WO2012055457A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ventils einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum steuern eines ventils einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2012055457A1
WO2012055457A1 PCT/EP2011/004447 EP2011004447W WO2012055457A1 WO 2012055457 A1 WO2012055457 A1 WO 2012055457A1 EP 2011004447 W EP2011004447 W EP 2011004447W WO 2012055457 A1 WO2012055457 A1 WO 2012055457A1
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valve
section
acceleration
function
boundary conditions
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PCT/EP2011/004447
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Inventor
Jan Piewek
Andreas Schwenger
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
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    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
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    • F02D2041/2037—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit for preventing bouncing of the valve needle

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for controlling a valve of an internal combustion engine, and more particularly, to a method and apparatus for controlling a valve with a variable valve train, wherein the valve is controlled using a desired lift curve by means of a valve actuator.
  • a charge cycle i. Filling a combustion chamber with a fuel-air mixture and emptying the combustion chamber after a
  • Combustion process usually controlled by valves, which open and close respective ports to the combustion chamber at appropriate times.
  • variable valve trains or fully variable valve trains are used, which are electrically or hydraulically controlled via a suitable control.
  • a control taking into account the engine load conditions much more flexible than via a mechanical control via the camshaft can be performed.
  • a variable valve train thus an opening time, a valve lift and / or a closing time of the valve can be variably adjusted.
  • the mixture preparation, a charge cycle and / or an exhaust gas recirculation can be improved and thus the efficiency of
  • Internal combustion engine can be increased. In addition, possibly even one
  • Eliminate throttle whereby the charge exchange work can be reduced and thus the efficiency of the internal combustion engine can be further improved.
  • an electromotive fully variable valve train the force on the valve is determined by a current in the electric motor sub-circuits or actuators of the valve train.
  • the relationship between current and power of the valve train is often path-dependent. Therefore, the current in the actuator is a measure of the path-dependent acceleration, which is proportional to the force.
  • Due to the inductance of the electromotive fully variable valve train a sudden direct specification of the current is not possible. Rather, by specifying a terminal voltage to the electric motor fully variable valve train results in a current gradient. Thus, the actuator does not allow sudden current waveforms, no erratic force curves and thus no sudden acceleration curves.
  • Object of the present invention is therefore to provide a control for a fully variable valve train, which solves the aforementioned problems.
  • this object is achieved by a method for controlling a valve of an internal combustion engine according to claim 1, an apparatus for controlling an internal combustion engine according to claim 12 and a vehicle according to claim 14.
  • the dependent claims define preferred and advantageous embodiments of the
  • a method for controlling a valve of an internal combustion engine is provided.
  • the valve is controlled using a desired lift curve.
  • the Sollhubkurve describes a course of a Sollhubirris the valve over a time interval.
  • the Sollhubkurve can also describe a curve of a Sollhubirris the valve over a rotation angle of a crankshaft of the internal combustion engine, since the rotational angle of the crankshaft is directly related to the time over the rotational speed of the internal combustion engine.
  • the desired lift curve is determined automatically by dividing the time interval into several sections and specifying respective boundary conditions for each of the several sections. For each of the several sections, a continuously differentiable function, a so-called lifting function, is defined, which describes the course of the nominal stroke value. The function can be continuously differentiable one or more times. The respective steady
  • the Sollhubkurve is formed by juxtaposing the continuously differentiable functions of the multiple sections.
  • Movement of the valve are divided into a plurality of easy-to-handle sections, for example, a portion to initiate an opening operation of the valve, a portion to terminate the opening process (deceleration) of the valve, a portion to hold open the valve, etc.
  • the boundary conditions of the respective sections are the beginning and final states of the valve are defined at the beginning and at the end of the section and can thus be taken into account in the definition of the continuously or multiply continuously differentiable function for the course of the Sollhubwerts over the section in a simple manner.
  • the continuously differentiable function for the course of the desired stroke value is a function that can be continuously differentiated twice. Since the second derivative of the Sollhubkurve corresponds to an acceleration of the valve, which is twice continuous
  • the dual continuous differentiable function is defined by defining for each section a respective acceleration function which is a piecewise linear function.
