DE602004006054T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinen-Steuerverfahren für eine Brennkraftmaschine.
  • Eine Brennkraftmaschine umfasst eine Vielzahl von Bauteilen, die sich zwischen zwei Endpositionen bewegen. Zu diesen sich bewegenden Bauteilen gehören die Ventile, welche allgemein durch eine Nockenwelle betätigt werden. Neben dieser in dem Bereich der Automobilherstellung seit langem etablierten Technologie werden zur Zeit alternative Systeme zur Betätigung der Ventile getestet. Diese Anmelder experimentieren insbesondere mit einer elektrohydraulischen Betätigungseinheit für die Ventile einer Brennkraftmaschine der Art, wie sie in der Europäischen Patentschrift Nr. 1 233 152 im Namen der Anmelder offengelegt wird. Diese elektrohydraulische Einheit wird durch eine elektronische Einheit angetrieben und ermöglicht die sehr genaue Variation der Zeitpunkte des Öffnens und Schließens jedes Ventils in Übereinstimmung mit einem in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zugewiesenen Zyklus und anderen Betriebsparametern, wodurch die Leistung der Brennkraftmaschine wesentlich verbessert wird.
  • Die gegenwärtig getestete elektrohydraulische Einheit umfasst für jedes Einlass- und/oder Auslassventil der Maschine eine elektrohydraulische Betätigungsvorrichtung, welche ein hydraulisches Stellglied umfasst, das dazu ausgelegt ist, das Ventil axial aus der geschlossenen Position in die Position der maximalen Öffnung zu bewegen, wobei es die Wirkung eines elastischen Elements überwindet, welches dazu ausgelegt ist, dieses Ventil in der geschlossenen Position zu halten, und ein hydraulisches Verteilerventil, das dazu ausgelegt ist, den Strom von unter Druck stehendem 01 zu und von diesem hydraulischen Stellglied zu regulieren, so dass die Verschiebung des Ventils zwischen der geschlossenen Position und der Position der maximalen Öffnung gesteuert wird.
  • Zur Bereitstellung des unter Druck stehenden Öls ist die getestete elektrohydraulische Einheit mit einer hydraulischen Schaltung versehen, welche einen Ölsammeltank, in dem das den Stellgliedern zuzuführende Öl gespeichert wird, und eine Pumpeneinheit umfasst, welche dazu ausgelegt ist, das unter Druck stehende Öl den verschiedenen Verteilern zuzuführen, indem es direkt aus dem Sammeltank genommen wird. Die in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 1 233 152 offengelegte elektrohydraulische Einheit umfasst ein Gleitverteilerventil, welches eine erste Betriebsposition, in der es das lineare hydraulische Stellglied in direkte Kommunikation mit dem Fluidsammeltank bringt, eine zweite Betriebsposition, in der es das lineare hydraulische Stellglied isoliert, so dass der Fluidstrom zu und von diesem Stellglied verhindert wird, und eine dritte Betriebsposition, in der es das lineare hydraulische Stellglied in direkte Kommunikation mit einem das unter Druck stehende Fluid enthaltenden Zweig bringt, einnehmen kann.
  • Die so offengelegte Einheit weist den wesentlichen Vorteil auf, dass ihre Struktur besonders einfach ist, was einen hohen Grad an Betriebssicherheit über die Zeit sicherstellt, wodurch seine Verwendung in dem Bereich der Fahrzeugherstellung ermöglicht wird.
  • Der als Folge der hydraulischen Betätigung der Ventile mögliche große Anpassungsbereich erfordert jedoch eine Steuerung der Maschine, mit der überwacht werden kann, ob der Betrieb der Maschine im Allgemeinen und die Betätigung der Ventile im Besonderen tatsächlich gemäß dem zugewiesenen Zyklus stattfindet.
