Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils mit einem variablen Ventiltrieb, wobei das Ventil unter Verwendung einer Sollhubkurve mithilfe eines Ventilaktors gesteuert wird.
Bei Brennkraftmaschinen wird ein Ladungswechsel, d.h. ein Befüllen eines Verbrennungsraums mit einem Kraftstoffluftgemisch und ein Entleeren des Verbrennungsraums nach einem
Verbrennungsvorgang, üblicherweise über Ventile gesteuert, welche entsprechende Öffnungen zu dem Verbrennungsraum zu geeigneten Zeitpunkten öffnen und schließen.
Herkömmlicherweise werden bei Hubkolbenmotoren, wie z.B. Ottomotoren oder Dieselmotoren, die Ventile mit Hilfe einer Nockenwelle betätigt, welche von einer Kurbelwelle des
Hubkolbenmotors angetrieben wird. Um eine flexiblere Ansteuerung der Ventile zu ermöglichen, werden sogenannte variable Ventiltriebe oder vollvariable Ventiltriebe verwendet, welche über eine geeignete Steuerung elektrisch oder hydraulisch angesteuert werden. Dabei kann eine Ansteuerung unter Berücksichtigung der Motorlastzustände wesentlich flexibler als über eine mechanische Ansteuerung über die Nockenwelle durchgeführt werden. Mit einem variablen Ventiltrieb kann somit eine Öffnungszeit, ein Ventilhub und/oder eine Schließzeit des Ventils variabel eingestellt werden. Dadurch kann die Gemischaufbereitung, ein Ladungswechsel und/oder eine Abgasrückführung verbessert werden und somit der Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine erhöht werden. Darüber hinaus kann gegebenenfalls sogar eine
Drosselklappe entfallen, wodurch die Ladungswechselarbeit verringert werden kann und somit der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter verbessert werden kann.
Bei einem elektromotorischen vollvariablen Ventiltrieb wird die Kraft auf das Ventil durch einen Strom in den elektrischen Motor-Teilkreisen oder Aktoren des Ventiltriebs bestimmt. Der Zusammenhang zwischen Strom und Kraft des Ventiltriebs ist häufig wegabhängig. Daher ist der Strom im Aktor ein Maß für die wegabhängige Beschleunigung, welche proportional zur Kraft ist. Durch die Induktivität des elektromotorischen vollvariablen Ventiltriebs ist eine sprunghafte direkte Vorgabe des Stroms nicht möglich. Vielmehr ergibt sich durch Vorgabe einer Klemmenspannung an dem elektromotorischen vollvariablen Ventiltrieb ein Stromgradient. Somit ermöglicht der Aktor keine sprunghaften Stromverläufe, keine sprunghaften Kraftverläufe
und somit auch keine sprunghaften Beschleunigungsverläufe. Eine ähnliche Problematik ergibt sich bei hydraulisch gesteuerten vollvariablen Ventiltrieben, da hydraulische Drücke ebenfalls keine sprunghaften Veränderungen erlauben. Diese typischen Eigenschaften der vollvariablen Ventiltriebe sind bei einer Ansteuerung der Ventiltriebe zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist bei der Ansteuerung eines vollvariablen Ventiltriebs zu berücksichtigen, dass die physikalischen Belastungen auf den Ventilaktor, das Ventil und den Ventilsitz möglichst gering zu halten sind, um eine lange Lebensdauer und einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. Schließlich ist es wünschenswert, insbesondere bei einem elektromotorischen vollvariablen Ventiltrieb, den Energieverbrauch des Ventiltriebs möglichst gering zu halten und eine einfache und flexible Ansteuerung des vollvariablen Ventiltriebs auch bei sich schnell ändernden Lastsituationen der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Steuerung für einen vollvariablen Ventiltrieb bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme löst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 12 und ein Fahrzeug nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der
Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Das Ventil wird unter Verwendung einer Sollhubkurve gesteuert. Die Sollhubkurve beschreibt einen Verlauf eines Sollhubwerts des Ventils über einem Zeitintervall. Die Sollhubkurve kann auch einen Verlauf eines Sollhubwerts des Ventils über einem Drehwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beschreiben, da der Drehwinkel der Kurbelwelle über die Drehzahl der Brennkraftmaschine direkt im Verhältnis zur Zeit steht. Die Sollhubkurve wird automatisch bestimmt, indem das Zeitintervall in mehrere Abschnitte geteilt wird und für jeden der mehreren Abschnitte jeweilige Randbedingungen festgelegt werden. Für jeden der mehreren Abschnitte wird jeweils eine stetig differenzierbare Funktion, eine sogenannte Hubfunktion, definiert, welche den Verlauf des Sollhubwerts beschreibt. Die Funktion kann einfach oder mehrfach stetig differenzierbar sein. Die jeweilige stetig
differenzierbare Funktion erfüllt die jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts. Die Sollhubkurve wird durch Aneinanderreihen der stetig differenzierbaren Funktionen der mehreren Abschnitte gebildet.