  • the piecewise linear function has a first pitch in a first subsection, a constant value in a second subsection, and a second pitch in a third subsection.
  • a speed function for the respective section is determined by integrating the acceleration function taking into account the respective boundary conditions of the respective section.
  • the dual continuous differentiable function of the section is determined by integrating the speed function, taking into account the respective boundary conditions of each section. Since the acceleration function is piecemeal linear, ie composed of contiguous straight stretches, corresponding master functions as well as
  • the respective acceleration function has the value zero at the beginning of the first subsection and also has the value zero at the end of the third subsection.
  • the acceleration function thus has a trapezoidal shape over the respective section.
  • the second slope has the negative value of the first slope, i. the first and the second slope are equal in magnitude and differ only by their sign.
  • the respective acceleration function has the value zero at the beginning of the first subsection and also has the value zero at the end of the third subsection.
  • the acceleration function thus has a trapezoidal shape over the respective section.
  • the second slope has the negative value of the first slope, i. the first and the second slope are equal in magnitude and differ only by their sign.
  • the respective acceleration function has the value zero at the beginning of the first subsection and also has the value zero at the end of the third subsection.
  • the acceleration function thus has a trapezoidal shape over the respective section.
  • the second slope has the negative value of the first slope, i. the first and the second slope are equal in magnitude and differ only by their sign.
  • Acceleration function of a section a symmetrical trapezoid, which further simplifies the determination of the parent functions.
  • the length of the first subsection of the acceleration function and the length of the third subsection of the acceleration function may be the same and be predeterminable as boundary conditions of the section.
  • the lengths of the first subsection, of the second subsection, and of the third subsection can be selected to be the same size, for example. This sets other free parameters of the root functions so that the root functions can be determined quickly, easily, robustly, and safely when performing the procedure.
  • the boundary conditions of the multiple sections include, for example, an initial stroke value of the valve at the beginning of the section, a length of the section, a final stroke value of the valve at the end of the section, a maximum stroke value of the valve within the section, a velocity of the valve at the beginning of the section, a velocity of the valve Valve at the end of the section or a maximum acceleration of the valve within the section.
  • an initial stroke value of the valve at the beginning of the section a length of the section
  • a final stroke value of the valve at the end of the section a maximum stroke value of the valve within the section
  • a maximum stroke value of the valve within the section a velocity of the valve at the beginning of the section
  • a velocity of the valve Valve at the end of the section a maximum acceleration of the valve within the section.
  • Boundary conditions can be chosen such that boundary conditions at the end of a section coincide with the boundary conditions at the beginning of the following section. This can be avoided in a simple way abrupt changes in acceleration, speed and the position of the valve between two sections.
  • the profile of the Sollhub werts the valve over the
  • Time interval related to a crankshaft rotation angle of a crankshaft of the internal combustion engine related. Since a control of the valves of the internal combustion engine is usually performed with respect to a current position of the crankshaft of the internal combustion engine, it is advantageous to look at the current position, speed and acceleration of a valve with respect to a rotational angle of the crankshaft, rather than with respect to time. Since the
  • crankshaft rotation angle at a certain speed of the internal combustion engine in a fixed relationship to time the position, speed and acceleration of the valve can equally be considered as functions of the rotation angle of the crankshaft.
  • Sollhubkurve determination unit determines and over, for example, a
  • Sollhubü be transmitted at the beginning and at the end of the section to the valve control device.
  • the valve control device may then determine a target lift curve for the section as previously described by defining each of a continuously definable function for the course of the desired lift value for each of the multiple sections.
  • the Sollhubkurve- determining unit may for example be part of an engine electronics of the internal combustion engine, whereas the valve control device may be a separate unit, which is coupled via the communication link with the engine electronics. This can be a
  • a device for controlling a valve of an internal combustion engine includes a valve control device for controlling the valve using a target lift curve and a target lift curve determination unit.
  • the Sollhubkurve describes a profile of the Sollhubmois the valve over a time interval or a rotation angle of a crankshaft of the internal combustion engine.