  • Aus der US-Patentschrift 5,797,360 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt, in dem eine Brennkraftmaschine mit einer elektromag netischen Einheit versehen ist, welche elektromagnetische Pole zum Antreiben jedes Ventils umfasst, welches mit einem Anker versehen ist, und eine Steuervorrichtung zum Erfassen des Aufschlags des Ankers gegen einen Pol, um die Aufschlaggeschwindigkeit zu berechnen und den Zeitpunkt zu erfassen, in dem der Aufschlag stattfindet. Ein solches Steuerverfahren erwies sich in Verbindung mit einer elektromagnetischen Einheit zum Antreiben der Ventile als effektiv, da das Ventil und sein Anker starr verbunden sind, aber es kann in einer Brennkraftmaschine, in der die Ventile durch eine elektrohydraulische Einheit, in der das Ventil und der hydraulische Verteiler mittels eines Fluids verbunden sind, nicht so zuverlässig sein.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Steuerverfahrens für eine Brennkraftmaschine, mit dem der Betrieb des Motors der Maschine auf einfache und ökonomische Art überwacht werden kann, welche mit einer elektrohydraulischen Einheit zum Steuern der Ventile versehen ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit Anspruch 1 bereitgestellt: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine in Übereinstimmung mit Anspruch 13 bereitgestellt.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche nicht einschränkende Ausführungsformen davon zeigen, in denen:
  • 1 eine schematische Ansicht eine mittels einer Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung ausgestatteten Maschine zeigt,
  • 2 eine schematische Ansicht einer mit einer Variante der Steuervorrichtung aus 1 ausgestatteten Maschine zeigt.
  • In 1 wird eine Brennkraftmaschine insgesamt durch M gezeigt und umfasst einen Kopf T und eine elektrohydraulische Betätigungseinheit 1 für das Stellglied der Ventile 2. 1 zeigt ein einziges Ventil 2, das mit einem entsprechenden Sitz 2A, welcher an dem Kopf T angebracht ist, gekoppelt ist, obwohl sich versteht, dass die elektrohydraulische Einheit 1 dazu ausgelegt ist, alle Einlass- und Auslassventile der Maschine M anzutreiben. In dieser Beschreibung wird das Öffnen des Ventils 2 als die Phase des Übergangs des Ventils 2 aus der geschlossenen Position in die Position der maximalen Öffnung definiert; das Schließen des Ventils 2 wird als die Phase des Übergangs des Ventils 2 aus der Position der maximalen Öffnung in die geschlossene Position definiert; und das Halten wird definiert als die Phase, während der das Ventil 2 in der Position der maximalen Öffnung verweilt. Die Begriffe Öffnen, Schließen und Halten des Ventils 2 haben somit dieselbe Bedeutung.
  • Die Einheit 1 umfasst eine hydraulische Schaltung 3 und eine Steuervorrichtung 4. Die hydraulische Schaltung 3 umfasst wiederum eine Schaltung 5, die allen Ventilen 2 und einer Vielzahl von Betätigungsvorrichtungen 6, welche jeweils mit einem entsprechenden Ventil 2 verbunden sind, gemeinsam ist. In 1 wurde zur Vereinfachung nur eine Vorrichtung 6, die mit ihrem entsprechenden Ventil 2 verbunden ist, gezeigt.
  • Die Schaltung 5 umfasst einen Tank 7 zum Sammeln von Ö1 bei Umgebungsdruck, eine Pumpeneinheit 8 und zwei Zweige 9 und 10, welche mit dem unter Druck stehenden Fluid versorgt werden, und entlang derer jeweilige Druckregulatoren 11 und 12 und jeweilige Druckansammler 13 und 14 in Reihe angeordnet sind. Die beiden Zweige 9 und 10 der Schaltung 5, die sich stromabwärts der jeweiligen Sammler 13 und 14 befinden, sind mit den Betätigungsvorrichtungen 6 verbunden, von denen jede einen Steuerauswähler 14, ein Gleitverteilerventil 16 und ein Hydraulikstellglied 17, das starr mit dem Ventil 2 verbunden ist, umfasst. Der Auswähler 15 ist mit dem Zweig 10, dem Tank 7 und einem Zweig 18 verbunden, welcher den Auswähler 15 mit dem Gleitverteilerventil 16 verbindet, um dieses Gleitverteilerventil 16 anzutreiben.
