-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen Ventilhubumschaltung
mit einem hydraulisch betätigbaren
Stellelement zur Bewirkung der Ventilhubumschaltung, das mit einer Ölleitung
verbunden ist, wobei die Beaufschlagung des Stellelementes mit unter
Druck stehendem Öl
durch ein in der Ölleitung
angeordnetes und mit einem Steuergerät verbundenen Schaltventil
steuerbar ist.
-
Derartige
Vorrichtungen zur elektrohydraulischen Ventilhubumschaltung werden
in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt, um den Betrieb des Motors
an die jeweilige Betriebssituation anzupassen, so dass betriebssituationsabhängig die
Motorleistung, der Kraftstoffverbrauch oder das Emissionsverhalten
optimierbar sind. Ziel ist dabei, bei geringem Leistungsbedarf den
Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu senken, anderseits aber
auch die maximale Motorleistung verfügbar zu machen. Ein derartig
ausgerüsteter
Motor ist beispielsweise aus dem Artikel "Der neue Motor des Porsche 911 Turbo, MTZ
Motortechnische Zeitung 61 (2000) 11, Seite 730 bis Seite 743" bekannt.
-
Bei
Motoren mit elektrohydraulischer Ventilhubumschaltung wird jedoch
nicht nur der Ventilhub umgeschaltet, sondern es werden auch zahlreiche Parameter
der Motorsteuerung geändert.
Für eine optimale
Wirkung ist es von wesentlicher Bedeutung, dass alle Parameter aufeinander
abgestimmt sind und bei Durchführung
einer Ventilhubumschaltung angepasst werden. Dabei kommt es auch
darauf an, dass der Zeitpunkt der Ventilhubumschaltung mit dem Zeitpunkt
der anderen Parameteränderungen abgestimmt
ist. Problematisch ist hierbei, dass der exakte Zeitpunkt der Ventilhubumschaltung
nicht bekannt ist. Zwar ist bekannt, wann ein entsprechendes Steuersignal
abgesetzt wird, nicht jedoch der Zeitpunkt des tatsächlichen Wirksamwerdens
der Ventilhubumschaltung. Ein wesentlicher Unsicherheitsfaktor bei
der Bestimmung dieses Zeitpunktes liegt in dem Schaltventil, dessen
Schaltverhalten von der Temperatur, dem Öldruck und vielen weiteren
Einflussgrößen abhängt, die
wiederum von der Anordnung des Schaltventils innerhalb des Motors
abhängen
können.
Ausgehend von dem Zeitpunkt der Ansteuerung des Schaltventils kann
daher nicht ein exakter Schluss auf die Schaltzeit des Schaltventils oder
das Wirksamwerden der Ventilhubumschaltung geschlossen werden. Daher
kann nicht sichergestellt werden, dass unter allen Betriebsbedingungen
eine optimale Abstimmung der Ventilhubumschaltung mit anderen Motorsteuerungsparametern
erfolgt.
-
Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, eine erfolgte Ventilhubumschaltung
mittels eines Ventilhubsensors zu erkennen. Dies ist jedoch verhältnismäßig aufwendig
und teuer.
-
Aus
der
JP 02 042 107 A ist
ein Verfahren zur "Fail-Save"-Steuerung einer variablen Ventilsteuerung
bekannt. Die variable Ventilsteuerung umfasst ein Umschaltventil
und einen Umschaltmechanismus, mit dem zwischen einem Niedergeschwindigkeitsnocken
und einem Hochgeschwindigkeitsnocken, die Einlassventile betätigen, umgeschaltet wird.
