SE534427C2 - Metod och system för att bestämma fasen hos en fyrtakts förbränningsmotor - Google Patents

Description

534 427 Förutom sádana metoder med kamaxelstyrda ventiler finns det dock även motorer där ventilerna, istället för att vara kamaxelstyrda, öppnas och stängs med hjälp av hydrauliska och/eller elektromekaniska organ.

Oavsett vilken teknik som används är det viktigt att det hela tiden är känt i vilken takt av de fyra takterna en kolv i en cylinder befinner sig, dvs. det mäste vara möjligt att utan tvetydighet bestämma vilken av de tva cyklerna för en individuell kolv som utgör insug/kompression och vilken som utgör förbränning/avgas sä att insugningen av luft och utsläpp av avgaser är synkroniserat med bränsleinsprutningen.

Fyrtaktscykeln börjar vid den punkt där cylindern befinner sig vid sin övre dödpunkt (TDC), och denna position representerar fasvinkeln 0° av de 720° (tvà varv) som vevaxeln roterar under en fyrtaktscykel.

Med avseende pä motorer med kamaxeldrívna ventiler kan detta erhållas med hjälp av en pà kamaxeln anordnad sensor. Kamaxeln roterar med halva vevaxelns hastighet och genom kännedom om kamaxelns position kan det alltid bestämmas huruvida en cylinder befinner sig i t.ex. en kompressionstakt eller en avgastakt.

Med avseende pä motorer utan kamaxel mäste dock fasvinkeln (t.ex. om vevaxeln befinner sig i det första eller andra varvet av fyrtaktscykeln) bestämmas pà ett annan sätt.

Om ventilerna och bränsleinjektorerna styrs med samma styrenhet kan denna styrenhet bestämma, t.ex. när motorn startas, att den första takten är en avgastakt som omedelbart följs av en kompressionstakt (eller vice versa), eftersom 534 427 styrenheten styr bàde ventilerna och bränsleinjektorerna. Det kan dock av olika skäl vara önskvärt att ha ventilstyrningen integrerad i en första styrenhet och bränsleinjektorstyrning i en andra styrenhet, t.ex. för att reducera styrenhetens belastning eftersom denna annars kan ha ett stort antal uppgifter att utföra, t.ex. om styrenheten utgörs av en motorstyrenhet.

Användning av tva styrenheter betyder dock att bada styrenheter másta ha samma syn pà vilken takt en TDC- kolvposition ska påbörja (dvs. insugning-kompression eller förbränning~avgas). Således är det nödvändigt att de två styrenheterna är ”synkroniserade” med varandra.

Det finns ett flertal möjliga sätt att åstadkomma detta. T.ex. kan en styrenhet anordnas att vara masterstyrenhet och bestämma vilken av de tvà övre dödpunktspositionerna som ska tolkas som pabörjan av en insugning och sedan kommunicera detta meddelande till den andra styrenheten som utgör en slavstyrenhet. Nackdelen med en sådan lösning är dock att om informationen t.ex. sänds pà en fordonsstyrsystemdatabuss är dylika databussar ofta inte lämpliga för realtidskritisk data.

Av denna anledning utgörs en alternativ lösning av att de tvà styrenheterna är anslutna till varandra, t.ex. medelst en detekterad signalförbindelse. Detta har ä andra sidan nackdelen att förutom att ge upphov till extra kostnader kan den extra kabeln gà sönder eller pá andra sätt felfungera.

Således existerar det ett behov av en förbättrad metod för synkronisering av tvà styrenheter, varvid den första styrenheten styr öppning och stängning av ventiler medan den andra styrenheten styr bränsleinsprutning, i synnerhet med avseende pà motorer utan kamaxel. 534 427 SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en metod som löser ovannämnda problem. Detta syfte uppnàs med en metod enligt den kännetecknande delen av patentkrav 1.

Uppfinningen har fördelen att genom att göra det möjligt att detektera fyrtaktscykelns fas genom att observera rotationsvariationen för en axel hos nämnda motor, såsom vevaxeln (t.ex. genom mätning pà svänghjulet), kan den första styrenheten bestämma fasen utan att fasinformation komuniceras mellan de tvà styrenheterna. Föreliggande är särskilt fördelaktig för användning vid en dieselmotor i ett tungt fordon.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 visar en exempelmotor vid vilken föreliggande uppfinning med fördel kan användas.

