DE69401588T2 - Verfahren und vorrichtung zur optimierung der luftfüllung in einem zylinder einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optimierung der luftfüllung in einem zylinder einer brennkraftmaschine

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren der Luftfüllung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors bei starker Ladung und insbesondere ein solches Verfahren, das mit Hilfe von Mitteln durchgeführt wird, die eine Änderung des Schließzeitpunktes eines diesem Zylinder zugeordneten Einlaßventiles ermöglichen. Die vorliegende Erfindung hat außerdem zum Ziel, eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zu schaffen.
  • Herkömmlicherweise wird der "Hub" eines Einlaß- oder Auslaßventils durch einen Nocken gesteuert, der mit der Kurbelwelle des Motors oder einer Nockenwelle, die synchron mit dieser umläuft, fest verbunden ist. Die mechanische Verbindung zwischen jedem Ventil und dem zugehörigen Steuemocken ist starr, und die "Ereignisse", die das Öffnen und Schließen des Ventils bestimmen, finden zu vorgegebenen und unveränderlichen Zeitpunkten des Betriebszyklus des Motors bzw. des "Motorzyklus" statt.
  • Heutzutage sollen diese Ereignisse auf veränderliche und gesteuerte Weise stattfinden, um beispielsweise die von einem Motorzylinder angesaugte Menge der Luft oder des Luft- Kraftstoff-Gemischs oder die in diesem Zylinder zurückgehaltene Brenngasmenge zu regeln.
  • Dies setzt voraus, daß Mittel vorgesehen sind, die eine Steuerung des "Hubs" der Ventile mit der erforderlichen Nachgiebigkeit erlauben, eine Nachgiebigkeit ohne die herkömmlichen Nockenmechanismen. Zu diesem Zweck wurden insbesondere elektromechanische Vorrichtungen beispielsweise mit einem Elektromagneten und mechanisch-hydraulische Vorrichtungen wie z.B. die in Fig. 1 schematisch dargestellte entwickelt.
  • Die letztere besitzt, wie dargestellt, einen herkömmlichen Nocken 1, der auf ein Ventil 2 über eine Kammer 3 einwirkt, die bezüglich des Motors 4 mit beispielsweise vier Zylindem 41, 42, 43, 44 ortsfest ist. Die Kammer 3 ist mit einer Druckflüssigkeit wie z.B. Schmieröl des Motors gefüllt, das von einer Ölpumpe 5 über eine mit einem Rückschlagventil 7 versehene Leitung 6 zugeführt wird.
  • Die Kammer 3 wird von zwei Endkolben 8 und 9 verschlossen. Der Kolben 8 wird normalerweise gegen den Nocken 1 von dem in der Kammer aufgebauten Öldruck angedrückt. Das Ventil 2 ist mit dem Kolben 9 fest verbunden und wird gegen einen Ventilsitz in dem zugehörigen Zylinder 4 durch eine Feder 10 angedrückt, die stark genug ist, um zu verhindern, daß der in der Kammer 9 herrschende Druck allein ein "Abheben" des Ventils bewirken kann. Ein elektrisches Zwei-Wege-Zwei-Stellungs-Ventil 11 ermöglicht eine Druckregelung des Öls in der Kammer, indem es diese wahlweise mit einem atmosphärischer Luft ausgesetzten Niederdruckbehälter 12 in Verbindung setzt. Derartige Vorrichtungen sind bekannt, und es kann diesbezüglich auf die US-A-4,133,332, US-A-4,615,306 und US-A-4,796,573 wegen weiterer Einzelheiten Bezug genommen werden.
  • Die Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Mechanismus ist nun wie folgt: Wenn das elektrische Ventil 11 so gesteuert wird, daß es sich in der in der Figur dargestellten Stellung befindet, ist die Kammer 3 von dem Niederdruckbehälter 12 getrennt, und das Rückschlagventil 6 verhindert ein Rückströmen von Öl in die Leitung 6. Die Inkompressibilität des in der Kammer 3 enthaltenen Öls hat zur Folge, daß Verschiebungen des Kolbens 8 unter der Wirkung des Nockens 1 auf den Kolben 9 und somit auf das Ventil 2 übertragen werden. Dieses führt dann die Verschiebungen aus, die ihm von dem Nocken 1 aufgeprägt werden. Wenn das elektrische Ventil so betätigt wird, daß die Kammer 3 mit dem Niederdruckbehälter 12 verbunden wird, fällt der Druck in dieser Kammer ab, und diese entleert sich, zumindest teilweise, in den Niederdruckbehälter, wenn der Nocken 1 den Kolben 8 nach unten bewegt. Verschiebungen des Kolbens 8 werden nun nicht mehr auf das Ventil übertragen, das an seinem Sitz anliegend in der Schließstellung verbleibt.
