EP1314861A2 - Verfahren und System zur Erkennung des Ventilspiels und der Lage Ventilöffnungsnocken - Google Patents

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EP1314861A2 EP02023184A EP02023184A EP1314861A2 EP 1314861 A2 EP1314861 A2 EP 1314861A2 EP 02023184 A EP02023184 A EP 02023184A EP 02023184 A EP02023184 A EP 02023184A EP 1314861 A2 EP1314861 A2 EP 1314861A2
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    • F01L1/20—Adjusting or compensating clearance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F01L3/24—Safety means or accessories, not provided for in preceding sub- groups of this group
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/025—Engine noise, e.g. determined by using an acoustic sensor

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for recognizing the Valve play in internal combustion engines and for detecting the actual position of the Valve opening cams on engines with and without camshaft adjustment systems.
  • valve clearance of the charge exchange elements of internal combustion engines measured only during regular inspections of the internal combustion engine and corrected if necessary. Inspections are usually carried out by the engine manufacturer predetermined intervals (e.g. running distance or operating time) instead.
  • a alternative way to set the inspection intervals is based on an im Vehicle existing evaluation and display device, for example the Running distance, operating time, operating circumstances of the use of the internal combustion engine (e.g. B. frequent cold start, short operation, runtime shares with high loads or speeds) and the like registered and evaluated and accordingly a request prompted for inspection.
  • the inspection takes place in usually too early, which causes unnecessary costs, especially if the sum of all inspections over the entire life of the internal combustion engine is taken into account. Furthermore, it does not take into account that unforeseen changes that require an inspection are registered and be displayed. For example, it is not recognized if this is Valve play of the charge exchange organs changed excessively and thus by the continued operation of the engine there is a risk of damaging the internal combustion engine.
  • camshaft adjustment systems In addition, combustion engines with and without camshaft adjustment systems the actual position of the valve opening cams conventionally detected by position sensors on the camshaft. This requires existence one or more sensors, encoder wheels, wiring and evaluation circuits and software in a control unit. Due to the large number of required Components for detecting the actual position of the valve opening cams are such camshaft adjustment systems are relatively complex and expensive.
  • the object of the present invention is an improved method and provide system with which the valve clearance of the charge exchange organs and / or the actual position of the valve opening cams of the camshaft is detected can be. This is to be done in particular by accessing those already present in the vehicle Components (e.g. sensors) can be realized at no additional cost Components cause information about the valve clearance of the charge exchange organs and / or the actual position of the valve opening cams of the Obtain camshaft. This object is achieved with the features of the claims solved.
  • the invention is based on the basic idea that in internal combustion engines with and without automatic valve clearance compensation and / or with internal combustion engines with and without camshaft adjustment systems that of structure-borne noise sensors generated signals can be used to use characteristic Waveforms that occur at certain times, conclusions about the state the valve train of the charge exchange organs and / or the actual position of the Pull the camshaft valve opening cam.
  • the present invention is based on the knowledge that in internal combustion engines, which is an engine management system with knock control via structure-borne noise sensors have, use the signal generated by the structure-borne noise sensors allows, based on characteristic waveforms that occur at certain times, Conclusions about the sound radiation of the valve train of the charge exchange organs and thus to pull on the valve valve actually present and / or the time of occurrence of the characteristic sound radiation in relation to record the position of the crankshaft and thus draw conclusions in which the valve lift cams are in the exact position. So you can in addition to determining the valve clearance, the actual position of the Determine the camshaft in order to infer the timing or the working cycle to be able to synchronize.
  • At least one area is created from the course of the crankshaft rotation several areas, selected, in which the characteristic structure-borne noise signal is applied to the structure-borne noise sensor.
  • the engine management system compares in these areas the signal curve with stored differential signals and accordingly decides whether the settings of the valves in the permissible Range or whether the position of the valve lift cams is correct.
  • Preferably several areas are selected from the course of the crankshaft rotation so that all valves of the charge exchange organs are detected together or separately and can be evaluated.
  • the assessability of the recorded structure-borne noise signals of the valves of the charge exchange organs is particularly supported by the fact that the ramps at the beginning and at the end of the valve lift caused by the cams of the camshaft Valve control are designed constructively and technically so that not only the formation of characteristic structure-borne noise curves when the size is too large and / or too small Valve play is supported, but a different characteristic structure-borne sound pattern if the valve clearance is correct.
  • a structure-borne noise sensor such as. B. a knock sensor, done without that additional components are required.
