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Dokumentenidentifikation DE10147835B4 29.12.2005
Titel Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven eines Verbrennungsmotors
Anmelder Burkhardt, Christine, 73760 Ostfildern, DE
Erfinder Burkhardt, Christine, 73760 Ostfildern, DE
Vertreter Patentanwälte Wallach, Koch & Partner, 80339 München
DE-Anmeldedatum 27.09.2001
DE-Aktenzeichen 10147835
Offenlegungstag 24.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse F01L 3/24
IPC-Nebenklasse G01M 15/00   F02D 13/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Um den steigenden Anforderungen an Verbrennungsmotoren hinsichtlich Verbrauch, Abgasemissionen und Geräusch gerecht werden zu können, werden in zunehmendem Ausmaß variable Ventilhubsteuerungen verwendet. Bei der Entwicklung der Brennverfahren und der Ladungswechselabstimmung im Versuch ist eine laufende und genaue Kenntnis der wirksamen Ventilhubkurven wünschenswert. Weichheiten im Ventiltrieb, Fertigungstoleranzen und dynamische Effekte führen häufig zu Abweichungen der realen Ventilhubvorläufe von den konstruktiv vorgegebenen Verläufen und erschweren somit die Analyse und Simulation der intermotorischen Vorgänge.

Bekannte Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven sind sehr aufwendig, insbesondere dann, wenn sie eine ausreichende Genauigkeit aufweisen sollen.

Zu diesem Zweck sind optische oder induktive Verfahren bekannt, die eine direkte Messung der mechanischen Bewegung des Ventils ausführen. Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der DE-C1-199 34 503 bekannt, bei der die Bewegung des Ventils direkt durch Sensoren gemessen wird. Eine kapazitive Meßeinrichtung zur Messung des Ventilhubes ist weiterhin aus der DE 197 51 661 A1 bekannt.

Weiterhin ist aus der Veröffentlichung "Berechnung und Analyse intermotorischer Vorgänge", Vorlesungsmanuskript Universität Stuttgart 2001 von M. Bargende ein direktes Verfahren zur Ventilhubbestimmung bekannt, bei dem der Massenstrom durch die Ventilöffnungsquerschnitte mittels der Ausflußgleichung für eine adiabatisentrope Zustandsänderung eines kompressiblen Mediums berechnet wird. Aus dem Massenstrom und den Drücken vor und nach dem Ventil läßt sich der effektive Öffnungsquerschnitt berechnen. Aus dem Öffnungsquerschnitt kann dann der Ventilhub berechnet werden. Der Massenstrom kann hierbei mittels der Brennraumdruckmethode berechnet werden. Parallel dazu kann unter Einbeziehung der Auslaß- und Einlaßdruckverläufe der effektive Öffnungsquerschnitt mittels der Ausflußgleichung berechnet werden, worauf aus diesem Öffnungsquerschnitt der momentane Ventilhub bestimmt werden kann. Dieses Verfahren ist sehr einfach und mathematisch problemlos, ist jedoch gegenüber Meßfehlern bei der Bestimmung der Drücke sehr empfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven ausgehend von dem vorstehend genannten direkten Verfahren zur Ventilhubbestimmung in einfacher und genauer Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Zylinderdruckverlauf synthetisch ausgehend vom gemessenen Druckwert zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils berechnet. Durch systematische Veränderung der Vorgabewerte des synthetisch berechneten Ventilhubverlaufes und Vergleich der Differenz zwischen berechneten Zylinderdruckverlauf und einem auf der Grundlage des Zylinderdrucks, des Abgasdrucks und des Einlaßdrucks gemessenem Zylinderdruckverlauf und berechnetem Verlauf wird die Ventilhubkurve gesucht, bei der die Abweichung minimal ist. Als Bewertungsgröße dient hierbei jeweils die mittlere absolute Abweichung über das Betrachtungsintervall. Die wesentlichen zu variierenden Vorgabewerte sind der Öffnungszeitpunkt, die Ventilhubbreite und der maximale Ventilhub.

Die Optimierung in Richtung minimaler mittlerer absoluter Abweichungen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines hoch optimierten Simplexverfahrens.