Fig. 2 visar en graf över vevaxelvariationer under en fyrtaktscykel.

Fig. 3 visar en exempelform enligt föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING Av FÖREDRAGNA UTFöRINGsFom/LER Sàsom nämnts ovan existerar motorer där ventiler istället för att vara kamaxelstyrda öppnas och stängs med hjälp av hydrauliska och/eller elektromekaniska organ. 534 427 Såsom också nämndes ovan är det ofta att föredra att styra bränsleinsprutning och ventiler vid en sådan motor genom användning av separata styrenheter.

I fig. 1 visas ett tvärsnitt av en exempelmotor där ventilerna styrs genom användning av elektromekaniska eller hydrauliska organ enligt föreliggande uppfinning. Figuren visar en kolv 102 bunden med en vevaxel 101. Kolven rör sig upp och ner i en fram och àtergáende rörelse i en cylinder 103 som svar pà en rotation av vevaxeln 101. Vid cylinderns 103 topp finns ventiler 105, 106. ventilen 105 kan öppnas för att möjliggöra insugning av luft i cylindern och ventilen 106 kan öppnas för att släppa ut avgaser som resulterar fràn förbränning i cylindern. En fordonsmotor innefattar ofta ett flertal cylindrar med associerade kolvar, genom t.ex. 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16. Den i fig. 1 visade motorn kan vara av godtycklig konfiguration även om endast en cylinder visas.

Sàsom nämnts ovan styrs en förbränningsmotors ventiler vanligtvis med hjälp av en kamaxel som är anordnad att roteras synkroniserat med vevaxeln vid halva vevaxelns hastighet sä att ventilerna öppnas och stängs vid önskade tidpunkter med avseende pá kolvens 102 position.

Istället för att styras av en kamaxel kan dock den i fig. 1 visade motorventiler 105, 106 styras medelst elektromekaniska organ och/eller hydrauliska organ. Användning av ventiler som styrs elektroorganiskt eller hydrauliskt har t.ex. fördelen att ventilerna kan öppnas och stängas i olika utsträckning i beroende av aktuellt motorvarvtal och/eller motorlast. Sådana konfigurationer har även fördelen att de tidpunkter vid vilken ventilerna öppnas och stängs kan justeras, t.ex. baserat pá motorns aktuella körförhàllanden. 534 427 Fig. 1 visar även en styrenhet 110 för styrning av ventilernas 105, 106 (och motsvarande ventiler för motorns övriga cylindrar) operation, t.ex. genom styrning av lämpliga organ (ej visat) för öppning/stängning av nämnda ventiler. Fig. 1 visar även en styrenhet 111, vilken pá ett sedvanligt sätt styr bränsleinsprutningsmunstycken (ej visade) som används för att tillföra cylindrarna bränsle för efterföljande förbrännning. Styrenheten 111 kan t.ex. utgöras av den motorstyrenhet som ofta förekommer i ett fordon. Styrenheten 110, 111 utgör del av fordonsstyrsystemet. Fordonsstyrsystem i moderna fordon bestár vanligtvis av ett kommunikationsbussystem bestàende av en eller flera kommunikationsbussar för sammankoppling av olika pà fordonet lokaliserade elektroniska styrenheter och komponenter. Sàledes kan signaler till/frán ventilstyrorgan och insprutningsmunstycksstyrorgan t.ex. kommuniceras till/från styrenheterna 110, 111 med hjälp av lämplig kommunikationsbuss.

Såsom nämnts ovan mäste, med avseende pà en motor utan kamaxel, de tvà styrenheterna 110, 111 komma överens om aktuell fas (fasvinkel) för vevaxeln, dvs. i vilket av de två varv av en fyrtaktscykel som en cylinder för närvarande opererar. Om ventilstyrenheten anser att en insugning är pà väg att ske, medan motorstyrenheten (injektorstyrenheten) anser att en förbränning är pà väg att ske kommer motorn att uppföra sig illa.