Ein hydraulischer Schalter ist vorgesehen, der den Öldruck am
Auslassanschluss des Umschaltventils erfasst. Ändert sich der Öldruck nach
einem Umschaltbefehl nicht bis zum Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer,
wird eine "Fail-Save"-Steuerung durchgeführt.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur elektrohydraulischen
Ventilhubumschaltung anzugeben, bei der die Bestimmung des Zeitpunkts des
Wirksamwerdens der Ventilhubumschaltung genauer bestimmbar ist,
die aber trotzdem kostengünstig
ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass eine in der Ölleitung
angeordnete Öldruckmessein richtung
vorgesehen ist, die mit dem Steuergerät verbunden ist, und zudem
Mittel zur Erfassung der Zeitdauer zwischen Ansteuerung des Schaltventils
durch das Steuergerät
und einer charakteristischen Änderung
des gemessenen Öldrucks
vorgesehen sind.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nutzt die Erkenntnis, dass es bei der Ansteuerung des Stellelementes
zu einer charakteristischen Änderung
des Öldrucks
kommt. Es handelt sich dabei um einen kurzen Druckeinbruch nach
der Ventilbewegung, der dadurch zustande kommt, dass nach dem Öffnen des Schaltventils
ein bestimmtes Ölvolumen
zum bzw. in das Stellelement fließt. Dieser Druckverlauf kann
von der Öldruckmesseinrichtung
gemessen und in ein druckproportionales elektrisches Signal umgewandelt
werden, welches an das Steuergerät
geleitet wird. Da der prinzipielle Druckverlauf bei einer Ventilhubumschaltung
bekannt ist, kann aufgrund des gemessenen Druckverlaufs das Vorliegen
einer Ventilhubumschaltung sicher erkannt werden.
-
Die
Zeit zwischen der Ansteuerung des Schaltventils durch das Steuergerät und der
Erkennung eines charakteristischen Verlaufs des gemessenen Öldrucks
wird von dem Steuergerät
oder dem Motorsteuergerät
ausgewertet. Die zeitliche Abstimmung weiterer Ventilhubumschaltvorgänge kann
somit angepasst werden.
-
Die Öldruckmesseinrichtung
ist auf der Versorgungsseite des Schaltventils angeordnet.
-
Des
weiteren ist vorteilhaft, dass das Steuergerät bzw. das Motorsteuergerät sieht,
ob eine Druckänderung
bzw. ein zu erwartender charakteristischer Druckverlauf stattgefunden
hat und somit erkennt, ob ein Schaltvorgang des Schaltventils überhaupt
stattgefunden hat oder nicht.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur elektrohydraulischen Ventilhubumschaltung ist das Schaltventil elektrisch
ansteuerbar. In einer alternativen Ausgestaltung ist ein zusätzlicher
Druckerzeuger vorgesehen, der durch das Steuergerät ansteuerbar
ist und seinerseits das Schaltventil hydraulisch oder pneumatisch
ansteuert.
-
In
einer einfachen und daher kostengünstigen Ausgestaltung ist das
Schaltventil auf der Versorgungsseite mit einem Motorölkreislauf
verbunden. Die Ansteuerung des Stellelementes erfolgt damit über das
normale Motoröl
und es ist kein zusätzlicher hydraulischer
Kreis notwendig.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur elektrohydraulischen Ventilhubumschaltung mit einem elektrisch
ansteuerbaren Schaltventil,
-
2 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur elektrohydraulischen Ventilhubumschaltung mit einem hydraulisch ansteuerbaren
Schaltventil,
-
3 ein Ablaufdiagramm der
Steuerung einer Vorrichtung nach 1 oder 2 und
-
4 ein Diagramm einer gemessenen Öldruckverlaufskurve
mit einer für
eine Ventilhubumschaltung charakteristischen Änderung des gemessenen Öldrucks.
-
In
der 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
der elektrohydraulischen Ventilumschaltung an den normalen Motorölkreislauf 8 eines
Verbrennungsmotors angeschlossen. Durch eine Ölpumpe 6 wird Öl in ein
Leitungsnetz gepumpt, an das auch eine Ölleitung 2 angeschlossen
ist, die zu der Vorrichtung zur Ventilhubumschaltung führt. Dabei
wird die Ölleitung 2 auf
die Versorgungsseite eines Schaltventils 4 geführt. Ausgangsseitig
ist das Schaltventil 4 mit einem Stellelement 1 verbunden,
das die eigentliche Ventilhubumschaltung bewirkt. Je nach Motorbetriebzustand
wird zwischen einem kleinen und einem großen Ventilhub umgeschaltet.
