DE19958174C1 - Verfahren zur Ventilhuberfassung bei Brennkraftmaschinen mit variabler Ventilsteuerung und zugehörige Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ventilhuberfassung bei Brennkraftmaschinen mit variabler Ventilsteuerung vorgeschlagen, bei denen die Betätigung der variabel zu steuernden Ventile über zwei Nockenwellen erfolgt, die gemeinsam ein im Übergang zum jeweiligen Ventil liegendes Übertragungsglied beaufschlagen, und es wird zur Kontrolle der über die jeweilige Phasenlage der Nockenwelle vorgegebenen Ventilerhebungskurve, bezogen auf Abweichungen von den über die Motorsteuerung im Hinblick auf die Zylinderfüllungsregelung vorgegebenen Werten, eine Drehlageerfassung für die drehzahlgleich angetriebenen Nockenwellen durchgeführt, mit Abgleich der der jeweiligen Drehlage entsprechenden Ventilerhebungskurve gegen eine Eichkurve.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ventilhuberfassung bei Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so­ wie eine zugehörige Brennkraftmaschine.

Aus der DE 196 50 249 A1 ist ein Verfahren der vorgenannten Art zur Ventilhuberfassung bei Brennkraftmaschinen bekannt, bei de­ nen die Betätigung der variabel zu steuernden Ventile über zwei Nockenwellen erfolgt, die gemeinsam ein im Übergang zum jewei­ ligen Ventil liegendes Übertragungsglied beaufschlagen und die in ihrer Phasenlage zueinander über ein vierrädriges Koppelge­ triebe einstellbar sind, wobei die in der Kette zwischen den nockenwellenseitigen Zahnrädern des Koppelgetriebes liegenden Koppelräder über eine sie tragende Koppel in ihrer Drehlage zu den nockenwellenseitigen Zahnrädern verstellbar sind. Zur Er­ fassung des Ventilhubes sind die Nockenwellen mit Markierungen versehen, denen feststehende Sensoren als Geber zugeordnet sind, und basierend auf den Gebersignalen wird der Verdrehwin­ kel zwischen den Nockenwellen bestimmt, wobei jedem Verdrehwin­ kel und demnach jeder Phasenlage, eine Ventilerhebungskurve entspricht und über jede Ventilerhebungskurve auch der jeweili­ ge maximale Ventilhub gegeben ist.

Der so ermittelte Ventilhub kann unmittelbar als Eingangsgröße der Motorsteuerung für eine mit Zylinderfüllungsregelung arbei­ tende Brennkraftmaschine eingesetzt werden, oder auch als Refe­ renzsignal zur Kalibrierung eines Positionsgebers, über den die jeweilige Koppelstellung erfaßt wird, die als Steuergröße in die Motorsteuerung eingeht.

Im Hinblick auf die für den Leerlaufbetrieb erforderliche, be­ sonders feinfühlige Füllungsregelung wird bei der bekannten Lö­ sung für diesen Bereich ein besonders hohes Auflösungsvermögen vorgesehen, in Verbindung mit einer entsprechenden Spreizung des Ventilhub-Ist-Signales für die Regelung des Ventilhub- Verstellmechanismus. Über eine höhere Auflösung und eine größe­ re Spreizung können aber auftretende, insbesondere erfassungs­ bedingt auftretende Ungenauigkeiten nicht ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ventilhuberfassung bei Brennkraftmaschinen mit variabler Ven­ tilsteuerung aufzuzeigen, bei denen eine besonders hohe Erfas­ sungsgenauigkeit erreicht wird, und einen entsprechenden Brenn­ kraftmaschinenaufbau.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht hierzu von einer Positio­ nierung der Markierungen beider Nockenwellen aus, bei der bezo­ gen auf eine vorgegebene Phasenlage, und damit bezogen auf ei­ nen vorgegebenen maximalen Ventilhub die Signale gleichzeitig anfallen und somit die Zeitdifferenz der Sensorsignale null, oder zumindest nahezu null ist. Unter der Voraussetzung, dass die Markierungen bezogen auf die Nocken exakt positioniert sind, also beispielsweise schon in der Fertigung den Bezugs­ punkt für die Ausrichtung der Nocken bilden, fallen die Sensor­ signale bei einer derartigen Lösung definitionsgemäß bei dem vorgegebenen maximalen Ventilhub zeitgleich an. Damit ist bezo­ gen auf diesen Ventilhub, bzw. die diesem entsprechende vorge­ gebene Phasenlage ein Referenzwert bestimmt, gegen den das Sy­ stem abgeglichen werden kann. Liegt dieser Referenzwert in ei­ nem Arbeitspunkt des Systemes, in dem die Zylinderfüllungsrege­ lung besonders feinfühlig arbeiten soll, so ist die Regelung bei Abstimmung auf diesen Referenzwert nahezu absolut. Wird für den Leerlaufbereich, wie dargelegt, eine besonders feinfühlig und genau arbeitende Regelung angestrebt, so wird der Referenz­ wert in einen Bereich verhältnismäßig kleiner Ventilhübe ge­ legt. Bei Brennkraftmaschinen üblicher Bauart sind dies häufig Ventilhübe in der Größenordnung von 1 mm.