Da die Ableitung der Sollhubkurve einer Geschwindigkeit des Ventils entspricht, kann mit einer stetig differenzierbaren Funktion des Verlaufs des Sollhubwerts eine sprunghafte Veränderung
der Geschwindigkeit des Ventils vermieden werden. Sprunghafte Veränderungen der Geschwindigkeit des Ventils sind technisch nicht realisierbar und annähernd sprunghafte Veränderungen erfordern im Allgemeinen einen erhöhten Energieeinsatz zur Ansteuerung des Ventils. Darüber hinaus wird durch eine annähernd sprunghafte Veränderung der
Geschwindigkeit des Ventils, beispielsweise beim Schließen des Ventils, die mechanische Belastung auf das Ventil erhöht. Daher können die vorher genannten Probleme durch
Verwenden der stetig differenzierbaren Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts wirksam vermieden werden. Durch Aufteilen des Zeitintervalls in mehrere Abschnitte und Festlegen von mehreren Randbedingungen für jeden der mehreren Abschnitte kann ein gesamter
Bewegungsablauf des Ventils in mehrere einfach handzuhabende Abschnitte aufgeteilt werden, beispielsweise einen Abschnitt zum Einleiten eines Öffnungsvorgangs des Ventils, einen Abschnitt zum Beenden des Öffnungsvorgangs (Abbremsen) des Ventils, einen Abschnitt zum Offenhalten des Ventils usw. Durch die Randbedingungen der jeweiligen Abschnitte werden die Anfangs- und Endzustände des Ventils zu Beginn und am Ende des Abschnitts definiert und können somit bei der Definition der stetig oder mehrfach stetig differenzierbaren Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts über dem Abschnitt auf einfache Art und Weise berücksichtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die stetig differenzierbare Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts eine zweifach stetig differenzierbare Funktion. Da die zweite Ableitung der Sollhubkurve einer Beschleunigung des Ventils entspricht, stellt die zweifach stetig
differenzierbare Funktion sicher, dass keine sprunghafte Veränderung der Beschleunigung erforderlich ist, um das Ventil gemäß der Sollhubkurve zu steuern. Da sprunghafte
Veränderungen mit üblichen Ventilaktoren nicht oder nur schwierig zu realisieren sind und darüber hinaus einen hohen Energieeinsatz fordern und hohe mechanische Belastungen an sowohl dem Aktor als auch dem Ventil bewirken können, kann durch die Verwendung der zweifach stetig differenzierbaren Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts eine Sollhubkurve definiert werden, welche mit geringem Energieeinsatz und geringen mechanischen Belastungen mit herkömmlichen Ventilaktoren durchfahren werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die zweifach stetig differenzierbare Funktion definiert, indem für jeden Abschnitt eine jeweilige Beschleunigungsfunktion definiert wird, welche eine stückweise lineare Funktion ist. Die stückweise lineare Funktion weist in einem ersten Teilabschnitt eine erste Steigung, in einem zweiten Teilabschnitt einen konstanten Wert und in einem dritten Teilabschnitt eine zweite Steigung auf. Auf der Grundlage der jeweiligen Beschleunigungsfunktion des jeweiligen Abschnitts wird eine Geschwindigkeitsfunktion für den jeweiligen Abschnitt durch Integrieren der Beschleunigungsfunktion unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts bestimmt. Weiterhin wird auf der
Grundlage der jeweiligen Geschwindigkeitsfunktion des jeweiligen Abschnitts die zweifach stetig differenzierbare Funktion des Abschnitts durch Integrieren der Geschwindigkeitsfunktion unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts bestimmt. Da die Beschleunigungsfunktion stückweise linear ist, d.h. aus zusammenhängenden geraden Strecken zusammengesetzt ist, können entsprechende Stammfunktionen sowie
Stammfunktionen der Stammfunktionen einfach gebildet werden, welche der
Geschwindigkeitsfunktion bzw. der gesuchten zweifach stetig differenzierbaren Hubfunktion entsprechen. Die Integration kann daher numerisch oder analytisch durchgeführt werden. Die jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts definieren in diesem Zusammenhang freie Parameter der Stammfunktionen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die jeweilige Beschleunigungsfunktion am Anfang des ersten Teilabschnitts den Wert null auf und am Ende des dritten Teilabschnitts ebenfalls den Wert null auf. Die Beschleunigungsfunktion hat somit über dem jeweiligen Abschnitt eine Trapezform. Vorzugsweise hat die zweite Steigung den negativen Wert der ersten Steigung, d.h. die erste und die zweite Steigung sind betragsmäßig gleich und unterscheiden sich lediglich durch ihre Vorzeichen. In diesem Fall ist die jeweilige
Beschleunigungsfunktion eines Abschnitts ein symmetrisches Trapez, wodurch sich die Bestimmung der Stammfunktionen weiter vereinfacht. Die Länge des ersten Teilabschnitts der Beschleunigungsfunktion und die Länge des dritten Teilabschnitts der Beschleunigungsfunktion können gleich sein und als Randbedinung des Abschnitts vorgebbar sein. Die Längen des ersten Teilabschnitts, des zweiten Teilabschnitts, und des dritten Teilabschnitts können beispielsweise gleich groß gewählt werden. Dadurch werden weitere freie Parameter der Stammfunktionen festgelegt, sodass die Stammfunktionen beim Durchführen des Verfahrens schnell, einfach, robust und sicher bestimmt werden können.
