DE68917861T2

DE68917861T2 - Ventilsteuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen.

Info

Publication number: DE68917861T2
Application number: DE68917861T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2009-11-01
Also published as: US5076222A; JPH0617642B2; EP0367552A1; DE68917861D1; EP0367552B1; JPH02123214A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventilsteuersystem für elektromagnetisch betätigbare Einlaß- und Auslaßventile eines Verbrennungsmotors.
Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen zeigt einen herkömmlichen Verbrennungsmotor. Wenn Kraftstoff in einer Verbrennungskammer 1 verbrannt wird, wird ein Kolben 2 abgesenkt, so daß eine Kurbelwelle 4 durch eine Verbindungsstange 3 gedreht wird. In einem Zylinderkopf angeordnete Einlaß- und Auslaßventile 8,9 werden durch Kipphebel 6,7 geöffnet und geschlossen, welche durch eine Nockenwelle 5 betrieben werden, die operativ mit der Kurbelwelle 4 durch einen Steuerriemen und Rollen gekoppelt ist.
Wenn der Verbrennungsmotor in einem hohen Geschwindigkeitsbereich arbeitet, werden die Zeitspannen, welche zum Zuführen von Ansaugluft und Abführen von Abgas notwendig sind, verringert und folglich muß die Ansaugluft sehr schnell zugeführt und das Abgas sehr schnell entladen werden. Wenn die Fläche, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet sind, gering ist, dann werden die zugeführten Ansaugluft - und abgeführten Abgasmengen gesenkt, woraus eine Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrades der Ansaugluft resultiert. Es besteht das Bestreben, daß die Fläche, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile mit Bezug auf den Kurbelwellenwinkel geöffnet sind, kleiner ist, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit niedriger ist und größer ist, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit höher ist.
Jedoch wird die Ventilöffnungsfläche nur durch die Profile der Nocken festgelegt, da die Einlaß- und Auslaßventile durch Nocken auf der Nockenwelle 5 geöffnet und geschlossen werden, welche sich - wie oben beschrieben - synchron mit der Kurbelwelle 4 dreht. Es besteht nicht die Möglichkeit, die Ventilöffnungsfläche in Abhängigkeit von der Motorumdrehungsgeschwindigkeit zu variieren.
Ventilsteuersysteme, bei welchen Einlaß- und Auslaßventile durch elektromagnetische Betätigungsmittel betrieben werden, wurden wie in den japanischen, offengelegten Patentveröffentlichungen Nr. 58/183805 und 61/76713 offenbart, vorgeschlagen. Diese Veröffentlichungen offenbaren lediglich, daß die Einlaß- und Auslaßventile durch elektromagnetische Betätigungsmittel betrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Steuersystem zum Steuern der Einlaß- und Auslaßventile eines Verbrennungsmotors zu schaffen, wobei das Steuersystem elektromagnetische Betätigungsmittel, für das elektromagnetische Betätigen der Einlaß- und Auslaßventile enthält, wobei die elektromagnetischen Betätigungsmittel in Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors derart gesteuert werden, daß die Fläche, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile mit Bezug auf den Kurbelwellenwinkel geöffnet werden, kleiner ist, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit niedriger ist und größer ist, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit höher ist, so daß die volumetrische Effizienz der Ansaugluft über den kompletten Bereich der Motorumdrehungsgeschwindigkeiten hoch ist.
JP-A-59-162312 offenbart ein System, bei welchem das Öffnen und Schließen der Ventile durch Elektromagneten gesteuert wird.
Gemäß der Erfindung ist ein Steuersystem zum Steuern der Einlaß- und Auslaßventile eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei das System umfaßt:
elektromagnetische Betätigungsmittel zum Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßventile;
einen Motorgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors;
einen Kurbelwellen-Winkelsensor zum Erfassen der Winkelstellung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors;
Zeitsteuer-Berechnungsmittel zum Berechnen der Zeitsteuerung, bei welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet und geschlossen werden müssen, basierend auf einem erfaßten Signal von dem Kurbelwellen-Winkelsensor;
Ventilhub-Berechnungsmittel zum Berechnen des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile, basierend auf einem erfaßten Signal von dem Motorgeschwindigkeitssensor; und
