel gemäß 3 ohne Abgasrückführung liegt der erste Programmübergang P1, bei dem die Luftmenge bestimmt wird, aufgrund des zusätzlichen Einlasshub VH_in_egr an einem deutlich früheren Zeitpunkt. Bei dem herkömmlichen Verfahren gemäß 2 würde die Dynamik der Luftpfadregelung AC durch die Abgasrückführung noch weiter eingeschränkt, da der Abstand zum Ventilschließwinkel noch größer wäre beziehungsweise die Vorabberechnung des Schaltzeitpunkts zum Schließen des Einlassventils also noch früher festgelegt würde. Gemäß der Erfindung kann jedoch, wie bei dem beschriebenen Beispiel gemäß 3, eine Umprogrammierung des Schließwinkels zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt im dritten Programmübergang P3 in der Umprogrammierungsanweisung T_re erfolgen. Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 mit Abgasrückführung wirkt sich der durch das Verfahren gemäß der Erfindung erzielte Vorteil somit in noch stärkerem Maße aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubkolbenbrennkraftmaschine
- 2
- Gaswechselventil, Einlassventil, Auslassventil
- 3
- Variable Ventilsteuerung
- 4
- Motosteuergerät
- 5
- Ventilsteuervorrichtung
- 6
- Aktuatoreinheit
- 7
- Schaltventil
- 8
- Softwaremodul
- AC
- Luftpfadregelung
- C
- Verbrennung
- E
- Auslass
- I
- Einlass
- KW
- Kurbelwinkel
- P
- Programmierung
- P1
- Erster Programmübergang
- P2
- Zweiter Programmübergang
- P3
- Dritter Programmübergang
- P4
- Vierter Programmübergang
- P4'
- Fünfter Programmübergang
- T_haupt
- Hauptprogrammierungsanweisung der Ventil-Steuersoftware
- T_re
- Umprogrammierungsanweisung der Ventil-Steuersoftware
- VH_ex
- Auslasshub eines Auslassventils
- VH_in
- Voller Einlasshub eines Einlassventils
- VH_in_egr
- Zusätzlicher Einlasshub für Abgasrückführung
- VH_in_prog
- Programmierter Einlasshub eines Einlassventils
- VH'_in_prog
- Umprogrammierter Einlasshub eines Einlassventils
- ΔKW_re
- Programmierbarer Schließwinkelbereich eines Einlassventils
- t1
- Ventilöffnungszeitpunkt
- t2
- Ventilschließzeitpunkt
- t2'
- Umprogrammierter Ventilschließzeitpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015200472 A1 [0006, 0033]
- DE 102014203687 B3 [0007]
- DE 102012213399 A1 [0008, 0031]