Die Randbedingungen der mehreren Abschnitte betreffen beispielsweise eine Anfangshubwert des Ventils am Anfang des Abschnitts, eine Länge des Abschnitts, einen Endhubwert des Ventils am Ende des Abschnitts, einen Maximalhubwert des Ventils innerhalb des Abschnitts, eine Geschwindigkeit des Ventils am Anfang des Abschnitts, eine Geschwindigkeit des Ventils am Ende des Abschnitts oder eine maximale Beschleunigung des Ventils innerhalb des Abschnitts. Je nach gewünschtem Sollhubkurvenverlauf können eine oder mehrere der zuvor genannten Randbedingungen für den jeweiligen Abschnitt vorgegeben werden. Die
Randbedingungen können derart gewählt werden, dass Randbedingungen am Ende eines Abschnitts mit den Randbedingungen am Anfang des folgenden Abschnitts übereinstimmen. Dadurch können auf einfache Art und Weise sprunghafte Veränderungen der Beschleunigung, Geschwindigkeit und der Lage des Ventils zwischen zwei Abschnitten vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Verlauf des Sollhubwerts des Ventils über dem
Zeitintervall zu einem Kurbelwellendrehwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Bezug gesetzt. Da eine Steuerung der Ventile der Brennkraftmaschine üblicherweise in Bezug auf eine aktuelle Position der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, ist es vorteilhaft, die aktuelle Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Ventils in Bezug auf einen Drehwinkel der Kurbelwelle zu betrachten anstatt in Bezug zur Zeit. Da der
Kurbelwellendrehwinkel bei einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine in einer festen Beziehung zur Zeit steht, können die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ventils gleichermaßen als Funktionen des Drehwinkels der Kurbelwelle betrachtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Sollhubkurve des Ventils in einer
Sollhubkurve-Bestimmungseinheit bestimmt und über beispielsweise eine
Kommunikationsverbindung zu einer mit dem Ventil gekoppelten Ventilsteuervorrichtung übertragen. Gemäß dieser Ausführungsform werden dabei nur Sollhubwerte an Grenzen der Abschnitte von der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit zu der Ventilsteuervorrichtung
übertragen. Das bedeutet, dass von der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit nur eine Länge des jeweiligen Abschnitts als Zeit oder Kurbelwellendrehwinkel und die entsprechenden
Sollhubwerte zu Beginn und am Ende des Abschnitts zu der Ventilsteuervorrichtung übertragen werden. Die Ventilsteuervorrichtung kann dann durch Definieren von jeweils einer stetig definierbaren Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts für jeden der mehreren Abschnitte eine Sollhubkurve für den Abschnitt wie zuvor beschrieben bestimmen. Die Sollhubkurve- Bestimmungseinheit kann beispielsweise Teil einer Motorelektronik der Brennkraftmaschine sein, wohingegen die Ventilsteuervorrichtung eine eigene Einheit sein kann, welche über die Kommunikationsverbindung mit der Motorelektronik gekoppelt ist. Dadurch kann ein
Kommunikationsaufwand zwischen der Motorelektronik und der Ventilsteuervorrichtung minimiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Ventilsteuervorrichtung zum Steuern des Ventils unter Verwendung einer Sollhubkurve und eine Sollhubkurve- Bestimmungseinheit. Die Sollhubkurve beschreibt einen Verlauf des Sollhubwerts des Ventils über einem Zeitintervall bzw. einem Drehwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Die Sollhubkurve-Bestimmungseinheit ist ausgestaltet, dass Zeitintervall in mehrere Abschnitte zu teilen und jeweilige Randbedingungen für jeden der mehreren Abschnitte festzulegen. Weiterhin ist die Sollhubkurve-Bestimmungseinheit ausgestaltet, für jeden der mehreren Abschnitte jeweils eine stetig differenzierbare Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts zu definieren. Die jeweilige stetig differenzierbare Funktion erfüllt dabei die jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts. Durch Aneinanderreihen der stetig differenzierbaren Funktionen der
mehreren Abschnitte bildet die Sollhubkurve-Bestimmungseinheit schließlich die Sollhubkurve. Die Vorrichtung kann zum Durchführen des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen ausgestaltet sein und umfasst daher auch die zuvor beschriebenen Vorteile.
Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine umfasst, wie sie zuvor beschrieben wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert werden.
Figur 1 zeigt eine Beschleunigungsfunktion für Ventil, welche zur Definition einer zweifach stetig differenzierbaren Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts des Ventils verwendet werden kann.
Figuren 2-11 zeigen verschiedene Hubkurvendefinitionen welche auf Beschleunigungsgeraden basieren, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Figur 12 zeigt eine Hubkurvendefinition, welche auf Beschleunigungsgeraden basiert und aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 13 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer
Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 14 zeigt eine Hubkurvendefinition für ein Ventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Sollhubwerten an Grenzen von Abschnitten, welche zu einer Ventilsteuervorrichtung übertragen werden.
Figur 15 zeigt eine Hubkurvendefinition gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche auf den übertragenen Sollhubwerten der Figur 14 basiert.
Der Hub, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung eines Ventils einer Brennkraftmaschine werden in dieser Beschreibung zumeist als Funktion eines Kurbelwellendrehwinkels statt als Funktion der Zeit beschrieben, da diese Darstellung im Zusammenhang mit einer
Brennkraftmaschine vorteilhaft ist und bei Brennkraftmaschinen üblicherweise der Hub des Ventils in Bezug auf eine Position der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine interessiert. Da der Kurbelwellendrehwinkel über die Drehzahl der Brennkraftmaschine direkt in Beziehung zur Zeit
steht, können die Bezugsgrößen Zeit und Kurbelwellendrehwinkel einfach gegeneinander ausgetauscht werden.
