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 aus1 ausgestatteten Maschine zeigt. - In
1 wird eine Brennkraftmaschine insgesamt durch M gezeigt und umfasst einen Kopf T und eine elektrohydraulische Betätigungseinheit1 für das Stellglied der Ventile2 .1 zeigt ein einziges Ventil2 , das mit einem entsprechenden Sitz2A , welcher an dem Kopf T angebracht ist, gekoppelt ist, obwohl sich versteht, dass die elektrohydraulische Einheit1 dazu ausgelegt ist, alle Einlass- und Auslassventile der Maschine M anzutreiben. In dieser Beschreibung wird das Öffnen des Ventils2 als die Phase des Übergangs des Ventils2 aus der geschlossenen Position in die Position der maximalen Öffnung definiert; das Schließen des Ventils2 wird als die Phase des Übergangs des Ventils2 aus der Position der maximalen Öffnung in die geschlossene Position definiert; und das Halten wird definiert als die Phase, während der das Ventil2 in der Position der maximalen Öffnung verweilt. Die Begriffe Öffnen, Schließen und Halten des Ventils2 haben somit dieselbe Bedeutung. - Die Einheit
1 umfasst eine hydraulische Schaltung3 und eine Steuervorrichtung4 . Die hydraulische Schaltung3 umfasst wiederum eine Schaltung5 , die allen Ventilen2 und einer Vielzahl von Betätigungsvorrichtungen6 , welche jeweils mit einem entsprechenden Ventil2 verbunden sind, gemeinsam ist. In1 wurde zur Vereinfachung nur eine Vorrichtung6 , die mit ihrem entsprechenden Ventil2 verbunden ist, gezeigt. - Die Schaltung
5 umfasst einen Tank7 zum Sammeln von Ö1 bei Umgebungsdruck, eine Pumpeneinheit8 und zwei Zweige9 und10 , welche mit dem unter Druck stehenden Fluid versorgt werden, und entlang derer jeweilige Druckregulatoren11 und12 und jeweilige Druckansammler13 und14 in Reihe angeordnet sind. Die beiden Zweige9 und10 der Schaltung5 , die sich stromabwärts der jeweiligen Sammler13 und14 befinden, sind mit den Betätigungsvorrichtungen6 verbunden, von denen jede einen Steuerauswähler14 , ein Gleitverteilerventil16 und ein Hydraulikstellglied17 , das starr mit dem Ventil2 verbunden ist, umfasst. Der Auswähler15 ist mit dem Zweig10 , dem Tank7 und einem Zweig18 verbunden, welcher den Auswähler15 mit dem Gleitverteilerventil16 verbindet, um dieses Gleitverteilerventil16 anzutreiben. - Das Gleitventil
16 ist mit dem Zweig9 , dem Tank7 und einem Zufuhrzweig19 zu dem Stellglied17 und einem Auslasszweig20 von dem Stellglied17 verbunden. - Der Auswähler
15 ist ein Dreiwegeventil, das durch einen Elektromagneten23 und eine Feder24 gesteuert wird und dazu ausgelegt ist, zwei Positionen einzunehmen: wenn der Elektromagnet23 nicht angeregt ist, hält die Feder24 den Auswähler in der ersten Position, in der der Zweig10 geschlossen ist, während der Zweig18 mit dem Tank7 verbunden ist (1 ); wenn der Elektromagnet23 angeregt ist, überwindet er die Kraft der Feder24 und verschiebt den Auswähler15 in die zweite Position, in der der Zweig10 mit dem Zweig18 verbunden ist. - Das Gleitverteilerventil
16 ist ein Vierwegeventil, das durch einen Kolben25 und eine Feder26 angetrieben wird und dazu ausgelegt ist, im Wesentlichen vier Betriebspositionen, die durch P1, P2, P3 und P4 in1 angezeigt sind, einzunehmen. Obwohl das Gleitventil16 vier Betriebspositionen P1, P2, P3 und P4 aufweist, hat es in der Praxis nur zwei stabile Positionen, d.h. die in1 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 Zweig20 mit dem Tank7 verbunden, während der Zweig9 und der Zweig19 unterbrochen sind. In der Betriebsposition P2 sind alle Verbindungen unterbrochen. In der Betriebsposition P3 ist der Zweig9 mit dem Zweig19 verbunden, während der Auslasszweig20 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 Zylinder27 , einen Kolben28 , der mit dem Ventil2 und einer Feder29 verbunden ist, welche dazu ausgelegt ist, das Ventil2 in der geschlossenen Position zu halten. - Das Gleitventil
17 umfasst eine Buchse30 , ein Gleitstück31 , das in der Buchse30 gleitet, und zwei Endanschläge32 und33 , die die jeweiligen stabilen Betriebspositionen P1 und P4 definieren. - Die Steuervorrichtung
