EP1812692B1

EP1812692B1 - Vorrichtung zur regelung des hubverlaufes eines gaswechselventils einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP1812692B1
Application number: EP05801994A
Authority: EP
Inventors: Rudolf Dr. SEETHALER; Christian Beierlieb
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: US7739986B2; DE102004054773B4; DE102004054773A1; US20070215083A1; WO2006050789A1; ATE503085T1; EP1812692A1; DE502005011172D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wird die Nockenwelle mechanisch über eine Steuerkette oder einen Steuerriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Zur Steigerung der Motorleistung und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bringt es erhebliche Vorteile, die Ventile der einzelnen Zylinder individuell anzusteuern. Dies ist durch einen sogenannten vollvariablen (veränderbare Steuerzeiten und veränderbarer Ventilhub), beispielsweise einen sogenannten elektromagnetischen Ventiltrieb möglich. Bei einem vollvariablen Ventiltrieb ist jedem Ventil bzw. jeder "Ventilgruppe" eines Zylinders eine "Aktuatoreinheit" zugeordnet. Derzeit werden unterschiedliche Grundtypen von Aktuatoreinheiten erforscht.
Bei einem Grundtyp (sogenannte Hubaktuatoren) sind einem Ventil oder einer Ventilgruppe ein Öffnungs- und ein Schließmagnet zugeordnet. Durch Bestromen der Magneten können die Ventile axial verschoben, d.h. geöffnet bzw. geschlossen werden.
Aus der DE 103 18 245 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Ventiltriebs (eines Hubaktuators) bekannt, bei dem zur energiesparenden Bewegungssteuerung eine Dreipunktregelung durchgeführt wird.
Bei dem anderen Grundtyp (sogenannter Drehaktuator) ist eine Steuerwelle mit einem Nocken vorgesehen, wobei die Steuerwelle durch einen Elektromotor hin und her schwenkbar ist.
In der DE 101 40 641 A1 ist eine Drehaktuatorvorrichtung zur Hubsteuerung eines Gaswechselventils beschrieben. Die Hubsteuerung erfolgt hier über einen kennfeldgesteuerten Elektromotor, an dessen Rotor eine Welle mit einem drehfest verbundenen Steuernocken angeordnet ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine schwenkt, bzw. pendelt der Motor hin und her und der Steuernocken drückt über einen Schwenkhebel periodisch das Gaswechselventil in seine Öffnungsstellung. Geschlossen wird das Gaswechselventil durch die Federkraft einer Ventilfeder. Damit der Elektromotor nicht die gesamte Federkraft der Ventilfeder beim Öffnen des Gaswechselventils überwinden muss, ist an die Welle eine zusätzliche Feder angebracht. Die Kräfte von Ventilfeder und zusätzlicher Feder sind dergestalt, dass beim periodischen Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung entsprechend der Stellung des Gaswechselventils die kinetische Energie entweder in der Ventilfeder oder in der zusätzlichen Feder gespeichert ist. Durch diese Maßnahme wird der Strombedarf beim Betrieb der Drehaktuatorvorrichtung reduziert. Nachteilig bei der beschriebenen Drehaktuatorvorrichtung ist der hohe Strombedarf bei niedrigen Drehzahlen.
Eine Weiterbildung einer derartigen Drehaktuatorvorrichtung beschreibt die DE 102 52 991 A1 . Die bestehende Drehaktuatorvorrichtung wird hier durch ein zweites Betätigungselement (zweiter Steuernocken) in gegenläufiger Drehrichtung mit einem geringeren Hub gegenüber dem Hauptnocken erweitert. Dieses zweite Betätigungselement öffnet das Ventil nicht komplett und wird nur für kleine Hübe im Bereich niedriger Motordrehzahlen verwendet. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird die Drehaktuatorvorrichtung derart bestromt, dass die Welle nur in Richtung des zweiten Betätigungselementes schwenkt, während bei hohen Drehzahlen ausschließlich in Richtung des ersten Betätigungselementes geschwenkt wird. Durch den geringen Hub verbraucht die Drehaktuatorvorrichtung bei niedrigen Drehzahlen in vorteilhafter Weise weniger Strom.