Bei einem elektromotorischen vollvariablen Ventiltrieb wird eine Kraft auf ein Ventil durch einen Strom in Motor-Teilkreisen eines Ventilaktors bestimmt. Der Zusammenhang zwischen Strom und Kraft ist hierbei im Allgemeinen wegabhängig. Somit ist der Strom im Aktor ein Maß für die wegabhängige Beschleunigung, welche gemäß F= mxa proportional zur Kraft und somit proportional zum Strom ist. Die Induktivitäten des elektromotorischen vollvariablen Ventiltriebs erlauben keine direkte Vorgabe des Stroms und somit ist der Strom eine Zustandsgröße des Ventiltriebs. Durch Vorgabe einer Klemmenspannung an dem Ventiltrieb ergibt sich daher ein Stromgradient. Somit ermöglicht der Aktor keine sprunghaften Stromverläufe, keine
sprunghaften Kraftverläufe und auch keine sprunghaften Beschleunigungsverläufe.
Aus diesem Grunde wird gemäß der vorliegenden Erfindung zum Definieren einer Sollhubkurve, unter deren Verwendung das Ventil gesteuert wird, eine beschleunigungskontinuierliche
Ventilhub-Sollwertvorgabe verwendet. Dazu werden, wie in Figur 1 dargestellt ist,
Beschleunigungsgeraden 1-8 aneinandergereiht. Jede der Beschleunigungsgeraden oder
Beschleunigungsstrecken 1-8 weist eine konstante Steigung auf. Die Beschleunigungsstrecken
1-8 sind derart aneinandergereiht, dass sich ein stetiger Verlauf der Beschleunigung a über dem Winkel φ ergibt. Die Sollhubkurve für das Ventil wird dann durch zweimalige Integration der Beschleunigungsgeraden 1-8 über dem Winkel φ berechnet. a = m - φ + b (1)
Die Verwendung von Geraden in der physikalischen Dimension Beschleunigung bietet den Vorteil, dass sowohl Ventilhub als auch Ventilgeschwindigkeit analytisch berechnet werden können. Umgekehrt ist dadurch der Ventilhub zweimal stetig differenzierbar, was Vorteile bei einer Reglerauslegung und Reglervorsteuerung für den Ventiltrieb bietet. Weiterer Vorteil ist, dass sich die physikalischen Eigenschaften der Aktoren, beispielsweise eine Massenträgheit des Ventils und des Ventiltriebs sowie der wegabhängige Strom-Kraft-Zusammenhang, gut durch die Beschleunigungsgeraden berücksichtigen lassen. Die Sollhubkurve lässt sich daher mit dem Aktor einfach mit verhältnismäßig geringen Strömen realisieren. Darüber hinaus bietet die Beschreibung auf der Grundlage von Beschleunigungsgeraden die Möglichkeit, beliebige
Hubkurvenverläufe zu realisieren. Dazu sind lediglich hinreichend viele Geraden aneinanderzureihen.
Häufig wiederkehrende Folgen von Beschleunigungsgeraden können als Abschnitte oder Sequenzen dargestellt werden und somit als Baukasten zum Zusammenstellen von
Sollhubkurven verwendet werden. Dabei kann insbesondere ein Beschleunigungstrapez verwendet werden, welches aus drei Beschleunigungsgeraden zusammengesetzt ist. Das Beschleunigungstrapez weist in einem ersten Teilabschnitt eine erste Steigung, in einem zweiten Teilabschnitt einen konstanten Wert, und in einem dritten Teilabschnitt eine zweite Steigung auf, welche betragsmäßig gleich der ersten Steigung ist, aber ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Der erste Teilabschnitt und der dritte Teilabschnitt haben eine gleiche Länge, sodass die Beschleunigung am Anfang und am Ende des Trapezes gleich ist.
Vorzugsweise ist die Beschleunigung am Anfang des Trapezes und am Ende des Trapezes identisch null.
Unter Bezugnahme auf Figuren 2-1 1 werden nachfolgend einige derartige Sequenzen oder Abschnitte im Detail beschrieben werden.
Sequenz 1 : Gerade mit Beschleunigung null
Figur 2 zeigt eine Sequenz, bei der zwischen einem Anfangskurbelwellendrehwinkel φί und einem Endkurbelwellendrehwinkel φΜ die Beschleunigung a den konstanten Wert null aufweist. Die Beschleunigungsfunktion stellt somit ein entartetes Trapez mit Höhe null dar. Die
Geschwindigkeit v des Ventils ändert sich somit zwischen dem Anfangskurbelwellendrehwinkel φ, und dem Endkurbelwellendrehwinkel φί+ν nicht, sondern bleibt konstant auf dem
Geschwindigkeitswert , , welcher zu Beginn der Sequenz bei φί vorlag. Unter der Annahme einer positiven Geschwindigkeit vergrößert sich der Hub s des Ventils somit zwischen dem Anfangskurbelwellendrehwinkel φί und dem Endkurbelwellendrehwinkel φΜ von s, auf sM .
Bei dieser Sequenz können beispielsweise der Anfangshub s, , der Endhub s i+1 sowie die
Anfangsgeschwindigkeit V ; als Randbedingungen vorgegeben werden. Gemäß der Gleichung
Δ<ρ = ^-^ (4) kann die Länge Αφ der Sequenz bestimmt werden.