Abweichungen von dem als Referenzwert dienenden Ventilhub, bzw. von der entsprechenden Phasenlage der Nockenwellen stellen sich bezüglich der Sensorsignale als Zeitdifferenz dar. Diese Zeit­ differenz entspricht, bezogen auf die jeweilige Drehzahl, einem Winkel, und dieser Winkel der Differenz des tatsächlichen, er­ faßten Ventilhubes zu dem als Referenzwert vorgegebenen Ventil­ hub.

Ausgehend von dem Referenzwert entsprechen Zeitdifferenzen also Ventilhubabweichungen zum dem Referenzwert entsprechenden Ven­ tilhub, die über dem Winkel abgetragen eine Eichkurve ergeben, anhand derer sich feststellen läßt, inwieweit die Motorsteue­ rung von Arbeitswerten bezüglich der Phasenlage der Nockenwel­ len zueinander bzw. bezüglich des entsprechenden Ventilhubes ausgeht, die von den tatsächlichen Werten abweichen. Solche Ab­ weichungen können beispielsweise durch Fehler in der Erfassung der Stellwerte des Koppelgetriebes bedingt sein und verlangen einen Abgleich, um einen einwandfreien Motorbetrieb sicherzu­ stellen.

Ein solcher Abgleich ist grundsätzlich über dem ganzen Arbeits­ bereich der Brennkraftmaschine möglich. Die angestrebte, beson­ ders genaue Füllungsregelung im Leerlaufbereich macht es aber zweckmäßig, den Referenzwert dem Leerlaufbereich zuzuordnen, zumal im Leerlaufbereich ein verhältnismäßig konstantes, nied­ riges Drehzahlniveau gegeben ist und keine größeren Drehzahl­ gradienten zu erwarten sind. Zudem erweisen sich ein niedriges Drehzahlniveau ebenso wie kleine Zeitdifferenzen als zweckmä­ ßig, da Drehzahl und Zeitdifferenz Faktoren bei der Ermittlung des Winkels bilden, über dem in Verbindung mit der Eichkurve als Referenzkennlinie die Abweichung des tatsächlichen Ventil­ hubes vom als Referenzwert vorgegebenen, der Eichkurve entspre­ chenden Ventilhub ermittelt wird.

Deswegen erweist es sich im Rahmen der Erfindung auch als zweckmäßig, als Zeitdifferenz die jeweils kleinere Zeitspanne in der Signalfolge der entsprechend dem Umlauf der Nockenwellen aufeinanderfolgenden Sensorsignale zu nutzen.

Im Rahmen der Erfindung ist es des weiteren von Vorteil, den Abgleich ausgehend vom Motorsteuergerät anzustoßen, wenn die Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich arbeitet und den seitens des Motorsteuergerätes kennfeldmäßig vorgegebenen und als Ar­ beitswert eingesteuerten Wert des Ventilhubes mit dem tatsäch­ lichen Wert des Ventilhubes zur Überdeckung zu bringen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Desweiteren wird der Erfindung mit näheren Einzelheiten anhand der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung und der im Hinblick auf diese vorgesehenen Signal- und Steuereinrichtungen,

Fig. 2 bis 4 einander entsprechende Schemadarstellungen der miteinander über das Koppelgetriebe verbundenen Noc­ kenwellen mit zugeordneten Markierungen und zugehöri­ gen Erfassungssensoren, und

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Diagrammes, in dem über aus Zeitdifferenzen der Sensorsignale gewonnene Win­ kelwerte anhand einer Eichkurve in aktuelle Werte des jeweiligen, maximalen Ventilhubes umgesetzt werden können.