Betätigt
werden können
dabei sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile des nicht
näher dargestellten
Motors. Der eigentliche Um schaltvorgang erfolgt beispielsweise mit
Schalttassenstößeln. Zu
den Details wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen.
-
Das
Schaltventil 4 wird durch ein Steuergerät 3 durch ein elektrisches
Signal angesteuert. Bei Ansteuerung öffnet das Schaltventil 4 und
das auf der Versorgungsseite unter Druck stehende Öl in der Ölleitung 2 kann
somit auf das Stellelement 1 wirken. Durch die Verschiebung
eines Betätigungselementes in
dem Stellelement 1 wird einerseits die Ventilumschaltung
bewirkt, andererseits muss Öl
aus der Ölleitung 2 nachfließen. Dadurch
kommt es zu einem kurzzeitigen Abfall des Öldrucks, aus dem erkennbar ist,
dass eine Ventilhubumschaltung stattgefunden hat. Die charakteristische Äderung des
gemessenen Öldrucks
wird vorteilhafterweise auf der Versorgungsseite des Schaltventils 4 durch
eine Öldruckmesseinrichtung 5 erfasst
und an das Steuergerät 3 gemeldet.
Das Steuergerät 3 wertet
den gemessenen Verlauf des Öldrucks
aus und ist dadurch in der Lage, die Zeitdauer zwischen dem Ansteuern
des Schaltventils 4 und dem Auftreten einer charakteristischen Öldruckänderung
zu erfassen und weiter zu verarbeiten.
-
Es
wäre auch
denkbar, die Öldruckmesseinrichtung 5 in
einem Steuerabschnitt 10 der Ölleitung 2 anzuordnen,
der zwischen dem Schaltventil 4 und dem Stellelement 1 liegt.
Die Messung wird jedoch erschwert, da bei einem Schalten des Schaltventils 4 es
zunächst
zu einem Anstieg des Öldrucks
in dem Steuerabschnitt 10 kommt und erst nach Bewegung des
Betätigungselementes
in dem Stellelement 1 ein kurzzeitiger Druckabfall erfolgt.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 ist das Steuergerät 3 so
eingerichtet, dass es Abweichungen der ermittelten Schaltzeit von
einem Sollwert automatisch zur Korrektur zukünftiger Ansteuervorgänge heranzieht.
-
Bei
der Ausführung
nach 2 ist das Steuergerät 3 mit
einem Motorsteuergerät 9 verbunden, das
auch andere Parameter des Betriebs des Verbrennungsmotors steuert.
Dadurch ist es möglich, dass
bereits seitens der Motorsteuerung 9 eine optimale Abstimmung
der Parameteränderung
des Motorbetriebs und der Ventilhubumschaltung erfolgt. Dies betrifft
beispielsweise die Stellgrößenanpassung
des Drosselklappenwinkels, des Zündwinkels oder
des sogenannten Einspritz- und Camphasing. Das Steuergerät 3 und
das Motorsteuergerät 9 können dabei
als eine Einheit ausgeführt
werden, so dass das Steuergerät 3 lediglich
eine Funktionsgruppe innerhalb des Motorsteuergeräts 9 bildet.
-
Eine
weitere Abweichung der Vorrichtung von 2 gegenüber der Vorrichtung von 1 besteht in der Ansteuerung
des Schaltventils 4. Während
es sich bei der Anordnung der 1 um
ein elektrisch betätigbares
Schaltventil handelt, ist das Schaltventil in 2 hydraulisch betätigbar. Das Steuergerät 3 wirkt
auf einen separaten Druckerzeuger 7, der über eine
Hydraulikleitung das Schaltventil 4 betätigt.
-
Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm
der Steuerung der Ventilhubumschaltung. Sofern vorbestimmte Bedingungen
zur Ventilhubumschaltung erfüllt
sind, sendet das Steuergerät 3 entweder
auf elektrischem oder auf hydraulischem Wege einen Schaltsignal
an das Schaltventil 4. Gleichzeitig wird ein Timer gestartet.