Sequenz 2: Hubänderung in vorbestimmter Zeit
Figur 3 zeigt eine Sequenz, bei welcher ausgehend von einem Anfangshub s, und einer Anfangsgeschwindigkeit V ; innerhalb einer vorbestimmten Zeit bzw. eines vorbestimmten Kurbelwellendrehwinkels Αφ ein Endhub s/+! erreicht werden soll. Neben den
Randbedingungen Anfangshub s, , Endhub s,+1 , Anfangsgeschwindigkeit v, und dem
Kurbelwellendrehwinkel Αφ zum Erreichen des Endhubs, wird ein Faktor f vorgegeben, welcher eine Länge eines Teilabschnitts der Sequenz angibt, in welcher die Beschleunigung a von null auf ihren Maximalwert aMax ansteigt. Der Faktor f kann beispielsweise 0.2, 1/3 oder 0.4 betragen. Der Faktor f wird darüber hinaus dazu verwendet, die Länge des Teilabschnitts zu definieren, welche verwendet wird, um die Beschleunigung von aMax auf null am Ende der
Sequenz wieder herunterzufahren. Aus diesen Randbedingungen kann gemäß der Gleichung
6 · ( \sJ Mi+\ - J,)- 6 - V, · Δρ - 3 · < Αφ2
αΜαχ
3 · Αφ2 · (! - /)
Die maximale Beschleunigung aMax und somit die Steigung der ersten Geraden des
Beschleunigungstrapezes und die Steigung der letzten Geraden des Beschleunigungstrapezes bestimmt werden.
Sequenz 3: vorbestimmten Hub mit Geschwindigkeit und Beschleunigung null erreichen
Figur 4 zeigt eine Sequenz bei der ein vorgegebener Endhub s,+I bei vorgegebenem
Anfangshub s, und vorgegebener Anfangsgeschwindigkeit v, derart erreicht wird, dass bei Erreichen des Endhubs si+1 die Geschwindigkeit v,+1 und die Beschleunigung a, des Ventils jeweils null betragen. Gemäß der Gleichungen
werden aus den Randbedingungen die maximale Beschleunigung aMax und die Länge der Sequenz als Kurbelwellendrehwinkel Αφ berechnet.
Sequenz 4: Erreichen eines Maximalhubs und Rückkehr zum Anfangshub
Figur 5 zeigt eine Sequenz, bei welcher der Hub s des Ventils ausgehend von einem
Anfangshub s( auf einen vorgegebenen Maximalhub sMax vergrößert wird und anschließend
wieder auf den Anfangshub s, zurückgesteuert wird. Weitere Randbedingungen für diese Sequenz ist eine geeignete Ausgangsgeschwindigkeit v, . Mit Hilfe der Gleichungen
werden eine Maximalbeschleunigung aMax für das Beschleunigungstrapez und eine Länge der Sequenz Αφ bestimmt. Wie in Figur 5 schematisch gezeigt ist, ergibt sich aus dem so gewählten Beschleunigungstrapez der gewünschte Verlauf des Ventilhubs s.
Sequenz 5: Gerade mit Beschleunigung null
Diese Sequenz entspricht dem Prinzip der Sequenz 1 , wobei jedoch bei dieser Sequenz die Länge der Sequenz Αφ = φΜ -φί angegeben wird und daraus und aus der
Anfangsgeschwindigkeit v, und dem Anfangshub s, der Endhub si+1 gemäß der Gleichung (4) bestimmt wird (Figur 6).
Sequenz 6: Öffnungsdauer des Ventils gewährleisten
Wie in Figur 7 gezeigt ist, sind bei dieser Sequenz sowohl die Geschwindigkeit v als auch die
Beschleunigung a gleich null. Der Hub des Ventils ändert sich während dieser Sequenz somit nicht und bleibt konstant bei s( . Als Randbedingungen wird der Abstand bzw.
Kurbelwellendrehwinkel zwischen einem Ventilöffnungspunkt und einem Ventilschließpunkt angegeben. Darüber hinaus werden die Hubhöhen, welche das Öffnen des Ventils bzw. das
Schließen des Ventils angeben, als Randbedingungen vorgegeben. Als Ergebnis wird bei dieser Sequenz die Länge Δφ der Sequenz derart bestimmt, dass die Randbedingungen für das Öffnen und Schließen des Ventils erfüllt werden und somit die gewünschte Öffnungsdauer des Ventils gewährleistet wird. Dazu sind gegebenenfalls vorhergehende Sequenzen oder nachfolgende Sequenzen zu berücksichtigen, um den Zeitpunkt bzw. Kurbelwellendrehwinkel zu bestimmen, zu denen das Ventil öffnet bzw. schließt. Diese Sequenz stellt somit die gewünschte Öffnungsdauer sicher und wird daher vorzugsweise nur einmal pro Sollhubkurve für einen Zyklus des Ventils verwendet.