Auf diese Weise kann sehr schnell eine Ventilhubkurve gefunden werden, bei der die Abweichung zwischen gemessenem Zylinderdruckverlauf und berechnetem Verlauf zu einem Minimum wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ventilüberschneidungsphase zur Berechnung der Bewertungsgrößen ausgeklammert, um Verfälschungen zu vermeiden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

2 eine Darstellung der Variationsgrößen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden,

3 den &Dgr;p-Verlauf bei einer Einlaß-öffnet- und Einlaßventil- Hubbreitenvariation,

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt, wobei ein einziger Zylinder 1 und lediglich zwei Ventile 2, 3 eines Verbrennungsmotors dargestellt sind. In dem Zylinder 1 wird durch einen Kurbeltrieb 4 ein Kolben 5 auf- und abwärts bewegt. Der Verbrennungsmotor weist weiterhin einen Einlaßkanal 6 und einen Auslaßkanal 7 auf, in dem jeweilige Einlaßdruck- bzw. Auslaßdruck-Sensoren 8 bzw. 9 angeordnet sind. In dem Zylinder ist weiterhin ein Brennraumdruck-Sensor 10 angeordnet. Die Ausgangssignale der Drucksensoren 8, 9, 10 werden über entsprechende Meßwandler 16, 17, 18 einer Auswerteeinheit 20 zugeführt, die eine Meßdatenerfassung 21 und eine Berechnungseinheit 22 für den Ventilhub aufweist. Der Auswerteeinheit 20 wird weiterhin ein Ausgangssignal eines Kurbelwellensensors als Triggersignal über eine Meßschaltung 23 zugeführt.

In der Berechnungseinheit 22 wird ein Zylinderdruckverlauf synthetisch ausgehend vom gemessenen Druckwert bei Auslaß öffnet auf der Grundlage des "direkten Verfahren" zur Ventilhubbestimmung mit der Einlaß-Auslaßmethode berechnet. Bei diesem "direkten Verfahren" gemäß der Veröffentlichung von M. Bargende "Berechnung und Analyse intermotorischer Vorgänge", Vorlesungsmanuskript Universität Stuttgart 2001, wird zunächst der Massenstrom dm/d&phgr; aus der folgenden Gleichung 1 berechnet:

gilt (kritisches Druckverhältnis).

Hierin ist der Aeff der effektive Strömungsquerschnitt, p1 der jeweils höhere Druck, p2 der jeweils niedrigere Druck, &rgr;1 die Dichte, &kgr; der Isentropenexponent und dt/d&phgr; die Zeit pro Kurbelwinkel.

Bei Kenntnis sowohl des Massenstromes dm/d&phgr; als auch der Drücke vor und nach dem Ventil läßt sich der effektive Öffnungsquerschnitt Aeff durch Umstellen der Gleichung 1 berechnen. Unter Einbeziehung des aus dem Blaslabor bekannten Zusammenhanges Aeff = &agr;k·Ak(Gl. 2) in der &agr;k der Durchflußbeiwert und Ak die Kolbenfläche ist, worin &agr;k = f(hv) bzw. hv = f(&agr;k) ist(Gl. 3) läßt sich der Ventilhub hv aus der Gleichung hv = f(Aeff/Ak)(Gl. 4) berechnen.

Der Massenstrom dm/d&phgr; wird mittels der Brennraumdruckmethode berechnet. Parallel dazu wird unter Einbeziehung der Auslaß- und Einlaßdruckverläufe der effektive Öffnungsquerschnitt Aeff mittels der Ausflußgleichung berechnet, um anschließend den momentanen Ventilhub hv zu bestimmen.

Nach dieser synthetischen Berechnung des Zylinderdruckverlaufes ausgehend vom gemessenen Druckwert bei Auslaß öffnet, kann durch systematische Veränderung des Ventilhubverlaufs und Vergleich der Differenz zwischen dem mit Hilfe der Sensoren 8, 9 und 10 gemessenen Zylinderdruckverlauf und dem berechneten Verlauf die Ventilhubkurve gesucht werden, bei der die Abweichung minimal ist.

Als Bewertungsgröße dient jeweils die mittlere absolute Abweichung über das Betrachtungsintervall:

Die Ventilüberschneidungsphase wird zur Berechnung der Bewertungsgrößen bewußt ausgeklammert, da nicht davon ausgegangen werden kann, daß die jeweils andere Ventilhubkurve korrekt ist.