4 umfasst eine elektronische Steuereinheit40 , 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 Ventils2 bestimmt. Die Einheit40 steuert daher den Elektromagneten23 , um das Stellglied des Auswählers15 , das Gleitverteilerventil16 und das lineare Stellglied17 kaskadenartig zu bestimmen. Die Steuervorrichtung4 umfasst ferner einen an dem Gleitverteilerventil16 angebrachten Beschleunigungsmesser42 und einen an dem Kopf T angebrachten Beschleunigungsmesser43 . - Die Einheit
40 steuert nicht nur den Elektromagneten23 , sondern auch die Druckregulatoren11 und12 und den variablen Durchlassquerschnitt der Öffnung23 und erfasst die durch die Beschleunigungsmesser42 und43 zugeführten Signale, um den zugewiesenen Zyklus in Abhängigkeit von den durch die Beschleunigungsmesser42 und43 zugeführten Signalen zu modifizieren. - Die durch den Beschleunigungsmesser
42 erfassten Signale korrelieren im Wesentlichen mit den Vibrationen, die durch die Aufschläge des Gleitstücks31 gegen die Anschläge32 und33 verursacht werden, während die Signale, die durch den Beschleunigungsmesser43 erfasst werden, mit den Vibrationen korrelieren, die durch die Aufschläge des Ventils2 gegen seinen jeweiligen Sitz2A 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 Gleitstücks31 bzw. des Ventils2 . - Im Betrieb regt die Steuereinheit
40 den Elektromagneten23 gemäß einem zugewiesenen Zyklus an, um die Betätigung des Auswählers15 des Gleitventils16 und des Stellglieds17 kaskadenartig zu bestimmen. Die Sensoren42 und43 erfassen jeweilige Signale Fc und Fv und die Einheit40 verarbeitet diese Signale Fc und Fv, um die Aufschlaggeschwindigkeit Fic des Gleitstücks31 gegen die jeweiligen Anschläge32 und33 und die Aufschlaggeschwindigkeit Viv des Ventils2 gegen seinen jeweiligen Sitz2A zu berechnen. Die Aufschlaggeschwindigkeiten des Gleitstücks31 werden, unabhängig davon, ob es sich um eine Aufschlaggeschwindigkeit gegen den Anschlag32 oder gegen den Anschlag33 handelt, durch Vi angezeigt. Die Einheit40 erfasst den Zeitpunkt tc des Schließens des Ventils2 : Der Zeitpunkt tc ist der Zeitpunkt, in dem der Aufschlag zwischen dem Ventil2 und seinem jeweiligen Sitz2A stattfindet. Die Steuereinheit40 erfasst auch die Zeitpunkte tP1 und tP4, bei denen es sich um die Zeitpunkte handelt, in denen das Gleitstück31 gegen den Anschlag31 bzw. den Anschlag32 anschlägt. - Auf Basis dieser Daten tc, tP1, tP2, Viv und Vic ist die Steuereinheit
40 in der Lage, die Befehle des Elektromagneten23 im Regelkreis zu modifizieren. Die Steuereinheit40 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 Sensoren42 und43 verzichtet und die Steuervorrichtung40 umfasst neben der Einheit40 einen Beschleunigungsmesser44 , der an dem Kopf T der Maschine M angebracht ist. Im Wesentlichen ist der Beschleunigungsmesser44 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 Ventile2 oder mit einem der Gleitstücke31 verbunden ist. Aus diesem Grund umfasst die Steuervorrichtung4 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 Steuereinheit40 wie in Bezug auf1 beschrieben, betrieben. - Die Variante aus
2 ist insbesondere deshalb so einfach, da sie das Anbringen eines einzigen Sensors44 an der Maschine M enthält. Diese Einfachheit der Konstruktion ist dann noch ersichtlicher, wenn der Sensor44 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 Gleitstück31 oder einem Ventil2 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 Vorrichtung4 könnte beispielsweise den Detonationssensor44 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)
- 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. - 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. - 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.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (
42 ;43 ,44 ) um einen Beschleunigungsmesser handelt. - 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. - 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. - 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. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel (
40 ,42 ;40 ,43 ;40 ;44 ) mindestens einen Sensor (43 ,42 ;44 ) umfassen. - 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. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensor (
42 ,43 ;44 ) um einen Beschleunigungsmesser handelt. - 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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