Fig. 1 zeigt im Schema eine Brennkraftmaschine 1 in Form eines Hubkolbenmotores mit einer Kurbelwelle 2 und mit dem von dieser abgezweigten Nockenwellenantrieb 3. Als Nockenwellen sind nur die einlaßseitigen Nockenwellen 4 und 5 gezeigt, während die Gaswechselsteuerung für die Auslaßseite nicht berücksichtigt ist. Die Nockenwellen 4 und 5 bilden einen Bestandteil einer variablen Ventilsteuerung an sich bekannter Art, bei der, was hier nicht weiter gezeigt ist, über einander entsprechende Noc­ ken beider Nockenwellen 4, 5 jeweils gemeinsam ein Übertra­ gungsglied beaufschlagt wird, das im Übergang auf ein jeweils anzusteuerndes Einlaßventil liegt.

Von den Nockenwellen 4, 5 ist die Nockenwelle 4 über den Noc­ kenwellenantrieb 3 mit der Kurbelwelle 2 verbunden, wobei die Nockenwelle 4 die Einlaßfunktion steuert. Über die Nockenwelle 4 wird die Nockenwelle 5 unter Vermittlung eines Koppelgetrie­ bes 6 angetrieben, das zwei mit Nockenwelle 4 bzw. der Nocken­ welle 5 drehfest verbundene Antriebsräder 7, 8 aufweist, die ihrerseits über zwei Koppelräder 9, 10 antriebsverbunden sind, wobei die Koppelräder 9, 10 über das Koppelgestänge 11 mit den Antriebsrädern 7, 8 sowie auch untereinander in Eingriff gehal­ ten sind und in ihrer Drehlage zu den Antriebsrädern 7, 8 durch Verstellung des Koppelgestänges 11 - der diesbezügliche Stel­ lantrieb ist durch den Pfeil 12 symbolisiert - verstellbar sind.

Im Steuergerät 13 der Brennkraftmaschine 1 werden neben den an­ deren, üblichen Parametern der über einen Sensor 14 erfasste Kurbelwinkel verarbeitet, wobei dem Sensor 14 kurbelwellensei­ tig ein Geberrad 15 zugeordnet ist. Zur Drehstellung der Kur­ belwelle 2 ist die Drehstellung der Nockenwelle 4 aufgrund der unmittelbaren Verbindung über den Nockenwellenantrieb 3 festge­ legt, während die Drehstellung der Nockenwelle 5, die über den Koppeltrieb 6 angetrieben ist, unabhängig hiervon erfasst wer­ den muss, was über einen Sensor 16 erfolgt, dem eine zur Noc­ kenwelle 5 feststehende Markierung zugeordnet, ist beispiels­ weise, wie hier angedeutet, in Zuordnung zum Antriebsrad 8. Da­ mit ist auch die Phasenlage der Nockenwellen 4 und 5 zueinander erfasst und festgelegt, zu der eine jeweilige Ventilerhebungs­ kurve und damit ein jeweiliger maximaler Ventilhub korrespon­ diert.

Die jeweilige Stelllage des Koppelgetriebes 6, die über das Steuergerät 13 vorgegeben wird, wird durch einen hier nicht dargestellten Stellungsgeber erfasst, der dem Stellmotor oder auch dem Koppelgetriebe selbst zugeordnet sein kann.

Die Nockenwellen 4 und 5 sind bezüglich ihrer über das Mo­ torsteuergerät 13 vorgegebenen Phasenlage mit der jeweiligen Einstellung des Koppelgetriebes 6 abzugleichen und dieser Ab­ gleich bedarf im Laufe des Betriebes der Brennkraftmaschine auch der Kontrolle. Hierzu sind erfindungsgemäß den Nockenwel­ len 4 und 5 Markierungen 17 und 18 zugeordnet, denen Sensoren 19 und 20 entsprechen, die in signalübertragender Verbindung zum Motorsteuergerät 13 stehen. Über die so gewonnenen Signale erfolgt eine Referenzwertbildung. Über den Referenzwert kann die Phasenlage der Nockenwellen 4, 5, und damit der jeweilige maximale Ventilhub daraufhin überwacht werden, inwieweit die vom Motorsteuergerät 13 ausgehenden Vorgaben eingehalten sind.