  • the method and system according to the invention can thus be used for recognition of inadmissible or faulty valve clearance and thus the avoidance of potential Component damage can be guaranteed without an inspection of the internal combustion engine must take place. Rather, component protection results from early Detection of hazards for the components due to a reliable and reproducible Diagnostics in the engine. It also allows the frequency of Limit inspection work to the minimum necessary. This results in considerable cost savings for the maintenance of internal combustion engines.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Erfassen des Zustands eines Ventiltriebs, insbesondere des Ventilspiels, und der Position mindestens eines Ventilöffnungsnockens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors durch Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor (z. B. Klopfsensor) erzeugt werden. Dazu wird vorzugsweise aus den durch den Körperschallsensor erzeugten Signalen mindestens ein charakteristischer Signalverlauf identifiziert, der zu bestimmten Zeiten während eines Zyklus des Verbrennungsmotors auftritt, und mit einem gespeicherten Referenzsignal verglichen. Als Ergebnis kann auf den Zustand eines Ventiltriebs, z. B. das Ventilspiel, und/oder die Position mindestens eines Ventilöffnungsnockens der Nockenwelle geschlossen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Erkennung des Ventilspiels bei Verbrennungsmotoren und zum Erfassen der tatsächlichen Lage der Ventilöffnungsnocken bei Motoren mit und ohne Nockenwellenverstellsystemen.
Üblicherweise wird das Ventilspiel der Ladungswechselorgane von Verbrennungsmotoren nur bei regulären Inspektionen des Verbrennungsmotors gemessen und gegebenenfalls korrigiert. Inspektionen finden üblicherweise nach vom Motorhersteller vorgegebenen Intervallen (z. B. Laufstrecke oder Betriebsdauer) statt. Eine alternative Möglichkeit zum Festlegen der Inspektionsintervalle basiert auf einer im Fahrzeug vorhandenen Auswerte- und Anzeigeeinrichtung, die beispielsweise die Laufstrecke, Betriebsdauer, Betriebsumstände der Verbrennungsmotornutzung (z. B. häufiger Kaltstart, Kurzbetrieb, Laufzeitanteile mit hohen Lasten bzw. Drehzahlen) und ähnliches registriert und bewertet und dementsprechend eine Aufforderung zur Inspektion veranlaßt.
Bei all diesen bekannten Systemen bleibt der tatsächliche Zustand verschiedener Komponenten des Verbrennungsmotors, die üblicherweise im Rahmen einer Inspektion überprüft und eingestellt werden, unberücksichtigt. Da also für die Festlegung des Zeitpunkts der Inspektion nicht der tatsächliche Zustand der zu überprüfenden und gegebenenfalls in ihrer Einstellung zu korrigierenden Komponenten berücksichtigt wird, sondern nur Erfahrungen und Beobachtungen als Basis dienen, die auf Grundlage der Laufstrecke oder Betriebsdauer, bestenfalls unter Berücksichtigung der Betriebsumstände festgelegt wurden, findet die veranlaßte Inspektion in der Praxis selten zum richtigen Zeitpunkt statt. Zur Vermeidung von Schäden an Bauteilen wird deshalb in der Regel der Zeitpunkt für die Inspektion so gewählt, daß auch bei stark materialbelastender Nutzung des Verbrennungsmotors die Inspektion vor Erreichen kritischer Zustände veranlaßt wird, um Ausfälle und damit verbundene Stillstands- und Reparaturkosten zu vermeiden. Demgemäß erfolgt die Inspektion in der Regel zu früh, wodurch unnötige Kosten verursacht werden, insbesondere wenn die Summe sämtlicher Inspektionen im Lauf der gesamten Lebensdauer des Verbrennungsmotors berücksichtigt wird. Darüber hinaus bleibt unberücksichtigt, daß unvorhergesehene Veränderungen, die eine Inspektion erforderlich machen, registriert und angezeigt werden. So wird beispielsweise nicht erkannt, wenn sich das Ventilspiel der Ladungswechselorgane übermäßig verändert und somit durch den weiteren Betrieb des Motors die Gefahr besteht, den Verbrennungsmotor zu beschädigen.
Darüber hinaus wird bei Verbrennungsmotoren mit und ohne Nockenwellenverstellsystemen die tatsächliche Lage der Ventilöffnungsnocken herkömmlicherweise mittels Lagesensoren an der Nockenwelle erkannt. Dies erfordert das Vorhandensein eines oder mehrerer Sensoren, Geberräder, Verkabelung und Auswerteschaltungen und -software in einem Steuergerät. Durch die Vielzahl der erforderlichen Bauteile zur Erfassung der tatsächlichen Position der Ventilöffnungsnocken sind derartige Nockenwellenverstellsysteme relativ komplex und teuer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und System bereitzustellen, mit dem das Ventilspiel der Ladungswechselorgane und/oder die tatsächliche Lage der Ventilöffnungsnocken der Nockenwelle erfaßt werden kann. Dies soll insbesondere durch Zugreifen auf im Fahrzeug bereits vorhandene Bauelemente (z. B. Sensoren) realisierbar sein, um ohne Kosten für zusätzliche Bauteile zu verursachen Informationen über das Ventilspiel der Ladungswechselorgane und/oder die tatsächliche Position der Ventilöffnungsnocken der Nockenwelle zu erhalten. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, daß bei Verbrennungsmotoren mit und ohne automatischen Ventilspielausgleich und/oder bei Verbrennungsmotoren mit und ohne Nockenwellenverstellsystemen die von Körperschallsensoren erzeugten Signale genutzt werden können, um anhand charakteristischer Signalverläufe, die zu bestimmten Zeiten auftreten, Rückschlüsse auf den Zustand des Ventiltriebs der Ladungswechselorgane und/oder der tatsächlichen Position der Ventilöffnungsnocken der Nockenwelle zu ziehen.