  • the target lift-curve determination unit is configured to divide the time interval into a plurality of sections and to set respective boundary conditions for each of the plurality of sections.
  • the Sollhubkurve determination unit is configured to define a continuously differentiable function for the course of the Sollhubwerts for each of the multiple sections.
  • the respective continuously differentiable function fulfills the respective boundary conditions of the respective section.
  • a vehicle including an apparatus for controlling a valve of an internal combustion engine as described above.
  • Figure 1 shows an acceleration function for valve, which can be used to define a dual continuous differentiable function for the course of the desired stroke value of the valve.
  • FIGS. 2-11 show various lift curve definitions based on acceleration lines according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 shows a stroke curve definition which is based on acceleration straight lines and composed of several sections, according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 schematically shows a device for controlling a valve of a valve
  • Figure 14 shows a lift curve definition for a valve according to an embodiment of the present invention having desired lift values at boundaries of portions that are transferred to a valve control device.
  • FIG. 15 shows a lift curve definition according to an embodiment of the present invention, which is based on the transmitted desired lift values of FIG.
  • a force on a valve is determined by a current in motor pitch circuits of a valve actuator.
  • the relationship between current and force is generally path-dependent.
  • the inductances of the electromotive fully variable valve train allow no direct specification of the current and thus the current is a state variable of the valve train. By specifying a terminal voltage to the valve train therefore results in a current gradient.
  • the actuator does not allow sudden current waveforms, no
  • Valve lift setpoint used. For this purpose, as shown in FIG. 1,
  • Acceleration distances 1-8 has a constant slope.
  • Sollhubkurven be used.
  • an acceleration trapezoid can be used, which is composed of three acceleration straight lines.
  • the acceleration trapezoid has a first gradient in a first subsection, a constant value in a second subsection, and a second gradient in a third subsection, which is equal in magnitude to the first gradient but has an inverse sign.
  • the first section and the third section have an equal length, so that the acceleration at the beginning and at the end of the trapezoid is the same.
  • the acceleration at the beginning of the trapezoid and at the end of the trapezoid is identically zero.
  • FIG. 2 shows a sequence in which the acceleration a has the constant value zero between an initial crankshaft rotation angle ⁇ ⁇ and an end crankshaft rotation angle ⁇ ⁇ .
  • the acceleration function thus represents a degenerate trapezoid with zero height.
  • Velocity value which was at the beginning of the sequence at ⁇ ⁇ . Assuming a positive speed, the stroke s of the valve thus increases between the initial crankshaft rotation angle ⁇ ⁇ and the final crankshaft rotation angle ⁇ ⁇ of s, to s M.
  • Sequence 2 stroke change in a predetermined time
  • Figure 3 shows a sequence in which, starting from an initial stroke s, and an initial velocity V; within a predetermined time or a predetermined crankshaft rotation angle ⁇ a final stroke s / +! should be achieved.
  • Boundary conditions start stroke s,, end stroke s, +1 , initial velocity v, and the
  • a factor f is given, which indicates a length of a portion of the sequence in which the acceleration a increases from zero to its maximum value a max .
  • the factor f can be, for example, 0.2, 1/3 or 0.4.
  • the factor f is also used to define the length of the subsection which is used to calculate the acceleration from a max to zero at the end of the
  • Sequence 3 reach predetermined stroke with speed and zero acceleration
  • FIG. 4 shows a sequence in which a predetermined final stroke s, + I at a given end
  • the maximum acceleration a max and the length of the sequence are calculated as the crankshaft rotation angle ⁇ .
  • Sequence 4 reaching a maximum stroke and returning to the starting stroke
  • Figure 5 shows a sequence in which the stroke s of the valve, starting from a
  • Start stroke s (is increased to a predetermined maximum stroke s max and then back to the initial stroke s, is controlled back. Further boundary conditions for this sequence is a suitable initial velocity v,.
  • a maximum acceleration a max for the acceleration trapezoid and a length of the sequence ⁇ are determined. As shown schematically in FIG. 5, the desired course of the valve lift s results from the acceleration trapezoid selected in this way.
  • Acceleration a is zero.