Steuermitteln von Anlegen zum Antriebssignalen an die elektromagnetischen Betätigungsmittel in Abhängigkeit von der berechneten Zeitsteuerung und Hub, dadurch gekennzeichnet, daß:
die elektromagnetischen Betätigungsmittel für jedes der Einlaß- und Auslaßventile ein bewegbares Element aus magnetischem Material, welches auf einem oberen Ende des Ventilstössels befestigt ist und obere und untere Elektromagneten umfassen, welche oberhalb und unterhalb des bewegbaren Elementes, zu diesem beabstandet angeordnet sind;
daß die Ventilhub-Berechnungsmittel Mittel zum Verringern des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors niedriger ist, und zum Erhöhen des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors höher ist umfassen, so daß die Fläche, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet sind, zunimmt, wenn sich die Motorumdrehungsgeschwindigkeit erhöht;
daß die Steuermittel Mittel zum Steuern der zu den elektromagnetischen Betätigungsmitteln zuzuführenden elektrischen Leistung, basierend auf dem berechneten Hub der Einlaß- und Auslaßventile und Mittel zum Erregen des unteren Elektromagneten, so daß jedes der Ventile geöffnet wird, umfassen und anschließend zum Ausschalten des unteren Elektromagneten und zum Erregen des oberen Elektromagneten, wenn der Kurbelwellenwinkel einen ersten vorgegebenen Winkel erreicht, bevor das Ventil einen berechneten maximalen Ventilöffnungswert erreicht, so daß eine nach oben gerichtete Anziehungskraft erzeugt wird, um die Geschwindigkeit der Öffnungsbewegung des Ventils zu verringern und zum Abschalten des oberen Elektromagneten und zum Erregen des unteren Elektromagneten, wenn die Kurbelwelle einen zweiten vorgegebenen Winkel erreicht, bevor das Ventil geschlossen ist, so daß eine nach unten gerichtete Anziehungskraft erzeugt wird, um die Geschwindigkeit der Schließbewegung des Ventils zu verringern.
Die oben erläuterten Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels eines erläuternden Beispieles dargestellt ist.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise in Blockform, eines erfindungsgemäßen Ventilsteuersystems für einen Verbrennungsmotor;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Einlaß- und Auslaßventil-Betätigungsmechanismus eines Verbrennungsmotors;
Fig. 3 (a) ein Diagramm, welches die Zeitsteuerung darstellt, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet und geschlossen werden;
Fig. 3 (b) ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen den Motorumdrehungsgeschwindigkeiten und dem Öffnen der Ventile darstellt; und
Fig. 4 einen Graphen, welcher darstellt, in welcher Form die Zuführung von elektrischer Energie zu den Elektromagneten für die Ventilsteuerung gesteuert wird.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventilsteuersystem für einen Verbrennungsmotor.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist ein Verbrennungsmotor 54 ein Einlaßventil 8 in jedem der Zylinder auf. Das Einlaßventil 8 besteht aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Siliziumnitrit oder Siliziumkarbid und ist verschiebbar in eine Ventilführung 51 eingepaßt, welche in einem Zylinderkopf befestigt ist und aus einem keramischen Material, wie etwa Siliziumnitrit oder Siliziumkarbid besteht. Ein bewegbares Element 57 aus magnetischem Material ist starr auf das obere Ende des Stössels des Einlaßventils 8 aufgebracht. Ein oberer Elektromagnet 52 und ein unterer Elektromagnet 53 sind oberhalb bzw. unterhalb des bewegbaren Elementes 57 dazu beabstandet angeordnet. Zwischen der Ventilführung 51 und dem bewegbaren Element 57 ist eine Schraubenfeder 58 angeordnet, so daß das Einlaßventil 8 normalerweise zum Schließen der Einlaßöffnung forciert wird, so daß das Einlaßventil 8 gehindert wird, versetzt oder abgesenkt zu werden, wenn die oberen und unteren Elektromagneten 52, 53 abgeschaltet werden. Ein Auslaßventil (nicht dargestellt) wird auch durch eine Ventilbetätigungseinrichtung betätigt, welche den gleichen Aufbau, wie oben beschrieben, aufweist, und welche nicht detailliert beschrieben wird.