Somit basiert die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, daß bei Verbrennungsmotoren, die ein Motormanagementsystem mit Klopfregelung über Körperschallsensoren aufweisen, sich das von den Körperschallsensoren erzeugte Signal nutzen läßt, um anhand charakteristischer Signalverläufe, die zu bestimmten Zeiten auftreten, Rückschlüsse auf die Schallabstrahlung des Ventiltriebs der Ladungswechselorgane und damit auf das tatsächlich anliegende Ventilspiel zu ziehen und/oder den Zeitpunkt des Auftretens der charakteristischen Schallabstrahlung in Relation zur Stellung der Kurbelwelle zu erfassen und somit Rückschlüsse zu ziehen, in welcher genauen Stellung sich die Ventilerhebungsnocken befinden. Somit läßt sich neben der Bestimmung des Ventilspiels zusätzlich die tatsächliche Stellung der Nockenwelle ermitteln, um so auf die Steuerzeiten schließen bzw. auf das Arbeitsspiel synchronisieren zu können.
Dazu wird aus dem Verlauf der Kurbenwellenrotation mindestens ein Bereich, vorzugsweise mehrere Bereiche, ausgewählt, in dem das charakteristische Körperschallsignal am Körperschallsensor anliegt. Das Motormanagementsystem vergleicht in diesen Bereichen den Signalverlauf mit abgespeicherten Differenzsignalen und entscheidet dementsprechend, ob die Einstellungen der Ventile im zulässigen Bereich liegen bzw. ob die Lage der Ventilerhebungsnocken stimmt. Vorzugsweise werden dazu mehrere Bereiche aus dem Verlauf der Kurbelwellenrotation so ausgewählt, daß alle Ventile der Ladungswechselorgane zusammen oder separat erfaßt und ausgewertet werden Können.
Die Bewertbarkeit der erfaßten Körperschallsignale der Ventile der Ladungswechselorgane wird insbesondere dadurch unterstützt, daß die Rampen zu Beginn und zum Ende der durch die Nocken der Nockenwelle verursachten Ventilerhebung zur Ventilsteuerung konstruktiv und fertigungstechnisch so ausgelegt sind, daß nicht nur die Bildung charakteristischer Körperschallverläufe bei zu großem und/oder zu kleinem Ventilspiel unterstützt wird, sondern sich ein anderer charakteristischer Körperschallverlauf bei korrektem Ventilspiel ergibt. Dadurch kann die Erkennung und Bewertung von Ventilspiel und/oder Position der Ventilöffnungsnocken reproduzierbar mit Hilfe eines Körperschallsensors, wie z. B. eines Klopfsensors, erfolgen, ohne daß zusätzliche Bauteile erforderlich sind.
Somit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und System eine Erkennung von unzulässigen bzw. fehlerhaftem Ventilspiel und damit die Vermeidung potentieller Bauteilschäden gewährleistet werden, ohne daß eine Inspektion des Verbrennungsmotors stattfinden muß. Vielmehr ergibt sich ein Bauteilschutz durch frühzeitige Erkennung von Gefahren für die Bauteile aufgrund einer zuverlässigen und reproduzierbaren Diagnose im Motor. Außerdem läßt sich dadurch die Häufigkeit von Inspektionsarbeiten auf das notwendige Minimum beschränken. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung zur Instandhaltung von Verbrennungsmotoren.
Darüber hinaus ist die Erkennung der tatsächlichen Position der Nocken der Nokkenwelle möglich, wodurch auf die tatsächlichen Steuerzeiten geschlossen werden kann, wobei keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind. Dies ist insbesondere bei Motoren mit Nockenwellen- bzw. Steuerzeitenverstellsystemen von erheblicher Bedeutung, da dadurch auf zusätzliche Sensoren, Geberräder, Verkabelung sowie Auswerteschaltungen und -software in einem Steuergerät verzichtet werden kann. Außerdem ist es möglich, mit der Erkennung der tatsächlichen Position der Nocke auf das Arbeitsspiel zu synchronisieren.