  • Das Gleitventil 16 ist mit dem Zweig 9, dem Tank 7 und einem Zufuhrzweig 19 zu dem Stellglied 17 und einem Auslasszweig 20 von dem Stellglied 17 verbunden.
  • Der Auswähler 15 ist ein Dreiwegeventil, das durch einen Elektromagneten 23 und eine Feder 24 gesteuert wird und dazu ausgelegt ist, zwei Positionen einzunehmen: wenn der Elektromagnet 23 nicht angeregt ist, hält die Feder 24 den Auswähler in der ersten Position, in der der Zweig 10 geschlossen ist, während der Zweig 18 mit dem Tank 7 verbunden ist (1); wenn der Elektromagnet 23 angeregt ist, überwindet er die Kraft der Feder 24 und verschiebt den Auswähler 15 in die zweite Position, in der der Zweig 10 mit dem Zweig 18 verbunden ist.
  • Das Gleitverteilerventil 16 ist ein Vierwegeventil, das durch einen Kolben 25 und eine Feder 26 angetrieben wird und dazu ausgelegt ist, im Wesentlichen vier Betriebspositionen, die durch P1, P2, P3 und P4 in 1 angezeigt sind, einzunehmen. Obwohl das Gleitventil 16 vier Betriebspositionen P1, P2, P3 und P4 aufweist, hat es in der Praxis nur zwei stabile Positionen, d.h. die in 1 mit P1 und P4 angegebenen Endpositionen. Die Betriebspositionen P2 und P3 sind Übergangspositionen zwischen den entgegengesetzten Betriebspositionen P1 und P4. In der Betriebsposition P1 ist der Zweig 20 mit dem Tank 7 verbunden, während der Zweig 9 und der Zweig 19 unterbrochen sind. In der Betriebsposition P2 sind alle Verbindungen unterbrochen. In der Betriebsposition P3 ist der Zweig 9 mit dem Zweig 19 verbunden, während der Auslasszweig 20 geschlossen ist. Aus diesem Grund ist die Betriebsposition P3 als die Betätigungsposition definiert, die Betriebsposition P4 zeigt wiederum dieselbe Charakteristik wie die Betriebsposition P2.
  • Das lineare hydraulische Stellglied 17 umfasst einen Zylinder 27, einen Kolben 28, der mit dem Ventil 2 und einer Feder 29 verbunden ist, welche dazu ausgelegt ist, das Ventil 2 in der geschlossenen Position zu halten.
  • Das Gleitventil 17 umfasst eine Buchse 30, ein Gleitstück 31, das in der Buchse 30 gleitet, und zwei Endanschläge 32 und 33, die die jeweiligen stabilen Betriebspositionen P1 und P4 definieren.
  • Die Steuervorrichtung 4 umfasst eine elektronische Steuereinheit 40, welche in Abhängigkeit von Daten, die von der Maschine M erfasst werden, wie beispielsweise die Anzahl der Umdrehungen und andere Betriebsparameter, den Zeitpunkt des Öffnens und den Zeitpunkt des Schließens jedes Ventils 2 bestimmt. Die Einheit 40 steuert daher den Elektromagneten 23, um das Stellglied des Auswählers 15, das Gleitverteilerventil 16 und das lineare Stellglied 17 kaskadenartig zu bestimmen. Die Steuervorrichtung 4 umfasst ferner einen an dem Gleitverteilerventil 16 angebrachten Beschleunigungsmesser 42 und einen an dem Kopf T angebrachten Beschleunigungsmesser 43.