Die wesentlichen zur systematischen Veränderung des Ventilhubverlaufs zu variierenden Größen sind der Öffnungszeitpunkt, die Ventilhubbreite und der maximale Ventilhub. 2 zeigt schematisch diese Variationsgrößen.

Im Unterschied zu dem Öffnungszeitpunkt, bei dem der Ventilhubverlauf lediglich auf der Kurbelwinkelachse verschoben werden muß, erfordern die beiden anderen Größen eine interpolierte Neuberechnung des Ventilhubverlaufes für jeden Rechenlauf ausgehend von einem Startverlauf. Alternativ hierzu kann bei voll variablen Ventiltrieben (mechanisch, elektromechanisch oder elektrohydraulisch) auch eine Tabelle möglicher Hubverläufe vorgegeben werden, aus welcher der für jeden Rechenlauf erforderliche Hubverlauf interpoliert wird.

Das Suchen der Ventilhubkurve, bei der die Abweichung minimal ist, wird damit zu einer maximal dreidimensionalen Optimierungsaufgabe für jeden Hubverlauf.

3 zeigt den &Dgr;p-Verlauf bei einer Einlaß öffnet- und Einlaßventilhubbreiten-Variation.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein hoch optimiertes Simplex-Verfahren verwendet, bei dem die Ventilhubkurve, bei der die Abweichung minimal ist, sehr schnell und zuverlässig gefunden werden kann. Hierbei ergeben sämtliche Rechnungen mit synthetischen Ladungswechselverläufen sehr exakte Ergebnisse, und das Verfahren ist immer in der Lage, den ursprünglichen Ventilhubverlauf exakt zu rekonstruieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber Meßfehlern hinsichtlich der Auslaß- und Einlaß-Druckverläufe als auch des Zylinderdruckverlaufs sehr unempfindlich, wobei selbst Fehler innerhalb von 20 mbar und +10 mbar des Einlaßdruckverlaufes zu Fehlern von weniger als 1 Grad KW führten. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der wirksamen Ventilhubkurven ein relativ fehlertoleranter robuster Algorithmus, der hohe Genauigkeiten ermöglicht.

Die Berechnungszeiten zur synthetischen Berechnung des Zylinderdruckverlaufes sind mit heutigen Prozessoren durchaus vertretbar.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Ladungswechselanalysen durchgeführt werden, auch wenn die tatsächlichen Ventilhubkurven nicht bekannt sind, sofern Vorgabe-Ventilhubkurven und &agr;k-Zahlen vorhanden sind, die dem Charakter des Ventiltriebes (z. B. entsprechende An- und Ablaufkurven bei Rollenkipp- oder Schlepphebeln) entsprechen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin auch als Prüfverfahren in der Produktion geeignet, um den korrekten Einbau von Nockenwellen bzw. der Ventilsteuerung zu kontrollieren.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinderdruckverlauf synthetisch auf der Grundlage von Vorgabewerten für den Öffnungszeitpunkt, die Ventilhubbreite und den maximalen Ventilhub des Ventils ausgehend vom gemessenen Druckwert zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils berechnet wird, daß der synthetisch berechnete Zylinderdruckverlauf mit einem auf der Grundlage des Abgasdrucks und des Einlaßdrucks gemessenem Zylinderdruckverlauf verglichen wird und daß durch systematische Veränderung der Vorgabewerte eines synthetisch berechneten Ventilhubverlaufes und Wiederholung des Vergleichs zwischen dem gemessenem Zylinderdruckverlauf und dem berechnetem Verlauf die Ventilhubkurve ermittelt wird, bei der die Abweichung minimal ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewertungsgröße für den Vergleich jeweils die mittlere absolute Abweichung über das Betrachtungsintervall verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung in Richtung minimaler mittlerer absoluter Abweichungen mit Hilfe eines hoch optimierten Simplexverfahrens erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilüberschneidungsphase zur Berechnung der Bewertungsgrößen ausgeklammert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetische Berechnung des Ventilhubverlaufs nach einem direkten Verfahren auf der Grundlage des Massenstroms durch den Ventilöffnungsquerschnitt und parallele Berechnung des effektiven Öffnungsquerschnitts mittels der Ausflußgleichung berechnet wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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