  • Wie ersichtlich, lassen sich durch entsprechende Steuerung der Erregung des elektrischen Ventils 11 die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Ventils 2 ändern, wobei der beschriebene Mechanismus eine kurze Ansprechzeit besitzt, die selbst bei hohen Drehzahlen mit der Dauer der Betriebszyklen des Motors kompatibel ist.
  • Diese Steuerung setzt voraus, daß ein dem Motor zugeordneter Rechner 13 einem weiteren Rechner 14 zur Steuerung des Ventilhubes einen Sollwert αc zuführt, der beispielsweise die Winkelstellung der Kurbelwelle bestimmt, in der ein gesteuertes "Ventilereignis" wie z.B. das Öffnen oder Schließen dieses Ventils stattfindet. Die modernen Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einem Rechner für die Zündung und/oder Kraftstoffeinspritzung ausgerüstet, der von Fühlern für den Kurbelwinkel αvil und/oder die Motordrehzahl N, den Druck P in dem Ansaugrohr des Motors, der Temperatur T der Kühlflüssigkeit, der Stellung Ac des Beschleunigerpedals, usw. versorgt wird, um Steuerbefehle für den Voreilwinkel der Zündung A, die Öffnungszeit ti einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, usw. zu ermitteln. Ein solcher Rechner, der in Fig. 1 mit 13 bezeichnet ist, ist somit in der Lage, ausgehend von bestimmten Signalen, die von den erwähnten Fühlern empfangen werden, und insbesondere von einem Signal, das die Motordrehzahl darstellt, den erwähnten Sollwert αc zu ermitteln, welcher die Winkelstellung der Kurbelwelle darstellt, bei der das Öffnen oder Schließen des Ventus stattfinden soll, und zwar in Abhängigkeit von einer oder mehreren Strategien, die in dem Rechner gespeichert sind und von diesem ausgeführt werden, um die Menge der Luft zu regeln, die von einem Zylinder während der Öffnungszeit eines Einlaßventils dieses Zylinders angesaugt wird.
  • Unter diesen Strategien besteht eine darin, daß der Wert αc der Winkelstellung der Kurbelwelle, bei der das Einlaßventil geschlossen werden soll, bei starker Ladung des Motors gesteuert wird. Unter "Ladung" versteht man die Menge der Luft oder des Luft- Kraftstoff-Gemischs, die während jedes Betriebszyklus des Motors in die Motorzylinder eingeführt wird. Diese Menge ist eine Funktion der "Füllung" der Zylinder oder des "volumetrischen Wirkungsgrades" entsprechend dem angelsächsischen Ausdruck, d.h. der Fähigkeit des Motors, als Pumpe zu arbeiten, einer Fähigkeit, die sich in Abhängigkeit von verschiedenen dynamischen Effekten wie z.B. der Fortpflanzung der Druckwellen in dem Ansaugrohr und den Zylindern ändert, welche eine Funktion der Motordrehzahl sind. Es versteht sich, daß man das Drehmoment, das ein Motor bei einer vorgegebenen Drehzahl abgeben kann, optimieren möchte. Zu diesem Zweck muß die "Füllung" der Motorzylinder optimiert werden, da offensichtlich das Drehmoment eine Funktion der Energie ist, die sich der Verbrennung des in diesen Zylindern enthaltenen Luft-Kraftstoff-Gemisches entziehen läßt.
  • In Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen ist mit voll ausgezogenen Linien der klassische Graph des "Hubes" eines Einlaßventils in Abhängigkeit von der entsprechenden Winkelstellung der Kurbelwelle des Motors dargestellt. Dargestellt sind außerdem die Winkelstellungen eines oberen Totpunktes (PMH) und eines unteren Totpunktes (PMB) eines Kolbens, der sich in einem zugehörigen Zylinder während der Einlaßzeit eines Zylinders bewegt, welcher einen Teil beispielsweise eines Viertaktmotors bildet. Dank der Vorrichtung zum Steuern des veränderlichen Ventilhubes, die in Fig. 1 dargestellt ist, lassen sich die Öffhungsstellungen αo und Schließstellungen αf des Einlaßventils ändern. So konnte man zum Optimieren der Zylinderfüllung feststellen, daß sich der Winkel αf zwischen einer Stellung benachbart zum unteren Totpunkt PMB bei niedriger Drehzahl und einer Stellung ändern muß, die um einen Verzögerungswert RFA gegenüber der Schließung umsomehr verzögert ist, je mehr man sich hohen Drehzahlen entsprechend starken Ladungen nähert.