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils zu schaffen, die eine Verbesserung hinsichtlich des elektrischen Energieverbrauchs einer Aktuatorvorrichtung gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils umfasst eine Regeleinrichtung (sogenannter Sollbahnregler), die eine Antriebseinrichtung (z.B. den Elektromotor eines Drehaktuators oder den bzw. die Elektromagneten eines elektromagnetischen Hubaktuators oder die Antriebseinrichtung eines Schwenkaktuators) gemäß einer hinterlegten Sollbahn ansteuert, wobei die Sollbahn dergestalt ist, dass durch sie das ideale Ausschwingverhalten des Energiespeicher-Antriebselement-Energiespeicher-Systems (Feder-Masse-Feder-System) der Aktuatorvorrichtung (nebst anzutreibender Ventileinheit mit Gaswechselventil und Schließfeder) abgebildet wird. Als hinterlegte Sollbahn(en) im Sinne der Erfindung gelten sowohl einmalig in einem Speicher hinterlegte Sollbahnen (Daten) als auch hinterlegte Berechnungsvorschriften anhand derer eine derartige Sollbahn online berechnet werden kann. Mit Vorteil soll diese Vorrichtung bei einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß der DE 101 40 461 A1 Verwendung finden und den Energiebedarf des hier verwendeten Elektromotors reduzieren, indem der Drehverlauf des Rotors des Antriebsmotors gemäß der ermittelten idealen Sollbahn des Schwingungssystems der Drehaktuatorvorrichtung geregelt wird. Aufgrund dieser Regelung stellt sich dann ein Regelungsverhalten ein, bei dem der Elektromotor lediglich vom idealen (berechneten) Schwingungssystem abweichende Umgebungseinflüsse wie Reibung und Gasgegendrücke durch Einspeisung zusätzlicher Antriebsenergie ausregelt.
Ein ideales Ausschwingverhalten im Sinne der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingungsverhalten frei von Reibungsverlusten und Umgebungseinflüssen wie Gas- und Gasgegendrücken vorhanden ist. Idealerweise entspricht ein ideales Schwingungsverhalten dem berechneten Schwingungsverlauf des Systems frei von jedweder Art von Verlusten. Mit Vorteil handelt es sich bei der Erfindung um ein Feder-Masse-Feder-System (gemäß der DE 101 40 461 A1 ) mit einer Ventil-Rückstellfeder bzw. Öffnungsfeder (Feder 1), einer der Ventilrückstellfeder entgegenwirkenden Öffnungsfeder (Feder 2) und der in diesem System zwischen den Federn bewegten Masse (beispielsweise: Schlepphebel, Antriebsnocken nebst Antriebswelle und Rotor des antreibenden Elektromotors, Masseanteile der auf den Antriebsnocken in Öffnungsrichtung wirkenden Öffnungsfeder sowie Gaswechselventil nebst Masseanteilen der bewegten Schließfeder).
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Drehaktuatorvorrichtung gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 103 58 936 . Die DE 103 58 936 wird insbesondere bezüglich des Aufbaus eines Drehaktuators (insbesondere aber im Hinblick auf die Anordnung und Ausbildung der Öffnungsfeder als Drehstabfeder) mit ihrem gesamten Inhalt in die Offenbarung dieser Anmeldung mit einbezogen.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Drehaktuator mit einem über einen Elektromotor angetriebenen Betätigungselement in Form eines sogenannten Doppelnockens gemäß der DE 102 52 991 A1 ausgebildet. Bezüglich der besonderen Ausgestaltung eines derartigen zwei Steuerbahnen aufweisenden Doppelnockens wird an dieser Stelle der Inhalt der DE 102 52 991 A1 in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen.
Um den Energiebedarf eines Drehaktuators noch weiter zu reduzieren, sind eine Mehrzahl von sogenannten idealen Sollbahnen hinterlegt, wobei jede Sollbahn einen unterschiedlichen Ventilhub beschreibt. In einer Ausführung gemäß Patentanspruch 2 bzw. 3 sind zumindest eine Sollbahn mit einem Maximalhub und eine Sollbahn mit einem im Vergleich hierzu reduzierten Hub als feste Sollbahnen (abgespeicherte Trajektorie oder entsprechende Berechnungsvorschrift) hinterlegt, während in einer Weiterbildung nach Patentanspruch 4 jegliche zwischen diesen zumindest zwei festen Sollbahnen benötigten Kurvenverläufe durch interpolation zwischen den hinterlegten Sollbahnen gebildet werden. Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Patentansprüchen 5 bis 9 beziehen sich auf die Ausbildung der Aktuatorvorrichtung als Drehaktuator gemäß der DE 101 40 461 A1 und gemäß der DE 103 58 936 .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1:: den schematischen mechanischen Aufbau einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2:: ein Zeitdiagramm mit Sollbahnen des Rotorwinkels des Antriebsmotors eines Drehaktuators über der Zeit, die das ideale Ausschwingverhalten (Hubverlauf) eines Drehaktuators gemäß Figur 1 abbilden, und
Figur 3:: ein Hubdiagramm für ein Einlass- und ein Auslassventil eines vollvariablen Ventiltriebs der anhand einer Regeleinrichtung mit idealer Sollbahn gemäß der Erfindung geregelt wird.

Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Drehaktuatorvorrichtung für den Antrieb eines Gaswechselventils 2 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die wesentlichen Bestandteile dieser Vorrichtung sind ein, insbesondere als Servomotor ausgebildeter Elektromotor 4 (Antriebseinrichtung), eine von diesem angetriebene, vorzugsweise zwei Nocken 6a, 6b unterschiedlichen Hubs aufweisende Nockenwelle 6 (Betätigungselement), ein mit der Nockenwelle 6 einerseits und mit dem Gaswechselventil 2 andererseits in Wirkverbindung stehender Schlepphebel 8 (Übertragungselement) zur Bewegungsübertragung der durch die Nocken 6a, 6b vorgegebenen Hubhöhe auf das Gaswechselventil 2 sowie ein, das Gaswechselventil 2 in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagendes und als Schließfeder ausgebildetes erstes Energiespeichermittel 10 und ein, über die Nockenwelle 6 und den Schlepphebel 8 das Gaswechselventil 2 mit einer Öffnungskraft beaufschlagendes und als Öffnungsfeder ausgebildetes zweites Energiespeichermittel 12. Für die genaue Wirkungsweise und mechanische Ausgestaltung der Drehaktuatorvorrichtung wird auf die DE 102 52 991 A1 verwiesen.
Um einen energiearmen Betrieb des Elektromotors 4, der über die Nockenwelle 6 das vorhandene Gaswechselventil 2 antreibt, zu gewährleisten, wird neben der optimalen Auslegung der einander entgegenwirkenden Federn (Schließfeder 10, Öffnungsfeder 12) und der idealen Positionierung von Dreh- und Anlenkpunkten in der Geometrie der Vorrichtung selbst, der Elektromotor 4 über eine Regeleinrichtung 20 gemäß einer Sollbahn SB1, SB2, SB3, die das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder-Systems abbildet geregelt. Insbesondere erfolgt diese Regelung durch Regelung des Rotorverlaufes des, das mindestens eine Betätigungselement 6, 6a, 6b antreibenden Elektromotors 4. Der ideale Wegverlauf des Rotors, der als Teil des Schwingungssystems mitschwingt, wird analog zum idealen Schwingungsverlauf des Gesamtsystems rechnerisch ermittelt und bildet die Sollbahn zur Regelung des Elektromotors 4. Zur Überwachung der Istposition des Rotors ist ein nicht dargestellter Wegsensor vorhanden, der ein Sensorsignal S an die Regeleinrichtung 20 oder eine andere Steuereinrichtung übermittelt. Der Elektromotor 4 wird derart durch die Regeleinrichtung 20 angesteuert, dass das zumindest eine Gaswechselventil 2 von einer ersten Ventilendlage E1, die beispielsweise der geschlossenen Ventilposition entspricht, in eine zweite Ventilendlage E2, E2', die beispielsweise einer teilweise (E2': Teilhub) oder maximal geöffneten (E2: Vollhub) Ventilposition entspricht, überführt wird und umgekehrt. Bei der Regelung des Elektromotors 4 wird der Rotor und damit das mit dem Rotor wirkverbundene Betätigungselement 6, 6a, 6b in seiner Position entsprechend gesteuert, so dass der Rotor bzw. das Betätigungselement 6, 6a, 6b analog zur Schließposition E1 des Gaswechselventils 2 eine Position im Wegebereich des Nockengrundkreises, z.B. im Wegebereich zwischen R1 und R1' einnehmen wird und analog zur zweiten Endlage E2, E2' eine Position im Wegebereich des Nockens 6a, 6b, z.B. im Wegebereich zwischen R2 und R2' einnehmen wird. Das System ist idealerweise so ausgelegt, dass das Betätigungselement 6, 6a, 6b bei Ausschluss der Umgebungseinflüsse (insbesondere Reibung und Gasgegendruck) den Weg zwischen zwei Endpositionen R1 - R2 oder