Wenn das Ventil 8 geschlossen wird, wird die Spule des oberen Elektromagneten 52 kontinuierlich erregt, so daß das bewegbare Element 57 nach oben angezogen wird, wodurch das Ventil 8 geschlossen gehalten wird. Um das Ventil 8 zu öffnen, wird die Spule des oberen Elektromagneten 52 abgeschaltet, so daß das bewegbare Element 57 von der nach oben gerichteten Anziehungskraft gelöst wird und die Spule des unteren Elektromagneten 53 wird gleichzeitig erregt, um eine nach unten gerichtete Anziehungskraft zu erzeugen. Das bewegbare Element 57 wird somit in Richtung des unteren Elektromagneten 53 angezogen, so daß das Ventil 8 nach unten bewegt wird, wodurch die Einlaßöffnung geöffnet wird. Um das Ventil aus dem offenen Zustand zu schließen, wird die Spule des unteren Elektromagneten 53 abgeschaltet, so daß das bewegbare Element 57 von der nach unten gerichteten Anziehungskraft gelöst wird, und die Spule des oberen Elektromagneten 52 wird erregt, um das bewegbare Element 57 nach oben anzuziehen. Antriebssignale zum Erregen der oberen und unteren Elektromagneten 52, 53 werden durch eine Steuereinheit 56 erzeugt, welche nachfolgend beschrieben wird.
Die Steuereinheit 56 umfaßt eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 56a, welche arithmetische Vorgänge gemäß einem Programm ausführt, einen Festwertspeicher (ROM) 56d zum Speichern des Programms und verschiedener vorgegebener Werte, wie etwa eine Verweistabelle der Motorumdrehungsgeschwindigkeiten und Ventilöffnungswerte, einen Operationsspeicher (RAM) 56e zum temporären Speichern der Ergebnisse der arithmetischen Operationen, welche durch die CPU 56a und Daten ausgeführt wurden, einen Steuerspeicher 56b zum Steuern des Betriebes der verschiedenen Komponenten der Steuereinheit 56 und ein Eingang-/Ausganginterface 56c.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 54 wird durch einen Motorumdrehungsgeschwindigkeitssensor 541 erfaßt und der obere Totpunkt des Kolbens in jedem Zylinder und die Winkelstellung der Kurbelwelle des Motors 54 werden durch einen Kurbelwellenwinkelsensor 542 detektiert. Die von den Sensoren 541, 542 erfaßten Signale werden dem Eingang-/Ausganginterface 56c der Steuereinheit 56 zugeführt.
Das Ventilsteuersystem der Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
Die Steuereinheit 56 empfängt das Kurbelwellenwinkelsignal und das Motorumdrehungsgeschwindigkeitssignal von dem Kurbelwellenwinkelsensor 542 und dem Motorumdrehungsgeschwindigkeitssensor 541 durch das Eingang-/Ausganginterface 56c und speichert die empfangenen Signale in dem RAM 56e. Anschließend berechnet die Steuereinheit 56 die Zeitsteuerung, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile zu öffnen und zu schließen sind, basierend auf dem Kurbelwellenwinkelsignal und bestimmt die Ventilöffnung aus der Verweistabelle, welche in dem ROM 56d gespeichert ist, basierend auf dem Motorumdrehungsgeschwindigkeitssignal, welches in dem RAM 56e gespeichert ist.
Die in dem ROM 56d gespeicherte Verweistabelle wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 3(a) und 3(b) beschrieben. Fig. 3(a) zeigt die Zeitsteuerung, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet und geschlossen werden und die Figur 3(b) zeigt die Beziehung zwischen den Motorumdrehungsgeschwindigkeiten und den Ventilöffnungswerten. Die horizontale Achse des Graphen von Fig. 3(b) stellt die Kurbelwellenwinkel dar, wobei der obere Totpunkt (TDC) in dessen Mitte angeordnet ist, und der untere Totpunkt (BDC) an dessen linken und rechten Enden angesiedelt ist. Die vertikale Achse von Fig. 3(b) zeigt das Öffnen der Einlaß- und Auslaßventile, wobei die Ventile progressiv entlang der vertikelen Achse nach oben mehr geöffnet und entlang der vertikalen Achse nach unten mehr geschlossen werden. Die Form, mit welcher das Auslaßventil geöffnet und geschlossen wird, ist auf der linken Seite des Graphen von Fig. 3(b) dargestellt, wohingegen die Form, mit welcher das Einlaßventil geöffnet und geschlossen wird, auf der rechten Seite des Graphen gezeigt ist. Die durchgezogenen Kurven stellen das Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßventile dar, welches durch die herkömmlichen Ventilbetätigungssysteme gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Art, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile gesteuert werden, während die Motorumdrehungsgeschwindigkeit hoch ist, wird durch Strichgepunktete Kurven dargestellt und die erfindungsgemäße Art, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile gesteuert werden, während die Motorumdrehungsgeschwindigkeit niedrig ist, wird durch Kurven mit zwei Punkten und zwei Strichen dargestellt.
Wie in Fig. 3(b) dargestellt ist, erhöht das Ventilsteuersystem der Erfindung den Hub des Einlaß- und Auslaßventils, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit höher ist und verringert den Hub der Einlaß- und Auslaßventile, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit niedriger ist.