  • Man kann nun daran denken, in einer Speichertabelle 15 des Rechners 13 verschiedene Werte einer Schließverzögerung RFAtab in Abhängigkeit von der Motordrehzahl N zu speichern, wobei eine Steuerelektronik 16 dieses Rechners diesen Speicher beim Berechnen des Sollwinkels αc, bei dem dieses Ventil schließt, abfrägt. Unglücklicherweise ist eine solche Lösung im Hinblick auf die "Robustheit" nicht zufriedenstellend, da sie keine Anpassung der Tabelle der Verzögerungswerte RFA an jeden der in Serie gefertigten Motoren erlaubt, wenn diese unterschiedliche Eigenschaften aufgrund der Herstellungstoleranzen besitzen, und sie erlaubt auch keine Anpassung dieser Tabelle an ein Altern jedes Motors.
  • Es ist auch bereits - beispielsweise in der Patentanmeldung EP-A-0 368 675 - vorgeschlagen worden, die Luftfüllung der Zylinder in der Weise zu optimieren, daß die Ventilschließ-Verzögerungswerte, die in einer Speichertabelle enthalten sind, mittels eines eigenen Fühlers zum Feststellen der Geschwindigkeit des in den Zylinder eintretenden Luftstroms angepaßt werden. Ein solches System verlangt indessen das Vorhandensein mindestens eines speziellen Fühlers und im Fall von Mehrzylindermotoren, die getrennte Einlaßleitungen besitzen, einen Fühler pro Zylinder, was die Kosten des Systems erhöht und seine Betriebssicherheit verringert.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren der Luftfüllung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors bei starker Ladung zu schaffen, welche diese Nachteile nicht besitzt.
  • Diese Ziele der Erfindung sowie weitere, die aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, werden erreicht mit einem Verfahren, bei dem einer Speichertabelle ein Verzögerungswert für das Schließen eines diesem Zylinder zugeordneten Einlaßventils in Abhängigkeit von der Motordrehzahl entnommen wird und das Schließen dieses Ventils in Abhängigkeit von dieser Verzögerung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Betriebs mit stabilisierter Drehzahl bei starker Ladung die eingesetzte Schließverzögerung ausgehend von der gespeicherten schrittweise fortschreitend geändert wird, daß die Ladung des Zylinders vor und nach jedem der aufeinanderfolgenden Schritte gemessen und verglichen wird und daß der gespeicherte Verzögerungswert aktualisiert wird, wenn der Vergleich einen Anstieg der Ladung anzeigt, bis ein Maximum derselben festgestellt wird.
  • Ein solches Verfahren zum Aktualisieren der Tabelle der Einlaßventil-Schließverzögerungswerte, das beispielsweise periodisch ausgeführt wird, erlaubt eine Speicherung von Verzögerungswerten, die spezielle Eigenschaften jedes Exemplars in Serie hergestellter Motoren berücksichtigt, die von den Fertigungstoleranzen wie auch dem speziellen Altem jedes Motors herrühren.
  • Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Mitteln zum Steuern des veränderlichen Hubes eines Einlaßventils eines Zylinders des Verbrennungsmotors und Speichermitteln, die mit Verzögerungswerten für das Schließen dieses Ventils bei starker Ladung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: einen Fühler, der ein die Motorladung darstellendes Signal abgibt, Mittel, die ein die vollständige Öffnung der Drosselklappe darstellendes Signal abgeben, und Mittel, die auf dieses Öffnungssignal ansprechen, um bei stabilisierter Motordrehzahl und starker Ladung eine schrittweise fortschreitende Änderung der auf das Ventil ausgeübten Schließver-zögerung zu steuern, um die von dem Fühler gemessenen Ladungen vor und nach jedem der aufeinanderfolgenden Änderungsschritte zu vergleichen und um den gespeicherten Verzögerungswert bei stabilisierter Ist-Drehzahl zu aktualisieren, wenn die Vergleichsmittel einen Anstieg der gemessenen Ladung feststellen, bis ein Maximum für diese festgestellt wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung hervor, in welcher:
  • - Fig. 1 in schematischer Weise eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt, das bereits teilweise in der Beschreibungseinleitung beschrieben wurde,
  • - Fig. 2 einen in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Graphen darstellt und
  • - Fig. 3 ein Flußdiagramm des Optimierungsverfahrens gemäß der Erfindung ist.