R1' - R2' ohne Einspeisung zusätzlicher Energie, also ohne aktiven Antrieb durch die Antriebseinrichtung 4, zurücklegt und somit nur bei den in der Praxis auftretenden Umgebungseinflüssen unterstützend eingreift. Das erfindungsgemäße System ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es in den Maximalendlagen R1, R2 des Rotors (Schwingungsendlagen bei maximalem Schwingungshub) sich jeweils in einer momentenneutralen Position befindet, in der sich die auftretenden Kräfte in einem Kräftegleichgewicht befinden und in der der Rotor ohne Aufbringung einer zusätzlichen Haltekraft gehalten ist.
Bei dem berechneten idealen Ausschwingverhalten schwingt der Rotor also von einer Endposition E1, E1' in die andere Endposition E2, E2' allein aufgrund der in den Energiespeichermitteln 10, 12 gespeicherten Kräfte ohne Einspeisung einer zusätzlichen Energie, etwa durch den Elektromotor 4. In dem Fall, dass der Rotor im Teilhubbereich von einer ersten Endlage R1' zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2' schwingt, wäre das ideale Ausschwingverhalten somit das eines Perpetuum mobile (unendliche gleichbleibende Schwingung). Für den Fall, dass der Rotor im Vollhubbereich von einer ersten Endlage R1 zu einer korrespondierenden zweiten Endlage R2 schwingt, wäre er jeweils in den Endlagen R1, R2 in einer momentenneutralen Position gehalten und müsste aus dieser Position jeweils durch Einbringung einer Anstoßenergie (Motorimpuls) wieder veranlasst werden die nächste Schwingung in die andere Endlage vorzunehmen. Dadurch, dass die Sollbahnen für Vollhub und für Teilhub dem Ausschwingverhalten der Drehaktuatorvorrichtung ohne Reibungsverluste entsprechen wird gewährleistet, dass die Regeleinrichtung 20 den Elektromotor 4 ausschließlich zum Ausgleich der in der Praxis stets vorhandenen Reibungsverluste ansteuert. Da Reibungsverluste hauptsächlich bei hohen Rotordrehzahlen auftreten, muss der Elektromotor 4 bei hohen Drehzahlen die größte Leistung abgeben. Da dies mit dem energieoptimalen Betriebspunkt des Elektromotors 4 zusammenfällt, kann durch die Regelung anhand idealisierter Sollbahnen des zu betreibenden Aktuatorsystems ein energiesparsamer Betrieb des selben gewährleistet werden.
Die Figur 2 zeigt ein Zeitdiagramm mit Sollbahnen des Rotorwinkels des Antriebsmotors eines Drehaktuators über der Zeit, anhand derer eine Regelung des Hubs von Gaswechselventilen gemäß der Erfindung erfolgt. Durch die Sollbahnen wird das ideale Ausschwingverhalten (Hubverlauf) einer Drehaktuatorvorrichtung gemäß Figur 1 abgebildet. Dargestellt sind drei verschiedene Sollbahnen SB1, SB2, und SB3, wobei die erste Sollbahn SB1 den Maximalhub (Rotor schwingt zwischen R1 und R2 hin und her; Ventilposition zwischen E1 und E2 stellt sich ein) des Gaswechselventils 2 bei einer vorgegebenen Steuerzeit mit einer ersten Ventilöffnungszeit Tö1 darstellt. Die Sollbahnen SB2 und SB3 beschreiben jeweils Teilhübe (Rotor schwingt zwischen R1' und R2' hin und her; Ventilposition zwischen E1 und E2' stellt sich ein) mit verkürzten Ventilöffnungszeiten Tö2 und Tö3.
Das ideale Ausschwingverhalten eines über eine Drehaktuatorvorrichtung gemäß Figur 1 angetriebenen Gaswechselventils 2 ist in Figur 3 veranschaulicht. Dabei ist mit VH_max der maximale Ventilhub und mit VH_teil ein möglicher Teilhub, der beispielsweise aufgrund einer der Sollbahnen SB2 oder SB3 eingestellt wurde dargestelllt.