Ein Vorgang zum Steuern der elektrischen Energieversorgung der oberen und unteren Elektromagneten 52, 53 während der Ventilsteuerung wird mit Bezug auf die Fig. 4 beschrieben.
Fig. 4 zeigt an ihrer unteren Seite eine Kurve, welche dem Nockenprofil der Nockenwelle entspricht. Die vertikale Achse von Fig. 4 stellt die Ventilöffnung (den Abstand, um welchen sich das Ventil bewegt hat) entsprechend dem Hub der Nockenprofile dar, und die horizontale Achse zeigt den Kurbelwellenwinkel, welcher von einem Winkel IO dargestellt wird, von wo das Einlaßventil beginnt, sich zu einem Winkel IC zu öffnen, bei dem das Einlaßventil vollständig geschlossen ist. Fig. 4 zeigt an ihrer oberen Seite, wie die oberen und unteren Elektromagneten 52, 53 erregt werden und auch Anziehungskräfte, welche durch diese Elektromagneten erzeugt werden. Die durch die Elektromagneten erzeugte Anziehungskräfte sind umgekehrt proportional zum Abstandsquadrat zum magnetisch bewegbaren Element 57 und werden durch quadratische Kurven Fa, Fb, Fc, Fd dargestellt. Wenn das Einlaßventil 8 geschlossen ist, wird die Spule des oberen Elektromagneten 52 kontinuierlich erregt, so daß das Einlaßventil 8 geschlossen bleibt, und das Einlaßventil 8 wird nach oben durch das bewegbare Element 57 angezogen. Bei der Zeitsteuerung von IO wird der obere Elektromagnet 52 abgeschaltet, so daß die nach oben gerichtete Anziehungskraft entfernt wird, und der untere Elektromagnet 53 wird erregt, um eine nach unten gerichtete Anziehungskraft Fa zu erzeugen. Das Einlaßventil 8 wird nun nach unten bewegt, um die Einlaßöffnung zu öffnen. Wenn der Kurbelwellenwinkel einen ersten vorgegebenen Winkel erreicht, wird der untere Elektromagnet 53 abgeschaltet und der obere Elektromagnet 53 erregt, um eine nach oben gerichtete Anziehungskraft Fa zu erzeugen, wodurch die Geschwindigkeit der nach unten gerichteten Bewegung des Einlaßventils 8 verringert wird. Wenn der Winkel θc von IO erreicht wird, wird die Ventilöffnung maximiert (die Distanz, um welche sich das Ventil bewegt hat). Wenn der Winkel θc erreicht wird, wird die Spannung, mit welcher der obere Elektromagnet 52 erregt wird, variiert, so daß die nach oben gerichtete Anziehungskraft von Fb zu Fc verändert wird. Anschließend wird der obere Elektromagnet 52, wenn der Kurbelwellenwinkel einen zweiten vorgegebenen Winkel erreicht, abgeschaltet und der untere Elektromagnet 52 erregt, so daß eine nach unten gerichtete Anziehungskraft Fd erzeugt wird, welche die nach unten gerichtete Bewegung des Einlaßventils 8 verringert. Der beim Absitzen des Einlaßventils 8 erzeugte Stoß kann folglich verringert werden. Wenn das ventilgesteuerte System inaktiviert wird, wie etwa beim Anhalten des Kraftfahrzeugs, wird das Einlaßventil 8 daran gehindert, sich nach unten zu bewegen, durch die Schraubenfeder 58, welche das Einlaßventil 8 normalerweise nach oben drückt. Die Federkraft der Schraubenfeder 58 wird derart gewählt, daß es die Anziehungskräfte Fa, Fd nicht beeinflußt, wenn sie durch den unteren Elektromagneten 53 erzeugt werden.
Obwohl die Steuerung des Betriebes des Einlaßventils 8 oben erläutert wurde, kann das Auslaßventil gleichzeitig bei dessen Betrieb gesteuert werden, wobei die Zeitsteuerung des Öffnens und Schließens des Auslaßventils unterschiedlich ist.
Bei dem oben beschriebenen Ventilsteuersystem der Erfindung werden die Einlaß- und Auslaßventile des Verbrennungsmotors mittels elektromagnetischer Kräfte durch die elektromagnetischen Betätigungsmittel betrieben und die elektrische Energie, welche den elektromagnetischen Betätigungsmitteln zugeführt wird, wird in Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit derart gesteuert, daß die zugeführte elektrische Energie geringer ist, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit niedriger ist und größer ist, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit höher ist, so daß die Fläche, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet sind, zunimmt, wenn die Motorgeschwindigkeit sich erhöht. Somit kann die Einlaß- und Auslaßwirkung im kompletten Bereich der Motorumdrehungsgeschwindigkeiten erhöht werden. Da die Einlaß- und Auslaßventile aus einem keramischen Material bestehen, sind sie leichter als Metallventile und können gleichmäßig betrieben werden, da die an ihnen auftretenden Trägheitskräfte klein sind. Zusätzlich können die Einlaß- und Auslaßventile durch kleinere Antriebskräfte angetrieben werden, welche durch die elektromagnetischen Betätigungsmittel erzeugt werden.