Der Referenzwert wird dadurch gebildet, dass die Markierungen 17 und 18 und die zugehörigen Sensoren 19 und 20 so angeordnet werden, dass bei einem vorgegebenen Ventilhub beide Sensoren 19, 20 zeitgleich ansprechen (Fig. 3; α₂ = 0). Bevorzugt wird dieser Ventilhub klein gewählt, und zwar in einer dem Leerlauf der Brennkraftmaschine entsprechenden Größenordnung, da im Leerlaufbereich die höchsten Anforderungen an die über die va­ riable Ventilsteuerung erfolgende Zylinderfüllungsregelung ge­ stellt sind. Der als Referenz gewählte maximale Ventilhub kann damit im Bereich von etwa 1 mm liegen, da bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen die maximalen Ventilhübe im Leerlaufbereich zwischen ca. 0,8 und 1,2 mm liegen.

Bezogen auf diesen vorgegebenen maximalen Ventilhub als Refe­ renzwert gilt beim erfindungsgemäßen Vorgehen per Definition, dass die Signale der Sensoren 19 und 20 zeitgleich anfallen. Ergeben sich Abweichungen vom Referenzhub, so ergeben sich Zeitdifferenzen zwischen diesen Signalen und die jeweilige Zeitdifferenz lässt sich mit der aktuellen Motordrehzahl in ei­ nen Winkel umrechnen.

Im Hinblick darauf, dass in die Berechnung des Winkels, der mit α bezeichnet ist, die Zeitdifferenz und die Motordrehzahl ein­ gehen, da die Winkelberechnung nach der Formel

α = 3n . t

erfolgt, wobei α der Winkel in Grad, n die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute und t die als Zeitdifferenz gemessene Zeit in Sekunden ist, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, die Messung in einem Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine vorzu­ nehmen, indem keine größeren Drehzahlgradienten zu erwarten sind, was im Leerlaufbereich der Fall ist, in dem auch eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl gegeben ist.

Desweiteren ist es zweckmäßig, die bezogen auf den Umlauf der Nockenwellen jeweils kleinere Zeitdifferenz zwischen der Mar­ kierung der einen Nockenwelle und dem dazugehörigen Sensor, al­ so auch den jeweils kleineren Winkel zu erfassen, wobei im Er­ fassungszeitpunkt, entsprechend den getroffenen Festlegungen, für die andere Nockenwelle Sensor und Markierung in Überdeckung liegen. Symbolisiert dargestellt ist dies in den Fig. 2 und 4, wobei, bezogen auf eine gleiche konstante Drehzahl die Zeitdif­ ferenz bereits in Grad umgerechnet angegeben ist.

Fig. 5 zeigt die Zuordnung des der jeweiligen Zeitdifferenz entsprechenden Winkels α zum Ventilhub, wobei die Eichkurve 21 dadurch gewonnen ist, dass ausgehend vom Referenzpunkt (Pivót- Punkt) - zeitgleiches Signal; Winkel α = 0; Ventilhub = 1 mm; dargestellt in Fig. 3 - die Phasenlage der Nockenwellen 4 und 5 um vorgegebene Winkelbeträge verändert und die diesen Winkelbe­ trägen entsprechenden Ventilhubwerte als Punkte der Eichkurve erfasst werden, so dass zum Abgleich im Betrieb eine eindeutige und exakte Zuordnung von Zeitdifferenz und daraus ermittelter Winkelgröße zum jeweiligen maximalen Ventilhubwert gegeben ist und eine entsprechende Justierung auf den Referenzpunkt vorge­ nommen werden kann. Dies ist nicht fortlaufend erforderlich, sondern kann beispielsweise zunächst beim Start der Brennkraft­ maschine erfolgen, und dann in kleineren oder größeren Zeitab­ ständen, wenn die Brennkraftmaschine im Leerlauf arbeitet.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen mit Durchführung der jewei­ ligen Zeiterfassung im Leerlauf oder leerlaufnahen Bereich er­ geben sich nur sehr kleine Messzeiten, im Idealfall, der Fest­ legung Pivót-Punktes entsprechend, sogar 0. Damit können zumin­ dest kleinere Drehzahlgradienten keine relevanten Messfehler verursachen und es ist für die Durchführung der Messung auch vorab keine genaue Drehzahlbestimmung erforderlich, so dass das Messverfahren sehr einfach abläuft.