Sequenz 7: Geschwindigkeitsaufnahme in vorbestimmter Zeit
In Figur 8 ist ein Hubverlauf, ein Geschwindigkeitsverlauf und ein Beschleunigungsverlauf für eine Sequenz dargestellt, in welcher die Geschwindigkeit des Ventils ausgehend von einer Anfangsgeschwindigkeit v, innerhalb einer vorgegebenen Zeit oder innerhalb eines
vorgegebenen Kurbelwellendrehwinkels Αφ auf eine Endgeschwindigkeit vi+1 erhöht wird. Das
Beschleunigungstrapez gibt einen entsprechenden Verlauf der Beschleunigung für das Ventil an, wobei der Maximalwert der Beschleunigung aMax gemäß der folgenden Gleichung
2 · (ν, - νΜ )+ α, · Δφ
°M- - 2 · Δφ . (ΐ - ) (10) bestimmt wird. Des Weiteren ist in Figur 8 der Verlauf des Hubes s des Ventils über dem Kurbelwellendrehwinkel Αφ der Sequenz gezeigt.
Sequenz 8: Geschwindigkeitsaufnahme mit vorgegebener Beschleunigung
Figur 9 zeigt eine Sequenz, bei welcher das Ventil mit einer vorgegebenen maximalen
Beschleunigung aMax und einer Anfangsgeschwindigkeit v, von null auf eine vorgegebene
End eschwindigkeit vi+1 beschleunigt wird. Gemäß der nachfolgenden Gleichungen
0.5 - V
i+l
* +! = ' (12)
a Max (i-/) werden der dazu erforderliche Kurbelwellendrehwinkel Αφ und der Endhub s,+] des Ventils bestimmt (unter der Annahme, dass der Anfangshub s, des Ventils null beträgt).
Sequenz 9: Geschwindigkeitsaufnahme innerhalb eines vorbestimmten Hubs
Figur 10 zeigt eine Sequenz, bei welcher ausgehend von einem Anfangshub s, und einer Anfangsgeschwindigkeit v, eine vorbestimmte Endgeschwindigkeit v(+1 und ein vorgegebener Endhub s,+1 erreicht werden. Gemäß den nachfolgenden Gleichungen
2(j,+, - s, )
Αφ = (13)
wird eine Länge der Sequenz als Kurbelwellendrehwinkel Αφ und einer
Maximalbeschleunigung aMax bestimmt. Durch Ansteuern des Ventiltriebs gemäß dem in Figur
10 gezeigten Beschleunigungstrapezes wird die gewünschte Geschwindigkeitsaufnahme innerhalb des Hubs erreicht.
Sequenz 10: Erreichen eines vorbestimmten Hubs mit Geschwindigkeit und Beschleunigung gleich null
Figur 11 zeigt eine Sequenz, bei welcher ein Ventil, welches sich mit einer
Anfangsgeschwindigkeit v; bei einem Anfangshub s, bewegt, mit Hilfe eines
Beschleunigungstrapezes derart angesteuert wird, dass es einen vorgegebenen Endhub s,+1 mit einer kontinuierlich abnehmenden Geschwindigkeit und Endgeschwindigkeit vi+1 = 0 erreicht.
Die Maximalbeschleunigung aMax und die Länge der Sequenz als Kurbelwellendrehwinkel Αφ wird gemäß der folgenden Gleichungen bestimmt:
Durch Aneinanderreihen der zuvor beschriebenen beispielhaften Sequenzen können nahezu beliebige Sollhubkurven für das Ventil erzeugt werden. Dabei wird sichergestellt, dass weder die Beschleunigung noch die Geschwindigkeit eine sprunghafte Veränderung aufweist. Darüber hinaus beträgt die Beschleunigung sowohl am Anfang als auch am Ende einer jeder Sequenz jeweils null. Durch die analytische Beschreibung der Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Hubkurven ist der Gesamtzustand des Ventils zu jedem beliebigen Zeitpunkt und zu jeder beliebigen Winkelstellung der Kurbelwelle exakt berechenbar.
Figur 12 zeigt eine Sollhubkurve 121 für ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Ventils, welche aus sieben Sequenzen zusammengesetzt ist. Zwischen 0 und näherungsweise 60° des Kurbelwellendrehwinkels φ wird die Sequenz 2 durchgeführt, welche das Ventil beginnend von einem Ausgangshub von näherungsweise 0 mm auf einen Endhub von näherungsweise 3 mm öffnet. Mit Hilfe der Sequenz 1 , d.h. ohne weitere Beschleunigung des Ventils, öffnet sich das Ventil bei konstanter Geschwindigkeit weiter bis auf näherungsweise 7 mm bei einem
Kurbelwellendrehwinkel von näherungsweise 80°. Dort beginnt Sequenz 3 wodurch das Ventil auf einen vorgegebenen Hub von näherungsweise 10 mm derart geöffnet wird, dass es bei
Erreichen des vorgegebenen Hubs eine Geschwindigkeit von 0 m/s aufweist. Auch die
Beschleunigung beträgt zu diesem Zeitpunkt, d.h. bei einem Kurbelwellendrehwinkel von näherungsweise 130°, null. Bei dem Kurbelwellendrehwinkel von näherungsweise 130° beginnt Sequenz 6, welche das Ventil so lange in der geöffneten Position lässt, dass eine vorgegebene Öffnungsdauer gewährleistet wird. Die Öffnungsdauer wird durch einen Zeitpunkt einer
Ventilöffnung und einem Zeitpunkt eines Ventilschließens definiert. Dazu kann beispielsweise eine Hubhöhe festgelegt werden, ab welcher das Ventil als geöffnet gilt. In Figur 12 ist diese Hubhöhe bei näherungsweise 0,5 mm als Linie 124 eingezeichnet. Der so definierte
Öffnungsbeginn liegt bei näherungsweise 20° Kurbelwellendrehwinkel und das Ventil schließt bei näherungsweise 270° Kurbelwellendrehwinkel. Unter Berücksichtigung des
Sollhubkurvenverlaufs der nachfolgenden Sequenzen wird die Länge der Sequenz 6 derart bestimmt, dass eine Öffnungsdauer von näherungsweise 250° Kurbelwellendrehwinkel gewährleistet wird. Die Länge der Sequenz 6 beträgt bei diesem Beispiel näherungsweise 30° und endet somit bei näherungsweise 160° Kurbelwellendrehwinkel. An dieser Stelle beginnt eine weitere Sequenz 2, wodurch der Hub des Ventils zum Kurbelwellendrehwinkel bei näherungsweise 210° auf einen Wert von näherungsweise 7 mm verringert wird. Darauf folgt eine weitere Sequenz 1 , wodurch das Ventil bei konstanter Geschwindigkeit auf einen Wert von näherungsweise 3 mm eingestellt wird. Diese Ventileinstellung wird bei einem
Kurbelwellendrehwinkel von näherungsweise 230° erreicht. Abschließend wird die Sequenz 3 verwendet, um das Ventil auf einen Endhub von 0 mm derart zu steuern, dass dieser Endhub mit einer Geschwindigkeit von null und einer Beschleunigung von null erreicht wird. Dieser Zustand des Ventils wird bei näherungsweise 290° Kurbelwellendrehwinkel erreicht.