  • Die Einheit 40 steuert nicht nur den Elektromagneten 23, sondern auch die Druckregulatoren 11 und 12 und den variablen Durchlassquerschnitt der Öffnung 23 und erfasst die durch die Beschleunigungsmesser 42 und 43 zugeführten Signale, um den zugewiesenen Zyklus in Abhängigkeit von den durch die Beschleunigungsmesser 42 und 43 zugeführten Signalen zu modifizieren.
  • Die durch den Beschleunigungsmesser 42 erfassten Signale korrelieren im Wesentlichen mit den Vibrationen, die durch die Aufschläge des Gleitstücks 31 gegen die Anschläge 32 und 33 verursacht werden, während die Signale, die durch den Beschleunigungsmesser 43 erfasst werden, mit den Vibrationen korrelieren, die durch die Aufschläge des Ventils 2 gegen seinen jeweiligen Sitz 2A erzeugt werden. Die Amplitude der Vibration korreliert mit der Energie, die in dem Aufschlag abgegeben wird, und daher mit der Masse und der Geschwindigkeit des Gleitstücks 31 bzw. des Ventils 2.
  • Im Betrieb regt die Steuereinheit 40 den Elektromagneten 23 gemäß einem zugewiesenen Zyklus an, um die Betätigung des Auswählers 15 des Gleitventils 16 und des Stellglieds 17 kaskadenartig zu bestimmen. Die Sensoren 42 und 43 erfassen jeweilige Signale Fc und Fv und die Einheit 40 verarbeitet diese Signale Fc und Fv, um die Aufschlaggeschwindigkeit Fic des Gleitstücks 31 gegen die jeweiligen Anschläge 32 und 33 und die Aufschlaggeschwindigkeit Viv des Ventils 2 gegen seinen jeweiligen Sitz 2A zu berechnen. Die Aufschlaggeschwindigkeiten des Gleitstücks 31 werden, unabhängig davon, ob es sich um eine Aufschlaggeschwindigkeit gegen den Anschlag 32 oder gegen den Anschlag 33 handelt, durch Vi angezeigt. Die Einheit 40 erfasst den Zeitpunkt tc des Schließens des Ventils 2: Der Zeitpunkt tc ist der Zeitpunkt, in dem der Aufschlag zwischen dem Ventil 2 und seinem jeweiligen Sitz 2A stattfindet. Die Steuereinheit 40 erfasst auch die Zeitpunkte tP1 und tP4, bei denen es sich um die Zeitpunkte handelt, in denen das Gleitstück 31 gegen den Anschlag 31 bzw. den Anschlag 32 anschlägt.
  • Auf Basis dieser Daten tc, tP1, tP2, Viv und Vic ist die Steuereinheit 40 in der Lage, die Befehle des Elektromagneten 23 im Regelkreis zu modifizieren. Die Steuereinheit 40 ist darüber hinaus auch in der Lage, alle Betriebsanomalitäten, wie übermäßige Reibung oder Verschleiß der Federn mittels eines einfachen Sensors für jedes sich bewegende Bauteil zu erfassen.
  • Gemäß einer in 1 nicht gezeigten Variante ist jeder Sensor mit einem Filter verbunden, um das Signal Sc oder Sv zu filtern und die Einflüsse der Vibrationen, welche durch andere sich bewegende Bauteile und Hintergrund rauschen verursacht werden, zu eliminieren. Die Einflüsse anderer sich bewegender Bauteile hängen von dem Empfindlichkeitsgrad des Sensors und von der Position ab, an der der Sensor angebracht ist.