Claims

Vorrichtung zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils (2) einer Brennkraftmaschine, umfassend
- eine Drehaktuatorvorrichtung mit einer steuerbaren und als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinrichtung (4) mit einem Betätigungselement (6, 6a, 6b) zur Betätigung des Gaswechselventils (2),

- zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (10, 12),

- und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass

- die Steuereinheit eine Regeleinrichtung (20) umfasst, die die Antriebseinrichtung (4) gemäß einer hinterlegten Sollbahn (SB1; SB2; SB3) ansteuert anhand der das Gaswechselventil (2) von einer ersten Ventilendlage (E1) in eine zweite Ventilendlage (E2; E2') überführt wird und umgekehrt,

- wobei die zumindest eine Sollbahn (SB1; SB2; SB3) das ideale Ausschwingverhalten zumindest einer bewegten Komponente des Energiespeicher-Antriebselement-Energiespeicher-Systems der Vorrichtung ohne Berücksichtigung von weiteren Umgebungseinflüssen abbildet, und

- wobei das ideale Ausschwingverhalten sich ergibt aus dem berechneten Ausschwingverhalten eines Rotors des Elektromotors, bei dem der Rotor ohne eine Einspeisung zusätzlicher Energie von einer Endposition in eine andere Endposition schwingt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sollbahnen (SB1; SB2; SB3) hinterlegt ist, wobei zumindest eine der Sollbahnen (SB1; SB2; SB3) den Hubverlauf des Gaswechselventils (2) zwischen der Schließposition (E1) mit Ventilhub gleich Null und der Öffnungsposition (E2) mit maximalem Ventilhub beschreibt und mindestens eine weitere Sollbahn (SB1; SB2; SB3) vorhanden ist, die den Hubverlauf des Gaswechselventils (2) zwischen der Schließposition (E1) und einer vorbestimmten Zwischenposition (E2') mit einem Teilhub beschreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei hinterlegten Sollbahnen (SB1; SB2; SB3) zumindest eine weitere Sollbahn durch Interpolation erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Betätigungselement (6, 6a, 6b) und Gaswechselventil (2) ein Übertragungselement (8), insbesondere ein Rollenschlepphebel, zur Betätigung des Gaswechselventils (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (4) als Synchronmaschine ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (6, 6a, 6b) als auf einer Welle angeordneter Nocken ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeichermittel (12) als eine das Gaswechselventil (2) in Öffnungsrichtung mit einer Federkraft beaufschlagende Öffnungsfeder ausgebildet ist und/oder ein Energiespeichermittel (10) als eine das Gaswechselventil (2) in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagende Schließfeder (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Öffnungsrichtung auf das Gaswechselventil (2) wirkende Energiespeichermittel (12) als Drehstabfeder ausgebildet ist.
Verfahren zur Regelung des Hubverlaufes eines Gaswechselventils (2) einer Brennkraftmaschine mit einer Drehaktuatorvorrichtung umfassend eine, über eine Regeleinrichtung (20) steuerbare und als Elektromotor ausgebildete Antriebseinrichtung (4) und zwei in entgegengesetzte Antriebsrichtungen auf ein Antriebselement (6, 6a, 6b) wirkende Energiespeichermittel (10, 12), wobei das Antriebselement (6, 6a, 6b) zur Betätigung eines Gaswechselhubventils (2) zumindest zeitweise gemeinsam mittels der steuerbaren Antriebsmittel (4) und jeweils einem der Energiespeichermittel (10, 12) aus einer ersten Ventilendlage (E1) in eine zweite Ventilendlage (E2, E2') überführbar ist, wobei die Regeleinrichtung (20) die steuerbaren Antriebsmittel (4) gemäß einer hinterlegten Sollbahn (SB1; SB2; SB3) von der einen Endlage (E1) in die andere Endlage (E2, E2') überführt und umgekehrt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sollbahn (SB1; SB2; SB3) das ideale Ausschwingverhalten des Feder-Masse-Feder-Systems der Aktuatorvorrichtung ohne Berücksichtigung von weiteren Umgebungseinflüssen abbildet, wobei das ideale Ausschwingverhalten sich ergibt aus dem berechneten Ausschwingverhalten eines Rotors des Elektromotors, bei dem dieser ohne eine Einspeisung zusätzlicher Energie von einer Endposition in eine andere Endposition schwingt.