Anschließend
wird der durch die Öldruckmesseinrichtung 5 gemessene Öldruckverlauf
beobachtet. Nach dem Schalten des Schaltventils wird eine charakteristische Änderung
des Öldruckverlaufs
erkannt.
-
Findet
eine solche positive Erkennung statt, wird der Timer angehalten
und die Schaltzeit aus dem Stand des Timers ermittelt. Sofern die
Schaltzeit innerhalb eines vorgegebnen Toleranzbereiches liegt,
wird auf das Vorliegen vorbestimmter Bedingungen zur erneuten Ventilhubumschaltung
gewartet. Andern falls findet eine Adaption der zeitlichen Abstimmung
der Ventilhubumschaltung auf die Änderung anderer Parameter statt.
-
In
dem Fall, dass keine charakteristische Änderung des Öldruckverlaufs
erkannt wird, obwohl eine Schalthandlung des Schaltventils 4 erfolgen sollte,
also ein entsprechendes Schaltsignal erzeugt wurde, wird die Ventilhubumschaltung "rückgängig" gemacht, was bedeutet, dass die parallele Änderung anderer
Parameter der Motorsteuerung rückgängig gemacht
wird. Anschließend
wird wiederum auf das Vorliegen der Bedingungen zur Ventilhubumschaltung
gewartet.
-
Die 4 zeigt den zeitlichen Verlauf
des gemessenen Öldrucks
anhand einer beispielhaften Kurve. Auf der vertikalen Achse ist
dabei der gemessene Öldruck
aufgetragen. Zum Zeitpunkt t1 sendet das
Steuergerät 3 einen
Schaltimpuls an das Schaltventil 4. Zum Zeitpunkt t2 fällt
der bis dahin konstante Öldruck
ab. Die Zeitdauer zwischen t1 und t2 wird als Ansprechzeit Ta bezeichnet.
Anschließend
fällt der Öldruck weiter
ab, bis er zu einem Zeitpunkt t3 ein Minimum
erreicht. Die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t1 und
t3 wird als Schaltzeit Ts bezeichnet. Anschließend steigt
der Öldruck
wieder an, bis er das anfänglich
Niveau erreicht.
-
Die
Zeitdauer Ts bezeichnet also die Zeitdauer
von der Aussendung des Schaltimpulses für das Schaltventil 4 bis
zum erfolgten Schaltvorgang. Dies stellt eine wichtige Information
für das
Steuergerät 3 bzw.
die Motorsteuerung 9 dar, da damit Kenntnis über das
zeitliche Verhalten der Stellstrecke erlangt wird, was insbesondere
für regelungstechnische
Eingriffe von großer
Bedeutung ist. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang der Zeitpunkt,
an dem der Schaltimpuls abgesetzt werden muss, so dass eine Umschaltung
zu einem bestimmten in der Zukunft liegenden Zeitpunkt erfolgt.
Auch kann durch Erfassung der Schaltzeit das Langzeitverhalten des
Systems erfasst und somit bei Ventilhubumschaltvorgängen die geänderten
Randbedingungen berücksichtigt
werden.
-
Falls
sich der erwartete Druckverlauf nicht einstellt, bedeutet dies,
dass eine Ventilhubumschaltung nicht stattfindet bzw. stattgefunden
hat und es können,
wie oben ausgeführt,
die bereits parallel zur Ventilhubumschaltung getroffenen Maßnahmen rückgängig gemacht
werden. Dies betrifft beispielsweise die Stellgrößenanpassung des Drosselklappenwinkels,
des Zündwinkels
oder des Einspritz- und Camphasing, die schnell rückgängig gemacht
werden.
-
Durch
die Schaltzeit Ts ergibt sich zwar nicht unmittelbar
der Zeitpunkt des Wirksamwerdens der Ventilhubumschaltung, aber
der größte Unsicherheitsfaktor,
nämlich
die Schaltzeit Ts, kann unmittelbar erfasst
und Abweichungen kompensiert werden.