  • the stroke of the valve thus does not change during this sequence and remains constant at s ( .
  • Specify closing of the valve specified as boundary conditions.
  • the length ⁇ of the sequence is determined such that the boundary conditions for the opening and closing of the valve are met and thus the desired opening duration of the valve is ensured.
  • previous sequences or subsequent sequences are taken into account in order to determine the time or crankshaft rotation angle at which the valve opens or closes. This sequence thus ensures the desired opening duration and is therefore preferably used only once per Sollhubkurve for one cycle of the valve.
  • FIG. 8 shows a stroke course, a speed course and an acceleration course for a sequence in which the speed of the valve is based on an initial speed v, within a predetermined time or within a given time
  • predetermined crankshaft rotation angle ⁇ is increased to a final speed v i + 1 .
  • Acceleration trapezoid indicates a corresponding course of the acceleration for the valve, wherein the maximum value of the acceleration a Max according to the following equation
  • FIG. 8 shows the course of the stroke s of the valve over the crankshaft rotation angle ⁇ of the sequence.
  • Figure 9 shows a sequence in which the valve with a predetermined maximum
  • Sequence 9 Speed recording within a predetermined stroke
  • ⁇ (13) is a length of the sequence as a crankshaft rotation angle ⁇ and a
  • Sequence 10 reaching a predetermined stroke with speed and acceleration equal to zero
  • FIG 11 shows a sequence in which a valve, which with a
  • Figure 12 shows a Sollhubkurve 121 for a valve for opening and closing the valve, which is composed of seven sequences. Between 0 and approximately 60 ° of the crankshaft rotation angle ⁇ , the sequence 2 is performed, which opens the valve starting from an output stroke of approximately 0 mm to a final stroke of approximately 3 mm. With the help of the sequence 1, i. without further acceleration of the valve, the valve opens at constant speed further to approximately 7 mm at a
  • Acceleration is at this time, i. at a crankshaft rotation angle of approximately 130 °, zero.
  • sequence 6 begins which leaves the valve in the open position for a predetermined opening duration.
  • the opening duration is determined by a time
  • Valve opening and a time of valve closure defined.
  • a lifting height can be set, from which the valve is considered open.
  • this lifting height is drawn at approximately 0.5 mm as a line 124.
  • Start of opening is approximately 20 ° crankshaft rotation angle and the valve closes at approximately 270 ° crankshaft rotation angle.
  • the length of the sequence 6 is determined such that an opening period of approximately 250 ° crankshaft rotation angle is ensured.
  • the length of the sequence 6 in this example is approximately 30 ° and thus ends at approximately 160 ° crankshaft rotation angle.
  • another sequence 2 begins, reducing the valve's lift to the crankshaft rotation angle at approximately 210 ° to a value of approximately 7 mm.
  • another sequence 1 whereby the valve is set at a constant speed to a value of approximately 3 mm. This valve setting is at a
  • the Sollhubkurve 121 can be realized with an electric motor fully variable valve train.
  • the current for driving the actuator can be substantially proportional to the acceleration.
  • no sudden acceleration and therefore no sudden change are realized in order to realize the desired lift curve 121
  • the velocity profile 122 of the valve illustrates that the valve is at its end positions, i. reached the fully open state and the closed state with zero speed and zero acceleration. As a result, the valve gently sets in the cylinder head, whereby mechanical
  • Figure 13 shows schematically a device 131 for controlling a valve 132 of a
  • the device 131 includes a valve control device 133 which controls the valve 132 via an actuator 134 using a desired lift curve.
  • the Sollhubkurve describes a curve of a Sollhubmois the valve over a time interval or a crankshaft rotation angle, as previously described.
  • the device 131 comprises a Sollhubkurve determination unit 135, which is coupled to the valve control device 133 via a communication link 136 and which is configured, the Sollhubkurve as described above, depending on a state of
  • the state of the internal combustion engine may include, for example, a load state, a current torque, a current speed, a current boost pressure of a turbocharger of the internal combustion engine or a current temperature of the internal combustion engine.