Vanligtvis är det tillräckligt att bestämma fasen för en cylinder, företrädesvis motorns första cylinder, eftersom de övriga cylindrarna i allmänhet opererar i fast relation till den första cylindern. Vid t.ex. en motor med àtta cylindrar 534 427 når de fyra första cylindrarna TDC med 90° rotationsförskjutning av vevaxeln. Var och en av de övriga cylindrarna (cylindrar 5-8) arbetar ofta i par med en av cylindrarna 1 - 4.

Såsom nämnts ovan finns det många sätt på vilka kamaxelns fasvinkel kan kommuniceras mellan de två styrenheterna. Dessa metoder är dock kanske inte av ovanstående skäl fullt pålitliga, vilket är skälet till att en bestämning av fasvinkeln utgör föremål för föreliggande uppfinning.

Enligt föreliggande uppfinning kan båda styrenheter 110, 111, när fordonet ska startas, oberoende av varandra anta en fas, vilket således betyder att det finns möjlighet att styrenheterna antar olika faser. Denna fas verifieras sedan med hjälp av föreliggande uppfinning. Enligt uppfinningen styrs ventilerna av styrenheten 110 på ett sätt så att styrenheten 111 kan detektera den av ventilstyrenheten 110 inställda fasen genom att observera vevaxelns 101 rotationsuppträdande.

En exempelmetod enligt föreliggande uppfinning visas i fig. 3.

Metoden startar i steg 301 där det bestäms, t.ex. av styrenheten lll, om fasbestämning erfordras t.ex. om fordonsmotorn ska startas (det är naturligtvis även möjligt att utföra nämnda bestämning även i andra situationer, t.ex. efter vissa tidsperioder eller om det finns någon indikation på att bestämningen om någon anledning kan vara fördelaktig att utföra). Detta kan t.ex. triggas av att styrenheten mottar ett meddelande om att startmotorn är på väg att aktiveras (t.ex. efter en förarbegäran) på en fordonskommunikationsbuss_ Om fasdetektering erfordras fortsätter metoden till steg 302, där vevaxelrörelsen övervakas av styrenheten 111. 534 427 Detta kan t.ex. àstadkomas pà ett sedvanligt sätt, t.ex. genom att detektera tänderna pä ett svänghjul där en tand har tagits bort för att möjliggöra identifiering av TDC.

Svänghjulet är fixerat till vevaxeln och innefattar i allmänhet ett flertal tänder som möjliggör att vevaxelhastighetsvariationer, även inom ett enda vevaxelvarv, kan bestämas med hög noggrannhet genom användning av en lämplig sensor som detekterar de passerande tänderna.

Enligt föreliggande uppfinning detekteras fasen genom att detektera ett mönster i vevaxelns rotationsvariation och i en exempelutföringsform ástadkoms detta t.ex. genom att ventilstyrenheten, vid det första eller de första vevaxelvarven som orsakas av startmotorn, öppnar och stänger ventilerna 105, 106 som om motorn är startad medan ventilerna för alla andra cylindrar hàlls stängda. Detta får resultatet att vid insugnings-kompressionsfasen kommer cylinder 1 att ta in luft pá ett sedvanligt sätt och utföra en kompression pä ett sedvanligt sätt. Denna kompression kommer dock pà grund av tryckuppbyggnaden att ge upphov till en detekterbar inbromsning av vevaxeln. Omvänt kommer förbrännings-avgasfasen att uppvisa litet motstånd mot kolvrörelse eftersom avgasventilen (eller ventilerna) kommer att vara öppen.

Detta exemplifieras ytterligare i fig. 2 där en exempelvevaxelkaraktäristik visas för en fyrtaktscykel där ventilerna styrs enligt ovan och vid rotation av startmotorn med n rpm. För enkelhetens skull antas att kurvan börjar med kolven vid TDC. Under insugningen kommer vevaxelhastigheten att förbli väsentligen konstant, dvs n rpm. Under kompressionssteget kommer dock vevaxeln att inbromsas av det ökande cylindertrycket, och vid slutet av kompressionssteget 534 427 har vevaxelhastigheten reducerats till n2 rpm. I förbränningstakten utsätts kolven inte längre för det ökade mottrycket med resultatet att vevaxelhastigheten, trots att ingen förbränning faktiskt sker (i exempelutföringsformen pábörjar styrenheten lll inte bränsleinsprutning förrän fasen har bestämts). I en alternativ utföringsform kan dock styrenheten tillåtas att styra bränsleinsprutning enligt dess antagna fas, i vilket fall i den i fig. 2 visade karaktäristiken kan vara annorlunda om det även förekommer en förbränning), àtergàr till väsentligen n rpm (faktum är att även om det inte visas i figuren kommer hastigheten att nä en högre hastighet än n rpm pà grund av den i den komprimerade luften lagrade energin. Hastigheten skulle ha överskridit n rpm med ett än högre värde om det faktiskt hade skett en förbränning), där den förblir till nästa kompression (ej visad).