Wie aus Figur 12 ersichtlich ist, werden zum Steuern des Ventils gemäß der Sollhubkurve 121 keine sprunghaften Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsänderungen benötigt. Daher lässt sich die Sollhubkurve 121 mit einem elektromotorischen vollvariablen Ventiltrieb realisieren. Der Strom zur Ansteuerung des Aktors kann im Wesentlichen proportional zur Beschleunigung sein. Wie aus der Beschleunigungskurve 123 der Figur 12 ersichtlich ist, wird zur Realisierung der Sollhubkurve 121 keine sprunghafte Beschleunigung und somit auch keine sprunghafte
Stromveränderung benötigt. Der Geschwindigkeitsverlauf 122 des Ventils, wie er in Figur 12 dargestellt ist, verdeutlicht, dass das Ventil seine Endpositionen, d.h. den voll geöffneten Zustand und den geschlossenen Zustand mit Geschwindigkeit null und Beschleunigung null erreicht. Demzufolge setzt das Ventil sanft im Zylinderkopf auf, wodurch mechanische
Belastungen am Ventil und der Verbrennungskraftmaschine minimiert werden können.
Figur 13 zeigt schematisch eine Vorrichtung 131 zum Steuern eines Ventils 132 einer
Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung 131 umfasst eine Ventilsteuervorrichtung 133, welche über einen Aktor 134 das Ventil 132 unter Verwendung einer Sollhubkurve steuert. Die
Sollhubkurve beschreibt einen Verlauf eines Sollhubwertes des Ventils über einem Zeitintervall oder einem Kurbelwellendrehwinkel, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Vorrichtung 131 umfasst eine Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135, welche mit der Ventilsteuervorrichtung 133 über eine Kommunikationsverbindung 136 gekoppelt ist und welche ausgestaltet ist, die Sollhubkurve wie zuvor beschrieben in Abhängigkeit von einem Zustand der
Brennkraftmaschine zu bestimmen. Der Zustand der Brennkraftmaschine kann beispielsweise einen Belastungszustand, ein aktuelles Drehmoment, eine aktuelle Drehzahl, einen aktuellen Ladedruck eines Turboladers der Brennkraftmaschine oder eine aktuelle Temperatur der Brennkraftmaschine umfassen. Die Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 kann beispielsweise Teil einer Motorelektronik der Brennkraftmaschine sein, wohingegen die Ventilsteuervorrichtung 133 eine eigene Steuervorrichtung zum Steuern der Ventile der Brennkraftmaschine ist. Über die Kommunikationsverbindung 136 werden daher Informationen zur Steuerung des Ventils 132 von der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 zu der Ventilsteuervorrichtung 133 übertragen. Beispielsweise können über die Kommunikationsverbindung 136 die zuvor beschriebenen Sequenzen und ihre spezifischen Parameter (Randbedingungen) übertragen werden. Alternativ können über die Kommunikationsverbindung 136 auch beispielsweise Start- und
Endpunktewertepaare der Beschleunigungsgeraden, welche die Beschleunigungskurve bilden, also beispielsweise Eckpunkte der Beschleunigungskurve 23 der Figur 12 übertragen werden.
Um die Übertragung auf der Kommunikationsverbindung 136 effizient zu gestalten, kann darüber hinaus ein Verfahren zur Datenreduktion verwendet werden. Dieses Verfahren wird beispielhaft anhand der Figuren 14 und 15 nachfolgend beschrieben. Bei dem
Datenreduktionsverfahren werden Wertepaare, welche jeweils einen Kurbelwellendrehwinkel und einen dazugehörigen Ventilsollhub umfassen, über die Kommunikationsverbindung 136 übertragen. Dabei werden diese Wertepaare nur für Kurbelwellendrehwinkel übertragen, bei denen eine Sequenz beginnt bzw. endet. Das heißt, es werden nur die Sollhubwerte und die entsprechenden Kurbelwellendrehwinkel an den Endpunkten der Beschleunigungstrapeze über die Kommunikationsverbindung 136 übertragen. Aufgrund der Tatsache, dass die
Beschleunigungstrapeze am Anfang und am Ende jeweils den Wert null aufweisen, lassen sich die Beschleunigungstrapeze allein aus der Information über den Kurbelwellendrehwinkel und den zugehörigen Ventilsollhub rekonstruieren. Somit werden neben dem Startwertepaar des ersten Beschleunigungstrapezes nur noch Wertepaare an den Endpunkte der nachfolgenden Beschleunigungstrapeze übertragen. Die Übertragung von Ventilsollhub und
Kurbelwellendrehwinkel weist den Vorteil auf, dass ein Integrationsfehler des Hubs bzw. der Geschwindigkeit minimiert wird.