Claims

1. Steuersystem zum Steuern von Einlaß- und Auslaßventilen eines Verbrennungsmotors, wobei das System umfaßt:

- elektromagnetische Betätigungsmittel zum Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßventile;

- einen Motorgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors;

- einen Kurbelwellen-Winkelsensor zum Erfassen der Winkelstellung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors;

- Zeitsteuer-Berechnungsmittel zum Berechnen der Zeitsteuerung, bei welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet und geschlossen werden müssen, basierend auf einem erfaßten Signal von dem Kurbelwellen-Winkelsensor;

- Ventilhub-Berechnungsmittel zum Berechnen des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile, basierend auf einem erfaßten Signal von dem Motorgeschwindigkeitssensor; und

- Steuermitteln von Anlegen zum Antriebssignalen an die elektromagnetischen Betätigungsmittel in Abhängigkeit von der berechneten Zeitsteuerung und Hub, dadurch gekennzeichnet, daß:

die elektromagnetischen Betätigungsmittel für jedes der Einlaß- und Auslaßventile ein bewegbares Element aus magnetischem Material, welches auf einem oberen Ende des Ventilstössels befestigt ist und obere und untere Elektromagneten umfassen, welche oberhalb und unterhalb des bewegbaren Elementes, zu diesem beabstandet angeordnet sind;

daß die Ventilhub-Berechnungsmittel Mittel zum Verringern des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors niedriger ist, und zum Erhöhen des Hubes der Einlaß- und Auslaßventile, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors höher ist umfassen, so daß die Fläche, mit welcher die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet sind, zunimmt, wenn sich die Motorumdrehungsgeschwindigkeit erhöht;

daß die Steuermittel Mittel zum Steuern der zu den elektromagnetischen Betätigungsmitteln zuzuführenden elektrischen Leistung, basierend auf dem berechneten Hub der Einlaß- und Auslaßventile und Mittel zum Erregen des unteren Elektromagneten, so daß jedes der Ventile geöffnet wird, umfassen und anschließend zum Ausschalten des unteren Elektromagneten und zum Erregen des oberen Elektromagneten, wenn der Kurbelwellenwinkel einen ersten vorgegebenen Winkel erreicht, bevor das Ventil einen berechneten maximalen Ventilöffnungswert erreicht, so daß eine nach oben gerichtete Anziehungskraft erzeugt wird, um die Geschwindigkeit der Öffnungsbewegung des Ventils zu verringern und zum Abschalten des oberen Elektromagneten und zum Erregen des unteren Elektromagneten, wenn die Kurbelwelle einen zweiten vorgegebenen Winkel erreicht, bevor das Ventil geschlossen ist, so daß eine nach unten gerichtete Anziehungskraft erzeugt wird, um die Geschwindigkeit der Schließbewegung des Ventils zu verringern.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Einlaß- und Auslaßventile aus einem keramischen Material bestehen.