Selbstverständlich ist es nicht zwingend, wie in Fig. 1 darge­ stellt, beiden Nockenwellen 4 und 5 zur Durchführung der erfin­ dungsgemäßen Ventilhuberfassung jeweils einen gesonderten Er­ fassungssensor 19 bzw. 20 zuzuordnen. Vielmehr kann der der Nockenwelle 5 zugeordnete Sensor 16 auch zusätzlich die Funkti­ on des Sensors 19 bzw. umgekehrt übernehmen, vorausgesetzt eine den Vorgaben der Erfindung entsprechende Lage der nockenwellen­ seitigen Markierungen.

Mit der Erfindung ist somit ein Ventilhuberfassungssystem ge­ schaffen, das sich durch große Einfachheit und höchste Genauig­ keit auszeichnet und das sowohl die Justierung wie auch die fortlaufende Überwachung im Hinblick auf die von der Mo­ torsteuerung vorgegebenen Werte für die Zylinderfüllungsrege­ lung ermöglicht. Das erfindungsgemäße Huberfassungssystem ist dabei nicht an die im Beispiel gezeigte Verstellung der Nocken­ wellen 4 und 5 in ihrer Phasenlage zueinander über ein Koppel­ getriebe gebunden, sondern allgemein einsetzbar beim Ventilhub­ systemen, bei denen mittels Phasenverdrehung von zwei Nocken­ wellen gegeneinander der maximale Ventilhub variiert werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ventilhuberfassung bei Brennkraftmaschinen mit variabler Ventilsteuerung, bei denen die Ventile je­ weils über zwei mit gleicher Drehzahl angetriebenen Nocken­ wellen betätigt und durch Änderung der Phasenlage der Noc­ kenwellen bezüglich ihres jeweiligen, für diese Phasenlage maximalen Ventilhub last- und/oder drehzahlabhängig über die im Motorsteuerung eingestellt werden, in der die Stel­ lungen der Nockenwellen zueinander erfassende Steuersignale verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf eine vorgegebene Phasenlage der Nockenwel­ len, die dem zugehörigen maximalen Ventilhub entsprechenden Stellungen der Nockenwellen als zeitgleiche Sensorsignale erfasst werden und einen dem maximalen Ventilhub entspre­ chenden Referenzwert bilden, dass die Zeitdifferenz zwischen diesen Sensorsignalen ein Maß für Abweichungen von dem der vorgegebenen Phasenlage entsprechenden maximalen Ventilhub bildet und das durch Rückkopplung auf die Motorsteuerung Ab­ weichungen vom Referenzwert in Steuerbefehle zur Nachstel­ lung und/oder Justierung der über die Motorsteuerung vorge­ gebenen Phasenlage umsetzbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzabgleich in einem vorgegebenen Drehzahlbe­ reich der Brennkraftmaschine erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzabgleich im Leerlaufbereich der Brenn­ kraftmaschine erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitdifferenz die jeweils kleinere Zeitspanne in der Signalfolge der entsprechend dem Umlauf der Nockenwellen aufeinander folgenden Sensorsignale genutzt wird.

5. Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung und Ven­ tilhuberfassung, bei der der Ventiltrieb für die variabel zu steuernden Ventile zwei mit gleicher Drehzahl angetrie­ benen Nockenwellen umfasst, die über korrespondierende Noc­ ken jeweils ein in einer Ventilbetätigung liegendes Über­ tragungsglied beaufschlagen und über die durch Änderung in ihrer Phasenlage ein der jeweiligen Phasenlage entsprechen­ der maximaler Ventilhub einstellbar ist, wobei den Nocken­ wellen über Signalgeber erfassbare Markierungen zugeordnet sind, insbesondere nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 ar­ beitende Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine vorgegebene Phasenlage die Markierun­ gen (17, 18) beider Nockenwellen (4, 5) in signalauslösender Überdeckung zum jeweils zugeordneten Signalgeber (19, 20) liegen.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Phasenlage einem im Bereich des Leer­ laufes liegenden, maximalen Ventilhub entspricht.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellen (4, 5) über ein Koppelgetriebe (6) ge­ geneinander verstellbar sind, das in der Verbindung seiner nockenwellenseitigen Antriebsräder (7, 8) zwei Koppelräder (9, 10) umfasst und dessen Koppelgestänge (11) über einen Stellmotor verstellbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellmotor ein Positionssensor zugeordnet ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppel ein Positionssensor zugeordnet ist.