  • Gemäß der Variante aus 2 wird auf die Sensoren 42 und 43 verzichtet und die Steuervorrichtung 40 umfasst neben der Einheit 40 einen Beschleunigungsmesser 44, der an dem Kopf T der Maschine M angebracht ist. Im Wesentlichen ist der Beschleunigungsmesser 44 dazu ausgelegt, ein allgemeines Signal zu erfassen, welches mit den Vibrationen korreliert, die in der Maschine M während des Betriebs dieser Maschine M erzeugt werden. Das Signal S enthält die Informationen, die sich auf alle Informationen beziehen, welche während des Betriebs der Maschine M erzeugt werden und danach gefiltert werden, um das Signal zu isolieren, welches mit einem der Ventile 2 oder mit einem der Gleitstücke 31 verbunden ist. Aus diesem Grund umfasst die Steuervorrichtung 4 Filter F1, F2, F3 bis FN, um die Signale So, Sv, Sv1 bis SvN zu isolieren. Sobald das Gesamtsignal S gefiltert wurde oder vielmehr in eine Vielzahl von Signalen Sc und Sv geteilt wurde, wird die Steuereinheit 40 wie in Bezug auf 1 beschrieben, betrieben.
  • Die Variante aus 2 ist insbesondere deshalb so einfach, da sie das Anbringen eines einzigen Sensors 44 an der Maschine M enthält. Diese Einfachheit der Konstruktion ist dann noch ersichtlicher, wenn der Sensor 44 aus einem Detonationssensor gebildet wird, d.h. einem Sensor, der bereits allgemein an dem Kopf T der Maschine M angebracht ist, um durch eine nicht korrekte Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches verursachte anomale Schockwellen zu erfassen. In diesem Fall ist es ausreichend, einen weiteren Filter bereitzustellen, um das durch die Detonation der Maschine erzeugte Signal von den oben beschriebenen Größen zu trennen.
  • Gemäß einer nicht gezeigten Variante umfasst die Vorrichtung 4 eine Folge von Sensoren, die nicht notwendigerweise einem Gleitstück 31 oder einem Ventil 2 zugewiesen sind und in der Lage sind, jeweilige allgemeine Signale zu erfassen, welche mit den Vibrationen, die durch die sich bewegenden Bauteile gesendet werden, korreliert sind. Wie im vorherigen Fall isoliert das Filtern der Gesamtsignale das Signal und die mit jedem Aufschlag verbundene Energie. Die Vorrichtung 4 könnte beispielsweise den Detonationssensor 44 und einen weiteren Beschleunigungsmesser enthalten.
  • Aufgrund der Tatsache, dass ein einfacher Sensor unzureichend sein könnte, um die Isolierung aller mit einem einfachen Aufschlag verbundener Signale zu aktivieren, könnte die Montage weiterer Sensoren notwendig sein, gleichzeitig wäre die Installation eines spezifischen Sensors für jedes einzelne sich bewegende Element jedoch übermäßig kostspielig.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine (M) einen Kopf (T); einen Ventilsitz (2A), der an dem Kopf (T) angeordnet ist; ein Ventil (2), das sich zwischen zwei Endpositionen bewegt und während des Betriebs der Brennkraftmaschine (M) erste Vibrationen an der Stelle des Sitzes (2A) überträgt; und eine Elektrohydraulikeinheit (1) umfasst, welche ein hydraulisches Verteilerventil (16) zur Steuerung des Ventils (2) aufweist; wobei das hydraulische Verteilerventil (16) ein Gleitstück (31) aufweist, das so ausgelegt ist, dass es zwei stabile Positionen an zwei sich gegenüberliegenden Anschlägen (32, 33) einnimmt und während des Betriebs der Brennkraftmaschine zweite Vibrationen an der Stelle der sich gegenüberliegenden Anschläge (32, 33) überträgt; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch das Erfassen eines ersten Signals (Sv; S), das mit einer ersten Aufschlagenergie korreliert, welche die ersten Vibrationen erzeugt; das Berechnen einer ersten Aufschlaggeschwindigkeit (Viv) in Abhängigkeit von dem ersten Signal (Sv; S); und