Efter detektering av vevaxel (dvs svänghjul)-variationer (eller alternativt samtidigt med steget att detektera variationerna) bestäms fasen för fyrtaktscykeln. Detta kan t.ex. ástadkomas genom att detektera avvikelsen i den i fig. 2 visade vevaxelhastigheten eller genom att jämföra vevaxelns rotationshastighet vid TDC = l och TDC = 2 i fig. 2, vilket omedelbart avslöjar att TDC = l ska tolkas som 0° för 720°- cykeln, eftersom vevaxelns rotationshastighet kommer att vara lägre vid 360° (pà grund av den föregående kompressionen).

Således kan styrenheten 111, eller någon godtycklig styrenhet för den delen, detektera vevaxelns inbromsning som beror av kompressionen och därmed fastställa att den TDC som omedelbart följer kompressionen (retardationen) utgör 360°-positionen för 720°-cykeln. 534 427 Metoden fortsätter sedan till steg 304, där det bestäms om den bestämda fasen är densamma som den antagna fasen. Om så är fallet átervänder metoden till steg 301 och annars till steg 305 där den antagna fasen justeras enligt den bestämda fasen.

Således tillhandahåller föreliggande uppfinning en enkel men samtidigt robust metod för att synkronisera fyrtaktsfasen för de tvà (eller fler om sà skulle vara fallet) styrenheterna sà att fasen för bränsleinsprutning kan inställas till att motsvara ventilstyrenhetens ventiloperation. Föreliggande uppfinning har även fördelen att ingen direkt signalering mellan motorstyrenhet och ventilstyrenhet erfordras, vilket även har fördelen att ingen detekterad signalförbindelse mellan de tva styrenheterna är nödvändig.

Företrädesvis vet motorstyrenheten vilken cylinder som har ventiler arbetande pá ett normalt sätt, även om styrenheten i mànga situationer kommer att kunna bestämma detta genom att notera vilken vevaxelposition som motsvarar TDC för en specifik cylinder.

Såsom inses av en fackman inom teknikomràdet finns det manga alternativa sätt pà vilka ventilöppning och stängning kan styras och som fortfarande möjliggör att fasen kan bestämmas.

Istället för att styra ventilerna för cylinder l på ett sedvanligt sätt är det t.ex., och naturligtvis, även möjligt att styra ventilerna för godtycklig cylinder i syfte att åstadkomma fasdetekteringen, företrädesvis med en motorstyrenhet som vet vilken cylinder som har ventiler arbetande pá ett sedvanligt sätt. Även mer komplexa scheman för att styra ventilerna kan användas, t.ex. genom att styra ventiler för fler än en cylinder, endast en ventil för en cylinder, hålla alla eller en del av de övriga cylindrarnas 534 427 ll ventiler öppna, eller öppna de övriga cylindrarnas ventiler under respektive kompressionsfas.

Föreliggande uppfinning har även fördelen att ventilstyrenheten och motorstyrenheten vid motorstart individuellt kan inställa en TDC som ska betraktas som O°-fas, eftersom motorstyrenheten sedan omedelbart kan bestämma om dess antagande är korrekt och annars utföra ett fashopp för att synkronisera med ventilstyrenheten.