Figur 14 zeigt beispielhaft eine Ventilsollhubkurve 141 mit zugehöriger Geschwindigkeitskurve 142 und Beschleunigungskurve 143, wie sie in der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135
erzeugt wurde. Die Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 kann diese Kurven unter
Verwendung der Sequenzen wie im Zusammenhang mit Figur 12 beschrieben wurde erzeugen.
Darüber hinaus zeigt Figur 14 eine weitere Kurve 144, welche die Ableitung der
Beschleunigung über dem Kurbelwellendrehwinkel φ darstellt.
Wie zuvor beschrieben, werden von der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 nur Wertepaare am Anfang bzw. am Ende einer Sequenz an die Ventilsteuervorrichtung 133 übertragen. Wie aus der Beschleunigungskurve 143 der Figur 14 ersichtlich ist, besteht die
Beschleunigungskurve 143 aus fünf Sequenzen, wovon die erste, dritte und fünfte Sequenz jeweils ein echtes Beschleunigungstrapez darstellen, wohingegen die zweite und vierte
Sequenz entartete Trapeze darstellen, welche einen konstanten Wert von null aufweisen. Das erste Trapez beginnt bei einem Kurbelwellendrehwinkel von 0°, das zweite bei einem
Kurbelwellendrehwinkel von näherungsweise 60°, das dritte bei näherungsweise 80°, das vierte bei näherungsweise 170° und das fünfte bei näherungsweise 190°. Das fünfte
Beschleunigungstrapez endet bei näherungsweise 250°. Demzufolge werden sechs
Wertepaare mit Kurbelwellendrehwinkel und Sollhubwert an die Ventilsteuervorrichtung 133 übertragen. Die zu übertragenden Sollhubwerte sind in Figur 14 mit den Bezugszeichen 141a - 141f gekennzeichnet. Unter der Voraussetzung, dass die Beschleunigungstrapeze zu Beginn und am Ende einer jeden Sequenz jeweils den Wert null aufweisen und bei der Rekonstruktion in der Ventilsteuervorrichtung 133 und der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 der gleiche Faktor f, welcher in Zusammenhang mit Figur 3 zuvor beschrieben wurde, verwendet wird, kann aus den übertragenen Wertepaaren die Beschleunigungskurve 143 und daraus die
Geschwindigkeitskurve 142 und die Sollhubkurve 141 in der Ventilsteuervorrichtung 133 rekonstruiert werden. Zusätzlich kann die Ventilsteuervorrichtung 133 aus der
Beschleunigungskurve 143 die Ableitung der Beschleunigung (Kurve 144) bestimmen, um eine Reglervorsteuerung für den Aktor 134 bereitzustellen.
Sogar wenn die Ventilsteuervorrichtung 133 einen anderen Faktor f verwendet, beispielsweise weil der mit der Ventilsteuervorrichtung 133 gekoppelte Aktor 134 andere mechanische
Charakteristika und somit beispielsweise eine andere maximale Beschleunigung aufweist kann mit Hilfe der übertragenen Wertepaare im Wesentlichen die gleiche oder eine zumindest sehr ähnliche Sollhubkurve für das Ventil 133 rekonstruiert, wie unter Bezugnahme auf Figur 15 gezeigt wird. In der Sollhubkurve 151 sind die Wertepaare 141a - 141f, welche gemäß Figur 14 in der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 (Kurve 141 der Figur 14) erzeugt wurden, dargestellt. Die Ventilsteuervorrichtung der Figur 15 verwendet beispielsweise einen Faktor f von näherungsweise 0,4, wohingegen in der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit 135 ein Faktor von näherungsweise 0,2 verwendet wurde. Demzufolge ergibt sich in der
Ventilsteuervorrichtung 133 bei der Rekonstruktion die in Figur 15 gezeigte
Beschleunigungskurve 153, welche gegenüber der Figur 14 veränderte
Beschleunigungstrapeze aufweist. Die Beschleunigungskurve 153 ist jedoch derart
ausgestaltet, dass die Stützstellen 141 a - 141f der Sollhubkurve erreicht werden.
Dementsprechend ergibt sich eine Geschwindigkeitskurve 152, welche der
Geschwindigkeitskurve 142 schon sehr ähnlich ist und eine Sollhubkurve 151 , welche nur noch sehr geringe Abweichungen gegenüber der Sollhubkurve 41 aufweist. Aufgrund des geänderten Faktors f ergibt sich eine starke Veränderung bei der Ableitung der
Beschleunigungskurve, wodurch eine angepasste Reglervorsteuerung in der
Ventilsteuervorrichtung 133 erreicht wird.