das Erfassen eines ersten Zeitpunkts (tc), in dem der erste Aufschlag stattfindet; das Erfassen eines zweiten Signals (Sc; S), das mit einer zweiten Aufschlagenergie korreliert, welche die zweiten Vibrationen erzeugt; das Berechnen einer zweiten Aufschlaggeschwindigkeit (Vlc) in Abhängigkeit von dem zweiten Signal (Sc; S) und das Erfassen eines zweiten Zeitpunkts (tP1; tP2), in dem der zweite Aufschlag stattfindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den ersten und zweiten Vibrationen korrelierenden ersten und zweiten Signale (Sv, Sc; S) mittels mindestens eines ersten Sensors (42, 43; 44) erfasst werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Signale (Sv, Sc; S) isoliert werden, um die ersten und zweiten Vibrationen zu isolieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (42; 43, 44) um einen Beschleunigungsmesser handelt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (M) einen Detonationssensor (44) umfasst, wobei das Verfahren die Verwendung dieses Sensors (44) zum Erfassen der ersten und zweiten Signale (S) vorsieht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen des Gleitstücks (31) zwischen den Endpositionen in Abhängigkeit von dem zweiten Signal (Sc; S) interpoliert sind.
  7. Brennkraftmaschine (M), umfassend einen Kopf (T); einen Ventilsitz (2A), der an dem Kopf (T) angeordnet ist; ein Ventil (2), das sich zwischen zwei Endpositionen bewegt und während des Betriebs der Brennkraftmaschine (M) erste Vibrationen an der Stelle des Sitzes (2A) überträgt; eine Elektrohydraulikeinheit (1), welche ein hydraulisches Verteilerventil (16) zur Steuerung des Ventils (2) aufweist; und eine Steuervorrichtung (4) zum Steuern der Brennkraftmaschine (M); wobei das hydraulische Verteilerventil (16) ein Gleitstück (31) aufweist, das so ausgelegt ist, dass es zwei stabile Positionen an zwei sich gegenüberliegenden Anschlägen (32, 33) einnimmt und während des Betriebs der Brennkraftmaschine (M) zweite Vibrationen an der Stelle der sich gegenüberliegenden Anschläge (32, 33) überträgt; wobei die Brennkraftmaschine (M) dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuervorrichtung (4) umfasst: Erfassungsmittel (40, 43; 40, 42; 40; 44) zum Erfassen eines ersten Signals (Sv; S), das mit einer ersten Aufschlagenergie korreliert, welche die ersten Vibrationen erzeugt, und zum Erfassen eines zweiten Signals (Sc; S), das mit einer zweiten Aufschlagenergie korreliert, welche die zweiten Vibrationen erzeugt; Berechnungsmittel (40) zum Berechnen einer ersten Aufschlaggeschwindigkeit (Viv) in Abhängigkeit von dem ersten Signal (Sv; S) und zum Berechnen einer zweiten Aufschlaggeschwindigkeit (Vic) in Abhängigkeit von dem zweiten Signal (Sc; S); Erfassungsmittel (40, 42; 40, 43; 40; 44) zum Erfassen eines ersten Zeitpunkts (tc), in dem der erste Aufschlag stattfindet, und zum Erfassen eines zweiten Zeitpunkts (tP1; tP2), in dem der zweite Aufschlag stattfindet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel (40, 42; 40, 43; 40; 44) mindestens einen Sensor (43, 42; 44) umfassen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel (40, 42; 40, 43; 40, 44) Filter (F1, F2, F3 bis FN) umfassen, die dazu ausgelegt sind, die ersten und zweiten Signale (Sv; Sc; S) zu filtern.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (42, 43; 44) um einen Beschleunigungsmesser handelt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (M) einen Detonationssensor (44) umfasst, wobei das Verfahren die Verwendung dieses Sensors (44) als einen Beschleunigungsmesser vorsieht, um die ersten und zweiten Signale (S) zu erfassen.
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