  • the target lift-curve determination unit 135 may be, for example, part of an engine electronics of the internal combustion engine, whereas the valve control device 133 is a separate control device for controlling the valves of the internal combustion engine. Therefore, via the communication link 136, information for controlling the valve 132 is transmitted from the target lift-curve determination unit 135 to the valve control device 133. For example, via the communication link 136, the previously described sequences and their specific parameters (boundary conditions) can be transmitted. Alternatively, via the communication link 136, for example, start and
  • End point value pairs of the acceleration straight line, which form the acceleration curve, that is, for example, corner points of the acceleration curve 23 of FIG. 12 are transmitted.
  • a data reduction method may be used. This method will be described below by way of example with reference to FIGS. 14 and 15. In which
  • Data reduction methods are value pairs, which each include a crankshaft rotation angle and an associated Ventililsollhub transmitted via the communication link 136. These pairs of values are only transmitted for crankshaft rotation angles at which a sequence begins or ends. That is, only the desired lift values and the corresponding crankshaft rotation angles at the end points of the acceleration commands are transmitted via the communication link 136. Due to the fact that the
  • Acceleration trapezoids at the beginning and at the end each have the value zero, the acceleration trapezes can be reconstructed solely from the information about the crankshaft rotation angle and the associated valve set stroke.
  • only value pairs are transmitted at the end points of the following acceleration trapezes.
  • Crankshaft rotation angle has the advantage that an integration error of the stroke or the speed is minimized.
  • FIG. 14 shows, by way of example, a valve desired stroke curve 141 with associated speed curve 142 and acceleration curve 143, as used in the desired lift curve determination unit 135 was generated.
  • Figure 14 shows a further curve 144, which is the derivative of
  • Sequence represent degenerate trapezoids which have a constant value of zero.
  • the first trapezoid begins at a crankshaft rotation angle of 0 °, the second at a
  • Acceleration trapezoid ends at approximately 250 °.
  • valve control device 133 may be made of
  • Acceleration curve 143 determine the derivative of the acceleration (curve 144) to provide a regulator advance for the actuator 134.
  • valve control device 133 uses another factor f, for example, because the actuator 134 coupled to the valve control device 133 has other mechanical characteristics
  • Valve control device 133 in the reconstruction shown in Figure 15 Acceleration curve 153, which changed from FIG
  • Valve control device 133 is achieved.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine. Das Ventil wird unter Verwendung einer Sollhubkurve (121) gesteuert, welche einen Verlauf eines Sollhubwerts des Ventils (132) über einem Zeitintervall oder einem Winkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beschreibt. Die Sollhubkurve (121) 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 einfach oder mehrfach stetig differenzierbare Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts definiert. Die jeweilige stetig differenzierbare Funktion erfüllt die jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts. Durch Aneinanderreihen der stetig differenzierbaren Funktionen der mehreren Abschnitte wird die Sollhubkurve (121) gebildet.

Description

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)
Figure imgf000009_0001
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
Figure imgf000011_0001
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
Figure imgf000012_0001
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
Figure imgf000013_0001
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:
Figure imgf000014_0001
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.