Claims (12)

10 15 20 25 30 534 427 12 P A T E N T K R A V

1. Metod för att bestämma fasen hos en fyrtakts förbränningsmotor, där nämnda motor innefattar ett flertal cylindrar (103) och åtminstone en ventil (105, 106) för var och en av nämnda cylindrar (103), varvid en första styrenhet (111)styr bränsleinsprutning i nämnda cylindrar (103) och en andra styrenhet (110), skiljd från nämnda första styrenhet (111), styr öppning och/eller stängning av nämnda ventiler (105, 106), innefattar steget att: k ä n n e t e c k n a d av att metoden - med hjälp av nämnda andra styrenhet (110), styra nämnda ventiler (105, 106) på ett sätt så nämnda första styrenhet (111) kan bestämma fasen för fyrtaktscykeln för nämnda cylindrar (103) genom bestämning av en rotationsvariatíon för en axel (101) hos nämnda motor, nämnda steg att styra nämnda ventiler (105, 106) består av steget att styra ventilen eller ventilerna för en av cylindrarna (103) enligt normal operation medan ventilerna för åtminstone en del av övriga cylindrar (103)styrs på ett sätt som avviker från normal operation.

2. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att ventilerna (104, 106)för nämnda åtminstone några andra cylindrar (103) hålls stängda eller öppna under nämnda bestämning av fasen.

3. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a d av att bestämningen av rotationsvariationen för en axel hos nämnda motor utgör en bestämning av rotationsvariationen för en vevaxel (101). 10 15 20 25 30 534 427 13

4. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a d av att nämnda bestämning av rotationsvariationen för en axel (101)bestäms genom mätning av en rotationsvariation för ett svänghjul.

5. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - n a d av att nämnda första styrenhet (111) utgörs av en motorstyrenhet.

6. System för att bestämma fasen hos en fyrtakts förbränningsmotor, där nämnda motor innefattar ett flertal cylindrar (103) och åtminstone en ventil (105, 106) för var och en av nämnda cylindrar (103), där systemet innefattar en första styrenhet (111) som är anordnad att styra bränsleinsprutning i nämnda cylindrar (103) och en andra styrenhet (110), skild från nämnda första styrenhet (111), som är anordnad att styra öppning och/stängning av nämnda ventiler (105, 106), k ä n n e t e c k n a t av att systemet innefattar organ för att: - med hjälp av nämnda andra styrenhet (110), styra nämnda ventiler (105, 106) på ett sätt så att nämnda första styrenhet (111) kan bestämma fasen för fyrtaktscykeln för nämnda cylindrar (103) genom bestämning av en rotationsvariation för en axel (101) hos nämnda motor, nämnda styrning av nämnda ventiler (105, 106) består av styrning av ventilen eller ventilerna för en av cylindrarna (l03)enligt normal operation medan ventilerna för åtminstone en del av de övriga cylindrarna (103) styrs på ett sätt som skiljer sig från normal operation.. av att

7. System enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t ventilerna (105, l06)för nämnda åtminstone en del andra 10 15 20 25 30 534 427 14 cylindrar (103) hålls stängda eller öppna under nämnda bestämning av fasen.

8. System enligt något av kraven 6 - 7, k ä n n e t e c k - n a t av att bestämningen av rotationsvariationen för en axel hos nämnda motor utgör en bestämning av rotationsvariationen för en vevaxel (101).

9. System enligt något av kraven 6 - 8, k ä n n e t e c k - n a t av att nämnda bestämning av rotationsvariationen för en axel (101) bestäms genom mätning av en rotationsvariation för ett svänghjul.

10. System enligt något av kraven 6 - 9, k ä n n e t e c k - n a t av att nämnda första styrenhet (111) utgörs av en motorstyrenhet.

11. Anordning för användning i ett system för att bestämma fasen hos en fyrtakts förbränningsmotor, där nämnda motor innefattar ett flertal cylindrar (103) och åtminstone en ventil (105, 106) för var och en av nämnda cylindrar (103), där anordningen är anordnad att styra öppning och/eller stängning av nämnda ventiler (105, 106), k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar organ för att: - styra nämnda ventiler (105, 106) på ett sådant sätt att fasen för fyrtaktscykeln för nämnda cylindrar (103) kan bestämmas genom bestämning av en rotationsvariation för en axel (101) hos nämnda motor, nämnda styrning av nämnda ventiler (105, 106) består av styrning av ventilen eller ventilerna för en av cylindrarna (103) enligt normal operation medan ventilerna för åtminstone en del av de övriga 534 427 15 cylindrarna (103) styrs på ett sätt som skiljer sig från normal operation

12. Fordon, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar ett system och/eller en anordning enligt något av kraven 6 - ll.