  • Es wird auf die Fig. 3 der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, in der das dargestellte Flußdiagramm vorteilhafterweise dasjenige eines Programmes ist, das von der Rechenelektronik 16 des Rechners 13 ausgeführt wird. Der Eingang in das Programm wird bestimmt durch das Auftreten und die Feststellung eines Betriebes bei starker Ladung des Motors 4 und stabilisierter Motordrehzahl N. Das Eintreten dieser Bedingungen wird von dem Rechner ermittelt auf der Basis von Signalen eines herkömmlichen Fühlers für die Drehzahl N oder eines Fühlers, der ein die vollständige Öffnung der Drosselklappe darstellendes Signal abgibt, beispielsweise eines Kontaktes "Fuß-am-Boden" oder eines Signalwertes zum Niederdrücken des Beschleunigerpedals Ac, der größer als eine vorgegebene Schwelle ist. Die Größen der Ladung, ab der diese von dem erfindungsgemäßen Verfahren als "stark" angesehen wird, kann von dem Fachmann ausgehend von beispielsweise am Prüfstand gemachten Messungen gewählt werden.
  • Wenn die Bedingungen zum Ingangsetzen des Optimierungsverfahrens gemäß der Erfindung von der Elektronik 16 erkannt sind, fragen diese den Speicher 15 ab, um ihm den Schließverzögerungswert RFAtab zu entnehmen um ihn bei der Berechnung des Soll- Wertes αc des Schließwinkels des Ventils bei der gemessenen Drehzahl N zu berücksichtigen. Die Elektronik gibt nun einen Sollwert αc ab, der die in der Speichertabelle abgelesene Schließverzögerung einbezieht. Die Elektronik 16 liest dann ein Signal ein, das die Ladung des Motors darstellt, und zwar beispielsweise den Luftdurchsatz Do, das von einem im Saugrohr 18 des Motors angeordneten Durchsatzfühler 17 nach einer Stabilisierungsdauer dieses Durchsatzes, welche beispielsweise in Motorzyklen gezählt wird, gemessen wird. Die Anzahl x der Motorzyklen kann in Abhängigkeit von Beobachtungen gewählt werden, die am Prüfstand bezüglich der Zeit gemacht wurden, die zum Stabilisieren des Durchsatzes der angesaugten Luft bei Fehlen einer merklichen Änderung der Motordrehzahl erforderlich ist.
  • Nach dem Einlesen des Luftdurchsatzes Do fährt das Programm durch eine inkrementweise Erhöhung der Verzögerung fort, die bei der Berechnung des Soll-Wertes αc wie folgt berücksichtigt wird:
  • RFA = RFAtab + ε,
  • wobei ε ein Inkrement ist, dessen Ermittlung im Kenntnisbereich des Fachmannes liegt. Die Elektronik 16 liest dann den Luftdurchsatz Di (i = 1) ein, der von dem Fühler 17 nach einer Stabilisierung dieses Durchsatzes von x Motorzyklen gemessen wird. Die Elektronik 16 führt dann eine Prüfüng aus, die auf einem Vergleich der Durchsätze Dl und Do basiert. Wenn der Durchsatz Dl kleiner als Do ist, so läßt sich der erwunschte Anstieg des Durchsatzes nicht durch eine Vergrößerung der Verzögerung RFA erzielen. Das Programm verringert nun inkrementweise die Verzögerung ausgehend von dem im Speicher gelesenen Wert, und die Rechenelektronik 16 berücksichtigt dann bei der Berechnung des Einlaßventil-Schließwinkels die Verzögerung wie folgt:
  • RFA = RFAtab - ε
  • Nach dem Einsetzen der auf diese Weise berechneten Stellung und dem Verstreichen von x Motorzyklen für die Stabilisierung erfaßt die Elektronik den von dem Fühler 17 gelieferten Durchsatz D und vergleicht diesen Durchsatz mit dem Durchsatz D&sub0;, der nach dem anfängichen Einsetzen der Verzögerung RFAtab beobachtet wurde. Wenn kein Anstieg des Durchsatzes beobachtet wird, so ist die eingesetzte Verzögerung diejenige, die den maximalen Durchsatz D sicherstellt. Der gespeicherte Wert RFAtab ist nun bestätigt, und das Programm "zum Erlernen" des zu speichernden Wertes RFA ist beendet.
  • Wenn die inkrementweise Erhöhung des vorher eingesetzten Wertes RFA einen Anstieg des Durchsatzes eintreten läßt, kommt es zu einer Aktualisierung des gespeicherten Wertes RFAtab und einer Regelschleife bezüglich einer neuen Erhöhung von RFA mit einer entsprechenden Erhöhung des gespeicherten Wertes, und zwar bis man keinen Anstieg des Durchsatzes mehr beobachtet.