Claims (23)

  1. Verfahren zum Erfassen des Zustands eines Ventiltriebs, insbesondere des Ventilspiels, eines Verbrennungsmotors durch Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor erzeugt werden.
  2. Verfahren zum Erfassen der Position mindestens eines Ventilöffnungsnockens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors durch Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor erzeugt werden.
  3. Verfahren zum Erfassen des Zustands eines Ventiltriebs, insbesondere des Ventilspiels, und der Position mindestens eines Ventilöffnungsnockens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors durch Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor erzeugt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Körperschallsensor ein Klopfsensor verwendet wird, der außerdem zur Klopfregelung des Verbrennungsmotors dient.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei aus den durch den Körperschallsensor erzeugten Signalen mindestens ein charakteristischer Signalverlauf, der zu bestimmten Zeiten während eines Zyklus des Verbrennungsmotors auftritt, identifiziert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der charakteristische Signalverlauf mit einem entsprechenden gespeicherten Referenzsignal verglichen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei anhand des charakteristischen Signalverlaufs das tatsächlich vorhandene Ventilspiel und/oder die Position des/der Ventilöffnungsnocken(s) ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei während eines Zyklus des Verbrennungsmotors mehrere charakteristische Signalverläufe extrahiert werden, so daß für sämtliche Ventile des Verbrennungsmotors das tatsächlich vorhandene Ventilspiel und/oder die Positionen der Ventilöffnungsnocken ermittelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus der ermittelten Position der Ventilöffnungsnocken auf die Lage einer verstellbaren Nockenwelle geschlossen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei aus der ermittelten Position der Ventilöffnungsnocken auf die Lage dieser Ventilöffnungsnocken in Relation zu einem Kurbelwellensignal geschlossen wird, wobei festgestellt wird, ob der zu der Ventilöffnungsnocke korrespondierende Zylinder sich zum Zeitpunkt der Signalermittlung der Ventilöffnungsnocke gerade im Bereich der Ladungswechseltakte oder der Verdichtungs- bzw. Arbeitstakte befindet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei basierend auf der Feststellung die Zündung und/oder Einspritzung des Verbrennungsmotors auf das Arbeitsspiel synchronisiert wird.
  12. System zum Erfassen des Zustands eines Ventiltriebs, insbesondere des Ventilspiels, eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor erzeugt werden.
  13. System zum Erfassen der Position mindestens eines Ventilöffnungsnockens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor erzeugt werden.
  14. System zum Erfassen des Zustands eines Ventiltriebs, insbesondere des Ventilspiels, und der Position mindestens eines Ventilöffnungsnockens einer Nokkenwelle eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von mindestens einem Körperschallsensor erzeugt werden.
  15. System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Körperschallsensor ein Klopfsensor ist, der außerdem mit einer Einrichtung zur Klopfregelung des Verbrennungsmotors in Verbindung steht.
  16. System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale ein Motormanagementsystem ist.
  17. System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale aus den durch den Körperschallsensor erzeugten Signalen derart ausgebildet ist, daß sie mindestens einen charakteristischen Signalverlauf identifiziert, der zu bestimmten Zeiten während eines Zyklus des Verbrennungsmotors auftritt.
  18. System nach Anspruch 17, wobei ein Speicher vorgesehen ist und die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale derart ausgebildet ist, daß der charakteristische Signalverlauf mit einem im Speicher gespeicherten Referenzsignal verglichen wird.
  19. System nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale derart ausgebildet ist, daß sie anhand des charakteristischen Signalverlaufs das tatsächlich vorhandene Ventilspiel und/oder die Position des/der Ventilöffnungsnocken(s) ermittelt.
  20. System nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale derart ausgebildet ist, daß sie während eines Zyklus des Verbrennungsmotors mehrere charakteristische Signalverläufe extrahiert, so daß für sämtliche Ventile des Verbrennungsmotors das tatsächlich vorhandene Ventilspiel und/oder die Positionen der Ventilöffnungsnocken ermittelt wird.
  21. System nach Anspruch 20, wobei die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie aus der ermittelten Position der Ventilöffnungsnocken auf die Lage einer verstellbaren Nockenwelle schließt.
  22. System nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie aus der ermittelten Position der Ventilöffnungsnocken auf die Lage dieser Ventilöffnungsnocken in Relation zu einem Kurbelwellensignal schließt, wobei sie feststellt, ob der zu der Ventilöffnungsnocke korrespondierende Zylinder sich zum Zeitpunkt der Signalermittlung der Ventilöffnungsnocke gerade im Bereich der Ladungswechseltakte oder der Verdichtungs- bzw. Arbeitstakte befindet.
  23. System nach Anspruch 22, wobei die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie basierend auf der Feststellung die Zündung und/oder Einspritzung des Verbrennungsmotors auf das Arbeitsspiel synchronisiert.
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