Claims

Patentansprüche
. Verfahren zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine, wobei das Ventil (132) unter Verwendung einer Sollhubkurve (121 , 141 , 151) gesteuert wird, welche einen Verlauf eines Sollhubwerts des Ventils (132) über einem Zeitintervall beschreibt, und wobei die Sollhubkurve (121 , 141 , 151) automatisch bestimmt wird durch:
Teilen des Zeitintervalls in mehrere Abschnitte und Festlegen von jeweiligen
Randbedingungen für jeden der mehreren Abschnitte,
Definieren von jeweils einer stetig differenzierbaren Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts für jeden der mehreren Abschnitte, wobei die jeweilige stetig
differenzierbare Funktion die jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts erfüllt, und
Bilden der Sollhubkurve (121 , 141 , 151) durch Aneinanderreihen der stetig
differenzierbaren Funktionen der mehreren Abschnitte.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die stetig differenzierbare Funktion eine zweifach stetig differenzierbare Hubfunktion für den Verlauf des Sollhubwerts ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Definieren der jeweiligen zweifach stetig
differenzierbaren Hubfunktion umfasst:
Definieren einer jeweiligen Beschleunigungsfunktion (123, 143, 153), welche eine stückweise lineare Funktion ist, die in einem ersten Teilabschnitt des jeweiligen Abschnitts eine erste Steigung aufweist, in einem zweiten Teilabschnitt des jeweiligen Abschnitts einen konstanten Wert aufweist, und in einem dritten Teilabschnitt des jeweiligen Abschnitts eine zweite Steigung aufweist,
Bestimmen einer Geschwindigkeitsfunktion (122, 142, 152) durch Integrieren der Beschleunigungsfunktion (123, 143, 153) unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts, und
Bestimmen der zweifach stetig differenzierbaren Hubfunktion durch Integrieren der Geschwindigkeitsfunktion (122, 142, 152) unter Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die jeweilige Beschleunigungsfunktion am Anfang des ersten Teilabschnitts den Wert 0 aufweist und am Ende des dritten Teilabschnitts den Wert null aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei in dem jeweiligen Abschnitt die zweite
Steigung den negativen Wert der ersten Steigung aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, wobei in dem jeweiligen Abschnitt der erste Teilabschnitt und der dritte Teilabschnitt eine gleiche Länge aufweisen, wobei die Länge als Randbedingung f des Abschnitts vorgebbar ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, wobei in dem jeweiligen Abschnitt der erste Teilabschnitt, der zweite Teilabschnitt und der dritte Teilabschnitt eine gleiche Länge aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Randbedingungen der mehreren Abschnitte einen Anfangshubwert s, des Ventils am Anfang des Abschnitts, eine Länge des Abschnitts Αφ , einen Endhubwert si+1 des Ventils am Ende des
Abschnitts, einen Maximalhubwert s^ des Ventils innerhalb des Abschnitts, eine
Geschwindigkeit v, des Ventils am Anfang des Abschnitts, eine Geschwindigkeit vi+1 des
Ventils am Ende des Abschnitts und/oder eine maximale Beschleunigung aMax des
Ventils innerhalb des Abschnitts aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Randbedingungen derart gewählt werden, dass die Randbedingungen am Ende eines Abschnitts mit den Randbedingungen am Anfang des folgenden Abschnitts übereinstimmen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verlauf des
Sollhubwerts des Ventils über dem Zeitintervall mit einem Kurbelwellendrehwinkel φ einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Bezug gesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sollhubkurve (121 , 141 , 151) des Ventils (132) in einer Sollhubkurve-Bestimmungseinheit (135) bestimmt wird und zu einer mit dem Ventil (132) gekoppelten Ventilsteuervorrichtung (133) übertragen wird, und wobei nur Sollhubwerte an Grenzen der Abschnitte von der Sollhubkurve-Bestimmungseinheit (135) zu der Ventilsteuervorrichtung (133) übertragen werden.
12. Vorrichtung zum Steuern eines Ventils einer Brennkraftmaschine mit einer
Ventilsteuervorrichtung (133) zum Steuern des Ventils (132) unter Verwendung einer Sollhubkurve (121 , 141 , 151), wobei die Sollhubkurve (121 , 141 , 151 ) einen Verlauf eines Sollhubwerts des Ventils (132) über einem Zeitintervall beschreibt, und mit einer Sollhubkurve-Bestimmungseinheit (135), welche ausgestaltet ist,
das Zeitintervall in mehrere Abschnitte zu teilen und jeweilige Randbedingungen für jeden der mehreren Abschnitte festzulegen,
für jeden der mehreren Abschnitte jeweils eine stetig differenzierbare Funktion für den Verlauf des Sollhubwerts zu definieren, wobei die jeweilige stetig differenzierbare Funktion die jeweiligen Randbedingungen des jeweiligen Abschnitts erfüllt, und die Sollhubkurve (121 , 141 , 151) durch Aneinanderreihen der stetig differenzierbaren Funktionen der mehreren Abschnitte zu bilden. 3. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (131) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-11 ausgestaltet ist.
14. Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (131) zum Steuern eines Ventils (132) einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 13.
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