  • Das Programm verwendet die gleiche Regeischleifen- und Aktualisierungsstrategie im Fall einer inkrementweisen Verringeurng des oben beschriebenen Wertes RFA, wie dies aus dem Flußdiagramm der Fig. 3 hervorgeht.
  • Das Lernprogramm für den Wert RFAtab kann selbsttätig während des gesamten "Lebens" des Motors durchgeführt werden, und zwar mit einer Häufigkeit, die der Entwicklung seiner Eigenschaften entspricht, so daß eine Optimierung der Luftfüllung des Motors bei starker Ladung und somit des von diesem abgegebenen Drehmomentes beständig sichergestellt wird. Die Anpassung der gespeicherten Verzögerungswerte RFAtab an spezielle Eigenschaften des Motors und an die Entwicklung seiner Eigenschaften durch Altern des Motors wird somit einwandfrei sichergestellt.
  • Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt, die lediglich als Beispiel gegeben wurde. So kann der Verlauf der "Füllung" des Zylindermotors durch andere Fühler als einen Durchflußmesser sichergestellt werden, beispielsweise durch einen Fühler für das Abtriebsmoment des Motors oder auch durch einen jeder Brennkammer zugeordneten Druckfühler. In der gleichen Weise kann das Verfahren zum Optimieren der Verzögerung gemäß der Erfindung vom Fachmann auch an andere "Ventilereignisse" als die Schließ-Winkelstellung eines Einlaßventils angepaßt werden.
  • Im übrigen wird man feststellen, daß sich die Erfindung besonders gut dazu eignet, mit Hilfe eines Rechners 13 für die Kraftstoffeinspritzung und/oder Zündung durchgeführt zu werden, der mittels einer Kartografie in dem System "Durchsatz-Drehzahl" statt "Druck- Drehzahl" arbeitet, da dann auf einen Druckfühler im Ansaugrohr des Motors verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zum Optimieren der Luftfüllung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors bei starker Ladung, bei dem einer Speichertabelle ein Verzögerungswert (RFAtab) für das Schließen eines diesem Zylinder zugeordneten Einlaßventils (2) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (N) entnommen wird und das Schließen dieses Ventils in Abhängigkeit von dieser Verzögerung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Betriebs mit stabilisierter Drehzahl bei starker Ladung die eingesetzte Schließverzögerung (RFA) ausgehend von der gespeicherten schrittweise fortschreitend geandert wird, daß die Last des Zylinders vor und nach jedem der aufeinanderfolgenden Schritte gemessen und verglichen wird und daß der gespeicherte Verzögerungswert (RFAtab) aktualisiert wird, wenn der Vergleich einen Anstieg der Ladung anzeigt, bis ein Maximum derselben festgestellt wird.
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Ansprüch 1 mit Mitteln (1, 3, 11, 14) zum Steuern des veränderlichen Hubes eines Einlaßventils (2) eines Zylinders (4l) des Verbrennungsmotors (4) und Speichermitteln (15), die mit Verzögerungswerten (RFAtab) für das Schließen dieses Ventils bei starker Ladung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (N) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: einen Fühler (17), der ein die Motorladung darstellendes Signal abgibt, Mittel, die ein die vollständige Öffnung der Drosselklappe darstellendes Signal abgeben, und Mittel (16), die auf dieses Öffnungssignal ansprechen, um bei stabilisierter Motordrehzahl (N) und starker Ladung eine schrittweise fortschreitende Änderung der auf das Ventil ausgeübten Schließverzögerung (RFA) zu steuern, um die von dem Fühler (17) gemessenen Ladungen vor und nach jedem der aufeinanderfolgenden Änderungsschritte zu vergleichen und um den gespeicherten Verzögerungswert (RFAtab) bei stabilisierter Ist-Drehzahl (N) zu aktualisieren, wenn die Vergleichsmittel einen Anstieg der gemessenen Ladung feststellen, bis ein Maximum für diese festgestellt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler, der ein die Motorladung darstellendes Signal abgibt, ein Durchsatzmesser (17) ist, der in dem Luftansaugrohr des Motors angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler, der ein die Motorladung darstellendes Signal abgibt, ein Fühler für das Drehmoment ist, das an der Abtriebswelle des Motors zur Verfügung steht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern einer schrittweise fortschreitenden Anderung der Schließverzögerung des Ventils Logikmittel sind, die in elektronischen Mitteln (16) zum Berechnen der Schließstellung des Ventils integriert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Mittel (16) einen Teil eines Rechners (13) für den Voreilwinkel der Zündung und/oder die Kraftstoffeinspritzzeit des Verbrennungsmotors bilden.
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